Устройство для диагностики электрофизических свойств гетерогенных сред
Предполагаемое изобретение относится к области диагностики электрофизических свойств вещества путем исследования термостимулированных токов, и может быть использовано для оценки функционального состояния мелкодисперсных систем и биологических жидкостей. Технический результат - упрощение конструкции диагностирующей системы, снижение градиента термического воздействия, устранение магнитной составляющей электрического поля нагревателя. Устройство содержит измерительную ячейку в виде контейнера с исследуемой средой, двух электродов, разделительной изолирующей пленки между ними и нагреватель, измерительная ячейка размещена в полости нагревателя, выполненного в виде полой катушки с бифилярной намоткой.
Предполагаемая полезная модель относится к области диагностики электрофизических свойств вещества путем исследования термостимулированных токов, и может быть использована для оценки функционального состояния мелкодисперсных систем и биологических жидкостей.
Известно устройство для измерения поверхностного заряда электрета /патент США, 
3652932, G01N 27/60; G01R 5/28; H01G 7/02, 1972 г./, включающее два зафиксированных электрода, расположенных на конечном расстоянии от электрета (исследуемого материала). Поверхностный заряд электрета измеряется точно и воспроизводимым способом. Электрет поддерживается между зафиксированными электродами, расположенными на конечном расстоянии от электрета, один - в наземном потенциале и другой играет роль зонда напряжения. Проводящая перегородка вставлена между электретом и зондирующим электродом. Конденсатор, связывающий электроды, разряжается и перегородка открывается, чтобы стимулировать зарядку на зонде. Поскольку пространство между электродами фиксировано, повторное измерение выдает ту же самую величину измерения, и заряды для различных образцов непосредственно сопоставимы.
Известное решение направлено на измерение поверхностного заряда электрета и не позволяет проводить диагностику внутреннего состояния исследуемого вещества.
Известно устройство для диагностики функционального состояния биологической жидкости человека, /Патент BY 9451, A61B 5/05, G01N 33/487, G01N 27/06, 2005 г./, включающее два алюминиевых электрода, разделительную изолирующую пленку между ними и нагреватель. Для диагностики функционального состояния биологического материала проводят электретно-термический анализ пробы. Пробу синовиальной жидкости пациента подвергают электретно-термическому анализу, регистрируют спектр термостимулированных токов, сравнивают его со спектром термостимулированных токов синовиальной жидкости здорового человека.
Известно устройство для диагностики крови человека /Патент BY 5720, G01N 33/49, 2003 г/, включающее два алюминиевых электрода, разделительную изолирующую пленку между ними и нагреватель. Известное устройство предназначено для регистрации термостимулированных токов, которые возникают в процессе нагрева пробы. Пробу крови помещают между парой металлических электродов и регистрируют температурную зависимость термостимулированных токов, которые возникают в процессе нагрева пробы в цепи, замыкающей электроды, а группу крови определяют по положению на зарегистрированной зависимости пика, максимум которого соответствует температуре из диапазона 95-118 С.Устройство позволяет определить группу крови по положению пика на зарегистрированной зависимости величины тока от температуры.
Ближайшим аналогом является устройство для измерения термостимулированных токов /Пинчук Л.С., Кравцов А.Г., Зотов С.В. Термостимулированная деполяризация крови человека, // Ж. технической физики, 2001, том 71, вып. 5 С 115-117/. Устройство содержит верхний электрод, нижний электрод, тефлоновую прокладку между ними, усилитель преобразователь, систему регистрации и записи и нагреватель. Пробу крови помещали в промытый этиловым спиртом алюминиевый электрод и накрывали стерильной тефлоновой прокладкой, на которую накладывали второй электрод. Регистрировали ток, который возникает в цепи, замыкающей электроды, при нагревании образца. Величина диагностируемых токов в известном решении регистрируется в диапазоне 10-12 А.
Недостатком известного решения является то, что нагреватель располагается на одном из двух электродов в прямом контакте с исследуемым веществом. В процессе нагрева в исследуемом объеме вещества создается градиент теплового поля, неравномерный нагрев слоев вещества затрудняет точность диагностики.
Кроме того, в известном решении не оценивается действие магнитной составляющей электрического поля нагревателя. Под действием магнитного поля в исследуемом объекте протекают процессы поляризации, намагничивания, изменения диэлектрических характеристик (диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь).
Известное техническое решение, включающее размещение нагревателя на одном из электродов, требует разработки нового диагностирующего устройства для каждой новой задачи (когда диагностирующим объектом является жидкость, твердое вещество, кровь человека или химическое соединение).
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства, значительно упрощающего конструкцию диагностирующей системы, устранение градиента термического воздействия, устранение магнитной составляющей электрического поля нагревателя.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, включающем контейнер с исследуемой средой, два электрода, разделительную изолирующую пленку между ними и нагреватель, нагреватель выполнен в виде полой катушки с бифилярной намоткой в полости которой размещен контейнер с исследуемой средой.
