KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt 7.10.2016 Koesuunnittelu Panu Kiviluoma
Laboratorioharjoitus 1.2 Pohdintakysymykset
1. Pohdinta: Mikä voisi olla alun perin syynä siihen, että PT100-anturilta näyttäisi tulevan lämpötilaa vain tietyillä tasoilla?
2. Pohdinta: Miten suodatettu signaali suhtautuu muiden antureiden lämpötilatietoihin? Vastaako suodatettu signaali paremmin muiden antureiden lämpötilatietoja kuin suodattamaton? Suodatettu signaali noudattelee muiden anturien lukemia hieman paremmin kuin suodattamaton, tosin heittoa löytyy melko paljon.
3. Pohdinta: Miten KTY-anturin aikavakion arvo suhtautuu sen tietolehdestä luettuun arvoon? Pieni heitto on luonnollista johtuen mittausolosuhteista. Missä olosuhteissa 30 s on mitattu?
3. Pohdinta: Miten KTY-anturin aikavakion arvo suhtautuu sen tietolehdestä luettuun arvoon? Aikavakion laskennassa ongelma: Onko sormi otettu pois tai siirretty ennen mittauksen katkaisemista?
Koesuunnittelu
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 8
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? 9
Tutkimuskysymys on hyvin valittu silloin, kun sekä myönteinen että kielteinen vastaus ovat mielenkiintoisia Järvinen, P. & Järvinen, A., Tutkimustyön metodeista, Opinpajan kirja, Tampere, 2004, ISBN 952-99233-2-5 10
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 11
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? http://libguides.aalto.fi/tiedonhankinta 12
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. 13
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 14
Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 3. Koejärjestelyn suunnittelu ja valmistus Täysmittakaava, osajärjestelmät, pienoismallit? Koeajot ja testimittaukset toimiiko virheettömästi? vastaako suunniteltua? vastaako todellisuutta? Muutosten tekeminen 15
Esimerkki: IR-mittareiden testaus Koejärjestelyt 16
Esimerkki: Telavaipan lämpötilan mittaaminen Koejärjestelyt Vaatimukset: kiiltävä, liikkuva pinta ratanopeus 1000 m/min lämpötila 250 C Laitteet: Land M4 50/250 Williamson Pro40 17
Esimerkki: Ilmalaakerikitkan mittaaminen Koejärjestelyt Onko laakeripinta kontaktissa vastinpinnan kanssa? 18
Kokeellisen tutkimuksen vaiheet 4. Tiedon kerääminen Mittausten suorittaminen suunnitelmien mukaan Mittaatko sitä mitä olit suunnitellut? 100 50 [m/s2] 0-50 -100-150 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 Time [s] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 Time[s] 19
Mittauspöytäkirja Mittaustapahtumat Suoritusjärjestys Mittausolosuhteet Käytetyt mittalaitteet Kytkennät Asetusarvot Tiedostot ja niiden sijainti Poikkeustilanteet Tekijät Mahdollistaa Mittausten analysoinnin Poikkeamien selvittelyn Kokeiden toistamisen 20
21
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? 22
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 23
Koesuunnitelmaanalyysi
Koesuunnitelma? Suunnitelma tarvitsee ennen teoriaosuuteen siirtymistä johdannon, joka pohjustaa aihetta ja selittää konsepteja. Mittauksien arvo perustuu juuri siihen, miten ne yhdessä teorian kanssa sitovat tutkimuksen nykyiseen tietoon ja millä perusteella voidaan tehdä erilaisia oletuksia mallista. Teorioiden avulla voidaan määritellä hypoteesi oletetusta lopputuloksesta esimerkiksi laskennallisesti. Tämän lisäksi täytyy tehdä hypoteesi mitä odotetaan tulokseksi, mutta täytyy pyrkiä pysymään puolueettomana hypoteesin suhteen Var försöket kommer att äga rum samt annan behövligt fakta angående försöket. Såsom mått som används i försöket samt material, och annan teknisk fakta.
Koesuunnitelma? Tärkeää olisi myös kuvata kaavoilla sekä kuvaajilla eri muuttujien suhteita sekä riippuvuuksia toisistaan Ongelmasta tulisi määrittää syy sen ratkaisemiseen, ratkaisun tarpeellisuus ja ratkaisun merkitys. Virheiden tunteminen auttaa myös selventämään odottamattomia mittaustuloksia En förklaring av nuvarande situation, vad som ska testas, varför det ska testas, hur det skall testas och vad för tankar om testet man har. Tutkimusmenetelmiä on hyvä olla suunniteltuna useampia, mikäli jokin niistä ei tuota järkeviä tuloksia. Lisäksi on hyvä laatia vaatimuslista tarvittavista työkaluista sekä mahdollisesta työympäristöstä. Turvallisuustekijöiden onnistunut analysointi edellyttää kyseisen tutkimuskohteen fysikaalisten ominaisuuksien ja rajoitteiden tuntemusta
Hyvä koesuunnitelma? Koesuunnitelman tehtävä on myös kontrolloida kokeen suorittamista, jotta mahdollisia virheitä tuottavia ns. viime hetken ideoita ei tehtäisi Jos työn vaiheet ja teoria on esitetty epäloogisessa järjestyksessä, sitä on vaikea seurata, vaikka sisältö olisi hyvä. Rajauksen tulee olla selkeä, jottei aihe paisu liian suureksi ja tärkeä tieto on sieltä helposti poimittavissa Siinä on myös osattu ennakoida mahdollisia ongelmakohtia, häiriötekijöitä ja muita hankaluuksia mittauksissa. Kaikki visuaalista hahmotusta tukevat elementit ovat hyvä lisä suunnitelmaan, kuten taulukot tai kuvaajat.
