ПУЗЫРЬКОВЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
BUBBLE SENSOR FOR DETECTING WEAK ELECTRIC FIELDS

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к регистрации слабых электрических полей и может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях как компас источников электрических полей сразу по нескольким направлениям.
Уровень техники
Регистрация изменения слабых квазистатических электрических полей в настоящее время является важной и востребованной задачей в таких областях, как медицина, биология. Существует много инженерных способов регистрации переменных электрических полей, однако все они основаны на усилении сигнала с чувствительного элемента в виде небольшой металлической антенны электронными средствами и требуют источника электропитания. Такие системы улавливают изменения электрического поля на частотах в несколько килогерц и не охватывают область квазистатических изменений электрического поля. Важными параметрами здесь являются чувствительность и малые размеры, которые позволяют наиболее точно регистрировать происходящие процессы.
В частности, из уровня техники известно решение, касающееся измерения напряженности электрического поля, основанного на использовании датчика напряженности электрического поля, содержащего управляемый диэлектрик с изменяемой под действием электрического поля диэлектрической проницаемостью (патент RU 2626065). Регистрация электрического поля производится измерением сдвига фазы сигнала в полосковой линии передачи, на основе которой выполнен датчик. С целью уменьшения размеров датчика он может быть выполнен на основе резонансного отрезка линии передачи, т.е. полоскового резонатора. Для расширения динамического диапазона предлагается реализация датчика на основе системы взаимодействующих полосковых резонаторов, которая, по сути, представляет собой полосно-пропускающий фильтр, у которого под действием внешнего электрического поля перестраивается центральная частота и смещается фазо-частотная характеристика. Естественно, что для этого затрачивается энергия измеряемого поля и точность падает.
Известно измерение напряженности электрического поля посредством N пар чувствительных элементов (RU 2388003). Датчик выполняют трех координатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равной нулю, затем, фиксируя датчик в этом положении, поворачивают датчик вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика. При этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика. Однако для определения вектора источника поля датчик необходимо поворачивать.
Известен также датчик (пробник) ЕЗ-60х электрического поля фирмы "Narda Safety Test Solutions S.r.l", производство Италии. Его описание представлено в сети Интернет по адресу: https://newpribor.ru/catalog/ispvtatelnoe-oborudovanie/probniki-polya/narda-pmm-ep-600-ер-601-ер-602-е_.html. Принцип действия состоит в преобразовании трех ортогональных составляющих вектора напряженности переменного электрического поля от металлических штырьков в эквивалентные значения напряжения переменного тока с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП), использования оптоволоконного кабеля и обработки информации на компьютере. Недостатком таких систем измерения электрического поля является чувствительность только на высоких частотах изменения поля - десятки килогерц, обработки информации на компьютере и, соответственно, высокая стоимость всего оборудования.
Наиболее близким к предполагаемому решению, является водоэлектрический датчик для регистрации слабых физических полей и биоизлучения (Авторы Агеев И.М., Рыбин Ю.М., Шишкин Г.Г., Еськин СМ. «Водоэлектрические датчики для регистрации слабых физических полей и биоизлучения». Его описание представленно по адресу: https://mai.ru/upload/iblock/d9c/vodoelektricheskie-datchiki-dlva-resistratsii-slabykh-fizicheskikh-poley-i-bioizlucheniya.pdf). В публикации описан датчик измерения слабых физических полей и биологических объектов, работа которого основана на изменении электропроводности воды при ее нагревании за счет изменения напряженности электрического поля. Датчик представляет собой ячейку из диэлектрического материала в форме плоского параллелепипеда объемом несколько миллилитров с двумя электродами для измерения электропроводности воды, зависящей от поляризации внешним электрическим полем. В центре датчика расположен терморезистор для измерения температуры воды, которая определяет свою электропроводность. Основным недостатком такого датчика являются как его размеры, так и большая чувствительность молекул воды в области СВЧ и малая чувствительность к слабо меняющимся полям. Работа такого датчика неэффективна в квазистатических полях. На таком датчике невозможно определить несколько источников электрического поля, т.к. измеряется их интегральное воздействие.
