Переменный ток его характеристики единицы измерения



Что такое переменный ток

Что такое переменный ток. Определение переменного тока

Переменный ток – это направленное движение заряженных частиц, направление движения которых меняется на противоположное через равные промежутки времени. Если постоянный ток течет в одном направлении и не меняется по величине, то переменный ток может быть в данный момент положительным, а через определенный промежуток времени отрицательным.

Получение переменного тока

Вырабатывают переменный ток генераторы переменного напряжения, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Форма переменного тока может быть различной и зависит от его назначения. Форма переменного тока промышленного назначения и для бытовых нужд населения носит синусоидальный характер.

Он имеет такие характеристики как амплитуда, частота и период. Периодом синусоидального тока является его полный цикл колебания и измеряется временем совершения одного цикла колебания. Такие циклы повторяются и поэтому переменный ток еще называют циклическим.

Период обозначается буквой Т и выражается в секундах. Другим параметром синусоидального тока является частота, которая обратно пропорциональна периоду т. е. F = 1/Т. Если период переменного тока равен 1 секунде, то частота его будет равна 1 Гц.

Период, частота и амплитуда переменного тока

Существует два стандарта переменного тока – это 50 Гц и 60 Гц. В России используется частота сети 50 Гц, а в Канаде и США 60 Гц. Такой параметр как амплитуда, определяется его наибольшей величиной в определенный промежуток времени, она может иметь отрицательное или положительное значение.

Что такое трехфазный переменный ток

Если два синусоидальных сигнала одновременно достигают наибольшей амплитуды и нуля, то можно говорить что эти сигналы имеют одинаковую фазу, т. е. совпадают по фазе. Если эти сигналы имеют разные значения максимума и нуля, то они сдвинуты по фазе.

Электрическая схема соединений треугольник

В трехфазном переменном токе имеется три сигнала однофазного синусоидального тока сдвинутых относительно друг друга на 120°. Из многофазных электрических сетей в основном выбрана трехфазная сеть, как наиболее оптимальная. Трехфазная сеть состоит из 3-х однофазных сетей.

Такую однофазную сеть в трехфазной сети называют фазой. Возможны два вида соединения фаз в трехфазной сети – это соединение «треугольником» и «звездой». При соединении «звездой» одни концы генератора соединяются вместе и образуют нулевую точку, а другие провода обмоток идущие к нагрузкам называются линейными.

Напряжение между линейными проводами и нулевыми проводами называются фазным напряжением. А напряжение между линейными проводами называют линейным напряжением. Нулевой провод используется в случаях неравномерной нагрузки, позволяя выравнивать напряжение фаз.

Нейтральный провод применяется в схеме освещения, где создать равномерную нагрузку нелегко, так как не все лампы включаются одновременно и равномерно по фазам. Между фазными и линейными напряжениями имеется зависимость: Uл = √3*Uф ≈ 1,73*Uф. В трехфазных сетях по схеме «звезда» Uл – 380 В, а Uф = 220 В.

Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях схемы звезда

Если нагрузка в электрической цепи по схеме «звезда» в трех фазах одинакова, т. е. симметрична, то в нейтральном проводе тока нет, или он минимальной величины. А если ток нейтрали незначителен, то и сечение нулевого провода значительно меньше, чем сечение линейного провода. Когда нагрузка одинакова, ток в нейтрали будет равен нулю.

Нейтраль в этом случае не нужна. Тогда используют схему соединения трехфазной сети «треугольник», где все концы соединяются с началами обмоток генератора и образуют схему «треугольник» без нейтрали. В схеме «треугольник» фазные и линейные напряжения равны Uл = Uф, а токи определяются по формуле – IЛ = √3*IФ, где линейный ток в 1,73 раза больше фазного.

Соединение по схеме «треугольник» иногда используется в освещении, но в основном такую схему применяют в трехфазных сетях с небольшим перекосом фаз. Также тяжёлый запуск асинхронных электродвигателей осуществляется по схеме «звезда», чтобы снизить большой пусковой ток электродвигателя, а достигнув рабочего режима, переходят на схему «треугольник».

Источник

Характеристики переменного тока

0,5

0 10 20 30 40 50 60 70 Н, А/м

Глава 5. Переменный ток

1.Переменный ток: понятие, получение, характеристики, единицы измерения

Переменным называют ток, периодически изменяющий свое значение и направление с течением времени. В электротехнике наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, т.е. ток, изменяющийся по закону синуса. Переменный ток промышленной частоты получают на электростанциях с помощью генераторов. Сейчас мы рассмотрим только физические основы получения переменного тока.

Пусть в однородном магнитном поле постоянного магнита равномерно вращается рамка (рис.11).Поскольку при вращении рамки пересекающий ее магнитный поток все время меняется, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС индукции, а если замкнуть рамку на нагрузку, то в цепи потечет ток. Время одного полного изменения ЭДС (время одного полного оборота рамки) называют периодом Т [c]. Изменение ЭДС и токов со временем может быть изображено на графике, который представляет синусоиду. Поэтому переменный ток еще называют синусоидальным. Переменный ток периодически изменяет не только свое значение, но и направление (знак).

В моменты времени, когда рамка движется вдоль линий поля, ток в ней не возникает и равен нулю. В моменты времени, когда рамка пересекает линии магнитного поля под углом 90 0 , ток в рамке максимальный. В остальное время ток периодически то возрастает, то убывает (рис.12).

Рис. 11. Получение переменного тока в рамке.

Частота колебаний связана с периодом соотношением:

н= (20)

Частота измеряется в герцах (Гц). В большинстве стран мира промышленная частота переменного тока составляет 50 Гц, а в США и Японии – 60 Гц.

i,u

t

T

Рис.12. Синусоидальный ток.

1.Мгновенные значения силы тока и напряжения: i = I_max ∙ sin(юt + ц) (21)

u = U_max ∙ sin(юt + ц) (22)

2. Угловая частота переменного тока: ю = 2рн (23)

3.Максимальные значения силы тока и напряжения:I_max = I ∙√ 2 (24)

U_max = U ∙√ 2 (25)

Действующие значения силы тока и напряжения I и U – это соответствующие параметры такого постоянного тока, при котором в данном проводнике за данный период времени выделяется столько же тепла, что и при переменном токе. Обозначаются прописными буквами без индексов.

Электроизмерительные приборы переменного тока проградуированы в действующих значениях измеряемых величин. В некоторых книгах действующие значения называют эффективными значениями. Это – синонимы.

Задания на повторение.

1. По заданному уравнению мгновенного значения напряжения определить максимальное и действующее значения напряжения, угловую частоту, частоту, период и начальную фазу:

1) u = 141sin( 628t + 37 0 )

2) u = 282sin( 314t + 54 0 )

2.По заданному уравнению мгновенного значения силы тока определить максимальное и действующее значения силы тока, угловую частоту, частоту, период и начальную фазу:

1) i = 1,41sin( 314t + 15 0 )

2) i = 5,64sin( 1256t + 60 0 )

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Основные параметры переменного тока: период, частота, фаза, амплитуда, гармонические колебания

Переменный ток — электрический ток, направление и сила которого изменяются периодически. Так как обычно сила переменного тока изменяется по синусоидальному закону, то переменный ток представляет собой синусоидальные колебания напряжения и силы тока.

Поэтому к переменному току применимо все то, что относится к синусоидальным электрическим колебаниям. Синусоидальные колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону синуса. В данной статье поговорим о параметрах переменного тока.

Изменение ЭДС и изменение тока линейной нагрузки, подключенной к такому источнику, будет происходить по синусоидальному закону. При этом переменные ЭДС, переменные напряжения и токи, можно характеризовать основными четырьмя их параметрами:

Есть и вспомогательные параметры:

Далее рассмотрим все эти параметры по отдельности и во взаимосвязи.

Период — время, в течение которого система, совершающая колебания, проходит через все промежуточные состояния и нале снова возвращается к исходному.

Периодом Т переменного тока называется промежуток времени, за который ток или напряжение совершает один полный цикл изменений.

Поскольку источником переменного тока является генератор, то период связан со скоростью вращения его ротора, и чем выше скорость вращения витка или ротора генератора, тем меньшим оказывается период генерируемой переменной ЭДС, и, соответственно, переменного тока нагрузки.

Период измеряется в секундах, миллисекундах, микросекундах, наносекундах, в зависимости от конкретной ситуации, в которой данный ток рассматривается. На вышеприведенном рисунке видно, как напряжение U с течением времени изменяется, имея при этом постоянный характерный период Т.

Частота f является величиной обратной периоду, и численно равна количеству периодов изменения тока или ЭДС за 1 секунду. То есть f = 1/Т. Единица измерения частоты — герц (Гц), названная в честь немецкого физика Генриха Герца, внесшего в 19 веке немалый вклад в развитие электродинамики. Чем меньше период, тем выше частота изменения ЭДС или тока.

Сегодня в России стандартной частотой переменного тока в электрических сетях является 50 Гц, то есть за 1 секунду происходит 50 колебаний сетевого напряжения.

В других областях электродинамики используются и более высокие частоты, например 20 кГц и более — в современных инверторах, и до единиц МГц в более узких сферах электродинамики. На приведенном выше рисунке видно, что за одну секунду происходит 50 полных колебаний, каждое из которых длится 0,02 секунды, и 1/0,02 = 50.

По графикам изменения синусоидального переменного тока с течением времени видно, что токи различной частоты содержат разное количество периодов на одном и том же отрезке времени.

Угловая частота — число колебаний, совершаемых за 2пи сек.

За один период фаза синусоидальной ЭДС или синусоидального тока изменяется на 2пи радиан или на 360°, поэтому угловая частота переменного синусоидального тока равна:

Пользоваться числом колебаний на 2пи сек. (а не за 1 сек.) удобно потому, что в формулах, выражающих закон изменения напряжений и токов при гармонических колебаниях, выражающих индуктивное или емкостное сопротивление переменному току, и во многих других случаях частота колебаний n фигурируют вместе с множителем 2пи.

Фаза — состояние, стадия периодическою процесса. Более определенный смысл имеет понятие фаза в случае синусоидальных колебаний. На практике обычно играет роль не фаза сама по себе, а сдвиг фаз между какими-либо двумя периодическими процессами.

В данном случае под термином «фаза» понимают стадию развития процесса, и в данном случае, применительно к переменным токам и напряжениям синусоидальной формы, фазой называют состояние переменного тока в определенный момент времени.

На рисунках можно видеть: совпадение напряжения U1 и тока I1 по фазе, напряжения U1 и U2 в противофазе, а также сдвиг по фазе между током I1 и напряжением U2. Сдвиг по фазе измеряется в радианах, долях периода, в градусах.

Амплитуда Uм и Iм

Говоря о величине синусоидального переменного тока или синусоидальной переменной ЭДС, наибольшее значение ЭДС или тока называют амплитудой или амплитудным (максимальным) значением.

Амплитуда — наибольшее значение величины, совершающей гармонические колебания (например, максимальное значение силы тока в переменном токе, отклонение колеблющегося маятника от положения равновесия), наибольшее отклонение колеблющейся величины от некоторого значения, условно принятого за начальное нулевое.

Строго говоря, термин амплитуда относится только к синусоидальным колебаниям, но его обычно (не вполне правильно) применяют в указанном выше смысле ко всяким колебаниям.

Если речь о генераторе переменного тока, то ЭДС на его выводах дважды за период достигает амплитудного значения, первое из которых +Eм, второе -Eм, соответственно во время положительного и отрицательного полупериодов. Аналогичным образом ведет себя и ток I, и обозначается соответственно Iм.

Гармонические колебания — колебания, в которых колеблющаяся величина, например напряжение в электрической цепи, меняется во времени по гармоническому синусоидальному или косинусоидальному закону. Графически представляются кривой — синусоидой.

Реальные процессы могут лишь приближенно быть гармоническими колебаниями. Однако если колебания отражают наиболее характерные черты процесса, то такой процесс считают гармоническими, что существенно облегчает решение многих физических и технических задач.

Движения, близкие к гармоническим колебаниям, совершаются в различных системах: механических (колебания маятника), акустических (колебания столба воздуха в органной трубе), электромагнитных (колебания в LC-контуре) и др. Теория колебаний рассматривает эти различные по физической природе явления с единой точки зрения и определяет их общие свойства.

Графически гармонические колебания удобно представить с помощью вектора, вращающегося с постоянной угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной к этому вектору и проходящей через его начало. Угловая скорость вращения вектора соответствует круговой частоте гармонического колебания.

Векторная диаграмма одного гармонического колебания

Периодический процесс любой формы может быть разложен в бесконечный ряд простых гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и фазами.

Гармоника — гармоническое колебание, частота которого в целое число раз больше частоты некоторого другого колебания, называемого основным тоном. Номер гармоники указывает, во сколько именно раз частота ее больше частоты основного тона (например, третья гармоника — гармоническое колебание с частотой, втрое большей, чем частота основного тона).

Всякое периодическое, но не гармоническое (т. е. отличающееся по форме от синусоидального) колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний — основного тона и ряда гармоник. Чем больше рассматриваемое колебание отличается по форме от синусоидального, тем большее число гармоник оно содержит.

Мгновенное значение u и i

Значение ЭДС или тока в конкретный текущий момент времени называется мгновенным значением, они обозначаются маленькими буквами u и i. Но поскольку эти значения все время меняются, то судить о переменных токах и ЭДС по ним неудобно.

Действующие значения I, E и U

Способность переменного тока к совершению какой-нибудь полезной работы, например механически вращать ротор двигателя или производить тепло на нагревательном приборе, удобно оценивать по действующим значениям ЭДС и токов.

Так, действующим значением тока называется значение такого постоянного тока, который при прохождении по проводнику в течение одного периода рассматриваемого переменного тока, производит такую же механическую работу или такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Действующие значения напряжений, ЭДС и токов обозначают заглавными буквами I, E и U. Для синусоидального переменного тока и для синусоидального переменного напряжения действующие значения равны:

Действующее значение тока и напряжения удобно практически использовать для описания электрических сетей. Например значение в 220-240 вольт — это действующее значение напряжения в современных бытовых розетках, а амплитуда гораздо выше — от 311 до 339 вольт.

Так же и с током, например когда говорят, что по бытовому нагревательному прибору протекает ток в 8 ампер, это значит действующее значение, в то время как амплитуда составляет 11,3 ампер.

Так или иначе, механическая работа и электрическая энергия в электроустановках пропорциональны действующим значениям напряжений и токов. Значительная часть измерительных приборов показывает именно действующие значения напряжений и токов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на нее в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не нашли, то что искали? Используйте форму поиска по сайту

Источник

Переменный электрический ток

Переменный электрический ток (AC, аббревиатрура от англ. alternating current) — это меняющийся по своей величине и направлению с определенной периодичностью электрический ток. В электротехнике в качестве буквенного обозначения электрического тока принято использовать знак тильда (

Источниками переменного электрического тока служат генераторы переменного тока, создающие переменную электродвижущую силу, изменение величины и направления которой происходит через определенные промежутки времени.

Основные параметры переменного тока. Для его описания используют следующие параметры (см. график):

— Период (T) — длительность времени в течение которого электрический ток совершает один полный цикл изменений, возвращаясь к своей начальной величине;

— Частота (f) — параметр, определяющий количество полных колебаний электрического тока за одну секунду, единица измерения — 1 Герц (Гц). Так, напр. стандарт частоты тока, принятый в отечественных энергосистемах составляет 50 Гц или 50 колебаний в секунду.

— Амплитуда тока (Im) — максимальное достигаемое мгновенное значение величины тока за период, как видно из представленного графика — высота синусоиды;

— Фаза — состояние переменного синусоидального электрического тока: мгновенное значение, изменение направления, возрастание (убывание) в цепи. Переменный ток может быть как однофазным, так и многофазным.

Наибольшее распространение получили трехфазные системы, представляющие собой три отдельных эл. цепей с одинаковой частотой и ЭДС, с углом сдвига φ=120°. Более подробно с понятием можно ознакомиться в статье Принцип создания трехфазной цепи переменного тока.

Применение переменного тока. Переменный синусоидальный электрический ток используется практически во всех отраслях хозяйства. Широкое применение переменного тока обусловлено во многом экономической эффективностью его использования в системах электроснабжения, простотой в преобразовании из энергии низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот.

Эта возможность позволяет уменьшить потери электроэнергии при ее передаче на большие расстояние по проводам, существенно снизив площадь их поперечного сечения.

Источник

1.2.Постоянный электрический ток. Параметры, единицы измерения. 1.6.Электродвижущая сила. Единицы Э.Д.С. Соединение источников.

1

2 Промежуточная аттестация ( в форме экзамена). Экзамен проходит в форме ответов на билеты. В каждом билете по 3 вопроса по одному из каждого задания. Всего билетов билет счастливый студент сам выбирает вопросы. Задание Дайте определение понятия: «электрический ток», «электрическая цепь»: условное обозначение, элементы. Нарисуйте одну из возможных схем электрической цепи. 1.2.Постоянный электрический ток. Параметры, единицы измерения. 1.3.Электрическое сопротивление цепи. Единицы измерения сопротивления. Зависимость сопротивления от геометрических размеров и материала проводника. 1.4.Соединение сопротивлений (резисторов) Закон Ома для участка цепи и полной цепи. 1.6.Электродвижущая сила. Единицы Э.Д.С. Соединение источников. 1.7.Первый закон Кирхгофа. 1.8.Второй закон Кирхгофа. 1.9.Смешанное соединение проводников (резисторов) Работа и мощность электрического тока Закон Джоуля Ленца. Тепловое действие электрического тока Магнитные свойства веществ, общие сведения Электромагнитная индукция Явление взаимоиндукции: понятие, единицы измерения Самоиндукция, индуктивность: понятие, единицы измерения Магнитная индукция: понятие, единицы измерения Переменный ток. Получение, изображение, параметры Активное сопротивление в цепи переменного тока.

3 1.19. Индуктивный элемент в цепи переменного тока Емкостной элемент в цепи переменного тока Явление резонанса тока: условие возникновения, применение Явление резонанса напряжения: условие возникновение, применение Мощность однофазного переменного тока Понятие трехфазной цепи. Получение трехфазной системы ЭДС Соединение обмоток трехфазного генератора «звездой». Изобразите схему соединения Соединение обмоток трехфазного генератора «треугольником». Изобразите схему соединения Мощность трехфазной цепи. Задание Классификация электроизмерительных приборов Устройство, принцип работы приборов магнитоэлектрической системы Устройство, принцип работы приборов электромагнитной системы Виды и методы электрических измерений. 2.5.Погрешности измерений. 2.6.Измерение тока и напряжения. Расширение пределов измерения. 2.7.Измерение электрической мощности и энергии. 2.8.Измерение сопротивлений. 2.9.Трансформатор.Назначение, устройство, принцип действия Классификация трансформаторов. (виды и типы) Однофазный трансформатор: устройство, принцип действия Трехфазный трансформатор: устройство, группы соединения обмоток Измерительные трансформаторы тока и напряжения, общие сведения Устройство, принцип работы, достоинства и недостатки автотрансформатора.

4 2.15. Режимы работы трансформаторов Коммутирующие аппараты распределительных устройств Устройства защиты Пускатели Реле (электромагнитное реле) 2.20.Понятие об электроприводе Устройство, принцип работы электрических аппаратов Действие электрического тока на организм человека Средства защиты, их классификация Классификация электрических машин, их назначение Устройство, принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Устройство, принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором Машины постоянного тока, общие сведения. Задание Какую работу совершает электродвигатель за 1 час, если сила тока в цепи электродвигателя 5 А, напряжение на его клеммах 220 В? 3.2. Емкость конденсатора в цепи переменного тока с частотой 50 Гц С = 0,003 мкф, напряжение на клеммах 127 В. Определить силу тока в цепи Два проводника сопротивлением R 1= 2 Ом, R2 = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи 1 А. Определить сопротивление цепи, напряжение на каждом проводнике и полное напряжение всего участка цепи В осветительную сеть комнаты включены две электрические лампы (параллельно), сопротивления которых 200 и 300 Ом. Напряжение в сети 120 В. Определить силу тока в каждой лампе, силу тока в цепи, общее сопротивление участка, состоящего из двух ламп.

5 3.5. К цепи переменного тока с активным сопротивлением подключен генератор, максимальное значение напряжения которого Uм = 310,2 В. Сопротивление 55 Ом Определить: 1.Показания вольтметра, подключенного к зажимам генератора. 2. Показания амперметра, включенного в цепь. 3. Среднее значение мощности, потребляемой сопротивлением Катушка, обладающая индуктивностью L= 0,5 Гн, присоединить к источнику переменного тока, частота которого 50 Гц. Определить: Индуктивное сопротивление ХL при частоте 1) 50 Гц; 2) 500 Гц Трехфазная нагрузка состоит из трех соединенных звездой катушек, индуктивности которых L 1 =L 2 = L3 =10 мгн. Найти линейный и фазные напряжения нагрузки, если фазный ток 1 А, а частота 400 Гц В электрическую цепь, состоящую из гальванического элемента с ЭДС 2 В и внутренним сопротивлением 1,5 Ом, включен резистор сопротивлением 4,5 Ом. Найдите падение напряжения во внешней и внутренней частях цепи и силу тока в цепи Рассчитать сопротивление конденсатора емкостью 5 мкф при частоте переменного тока 50 Гц. Найти частоту переменного тока, при которой конденсатор емкостью 1 мкф имеет сопротивление 1 ком Первичная обмотка трансформатора с числом витков N1 = 880 включена в сеть с напряжением U1 = 220 В. Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки, если число витков в ней N2 = Среднее значение мощности, потребляемой сопротивлениемв 50 Ом Источник с ЭДС 2,0 В и внутренним сопротивлением 0,8 Ом замкнут никелиновой проволокой длиной 2,1 м и сечением 0,21 мм2.каково напряжение на зажимах источника? Удельное сопротивление никелиновой проволоки ρ = 0,42 х 10-6 Ом м Перечислите элементы схемы управления нереверсивным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и объясните принцип работы.

6 3.13. Перечислите элементы схемы управления реверсивным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и объясните принцип работы Перечислите элементы схемы управления асинхронным двигателем с фазным ротором и объясните принцип работы Назовите электрические устройства для схемы распределительного пункта.

7 3.16.Как рассчитать ток плавкой вставки предохранителя На лампочке написано 220В и 75 Вт. Рассчитать сопротивления лампы и силу тока, протекающего через лампу Исследовать режим холостого ходя однофазного трансформатора По какому резистору протекает ток наибольшей мощности, если общий эл. ток равен 2,5А Последовательно соединены R,L,C. L = 0,1 Гн, Хс = 31,4 Ом, f = 50 Гц. Выполняются ли условия резонанса? На лабораторном стенде проверить правила последовательного соединения электроприемников (резисторов) На лабораторном стенде проверить правила параллельного соединения электроприемников (резисторов) Сила тока изменяется по закону I = 0.7*sin(12.56*t- ).Определить действующее значение силы тока и частоту.

8 3.24. Скорость вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя 3000 об/мин, скорость вращения ротора 2940 об/мин. Определите скольжение Скольжение асинхронного двигателя 0,05; частота питающей сети 50 Гц; число пар полюсов вращающегося магнитного поля р = 2. Определите скорость вращения ротора? Трансформатор мощностью Р2 = 50 ква имеет потери встали Рст = 350 Вт и потери в обмотках при полной нагрузке (100 %) Робм = 1325 Вт. Определите коэффициент полезного действия при нагрузках 100 %, 75 % и 50 % Мощность, потребляемая трансформатором из сети при активной нагрузке, Р1 = 500 Вт. Напряжение сети U1 = 100 В. Коэффициент трансформации трансформатора равен 10. Определите ток нагрузки Определить величину сопротивления шунта амперметра для расширения пределов измерения тока с 10 миллиампер до 10 Ампер. Внутреннее сопротивление амперметра равно 100 Ом Определить величину добавочного сопротивления вольтметра для расширения пределов измерения напряжения с 5 до 500 Вольт. Внутреннее сопротивление вольтметра равно 200 Ом. Время на подготовку и выполнение: подготовка 30 мин.; выполнение часа мин.; оформление и сдача мин.; всего часа мин.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

9 БИЛЕТ 1 1. Дайте определение понятия: «электрический ток», «электрическая цепь»: условное обозначение, элементы. Нарисуйте одну из возможных схем электрической цепи. 2. Классификация электроизмерительных приборов Определить величину сопротивления шунта амперметра для расширения пределов измерения тока с 10 миллиампер до 10 Ампер. Внутреннее сопротивление амперметра равно 100 Ом. БИЛЕТ 2 1. Постоянный электрический ток. Параметры, единицы измерения. 2. Устройство, принцип работы приборов магнитоэлектрической системы. 3.Емкость конденсатора в цепи переменного тока с частотой 50 Гц С = 0,003 мкф, напряжение на клеммах 127 В. Определить силу тока в цепи.

10 БИЛЕТ 3 1.Электрическое сопротивление цепи. Единицы измерения сопротивления. Зависимость сопротивления от геометрических размеров и материала проводника. 2.Устройство, принцип работы приборов электромагнитной системы. 3.Два проводника сопротивлением R 1= 2 Ом, R2 = 3 Ом соединены последовательно. Сила тока в цепи 1 А. Определить сопротивление цепи, напряжение на каждом проводнике и полное напряжение всего участка цепи. БИЛЕТ 4 1.Соединение сопротивлений (резисторов). 2. Виды и методы электрических измерений Сила тока изменяется по закону I = 0.7*sin(12.56*t -π/(6)).определить действующее значение силы тока и частоту.

11 БИЛЕТ 5 1. Закон Ома для участка цепи и полной цепи. 2. Погрешности измерений Скорость вращения магнитного поля статора асинхронно го двигателя 3000 об/мин, скорость вращения ротора 2940 об/мин. Определите скольжение. БИЛЕТ 6 1.Электродвижущая сила. Единицы Э.Д.С. Соединение источников. 2. Измерение тока и напряжения. Расширение пределов измерения Скольжение асинхронного двигателя 0,05; частота пита ющей сети 50 Гц; число пар полюсов вращающегося магнитного поля р = 1. Определите скорость вращения ротора?

