Прочностных условиях

Автор!ы): см. на обороте

а №2804137623

Лабораторная работа № 5

Тема: «Приборное обеспечение проведения экспериментальных иссле­дований».

Цель: Освоить методику подбора измерительной аппаратуры и ее настройки.

Общие сведения.

1.1. Общее устройство электрических приборов для измерения парамет­ров технологических процессов и машин, применяемых в сельскохозяйствен­ном производстве.

При исследовании многих величин, характеризующих работу техники, в основном используют электрические приборы, приспособленные для измере­ния неэлектрических величин, что объясняется возможностью передачи элек­трических сигналов на расстояние, последующей их регистрации на бумажном, светочувствительном или магнитном носителе, различного рода преоб­разованиям и математической обработки, введения в электронно - вычисли­тельные машины, использования для последующего управления техноло­гическими процессами и дает возможность исследования динамических про­цессов.

В основу электрических измерений неэлектрических величин положен принцип использования преобразователей различного типа, которые под влия­нием измеряемых параметров меняют свои электрические свойства и образуют сигнал, удобный для последующей обработки.

Структура большинства таких приборов может быть представлена схе­мой (рисунок 1).

Рисунок 1 - Блок-схема приборов для измерения неэлектрических вели­чин электрическими методами.

Измерительная цепь представляет собой «черный ящик» между преобра­зователем и измерителем (гальванометр, вольтметр, заранее проградуирован- ный или самописец).

1.2. Измерение деформаций, сил и напряжений.

При измерении механических величин в качестве преобразователей ис­пользуют тензорезисторы (проволочные, фольговые, полупроводниковые) (ри­сунок 2), которые выполняют в виде наклеенных на тонкую бумагу или ла­ковую пленку витков тонкого провода или полосок фольги с большим сопро­тивлением.

а - проволочный; б - фольговый; в - фольговый розеточный, г - фоль­говый мембранный. Рисунок 2 - Типы тензорезисгеров (тензодатчиков).

Номинальный рабочий ток проводника составляет около 30 мА, а мак­симально допустимая деформация не превышает 0,3 %.

Для различного рода деформаций применяют разнообразные тензодат- чики. Прямоугольные решетки применяют для измерения линейных деформа­ций, розеточные - крутящих моментов на круглых валах, а мембранные накле­ивают на мембраны при измерении давлений, фольговые резисторы - для опре­деления теплопроводности. Преобразователи тщательно наклеивают на детали, подвергающиеся деформации, в определенной последовательности.

При деформации детали изменяются длина решетки и сечение провод­ника, а следовательно, и сопротивление резистора. Для измерения малых изме­нений сопротивлений, возникающих при деформации деталей, чаще всего ис­пользуют мостовую схему включения тензодатчиков. Если сопротивления тен- зорезисторов, включенных в мостовую схему, подобрать так, чтобы между ни­ми соблюдалось определенное соотношение, то в измерительной диагонали ток будет отсутствовать при любом напряжении источника питания. Но если со­противление измеряемое изменится и мост разбалансируется, то по измери­тельной диагонали пойдет ток, который может быть зафиксирован гальва­нометром или направлен в тензометрический усилитель.

Поскольку подбор сопротивлений, балансирующих мост, обычно за­труднителен, то в схему с целью уравновешивания, дополнительно вводят ба­лансировочный тензорезистор переменного сопротивления.

а - мостовая схема; б - мостовая схема с балансировочным и компенса­ционным сопротивлениями; в - полумостовая схема: I - питание от источника; 11 — сигнал.

Рисунок 3 - Схема включения тензорезисторных преобразователей в из­мерительную цепь.

Резисторы R3, R4 и Rs часто размещают непосредственно в тен- зометрическом усилителе, а рабочий и компенсационный соединяют по так называемой полумостовой схеме (см. рисунок 3, в).

На показания тензорезистора может оказывать влияние комплекс внеш­них факторов. Для исключения этого явления на деталь помимо рабочего до­

полнительно наклеивают компенсационный резистор так, чтобы его сопротив­ление не изменялось под действием рабочей нагрузки.

Тензорезисторы, в зависимости от выбранной схемы расположения, мо­гут снизить влияние остальных, не исследуемых факторов (рисунок 4).

6

а

а - на детали; б - в электрической схеме.

Рисунок 4 - Размещение тензорезисторов при измерении деформации сжатия и исключении деформации изгиба при неустойчивости стержня.

При измерении деформации изгиба используют схему, показанную на рисунке 4. Для измерения вращающих моментов тензорезисторы следует при­клеивать вдоль линий, составляющих с осью вала угол 45° (рисунок 4, б). Для передачи сигнала от датчиков, расположенных на вращающемся валу, обычно используют ртутные токосъемники с четырьмя контактными кольцами.

а, б - измерение деформации изгиба на детали; в - в электрической схе­ме при измерении деформации кручения.

Рисунок 5 - Размещение тензорезисторов при измерении деформаций.

Для усиления выходных сигналов датчиков применяют тензо- метрические усилители, среди которых наиболее распространены усилители постоянного тока «Топаз-1», «Топаз-2» и усилители на несущей частоте 8АНЧ- 7М, ТА-5. Усиленные рабочие сигналы можно регистрировать с помощью све- толучевых, электронных осциллографов, магнитографов или быстродействую­щих цифровых печатных устройств.

1.3. Измерение перемещений, скоростей и ускорений электрическими методами.

В качестве преобразователей при определении перемещений, скоростей и ускорений электрическими методами, используют устройства, основанные на изменении активного сопротивления, индуктивности, емкости электрической цепи.

Простейшим датчиком перемещения, непрерывно преобразующим пря­молинейное или вращательное движение в электрический сигнал, является ре­

охорд (омический преобразователь перемещений), представляющий собой про­водник из металла, имеющего большое удельное электрическое сопротивление, с перемещающимся по нему контактом (рисунок 6, а). Скользящий токосъем­ник может быть выполнен в виде контактной пластины, щетки, ролика.

"В АО АО ■ с

а б

а - с перемещающимся контактом; б - трубчатый. Рисунок 6 — Преобразователи активного сопротивления

Для уменьшения помех при окислении реохорда, используется торои­дальная трубка (рисунок 6, б). Вращение трубки относительно оси вызывает изменение сопротивлений свободных концов реохорда.

Включение реостатных преобразователей в измерительную сеть может быть разнообразным. При этом, шкала гальванометра, показывающего измене­ние преобразованной величины градуируется в виде перемещения.

В качестве датчика скорости могут быть использованы индуктивные, емкостные преобразователи перемещений, если запись показаний ведется на непрерывно движущуюся с определенной постоянной скоростью ленту, с по­мощью осциллографа. С изменением скорости исследуемых тел будет меняться угол наклона осциллограммы к горизонтами, что приведет к большой погреш­ности.

Частоту вращения измеряют непосредственно с помощью та- хогенераторов или частотных методов. Тахогенератор представляет собой ге­нератор, выходное напряжение которого пропорционально частоте вращения его ротора. Напряжение может быть измерено вольтметром общего назначения. При исследовании работы техники применяют тахогенераторы постоянного и переменного тока (одно- и трехфазные).

В качестве источника импульсов, следующих с частотой от единицы до нескольких миллионов в секунду, могут быть использованы индукционные датчики и фотодиоды (рисунок 7). Принцип действия датчиков основан на наведении электрического сигнала или импульсов с частотой, пропорциональ­ной частоте вращения звездочки или диска.

а 5

а - индукционный; б - фотоэлектрический; 1 - постоянный магнит; 2 - обмотка; 3 - звездочка из ферритного материала, вращающаяся с измеряемой

частотой; 4 - осветитель; 5 - диск с отверстиями, вращающийся с измеряемой частотой; 6 - фотодиод.

Рисунок 7 - Датчики для измерения частоты вращения.

Основной элемент датчиков ускорений и вибраций - некоторый груз массой т, подпружиненный относительно корпуса и имеющий систему успоко­ения (демпфирования). Под воздействием ускорений груз 2 (рисунок В) откло­няется от нейтрального положения.

1 - корпус; 2 — груз; 3 - пружина; 4 - демпфер; 5 - преобразователь

Рисунок 8 — Принципиальная схема датчика ускорений с вибрационной массой.

