книги / Основы научных исследований

ределенных прямыми измерениями, например b=f(a), где b — величина, найденная с помощью косвенных из­ мерений.

Различают также абсолютные и относительные из­

измерения представляют собой отношение измеряемой величины к одноименной величине, играющей роль еди­ ницы или измерения этой величины по отношению к од­ ноименной, принимаемой за исходную. Например, влаж­ ность воздуха принимается в относительных единицах (процентах) по отношению к полному его водонасыщению.

В исследованиях применяются совокупные и совмест­

системы уравнений. При с о в м е с т н ы х измерениях — одновременно проводят измерения неодноименных вели­ чин для нахождения зависимости между ними.

Выделяется несколько основных методов измерения. Ме т о д н е п о с р е д с т в е н н о й о ц е н к и соот­ ветствует определению значения величины непосредст­ венно по отсчетному устройству измерительного прибора

с величиной, воспроизводимой мерой (например, изме­

на и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор, с помощью которого устанавли­ вается соотношение между этими величинами, как, на­ пример, при измерении массы на равноплечных весах с помещением измеряемой массы и гирь на двух проти­ воположных чашках весов). При д и ф ф е р е н ц и а л ь ­ ном м е т о д е на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизво­

261

димоЙ’ мерой (например, измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе). При н у л е в о м м е т о д е результирую­ щий эффект воздействия величины на прибор доводят до нуля (например, измерение электрического сопротив­

ют известной величиной, воспроизводимой мерой (напри­ мер, взвешивание с поочередным помещением измеряе­ мой массы и гири на одну и ту же чашку весов). При м е т о д е с о в п а д е н и й разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеря­ ется с использованием совпадения отметок шкал или пе­ риодических сигналов.

Неотъемлемой частью экспериментальных исследова­ ний являются с р е д с т в а и з ме р е н и й , т. е. сово­ купность технических средств, имеющих нормированные погрешности, которые дают необходимую информацию для экспериментатора.

В настоящее время приборостроением СССР выпуска­ ется большое количество средств измерений и наблюде­ ний для измерения показателей — физических, механи­ ческих, химических свойств, а также структуры материа­ ла и изделия и т.д. Наряду с этим можно выделить сред­ ства измерения, позволяющие непосредственно опреде­ лить испытуемый показатель (например, пресс для опре­ деления прочности материалов), и измерения, которые дают возможность косвенно судить об исследуемом пока­ зателе (ультразвуковые дефектоскопы позволяют оце­ нить прочность материала по скорости прохождения уль­ тразвука). К средствам измерений относят меры, изме­ рительные приборы, установки и системы. Простейшим средством измерения является мера, предназначенная для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря — мера массы).

Измерительным прибором называют средство измере­ ния, предназначенное для получения определенной ин­ формации об изучаемой величине в удобной для экспе­ риментатора форме?. В этих приборах измеряемая вели­ чина преобразуется в показание или сигнал. Они со­ стоят из двух основных узлов: воспринимающего сигнал и преобразующего в показание. Приборы классифициру­ ют, например, по способу отсчета значения измеряемой величины на показывающие и регистрирующие. Наиболь­ шее распространение получили показывающие аналого­

262

вые приборы, отсчетные устройства которых состоят из шкалы и указателя. Эти приборы дают показания без каких-либо дополнительных операций экспериментатора. Однако меньшую погрешность имеют показывающие цифровые приборы (механические, электронные и др.). Отсчетный механизм таких приборов фиксирует измеряе­ мую величину в виде цифр. Регистрирующие приборы бывают самопишущими и печатными. Самопишущие при­ боры (термограф, шлейфовый осциллограф и др.) выда­ ют график измерений. Печатные приборы выдают изме­ рения в виде цифр на ленте. Приборы также классифи­ цируют по точности измерений, стабильности показаний, чувствительности, пределам измерения и др.