12 БИЛЕТ 7 1.Первый закон Кирхгофа. 2.Измерение электрической мощности и энергии Трансформатор мощностью Р2 = 50 ква имеет потери встали Рст = 350 Вт и потери в обмотках при полной нагрузке (100 %) Робм = 1325 Вт. Определите коэффициент полезного действия при нагрузках 100 %, 75 % и 50 %. БИЛЕТ 8 1.Второй закон Кирхгофа. 2.Измерение сопротивлений Мощность, потребляемая трансформатором из сети при активной нагрузке, Р1 = 500 Вт. Напряжение сети U1 = 100 В. Коэффициент трансформации трансформатора равен 10. Определите ток нагрузки.

13 БИЛЕТ 9 1.Смешанное соединение проводников (резисторов) 2.Трансформатор.Назначение, устройство, принцип действия Максимальный магнитный поток в сердечнике одно фазного трансформатора равен 0,001 Вб. При холостом ходе замерено напряжение на вторичной обмотке, равное 220 В. Число витков первичной обмотки w1 = 495. Частота сети 50 Гц. Определите коэффициент трансформации и напряжение пита ющей сети. БИЛЕТ 10 1.Работа и мощность электрического тока. 2. Классификация трансформаторов. (виды и типы) Последовательно соединены R,L,C. L = 0,1 Гн, Хс = 31,4 Ом, f = 50 Гц. Выполняются ли условия резонанса?

14 БИЛЕТ 11 1.Закон Джоуля Ленца. Тепловое действие электрического тока. 2.Однофазный трансформатор: устройство, принцип действия По какому резистору протекает ток наибольшей мощности, если общий эл. ток равен 2,5А БИЛЕТ Магнитные свойства веществ, общие сведения. 2.Трехфазный трансформатор: устройство, группы соединения обмоток. 3. В осветительную сеть комнаты включены две электрические лампы (параллельно), сопротивления которых 200 и 300 Ом. Напряжение в сети 120 В. Определить силу тока в каждой лампе, силу тока в цепи, общее сопротивление участка, состоящего из двух ламп.

15 1.13.Электромагнитная индукция. БИЛЕТ 13 2.Измерительные трансформаторы тока и напряжения, общие сведения Определите ток в цепи якоря генератора постоянного тока, если наведенная в нем эдс равна 115 В, сопротивление якоря 0,264 Ом, сопротивление параллельной обмотки возбуждения 15 Ом и он работает на нагрузку мощностью 5 квт при напряжении 110 В. БИЛЕТ Явление взаимоиндукции: понятие, единицы измерения Устройство, принцип работы, достоинства и недостатки автотрансформатора Как рассчитать ток плавкой вставки предохранителя.

16 БИЛЕТ Самоиндукция, индуктивность: понятие, единицы измерения Режимы работы трансформаторов Перечислите элементы схемы управления асинхронным двигателем с фазным ротором и объясните принцип работы. БИЛЕТ Магнитная индукция: понятие, единицы измерения Коммутирующие аппараты распределительных устройств. 3.18Исследовать режим холостого ходя однофазного трансформатора (на лабораторном стенде).

17 БИЛЕТ Переменный ток. Получение, изображение, параметры Устройства защиты Назовите электрические устройства для схемы распределительного пункта. БИЛЕТ Активное сопротивление в цепи переменного тока Пускатели На лампочке написано 220В и 75 Вт. Рассчитать сопротивления лампы и силу тока, протекающего через лампу..

18

19 БИЛЕТ Индуктивный элемент в цепи переменного тока Реле (электромагнитное реле) Источник с ЭДС 2,0 В и внутренним сопротивлением 0,8 Ом замкнут никелиновой проволокой длиной 2,1 м и сечением 0,21 мм2.каково напряжение на зажимах источника? Удельное сопротивление никелиновой проволоки ρ = 0,42 х 10-6 Ом м. БИЛЕТ Емкостной элемент в цепи переменного тока Понятие об электроприводе Перечислите элементы схемы управления реверсивным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и объясните принцип работы.

20 БИЛЕТ 21 1.Явление резонанса тока: условие возникновения, применение. 2.Устройство, принцип работы электрических аппаратов Перечислите элементы схемы управления нереверсивным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и объясните принцип работы. БИЛЕТ Явление резонанса напряжения: условие возникновение, применение Действие электрического тока на организм человека Какую работу совершает электродвигатель за 1 час, если сила тока в цепи электродвигателя 5 А, напряжение на его клеммах 220 В?

21 БИЛЕТ Мощность однофазного переменного тока Средства защиты, их классификация Катушка, обладающая индуктивностью L= 0,5 Гн, присоединить к источнику переменного тока, частота которого 50 Гц. Определить: Индуктивное сопротивление ХL при частоте 1) 50 Гц; 2) 500 Гц. БИЛЕТ Понятие трехфазной цепи. Получение трехфазной системы ЭДС Классификация электрических машин, их назначение. 3. Определить величину сопротивления шунта амперметра для расширения пределов измерения тока с 10 миллиампер до 10 Ампер. Внутреннее сопротивление амперметра равно 100 Ом.

22 БИЛЕТ Соединение обмоток трехфазного генератора «звездой». Изобразите схему соединения Устройство, принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Определить величину добавочного сопротивления вольтметра для расширения пределов измерения напряжения с 5 до 500 Вольт. Внутреннее сопротивление вольтметра равно 200 Ом. БИЛЕТ Соединение обмоток трехфазного генератора «треугольником». Изобразите схему соединения Устройство, принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором К цепи переменного тока с активным сопротивлением подключен генератор, максимальное значение напряжения которого Uм = 310,2 В. Сопротивление 55 Ом Определить: 1.Показания вольтметра, подключенного к зажимам генератора. 2. Показания амперметра, включенного в цепь. 3. Среднее значение мощности, потребляемой сопротивлением 50 Ом.

23 1.27. Мощность трехфазной цепи. БИЛЕТ Машины постоянного тока, общие сведения Первичная обмотка трансформатора с числом витков N1 = 880 включена в сеть с напряжением U1 = 220 В. Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки, если число витков в ней N2 = Среднеезначениемощности, потребляемойсопротивлением С Ч А С Т Л И В Ы Й Б И Л Е Т!!!!! Отвечай, что знаешь по дисциплине. БИЛЕТ 28

24

25

био [био] в абампер • Конвертер электрического тока • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Общие сведения

И. К. Айвазовский. Чесменский бой

Современному комфорту нашей жизни мы обязаны именно электрическому току. Он освещает наши жилища, генерируя излучение в видимом диапазоне световых волн, готовит и подогревает пищу в разнообразных устройствах вроде электроплиток, микроволновых печей, тостеров, избавляя нас от необходимости поиска топлива для костра. Благодаря ему мы быстро перемещаемся в горизонтальной плоскости в электричках, метро и поездах, перемещаемся в вертикальной плоскости на эскалаторах и в кабинах лифтов. Теплу и комфорту в наших жилищах мы обязаны именно электрическому току, который течёт в кондиционерах, вентиляторах и электрообогревателях. Разнообразные электрические машины, приводимые в действие электрическим током, облегчают наш труд, как в быту, так и на производстве. Воистину мы живём в электрическом веке, поскольку именно благодаря электрическому току работают наши компьютеры и смартфоны, Интернет и телевидение, и другие умные электронные устройства. Недаром человечество столько усилий прилагает для выработки электричества на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях — электричество само по себе является самой удобной формой энергии.

Как бы это парадоксально не звучало, но идеи практического использования электрического тока одними из первых взяла на вооружение самая консервативная часть общества — флотские офицеры. Понятно, пробиться наверх в этой закрытой касте было сложным делом, трудно было доказать адмиралам, начинавшим юнгами на парусном флоте, необходимость перехода на цельнометаллические корабли с паровыми двигателями, поэтому младшие офицеры всегда делали ставку на нововведения. Именно успех применения брандеров во время русско-турецкой войны в 1770 году, решившими исход сражения в Чесменской бухте, поставил вопрос о защите портов не только береговыми батареями, но и более современными на тот день средствами защиты — минными заграждениями.

Корабельная радиостанция. 1910 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Разработка подводных мин различных систем велась с начала 19-го века, наиболее удачными конструкциями стали автономные мины, приводимые в действие электричеством. В 70-х гг. 19-го века немецким физиком Генрихом Герцем было изобретено устройство для электрической детонации якорных мин с глубиной постановки до 40 м. Её модификации знакомы нам по историческим фильмам на военно-морскую тематику — это печально известная «рогатая» мина, в которой свинцовый «рог», содержащий ампулу, наполненную электролитом, сминался при контакте с корпусом судна, в результате чего начинала работать простейшая батарея, энергии которой было достаточно для детонации мины.

Радиостанция компании Гудзонова залива. Около 1937 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Моряки первыми оценили потенциал тогда ещё несовершенных мощных источников света — модификаций свечей Яблочкова, у которых источником света служила электрическая дуга и светящийся раскалённый положительный угольный электрод — для использования в целях сигнализации и освещения поля боя. Использование прожекторов давало подавляющее преимущество стороне, применивших их в ночных сражениях или просто использующих их как средство сигнализации для передачи информации и координации действий морских соединений. А оснащённые мощными прожекторами маяки упрощали навигацию в прибрежных опасных водах.

Электронная вакуумная лампа, ок. 1921 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Не удивительно, что именно флот принял на ура способы беспроводной передачи информации — моряков не смущали большие размеры первых радиостанций, поскольку помещения кораблей позволяли разместить столь совершенные, хотя на тот момент и весьма громоздкие, устройства связи.

Электрические машины помогали упростить заряжание корабельных пушек, а электрические силовые агрегаты поворота орудийных башен повышали маневренность нанесения пушечных ударов. Команды, передаваемые по корабельному телеграфу, повышали оперативность взаимодействия всей команды, что давало немалое преимущество в боевых столкновениях.

Самым ужасающим применением электрического тока в истории флота было использование рейдерских дизель-электрических подлодок класса U Третьим Рейхом. Субмарины «Волчьей стаи» Гитлера потопили много судов транспортного флота союзников — достаточно вспомнить о печальной судьбе конвоя PQ-17.

Радиопередатчик из Дрюммонвилля, Квебек, ок. 1926. Канадский музей науки и техники, Оттава

Британским морякам удалось добыть несколько экземпляров шифровальных машин «Энигма» (Загадка), а британская разведка успешно расшифровала её код. Один из выдающихся ученых, который над этим работал — Алан Тьюринг, известный своим вкладом в основы информатики. Получив доступ к радиодепешам адмирала Дёница, союзный флот и береговая авиация смогли загнать «Волчью стаю» обратно к берегам Норвегии, Германии и Дании, поэтому операции с применением подлодок с 1943 года были ограничены краткосрочными рейдами.

Телеграфный ключ, ок. 1915. Канадский музей науки и техники, Оттава

Гитлер планировал оснастить свои подлодки ракетами Фау-2 для атак на восточное побережье США. К счастью, стремительные атаки союзников на Западном и Восточном фронтах не позволили этим планам осуществиться.

Современный флот немыслим без авианосцев и атомных подводных лодок, энергонезависимость которых обеспечивается атомными реакторами, удачно сочетающими в себе технологии 19-го века пара, технологии 20-го века электричества, и атомные технологии 21-го века. Реакторы атомоходов генерируют электрический ток в количестве, достаточном для обеспечения жизнедеятельности целого города.

Помимо этого, моряки вновь обратили своё внимание на электричество и апробируют применение рельсотронов — электрических пушек для стрельбы кинетическими снарядами, имеющими огромную разрушительную силу.

Джеймс Клерк Максвелл. Скульптура Александра Штоддарта. Фото Ад Мескенс. Wikimedia Commons.

Историческая справка

С появлением надёжных электрохимических источников постоянного тока, разработанных итальянским физиком Алессандро Вольта, целая плеяда замечательных учёных из разных стран занялись исследованием явлений, связанных с электрическим током, и разработкой его практического применения во многих областях науки и техники. Достаточно вспомнить немецкого учёного Георга Ома, сформулировавшего закон протекания тока для элементарной электрической цепи; немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа, разработавшего методы расчёта сложных электрических цепей; французского физика Андре Мари Ампера, открывшего закон взаимодействия для постоянных электрических токов. Работы английского физика Джеймса Прескотта Джоуля и российского учёного Эмиля Христиановича Ленца, привели, независимо друг от друга, к открытию закона количественной оценки теплового действия электрического тока.

Портрет Хендрика Антона Лоренца (1916 г.) кисти Менсо Камерлинг-Оннеса (1860–1925)

Дальнейшим развитием исследования свойств электрического тока были работы британского физика Джеймса Кларка Максвелла, заложившего основы современной электродинамики, которые ныне известны как уравнения Максвелла. Также Максвелл разработал электромагнитную теорию света, предсказав многие явления (электромагнитные волны, давление электромагнитного излучения). Позднее немецкий учёный Генрих Рудольф Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн; его работы по исследованию отражения, интерференции, дифракции и поляризации электромагнитных волн легли в основу создания радио.

Жан-Батист Био (1774–1862)

Работы французских физиков Жана-Батиста Био и Феликса Савара, экспериментально открывшими проявления магнетизма при протекании постоянного тока, и замечательного французского математика Пьера-Симона Лапласа, обобщившего их результаты в виде математической закономерности, впервые связали две стороны одного явления, положив начало электромагнетизму. Эстафету от этих учёных принял гениальный британский физик Майкл Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции и положивший начало современной электротехнике.

Огромный вклад в объяснение природы электрического тока внёс нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц, создавший классическую электронную теорию и получивший выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля.

Электрический ток. Определения

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. В силу этого ток определяется как количество зарядов, прошедшее через сечение проводника в единицу времени:

I = q / t где q — заряд в кулонах, t — время в секундах, I — ток в амперах

Другое определение электрического тока связано со свойствами проводников и описывается законом Ома:

I = U/R где U — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах, I — ток в амперах

Электрический ток измеряется в амперах (А) и его десятичных кратных и дольных единицах — наноамперах (миллиардная доля ампера, нА), микроамперах (миллионная доля ампера, мкА), миллиамперах (тысячная доля ампера, мА), килоамперах (тысячах ампер, кА) и мегаамперах (миллионах ампер, МА).

Размерность тока в системе СИ определяется как

[А] = [Кл] / [сек]

Особенности протекания электрического тока в различных средах. Физика явлений

Алюминий — прекрасный проводник и поэтому широко используется для изготовления электрических кабелей

Электрический ток в твердых телах: металлах, полупроводниках и диэлектриках

При рассмотрении вопроса протекания электрического тока надо учитывать наличие различных носителей тока — элементарных зарядов — характерных для данного физического состояния вещества. Само по себе вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным. Уникальным примером таких состояний, наблюдаемых в обычных условиях, могут служить состояния дигидрогена монооксида, или, иначе, гидроксида водорода, а попросту — обыкновенной воды. Мы наблюдаем её твердую фазу, доставая кусочки льда из морозильника для охлаждения напитков, основой для большей части которых является вода в жидком состоянии. А при заварке чая или растворимого кофе мы заливаем его кипятком, причём готовность последнего контролируется появлением тумана, состоящего из капелек воды, которая конденсируется в холодном воздухе из газообразного водяного пара, выходящего из носика чайника.

Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой, из которой состоят верхние слои звёзд, ионосфера Земли, пламя, электрическая дуга и вещество в люминесцентных лампах. Высокотемпературная плазма с трудом воспроизводится в условиях земных лабораторий, поскольку требует очень высоких температур — более 1 000 000 K.

Эти высоковольтные воздушные коммутаторы содержат две основные детали: рубильник и изолятор, который устанавливаются в разрыв провода

С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы такого вещества образуют своеобразные объёмные или плоские решётки; к кристаллическим материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Та же вода в виде снежинок (кристаллов разнообразных не повторяющих форм) прекрасно иллюстрирует представление о кристаллических веществах. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют; такое строение характерно для диэлектриков.

В обычных условиях ток в твёрдых материалах протекает за счёт перемещения свободных электронов, образующихся из валентных электронов атомов. С точки зрения поведения материалов при пропускании через них электрического тока, последние подразделяются на проводники, полупроводники и изоляторы. Свойства различных материалов, согласно зонной теории проводимости, определяются шириной запрещённой зоны, в которой не могут находиться электроны. Изоляторы имеют самую широкую запрещённую зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля у изоляторов и полупроводников электронов в зоне проводимости нет, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля имеется достаточно большое количество электронов — проводников тока, что сохраняется и при более высоких температурах материалов, вплоть до их полного расплавления. Полупроводники имеют небольшие запрещённые зоны, и их способность проводить электрический ток сильно зависит от температуры, радиации и других факторов, а также от наличия примесей.

Трансформатор с магнитопроводом из пластин. На краях хорошо видны Ш-образные и замыкающие пластины из трансформаторной стали

Отдельным случаем считается протекание электрического тока через так называемые сверхпроводники — материалы, имеющие нулевое сопротивление протеканию тока. Электроны проводимости таких материалов образуют ансамбли частиц, связанные между собой за счёт квантовых эффектов.

Изоляторы, как следует из их названия, крайне плохо проводят электрический ток. Это свойство изоляторов используется для ограничения протекания тока между проводящими поверхностями различных материалов.

Помимо существования токов в проводниках при неизменном магнитном поле, при наличии переменного тока и связанного с ним переменного магнитного поля возникают эффекты, связанные с его изменением или так называемые «вихревые» токи, иначе называемые токами Фуко. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи, которые не текут по определённым путям в проводах, а, замыкаясь в проводнике, образуют вихревые контуры.

Вихревые токи проявляют скин-эффект, сводящийся к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника, что приводит к потерям энергии. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют разделение магнитопроводов переменного тока на отдельные, электрически изолированные, пластины.

Хромированная пластмассовая душевая головка

Электрический ток в жидкостях (электролитах)

Все жидкости, в той или иной мере, способны проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Такие жидкости называются электролитами. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы — соответственно катионы и анионы, которые существуют в растворе веществ вследствие электролитической диссоциации. Ток в электролитах за счёт перемещения ионов, в отличие от тока за счёт перемещения электронов, характерного для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений или осаждением этих веществ или новых соединений на электродах.

Это явление заложило основу современной электрохимии, дав количественные определения грамм-эквивалентам различных химических веществ, тем самым превратив неорганическую химию в точную науку. Дальнейшее развитие химии электролитов позволило создать однократно заряжаемые и перезаряжаемые источники химического тока (сухие батареи, аккумуляторы и топливные элементы), которые, в свою очередь, дали огромный толчок в развитии техники. Достаточно заглянуть под капот своего автомобиля, чтобы увидеть результаты усилий поколений учёных и инженеров-химиков в виде автомобильного аккумулятора.

Автомобильный аккумулятор, установленный в автомобиле Honda 2012 г.

Большое количество технологических процессов, основанных на протекании тока в электролитах, позволяет не только придать эффектный вид конечным изделиям (хромирование и никелирование), но и защитить их от коррозии. Процессы электрохимического осаждения и электрохимического травления составляют основу производства современной электроники. Ныне это самые востребованные технологические процессы, число изготавливаемых компонентов по этим технологиям исчисляется десятками миллиардов единиц в год.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах обусловлен наличием в них свободных электронов и ионов. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого протекание тока в нормальных условиях через них относительно затруднено. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается неплохим изолятором. Это характерно и для других газов и их смесей при обычных физических условиях.

Отвертка-пробник с неоновой лампой, показывающая наличие напряжения 220 В

Протекание тока в газах очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещёнными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство лучше проводить электрический ток.

Эндотермический процесс образования ионов в результате поглощения энергии электрически нейтральными атомами или молекулами газа называется ионизацией. Получив достаточную энергию, электрон или несколько электронов внешней электронной оболочки, преодолевая потенциальный барьер, покидают атом или молекулу, становясь свободными электронами. Атом или молекула газа становятся при этом положительно заряженными ионами. Свободные электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, образуя отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы могут обратно захватывать свободные электроны при столкновении, становясь при этом опять электрически нейтральными. Этот процесс называется рекомбинацией.

Прохождение тока через газовую среду сопровождается изменением состояния газа, что предопределяет сложный характер зависимости тока от приложенного напряжения и, в общем, подчиняется закону Ома только при малых токах.

Различают несамостоятельный и самостоятельные разряды в газах. При несамостоятельном разряде ток в газе существует только при наличии внешних ионизирующих факторов, при их отсутствии сколь-нибудь значительного тока в газе нет. При самостоятельном разряде ток поддерживается за счёт ударной ионизации нейтральных атомов и молекул при столкновении с ускоренными электрическим полем свободными электронами и ионами даже после снятия внешних ионизирующих воздействий.

Тихий разряд. Вольт-амперная характеристика.

Несамостоятельный разряд при малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе называется тихим разрядом. При повышении напряжения сила тока сначала увеличивается пропорционально напряжению (участок ОА на вольт-амперной характеристике тихого разряда), затем рост тока замедляется (участок кривой АВ). Когда все частицы, возникшие под действием ионизатора, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок графика ВС). При дальнейшем повышении напряжения ток снова возрастает, и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд. Разновидность несамостоятельного разряда — тлеющий разряд, который создаёт свет в газоразрядных лампах различного цвета и назначения.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газе в самостоятельный разряд характеризуется резким увеличением тока (точка Е на кривой вольт-амперной характеристики). Он называется электрическим пробоем газа.

Электронная лампа-вспышка с наполненной ксеноном трубкой (обведена красным прямоугольником)

Все вышеперечисленные типы разрядов относятся к установившимся типам разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени. Помимо установившихся разрядов, существуют разряды неустановившиеся, возникающие обычно в сильных неоднородных электрических полях, например у заостренных и искривлённых поверхностей проводников и электродов. Различают два типа неустановившихся разрядов: коронный и искровой разряды.

При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, просто он представляет собой повторяющийся процесс поджига несамостоятельного разряда в ограниченном пространстве возле проводников. Примером коронного разряда может служить свечение атмосферного воздуха вблизи высоко поднятых антенн, громоотводов или высоковольтных линий электропередач. Возникновение коронного разряда на линиях электропередач приводит к потерям электроэнергии. В прежние времена это свечение на верхушках мачт было знакомо морякам парусного флота как огоньки святого Эльма. Коронный разряд применяется в лазерных принтерах и электрографических копировальных устройствах, где он формируется коротроном — металлической струной, на которую подано высокое напряжение. Это необходимо для ионизации газа с целью нанесения заряда на фоточувствительный барабан. В данном случае коронный разряд приносит пользу.

Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою и имеет вид прерывистых ярких разветвляющихся, заполненных ионизированным газом нитей-каналов, возникающих и исчезающих, сопровождаемые выделением большого количества теплоты и ярким свечением. Примером естественного искрового разряда может служить молния, где ток может достигать значений в десятки килоампер. Образованию собственно молнии предшествует создание канала проводимости, так называемого нисходящего «тёмного» лидера, образующего совместно с индуцированным восходящим лидером проводящий канал. Молния представляет собой обычно многократный искровой разряд в образованном канале проводимости. Мощный искровой разряд нашёл своё техническое применение также и в компактных фотовспышках, в которых разряд происходит между электродами трубки из кварцевого стекла, наполненной смесью ионизированных благородных газов.

Длительный поддерживаемый пробой газа носит название дугового разряда и применяется в сварочной технике, являющейся краеугольным камнем технологий создания стальных конструкций нашего времени, от небоскрёбов до авианосцев и автомобилей. Он применяется как для сварки, так и для резки металлов; различие в процессах обусловлено силой протекающего тока. При относительно меньших значениях тока происходит сварка металлов, при более высоких значениях тока дугового разряда — идёт резка металла за счёт удаления расплавленного металла из-под электрической дуги различными методами.

Другим применением дугового разряда в газах служат газоразрядные лампы освещения, которые разгоняют тьму на наших улицах, площадях и стадионах (натриевые лампы) или автомобильные галогенные лампы, которые сейчас заменили обычные лампы накаливания в автомобильных фарах.

Электрический ток в вакууме

Электронная лампа в радиопередающей станции. Канадский музей науки и техники, Оттава

Вакуум является идеальным диэлектриком, поэтому электрический ток в вакууме возможен только при наличии свободных носителей в виде электронов или ионов, которые генерируются за счёт термо- или фотоэмиссии, или иными методами.

Такие передающие телевизионные камеры использовались в восьмидесятых годах прошлого века. Канадский музей науки и техники, Оттава

Основным методом получения тока в вакууме за счёт электронов является метод термоэлектронной эмиссии электронов металлами. Вокруг разогретого электрода, называемого катодом, образуется облако из свободных электронов, которые и обеспечивают протекание электрического тока при наличии второго электрода, называемого анодом, при условии наличия между ними соответствующего напряжения требуемой полярности. Такие электровакуумные приборы называются диодами и обладают свойством односторонней проводимости тока, запираясь при обратном напряжении. Это свойство применяется для выпрямления переменного тока, преобразуемого системой из диодов в импульсный ток постоянного направления.

Добавление дополнительного электрода, называемого сеткой, расположенной вблизи катода, позволяет получить усилительный элемент триод, в котором малые изменения напряжения на сетке относительно катода позволяют получить значительные изменения протекающего тока, и, соответственно, значительные изменения напряжения на нагрузке, включённой последовательно с лампой относительно источника питания, что и используется для усиления различных сигналов.

Применение электровакуумных приборов в виде триодов и приборов с большим числом сеток различного назначения (тетродов, пентодов и даже гептодов), произвело революцию в деле генерации и усиления радиочастотных сигналов, и привело к созданию современных систем радио и телевещания.

Современный видеопроектор

Исторически первым было развитие именно радиовещания, так как методы преобразования относительно низкочастотных сигналов и их передача, равно как и схемотехника приёмных устройств с усилением и преобразованием радиочастоты и превращением её в акустический сигнал были относительно просты.

При создании телевидения для преобразования оптических сигналов применялись электровакуумные приборы — иконоскопы, где электроны эмитировались за счёт фотоэмиссии от падающего света. Дальнейшее усиление сигнала выполнялось усилителями на электронных лампах. Для обратного преобразования телевизионного сигнала служили кинескопы, дающие изображение за счёт флюоресценции материала экрана под воздействием электронов, разгоняемых до высоких энергий под воздействием ускоряющего напряжения. Синхронизированная система считывания сигналов иконоскопа и система развёртки изображения кинескопа создавали телевизионное изображение. Первые кинескопы были монохромными.

Сканирующий электронный микроскоп SU3500 в Университете Торонто, факультет технологии материалов

В дальнейшем были созданы системы цветного телевидения, в котором считывающие изображение иконоскопы реагировали только на свой цвет (красный, синий или зелёный). Излучающие элементы кинескопов (цветной люминофор), за счёт протекания тока, вырабатываемого так называемыми «электронными пушками», реагируя на попадание в них ускоренных электронов, излучали свет в определённом диапазоне соответствующей интенсивности. Чтобы лучи от пушек каждого цвета попадали на свой люминофор, использовали специальные экранирующие маски.

