Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОИОНОВ

Бочаров М.Е. 1 Сторожаков С.Ю. 1 Шубович А.А. 1
1 Волгоградский государственный аграрный университет
В настоящее время в медицине, в сельском хозяйстве, в промышленности используются различные технологии, позволяющие оказывать положительное воздействие на человека, сельскохозяйственных животных, окружающую среду. Одна из недостаточно используемых технологий – искусственная ионизация воздуха. Как показывает практика, искусственная ионизация воздуха необходима в помещениях с дефицитом отрицательных ионов, в особенности там, где находятся люди и содержатся сельскохозяйственные животные. Насытить воздух в таких помещениях аэроионами возможно с помощью ионизаторов воздуха. Но устройства искусственной ионизации воздуха еще недостаточно распространены, и причин тому несколько. Одна из них связана с низкой точностью подсчета концентрации аэроионов. На примере рассмотренного в статье счетчика аэроионов «Сапфир-3М» авторы, используя собственные исследования и их математическую обработку, показывают, что при определенных обстоятельствах, не учтенных в рекомендуемой производителем методике измерения, точность прибора по определению концентрации аэроионов обеих полярностей может быть значительно выше.
аэроион
счетчик аэроионов
ионизация воздуха
дисперсия
стандарт
коэффициент вариации
1. Андронов А.М., Копытов Е.А., Гринглаз Л.Я. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2004. – 461 с.
2. Баев В.И., Бочаров М.Е. Аэроионизация птичников: монография // ФГБОУ ВПО Волгогр. ГСХА. – Волгоград: Изд-во ВГСХА, 2011. – 192 с.
3. Бочаров М.Е. Электрические процессы внутри организма // Волгогр. ГСХА. – Волгоград: Нива, 2009. – 40 с.
4. ГАБИ-01. Генератор аэроионов биполярный. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ntm.ru/products/148/7269 (дата обращения: 30.06.15).
5. Горелова Г.В., Кацко И.А. Теория вероятностей и математическая статистика в примерах и задачах с применением Excel: учебное пособие/ – 4-е изд. – Ростов н/Д.: Феникс, 2006. – 475 с.
6. МАС-01. Счетчик аэроионов малогабаритный [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ntm.ru/products/148/7268 (дата обращения: 30.06.15).
7. Счетчик аэроионов «Сапфир-3М». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ionization.ru/ru/katalog-npf-yantar/15-schetchik-aeroionov-sapfir-3m.html (дата обращения: 30.06.15).
8. Чижевский А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. – 2-е изд., сокр. – М.: Стройиздат, 1989. – 488 с.

Искусственная ионизация воздуха предназначена для восполнения недостатка отрицательных ионов внутри современных помещений. По данным исследований [2], вентилятор приточной вентиляции и даже обычная антимоскитная сетка на окне полностью лишают наружный воздух отрицательных ионов. Сам отрицательный ион, как правило, атомарный кислород или более крупные агломераты молекул и аэрозолей воздуха, имеет ограниченный срок существования – срок «жизни». При встрече с положительно заряженным ионом или поверхностью отрицательный заряд теряется.

О пользе отрицательных ионов для живых организмов известно уже давно [8]. Данные о благотворном влиянии различных концентраций отрицательных ионов получены многими исследователями [2, 3, 8]. К сожалению, искусственная ионизация не занимает должного места в современных средствах улучшения жизнедеятельности организма. Одна из причин этого – сложность подсчета уровня концентрации аэроионов. В настоящее время в России сертифицированы счетчики аэроионов «МАС-01» (производитель НТМ-Защита) [6] и «Сапфир-3М» и «Сапфир-3К» (производитель НПФ «Янтарь») [7]. Оба прибора регистрируют как положительные, так и отрицательные ионы, но при этом заявляемая производителем погрешность измерений потрясает – от 30 до 50 процентов в зависимости от диапазона измерений. Возникает вопрос, насколько верны измерения и в чем причина допущений в точности?

Для исследований были использованы три счетчика типа «Сапфир-3М». Особенностью этих счетчиков является возможность работы с персональным компьютером (последние варианты счетчика «МАС-01» также могут быть подключены к ПК), а также режимы усреднения, что означает выдачу результата измерения в виде среднего арифметического за определенное время.