Сила, действующая на груз, пропорциональна приложенному уско­рению, а поскольку деформация пружины, в свою очередь, пропорциональна силе, то перемещение груза 2 однозначно определит значение ускорения.

В качестве преобразователя могут быть использованы любые датчики перемещения, но чаще всего для этих целей применяют пьезопластинки или индукционные устройства.

1.4. Измерение температуры

При измерении температуры тела обычно наблюдают за изменением свойств (тепловое расширение, изме1нение электрической проводимости, воз­можность возникновения термоэлектродвижущей силы) тела, находящегося с исследуемым в тепловом контакте. Наиболее распространены термометры, ра­бота которых основана на свойстве теплового расширения жидкостей - ртут­ные термометры. Преобразование изменения высоты ртутного столба в элек­трический сигнал может быть осуществлено различными способами (рисунок

9).

t

а б 8 г д

Рисунок 9. Схемы ртутных преобразователей температуры, а - с замыканием электрической цепи при подъеме столбика ртути до определенной высоты; б - омический; в - индуктивный; г - емкостный; д - фо­тометрический .

Термометрическим телом может быть и твердое тело с определенным коэффициентом расширения в случае превышения критических температур для ртути (от- 38,87 до +356,7 °С).

Схемы наиболее распространенных конструкций этих так называемых дилатометрических преобразователей представлены на рисунке 10. Наиболее точными оказываются преобразователи, использующие влияние температуры непосредственно на электрические свойства проводников или полупроводнико­вых материалов, такие как термосопротивления, представля-ющие собой спи­раль (платиновую или медную) в капиллярных керамических трубках, запол­ненных керамическим порошком. Платиновый преобразователь используют для воспроизведения Международной температурной шкалы (для интервала температур от 0 до 630,74°С). Температурный диапазон указанных сопротивле­ний - от -260 до +1100°С, а точность показаний ±0,05 °С.

Рисунок 10. Схемы дилатометрических преобразователей температуры, а — трубка и стержень из материалов с разными коэффициентами тепло­вого расширения; б - основание и ленты с различными коэффициентами тепло­вого расширения; в - биметаллическая пластина; г - биметаллическая спираль; д - биметаллическая пружина.

Серийные терморезисторы выпускают в виде небольших цилин­дрических стержней (диаметром 0,8...6 мм, длиной 7...30 мм), дисков (толщи­ной 2 мм, диаметром 4... 15 мм) или бусинок (диаметром 1...6мм). Диапазон ра­бочих температур у них 100...300 "С, номинальное сопротивление 0,1...10 Ом. Однако предпочтение отдается терморезисторам с сопротивлением в несколько килоом, чтобы не приходилось принимать во внимание дополнительное сопро­тивление выводов.

1.5. Измерение влажности

Влажность относится к самым распространенным и наиболее важным показателям качества сельскохозяйственных материалов и продукции (зерно, сено, сенаж, силос, брикеты, удобрения, почва и др.). Кроме того, это один из основных показателей, характеризующих условия работы машин в лабораторно полевых условиях.

Под относительной влажностью материала понимают отношение массы воды М_е к общей массе влажного материала М_т, выраженное в процентах.

W_OTH=(M_m-M_oyx./M_m)-100%

Абсолютной влажностью считают отношение массы воды, со­держащейся в материале, к массе сухого материала:

Различают прямые и косвенные методы измерения влажности. В случае использования прямых методов материал делят на сухое вещество и воду, а с помощью косвенных измеряют величины, функционально связанные с влажно­стью. Среди прямых методов наиболее распространены различные модифика­ции метода высушивания (термогравиметрические), а также химические и ди- стилляционные.

Метод высушивания основан на воздушно-тепловой сушке образца ма­териала до постоянной массы. Результаты определения влажности этим мето­дом в значительной мере зависят от режима сушки материала, так как количе­ство испарившейся влаги и потеря массы сухих веществ самого материала за­висят от температуры окружающей среды. Для получения сопоставимых ре­зультатов в методике высушивания образцов заранее ограничивают температу­ру нагрева материала.

Сушку почвы и большей части удобрений ведут при температуре Ю0..Л05°С до тех пор, пока масса бюкса с почвой не перестанет изменяться. Обычно для этого необходимо 3...5 ч. После первого взвешивания образцы вновь помещают в сушильный шкаф и через 1...2 ч проводят контрольное взве­шивание.

В качестве косвенных методов используются кондуктометрический вла­гомер типа ВП - 4, принцип которого основан на зависимости электрических свойств веществ от влажности.

Имеются приборы, использующие и диэлектрические свойства материа­лов типа ПВЗ-10Д, ПВЗ-20Д, «Колос-1», «Нива-1», «Нива-2». Погрешность из­мерений этими приборами находится в пределах 1,5...2%, время измерения очень мало, вплоть до непрерывного измерения. Однако в работе перечислен­ных влагомеров имеются и недостатки - влияние химического состава на пока­зания, погрешность измерения, достигающая 2...3%.

При подборе необходимого измерительного оборудования следует об­ращать внимание на требуемую точность измерения параметров исследуемого объекта (см. приложение).

2. Точность измерений

Точность - степень соответствия результата измерений дейст­вительному значению величины. Понятие точности связано с понятием ошиб­ки: чем выше точность, тем меньше ошибка. Различают абсолютную и относи­тельную ошибки.

Абсолютная ошибка - разность между действительным значением изме­ряемой величины «х» и ее наблюдаемым значением «а».

Д= х-а~ао<5_Р-а.

Относительная ошибка - отношение абсолютной ошибки к действи­тельному значению величины

Ai =± А/х.

Часто относительную ошибку выражают в процентах

Ai=± Д/х*100%.

Допускается, что при измерении образцовыми приборами

Ai=±A/ao6_P; Ai= ±Ыэ^₉Ш%.

Например, если Д = 0,01 мм и а^р =10 мм, то точность измерения

Ai=±0,01/10=±0,001

или

Ai= +Д/а_обр100%=±0,01/10=±0,1 %.

Ошибки могут возникать из-за несовершенства измерительного прибо­ра, влияния условий его эксплуатации и опытности наблюдения.

Ошибки разделяют на два класса: систематические и случайные.

Систематические ошибки - это ошибки, которые возникают из-за из­вестных величин, действующих по определенным законам и в определенном направлении. Эти ошибки можно изучить и определить количественно, а также необходимо вносить соответствующие поправки в показания приборов. По­правки, связанные с конструкцией приборов, указывают в их паспортах.

Систематические ошибки можно определить с помощью калибровки приборов (снятием тарировочных характеристик приборов). При калибровке одну и ту же величину измеряют сначала проверяемым прибором, а затем более точным и устанавливают разность «А» между этими измерениями. Таким обра­зом, при калибровке показания приборов, выбранных для измерений, сверяют с показаниями приборов более высокой точности и устанавливают погрешности прибора. Вычерчивают калибровочные кривые, представляющие собой кривые показаний проверяемого прибора в функции показаний прибора высокой точ­ности (рисунок 11).

pa; a₂ - показания прибора при разгрузке.

Рисунок 11 - Результаты калибровки прибора

\

Систематические ошибки можно выявить и другими методами:

• проведением измерения в двух повторностях так, чтобы причина по­грешности первого измерения оказала противоположное действие на результат второго измерения;

• построением графика результатов измерений постоянной величины в функции аргумента (например, времени);

• заменой измеряемого объекта известной мерой, находящейся в рав­ных с ним условиях (сравнение измеряемого параметра с известной мерой).

Во всех случаях проверку показания приборов следует осуществлять до и после проведения опытов.

Случайными ошибками называются такие ошибки, причины проявления которых неизвестны и которые невозможно учесть заранее. Суммарную слу­чайную ошибку вычисляют на основе теории ошибок. Полностью исключить случайные ошибки нельзя, но исследователь обязан заранее, при написании ме­тодики исследований, определить возможную предельную абсолютную ошибку опыта. Под предельной абсолютной ошибкой подразумевают наибольшую слу­чайную ошибку при правильном пользовании исправным прибором и устране­нии систематических ошибок, т. е. значение Д„, при котором

х=а<Д_п.