Современная аппаратура телевидения и радиовещания выполняется на более прогрессивных элементах с меньшим энергопотреблением — полупроводниках.

Одним из широко распространённых методов получения изображения внутренних органов является метод рентгеноскопии, при котором эмитируемые катодом электроны получают столь значительное ускорение, что при попадании на анод генерируют рентгеновское излучение, способное проникать через мягкие ткани тела человека. Рентгенограммы дают в руки медиков уникальную информацию о повреждениях костей, состоянии зубов и некоторых внутренних органов, выявляя даже такое грозное заболевание, как рак лёгких.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) диапазона С. Канадский музей науки и техники, Оттава

Вообще, электрические токи, сформированные в результате движения электронов в вакууме, имеют широчайшую область применения, к которой относятся все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, электронные микроскопы, вакуумные генераторы сверхвысокой частоты, в виде ламп бегущей волны, клистронов и магнетронов. Именно магнетроны, кстати, подогревают или готовят нам пищу в микроволновых печах.

Большое значение в последнее время имеет технология нанесения плёночных покрытий в вакууме, которые играют роль как защитно-декоративного, так и функционального покрытия. В качестве таких покрытий применяются покрытия металлами и их сплавами, и их соединениями с кислородом, азотом и углеродом. Такие покрытия изменяют электрические, оптические, механические, магнитные, коррозионные и каталитические свойства покрываемых поверхностей, либо сочетают сразу несколько свойств.

Сложный химический состав покрытий можно получать только с использованием техники ионного распыления в вакууме, разновидностями которой являются катодное распыление или его промышленная модификация — магнетронное распыление. В конечном итоге именно электрический ток за счёт ионов производит осаждение компонентов на осаждаемую поверхность, придавая ей новые свойства.

Именно таким способом можно получать так называемые ионные реактивные покрытия (плёнки нитридов, карбидов, оксидов металлов), обладающих комплексом экстраординарных механических, теплофизических и оптических свойств (с высокой твёрдостью, износостойкостью, электро- и теплопроводностью, оптической плотностью), которые невозможно получить иными методами.

Электрический ток в биологии и медицине

Учебная операционная в Научно-исследовательском институте им. Ли Кашина, Торонто, Канада. Используемые при обучении роботизированные пациенты-манекены умеют моргать, дышать, кричать, демонстрировать симптомы болезней и кровотечения

Знание поведения токов в биологических объектах даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и лечения.

С точки зрения электрохимии все биологические объекты содержат электролиты, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.

При рассмотрении протекания тока через биологические объекты необходимо учитывать их клеточное строение. Существенным элементом клетки является клеточная мембрана — внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт ее избирательной проницаемости для различных веществ. С точки зрения физики, клеточную мембрану можно представить себе в виде параллельного соединения конденсатора и нескольких цепочек из соединенных последовательно источника тока и резистора. Это предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.

Объемное представление нервных путей, соединяющих различные области мозга. Изображение получено с помощью диффузионной тензорной визуализации (ДТВ) — неинвазивного метода исследований мозга.

Биологическая ткань состоит из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, заставляя сокращаться и расслабляться мышцы и кровеносные сосуды животного. Следует отметить, что протекание тока в биологической ткани носит нелинейный характер.

Классическим примером воздействия электрического тока на биологический объект могут служить опыты итальянского врача, анатома, физиолога и физика Луиджи Гальвани, ставшего одним из основателей электрофизиологии. В его опытах пропускание электрического тока через нервы лапки лягушки приводило к сокращению мышц и подергиванию ножки. В 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин и доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов.

Дальнейшее развитие электрофизиологии тесно связано с нейрофизиологией. В 1875 году независимо друг от друга английский хирург и физиолог Ричард Кэтон и русский физиолог В. Я. Данилевский показали, что мозг является генератором электрической активности, то есть были открыты биотоки мозга.

Биологические объекты в ходе своей жизнедеятельности создают не только микротоки, но и большие напряжения и токи. Значительно раньше Гальвани английский анатом Джон Уолш доказал электрическую природу удара ската, а шотландский хирург и анатом Джон Хантер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Хантера были опубликованы в 1773 году.

Функциональная магнитно-резонансная томография или фМРТ — неинвазивная методика нейровизуализации, позволяющая измерять активность мозга по изменениям в токе крови в кровеносных сосудах

В современной биологии и медицине применяются различные методы исследования живых организмов, как инвазивные, так и неинвазивные.

Классическим примером инвазивных методов является лабораторная крыса с пучком вживлённых в мозг электродов, бегающая по лабиринтам или решающая другие задачки, поставленные перед ней учёными.

К неинвазивным методам относятся такие, всем знакомые исследования, как снятие энцефалограммы или электрокардиограммы. При этом электроды, считывающие биотоки сердца или мозга, снимают токи прямо с кожи обследуемого. Для улучшения контакта с электродами кожа смачивается физиологическим раствором, который является неплохим проводящим электролитом.

Помимо применения электрического тока при научных исследованиях и техническом контроле состояния различных химических процессов и реакций, одним из самых драматических моментов его применения, известного широкой публике, является запуск «остановившегося» сердца какого-либо героя современного фильма.

Автоматический дефибриллятор для обучения лиц, не являющихся медработниками

Действительно, протекание кратковременного импульса значительного тока лишь в единичных случаях способно запустить остановившееся сердце. Чаще всего происходит восстановление его нормального ритма из состояния хаотичных судорожных сокращений, называемого фибрилляцией сердца. Приборы, применяющиеся для восстановления нормального ритма сокращений сердца, называются дефибрилляторами. Современный автоматический дефибриллятор сам снимает кардиограмму, определяет фибрилляцию желудочков сердца и самостоятельно решает – бить током или не бить – может быть достаточно пропустить через сердце небольшой запускающий импульс. Существует тенденция установления автоматических дефибрилляторов в общественных местах, что может существенно сократить количество смертей из-за неожиданной остановки сердца.

У практикующих врачей скорой помощи не возникает никакого сомнения по поводу применения метода дефибрилляции – обученные быстро определять физическое состояние пациента по кардиограмме, они принимают решение значительно быстрее автоматического дефибриллятора, предназначенного для широкой публики.

Тут же уместно будет упомянуть об искусственных водителях сердечного ритма, иначе называемых кардиостимуляторами. Эти приборы вживляются под кожу или под грудную мышцу человека, и такой аппарат через электроды подаёт на миокард (сердечную мышцу) импульсы тока напряжением около 3 В, стимулируя нормальную работу сердца. Современные электрокардиостимуляторы способны обеспечить бесперебойную работу в течение 6–14 лет.

Характеристики электрического тока, его генерация и применение

Электрический ток характеризуется величиной и формой. По его поведению с течением времени различают постоянный ток (не изменяющийся с течением времени), апериодический ток (произвольно изменяющийся с течением времени) и переменный ток (изменяющийся с течением времени по определённому, как правило, периодическому закону). Иногда для решения различных задач требуется одновременное наличие постоянного и переменного тока. В таком случае говорят о переменном токе с постоянной составляющей.

Токамак-де-Варен — токамак-реактор в г. Варен, пров. Квебек в 1981 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Исторически первым появился трибоэлектрический генератор тока, который вырабатывал ток за счёт трения шерсти о кусок янтаря. Более совершенные генераторы тока такого типа сейчас называются генераторами Ван де Граафа, по имени изобретателя первого технического решения таких машин.

Как указывалось выше, итальянским физиком Алессандро Вольта был изобретён электрохимический генератор постоянного тока, ставший предшественником сухих батарей, аккумуляторов и топливных элементов, которые мы пользуемся и поныне как удобными источниками тока для разнообразных устройств — от наручных часов и смартфонов до просто автомобильных аккумуляторов и тяговых аккумуляторов электромобилей Tesla.

Помимо этих генераторов постоянного тока, существуют генераторы тока на прямом ядерном распаде изотопов и магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) тока, которые пока имеют ограниченное применение в силу своей маломощности, слабой технологической основы для широкого применения и по другим причинам. Тем не менее, радиоизотопные источники энергии широко применяются там, где нужна полная автономность: в космосе, на глубоководных аппаратах и гидроакустических станциях, на маяках, бакенах, а также на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике.

Коллектор в мотор-генераторе, ок. 1904 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

В электротехнике генераторы тока подразделяются на генераторы постоянного тока и генераторы переменного тока.

Все эти генераторы основаны на явлении электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей построил первый маломощный униполярный генератор, дающий постоянный ток. Первый генератор переменного тока был предложен анонимным автором под латинскими инициалами Р.М. в письме к Фарадею в 1832 году. После опубликования письма, Фарадей получил благодарственное письмо от того же анонима со схемой усовершенствованного генератора в 1833 году, в котором использовалось дополнительное стальное кольцо (ярмо) для замыкания магнитных потоков сердечников обмоток.

Однако в то время для переменного тока еще не нашлось применения, так как для всех практических применений электричества того времени (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Одним из первых генераторов, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор российского академика Б. С. Якоби. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Улучшенные модификации генератора Якоби до сих пор используются для удалённого приведения в действие минных зарядов, что нашло широкое отображение в военно-исторических фильмах, в которых диверсанты или партизаны подрывают мосты, поезда или другие объекты.

Объектив лазера в приводе компакт-диска

В дальнейшем борьба между генерацией постоянного или переменного тока с переменным успехом велась среди изобретателей и инженеров–практиков, приведшая к апогею противостояния титанов современной электроэнергетики: Томаса Эдисона с компанией Дженерал Электрик с одной стороны, и Николой Тесла с компанией Вестингауз, с другой стороны. Победил мощный капитал, и разработки Тесла в области генерации, передачи, и трансформации переменного электрического тока стали общенациональным достоянием американского общества, что, в немалой степени, позднее способствовало технологическому доминированию США.

Помимо собственно генерации электричества для разнообразных нужд, основанной на преобразовании механического движения в электричество, за счёт обратимости электрических машин появилась возможность обратного преобразования электрического тока в механическое движение, реализуемая электродвигателями постоянного и переменного тока. Пожалуй, это самые распространённые машины современности, включающие в себя стартеры автомобилей и мотоциклов, приводы промышленных станков и разнообразных бытовых устройств. Используя различные модификации подобных устройств, мы стали мастерами на все руки, мы умеем строгать, пилить, сверлить и фрезеровать. А в наших компьютерах, благодаря миниатюрным прецизионным двигателям постоянного тока, крутятся приводы жёстких и оптических дисков.

Кроме привычных электромеханических двигателей, за счёт протекания электрического тока работают ионные двигатели, использующие принцип реактивного движения при выбросе ускоренных ионов вещества, Пока, в основном, они применяются в космическом пространстве на малых спутниках для выведения их на нужные орбиты. А фотонные двигатели 22-го века, которые существуют пока только в проекте и которые понесут наши будущие межзвёздные корабли с субсветовой скоростью, скорее всего, тоже будут работать на электрическом токе.

Стрелочный мультиметр со снятой верхней крышкой

Для создания электронных элементов и при выращивании кристаллов различного назначения по технологическим причинам требуются сверхстабильные генераторы постоянного тока. Такие прецизионные генераторы постоянного тока на электронных компонентах называются стабилизаторами тока.

Измерение силы электрического тока

Необходимо отметить, что приборы для измерения тока (микроамперметры, миллиамперметры, амперметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу конструкций и принципам действия — это могут быть приборы постоянного тока, переменного тока низкой частоты и переменного тока высокой частоты.

По принципу действия различают электромеханические, магнитоэлектрические, электромагнитные, магнитодинамические, электродинамические, индукционные, термоэлектрические и электронные приборы. Большинство стрелочных приборов для измерения токов состоит из комбинации подвижной/неподвижной рамки с намотанной катушкой и неподвижного/подвижного магнитов. Вследствие такой конструкции типичный амперметр имеет эквивалентную схему из последовательно соединённых индуктивности и сопротивления, шунтированных ёмкостью. Из-за этого частотная характеристика стрелочных амперметров имеет завал по высоким частотам.

Подвижная рамка с катушкой, стрелкой и пружинами, используемая в гальванометре показанного выше мультиметра. Некоторые до сих пор предпочитают пользоваться стрелочными приборами, конструкция которых с конца 19-го века остается практически неизменной

Основой для них является миниатюрный гальванометр, а различные пределы измерения достигаются применением дополнительных шунтов — резисторов с малым сопротивлением, которое на порядки ниже сопротивления измерительного гальванометра. Таким образом, на основе одного прибора могут быть созданы приборы для измерения токов различных диапазонов – микроамперметры, миллиамперметры, амперметры и даже килоамперметры.

Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого тока — он может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ радиотехнических цепей и устройств. Различают следующие значения токов:

• мгновенное,
• амплитудное,
• среднее,
• среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение тока I _i — это значение тока в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение тока I_m — это наибольшее мгновенное значение тока за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение тока I определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений тока.

Все стрелочные амперметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях тока.

Среднее значение (постоянная составляющая) тока — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Разность между максимальным и минимальным значениями тока сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения тока используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения/тока, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение тока с помощью осциллографа

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению действующего и пикового значения тока синусоидального и треугольного сигналов с использованием генератора сигналов, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов (FG) нагружен на последовательное соединение мультиметра (MM), сопротивление шунта R_s=100 Ом и сопротивление нагрузки R в 1 кОм. Осциллограф OS подключен параллельно сопротивлению шунта R_s. Значение сопротивления шунта выбирается из условия R_s <<R. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1

Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 Герц и амплитудой 9 Вольт. Нажмем очень удобную кнопку Auto Set и будем наблюдать на экране сигнал, показанный на рис. 1. Размах сигнала — около пяти больших делений при цене деления 200 мВ. Мультиметр при этом показывает значение тока в 3,1 мА. Осциллограф определяет среднеквадратичное значение напряжения сигнала на измерительном резисторе U=312 мВ. Действующее значение тока через резистор R_s определяется по закону Ома:

I_RMS = U_RMS/R = 0,31 В / 100 Ом = 3,1 мА,

что соответствует показаниям мультиметра (3,10 мА). Отметим, что размах тока через нашу цепь из включенных последовательно двух резисторов и мультиметра равен

I_P-P = U_P-P/R = 0,89 В / 100 Ом = 8,9 мА

Известно, что пиковое и действующее значения тока и напряжения для синусоидального сигнала отличаются в √2 раз. Если умножить I_RMS = 3,1 мА на √2, получим 4,38. Удвоим это значение и мы получим 8,8 мА, что почти соответствует току, измеренному с помощью осциллографа (8,9 мА).

Опыт 2

Уменьшим сигнал от генератора вдвое. Размах изображения на осциллографе уменьшится ровно приблизительно вдвое (464 мВ) и мультиметр покажет приблизительно уменьшенное вдвое значение тока 1,55 мА. Определим показания действующего значения тока на осциллографе:

I_RMS = U_RMS/R = 0,152 В / 100 Ом = 1,52 мА,

что приблизительно соответствует показаниям мультиметра (1,55 мА).

Опыт 3

Увеличим частоту генератора до 10 кГц. При этом изображение на осциллографе изменится, но размах сигнала останется прежним, а показания мультиметра уменьшатся — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра.

Опыт 4

Вернёмся к исходной частоте 60 Герц и напряжению 9 В генератора сигналов, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением тока, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее значение тока сигнала. Осциллограф также показывает уменьшение среднеквадратичного значения напряжения, измеренного на резисторе R_s=100 Ом.

Техника безопасности при измерении тока и напряжения

Самодельный пьедестал-стойка с полнофункциональным телесуфлёром и мониторами для домашней видеостудии

• Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния при измерении токов даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:
• Не проводить измерения токов, требующих определённых профессиональных навыков ( при напряжении свыше 1000 В).
• Не производить измерения токов в труднодоступных местах или на высоте.
• При измерениях в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
• Пользоваться исправным измерительным инструментом.
• В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
• Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
• Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Методическая разработка урока по электротехнике «Переменный ток, его основные характеристики»

План урока № _10_ Дата __27.10.2014 г___

Предмет: Электротехника.

Тема занятия: Переменный ток, его основные характеристики.

Вид урока: теоретический

Цель урока: Формирование знаний и умений по переменному току.

Задача: учебная – объяснить получение переменного синусоидального

тока; дать понятие основных величин.

развивающая — развивать память, логическое мышление, навык

анализа и решения электрических схем.

воспитательная — воспитать умение слушать, самостоятельно

решать, делать выводы.

Ожидаемые результаты: учащиеся должны знать – способ получения переменного синусоидального тока; понятия основных характеристик переменного тока;

учащиеся должны уметь – решать задачи на определение характеристик

переменного тока;

учащиеся должны владеть – навыком использования формул.

Межпредметные связи: обеспечивающие – «Физика», «Математика»

обеспечиваемые – «Электрические машины»,

«Электроснабжение», «Электрооборудование»

Обеспечение занятия: плакаты.

Литература: Евдокимов Ф.Е. «Теоретические основы электротехники», Фрумкин А.М. «Теоретические основы электротехники», Зайчик М.Ю. «Сборник задач и упражнений по теоретической электромеханике», Попов B.C., Жуховицкий Б.Я. «Теоретические основы электротехники»,

Ход урока

1. Организационный момент – проверка учащихся по списку; ознакомление

учащихся с ходом урока.

2. Актуализация ЗУН – Технический диктант, тестирование, работа по карточкам – по теме «Магнитное поле». Повторение обозначений и единиц измерения основных величин.

3. Изучение новой темы:

1.Получение переменного синусоидального тока.

2. Мгновенные и амплитудные значения тока.

3. Период, циклическая и угловая частота синусоидального тока.

4. Уравнение синусоидальных ЭДС, тока и напряжения.

5. Фаза, начальная фаза, сдвиг фаз.

6. Действующие значения синусоидальных величин.

7. Векторная диаграмма.

4. Первичная проверка усвоенного:

Повторение основных определений и ключевых моментов

темы, в форме беседы. Решение задач.

5. Выдача домашнего задания: Конспект, подготовка к техническому диктанту.

6. Подведение итогов: оценка результатов опроса теории по теме «Магнитное поле» и работы во время объяснения и закрепления нового материала.

Преподаватель: Коршнякова С.А.

