FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY I OSNOVA 1. KAPITOLY 1. Základy měření Úvod do problematiky experimentální práce Fáze experimentální práce Předpisy pro experimentální práci Základní pojmy v oblasti měření
ÚVOD DO PROBLEMATIKY EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE slouží k poznání a získávání informací o stavu a chování zařízení nebo prostředí. METODY POZNÁNÍ Teoretické řešení Experimentální přístup Kombinovaný přístup Metoda stopového plynu pro výzkum odsávacích systémů TYPY MĚŘENÍ Laboratorní měření Při vývoji zařízení. Přesná čidla a speciální měřicí metody. Provozní měření K informaci o stavu zařízení nebo k jeho regulaci. Méně přesná čidla, často speciální konstrukce, která bývají součástí zařízení. Servisní, kontrolní či validační měření K ověření funkce zařízení. Přesné přístroje a čidla, která nejsou součástí zařízení. 2
FÁZE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE - 1 A) Stanovení předmětu a cíle experimentu včetně rozvahy měřených veličin a jejich počtu (optimální řešení). B) Literární rešerše problému pro formulování pracovní hypotézy, pro volbu metody řešení, pro porovnání s podobnými případy, nebo i ke korekci cíle experimentu (upřesnění postupu). C) Návrh pracovní hypotézy Příprava měření Fundovaný odhad vývoje měření především u výzkumných prací, a to na základě znalosti zákonů, literatury a dané situace. D) Volba experimentální metody a zařízení pro zajištění reprodukovatelnosti a přesnosti výsledků měření, často s ohledem na cenu a dostupnost zařízení (přesnost a efektivnost). E) Návrh a sestavení experimentálního zařízení a měřeného objektu, který je třeba často upravit, osázet čidly, odběry vzorků apod. Při měření na modelech je třeba tento model nejdříve navrhnout. 3
FÁZE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE - 2 F) Plán měření pro stanovení okrajových a počáteční podmínek, optimálního počtu měření (u rozsáhlejších experimentů stanovení kontrolních měření) G) Měření a zápis protokolu o měření je nejdůležitější část práce. Nutné postupovat organizovaně. Protokol obsahuje: a) Údaje o předmětu měření b) Seznam přístrojů a schéma zapojení c) Časové údaje o měření a jména zúčastněných pracovníků d) Údaje o stavu okolního prostředí a poznámky k průběhu měření e) Tabulky s naměřenými hodnotami Protokol je uložen u řešitele úkolu. Měření v laboratoři Pozn.: Protokol slouží při sporech a hledání chyb měření. Protokol musí mít často předepsanou formu. Protokol při počítačových měřeních lze vytvořit ze souboru měřených dat. 4
FÁZE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE - 3 H) Zpracování a vyhodnocení měření Musí být srozumitelné a přehledné (tabulky, grafy, rovnice, obrazy aj.), musí obsahovat i vyhodnocení nejistot a chyb měření. I) Vypracování závěrečné zprávy stručné, jasné, přehledné a úplné. Zpracování měření a) Souhrn (u rozsáhlých zpráv, do 1/2 stránky, problém a výsledky) b) Obsah (dle typu zprávy, výstižné názvy kapitol a stránky) c) Seznam označení (abecedně označení, název a jednotky veličin) d) Úvod (cíle, rešerše, metody řešení, účelnost, přínos) e) Teoretický rozbor (matematický popis či řešení, zdůvodňující nutnost měření - není nutný) f) Popis objektu (slovní popis, schéma, foto, někdy i princip) g) Popis zařízení (slovní popis, seznamem přístrojů, schéma, foto, někdy i princip práce) 5
FÁZE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE - 4 h) Měření (nejdůležitější část s tabulkami, grafy, obrazy, části protokolu o měření, celý protokol může být v příloze) i) Výsledky měření (tabulky, grafy, obrazy, rovnice způsob jejich zpracování a rozbor nejistot měření) j) Diskuse výsledků (hodnocení výsledků vůči předpokládaným či předepsaným hodnotám, porovnání s literaturou, diskuze metody apod.) Rozložení teplot v horkém provozu k) Závěr (slouží pro rychlou orientaci, shrnuje výsledky, porovnává je s teorií či literaturou, navrhuje opatření, navazuje na úvod) l) Seznam literatury (bývá číslován a uspořádán dle výskytu odkazu v textu nebo abecedně je třeba respektovat normu) m) Přílohy (mohou obsahovat protokol o měření, rozsáhlé výsledky měření, teoretického řešení, rozsáhlé systémy rovnic, výkresy, složitá schémata, materiály k porovnání výsledků a elektronickou podobu zprávy a výsledků měření) 6
FÁZE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE - 5 Uvedené zásady pro vypracování závěrečné zprávy o experimentální práci platí obecně. Pro konkrétní účely může však být osnova takové zprávy kratší, nebo i přímo předepsaná. Viz např.: Osnova zprávy pro validační měření Validační měření a) Popis zařízení či technologie v chladicích komorách b) Popis postupu validace c) Minimální kritéria přijatelnosti d) Výsledky validace s odkazy na protokoly o měření e) Porovnání výsledků s kritérii f) Diskuse a závěr (rozbor anomálií, požadavky na revalidaci a monitorování, doporučení) g) Vyjádření schválení a platnosti 7
