Устройство для определения электрических параметров жидкой среды

 

Предлагаемое устройство относится к области анализа материалов с помощью электрических средств, точнее - к устройствам для определения изменений в жидкой среде путем измерения ее электрических параметров, может быть использовано в диагностике патологий живых организмов, состояния природных объектов (водоемов), мониторинга окружающей человека среды. Технический результат изобретения заключается в обеспечении повышения точности и достоверности диагностики состояния объекта. Сущность: устройство включает кювету для исследуемой жидкости, выполненную в виде конденсатора из проводящего, не взаимодействующего с исследуемой жидкостью материала, генератор периодических электрических сигналов, выход которого подключен к первой обкладке кюветы, имеющей нулевой потенциал, и к последовательно соединенному с кюветой переменному активному сопротивлению, параллельно которым подключен один из входов узла измерения амплитуды и разности фаз колебаний сигналов, снимаемых с выхода генератора и с обкладок кюветы, и узел регистрации и обработки данных измерения, подключенный первым входом к выходу узла измерения амплитуды и разности фаз. В устройство дополнительно введены узел нагрева кюветы с жидкостью, выполненный с возможностью теплового контакта с кюветой и обеспечения одинаковой температуры по всей толщине исследуемой жидкости между обкладками кюветы, программируемый источник питания узла нагрева, выполненный с возможностью задания требуемого изменения во времени температуры нагрева, узел измерения температуры кюветы с датчиком температуры, подключенный ко второму входу узла регистрации и обработки данных измерения, узел измерения амплитуды и разности фаз колебаний сигналов, при этом узел нагрева кюветы подключен к источнику питания узла нагрева. 1 ил.

Изобретение относится к области анализа материалов с помощью электрических средств, точнее - к устройствам для определения изменений в жидкой среде, обусловливающих состояние объекта, которому принадлежит исследуемая жидкость, путем измерения ее электрических параметров (например, импеданса - полного электрического сопротивления), и может быть использовано в диагностике патологий живых организмов (заболеваний кроветворной, дыхательной и нервной систем), состояния природных объектов (водоемов), мониторинга окружающей человека среды.

Известно, что импеданс жидкостей живого организма отражает наличие или отсутствие патологий различных его органов. Анализ импеданса жидкостей окружающей среды, водоемов может характеризовать степень их загрязнения. Применяемые до настоящего времени для измерения импеданса устройства содержат кювету с исследуемой жидкостью, являющуюся одним из плеч моста переменного тока, питающий генератор и измерительный узел.

Известно устройство для измерения импеданса биологических жидкостей /1/, содержащее кювету, выполненную в виде плоского конденсатора с горизонтально расположенными обкладками, включенную в качестве одного из плеч моста переменного тока, вторым плечом которого служит набор эталонных элементов (емкость и резистор). Одна из диагоналей моста подключена к выходу задающего генератора переменного тока, а другая - к измерительному узлу, включающему фазометр и измеритель амплитуды переменного сигнала. Для балансировки моста в таком устройстве фазометр имеет шкалу с широким интервалом: 0-π. Измеритель амплитуды имеет диапазон измерения, обусловленный амплитудой напряжения питающего генератора.

Недостатком такого устройства является низкая точность и достоверность диагностики из-за потери существенной части информации о состоянии среды (организма), из которой извлечена исследуемая жидкость, вследствие того, что измеряемая величина - импеданс жидкости обладает низкой чувствительностью к наличию изменений (патологий).

Устройство для измерения импеданса биологических жидкостей - прототип /2/ имеет аналогичную схему, только кювета имеет вертикально расположенные обкладки конденсатора, и более узкий набор эталонных элементов для исследования различных биологических жидкостей. Устройство содержит кювету в виде конденсатора из проводящего, не взаимодействующего с исследуемыми жидкостями материала, генератор периодических электрических сигналов, выход которого подключен к первой обкладке кюветы, имеющей нулевой потенциал, а также к переменному активному сопротивлению, которое последовательно соединено с кюветой, параллельно им подключен один из входов узла измерения амплитуды и разности фаз снимаемых с выхода генератора и с обкладок кюветы сигналов (импедансметра), второй вход этого узла подключен параллельно обкладкам кюветы, а также имеется узел регистрации и обработки данных измерения, подключенный к выходу узла измерения амплитуды и разности фаз. При стандартных измерениях импеданса жидкости исследуемую жидкость, например кровь больного человека, заливают в измерительную кювету, подключают кювету к стандартному импедансметру и производят измерение полного импеданса кюветы с жидкостью при комнатной температуре. Такие же измерения производят для жидкости (крови в данном случае) здорового человека, после чего сравнивают численные значения полного импеданса этих двух жидкостей и пытаются произвести диагностику заболевания и прогноз его развития. Точность измерений прототипа несколько выше, чем у устройства-аналога ввиду того, что вертикальные обкладки меньше подвержены образованию на них остаточных слоев исследуемых жидкостей, которые искажают информацию.

