СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
METHOD OF IDENTIFYING AQUEOUS SOLUTIONS

Изобретение относится к исследованию или анализу веществ с помощью электромагнитных полей.
Наиболее близким к предлагаемому является способ идентификации вещества, в том числе и водных растворов, в соответствии с которым первичным контуром генерируют электромагнитное поле и регистрируют параметры сигнала в измерительном контуре в присутствии идентифицируемого вещества, при этом первичным контуром генерируют низкочастотное импульсное сложномодулированное электромагнитное поле, измеряют фазу, коэффициент нелинейных искажений и спектральный состав сигнала в первичном контуре путем индуцирования электромагнитного поля двумя передающими катушками, расположенными вблизи первичного контура, и магнитного взаимодействия каждой передающей катушки с расположенной с ней на одном ферромагнитном сердечнике соответствующей измерительной катушкой, возбуждают э.д.с. в виде затухающих периодических колебаний в измерительных катушках, размещают идентифицируемое вещество вблизи концов ферромагнитных сердечников со стороны измерительных катушек и измеряют коэффициент нелинейных искажений, фазу и спектральный состав сигнала измерительных катушек, сравнивают результаты измерения параметров сигнала в первичном и измерительном контурах и по результатам сравнения идентифицируют вещество, при этом параметры сигнала в первичном контуре поддерживают постоянными в процессе всех измерений (РФ, патент №2064177, G01N 27/83, 20.07.1996).
Недостаток известного способа состоит, в первую очередь, в сложности выполнения. Кроме того, способ основан на фиксации искажения ЭМП при взаимодействии с тестируемым веществом. В этом случае мы имеем общую, суммарную картину, формируемую всеми составляющими водного раствора при взаимодействии с тестируемым электромагнитным полем, что не позволяет определить в растворе присутствие конкретных составляющих и снижает чувствительность и информативность известного способа.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа идентификации водных растворов, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении способа и в повышении чувствительности и информативности за счет возможности определения в растворе присутствия конкретных составляющих.
Сущность изобретения состоит в том, в заявленном способе идентификации водных растворов, в соответствии с которым генерируют тестирующий сигнал, который взаимодействует с идентифицируемым водным раствором, результат взаимодействия сравнивают с эталоном и по результатам сравнения идентифицируют водный раствор, новым является то, что в качестве тестирующего сигнала используют последовательность импульсов тока в виде затухающих периодических колебаний, в которой начальная амплитуда последующего импульса больше предыдущего, причем тестирующий сигнал подают на два электрода, закрепленные в контейнере с фиксированным объемом тестируемого водного раствора на расстоянии друг от друга и ниже верхнего уровня раствора, при этом ответный сигнал регистрируют посредством индуктивного датчика в средней точке между электродами на одинаковом с ними уровне водного раствора причем выполняют воздействие на водный раствор последовательностью тестируемых импульсов и регистрируют ответный сигнал от каждого тестирующего импульса до получения установившегося значения ответного сигнала, совокупность ответных сигналов, сгруппированных в полученной последовательности, сравнивают с эталонным и по результатам сравнения идентифицируют тестируемый водный раствор.
Технический результат достигается следующим образом.
Признаки изобретения: «Способ идентификации водных растворов, в соответствии с которым генерируют тестирующий сигнал, который взаимодействует с идентифицируемым водным раствором, результат взаимодействия сравнивают с эталоном и по результатам сравнения идентифицируют водный раствор, …» являются неотъемлемой частью заявленного способа и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в упрощении способа и в повышении чувствительности за счет возможности определения в растворе присутствия конкретных составляющих.
Одно из главных свойств воды - ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. При этом растворенные в воде вещества присутствуют или в виде ионов, например, ионы металлов и неметаллов, комплексные неорганические ионы, или в виде взвешенных частиц, например, множество различных органических веществ.
Высокая диэлектрическая проницаемость воды, обуславливающая способность воды растворять вещества ионного строения, отчасти является следствием того, что вода способна образовывать водородные связи, т.е молекулы воды имеют тенденцию соединяться с ионами входящих в них элементов, с образованием гидратированных ионов. При этом в процессе гидратации каждый отрицательный ион притягивает положительные концы нескольких ближайших молекул воды и стремится удержать их около себя. Положительные ионы (катионы), которые обычно меньше анионов (отрицательные ионы), притягивают воду еще сильнее; каждый катион притягивает отрицательные концы молекул воды и прочно связывает несколько молекул, удерживая их около себя; при этом образуется гидрат, который может быть весьма устойчивым, особенно в случае катионов, несущих двойной или тройной положительный заряд. Образование гидратированных ионов приводит к стабилизации ионов в растворах воды. Прочно связанные между собой, ориентированные на ионы, молекулы воды образуют кластеры, которые образуют, так называемую, связанную воду. В результате, каждый кластер несет в себе информацию об элементах, входящих в тестируемый водный раствор. При этом в установившемся состоянии, благодаря водородным связям, молекулы воды располагаются так, что частично нейтрализуют электрическое поле.