Hyvä koesuunnitelma? Hyvän koesuunnitelman avulla on helppoa selvittää ulkopuolisille, miten mittaus toteutetaan, sekä myös toteuttaa suunnitellut mittaukset ilman suurempia ongelmia tai yllätyksiä. Rakenteellisesti suunnitelman tulee olla selkeä ja sisältää tarvittavan rakenteen. Sen tulee olla kieliopillisesti korrekti ja sen pitää olla tieteelliseltä näkökulmalta kirjoitettu. Mittaustulosten käsittely kannattaa suunnitella myös etukäteen. Mahdolliset LabView ohjelmat kannattaa testata virtuaalisesti ennalta, jotta mittaustilanteessa ei jouduta odottelemaan moista viivytystä.
Kriteerit? 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 Havainnollisuus Perustelut Virhelähteiden huomiointi, riskien tunnistaminen Ympäristön vaikutus Tulosten käytettävyys Toistettavuus Lähteet
Kriteerit? 0: Kokeesta on esitetty koejärjestely erittäin puutteellisesti tai epäselvästi, tuloksia ei ole esitelty tai arvioitu lainkaan. Kokeen suorituksesta on mahdotonta saada selkeää kuvaa. 1: Koejärjestely on esitelty puutteellisesti tai epäselvästi. Kokeen toistaminen vaatisi paljon omaa esityötä, mutta olisi periaatteessa mahdollista. 2: Koejärjestelyn esityksessä on puutteita, tuloksien esityksessä tai arvioinnissa toivomisen varaa. Kokeen toistaminen olisi mahdollista pienten omien ponnistelujen avulla. 3: Koejärjestely on esitetty riittävällä selkeydellä. Kokeen suorittaminen onnistuisi, mutta kokeen onnistuneisuutta olisi arvioitava ehkä itse. 4: Koejärjestely ja tulosten esitys selkeää. Kokeen toistaminen olisi vaivatonta, ja tulokset vastaisivat tätä tutkimussuoritusta. Lisäksi virhelähteitä on tunnistettu ja myös arvioitu virheiden vaikuttavuutta koesuorituksiin. 5: Koejärjestelyn esitys on puutteetonta. Tutkimusalue on rajattu hyvin. Toistaminen onnistuu täysin ohjeiden mukaan. Virheitä on tunnistettu esimerkillisesti ja niiden välttämiseen on kiinnitetty huomiota. Ryhmä 1
Vertaisarviot 2014 2015 2016 Koesuunnitelma H1 3,53 4,17 4,4 Koesuunnitelma H2 3,81 4,5 4,4 Koesuunnitelma H3 4,03 4,33 5 Koesuunnitelma H4 3,56 4,3 4
H1 Johdantokappale on hyvä, koska se motivoi lukijaa Mallin teoriaa ja yhtälöitä esitetään varsin ansiokkaasti, mutta käytännössä turhaan, koska niitä ei missään vaiheessa tutkimusta käytetä Myös esimerkiksi virhelähteiden analysoinnissa olisi voinut olla hyvä tutkia myös kirjallisuutta, sillä omalla pelkällä omalla pohdinnalla jotkin seikat voivat helposti jäädä huomiotta. Ryhmä olisi voinut mahdollisesti myös analysoida aiempia tutkimuksia
H2 Se on hyvin havainnollistava ja ymmärrettävä haastavasta aiheesta huolimatta Mittausvälineet on myös esitelty hyvin, mutta ei ole oikein perusteltu miksi juuri ne on valittu. Mitään oletuksia tuloksista (hypoteesia) ei ole esitetty. Tärkeintä: suunnitelma mahdollistaa sen, että sama koe on kenen tahansa toistettavissa juuri samoilla tiedoilla, joka on etenkin tieteen tekemisen kannalta todella merkittävää.
H3 Suunnitelma on selkeärakenteinen kuvineen ja kaavoineen, sekä vastaa vaadittaviin ja tarpeellisiin kysymyksiin. Koesuunnitelman tekijät ovat kiinnostuneita siitä, mitä ABS-muovin materiaaliominaisuuksille käy, kun siitä on 3D-tulostettu tutkittava kappale. Koejärjestelyt ovat selitetty erinomaisesti. Niissä selitetään tarkasti, mitä aiotaan tehdä mittauksissa ja miten tulokset luetaan ja todetaan standardien mukaisiksi. I beskrivningen av testanordningen kändes det emellanåt att skrivaren gick i cirklar, man kunde kanske ha skrivit saken mer koncist. Huomioitavaa työssä on kieliasun epäjatkuvuus: tekstistä erotti eri kirjoittajat.
H4 Kuva mittausjärjestelmän rakenteesta havainnollistaa koejärjestelyä hyvin. Olisimme kaivanneet lisätietoa kelkasta; onko se valmiiksi olemassa ollut osa vai rakensiko ryhmä sen itse koetta varten Tällä koesuunnitelmalla ei pitäisi ongelmia tulla vastaan mittaustilanteessa tai sen jälkeen. Ryhmä ei tekstissä ole ottanut huomioon kokeen suorittajasta tai suunnittelijasta aiheutuvaa inhimillistä virhettä. Perustelemme valintaamme puuttuvalla hypoteesilla, teoreettisen perustelun vajavaisuudella, puutteellisella virhelähteiden tunnistamisella, mittaussuunnitelman suurpiirteisyydellä, asennusohjeiden yksityiskohtien puutteella ja raportin yleisellä viimeistelemättömyydellä.
Koesuunnitelman runko (esim.) 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 36