Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ЧИСЛЕННАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ВОЗДУХЕ

Сторожаков С.Ю. 1 Шубович А.А. 1 Куликова Н.А. 1
1 Волгоградский государственный аграрный университет
В настоящее время в связи с ростом промышленного производства и резким увеличением транспортного потока, особенно в больших городах, происходит постоянное пагубное влияние человека на окружающую среду. Этому способствует, с одной стороны, развитие химической промышленности, удешевление продукции которой выражается в экономии средств, в том числе на очистные сооружения воздуха и воды. С другой стороны, количество транспортных средств, в расчете на одного человека ежегодно продолжает возрастать. Всё это приводит к увеличению количества токсичных веществ, неблагоприятно влияющих на здоровье населения. Как следствие – рост числа онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний, увеличение количества инсультов и инфарктов, уменьшение продолжительности жизни. Поэтому при постоянном пребывании человека дома или на работе в городских условиях возникает потребность в нейтрализации токсичных веществ, попадающих в воздух. Для этого широко применяются различные приборы, такие, как освежитель воздуха, нейтрализатор запахов и ароматизатор для небольших помещений, ионизатор воздуха и многие другие. Их производству способствует постоянная реклама на телевидении и в сети Интернет. При этом в качестве положительного воздействия ионизатора воздуха на человека указывают на содержание количества отрицательных ионов в воздухе. Но возникает задача измерения концентрации и обработки результатов измерений, особенно отрицательных ионов в воздухе.
ион
генератор аэроионов
счетчик аэроионов
ионизация воздуха
метод наименьших квадратов
1. Баев В.И., Бочаров М.Е. Аэроионизация птичников: монография // ФГБОУ ВПО Волгогр. ГСХА. – Волгоград: Изд-во ВГСХА, 2011. – 192 с.
2. 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.
3. ГАБИ-01. Генератор аэроионов биполярный. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ntm.ru/products/70/7269 (дата обращения: 25.07.16).
4. Кудрявцева И.В. Методы оптимизации в примерах в пакете MathCAD 15. Ч. I: учеб. пособие / И.В. Кудрявцева, С.А. Рыков, С.В. Рыков, Е.Д. Скобов. – СПб.: НИУ ИТМО, ИХиБТ, 2014. – 166 с.
5. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в MathCAD 15: учебный курс. – СПб.: Питер, 2011. – 400 с.
6. Сторожаков С.Ю., Шубович А.А., Чернявский А.Н. Исследования по подтверждению точности измерения концентрации аэроионов приборами Сапфир-3М // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 4–2. – С. 265–270.
7. Счетчик аэроионов «Сапфир-3М». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ionization.ru/ru/katalog-npf-yantar/15-schetchik-aeroionov-sapfir-3m.html (дата обращения: 25.07.16).
8. Тайшин В.А. Ионизация клубней картофеля перед посадкой отрицательными ионами кислорода // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 1. – С. 14–16.
9. Чижевский А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. – 2-е изд., сокр. – М.: Стройиздат, 1989. – 488 с.

Как нам всем известно, воздух содержит азот, кислород, углекислый газ, инертные газы и механические примеси. В воздухе также есть положительные и отрицательные ионы, получившие название «аэроионы».

Аэроионами максимально насыщен воздух в горной местности, на морском побережье, в хвойном лесу, в соляных пещерах, там, где химический состав воздушной смеси чище и целебнее, чем в районе мегаполиса, со своими промышленными и автомобильными выбросами.

Отрицательные аэроионы успешно применяются в лечебных целях, улучшая работу сердца и органов дыхания, повышая иммунитет, нормализуя функциональное состояние центральной и периферической нервной системы человека, увеличивая работоспособность, активность и снижая утомляемость. О пользе отрицательных ионов для живых организмов известно достаточно давно. Результаты благотворного влияния различных концентраций отрицательных ионов получены многими исследователями, в частности известным исследователем в данном направлении А.Л. Чижевским [9].

