1208

1.Формулировка темы. В ходе этого этапа происходит общее ознакомление с существующей проблемой и предварительное ознакомление с литературой. Далее формулируется тема исследования. При этом составляется план, разрабатывается техническое задание. Определяется ожидаемый технико-экономический эффект.

2.Формулировка цели и задач исследования. Данный этап предполагает изучение и подбор научно-технической литературы

ианализ информации. Ставится цель и задачи исследования.

3.Теоретические исследования. На этом этапе происходит изучение физической сущности рассматриваемого явления, формулировка гипотез, а также обоснование и выбор физической модели. Позднее производится математизация модели с получением аналитических решений и их последующим анализом.

4.Экспериментальные исследования. После разработки цели

изадач экспериментального исследования проводят планирование эксперимента, разрабатывают методики его проведения и выбирают средства измерения. Заканчивают этап непосредственно экспериментом и обработкой полученных опытных данных.

5.Анализ и оформление проведенных исследований. На этом

этапе происходит сопоставление результатов экспериментов

стеоретическими данными и анализ расхождений. Теоретические модели уточняются и проводятся дополнительных эксперименты,

спомощью которых становится возможным переход гипотезы в теорию. Этот этап завершается формулировкой научных и производственных выводов и написанием научно-технического отчета.

6.Внедрение полученных результатов исследования в производство. Определение полученного экономического эффекта.

Трудоемкость отдельных этапов научно-исследовательских работ различна. Как правило, теоретические исследования требуют больших затрат умственного труда, на этом этапе велика вероятность неудач. Наиболее трудоемкой и металлоемкой остается экспериментальная часть.

11

1.6. Источники научной информации

Поиск в потоке научно-технической информации самого актуального по избранной теме научно-исследовательской работы – задача сложная. Ежегодно издаются тысячи книг и журналов по различным вопросам. Однако и неопубликованным остается значительное количество научно-технической информации.

Основные носители информации:

–монографии;

–периодические издания (бюллетени, журналы, научные сборники и т.п.);

–нормативная документация (инструкции, нормативы, стандарты и др.);

–прейскуранты и каталоги;

–патенты;

–отчеты по научно-исследовательским и опытно-конструктор- ским работам;

–информационные издания и брошюры, информационные листки и т.п.;

–диссертации и авторефераты к ним.

В ходе поиска следует уделять внимание изучению иностранных источников, как в переводных изданиях, так и в оригинале. Полагаться на анализ литературы, проведенный другими авторами, не рекомендуется. Это связано с тем, что каждый автор просматривает литературу в применении к своим исследованиям. Важными принципами поиска информации являются настойчивость и систематичность.

На основании анализа научно-технической информации для выбранной темы исследования ставится цель, к которой идут при выполнении исследовательской работы. Соответственно цели формулируются задачи.

12

1.7. Разработка методики теоретических и экспериментальных исследований

Правильно составленная и обоснованно выбранная методика гарантирует надежность полученных данных при выполнении исследований. Разработка методики исследований важный этап выполнения научно-исследовательской работы. Методика должна включать и теоретические, и экспериментальные исследования.

Теоретические исследования проводят, как правило, методом моделирования. Используемая модель представляет собой искусственную систему, отображающая интересующие исследователя свойства изучаемого объекта-оригинала.

Применяются следующие виды модели: физические, натурные и математические. Физические модели наглядно представляют протекающие процессы и позволяют исследовать влияние на течение этих процессов отдельных параметров. Математические модели дают возможность количественно исследовать явления, для которые затруднено изучение на физических моделях. Модели натурные – не что иное, как масштабно изменяемые объекты, они позволяют в натурных условиях наиболее полно исследовать протекающие процессы.

Полученная модель должна отображать существенные явления процесса и при этом быть оптимальной. Усложняет модель излишняя детализация, что приводит к затруднению теоретических исследований. Излишне упрощенная модель не обеспечит требуемой точности. С появлением ЭВМ и особенно персональных компьютеров проведение теоретических исследований многократно ускорилось.

Можно выделить следующие основные этапы в процессе моделирования на персональных компьютерах:

1.Выбор характеристик и основных факторов процесса и установление взаимосвязи между ними с использованием математического аппарата.

2.Перевод математического описания в форму, воспринимаемую персональными компьютерами.

13

3.Подбор или составление программного обеспечения.

4.Проведение исследований на персональных компьютерах.

5.Анализ полученных результатов.

