CC BY
21fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
. _ Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
УДК 621.928.93:621.3.088:628.511 DOI 10.23947/2541-9129-2017-4-120-136
НАУЧНО-ОБОСНОВАННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ
UDC 621.928.93:621.3.088:628.511 DOI 10.23947/2541-9129-2017-4-120-136
SCIENTIFICALLY-GROUNDED REQUIREMENTS FOR COMPARATIVE PARALLEL TESTS OF CENTRIFUGAL DUSTER COLLECTORS
Ю. И. Булыгин, Н. Н. Азимова, И. С. Купцова
Донской государственный технический университет,
Ростов-на-Дону, Российская Федерация
Ьи1ущ [email protected]
Проведена проверка достоверности и оценка точности измерения аэродинамических параметров в центробежных пылеуловителях. Проанализированы требования нормативно-технической документации к схемам и методам проведения аэродинамических испытаний и выбран наиболее оптимальный. Выполнены расчёты погрешностей измерения давлений, скорости и расхода воздуха комбинированным приёмником давления в сочетании с дифференциальным манометром, а также проверена достоверность экспериментального определения искомых параметров на примере полного давления. Для повышения точности измерений рекомендовано использовать различные зонды давления с учётом диапазонов измеряемых величин. Ключевые слова: аэродинамика, эффективность, циклон, экспериментальная установка, конструктивные параметры.
Введение. В предыдущих исследованиях авторов экспериментальные исследования проводились на малоразмерных макетах циклонных аппаратов [1]. Первый вариант лабораторной установки для исследования центробежных пылеуловителей с точки зрения производства сравнительных испытаний и достоверности измерений оказался неприемлемым [2]. Малые размеры центробежных аппаратов, с одной стороны, частично приводили к некорректности измерений, к невыполнению требований нормативно-технической документации к измерениям, а с
Y. I. Bulygin, N. N.Azimova, I. S. Kuptsovа
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation bulyur [email protected] arko maazimov@mail. ru i-kvptsova@,mail. ru
The article provides the consistency check and accuracy evaluation of measurement of aerodynamic parameters of centrifugal dust collectors. It analyzes the requirements of normativetechnical documentation to schemes and methods for conducting aerodynamic tests and then selects the most optimal one. The paper presents errors calculations of pressure, velocity and airflow measurements by the combined pressure inlet in combination with a differential manometer. It also verifies the accuracy of the experimental determination of the unknown parameters on the example of the total pressure. To improve the accuracy of measurement it is recommended to use different pressure probes, taking into account the measurement ranges. Keywords: aerodynamics, efficiency, cyclone, experimental facilities, design parameters.
Introduction. Previously the authors have conducted experimental studies on small-size models of cyclone devices [1]. The first version of the laboratory facility for studying centrifugal dust collectors was unacceptable from the point of view of comparative testing, and the reliability of measurements [2]. The small size of the centrifugal apparatus, on the one hand, partially led to the incorrectness of measurements, to failing to comply with the requirements of normative-technical documentation to measurements, and on the other
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
. _ Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
другой стороны, работа на установке требовала большой трудоёмкости монтажных работ, так как сборно-разъёмные соединения при переустановке циклонов приводили к проблеме обеспечения требуемой герметичности конструкции.
Целью работы является проверка достоверности и оценка точности измеряемых величин расхода газового потока, скорости и давлений в центробежных пылеуловителях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Провести анализ требований нормативно-технической документации к схемам и методам проведения аэродинамических испытаний и выбрать наиболее оптимальную с точки зрения минимизации величин погрешностей измерения параметров;
2. Описать метрологические характеристики измерительных приборов, используемых при аэродинамических испытаниях;
3. Представить результаты экспериментальных исследований с целью определения реальных диапазонов измеряемых величин;
4. Выполнить расчёты погрешностей измерения давлений, скорости и расхода воздуха комбинированным приёмником давления в сочетании с дифференциальным манометром;
5. Выполнить проверку достоверности экспериментального определения искомых параметров на примере полного давления;
6. Сформулировать требования к точности применяемых методов определения аэродинамических параметров и средствам измерения.
Анализ требований нормативно-
технической документации к схемам и методам проведения аэродинамических испытаний. Требования к схемам проведения аэродинамических испытаний
Для измерения статического, динамического, полного давлений, а также скорости движения воздуха в воздуховодах экспериментальной установки должны быть выбраны участки, в которых мерные сечения для проведения измерений находятся на расстояниях не менее шести гидравлических диаметров Dh за местом возму-
hand, the work on the facility required a great complexity of construction works, as relocatable connections led to the problem of ensuring the required tightness of the design at cyclones resetting.
The aim of this work is the reliability and accuracy assessment of the measured values of the flow rate of gas flow, speed and pressure in centrifugal dust collectors.
To achieve this goal it is necessary to solve a number of problems:
1. To analyze the requirements of normativetechnical documentation, schemes and methods of conducting aerodynamic tests and to choose the most optimal from the point of view of minimizing the values of errors of parameters measurement;
2. To describe the metrological characteristics of measuring instruments used in aerodynamic tests;
3. To present the results of experimental studies to determine the actual ranges of the measured values;
4. To perform calculations of errors in measurement of pressure, speed and air flow by a combined pressure receiver together with differential pressure manometer;
5. To validate the reliability of the experimental determination of the desired parameters on the example of full pressure;
6. To formulate the requirements for the accuracy of the applied methods for determination of aerodynamic parameters and means of measurement.
