УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF HYDRO-PHYSICAL CHARACTERISTICS AND PROPERTIES OF FLUIDS AND METHOD OF ITS APPLICATION

Изобретение относится к измерительной технике в области гидрофизики и биохимии, а именно к устройствам обнаружения изменений удельной электропроводимости (УЭП) жидкости в результате изменения структуры (концентрации) исследуемых растворов, находящихся в емкостях (пробирках, измерительных ячейках и др.). Изобретение может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств исследуемых растворов с целью обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками (свойствами) при разведении исследуемого (концентрированного) вещества с высокой точностью, а также идентификации исследуемого раствора при сравнении его с эталоном. Под «качественно новыми характеристиками (свойствами)» понимаются характеристики (свойства), которые могут быть использованы, например, в интересах гомеопатии, когда при сверхмалых концентрациях раствор приобретает новые медицинские свойства, не присущие первоначальному раствору.
Известно множество устройств определения физических свойств жидкостей, основанных на измерении ряда электрофизических параметров (как правило - диэлектрической проницаемости) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость [1, 2 и др.].
Одним из основных недостатков подобных систем является их ограниченная область применения, обусловленная невозможностью контроля малых изменений (или определения малых концентраций) физических свойств жидкостей ввиду невысокой точности измерения соответствующих малых изменений информативных параметров (резонансной частоты, добротности резонатора и др.). Для устранения данного недостатка применяют двухканальные измерительные системы, содержащие эталонные каналы, в которых используются жидкости с известными физическими свойствами [2].
Кроме того, известны технические решения [3, 4, 5, 6, 7], которые в той или иной степени содержат описание устройств, по технической сущности близких к предлагаемому устройству. Так, устройство, описанное в решении [3], принято в качестве прототипа. Оно содержит два измерительных канала (эталонный и анализируемый) с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии, которые являются резонаторами с колебаниями основного типа и заполняются соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью. Кроме того, в прототипе имеются линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального устройства. Информативным параметром каждого канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний каждого из резонаторов.
Основным недостатком рассмотренного прототипа является невысокая точность измерения и использование высокочастотных сигналов при «зондировании» растворов, и как следствие невозможность обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками (свойствами) при сверхмалом разведении исследуемого (концентрированного) вещества с высокой точностью, а также идентификации исследуемого раствора при сравнении его с эталоном. Данное обстоятельство обусловлено рядом причин, основными из которых являются:
1. Чувствительные элементы (сами датчики) эталонного и анализируемого каналов содержат соответственно эталонную и анализируемую жидкости, находящиеся в разных внешних условиях (например, при температуре, которая не учитывается и может быть различной в местах расположения этих датчиков). Это приводит к уменьшению точности измерения вследствие разных зависящих от температуры изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно данное влияние на точность измерения будет сказываться при определении сверхмалых концентраций содержания исследуемой жидкости в анализируемом растворе;
2. Значения частот, на которых осуществляется «зондирование» жидкости весьма велико (поэтому используются отрезки коаксиальных линий), что накладывает отпечаток на сложность изготовления самих датчиков.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и разработка устройства обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками (свойствами) при сверхмалом разведении исследуемого (концентрированного) вещества с высокой точностью, а также идентификации исследуемого раствора при сравнении его с эталоном.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкости, основанном на мостовой схеме измерения амплитудных и фазовых характеристик (мост Уинстона), при воздействии на раствор низкочастотного колебания синусоидальной, треугольной или пилообразной формы, достигается тем, что в качестве источника излучения устройство содержит универсальную электронно-вычислительную машину (УЭВМ - 4), функциональный контролер (ФК - 2) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП - 3, выполняющий функцию генератора опорного сигнала), а система регистрации состоит из:
- двух каналов измерения УЭП - опорного и измерительного, каждый из которых включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП - 1), ФК и УЭВМ (5, 6 - УЭП);
- двух каналов измерения поля температуры (5, 6 - Т).
В систему балансировки моста входит многооборотный высокоточный потенциометр (8), последовательно включенный с сопротивлениями (7) в разрыв измеряемых плеч моста (5, 6), причем напряжение отработки, поступающее с выхода дифференциального усилителя, является информационным сигналом и периодически регистрируется аналого-цифровым преобразователем (1), обрабатывается в соответствии с разработанными алгоритмами и визуализируется на УЭВМ в реальном масштабе времени, при этом, постоянный контроль термопарами поля температуры изменений электрофизических параметров этих жидкостей (растворов), позволяет учесть их при расчете значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний.
