литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 20. Радиоволновые датчики

матическое изображение субъекта и детальное — принадлежащих ему объектов. Отличительными свойствами портала SafeScout являются его уникальная пропускная способность — до 600 чел. в час, широкий спектр обнаруживаемых предметов и высокая информативность визуального трехмерного голографического изображения, простота в эксплуатации. Портал сертифицирован и безвреден для здоровья, в отличие от рентгеновских сканеров, что позволяет использовать его для ежедневного досмотра персонала объектов. Основные характеристики порталов SafeScout: предназначены для бесконтактного досмотра граждан с целью обнаружения на их теле и в предметах одежды любых веществ, материалов и изделий скрытого ношения; способны с высокой скоростью (мене 2 с) обнаруживать предметы сразу на всем теле человека; получаемые трехмерные изображения являются высокоинформативными; автоматические приемо-передающие устройства работают в диапазоне частот 24,25 Χ Χ 30 ГГц; мощность излучаемого сигнала в 10 000 раз ниже мощности излучаемого сигнала мобильного телефона. Достоинства порталов SafeScout: высокая скорость досмотра, возможность одновременного обнаружения всех видов, консистенций и форм ВВ, наркотических средств и лекарственных препаратов, холодного и огнестрельного оружия (в том числе из керамики), всех типов боеприпасов и изделий на основе ВВ; возможность получения наглядного

трехмерного изображения досматриваемого объекта (которое может быть предъявлено в качестве доказательств); получаемые изображения записываются в память компьютера по желанию оператора (возможна автоматическая запись); портал имеет интерфейс для подключения к сети передачи данных и для удаленного управления; интерфейс управления, выведенный на сенсорный экран, имеет меню на основных языках мира; исключено вредное воздействие на человека.

Проходной портал SafeScout 100 (рис. 20.24) рекомендуется для установки на входах в здание для досмотра работников организации и посетителей на предмет выявления скрытых веществ, материалов и изделий повышенной опасности, а также запрещенных к проносу нежелательных объектов.

Информационно волновая диагностика и те рапия. Существующие врачебные методики лечения хронических заболеваний часто бывают бессильны даже по отноше-

нию к самим врачам. Именно такое положение стало главным мотивом к пересмотру существующей медицинской парадигмы и созданию нового направления в медицине, которое получило название информационная медицина.

Основным ее методом является информационная радиоволновая диагностика и информационная радиоволновая терапия [12]. Разработанный еще в 1993 году

20.6. Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов

метод подтвердил смелую гипотезу о существовании межклеточных сигналов взаимного управления между органами и системами организма человека. Именно они несут информацию о состоянии нашего здоровья. Эти сигналы настолько слабы, что с позиции биофизики можно говорить о процессах, происходящих на атомарном и молекулярном уровнях. Главным открытием стал тот факт, что сигнал от любого здорового органа человека всегда один и тот же, а у больных — сигналы разные и зависят от тяжести, продолжительности заболевания и еще от очень многих других условий. Однако до сих пор никому в мире не удалось систематизировать данные и выделить радиосигнал здоровой клетки. C помощью анализатора спектров «АИС-ЛИДО» («Анализатор Информационных Сигналов», «Лечение, Информатика, Диагностика, Обучение») зарегистрировано электромагнитное излучение вегетативных центров, органов и систем человека в СВЧ-диапазоне (миллиметровый диапазон волн), содержащее информационную компоненту. Болезнь — это сумма многочисленных нарушений. Сегодня современные методы диагностики только фиксируют факт изменений и нарушений в органах человека. При более широком обследовании врачи обнаруживают целый ряд отклонений в работе систем, на первый взгляд не связанных между собой. В ходе исследований был выделен сигнал, с помощью которого происходит обмен информацией между органами и системами. В ходе клинических исследований удалось выявить определенные закономерности при различных диагнозах и зафиксировать не только первопричину конкретной болезни, но и остальные, характерные для нее отклонения в других органах и системах, что и позволило в дальнейшем разработать методику оздоровления. Следующим значительным шагом стало создание нового средства терапии. Удалось воспроизвести сигналы, полностью соответствующие здоровым клеткам. Результатом этих изысканий явилось создание аппарата «Минитаг». При воздействии аппаратом на информационные каналы уникальными по своей природе сигналами происходит устранение нарушений в затронутых болезнью органах на информационном уровне.