The analysis of the requirements of normative-technical documentation to procedures and methods for conducting aerodynamic tests. The requirements for aerodynamic tests procedures
To measure static, dynamic, full pressure and air velocity in the air-duct of the experimental facility one must chose the parts, in which measuring sections for measurements are located at distances of no less than six hydraulic diameters Dh from the point of flow disturbance (bends, dampers, diaphragms, etc.) and at least
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
. _ Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
щения потока (отводы, шиберы, диафрагмы и т. п.) и не менее трёх гидравлических диаметров перед ним [4, 5] (рис. 1). На действующей установке «Циклон» участок перед местом возмущения потока выбран в соответствии с [4, 5] и составляет 6,5Dh , что больше 3Dh.
В зависимости от формы и размера мерного сечения для проведения эксперимента необходимо определить координаты точек измерений давлений и скоростей (рис. 2), а также количество точек в соответствии с [4, 5]. Выбрано 7 точек измерения, что влияет на последующие расчёты погрешностей. Для научных исследований можно выбрать значительно большее число измерительных точек, чем при испытаниях, что влияет на точность измерений [6].
three hydraulic diameters in front of it [4, 5] (Fig. 1). On a working facility "Cyclone" a part before the point of flow disturbance is selected in accordance with [4, 5] and is Dh 6.5, which is more than 3Dh.
Depending on the shape and size of the measuring section for the experiment it is necessary to determine the coordinates of measurement points of pressures and velocities (Fig. 2) and the number of points in accordance with [4, 5]. 7 measurement points were selected, which affects the subsequent calculations of the errors. For research, one can choose a much larger number of measurement points than in the test, which affects the accuracy of measurements [6].
Рис. 1. Метод выбора точек измерений Fig. 1. The method for selecting measuring points
Рис. 2. Схема расположения точек измерения давлений и скоростей в мерных сечениях циклонов
Fig. 2. The scheme of location of measurement points ofpressures and velocities in measuring
cross-sections of cyclones
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
Для выбора средств измерений необходимо знать метрологические свойства приборов, а также внешние условия, влияющие на результат измерений. Эти свойства описываются путем указания номинальных значений тех или иных параметров — характеристик и допускаемых отклонений от них. Специфической метрологической характеристикой средств измерений является их погрешность. Для оценки погрешностей результатов проводимых измерений необходимы сведения о погрешностях средств измерений, установленных паспортными данными используемого оборудования.
Краткие метрологические характеристики измерительных приборов, используемых при аэродинамических испытаниях. Пневмомет-рическая трубка «ПИТО»
Для измерения полного, статического и динамического давлений потока используется трубка «ПИТО» (рис. 3). Трубка Пито позволяет измерять скорость газового (воздушного) потока в диапазоне от 4-21 м/с. Средний коэффициент преобразования динамического (скоростного) давления во всем диапазоне скоростей для напорной дифференциальной трубки Пито составляет 0,95-1,05. Предел допускаемой относительной погрешности определения коэффициента преобразования для всего диапазона скоростей для напорной дифференциальной трубки Пито не превышает ±3 % [7]. Проверка соотношения диаметра трубки Пито и диаметра
мерного сечения • 100% = 4%) , показала,
что требования [4, 5] выполняются.
Однако, при измерении скоростей от 1,5 до 4 м/с, которые наблюдаются у нас при исследованиях циклонов на минимальных расходах воздуха (516 м3/ч, рис. 4), погрешность не соответствует заданной и может возрастать.
Дифференциальный манометр Testo 521-1
Основные аэродинамические параметры центробежных пылеуловителей определялись при использовании дифференциального манометра Testo 521-1 со встроенными сенсорами давления
To select the measuring instruments one needs to know the metrological properties of the instrument, as well as external conditions affecting the measurement result. These properties are described by specifying the nominal values of certain parameters — characteristics and permissible deviations from them. Specific metrological characteristic of measuring instruments is their accuracy. For error evaluation of the results of measurements one needs to know the information about the errors of measuring instruments specified in the used equipment specifications.
Brief metrological characteristics of measuring instruments used in aerodynamic tests. Pneumometric tube "PITOT"
For measuring total static and dynamic pressures of the flow, the tube "PITOT" is used (Fig. 3). Pitot tube allows measuring the velocity of gas (air) flow in the range of 4-21 m/s. The average conversion factor of the dynamic (velocity) pressure in the entire speed range for the pressure differential Pitot tube is 0.95 - 1.05. The limit of permissible relative error of determining the rate of conversion for the entire velocity range for pressure differential Pitot tube does not exceed ±3 % [7]. Ratio examination of the diameter of the Pitot tube and the diameter of the measuring section (8/200-100%=4%), showed that the requirements [4, 5] are met.
However, when measuring velocities from 1.5 to 4 m/s, which we have observed in studies of cyclones on the minimum air flow (516 m3/h, Fig. 4), the error does not correspond to the specified one and can increase.
Differential pressure gauge Testo 521-1
The main aerodynamic parameters of centrifugal dust collectors were determined using differential pressure gauge Testo 521-1 with integrated pressure sensors (Fig. 3). The range of pres-
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
. _ Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
(рис. 3). Диапазон измерения давления в потоке составляет от 0 до 100 гПа с погрешностью 0,2 % от полной шкалы. Для измерения скорости потока в диапазоне от 5 до 100 м/с применяются трубки Пито. Абсолютная погрешность при 5 м/с составляет 0,32 м/с, при 20 м/с — 0,09 м/с, при 50 м/с — 0,05 м/с. Для проведения точных измерений скорости потока в диапазоне от 1 до 12 м/с необходимо проводить измерения с использованием внешнего зонда давления 100 Па. Зависимость от расположения полностью устранена благодаря двойной мембране. Изменение месторасположения зонда не влияет на результаты измерений: погрешность при 1 м/с — 0,09 м/с; при 5-8 м/с — 0,03 м/с [8].
sure measurement flow ranges from 0 to 100 hPa with the accuracy 0.2% of full scale. To measure the flow rate in the range from 5 to 100 m/s Pitot tubes are used. The absolute error at 5 m/s is 0.32 m/s, at 20 m/s - 0.09 m/s at 50 m/s — 0.05 m/s. For accurate measurements of the flow rate in the range from 1 to 12 m/s it is necessary to conduct measurements using external pressure probe 100 Pa. The dependence on location is completely eliminated by a double membrane. The change of location of the probe does not affect the measurement results: accuracy at 1 m/s — 0.09 m/s; at 5-8 m/s - 0.03 m/s [8].