Функциональная схема устройства для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкости представлена на Фиг. 1.
Существенными отличительными признаками устройства, по мнению авторов, являются: во-первых, использование в его составе комплексной системы, выполненной в виде низкочастотной линии передачи с датчиками (два измерительных канала, эталонный и анализируемый с чувствительными элементами, состав которых - сплав титана), включенными в мостовую измерительную схему; во-вторых, чувствительные элементы измеряют изменение отклика исследуемой среды (жидкости или раствора) в результате изменения концентрации последней и воздействия на нее низкочастотных колебаний синусоидальной, треугольной или пилообразной формы.
Вариант измеренных сигналов УЭП и временной диаграммы набранной статистики за эксперимент устройством для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкости представлен на Фиг. 2.
Как будет показано ниже (в описании способа применения предлагаемого устройства) для измерения гидрофизических свойств жидкости и обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками, воздействовать на нее (на жидкость) для получения нужного эффекта необходимо (допускается), используя низкочастотные колебания синусоидальной, треугольной и пилообразной формы.
Совокупность вышеперечисленных отличительных признаков предлагаемого устройства позволяет сформулировать его новое свойство: способность контролировать с высокой точностью исследуемую жидкость и обнаруживать жидкости (растворы) с качественно новыми характеристиками или до определенной степени, отличающиеся от образцов. Это свойство и позволяет обеспечить полезный эффект, сформулированный в цели изобретения.
Устройство может использоваться в химических, физических или биологических лабораториях для исследования характеристик жидкостей с высокой точностью, а также для обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками или до определенной степени (заданной в ходе эксперимента), отличающиеся от образцов.
СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
Способ применения устройства для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкости (обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками или определения сверхмалых концентраций исследуемых растворов) основан на разведении исследуемого концентрированного вещества (концентрата) и регистрации с помощью устройства (на комплексном автоматизированном средстве (спецпроцессоре)) изменений амплитудных и фазовых характеристик низкочастотных колебаний синусоидальной, треугольной и пилообразной формы, а также выявлении контрастных изменений в реальном масштабе времени, с учетом данных, получаемых от термопар.
Изображения изменения электропроводимости исследуемой среды подвергается специальной обработке на спецпроцессоре, что позволяет распознавать плоскостную картину по принятому правилу принятия решения и автоматически обнаруживать концентрацию, при которой получается раствор с качественно новыми характеристиками. Таким образом, в качестве принятых правил, например, при разведении дистиллированной водой выступают:
1. Возрастание амплитуды сигнала (УЭП исследуемой жидкости увеличивается - признак обнаружения жидкости с новыми характеристиками);
2. Получение картины противофазных колебаний (разность фаз опорного сигнала и отклика равна 180°).
Обнаружение растворов с качественно новыми характеристиками, основанное на разведении исследуемого концентрированного вещества (концентрата), и регистрации на устройстве для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкости - комплексном автоматизированном средстве (спецпроцессоре) изменений амплитудных и фазовых характеристик низкочастотных колебаний обеспечивается предложенным способом с вероятностью правильного обнаружения Р≥0,92.
Ниже представлены элементы реализации способа применения устройства для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкостей:
1. Выполнение тестирования устройства перед калибровкой моста:
- Необходимо замкнуть (соединить) между собой контакты датчика, который НЕ находится в пробирке с жидкостью. В зависимости от того, какой из датчиков помещен в пробирку, наблюдать сигнал либо близкий к фазе генерируемого, либо в противофазе с генерируемым сигналом, на Фиг. 3 приведен первый из рассмотренных вариантов.
Обратить внимание на «Временную диаграмму»: значения «Фазы» (~3,79°) и «Уровня» (~0,33 В) скачкообразно и значительно изменились (см. Фиг. 3). Значение амплитуды сигнала (зеленого на панели «Измеренные сигналы» -верхний график) теперь соизмеримо с амплитудой генерируемого (красного на том же графике) и они СИНФАЗНЫЕ.
- Поменять датчики местами (теперь тот, который был «закорочен» находится в пробирке, а который был в пробирке - не замкнут), (Фиг. 4).
Обратить внимание на «Временную диаграмму»: значения «Фазы» (~ -45°) и «Уровня» (~0,054 В) скачкообразно и резко изменились (Фиг. 4). Значение амплитуды сигнала (зеленого на панели «Измеренные сигналы» - верхний график) на порядок меньше, амплитуды генерируемого (красного на том же графике), как в первом пункте проверки работоспособности:
- Замкнуть (соединить) между собой контакты датчика, который НЕ находится в пробирке с жидкостью. В зависимости от того, какой из датчиков помещен в пробирку, наблюдать сигнал либо близкий к фазе генерируемого, либо в противофазе с генерируемым сигналом, на Фиг. 5 приведен второй из рассмотренных вариантов.
