892

Решение этой системы уравнений и определит значения параметров, оптимизирующих функцию.

Помимо определения координат центра поверхности отклика при исследовании моделей второго порядка желательно установить тип поверхности и место оптимума – внутри области варьирования факторов или на границах этой области.

Часто для решения этой задачи используют метод двухмерных сечений поверхности отклика (например, y f (x1, x2 ) и т.д.), которые пред-

ставляют собой изолинии величины y.

Опыт исследования моделей, связанных с работой сельскохозяйственной техники, позволил акад. П.М. Василенко [49] определить, что поверхностями отклика чаще всего являются параболический цилиндр, эллиптический параболоид и гиперболический параболоид (рис. 6.10).

Поскольку исследование моделей второго порядка связано с многочисленными и трудоемкими вычислениями, то его осуществляют на компьютере с помощью разнообразных программ, например, STATGRAPHICS Plus for WINDOWS и др. Опыт исследования поверхностей отклика в среде EXCEL подробно изложен в работе М.И. Юдина [50], а примеры использо-

вания статистических пакетов STATGRAPHICS-2.1, STATGRAPHICS for WINDOWS, STATISTIKA-5.0 – в книге А.М. Валге [51].

Рис. 6.10. Геометрические образы поверхностей второго порядка:

а) – эллиптический параболоид; б) – параболический цилиндр; в, г - разновидности гиперболического параболоида

201

6.2.6. Средства измерений и метрологический контроль за ними

Вметодике экспериментальной работы большое внимание отводится выбору средств измерений и метрологическому контролю за их состоянием.

При выборе средств измерений в первую очередь следует отдать предпочтение стандартным, серийно выпускаемым приборам, работа на которых регламентируется инструкциями, государственными или отраслевыми стандартами и другими официальными документами.

Вотдельных случаях возникает потребность в создании лабораторных установок (в частности, для исследования того или иного технологического процесса) и оснащения их уникальными приборами и измерительными системами. При создании новых приборов, тем не менее, желательно использовать узлы выпускаемых приборов, реконструировать существующие средства измерения.

Ответственным моментом, завершающим эту работу, является установление точности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки – метрологии, обеспечивающих достижение требуемой точности.

ВРоссии всеми работами в области стандартизации, метрологии и сертификации руководит высший орган – Федеральное агентство по тех-

ническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование). Оно осу-

ществляет лицензирование деятельности по изготовлению и ремонту средств измерений, функции по государственному метрологическому контролю и надзору, а также контроль и надзор за соблюдением обязательных требований государственных стандартов и технических регламентов. Агентство осуществляет руководство непосредственно через свои территориальные органы и через подведомственные организации (рис.6.11).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метроло-

гии руководит Государственной метрологической службой (ГМС), которая несет ответственность за метрологическое обеспечение измерений в стране на межотраслевом уровне и государственный метрологический контроль и надзор.

Основная деятельность органов ГСМ направлена на обеспечение единства измерений в стране. Она включает создание государственных и вторичных эталонов, разработку систем передачи размеров эталонов рабочим системам измерений, метрологическую экспертизу документации, государственный надзор за производством, ремонтом и применением средств измерений, методическое руководство метрологическими службами юридических лиц.

Такие службы создаются на предприятиях, в крупных учебных и научных центрах.

При выполнении работ в сферах государственного метрологического надзора и контроля создание МС обязательно.

Как правило, это самостоятельные структурные подразделения, в состав которых могут входить калибровочные и поверочные лаборатории, а

202

также подразделения по ремонту систем измерений.

Метрологические службы юридических лиц подлежат аккредитации на срок, не превышающий 5 лет.

Рис. 6.11. Схема деятельности Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

К полномочиям государственного метрологического контроля и надзора относятся следующие сферы деятельности:

-здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда;

-геодезические и гидрометеорологические работы;

-банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции;

-производство продукции, поставляемой по контрактам для государственных нужд;

-измерения, проводимые по поручению органов судов, прокуратуры, арбитражного суда, государственных органов;

-регистрация национальных и международных спортивных рекор-

дов;

-инспекционные проверки в рамках государственного надзора для подтверждения качества первичных и периодических поверок, осуществляемых метрологическими службами юридических лиц.

В остальных случаях предприятия и организации вправе сами выбирать формы и режимы контроля средств измерений.

Основными формами контроля за состоянием средств измерений являются поверки и калибровки. Основные задачи поверок: обеспечение правильной передачи размеров единиц физической величины от эталона или образцового средства к рабочим средствам измерений (рис.6.12).

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие. Первичный эталон воспроизводит единицу физической величины с

наивысшей точностью, возможной для данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Он может быть меж-

203

дународным (храниться в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в Севре, вблизи Парижа, или национальным (государственным).

Рис. 6.12. Общий вид государственной поверочной схемы

Государственные эталоны периодически сличают с международны-

ми.

Вторичные эталоны могут утверждать Федеральное агентство по техническому регулированию или государственные научные метрологические центры.

Среди вторичных эталонов различают эталоны-свидетели, предназначенные для проверки сохранности государственного эталона или замены его в случае порчи или утраты.

