Пристрій для контролю ефективності магнітної обробки води

Реферат: Пристрій належить до проблеми прикладного магнетизму, саме - до пристроїв для визначення ефективності магнітної обробки води і водних систем, у тому числі при обробці електролітів водних розчинів кислот і лугів при виготовленні електрохімічних джерел струму (акумуляторних батарей), при виготовленні бетонів із специфічними експлуатаційними характеристиками при побудові естакад для високошвидкісних магнітолевітуючих транспортних систем. Пристрій для контролю ефективності магнітної обробки води містить джерело висококогерентного надвисокочастотного електромагнітного сигналу, утримувач зі встановленим зразком води, триканальний подільник потужності з вбудованими дротяними решітками, зсувач частоти, датчик опорного сигналу, триканальний суматор потужності, змішувальний детектор, низькочастотний підсилювач, джерело сигналу у вигляді генератора електромагнітного висококогерентного випромінювання надвисокочастотного діапазону. Принциповою відмінністю представленого технічного рішення від відомих є використання електронних вузлів і блоків, функціонально зв'язаних таким чином, що при мінімальному їх числі забезпечується надійний контроль навіть невеликих змін електрофізичних параметрів води і водних середовищ під впливом зовнішніх чинників, переважно під впливом магнітного поля; саме вдається побудувати вимірювальний ланцюжок взаємно зв'язаних надвисокочастотних вузлів із специфічними характеристиками, в якому одночасно здійснюється контроль зміни параметрів досліджуваного UA 100820 C2 (12) UA 100820 C2 водного середовища по фазових і амплітудних характеристиках вимірювального сигналу, який взаємодіє з середовищем, при цьому підвищення фазової чутливості досягнуте за рахунок багатократного проходження сигналу через середовище. UA 100820 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до проблеми прикладного магнетизму, саме - до пристроїв для визначення ефективності магнітної обробки води і водних систем, у тому числі при обробці електролітів - водних розчинів кислот і лугів при виготовленні електрохімічних джерел струму (акумуляторних батарей), при виготовленні бетонів із специфічними експлуатаційними характеристиками при побудові естакад для високошвидкісних магнітолевітуючих транспортних систем. Об'єми і доцільність упровадження відповідних технологій визначається ефективністю магнітної обробки відповідних середовищ, і в цьому напрямку проводяться відповідні дослідження. Відомий спосіб і пристрій для визначення ступеня омагнічення води (Водоснабжение и санитарная техника.-1986. - № 1. - С. 18), який включає лупу в циліндровому корпусі, шарнірно закріпленому на стійці за допомогою кронштейна, трубчасту оправу із закріпленим на ній градуйованим півдиском, що вільно переміщається в корпусі, на якому закріплена стрілкапокажчик. На кронштейні розташований хромований диск в стакані, регулювання положення площини якого щодо осі корпусу проводиться за допомогою кронштейна. Пристрій дозволяє здійснити визначення параметрів омагнічення по зміні кута змочування, що є об'єктивним показником ефективності магнітної обробки. Проте пристрій складний у виготовленні, складається з нестандартних складових і вимагає тривалого відпрацювання навиків для здійснення вимірювань при значному числі вимірювань (15-25). Відомий пристрій для визначення ступеня омагнічення рідини (а.с. СРСР № 1419980, опубл. 1988 p.), який містить діамагнітну трубку, закріплену в підвісі, який закріплений на рамці. На осі підвісу встановлений магнітний диполь, перший і другий стакани, заповнені рідиною, в першому з яких поміщений поплавець, на якому укріплена рамка з феромагнітного матеріалу, при цьому перший стакан укріплений на стійці за допомогою кронштейна. На стійці закріплені також утримувач, в якому фіксується голка, яка є магнітом, і другий кронштейн з другим стаканом. Пристрій встановлений на підставі з шкалою і забезпечений ковпаком з прозорого матеріалу, який не електризується. Пристрій складний конструктивно, складна процедура вимірювань, проте необхідність використовування еталонного магнітного диполя, тарованого по магнітному моменту в полі земного магнетизму, який конструктивно є мікродиполем, тарування якого в практичних реалізаціях утруднено, знижує достовірність вимірювань ступеня омагнічення, не дивлячись на складну конструктивну основу пристрою. Відомий пристрій для визначення ефективності безреагентної обробки води, що використовується в технологіях текстильного виробництва (пат. РФ № 2034792, опубл. 