Воздух в помещениях, как правило, лишён «свежести» и природной чистоты. Однако улучшить его возможно с помощью очистителя и увлажнителя воздуха, а также простым проветриванием, влажной уборкой помещений и комнатными растениями, удерживающими до 60 % пыли, которая является переносчиком микроорганизмов, в том числе и патогенных. При этом насытить воздух отрицательными аэроионами возможно только с помощью использования ионизатора. Искусственная ионизация воздуха внутри современных помещений предназначена для восполнения недостатка отрицательных ионов. По данным проведенных исследований [1], даже используя вентилятор приточной вентиляции, наружный воздух после достижения помещений полностью лишается отрицательных ионов. Непреодолимой преградой для отрицательных аэроионов при попадании в квартиры и производственные помещения становятся также различного рода сетки, гардины и марлевые завесы. 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 [1].

Универсальность действия ионизатора воздуха заключается в производстве отрицательных аэроионов, которые способны заряжать кровь в лёгких и, соответственно восстанавливать заряд клетки. Наряду с этими процессами происходит образование озона в количестве не вредном для человека, который придает воздуху характерный «запах свежести». Озон обладает бактерицидными свойствами, он очищает воздух от нежелательной микрофлоры, неприятных запахов и мелкой домашней пыли.

В настоящее время в бытовых приборах ионизации воздуха используется встроенный генератор отрицательных ионов ГАБИ-01 [3] (производитель «НТМ-Защита») и его модификации. В нем при помощи высокого напряжения можно получать легкие аэроионы отрицательной полярности. Именно такие ионы обладают полезными свойствами, о которых было сказано выше.

Прибор ГАБИ-01 позволяет генерировать аэроионы отрицательной и положительной полярности как одновременно, так и поочередно до 50000 ион/см3 с регулируемой градацией в процентном отношении. Показания каждого из счетчиков [7] сравнивали при замерах одинаковой концентрации аэроионов при неизменных параметрах окружающей среды (температура, влажность и др.). В процессе проведения измерений было исключено движение воздуха, как одного из факторов, влияющего на результаты подсчетов. Для этого счетчик (на переднем плане) и генератор аэроионов помещались в воздуховод (рис. 1) [6].

Нами изучались показания прибора «Сапфир-3М» [7], с помощью которого можно определять концентрацию аэроионов в воздухе. Использование прибора «Сапфир-3М» позволило провести количественный анализ анионов и катионов в воздухе в закрытом пространстве.

pic_23.tif

Рис. 1. Счётчик и генератор аэроионов внутри воздуховода

Проведение экспериментальных работ заключалось в сравнении получаемых показаний счетчиков при прочих равных условиях, а также анализе результатов с последующей корректировкой дальнейших измерений. Наработан значительный дискретный материал, позволяющий применить математический аппарат к обработке результатов. Опыты проводились при следующих параметрах окружающей среды: температура воздуха 22 °C, влажность 25 %, атмосферное давление 755 мм рт. ст.

Методика, определяющая замеры количества аэроионов в воздухе с минимальной погрешностью измерения, была разработана в [6]. В качестве критерия стабильности можно принять наименьшее значение суммы отклонений результатов опытов [6] от функциональной зависимости, коэффициенты которой можно определить методом наименьших квадратов.

На рис. 2–3 показаны точечные графики, построенные в MathCad по результатам опытов [6]. Эмпирически достаточно ясно, что результаты измерений в каждой серии из сорока опытов A1, A2, …, B4, представленных графически, колеблются около некоторой прямой, уравнение которой в общем виде y = ak + b, где a, b – неизвестные коэффициенты. Для определения коэффициентов a и b можно исследовать функцию двух переменных на минимальное значение методом наименьших квадратов

Storozhako01.wmf (1)

где n = 40; xk – табличные значения A1, A2, …, B4, полученные по результатам опытов [6].