В заявленном способе для идентификации водного раствора на тестируемый водный раствор воздействуют последовательностью импульсов тока, которую подают на два электрода, закрепленные в контейнере с тестируемым раствором на расстоянии друг от друга и ниже верхнего уровня раствора. Воздействующий на тестируемый водный раствор импульс тока формирует между электродами в водном растворе электромагнитное поле. Электрическая составляющая сформированного электромагнитного поля вносит дисбаланс в нейтрализованное до воздействия электрическое поле тестируемого раствора. В результате воздействие тестирующего импульса приводит к нарушению внутренних связей в сформированных в водном растворе кластерах.
+
-
+
-
Наличие у воды кластерной структуры позволяет предположить, что при ее нарушении возникают диссопиированные элементы Н и ОН, имеющие противоположные заряды. В случае заявленного способа причиной нарушения внутренних связей в сформированных в водном растворе кластерах является воздействие импульсом тока, т.е в заявленном способе Н и ОН возникают в момент воздействия тестирующего импульса. Можно предположить, что в короткий промежуток времени после тестируемого воздействия они имеют не хаотическое, а направленное движение, сходное движению электронов в электрическом проводнике, что приводит к формированию в индуктивном датчике наведенной ЭДС. В результате формируется ответный сигнал на тестирующий импульс, который регистрирует индуктивный датчик. При этом, поскольку ответный сигнал регистрируют в средней точке между электродами, это повышает информативность заявленного способа, поскольку позволяет фиксировать максимальную амплитуду формируемого ответного сигнала. При этом в заявленном способе выполняют воздействие на водный раствор тестирующим импульсом и регистрируют ответный сигнал от каждого тестирующего импульса до получения установившегося значения ответного сигнала, что говорит о том, что во всех сформированных в водном растворе кластерах воздействие тестирующего импульса привело к нарушению внутренних связей, т.е. содержимое всех кластеров протестировано. Поскольку объем тестируемого водного раствора в контейнере фиксирован, то условия тестирования остаются постоянными, что обеспечивает достоверность заявленного способа, а, следовательно, повышает чувствительность и информативность.
В заявленном способе тестирующий импульс имеет вид затухающих периодических колебаний. Наличие изменяющейся амплитуды импульса от максимальной и практически до нуля, позволяет при тестировании изменять режим воздействия на раствор в течение длительности одного импульса. Кроме того, в последовательности импульсов тока тестирующего сигнала начальная амплитуда последующего импульса больше предыдущего, что, в совокупности с используемой формой тестирующего импульса (затухающие периодические колебания), увеличивает вероятность полного выявления составляющих водного раствора и повышает информативность заявленного способа.
Поскольку вода представляет собой кластерную систему, то есть, является глубоко ассоциированной жидкостью, то ее свойства аналогичны свойствам полимеров имеющих высокую текучесть. Последнее обстоятельство приводит к самоорганизованности воды. Таким образом, вода способна принимать специфическую полимерную форму, конфигурацию молекул по типу «структурного отпечатка», в котором главную роль играет система кластеров, а сформированные ими поляризационные явления обеспечивают электрический градиент.
В кластерах, относящихся к различным веществам, силы сцепления ионов как между собой, так и с молекулами воды, отличаются. В результате, в каждом кластере, несущем информацию о конкретной составляющей данного водного раствора, нарушение внутренних связей происходит при воздействии на него вполне определенной амплитуды тестирующего импульса. В заявленном способе для тестировании используют последовательность импульсов тока с изменяющейся амплитудой, именно: в виде затухающих периодических колебаний, кроме того, начальная амплитуда последующего импульса больше предыдущего. Наличие изменяющейся начальной амплитуды импульса, а также наличие изменяющаяся во времени амплитуды внутри импульса от максимальной и практически до нуля, позволяет при тестировании изменять режим воздействия на раствор в течение длительности одного импульса, что и позволяет учесть различие в кластерах внутренних сил сцепления. Поскольку регистрируют ответный сигнал от каждого тестирующего импульса до получения установившегося значения ответного сигнала, что говорит о нарушении внутренних связей во всех кластерах, то в результате увеличивается вероятность полного выявления составляющих водного раствора. Кроме того, поскольку каждый кластер, несет информацию о конкретной составляющей данного водного раствора и внутренние связи нарушаются в нем при воздействии на него вполне определенной амплитуды тестирующего импульса, то, при наличии эталонной базы, это позволяет определить и качественный состав тестируемого водного раствора. Таким образом, вышеизложенное позволяет с уверенностью констатировать, что совокупность ответных сигналов, сгруппированных в полученной последовательности, характеризует состав тестируемого водного раствора, т.е. является его «структурным отпечатком».