Комплексная диагностика на клеточном уровне всех органов и систем в течение одного часа. Анализатор-индикатор с биологически активных точек «АИСЛИДО» предназначен для диагностики заболеваний и состояния здоровья путем исследования структуры сигналов, излучаемых органами и системами организ-

Глава 20. Радиоволновые датчики

изменяются при патологии. Достоинства: безопасность и безболезненность; информативность; оперативность и точность; комплексная оценка состояния здоровья. Показания к применению: определение доклинических нарушений в состоянии здоровья; уточнение особых физиологических состояний; выявление органов и систем, вовлеченных в патологический процесс; определение соответствия медикаментозных и физических средств, назначаемых больному; определение состояния физического здоровья; оценка состояния и определение степени нарушений механизмов саморегуляции; определение критериев физического здоровья при решении вопросов врачебно-трудовой и воен- но-врачебной экспертиз.

Микроволновая радиотермометрия. Применяемый в медицине метод микроволновой радиотермометрии (РТМ) основан на измерении интенсивности собственного электромагнитного излучения внутренних тканей пациента в СВЧ-диапазоне [11]. Известно, что интенсивность собственного электромагнитного излучения тканей в СВЧ-диапазоне определяется их температурой. Поэтому измерение мощности электромагнитного излучения тканей пациента в СВЧ-диапазоне позволяет неинвазивно выявлять тепловые аномалии на глубине нескольких сантиметров. Интенсивность этого излучения прямо пропорциональна температуре тканей. Поэтому можно говорить, что микроволновая РТМ позволяет измерять внутреннюю температуру тканей и визуализировать ее на экране монитора. Для измерения температуры кожи измеряется интенсивность излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне. Результаты измерений визуализируются в виде полей температур. Более горячие области отображаются желтым и красным цветом, холодные области — голубым и синим. Основное отличие микроволновой РТМ от ИК термографии заключается в том, что ИК термография позволяет измерять и визуализировать температуру кожных покровов, а микроволновая РТМ дает информацию о температуре на глубине нескольких сантиметров. Для этого необходимо измерить интенсивность собственного излучения тканей на более длинных волнах, а именно в СВЧ-диапазоне частот. При длине волны 30 см глубина измерения может составляет 4 до 10 см в зависимости от влагосодержания тканей. При длине волны 10 см длина глубины измерения 2 до 7 см.

Отличительные свойства метода: безопасность и безвредность; неинвазивность; выявление заболевания на ранней стадии; быстро растущие опухоли более четко визуализируются при РТМ-диагностике; выявление пациентов с повышенной пролиферативной активностью клеток; способность осуществлять контроль за ходом лечения; совместное использование маммографии и РТМметода снижает уровень ложно-отрицательных результатов до 1—3 %. Преимущества метода: выявление температурных изменений на стадии, предшествующей злокачественному росту; отсутствие лучевой нагрузки; температура злокачественной опухоли определяется ее темпом роста; абсолютная безвредность и безболезненность для врача и для пациента; комфортность процедуры; точность метода не зависит от возрастной группы. Информация о тепловой активности тканей является важной для специалистов во многих областях медицины. Имеется опыт использования РТМ-метода в маммологии, неврологии, урологии, хирургии, ведутся научные исследования и в других направлениях.

Литература

Литература

1.Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Минск: Вышэйшая школа, 1974. 349 с.

2.Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973. 400 с.

3.Викторов В.А. Резонансный метод измерения уровня. М.: Энергия, 1969.

4.Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. 280 с.

5.Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.

6.Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь, 2002. 200 с.

7.Конев В.А., Кулешов Е.М., Пунько Н.Н. Радиоволновая эллипсометрия / Под ред. И.С. Ковалева. Минск: Наука и техника, 1985. 104 с.

8.Кричевский Е.С. Высокочастотный контроль влажности при обогащении полезных ископаемых. М.: Недра, 1972. 215 с.

9.Кричевский E.С, Волченко А.Г., Галушкин С.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 136 с.

10.Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники (Линейные электромагнитные процессы). М.: Энергия, 1969. 880 с.

11.Микроволновая радиотермометрия в медицине. htpp://www.radiometry.ru/radiometry

12.Научный центр информационной медицины ЛИДО. http://infomedcenter.ru/index.html

13.Носов Г.P. Высокочастотный контроль в горном деле. М.: Недра, 1978. 137 с.

14.Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Принцип инвариантности в измерительной технике. М.: Наука, 1976. 244 с.

15.Семенов Н. А. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973. 480 с.

16.Теория и практика экспресс-влагометрии твердых и жидких веществ /Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. М.: Энергия, 1980. 240 с.

17.А.И. Потапов, В.М. Игнатов, Ю.Б. Александров и др. Технологический неразрушающий контроль пластмасс. Л.: Химия, 1979. 288 с.

