KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Koesuunnittelu Panu Kiviluoma

Transkriptio

1 KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Koesuunnittelu Panu Kiviluoma

2 Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 1. Tutkimusongelman määrittäminen 2. Kokeiden suunnittelu 3. Koejärjestelyn kehittely ja valmistus 4. Tiedon kerääminen 5. Tiedon analysointi 6. Tulosten tulkinta ja raportointi Pohjautuu osittain: Wheeler & Ganji, Introduction to Engineering Experimentation, Chapter 12 2

3 Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 1. Tutkimusongelman määrittäminen Tarve - Miksi tutkitaan - Mikä ongelma tai ratkaisematon kysymys - Miksi kokeellinen tutkimus - Liitynnät ympäröivään maailmaan ja aikaisempiin tutkimuksiin Tavoite ja tulos Laajuus/syvyys - Rajaukset Reunaehdot - aika - raha - laitteet - henkilöt - osaaminen Mitä tutkitaan? Mikä on tutkimuksen tarkoitus? Mikä on se ongelma, jonka ratkaisemiseen tutkimus tähtää? Miksi tämä ongelma on tärkeä tai merkittävä? Mitä odotetaan saatavan selville? 3

4 Tutkimuskysymys on hyvin valittu silloin, kun sekä myönteinen että kielteinen vastaus ovat mielenkiintoisia Järvinen, P. & Järvinen, A., Tutkimustyön metodeista, Opinpajan kirja, Tampere, 2004, ISBN

5 Tutkimusongelman määrittäminen ESIMERKKEJÄ Halpojen ja kotikäyttöön tarkoitettujen mittareiden ongelmana on yleensä luotettavuus ja kalibrointi. Luotettavuus heikkenee melko nopeasti, jos mittari on liian pitkään kalibroimatta. Myös huolimaton ja virheellinen käyttö saattavat antaa vääriä tuloksia, jolloin huonoimmassa tapauksessa henkilö, jolla on alkoholia veressä, saattaa esimerkiksi nousta auton rattiin. Tutkimuksen tavoite on selvittää kotikäyttöön tarkoitettujen mittareiden mittaustarkkuutta, luotettavuutta sekä mittaustulosten toistettavuutta erilaisissa käyttötilanteissa. Mittareiden häiriön sietoa oli tarkoitus testata erilaisilla kokeiluilla, jolloin selviäisi, onko normaalin kotikäyttäjän mahdollista tehdä mittarin tuloksiin suurestikin vaikuttavia virheitä ymmärtämättään. Työryhmä valitsi myös muutamia yleisesti kiinnostavia mittauksia, kuten sukupuolen ja painon vaikutuksen veren alkoholipitoisuuden nousuun sekä alkoholin imeytymisnopeuden määrittämisen. (Seppälä, E, Huttunen, S., Hupila, H., Fransas, S., Huhtinen, P., Alkometrit Loppuraportti, 2009) 5

6 Tutkimusongelman määrittäminen ESIMERKKEJÄ Kautta ilmailuhistorian lentokoneeseen kohdistuvia aerodynaamisia kuormia on tutkittu tuulitunnelissa. Yhtenä suurimmista ongelmista on ollut tunnelissa saavutetun virtauksen käyttökelpoisuus. Nykyään hyvin suunnitelluissa tuulitunneleissa lasketut nopeusjakaumat ovat kuitenkin korkealaatuisia. Näistä lasketut aerodynaamiset voimat kuvaavat hyvin todellisuutta. Käytännössä tämä perustuu energiaperiaatteen soveltamiseen, Bernoullin perusyhtälöön. Myös numeeristen laskentamenetelmien jatkuva kehitys johtaa myös kokeellisten menetelmien kehittymiseen, jossa pyritään tarkkuuden parantamiseen ja tulosten yhteensopivuuteen näiden välillä. Jotta kokeellisesti saaduista tuloksista voitaisiin tehdä oikeita johtopäätöksiä, täytyy tuntea tarkasti tunnelissa kulkeva virtaus. Lisäksi ajan kuluessa tunnelin virtausominaisuudet muuttuvat. Tähän vaikuttavat muun muassa ulkoisten ympäristöolosuhteiden vaihtelu sekä itse tunnelissa tehdyt korjaus- ja muutostyöt. Edellä mainitut asiat luovat pohjan tällaiselle tutkimukselle (Moradi, S., Vainio, J., Tuulitunnelin nopeusjakauma, 2009) 6