Целью исследования было определение надежности измерений счетчиком «Сапфир-3М» (рис. 1) с применением методов математической статистики [1, 5]. Роль источника ионов выполнял генератор аэроионов «Габи-01» (производитель НТМ-Защита) [4]. Генератор аэроионов (рис. 2) позволяет генерировать аэроионы положительной и отрицательной полярности как одновременно, так и поочередно до 50000 ион/см3 с регулируемой градацией в процентном отношении. Под надежностью измерений подразумевалось совпадение показаний каждого из счетчиков при замерах одинаковой концентрации аэроионов при неизменных других параметрах окружающей среды (температура и влажность). При проведении измерений было исключено движение воздуха как основного фактора, влияющего на результаты подсчетов. Для этого счетчик и генератор аэроионов помещались в бумажный воздуховод в виде короба. Измерения проходили на разных расстояниях между генератором и счетчиком аэроионов, а режимы работы счетчика проводились с различными усреднениями (8, 16 и 32 секунды).

pic_16.tif

Рис. 1. Счётчики аэроионов «Сапфир-3М»

pic_17.tif

Рис. 2. Генератор аэроионов биполярный «Габи-01»

Методика проведения экспериментальных работ заключалась в сравнении, при прочих равных условиях, получаемых показаний счетчиков, анализ результатов с последующей корректировкой дальнейших измерений. Накоплен большой материал, который позволяет применить математический аппарат к обработке результатов. Ниже приводятся результаты пяти серий опытов с положительными аэроионами в табл. 1–5.

Таблица 1

Результаты измерения счетчика в ион/см3. Расстояние между счетчиком и генератором – 0,25 м. Выработка ионов – 10000 ион/см³

 

Без усреднения 4 с

Усреднение 8 с

Усреднение 16 с

Усреднение 32 с

1

45,5

46,4

42

52,9

2

41,4

57,1

53,9

43,4

3

41,8

38

47,5

44,9

4

46,8

45,9

44

46,7

5

47,8

45,3

45,5

41,3

6

42,5

29,8

44,7

42,9

7

45,6

56,8

43,2

47,2

8

42,1

46,2

42,1

43,1

9

43,1

38,8

40,1

45,5

10

44,5

53,6

38,1

44,2

Таблица 2

Результаты измерения счетчика в ион/см3. Расстояние между счетчиком и генератором – 0,25 м. Выработка ионов – 30000 ион/см³

 

Без усреднения 4 с

Усреднение 8 с

Усреднение 16 с

Усреднение 32 с

1

121,3

122,3

121

128,2

2

130,4

124,5

131,4

127,4

3

125,6

126,2

129,9

124,1

4

125,7

130,3

119,9

122,3

5

127,1

131,1

123,4

123,4

6

128,4

127,3

124,7

120,3

7

130

129,3

126,8

121,4

8

122,2

126,8

123,1

124

9

124,5

121

131,1

123,7

10

126,1

120,9

129,2

126,1

Таблица 3

Результаты измерения счетчика в ион/см3. Расстояние между счетчиком и генератором – 0,5 м. Выработка ионов – 30000 ион/см³

 

Без усреднения 4 с

Усреднение 8 с

Усреднение 16 с

Усреднение 32 с

1

106

89,6

95,4

119

2

106

98,4

85

110

3

104

91,5

100

108

4

95,7

110

90,7

106

5

97,8

95

98,7

113

6

115

109

93,6

101

7

98,7

93

97,5

102

8

96,8

101

96,5

97,4

9

103

91,7

105

102

10

101

96,6

108

100,9

Таблица 4

Результаты измерения счетчика в ион/см3. Расстояние между счетчиком и генератором – 0,75 м. Выработка ионов – 50000 ион/см³

 

Без усреднения 4 с

Усреднение 8 с

Усреднение 16 с

Усреднение 32 с

1

45,3

45,6

46,1

45,6

2

43,1

45,7

46,7

41,2

3

36,4

42,3

44,7

42,7

4

46,4

45,3

44,9

41,7

5

43,5

41,4

45,1

43,4

6

46,7

43,7

41,4

47,7

7

47,5

42,5

42,1

45,1

8

42,3

41,6

44,8

41

9

46,6

41,7

46,4

39,9

10

47,1

43,9

44,4

40

Были применены методы статистического анализа [1, 5], найдены стандарт и коэффициент вариации для каждой серии опытов, после чего данные были занесены в табл. 6. Значения результатов опытов можно считать выборкой из генеральной совокупности. Для проведения статистического анализа можно вычислить следующие величины. Выборочное среднее:

bochar01.wmf (1)

где x1, x2,…, xn – выборка объема n = 40.