Технической проблемой является разработка датчика, работающего без использования источников электропитания и имеющего малые размеры, характеризующегося высокой чувствительностью к слабо-меняющимся полям.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является возможность создания малогабаритного индикатора и на его основе датчика слабо-меняющихся квазистатических, а также постоянных электрических полей с напряженностью поля ≈ 3 в/см с размером чувствительного элемента не более 1 мм. Для работы такого индикатора и датчика на его основе не нужны внешние источники электропитания и он может одновременно указывать направление на несколько источников электрического поля.
Технический результат достигается за счет разработки кавитационного (или пузырькового) датчика для регистрации слабых электрических полей, включающего герметично размещенный в корпусе из гидрофобного оптически прозрачного материала чувствительный элемент, представляющий собой трехфазную кавитационную ячейку, состоящую из оболочки - высоковязкой гидрофобной жидкости, в которой размещен газовый пузырек с внешним диаметром 0,2-0,5 мм, содержащий на границе раздела газ-гидрофобная жидкость, по меньшей мере, одно, микровключение воды размером от 5 до 20 мкм, при этом кавитационная ячейка характеризуется наличием отрицательного заряда на своей поверхности и положительным зарядом в микровключениях воды, а корпус выполнен с увеличительной линзой для обеспечения возможности визуализации и регистрации положения микровключения воды. Количество исходных микровключений воды в газовом пузырьке может достигать 8 и более.
В качестве гидрофобной жидкости предпочтительно использовать водомасляную эмульсию вязкостью 1-10 стоке с содержанием воды от 0,1 до 0,5 об. %. В частности, такими параметрами характеризуется силиконовое масло или полиметилсилоксан ПМС. При этом в изобретении в качестве высоковязкой гидрофобной жидкости могут быть использованы и другие жидкости, например, глицерин, характеризующиеся степенью прозрачности, обеспечивающей возможность визуализации микрокапель воды на
периферии газового пузырька. Чувствительный элемент указанной структуры может быть получен с размерами 0.1-0.3 мм за счет использования эффекта кавитации [Р. Кнэпп. Кавитация // Мир, Москва, 1974], при котором в водомасляной эмульсии или масляной эмульсии с незначительным содержанием воды в потоке жидкости образуются газовые пузырьки - растворенные в жидкости из атмосферы. При этом возможно получение чувствительного элемента и больших размеров до 0,5 мм для более точного определения направления источника поля. Толщина оболочки не является принципиальной в конструкции заявляемого датчика и может иметь величину от 0,2 мм и более в силу конструктивного исполнения датчика, в котором предполагается использовать данный чувствительный элемент. Чувствительный элемент имеет собственное электрическое поле и является электрическим компасом источников электрических полей.
В одном из вариантов осуществления датчика увеличительная линза размещена на корпусе с ее внешней стороны, в другом - часть поверхности корпуса выполнена в виде увеличительной линзы.
Заявляемый чувствительный элемент получают эмульгированием исходной гидрофобной жидкости (водомасляной эмульсии), характеризующейся параметрами вязкости от 1 до 10 стоке, газонасыщенностью при нормальном атмосферном давлении (около 764 мм рт. ст.), содержанием воды от 0,1 до 0,5 об. %, при температуре 17-22°C до образования мелкодисперсной фазы воды в гидрофобной жидкости при этом кавитационные пузырьки образуются при понижении локального давления в гидрофобной жидкости. Эмульгирование исходной гидрофобной жидкости может быть реализовано любыми известными из уровня техники средствами и методами, например, с помощью устройства, представленного на фиг. 5, где поток водомасляной эмульсии, размещенной во внешнем цилиндре, создают вращением данного цилиндра, в котором размещен внутренний цилиндр вблизи стенки внешнего (т.е. скольжением внутреннего цилиндра по внутренней поверхности внешнего цилиндра). При этом размер газового пузырька определяется отношением радиусов упомянутых цилиндров и величиной зазора между ними.