7 Tutkimusongelman määrittäminen ESIMERKKEJÄ Tässä työssä mitataan kokeellisesti vaikuttaako viippauskulma laivan kulkuvastukseen. Tutkimuksen tarkoitus on selvittää mallikokeiden avulla, saadaanko laivan kulkuvastusta pienennettyä nostamalla aluksen perää keulaan nähden eli viippaamalla alusta keulaan päin. Idea tähän aiheeseen saatiin laivojen käytännön operoinnista, sillä usein rahtilaivojen kapteenit ajavat aluksiaan pienessä keulaviippauksessa ja väittävät, että silloin polttoaineen kulutus on alhaisempaa. Pyrimme tutkimuksessamme löytämään korrelaation kulkuvastuksen ja viippauskulman välille sekä selvittämään optimaalisen viippauskulman. Viippauskulmalla tarkoitetaan kulmaa, joka muodostuu kun perän ja keulan syväydet eivät ole yhtä suuria eli laiva ei ui tasakölillä. Kuvassa 1 on periaatekuva laivan viippauksesta. Kuvasta poiketen teemme mallikokeet keulaviippauksessa (Brink, K., Stenberg, A., Korhonen, E., Helenius, L., Viippauskulman vaikutus laivan kulkuvastukseen, 2010) 7

8 Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 2. Kokeiden suunnittelu Tiedonhaku aihealueelta Lähestymistavan valinta Aikataulu ja kustannusarvio Analyysissä käytettävien mallien valinta Mitattavien muuttujien valinta Mittalaitteiden valinta Mittausepävarmuuksien arviointi Mittausjärjestelmän suunnittelu Mittausten kulun suunnittelu 8

9 Kokeiden suunnittelu Tiedonhaku aihealueelta Tiede on kumulatiivista! - Kokeellisesti vahvistettu tieto Mitä muut ovat tehneet ja miten Normaali tutkimuksen lähtökohta Nopeuttaa ja helpottaa projektin käynnistämistä ja läpivientiä State of Art eli tekniikan nykytaso - teoreettinen tausta ja pohja - aikaisemmat tutkimukset Mitä tiedetään ennestään? Mikä vaatii selvittelyä? 9

10 Kokeiden suunnittelu Tiedonhaku aihealueelta Tieteellinen perusta ja aikaisemmat tutkimukset - Tieteelliset julkaisut (Journals) - Konferenssit Koejärjestelyt - Muiden tutkimukset - Valmistajien ohjeet - Oppi- ja käsikirjat There is nothing like a few months in the lab to save a few hours in the library. - ANON. 10

11 Kokeiden suunnittelu Tiedonhaku aihealueelta Teoreettinen perusta mittauksille - Ilmiöitä kuvaavat yhtälöt Vaikuttavat suureet Muuttuvat/muutettavat suureet Mitattavat suureet - Oletukset ja rajoitukset Kattavuus ja luotettavuus Mittausepävarmuus - Arvio mittaustuloksista Toimintarajat Mittalaitteiden valinta 11

12 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Tiedonhaku aihealueelta Mitä on heitto? Määritelmä Aiheuttajat Ympyrämäisyysvirheet Pyörimisvirheet Staattiset Epäkeskisyys Alkukäyryys Laakerointivirheet Dynaamiset Epätasapaino Termiset Lämpötaipuma Värähtelyt Lämpölaajeneminen ISO 1101 Geometrical Product Specifications 12