Обратить внимание на «Временную диаграмму»: значения «Фазы» (~ -177°) и «Уровня» (~0,32 В) скачкообразно и значительно изменились (Фиг. 5). Значение амплитуды сигнала (зеленого на панели «Измеренные сигналы» - верхний график) теперь соизмеримо с амплитудой генерируемого (красного на том же графике) и они НАХОДЯТСЯ В ПРОТИВОФАЗЕ.
- Устройство считается успешно прошедшим тестирование в случае наблюдения сигналов в фазе и противофазе при замыкании контактов датчиков.
- Остановить работу устройства, нажатием клавиши «Стоп».
2. Калибровка моста перед проведением эксперимента:
Для выполнения процедуры калибровки предполагается выполнение следующих действий:
1. Налить в пробирки одинаковое количество плацебо (жидкости, на основе которой будет осуществляться разбавление исследуемого вещества). Например, это может быть дистиллированная вода или спирт;
2. Поместить в пробирки датчики;
3. Запустить программу на выполнение;
4. Поворачивая ручку потенциометра, (Фиг. 6) имеющую 11 полных оборотов, сбалансировать мост в соответствии с правилами балансировки:
Уровень сигнала {стрелочный индикатор «Уровень (В)» или зеленая линия на «Временной диаграмме») должен быть МИНИМАЛЬНЫМ на всем участке изменения значения потенциометра (Фиг. 7);
Значение сдвига фазы (поле «Сдвиг (Фаза)» или синяя линия на «Временной диаграмме») должно быть максимально близко к значению -90° или +90° на всем участке изменения значения потенциометра (Фиг. 7);
В случае невозможности точного сопоставления указанных двух пунктов более приоритетным является первый, НО при сдвиге фаз, близком к ±90°!
На Фиг. 7 представлен пример балансировки моста для дистиллированной воды. Сдвиг фазы сбалансированного моста при этом составляет 88,77° (что близко к +90°), а значение уровня - минимальное и составляет ~0,00131 В. Таким образом, сдвиг фазы близок к ±90°, и уровень сигнала при этом минимальный. Следовательно, мост сбалансирован!
3. Проведение эксперимента:
Дальнейшее применение устройства для исследования гидрофизических характеристик и свойств жидкости (обнаружения растворов с качественно новыми характеристиками), основано на последовательном разведении исследуемого концентрированного вещества (концентрата) и регистрации с помощью устройства (на комплексном автоматизированном средстве (спецпроцессоре)) изменений амплитудных и фазовых характеристик низкочастотных колебаний синусоидальной, треугольной или пилообразной формы, а также выявлении процесса изменения анализируемых сигналов в реальном масштабе времени с учетом значений температур исследуемых жидкостей.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с ближайшими аналогами показывает, что заявляемое устройство и способ его применения отличается от известных введением новых технологических операций, обеспечивающих достижение свойств, закономерности которых проявились в заявленном объекте впервые. Это позволяет утверждать, что заявляемые устройство и способ его применения удовлетворяют критерию "изобретательский уровень".
Эффективность заявляемого устройства и способа его использования определяется достоверностью и оперативностью обнаружения жидкостей сверхмалых концентраций с новыми свойствами или жидкостей, отличающиеся от образцов до заданной степени и возможностью использовать низкочастотные колебания синусоидальной, треугольной или пилообразной формы.
Так, например, продемонстрировать возможность использования гармонических колебаний низкой частоты можно следующим образом.
На графиках Фиг. 8 и Фиг. 9 представлены формы сигналов растворов вода-хамомила при изменении опорной частоты от 0,2 до 0,8 Гц и 0,6 до 2,2 Гц соответственно.
Из приведенных выше графиков хорошо видно, что на самых низких частотах (0,2÷0,6 Гц) форма сигнала разбаланса моста отличается от гармонической (синусоидальной). Максимальные искажения сигнала наблюдаются на самой низкой опорной частоте (f=0,2 Гц.).
По мере повышения частоты, искажения формы сигнала уменьшаются и, начиная с частоты f=1,2 Гц, форма сигнала становится практически гармонической (наблюдается даже визуально). Дальнейшее повышение частоты сопровождается одновременным ростом амплитуды сигнала разбаланса и его приближением к «чистому синусу».