1995 p.), який містить трикамерний вимірювальний елемент, виконаний з органічного скла, із закріпленими в ньому напівпроникними мембранами, каломельні електроди, розміщені в камерах і підключені до вимірювального приладу, при цьому одна їх камер заповнена розчином хлористого натрію. Пристрій простий конструктивно, проте необхідність використовування додаткового реагенту - розчину хлористого натрію - ускладнює процедуру вимірювань, а надмірно широкий рекомендований діапазон значень концентрацій розчину хлористого натрію (1-40 %), який, власне, і визначає вимірювану різницю потенціалів, знижує достовірність вимірювань. Більш перспективними представляються методи для оцінки ефективності магнітної обробки води і водних розчинів, засновані на електрорадіотехнічних вимірюваннях параметрів оброблюваного водного середовища. Такими є способи і пристрої по а.с. СРСР № 833557, опубл. 1981 p., а.с. СРСР № 1587015, опубл. 1990 p. і а.с. СРСР № 1773875, опубл. 1992 р. При цьому істотним недоліком по а.с. СРСР № 1587015 є те, що для диференціації параметрів проб необробленого і обробленого магнітним полем водного середовища останнє після омагнічення піддають нагріву і перемішуванню, що, по-перше, підвищує енергетичні витрати на вимірювання і, по-друге, затрудняє оцінку внеску саме магнітної обробки на пересичування по солях жорсткості, що приводить до прискореного зростання крупних частинок, що фіксується вимірювальним пристроєм. Технічне рішення по а.с. № 1773875, опубл. 1992 p., відображає вузький аспект проблеми магнітної обробки водних середовищ, саме - обробку потоків води, яка використовувалась для охолоджування ядерних реакторів і має на виході легководну і важководну компоненти, для яких умови обробки суттєво відрізняються. Найближчим по технічній суті і по результату, що досягається, до винаходу, що заявляється, є пристрій для визначення ефективності магнітної обробки води по а.с. СССР № 833557, опубл. 1981 p., який містить джерело електромагнітного випромінювання частотою 5-6 Мгц, соленоїд з розміщеними в ньому пробірками з водою, вимірювальний пристрій (Q-метр типа Е-9-4), підключений до соленоїда. 1 UA 100820 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічна суть способу визначення ефективності магнітної обробки з використанням пристрою-прототипу полягає в тому, що вимірюють ємність і добротність коливальних контурів, утворених соленоїдом (індуктивністю) і пробірками з необробленою і обробленою водою (ємністю), при цьому вважають, що магнітна обробка змінює фізичні властивості води, саме діелектричну проникність і електропровідність, що приводить до збільшення втрат електромагнітної енергії, зміни параметрів вищезазначених синтезованих коливальних контурів. Існують різні пояснення такої поведінки водних середовищ при омагніченні, проте зміни фізичних параметрів фіксуються в переважному числі досліджень, у тому числі і в (http://jrecplire.ru/jre/novQ5/l/text.html), де зафіксовані ефекти істотного збільшення орієнтаційної поляризовності обробленої магнітним полем води (збільшення дипольного моменту води з 1,84 Д до 5,23 Д) і де встановлено, що омагнічення води завжди веде до зміни її властивостей у напрямі підвищення споживчих властивостей. Це зумовлює можливість використання в якості тестуючого чинника електромагнітних хвиль надвисокочастотного діапазону, де навіть невеликі зміни властивостей речовин надійно фіксуються, так що можливо здійснити з великою достовірністю контроль ефективності магнітної обробки води і водних систем. В основу пристрою для визначення ефективності магнітної обробки води, який заявляється, поставлена задача поліпшення експлуатаційних характеристик пристрою контролю ефективності магнітної обробки, в якому за рахунок введення вузлів з новими функціональними властивостями і зміни режимів функціонування досягається підвищення достовірності контролю обробки і скорочення часу на проведення робочих процедур. Поставлена задача розв'язується тим, що в пристрій для контролю ефективності магнітної обробки води, який містить джерело електромагнітного сигналу, утримувач зі встановленим зразком води, відповідно до винаходу, додатково введені триканальний подільник потужності з вбудованими дротяними решітками, підключений до джерела сигналу, зсувач частоти, з'єднаний з датчиком опорного сигналу, послідовно з'єднані триканальний суматор потужності з вбудованими дротяними решітками і детектор змішувача, низькочастотний підсилювач, підключений до першого входу низькочастотного фазометра, другий вхід якого з'єднаний з виходом датчика опорного сигналу, при цьому друге вихідне плече