Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»

Институт Строительства и Архитектуры

Кафедра Комплексной безопасности в строительстве

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Планирование и организация эксперимента»

Тема: «Исследование распределения электростатического поля бытовых приборов с применением МПЭ»

Выполнил студент

Костюшин Владислав Алексеевич, ИСА-3-35

Руководитель работы канд.техн.наук, доц. Ермаков А.С.

г. Москва

2017г.



Оглавление

• Введение
• Глава 1. Теоретический раздел
• 1.1 Общие сведения по электростатическому полю
• Глава 2. Разработка программы испытаний на приборе измерения напряженности электростатического поля
• 2.1 Разработка методики измерений уровня напряженности электростатического поля
• 2.2 Анализ показателей факторов, влияющих на э/с поле
• Глава 3. Математическое планирование эксперимента
• 3.1 Проведение обработки результатов эксперимента на объекте исследования
• 3.2 Проверка воспроизводимости математического планирования эксперимента
• 3.3 Получение математического описания функции объекта
• 3.4 Проверка адекватности математического описания зависимости показателя от варьируемых факторов
• Заключение
• Список литературы


Введение

электростатический поле математический планирование

Среди достаточно большого количества вредных, и опасных факторов, воздействующих на человека, есть такие, с которыми человек сталкивается ежедневно. Все живые организмы, существующие на Земле, так или иначе, в ходе длительной эволюции полностью приспособились к ее природным условиям. Адаптация произошла не только к физико-химическим условиям, таким как температура, давление, состав атмосферного воздуха, освещение, влажность, но и к естественным полям Земли: геомагнитным, гравитационным, электрическим и электромагнитным. Техногенная деятельность человека за сравнительно короткий исторический период оказала значительное воздействие на природные объекты, резко нарушив тонкий баланс между живыми организмами и условиями окружающей среды, который формировался в течение тысячелетий. Это привело к многим непоправимым последствиям, в частности, к вымиранию некоторых животных и растений, многочисленным заболеваниям и к сокращению средней продолжительности жизни людей в некоторых регионах. И только в последние десятилетия начали проводиться научные исследования, изучающие влияние природных и антропогенных факторов на человека и другие живые организмы.

Воздействие электрических полей на человека, на первый взгляд, не является существенным, поэтому исследования в этой области были немногочисленны. Но и до сих пор, несмотря на растущий интерес к этой проблеме, влияние электрических полей на живые организмы остается малоизученной областью.

Эксплуатация современного оборудования сопровождается значительным уровнем напряженности электростатического поля.

Электростатическое поле -- поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов). Электрическое поле представляет собой особый вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга.

Основные характеристики электростатического поля являются напряженность, потенциал.

Наименее опасными считаются постоянное электростатическое и переменное электрическое поля с частотой до 50 Гц. В этом диапазоне для электрического поля установлена предельная напряженность 500 В/м, а для постоянного электростатического поля не должна превышать 15 кВ/м. В зоне, где поле слабее указанного, в соответствии с санитарными нормами, можно находиться человеку неограниченно долго.

Актуальность данной работы состоит в следующем: несоблюдение санитарных норм, связанных с напряжением электростатического поля, вызывает риск заболевания человека вплоть до сокращения продолжительности жизни. Человек чувствует недомогание, усталость. Снижается его трудоспособность, и, соответственно эффективность на рабочем месте. Поэтому необходимо постоянно проводить измерения электростатического поля на рабочем месте.

Целью курсового проекта является: проведение измерений и исследования напряжения электростатического поля в соответствии с требованиями стандартов с использованием математического планирования эксперимента.

В соответствии с целью проекта были поставлены следующие задачи:

- Ознакомиться с устройством работы Измерительного прибора “ИЭСП-7”;

- Разработать методику измерения напряженности электростатического поля;

- Произвести измерения напряженности электростатического поля в помещении;

- Обработать результаты измерения и сравнить их с требуемыми нормами СанПиН

Глава 1. Теоретический раздел

1.1 Общие сведения по электростатическому полю

Электрическим полем называют одну из сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Электростатическое поле - это частный вид электрического поля. Оно создается совокупностью электрических зарядов, неподвижных в пространстве (по отношению к наблюдателю) и неизменных во времени.

Электрическое поле называют однородным, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля.

Электростатические заряды, возникающие на поверхностях некоторых материалов, как жидких, так и твердых, вследствие электризации образуют электростатическое поле (ЭСП).