Из приведенных графиков для растворов вода-соль, представленных на Фиг. 10 и Фиг. 11, также следует, что максимальные искажения сигнала наблюдаются на самых низких частотах (0,1÷0,4 Гц). По мере увеличения частоты, искажения сигнала постепенно уменьшаются, и он вырождается в «чистую синусоиду», как и в предыдущем случае (вода-хамомила).
г
г
Таким образом, процесс постепенного уменьшения гармонических искажений и увеличения амплитуды сигнала носит монотонный характер. Наиболее точным параметром, характеризующим степень отклонения сигнала от гармонического («чистой синусоиды»), является коэффициент гармоник (К). Проведенный анализ Фурье и рассчитанные по его результатом коэффициенты гармоник для каждой из частот позволяют утверждать, что зависимость К от частоты является монотонно спадающей функцией и не может являться точным критерием выбора «резонансной частоты» для исследования растворов.
Именно понятие «резонансной частоты» и критерии ее выбора являлись ранее и являются в настоящее время достаточно спорными понятиями при исследовании растворов в области низких частот. Так, если физиологи весьма часто оперируют термином «резонансная частота», то физики и электротехники категорически отрицают саму возможность ее возникновения в данной частотной области.
Действительно, многократно проведенные опыты по нахождению резонансных частот растворов в низкочастотной области (0,1÷15 Гц) показали, что их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) также являются монотонными функциями, не имеющими экстремумов. Таким образом, наличие резонансных пиков в АЧХ исследуемых растворов пока не находит экспериментального подтверждения.
В то же время, постепенное уменьшение коэффициента гармонических искажений с ростом опорной частоты, которое некоторые исследователи ассоциируют с резонансом, объясняется достаточно просто. Дело в том, что электрическое сопротивление (или проводимость) растворов не является постоянной величиной и зависит от протекающего через раствор тока, причем не линейно. Кроме того, в силу достаточно медленных физических процессов, протекающих в растворе, эта зависимость носит ярко выраженный инерционный характер. Таким образом, любой исследуемый раствор представляет собой элемент с инерционной нелинейностью.
Именно нелинейность (непостоянство сопротивления при изменении тока) растворов является причиной отклонения формы напряжения на растворе от гармонического (синусоидального). По мере повышения частоты все больше начинает сказываться инерционность нелинейности раствора. Изменение электрического сопротивления раствора как бы «не успевает» за быстрыми изменениями тока, протекающего через раствор. Таким образом, с ростом частоты нелинейность исследуемого раствора постоянно уменьшается. Именно этим и объясняется эффект постепенного приближения формы сигнала к «чистому синусу» по мере увеличения частоты.
Так как процесс уменьшения нелинейности с ростом частоты носит монотонный характер, то и одновременное уменьшение коэффициента гармоник является так же монотонным. Начиная с некоторой частоты, нелинейные эффекты в растворе будут настолько малы, что их влияние можно практически не учитывать, а форму сигнала считать чисто синусоидальной. Понятно, что строгого критерия «синусоидальности» не существует и, как правило, требуемую частоту определяют визуально, когда сигнал на выходе моста становится «чистым».
Дальнейшие проведенные эксперименты показывают, что наблюдаемые аномальные точки в исследуемых растворах (когда при дальнейшем разведении дистиллированной водой наблюдается всплеск амплитуды УЭП) практически не зависят от частоты опорного сигнала. Именно поэтому в способе предлагается использовать механизм плавной калибровки моста для генерации максимально возможного низкочастотного колебания, при котором нелинейные эффекты в растворе будут настолько малы, что их влияние можно практически не учитывать, а форму сигнала считать чисто синусоидальной.
Литература
1. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989.
2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. Монография. - М.: Физматгиз. 1963.
3. патент РФ №2285913, МПК: G01N 22/00, G01R 27/26.
4. патент РФ №2491538, МПК: G01N 27/06. Опубликовано 27.08.2013 г.
5. патент РФ №2424508, МПК: G01N 27/22. Опубликовано 20.07.2011 г.
6. патент РФ №2328728, МПК: G01N 27/26, G01R 27/26. Опубликовано 10.07.2008 г.
7. патент РФ №2246118, МПК: G01R 27/26, G01N 27/22. Опубликовано 20.05.2005 г.
8. Заездный A.M. Основы расчетов по статистической радиотехнике. М.: изд. Связь, 1969.
9. Марпл С.А. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Перевод с английского, М.: Мир, 1990.