подільника потужності з'єднане з першим вихідним плечем суматора потужності, регульований обертач площини поляризації, підключений першим входом до другого вхідного плеча суматора потужності, третє вихідне плече дільника потужності з'єднано з третім вхідним плечем суматора потужності, а між виходом змішувального детектора і входом низькочастотного підсилювача включений смуговий фільтр, перший вихід підсилювача підключений до низькочастотного фазометра, другий вихід до амплітудного детектора, з'єднаного з індикатором, при цьому утримувач виконаний у вигляді відрізка хвилеводу, в не випромінювальному крізному отворі в широких стінках якого встановлений капіляр з досліджуваним водним середовищем, і розміщений між зсувачем частоти і регульованим обертачем площини поляризації, при цьому джерело сигналу виконано у вигляді генератора електромагнітного висококогерентного випромінювання надвисокочастотного діапазону. На фіг. 1 наведена структурна електрична схема пристрою для визначення ефективності магнітної обробки води, на фіг. 2 наведений хвилевідний утримувач зі встановленим в ньому капіляром з досліджуваною рідиною. Пристрій містить генератор 1 електромагнітного висококогерентного випромінювання надвисокочастотного діапазону, триканальний дільник 2 потужності з вбудованими дротяними решітками 3 з кроком, багато меншим довжини хвилі, зсувач частоти 4, датчик 5 опорного сигналу, хвилевідний утримувач 6 з капіляром 7, триканальний суматор 8 потужності з вбудованими дротяними решітками 9, змішувальний детектор 10, низькочастотний підсилювач 11, низькочастотний фазометр 12, регульований обертач 13 площини поляризації, смуговий фільтр 14, амплітудний детектор 15, індикатор 16. Пристрій функціонує таким чином. Електромагнітне висококогерентне випромінювання від генератора 1 з вектором поляризації електричного поля, ортогональним дротинкам решітки дільника 2 потужності, ділиться між першим і другим вихідними плечима. Складова електромагнітного випромінювання, ортогональна дротинкам решітки 3 дільника 2 потужності, надходить на зсувач частоти 4, куди надходить і сигнал з датчика 5 опорного сигналу. Сигнал зсунутої частоти проходить через утримувач 6 з капіляром 7, заповненим досліджуваною пробою води, і регульований обертач 13 площини поляризації, який змінює його поляризацію на 44-46°. Далі сигнал зсунутої частоти із зміненою поляризацією надходить на суматор 8 потужності. Складова сигналу, ортогональна дротинкам решітки 9 суматора 8 потужності, проходить через нього і надходить на 2 UA 100820 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 змішувальний детектор 10, куди ж надходить і сигнал не зсунутої частоти з опорного каналу, відгалужений дільником 2 потужності, площина поляризації якого паралельна дротинкам решітки суматора 8 потужності. В змішувальному детекторі 10 здійснюється змішування сигналів, що надійшли в перше і друге вхідні плечі суматора, так що на виході змішувального детектора існує сигнал різницевої частоти F. Складова сигналу зсунутої частоти вимірювального каналу з вектором поляризації, паралельним дротинкам решітки суматора 8 потужності, відбивається від нього і по першому вхідному плечу суматора 8 надходить на дільник 2 потужності і, відбиваючись від дротинок його решітки 3, надходить в його друге вихідне плече для повторного проходження через утримувач з досліджуваною пробою. Причому за рахунок другого проходження через зсувач частоти 4 частота цього сигналу зміщується ще на величину F і стає рівна ƒ0  2F , де ƒ 0 - частота випромінювання генератора 1. Подальше його проходження аналогічно описаному. В результаті на виході змішувального детектора 10 присутні сигнали з різницевими частотами F, 2F, … nF, де n кількість проходів сигналу по вимірювальному каналу. Сигнал вибраної різницевої частоти виділяється смуговим фільтром 14, налаштованим на цю частоту, посилюється підсилювачем 11 і подається на низькочастотний фазометр 12, куди подається також сигнал з датчика 5 опорного сигналу. Фазометром 12 здійснюється вимірювання фази, а індикатором 16 - амплітуди сигналу, який пройшов через досліджуване середовище і також є інформаційним. Знаючи частоту зсуву F зсувача частоти і, відповідно, частоту настройки смугового фільтра 14, визначають число проходів сигналу по вимірювальному каналу, по величині виміряного фазового зсуву і по величині сигналу на індикаторі 16 визначають міру зміни фізичного стану досліджуваного водного розчину під впливом магнітного поля. Причому, оскільки в реальних умовах іонний склад води міняється, то необхідний постійний контроль міри