Электростатические заряды возникают при трении двух диэлектрических или диэлектрического и проводящего материалов, если последний изолирован от земли. При разделении двух диэлектрических материалов происходит разделение электрических зарядов. Материал, имеющий большую диэлектрическую проницаемость, заряжается положительно, а меньшую - отрицательно. Чем больше различаются диэлектрические свойства материалов, тем интенсивнее происходит разделение и накопление зарядов.

Интенсивность образования электрических зарядов определяется также силой и скоростью трения. Чем больше сила и скорость трения и больше различие в электрических свойствах, тем интенсивнее происходит образование электрических зарядов. Например, электростатические заряды могут возникнуть при измельчении, пересыпании и пневмотранспортировке твердых сыпучих материалов; при переливании, перекачивании по трубопроводам, перевозке в цистернах диэлектрических жидкостей (бензина, керосина, солярки и др.); при обработке на токарных станках диэлектрических материалов (эбонита, оргстекла и т. д.); при пробуксовывании резиновой ленты транспортера относительно роликов или ремня ременной передачи относительно шкива с потенциалом до 45 кВ.

Кроме трения причиной образования статических зарядов является электрическая индукция, в результате которой изолированные от земли тела во внешнем электрическом поле приобретают электрический заряд. Например, на металлических предметах, изолированных от земли, в сухую погоду под действием электрического поля высоковольтных линий электропередач или грозовых облаков могут образовываться значительные электрические заряды. Электростатические заряды образуются на поверхности клавиатуры и “мыши” персонального компьютера в результате трения и могут достигать величин 12-20 кВ/м.

Воздействие ЭСП на человека связано с протеканием через него слабого тока. При этом электротравм не бывает.

Электростатическое поле большой напряженности способно изменять и прерывать клеточное развитие, вызывать катаракту с последующим помутнением хрусталика.

К воздействию электростатического поля наиболее чувствительны ЦНС, сердечно-сосудистая система, анализаторы. Люди жалуются на раздражительность, головную боль, нарушение сна, снижение аппетита и др. Длительное пребывание человека в условиях, когда напряженность ЭСП имеет величину более 1 кВ/м, вызывает нервно-эмоциональное напряжение, аккумулирующее утомление, снижение работоспособности, нарушение суточного биоритма, снижение адаптационных резервов организма. Наибольшая опасность электростатических зарядов заключается в том, что искровой разряд может обладать энергией, достаточной для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси. При напряжении 3 кВ искровой разряд может вызвать воспламенение почти всех паро- и газовоздушных смесей; при 5 кВ - воспламенение большей части горючих пылей.

Так, удаление пыли из диэлектрического материала, находящегося в рабочей зоне, с помощью вытяжной вентиляции может привести к накоплению в газоходах электростатических зарядов и отложений пыли. Появление искрового разряда в этом случае может вызвать воспламенение или взрыв пыли.

При перевозке легковоспламеняющихся жидкостей, при их перекачке по трубопроводам, сливе из цистерны или при плескании жидкостей в них накапливаются электростатические заряды, и может возникнуть искра, которая воспламенит жидкость.

Нормативные документы применяемые в области электростатического напряжения:

1. ГОСТ 12.1.045-84 "Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля".

2. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.4.1191-03 "Электромагнитные поля в производственных условиях".

3. ГОСТ Р 51070-97. Измерители напряженности электрического и магнитного полей. Общие технические требования и методы испытаний

4. ГОСТ 22261-94. Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия

5. ГОСТ Р 50948-2001 Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности



Глава 2. Разработка программы испытаний на приборе измерения напряженности электростатического поля

2.1 Разработка методики измерений уровня напряженности электростатического поля

Методика измерений была разработана согласно циклу Деминга и представлена на рис.2.1.

Рис.2.1. Процесс проведения измерений в соответствии с циклом PDCA

Цикл Деминга (цикл PDCA)(англ. «Plan-Do-Check-Act») - циклически повторяющийся процесс принятия решения, используемый в управлении качеством. В данном курсовом проекте, процесс проведения измерений уровня напряженности электростатического поля был расписан в соответствии с циклом Деминга:

1 этап - Планирование - установление целей и процессов, необходимых для измерений уровня напряженности электростатического поля, планирование выделения и распределения необходимых ресурсов.

2 этап - Действие - выполнение запланированных работ. Проводились измерения уровня электростатического поля,, по установленным инструкциям и плану действий, чтобы осуществить данные действия, использовали: прибор «ИЭСП-7»; помещение, где непосредственно проводились измерения и лаборант, который помогал проводить измерения.