Если установленную систематическую ошибку по каким-либо причинам невозможно применить в качестве поправки к результату измерений, предель­ную абсолютную ошибку увеличивают на величину этой систематической ошибки. В общем случае значение измеряемой величины можно представить формулой

х = а ± Д„,

что следует читать так: истинное значение измеряемой величины нахо­дится в пределах от а - А_Г1 до а +Д„. Зная предельную абсолютную ошибку Д„ можно вычислить предельную относительную ошибку:

А,=Д_п(а)/а или

Д₁=(А„(а)/а)*100%.

Чем больше значение измеряемой величины, тем меньше относительная ошибка. Поэтому относительную предельную ошибку справочных данных обычно относят к наибольшему значению величины, которую можно получить при измерениях данным прибором.

При неравномерных шкалах следует учитывать, что предельная ошибка будет различной в разных местах шкалы.

Предельную ошибку прибора устанавливают, изучая и проверяя его до измерений. Эта ошибка может после опытов изменяться только в двух случаях:

1. если после измерений при проверке обнаружено изменение погреш­ности прибора (в данном случае измерение повторяют или принимают наибо­лее вероятный закон изменения погрешности за время измерений и вносят в по­следние соответствующие поправки);

2. если при неравномерной шкале перед измерениями предполагали от­считывать показания в одной части шкалы, а фактически результат измерения получали в другой части шкалы, с иной точностью.

В приложении приведены предельные ошибки некоторых приборов.

Все способы измерений в процессе проведения опыта можно разбить на два вида:

прямые, когда данную величину измеряют непосредственно; косвенные или опосредственные, когда искомая величина - функция измеряемых величин.

Во многих исследованиях любой точке кривой развития явления соот­ветствует лишь один опыт. В этом случае каждое из качественно различных измерений проводят один раз и в данном опыте не повторяют. Если такой опыт состоит из данного прямого измерения, то его ошибка равна ошибке одного из­мерения. Но часто опыт состоит из нескольких качественно различных измере­ний - аргументов, каждое из которых дает какую-то ошибку. В этом случае точность опыта оценивают на основании вычисления предельной (наибольшей) ошибки опыта. Вычисляют предельную относительную ошибку опыта на осно­вании следующих правил.

1. Ошибка суммы заключена между наибольшей и наименьшей из отно­сительных ошибок слагаемых; практически берут или наибольшую относи­тельную ошибку или среднюю арифметическую.

2. Ошибка произведения или частного от деления равна сумме относи­тельных ошибок сомножителей или соответственно делимого и частного.

3. Ошибка п-й степени какого-либо основания (значения величины) в п раз больше относительной ошибки основания.

4. Ошибка синуса и косинуса равна произведению абсолютного значе­ния котангенса измеренного угла или соответственно тангенса на предельную абсолютную ошибку угла, выраженную в радиусах.

5. Ошибка тангенса и котангенса равна частному от деления двойной аб­солютной ошибки угла (в радианах) на синус двойного угла.

Во всех случаях установления точности опыта точность вычисления ре­зультата должна определяться точностью измерений.

Если рассматривать ошибку измерения как частное значение перемен­ной величины, предельную относительную ошибку опыта можно вычислить по формуле

А „(а)/ a=+d [lnf(u, v, со)],

где определяемая величина а - функция переменных u, v, ш, то есть пре­дельная относительная ошибка величины равна дифференциалу ее натурально­го логарифма; причем следует брать сумму абсолютных значений всех членов такого выражения.

Рассмотрим порядок вычисления предельной ошибки при определении производительности агрегата. Последняя может быть выражена формулой

W_CM = 0,lB*v*T_p =0,lB*(s/T_s)*T_p,

где В — ширина захвата агрегата, м; v — скорость, км/ч, прохождения пути S, км, за время Т_я ч; Т_р — чистое рабочее время за смену, ч.

В этой формуле есть умножение и деление измеренных величин, поэто­му в соответствии с п. 2 правил вычисления предельных ошибок имеем A_B(W_CM)/ W_CM= ± A_a(B)/B+A„(S)/S+ A_n(T₃)/T₃+ A„(T_P)/T_P.

Предельные ошибки в указанном выражении определяют для каждого прибора, используемого в опыте. Так, для определения ширины захвата агрега­та В использовалась стальная 20-метровая линейка (А^ Д_П(В)/В=0,25); для определения пути S применялась та же линейка (Ai= 0,25); время Т_р и T_s опре­делялось с помощью стандартного секундомера (А₃=Л4=0,55).

Подставляя в указанную формулу значения А] Л₂, А₃, Д4, получим

A„(W_CM)/ W_c=± (0,25 + 0,25 + 0,55 + 0,55) - ± 1,6%.

Из изложенного можно сделать вывод: для того чтобы правильно подо­брать аппаратуру, необходимо провести сравнительную оценку точности раз­личных способов измерения.

При определении величины случайных ошибок, кроме предельной ошибки, вычисляют статистическую ошибку неоднократных измерений. Эту ошибку устанавливают после измерений при помощи методов математической статистики и теории ошибок.

Если, например, диаметр вала, вязкость масла и т. д. измерять по одному разу, случайные ошибки могут исказить результат. Поэтому лучше измерять какую-либо практически постоянную величину в тождественных условиях не­сколько раз и брать среднее арифметическое этих измерений. Среднее арифме­тическое измерений - наиболее вероятное значение измеряемой величины при данном количестве измерений. В теории ошибок доказывается, что чем больше проведено измерений какой-либо величины, тем меньше становится суммарная случайная ошибка средней, и при бесконечном числе измерений случайная ошибка средней бесконечно мала.

Чем больше значение случайных ошибок и разброс (рассеяние) отсче­тов, тем большее число раз надо измерить одну и ту же величину, чтобы до­стигнуть заданной точности или надежности измерений.

Рассеяние результатов измерений указывает на большую или меньшую их изменчивость и обычно оценивается средним квадратическим отклонением наблюдаемых значений величины Да от их средних или квадратным корнем из среднего квадратического.

Среднее арифметическое значение а равно сумме всех п отдельных ре­зультатов измерений a_lt а₂,..., а„, деленной на число измерений

(а_]+а₂+... а„)/п=(Еа;)/п,

где i изменяется от 1 до п.

Если же все измерения сгруппированы в т классов с разными количе­ствами измерений п_ь п₂,..., п_т в каждом классе, то следует вычислять взвешен­ное среднее арифметическое значение а =а,п,+а₂п2+.. .+а_тп_т=(Еа_!п₁)/п, где а_ь а₂, а_т - средние значения по классу;

i изменяется от 1 до т. Две последние формулы тождественны при ni = 1, так как тогда m = п. Отклонение любого отдельного результата измерений от среднего арифметического значения можно представить как разность а, - а, где aj - ре­зультат любого измерения.

Дисперсией случайной величины называется значение квадрата отклоне­ний случайной величины от ее среднего значения. Дисперсия обозначается че­рез <з„² и выражается формулой

о_п^{2 =}(£(ai - a)²)/(n-l). Корень квадратный из дисперсии, взятый с положительным знаком, называется средним квадратическим отклонением, или стандартом,

о = ±((Ца₁-а)²)/(п-1))⁰-⁵. При разделении всех измерений на т классов с классовыми средними дисперсия определяется как

⁼С£п;(а! - а)²)/(п-1), а стандарт определяется из выражения

o = ±((Sn_i(a_]-a)²)/(n-l)f⁵.

Стандарт имеет размерность величины, для которой он вычислен. Дис­персия и стандарт - это меры рассеяния или изменчивости: чем больше диспер­сия, тем больше рассеяны значения измерений.

Таким образом, при измерении неизменной величины среднее квадрати- ческое отклонение (стандарт) - это мера точности арифметического значения неоднократно измеренной неизменной величины.

Если же неоднократно измеряемая величина переменна, то вычисленное по ее измерениям значение стандарта показывает не только меру точности как случайную ошибку измерений, но и меру изменчивости переменной.