Рис. 3. Используемые средства измерений аэродинамических параметров пылеуловителей
Fig. 3. The used means of measurement of aerodynamic parameters of dust collector
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
. _ Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
Для удобства и экономии времени проведения экспериментов в прибор заносятся следующие данные: время, промежуток времени на один замер, количество измерений, температура, относительная влажность, абсолютное давление, поперечное сечение воздуховода, коэффициент компенсации, коэффициент трубки Пито и запускается автоматическое сохранение данных при проведении замеров. Память прибора позволяет одновременно сохранить 25 000 измерений. При необходимости полученные результаты могут быть переданы сразу в электронную вычислительную систему или на принтер.
Дифференциальный манометр ДМЦ-01М
Для измерения давления, разрежения и разности давлений газов, для определения скорости и расхода газопылевых и воздушных потоков с применением трубок напорных модификаций НИИОГАЗ и Пито использовался дифференциальный манометр ДМЦ-01М (по ГОСТ 17.2.4.06-90 и ГОСТ 8.361-79) (рис. 3). Прибор применяется для технологического и экологического контроля выбросов в различных производствах, а также при контроле вентиляции производственных помещений, аэродинамических исследованиях. Микропроцессор, который встроен в прибор, обеспечивает установку нуля, измерение и накопление данных по сечению газохода (профиль скоростей в количестве равном не менее 256 точкам). А также позволяет провести расчет локальных и средних скоростей, расхода газа с коррекцией на температуру потока и по измеренным точкам [9].
Результаты экспериментальных исследований
Полученные при экспериментах результаты были обработаны и представлены в виде графиков (рис. 4, 5).
На рис. 4 и 5 показаны результаты измерений скоростей воздушного потока во входном патрубке аппарата «Ц0К-200-300» на разных режимах работы вентилятора и полные давления, измеренные дифференциальными манометрами ДМЦ-01М и Testo-521-1.
For convenience and time-saving of the experiments the following data is entered in the device: time, time interval for one measurement, number of measurements, temperature, relative humidity, absolute pressure, cross section of the duct, compensation coefficient, the coefficient of Pitot tube and automatic saving of data when conducting measurements starts. The memory of the device allows you to simultaneously save 25 000 measurements. If necessary, the results can be transferred immediately into an electronic computer system or printer.
Differential pressure gauge DMTS-01M
To measure pressure, vacuum and differential pressure of gases, to determine the velocity and flow of gas and dust and air streams with the use of pressure tubes of NIIOGAZ and Pitot modifications differential pressure gauge DMTS-01M was used (GOST 17.2.4.06-90 and GOST 8.36179) (Fig. 3). The instrument is used for processing and environmental control over emissions in different industries, and control over the production area ventilation, aerodynamic research. A microprocessor, which is integrated into the device, provides a zero setting, measurement and gathering of data on the cross section of the duct (velocity profiles for a quantity of at least 256 points). It also allows calculating local and average velocities, gas flow with corrections for temperature and flow at the measured points [9].
The results of experimental studies
The obtained experimental results have been processed and presented in graphs (Fig. 4, 5).
Fig. 4 and 5 show the measurements results of air flow velocity in the inlet pipe of the device "TSOK-200-300" in different modes of operation of the fan and the total pressure measured by differential pressure gauges DMTS-01M and Testo-521-1.
-fin) БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
о о
CL
о ^
О
7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2
2 3 4 5
Измерительные точки
516, м3/ч
а)
3456
Измерительные точки
660, м3/ч
814, м3/ч
б)
га IZ
I
ш с
m га ч: ш
0
1
с о IZ
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Рис. 4. Скорость воздушного потока «ЦОК-200-300»: а — Testo-521 -1; б — ДМЦ-01М
Fig. 4. Airflow rate TSOK-200-300" a — Testo-521-1; b — DMTS-01M
-30 -25 -20 -15
ro IZ
ro ч:
<a -10 о
с о IZ
23456 измерительные точки
516, м3/ч
660, м3/ч
а)
2 3 4 5 6 Измерительные точки
814, м3/ч
б)
Рис. 5. Полное давление воздушного потока «ЦОК-200-300»: а — Testo-521-1; б — ДМЦ-01М
Fig. 5. Full pressure of air flow TSOK-200-300" a — Testo-521-1; b — DMTS-01M
1
6
7
1
2
7
1
7
1
7
-(же)— БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
As follows from the results of the measurements, the data obtained by different differential pressure gauges DMTS-01M and Testo 521, differ insignificantly, which allows them to be used during aerodynamic tests. The accuracy of determining of the parameters of the measured values is strongly influenced by the accuracy class of the instrument used, as well as the range of the measured values in relation to the length scale of the instrument, as table 1 illustrates[4, 5].
Таблица 1 Table 1
Среднеквадратичные отклонения результатов измерения The mean-square deviation of the measurement results
Как следует из результатов измерений, данные, полученные различными дифференциальными манометрами ДМЦ-01М и Testo-521, отличаются незначительно, что позволяет их использовать при проведении аэродинамических испытаний.
На погрешность определения параметров измеряемых величин сильно влияет класс точности используемых приборов, а также важное значение имеет диапазон измеряемых величин по отношению к длине шкалы прибора, что иллюстрируется таблицей 1 [4, 5].