3 этап - Проверка - сбор информации и контроль результата на основе уровня электростатического поля, на основе ключевых показателей эффективности, получившегося в ходе выполнения процесса, выявление и анализ отклонений, установление причин отклонений. Если отклонений не было выявлено, результаты измерений считают верными, и можно проводить дальнейшую их обработку. Если отклонения были выявлены, переходим к 4 этапу.

4 этап - Корректировка (управление) - принятие мер по устранению причин отклонений измерений уровня электростатического поля от запланированного результата, изменения в планировании и распределении ресурсов. После корректировки будут проводить весь цикл заново, до тех пор, пока результаты измерений не станут верными.

2.2 Анализ показателей факторов, влияющих на э/с поле

Для выполнения исследования электростатического поля применением математического планирования эксперимента, прежде всего, необходимо понять какие факторы нам нужны для более точного проведения эксперимента. Применяем два основных фактора, влияющих на электростатическое поле бытового прибора:

1. Удалённость от бытового прибора

2. Защита листом дсп



Таблица 9 - Список факторов, заслуживающих внимание.

Наименование объекта	Уровни варьирования	Интервалы варьирования()
	-1	0	+1
Удалённость от бытового прибора (Х1)	15	30	45	15 см
Слой ДСП (Х2)	0	1	2	1 см



Глава 3. Математическое планирование эксперимента

Для установленных факторов Х_i, определяются из анализа априорных сведений численные их значения, а также их уровни варьирования, при которых обеспечивается нормальное функционирование объекта.

Интервалы варьирования факторов выбирают так, чтобы приращение величины функции отклика Y (показателя) к базовому ее значению Y₀ при проведении эксперимента можно было выделить и измерить при небольшом числе параллельных опытов.

Основой для выбора плана эксперимента осуществляется исходя из априорного анализа влияния варьируемых факторов на показатели. Количество факторов Х_i принятых в исследовании, их влияние на показатель функционирования Y объекта и другие данные позволяют осуществить выбор плана эксперимента.

Рис. 2. Системная модель объекта исследования

Так при линейной зависимости показателя Y от факторов Х (рис.2) принимаем план полного факторного эксперимента (ПФЭ), а при нелинейной зависимости - может быть принят план дробного факторного эксперимента (ДФЭ).

Для применения полного или дробного факторного экспериментов требуется выполнение некоторых условий:

1) Результаты наблюдений значений исследуемых показателей (функций) Y в N вариантах сочетаний варьируемых факторов X_i являются независимыми нормально распределенными случайными величинами, т. е. на них воздействуют нормально распределенные случайные воздействия в (рис. 2).

2) Дисперсии результатов значений показателей Y в эксперименте должны быть равны, что будет указывать на то, что получаемые при проведении многократных опытов над величиной Y в заданных точках эксперимента выборочные оценки дисперсий однородны, т.е. не имеют отличий от дисперсии, полученной при повторных наблюдениях в любой другом опыте эксперимента (воспроизводимость опытов производится с равной точностью).

3) По сравнению с принятой ошибкой в определении показателей Y варьируемые факторы X измеряются с пренебрежимо малыми ошибками.

Статистические методы математического планирования эксперимента являются одним из способов получения математической зависимости показателя (критерия) функционирования объекта Y от независимых варьируемых входных переменных (факторов) [1, 4, 5].

По результатам эксперимента можно установить параметры уравнения регрессии:

(1)

где выборочные коэффициенты регрессии

Для определения линейных и неполных степенных математических зависимостей (1) может быть применен полный факторный или дробный факторный эксперименты, обладающие ортогональной матрицей планирования. Для математического описания функции отклика Y объекта при выполнении эксперимента были заданы варьируемые факторы X_i на верхнем и нижнем уровнях, имеющих на величину интервала варьирования отличие от базового уровня X_i0.

Обработка результатов эксперимента устанавливается в зависимости от вида математического планирования эксперимента.

3.1 Проведение обработки результатов эксперимента на объекте исследования

Проведение обработки результатов эксперимента на объекте исследования осуществляется с использованием средств измерений показателей и факторов и установки для его выполнения.

Характеристики средств измерений должны соответствовать требованиям к метрологическим средствам. При проведении т параллельных опытов (выделены в таблице 3) устанавливается среднеарифметическое значение от показателей , которое равно:

(2)

Число m параллельных опытов в каждой строке матрицы планирования принимают три.