В заявленном способе совокупность ответных сигналов, сгруппированных в полученной последовательности («структурный отпечаток»), сравнивают с эталонным и по результатам сравнения идентифицируют тестируемый водный раствор. Это обеспечивается благодаря тому, что заявленный способ позволяет создать базу данных, которая содержит результаты тестирования («структурные отпечатки») конкретных, известных заранее водных растворов, т.е. эталонную совокупную информацию об амплитудах воздействующего тестирующего импульса, по каждому из которых при тестировании получают ответный сигнал. В результате, обеспечивается возможность, по результатам сравнения с эталонным, идентифицировать тестируемый водный раствор.
Таким образом, из изложенного выше следует, что предлагаемый способ идентификации водных растворов при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении способа, в повышении чувствительности и информативности за счет возможности определения в растворе присутствия конкретных составляющих.
На фиг.1 изображено устройство для реализации заявленного способа идентификации водных растворов; на фиг.2-4 изображены полученные с помощью заявленного способа структурные отпечатки тестируемых водных растворов.
Устройство содержит контейнер 1 с фиксированным объемом тестируемого водного раствора 2; электроды 3, жестко и герметично закрепленные в контейнере на расстоянии друг от друга и ниже верхнего уровня раствора; индуктивный датчик 4, жестко и герметично закрепленный в контейнере в средней точке между электродами на одинаковом с ними уровне водного раствора; генератор тестирующих импульсов 5; аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП); персональную электронно-вычислительную машину 7 (ПЭВМ). Выходы генератора тестирующих импульсов подключены к соответствующим электродам 3, а выход индуктивного датчика подключен к входу АЦП, выход которого подключен к информационному входу ПЭВМ 7. Кроме того, генератор 5 импульсов затухающих периодических колебаний содержит генератор прямоугольных импульсов 8, параллельную RC-цепь 9 с переменным резистором, подвижный контакт которого заземлен, два последовательно соединенных тиристора 10, 11, линию задержки 12. Выход генератора 8 прямоугольных импульсов подключен к управляющему входу первого 10 тиристора и, через линию задержки 12 - к управляющему входу второго тиристора 11. RC-цепь одной точкой соединения заземлена, а второй точкой соединения подключена между тиристорами 10, 11. Выход второго тиристора 11 является выходом генератора 5 импульсов затухающих периодических колебаний.
Заявленный способ идентификации водных растворов используют следующим образом.
Для использования способа предварительно формируют эталонную базу данных, которая содержит информацию о параметрах тестирующего сигнала, соответствующего различным водным растворам. Для формирования базы данных используют заявленный способ, но в этом случае идентифицируемый водный раствор известен заранее.
В качестве тестирующего сигнала используют последовательность импульсов тока в виде затухающих периодических колебаний, в которой начальная амплитуда последующего импульса больше предыдущего. Тестирующий сигнал подают на два электрода, закрепленные в контейнере с фиксированным объемом тестируемого водного раствора на расстоянии друг от друга и ниже верхнего уровня раствора. Ответный сигнал регистрируют посредством индуктивного датчика в средней точке между электродами на одинаковом с ними уровне водного раствора. Выполняют воздействие на водный раствор последовательностью тестируемых импульсов и регистрируют ответный сигнал от каждого тестирующего импульса до получения установившегося значения ответного сигнала. Совокупность ответных сигналов, сгруппированных в полученной последовательности, сравнивают с эталонным и по результатам сравнения идентифицируют тестируемый водный раствор.