Показания приборов, доли длины шкалы Instrument readings, fractions of the scale length ств, at, Стр для приборов класса точности ств, ст , стр for instruments of accuracy class
1 0,5 0,2 0,1
1 ±0.5 ±0.25 ±0.1 ±0.05
0.75 ±0.7 ±0.35 ±0.14 ±0.07
0.5 ±1.0 ±0.50 ±0.20 ±0.10
0.25 ±2.0 ±1.00 ±0.40 ±0.20
0.1 ±5.0 ±2.50 ±1.0 ±0.5
0.05 ±10.0 ±5.00 ±2.00 ±1.00
0.01 ±50.0 ±25.00 ±10.00 ±5.00
Так, в работе [10] авторами экспериментально установлено, что полные давления на выходных патрубках циклонов достигают — 1000 Па, а на входных патрубках не превышают — 35 Па в зависимости от режима работы установки. Динамические давления на входе и выходе не превышают — 40 Па, а скорость воздушного потока во входных патрубках изменяется от 2,5 до 7,5 м/с. Вместе с тем прибор Testo-521-1, которым проводились измерения, снабжён зондом на 10000 Па, что является источником погрешности измерений на малых долях длины измерительной шкалы [10]. Оценим это влияние в последующих расчётах погрешностей.
Расчёт погрешностей измерения давлений, скорости и расхода воздуха комбинированным приёмником давления в сочета-
So, in the work [10], the authors experimentally established that the total pressure at the outlet of the cyclones reach 1000 PA, and the inlet does not exceed — 35 PA depending on the operation mode. The dynamic pressure at the inlet and outlet do not exceed — 40 PA, and air velocity in the inlet changes from 2.5 to 7.5 m/s. However, the instrument Testo 521-1, which was used for measurements, is provided with a probe at 10,000 PA, which is a source of measurement error at small distances of the measuring scale [10]. Let us assess this influence in subsequent calculations of the errors.
The calculation of measurement errors of pressure, speed and air flow by a combined pressure receiver with differential pressure
-(же)— БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
нии с дифференциальным манометром
Расход воздуха. Для определения относительной погрешности определения расхода воздуха в процентах используется следующая формула (1):
^ = (2^ + (1) где сь — среднеквадратичная относительная погрешность, обусловленная неточностью измерений в процессе испытаний; — предельная относительная погрешность определения расхода воздуха, связанная с неравномерностью распределения скоростей в мерном сечении; величины даны в табл. 1 [4]. Величина сь представляется в виде (2):
J1 1 1
(2)
где со — среднеквадратичная погрешность определения размеров мерного сечения, зависящая от диаметра воздуховода Ои; гидравлический диаметр определяется по формуле [11]: ^ = ^, ^ = л:Д2 = 3,14 • (0,1)2 = 0,0314 ,
П = 2л:Д = 2 • 3,14 • 0,1 = 0,628 •
4 • 0,0314 = = 0,2 м
0,628
где ¥, м2 и П, м, соответственно, площадь и периметр сечения. При 100 мм < Ои < 300 мм величина со = ± 3 % (при Ои > 300 мм со = ± 2 %).
В зависимости от показаний микроманометра, барометра и термометра в долях длины их шкал, среднеквадратические отклонения результатов измерения динамического давления и (ст ), атмосферного давления (стВ ) и температуры газов (ст1) составят: ст = ± 1,0 %, стВ = ± 0,1% и ст{ =± 0,2%. При этом предельная относительная погрешность измерения расхода воздуха будет:
gauge
Airflow rate. To determine the relative error of determination of air flow rates in percent the following formula (1) is used:
SL = (2o-L + (1)
where gl is the mean square relative error caused by measurement uncertainty in the testing process; ¿v — the maximum relative error in determining air flow, which is connected with the uneven distribution of velocity in a measuring cross section; the values of Sf are given in table. 1 [4].
The value of gl is represented in the form (2):
J1 1 1
(2)
where gd is the mean square error of determination of the measuring section size, depending on the diameter of the duct Dh; the hydraulic diameter is determined by the formula [11]:
= , F = rcfl2 = 3,14 • (0,1)2 = 0,0314 ,
n = = 2 • 3,14 • 0,1 = 0,628 •
4 • 0,0314 = ———— = 0,2 m 0,628
where F, m2 and N, m are, respectively, the area and the perimeter of the cross section. When 100 mm < Dh < 300 mm, the value of gd = ± 3 % (at Dh > 300 mm gd = ± 2 %).
Depending on the readings of the manometer, barometer and thermometer in fractions of the length of their scales, the standard deviation of the measurement results of dynamic pressure and (ap), atmospheric pressure (aB ) and gas temperature ( at) will be: ap = ± 1.0 %, aB = ± 0.1% H at
=± 0.2%. The maximum relative error of flow measurement is:
aL= |4-o£+7oJ+7fft2+T0-2 = |4 • 32
111 4°*2 + 4^+4
Предельная относительная погрешность измерения расхода воздуха составит: ^ = (2^ + = 26,02% + 2% = 14,04% Уменьшить или увеличить предельную от-
111
+ - • (0,1)2 + - • (0,2)2 + 7 • 12 = 6,02% 4 4 4
The maximum relative measurement error of the air flow will be:
= (2aL + = 26,02% + 2% = 14,04% To increase or decrease the maximum relative
-(же)— БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
носительную погрешность измерении можно в зависимости от класса точности приборов. Например, используя прибор Testo 521-1 с зондами от 100 Па до 10 000 Па, можно получить Ор от 2% до 20%. Тогда погрешность измерения расхода может измениться до:
error of the measurements is possible depending on the accuracy class of the instrument. For example, using an instrument Testo 521-1 with probes from 100 PA to 10,000 PA, it is possible to get op from 2% to 20%. Then the measurement error of the flow rate can change up to:
1
1
1
1
1
SL = 2 ¡4 •ajj + -а2 = 2 14 • 32 + -• (0,1)2 + - • (0,2)2 +-• 102 + 2 = 17,63%.