Глоссарий общих терминов измерения электроэнергии и мощности

Термин	Определение
Переменный ток	Коротко для переменного тока, это электрический ток, который периодически меняет направление 60 раз в секунду (60 Гц) , тогда как постоянный ток течет только в одном направлении. Измерители мощности DENT предназначены для измерения переменного тока с помощью трансформаторов тока.
Ампер-час	Ампер-час (Ач) — это единица электрического заряда, имеющая размерность электрического тока, умноженного на время, равная заряду, переносимому постоянным током в один ампер, протекающим в течение одного часа.
Ампер (ампер)	Ампер — это единица измерения электрического тока; количество тока, протекающего в цепи при электродвижущей силе в один вольт и при сопротивлении в один Ом. Сокращенно amp. Измерители мощности DENT предназначены для измерения многих параметров, в том числе силы тока.
Усилитель / интегратор	Схема усилителя / интегратора встроена в несколько продуктов DENT, включая мВ трансформаторы тока RōCoil (производство прекращено), серию PowerScout и измеритель ELITEpro XC.Эта схема, подключенная к выходу пояса Роговского, выдает выходной сигнал, пропорциональный току. В случае RōCoil мВ эта схема должна получать внешнее питание с помощью настенного трансформатора (PX-XFMR).
Каналы аналогового ввода	Каналы аналогового ввода полезны при использовании в сочетании с измерениями мощности для корреляции потребления электроэнергии с окружающей средой, производительностью оборудования HVAC или другими условиями процесса.Типичное использование может включать регистрацию температуры окружающей среды, температуры в здании, солнечной инсоляции, давления в резервуаре, расхода в воздуховоде и т. Д. Например, ELITEpro XC принимает токовую петлю с внешним питанием 0 / 4-20 мА или несимметричные датчики 0-30 В пост. .
ANSI	Сокращение от American National Standards Institute, который является частной некоммерческой организацией, которая курирует разработку добровольных согласованных стандартов для продуктов, услуг, процессов и систем в США.Некоторые продукты DENT соответствуют требованиям ANSI по точности (например, PowerScout 3037 соответствует стандарту точности ANSI C12.20-2010 для производительности класса 0,2 для коммерческого класса).
Полная мощность (кВА)	Произведение напряжения цепи и тока без привязки к фазовому углу. Измерители мощности DENT предназначены для измерения многих параметров, включая полную мощность.
ASHRAE	Аббревиатура Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха.ASHRAE проводит исследования, пишет стандарты и проводит конференции для повышения квалификации. DENT участвует в одном мероприятии ASHRAE, AHR Expo, которое проводится ежегодно в январе или феврале.
AWG	AWG — это сокращение от American Wire Gauge; стандарт для измерения сечения проводов (электрических проводников). Площадь поперечного сечения каждого датчика является важным фактором для определения его допустимой нагрузки по току.
BACnet	BACnet — это протокол связи для сети автоматизации и управления зданиями (BAC), использующий стандарты ASHRAE, ANSI и ISO 16484-5.BACnet был разработан для обеспечения связи между системами автоматизации и управления зданиями для таких приложений, как системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и связанное с ними оборудование. Приборы серии DENT PowerScout поддерживают связь через BACnet. Посетите веб-сайт BACnet для получения дополнительной информации.
Двунаправленное измерение	Счетчик, способный измерять как поставленную / импортируемую (+ кВт) мощность, так и полученную / экспортируемую (-кВт) мощность.Термин «двунаправленный учет» широко используется в приложениях с возобновляемыми источниками энергии.
Знак CE	Знак CE является обязательным для определенных продуктов, продаваемых в Европейской экономической зоне. Он аналогичен Декларации соответствия FCC, используемой на некоторых электронных устройствах, продаваемых в США. Знак CE означает, что продукт соответствует высоким требованиям безопасности, здоровья и защиты окружающей среды.
Накладные трансформаторы тока	Накладные трансформаторы тока предназначены для работы одной рукой во время временных энергоаудитов.Они разработаны для широкого применения в компактной форме. Накладные трансформаторы тока чаще всего продаются с приборами ELITEpro XC, поскольку их простая в использовании конструкция делает их идеальными для временных измерительных проектов.
Проводник	Материал, через который передается электричество, например, электрический провод, линия передачи или шина. Трансформаторы тока размещаются вокруг проводника для измерения потока электричества.
Трубопровод	Трубчатый материал, используемый для изоляции и защиты одного или нескольких электрических проводников.Кабелепровод чаще всего используется в стационарных установках с измерителями PowerScout.
Подключенная нагрузка	Устройство, потребляющее электроэнергию, подключенное к генерирующей системе. Пример: электродвигатель.
CONTACTlogger ™	CONTACTlogger, одна из моделей из серии DENT SMARTlogger, предназначен для мониторинга замыканий реле, переключателей и цифровых сигналов включения / выключения. Он поставляется с парой проводов длиной 3 фута, которые подключаются к переключателю или реле.CONTACTlogger можно использовать только на обесточенных устройствах с «сухим контактом».
Зажимы Croc	Также называются «зажимами из крокодиловой кожи». Зажимы Croc подключаются к концам выводов напряжения на приборах ELITEpro XC. Они используются для подключения счетчика к напряжению внутри электрического щита. Доступны пять цветов: синий, черный, красный, белый и желтый (обычно используются только в установках за пределами США).
CT	Также называется «трансформатор тока» или «датчик тока».«ТТ — это тип трансформатора, который используется для измерения переменного тока. Они производят переменный ток во вторичной обмотке, который пропорционален переменному току в первичной обмотке. ТТ DENT подключаются напрямую к измерителям мощности ELITEpro XC или PowerScout и доступны в различных диапазонах и стилях тока. Они выбираются в зависимости от того, сколько ампер необходимо измерить, и ограничений физического размера.
CTlogger ™	CTlogger, одна из моделей серии DENT SMARTlogger (снята с производства в 2019 г.), предназначена для контроля состояния электрической нагрузки с помощью фиксирующего трансформатора тока.ТТ подключается к любому проводнику переменного тока 0,25 А или более. Регистратор активируется, когда через провод к контролируемому устройству протекает ток более 0,25 А.
Датчик тока	Также называется «трансформатор тока» или «CT». Датчики тока — это тип трансформатора, который используется для измерения переменного тока. Они производят переменное напряжение, пропорциональное переменному току в первичной обмотке. ТТ DENT подключаются непосредственно к измерителям мощности ELITEpro XC или PowerScout и доступны в различных диапазонах и стилях тока, в том числе с разъемным сердечником, зажимом, сплошным сердечником (пончик или тороид) или катушкой Роговского.Они выбираются в зависимости от того, сколько ампер необходимо измерить, и ограничений физического размера.
Трансформатор тока	Также называется «датчик тока» или «CT». Трансформаторы тока — это трансформаторы, которые используются для измерения переменного тока. Они производят переменный ток во вторичной обмотке, который пропорционален переменному току в первичной обмотке. ТТ DENT имеют встроенный нагрузочный резистор для преобразования токового выхода трансформатора в выход 333 мВ и подключаются непосредственно к измерителям мощности ELITEpro XC или PowerScout и доступны в различных диапазонах тока и стилях.Они выбираются в зависимости от того, сколько ампер необходимо измерить, и ограничений физического размера.
Окно трансформатора тока	Окно трансформатора тока иногда называют его «открытием». Проводник, который вы хотите измерить, помещается внутри окна ТТ. Вы должны убедиться, что окно ТТ достаточно велико, чтобы в нем мог поместиться ваш проводник. Проводники могут иметь размер от небольшого провода до большой шины.
DATApro ™	Снятый с производства в 2011 году, DATApro был разработан для измерения, хранения и анализа до 100 000 записей данных со всех типов датчиков, таких как газовые, водяные, электрические, паровые, HVAC, сжатый воздух. , твердые или жидкие отходы, безопасность, погодные условия или производственные технологические линии.ELITEpro XC с четырьмя аналоговыми входными каналами является продуктом замены.
DC	Постоянный ток или постоянный ток — это однонаправленный поток электрической карты. Постоянный ток вырабатывается такими источниками, как батареи, источники питания, термопары, солнечные элементы или динамо-машины. Электрический ток течет в постоянном направлении, что отличает его от переменного тока. «Датчики на эффекте Холла» — это датчики, которые могут измерять постоянный ток. DENT не имеет датчика этого типа.
Дельта	Схема треугольника — это трехфазная электрическая конфигурация, в которой для передачи требуются три провода. Системы Delta обычно используются для любых больших двигателей или нагревателей, которым не нужна нейтраль. Дельта также используется при передаче электроэнергии, потому что прокладывать четвертый нейтральный провод на большие расстояния дорого.
Плата по запросу	Плата за максимальную скорость использования электроэнергии в часы пик расчетного периода.Плата за потребление взимается на основе возможного спроса на энергию, а не на основе фактически потребленной энергии.
ELITEpro ™	Записывающий многофазный измеритель мощности ELITEpro, снятый с производства в 2011 году, был разработан для точного определения потребления электроэнергии и количественной оценки потребления путем измерения, хранения и анализа вольт, ампер, ватт, вольт-ампер (ВА), реактивные вольт-амперы (VAR), киловатты (кВт), киловатт-часы (кВтч), кВАч, кВАрч и коэффициент мощности. Он был прекращен с выпуском измерителя мощности ELITEpro SP.
ELITEpro SP ™	Измеритель мощности ELITEpro SP, снятый с производства в 2013 году, был разработан для замены многофазного измерителя мощности записи ELITEpro. В качестве прямой замены он предлагал многие из тех же измерительных возможностей, но с увеличенным объемом памяти. Кроме того, ELITEpro SP имел сетевое питание, 8 МБ памяти и стандартный порт USB. Как и ELITEpro до него, этот счетчик был разработан для точного определения использования электроэнергии и количественной оценки потребления путем измерения, хранения и анализа вольт, ампер, ватт, вольт-ампер (ВА), вольт-ампер реактивных (VAR), киловатт (кВт), киловатт-часы (кВтч), кВАч, кВАрч и коэффициент мощности.Эта модель также была первой ELITEpro, которая позволила использовать трансформаторы тока RōCoil (Роговского) без внешнего усилителя / интегратора. Впоследствии ELITEpro SP был заменен на ELITEpro XC.
ELITEpro XC ™	Представленный в 2013 году, ELITEpro XC представляет собой текущее поколение измерителей серии ELITEpro, представленных на рынке. Он был разработан для замены ELITEpro SP. Как и ELITEpro SP, он предназначен для точного определения потребления электроэнергии и количественной оценки потребления путем измерения, хранения и анализа вольт, ампер, ватт, вольт-ампер (ВА), реактивных вольт-ампер (VAR), киловатт (кВт), киловатт-часов. (кВтч), кВАч, кВАрч и коэффициент мощности.Он имеет 16 МБ памяти, стандартный Ethernet, стандартный USB и ряд коммуникационных опций, включая Wi-Fi и Bluetooth.
Программное обеспечение ELOG	Программное обеспечение ELOG — это программа на базе Windows, предназначенная для настройки счетчиков серии ELITEpro, отображения измеренных значений, а также извлечения и анализа собранных данных. ELOG графически отображает записанные данные, выполняет анализ и упрощает автоматический удаленный сбор данных. ELOG предоставляется бесплатно при покупке ELITEpro XC, а также его можно бесплатно загрузить на веб-сайте DENT.
Энергетический аудит	Процесс определения энергопотребления здания или объекта различными методами. Цель аудита — выявить возможности снижения энергопотребления с целью экономии денег с течением времени. ELITEpro XC обычно используется для проведения энергоаудита в коммерческих и промышленных приложениях.
ETL	ETL признан NRTL в Соединенных Штатах и, в аналогичном качестве, Советом по стандартам Канады как испытательная организация и сертификационный орган.Продукт, отмеченный знаком ETL, соответствует минимальным требованиям установленных стандартов безопасности и обычно считается эквивалентом знака UL. Трансформаторы тока с разъемным сердечником DENT внесены в список ETL (cETLus).
Частота	Число циклов, через которые переменный ток проходит в секунду; в США стандарт выработки электроэнергии составляет 60 циклов в секунду (60 Гц). Измерители серий DENT ELITEpro XC и PowerScout могут выполнять измерения на частоте 60 Гц или 50 Гц (как настроено в программном обеспечении).
Плавленые зажимы для крокодилов	Иногда также называются «Плавленые зажимы-крокодилы». Как и стандартные зажимы типа «крокодил», плавкие зажимы «крокодил» подключаются к концам выводов напряжения на приборах ELITEpro XC. Они отличаются от обычных зажимов типа «крокодил», поскольку в них есть предохранитель на 500 мА. Они используются для подключения счетчика к напряжению внутри электрического щита. Доступны пять цветов: синий, черный, красный, белый и желтый (обычно используются только в установках за пределами США).
Заземление	Заземление — это защитный проводник с низким сопротивлением на пути к земле. Его часто называют «заземляющим проводом» или «защитным заземлением». Он либо голый, либо с зеленой изоляцией.
Горячий	Горячий — это любой проводник (провод или иным образом), подключенный к электрической системе, имеющий электрический потенциал относительно заземления или нейтрали.
Инвертор	Устройство, которое преобразует электричество постоянного тока (например, от солнечного фотоэлектрического модуля или массива) в переменный ток для использования непосредственно для управления приборами или для подачи энергии в электрическую сеть.
Киловатт (кВт)	Стандартная единица электрической мощности, равная одной тысяче ватт или потребляемой энергии со скоростью 1000 Джоулей в секунду.
Киловатт-час (кВтч)	Единица или мера электрической энергии или потребления в 1000 Вт в течение одного часа; эквивалент 3 412 британских тепловых единиц.
Ветвь	Ветвь обычно относится к «горячей ветви» и является одним из нескольких горячих проводников в электрической системе.Наиболее распространенные системы с одной расщепленной фазой, 240 В, имеют нейтраль и две горячие ветви. Наиболее распространенные трехфазные системы будут иметь три горячих вывода, по 208 В между собой и по 120 В между нейтралью.
LIGHTINGlogger ™	LIGHTINGlogger, одна из моделей из серии DENT SMARTlogger, предназначен для отслеживания состояния включения / выключения освещения. Внутренний фотодатчик обнаруживает ближайший источник света и записывает его состояние с отметкой времени и даты.
Питание от сети	Питание от сети — стандартная функция для приборов серий ELITEpro XC и PowerScout.Это позволяет питать счетчик от измеряемой службы напряжения. Приборы с питанием от сети не нужно подключать к розетке или использовать аккумулятор для работы.
Нагрузка	Нагрузка — это потребляющее электричество устройство, цепь или система (например, холодильник или здание), подключенные к генерирующей системе.
MAGlogger ™	MAGlogger, одна из моделей серии DENT SMARTlogger (снята с производства в 2019 г.), предназначен для крепления к корпусу двигателя.Он содержит датчик магнитного поля, который может определить, работает ли двигатель. Он записывает свой рабочий график с отметкой времени и даты.
Измерение и проверка	Также называется «M&V». Это термин, применяемый к процессу количественной оценки экономии, обеспечиваемой мерой по энергосбережению, а также к подсектору энергетической отрасли, задействованному в этой практике. ELITEpro XC обычно используется для проектов M&V.
Modbus	Modbus — это протокол последовательной связи, первоначально опубликованный Modicon (ныне Schneider Electric) в 1979 году для использования с его программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).Простой и надежный, с тех пор он стал де-факто стандартным протоколом связи и теперь является общедоступным средством подключения промышленных электронных устройств. Приборы серии DENT PowerScout могут обмениваться данными по протоколу Modbus.
Многоконтурная	Счетчики PowerScout серии HD являются многоконтурными или многоканальными, что означает, что они способны одновременно контролировать комбинацию трехфазных и / или однофазных цепей. Например, их можно использовать для контроля сети и нескольких цепей освещения в одной электрической панели.
NEC	Национальный электротехнический кодекс, или NEC, представляет собой набор правил, которые способствовали тому, что электрические системы в Соединенных Штатах стали одними из самых безопасных в мире. Цель NEC — обеспечить проектирование и установку безопасных электрических систем. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) спонсирует NEC с 1911 года. NEC меняется по мере развития технологий и совершенствования компонентов. NEC обновляется каждые три года.Следование NEC требуется в большинстве мест.
NEMA	Национальная ассоциация производителей электрооборудования, или NEMA, является крупнейшей торговой ассоциацией производителей электрического оборудования в США. Помимо лоббирования, NEMA публикует более 600 стандартов, руководств по применению, официальных и технических документов. Клиенты часто спрашивают о корпусах с определенными «рейтингами NEMA», такими как 4X. DENT Instruments является членом NEMA.
Чистое измерение	Чистая энергия = потребляемая энергия — произведенная энергия . Чистое измерение — это практика использования одного счетчика для измерения потребления и выработки электроэнергии небольшим генерирующим объектом (например, дом с ветровой или солнечной фотоэлектрической системой). Чистая произведенная или потребляемая энергия продается или покупается у поставщика электроэнергии, соответственно. Многоконтурные счетчики PowerScout обычно используются в приложениях Net Metering.
Нейтраль	Нейтральный провод — это обратный провод цепи. Электротехнические нормы США требуют, чтобы нейтраль не была переключена и не снабжена предохранителями и чтобы она была заземлена только на сервисной панели и ни в какой другой точке системы электропроводки здания.
PhaseChek ™	PhaseChek ™ — это запатентованная технология (патент № 7,612,552), которая позволяет пользователю видеть, когда датчики тока на измерителе были неправильно подключены или подключены.Это значительно сокращает время настройки и помогает устранить ошибки при установке. PhaseChek доступен на приборах серий ELITEpro XC и PowerScout.
Перенаправление портов	Перенаправление портов позволяет удаленным компьютерам (например, компьютерам в Интернете) подключаться к определенному компьютеру или службе в частной локальной сети (LAN). В случае ELITEpro XC с Ethernet переадресация портов позволяет удаленное соединение между ELITEpro XC и компьютером в другой сети через межсетевой экран через программное обеспечение ELOG.
Коэффициент мощности	В электротехнике коэффициент мощности системы переменного тока определяется как отношение реальной мощности, протекающей к нагрузке, к полной мощности в цепи и является безразмерным числом в замкнутый интервал от -1 до 1. Коэффициент мощности меньше единицы означает, что формы сигналов напряжения и тока не совпадают по фазе, что снижает мощность нагрузки. Коэффициент мощности (aPF и dPF) измеряется приборами серий ELITEpro XC и PowerScout.
PowerScout Series	PowerScout — это торговое наименование, данное линейке измерительных приборов DENT Instruments. PowerScout, как правило, постоянно устанавливаются на электрических панелях, чтобы постоянно получать информацию о потреблении энергии. Они доступны в одноконтурном (PowerScout 3037) и многоконтурном (PowerScout HD Series) версиях.
Импульсный вход	Импульсные входы доступны на PowerScout 24 и используются для подсчета, накопления и масштабирования импульсов, полученных от внешних счетчиков, инициирующих импульс, таких как газовые, водяные или другие электрические счетчики, не принадлежащие DENT.
Импульсный выход	Импульсные выходы доступны на счетчиках PowerScout Series и используются для отправки кВтч или других импульсов на устройство счета импульсов, такое как регистратор данных.
Уровень дохода	Измерители уровня дохода и трансформаторы тока соответствуют строгим требованиям к испытаниям и точности. Как правило, они соответствуют требованиям класса ANSI C12.20-2010 с точностью выше 1% (см. Серии PowerScout). Термин «уровень дохода» в общем случае может означать разные вещи для разных организаций.Возможно, измеритель будет соответствовать требованиям к точности класса 0.2, но, если он не соединен с таким же точным или лучшим CT, конечный результат может считаться или не считаться «доходной оценкой».
RMS (среднеквадратичное значение)	Для циклически переменного электрического тока среднеквадратичное значение равно значению постоянного тока, которое приведет к тому же среднему рассеиванию мощности в резистивной нагрузке. Измерители DENT ELITEpro XC и PowerScout обеспечивают точное измерение среднеквадратичных значений с использованием высокоскоростной цифровой обработки сигналов (DSP).
RoCoil ™	RōCoil — это торговая марка DENT для нашей линейки датчиков тока с катушкой Роговского. RōCoils известны своими удобными для установщика функциями, такими как большой размер окна, легкий вес, широкий диапазон тока и механическая гибкость для установки в тесных помещениях. RōCoils можно использовать как с приборами ELITEpro XC, так и с PowerScout.
RoCoil ™ мВ	RōCoil мВ, производство прекращено в 2019 году, это торговое название компании DENT для нашей линейки датчиков тока с катушкой Роговского, которые включают схему усилителя / интегратора на подводящем проводе.Эта схема позволяет использовать эти трансформаторы тока в измерителях, которые не имеют встроенной схемы усилителя / интегратора (например, в унаследованном измерителе ELITEpro). Эта схема означает, что RōCoil mV требует внешнего источника питания, обычно обеспечиваемого сетевым адаптером (PX-XFMR).
RoCoil ™ TCA-5	RōCoil TCA-5, снятый с производства в 2019 году, представляет собой трехканальный интегрирующий усилитель крутизны (TCA), который преобразует электрический выходной сигнал 131 мВ / 1000 A от датчика RōCoil в 5-амперный Переменный ток, имитирующий традиционный измерительный трансформатор тока.RōCoil TCA-5 разработан для обеспечения совместимости трансформаторов тока RōCoil с измерителями входной мощности тока 5 А.
Датчик тока катушки Роговского	Катушка Роговского, названная в честь Вальтера Роговского, представляет собой электрическое устройство для измерения переменного тока (AC) или высокоскоростных импульсов тока. Он состоит из спиральной катушки с проводом, вывод которого от одного конца возвращается через центр катушки к другому концу, так что оба вывода находятся на одном конце катушки. Затем катушка наматывается на проводник, ток которого необходимо измерить.RōCoil — это торговое наименование линейки трансформаторов тока Роговского типа DENT.
RS-485	RS-485 — это стандарт, определяющий электрические характеристики драйверов и приемников для использования в системах последовательной связи. Приборы PowerScout могут обмениваться данными через Modbus или BACnet по сетям RS-485.
Таблица настроек	Приборы серии ELITEpro требуют, чтобы они были настроены для использования, сначала создав файл таблицы настроек в программном обеспечении ELOG, а затем загрузив файл в измеритель.Файл таблицы настроек сообщит измерителю, какие датчики тока, интервал записи и тип обслуживания он будет контролировать.
Зажимы Shark	Зажимы Shark для серии ELITEpro можно использовать вместо стандартных зажимов Croc Clips в приложениях, где зажимы Croc могут не поместиться. Они предназначены для узких установок и рассчитаны на 600 В.
Однофазный	Однофазный источник питания — это распределение электроэнергии переменного тока (AC) с использованием системы, в которой все напряжения источника питания совпадают по фазе или не совпадают по фазе на половину цикла (180 ˚).Однофазное распределение используется, когда нагрузки в основном связаны с освещением и обогревом, а электродвигатели имеют небольшие размеры (5 л.с. и ниже) (например, в большинстве жилых домов США). Серии DENT ELITEpro и PowerScout предназначены для измерения как в однофазных, так и в трехфазных системах.
SMARTlogger ™	Регистраторы времени использования SMARTlogger предназначены для отслеживания состояния включения / выключения и данных общего времени использования энергопотребляющих устройств, таких как фонари, двигатели, переключатели и т. Д. электрическая нагрузка, генерирующая не менее 0.25 ампер. Доступны четыре модели SMARTlogger’ов: LIGHTINGlogger, MAGlogger, CTlogger и CONTACTlogger. SMARTloggers питаются от батареи и записывают до 32 000 записей (переходов включения / выключения) во внутреннюю память. Программное обеспечение SMARTware используется для настройки регистратора, загрузки и анализа данных.
Программное обеспечение SMARTware ™	SMARTware — это простое в использовании программное обеспечение на базе Windows для использования с регистраторами времени использования DENT SMARTlogger. Его можно использовать для загрузки и анализа данных с инструментов SMARTlogger, настройки часов регистратора и экспорта записанных данных в виде файла CSV в Excel.
Трансформатор тока с разъемным сердечником	Трансформаторы тока с разъемным сердечником — это экономичный выбор трансформаторов тока. Как и другие трансформаторы тока, они обеспечивают линейное выходное напряжение, прямо пропорциональное входному току. Они безопасно и легко устанавливаются над существующими линиями электропередачи без отключения линий. Они производят 333 мВ на полную мощность и доступны для нагрузок до 1200 А. Они совместимы с приборами серий ELITEpro и PowerScout.
Подсчетчик	Подсчетчик относится к мониторингу потребления электроэнергии отдельным оборудованием в здании, таким как HVAC, освещение, охлаждение, кухонное оборудование и т. Д. В дополнение к счетчику «основной нагрузки», используемому коммунальными предприятиями Для определения общего потребления в здании при подсчетах используются отдельные «субсчетчики», которые позволяют руководителям зданий и объектов иметь представление об использовании энергии и производительности своего оборудования, создавая возможности для экономии энергии и капитальных затрат.Приборы серии PowerScout обычно используются для строительных проектов.
Испытания и измерения	В DENT термин «испытания и измерения» относится к категории продуктов, предназначенных для исследований в области измерений и верификации (M&V), профилирования электрических нагрузок, энергетических аудитов и оценки новых технологий. Продукция DENT Test & Measurement включает измерители серии ELITEpro и инструменты SMARTlogger.
Трехфазные системы	Трехфазные системы электроснабжения имеют как минимум три проводника, по которым проходят напряжения переменного тока, которые смещены во времени на одну треть периода (120 °).Трехфазная система может располагаться по схеме треугольника (Δ) или звезды. Приборы серий DENT ELITEpro и PowerScout предназначены для контроля как однофазных, так и трехфазных систем питания.
Время использования (TOU)	Время использования — это время включения определенной нагрузки. Например, как долго и в какое время был включен свет в той или иной комнате. Данные о времени использования могут быть собраны с помощью регистраторов DENT SMART (иногда называемых регистраторами DENT TOU).
Тороидальные ТТ с твердым сердечником	Тороидальные ТТ с твердым сердечником — это трансформаторы, в которых используются магнитные сердечники тороидальной (кольцевой или кольцевой) формы.Они состоят из круглого кольца или магнитного сердечника в форме пончика из ферромагнитного материала, такого как многослойное железо или феррит, вокруг которого наматывается провод. Поскольку сердечник сплошной (в отличие от разделенного сердечника), они требуют удаления существующих линий электропередачи для установки. Поэтому они обычно используются в новых зданиях, чтобы свести к минимуму сбои. Серия DENT RGT — это тороидальные трансформаторы тока, разработанные для измерительных приложений уровня доходов IEEE Class.Они совместимы с измерителями серий ELITEpro и PowerScout.
Витая пара	Витая пара — это тип проводки, при котором два проводника одной цепи скручены вместе с целью подавления электромагнитных помех (EMI) от внешних источников. Этот тип проводки используется в некоторых трансформаторах тока DENT, включая трансформаторы тока с разъемным сердечником.
UL	UL (Underwriters Laboratory) — американская консалтинговая и сертификационная компания по безопасности.Они предоставляют услуги по сертификации, валидации, тестированию, инспектированию, аудиту, консультированию и обучению, связанным с безопасностью, широкому кругу клиентов, включая производителей. UL — это национально признанная испытательная лаборатория (NRTL). Некоторые инструменты и трансформаторы тока DENT внесены в списки UL (cULus), включая ELITEpro XC и PowerScout 3037, или признаны (cRUus), включая версии измерителей PowerScout HD только для платы.
VFD	Сокращение от Variable Frequency Drive.ЧРП — это тип привода с регулируемой скоростью, который используется в системах электромеханического привода для управления скоростью и крутящим моментом двигателя переменного тока путем изменения входной частоты и напряжения двигателя. Измерители мощности DENT могут измерять входную сторону частотно-регулируемого привода, но не выходную, поскольку частота не установлена ​​ни на 60, ни на 50 Гц, а напряжение может не иметь синусоидальной формы.
Программное обеспечение ViewPoint ™	ViewPoint — это служебная программа, которая позволяет легко настраивать расходомер PowerScout.Он позволяет пользователю переключаться между протоколами связи (Modbus или BACnet), проверять измеряемые значения в реальном времени, считывать и записывать регистры, обновлять скалярные значения и выбирать трансформаторы тока. Он предоставляется без дополнительной оплаты при покупке измерителя PowerScout, а также доступен для бесплатной загрузки на веб-сайте DENT.
Звезда	Звезда — это трехфазная система напряжения с тремя фазами, подключенными к одной нейтральной точке (звезда).Это позволяет использовать два разных напряжения для всех трех фаз, например систему 277/480 В, которая обеспечивает 277 В между нейтралью и любой из фаз и 480 В между любыми двумя фазами.

Пример — меры обмена с использованием параметров

Вы можете создать представление, которое показывает, как значения двух мер сравниваются друг с другом. Но что, если бы вы также хотели иметь возможность выбирать, какие меры сравниваются, или, что еще лучше, добавить элемент управления в представление, которое позволяло бы любому пользователю выбирать меры для сравнения.Вы можете создать такое представление, используя параметры и вычисляемые поля. Вычисляемые поля заменяют меры в представлении и могут быть установлены пользователем в интерактивном режиме с помощью элементов управления параметрами или действий с параметрами.

Общие действия

1. Создайте параметры.

2. Создайте вычисляемые поля для изменения показателей в представлении.

3. Настройте вид.

Эта статья включает дополнительный раздел, который можно использовать в качестве альтернативы шагу 2:

В следующих разделах эти процедуры разбиты на конкретные инструкции.

В сценарии используется источник данных Sample — Superstore, поставляемый с Tableau Desktop.

Создайте параметры

Выполните следующие действия.

1. На панели «Данные» щелкните стрелку раскрывающегося списка в правом верхнем углу и выберите «Создать параметр».

2. В диалоговом окне «Создать параметр» выполните следующие действия:

   1. Назовите параметр Placeholder 1 Selector.

   2. Установите для типа данных значение String.

   3. Перейдите к полю «Допустимые значения» и выберите «Список».

   4. Введите имена отдельных показателей в области Список значений: Скидка, Прибыль, Количество и Продажи.

      Диалоговое окно создания параметра теперь должно выглядеть так:

   5. Щелкните OK, чтобы закрыть диалоговое окно Edit Parameter.

3. Создайте второй параметр Placeholder 2 Selector с точно такой же конфигурацией.

   Это можно сделать разными способами. Самый простой способ — нажать «Селектор заполнителя 1» на панели «Данные», выбрать «Дублировать» и затем изменить имя дублируемого параметра на «Селектор заполнителя 2».

Создание вычисляемых полей для изменения показателей в представлении

Выполните следующие действия.

1. Выберите «Анализ»> «Создать вычисляемое поле», чтобы открыть редактор вычислений.Назовите вычисление Placeholder 1 и введите или вставьте следующее в область формулы:

    CASE [Выбор заполнителя 1] 

    КОГДА "Скидка" ТО [Скидка] 

    КОГДА "Прибыль" ТО [Прибыль] 

    КОГДА "Количество" ТО [Количество] 

    КОГДА "Продажи" ТО [Продажи] 

    КОНЕЦ 

   Примечание : Вычисляемое поле должно ссылаться на запись «Значение» для данной строки, а не на значение «Отображать как».

2. Щелкните OK, чтобы выйти из редактора вычислений.

3. Создайте второе вычисляемое поле, заполнитель 2, с тем же определением. Опять же, самый простой способ сделать это — нажать «Заполнитель 1» на панели «Данные», выбрать «Дублировать» и затем изменить имя дублированного поля на «Заполнитель 2».

Настроить вид

Выполните следующие действия.

1. Перетащите заполнитель 2 в столбцы и заполнитель 1 в строки.

   Поскольку вы перетаскивали меры на обе полки, по умолчанию используется точечная диаграмма. Подробнее о том, почему Tableau это делает, см. В разделе Пример: точечные диаграммы, агрегирование и детализация.

2. Перетащите имя клиента в раздел «Подробности» и область в поле «Цвет».

3. В области «Параметры» на панели «Данные» щелкните каждый переключатель «Заполнитель 1» и выберите «Показать элемент управления параметрами». Затем проделайте то же самое с селектором заполнителя 2.

4. Tableau по умолчанию отображает элементы управления параметрами за пределами правой части представления. Перетащите их влево, чтобы пользователям было легче их видеть.

Ваш просмотр завершен. Элементы управления параметрами позволяют пользователям выбирать меры, которые будут использоваться по осям X и Y. Например, в представлении ниже слева показано количество по сравнению со скидкой, а в представлении справа элементы управления параметрами используются для отображения прибыли по сравнению с продажами.

Создание вычисляемых полей для изменения показателей и указания агрегатов

В качестве альтернативы созданию вычисляемых полей для изменения показателей в разделе просмотра выше рассмотрите возможность создания вычисляемых полей, которые определяют агрегаты для отдельных показателей.Как написано выше, в вычисляемых полях не указываются агрегаты. Обратите внимание на изображение выше, что Tableau автоматически назначает агрегирование (SUM) полям Placeholder 1 и Placeholder 2. Но вы знаете свои данные и, возможно, захотите указать, какое агрегирование Tableau использует для ваших мер. Поэтому вместо приведенного выше определения вычисляемого поля рассмотрите следующее определение:

 CASE [Выбор заполнителя 1] 

 КОГДА "Скидка" ТО СУММА ([Скидка]) 

 КОГДА "Прибыль" ТО СРЕДНЕЕ ([Прибыль]) 

 КОГДА "Количество" ТОЛЬКО СУММА ([Количество]) 

 КОГДА "Продажи" ТО СРЕДНЕЕ ([Продажи]) 

 КОНЕЦ 

Вам решать, следует ли агрегировать меры в определениях полей явным образом.Единственное, что вы не можете сделать, — это смешивать и сопоставлять: то есть вы не можете определять агрегаты для одних показателей, но не для других.

Вот как изменяется диаграмма разброса прибыли и продаж, когда вы указываете AVG в качестве агрегирования для этих полей, вместо того, чтобы не указывать агрегирование и позволять Tableau по умолчанию использовать SUM:

Прибыль по сравнению с продажами с агрегированием по умолчанию	Прибыль vs.Продажи с явным агрегированием

Аналогичные, но разные.