13 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Tiedonhaku aihealueelta Miten heittoa mitataan? Kosketukselliset menetelmät - Heittokello - LVDT Kosketuksettomat menetelmät - Pyörrevirta - Induktiivinen - Kapasitiivinen - Optinen Ajonaikainen mittaaminen -?? 13

14 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Tiedonhaku aihealueelta Tiedonhaun tuloksena Tiedetään, mitä heitto on ja mikä sitä aiheuttaa Tunnetaan yleisimmät mittausmenetelmät Tunnetaan perinteisten mittausmenetelmien rajoitukset Tiedetään, että ajonaikaisia menetelmiä ei ole Osataan analysoida mittaustuloksia Osoitettava, että kehitetyllä menetelmällä voidaan mitata ajonaikainen heitto riittävällä tarkkuudella Tarvittavat mittaukset - Case/laboratorio - Vertailumittaukset - Mitta-alueet (esim. taajuuskaista) - Tarvittavat koe- ja mittalaitteet - Mittauksiin vaikuttavat tekijät 14

15 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Mittausten suunnittelu Laboratoriomittaukset Menetelmän tarkkuus (amplitudi/vaihe) - Vertailu muihin menetelmiin Herkkyys ulkoisille tekijöille - Mittausparametrien ja olosuhteiden muuttaminen Slide pad eddy current 15

16 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Mittausten suunnittelu Laboratoriomittaukset Mitattavat kohteet - Koekiekko - Koetela Vertailumittaukset VTT:n referenssimittaukset Talyrond-ympyräisyysmittakone laser-anturi pyörrevirta-anturi tdk-mittalaite

17 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Mittausten suunnittelu Laboratoriomittaukset Mittauksen herkkyys Laahaimen eri asennot ja paikat Laahausvoiman vaihtelu Kohteen eri nopeudet Laahaimen liikkuminen mittauksen aikana Mittauksen kesto (keskiarvostamisen vaikutus) Lämpötilan vaikutus 17

18 Esimerkki: Ajonaikainen heiton mittaus Mittausten suunnittelu Case-mittaukset Ajonaikainen termotelan heiton mittaus Telan taipuma Putkitaajuudet 18

19 Mittaussuunnitelma: Case 1 mittaukset prosessiolosuhteissa (nippi kiinni) 1. paperinäytteet ja -analyysi 2. pyörimissuhde ajonopeudella 3. nippidynamiikka ajonopeudella 4. nipin moodianalyysi ajonopeudella 5. nopeusramppi ajonopeusalueella mittaukset ennen koneen pysäyttämistä (nippi auki) 1. dynaaminen heitto ajonopeudella hp kp kiihtyvyysanturi voima-anturi tahdistusanturi laseranturi 2. staattinen heitto ryömimisnopeudella 19

20 Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 3. Koejärjestelyn suunnittelu ja valmistus Täysmittakaava, osajärjestelmät, pienoismallit? Koeajot ja testimittaukset toimiiko virheettömästi? vastaako suunniteltua? vastaako todellisuutta? Muutosten tekeminen 20

21 Esimerkki: IR-mittaus Koejärjestelyt 21

22 Esimerkki: Telavaipan lämpötilan mittaaminen Koejärjestelyt Vaatimukset: kiiltävä, liikkuva pinta ratanopeus 1000 m/min lämpötila 250 C Laitteet: Land M4 50/250 Williamson Pro40 22

23 Esimerkki: Ilmalaakerikitkan mittaaminen Koejärjestelyt Onko laakeripinta kontaktissa vastinpinnan kanssa? 23

24 Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 4. Tiedon kerääminen Mittausten suorittaminen suunnitelmien mukaan Mittaatko sitä mitä olit suunnitellut? [m/s2] Time [s] Time[s] 24

25 Mittauspöytäkirja Mittaustapahtumat Suoritusjärjestys Mittausolosuhteet Käytetyt mittalaitteet Kytkennät Asetusarvot Tiedostot ja niiden sijainti Poikkeustilanteet Tekijät Mahdollistaa Mittausten analysoinnin Poikkeamien selvittelyn Kokeiden toistamisen 25