6.Сопоставление этих результатов с опытными данными. Экспериментальные исследования − основной метод получе-

ния новых научных знаний, основанный либо на эксперименте, либо на наблюдении явления в точно учитываемых условиях. В ходе эксперимента следят за ходом процесса, управляя им и стремясь воссоздать его каждый раз при повторении заданных условий. Цель эксперимента проверка теоретических положений, а также получение количественных данных для оценки значимости факторов разрабатываемой модели.

Экспериментальные исследования бывают производственные

илабораторные. Производственный эксперимент изучает процесс

вреально существующих условиях, рассматривая воздействие разных случайных факторов в производственной среде.

Лабораторные эксперименты проводятся с использованием специальных установок, приборов, стендов и т.п. Они позволяют наиболее полно и качественно, с соблюдением условия повторяемости изучить взаимосвязь одних характеристик при стабильных значениях других. При правильном и подробном научном обосновании эксперимента, также называемом математическим планированием, лабораторные эксперименты позволяют с минимальными затратами получить научную информацию. Следует учитывать, что лабораторные опыты не всегда идеально моделируют реальный ход исследуемого процесса.

План или программа любого эксперимента содержит:

–наименование темы проводимого исследования;

–формулировку рабочей гипотезы;

–формулировку и описание методики эксперимента;

–перечень используемых установок, приборов и материалов;

–перечень исполнителей с конкретными заданиями;

–календарный план работ с разбивкой по срокам;

–смету работ.

14

Основу плана-программы работ составляет методика эксперимента, которая включает в себя:

–цель и задачи исследования,

–подбор варьируемых факторов,

–выбор средств измерений и необходимого количества изме-

рений,

–подробное описание последовательности измерений и используемых для этого средств,

–обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Важную роль, определяющую эффективность эксперимента, играет выбор варьируемых факторов (характеристик), влияющих на исследуемый процесс. В ряде случаев необходим предварительный поисковый эксперимент, проводимый для правильного отбора параметров. В случае большого числа переменных целесообразно использовать принцип многофакторного анализа.

2.МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Понятие об измерении

Измерением называется нахождение физической величины опытным путем с использованием специальных технических средств – средств измерений.

При измерении физическая величина сравнивается с некоторым ее значением, принятым за единицу. Результат измерения (значение физической величины) представляет собой, как правило, именованное число: числовое значение измеряемой величины и наименование единицы. Например, U = 1,5 В; P = 0,27 кВт, F = 528 Гц.

Единица физической величины Q – это физическая величина, размеру которой присвоено числовое значение 1. Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая». Термин «параметр» применяют для обозначения частных особенностей физических величин.

15

В нашей стране с 1980 г. введена в качестве обязательной Международная система единиц (СИ). Все основные единицы и многие их производные воспроизводятся в настоящее время с помощью эталонов с высокой точностью.

Как бы тщательно ни проводилось сравнение измеряемой величины с единицей, результат измерения будет содержать некоторую неточность, обусловленную влиянием различного рода факторов и их наложением, которая характеризуется погрешностью.

Погрешностью измерения физической величины называется отклонение результата измерения Qизм от истинного значения Qист измеряемой величины:

Q* Qизм Qист.

Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Поскольку истинное значение недостижимо, вместо него используют действительное значение.

Действительным значением физической величины Qд называется ее значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

В теории измерений, таким образом, приняты два постулата: первый – о существовании истинного значения, второй – о неизбежности погрешностей.

Результат измерения обязательно должен сопровождаться данными о погрешности измерения Q. Поскольку погрешность измерения всегда имеет вероятностный смысл, должна быть оценена и вероятность ее появления Р. Следовательно, результат измерения должен содержать числовое значение измеряемой величины, наименование единицы, значение погрешности и ее вероятность: n(Q),Q, P. Например, в случае измерения элементного напряжения запись будет выглядеть следующим образом: U = 1,15 B, U = 0,05 B, P = 0,95. Погрешностью характеризуется точность измерений: чем меньше погрешность, тем выше точность.

16

Наука об измерениях называется метрологией. К проблемам метрологии относятся: общая теория измерений, методы и средства измерений, методы определения точности, единицы измерения, эталоны, обеспечение единства измерений.

К основным элементам процесса измерения относятся: объект измерения, условия измерения, принцип измерений, метод измерений, человек – оператор, производящий измерение (субъект измерения).

По способу нахождения числового значения измеряемой величины измерения подразделяются на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямые измерения – это измерения, при которых искомое значение величины y находят непосредственно из опытных данных х. Например, измерение напряжения вольтметром. Математическая зависимость между измеряемыми и определяемыми путем прямых измерений величинами называется уравнением измерения. Оно имеет вид y = x.