Измерительная установка (стенд) представляет со­ бой систему, состоящую из основных и вспомогательных средств измерений, предназначенных для измерения од­ ной или нескольких величин. Установки включают в себя различные средства измерений и преобразователи, пред­ назначенные для одноили многоступенчатого преобра­ зования сигнала до такого уровня, чтобы можно было зафиксировать его измерительным механизмом. Преобра­ зователи, которые увеличивают в несколько раз на вы­ ходе величину без изменения ее физической сущности, называют масштабными (трансформаторы, электронные усилители и др.). Имеются также преобразователи, ко­ торые входной сигнал могут преобразовывать, меняя его физическую сущность. Так, электромеханический преоб­ разователь преобразовывает электрический сигнал на входе в механический на выходе или наоборот. Один прибор может иметь несколько преобразователей, изме­ няющих на выходе измеряемую величину в различных диапазонах, удобных при измерении определенной вели­ чины. Измерительные установки могут вырабатывать также сигналы, удобные для автоматической обработки результатов измерений. Нередко при проведении экспе­ риментов приходится создавать измерительные установ­ ки с фиксацией различных физических величин.

Выходной сигнал средств измерения фиксируется отсчетными устройствами, которые бывают шкальными, цифровыми и регистрирующими. Шкала является важ­ ной частью прибора. Расстояние в миллиметрах между двумя смежными отметками на шкале называют длиной деления шкалы. Разность между значениями измеряемой величины, соответствующую началу и концу шкалы, на­ зывают диапазоном показаний прибора.

2G3

Измерительные приборы (отсчетные устройства) ха­ рактеризуются величиной погрешности и точности, ста­ бильностью измерений и чувствительностью. Погрешно­ сти приборов бывают абсолютными и относительными. Под абсолютной погрешностью измерительного прибора принимается величина Ь = ± ( х п—л:д), где ха — показа­ ния прибора (номинальное значение измеряемой вели­ чины); хА— действительное значение измеренной вели­ чины, полученное более точным методом. Погрешность средства измерения — одна из важнейших его характе­ ристик. Она возникает вследствие недоброкачественных материалов, комплектующих изделий, применяемых для приготовления приборов; плохого качества изготовления приборов;, неудовлетворительной эксплуатации и др. Су­ щественное влияние оказывают градуировка шкалы и периодическая поверка приборов. Кроме этих система­ тических погрешностей возникают случайные, обуслов­ ленные сочетаниями различных случайных факторов — ошибками отсчета, параллаксом, вариацией и т. д. Та­ ким образом, необходимо рассматривать не какие-либо отдельные, а суммарные погрешности приборов.

Относительная погрешность определяется отношени­ ем Ьотп= ± ( х и—*д) 100/лгд.

Суммарные погрешности, установленные при нор­ мальных условиях (/В= 20°С; влажность воздуха 80%; р = 1,01325-105 Н/м2), называют основными погрешно­ стями прибора.

Д и а п а з о н о м и з м е р е н и й называют ту часть диапазона показаний прибора,. для которой установлены погрешности прибора (если известны погрешности при­ бора, то диапазон измерений и показаний прибора совпа­ дает). Диапазон измерений является важной характери­ стикой прибора. Если шкала измерений изменяется от 0 до N, то в характеристике на прибор диапазон указыва­ ют в пределах 0...N. Ряд приборов с нижним пределом измерения 0 имеет большую погрешность в интервале 0...25 % от верхнего предела измерений. Поэтому HMei ется много приборов без нижнего нулевого предела из­ мерения, например 100...1000 Н/м2. Приборы нельзя пе­ регружать, хотя некоторые приборы выдерживают пере­ грузки, но со временем погрешности у верхнего предела измерений существенно возрастают.

Разность между максимальным и минимальным пока­ заниями прибора называют размахом. Если эта величи­ на непостоянная, т. е. если при обратном ходе имеется

264-

увеличение или уменьшение хода, то эту разность на» зывают вариацией показаний W. Величина W — это про­ стейшая характеристика погрешности прибора. Другой характеристикой прибора является его чувствительность, т. е. способность отсчитывающего устройства реагировать на изменения измеряемой величины. Под порогом чув­ ствительности прибора понимают наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменение показания прибора, которое можно зафиксировать.