Абсолютное значение стандарта зависит от совершенства измери­тельных приборов. Если одну и ту же величину измерять при помощи приборов различной точности, абсолютное значение стандарта будет меньше при измере­нии более точным прибором. Например, если диаметр отверстия измерять сна­чала нутромером со шкалой в миллиметрах, а затем индикатором со шкалой в микронах, значение стандарта при последних измерениях будет меньшим. Это обстоятельство имеет важное значение при установлении числа измерений или опытов.

Для подавляющего большинства технических измерений можно считать, что наибольшая ошибка среднего арифметического значения многократных из­мерений - абсолютная величина, равная плюс-минус трем стандартам,

Эта ошибка в отличие от предельной называется наибольшей возможной статистической ошибкой.

Если предельную ошибку устанавливают до измерений, то наибольшую статистическую ошибку вычисляют по результатам неоднократных измерений. Обычно наибольшая статистическая ошибка при измерении неизменной вели­чины меньше предельной, так как отклонения отдельных измерений от средней неоднозначны, как это принято для предельной ошибки. Иногда значения изме­ряемой величины отсчитывают с большей точностью, чем это предложено для предельной ошибки. Если же измерения проводить небрежно, статистическая ошибка может быть больше предельной.

Точность разовых измерений оценивают только по предельной ошибке. При неоднократных измерениях до их начала следует йользоваться предельной ошибкой (для подбора аппаратуры и представления о возможностях измере­ний), а после измерений оценивать их точность по наибольшей возможной ста­тистической ошибке.

Измерения, дающие дисперсии или стандарты одинаковой величины, называются равноточными. Равноточность измерений серии опытов облегчает обработку результатов наблюдений и уменьшает суммарные ошибки исследо­вания. Практически добиться равноточности измерений можно только в тех случаях, когда измерения будет проводить достаточно опытный человек одним и тем же прибором в одинаковых условиях.

В некоторых случаях равноточность приводит к несравнимьм результа­там, к ошибочным выводам и заключениям, поэтому надо добиться равноточ­ности измерений данной величины.

В сельском хозяйстве исследователю приходится многократно измерять преимущественно переменные величины, например сопротивление рабочих ор­ганов машин. Все изложенное ранее об ошибках измерений относится и к слу­чаям переменных величин. Вместе с тем случайная ошибка измерения может накладываться на колеблющиеся значения переменной величины. Это происхо­дит, например, при записи различного рода динамограмм.

Чтобы правильно определить ошибку измерений и меру изменчивости переменной величины, следует выделить ошибку из результатов измерений.

Для этого прибором многократно измеряют какую-либо постоянную ве­личину, по своему значению приближающуюся к предлагаемому среднему арифметическому значению переменной. Получив стандарт при измерении по­стоянной величины, измеряют в опыте и вычисляют стандарт переменной ве­личины.

При всём этом подразумевается, что все измерения были однородны, то есть относились к одной и той же величине (например, к потерям зерна яровой пшеницы за молотилкой комбайна).

Случайные колебания переменных величин для современных исследо­ваний обычны. Существуют математические приёмы для раскрытия законов измерения случайности. Вместе с тем исследователь должен помнить, что, рас­крывая одни случайности, мы неизбежно наталкиваемся на другие, глубинные, которые в данном исследовании раскрыть невозможно.

В заключение отметим, что точность окончательного результата вычис­лений характеризуется числом верных знаков и не может быть больше точно­сти исходных данных. Иначе говоря, относительная ошибка результата вычис­лений должна отвечать относительным ошибкам измерений. Некоторые иссле­дователи на основании теории вероятностей допускают для прямых измерений в характеристике вычислений число верных знаков плюс один, если число из­мерений достаточно велико (десять и больше).

На основании общих соображений о точности измерений подбирают из­мерительную аппаратуру, тщательно изучают ее конструкцию и точность, при­емы использования и разрабатывают частные методики по способам измере­ний. Цель этих частных методик - получить необходимые данные и обеспечить наибольшую точность измерений с данной аппаратурой. В частных методиках по способам измерений надо подробно указать, что, при каких условиях, как, кто и когда измеряет, где ставит датчики или приборы (чему дают краткое обоснование), по какой форме записывают результаты отдельных измерений и отметки по измерениям. Эти записи ведут в лабораторном или полевом журна­ле.

Практическое задание. В соответствии с задачами исследования подо­брать необходимое приборное обеспечения выполнения исследования.

Форма отчета - письменная.

Ответы на вопросы — письменные.

Контрольные вопросы

1. Как измеряют деформации, силы и напряжения с помощью электри­ческих методов?

2. Что используют в качестве преобразователей?

3. Какое оборудование применяют для усиления выходных сигналов?

4. Как проводят тарировку измерительного оборудования?

5. С помощью каких приборов регистрируют усиленные рабочие сигна­лы?

6. Какие приборы используют для измерения перемещений?

7. Как электрическими методами измеряют скорость?

8. Какие приборы и оборудование используют для измерения темпера­тур?

9. Какими методами измеряют влажность?

10. Какие случайные величины относятся к дискретным и непрерыв­ным?

11. Какими показателями характеризуются случайные величины?

12. Какими законами распределения описываются случайные величины?

13. Что понимают под доверительным интервалом?

14. По каким критериям проверяют согласование теоретических и фак­тических распределений?

15. В каких случаях применяют критерии Стьюдента и Фишера?

16. Как выбирают необходимое число наблюдений?

Приложение

Способ измерения, инструмент, при­бор	Предельная ошибка, % к верхнему (наибольшему) пределу измерений
Планиметры линейные и полярные	0,40... 0,70
Тахометры центробежные	0,40...2,50
Тахометры электрические (ТАУ-2,	0,05
ТАУ-5 и др.)
Тахогенераторы	2,50...4,00
Тахоскопы	0,80...1,10
Стробоскопы	0,10...1,00
Весы:
торговые и автомобильные;	0,80...1,20
технические;	0,10...0,20
аналитические.	0,0001...0501
Динамометры тяговые:
пружинные;	1,00...3,50
гидравлические;	0,70. ..2,00
электрические (датчики без
усилителя).	0,20...0,50
Ртутные манометры	1,00...2,50
Стандартные секундомеры	0,40...0,70
Спектрометры	0,10...5,00
Стандартные вискозиметры	1,00...4,00
	1,50...4,50
Запись осциллографом при усилении
Магнитная запись при частотной мо­	2,00...5,00
дуляции	1,00.-10,00
Пневматические и масляные калибра­
торы

Лабораторная работа № 6

Тема: «Первичная обработка данных наблюдений и опытов»

Цель работы:

• усвоить методику оценки измеряемой величины: нахождение среднего значения измеряемой величины и доверительного интервала среднего значения;

• усвоить методику исключения по результатам измерений грубых оши­бок;

• усвоить методику сравнения двух средних значений результатов наблюдений и опытов с целью определения значимости их расхождения.

Общие сведения

1. Исключение грубых ошибок.

При получении результатов измерения, резко отличающихся от всех других результатов, возникает подозрение, что допущена ошибка. В этом слу­чае необходимо сразу же проверить, не нарушены ли основные условия изме­рения.

Если же такая проверка не была сделана вовремя, то вопрос о целесооб­разности браковки одного «выскакивающего» значения решается путем срав­нения его с остальными результатами измерения.

1.1. Проверка гипотезы о принадлежности «сомнительных», наиболее уклоняющихся от варианта к данной совокупности в малых выборках, осу­ществляется по критерию. Фактическое значение критерия, представляющее собой отношение разности между сомнительной и соседней с ней вариантой к размаху варьирования сравнивают с теоретическим на 5%-ном или 1%-ном уровне значимости.

Если т_фа1т > т_тог, то варианта отбрасывается, критические значения кри­терия т_тсор, которые зависят от принятого уровня значимости и от объема вы­борки п, даны в таблице 1.

варианты рас-

Таблица 1 - Критические значения критерия г для 5% - го и 1 %-ного уровня значимости

п	т			п		г
	0,01	0,05	0,01			0,05
4	0,991	0^955]	14		0,502		0,395
5	0,916	0,807	16		0,472		0,369
6	0,805	0,689	18		. 0,449		0,349
7	0,740	0,610	20		0,430		0,334
8	0,683	0,554	22		0,414		0,320
9	0,635	0,512	24		0,400		0,309
10	0,597	0,477 Н	26		0,389		0,299
11	0,566	0.450	28		0,378		0,291
12	0,541	0,428	30		0,369		0,283

Чтобы рассчитать фактическое значение критерия полагают в порядке возрастания: х,, х₂,..., х„ _ь х„.