Таблица 5

Результаты измерения счетчика в ион/см3. Расстояние между счетчиком и генератором – 1,0 м. Выработка ионов – 30000 ион/см³

 

Без усреднения 4 с

Усреднение 8 с

Усреднение 16 с

Усреднение 32 с

1

9,9

9,5

8,7

9,1

2

10

9,4

8,6

9,6

3

11,5

7,8

7,9

8,9

4

8,7

10,6

9,1

8,7

5

4,9

8,4

11

8,4

6

11,1

11

10,8

9,4

7

10,7

8,6

10,6

9,3

8

9,7

9,3

11,2

9,4

9

8,7

9,6

9,7

10,3

10

8,9

9,7

9,4

10,4

Стандарт (среднее квадратическое отклонение) определяется квадратным корнем из выборочной дисперсии:

bochar02.wmf (2)

Данная величина является показателем надежности выборочной средней. Чем меньше значение стандарта, тем лучше средняя величина представляет собой рассматриваемую совокупность результатов опытов.

Для сравнения колеблемости одного и того же признака в нескольких совокупностях можно применить показатель вариации в относительных величинах. Коэффициент вариации как относительное квадратическое отклонение можно получить из соотношения

bochar03.wmf (3)

Таблица 6

Численные значения стандарта и коэффициента вариации в зависимости от расстояния до источника аэроионов и концентрации генерируемых аэроионов

Номер опыта

Расстояние в м, концентрация в ион/см3

Стандарт

Коэффициент вариации

1

0,25; 10000

6,5

0,146

2

0,25; 30000

3,4

0,027

3

0,5; 30000

7,3

0,073

4

0,75; 50000

2,5

0,057

5

1; 30000

1,2

0,127

Данный коэффициент определяет характеристику однородности совокупности. Чем больше значение коэффициента вариации, тем относительно больший разброс и меньшая выравненность исследуемых значений. Если коэффициент вариации меньше 0,1, то изменчивость вариационного ряда принято считать незначительной, от 0,1 до 0,2 относится к средней, больше 0,2 и меньше 0,33 – к значительной, и если коэффициент вариации превышает 0,33, то это говорит о неоднородности информации и необходимости исключения самых больших и самых маленьких значений.

Результатом исследования можно считать утверждение, что заявляемая производителями погрешность в более чем 30 % является попыткой обеспечить приемлемый результат подсчета аэроионов, при несоблюдении в процессе эксплуатации некоторых внешних факторов, значительно влияющих на результат измерения. К таким факторам следует отнести – перемещение воздуха в момент измерения, температуру, влажность воздуха, а также наличие в непосредственной близости от источника аэроионов и/или счетчика аэроионов электрически заряженных тел, или возможность этих тел принимать и накапливать электрический заряд во время изменения. В документации обоих производителей счетчиков аэроионов [6, 7] указанным выше факторам, сопутствующим измерениям, не уделено достаточного внимания, что также свидетельствует о возможностях дальнейшего совершенствования выпускаемой аппаратуры и использования скрытых возможностей по повышению точности измерения.

При этом по вычисленным значениям стандарта и коэффициента вариации можно сделать предположения и выводы:

1. Результаты всех измерений не выходят за рамки однородной совокупности.

2. Несмотря на «нарушения» нормируемого удаления от генератора аэроионов (1 м) в части опытов, произведенные расчеты коэффициента вариации позволяют утверждать, что измерения концентрации точны и не нуждаются в необходимости исключения максимального и минимального значения.

Рецензенты:

Камаев В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», г. Волгоград;

Баев В.И., д.т.н., профессор кафедры «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград.


Библиографическая ссылка

Бочаров М.Е., Сторожаков С.Ю., Шубович А.А. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОИОНОВ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 8-2. – С. 239-242;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38878 (дата обращения: 08.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074