18.Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах (Справочное руководство). М.: Физматгиз, 1963. 367 с.

19.Финкельштейн М.И., Мендельсон В.Л., Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. М.: Советское радио, 1977. 176 с.

20.Ястребов О.И. Применение техники сверхвысоких частот в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1977. 152 с.

21.Electromagnetic Aquametry. Ed. by Kupfer K. Springer Publ. 2005. 529 p.

22.Finkenzeller K. RFID-Handbook. Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. 2nd edition Wiley & Sons LTD. 2003: 464 p.

23.Ida N. Microwave NDT. Kluwer Academic Publ., Netherlands. 1992. 395 p.

24.Nyfors E., Vainikainen P. Industrial microwave sensors. Artech House, Norwood, MA, USA. 1989. 351 p.

25.Zoughi R. Microwave non-destructive testing and evaluation. Kluwer Academic Publ., Netherlands. 2000. 263 p.

ГЛАВА 21

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Электрохимические датчики (детекторы, сенсоры) служат для идентификации и определения концентрации химических веществ в газообразной и жидкой среде. Датчики для определения концентрации компонентов газовых смесей (газоанализаторы) рассмотрены в гл. 16.

Биодатчики отличаются от электрохимических лишь тем, что концентрация определяемого вещества измеряется в них с помощью материалов биологической природы. С помощью электрохимических датчиков можно определять вещества биологической природы и наоборот. Определяемое сенсором вещество часто называют субстратом, или аналитом [12].

Электрохимические датчики реагируют либо на определенные химические вещества, либо на определенные химические реакции.

21.1. Классификации электрохимических датчиков

Как и во многих других случаях, существуют различные классификации электрохимических датчиков. Например, электрохимические датчики можно разделить по типу явления, лежащего в основе их принципа действия, и по методу измерения.

Все электрохимические датчики можно разделить также на датчики прямого действия (простые) и косвенного действия (составные). Каждая группа, в свою очередь, делится на устройства химического и физического типа [10].

Датчики прямого действия основаны на свойствах некоторых химических реакций менять параметры электрической цепи: сопротивления, напряжения, тока или емкости. Такие датчики используют дополнительные схемы для согласования выходных электрических сигналов с интерфейсной схемой, но в них нет никаких преобразователей, конвертирующих одну форму энергии в другую. Датчики же косвенного действия основаны на химических реакциях, не вызывающих непосредственного изменения электрических параметров, поэтому в их состав всегда входят дополнительные преобразователи, конвертирующие побочные явления реакций (изменение физических размеров, сдвиг частоты, модуляция света, изменение температуры и др.) в электрические сигналы.

В некоторых, самых простых, детекторах химического типа исследуемый химический реагент вступает в прямую химическую реакцию с чувствительным элементом, что вызывает значительное изменение их выходных сигналов.

21.1. Классификации электрохимических датчиков

При этом часто возникают необратимые изменения самих датчиков и ухудшение их стабильности. Недостатком детекторов химического типа является их неполная восстанавливаемость после проведения измерений, вызванная частичным использованием их компонентов (уменьшение электролита в электрохимических элементах или размеров электродов).

В детекторах физического типа химические реакции не протекают, но в присутствии определенных химических реагентов происходит изменение их физических свойств. Детекторы этой группы обладают меньшим дрейфом характеристик и лучшей стабильностью по сравнению с датчиками химического типа. Однако, как правило, они достаточно дороги из-за необходимости использования дополнительных преобразователей и обладают невысоким быстродействием.

По типу воздействия на электрические характеристики чувствительного элемента датчики прямого действия делятся на: кондуктометрические (выходной параметр — сопротивление или импеданс чувствительного элемента), кулонометрические (выходной параметр — количество электричества или ток, протекающий через чувствительный элемент) и потенциометрические (выходной параметр — напряжение на паре электродов) При помощи соответствующих электронных схем выходные параметры преобразователей легко преобразуются из одной формы в другую. Существует множество химических и физических реакций, на базе которых можно реализовать датчики прямого действия.

Электрохимический составной датчик состоит из первичного преобразователя (чувствительного элемента, сенсора, датчика), который преобразует информацию о наличии определяемого вещества и его концентрации в виде изменения химических или физических свойств, и вторичного преобразователя (трансдьюсера), преобразующего изменения свойств первичного преобразователя в электрический сигнал (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Схема составного электрохимического датчика

Аналогично построены и биохимические датчики.

Итак, электрохимический (биохимический) сенсор — это, в соответствии с определением Каттералла [12], устройство, которое избирательно откликается на анализируемое (определяемое) вещество (субстрат, аналит) за счет проходящей химической реакции и может использоваться для качественного и количественного определения этого вещества.

