RU2719271C1 - Bubble sensor for detecting weak electric fields - Google Patents
Bubble sensor for detecting weak electric fields Download PDFInfo
- Publication number
- RU2719271C1 RU2719271C1 RU2019116310A RU2019116310A RU2719271C1 RU 2719271 C1 RU2719271 C1 RU 2719271C1 RU 2019116310 A RU2019116310 A RU 2019116310A RU 2019116310 A RU2019116310 A RU 2019116310A RU 2719271 C1 RU2719271 C1 RU 2719271C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- bubble
- cavitation
- electric field
- gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к регистрации слабых электрических полей и может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях как компас источников электрических полей сразу по нескольким направлениям.The invention relates to measuring technique, namely to the registration of weak electric fields and can be used in biological and medical research as a compass of electric field sources in several directions at once.
Уровень техникиState of the art
Регистрация изменения слабых квазистатических электрических полей в настоящее время является важной и востребованной задачей в таких областях, как медицина, биология. Существует много инженерных способов регистрации переменных электрических полей, однако все они основаны на усилении сигнала с чувствительного элемента в виде небольшой металлической антенны электронными средствами и требуют источника электропитания. Такие системы улавливают изменения электрического поля на частотах в несколько килогерц и не охватывают область квазистатических изменений электрического поля. Важными параметрами здесь являются чувствительность и малые размеры, которые позволяют наиболее точно регистрировать происходящие процессы.Registration of changes in weak quasistatic electric fields is currently an important and sought-after task in areas such as medicine, biology. There are many engineering methods for recording alternating electric fields, but all of them are based on amplification of the signal from the sensing element in the form of a small metal antenna by electronic means and require a power source. Such systems capture changes in the electric field at frequencies of several kilohertz and do not cover the region of quasistatic changes in the electric field. Important parameters here are sensitivity and small size, which allow the most accurate recording of ongoing processes.
В частности, из уровня техники известно решение, касающееся измерения напряженности электрического поля, основанного на использовании датчика напряженности электрического поля, содержащего управляемый диэлектрик с изменяемой под действием электрического поля диэлектрической проницаемостью (патент RU 2626065). Регистрация электрического поля производится измерением сдвига фазы сигнала в полосковой линии передачи, на основе которой выполнен датчик. С целью уменьшения размеров датчика он может быть выполнен на основе резонансного отрезка линии передачи, т.е. полоскового резонатора. Для расширения динамического диапазона предлагается реализация датчика на основе системы взаимодействующих полосковых резонаторов, которая, по сути, представляет собой полосно-пропускающий фильтр, у которого под действием внешнего электрического поля перестраивается центральная частота и смещается фазо-частотная характеристика. Естественно, что для этого затрачивается энергия измеряемого поля и точность падает.In particular, a solution is known from the prior art regarding the measurement of electric field strength, based on the use of an electric field strength sensor containing a controlled dielectric with a dielectric constant that changes under the influence of an electric field (patent RU 2626065). Registration of the electric field is carried out by measuring the phase shift of the signal in the strip transmission line, on the basis of which the sensor is made. In order to reduce the size of the sensor, it can be made on the basis of the resonant segment of the transmission line, i.e. strip resonator. To expand the dynamic range, a sensor implementation is proposed on the basis of a system of interacting strip resonators, which, in essence, is a band-pass filter, in which the center frequency is tuned under the influence of an external electric field and the phase-frequency characteristic is shifted. Naturally, for this, the energy of the measured field is expended and the accuracy decreases.
Известно измерение напряженности электрического поля посредством N пар чувствительных элементов (RU 2388003). Датчик выполняют трех координатным, т.е. n=3, и его ориентируют в пространстве так, чтобы одна из составляющих вектора напряженности по одной из координатных осей датчика стала равной нулю, затем, фиксируя датчик в этом положении, поворачивают датчик вокруг найденной координатной оси до достижения равенства двух других составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика. При этом модуль вектора напряженности измеряемого электрического поля определяют измерением алгебраической суммы двух не равных нулю составляющих вектора напряженности электрического поля по координатным осям датчика. Однако для определения вектора источника поля датчик необходимо поворачивать.It is known to measure the electric field by N pairs of sensing elements (RU 2388003). The sensor is made three-coordinate, i.e. n = 3, and it is oriented in space so that one of the components of the tension vector along one of the coordinate axes of the sensor becomes equal to zero, then, fixing the sensor in this position, turn the sensor around the found coordinate axis until two other components of the electric tension vector are equal fields along the coordinate axes of the sensor. In this case, the module of the vector of the measured electric field intensity is determined by measuring the algebraic sum of two non-zero components of the electric field vector of the electric field along the coordinate axes of the sensor. However, to determine the vector of the field source, the sensor must be rotated.