4
4
4
Для расчета относительного среднеквадратичного отклонения скорости в ьй точке измерений используется следующая формула (3):
4 v ' 4
To calculate the relative standard deviation of the velocity in the i-th point of the measurements we use the following formula (3):
= 11 (2Д) 2 + 1 (Ъа) 2 + 1 (El) 2 + ife) 2 + (M 2
v¡ л^4\Рд/ 4\pa) A\t) A\Kt) \Vi)
Погрешность градуировки напорной трубки, определенная в результате ее аттестации, составляет ±2% в соответствии с разделом 5 [3]
^ = 0,01.
кт
Относительные среднеквадратичные отклонения показаний манометра, термометра и барометра класса ± 0,2 в соответствующих частях диапазона измерений составляют:
+1
P 100
■ = +0,001,
,,,,,, (3)
4 V t J 4\Kt J \vt ' v '
The error in the calibration of the pressure tube is determined as a result of its certification, it is
GKt
±2% in accordance with section 5 [3] — =
Kf
0,01.
The relative mean-square deviations of the readings of pressure gauge, thermometer and barometer of class ± 0,2 in the relevant parts of the measuring range are:
+0,2
P
+0! = +0,001, 100 t
50
= +0,004.
От площади измерительного сечения и площади сечения наконечника напорной трубки (Sтр), зависит погрешность загрузки измерительного сечения напорными трубками. Т.к.
^ • 100% < 1%, то ^ = 0,05.
5 V;
Для того чтобы уменьшить погрешность от угла наклона оси рабочей напорной трубки к оси потока, необходимо повернуть и зафиксировать трубку так, чтобы показания микроманометра были максимальны.
В общем случае ф<5°, тогда — = 0,02.
Относительное среднеквадратическое клонение скорости составит:
от-
The accuracy of the measuring section load by pressure tubes depends on the area of the measuring section and the sectional area of the tip of the
5
pressure tube (S^), as Т.к. • 100% < 1%, то ^ = 0,05.
In order to reduce the error from the angle of the axis of the working pressure pipe to the flow axis, it is necessary to rotate and fix the tube so that the indications of the manometer are at a maximum.
In the general case of ф<5°, then ^ = 0,02.
The relative mean-square deviation of the velocity will be:
VjL = ^1 ( 0,001)2 +1 ( 0,001)2 +1 (0,004)2 +1 ( 0,01)2 + (0,02)2 + (0,005)2 = 0,011%.
Проверка достоверности экспериментального определения полного давления
Аэродинамические параметры (скорости, давления) непрерывно меняются за счет формирования в циклонных аппаратах сложных
Validation of the experimental determination of the total pressure
Aerodynamic parameters (velocity, pressure) are constantly changing due to the formation of
CT
-(же)— БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
потоков. Для расчета объема воздушного потока используется формула (4):
^ = 7 • 0,785 • 3600 • £2 (4)
где V — скорость воздушного потока в (м/с); Q — объем воздушного потока, проходящего через циклон в зависимости от режима работы вентилятора (м/ч);
Задача измерения состоит не только в нахождении самой величины, но и в определении погрешности измерения, т.е. интервала, в котором вероятнее всего находится истинное значение измеряемой величины.
1.Для измерения заданного физического параметра эксперимент проводится п раз в одинаковых условиях, результаты заносятся в таблицу.
2.Если в результате измерений появляются значения, которые резко отличаются от остальных измерений, то такие значения как промахи отбрасываются (если после проверки не подтверждаются).
3.При проведении одинаковых измерений вычисляется среднее арифметическое х.
4.Вычисляются квадраты абсолютных погрешностей отдельных измерений (Дх;)2.
5. Определяется средняя квадратичная ошибка среднего арифметического.
6. Необходимо задать значение доверительной вероятности а. В лабораториях практикума а=0,95.
7.Находится коэффициент Стьюдента
для заданной доверительной вероятности а и числа произведенных измерений.
8. Записывается доверительный интервал.
Построим дискретный вариационный ряд.
complex flows in cyclonic devices. To calculate the air flow volume formula (4) is used:
Q = V • 0,785 • 3600 • D2, (4)
where V — air velocity in (m/s); Q is the amount of air flow passing through the cyclone depending on the operating mode of the fan (m/h);
The measurement task consists not only in finding the value, but also in determining the measurement uncertainty, i.e. the interval in which the true value of the measurand is most likely.
1. For measuring a predetermined physical parameter, the experiment is performed n times under the same conditions and the results are recorded in the table.
2. If as a result of the measurement appear values, which are very different from other measurements, these values are discarded as failures (if they are not confirmed).
3. When conducting the same measurements, the arithmetic mean is calculated x.
4. The squares of the absolute errors of the individual measurements (Axi)2.are calculated.
5. The average quadratic error of the arithmetic mean is calculated.
6. It is important to specify a value for confidence probability a. In the laboratories of the workshop, a=0.95.
7. Student coefficient ta,n for a given confidence probability a and the number of the measurements is calculated.
8. Confidence interval is written.
Let us build a discrete variational series.
-37 -36 -34 -34 -34 -34 -34
37 -36 -34 -34 -34 -34 -34 -34 -34 -33 -33 -33 -33
-34 -34 -33 -33 -33 -33 -33 -32 -32 -32 -32 -32
-33 -32 -32 -32 -32 -32 -32 -32 -32 -31 -31 -31
-32 -32 -32 -31 -31 -31 -31 -31 -30 -30 -29
-31 -31 -30 -30 -29
Проранжируем ряд. Для этого сортируем его значения по возрастанию.