Косвенные измерения – это измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной математической зависимости между этой величиной и величинами-аргумен- тами, полученными при прямых измерениях. Например, измерение мощности Р по измеренным значениям тока I и сопротивления R: P = RI2. Уравнение косвенного измерения

y = (x1, x2, …, xn),

где xi аргументы.

В связи с развитием микроэлектронной элементной базы и преобразовательной техники развивается тенденция аппаратурно реализовывать функциональную зависимость между измеряемой величиной и аргументами и, таким образом, сведение косвенного измерения к прямому измерению.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений

17

может служить измерение сопротивления при нормальной температуре и температурных коэффициентов по данным прямых измерений температуры и сопротивления при различных температурах.

Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемой при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений может служить измерение емкости двух конденсаторов по результатам измерения емкости каждого из них в отдельности, а также при последовательном и параллельном их соединении.

По точности измерения делят на три группы:

1.Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне науки и техники. Это измерения, связанные с созданием эталонов, и измерения физических констант.

2.Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторых заданных значений. К этой группе относятся измерения, выполняемые службами надзора и измерительными лабораториями предприятий.

3.Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений, регламентированными условиями измерений и оценивается до проведения измерений. При научных исследованиях проводят измерения и с максимально достижимой точностью, и с заданной точностью, диктуемой условиями эксперимента, и технические измерения.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными в метрологии называют измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или использовании физических констант. Например, измерение силы электрического тока в амперах, кратных и дольных единицах. Часто под абсолютными измерениями понимают такие измерения, при которых результат измерения выражен в установленных для данной физической величины единицах.

18

Относительными называют измерения отношения физической величины к одноименной, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

2.2. Обеспечение единства измерений

Измерения имеют огромное познавательное значение. Д.И. Менделеев говорил, что наука началась тогда, когда начали измерять, точная наука немыслима без меры. У. Томсон (Кельвин) отмечал, что каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить.

Поскольку между физическими величинами и их числовыми значениями существует линейная зависимость, связь между физическими величинами может быть выражена с помощью математического аппарата. При этом форма уравнений не зависит от размера единицы. Таким образом, благодаря измерениям к познанию природы привлекается математический аппарат. Без измерений нельзя доказать правильность или несостоятельность той или иной теории.

Если эксперимент не подтверждает сложившиеся теоретические представления, то создаются предпосылки для выдвижения новых идей и гипотез.

Значительную роль играют измерения на всех этапах производства изделий: измерение параметров исходных материалов

иизделий, измерение режимов технологических процессов, измерения с целью контроля качества готовых изделий. Основные технические требования к изделию, к показателям его надежности и долговечности, а также требования к сырью, материалам, инструменту

иоборудованию определяются стандартами. Метрология является научно-технической базой стандартизации, так как уровень этих требований определяется системой измерений. Таким образом, проблема повышения эффективности и качества выдвигают задачу повышения точности измерений и обеспечения надежного единства измерений. Без единства измерений не может быть и единства оценок качества.

19

Для успешного решения задач в науке, технике, народном хозяйстве необходимо обеспечить единство измерений: результаты должны быть выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Целью обеспечения единства измерений является достижение сопоставимости результатов измерений одних и тех же величин, производимых в разных местах в разное время и с помощью различных средств измерений. Только при этом условии может быть достигнута одинаковая интерпретация получаемой измерительной информации, т.е. необходимая объективность. Принципиально важным элементом процесса измерения является средство измерений. Средства измерений должны быть проградуированы в узаконенных единицах, применяться по правильной методике. Их метрологические свойства должны соответствовать нормам. Это условие получило название единообразия средств измерений.

2.3. Погрешности и точность измерений

Одной их важнейших задач научной и практической деятельности исследователя и инженера является измерение различных величин. Процесс измерения каких-либо параметров всегда сопровождается ошибками. Погрешность любых измерений, как правило, вызывается следующими причинами:

–ограниченной точностью и чувствительностью измерительной аппаратуры и органов чувств человека;

–влиянием внешних (посторонних) факторов на результат измерения;

–физическими свойствами измеряемого объекта.

В связи с этим при измерениях необходимо не только определить измеряемую величину, но и произвести оценку точности метода измерения.

Наука об измерениях, средствах и методах измерений называется метрологией. Она включает в себя как составную часть теорию погрешностей.

20