Известен также датчик (пробник) ЕЗ-60х электрического поля фирмы "Narda Safety Test Solutions S.r.l", производство Италии. Его описание представлено в сети Интернет по адресу: https://newpribor.ru/catalog/ispvtatelnoe-oborudovanie/probniki-polya/narda-pmm-ep-600-ер-601-ер-602-е_.html. Принцип действия состоит в преобразовании трех ортогональных составляющих вектора напряженности переменного электрического поля от металлических штырьков в эквивалентные значения напряжения переменного тока с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП), использования оптоволоконного кабеля и обработки информации на компьютере. Недостатком таких систем измерения электрического поля является чувствительность только на высоких частотах изменения поля - десятки килогерц, обработки информации на компьютере и, соответственно, высокая стоимость всего оборудования.Also known is a sensor (probe) EZ-60x of the electric field of the company "Narda Safety Test Solutions S.r.l", made in Italy. Its description is presented on the Internet at: https://newpribor.ru/catalog/ispvtatelnoe-oborudovanie/probniki-polya/narda-pmm-ep-600-ер-601-ер-602-е_.html. The principle of operation consists in converting the three orthogonal components of the vector of the intensity of the alternating electric field from the metal pins to equivalent values of the alternating current voltage using an analog-to-digital converter (ADC), using an optical fiber cable and processing information on a computer. The disadvantage of such systems for measuring the electric field is the sensitivity only at high frequencies of field changes — tens of kilohertz, information processing on a computer, and, accordingly, the high cost of all equipment.
Наиболее близким к предполагаемому решению, является водоэлектрический датчик для регистрации слабых физических полей и биоизлучения (Авторы Агеев И.М., Рыбин Ю.М., Шишкин Г.Г., Еськин СМ. «Водоэлектрические датчики для регистрации слабых физических полей и биоизлучения». Его описание представленно по адресу: https://mai.ru/upload/iblock/d9c/vodoelektricheskie-datchiki-dlva-resistratsii-slabykh-fizicheskikh-poley-i-bioizlucheniya.pdf). В публикации описан датчик измерения слабых физических полей и биологических объектов, работа которого основана на изменении электропроводности воды при ее нагревании за счет изменения напряженности электрического поля. Датчик представляет собой ячейку из диэлектрического материала в форме плоского параллелепипеда объемом несколько миллилитров с двумя электродами для измерения электропроводности воды, зависящей от поляризации внешним электрическим полем. В центре датчика расположен терморезистор для измерения температуры воды, которая определяет свою электропроводность. Основным недостатком такого датчика являются как его размеры, так и большая чувствительность молекул воды в области СВЧ и малая чувствительность к слабо меняющимся полям. Работа такого датчика неэффективна в квазистатических полях. На таком датчике невозможно определить несколько источников электрического поля, т.к. измеряется их интегральное воздействие.Closest to the proposed solution is a water-electric sensor for detecting weak physical fields and bio-radiation (Authors Ageev IM, Rybin Yu.M., Shishkin GG, Yeskin SM. "Water-electric sensors for detecting weak physical fields and bio-radiation" His description is available at: https://mai.ru/upload/iblock/d9c/vodoelektricheskie-datchiki-dlva-resistratsii-slabykh-fizicheskikh-poley-i-bioizlucheniya.pdf). The publication describes a sensor for measuring weak physical fields and biological objects, the operation of which is based on a change in the electrical conductivity of water when it is heated due to a change in the electric field strength. The sensor is a cell made of a dielectric material in the form of a flat parallelepiped with a volume of several milliliters with two electrodes for measuring the electrical conductivity of water, which depends on polarization by an external electric field. In the center of the sensor is a thermistor for measuring the temperature of water, which determines its electrical conductivity. The main disadvantage of such a sensor is both its size and the high sensitivity of water molecules in the microwave region and low sensitivity to weakly changing fields. The operation of such a sensor is ineffective in quasistatic fields. It is impossible to determine several sources of electric field on such a sensor, since their integral impact is measured.