Основной компонент любого сенсора — распознающий элемент, определяющий способность сенсора избирательно (селективно) реагировать на определяемое вещество среди множества других веществ.

Для определения отдельных ионов существуют ионоселективные электроды, избирательность которых определяют мембраны. В биосенсорах в качестве

Глава 21. Электрохимические и биохимические датчики

распознающих элементов в большинстве случаев используются ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, рецепторы [12].

Распознающий элемент закрепляют (иммобилизуют) на поверхности трансдьюсера различными способами [12]:

—адсорбцией на поверхности трансдьюсера;

—микрокапсулированием, при котором распознающий элемент заключают между двумя мембранами;

—методом включения распознающего элемента в матрицу геля, пасты или полимера;

—ковалентным связыванием (то есть образованием химических связей);

—сшивкой распознающего элемента с трансдьюсером при использовании бифункциональных реагентов.

Активировать поверхность трансдьюсера можно разными способами, например, путем обработки в поле тлеющего разряда [2].

В большинстве датчиков чаще всего применяются электрохимические трансдьюсеры, однако конкуренцию им в ближайшее время могут составить устройства на основе оптических волокон и пьезоэлектрических преобразователей [12].

21.2. Характеристики электрохимических датчиков

Селективность. Это наиболее важная характеристики сенсора, указывающая на его способность отличать одно вещество от других. Селективность определяется, главным образом, распознающим элементом сенсора, хотя в ряде случаев на нее влияют и характеристики трансдьюсера.

Чувствительность. Как правило, чувствительность сенсора должна быть ниже 1 мМ, но в отдельных случаях она может достигать нескольких фемтомолей (10-15 фМ).

Точность. Погрешность таких преобразователей обычно не превышает 5 %. Природа раствора. Характеристики сенсора могут меняться в зависимости

от рН, температуры и ионной силы раствора.

Время отклика. Обычно у биосенсоров время отклика составляет более 30 с, что значительно больше, чем у электрохимических сенсоров.

Время регенерации. Это время, необходимое для возврата сенсора в исходное состояние, когда его вновь можно использовать для измерения. Оно не должно быть больше нескольких минут.

Срок эксплуатации сенсора обычно определяется стабильностью распознающего элемента. В случае биосенсоров он может составлять от нескольких дней до месяцев.

Основным недостатком электрохимических датчиков является то, что химические реакции, проходящие при измерениях, меняют сам датчик, часто — необратимо.

Кроме того, электрохимические датчики могут подвергаться воздействию неограниченного количества различных комбинаций химических реагентов, последствия воздействия которых трудно предугадать. При этом могут происходить изменения рабочих параметров датчиков.

21.3. Основные разновидности методов химического анализа

При использовании платиновых нагревательных элементов в присутствии углеводородов происходит их испарение при температуре выше 1000 °С, что ограничивает срок их службы и снижает долговременную стабильность [12].

Химическое загрязнение датчиков также ухудшает их параметры.

Еще один недостаток связан с тем, что большинство химических реакций протекает только при условии использования стехиометрических смесей со сбалансированными уровнями концентраций реагентов, нарушение которых приводит к увеличению погрешностей измерения.

21.3.Основные разновидности методов химического анализа

Электрохимические датчики являются наиболее универсальными среди всех химических датчиков. Основными методами, положенными в основу их принципа действия, являются: потенциометрический, основанный на зависимости электродного потенциала от активной концентрации соответсвующих ионов в исследуемом растворе; кондуктометрический, основанный на зависимости электрической проводимости иссследуемого раствора от его концентрации; а также кулонометрический, основанный на измерении количества электричества или электрического тока за время электролиза исследуемого вещества.

Потенциометрический метод. Электродный потенциал на границе элект- род—исследуемый электролит согласно уравнению Нернста равен [9]:

где E0 — нормальный потенциал электрода (электродный потенциал при t = = 18 °С и нормальной концертрации раствора), n — валентность ионов, f — коэффициент активности, c — молярная концентрация.

Измерение потенциала ячейки потенциометрического датчика выполняется при практически нулевом токе, т.е. в квазиравновесном состоянии, для чего требуется применение измерительного устройства, обладающего очень высоким входным импедансом, называемого электрометром. При переносе заряда переходная область электрод—электролит может быть либо неполяризованной либо поляризованной (емкостной). Некоторые металлы (например, Hg, Au, Pt) при контакте с растворами из инертных электролитов формируют переходную зону с идеальной поляризацией. Тем не менее, даже здесь существует конечное сопротивление переносу заряда, и процесс рассасывания избыточного заряда происходит с постоянной времени, определяемой произведением емкости двуслойной системы и сопротивления переносу заряда: 2 Rct Cdl .