Способ регистрации слабых электрических полей позволяет определять изменение поля на длине 0.1 мм при напряженности 3 в/см. Способ включает размещение датчика или чувствительного элемента вблизи определяемого источника электрического поля (слабые электрические поля детектируются на расстоянии примерно 1-4 см от чувствительного элемента), и по изменению исходной формы микровключения воды (преимущественно сферической на вытянутую) регистрируют наличие слабого электрического поля, при этом направление поля определяют по направлению вытягивания микровключения воды. При расщеплении микровключения воды дополнительно делают вывод о количестве близлежащих источников электрического поля по количеству расщеплений в пузырьке. Изменение положения источника поля связано с изменением положения микрокапель воды на поверхности границы раздела газ-гидрофобная жидкость в кавитационном пузырьке.
Таким образом, чувствительный элемент представляет собой индикатор электрического поля и выполнен в виде трехфазного кавитационного пузырька с оболочкой из гидрофобной жидкости с включениями микрокапель воды. Такое образование представляет электрический диполь с отрицательным потенциалом на границе газ-жидкость и положительным потенциалом в микрокаплях воды. Под действием внешнего электрического поля в таком индикаторе произойдет ориентация микрокапель воды в направлении градиента электрического поля. При наличии нескольких источников поля микрокапли воды покажут ориентацию. Поскольку в жидкости практически всегда есть примеси других жидкостей и растворенный газ, таким образом, трехфазный кавитационный пузырек можно использовать в качестве индикатора (пробника) электрического поля. Трехфазное образование позволяет такому пузырьку иметь свое собственное электрическое поле. Оно образовано отрицательным зарядом на границе гидрофобная жидкость-газ и положительным от микрокапель воды, расположенными на той же границе. Под действием внешнего электрического поля происходит ориентация в виде вытягивания микрокапли воды в направлении отрицательного источника поля. Установлено, что трехфазные кавитационные образования за счет своего поля реагируют на перемещение соседних. Каждый пузырек «видит» соседний пузырек с угловым разрешением до 10 градусов. Таким образом, использование трехфазных кавитационных образований позволяет регистрировать квазистатические электрические поля в медицине и биологии и может быть использован как электрический компас с одновременной регистрацией нескольких источников электрического поля. Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа являются существенное уменьшение размеров индикатора электрического поля ввиду малого размера кавитационного пузырька (0.2-0.5 мм), а наличие собственного электрического поля у трехфазного кавитационного пузырька исключает необходимость во внешнем источнике электропитания.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена микрофотография трехфазных кавитационных пузырьков и схема их взаимодействия. На центральном пузырьке стрелками показаны ориентации положительно заряженных микрокапель воды 4 под действием электрических полей соседних пузырьков. При изменении положения источника электрического поля, происходит изменение расположения заряженной микрокапли на оболочке кавитационного пузырька.
На фиг. 2 представлена серия фотографий, демонстрирующих перемещение «утолщения» положительно заряженной капли 4 в трехфазном кавитационном пузырьке 1 под действием электрического поля соседнего пузырька. Стрелками показаны изменения ориентации микрокапель воды 4 в пузырьках при их взаимном перемещении. Временной интервал между кадрами 0.6 с.
На фиг. 3а - фотография трехфазного кавитационного пузырька, 3б - реконструкция кавитационного пузырька, где позициями указаны: 1 кавитационный пузырек, 2 граница контакта газа с гидрофобной жидкостью, 3 силиконовое масло, 4 микрокапли воды на границе газа с жидкостью.
