УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ФОНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Полезная модель (далее ПМ) относится к области экологии и может быть использована для получения текущей информации о состоянии интегрального фонового уровня электромагнитных полей в окружающей среде при проведении биофизических исследований, в медицине (планирование физиотерапевтических процедур, сложных хирургических операций и др.), в областях тонких химических технологий, биохимии и микробиологии.
Проблема оценки уровня электромагнитного антропогенного «загрязнения», а также уровня естественного электромагнитного фона при наблюдении и регистрации физических процессов, происходящих в геосферах Земли (атмосфере, ионосфере, магнитосфере), занимает важное место при решении задач обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. К настоящему времени проведено большое число разнообразных исследований динамики процессов в различных физико-химических, геофизических, биологических и иных системах с множеством взаимосвязанных элементов, которые указывают на зависимость протекания этих процессов от колебаний фонового электромагнитного состояния окружающей среды (см., например, А.Г. Пархомов. “Космос. Земля. Человек. Новые грани науки” // М.: Наука, 2009.- 272 с; Опалинская А.М. Влияние внешних факторов на реакции, моделирующие биологические процессы (тест Пиккарди). - Биофизика, 1986, Т.31, №2, с.330-335). Актуальность контроля электромагнитного фона в окружающей среде обитания определяется постоянством его воздействия на биологические объекты, включая человека.
Известны различные устройства для мониторинга электромагнитного фона окружающей среды, в которых используются антенные приемные устройства электромагнитных волн в радио диапазоне от 1 до 32 МГц (см., например, Белов В.А., Колесник А.Г. и др. Измерительно-вычислительный комплекс для экологического мониторинга электромагнитных полей в окружающей среде // Междун. конф. по физике солнечно-земных связей, тезисы докладов, 1994, С.76).
Недостатком этого известного устройства является низкая удельная чувствительность, требующая больших габаритов приемных антенн, высокой энергоемкости регистрирующей аппаратуры и ее габаритов, а также высокой трудоемкости в обработке результатов измерения с использованием математического моделирования.
Известно также устройство, использующее в качестве сенсора электромагнитного фона электродную ячейку с жидкостью, по величине электропроводности которой судят о колебаниях электромагнитного фона окружающей среды (см. Шрайбман Ф.О., Бобров А.В. Электрическая реакция электродной системы на электромагнитное воздействие в дециметровом диапазоне волн. В сб.: Информационные взаимодейстия в биологии. Изд-во Тбилисского гос. университета, Тбилиси, 1990, с.163-164).
Недостаток этого устройства состоит в высоких требованиях к составу жидкости и качеству электродов, необходимых для получения надежных результатов. Кроме того, жидкостные сенсоры требуют специальных конструктивных решений для обеспечения возможности транспортировки и работы в полевых условиях.
Наиболее близким по технической сущности (аналогом) предлагаемой ПМ является устройство, включающее сенсор, усилитель электрического сигнала, преобразователь и регистратор. Принцип работы этого устройства состоит в регистрации электрических токов в полупроводниковых приборах - транзисторах, так называемого фликкер-шума, вызываемого воздействием на них внешних электромагнитных и космофизических факторов (см.: Пархомов А. Космос. Земля. Человек. Новые грани науки. М.: Наука, 2009.-272 с).
Недостаток этого известного устройства заключается в том, что регистрируемый шум транзистора (фликкер-шум) характеризуется изменчивыми по амплитуде и хаотично распределенными во времени всплесками сигнала, недостаточно надежно отражающими динамику электромагнитного фона окружающей среды.
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи повышения надежности регистрации колебаний уровня электромагнитного фона окружающей среды и упрощения конструкции устройства.
Согласно полезной модели эта задача решается за счет того, что в качестве сенсора использован модуль Пельтье, помещенный в тепло- и светоизолирующую оболочку.