Ионоселективные мембраны являются ключевыми компонентами всех потенциометрических ионных датчиков. Они определяют эффективность детектирования ионов определенных веществ в присутствии ионов других компонентов. Ион-селективные мембраны формируют с раствором неполяризованную переходную зону. Хорошие мембраны, обладающие селективностью, стабильностью, воспроизводимостью, устойчивостью к адсорбции и смешиванию, имеют также высокую плотность обменного тока.

Глава 21. Электрохимические и биохимические датчики

Кондуктометрические датчики. В гомогенных электролитических растворах проводимость электролита Y (См) обратно пропорциональна расстоянию L между электродами вдоль электрического поля и прямо пропорциональна продольному сечению электрохимической ячейки А, перпендикулярному электрическому полю [9, 10]:

где (См/см) — удельная проводимость электролита, определяемая концентрацией и величиной зарядов ионов. Зависимость эквивалентной проводимости раствора от концентрации с, выраженной в моль/л или любых других единицах, имеет следующий вид:

где в — характеристика электролита, а 0 — эквивалентная проводимость электролита при бесконечном разбавлении.

Способы измерения проводимости электролитов при помощи кондуктометрических датчиков остаются практически неизменными в течение многих лет. Обычно электрохимическая ячейка включается в одно из плеч четырехплечевого моста постоянного тока (см. гл. 4). Однако, в отличие от измерения проводимости твердых веществ, при определении проводимости электролитов возникают проблемы, связанные с поляризацией электродов. В дополнение к этому на поверхностях электродов происходят процессы переноса зарядов. Поэтому желательно, чтобы кондуктометрические датчики работали при напряжениях, при которых эти процессы не происходят. Следует отметить, что при подаче напряжения на ячейку рядом с каждым электродом формируется двойной слой, что необходимо учитывать при измерении проводимости. Влияние всех этих эффектов снижается при использовании электрохимических ячеек с высоким значением отношения L/A, т.е. сопротивление ячеек должно лежать в интервале 1...50 кОм. Для выполнения этого условия электроды должны обладать небольшой площадью поверхности, а расстояние между ними следует делать, наоборот, большим. Однако это приводит к снижению чувствительности моста Уитстона. Для разрешения этого противоречия применяют многоэлектродную структуру ячейки. Влияние двойного слоя и поляризации также значительно снижается при использовании переменного тока высокой частоты и небольшой амплитуды. Существует еще один хороший способ балансировки емкости и сопротивления рабочей ячейки — подключение конденсатора переменной емкости параллельно резистору, стоящему в соседнем плече моста [10].

Зависимость электропроводности раствора от его концентрации положена в основу кондуктометрического метода измерений концентрации, а следовательно в основу принципа действия так называемых кондуктометров.

Удельная электропроводность раствора г (См/см) связана с эквивалентной концентрацией з (г-экв/см3) зависимостью

где у — степень диссоциации молекул растворимого вещества; л — эквивалентная электропроводность вещества при очень сильном разведении.

21.3.Основные разновидности методов химического анализа

Вобщем случае зависимость удель-

сти от концентрации, необходимо предварительно знать область применения кондуктометра.

Заметим, что электропроводность раствора в значительной мере зависит и от температуры:

где гt, и гt0 — электропроводимости раствора при температурах соответственно t и t0 (обычно t0 = 18 °С); б и в — температурные коэффициенты.

При изменении температуры в пределах (10...30) °С квадратичный член в уравнении электропроводности как функции температуры может быть опущен, тогда

При нормальной температуре (+18 °С) приближенные значения коэффициентов б лежат в пределах (0,016...0,024) 1/К.

Кулонометрический метод. Этот метод основан на измерении количества электричества или тока во время электролиза исследуемого вещества. Физи- ко-химической основой кулонометрии является закон Фарадея:

где т — масса выделенного вещества во время электролиза, г; М — молярная масса данного вещества; I — сила тока, A; t — время электролиза, с; п — количество электронов, которые принимают участие в окислении или возобновлении одного моля вещества.

Отсюда следует, что концентрация исследуемого вещества определяется или по значению тока электролиза при заданном постоянном потенциале, или при постоянном заданном токе временем выделения вещества.

Кулонометрический метод применяют для измерений концентрации определенного компонента (водорода, кислорода, двуокиси углерода, углеводородов, хлора, фтора и т.п.) в жидкой и газовой среде, а также для измерений влажности газов.