ЭЭГ

Кабели

Сбор биомедицинских сигналов	ЭЭГ> введение
	Регистрация электрического активность головного мозга от волосистой части головы: введение в прием биологических сигналов
В электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — это запись электрической активности мозг из кожи головы.Записанные формы волны отражают корковый электрическая активность. Интенсивность сигнала: активность ЭЭГ довольно мала, измеряется в микровольтах (мВ). Частота сигнала: основные частоты волн ЭЭГ человека: Дельта : имеет частоту 3 Гц или ниже. Обычно он самый высокий в амплитуда и самые медленные волны. Это нормально, так как доминирующий ритм у грудных детей до года и в 3 и 4 стадии сна. Это может возникают локально с подкорковыми поражениями и имеют общее распространение при диффузных поражениях, метаболической энцефалопатии, гидроцефалии или глубокой срединные поражения.Обычно это наиболее заметно спереди у взрослых. (например, FIRDA — Frontal Intermittent Rhythmic Delta) и сзади у детей например OIRDA — Затылочная прерывистая ритмическая дельта). Theta : имеет частоту от 3,5 до 7,5 Гц и классифицируется как «медленный» деятельность. Это совершенно нормально у детей до 13 лет и в сон, но ненормальный у бодрствующих взрослых. Это можно рассматривать как проявление очаговых подкорковых поражений; это также можно увидеть в генерализованное распределение при диффузных нарушениях, таких как метаболические энцефалопатия или некоторые случаи гидроцефалии. Альфа : имеет частоту от 7,5 до 13 Гц. Обычно лучше всего виден в задние отделы головы с каждой стороны, находясь выше в амплитуда на доминирующей стороне. Появляется при закрытии глаз и расслабляет и исчезает при открытии глаз или предупреждении любым механизм (мышление, расчет). Это основной ритм, который можно увидеть в нормальные расслабленные взрослые. Он присутствует на протяжении большей части жизни, особенно после тринадцатого года. Бета : бета-активность — это «быстрая» активность. Имеет частоту 14 и больше Гц. Обычно это видно с обеих сторон в симметричном распределение и наиболее очевидно фронтально. Это подчеркнуто седативно-снотворные препараты, особенно бензодиазепины и барбитураты. Он может отсутствовать или уменьшаться в областях коркового повреждать. Обычно это считается нормальным ритмом. Это доминирующий ритм у пациентов, которые бдительны, тревожны или страдают глаза открыты.
Переменные, используемые при классификации активности ЭЭГ
Относительная частота на ритмичную повторяющуюся деятельность (в Гц). Частота активности ЭЭГ может иметь различные свойства, в том числе: Rhythmic .ЭЭГ активность состоящий из волн примерно постоянной частоты. Аритмичный . ЭЭГ-активность в в которых отсутствуют стабильные ритмы. Нарушение ритма . Ритмы и / или паттерны активности ЭЭГ, характерные для пациента группы или редко или наблюдаются у здоровых субъектов.
Напряжение относится к среднее напряжение или пиковое напряжение активности ЭЭГ.Ценности зависимы, в частности, по технике записи. Описательные термины, связанные с Напряжение ЭЭГ включает:
Затухание (синонимы: подавление, депрессия). Снижение амплитуды активности ЭЭГ в результате пониженного напряжения. Когда активность ослабляется стимуляцией, говорят, что был «заблокирован» или чтобы показать «блокировку». Гиперсинхронность . Видимый как повышение напряжения и регулярность ритмических активности или в диапазоне альфа, бета или тета. В термин подразумевает увеличение количества нейронных элементов способствуя ритму. (Примечание: термин используется в толковательный смысл, но как дескриптор изменения в ЭЭГ). Пароксизмальный . Деятельность который возникает из фона с быстрым началом, достигая (обычно) довольно высокое напряжение и заканчивающееся резким вернуться к активности с более низким напряжением.Хотя термин не прямо подразумевают ненормальность, большая ненормальная активность приступообразный.
Морфология относится к форма сигнала. Форма волны или паттерна ЭЭГ определяется частотами, которые вместе составляют форму волны и по соотношению фаз и напряжений. Волновые паттерны можно описать как есть: Мономорфный .Отчетливая активность ЭЭГ, состоящая из одного доминирующего активность Полиморфный . различная активность ЭЭГ, состоящая из нескольких частот, которые объединяют для формирования сигнала сложной формы. Синусоидальный . Волны напоминающие синусоидальные волны. Мономорфная активность обычно синусоидальная. Переходный процесс . An изолированная волна или узор, который заметно отличается от фоновая активность. а) Пик: переходный процесс с заостренный пик и длительность от 20 до 70 мсек. б) Резкая волна: переходный процесс с заостренным пиком и длительностью 70-200 мсек.
Синхронность относится к одновременному появлению ритмических или морфологически различные узоры на разных участках головы, либо с одной стороны (односторонний), либо с обеих сторон (двусторонний).
Периодичность относится к распределению паттернов или элементов во времени. (например, появление определенной активности ЭЭГ более или менее регулярные промежутки). Деятельность может быть генеральной, очаговой или латерализованный.
Мелкий металл диски обычно из нержавеющей стали, олова, золота или серебра покрыты с покрытием из хлористого серебра .Они помещаются на кожу головы в специальные должности. Эти позиции указаны с использованием Международного Система 10/20. Каждое электродное место помечено буквой и номером. Буква относится к области мозга, лежащей под электродом, например. F- Лобная доля и Т — височная доля. Четные числа обозначают правую часть головы и нечетных чисел на левой стороне головы.
Авторские права ADInstruments.Все права защищены.	ЭЭГ, показывающие диск электроды, на которые наносится электродный гель и наносится на скальп субъекта.
Многие записывающие системы используют колпачок в какие электроды врезаны; это облегчает запись при высоком плотности массивов электродов необходимы или при сравнении записи места. На изображении справа изображена внутренняя часть такой кепки.
Он действует как податливое удлинение электрода, так что движение электроды и кабели с меньшей вероятностью будут вызывать артефакты.Гель максимизирует контакт с кожей и обеспечивает запись с низким сопротивлением через кожу. Электролитический гель вводится в каждую полость до тех пор, пока не появится небольшой количество выходит отверстие в креплении. С умеренным количеством давление вниз, шприц с тупой иглой быстро раскачивается назад и далее.
Мера препятствие для протекания переменного тока, измеряемого в Ом при заданная частота.Чем больше число, тем выше сопротивление току. Чем выше импеданс электрода, тем меньше амплитуда сигнал ЭЭГ. В исследованиях ЭЭГ должно быть не более 100 Ом и не более 5 кОм.
Электрод позиционирование (система 10/20)
Стандартизированный размещение электродов на скальпе для классической записи ЭЭГ стало обычное дело с момента принятия системы 10/20.Суть этого система — это расстояние в процентах от диапазона 10/20 между Насион-Инион и фиксированные точки. Эти точки отмечены как Фронтальные. полюсный (Fp), центральный (C), теменный (P), затылочный (O) и височный (T). Электроды средней линии отмечены индексом z, что означает нуль. Нечетные числа используются в качестве индекса для точек слева. полушарие и четные числа справа.
10/20 Система размещения электродов
Монтаж означает размещение электродов.ЭЭГ можно контролировать либо с биполярным монтажом, либо с эталонным. Биполярность означает, что у вас есть два электрода на один канал, поэтому у вас есть эталонный электрод для каждого канала. Ссылочный монтаж означает, что у вас есть общий электрод сравнения для всех каналов.
Артефакты В Самая большая проблема при мониторинге ЭЭГ — распознавание артефактов и устранение.Есть артефакты, связанные с пациентом (например, движение, потливость, ЭКГ, движения глаз) и технические артефакты (50/60 Гц артефакты, движения кабеля, связанные с электродной пастой), которые должны быть обрабатывались по-разному. Есть несколько инструментов для поиска артефактов. Для Например, FEMG и измерения импеданса могут использоваться для индикации загрязненный сигнал. Глядя на различные параметры на мониторе, могут быть обнаружены другие помехи.
Электроды, используемые при записи ЭЭГ, не различать электрические сигналы, которые они получают.Записанная активность который не имеет церебрального происхождения, называется артефактом и может быть разделен в физиологические (полученные от субъекта из источников, отличных от мозг) и экстрафизиологические артефакты возникают вне тела (оборудование, включая электроды и окружающую среду).
Электромиограмма (ЭМГ) деятельность
ЭМГ-активность — распространенные артефакты: миогенные потенциалы, генерируемые в лобных мышцах (повышающие брови) и височные мышцы (сжатие мышц челюсти) более короткая продолжительность, чем те, которые генерируются в головном мозге.Эти артефакты могут быть идентифицированным на основе продолжительности, морфологии и скорости стрельбы (частота). Определенные модели артефактов ЭМГ могут возникать в некоторых двигательные расстройства: эссенциальный тремор и болезнь Паркинсона могут вызывать ритмичные синусоидальные волны от 4 до 6 Гц.
Движения глаз
Глазное яблоко действует как диполь с положительным полюс ориентирован вперед (роговица) и отрицательный полюс ориентирован кзади (сетчатка).Когда земной шар вращается вокруг своей оси, он генерирует поле переменного тока большой амплитуды, обнаруживаемое любым из электроды расположены рядом с глазом. Мигание вызывает положительный полюс (роговица), чтобы приблизиться к лобно-полярным электродам FP1, FP2, создавая симметричные отклонения вниз.
В приведенном выше примере объект мигал во время просмотра карты и запись была активной (обратите внимание на четыре волны большей амплитуды).В Окно просмотра спектра рассчитано и отображает доминирующую частоту 3 Гц — частота мигания.
Артефакты кожи
Еще одна трудность возникает из-за свойства определенных слоев кожи. Значительный потенциал постоянного тока существует между роговым слоем и зернистым слоем, а также местная деформация кожи изменит этот потенциал.Единственный надежный способ устранить источник артефакта — создать низкий путь сопротивления через слои кожи путем очистки кожи (спирт тампон). Также хлорид натрия (электролит) от потоотделения вступает в реакцию с Металлы электродов могут вызывать медленный дрейф базовой линии.
Электроды
Поверхностные электроды, такие как те, которые используются в ЭЭГ, должны создавать интерфейс между ионным раствором (предмет) и металлический проводник (электрод).Это приводит к потенциал полуячейки, который может быть довольно большим по сравнению с сигналом записывается. Чтобы свести к минимуму эту проблему поляризации электрод, некоторые электроды покрыты хлоридом серебра, но все удерживается вдали от кожи через промежуточный слой проводящая паста. Прикосновение к электродам во время записи может привести к артефакты. Электрод, не контактирующий с кожей, очень хорошо действует. как антенна с результирующей 60-периодной интерференцией (см. запись ниже).
Артефакт 60 Гц
The Проблема возникает, когда сопротивление одного из активных электродов становится значительно большим между электродами и землей усилитель звука. В этой ситуации заземление становится электродом, который, в зависимости от местоположения производит артефакт 60 Гц. Вмешательство от высокочастотного излучения других электронных устройств может привести к перегрузке Усилители ЭЭГ.
В приведенной выше записи был очень плохой контакт электродов с кожей головы тема; вид спектра показывает доминирующую частоту 60 Гц.
Это ключ к электрофизиологическому оборудованию. Это увеличивает разница между двумя входами. Нежелательный сигнал, общий для два ввода будут вычтены.
The стандартные настройки фильтрации для рутинной ЭЭГ: Фильтр низких частот: 1 Гц Фильтр высоких частот: 50-70 Гц
Нажмите здесь, чтобы продолжить эксперименты с альфа-волнами

Что такое DMM — Цифровой мультиметр »Электроника

Цифровой мультиметр DMM — это измерительный прибор, используемый для измерения электрических величин, включая напряжение, ток и сопротивление, хотя современные цифровые мультиметры часто выполняют гораздо больше измерений.

---

Руководство по мультиметру Включает:
Основные сведения о тестере Аналоговый мультиметр Как работает аналоговый мультиметр Цифровой мультиметр DMM Как работает цифровой мультиметр Точность и разрешение цифрового мультиметра Как купить лучший цифровой мультиметр Как пользоваться мультиметром Измерение напряжения Текущие измерения Измерения сопротивления Тест диодов и транзисторов Диагностика транзисторных цепей

---

Цифровой мультиметр или цифровой мультиметр сегодня является одним из наиболее широко используемых испытательных приборов — они практически бесценны в любой лаборатории электроники, для дома, для любителей и профессиональных инженеров-электронщиков.

Стоимость цифровых мультиметров значительно варьируется. Некоторые из этих измерительных приборов можно купить очень дешево, они обеспечивают очень хорошее обслуживание, и они удивительно точны — гораздо точнее, чем требуется для большинства измерений, но также доступны мультиметры верхнего диапазона с очень высокими характеристиками для использования в самых требовательных приложениях.

Изначально использовались аналоговые мультиметры, но в наши дни они используются редко, поскольку цифровые технологии сделали цифровые мультиметры более дешевыми, гораздо более точными и способными предоставить гораздо больше возможностей, помимо измерения тока, напряжения и сопротивления.

… помимо ампер, вольт и ом, многие цифровые мультиметры могут измерять параметры, включая частоту, емкость, целостность цепи и температуру ….

Цифровые мультиметры или цифровые мультиметры могут измерять множество различных параметров в электрической цепи. Базовые цифровые мультиметры могут измерять амперы, вольт и омы, как это делали более старые аналоговые измерители, но с легкостью включения дополнительных функций в интегральную схему многие цифровые мультиметры могут также выполнять ряд других измерений.

Многие из них включают в себя функции, позволяющие измерять емкость, частоту, целостность цепи (с зуммером для облегчения измерений при взгляде на печатную плату), температуру, функциональность транзистора, а также часто ряд других измерений.

Что такое цифровой мультиметр?

В течение многих лет использовались аналоговые мультиметры. Поскольку современные интегральные схемы не были доступны, эти испытательные инструменты проложили путь для более поздних цифровых версий.

Типичный недорогой цифровой мультиметр

Аналоговые мультиметры могут измерять только амперы, вольты и омы. Однако внедрение технологии интегральных схем и других технологий позволило производить аналого-цифровые преобразователи наряду с развертыванием таких устройств, как жидкокристаллические дисплеи. Это позволило создать контрольно-измерительные приборы, которые могли бы измерять основные измерения ампер вольт и ом в цифровом виде.

В дополнение к этому, было возможно добавить дополнительные измерения по очень небольшой цене, что сделало эти испытательные приборы гораздо более универсальными, чем старые аналоговые аналоги.

Базовая блок-схема типичного цифрового мультиметра приведена на схеме ниже. Хотя разные цифровые мультиметры будут использовать разные схемы, одни и те же базовые методы, как правило, используются от одного измерительного прибора к другому.

Блок-схема цифрового мультиметра, использующего регистр последовательного приближения АЦП

Концепция, используемая в аналого-цифровом преобразовании, называется регистром последовательного приближения. Как следует из названия, регистр последовательного приближения АЦП работает путем последовательного поиска значения входящего напряжения.

Типовые элементы управления и подключения цифрового мультиметра

Интерфейсы на передней панели цифрового мультиметра обычно очень просты. Базовый цифровой мультиметр обычно имеет переключатель, дисплей и разъемы для измерительных щупов.

Основное подключение к типичному цифровому мультиметру показано на изображении и в описании ниже, но, очевидно, точная компоновка и возможности будут зависеть от конкретного используемого измерительного прибора.

Цифровой мультиметр с элементами управления и подключениями

1. Дисплей Дисплей цифрового мультиметра обычно легко увидеть и прочитать. Большинство из них имеют четыре цифры, первая из которых часто может быть либо 0, либо 1, и обычно также будет индикация + / -. В зависимости от модели цифрового мультиметра
могут быть также несколько других индикаторов меньшего размера, таких как переменный / постоянный ток и т. Д.
2. Основные соединения Датчики будут подключены к некоторым основным соединениям.Хотя одновременно нужны только двое, их может быть три или четыре. Обычно это могут быть:
   
   • Обычный — для использования со всеми измерениями, и для этого потребуется отрицательный или черный провод и датчик
   • Вольт, Ом, частота — это соединение используется для большинства измерений и включает положительный или красный провод и щуп.
   • Ампер и миллиампер — это соединение используется для измерения тока и снова будет подключаться к красному проводу и щупу.
   • Высокий ток — часто бывает отдельное соединение для сильноточных измерений.Следует проявлять осторожность, чтобы использовать это соединение, а не соединение с низким током, если ожидается высокий уровень тока
   Это типичные соединения для мультиметра, и каждая модель мультиметра может иметь свои собственные требования и соединения.
3. Главный выключатель Обычно используется один главный поворотный переключатель для выбора типа измерения и необходимого диапазона.
4. Дополнительные соединения Могут быть дополнительные соединения для других измерений, таких как температура, когда термопаре потребуются собственные соединения.Некоторые измерители также могут измерять усиление транзисторов, и для этого потребуются отдельные соединения на измерителе.
5. Дополнительные кнопки и переключатели Будет несколько дополнительных кнопок и переключателей. Основной, очевидно, будет кнопка включения / выключения. Также могут быть доступны другие функции, включая такие элементы, как удержание пикового значения

Переключатели и органы управления обычно устанавливаются с главным переключателем диапазонов, занимающим центральное положение на панели мультиметра.Дисплей обычно занимает место в верхней части прибора, чтобы его было легко увидеть, и он не был закрыт проводами, а также его все еще можно было увидеть, если переключатель задействован.

Любые дополнительные переключатели обычно располагаются вокруг главного переключателя, где к ним очень легко добраться.

Соединения для измерительных проводов обычно расположены в нижней части передней панели измерителя. Таким образом, до него можно легко добраться, но провода не мешают работе и обзору переключателей и дисплея.

Как пользоваться цифровым мультиметром

Работа самого цифрового мультиметра обычно очень проста. Зная, как проводить измерения напряжения, тока и сопротивления, нужно использовать мультиметр.

Если счетчик новый, очевидно, что для его питания потребуется установить батарею. Обычно это просто и понятно, подробности можно найти в инструкции по эксплуатации цифрового мультиметра.

При использовании глюкометра можно выполнить несколько простых шагов:

1. Включите счетчик
2. Вставьте датчики в правильные соединения — это необходимо, потому что может быть несколько различных соединений, которые можно использовать.
3. Установите переключатель на правильный тип измерения и диапазон, в котором должно быть выполнено измерение. При выборе диапазона убедитесь, что максимальный диапазон превышает ожидаемый. При необходимости диапазон цифрового мультиметра может быть уменьшен. Однако выбор слишком большого диапазона предотвращает перегрузку счетчика.
4. Оптимизируйте диапазон для лучшего чтения. Если возможно, разрешите всем начальным цифрам не считывать ноль, и таким образом можно будет прочитать наибольшее количество значащих цифр.
5. После завершения считывания рекомендуется поместить щупы в гнезда для измерения напряжения и установить диапазон на максимальное напряжение. Таким образом, если счетчик случайно подключен, не задумываясь об используемом диапазоне, вероятность повреждения счетчика мала. Это может быть неверно, если он оставлен на текущее показание, и счетчик случайно подключен к точке высокого напряжения!

При проведении каких-либо измерений необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить проскальзывания измерительных щупов, поскольку это может привести к короткому замыканию в проверяемой цепи.В крайних случаях это может вызвать короткое замыкание питания или повредить плату.

Обычно при проверке платы соединения расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы это не было проблемой, но следует проявлять осторожность, особенно при работе с цепями высокого напряжения и тока.

Общая точность цифрового мультиметра

Есть ряд элементов, которые способствуют тому, что можно условно назвать точностью. Двумя основными составляющими являются разрешение и фактическая точность измерительной системы

1. Разрешение Разрешение цифрового мультиметра часто указывается в количестве цифр.Цифровые мультиметры будут указаны в количестве цифр на дисплее. Обычно это число, состоящее из целого и половины, например 3 1/2 цифры. По соглашению половинная цифра может отображать либо ноль, либо 1. Этот трехцифровой счетчик может отображать до 1999 года. Иногда можно использовать трехчетвертную цифру. Это может отображать число больше единицы, но меньше девяти.
2. Точность Точность измерителя отличается от разрешения дисплея.Это представляет собой неточность показаний из-за неточностей цифрового мультиметра.

Хотя точность цифрового мультиметра будет намного выше, чем у аналогового мультиметра, он помогает понять разницу между точностью и разрешением.

Также необходимо понимать разницу между ними, чтобы понимать общую точность любых выполняемых измерений.

Цифровые мультиметры — очень универсальные измерительные приборы.С развитием цифровых технологий многие из этих измерительных приборов могут обеспечивать дополнительные измерения помимо измерений основного напряжения, тока и сопротивления. При покупке цифрового мультиметра стоит выбрать тот, который может измерять параметры, которые могут потребоваться.

Цифровые мультиметры могут выполнять очень точные измерения и отображать их так, чтобы они легко читались.

Другие темы тестирования:
Анализатор сети передачи данных Цифровой мультиметр Частотомер Осциллограф Генераторы сигналов Анализатор спектра Измеритель LCR Дип-метр, ГДО Логический анализатор Измеритель мощности RF Генератор радиочастотных сигналов Логический зонд Тестирование и тестеры PAT Рефлектометр во временной области Векторный анализатор цепей PXI GPIB Граничное сканирование / JTAG Получение данных
Вернуться в меню тестирования.. .

% PDF-1.5 % 1 0 obj> эндобдж 2 0 obj> эндобдж 3 0 obj> эндобдж 4 0 obj> поток конечный поток эндобдж xref 0 5 0000000000 65535 ф 0000000016 00000 н. 0000000075 00000 н. 0000000120 00000 н. 0000000210 00000 н. трейлер ] >> startxref 3379 %% EOF 1 0 obj> / OCG [11 0 R] >>>> эндобдж 2 0 obj> эндобдж 3 0 obj> эндобдж 5 0 obj null эндобдж 6 0 obj> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / ExtGState >>>>> эндобдж 7 0 obj> эндобдж 8 0 obj> эндобдж 9 0 obj> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Subtype / Form / FormType 1 / Matrix [1.kx- 獼 w # | OY | omq6? ‘_] — @ [茮 z / «0

Динамические параметры церебральной перфузии и накопление магнитных наночастиц, оцененные с помощью биосусцептометрии переменного тока

Оценка церебрального кровотока (CBF) в основном выполняется с помощью сцинтиграфии, компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Новые подходы к оценке CBF через прохождение магнитных наночастиц (MNP) к гематоэнцефалическому барьеру (BBB) ​​удобны для уменьшения использования ионизирующего излучения и реализации необходимого режима МРТ в клиниках.Развитие наномедицины и новых биомедицинских устройств, таких как визуализация магнитных частиц (MPI), позволило использовать новые подходы к изучению динамического кровотока в головном мозге. В этой статье мы использовали MNP и биосусцептометрию переменного тока (ACB) для изучения перфузии мозга. Мы использовали маннит перед инъекцией MNP, чтобы модулировать проницаемость BBB и изучить его влияние на время циркуляции MNP в головном мозге крыс. Кроме того, мы охарактеризовали новый датчик ACB, чтобы повысить применимость системы для изучения накопления MNP, особенно в головном мозге животных.Наши данные показали, что введение маннита увеличивает время циркуляции МНЧ в головном мозге. Кроме того, маннитол увеличивал накопление МНЧ в головном мозге. В этой статье предлагается использовать ACB в качестве инструмента для изучения перфузии мозга и накопления MNP в исследованиях новых наноагентов, направленных на диагностику и лечение мозга.

