УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ВОДНОГО РАСТВОРА

Полезная модель относится к исследованию или анализу веществ с помощью электромагнитных полей
Наиболее близким к предлагаемому является устройство идентификации вещества, реализующее соответствующий способ идентификации, в том числе и водных растворов, которое содержит возбудитель передающей катушки, включающий в себя низкочастотный импульсный генератор, параллельно выходу которого подключен перестраиваемый параллельный колебательный LC-контур; объединенные соответственно общими ферромагнитными сердечниками передающие и измерительные катушки; конденсаторы, подключенные параллельно к передающим и измерительным катушкам соответственно; измерительной блок, подключенный соответственно вторым и третьим входами к одноименным концам обмоток измерительных катушек, вторые концы обмоток которых заземлены. Первым входом измерительный блок подключен к одноименным концам обмоток передающих катушек, вторые концы которых заземлены. Контейнер для вещества установлен со стороны концов сердечников измерительных катушек. Измерительный блок содержит первый и второй дифференциальные усилители. Входы усилителя подключены ко второму и третьему входам устройства через переменные резисторы соответственно. Выход усилителя подключен к одному из выходов усилителя, второй вход которого подключен к первому входу устройства, а выход к входам анализатора спектра измерителя нелинейных искажений и измерителя фазы, выходы которых являются выходами устройства (РФ, патент №2064177, G01N 27/83, 20.07.1996).
Генератор импульсов формирует на выходе низкочастотную последовательность импульсов, каждый из которых возбуждает в LC-контуре затухающие периодические колебания. При этом катушка контура формирует вокруг себя импульсное ЭМП, каждый импульс которого также имеет вид затухающих периодических колебаний. Электромагнитное поле возбудителя наводит ЭДС в передающих катушках в виде затухающих периодических колебаний. Так как катушки в совокупности с подключенными к ним параллельно конденсаторами образуют параллельные колебательные контура, то катушки контуров индуцируют низкочастотное сложномодулированное ЭМП с параметрами, определяемыми параметрами образованных колебательных контуров. В измерительных катушках через пространство взаимодействия с передающими катушками и посредством общих сердечников также наводится ЭДС в виде затухающих периодических колебаний. Регистрируют параметры сложномодулированного электромагнитного поля, сформированного передающими катушками без идентифицируемого вещества и с ним. Усилитель сравнивает оба сигнала и формирует на своем выходе разностный сигнал, который и используют для идентификации вещества. Для чего соответствующими измерительными приборами анализируют спектральный состав разностного сигнала, измеряют нелинейные искажения и фазу. Для идентификации используют эталонную базу данных.
Недостаток известного устройства состоит, в первую очередь, в сложности выполнения. Кроме того, устройство фиксирует искажения сложномодулированного 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 посредством известного устройства определить в растворе присутствие конкретных составляющих и снижает чувствительность и информативность известного устройства.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания устройства идентификации водных растворов, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении и в повышении чувствительности и информативности за счет возможности определения в растворе присутствия конкретных составляющих.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве идентификации водного раствора, содержащем контейнер с фиксированным объемом тестируемого водного раствора, новым является то, что в устройство введены индуктивный датчик, генератор импульсов затухающих периодических колебаний, амплитудно-цифровой преобразователь, процессор, кроме того в контейнере жестко и герметично закреплены электроды, на расстоянии друг от друга и ниже верхнего уровня раствора, при этом индуктивный датчик жестко и герметично закреплен в контейнере в средней точке между электродами на одинаковом с ними уровне водного раствора, выходы генератора импульсов подключены к соответствующим электродам, а выход индуктивного датчика подключен к входу АЦП, выход которого подключен к информационному входу процессора. Кроме того, генератор импульсов затухающих периодических колебаний содержит генератор прямоугольных импульсов, параллельную RC-цепь с переменным резистором, подвижный контакт которого заземлен, и два последовательно соединенных тиристора, при этом выход генератора прямоугольных импульсов подключен к управляющему входу первого тиристора и, через линию задержки, - к управляющему входу второго тиристора, RC-цепь одной точкой соединения заземлена, а второй точкой соединения подключена между тиристорами, при этом выход второго тиристора является выходом генератора импульсов затухающих периодических колебаний.
Технический результат достигается следующим образом.