Let us range the series row. To do this, we sort its values in an ascending order.
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
. _ Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
Таблица 2 Table 2
Расчет показателей The calculation of the indicators
x |x - xср| (X-Xср)2
-37 4,47 19,95
-36 3,47 12,02
-34 1,47 2,15
-34 1,47 2,15
-34 1,47 2,15
-976 41,07 87,47
Для того чтобы оценить ряд распределения найдем следующие показатели: Показатели центра распределения. Простая средняя арифметическая
-=Z*L = -976 Х= n ~ 30
= -32,53 .
(5)
In order to evaluate distribution series we find the following figures: Indicators of the distribution center. A simple arithmetic average
- = 2XL = -976
x = n ~ 30
= -32,53 .
(5)
Значение ряда -32,00 встречается больше всех — 8 раз. Следовательно, мода равна
х = 32.
Абсолютные показатели вариации
Разность между максимальным и минимальным значениями признака первичного ряда называется размахом вариации и определяется по следующей формуле:
R = Xmax - Xmin = -29,00 - (-37,00) = 8.
Для того, чтобы учесть различия всех единиц исследуемой совокупности, необходимо вычислить — Среднее линейное отклонение:
d =
2 x, - x 41,067
= 1,37 .
(6)
п 30
Расчет показал, что каждое значение ряда отличается от другого в среднем на 1,37. Мера разброса около ее среднего значения (мера рассеивания, т.е. отклонения от среднего) характеризуется такой величиной как дисперсия, которая вычисляется по следующей формуле:
2( хг - х)
D = ■
87,467 30
= 2,92
(7)
The value of the number -32.00 occurs more than 8 times. Therefore, the mode is equal x = 32. Absolute measure of variation The difference between the maximum and the minimum characteristic values of the primary range is called the range of variation and is defined by the following formula:
R = xmax - xmin = -29,00 - (-37,00) = 8. In order to account for differences of all studied units together, it is necessary to calculate the average linear deviation:
d =
2 x, - x 41,067
= 1,37 .
(6)
n 30
The calculation showed that each value of the series differs from another in average of 1.37.
The measure of the spread around its mean value (measure of dispersion, i.e. the deviation from the mean) is characterized by such a magnitude as dispersion, which is calculated by the following formula:
D =
z( X, - X)2
87,467 30
= 2,92
(7)
n
n
-(же)— БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
Вычислим исправленную дисперсию: Z(x - x)2
52 =■
87,467
= 3,02 (8)
п-1 29
Среднее квадратичное отклонение.
а = 4о 2,92 = 1,71. (9) Из полученных вычислений видно, что каждое значение ряда отличается от среднего значения -32,53 в среднем на 1,71. Оценка среднеквадратичного отклонения.
5 = = Л/302 = 1,74 . (10)
Относительные показателям вариации — это коэффициент осцилляции, линейный коэффициент вариации, относительное линейное отклонение.
Мера относительного разброса значений совокупности показывающая, какую долю среднего значения этой величины составляет ее средний разброс, называется коэффициентом вариации. Данный коэффициент вычисляется по следующей формуле:
V = ^ = -^И-100% = 5,25% . (11)
х -32,53 4 '
Так как полученное значение коэффициента V < 30%, то совокупность однородна, а вариация слабая. Полученным результатам можно доверять. Доля усредненного значения признака абсолютных отклонений от средней величины характеризуется линейным коэффициентом вариации или относительным линейным отклонением:
Кй = - = 100% = -4,21%. (12)
" х -32,53 4 '
Относительная колеблемость крайних значений признака вокруг средней выражается коэффициентом осцилляции:
Кг = - = ——100% = -24,59% . (13)
г х -32,53 4 '
Интервальное оценивание центра генеральной совокупности.
Определение доверительного интервал для генерального среднего осуществляется по следующей формуле:
+ (14)
где tkp значение по таблице распределения Стьюдента.
По таблице Стьюдента находим:
Let us calculate the corrected variance:
Z( x- x )2
52 =■
87,467
= 3,02
(8)
n-1 29
Mean-square deviation.
o = 4D = *J 2,92 = 1,71. (9)
The resulting calculation shows that each series value differs from the average -32,53, 1.71 in average.
Evaluation of the standard deviation.
s = = 7302 = 1,74. (10)
Relative indices of variation is the coefficient of oscillation, the linear variation coefficient, relative linear deviation.
A measure of the relative dispersion of the values together showing what proportion of the average value of this quantity is its average dispersion and is called coefficient of variation. This ratio is calculated by the following formula:
7 — ^ —
1,71 -32,53
100% = 5,25% . (11)
Since the obtained value of the coefficient v < 30%, then the set is homogeneous, and the variation is slight. The obtained results can be trusted. The share of the average characteristic value of the absolute deviations from the mean is characterized by the linear coefficient of variation or relative linear deviation:
Kd=d=j^ 100% = -4,21%. (12)
" x -32,53 v '
The relative variability of extreme values around the mean is expressed as a coefficient of oscillations:
Kr — ~ —
— 100% =-24,59% . (13)
-32,53 v '
Interval estimation of the center of the main entity.
Determination of confidence interval for the average is carried out according to the following formula:
x + tfcp^=), (14)
where tkp is the value from table of Student's distribution.
With the use of Student table we find:
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
Хгабл^-^а^) = Ттабл(29;0,025) = 2,045. Для определения стандартной ошибки выборки для среднего используется следующая формула:
Txa6^(n-1;a/2) = Txa5jl(29;0,025) = 2,045. To define a standard sampling error for the average we use the following formula:
loo V3oV loo
= 0,2653.
(15)
Полученное значение указывает, на сколько среднее выборки -32,533 отличается от среднего генеральной совокупности. Для определения предельной ошибки выборки используется следующая формула:
8 = tkp sc = 2,045 х 0,27 = 0,54. Доверительный интервал:
(-32,53 - 0,54; -32,53 + 0,54) = (-33,08; -31,99).