На фиг. 4 - устройство, с помощью которого может быть получен трехфазный кавитационный пузырек. Кавитация возникает в области минимального зазора Н при скольжении внутреннего цилиндра 7 по внутренней поверхности внешнего цилиндра 6 в гидрофобной жидкости ПМС100. После остановки движения цилиндра 6, давление в зазоре Н возрастает до атмосферного. Это приводит к формированию газового (кавитационного) пузырька с микро вкраплениями сконденсированных паров воды на границе газ-жидкость.
На фиг. 5 показано конструктивное оформление трехфазного кавитационного датчика для практического применения. Кавитационный пузырек 1 с окружающим его силиконовым маслом 3, помещают в небольшой корпус или кювету (микрокювету) 8, выполненную из гидрофобного материала и герметично закрытой сверху линзой 5 с десятикратным увеличением. При размере кавитацинного пузырька в 0,5 мм, такая линза позволит регистрировать расположения нескольких микрокапель воды 4 на поверхности газового пузырька 1.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - трехфазный кавитационный (газовый) пузырек, 2 - граница раздела (или контакта) газа с гидрофобной жидкостью, 3 - гидрофобная жидкость (например, силиконовое масло), 4 - микрокапли воды, 5 - увеличительная линза, 6 - внешний цилиндр, 7 - внутренний цилиндр, 8 - корпус/кювета для размещения трехфазного кавитационного пузырька.
Осуществление изобретения
Заявляемый чувствительный элемент (индикатор) датчика электрического поля представляет собой результат кавитации в виде пузырьков в зазоре между эксцентричными цилиндрами при их скольжении в высоковязкой водомасляной эмульсии, например, в гидрофобном масле ПМС 1000. Кавитационные пузырьки содержат растворенный атмосферный газ, в котором на границе с маслом располагаются сконденсированные микрокапли воды. По паспортным данным, вода является побочным составом масла в количестве 0,05% по объему. Трехфазный кавитационный пузырек размером около 0,2 мм состоит из гидрофобной оболочки высоковязкого силиконового масла, кавитационного газа из состава атмосферы и малого количества воды в виде микронных капель между маслом и газом. В таком пузырьке на границе раздела газ-силиконовое масло образуется двойной электрический слой [А.П. Беляев, В.И. Кучук. Физическая и коллоидная химия // ГЕОТАР-МЕДИА, 2018.]. По правилу Кена, вода, как среда с наибольшим диэлектрическим показателем, приобретает положительный потенциал. Таким образом, кавитационная ячейка имеет как отрицательный заряд на своей оболочке, так и положительный внутри, в виде микрокапель воды и обладает собственным электрическим полем. В такой ячейке микро капли воды, ввиду малости своего размера (5-20 микрон), не испытывают трения при перемещении по поверхности гидрофобной жидкости, возникают условия для ее поляризации и ориентации в виде утолщений в направлении градиента внешнего электрического поля. Подтверждение этого эффекта представлено на фиг 1. На фотографии кавитационные трехфазные пузырьки размером 0,2 мм реагируют на электрические поля соседних пузырьков в виде ориентации и утолщения микрокапель 4, показаны стрелками.
Светлые выступы на пузырьке - микрокапли воды, которые при наличии нескольких источников электрического поля, расщепляются и вытягиваются к источнику поля. По сути, такой индикатор в двумерной системе координат является электрическим компасом и может указывать на угловое расположение других источников поля с разрешением по углу 10 градусов. Чувствительность таких трехфазных датчиков показана при взаимном перемещении на фиг. 2. Левый пузырек меньше правого, имеет меньше сконденсированного водяного пара и поэтому легче. Водяные микро капли на обоих пузырьках перемещаются на границе газ-жидкость, ориентируясь к центру внешнего источника электрического поля. На кадрах 1-3 перемещение левого пузырька соответствует 0,1 мм. При этом изменилась ориентация водяных микро капель в обоих пузырьках, которая характеризует изменение внешнего электрического поля на расстоянии 0.1 мм.