26 26

27 Kokeiden suunnittelu Hyvä koesuunnitelma on tiivis, selkeä ja itsenäinen dokumentti. Hyvä koesuunnitelma sisältää kokeiden suorittamisen kannalta oleellisen informaation ja tulosten, havaintojen ja muiden tarvittavien tietojen kirjaamisen. Voisiko joku toinen suorittaa mittaukset suunnitelman avulla? 27

28 Kokeiden suunnittelu Huolella laadittu koesuunnitelma: Auttaa valmistelemaan koeympäristön kokeita varten Auttaa keskittymään oleellisiin kokeisiin ja karsimaan epäoleelliset kokeet Auttaa keskittymään itse kokeiden suorittamiseen Auttaa tekemään kokeet oikeassa järjestyksessä Auttaa arvioimaan kokeisiin kuluvaa aikaa Varmistaa riittävän tulosten dokumentoinnin kokeiden aikana Antaa riittävästi informaatiota kokeiden suorittamiseksi uudestaan Antaa myös jollekin toiselle henkilölle mahdollisuuden suorittaa kokeet Vähentää systemaattisia virheitä etukäteen sekä kokeiden aikana Nopeuttaa kokeiden suorittamista Helpotta muutosten tekemistä, mikäli kokeissa havaitaan virheitä tai puutteita Pitää yllä järjestelmällisyyttä 28

29 Kokeiden suunnittelu Suunnittele ja mieti kokeet etukäteen! Suorita kokeita! Ainoa tapa saada palautetta Dokumentoi kokeet ja havainnot välittömästi! Aika kultaa muistot Valmistaudu yllätyksiin! Iteratiivinen prosessi 29

30 Koesuunnitelma? Koesuunnitelma on dokumentti, joka kuvaa huomioon otettavat asiat ja johdattaa kokeentekijöitä kokeen suorittamisessa. Sellainen, että myös aiheesta tietämätön henkilö saa jonkinlaisen yleis kuvan kokeen tavoitteesta sekä käytetyistä periaatteista. Koesuunnitelma on toimintasuunnitelma kokeen suorittamiseksi. Koesuunnitelma tulisi aloittaa kansilehdellä, josta käy ilmi tutkimuksen aihe, julkaisuaika sekä tekijöiden nimet. Ennen varsinaisen kokeen vaiheisiin siirtymistä voisi käydä läpi, miksi aihe on alun perin valittu ja mitä kokeella halutaan lähteä selvittämään. Suunnitelman tulee kattaa perustiedot mitattavan aiheen tiimoilta sekä selittää ilmiön fysikaalista taustaa ja tuoda ilmi tarvittavat yhtälöt laskuja varten.

31 Koesuunnitelma? Tutkittavan aiheen tai ilmiön yleinen teoreettinen esittely ja mitä aikaisempaa tietoa tutkittavaan aiheeseen liittyen on olemassa. Myös erilaisten hypoteesien pohtiminen on tärkeä osa koesuunnitelmaa. Liitteenä teoriaosuudessa voi olla erilaisia selkeyttäviä kuvia ja jakaumia. Erityisesti teoriaosuuden lähteet ja mittalaitteiden havainnollinen esittäminen on työn uskottavuuden ja selkeyden kannalta tärkeää. Kokeen vaiheet ja välineet tulisi esitellä tarpeeksi selkeästi siten, että koe olisi mahdollista vaikka uusia tarvittaessa. Koejärjestelyiden toteutuksen kuvaamista on hyvä tukea kuvilla ja kaavioilla. Kerrotaan mittauksessa käytettävistä mittalaitteista ja ohjelmistoista, kuten mittalaitteiden tekniset ominaisuudet.