Признаки полезной модели: «Устройство идентификации водного раствора, содержащее контейнер с фиксированным объемом тестируемого водного раствора, …» являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в упрощении 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 устройстве 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 диссоциированные элементы Н и ОН имеющие противоположные заряды. В случае заявленного устройства 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, регистрацию которого обеспечивает индуктивный датчик. При этом, поскольку индуктивный датчик жестко и герметично закреплен в контейнере в средней точке между электродами на одинаковом с ними уровне водного раствора, то ответный сигнал регистрируют в средней точке между электродами, это повышает информативность ответного сигнала, формируемого заявленным устройством, поскольку позволяет фиксировать максимальную амплитуду формируемого ответного сигнала. При этом заявленное устройство позволяет выполнять воздействие на водный раствор тестируемыми импульсами и регистрацию ответного сигнала от каждого тестирующего импульса до получения установившегося значения ответного сигнала, означающего, 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 результата, а, следовательно, повышает чувствительность заявленного устройства и информативность результирующего сигнала.
Формирование тестирующих импульсов осуществляет генератор импульсов затухающих периодических колебаний, содержащий генератор прямоугольных импульсов, параллельную RC-цепь с переменным резистором, соединенные последовательно первый и второй тиристоры. При этом первый тиристор анодом подключен к плюсу источника питания. Поскольку управляющими входами первый тиристор подключен непосредственно к выходу генератора прямоугольных импульсов, а второй - через линию задержки, обеспечивается поочередное срабатывание тиристоров, а именно: второй тиристор срабатывает после первого через половину периода следования прямоугольных импульсов. RC-цепь одной точкой соединения заземлена, а второй точкой соединения подключена между тиристорами, при этом выход второго тиристора является выходом генератора импульсов затухающих периодических колебаний. В результате при открытом первом тиристоре конденсатор RC-цепи заряжается от источника питания, а при открытом втором тиристоре - разряжается через подключеные к выходу генератора электроды, закрепленные в емкости с тестируемой жидкостью. В результате заявленное устройство формирует тестирующий импульс в виде затухающих периодических колебаний.
Наличие изменяющейся амплитуды импульса от максимальной и практически до нуля, позволяет при тестировании водного раствора изменять режим воздействия на раствор в течение длительности одного импульса. Кроме того, использование в RC-цепи переменного резистора позволяет изменять начальную амплитуду последующего импульса, формируя ее больше предыдущего, что, в совокупности с используемой формой тестирующего импульса (затухающие периодические колебания), увеличивает вероятность полного выявления составляющих водного раствора и повышает информативность результирующего сигнала, сформированного заявленным устройством.
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. Как уже было показано выше, заявленное устройство для тестирования формирует последовательность импульсов тока с изменяющейся амплитудой, а именно: в виде затухающих периодических колебаний. Кроме того, использование в RC-цепи переменного резистора позволяет изменять начальную амплитуду последующего импульса, формируя ее больше предыдущего. Наличие изменяющейся начальной амплитуды импульса, а также наличие изменяющейся 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.
Благодаря тому, что выход индуктивного датчика подключен к входу АЦП, выход которого подключен к информационному входу процессора, обеспечивается возможность автоматизации процесса идентификации водного раствора в соответствии с программой, заложенной в процессор, а именно: регистрация ответного сигнала до получения установившегося значения, причем от каждого тестирующего импульса и от каждой положительной амплитуды затухающего периодического колебания. При этом, 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».
Наличие в устройстве процессора позволяет с помощью заявленного устройства 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. Это, в свою очередь, позволяет по результатам сравнения полученного «структурного отпечатка» с эталонным идентифицировать тестируемый водный раствор.
Таким образом, из изложенного выше следует, что предлагаемое устройство идентификации водных растворов при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении, в повышении чувствительности и информативности за счет возможности определения в растворе присутствия конкретных составляющих.
На фиг.1 изображено заявленное устройство идентификации водного раствора; на фиг.2 - фиг.4 - «структурные отпечатки» конкретных 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); процессор 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.
Заявленное устройство 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 7, для различных веществ в конкретных водных растворах, содержит базу данных совокупной информации об амплитуде воздействующего тестирующего импульса и соответствующего ему ответного сигнала. ПЭВМ 7 программно, по совокупности ответных сигналов, сгруппированных в полученной последовательности, формирует «структурный отпечаток» тестируемого водного раствора, характеризующий его качественный состав. Затем, программно, путем сравнения полученного «структурного отпечатка» тестируемого водного раствора с имеющимися в базе данных эталонными «структурными отпечатками», 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 заявленное устройство идентификации водных растворов просто 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 заявленное устройство 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.