Список литературы

[1] Николов Н., Макеев С., Ярошенко О., Новикова Т., Глоба М. Количественная оценка абсолютного значения церебрального кровотока по данным сцинтиграфических исследований с 99mTc-HMPAO.Наукови вести НТУУ КПИ 2017; 1: 618. Искать в Google Scholar

[2] Куикка Дж., Ахонен А., Койвула А., Калланранта Т., Лайтинен Дж. Внутривенный изотопный метод для измерения регионального мозгового кровотока (rCBF) и объема (rCBV). Phys Med Biol 1977; 22: 958–70. Искать в Google Scholar

[3] Толонен Ю., Ахонен А., Сулг И., Куикка Дж., Калланранта Т., Коскинен М. и др. Серийные измерения количественной ЭЭГ, мозгового кровотока и времени кровообращения после инфаркта головного мозга. Acta Neurol Scand 1981; 63: 145–55.Искать в Google Scholar

[4] Leijenaar JF, van Maurik IS, Kuijer JP, van der Flier WM, Scheltens P, Barkhof F, et al. Снижение мозгового кровотока у субъектов с деменцией Альцгеймера, легкими когнитивными нарушениями и субъективным снижением когнитивных способностей с использованием двухмерной фазово-контрастной магнитно-резонансной томографии. Alzheimers Dement (Amst) 2017; 9: 76–83. Искать в Google Scholar

[5] Shi Y, Thrippleton MJ, Makin SD, Marshall I, Geerlings MI, de Craen AJ, et al. Церебральный кровоток при заболевании мелких сосудов: систематический обзор и метаанализ.J Cereb Blood Flow Metab 2016; 36: 1653–67. Искать в Google Scholar

[6] Bonnemain B. Суперпарамагнитные агенты в магнитно-резонансной томографии: физико-химические характеристики и клиническое применение. Обзор. J Drug Target 1998; 6: 167–74. Искать в Google Scholar

[7] Schwenk MH. Ферумокситол: новый препарат железа для внутривенного введения для лечения железодефицитной анемии у пациентов с хронической болезнью почек. Фармакотерапия 2010; 30: 70–9. Искать в Google Scholar

[8] Cole AJ, Yang VC, David AE.Тераностика рака: появление целевых магнитных наночастиц. Trends Biotechnol 2011; 29: 323–32. Ищите в Google Scholar

[9] Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Глоссарий терминов FDA [обновлено 14.11.2017]. Доступно по адресу: https://www.fda.gov/drugs/informationondrugs/ucm079436.htm. Дата обращения 15.06.2018. Искать в Google Scholar

[10] Sun C, Lee JS, Zhang M. Магнитные наночастицы в МРТ и доставке лекарств. Adv Drug Deliv Rev 2008; 60: 1252–65. Искать в Google Scholar

[11] Albanese A, Tang PS, Chan WC.Влияние размера, формы и химического состава наночастиц на биологические системы. Annu Rev Biomed Eng 2012; 14: 1–16. Искать в Google Scholar

[12] Lacava LM, Lacava ZG, Da Silva MF, Silva O, Chaves SB, Azevedo RB, et al. Магнитный резонанс магнитной жидкости, покрытой декстраном, внутривенно вводимой мышам. Biophys J 2001; 80: 2483–6. Искать в Google Scholar

[13] Huang HS, Hainfeld JF. Внутривенная гипертермия рака магнитными наночастицами. Int J Nanomedicine 2013; 8: 2521–32.Искать в Google Scholar

[14] Jain TK, Richey J, Strand M, Leslie-Pelecky DL, Flask CA, Labhasetwar V. Магнитные наночастицы с двойными функциональными свойствами: доставка лекарств и магнитно-резонансная томография. Биоматериалы 2008; 29: 4012–21. Искать в Google Scholar

[15] Weizenecker J, Gleich B, Rahmer J, Dahnke H, Borgert J. Трехмерная визуализация магнитных частиц in vivo в реальном времени. Phys Med Biol 2009; 54: L1–10. Искать в Google Scholar

[16] Людвиг П., Гданец Н., Седлачик Дж., Форкерт Н.Д., Шваргульски П., Грэзер М. и др.Визуализация магнитных частиц для визуализации перфузии в режиме реального времени при остром инсульте. ACS Nano 2017; 11: 10480–8. Искать в Google Scholar

[17] Gräser M, Thieben F, Szwargulski P, Werner F, Gdaniec N, Boberg M, et al. Получение изображений магнитных частиц размером с человека для исследований мозга. Nat Commun 2019; 10: 1–9. Искать в Google Scholar

[18] Cora LA, Americo MF, Romeiro FG, Oliveira RB, Miranda JR. Фармацевтическое применение биосусцептометрии переменного тока. Евро Дж Фарм Биофарм 2010; 74: 67–77. Искать в Google Scholar

[19] Quini CC, Americo MF, Cora LA, Calabresi MF, Alvarez M, Oliveira RB, et al.Использование неинвазивного магнитного метода для оценки желудочно-кишечного транзита у крыс. J Bio Eng 2012; 6: 6. Искать в Google Scholar

[20] Quini CC, Prospero AG, Calabresi MFF, Moretto GM, Zufelato N, Krishnan S, et al. Поглощение печенью и биораспределение магнитных наночастиц в режиме реального времени определяется биосусцептометрией переменного тока. Наномедицина 2017; 13: 1519–29. Искать в Google Scholar

[21] Просперо АГ, Куини С.Ч., Бакузис А.Ф., Фиделис-де-Оливейра П., Моретто Г.М., Мелло Ф.П. и др. in vivo мониторинг магнитных наночастиц в кровотоке в режиме реального времени с помощью биосусцептометрии переменного тока. Журнал Нанобиотехнологии 2017; 15:22. Искать в Google Scholar

[22] Quini CC, Matos JF, Prospero AG, Calabresi MFF, Zufelato N, Bakuzis AF, et al. Оценка почечной перфузии с помощью биосусцептометрии магнитных наночастиц на переменном токе. J Magn Magn Mater 2015; 380: 2–6. Искать в Google Scholar

[23] Schroeder U, Sommerfeld P, Ulrich S, Sabel BA. Технология наночастиц для доставки лекарств через гематоэнцефалический барьер.J Pharm Sci 1998; 87: 1305–7. Искать в Google Scholar

[24] Табатабаи С.Н., Жируар Х., Каррет А.С., Мартель С. Дистанционное управление проницаемостью гематоэнцефалического барьера с помощью магнитного нагрева наночастиц: доказательство концепции доставки лекарств в мозг. J Control Release 2015; 206: 49–57. Искать в Google Scholar

[25] Вилелла А., Руози Б., Беллетти Д., Педерзоли Ф., Галлиани М., Семегини В. и др. Эндоцитоз наномедицинских препаратов: случай наночастиц PLGA, созданных гликопептидом.Фармацевтика 2015; 7: 74–89. Искать в Google Scholar

[26] von Roemeling C, Jiang W, Chan CK, Weissman IL, Kim BY. Преодолевая преграды на пути к точной наномедицине против рака. Тенденции биотехнологии 2017; 35: 159–71. Искать в Google Scholar

[27] Lippens RJ. Липосомальный даунорубицин (DaunoXome) у детей с рецидивирующими или прогрессирующими опухолями головного мозга. Pediatr Hematol Oncol 1999; 16: 131–9. Искать в Google Scholar

[28] Кукуракис М.И., Кукураки С., Фезулидис И., Келекис Н., Кириас Г., Архимандрит С. и др.Высокое внутриопухолевое накопление скрытого липосомального доксорубицина (Caelyx) в глиобластомах и метастатических опухолях головного мозга. Br J Cancer 2000; 83: 1281–6. Искать в Google Scholar

[29] Chua SL, Rosenthal MA, Wong SS, Ashley DM, Woods AM, Dowling A, et al. Фаза 2 исследования темозоломида и Caelyx у пациентов с рецидивирующей мультиформной глиобластомой. Neuro Oncol 2004; 6: 38–43. Искать в Google Scholar

[30] Abbott NJ. Структура и функция гематоэнцефалического барьера и проблемы доставки лекарств в ЦНС.Журнал Наследие Metab Dis 2013; 36: 437–49. Искать в Google Scholar

[31] Rapoport SI. Осмотическое открытие гематоэнцефалического барьера: принципы, механизм и терапевтическое применение. Cell Mol Neurobiol 2000; 20: 217–30. Искать в Google Scholar

[32] Muizelaar JP, Wei EP, Kontos HA, Becker DP. Маннитол вызывает компенсаторное сужение сосудов головного мозга и расширение сосудов в ответ на изменения вязкости крови. J. Neurosurg 1983; 59: 822–8. Искать в Google Scholar

[33] Kim JS, Yoon TJ, Yu KN, Kim BG, Park SJ, Kim HW, et al.Токсичность и тканевое распределение магнитных наночастиц у мышей. Toxicol Sci 2006; 89: 338–47. Искать в Google Scholar

[34] Branquinho LC, Carriao MS, Costa AS, Zufelato N, Sousa MH, Miotto R, et al. Влияние магнитных диполярных взаимодействий на эффективность нагрева наночастиц: последствия для гипертермии рака. Sci Rep UK 2014; 4: 3637. Искать в Google Scholar

[35] Rodrigues HF, Capistrano G, Mello FM, Zufelato N, Silveira-Lacerda E, Bakuzis AF. Точное определение доставки тепла во время гипертермии магнитных наночастиц in vivo с помощью инфракрасной термографии.Phys Med Biol 2017; 62: 4062–82. Искать в Google Scholar

[36] Silva AC, Bock NA. МРТ с усилением марганца: исключительный инструмент в трансляционной нейровизуализации. Schizophr Bull 2008; 34: 595–604. Искать в Google Scholar

[37] Bock NA, Paiva FF, Silva AC. МРТ с фракционированным марганцем. ЯМР Биомед 2008; 21: 473–8. Искать в Google Scholar

[38] Zhang S, Zhou Z, Fu J. Влияние воздействия хлорида марганца на функцию митохондрий печени и мозга у крыс. Environ Res 2003; 93: 149–57.Искать в Google Scholar

[39] Miranda JRA, Oliveira RB, Sousa PL, Braga FJH, Baffa O. Новый биомагнитный метод исследования сокращений антрального отдела желудка. Phys Med Biol 1997; 42: 1791–9. Искать в Google Scholar

[40] Baffa O, Oliveira RB, Miranda JR, Troncon LE. Анализ и разработка биосусцептометра переменного тока для измерения времени прохождения через рот. Med Biol Eng Comput 1995; 33: 353–7. Искать в Google Scholar

[41] Americo MF, Oliveira RB, Romeiro FG, Baffa O, Cora LA, Miranda JR.Сцинтиграфическая проверка биосусцептометрии AC для изучения двигательной активности желудка и внутрижелудочного распределения пищи у людей. Нейрогастроэнтерол Мотил 2007; 19: 804–11. Искать в Google Scholar

[42] Oliveira RB, Baffa O, Troncon LEA, Miranda JRA, Cambrea CR. Оценка биомагнитного метода измерения времени прохождения через рот. Eur J Gastroenterol Hepatol 1996; 8: 491–5. Искать в Google Scholar

[43] Сутумманон С., Омачону В.К., Акчин М. Применение калькуляции затрат на основе видов деятельности к подразделению ядерной медицины.Health Serv Manage Res 2005; 18: 141–50. Поиск в Google Scholar

[44] Чой Х.С., Лю В., Мисра П., Танака Э., Циммер Дж. П., Итти Ипе Б. и др. Почечный клиренс квантовых точек. Nat Biotechnol 2007; 25: 1165–70. Искать в Google Scholar

[45] Chen LT, Weiss L. Роль стенки пазухи в прохождении эритроцитов через селезенку. Кровь 1973; 41: 529–37. Искать в Google Scholar

[46] Bereczki D, Liu M, do Prado GF, Fekete I. Маннитол для острого инсульта. Кокрановская база данных Syst Rev 2007; 3: 1–16.Искать в Google Scholar

[47] Bereczki D, Liu M, Prado GF, Fekete I. Кокрановский отчет: систематический обзор терапии маннитом при остром ишемическом инсульте и паренхиматозном кровоизлиянии в мозг. Инсульт 2000; 31: 2719–22. Искать в Google Scholar

[48] Алам М.И., Бег С., Самад А., Бабута С., Кохли К., Али Дж. И др. Стратегия эффективной доставки лекарств в мозг. Eur J Pharm Sci 2010; 40: 385–403. Искать в Google Scholar

[49] Sahoo SK, Labhasetwar V. Нанотехнологические подходы к доставке лекарств и визуализации.Drug Discov Today 2003; 8: 1112–20. Искать в Google Scholar

[50] Singh R, Lillard Jr JW. Таргетированная доставка лекарств на основе наночастиц. Exp Mol Pathol 2009; 86: 215–23. Искать в Google Scholar

[51] Wadghiri YZ, Sigurdsson EM, Sadowski M, Elliott JI, Li Y, Scholtzova H, et al. Обнаружение амилоида Альцгеймера у трансгенных мышей с помощью магнитно-резонансной микровизуализации. Magn Reson Med 2003; 50: 293–302. Искать в Google Scholar

[52] Son S, Jang J, Youn H, Lee S, Lee D, Lee Y-S, et al.Направленный на мозг гликопротеин-дисульфидный связанный наноноситель PEI вируса бешенства для доставки нейрогенной микроРНК. Биоматериалы 2011; 32: 4968–75. Искать в Google Scholar

[53] Oliveira RR, Carrião MS, Pacheco MT, Branquinho LC, de Souza ALR, Bakuzis AF, et al. Триггерное высвобождение паклитаксела из магнитных твердых липидных наночастиц путем магнитной гипертермии. Mat Sci Eng C 2018; 92: 547–53. Искать в Google Scholar

[54] Фантини С., Сассароли А., Тгавалекос К.Т., Корнблут Дж. Церебральный кровоток и ауторегуляция: современные методы измерения и перспективы неинвазивных оптических методов.Нейрофотоника 2016; 3: 031411. Искать в Google Scholar

[55] Ficko BW, Giacometti P, Diamond SG. Построение изображения нелинейной восприимчивости магнитных наночастиц. J Magn Magn Mater 2015; 378: 267–77. Искать в Google Scholar

Измерение мутности, TSS и прозрачности воды

Методы измерения мутности и общего содержания взвешенных веществ

Мутность можно измерить напрямую с помощью измерителя / датчика мутности или косвенно с помощью диска / трубки Секки.

Мутность, как оптическое свойство воды, является одним из наиболее сложных параметров для измерения.Насколько мутная или непрозрачная вода может быть субъективным измерением ¹ . На основе метода измерения были определены различные единицы для стандартизации уровней мутности и проведения сравнений. Сегодня существует три современных метода измерения мутности и два метода измерения общего содержания взвешенных веществ. Эти методы расширили диапазон и точность измерений мутности на основе базовых тестов видимости объектов и исторических методов визуального исчезновения ² . Однако у каждого метода есть свои преимущества и недостатки.

Мутность вызывается частицами и цветным материалом в воде. Его можно измерить относительно прозрачности воды или непосредственно с помощью прибора для измерения мутности, такого как мутномер или датчик мутности. Датчики мутности могут также называться погружными турбидиметрами ²⁸ . Методы очистки воды включают использование диска Секки или трубки. Они часто бывают быстрыми и недорогими, но точны настолько, насколько точен человек, использующий их ¹ . Измерители мутности используют нефелометрию (рассеяние на 90 градусов) или другие методы определения оптического рассеяния для быстрых и точных измерений мутности проб воды.Датчики мутности также используют оптическую технологию, но вместо использования ячеек для проб их можно разместить непосредственно в источнике воды для измерения мутности. Кроме того, датчики мутности могут использоваться для непрерывных измерений мутности ^21,22,23 . Однако при использовании измерителя или датчика большинство данных о мутности несовместимы. Единицы измерения мутности, такие как NTU и FNU, «не имеют внутреннего физического, химического или биологического значения» ⁵² . Таким образом, различия в типе взвешенных отложений (например,грамм. водоросли, глина или песок) и различия в конструкции прибора изменят показания мутности. Эти инструменты могут быть удобными и точными, если сохраняется последовательность.

Данные обратного рассеяния от акустических доплеровских измерителей могут использоваться для моделирования концентраций взвешенных отложений. Данные из информационного бюллетеня USGS 2014-3038.

Общие взвешенные твердые частицы (TSS) являются основной причиной мутности. Самый распространенный и точный метод измерения взвешенных твердых частиц — это вес. Для измерения TSS пробу воды фильтруют, сушат и взвешивают.Этот метод является наиболее точным методом измерения общего содержания взвешенных твердых частиц, однако он также более сложен и требует много времени. ³ .

Второй метод — недавняя разработка Геологической службы США. Эта организация разработала методику расчета взвешенных наносов на основе обратного рассеяния акустического доплеровского измерителя ⁴ . Хотя этот метод не так точен, как весы, он дает возможность непрерывного измерения взвешенных отложений, так же как датчики мутности позволяют проводить непрерывные измерения мутности.Общее количество взвешенных твердых частиц также можно оценить по измерениям мутности, однако для этого требуется моделирование линейной регрессии, и его необходимо пересчитывать для каждого периода и местоположения отбора проб. Стандартной модели не существует из-за различий в потоке, концентрации наносов и размере частиц ⁵ .

Примечание о мутности, единицах мутности и пересчете единиц

Осадки вливаются в пролив Хуан-де-Фука из реки Эльва после сноса плотины. Фото: Джон Фелис, USGS

Как упоминалось выше, единицы мутности не имеют внутренней ценности.Это качественное, а не количественное измерение ⁵⁴ . Не существует стандартного преобразования между различными единицами измерения мутности (например, NTU или FNU) и количественными измерениями массы (мг / л) ⁵² . Кроме того, чистая вода не всегда полезна для здоровья, а также мутная вода не обязательно указывает на проблему. Данные о мутности всегда следует брать в контексте ⁵⁴ . Это означает, что важно учитывать природу присутствующих взвешенных частиц в более широкой картине водной системы (например,грамм. ручей, озеро, океан или очистные сооружения). С этой целью чаще всего изменение мутности указывает на проблему, такую ​​как развитие цветения водорослей на озере или постоянное увеличение взвешенных наносов в реке из-за загрязненного притока.

Как качественное, контекстное измерение, разнообразие используемых единиц мутности может сбивать с толку. В каждом методе измерения используются разные единицы измерения. Было введено множество единиц мутности, потому что изменение типа источника света, детектора или угла измерения изменяет показания мутности.Кроме того, твердые частицы на минеральной основе будут отражать больше света, а органические частицы, как правило, поглощают больше света ⁵ . Эти эффекты основаны на соотношении между светом (длинами волн и шириной луча) и размером частиц, цветом и концентрацией ⁵⁴ . Таким образом, разные приборы для измерения мутности могут выдавать различные измерения мутности даже в одном и том же образце ⁵¹ .

Хотя единицы мутности могут быть приблизительно равными, для обеспечения точных записей необходимо поддерживать последовательность в методах и инструментах.Исторически сложилось так, что такие единицы, как NTU и JTU, часто ошибочно менялись местами, поскольку предполагалось, что они эквивалентны ^55,56 . К сожалению, такая практика существует и сегодня, особенно с FNU и NTU ⁵⁷ . Многие руководства по приборам предлагают использовать неподходящие единицы просто потому, что они более известны. Какие единицы измерения следует использовать для какого метода измерения или конструкции прибора, можно найти в разделе «Стандарты качества».

Эти показания были сняты с помощью EPA 180.1 мутномер (NTU) и датчик мутности ISO 7027 (FNU). Хотя показания часто похожи, они не совпадают.

Если использование определенного устройства абсолютно необходимо, можно определить корреляцию между двумя приборами измерения мутности ¹⁸ . Эти расчетные модели могут использоваться для преобразования единиц измерения и сравнения данных с разных инструментов при использовании одного и того же образца или одного и того же участка поверхностных вод ⁵⁴ . Точно так же могут быть сделаны корреляции между концентрациями взвешенных отложений и измерениями мутности ⁵ .Однако эти расчетные модели подходят только для конкретного места, где проводились измерения. Поверхностные воды не статичны, а уровни и источники мутности зависят от местоположения, сезона или других факторов ^51,54 . Таким образом, в других водоемах с измененными типом, размером и распределением частиц такие преобразования больше не точны ⁵⁴ . Необходимо провести новые измерения, чтобы рассчитать новую модель преобразования для этого местоположения.

Единственный дождь во Вьетнаме привел к значительным колебаниям мутности.Фото: Джоанна Слаетс через Environmental Monitor.

Корреляции между общими взвешенными твердыми частицами или концентрациями взвешенных отложений в мг / л и мутностью в единицах мутности могут быть выполнены с помощью линейного регрессионного анализа при условии сбора достаточного количества данных ⁵ . В пробах на чисто минеральной основе это соотношение выражается следующим уравнением ²⁹ :

NTU = a * TSS ^b
NTU = Измерение мутности
TSS = Измерение взвешенных веществ в мг / л
a = регрессия -оценочный коэффициент
b = оценочный коэффициент регрессии, приблизительно равный 1

Когда присутствует органический материал, пузырьки воздуха или растворенный окрашенный материал, это уравнение может стать несовместимым ²⁹ .Кроме того, точность корреляции основана на линейной зависимости между мутностью и взвешенными твердыми частицами ²⁹ . Когда зависимость становится нелинейной (более 40 NTU для нефелометрических методов), уравнение больше не подходит. При моделировании Геологической службы США для расчета регрессионных моделей в дополнение к измерениям мутности и взвешенных отложений используются данные о речных стоках. Геологическая служба США рекомендует использовать логарифмическое преобразование с основанием 10, чтобы соответствовать предположениям линейной регрессии ⁵⁸ .Преобразование данных улучшает симметрию, линейность и нормальность, хотя также требует поправочного коэффициента смещения повторного преобразования ⁵⁸ . Пример модели линейной регрессии с помощью этого метода может выглядеть так:

Log ₁₀ (SSC) = a * Log ₁₀ (Turb) + b
SSC = концентрация взвешенных отложений в мг / л
Мутность = мутность в нефелометрических единицах формазина (FNU)
a = коэффициент регрессии
b = поправочный коэффициент смещения Дуана

После принятия регрессионной модели ее можно использовать для прогнозирования концентраций взвешенных отложений ⁵⁸ .Модель следует повторно проанализировать и при необходимости проверить, исходя из природы источника поверхностных вод. Если одна модель линейной регрессии не соответствует установленным критериям, можно использовать модель множественной регрессии ⁵⁸ . Хотя стандартной формулы не существует, эти рассчитанные корреляции могут быть полезны при мониторинге качества воды ⁵² . Следует проявлять осторожность при установлении взаимосвязи между мутностью и взвешенными отложениями, поскольку значения обоих параметров в водоеме могут постоянно изменяться ⁵¹ .

Если доступно достаточно данных, можно установить соотношение между расходом, мутностью и общим количеством взвешенных твердых частиц. (Графические данные из Fink, глава 4.)

Стандарты качества

Чтобы еще больше усложнить измерения мутности, существует несколько стандартных методов качества воды и стандартов проектирования. Агентство по охране окружающей среды США утвердило восемь стандартов мониторинга питьевой воды ⁴¹ . До 2009 года были приняты только четыре метода: Метод 180 USEPA.1, Стандартный метод 2130B, Метод 2 прибора Great Lakes (GLI 2) и метод Хаха 10133 ¹⁸ . В 2009 году USEPA одобрило четыре новых метода: методы Mitchell M5271 и M5331, Orion AQ4500 и AMI Turbiwell ⁴⁰ .

Геологическая служба США использует, но не требует, некоторые методы, одобренные Агентством по охране окружающей среды, поскольку ненормативные методы могут быть более точными при более высоких уровнях мутности. ¹⁸ . Общие методы USGS: Международная организация по стандартизации (ISO) 7027, стандартные методы 2130B, метод USEPA 180.1 и метод 2 GLI ⁶ . Метод обратного рассеяния ADCP также набирает обороты для мониторинга общего содержания взвешенных твердых частиц, в частности ⁴ . Однако при мониторинге питьевой воды USGS заявляет, что необходимо следовать утвержденным EPA методам ¹⁸ .

Из всех этих методов, EPA Method 180.1 и ISO 7027 являются наиболее известными руководящими принципами и признаны во всем мире при проверке характеристик измерителя мутности и датчика мутности, а также на соответствие методу ¹⁴ .За пределами США используется метод ISO 7027 ²⁸ . Американское общество испытаний материалов считает некоторые из этих методов подходящими и рекомендует инструменты, использующие соответствующие технологии, исходя из уровня мутности ^19,20 . Однако ASTM D7315 очень специфичен в отношении процедур отчетности — единицы должны точно указывать, какая конструкция прибора используется ^19,24 .

Используемые единицы мутности должны основываться на конструкции прибора, чтобы обеспечить точные и сопоставимые данные.

К другим инструментальным методам измерения мутности относятся: ослабление света, поверхностное рассеяние и обратное рассеяние ¹⁹ . Хотя турбидиметры и спектрофотометры, использующие эти конструкции, существуют, они не соответствуют ни одному из вышеперечисленных стандартов. Чтобы обеспечить точную отчетность при использовании ратиометрического измерителя мутности или датчика мутности на основе обратного рассеяния, протокол отчета по единицам ASTM D7315 должен иметь ссылку ²⁴ .

EPA Method 180.1

Нефелометрия измеряет количество света, рассеянного под углом 90 градусов от проходящего света.

Метод 180.1 «Определение мутности нефелометрией» является стандартом Агентства по охране окружающей среды США для проектирования измерителей мутности. Стандартизированные критерии призваны обеспечить как точность, так и сопоставимость между совместимыми счетчиками ¹⁵ . В приборах, соответствующих методу 180.1 EPA, используются нефелометрические единицы мутности (NTU) ¹⁵ .

В этом методе используется нефелометрическая технология, которая измеряет рассеяние света под углом 90 градусов от первоначального светового пути ¹⁶ .Фотоприемник должен быть отцентрирован под этим углом и не может выходить более чем на 30 градусов от этой центральной точки. Чтобы свести к минимуму различия в измерениях светорассеяния, метод утверждает, что падающий и рассеянный свет не может проходить более чем на 10 см от источника света до фотодетектора ¹⁵ . В этом методе разрешены дополнительные фотодетекторы при условии, что угол 90 градусов является основным детектором.

EPA Method 180.1 дополнительно требует, чтобы источником света, используемым в каждом измерителе мутности, была вольфрамовая лампа с цветовой температурой от 2000 K до 3000 K ¹⁵ .Это означает, что выход из вольфрама является полихроматическим или широкополосным по спектру. Когда свет достигает фотодетектора, спектральный пиковый отклик должен находиться в диапазоне 400-600 нм. Использование широкого спектрального диапазона означает, что на измеритель мутности могут влиять окрашенные образцы. Поскольку растворенное окрашенное вещество может поглощать волны некоторых длин, точность измерителя может снизиться ¹⁶ . Однако широкополосный спектр также позволяет измерителю быть чувствительным к более мелким частицам. Эта чувствительность означает, что источник вольфрамовой лампы обеспечит более точный отклик, чем источник монохроматического света, при измерении образца с очень мелкими частицами ¹⁶ .

Широкополосный выход вольфрамовой лампы позволяет ей быть более чувствительной к мелким взвешенным частицам, чем монохроматические источники света.

Использование вольфрамовой лампы в качестве источника света требует ежедневной проверки калибровки и частой повторной калибровки ¹⁶ . Это происходит из-за угасания накаливания, присущего лампе. Поскольку лампа медленно перегорает, как и любая другая лампа накаливания, световой поток также будет уменьшаться, изменяя показания ¹⁶ .Частая повторная калибровка сводит к минимуму любые ошибки из-за затухания света.

Приборы, соответствующие методу 180.1 EPA, подходят для измерения уровней мутности от 0 до 40 NTU (нефелометрические единицы мутности). Эти измерители мутности должны иметь разрешение 0,02 NTU или лучше в воде с мутностью менее 1 NTU ¹⁵ . Однако эти измерители мутности не будут такими точными при уровнях мутности выше 40 NTU. На более высоких уровнях зависимость между рассеянием света и мутностью становится нелинейной.Это означает, что количество рассеянного света, которое может достичь фотодетектора, уменьшается, ограничивая возможности прибора ¹⁶ . Вместо этого эти инструменты лучше всего использовать при мониторинге очищенной воды, так как в ней мало интерференции цвета и ограниченная мутность.

Метод 180.1 EPA допускает разбавление, если образец превышает 40 NTU ⁶ . После разбавления образца ниже 40 NTU и повторного измерения новое показание умножается на коэффициент разбавления для расчета мутности исходного образца ³¹ .

Методика расчета мутности исходной пробы после разбавления. EPA Method 180.1 и стандартные методы, 18-е изд.

NTU = (A * (B + C)) / C
A = NTU в разбавленной пробе,
B = объем разбавляющей воды, мл и
C = объем пробы, взятой для разбавления, мл.

ISO 7027

Международная организация по стандартизации разработала более строгий стандарт проектирования, известный как ISO 7027 «Качество воды — определение мутности» ¹⁶ . Этот стандарт проектирования пытается гарантировать, что датчики и измерители мутности, соответствующие этому методу, будут иметь хорошую воспроизводимость и сопоставимость ¹⁶ .Хотя он широко используется в Европе, этот метод не одобрен Агентством по охране окружающей среды США для правил питьевой воды ¹⁸ .