32 Koesuunnitelma? Suunnitelman pitäisi myös sisältää aikataulu, josta ilmenee miten varsinaiset työvaiheet tulevat etenemään. Mittausten valmistelu, toteutus ja mittaussuunnitelma on hyvä eriyttää kaikki omiksi alakohdiksi. Tähän jäsentelyyn kuuluu mm. käytettävien laitteiden listaus, kytkentäkaaviot, tutkimusmenetelmien tarkka esittely ja kokeen kulun ajallinen arviointi. Lisäksi hyvä koesuunnitelma vertailee jollain tasolla eri tutkimusmenetelmien tehokkuutta ja/tai kertoo miksi valittu menetelmä on toimivin. Minkälaisia tuloksia kokeelta odotetaan? Mitkä ovat ennakkoarviot?

33 Koesuunnitelma? Kerrotaan miten saadaan halutut tulokset mittausdatasta laskennallisesti eli kerrotaan tarvittavat kaavat. Hyvässä suunnitelmassa on oltava yksityiskohtainen kuvaus jokaisesta virhetekijästä, joka saattaa vaikuttaa kokeen tuloksiin. Niiden vaikutuksen suuruus ja esiintymistodennäköisyys kartoitetaan. On arvioitava, minkälaista vaaraa kokeesta voi aiheutua sen tekijöille ja kuinka todennäköisiä eri vaaratilanteet ovat. Yksiselitteiset ja selkeät lähdeviittaukset ovat myös yksi tieteellisen tekstin tunnusmerkeistä. Ennen kaikkea tekstin tulee olla sujuvasti luettavaa. Hyvä koesuunnitelma ei herätä kysymyksiä, joihin ei itse vastaa

34 Koesuunnitelma? Ilman koesuunnitelmaa systemaattista tutkimusta on mahdotonta tehdä, tuloksia vaikea kirjata ylös, tehtyjä muistiinpanoja hankala jälkikäteen lukea, eikä ulkopuolinen välttämättä koskaan saa käsitystä, mikä kokeessa on ollut pääpointti.

35 Kriteerit? Ulkoasu Kieli ja sen ymmärrettävyys, luettavuus Dokumentoinnin selkeys ja kattavuus Jäsentely Ongelman, tilanteen ja tavoitteen selkeys ja yksiselitteisyys Teoria ja taustatutkimus, tieteellisyys Saadaanko uutta tietoa Koemenetelmät ja niiden tarkoituksenmukaisuus Mittausten kirjaaminen Perustelut Virhelähteiden huomiointi, riskien tunnistaminen Ympäristön vaikutus Tulosten käytettävyys Toistettavuus Yksiselitteisyys Ainutlaatuisuus Lähteet

36 Vertaisarviot Koesuunnitelma H1 3,53 4,17 Koesuunnitelma H2 3,81 4,5 Koesuunnitelma H3 4,03 4,33 Koesuunnitelma H4 3,56 4,3

37 Koesuunnitelma Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite Mikä on se ongelma, johon haluatte kokeellisesti tuoda selvyyttä tai lisätietoa tai esim. laitetestien osalta, mitä haluatte kokeilla selventää tai tuoda esille testattavista laitteista Teoreettinen lähtökohta tutkimukselle Mihin teoriaan kokeet perustuvat tai mihin teoriaan/tekniikkaan testattavat laitteet perustuvat ja miten se vaikuttaa kokeisiin Tutkimusmenetelmät Millä (ja miksi) keinoilla ja menetelmillä aiotte aihetta lähestyä, miten tuloksia tullaan käsittelemään ja analysoimaan Tarkka mittaus-/testisuunnitelma (step-by-step) Aikataulu Mittausten/tulosten dokumentointi Mittauspöytäkirja, tiedostojen nimeäminen/käsittely, jne Turvallisuustarkastelu Onko kokeissa mahdollisia vaaratilanteita, kuinka ne voidaan välttää tai kuinka niiltä suojaudutaan Virhetarkastelu Mahdolliset virhelähteet, virheiden ennakointi ja välttäminen 37