штятшяшяшяттяттт

Сомнительными обычно бывают один или оба крайних члена ряда, т.е. Xi или х_п или Xi и х„, а не вызывающие сомнения ближайшие к ним варианты х₂ их,.|,с которьши сравниваются xi и х„.

Критерий т вычисляется по отношениям: для Xi

£ — ^Х1 Х„, ~ ^Х1 и для х_п

L = -

1.2. Другой способ заключается в том, что проверку гипотезы о принад­лежности сомнительных вариант к изучаемому ряду часто проводят вычисле­нием доверительного интервала для всей совокупности и определением вероят­ности нахождения сомнительной варианты х в пределах х ± 2S (для больших выборок вероятность 95 %) или х ± 3S (уровень вероятности 99 %). Если х вы­ходит за пределы х ± 2S на 5%-ном уровне, или за пределы утроенного стан­дартного отклонения, т. е. х ± 3S — на 1%-ном уровне значимости, то варианта бракуется.

Здесь х среднее арифметическое результатов наблюдений, a S — стан­дартное отклонение, служащее мерой рассеяния изучаемого признака х.

Стандартное отклонение рассчитывается по формуле

(1)

V п-1

или

(2)

V и-1 ^w

1.3. Для малых выборок (п<30) проверка может осуществляться по со­отношению

х ± ts. (3)

Значение t берется из таблицы (см. приложение) критерия Стьюдента для 5%-ного или 1%-ного уровня значимости.

Число степеней свободы n— 1, а стандартное отклонение вычисляется по всем фактическим вариантам.

Необходимо отметить, что выключение сомнительных вариант очень опасно и прибегать к этому следует лишь в исключительных случаях.

2. Сравнение средних.

При создании нового материала (или прибора) может быть обнаружено, что значение какого-либо его параметра отличается от значений того же пара­метра у ранее созданного материала (или прибора), но отличие незначительно, при этом возникает подозрение, не вызвано ли это отличие лишь случайными ошибками эксперимента.

Для выяснения вопроса о случайном или неслучайном расхождении значений проводят две серии опытов (измерений) и для каждой из них подсчи­тывают среднее значение параметра, скажем, х, и х_г. Вопрос, когда считать разность между этими средними достаточно большой для того, чтобы иметь практическую уверенность в неслучайном происхождении обнаруженных раз­ностей?

Пусть с одной и той же точностью произведены две серии независимых

измерений, причем П[ измерений в первой серии дали среднее значение х,, и эмпирическую дисперсию S,², а п₂ измерений во второй серии дали соответ­ственно xi и S*. Для решения о случайном или неслучайном расхождении средних значений подсчитывали соотношение

(4) Я-.1- + -

S= fa-Off+(«,-!)•■% ₍₅₎

i (и₁-1)+(«_г-1)

Если т_фскт > т_ттр, то расхождение средних значений можно считать не­случайным (значимым) с заданной надежностью вывода.

Теоретическое значение критерия t находят по таблице Стьюдента (см. приложение), принимая 5%-ный или 1%-ный уровень значимости. Число сте­пеней свободы принимается равным щ+п₂ — 2.

Стандартные отклонения Si и S₂ рассчитываются по формулам (1) или

(2).

3. Оценка измеряемой величины

Оценить измеряемую величину - это значит:

1. указать такую величину, вычисленную по результатам измерений, которая достаточно близка к истинному значению измеряемой величины;

2. указать такой интервал, в котором с заданной вероятностью нахо­дится истинное значение измеряемой величины.

Для равноточных измерений оценкой истинного значения является среднее арифметическое

ж=А-5>,, (6)

где X; — результаты измерений, п — число измерений.

Доверительный интервал при неизвестной точности измерений находится следующим образом.

Подсчитывают по формулам (1) или (2) стандартное отклонение, а затем находят доверительный интервал по формуле

= (7)

4п

где множитель t (р; к) зависит от заданной вероятности р и числа степе­ней свободы п-1.

Значение t берется из таблицы Стьюдента.

x—S, <a<x+<!; /

Порядок выполнения работы

1. Согласно заданного варианта (по последним двум цифрам зачетной книжки) записать 9 значений измерения первой варианты и 11 значений изме­рения второй варианты (взвешивались клубни двух сортов картофеля).

2. Результаты взвешиваний каждого сорта записать в порядке возрас­тания.

3. Рассчитать средние арифметические значения измеренных величин Xj и х₂ по формуле (6).

4. Проверить наименьшее (наибольшее) значение измеренной ве­личины на грубую ошибку одним из описанных способов.

5. При наличии грубых ошибок ее следует отбросить и по оставшимся измерениям определить х_ь х₂, Si и S₂.

6. Проверить различие средних значений no t критерию с применением формулы (4).

7. Определить доверительные интервалы для Х] и х₂.

Варианты задания

Первая цифра варианта задания указывает на номер строки, а вторая - на номер столбца в приводимой ниже таблице.

Из таблицы подряд выбирается 9 значений цифр, расположенных в со­ответствующей строке и 11 значений цифр, расположенных в соответствующем столбце. Первая цифра лежит на пересечении номера строки и столбца. Если числа цифр в строке или столбце недостает, то выбор следует продолжить с Начала строки или столбца. Например, для варианта 2 - 12: 1) 91, 63, 90, 120, 147,96, 122,138,200; 2)91, 110,95, 111,125, 163, 100, 100, 118, 63, 113.

	1	2 j 3	4 | 5 6	7	Й	9	10	11	12	13	14	15
1	146	163 141	97 129 93	94	103	78	120	88	80	101	151	88
г	147	96 122	200 138 172	100	99	60	127	84	91	63	90	120
3	98	124 89	140 69 76	73	75	149	91	133	110	153	96	illl
4	113	99 126	101 131 121	119	125	115	65	160	95	123	113	122
5	180	82 87	136 109 129	132	110	48	110	143	111	124	100	117
6	71	132 20	98 121 137	107	148	110	84	119	125	127	136	143
7	118	108 67	92 144 136	130	81	62	114	112	163	78	88	115
8	104	107 77	106 85 86	104	139	79	158	62	100	110	120	147
9	74	109 166	116 116 135	112	155	145	83	91	100	99	73	122
10	102	57 142	54 142 126	157	40 105		110	75	118	148	84	151
11	116	137 48	140 48 141	82	142	121	153	129	63	54	146	107
12	97	139 166	133 166 192	87	140	144	132	157	113	172	134	135
13	69	105 103	109 103 108	57	122	102	110	155	91	40	93	104
14	74	131 124	96 124 81	98	не	107	104	160	60	72	136	110
15	86	9В 89	124 89 99	200	110	145	85	126	130	114	109	121

Контрольные вопросы

1. Способы исключения грубых ошибок по результатам измерений.

2. Что значит оценить измеряемую величину?

3. Что является точечной оценкой генеральной средней?

4. От чего зависит доверительный интервал оцениваемого параметра?

5. С какой целью проводится сравнение выборочных средних результа­тов двух наблюдений (опытов)?

Список использованных источников

1. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта. М., „Колос", 1973.

2. Румчинский JI. 3. Математическая обработка результатов экспе­римента. М., „Наука", 1971.