омагнічення і, відповідно, забезпечення проточного режиму води по капіляру. Пристрій, що заявляється, швидкодіючий і може забезпечити такий контроль з використанням фазометра із запам'ятовуванням фази, а при забезпеченні зворотного зв'язку між фазометром або індикатором 16 і системою управління магнітним полем неважко досягти коректування режиму омагнічення, тобто підбору оптимальної величини напруженості магнітного поля. При цьому завдяки високій роздільній здатності фазових вимірників на надвисоких частотах і багатократному проходженню вимірювального сигналу через досліджуване середовище унаслідок вибраного вимірювального ланцюжка легко диференціюються навіть незначні зміни фізичних параметрів оброблюваного середовища і, отже, міра ефективності магнітної обробки. Фазові вимірювання параметрів матеріалів вимагають високої когерентності сигналів, які беруть участь у взаємодії з об'єктом, і сучасна база побудови малогабаритних високостабільних напівпровідникових генераторів надвисокочастотного діапазону (0,15-25 ГГц) дозволяє цій умові задовольнити (Технология и конструирование в электронной аппаратуре.-2006. - № 3 (63). -С. 21-25; Плаксин С. В., Соколовский И. И. Физические основы построения быстродействующих информационно-управляющих систем на базе полупроводниковых элементов с горячими электронами. Севастополь: Вебер, 2006. - С. 124-139), у тому числі і з прийняттям мір по термостабілізації (там же, С. 134-138, Технология и конструирование в электронной аппаратуре.-2005 - № 3. - С. 63-64). Використання дільників і суматорів потужності з вбудованими дротяними решітками (Дж К. Соусворт. Принципы и применение волноводной передачи. Μ.: Сов. радио, 1955. - С. 445-452), в яких забезпечується умова повного проходження сигналу, якщо вектор електричного поля ортогональний дротинкам решітки, повне відбиття електричного сигналу, якщо вектор електричного поля є паралельним дротинкам решітки, і часткове відбиття при інших проміжних кутах. Використання високостабільних напівпровідникових генераторів джерел вимірювального висококогерентного надвисокочастотного сигналу, які, як правило, містять високо добротні опорні резонатори, що дозволяє виключити використання розв'язуючих пристроїв - феритових вентилів і циркуляторів, параметри яких в сильному ступені залежать від температури навколишнього середовища, робить можливою побудову вимірювальних ланцюжків з мінімальним для багатофункціональних систем числом використовуваних елементів, але з багатократним проходженням вимірювального сигналу через досліджуване середовище, дозволяє здійснити контроль за змінами її параметрів одночасно по фазових і по амплітудних характеристиках сигналу, який взаємодіє з середовищем, і з великою надійністю і достовірністю, з мінімальними часовими витратами здійснити контроль ефективності магнітної води і інших рідких середовищ. 60 3 UA 100820 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 Пристрій для контролю ефективності магнітної обробки води, який містить джерело електромагнітного сигналу, утримувач зі встановленим зразком води, який відрізняється тим, що в пристрій додатково введені триканальний подільник потужності з вбудованими дротяними решітками, підключений до джерела сигналу, зсувач частоти, з'єднаний з датчиком опорного сигналу, послідовно з'єднані триканальний суматор потужності з вбудованими дротяними решітками і змішувальний детектор, низькочастотний підсилювач, підключений до першого входу низькочастотного фазометра, другий вхід якого з'єднаний з виходом датчика опорного сигналу, при цьому друге вихідне плече подільника потужності з'єднане з першим вихідним плечем суматора потужності, регульований обертач площини поляризації, підключений першим входом до другого вхідного плеча суматора потужності, третє вихідне плече дільника потужності з'єднано з третім вхідним плечем суматора потужності, а між виходом змішувального детектора і входом низькочастотного підсилювача включений смуговий фільтр, перший вихід підсилювача підключений до низькочастотного фазометра, другий вихід - до амплітудного детектора, з'єднаного з індикатором, при цьому утримувач виконаний у вигляді відрізка хвилеводу, в невипромінювальному крізному отворі в широких стінках якого встановлений капіляр з досліджуваним водним середовищем, і розміщений між зсувачем частоти і регульованим обертачем площини поляризації, при цьому джерело сигналу виконано у вигляді генератора електромагнітного висококогерентного випромінювання надвисокочастотного діапазону. 4 UA 100820 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5