Модуль Пельтье представляет собой набор полупроводниковых p-n переходов, соединенных в единую электрическую цепь. Под действием внешних геофизических факторов, в частности, электромагнитного фона, в электрическом поле p-n переходов модуля Пельтье изменяется равновесное состояние акцепторных и донорных уровней, соответственно изменяется работа выхода носителей заряда, что приводит к изменению количества электронов, проходящих через p-n переходы. Для защиты от внешних помех, создаваемых конвективными потоками воздуха и освещением, сенсор помещен в тепло- и светоизолирующую оболочку, в качестве материала которой может служить вата, пенополиуретан (поролон) и др. В отличие от транзистора, используемого в ближайшем аналоге, наличие в модуле Пельтье большого количества p-n переходов обеспечивает повышение мощности сигнала и, соответственно, надежности регистрации электромагнитного фона. Достоинством ПМ. включающей в качестве сенсора модуль Пельтье, является отсутствие источника питания сенсора, который соединен непосредственно с входом усилителя электрического сигнала и работает в режиме генератора электрического тока.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленной полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена: блок-схема заявляемой ПМ; на фиг.2 - пример фрагмента синхронных осциллограмм освещенности (1), регистрируемой фотодатчиком, и тока (2) сенсора (модуль Пельтье) при мониторинге уровня электромагнитного фона окружающей среды; на фиг.3 - приведен результат мониторинга электромагнитного фона окружающей среды, полученный по известному техническому решению, выбранному в качестве ближайшего аналога заявляемой ПМ.
Устройство содержит: 1 - сенсор (модуль Пельтье), 2 - коаксиальные кабели, 3 - усилитель, 4 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), 5 - кабель для USB входа компьютера, 6 - регистратор (персональный компьютер).
Устройство работает следующим образом.
Электрический сигнал от сенсора электромагнитного фона окружающей среды - модуля Пельтье 1 поступает по коаксиальным кабелям 2, используемым для повышения помехоустойчивости, на вход усилителя 3, с выхода которого усиленный сигнал, также по коаксиальным кабелям, поступает на вход АЦП 4, с выхода АЦП 4 сигнал, преобразованный в цифровой вид, по кабелю 5 поступает на вход USB персонального компьютера 6 для регистрации по установленной программе.
Пример реализации полезной модели.
Для реализации полезной модели были использованы: сенсор 1 -модуль Пельтье типа TB-127-1,4-1,5; усилитель 3 на базе прецизионного усилителя постоянного тока К140УД13 и аналогово-цифровой преобразователь 4 типа E-14-140 L-Card. В качестве персонального компьютера может служить любой современный компьютер с USB входом.
Пример реализации мониторинга электромагнитного фона окружающей среды с помощью заявляемой ПМ показан на фиг 2. Мониторинг производили на территории Института медико-биологических проблем РАН (Москва). Из представленного фрагмента осциллограмм освещенности и тока сенсора (модуля Пельтье) следует, что основной всплеск уровня электромагнитного фона приходится на утренние часы и продолжается примерно до 16-17 часов, что указывает на его техногенную природу (рабочее время).
Для сопоставления на фиг.3 приведен результат мониторинга электромагнитного фона окружающей среды, полученный по известному техническому решению, выбранному в качестве ближайшего аналога заявляемой ПМ (см.: Пархомов А. Космос. Земля. Человек. Новые грани науки. М.: Наука, 2009.-272 с).
Сопоставление результатов, полученных с помощью известного и заявляемого технических решений, показывает преимущества заявляемой ПМ, при использовании которой имеет место динамическая кривая, отражающая реальную картину колебаний электромагнитных процессов в окружающей среде. В отличие от этого на фиг.3 видны лишь хаотично распределенные во времени всплески фликер-шума.
Таким образом, приведенные результаты подтверждают возможность достижения с помощью заявляемой полезной модели ее назначения, а именно, мониторинга колебаний уровня электромагнитного фона окружающей среды.
Учитывая распространенность модулей Пельтье в современных теплофизических приборах и установленную возможность их применения в режиме генератора в качестве чувствительных сенсоров колебаний уровня электромагнитного фона окружающей среды, заявляемое устройство может быть широко использовано для экологического контроля антропогенного электромагнитного «загрязнения», а также уровня естественного гео- и космофизического электромагнитного фона. Это обеспечивает заявляемой полезной модели соответствие условию патентоспособности «промышленная применимость».
Эффективность заявляемой полезной модели состоит в том, что наличие в модуле Пельтье большого количества p-n переходов позволяет повысить мощность сигнала и, как следствие, надежность и достоверность результатов мониторинга колебаний уровня электромагнитного фона окружающей среды. Защитная тепло- и светоизолирующая оболочка сенсора исключает влияние внешних помех. Кроме того, за счет применения модуля Пельтье в качестве сенсора, не требующего собственного электропитания, упрощается конструкция устройства.