Основной характеристикой прибора является его точность. Она характеризуется суммарной погреш­ ностью.

Средства измерения делятся на классы точности. Класс точности — это обобщенная характеристика, оп­ ределяемая пределами основной и дополнительных до­ пускаемых погрешностей, влияющих на точность.

Стабильность (воспроизводимость прибора)— это свойство отсчетного устройства обеспечивать постоянст­ во показаний одной и той же величины. Со временем в результате старения материалов стабильность показа­ ний приборов нарушается. Стабильность прибора опре­ деляется вариацией показания. Поэтому при установле­ нии стабильности нормируют величину допускаемой ва­ риации №д. Поскольку вариация принимается с одним знаком, а допускаемая погрешность имеет положитель­ ные или отрицательные значения, то И^д=0,5 Ьд, где Ьл — допустимая относительная погрешность прибора.

На все измерительные приборы в той или иной мере действует магнитное поле. Поэтому ряд электроизме­ рительных приборов должен быть защищен от дейст­ вия магнитного поля, а также электростатических явле­ ний. В специальной метрологической литературе раз­ работаны схемы защит I (более высокая) и II категорий.

В последние годы при исследованиях различных про­ цессов стали широко применяться электрические, элек­ тронные, частотные, радиоизотопные и другие приборы. Такие приборы, как правило, требуют дополнительной защиты от пыли, вибрации, газа, света и др. Отсутствие такой защиты может вызвать погрешности, превышаю­ щие допустимые. Все средства измерения (приборы, ис­ пользуемые для измерения в научных исследованиях) проходят периодическую поверку на точность. Такая по­ верка предусматривает определение и по возможности уменьшение погрешностей приборов. Поверка позволяет

265

Р а б о ч а я п о в е р к а средств измерений проводит­ ся в низовых звеньях каждым экспериментатором непо­ средственно в организациях перед началом измерений и наблюдений. В процессе рабочей поверки приходится производить различные операции: определять диапазон измерений, вариации измерений и др. В отдельных слу­ чаях выполняют регулировку и градуировку средств из­ мерений.

Под р е г у л и р о в к о й п р и б о р а понимают опе­ рации, направленные на снижение систематических оши­ бок до величины, меньшей допустимой погрешности. Из­ мерительные приборы обычно снабжены двумя узлами для регулировки нуля и чувствительности. Регулировка нуля предназначена для устранения систематических ошибок в диапазоне нижнего предела измерений.

В ряде случаев возникают систематические погрешно­ сти, линейно возрастающие или убывающие с изменени­ ем измеряемой величины. Такую погрешность регулиров­ кой нуля устранить невозможно. Ее можно уменьшить с помощью регулировки чувствительности. Так как по­ грешность различна на разных участках длины шкалы, то с помощью одновременной регулировки узла нуля и чувствительности достигают существенного снижения

является способ сравнения. Суть его сводится к сопостав­ лению поверяемого прибора с образцовым при измере­ нии одной и той же величины. По отсчетам судят о по­ грешностях, которые имеет поверяемый прибор.

Важным моментом в организации эксперимента яв­ ляется выбор средств измерений. Средства измерения

ность труда экспериментальных работ; обеспечивать тре­ буемое качество экспериментальных работ (т. е. задан­ ную степень точности при минимальном количестве из­ мерений, высокую воспроизводимость и надежность); в наибольшей степени исключать систематические ошиб­ ки (желательно максимально использовать средства на­ мерений с автоматической записью); иметь высокую экономическую эффективность (т. е. минимум затрат люд­ ских, денежных и материальных ресурсов); обеспечи­ вать эргономические требования эксперимента (антропо­

267

к Ьтационарным, но несколько уступает им из-за нехват­ ки площадей.

Передвижные лаборатории вместо лабораторных сто­ лов оснащаются рабочей поверхностью (откидной сто­ лик) для ведения необходимых записей в процессе про­ ведения эксперимента.