Устройство, реализующее заявленный способ идентификации водного раствора, работает следующим образом. Контейнер 1 заполняют фиксированным объемом тестируемого водного раствора 2. Как показали результаты эксперимента, оптимальным для фиксации четкого ответного сигнала является фиксированный объем водного раствора, равный 200 мл. После включения напряжения питания, генератор 5 импульсов формирует на своем выходе последовательность импульсов тока в виде затухающих периодических колебаний, в которой начальная амплитуда последующего импульса больше предыдущего. Тестирующий сигнал подают на два электрода 3. Временные параметры тестирующего импульса, а именно: период затухающих колебаний, частота следования импульсов, -определяется быстродействием части устройства, регистрирующей ответный сигнал. Датчик индуктивности 4 регистрирует формируемый в водном растворе ответный сигнал, который поступает в АЦП и преобразуется на его выходе в цифровой. Выполняют воздействие на водный раствор тестирующим импульсом и регистрируют ответный сигнал от каждого тестирующего импульса до получения установившегося значения ответного сигнала. ПЭВМ содержит базу данных совокупной информации об амплитуде воздействующего тестирующего импульса и соответствующего ему ответного сигнала, для различных веществ в конкретных водных растворах. Программно, по совокупности ответных сигналов, сгруппированных в полученной последовательности, формируется «структурный отпечаток» тестируемого водного раствора, характеризующий его качественный состав. Затем, программно, путем сравнения с эталонным «структурного отпечатка» тестируемого водного раствора, идентифицируют тестируемый водный раствор.
Генератор 5 импульсов затухающих периодических колебаний работает следующим образом. После включения напряжения питания генератор 8 прямоугольных импульсов формирует на своем выходе последовательность импульсов. Первый тиристор 10 передним фронтом первого импульса, поступающего на его управляющий вход, открывается и конденсатор RC-цепи 9 начинает заряжаться от источника питания. Задним фронтом импульса первый тиристор 10 закрывается и заряд конденсатора цепи прекращается. В этот момент времени второй тиристор открывается импульсом, задержанным на полпериода, и конденсатор начинает разряжаться. При этом на выходе генератора 5 формируется импульс в виде затухающего периодического колебания.
На фиг.2 номерам, указанным на диаграммах, соответствуют:
1 - вода после фильтра, г.Каменск-Уральск; 2 - вода дистиллированная; 3 - физиологический раствор; 4 - вода из озера Байкал; 5 - водопроводная вода, контроль, г.Екатеринбург.
На фиг.3 номерам, указанным на диаграммах соответствуют:
1 - физиологический раствор; 2 - вода дистиллированная; 3 - вода водопроводная, контроль, г.Екатеринбург, р-он Верх-Исетский; 4 - вода водопроводная, контроль, после мембранного фильра; г.Екатеринбург, р-он Верх-Исетский; 5 - чай черный байховый «Ристон»; 6 - напиток «Пепси» газированный (банка).
На фиг.4 номерам, указанным на диаграммах соответствуют:
1 - физиологический раствор; 2 - вода дистиллированная; 3 - вода водопроводная, контроль, г.Екатеринбург, р-он Верх-Исетский; 4 - молоко производства МЗ «Ирбит»; 5 - напиток «Пепси» газированный (банка).
Приведенные диаграммы выполнены в разное время. Результат сравнения показывает повторяемость «структурных отпечатков» одноименных тестируемых водных растворов, а также наличие у каждого тестируемого водного раствора индивидуального «структурного отпечатка». Метки, по которым строится «структурный отпечаток», соответствуют веществам, входящим в исследуемый продукт. При наличии в базе данных конкретного состава исследуемого водного раствора можно определить по каким именно составляющим отличается тестируемый продукт от эталонного.
Из вышеизложенного следует, что заявленный способ идентификации водных растворов прост в использовании и осуществляет идентификацию водного раствора не опосредованно, как в прототипе, а путем определения в растворе присутствия конкретных составляющих, характерных именно для этого тестируемого водного раствора, формируя «структурный отпечаток» водного раствора. В результате заявленный способ обладает высокой чувствительностью и информативностью.
Использованная литература
1. О.В. Мосин «Вода как растворитель, гидратация и клатраты» ИНТЕРНЕТ: o8ode.ru/article/energo/klatrat/htm
2. О.В. Мосин «Воздействие электромагнитных волн низкой интенсивности на воду и водные растворы» ИНТЕРНЕТ: o8ode.ru
3. О.В. Мосин «КВЧ-излучение и кластерная система воды» ИНТЕРНЕТ: o8ode.ru
4. О.В. Мосин «Собственные излучения кластерной системы воды» ИНТЕРНЕТ: o8ode.ru