Стандарт ISO 7027, наиболее известный своим требованием к источнику монохроматического света, устраняет большинство цветовых интерференций ¹⁸ . Однако есть некоторая двусмысленность и заблуждение относительно соответствия инструментов в этой области. Этот метод, в частности, требует монохроматического источника света на длине волны 860 нм со спектральной полосой пропускания 60 нм ¹⁸ .Это позволяет изменять длину волны на +/- 30 нм от 860 для диапазона источника света 830-890 нм ³² . Хотя в качестве источника монохроматического света можно использовать как светодиоды, так и лампы с вольфрамовой нитью с фильтром, они не обязательно попадают в указанный диапазон. Светодиоды белого света не соответствуют требованиям ISO 7027. Стандарты проектирования

ISO 7027 также полагаются на нефелометрическую технологию, хотя в ней используется инфракрасный монохроматический источник света.

Кроме того, некоторые руководства по приборам и руководства по мутности ссылаются на требования ISO к длине волны света как «ближний ИК-диапазон» ¹⁸ .Ближний ИК-диапазон или ближний ИК-диапазон охватывает диапазон 780-900 нм, что выходит за рамки спецификаций ISO 7027. В то время как ближний ИК-диапазон отвечает тем же целям для ограниченного источника света (уменьшение цветовых помех и ошибки рассеянного света) , это не обязательно означает соответствие ¹⁸ . В большинстве приборов, соответствующих этому методу, используется светодиодный источник света с длиной волны 860 нм ¹⁸ .

Метод ISO 7027 требует, чтобы угол основного фотодетектора составлял 90 градусов +/- 2,5 градуса ¹⁸ .Допускаются дополнительные углы обнаружения (например, затухание), но нефелометрический 90-градусный детектор должен быть основным источником измерения. Угол приема детектора должен составлять 20-30 градусов (+/- 10-15 градусов) ⁵¹ . Это более точное требование, чем метод 180.1 EPA, который допускает +/- 30 градусов от прямого угла ³² . Как и в методе 180.1 EPA, расстояние светового пути ограничено 10 см (падающий свет + рассеянный свет) ¹¹ .

Пока они поддерживают нефелометрический угол обнаружения и светодиодный источник света ближнего инфракрасного диапазона, датчики мутности могут иметь другие оптические окна и конструктивные особенности, оставаясь при этом совместимыми с ISO 7027.

Для мутности от 0 до 40 NTU рекомендуемые единицы для этого метода — нефелометрические единицы формазина (FNU) ¹⁸ . Этот диапазон можно расширить, разбавив образец до уровня ниже 40 NTU, а затем умножив на коэффициент разбавления. Геологическая служба США предполагает, что этот метод может использоваться до 1000 NTU с одним фотодетектором или до 4000 NTU при использовании нескольких детекторов (ратиометрический) ¹⁸ . Если используется несколько детекторов, единицы должны быть единицами нефелометрического отношения формазина (FNRU).

И EPA 180.1, и ISO 7027 используют нефелометрическую технологию, откалиброванную по стандарту формазина ¹⁴ . Однако различия в источниках света и небольшие различия в конструкции приводят к разным результатам измерений. ISO 7027 имеет преимущество в том, что ближний инфракрасный свет редко поглощается окрашенными частицами и молекулами, что снижает ошибку, которая будет присутствовать при использовании широкополосного источника света ¹⁸ . Кроме того, светодиоды имеют тенденцию быть более стабильными с течением времени, требуя меньше калибровки ⁴⁵ .Однако, поскольку более длинные волны менее чувствительны к мелким частицам, ISO 7027 будет давать несколько более низкие показания мутности, чем EPA 180.1, при низких значениях мутности ³² .

GLI Method 2

Модулированный 4-лучевой турбидиметр чередует световые импульсы от двух источников света на чередующиеся первичный и вторичный детекторы Это также удваивает количество выполненных измерений.Таким образом, эта конструкция также известна как модулированный четырехлучевой турбидиметр. Используя два измерения, два источника света и два детектора, этот метод может сравнивать результаты между детекторами и устранять ошибки ¹⁸ .

Для этого метода требуются светодиоды с длиной волны 860 нм, которые позволяют выполнять цветовую компенсацию, так же, как метод однолучевого излучения ISO 7027 ¹⁸ . Светодиоды чередуют световые импульсы каждые полсекунды. Фотодетекторы снимают одновременные показания, обеспечивая «активный сигнал» и «опорный сигнал» ¹⁶ .Детектор, расположенный прямо напротив активного светодиода, считается активным сигналом, а детектор под углом 90 градусов считается опорным сигналом. Каждые полсекунды активный и опорный сигналы переключаются, так как второй светодиодный индикатор мигает ¹⁶ . Таким образом, метод GLI2 обеспечивает два активных и два контрольных измерения для определения каждого показания. Логометрические расчеты, используемые для определения мутности, означают, что вход и выход света прямо пропорциональны. Таким образом, любые ошибки, которые могут появиться, математически аннулируются ¹⁶ .

Логометрический алгоритм с модуляцией четырех лучей может использовать следующую формулу ³⁷ :

NTU = Cal _slope * Sqrt ((Active1 * Active2) / (Reference1 * Reference2)) — Cal ₀

Cal _slope = Калибровочный коэффициент
Актив1 = ток детектора 90 градусов (источник света 1 включен, источник света 2 выключен)
Active2 = ток детектора 90 градусов (источник света 1 выключен, источник света 2 включен)
Reference1 = переданный ток детектора ( Источник света 1 ВКЛ, Источник света 2 ВЫКЛ)
Эталон2 = Проходящий ток детектора (Источник света 1 ВЫКЛ, Источник света 2 ВКЛ)
Cal ₀ = Калибровочный коэффициент

Загрязнение, осадок или интерференция цвета влияют на оба детектора одинаково, любой потенциал ошибки аннулируются ³⁷ .

Основанный на ратиометрических (прямо пропорциональных) алгоритмах, используемых для расчета мутности, метод GLI2 позволяет повысить чувствительность и устранить ошибки в диапазоне 0–100 NTU ¹⁶ . Однако этот метод теряет некоторую точность, поскольку уровень мутности превышает 40 NTU ¹⁸ . Это связано с повышенной интенсивностью света. По мере увеличения мутности интенсивность рассеянного света также увеличивается ¹⁷ . Приборы GLI2 идеально подходят для более низких диапазонов мутности, и, в частности, при измерениях в диапазоне 0–1 NTU они очень точны ¹⁶ .

Из-за многолучевой конструкции USGS рекомендует использовать нефелометрические многолучевые единицы Formazin (FNMU) вместо NTU в качестве единиц мутности для этого метода ¹⁸ . Приборы этой конструкции по-прежнему относятся к нефелометрической технологии, поскольку в них используются фотодетекторы, расположенные под углом 90 градусов.

Метод Хаха 10133

Метод Хаха 10133 разработан для поточной системы или системы мониторинга процесса.

Метод Хаха 10133 — это одобренный EPA метод измерения мутности ¹⁸ .Хотя метод 10133 также основан на нефелометрической технологии (угол 90), в нем используется лазерный источник света, а не вольфрамовая лампа или инфракрасный светодиод. Не рекомендуется использовать, если уровень мутности превышает 5,0 NTU ³⁰ .

Чтобы соответствовать этому методу, лазерный диод должен излучать красный свет с длиной волны от 630 нм до 690 нм ³⁰ . Как и в случае методов EPA 180.1 и ISO 7027, общее расстояние, которое проходит световой луч, не может превышать 10 см.Детектор должен быть установлен под углом 90 градусов от пути падающего света и должен быть подключен к фотоумножителю (ФЭУ) через оптоволоконный кабель ³⁰ . Волоконно-оптические кабели также могут использоваться для передачи света от диода к образцу ³⁰ . ФЭУ используется для увеличения чувствительности фотоприемника. Эта установка также считается поточным или интерактивным методом технологического потока, поскольку в ней используются линии отбора проб вместо ячейки для отбора проб или динамического прибора (датчик мутности на месте) ^18,30 .

С лазерным диодом в качестве источника света и фотоумножительной трубкой, подключенной к детектору, приборы, соответствующие этому методу, могут обнаруживать чрезвычайно низкие уровни мутности ²⁰ . Из-за повышенного разрешения этого метода единицы для этого метода выражаются в миллинефелометрических единицах мутности (mNTU) (20). Таким образом, рекомендуемый диапазон для этих инструментов составляет 0-5 NTU (0-5000 мНТЕ). В отличие от предыдущих методов, метод Хаха 10133 не используется с датчиками или измерителями мутности.Он предназначен для оперативного или технологического мониторинга ³⁰ . Приборы, соответствующие этому методу, идеально подходят для очень низких уровней мутности, таких как мониторинг питьевой воды или сточных вод очистных сооружений ¹⁸ .

Стандартные методы 2130B

Стандартные методы 2130B (в том виде, в каком он используется сегодня) был создан Американской ассоциацией общественного здравоохранения (APHA) в Стандартных методах исследования воды и сточных вод, 19-е издание ³² .Почти идентичный методу 180.1 USEPA, стандартные методы 2130B четко определяют основы нефелометрической технологии, а также методы создания надлежащего первичного калибровочного стандарта ³¹ . Хотя эти два метода часто меняются местами, большинство инструментов и процедур отчетности по умолчанию соответствуют методу 180.1 EPA, так как он более известен и чаще используется ³² .

Созданные с разницей в два года (1993 и 1995 гг. Соответственно), как метод USEPA 180.1, так и стандартный метод 2130B поддерживают одинаковые физические требования к совместимым измерителям мутности.В частности, для каждого метода требуется источник света вольфрамовой лампы накаливания с цветовой температурой 2200–3000 К ^16,31 . Они также требуют, чтобы фотоприемник был центрирован под углом 90 градусов и не растягивался более чем на 30 градусов от этой точки. Световой путь, проходимый как падающим, так и рассеянным светом, должен составлять не более 10 см от источника света до детектора. Наконец, фотодетектор должен иметь пик спектрального отклика между 400-600 нм ³¹ .

Утвержденные стандарты мутности обычно представляют собой суспензии формазина или сополимера стирола и дивинилбензола.

Несмотря на все совпадения, есть два незначительных различия, которые стоит отметить между Стандартными методами 2130B и Методом USEPA 180.1. Первое отличие — это определение первичного калибровочного стандарта ¹¹ . Согласно стандартным методам, единственным приемлемым первичным стандартом является формазин, созданный пользователем с нуля в соответствии с конкретными инструкциями, изложенными в этом методе ¹¹ . Это включает указанный размер фильтра 0,1 мкм, если приготовленный формазин необходимо разбавить (EPA Method 180.1 позволяет использовать фильтр размером 0,45 мкм) ³¹ . Однако в методе 2130B далее говорится, что формазин, получаемый пользователем, должен применяться в крайнем случае из-за использования канцерогенных соединений при его получении. ³¹ . Вместо этого Standard Methods настоятельно рекомендует использовать коммерческий или поставляемый производителем калибровочный раствор. Эти растворы, независимо от того, изготовлены ли они из коммерческой исходной суспензии формазина, сополимеров стирола и дивинилбензола, суспензий латекса или других суспензий полимеров, считаются вторичными стандартами ³¹ .С другой стороны, метод 180.1 USEPA рассматривает стандартные стандарты формазина, коммерческого формазина и AMCO-AEPA-1 на основе стирол-дивинилбензола в качестве первичных стандартов. Только латексные суспензии, поставляемые производителем, и суспензии геля оксида металла / полимера, называются вторичными стандартами по этому методу ³¹ .

Процедура расчета исходной мутности образца после разбавления, больше не требуется стандартными методами 2130B. EPA Method 180.1 и стандартные методы, 18-е изд.

Второе отличие заключается в диапазоне измерения этих методов.Метод 180.1 USEPA ограничен 0-40 NTU ³² . Любые пробы с мутностью за пределами этого диапазона должны быть разбавлены до уровня ниже 40 NTU. Затем результат измерения умножается на коэффициент разбавления для определения исходной мутности ³¹ .

18-е издание Стандартных методов (1992) также разрешило этот метод разбавления и включило его в качестве этапа процедуры измерения для образцов с мутностью более 40 NTU ³⁵ . Однако в каждом последующем издании (начиная с 19-го издания 1995 г.) этот этап процедуры измерения был удален ^31,33,34 .Вместо этого Стандартные методы 2130B, как они известны сегодня, выходят за пределы этого диапазона, позволяя измерять уровни мутности более 1000 NTU. В процедурах измерения теперь указано, что разбавления следует по возможности избегать ^31,33,34 . Стандартные методы объясняют, что при разбавлении пробы состав пробы может измениться, что сделает результат измерения менее точным. Тем не менее, поскольку метод 180.1 EPA допускает разбавление, все стандартные методы 2130B (с 18-го по 22-е) считаются утвержденными USEPA ^41,47 .

Mitchell Methods M5271, M5331; Orion AQ4500; AMI Turbiwell

Эти четыре метода были одобрены USEPA в качестве альтернативных тестовых процедур для измерения мутности питьевой воды в 2009 году. Термин «альтернативные процедуры тестирования» (ATP) используется, поскольку в этих методах используется тот же метод, что и в методе, одобренном EPA (нефелометрия), без создания совершенно нового метода ⁴² . Чтобы получить одобрение, каждый метод должен дать сравнительные результаты по сравнению с методом 180 EPA.1 ⁴⁰ .

Метод Митчелла M5271

Рисунок 22 из патента Митчелла US7659980 B1 для одобренных Агентством по охране окружающей среды альтернативных процедур испытаний.

Метод Митчелла M5271 аналогичен методу Хаха 10133, поскольку он использует лазерную нефелометрию для определения мутности в онлайн-приборе или приборе для мониторинга процесса. Источник лазерного света должен излучать длину волны 650 +/- 30 нм ⁴⁰ . Это отклонение на 10 градусов от метода Хаха, в котором используется лазерный диод на 630-690 нм.Он также очень похож на метод 180.1 EPA, поскольку он ограничивает перемещение света до 10 см и позволяет фотоприемнику выдвигаться на +/- 30 градусов от центра на 90 градусов ⁴⁰ . Этот метод действительно вводит некоторые новые технологии, так как он требует ловушки пузырей и противотуманных окон ⁴³ . Чтобы соответствовать этому методу, датчик мутности должен выдерживать давление до 30 фунтов на квадратный дюйм ⁴³ . Метод Митчелла M5271 применим в диапазоне от 0 до 40 NTU.

Метод Митчелла M5331
Второй метод Митчелла — Метод Митчелла M5331, не использует лазер.Вместо этого в качестве источника света требуется светодиод ⁴⁰ . Светодиод должен излучать длину волны 525 +/- 15 нм ⁴⁴ . Все остальные требования соответствуют методу Митчелла 5271 с точки зрения расстояния, пройденного падающим и рассеянным светом, местоположения и распространения фотодетектора, а также использования пузырьковой ловушки Митчелла / Мерша и противотуманных окон ⁴⁴ . Это также применимо для мутности от 0 до 40 NTU. Оба метода Митчелла M5331 и M5271 предназначены для мониторинга процесса или непрерывного мониторинга мутности в режиме онлайн.Онлайн-инструменты обычно отклоняют поток пробы, при этом измерительные приборы погружаются под воду ¹⁶ . Эта конструкция подходит для непрерывного мониторинга питьевой воды или сточных вод.

Orion Method AQ4500

Метод Orion AQ4500 был разработан Thermo Scientific и основан на использовании их измерителя мутности Thermo Orion AQUAfast Turbidimeter Model AQ4500. Этот метод соответствует всем требованиям EPA Method 180.1 за исключением указанного источника света. Для этого метода по-прежнему требуется 90-градусный фотодетектор со спектральным откликом от 400 до 600 нм, а падающий и рассеянный свет не может распространяться дальше 10 см вместе ⁴⁰ .

Спектральный выход синего светодиода с покрытием аналогичен спектральному выходу вольфрамовой лампы.

Вместо использования полихроматической вольфрамовой лампы в качестве источника света в методе Orion AQ4500 используется «белый» светодиод. Для достижения широкополосного выхода с помощью обычно узкополосного светодиода в этом методе используется синий светодиод с фосфорным покрытием ⁴⁵ .Это расширяет спектральный выход от синей длины волны 450 нм до широкого спектра отклика, аналогичного комбинации ⁴⁵ источника вольфрама / детектора сульфида кадмия.

Кроме того, использование светодиодного источника света позволяет работать в режиме быстрой пульсации. Путем пульсации света этот метод позволяет синхронное обнаружение ⁴⁰ . Синхронное обнаружение означает, что любые ошибки, связанные с рассеянным светом или электронными устройствами, могут быть уменьшены или почти устранены. Orion Method AQ4500 также уменьшает ошибки, связанные с поглощением цвета, за счет использования двух фотодетекторов.В дополнение к нефелометрическому детектору с углом обзора 90 градусов, турбидиметр AQ4500 имеет детектор проходящего (180 градусов) света ⁴⁶ . Свет, который достигает проходящего детектора, используется в качестве опорного луча против нефелометрического рассеянного светового луча. Это позволяет компенсировать цвет из-за поглощения ⁴⁵ .

Метод Ориона AQ4500 использует ратиометрическую нефелометрическую технологию для измерения мутности.

Чтобы оставаться совместимым с EPA, Orion Method AQ4500 имеет ограниченный диапазон 0.06-40 NTU ⁴⁶ . Если образец превышает этот предел, его следует разбавить до уровня ниже 40 NTU. Затем новое измерение можно умножить на коэффициент разбавления, чтобы определить мутность исходного образца. В то время как в руководстве к этому прибору утверждается, что он может использоваться от 0 до 4000 NTU, утвержденная версия этого метода ограничивает показания до 40 NTU ⁴⁵ . Следует отметить, что только то, что инструмент или метод одобрен EPA, не означает, что он соответствует EPA Method 180.1. Мутномер Thermo Orion AQ4500 одобрен Агентством по охране окружающей среды для определения мутности от 0,06 до 40 NTU, но поскольку в нем используются светодиоды, а не лампа накаливания с вольфрамовой нитью, он не соответствует методу 180.1 EPA. AMI Turbiwell является бесконтактным нефелометром или нефелометром с поверхностным рассеиванием и предназначен для непрерывного мониторинга, как и другие инструменты для мониторинга технологических процессов или онлайн-мониторинга.До 2009 года USEPA ^16,41 не одобрял дизайн рассеяния на поверхности.

Эта конструкция требует, чтобы источником света был светодиод со спектральным откликом от 400 до 600 нм ⁴⁸ . Луч падающего света должен быть расположен под углом 45 градусов, +/- 5 градусов, чтобы достичь поверхности воды. Следует использовать светоделитель, чтобы отклонить небольшую часть этого светового луча до того, как он упадет в воду. Этот отклоненный луч используется в качестве опорного сигнала для контроля силы света ⁴⁸ .Первичный фотодетектор установлен под прямым углом к ​​источнику света и должен иметь максимальный спектральный отклик в диапазоне 400-600 нм. Затем алгоритм определяет уровни мутности на основе интенсивности света рассеянного и опорного сигналов ⁴⁸ .

Хотя это конструкция с поверхностным рассеиванием, общее расстояние, проходимое световым лучом (от источника светодиода до фотодетектора), не должно превышать 10 см. ⁴⁸ . Чтобы получить одобрение EPA, этот метод может использоваться только для диапазона 0-40 NTU.Однако сам нефелометр может использоваться до 200 NTU, хотя эти показания не будут считаться соответствующими EPA ⁴⁹ .

Измерение мутности с помощью методов прозрачности воды

В то время как большинство дисков Секки чередуют черный и белый квадранты, океанографические диски, как правило, полностью белые.

Прозрачность и мутность воды напрямую связаны. В любом водоеме чем выше мутность, тем меньше прозрачность воды. Однако, хотя один часто является индикатором другого, измерения между двумя параметрами не являются взаимозаменяемыми.

Прозрачность воды измеряется диском Секки ⁷ . Эти диски, названные в честь Анджело Секки, обычно разделены на четыре части в черно-белом цвете, хотя в определенных условиях используются сплошные белые и сплошные черные диски.

Диски Секки используются в озерах, океанах и полноводных реках, где их опускают в водоем до тех пор, пока они не станут невидимыми. Затем они медленно поднимаются до последней точки видимости, и эта глубина записывается. Глубина, на которой теряется видимость, известна как глубина Секки (7).Большая глубина по Секки связана с высокой прозрачностью воды и низкой мутностью, в то время как низкие глубины по Секки указывают на высокую мутность.

Показания диска Секки зависят от ослабления света в воде. Другими словами, они измеряют глубину видимости на основе проникновения света ⁹ . Когда диск находится под водой, свет отражается от него, делая диск видимым человеческому глазу. Когда диск закрыт взвешенным осадком, водорослями или растворенным окрашенным материалом, свет больше не отражается напрямую назад к зрителю ⁹ .Вместо этого он рассыпается и рассеивается. Чем более рассеянным становится свет, тем менее заметным будет диск, пока он полностью не исчезнет.

В более мутной воде диск Секки будет менее заметен, чем на той же глубине в чистой воде.

Большие, сплошные белые диски Секки обычно используются в морской среде, в то время как черно-белые четвертичные диски являются стандартом для исследований в озерах. Эти диски обычно прикрепляются к рулетке или стержню для облегчения измерения. При использовании этого метода показания обычно записываются в метрах или сантиметрах, хотя некоторые организации используют английские единицы.

Прозрачная трубка или трубка Секки.

Сплошные черные диски Секки используются в мелководных озерах и реках, где они используются для горизонтальных измерений вместо вертикальных глубин ¹³ . Это позволяет более точно определять прозрачность воды в мелководных водоемах, где на дне все еще виден диск. Сплошной черный диск обеспечивает лучшую видимость, несмотря на проникновение солнечного света, а горизонтальное измерение дает возможность снимать показания Секки, превышающие глубину воды.

В мелких ручьях, где ни вертикальный, ни горизонтальный методы не эффективны, можно использовать прозрачную трубку или трубку Секки ¹⁰ . Прозрачные трубки можно найти с черным / белым диском, постоянно прикрепленным к дну трубки, или с отдельным диском. В первом варианте прозрачная трубка медленно наполняется водой до тех пор, пока диск на дне не исчезнет ² . Затем глубина считывается со стороны трубки. Во второй модели, известной как стандартная трубка Секки, трубка длиной один метр заполнена водой.Затем отдельный диск Секки опускается в трубку до тех пор, пока он больше не будет виден. Затем записывается точка исчезновения, как это было бы с большим диском в водоеме ¹⁰ .

Хотя эти методы очистки воды использовались эффективно, их точность зависит от зрения пользователя. На показания Секки могут влиять изменения условий солнечного света, неспокойная вода, время суток и человеческая ошибка при чтении глубины Секки. Кроме того, они непрактичны, если мутность ниже 5 NTU или требуется высокое разрешение.Поскольку Всемирная организация здравоохранения и другие агентства определяют максимум 1 NTU для питьевой воды, диски и трубки Secchi не могут использоваться для обеспечения соответствия ⁸ . Однако они доступны по цене, портативны и довольно интуитивно понятны в использовании. Диски Секки использовались на протяжении десятилетий в таких местах, как озеро Тахо, где данные глубины Секки за более чем 45 лет могут выявить тенденции в прозрачности воды ¹² .

Метод исторического измерения мутности

Мутномер Джексона Кэндл использовал затухание для определения мутности.

Историческим методом измерения мутности был мутномер Jackson Candle ³¹ . Этот инструмент, разработанный более века назад, состоял из свечи и стеклянной трубки с плоским дном. Как и в прозрачную трубку, вода наливается в трубку до тех пор, пока пламя свечи не перестанет быть отчетливо видимым ² . Свет не исчезнет полностью, исчезнет только изображение пламени. Это происходит, когда интенсивность проходящего света равна количеству света, рассеянного частицами в воде ³¹ .Чем мутнее вода, тем быстрее исчезает изображение пламени.

Мутномер Джексона Кэндл был первой практической попыткой количественного определения мутности. В дополнение к инструменту была разработана стандартная подвеска, позволяющая «откалибровать» трубку под глаз пользователя ³¹ . В то время как шкала мутномера была в миллионных долях кремнезема, единицы для этого прибора назывались единицами мутности Джексона (JTU). После изобретения формазина в 1926 году он был использован в качестве нового калибровочного стандарта для этого метода, и были приняты единицы мутности формазина (FTU) ³¹ .Однако, даже с улучшением стандартов, этот метод был ограничен в масштабах. Мутномер Jackson Candle не смог определить уровни мутности ниже 25 JTU ^2,31 . Это также было очень субъективным, поскольку показания были основаны на человеческих наблюдениях. Это привело к ошибкам, основанным на личном восприятии и суждениях ³¹ . Были разработаны другие турбидиметры, основанные на поглощении света, но они по-прежнему зависели от человеческого зрения ³¹ . Сегодня эти методы считаются устаревшими в пользу приборов для измерения мутности (таких как измерители и датчики), которые предлагают расширенный диапазон измерения и повышенную точность ² .

Измерение мутности с помощью измерителя мутности

Один из наиболее распространенных методов измерения мутности — с помощью измерителя мутности. Измерители мутности могут быть портативными и готовыми к эксплуатации или предназначены для использования в лабораторных условиях. Эти инструменты используют источник света и один или несколько детекторов для измерения света, рассеянного частицами в пробах воды ⁷ .

Рассеяние света

Чем крупнее частица, тем больше света будет рассеиваться вперед.

Свет рассеивается и поглощается частицами в воде ¹¹ . Даже чистая вода будет иметь незначительное рассеяние света из-за присутствия растворенных частиц и молекул ¹⁶ . Это рассеяние может быть в любом направлении, а интенсивность в любом заданном направлении зависит как от источника света, так и от размера частицы (частиц). Когда частица намного меньше луча света, рассеяние довольно симметрично во всех направлениях ¹¹ . Однако чем больше становится частица, тем больше света будет рассеиваться вперед (в сторону от светового луча).

Длина волны также влияет на рассеяние света. Как правило, более короткие длины волн будут рассеивать больше, чем более длинные волны для частиц того же размера ³² . Более короткие волны также более восприимчивы к поглощению окрашенными молекулами в образце. Свет ближнего инфракрасного диапазона редко поглощается, поэтому растворенный цветной материал не повлияет на него ³² . Это одна из причин того, что измерения мутности, выполненные разными методами, часто не сопоставимы — если источник света другой, то и рассеяние света будет другим.Хотя это учитывается в расчетах, эквивалентные результаты гарантированы.