Проанализировав полученные значения с вероятностью 0,95 можно утверждать, что среднее значение при выборке большего объема не выйдет за пределы найденного интервала.
Выводы
1. Идея данной работы состояла в поиске по измерительным каналам источников погрешности. Их оказалось много, они различного характера — методические, статистические, измерительные и зависят от диапазона измеряемых величин по отношению к длине шкалы выбранного измерительного средства, а также от его класса точности.
2. Расчёт погрешностей измерения расхода воздуха комбинированным приёмником давления в сочетании с дифференциальным манометром показывает, что при правильно подобранном зонде давления к прибору Testo 521 (Германия) можно снизить погрешность и она не превысит 14,04%.
3. Учитывая, что измеряемые полные давления на установке при работе циклона на разряжении на входе и выходе отличаются на порядок —100 Па и — 1000 Па, а прибор имеет встроенный зонд давлений на 10 000 Па, для недопущения возрастания погрешности с 0,2% до 20% необходимо рекомендовать правильный подбор зондов давления для выходных и входных патрубков циклонов.
4. Динамические давления рекомендуется
The resulting value indicates how sample average -32,533 differs from the main entity.
To determine the limit of sampling error we use the following formula:
8 = tkp sc = 2,045 x 0,27 = 0,54.
Confidence interval: (-32,53 - 0,54; -32,53 + 0,54) = (-33,08; -31,99).
After analyzing the values obtained with a probability of 0.95 it can be argued that the average value in the sample of a larger volume will not go beyond the found interval.
Conclusion
1. The idea of this work was to search for the measuring channels of the sources of error. They turned out to be numerous, they are of different nature — methodological, statistical, measurement and depend on the range of measured values relative to the length scale of the selected measuring tools, as well as its accuracy class.
2. Calculation of errors in measurement of air flow by a combined pressure receiver together with differential pressure gauge shows that with correctly selected pressure probe to the instrument Testo 521 (Germany) it is possible to reduce the error and it will not exceed to 14.04%.
3. Given that the measured total pressure on the facility during the operation of cyclone into the vacuum on the inlet and outlet are different on f -100 PA and 1000 PA, and the device has a built-in probe pressure of 10 000 PA, to prevent the increase of error from 0.2% to 20% it is needed to recommend the correct selection of pressure sensors for outlet and inlet pipes of the cyclones.
4. Dynamic pressure is recommended to be measured by the probe 100 PA or 250 PA, and
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
измерять зондами на 100 Па или 250 Па, а
полные давления на выходе установки зондом на 100гПа. Приборная линейка фирмы Testo (Германия) вполне позволяет это сделать.
Библиографический список
1. B.Ch. Meskhi et al., Cyclone with Controlled Parameters and Self-Emptying Bin for Air Dedusting in Machine Building Plants 2014, Applied Mechanics and Materials, 682, 46-52.
2. Пылеулавливатель: патент 2506880 A47L 9/16/ Б. Ч. Месхи, А. Н. Михайлов, Ю. И. Булыгин, Л. Н. Алексеенко,
О. В. Денисов, О. С. Панченко. — № 2012155164/12; заявл. 18.12.12; опубл.
20.02.14, Бюл. № 5. — 7с.
3. Установка для пылеулавливания: патент 2557741 A47L 9/16/ Б. Ч. Месхи, Ю. И. Булыгин, А. Н. Легконогих, Л. Н. Алексеенко, Д. А. Корончик, О. В. Денисов, А. А. Абузяров. — № 2014136881/12; заявл. 11.09.14; опубл.
27.07.15, Бюл. № 21. — 4с.
4. ГОСТ 12.3.018-79. Система стандартов безопасности труда, системы вентиляционные, методы аэродинамических испытаний. / Государственный комитет СССР по стандартам. — Москва: Издательство стандартов, 1979 — 9с.
5. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана природы (ССОП). Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения. / Государственный комитет СССР по стандартам. — Москва: Издательство стандартов, 1991 — 9с.
6. Булыгин, Ю. И. Экспериментальные установки для исследования влияния формы и
total pressure at the outlet - by the probe 100rna. The instrument range of the company Testo (Germany) allows it to be done.
References
1. Meskhi, B.Ch. et al. Cyclone with Controlled Parameters and Self-Emptying Bin for Air Dedust-ing in Machine Building Plants, 2014, Applied Mechanics and Materials, 682, pp.46-52.
2. Meskhi, B.Ch., Mikhailov, A.N., Bulygin, Y.I., Alekseenko, L.N., Denisov, O.V., Panchen-ko, OS. Pyleulavitel', patent: 2506880 A47L 9/16/ No 2012155164/12. [Dust collector, patent RF 2506880 A47L 9/16/ No 2012155164/12.] 7 p. (in Russian)
3. Meskhi, B.Ch., Bulygin, I.Y., Legkonogikh, A.N., Alekseenko, L.N., Koronchik, D.A., Denisov, O.V., Abuzyarov, A.A. Ustanovka dlya pyleulavlevaniya [Installation for dust collection: patent 2557741 A47L 9/16/ No 2014136881/12.] 4p. (in Russian).
4. GOST 12.3.018-79. Sistema standartov be-zopasnosti truda, sistemy ventilyatsionnye, metody aerodinamicheskikh ispytaniy. Gosudarstvenny komitet SSSR po standartam. [GOST 12.3.01879. The system of occupational safety standards, ventilation, methods of aerodynamic testing. State Committee of USSR on standards.] Moscow, Izda-tel'stvo standartov, 1979, 9p. (in Russian).