pic_24.tif pic_25.tif

Рис. 2. Результаты измерений прибором «Сапфир-3М» № 14060

pic_26.tif pic_27.tif

Рис. 3. Результаты измерений прибором «Сапфир-3М» № 14066

После вычисления частных производных Storozhako02.wmf и Storozhako03.wmf функции (1) можно получить систему уравнений для определения коэффициентов a и b

Storozhako04.wmf (2)

Решение системы (2) имеет вид

Storozhako05.wmf Storozhako06.wmf (3)

где

Storozhako07.wmf

Storozhako08.wmf

Storozhako09.wmf

Результаты вычислений по формулам (1)–(3) представлены в табл. 1.

По результатам вычислений можно сделать вывод: прямая, представляющая собой отклонение эмпирических данных, будет практически горизонтальной, так как угловой коэффициент a прямой y(k) = ak + b близок к нулю. Графическую иллюстрацию можно изобразить, например, для опытов A2 и B3 (рис. 4).

Таблица 1

Уравнения прямых, полученных в MathCad [4, 5] по табличным данным опытов A1, A2, …, B4 [6]

Опыт

Результат

A1

A2

A3

A4

A5

B1

B2

B3

B4

a

–0,007

0,086

–0,073

0,006

–0,059

0,004

0,097

–0,03

0,006

b

44,957

98,985

45,583

9,343

126,778

44,608

98,45

44,324

9,352

y = ak + b

y = –0,007k + 44,957

y = 0,086k + 98,985

y = –0,073k + 45,583

y = 0,006k + 9,343

y = –0,059k + 126,778

y = 0,004k + 44,608

y = 0,097k + 98,45

y = –0,03k + 44,324

y = 0,006k + 9,352

pic_28.tif pic_29.tif

Рис. 4. Отклонение результатов опытов A2 и B3 от прямой y(k)

Таблица 2

Уравнения логарифмических кривых, полученных в MathCad [4, 5] по табличным данным опытов A2 и B3 [6]

Опыт

Результат

A2

B3

a

–0,127

–0,208

d

101,087

44,283

y(k) = a•ln(k) + b

y = –0,127ln(k) + 101,087

y = –0,202ln(k) + 44,283

Достаточно интересные результаты получаются при замене уравнения прямой на уравнение логарифмической функции вида y(k) = a•ln(k) + b (рис. 5). Это уместно, так как 1 ≤ k ≤ 40. Коэффициенты a и b можно определить с помощью процедуры, аналогичной (1)-(3). Для сравнения в табл. 2 можно записать, например, результаты вычислений, полученные для опытов A2 и B3.

Можно определить сумму абсолютных величин отклонений δ данных опытов A2 и B3 [6] от значений функции y(k) по формуле

Storozhako10.wmf (4)

pic_30.tif pic_31.tif

Рис. 5. Отклонение результатов опытов A2 и B3 от логарифмической кривой y(k)

Таблица 3

Значения суммы отклонений δ в опытах A2 и B3 [6] от значений функции y(k)

Опыт

Функция

A2

B3

y(k) = ak + b

229

75

y = a•ln(k) + b

230

76

Рис. 5 практически идентичен рис. 4, полученные значения отклонения δ в табл. 3 показывают правильность первоначального предположения о расположении значений опытов около уравнения прямой. Аналогичные результаты можно получить и для других серий опытов из [6].

Таким образом, несмотря на отклонение результатов измерений концентрации ионов, результаты получаются стабильные. Это выражается в том, что табличные данные, полученные в [6], укладываются в линейную зависимость. Попытка использовать логарифмическую функцию показывает, что зависимость остается линейной. При этом требуются дополнительные исследования на выявление факторов и критериев, при которых положительный эффект от ионизации воздуха в закрытых помещениях будет увеличиваться.


Библиографическая ссылка

Сторожаков С.Ю., Шубович А.А., Куликова Н.А. ЧИСЛЕННАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ВОЗДУХЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 10-1. – С. 92-96;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36284 (дата обращения: 23.01.2022).

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