Эталоны сравнения, применяемые для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть сличены друг с другом или при проведении так называемых «круговых» сличений эталонов разных стран.

Эталоны-копии используются для передачи информации о размере рабочим эталонам. Рабочие эталоны, в свою очередь, служат для передачи

204

информации нижестоящим эталонам (1, 2, 3 и 4-го разрядов) и другим средствам измерений.

При многоступенчатой передаче эталонная точность не доходит до потребителя, поэтому для высокоточных средств измерений число ступеней может быть сокращено вплоть до передачи им информации о размере единицы от эталона-копии.

Эталонная база России насчитывает более 150 государственных эталонов (механических, электрических, магнитных, тепловых, световых др.).

Существует несколько видов поверок:

-первичная, которую производят при выпуске прибора, его ремонте или при ввозе из-за границы;

-периодическая, через определенные межповерочные интервалы, которые зависят от типа прибора, ответственности, к которой могут привести неверные показания (риском может быть жизнь людей);

-для приборов, используемых при исследованиях сельскохозяйственной техники, межповерочные интервалы в основном составляют 1…2 года;

-внеочередная (повреждено клеймо, утеряны документы);

-экспертная – при возникновении разногласий.

Калибровка средств измерений

Калибровку приборов может осуществлять любая аккредитованная организация. Построение Российской системы калибровки (РКС) основывается на следующих принципах: добровольность вступления, обязательность получения размеров единиц от государственных эталонов; профессионализм и компетентность персонала, самоокупаемость и финансирование

(рис. 6.13).

Основное звено РКС – калибровочная лаборатория.

Калибровка средства измерений – это совокупность операций, выполняемых калибровочной лабораторией с целью определения действительных значений метрологических характеристик и пригодности средства измерений к применению.

Особенно актуальна калибровка для нестандартных средств измерений или сложных измерительных систем, созданных для сугубо индивидуальных целей.

Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах.

Методы поверки (калибровки) и поверочные схемы

Допускается применение четырех методов поверки (калибровки) средств измерений: непосредственное сличение с эталоном; сличение с помощью компаратора; прямые измерения величины; косвенные измерения величины.

205

Метод косвенных измерений используют, когда действительные значения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями, либо когда косвенные измерения оказываются более точными.

Примером косвенных измерений может служить определение влажности воздуха по его температуре и точке росы.

Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерения от эталонов к рабочим средствам измерения составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих органов.

Поверочные схемы могут быть государственными (в масштабах страны) или локальными (разрабатываются метрологическими службами предприятий и организаций).

Своевременное проверочное метрологическое обеспечение научных исследований и особенно обеспечение единства измерений может существенно повысить качество работ и уверенность экспериментатора в достижении успеха в работе.

Рабочее место экспериментатора и его организация

Рабочее место экспериментатора может быть в лаборатории (стационарное), в передвижных лабораториях и на мобильных агрегатах.

Во всех случаях у экспериментатора должен быть стол того или иного вида, желательно, чтобы на рабочем месте было хорошее освещение, чтобы на столе были розетки для включения приборов и паяльников.

К моменту начала эксперимента должны быть подготовлены журналы и тетради для записи промежуточных результатов.

Нужно стремиться к тому, чтобы в журнале не было исправлений, а если это случится, то нужно указать причину.

Исполнитель обязан постоянно следить за работой приборов, соблюдать требования техники безопасности, пожарной профилактики.

Влияние психологических факторов на ход и качество эксперимента

В процессе проведения опытов измерения различных показателей не могут быть выполнены абсолютно точно. Погрешности возникают вследствие неточностей приборов, несовершенства методик, влияния ряда неучтенных факторов, субъективных особенностей экспериментатора. Если случайные ошибки могут как-то быть оценены методами математической статистики, то исправить субъективные бывает очень трудно.

Источниками субъективных оценок часто являются психологические или психофизиологические причины – плохое зрение, нечеткое изображение и освещение шкал приборов, вызывающие утомляемость экспериментатора.

Психологическими причинами являются различные психологические барьеры и инерционность мышления.

Часто новые неожиданные результаты эксперимента исследователь стремится понять в рамках старых, привычных представлений, и если они не укладываются в прежние понятия, то рассматриваются как промахи и

207

отбрасываются. Иногда исследователь в процессе анализа результатов эксперимента бессознательно подгоняет экспериментальные данные в рамки выдвинутой гипотезы. Если обнаруживаются факты, противоречащие гипотезе, то при большом желании всегда можно объяснить их появление каки- ми-то случайными воздействиями.

Делать это нельзя помимо нравственного, но еще, по меньшей мере, двум прагматическим соображениям.

Следует иметь ввиду, что аналогичные исследования где-то уже могли быть, или ведутся одновременно с вами, а может быть, будут повторены

вбудущем. Так или иначе, ошибка обязательно будет вскрыта (наука на то и наука).

Ну а самое главное, успокоившись за модель с противоречивыми результатами, теряется время на поиск причин неудачи и последующего совершенствования модели. Очень уж показателен в этом смысле случай, с которым столкнулись физики-атомщики в 30-е годы прошлого столетия, когда с помощью нейтронов начали расщеплять атомное ядро. В опытах оказывалось, что масса осколков ядра меньше исходного. Разумеется, прежде всего, списали этот факт на ошибку опыта.