5. GOST 17.2.4.06-90. Okhrana prirody (SSOP). Atmosfera. Metody opredeleniya skorosti i raskhoda gazopylevykh potokov, otkhodyashchikh ot statsionarnykh istochnikov zagryazneniya. Gosudarstvenny komitet SSSR po standartam. [GOST 17.2.4.06-90. Nature conservation. Atmosphere. Methods for determining the speed and flow of gas and dust flows going away from stationary pollution sources. State Committee of USSR on standards.] Moscow, Izdatel'stvo standartov, 1991, 9p. (in Russian).
6. Bulygin, Y.I., Vardayan, M.V, Kuptsova, I.S., Azimova N.N. Eksperimental'nye ustanovki dlya issledovaniya vliyaniya formy i geometrii kon-struktsii tsentrobezhnykh pyleuloviteley nanikh aerodinamicheskie kharakteristiki i effektivnost' pyleulavlivaniya. [Experimental facility to study
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
геометрии конструкции центробежных пылеуловителей на их аэродинамические характеристики и эффективность
пылеулавливания/ Ю. И. Булыгин, М. В. Варданян, И. С. Купцова, Н. Н. Азимова // Новые направления модернизации
педагогического образования в формировании здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности: сб. тр. V Регион. науч.-практ. конф. — Краснодар, 2017. — 200 с.
7. Трубки напорные модификации НИОГАЗ и ПИТО: Руководство по эксплуатации/ Российский центр испытаний и сертификации. Москва — 2001. — 11с.
8. Инструкция по эксплуатации Testo 521/526. Москва. — Российское отделение Testo-AG — ООО — Тесто Рус, 2016. — 8с.
9. Руководство по эксплуатации ДМЦ-01М 5.910.000 РЭ. Москва. — 2006, ООО НПО «ЭКО-ИНТЕХ». — 17 с.
10. Азимова, Н. Н. Сравнительный анализ аэродинамических характеристик центробежных пылеуловителей при проведении параллельных сравнительных испытаний / Н. Н. Азимова, Ю. И. Булыгин, И. С. Купцова // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2017. — Т. 17, № 3. — С. 156-165.
11. Ветошкин, А. Г. Инженерная защита окружающей среды от вредных выбросов: Учебное пособие. / А. Г. Ветошкин. — Москва : Инфра-Инженерия, 2016. — 416с.
Поступила в редакцию 15.09.2017 Сдана в редакцию 16.09.2017 Запланирована в номер 29.09.2017
the effect of shape and geometry of the structure of the centrifugal dust collectors on their aerodynamic characteristics and the efficiency of dust collection.] Novye napravleniya modernizatsii pedagog-icheskogo obrazovaniya v formirovanii zdorovogo obraza zhizni i bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti: sb. tr. V region. nauch.-prakt. konf. [New direction of modernization of pedagogical education in the formation of healthy lifestyle and safety: coll. of works. of 5-th region. scientific.-pract. conf.] Krasnodar, 2017, 200 p. (in Russian).
7. Trubki napornye modifikatsii NIOGAZ i PITO: Rukovodstvonpo ekspluatatsii. Rossiyskiy tsentr ispytaniy i sertifikatsii. [Pressure tubes modification NIOGAS and PITO: Manual. Russian centre of tests and certification.] Moscow, 2001. 11p. (in Russian).
8. Instruktsiya po ekpluatatsii Testo 521/526. Moskva. Rossiyskoe otdelenie Testo-AG, Testo Rus. [Instruction manual Testo 521/526. Moscow. Russian subsidiary of Testo AG , Testo Rus.] 2016, 8p. (in Russian).
9. Rukovodstvonpo ekpluatatsii DMTS-01M 5.910.000 RE. [User manual for DMTS-01M 5.910.000 RE.] Moscow, 2006, NPO "ECO-INTECH", 17 p. (in Russian)
10. Asimova, N.N., Bulygin, Y.I., Kuptsova, I.S. Sravnitel'ny analiz aerodinamicheskikh kharakter-istik pyleuloviteley pri provedenii parallel'nykh sravnitel'nykh ispytaniy. [Comparative analysis of aerodynamic characteristics of centrifugal dust collectors at parallel comparative tests.] Vestnik of DSTU, 2017, vol. 17, no. 3, pp. 156-165 (in Russian).
11. Vetoshkin, A.G. Inzhenernaya zashchita okruzhayushchey sredy ot vrednykh vybrosov: uchebnoe posobie. [Engineering protection of environment from harmful emissions: study guide.] Moscow, Infra-Inzheneriya, 2016, 416p. (in Russian).
Received 15.09.2017 Submitted 16.09.2017 Scheduled in the issue 29.09.2017
fnmF БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ - №4
Safety of Technogenic and Natural Systems 2017
Булыгин Юрий Игоревич,
профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» Донского государственного технического университета (РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,1), доктор технических наук, профессор
ЬШуш- [email protected]
Bulygin Yuriy Igorevich,
Professor of Department of life Safety and environmental protection of Don State Technical University (Gagarin sq., 1, Rostov-on-Don, Russian Federation) Doctor of tekhn. Sciences, Professor. bulyur [email protected]
Азимова Наталья Николаевна,
старший преподаватель кафедры «Прикладная математика» Донского государственного технического университета, (РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,1) [email protected]
Купцова Ирина Сергеевна,
аспирантка кафедры «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» Донского государственного технического университета, (РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,1) [email protected]
Azimova Natalya Nikolaevna,
Senior lecturer of Department "Applied mathe-
matics"Don State Technical University, (Gagarin sq., 1, Rostov-on-Don, Russian Federation)
[email protected] Kuptsova Irina Sergeevna,
Graduate student of Department of life Safety and environmental protection of Don State Technical University,(Gagarin sq., 1, Rostov-on-Don, Russian Federation) [email protected]