Общий вид устройства для диагностики гетерогенных сред путем измерения термостимулированных токов показан на Фиг 1.
Устройство содержит измерительную ячейку в виде полого кварцевого цилиндра 1, служащего контейнером для диагностируемой среды 2. Ячейка включает верхний электрод 3, служащий запорной крышкой контейнера, выполненной из инвара, разделительную изолирующую фторопластовую пленку 4 и нижний электрод 5, выполняющий роль дна контейнера, также выполненный из инвара. Контейнер помещен в полость керамический нагревателя 6, выполненного в виде полой катушки с бифилярной намоткой 7. Устройство также содержит блок управления нагревателем 8, усилитель 9 и регистрирующую систему 10.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Измерительная ячейка для исследования гетерогенных систем представляет собой конденсатор: два электрода 3 и 5 разделены изолирующей фторопластовой прокладкой 4. Обкладки конденсатора представляют собой плоские круглые металлические пластины. В цилиндрической полости контейнера размещается исследуемая среда 2. Измерительную ячейку устанавливают в полость нагревателя 6, обеспечивающего радиальное распределение теплового поля в объеме исследуемой среды и устранение магнитной составляющей термического устройства. При замыкании цепи регистрируется ток, возникающий в результате термической активации исследуемой среды, заполняющей полость контейнера. В отсутствии электретного состояния исследуемой среды (не было предварительной электризации и не производится термоактивации) ток в цепи равен нулю в диапазоне от 10-12 до 10-8 А. При термоактивации (в процессе нагрева контейнера с диэлектриком) появляется ток, который регистрируется в диапазоне от 10-12 до 10 -8 А.
Величина заряда конденсатора прямо связана с его емкостью. Q=C(U1-U2), где Q - заряд, накопленный в конденсаторе, а (U1-U 2) - разность потенциалов (напряжение) между обкладками конденсатора.
Емкость конденсатора прямо пропорционально зависит от площади обкладок и от диэлектрической проницаемости исследуемой среды, заполняющей пространство между обкладками. C=
0S/d, где C - электроемкость конденсатора, 0 - электрическая постоянная равная 8,85 10 -12 Ф/м, - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей конденсатор, а d - расстояние между обкладками.
Наличие магнитной составляющей инициирует протекание в исследуемом объекте процессов поляризации, намагничивания, изменения диэлектрических характеристик (диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь). Изменение - диэлектрической проницаемости среды, заполняющей конденсатор, ведет к изменению емкости и, следовательно, к изменению заряда конденсатора.
При исследования электрофизических свойств вещества в целях устранения влияния окружающей среды устройство для диагностики размещают в термостате.
При исследования электрофизических свойств вещества в целях устранения влияния окружающей среды устройство для диагностики размещают в термостате.
Диагностируемая система, обладающая электретными свойствами, подвергается нагреванию. При линейном увеличении температуры инициируется переход системы из неравновесного состояния в равновесное и регистрируется ток, вызванный релаксационным процессом этого перехода. Зависимость измеренного тока от температуры имеет максимумы, положение и форма которых связаны с определенными параметрами процесса, вызвавшего этот ток. Появление термостимулированного тока может быть связано с различными изменениями проводимости диагностируемой системы в результате освобождения неравновесных носителей заряда, локализованных на центрах захвата.
На Фиг. 2. в качестве примера приведены спектры термостимулированного тока, полученные с использованием предлагаемого решения. Данные приведены для гетерогенной среды на основе мелкодисперсного увлажненного мусковита (1) и для гетерогенной системы на основе жидкой среды (2). Наблюдается снижение коммутационных помех, что обусловлено наличием бифилярной намотки (устранение магнитной составляющей электрического поля нагревателя). Радиальное распределение термического поля по всему контейнеру с веществом способствует увеличению объема диагностируемого вещества для каждого шага температуры, результатом этого является увеличение регистрируемого тока.
.При высокой чувствительности коммутационные помехи минимальны и составляют не более 10% от измеряемой величины. Повышение чувствительности метода и расширение диапазона измерения токов позволяет получить значительно более точную характеристику диагностируемой гетерогенной системы.
Технический эффект - упрощение конструкции диагностирующей системы, уменьшение градиента термического воздействия, устранение магнитной составляющей электрического поля нагревателя.
Устройство для диагностики электрофизических свойств гетерогенных сред методом термостимулированных токов, включающее измерительную ячейку в виде контейнера с исследуемой средой, двух электродов, разделительной изолирующей пленки между ними и нагреватель, отличающееся тем, что измерительная ячейка размещена в полости нагревателя, выполненного в виде полой катушки с бифилярной намоткой.