FÁZE EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE - 6 Zpráva o školní práci a) Titulní list formátu A4 b) Seznam označení (veličina, název, základní jednotky) c) Téma a cíl experimentu d) Popis problému, teorie a experimentální metody e) Popis měřeného objektu a experimentálního zařízení (schéma objektu, zařízení, parametry, umístění senzorů, seznam přístrojů) f) Měření (postup, hodnoty...) g) Vyhodnocení (postup, rovnice, grafy, tab., příklad výpočtu) h) Rozbor nejistot měření i) Diskuse výsledků a závěr Pracoviště (ústav, odbor) Stud.sk. Datum Název práce Jméno, příjmení Spolupracovník Titulní list zprávy o školní práci 8
PŘEDPISY PRO EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCI - 1 Postupy a zásady měření jsou v ISO 9000 Jednotnost měření zajišťují obecně etalony Etalony 1. řádu - jsou v Českém metrologickém institutu (ČMI) Etalony 2. řádu Etalony 3. řádu - mohou být ve firmách Jednotnost měření v ČR zajišťují inspektoráty a laboratorní základny, a to dle zákona o metrologii. ČMI v Brně Státní etalony Kalibrační služby Služby legální metrologie Poskytování služeb Českého metrologického institutu 9
PŘEDPISY PRO EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCI - 2 Státní etalony v ČMI Etalon hmotnosti Etalon teploty Etalon síly Normy a předpisy pro experimentální práci Normy pro měření (postupy měření a přesnosti použitých přístrojů) Návody k přístrojům (aby nedošlo k poškození, chybám, zranění aj.) Normy pro vypracování zprávy (pro rovnice, lit., názvy, jednotky...) Normy pro vliv zařízení či měření na člověka nebo okolí (hygienické předpisy, předpisy o způsobilosti pracovníků, předpisy o bezpečnosti práce a požární ochraně, aj.). Podrobněji ve skriptech. Normy a předpisy se postupně inovují. 10
PŘEDPISY PRO EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCI - 3 BEZPEČNOST PRÁCE - ochrana zdraví a majetku Zákon o bezpečnosti práce (státní dozor nad bezpečností práce) Zákoník práce (povinnosti zaměstnavatelům a zaměstnancům) Seznámení se s pracovištěm a zařízením (znalost místních předpisů, rizik a vnějších vlivů, pořádek, osvětlení, kontrola stavu zařízení, upozornění na nedostatky). Ochrana pracovníků (dodržování pracovních postupů, osobní ochranné pomůcky, zákaz alkoholu, omamných látek, omezení nevhodného chování) Práce s elektrickými zařízeními (vysoké napětí, ochrana zařízení před zničením) Práce s tlakovými nádobami Práce s chemikáliemi, tepelnými a radioaktivními zdroji Postup činností při ohrožení (první pomoc, oznamovací povinnost.) 11
PŘEDPISY PRO EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCI - 4 POŽÁRNÍ OCHRANA - ochrana zdraví a majetku Zákon o požární ochraně Zákon o okresních úřadech Seznámení se s pracovištěm a zařízením (znalost místních předpisů, rizik, rozmístění hasicích přístrojů, vnějších vlivů, pořádek, kontrola stavu zařízení - upozornit na nedostatky). Nebezpečí požáru a výbuchu (dodržování pracovních postupů, zákaz kouření, alkoholu, omamných látek, omezení nevhodného chování). Práce s elektrickými zařízeními Práce s ohněm Práce s plynnými a kapalnými hořlavinami Postup činností při požáru (hasicí přístroje, první pomoc, oznamovací povinnost ) 12
ZÁKLADNÍ POJMY V OBLASTI MĚŘENÍ - 1 Měření je proces - vyžaduje tok energie či látkový tok a realizuje se technickými prostředky (měřicí kanál, měřicí systém) Měření je vědní obor - dělí se na Metrologii (teoretické aspekty měření, teorie nejistot, definování a realizace jednotek, etalony měření) Měřicí techniku (aplikační oblasti měření, které dále dělíme na provozní techniku a na vědeckou a laboratorní techniku) 138 C Přesnost a správnost měření zajišťuje Justáž měřidla - uvedení do stavu pohotovosti s danou přesností Kalibrace měřidla - vyznačení poloh měřicích značek Graduování měřidla - zhotovení stupnice dle značek z kalibrace Ověřování měřidla - souhrn činností prováděných orgánem státní služby pro metrologii, který zjistí a potvrdí, že měřidlo vyhovuje požadavkům předpisů pro ověřování 13
ZÁKLADNÍ POJMY V OBLASTI MĚŘENÍ - 2 Rozdělení měření dle způsobu měření veličiny Měření absolutní Měření relativní Rozdělení měření dle způsobu určení veličiny Přímá měření (žádanou veličinu vyjádříme přímo měřením) Nepřímá měření (žádanou veličinu počítáme z měřených aj. veličin) Rozdělení měření dle závislosti měřené veličiny Měření veličin nezávislých Měření veličin závislých (funkční závislost, stochastická závislost) y Funkční závislost y = f (x) y Stochastická závislost y Nezávislé veličiny x x x 14