Приложение

Значение критерия t на 5,1 и 0,1%-ном уровне значимости

Число	Уровень значимости			Число	Уровень значимости
степе­				сте­
ней свобо­	0,05	0,01	0,001	пеней сво­	0,05	0,01	0,001
ды				боды
1	12,75	63,66		21	2,08	2,83	3,82
2	4,30	9,93	31,60	22	2,07	2,82	3,79
3	3,18	5,84	12,94	23	2,07	2,81	3,77
4	2,78	4,60	8,61	24	2,06	2,80	3,75
5	2,57	4,03	636	25	2,06	2,79	3,73
6	2,45	3.71	5,96	26	2,06	2,78	37Л
7	2,37	3,50	5,41	27	2,05	2,77	3.69
8	2,31	3,36	5,04	28	2,05	2,76	3,67
9		3,25	4,78	29	2,05		3,66
.10	2,23	3,17	4,59	30	2,04	2,75	3,65
11	2,20	ЗД1	4,44	50	2,01	2,68	3,50
12	2,18	3,06	4,32	100	1,98	2,63	3,39
13	2,18	3,01	4,22		1,96	2,58	3,29
14	2,15	2,98	4,14
15	2,13	2,95	4,07
16	2,12	2,92	4,02
17	2,11	2,90	3,97
18	2,10	2,88	3,92
19	2,09	2,86	3,88
20	2,09	2,85	3,85

Методические указания к РАСЧЕТНО - ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ по дисциплине «Основы научных исследований»

ПРЕДИСЛОВИЕ

Расчетно - графическая работа (РГР) по дисциплине «Основы научных исследований» (ОНИ) является самостоятельной работой студента, которая подчеркивает изучение лабораторного и лекционного курса.

Структура РГР включает в себя оформленную пояснительную записку (ПЗ) и (или) графическую часть (ГЧ).

Результаты выполненной РГР студента могут использоваться в даль­нейшем в курсовых работах и дипломных проектах. Работы, имеющие в ре­зультате отражение в виде опытного образца, патента на полезную модель или изобретение мо1ут быть выставлены на обозрение на конференциях с целью поощрения студента.

В случае окончания студентом ВУЗа, результаты его работ являются собственностью учреждения и не предусматривают уведомления автора о даль­нейшем использовании его разработки.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ПЗ и ГЧ

ПЗ может быть оформлена в рукописном на основании индивидуально­го задания (см. Приложение) или машинописном виде на листах формата А4 и включать следующие подразделы:

• титульный лист; введение; основную часть; выводы (рекомендации); приложение; список используемой литературы.

Графическая часть РГР должна быть оформлена на листах формата А4 и включать оформленные соответствующим образом схем, исследуемой модели, табличные материалы, графических зависимостей.

В качестве правил для оформления РГР рекомендуется использовать ме­тодические указания /1/.

ОБЪЕМ РГР

Студент самостоятельно, в объеме 10 часов в соответствии с /2/ готовит расчетно - графическую работу.

В указанный объем работы входит:

• выбор темы и постановка задач исследования - 0,5 ч;

• выбор авторов и оформление списка литературы по требованиям дей­ствующего ГОСТа - 1 ч;

• краткое изложение состояния вопроса по теме исследования - 1ч;

• проведение патентных исследований с выбором прототипа и аналога изобретения —1ч;

• оформление заявки на патент - 10 ч;

• планирование эксперимента и подбор материально - технического обеспечения - 3 ч;

, - , /много эксперимента по исследуемой

- оформление таблицы полнофак¹¹ '

S*

^имитационного эксперимента -ависищостей - 1,5 ч;

1ч.

симости — 1 ч;

с по-

зав

статистическая обработка дани*' ^нием регрессионных и графических ^

луЧ¹

- общие выводы и рекомендации ⁷' ВЫБОР ТЕМЫ ж:< .ЛЕДОВА*¹"

Студент выполняет выбор темы ,>™^льном листе - индивидуальном

«ии (приложение 1), но в случае зат_РЯ^{,1егай П}Р^{И выбо}Р^{е может П}Р^{ИНЯТЬ ее за}# ^речня таблицы 1. _

из I* При выборе темы исследования f использовать со&ствен-

наработки по линии научно - иссл_е/~^скои Р^{аботы (НИРС}>'

ны^ольку с начала 3 - го курса каждый ?^{чшдайся инженерн0Г0} Ф^акУ^{льтета за}" ^поС;лен за преподавателем соответствую*®^{51 к} афедры.

°^аТ дуется использовать последние две цй' р^р тр^е Таблица 1 - Примерный перечень^^{1 ДЛЯ}

цифра зачетной книжки

№

манта

Предпоследняя

Сл-я

Ск-я

Сп-п

Пв-ь

См-я

Сп-я

Пк-к

Пк-р

Пк-я

Пб-а

Пв-ь

Сп-п

Пк-к

Сл-я

Пк-р

См-я

Ск-я

Пб-а

Сп-п

Сп-я

См-я

Сл-я

Пк-я

Пв-ь

Пб-а

Ек-к

Сп-я

"gjiM

ш -fe-

Пк-я

Сл-я

Пк-р

Ск-я

Сп-п

Сп-я

Пк-к

См-я

Сл-я

Ск-я

Пк-я

Пв-ь

Пб-а

Пк-к

См-я

И*&

Пк-я

Сп-п

Пв-ь

Ск-я

Сп-я

См-я

м

Сл-я

Пб-а

Сп-п

Ск-_;

Пв-ь

Пк-к

Пк-р

Сл-я

Пк-я

Пб-а

Сп-п

Пв-ь

Сп-я

См-я

Сл-я

Ск-я

Пк-я

тр

с^

Пб-а

Сп-я

Сп-п

Пк-к

Пк-р

Пк-я

Ск-я

Пв-ь

Пб-а

См-я

Пк-к

Сп-я

^ Если возникают спорные вопрос*»^{ШИ сложпос}™ ^{п0 0ТДельньШ ка}Ф^ед"

крс¹

Л перечень тем исследовании, разра- допускается использовать примерно ⁸ машины» табли а 1 для чего Р^^ваемых на кафедре <<Сельскохозяйс?*?^{е1ШЫе ма} '

ы зачетной книжки.

Пк-я

Ск-я

Пв-ь

Сп-п

Пб-а

Сп-я

Пк-к

См-я

Пк-р

Сл-я

_г, -.тнвающие машины; С - сеялки; к-р -

Примечание - П - почвообраб* _{иватель к}._я _ _комбиниро-

ку<

- каток; б-а - борона; 3 ^г

, тиватор; К-К ~ ivftiuiv, \j-a — w>L'Utid. p

if „ / „ дя; п-я - пневматическая; п-п - прямо-

рабочии орган; м-я - механически

лсева; л-я - льняная. _ „

го * Дополнительно предполагается _и^^{льзоветь} самостоятельно любой со-

лой элемент сельскохозяйственной м^^ИНЫ' ^ШТ0Р^{ЫИ П}° "Р^^рительному смотрению с преподавателем записыв#^еТСЯ индивидуальном задании.

Р^ Например: студент имеет шифр з/™ ^КНИЖКИ °⁸?⁷' ^ТаКИМ °^бра3°^М' .дьзуется 2 последних цифр - ₂₇ Сл^™¹⁰' ^темои исследования сту- яс< _mmK™, Гп-п, т.е. Сеялка прямого ^ПОСеБа' ^ПР^И самостоятельном выборе элемента - «высеваю!^ ^аппаР^ат»' ^тема исследования вы-

Д^е1) уфуКЦИОННОГО

глядит так: «Исследование процесса работы высевающего аппарата для сеялки прямого посева».

Допускается изменять тему исследования на любом из этапов ее выпол­нения по предварительному согласованию с преподавателем по дисциплине ОНИ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Существует ряд методологий для решения поставленных задач исследо­вания. Одним из распространенных является классический метод. Классиче­ский метод достижения поставленной цели подразумевает собой решение сле­дующих задач - теоретических и практических.

Теоретические задачи включают разработку математической модели взаимодействия объекта исследования с интересуемыми факторами, которые выбираются на основании уже накопленных знаний у студента, либо выявля­ются на основании обзора научно - технической литературы. Таким образом получается математическая модель, показанная на рис. 1.

ФАКТОРЫ ОТКЛИКИ

внешние условия	ЧЕРНЫЙ ЯЩИК	свойства почвы
режимы работы		урожайность

Рисунок 1 - Модель взаимодействия устройства (рабочего органа сель­скохозяйственной машины) - ЧЕРНЫЙ ЯЩИК с объектом обработки

К теоретическим задачам можно отнести проведение обзора научно - технической литературы, патентных исследований, обработка и анализ данных.

Практические задачи включают подготовку лабораторной, полевой или лабораторно - полевой установки с соответствующим выбором материально - технического и приборного обеспечения. В графической части должно быть от­ражено схематично устройство разработанной установки и его работа.