Таблица 3. Результаты эксперимента

№ опыта	Матрица планирования	Рабочая матрица	Результаты эксперимента (Yu) , лк
	X0	X1	X2	X1 X2	X1	X2	Y1	Y2	Y3
1	+	-	-	+	15	0	16,5	15,9	16,1	16,27	0,294393	0,086667
2	+	+	-	-	45	0	11,1	10,7	10,5	10,77	0,43205	0,186667
3	+	-	+	-	15	3	13,1	13,5	12,9	13,1	0,282843	0,08
4	+	+	+	+	45	3	8,5	8,8	8,2	8,5	0,424264	0,18
	48,63333	1,433549	0,533333

3.2 Проверка воспроизводимости математического планирования эксперимента

Проверка воспроизводимости математического планирования эксперимента осуществляется для оценки выполнения второго условия проведения регрессионного анализа, а именно: соблюдения однородности выборочных дисперсий. Оценка дисперсий рассчитывается по формуле:

(3)

Полученные по данной формуле дисперсии записываются для каждой строки в последний столбец таблицы 3. Так как оценки дисперсий установлены по выборкам с одинаковым числом параллельных опытов m = 3, поэтому число степеней свободы для них будет одинаково.

Проверка гипотезы об однородности дисперсий S осуществляется по критерию Кохрена [G], который устанавливается как отношение максимальной оценки дисперсии к общей сумме всех сравниваемых оценок дисперсий, т.е.

(4)

Если расчетное значение критерия G окажется меньше критического его значения G_кр, то гипотеза об однородности выборочных дисперсий подтверждается результатами эксперимента. Наилучшая ее дисперсия оценки имеет вид:

(5)

с числом степеней свободы .

В данном случае критерий Кохрена равен:

Таким образом, расчетное значение критерия G = 0,5523 оказывается меньше критического его значения G_кр = 0,7679, следовательно, гипотеза об однородности выборочных дисперсий подтверждается результатами эксперимента.

3.3 Получение математического описания функции объекта

Получение математической модели описания функции объекта осуществляется для полного факторного эксперимента через установление значения соответствующих коэффициентов b₀, b_j, bji уравнения по формулам:

(6)

(7)

(8)

Используя данные из табл. 3 для рассматриваемого примера получим:

После определения оценок коэффициентов b_i математической модели необходимо проверить гипотезу об их значимости, которую осуществляют с помощью критерия Стьюдента, следующим образом:

(9)

Если найденная величина параметра t_i превышает критическое значение t_кр для числа степеней свободы при заданном уровне значимости q_зн (принимаем q_зн = 0,05), то соответствующую оценку b_i коэффициента признают значимой.

Для числа степеней свободы и уровня значимости критическое табличное значение критерия Стьюдента равно t_кр=1,2247. Поэтому значимыми признаются коэффициенты b_0, b_1, b₂ уравнения математической модели. Тогда окончательно расчетное уравнение регрессии представим в виде:

Y = 12,16 - 2,525x₁ -1,36x₂ (10)



3.4 Проверка адекватности математического описания зависимости показателя от варьируемых факторов

Проверка адекватности математического описания зависимости показателя от варьируемых факторов осуществляется через проверку гипотезу об адекватности математической зависимости опытным данным. Для этих целей необходимо оценить отклонение величины отклика от результатов наблюдений в одних и тех же S-х точках факторного пространства.

В последнем столбце табл. 4 приведены значения Y_RU, которые получены в результате подстановки соответствующих величин факторов X_i в s-х точках факторного пространства в найденную ранее математическую модель.

Y₁ = 12,16 + 2,525 + 1,34 = 16,025

Y₂ = 12,16 - 2,525 + 1,34 = 10,19

Y₃ = 12,16 +2,525 - 1,34 = 14,13

Y₄ = 12,16 - 2,525 - 1,34 = 3,39

Таблица 4. Матрица планирования.

№ опыта	Матрица планирования		YRU
	X1	X2	X1 X2
1	-	-	+	16,27	16,025
2	+	-	-	10,77	10,975
3	-	+	-	13,1	13,345
4	+	+	+	8,5	8,295

Оценку рассеяния результатов наблюдений относительно значений уравнения регрессии, можно произвести с помощью дисперсии адекватности

(11)



Для данной задачи установим:

Проверка гипотезы об адекватности осуществляется через определение соотношения между дисперсией адекватности и оценкой дисперсии воспроизводимости. При однородности оценки дисперсий результатов эксперимента математическое уравнение адекватно представляет реальную зависимость. В противоположном случае математическое описание зависимости считается неадекватным. Проверку гипотезы об адекватности производят с применением F-критерия Фишера, который проверяет гипотезу об однородности двух выборочных дисперсий.

(12)

Если расчетное значение критерия F меньше критического F_кp, найденного для соответствующих степеней свободы при заданном уровне значимости q_ад (принимаем q_ад = 0,05), то гипотезу об адекватности уравнения регрессии реальной зависимости не отвергают.