Недостаток прототипа - низкая точность и достоверность диагностики вследствие использования измерения только именно импеданса, на численное значение которого, помимо состояния объекта, из которого извлечена исследуемая жидкость, влияют различные неучтенные факторы, такие как время между извлечением жидкости и измерениями, температура хранения жидкости после извлечения, степень ее механического перемешивания перед измерением и т.п. Кроме того, на численное значение импеданса влияет время суток, в которое была извлечена исследуемая жидкость, а для биологических жидкостей - биологические циклы организма, не связанные с наличием патологий и т.п.

Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения повышения точности и достоверности диагностики состояния объекта (в частности, при диагностике патологий живых организмов).

Задача решается тем, что в известном устройстве для определения электрических параметров жидкой среды, включающем кювету для исследуемой жидкости, выполненную в виде конденсатора из проводящего, не взаимодействующего с исследуемой жидкостью материала, генератор периодических электрических сигналов, выход которого подключен к первой обкладке кюветы, имеющей нулевой потенциал, и к последовательно соединенному с кюветой переменному активному сопротивлению, параллельно которым подключен один из входов узла измерения амплитуды и разности фаз колебаний сигналов, снимаемых с выхода генератора и с обкладок кюветы, и узел регистрации и обработки данных измерения, подключенный первым входом к выходу узла измерения амплитуды и разности фаз, в устройство дополнительно введены узел нагрева кюветы с жидкостью, выполненный с возможностью теплового контакта с кюветой и обеспечения одинаковой температуры по всей толщине исследуемой жидкости между обкладками кюветы, программируемый источник питания узла нагрева, выполненный с возможностью задания требуемого изменения во времени температуры нагрева, узел измерения температуры кюветы с датчиком температуры, обеспечивающим точность измерения не менее 0.5 град, подключенный ко второму входу узла регистрации и обработки данных измерения, узел измерения амплитуды и разности фаз колебаний сигналов выполнен с точностью измерения фазы сигнала не менее 2•10^-4 рад, при этом узел нагрева кюветы подключен к источнику питания узла нагрева.

Авторы впервые обнаружили связь между температурной зависимостью разности фаз колебаний электрического сигнала на кювете с измеряемой жидкостью и сигнала задающего генератора и состоянием объекта, жидкость которого исследуется. Оказалось, что такая температурная зависимость имеет особенности и положение этих особенностей коррелирует с наличием патологий в объекте. При этом величина разности фаз не подвержена влиянию тех вышеперечисленных факторов, которые воздействуют на величину импеданса, измеряемого устройством-прототипом. Предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью измерить такую температурную зависимость и обнаружить ее особенности, по которым можно судить о присутствии, степени патологий и даже о предрасположенности к ним.

Выполнение кюветы из проводящего материала необходимо для равномерного прогрева всего объема исследуемой жидкости вследствие высокой теплопроводности такого материала, что позволяет производить достоверные и точные измерения. Для возможности измерения электрического импеданса кювета выполняется в виде конденсатора. Для равномерного прогрева жидкости по всей кювете и возможности получения вследствие этого достоверных и точных значений параметров исследуемой жидкости узел нагрева кюветы должен быть выполнен с возможностью обеспечения теплового контакта с кюветой и поддержания в ней постоянной температуры. Источник питания узла нагрева должен быть выполнен программируемым с возможностью обеспечения задания нужного для разных исследуемых жидкостей временного режима изменения температуры, что необходимо для получения информации об определяемых параметрах жидкости. Это связано с различиями свойств исследуемых жидкостей, при этом приходится задавать диапазон изменения интервала температуры, скорость нагрева, характер изменения температуры от времени. Значение необходимой точности измерения температуры - 0.5 град определено экспериментально. Необходимость использования отдельного измерителя разности фаз, обладающего высокой точностью - не менее 2•10^-4 рад, обусловлена тем, что разность фаз колебаний между эталонным напряжением и напряжением на измерительной кювете является наиболее информативным диагностическим параметром и, как экспериментально определено авторами, такая точность позволяет зарегистрировать изменения (особенности) на характерной температурной зависимости разности фаз электрических колебаний.

Электрическая схема предлагаемого устройства изображена на чертеже, где: 1 - кювета с исследуемой жидкостью (в качестве одного из возможных вариантов ее выполнения она показана в виде цилиндрического конденсатора); 2 - генератор периодических электрических сигналов; 3 - переменное активное сопротивление; 4 - узел измерения амплитуды и разности фаз колебаний электрических сигналов, снимаемых с выхода генератора и с обкладок кюветы; 5 - узел регистрации и обработки данных измерения; 6 - узел нагрева кюветы с жидкостью; 7 - источник питания узла нагрева кюветы; 8 - узел измерения температуры кюветы; 9 - датчик температуры.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно устанавливается определенное значение переменного активного сопротивления 3 исходя из обеспечения максимально возможной чувствительности измерения требуемых параметров жидкости, взятой для исследования. Жидкость, взятую из исследуемого объекта, заливают в кювету 1, подают с генератора 2 переменное напряжение с параметрами, не изменяющими свойств исследуемой жидкости, и включают источник питания 7 узла нагрева 6, в котором задана необходимая для данной жидкости программа ее нагрева. С помощью узла регистрации и обработки данных 5 снимают температурную зависимость разности фаз (при необходимости - и/или амплитуды) колебаний сигналов, снимаемых с выхода генератора 2 и с обкладок кюветы 1, и прекращают нагрев при выходе этой зависимости в насыщение. Выявляют корреляцию между особенностями поведения полученной зависимости (аномалии значений измеряемых параметров - всплески, провалы и т.п.) и состоянием исследуемого объекта.