Например. Для проведения тензометрических исследований, целью ко­торых являлось установление характера напряжений по площади контакта кат­ка и по глубине почвенного профиля от параметров и режимов работы почво­обрабатывающего катка, лабораторная установка дополнительно переоборудо­вана растровой сеткой и отверстиями для крепления тензометрических датчи­ков (рис. 2).

• оформление таблицы полнофакторного эксперимента по исследуемой зависимости -1 ч;

• статистическая обработка данных имитационного эксперимента с по­лучением регрессионных и графических зависимостей - 1,5 ч;

• общие выводы и рекомендации -1ч.

ВЫБОР ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Студент выполняет выбор темы на отдельном листе - индивидуальном задании (приложение 1), но в случае затруднений при выборе может принять ее из перечня таблицы 1.

При выборе темы исследования рекомендуется использовать собствен­ные наработки по линии научно - исследовательской работы студента (НИРС), поскольку с начала 3-го курса каждый учащийся инженерного факультета за­креплен за преподавателем соответствующей кафедры.

Если возникают спорные вопросы или сложности по отдельным кафед­рам, допускается использовать примерный перечень тем исследований, разра­батываемых на кафедре «Сельскохозяйственные машины» - таблица 1, дня чего требуется использовать последние две цифры зачетной книжки.

Таблица 1 - Примерный перечень тем для РГР

№ варианта	Предпоследняя цифра зачетной книжки
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я
1	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я
2	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь	Ск-я
3	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь
4	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п
5	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а
6	i i6-a	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к	Сп-я
7	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я	Пк-к
8	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р	См-я
9	См-я	Пк-к	Сп-я	Пб-а	Сп-п	Пв-ь	Ск-я	Пк-я	Сл-я	Пк-р

Примечание - П - почвообрабатывающие машины; С - сеялки; к-р - культиватор; к-к - каток; б-а - борона; в-ль - выравниватель к-я - комбиниро­ванный рабочий орган; м-я - механическая; п-я - пневматическая; п-п — прямо­го посева; л-я - льняная.

Дополнительно предполагается использовать самостоятельно любой со­ставной элемент сельскохозяйственной машины, который по предварительному рассмотрению с преподавателем записывается в индивидуальном задании.

Например: студент имеет шифр зачетной книжки 08327, таким образом, используется 2 последних цифр - 27. Следовательно, темой исследования сту­дента является Сп-п, т.е. Сеялка прямого посева. При самостоятельном выборе конструкционного элемента - «высевающий аппарат», тема исследования вы­глядит так: «Исследование процесса работы высевающего аппарата дня сеялки прямого посева».

Допускается изменять тему исследования на любом из этапов ее выпол­нения по предварительному согласованию с преподавателем по дисциплине ОНИ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Существует ряд методологий для решения поставленных задач исследо­вания. Одним из распространенных является классический метод. Классиче­ский метод достижения поставленной цели подразумевает собой решение сле­дующих задач - теоретических и практических.

Теоретические задачи включают разработку математической модели взаимодействия объекта исследования с интересуемыми факторами, которые выбираются на основании уже накопленных знаний у студента, либо выявля­ются на основании обзора научно - технической литературы. Таким образом получается математическая модель, показанная на рис. 1.

ФАКТОРЫ ОТКЛИКИ

внешние условия

свойства почвы

режимы работы

урожайность

Рисунок 1 - Модель взаимодействия устройства (рабочего органа сель­скохозяйственной машины) - ЧЕРНЫЙ ЖЦИК с объектом обработки

К теоретическим задачам можно отнести проведение обзора научно - технической литературы, патентных исследований, обработка и анализ данных.

Практические задачи включают подготовку лабораторной, полевой или лабораторно - полевой установки с соответствующим выбором материально - технического и приборного обеспечения. В графической части должно быть от­ражено схематично устройство разработанной установки и его работа.

Например. Для проведения тензометрических исследований, целью ко­торых являлось установление характера напряжений по площади контакта кат­ка и по глубине почвенного профиля от параметров и режимов работы почво­обрабатывающего катка, лабораторная установка дополнительно переоборудо­вана растровой сеткой и отверстиями для крепления тензометрических датчи­ков (рис. 2).

1 - гладкий каток; 2 - груз; 3 - брус; 4 - тележка; 5 - динамометр; 6 - секундомер; 7 - координатная (растровая) сетка; 8 — почва; 9 - тросовое соеди­нение; 10 - сцепление; 11 - коробка перемены передач; 12 - электродвигатель; 13 - отверстия для установки тензодатчика; 14 - усилитель сигнала; 15 - ос­циллограф; 16 - фрагмент почвенного канала; 17 - направляющие; 18 - балласт Рисунок 2 - Установка для проведения тензометрических исследований Конкретная формулировка задач предполагает правильность и своевре­менность достижения поставленной цели (темы) исследования. Следовательно, необходимо внимательно изучить научно — техническую и патентную литера­туру по вопросу исследования.

АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ

При выборе авторов для последующего оформления «Состояние вопро­са» рекомендуется использовать ресурсы библиотеки Тверской ГСХА, начиная с выбора УДК в систематическом каталоге, а затем при анализе источника и списка литературы подбирать соответствующих авторов, занимающихся Вашей темой исследования. Не всегда имеется возможность выбрать конкретного ав­тора, в связи с чем, на помощь приходит картотека статей из журналов, где определенно можно выбрать соответствующих авторов и подобрать необходи­мый материал по теме исследования. На данном этапе рекомендуется выписы­вать всех просматриваемых авторов в отдельную (собственную) картотеку для последующего оформления «Списка литературы» в соответствии с требовани­ями действующего ГОСТа. Список литературы по теме исследования должен содержать ссылки на книги, статьи из журналов и научных трудов институтов. Допускается использовать и электронные учебные издания (ЭУИ) и норматив­ную документацию, но ссылки на них должны быть также по форме, регламен­тированной ГОСТ.

Например при использовании технических требований при выборе электронных приборов используется ГОСТ Р 517721 - 2001 или при разработке собственной конструкции применяется как прототип уже известный патент, то В этом случае ссылки выглядят так:

1. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Технические требования: ГОСТ Р 517721 - 2001 .- Введ. 2002 -01 - 01. -М: Изд-во стандартов .-27 с.

2. Пат. 2145419 Российская Федерация, МПК G 01 R 11 / 24.11 / 36. Электросчетчик / Г.Н.Копейкин .- № 98116236/06, заявл. 18.11.2000. опубл.20.08.02, Бюл. № 23 (Пч.).-Зс,

3. Ростовцева Т.В. О некоторых путях организации информации в Ин­тернет / Т.В.Ростовцева // Управление электронными ресурсами библиотек

На основании анализа выбранных научно - технических и патентных источников литературы оформляется раздел «Состояние вопроса по теме ис­следования». В данном разделе должны быть указаны авторы, занимающиеся данным вопросом, подтверждена актуальность выбранной темы и уточнены выбранные задачи исследования. Для оформления данного раздела рекоменду­ется использование и патентных источников в базах данных Internet - Феде­рального института промышленной собственности (ФИПС) на электронном ад­ресе /3/. Таким образом, правильно выполненный анализ литературы позволяет уточнить задачи, нерешенные в ранних исследованиях, а также помогает рас­крыть и уточнить проводимые исследования автора.

Патентные исследования проводят в несколько этапов и отражают в ви­де отчетов по форме, указанной в методических указаниях /4/. Первым этапом является выбор шифра международного патентного (МПК) в соответствии с Темой исследования. Далее необходимо определить прототипы и аналоги пред­полагаемой конструкции (устройства), технологического процесса (способа) и провести их анализ. Заключительным этапом является оформление заявки па­тента на полезную модель или изобретение. В случае выбора темы исследова­ний, задачей которого является полное оформление патентного поиска и оформление заявки по теме дипломного проектирования, допускается исклю­чение остальных задач да расчетно - графической работы.

После выбора прототипа конструкции рабочего органа и разработки собственного, исключающего технологические или конструктивные недостатки имеющихся устройств, автор должен приступить к планированию эксперимента лабораторного или полевого. При этом необходимо предусмотреть выбор мате­риально - технического и приборного обеспечения.

ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Планирование эксперимента следует начинать с порядка работы пред­полагаемого устройства (установки), с учетом осуществления им технологиче­ского процесса, а также требований но обеспечению необходимого материаль­ного и приборного оборудования.

Например, автору в результате исследований требуется определение де­формации рабочего органа при взаимодействии с объектом обработки. Извест­но, что деформации могут быть довольно незначительными, что вызывает

сложность при фиксации значений. Следовательно, при измерении механиче­ских величин в качестве преобразователей подобного рода величин используют тензорезисторы (проволочные, фольговые, полупроводниковые) (рис. 3), кото­рые выполняют в виде наклеенных на тонкую бумагу или лаковую пленку вит­ков тонкого провода или полосок фольги с большим сопротивлением. Из суще­ствующего многообразия тензодатчиков необходимо обоснованно выбрать один, подобрать к нему преобразователь и выбрать схему их расстановки на ра­бочем органе с целью получения максимально качественной картины деформа­ции. Автор также должен уточнить точность проводимых измерений, что по­влияет, в конечном счете, на последующую обработку полученных экспери­ментальных данных.

Рисунок 2 - Типы тензорезистеров (тензодатчиков)

а б а г

а - проволочный; б - фольговый; в - фольговый розеточный, г - фольговый мембранный

«Номинальный рабочий ток проводника составляет около 30 мА, а макси­мально допустимая деформация не превышает 0,3 %. Для различного рода де­формаций применяют разнообразные тензодатчики. Поскольку для нашего слу­чая имеются незначительные деформации на плоскости, то выбираем прово­лочный тензодатчик». По такому принципу следует оформлять подбор любого используемого материально - технического и приборного обеспечения - ли­нейка, весы, секундомер и т.д.

С учетом выбранных приборов и разработки лабораторной или полевой установки, учитывая основной фактор времени, выполняют планирование экс­перимента. Планирование начинается с уточнения исследуемых факторов и уровней, количества измерений и повторности проведения эксперимента. В ре­зультате должна быть получена план - матрица полнофакторного эксперимента (ПФЭ). Используя ранее приведенный пример (рис. 1) автору в качестве черно­го ящика требуется проанализировать работу зуба бороны, при этом задачей лабораторных исследований ставится: «Какая высота зуба должна использо­ваться при предпосевной обработке дерново - подзолистой легкосуглинистой почвы при возделывании льна - долгунца». Таким образом, матрица планиро­вания экспериментальных исследований должна выглядеть следующим обра­зом (табл. 2).

Исследуемые факто­ры	Уровни варьирования			Значение плотности почвы, г/см3,
					(повторности)
	J3 § d	JD xs	из оЗ о	1	2	3	4
	1 <5	X	1 >5
	к я 2	p. о	й я СЗ
Высота зуба, мм А	100	150	200
Удельная нагрузка на зуб, Н/зуб В	5	10	15

Для дальнейшей обработки полученных данных рекомендуется «коди­ровать» выбранные уровни и факторы (табл. 3).

Таблица 3 - Кодированная матрица планирования ПФЭ типа З²

Факторы	Уровни			Результаты измерения плотности (урожай­ности), Y
				IlOBTOl			эности
	-Ка)	0(b)	+1(с)		1	2		3	4
Л	100	150	200
В	5	10	15

Как видно из таблицы 1 средний уровень является нулевым кодирован­ным значением между максимальным и минимальным уровнем (табл. 2). Даль­нейшее использование кодированных величин упрощает математическую обра­ботку с получением регрессионных зависимостей. По данным составленной Таблицы 3, можно определить какое количество опытов может быть макси­мальным. Для оптимального и достаточного выбора количества экспериментов необходимо раскрыть план - матрицу и проанализировать ее, выделяя лишь ин­тересующие автора зависимости.

После формирования таблицы ПФЭ автор вместе с руководителем по НИРС или преподавателем по ОНИ заполняют таблицу 3 значениями, более менее являющимися правдоподобными. Однако рекомендуется использовать самостоятельно полученные данные на разработанной и изготовленной уста­новке или опытном образце. После оформления таблицы с данными переходят к статистической обработке данных с получением регрессионных уравнений.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ Статистическая обработка с определением среднего значения, диспер­сии и коэффициента вариации позволит выявить ошибки проведения экспери­мента и увеличить достоверность полученных данных, устранив ошибочно по­лученные результаты. Для выполнения данного раздела допускается использо­вание ПЭВМ и стандартного пакета: Excel, MathCad, Statgraf, Stadia и др.

После предварительного анализа данных с использованием статистиче­ской обработки и исключением возможных ошибочно полученных данных, пе­реходят к составлению регрессионного уравнения, позволяющим выявить тре­

буемую зависимость. В результате обработки данных должно получиться урав­нение в кодированной форме

7 = 0,15 + 0,11X1-0,22X2 + 0,015Х1², (1)

где XI - переменная величина высоты зуба, мм; Х2 - переменная величина удельной нагрузки на зуб, Н/зуб. После декодирования значения плотности или урожайности можно вы­разить следующим уравнением регрессии

р{А, В) = 1,25 + 0,2 Ы - 0,018IP, (2)

где р, А и В - значения плотности, высота зуба и удельная нагрузка на зуб соответственно в декодированном виде.

После подстановки действительных значений в формулу 2 получается графическая зависимость на плоскости рис. 3,а или в пространстве рис. 3 б.

А, мм

Р, г/см

а б

Рисунок 3 - Пространственный график зависимости плотности почвы от совместного влияния двух фактфов - высоты зуба и удельной нагрузки

Анализ данных проводится по каждому показателю, т.е. указываются все, даже негативные факторы, поскольку на основании выполненных заключе­ний автора в дальнейшем работа do данному вопросу может пойти неоднознач­но и нерезультативно. В качестве анализа графика (рис. 3) можно сказать, что увеличение нагрузки на зуб приводит к увеличению плотности в установлен­ных пределах, однако совместное влияние удельной нагрузки и высоты зуба позволяет снизить плотность до требуемого значения.

Общие выводы и рекомендации делаются на каждом из этапов исследо­вания, начиная с выбора авторов, заканчивая конкретными рекомендациями, где может использоваться результат Вашей научной работы.

Список использованных источников

1. Сельскохозяйственные машины. Методические указания по курсовым работам, Тверь, 2005. 45 с.

2. Рабочая программа дисциплины «Основы научных исследований» Тверь, 2006. 10 с.

3. http://www.fips.ru

4. Методические указания к лабораторной работе. «Содержание и поря­док проведения патентных исследований». Тверь, 2006, 12 с.

Приложение

Бланк индивидуального задания Индивидуальное задание

на тему: разработка конструкции рабочего органа почвообрабатывающей

машины и планирование эксперимента по обоснованию ее параметров и

режимов работы . ___

Фамилия И.О. гагудента

Этапы выполнения: ВВЕДЕНИЕ

1. Обоснование конструкторской разработки.

2. Проведение патентных исследований научной и технической литературы.

3. Разработка модели взаимодействия предложенной конструкции рабочего органа с почвой, с учетом условий функционирования.

4. Планирование эксперимента и проведение имитационных исследований.

5. Обработка и анализ полученных данных. ЦЫВОД.

ПРИЛОЖЕНИЯ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. Задание выдал: доцент кафедры «СХМ» Голубев В.В. '

дата, подпись

Задание получил: студент __

дата, подпись

Срок сдачи расчетно - графической работы

(54) УСТРОЙСТВО ДНЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ 8 ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Формуле полезной модели

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий цилиндр, формирующий образец, для повышения информативности может иметь различный внутренний диаметр в зависимости от типа почв, гранулометрического состава и исходного состояния: 60,80 или 100 мм.

1 Устройство для определения Прочностных свойств почв в полевых условиях, включающее основание с опорами и силовой рычажно-лружинный механизм, отличающееся тем, что устройство включает направляющие стойки для строго вертикального перемещения вначале отрезного цилиндра, а затем сменного рабочего цилиндра, состоящего из верхней, средней (разборной) и нижней частей» скрепленных стяжкой, уровнемер для обеспечении горизонтального положения основания и позволяет испытывать образцы почвы на растяжение и сжатие, без нарушения естественной структуры почвы.