7. 5. Последовательность проведения эксперимента

После выбора фундаментальных переменных, уменьшения их числа, проведения планирования и приборного оснащения эксперимента, а также проверки точности аппаратуры исследователь может приступить непосредственно к проведению опытов. При этом необходимо рационально спланировать последовательность действий, чтобы свести к минимуму возможные ошибки, исключить выход из строя оборудования и получить максимально полезные данные.

Одной из важнейших задач в этом смысле является определение интервалов между экспериментальными данными. Следует отметить, что лишь для немногих экспериментов удается априорно точно оценить объем экспериментальной работы. При малом объеме экспериментальных данных можно не найти требуемую функцию, получить низкую точность или не заметить какой-либо слабый эффект. Например, при определении коэффициента лобового сопротивления при малом числе данных можно пропустить максимум в области чисел Маха близких к единице (Рис. 8.3,а).

С другой стороны, при слишком большом объеме данных время проведения эксперимента увеличивается, затраты на его проведение и обработку растут, а в некоторых случаях не позволяют обнаружить некоторые эффекты. Например, при построении графика зависимости напряжений  от деформации  можно не заметить «площадку текучести» (Рис. 7.3, б)

а) б)

Рис. 7. 3. Влияние числа опытных данных на точность эксперимента:

-истинная кривая, - кривая, полученная по экспериментальным точкам.

Выбор числа экспериментальных точек следует начинать с определения экстремальных значений показаний приборов, то есть с нахождения области исследуемых значений. Экстремальные значения определяются как ожидаемыми значениями измеряемой величины в исследуемом процессе, так и возможностями оборудования. Например, при определении распределения температуры в горящем порохе, которая может изменяться в интервале 220 – 3200 ⁰К, следует использовать термопару из сплава вольфрама с рением, температура плавления которого высока.

Если функция зависит от нескольких переменных, то для каждой из них определяется область исследуемых значений. Далее эта область разбивается на ряд интервалов (обычно бывает достаточно 8 – 10 интервалов) и проводится эксперимент при этих значениях. Если при каких-либо значениях независимых переменных наблюдается интенсивное изменение функции, то в этой области выбирают дополнительное число экспериментальных точек (на Рис. 7. 4. этот интервал заштрихован).

Рис. 7. 4. Выбор числа экспериментальных точек.

Как уже было сказано, точность определения значения функций в значительной степени зависит от числа измерений, выполненных при выбранном значении аргумента (пропорционально ). Поэтому при каждом значении аргумента следует провести несколько замеров, обращая внимание на относительную точность на различных участках области исследуемых значений. Чем ниже эта точность, тем большее количество измерений требуется. При этом следует стремиться к тому, чтобы в любой части экспериментальной кривой относительная точность была неизменной.

После выбора интервалов между точками необходимо решить вопрос о последовательности проведения измерений. Следует отметить, что во многих экспериментах возможность выбора последовательности мала или вообще отсутствует. Это относится, прежде всего, к астрономии и «наукам о Земле».

Выбор последовательности проведения эксперимента во многом определяется возможностью его воспроизведения и стоимостью объекта испытания. Например, при подборе навески воспламенителя для РДТТ целесообразно начинать эксперимент с малых навесок.

В случае воспроизводимых экспериментов в основном различают два вида планов – последовательный ислучайный (рандомизированный). При выборе плана эксперимента следует учитывать следующие обстоятельства:

• естественные эффекты могут изменяться в процессе эксперимента (атмосферное давление, влажность и т. п.);

• в процессе эксперимента работа оператора также меняется;

• различные физические эффекты могут изменять характер работы оборудования.

Все перечисленные воздействия можно отнести к внешним случайным воздействиям и при большой вероятности их появления следует отдать предпочтение рандомизированному плану. Для большинства инженерных экспериментов лучше всего подходит частично или полностью рандомизированный план.

Последовательный план целесообразно применять в следующих случаях:

• когда эксперимент является трудновоспроизводимым или имеет особенности, которые можно обнаружить лишь при получении данных в регулярной последовательности;

• когда продолжительность, стоимость или сложность эксперимента такова, что рандомизация нецелесообразна.

В качестве примера можно привести определение времени наработки на отказ двигателя при различных нагрузках или определение структуры и характеристик заряда крупногабаритного РДТТ, время изготовления которого составляет десятки часов.

При применении последовательных планов следует иметь в виду, что во многих экспериментах сама последовательность является определяющим параметром. То есть получаемый отклик зависит от того, в каком направлении изменяется независимая переменная: от минимального к максимальному или наоборот. Примером этого может служить определение коэффициента трения при течении жидкости в трубе в области перехода от ламинарного режима к турбулентному. В этом случае значение критического числа Рейнольдса будут зависеть от направления его изменения.