Пример выполнения устройства В ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН было изготовлено устройство для определения электрических параметров жидкостей, которое содержало кювету 1, выполненную в виде цилиндрического конденсатора с обкладками из нержавеющей стали с расстоянием между ними 0.0012 м, высотой цилиндрической части 0.035 м, радиусом зазора с жидкостью 0.007 м. Использовались: генератор 2 синусоидальных сигналов ГЗ-112, переменное сопротивление 3 марки СП-1 с номиналом от 50 Ом до 0.5 кОм, узел 4 измерения разности фаз ФК2-12, узел 5 регистрации и обработки данных измерения - самописец двухкоординатный Н 107 в комплекте с ПК IBМ-РС-486, узел 6 нагрева кюветы в виде вольфрамовой печи мощностью 200 Вт, с напряжением питания 36 В, с контактной с кюветой тепловой пластиной из электролитической меди с нанесенным слоем масляно-сапфировой пасты для обеспечения одинаковой температуры по всей толщине жидкости, источник 7 питания узла нагрева в виде выпрямителя Б5-21, управляемый программатором ПВК 15•15, датчик 9 температуры в виде медно-константановой термопары с диаметрами проводов 0.00016 и 0.00019 м соответственно, узел 8 измерения температуры в виде цифрового вольтметра ВК-27 и усилителя сигнала термопары У7-1(или У5-10). С помощью шприца в кювету 1 вводили 1.2 мл спинномозговой жидкости больного человека (черепно-мозговая травма). Величину переменного сопротивления 3 устанавливали 66 Ом, амплитуда сигнала с генератора 2 была 0.75 В. Нагрев кюветы производили по программе, описывающей функцию U(t)~(1-e^-t/τ). Снимали (с помощью узла 4) зависимость разности фаз колебаний электрических сигналов от генератора 2 и кюветы 1 и прекратили нагрев через 20 минут, поскольку кривая вышла в насыщение (наблюдали на узле 5 - самописце и мониторе ПК). При обработке полученной зависимости разности фаз от температуры определили ее особенности - пики и точки перегиба. Сравнивая эту кривую с аналогичной кривой здорового человека, определили степень поражения головного мозга. В дальнейшем такие же зависимости снимали в процессе лечения для оценки его эффективности. В данном случае, поскольку после консервативного лечения особенности такой зависимости практически не претерпели изменений, был сделан вывод о необходимости хирургического вмешательства, которое подтвердило правильность этого решения.

Устройство-прототип позволяет измерять импеданс (в том числе, разность фаз колебаний сигналов) только при одной (комнатной) температуре, что соответствует начальному участку (точке) снятой нами кривой и не может дать достоверной информации о степени поражения мозга больного. Таким образом, предлагаемое устройство, позволяющее измерять температурные зависимости электрических параметров жидкости, обеспечивает повышение точности и достоверности диагностики состояния объекта при исследовании взятой из него жидкости.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Acta universitatis carolinae medica. v.36, 1/4, p.58-61, 1990.

2. Biophysical Journal, v.61(5), p.1427, 1992.

Формула изобретения

Устройство для определения электрических параметров жидкой среды, включающее кювету для исследуемой жидкости, выполненную в виде конденсатора из проводящего, не взаимодействующего с исследуемой жидкостью материала, генератор периодических электрических сигналов, выход которого подключен к первой обкладке кюветы, имеющей нулевой потенциал, и к последовательно соединенному с кюветой переменному активному сопротивлению, параллельно которым подключен один из входов узла измерения амплитуды и разности фаз колебаний сигналов, снимаемых с выхода генератора и с обкладок кюветы, а второй вход этого узла подключен параллельно обкладкам кюветы, и узел регистрации и обработки данных измерения, подключенный первым входом к выходу узла измерения амплитуды и разности фаз, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены узел нагрева кюветы с жидкостью, выполненный с возможностью теплового контакта с кюветой и обеспечения одинаковой температуры по всей толщине исследуемой жидкости между обкладками кюветы, программируемый источник питания узла нагрева, выполненный с возможностью задания требуемого изменения во времени температуры нагрева, и узел измерения температуры кюветы с датчиком температуры, обеспечивающим точность измерения не менее 0,5 град. , подключенный ко второму входу узла регистрации и обработки данных измерения, узел измерения амплитуды и разности фаз колебаний сигналов выполнен с точностью измерения фазы сигнала не менее 2•10^-4 рад. , при этом узел нагрева кюветы подключен к источнику питания узла нагрева.

РИСУНКИ

Рисунок 1