Исследователь (экспериментатор) в лаборатории вы­ полняет ответственную работу, от которой часто зави­ сит правильность решения теоретической или практиче­ ской задачи в целом. Точность при выполнении предпи­ саний методики, аккуратность, тщательность подготовки эксперимента, внимательность при его проведении — главнейшие условия эффективности экспериментальной работы. Приступая к проведению эксперимента, иссле­ дователь должен еще раз обдумать и уточнить методику, подготовить всю необходимую документацию (акты, ла­ бораторные тетради, журналы), которая предназначена для регистрации хода и результатов опытов.

Все анализы, определения и наблюдения необходимо записывать в специальный журнал, форма которого должна наилучшим образом соответствовать исследуемо­ му процессу с максимальной фиксацией всех фактов и условий их появления. При получении в одном стати­ стическом ряду результатов, резко отличающихся от со­ седних измерений, исполнитель должен тем не менее записать все данные без искажений и указать обстоя­ тельства, сопутствующие указанному измерению. Это по­ том позволит установить причины отклонений (искаже­ ний) и соответствующим образом квалифицировать та­ кие измерения. Если в процессе измерения необходимы простейшие расчеты, то они должны быть внесены в жур­ нал или в отдельную тетрадь с указанием дня или меся­ ца проведения опыта, номера и серии опытов.

Лабораторные журналы и тетради — важные доку­ менты. Поэтому они должны содержаться в порядке и обеспечивать возможность легкой проверки. Нужно стремиться не допускать исправлений, а в случае необ­ ходимости они должны делаться так, чтобы не происхо­ дило путаницы при расчетах. Каждое исправление долж­ но сопровождаться подписью экспериментатора и крат­ кой справкой о причинах исправлений. Никаких записей или пометок, не относящихся к делу, в лабораторных журналах и тетрадях делать нельзя.

При проведении эксперимента исполнитель должен не­ прерывно сЛедйть за средствами измерений, устойчиво­

269

стью аппаратов и установок, правильностью их показа­ ний, характеристикой окружающей среды, не допускать посторонних лиц в рабочую зону. Исполнитель обязан систематически проводить поверку средств измерений.

Одновременно с производством последующих измере­ ний исполнитель должен проводить предварительную об­ работку результатов и их анализ. Здесь особо должны проявляться его творческие особенности. Такой анализ позволяет контролировать исследуемый процесс, коррек­ тировать эксперимент, улучшать методику и повышать эффективность эксперимента.

В процессе экспериментальных работ необходимо со­ блюдать требования инструкций по промсанитарии, тех­ нике безопасности, пожарной профилактики. Особое вни­ мание следует уделять задаче уменьшения шума при эксперименте, состоянию газовых кранов и электрообо­ рудованию. Все электроприборы должны быть заземле­ ны. Газовые краны должны периодически проверяться на утечку газа специалистами.

Особо тщательно необходимо соблюдать перечислен­ ные требования при выполнении производственных экс­ периментов. Вследствие больших объемов работ и зна­ чительной их трудоемкости ошибки, допущенные в про­ цессе эксперимента, могут существенно увеличить продолжительность исследований и уменьшить их точ­ ность.

Вначале результаты измерений сводят в таблицы по варьирующим характеристикам для различных изучае­ мых вопросов, тщательно изучают сомнительные цифры, резко отличающиеся от статистического ряда наблюде­ ний, от средних значений. При анализе цифр необходимо установить точность, с которой нужно производить об­ работку опытных данных (точность обработки не должна быть выше точности измерений).

Особое место принадлежит анализу эксперимента. Это завершающая часть, на основе которой делают вы­ вод о подтверждении гипотезы научного исследования. Анализ эксперимента — это творческая часть исследова­ ния. Иногда за цифрами трудно четко представить физи­ ческую сущность процесса. Поэтому требуется особо тщательное сопоставление фактов, причин, обусловлива­ ющих ход того или иного процесса, и установление аде­ кватности гипотезы и эксперимента.

Результаты некоторых лабораторных и большинства производственных экспериментов оформляются протоко­

270