В данном случае:

находим критическое значение критерия Фишера F_кр= 4,49. Так как расчетное значение F=0.11 < F_кр=4,49, то можно сделать вывод об адекватности математической модели, которая отражает в математических уравнениях зависимость исследуемого объекта контроля (управления) в окрестности базовой точки

Проведенное исследование электростатического поля внутри помещения выявило особенности показателей электрических параметров, учет которых позволяет сделать вывод, что продолжительная работа принтера и компьютера существенно влияют на показатели электростатического поля, что и показали наши результаты исследования ( рис. 5, 6).

Напряженность электростатического поля в зависимости от удаления от источника, кВ/м

Напряженность электростатического поля в зависимости от наличия преграды (ДСП) кВ/м



Заключение

В данной курсовой работе проведена оценка показателя электростатического поля в рабочей аудитории. Были рассмотрены общие положения о температуре воздуха в помещениях исходя из нормативной документации (ГОСТ Р 51617-2000), т.е. проанализированы параметры микроклимата, качество воздуха и методы контроля температуры воздуха в помещении.

После исследования мы выяснили следующее: несоблюдение санитарных норм, связанных с напряжением электростатического поля, вызывает риск заболевания человека вплоть до сокращения продолжительности жизни. Человек чувствует недомогание, усталость. Снижается его трудоспособность, и, соответственно эффективность на рабочем месте.

Исходя из этого, следует проверять и контролировать напряжённость электростатического поля на рабочем месте. Для этого существуют различные средства измерения, один из которых представлен в данном курсовом проекте. Показания напряжённости должны соответствовать ГОСТ и СанПиН.

В данном курсовом проекте был проведён ряд измерений напряженности электростатического поля в рабочей аудитории при помощи прибора «ИЭСП-7» которая заключается в 4 этапах: планирование, действие, проверка и корректировка, с последующей обработкой результатов измерений и сравниванием их с требуемыми нормами.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: при проведении измерений напряжённости электростатического поля был выявлен нормальный результат; все результаты измерений подчиняются закону нормального распределения, что показывает гистограмма; максимальная напряженность электростатического поля составляет 12,09 кВ/м при норме не более 20 кВ/м, что удовлетворяет требованиям СанПиН 2.2.4.1191-03 "Электромагнитные поля в производственных условиях", а именно пункт «3.2.6. При напряженностях ЭСП менее 20 кВ/м время пребывания в электростатических полях не регламентируется». При проведении измерений грубые погрешности отсутствуют. С помощью гипотезы о принадлежности закону рапределения проверяются результаты измерений на принадлежность к данному закону, которая должна

Проведение самого эксперимента исследования осуществлялось с помощью прибора "ИЭСП-7», на основе полученных данных построена таблица матрицы математического планирования и прошла обработка результатов, из которых получено окончательное расчетное уравнение регрессии с помощью критерия Стьюдента в виде:

Y = 12,16 -2,525x₁ -1,36x₂

Производили проверку гипотезы об адекватности с применением F-критерия Фишера, который подтверждает гипотезу об однородности двух выборочных дисперсий, которая не была отвергнута в дальнейших расчётах.

После исследования мы выяснили следующее: несоблюдение санитарных норм, связанных с напряжением электростатического поля, вызывает риск заболевания человека вплоть до сокращения продолжительности жизни. Человек чувствует недомогание, усталость. Снижается его трудоспособность, и, соответственно эффективность на рабочем месте.



Список литературы

1. Планирование эксперимента и статистическая обработка результатов. Методические указания. А.А. Землянский, Г.М. Мордовин. - Балаково: БИТТУ, 2004. - 32 с.

2. Горев В.В. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций. - М.: Высшая школа, 2002. - 206 с.

3. Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1964.

4. Клепиков Н.П., Соколов С.Н. Анализ и планирование экспериментов методом максимума подобия. М.: Наука, 1976.

5. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971.

6. А.С. Ермаков., Планирование и организация эксперимента [Электронный ресурс] : методические указания к выполнению курсовой работы для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготовки 27.03.01 Стандартизация и метрология / М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т, каф. информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве-- Москва : МГСУ, 2015.

7. ГОСТ Р 51617-2000. «Государственный стандарт Российской Федерации. Жилищно-коммунальные услуги. Общие технические условия.», утвержденном Постановлением Госстандарта России от 19.06.2000 N 158-ст (в редакции от 22.07.2003года).

8. СанПиН 2.2.4.1191-03 "Электромагнитные поля в производственных условиях"(введён 1.05.2017)

Размещено на Allbest.ru

...