Расстояние, пройденное рассеянным светом, также влияет на показания мутности. Чем длиннее световой путь между источником света и фотодетектором, тем лучше разрешение прибора при низких уровнях мутности ¹⁶ . Наибольшая длина пути составляет 90 и 180 градусов. Однако увеличение длины пути приносит в жертву диапазон измерения. Оба метода EPA 180.1 и ISO 7027 ограничивают длину светового пути до 10 см, всего ¹¹ .Уменьшение длины пути (например, фотодетектор на основе обратного рассеяния) увеличивает верхний предел измерения мутности ¹¹ .

Однако чем больше частиц присутствует в образце, тем больше будет рассеиваться свет ¹⁶ . Измерители мутности измеряют количество света, рассеянного под определенным углом, и преобразуют это показание в измерение мутности ¹⁶ . Некоторые мутномеры предназначены для компенсации поглощения цвета и высокой мутности, в то время как другие предназначены для точных и точных показаний при очень низких уровнях мутности.В большинстве измерителей мутности используется нефелометрическая технология, хотя существуют приборы для измерения затухания и ратиометрические.

Нефелометрия

Нефелометрия означает, что источник света и фотодетектор установлены под углом 90 градусов друг к другу. Этот угол считается наиболее чувствительным к рассеянию света независимо от размера частиц ²⁹ . Однако он ограничен более низкими уровнями мутности (ниже 40 NTU) и подвержен влиянию растворенного окрашенного материала ^16,24 .Точные нефелометрические измерения ограничены 0-40 NTU из-за взаимосвязи между светорассеянием и мутностью. В этом диапазоне светорассеяние и мутность имеют линейную зависимость ³² . Эта линейность теряется, когда уровень мутности превышает 40 NTU.

Нефелометрические измерители мутности измеряют свет, рассеянный под углом 90 градусов.

Несмотря на эти недостатки, эта технология чаще всего используется для определения углов мутности и является основой многих конструкций приборов для определения мутности ²⁴ .Нефелометрические конструкции могут соответствовать либо EPA Method 180.1, либо ISO 7027, в зависимости от используемого источника света ¹⁶ . Если источником света является лампа накаливания с вольфрамовой нитью, прибор соответствует методу 180.1 EPA, и следует использовать нефелометрические единицы измерения мутности (NTU). В нефелометрических приборах ISO 7027 используется светодиодный источник света ближнего инфракрасного диапазона, и рекомендуются нефелометрические единицы Formazin (FNU) ¹⁸ .

Нефелометрическая технология основана на следующем алгоритме:

T = a ₀ * I ₉₀
T = Мутность в единицах NTU (0-40)
a ₀ = Калибровочная константа
I ₉₀ = Девяносто градусов детекторного тока ¹¹

Как отмечалось выше, базовые нефелометрические конструкции рекомендуются только для использования с пробами мутности от 0 до 40 NTU.При более высокой мутности светорассеяние может поражать несколько частиц при движении, уменьшая интенсивность света ¹⁶ . По мере уменьшения интенсивности света точность прибора снижается. Чтобы компенсировать этот эффект, образец можно разбавить до менее 40 NTU. Поскольку и метод 180.1 EPA, и ISO 7027 допускают разбавление проб, его можно использовать с более высокой мутностью в соответствии с рекомендациями ⁶ выбранного метода. Поскольку он чувствителен к цветовым помехам и ненадежен при более высокой мутности, многие приборы расширили эту конструкцию.Комбинируя нефелометрическую технологию с детектором ослабления или дополнительным угловым детектором, можно повысить точность и чувствительность прибора ¹⁶ .

Затухание

Затухание — это потеря интенсивности. С точки зрения измерений мутности, затухание относится к потере света между источником света и детектором прямо напротив него (180 градусов). Эта потеря света может быть связана как с рассеянием, так и с поглощением. Измерители мутности, которые полагаются только на затухание, наиболее чувствительны к поглощению света и цветовым помехам ²⁴ .

Когда свет проходит через образец, он теряет интенсивность из-за рассеяния и поглощения.

Поскольку схемы ослабления фактически не измеряют рассеянный свет, они также известны как мутномеры пропускания или абсорбтометры ¹⁶ . Они не измеряются в истинных единицах мутности. Эти инструменты измеряют только количество света, которое проходит между источником света и фотодетектором, и сообщается как процентное значение от исходного количества света ¹⁶ .В соответствии с ISO 7027 уровни мутности должны быть более 40 NTU и указаны в единицах ослабления формазина (FAU) ³⁹ . Приборы для измерения мутности не одобрены EPA, хотя их можно использовать для определения чистоты воды.

Это технология, используемая в колориметрических приборах, где ожидается интерференция цвета и предполагается, что это часть измерения. Эти инструменты предполагают, что молекулы равномерно распределены по всему образцу ³⁸ .Цвет и мутность связаны между собой, поскольку цветные молекулы поглощают свет, влияя на прозрачность воды ¹⁸ . Однако измерения мутности, основанные на растворенном окрашенном материале, никоим образом не коррелируют с концентрациями взвешенных отложений или общим содержанием взвешенных твердых частиц. Поскольку цветные образцы не обязательно содержат осадок или твердые частицы, они не повлияют на эти концентрации. Колориметрические измерения могут быть рассчитаны по следующим формулам ³⁸ :

T = I / I ₀

T = пропускание
I = передаваемый (полученный) свет
I ₀ = падающий свет (начальный)
A = Log (1 / T) = a * b * c

A = поглощение
T = пропускание
a = постоянная способность молекулы поглощать свет определенной длины
b = длина пути
c = концентрация частиц

Конструкции соотношения (нефелометрические)

При использовании в корреляции с нефелометрией и другими углами фотодетекторы с углом затухания могут помочь в повышении точности измерителя мутности ¹¹ .Это часто называют пропорциональным дизайном. Соотношение или ратиометрические измерители мутности по-прежнему относятся к категории нефелометрических технологий, поскольку в качестве первичного детектора используется угол 90 градусов. При нескольких углах фотодетектора могут использоваться алгоритмы для компенсации оптических помех и повышения чувствительности прибора ^16,24 . В ратиометрическом методе Стандартных методов используется следующий алгоритм:

T = I ₉₀ / (d ₀ * I _t + d ₁ * I _fs + d ₂ * I _bs + d ₃ * I ₉₀ )
T = мутность в NTU (0-10000)
d ₀ , d ₁ , d ₂ , d ₃ = калибровочные коэффициенты
I ₉₀ = ток детектора 90 градусов
I _t = переданный ток детектора
I _fs = ток детектора прямого рассеяния
I _bs = ток детектора обратного рассеяния ^11,16

Использование нескольких детекторов может повысить точность и уменьшить влияние растворенных цветных материалов и рассеянного света.Это наиболее очевидно между нефелометрическими (90 градусов) и ослабленными или проходящими (180 градусов) детекторами. Поскольку световой луч проходит почти одинаковое расстояние до любого из этих фотодетекторов, эффекты цвета в образце воды математически нейтрализуются ^11,16 .

Использование нескольких фотодетекторов может повысить точность и разрешение при измерении мутности.

Хотя сами по себе они не очень чувствительны, детекторы прямого рассеяния предлагают линейный отклик в широком диапазоне мутности ¹¹ .При использовании в сочетании с нефелометрическими и другими углами детекторы прямого рассеяния могут увеличивать дальность и разрешение, уменьшая при этом погрешность из-за цвета и электронного шума ¹¹ . Детекторы обратного рассеяния обычно необходимы только в приложениях с очень высокой мутностью (более 4000 NTU), хотя они часто используются в приложениях с более чем 1000 NTU ³² . На этих уровнях детекторы обратного рассеяния принимают больше рассеянного света, чем другие детекторы, расположенные под углом, и отражают линейный отклик ¹¹ .На уровнях ниже 1000 NTU детекторы обратного рассеяния могут начать мешать измерению мутности вместо того, чтобы улучшать его. Поскольку уровни обратного рассеяния чрезвычайно низки, ниже 1000 NTU, детектор будет производить больше электронного шума, чем измеренный сигнал ¹¹ . Улучшенные материалы детектора могут снизить шум прибора.

Угловые детекторы обеспечивают линейный отклик на мутность в различных диапазонах. Использование нескольких детекторов увеличивает дальность и точность прибора.

Пока один из фотоприемников находится под углом 90 градусов, конструкции соотношения могут соответствовать методу 180 EPA.1 или ISO 7027 ¹¹ . Инструмент по-прежнему должен соответствовать источнику света, расстоянию прохождения света и другим требованиям выбранного метода. Наличие дополнительных фотоприемников не меняет соответствия. Однако рекомендуется использовать устройства, указывающие на использование нескольких детекторов. Для ратиометрических конструкций EPA Method 180.1 рекомендованной единицей USGS является единица нефелометрического коэффициента мутности (NTRU), в то время как для расчетов соотношения, соответствующих ISO 7027, следует использовать единицу нефелометрического отношения формазина (FNRU) ¹⁸ .

Приборы, совместимые с GLI2, являются примерами многолучевых ратиометрических конструкций. В этих приборах используются два световых луча в дополнение к двум детекторам, что значительно повышает чувствительность и точность прибора ¹⁶ . В этих приборах следует использовать нефелометрические многолучевые единицы измерения мутности (NTMU) или нефелометрические многолучевые единицы формазина (FNMU) в зависимости от источника света.

Измерение мутности с помощью датчика мутности

Использование динамического прибора для измерения мутности или датчика мутности становится все более популярным для использования при мониторинге качества воды.Датчики мутности также известны как погружные мутномеры ²⁸ . Динамическое измерение означает, что датчик мутности погружается в водоем, выполняя измерения в естественных условиях ¹⁸ . С другой стороны, статические измерения основаны на образцах, взятых из источника воды. Таким образом, датчики мутности идеально подходят для использования в ручьях, реках, озерах и океанах благодаря их мониторингу текущих условий на месте. Возможность погружать датчик непосредственно в воду также дает возможность относительно непрерывного мониторинга в дополнение к мгновенному считыванию ⁵¹ .Погружной датчик мутности можно установить или оставить без присмотра для относительно непрерывного мониторинга поверхностных вод.

Датчики мутности используются с буями для сбора данных для мониторинга мутности земснарядов в реальном времени.

Согласно данным Геологической службы США, динамическое (на месте) измерение с помощью датчика мутности является предпочтительным методом мониторинга мутности ¹⁸ . В дополнение к их способности предоставлять непрерывные данные о мутности, измерения на месте считаются более надежными, чем методы отбора проб, с точки зрения состояния поверхностных вод ¹⁸ .Динамические инструменты могут более точно отражать движение частиц в воде, особенно когда присутствует более крупный осадок. Эти датчики также полезны при проведении дноуглубительных работ, когда необходимо следить за уровнями мутности окружающей среды на предмет превышения допустимых пределов ⁵¹ . Кроме того, с датчиком мутности отсутствует риск ошибок из-за нерепрезентативной подвыборки, искусственного оседания или других внесенных помех (например, царапины на стекле), как это было бы в ячейке для образца ¹⁸ .

Большинство датчиков мутности используют FNU или FBU для своих устройств из-за их светодиодного источника света.

Как и в большинстве лабораторных и технологических приборов, во многих датчиках мутности используется нефелометрическая технология. Однако также используются другие модели конструкции, такие как приборы обратного рассеяния. Кроме того, не все нефелометрические датчики мутности соответствуют стандартам проектирования для мониторинга качества воды. Это просто означает, что, хотя эти инструменты все еще можно использовать, данные не могут быть сопоставимы между собой, и следует соблюдать осторожность при использовании рекомендованных единиц ASTM / USGS ⁵¹ .Отсутствие соответствия в датчиках мутности не свидетельствует о точности, а только о том, что прибор не соответствует всем требованиям стандарта проектирования. Эти инструменты все еще можно использовать для эффективного мониторинга изменений мутности, если используются соответствующие единицы. Если датчик не использует светодиод белого света (400-680 нм) с одним нефелометрическим фотодетектором, NTU не следует использовать ¹⁸ . Большинство датчиков мутности, представленных сегодня на рынке, используют источник инфракрасного света и будут использовать либо FNU, либо FBU в качестве рекомендуемой единицы измерения мутности ⁵⁰ .

Оба этих датчика мутности одобрены ISO 7027, но из-за незначительных конструктивных отличий они дают разные показания при более высоких уровнях мутности.

Для датчиков мутности, как и для измерителей мутности, важно использовать один и тот же прибор на протяжении всего исследования для получения внутренне непротиворечивых данных ⁵¹ . Использование рекомендованных единиц также обеспечит точные результаты, поскольку единицы мутности сами по себе не имеют собственного значения ⁵² . Данные, полученные от приборов разных конструкций, несопоставимы, поскольку каждый датчик по-разному считывает светорассеяние от взвешенных частиц, выдавая разные измерения для одной и той же пробы воды ⁵¹ .Некоторые датчики более точны при низких уровнях мутности, в то время как другие позволяют измерять мутность в широком диапазоне. Только датчики, которые соответствуют одному и тому же стандарту конструкции и методу измерения, имеют сопоставимые данные, и даже в этом случае есть различия при высокой мутности, как видно на графике слева. Датчики мутности, соответствующие ISO 7027, сопоставимы только между 0-40 NTU. За пределами этого диапазона рекомендуется сравнивать данные только с одной и той же модели датчика.

Нефелометрические датчики мутности

Как и многие измерители мутности, датчики мутности используют угол 90 для измерения рассеянного света.

По состоянию на 2013 год, на рынке нет настоящих датчиков динамической мутности, соответствующих требованиям EPA 180.1. ⁵⁰ . Требование источника света с вольфрамовой лампой делает любое такое оборудование непрактичным из-за высокого потребления энергии и нестабильности источника света ⁵¹ . С другой стороны, светодиодные источники света компактны и потребляют небольшую мощность. Кроме того, светодиоды имеют более длительный срок службы, не имеют периода прогрева и могут быть модулированы для отклонения окружающего света ^51,60 . Таким образом, в большинстве погружных датчиков мутности используется по крайней мере один светодиодный источник света.Некоторые из них соответствуют стандарту ISO 7027, хотя существуют и другие датчики на основе нефелометрии, которые можно использовать для измерения мутности поверхностных вод.

Многие датчики мутности предполагают соответствие стандартам EPA или ISO, поскольку в них используется нефелометрическая технология. Однако, если они не соответствуют другим спецификациям в стандарте проектирования (например, использование вольфрамовой лампы или ограниченный угол фотодетектора 90 +/- 2,5 градуса), то прибор не на 100% соответствует ⁵¹ .Вместо этого он основан только на определенном стандарте. Датчики мутности, которые не соответствуют стандарту проектирования, по-прежнему могут использоваться для измерения мутности, но их данные нельзя сравнивать с данными других приборов. Таким образом, важно использовать рекомендованные единицы мутности для каждого датчика в зависимости от их конструкции.

Большинство нефелометрических датчиков мутности соответствуют рекомендациям ISO 7027. Хотя можно использовать любую конструкцию, соответствие стандарту ISO 7027 обеспечивает точные сопоставимые данные о мутности.Как и в случае с измерителями мутности, датчики с источником инфракрасного света будут иметь минимальные цветовые помехи ⁶⁰ . Кроме того, использование компактного маломощного светодиодного источника света идеально подходит для долгосрочного развертывания с минимальным обслуживанием ⁵¹ . Источник света и фотодетектор расположены под двумя оптическими окнами и наклонены для достижения угла рассеянного света 90 градусов. Чтобы соответствовать стандарту ISO 7027, оптические окна должны быть достаточно узкими, чтобы угол приема не превышал 30 градусов ⁵¹ .Два оптических окна обычно расположены на одной и той же плоской поверхности датчика. Это означает, что эти датчики также могут быть оснащены запрограммированным протирочным устройством для предотвращения загрязнения (прикрепления биологического материала, такого как водоросли или ракушки). Плоскую оптическую поверхность можно протирать прикрепленной щеткой, сохраняя датчик мутности чистым при длительном использовании в океане или биологически активной поверхностной воде ⁵¹ .

Светодиодный источник света и фотодетектор установлены под углом 90 градусов друг к другу под лицевой стороной датчика.С одной плоской поверхностью датчик мутности может быть самоочищающимся или использовать отдельное устройство для очистки оптических окон.

Если требуется метод, одобренный Агентством по охране окружающей среды, существуют погружные мутномеры, соответствующие методу 2 GLI. Также возможны погружные мутномеры в соответствии с утвержденным Агентством по охране окружающей среды методом Orion AQ4500, поскольку конструктивные требования этого метода могут быть адаптированы к корпусу датчика. . Датчики мутности GLI2 имеют корпус датчика в форме пончика с четырьмя оптическими окнами, расположенными внутри под углом 90 градусов друг к другу ³⁷ .С двумя инфракрасными светодиодными источниками света и двумя нефелометрическими фотодетекторами (чередующееся нефелометрическое определение и определение пропускания) датчики мутности GLI Method 2 также соответствуют стандарту ISO 7027 ³⁷ . Однако датчики с конструкцией GLI Method 2 ограничены по диапазону и использованию в окружающей среде ⁵¹ . Эти датчики мутности нельзя протирать дистанционно, что означает риск их загрязнения и, следовательно, неточности в биологически активной воде.

Компенсация мутности и температуры

Сама мутность не зависит от температуры.Однако при использовании погружного датчика мутности со светодиодным источником света данные должны быть компенсированы по температуре. Это связано с влиянием изменений температуры на электрический выход датчика ⁶¹ . Колебания температуры изменяют показания мутности, даже если фактические уровни мутности остаются прежними ⁶¹ .

Необходимость температурной компенсации обусловлена ​​соотношением между выходной оптической мощностью и температурой окружающей среды ⁶² .При повышении температуры мощность (яркость) уменьшается. Это, в свою очередь, влияет на показания измеренной мутности, поскольку меньшая интенсивность света достигает фотодетектора, поэтому считывается ошибочный, меньший уровень мутности.

В большинстве случаев температура воды не будет колебаться настолько, чтобы существенно повлиять на показания. Однако для обеспечения точных измерений необходимо учитывать любые незначительные изменения ⁶¹ . Это особенно актуально, если используется светодиодный источник света. Светодиоды нагреваются по мере использования и, таким образом, являются источником колебаний температуры ⁶¹ .В большинстве применений, связанных с источником воды, светодиод является основной причиной локальных изменений температуры ⁶³ . По мере того, как светодиод нагревается, его яркость уменьшается. Интенсивность излучения светодиода пропорциональна логарифму температуры окружающей среды, что означает, что линейные уравнения могут использоваться для компенсации температуры ^61,62 . Некоторые датчики мутности будут включать встроенный термистор для компенсации влияния температуры непосредственно на источнике ⁶³ .Другие датчики предлагают возможность выполнять эти настройки в своем программном обеспечении ⁵⁹ . Для датчиков без возможности компенсации температуры будет заметен дрейф показаний мутности по мере нагрева светодиода.

Датчики мутности обратного рассеяния

Датчик обратного рассеяния имеет фотодетектор, установленный за углом 90 градусов, обычно между 117–165 градусами от падающего светового луча.

Датчик мутности обратного рассеяния использует источник света и фотодетектор, установленный под углом 90 градусов.Хотя в настоящее время для этих датчиков не существует стандарта конструкции, Геологическая служба США и различные производители попытались определить приемлемые углы обратного рассеяния ⁵⁰ . USGS предлагает, чтобы любой датчик мутности с углом обнаружения 0-45 градусов (135-180 градусов от проходящего света) считался прибором обратного рассеяния ^24,50 . Однако, поскольку не существует стандартизированного метода обратного рассеяния, любое обнаружение рассеянного света за пределами нефелометрического угла 90 градусов может быть принято как датчик обратного рассеяния ^51,52 .Исследование Босса и Пегау рекомендует использовать детектор под углом 63 градуса (угол 117 градусов относительно проходящего света) ⁵³ . Этот угол является минимальной точкой схождения, что означает, что показание мутности является более точным представлением концентрации и меньше зависит от размера и цвета взвешенных частиц ⁵³ .

Приборы с любым углом обнаружения обратного рассеяния дополнительно делятся по источнику света: белый / широкополосный или ближний инфракрасный. Датчики мутности с детектором обратного рассеяния и источником света с длиной волны 400–680 нм должны использовать единицы обратного рассеяния (BU), а датчики с длиной волны 780–900 нм должны использовать единицы обратного рассеяния формазина (FBU) ⁵⁰ .В большинстве датчиков обратного рассеяния в качестве источника света используется светодиод или лазерный диод. Из-за близости детектора и диода приборы обратного рассеяния обычно конструируются с перегородкой или другим разделителем, чтобы фотодетектор не принимал свет непосредственно от источника ⁵² .

Преимуществом датчиков мутности обратного рассеяния является широкий диапазон измерения и повышенная точность при более высоких значениях мутности, а также допуск для диапазона размеров частиц ^11,51 .Между 1000-4000 NTU технология обратного рассеяния почти идеально линейна ^11,51 . Однако в приложениях с низкой мутностью прибор обратного рассеяния не будет таким точным, как нефелометрический датчик ^18,24 . Датчики обратного рассеяния также более чувствительны к цветовым помехам на основе значения темноты частиц (способности отражать полосы ближнего ИК-диапазона) ⁵¹ . Эти инструменты часто используются в приложениях, где требуется мониторинг мутности в широком диапазоне, особенно когда существует вероятность скачков мутности.

Дноуглубительные работы могут вызвать резкое повышение уровня мутности в реке при взбалтывании наносов. Фото: USACE St Paul District, через Flickr.

Датчик мутности затухания

Затухание света также известно как коэффициент пропускания, и он измеряет степень уменьшения интенсивности света. Это технология, которая часто используется в умных стиральных и посудомоечных машинах ³⁶ . Эти датчики мутности измеряют количество загрязнений в воде. Количество света, попадающего на фотодетектор, определяет продолжительность стирки в каждом цикле, экономя энергию при незначительном помутнении или его отсутствии ³⁶ .Уменьшение интенсивности света может быть связано с поглощением (окраской) или рассеянием (частицами). Из-за сильной восприимчивости к цветовым помехам датчики затухания мутности не рекомендуются для использования при измерениях качества поверхностных вод.

Методы измерения общего содержания взвешенных частиц

Из-за корреляции между мутностью и общим содержанием взвешенных твердых частиц (TSS) измерения мутности часто заменяются измерениями концентрации взвешенных отложений и измерениями TSS ²⁴ .Однако, когда это возможно, более точно измерять общее количество взвешенных твердых частиц по весу ²⁵ . На показания мутности могут влиять окрашенные растворенные органические вещества (РОВ), в то время как измерения осадка и TSS — нет. Хотя наиболее точным и приемлемым методом измерения взвешенных наносов и TSS является взвешивание образца, Геологическая служба США начала использовать акустические доплеры для мониторинга отложений на месте ⁴ .

Общая концентрация взвешенных твердых частиц и взвешенных частиц по массе

Измеренная в миллиграммах на литр воды (мг / л) концентрация взвешенных осадков и общее содержание взвешенных твердых частиц основаны на отфильтрованных и высушенных образцах воды.TSS включает любые частицы диаметром более 2 микрон. Любая частица меньшего размера считается растворенным твердым веществом ³ .

Основное различие между общим содержанием взвешенных твердых частиц (TSS) и концентрацией взвешенных отложений (SSC) заключается в количестве анализируемой воды ²⁶ . После фильтрации пробы воды с помощью 2-микронного фильтра частицы сушат и взвешивают для определения взвешенных веществ. Когда весь образец фильтруется, сушится и взвешивается, Американское общество испытаний материалов считает измерением концентрацию взвешенных отложений ²⁷ .Если образец воды будет дополнительно отобран, последующим измерением массы будет измерение TSS ²⁶ . Это можно сделать встряхиванием / перемешиванием и выливанием из бутыли для образца (метод EPA) или путем перемешивания и сбора пробы с помощью пипетки (метод APHA) ²⁷ . Метод EPA считается более последовательным, чем метод пипетки ^25,27 .

Проба воды фильтруется, сушится, сушится и взвешивается для определения концентрации взвешенных отложений. Фотография предоставлена ​​USGS

Для образцов с мелкими взвешенными частицами (менее 53 микрон) измерение общего количества взвешенных твердых частиц и концентрации взвешенных отложений будет точным и точным относительно истинной концентрации и друг друга ²⁷ .Однако, если в образец включены более крупные (средне-крупные) частицы, дополнительная выборка часто может вносить ошибку в измерение TSS. Чем крупнее частица, тем больше вероятность того, что она не будет включена в подвыборку. Крупный осадок, например песок, часто не учитывается при измерении TSS ²⁶ . Это связано с быстрым оседанием более крупных частиц. С другой стороны, независимо от размера частиц, SSC обычно находится в пределах 5% от истинной концентрации частиц ²⁷ .

Всего взвешенных отложений по данным акустических доплеровских измерений

Геологическая служба США начала использовать акустические доплеровские измерители для определения оценок непрерывной нагрузки наносов ⁴ . Когда доплеровский измеритель передает звук через воду, частотные лучи отражаются от взвешенных в воде частиц. Хотя эти измерители обычно используются для измерения скорости воды, отраженные лучи, известные как обратное рассеяние, могут использоваться для определения концентраций взвешенных отложений ⁴ .Этот метод требует поправки на звукопоглощение и распространение луча. Хотя он не так точен, как измерение массы TSS, и хотя его характеристики все еще изучаются, использование акустического доплеровского измерителя открывает дверь к возможности непрерывных оценок взвешенных отложений ⁴ .

Изображение предоставлено: M.S. Wood, U.S. Geological Survey Fact Sheet, 2014-3038.

Сравнение измерений

При мониторинге питьевой воды в США необходимо соблюдение одного из восьми методов, утвержденных Агентством по охране окружающей среды ¹⁸ .Однако важно помнить, что данные с разных приборов не сопоставимы, даже если они откалиброваны по одному и тому же стандарту ¹¹ . Во всех методах различия в источниках света играют самую большую роль в несовместимости, хотя материал фотодетектора и конструкция прибора в целом также играют роль ^11,16 . Взвешенные частицы будут по-разному рассеивать длинные и короткие волны, поэтому источники инфракрасного и белого света нельзя напрямую сравнивать ²⁸ .Кроме того, использование логометрических конструкций с компенсацией цвета также изменит измерение мутности. Хотя разнообразие методов и конструкций позволяет выбрать датчик или измеритель мутности для конкретного применения, оно также ограничивает сравнение данных ¹⁸ .