Изготовить чувствительный элемент можно посредством газовой кавитации эмульсии из гидрофобной высоковязкой жидкости 99,5% и 0,5% воды по объему. Кавитация смеси возникает в тонком слое между неконцентрическими цилиндрами при их кратковременном скольжении между собой. При этом достигается падение давления, достаточное как для газовой кавитации, так и для паровой для вскипания воды (17 мм.рт.ст) [Joseph D. D. Cavitation in a flowing liquid //Phys. Rev. E, 51, R1649 (1995)]. При остановке скольжения, давление повышается до атмосферного и в газовых пузырьках происходит конденсация паров воды в микрокапли. Образуется трехфазный кавитационный пузырек с отрицательным потенциалом на своей оболочке и положительным в сконденсированных парах воды. Ввиду большой вязкости, такой трехфазный кавитационный пузырек почти не всплывает и может быть помещен в гидрофобный корпус (ячейку или кювету) (фиг. 5) с увеличительной линзой для регистрации внешних источников электрического поля. Гидрофобный корпус/ячейка/кювета может быть выполнен из любого оптически прозрачного материала с герметичным размещением в ней кавитационного трехфазного пузырька, при этом в качестве оболочки кавитационного пузырька выступает силиконовое масло, заполняющее весь внутренний объем корпуса. Линза может быть закреплена на поверхности кюветы любым известным из уровня техники способом, при этом возможен вариант реализации датчика, при котором весь корпус или часть ее поверхности выполнен в виде увеличительной линзы. Такой датчик может иметь размеры от 3 до 5 мм.
Измерения показали, что предлагаемый трехфахный кавитационный датчик способен почувствовать изменение напряженности электрического поля на длине перемещения 0,1 мм. Использование трехфазного кавитационного пузырька с собственным электрическим полем в качестве индикатора, без внешнего источника электропитания, может успешно найти применение в таких областях, как медицина, биология, например, для регистрации заряженных областей на биологическом теле, а также как электрический компас.
В примере конкретного выполнения (фиг. 1-3) заявляемый чувствительный элемент - кавитационный пузырек, был получен с помощью устройства (фиг. 4). При этом в эксперименте в качестве гидрофобной жидкости был использован ПМС 100, внешний цилиндр имел диаметр 5 см, внутренний 2,5 см. Цилиндры были размещены соосно один в другом с обеспечением зазора Н=5-10 мкм с возможностью скольжения внутреннего цилиндра по внутренней поверхности внешнего цилиндра, которое было реализовано посредством вращения внешнего цилиндра относительно своей оси, с линейной скоростью от 1 см до 3 см в течение 2-5 сек, обеспечивающей образование газовых (кавитационных) пузырьков с микровкраплениями сконденсированных паров воды на границе газ-жидкость после остановки перемещения внешнего цилиндра. Диаметр полученных кавитационных пузырьков составлял 0,2-0,5 мм. Результаты проведенных экспериментов, демонстрирующие возможность регистрации слабых электрических полей, количества близлежащих источников электрического поля, направлений электрических полей, представлены на фиг. 1-3, а именно: с помощью изготовленных чувствительного элемента и датчика на его основе были зафиксированы слабоменяющиеся квазистатические поля, характеризующиеся влиянием соседних кавитационных пузырьков, которые обладают своим собственным электрическим полем. Кроме того, кинофотосъемкой было зафиксировано изменение положений микровключений воды в пузырьке по действием внешнего электрического поля напряженностью 3 в/см, источник которого был размещен на расстоянии 2-3 см чувствительного элемента. Следует отметить, что датчик и чувствительные элемент характеризуются стабильностью в течение длительного времени за счет сохранения газа в оболочке масла, как и микрокапли воды, ввиду своей гидрофобности, при отсутствии резких температурных изменений, когда масло может замерзнуть при отрицательной температуре или сильно нагреться и вскипеть. В проведенном исследовании при неизменных внешних условиях чувствительный элемент сохранял свои свойства не менее 1 месяца.