Австрийский физик Лиза Мейтнер первой усомнилась в возможности ошибки (терялась 1/5 часть протона, а опыты проводились с особой тщательностью) и предположила возможность превращения потерянной массы

вэнергию (следуя формуле А.Эйнштейна Е = mc2).

Подсчеты показали, что потерянная часть массы протона соответствует 200 миллионам электронвольт энергии.

Таким образом, объяснение «неудачных» опытов привело к открытию мощного источника энергии.

208

7.0. Обработка результатов исследований

7.1. Ошибки измерений и их классификация

Все экспериментальные данные получены путем измерения некоторых (как правило, в сфере механики) физических величин.

Под измерением обычно понимают сравнение измеряемой величины с ее эталоном. Поскольку при обычных технических измерениях использование истинных эталонов недоступно, то такое определение требует уточнения. В настоящее время считают, что измерение – это совокупность опе-

раций по применению технического средства, хранящего единицу физиче-

ской величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины [51].

В этом определении учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть (сравнение с единицей, зафиксированной на том или ином носителе) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

Кроме всего прочего, данное определение позволяет предвидеть и возможность появления ошибок измерений, которые могут возникнуть в результате несовершенства методики (например, свойства материала, допустим, почвы, могут измениться во время опытов; свойств и точности технического средства, хранящего единицу измерения (класс точности прибора или другого измерительного средства).

Поспорить с определением можно в его заключительной части «…получить значение этой (измеряемой) величины». Из-за неизбежности ошибок и ограничения количества измерений «получить значения», видимо, невозможно. Речь должна, по-видимому, идти только об оценке измеря-

емой величины и ее интерпретации.

Таким образом, в задачу измерений и обработки их результатов должны войти оценки ошибок, связанных как непосредственно с процедурой сравнения с эталоном, так и обобщениями результатов, полученных на ограниченном количестве объектов (выборке) на всю генеральную совокупность. Иными словами, при измерении необходимо произвести оценку измеряемой величины и указать на возможную степень отклонения от истинного значения.

Поскольку причин возникновения ошибок измерений много, то это не может не отразиться на их классификации. Существует несколько признаков, по которым классифицируются ошибки измерений, например, по

происхождению (личные, внешние, методические); по форме числового вы-

ражения (абсолютные, относительные, приведенные) и т.д. Но наиболее распространенным основанием классификации является закономерность

их появления: систематические, случайные и промахи (грубые ошибки).

Одной из основных забот при измерениях должно быть исключение или, во всяком случае, учет систематических ошибок. Систематические ошибки могут существенно исказить результаты измерений (допустим, из-

209

меряют урожайность зерновых культур без учета влажности). Среди систематических ошибок выделяют:

-ошибки, природа которых известна, их величина может быть достаточно точно определена (например, температурное удлинение деталей, влияние влажности на физико-механические свойства и т.д.), так что их можно при обработке результатов исключить поправками;

-ошибки известного происхождения, но неизвестной величины (погрешности измерительных приборов могут быть оценены по метрологическим характеристикам);

-ошибки, о существовании которых исследователь не знает, хотя величина их может быть значительной (допустим, измеряется плотность некоторого образца, а внутри его оказалась раковина или какое-либо включение).

Если существует опасность возникновения таких ошибок, то используют приборы, исключающие их появление (принцип заранее подложенной подушки). Например, при определении плотности сыпучих материалов применяют так называемые литровые пурки, в которых процесс заполнения организован так, что образование пустот внутри образца исключается, и обеспечивается заранее лимитированное уплотнение материала.

В сомнительных и неожиданных случаях желательно провести контрольное измерение на другом образце и иными средствами.

Случайные ошибки – это такие погрешности, причины которых неизвестны, предсказать и учесть их нельзя. Обнаруживаются ошибки тем, что при повторных измерениях результаты оказываются различными.

Случайные ошибки образуются в результате действия мелких не учитываемых причин, каждая из которых вносит небольшой вклад в общую ошибку.

Проведение некоторого числа повторных опытов и использование методов теории вероятностей и математической статистики позволяют уточнить результат измерения, т.е. найти оценку измеряемой величины, более близкую к действительному значению, чем результат одного измерения.

Погрешности отдельных измерений, вызванные случайными причинами, не следует смешивать с тем, что разница в показаниях приборов часто связана с тем, что измерению подлежат некоторые случайные величины или случайные процессы, имеющие несравнимо большую изменчивость по сравнению с приборными помехами.

В то же время методика оценок случайных ошибок является общей – математическая статистика.

Промахи – грубые погрешности, связанные с ошибками оператора, сбоями в измерительных цепях или неучтенными внешними воздействиями (например, наезды почвообрабатывающих машин на камень, корень и т.п.).

Достаточно часто бывает трудно отделить грубые погрешности от экстремальных значений измеряемой величины.

В сомнительных случаях исключать подозреваемые на промах показания можно только после анализа с использованием современных методов математической статистики.

210