Технической проблемой является разработка датчика, работающего без использования источников электропитания и имеющего малые размеры, характеризующегося высокой чувствительностью к слабо-меняющимся полям.A technical problem is the development of a sensor that works without the use of power sources and has small dimensions, characterized by high sensitivity to weakly changing fields.
Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention
Техническим результатом изобретения является возможность создания малогабаритного индикатора и на его основе датчика слабо-меняющихся квазистатических, а также постоянных электрических полей с напряженностью поля ≈ 3 в/см с размером чувствительного элемента не более 1 мм. Для работы такого индикатора и датчика на его основе не нужны внешние источники электропитания и он может одновременно указывать направление на несколько источников электрического поля.The technical result of the invention is the possibility of creating a small-sized indicator and, based on it, a sensor of slightly varying quasistatic as well as constant electric fields with a field strength of ≈ 3 V / cm with a sensor element size of not more than 1 mm. For the operation of such an indicator and a sensor based on it, external power sources are not needed and it can simultaneously indicate the direction to several sources of electric field.
Технический результат достигается за счет разработки кавитационного (или пузырькового) датчика для регистрации слабых электрических полей, включающего герметично размещенный в корпусе из гидрофобного оптически прозрачного материала чувствительный элемент, представляющий собой трехфазную кавитационную ячейку, состоящую из оболочки - высоковязкой гидрофобной жидкости, в которой размещен газовый пузырек с внешним диаметром 0,2-0,5 мм, содержащий на границе раздела газ-гидрофобная жидкость, по меньшей мере, одно, микровключение воды размером от 5 до 20 мкм, при этом кавитационная ячейка характеризуется наличием отрицательного заряда на своей поверхности и положительным зарядом в микровключениях воды, а корпус выполнен с увеличительной линзой для обеспечения возможности визуализации и регистрации положения микровключения воды. Количество исходных микровключений воды в газовом пузырьке может достигать 8 и более.The technical result is achieved by developing a cavitation (or bubble) sensor for detecting weak electric fields, including a sensing element sealed in a housing of a hydrophobic optically transparent material, which is a three-phase cavitation cell, consisting of a shell - a highly viscous hydrophobic liquid in which a gas bubble is placed with an outer diameter of 0.2-0.5 mm, containing at least one gas-hydrophobic liquid at the interface, microinclusion of water rum from 5 to 20 μm, while the cavitation cell is characterized by the presence of a negative charge on its surface and a positive charge in the microinclusions of water, and the body is made with a magnifying lens to enable visualization and registration of the position of the microinclusion of water. The number of initial microinclusions of water in a gas bubble can reach 8 or more.
В качестве гидрофобной жидкости предпочтительно использовать водомасляную эмульсию вязкостью 1-10 стоке с содержанием воды от 0,1 до 0,5 об. %. В частности, такими параметрами характеризуется силиконовое масло или полиметилсилоксан ПМС. При этом в изобретении в качестве высоковязкой гидрофобной жидкости могут быть использованы и другие жидкости, например, глицерин, характеризующиеся степенью прозрачности, обеспечивающей возможность визуализации микрокапель воды наAs a hydrophobic liquid, it is preferable to use a water-oil emulsion with a viscosity of 1-10 stock with a water content of from 0.1 to 0.5 vol. % In particular, silicone oil or PMS polymethylsiloxane is characterized by such parameters. Moreover, other liquids, for example, glycerin, characterized by a degree of transparency, which makes it possible to visualize microdroplets of water, can be used in the invention as a highly viscous hydrophobic liquid.
периферии газового пузырька. Чувствительный элемент указанной структуры может быть получен с размерами 0.1-0.3 мм за счет использования эффекта кавитации [Р. Кнэпп. Кавитация // Мир, Москва, 1974], при котором в водомасляной эмульсии или масляной эмульсии с незначительным содержанием воды в потоке жидкости образуются газовые пузырьки - растворенные в жидкости из атмосферы. При этом возможно получение чувствительного элемента и больших размеров до 0,5 мм для более точного определения направления источника поля. Толщина оболочки не является принципиальной в конструкции заявляемого датчика и может иметь величину от 0,2 мм и более в силу конструктивного исполнения датчика, в котором предполагается использовать данный чувствительный элемент. Чувствительный элемент имеет собственное электрическое поле и является электрическим компасом источников электрических полей.the periphery of the gas bubble. A sensitive element of this structure can be obtained with dimensions of 0.1-0.3 mm due to the use of the cavitation effect [R. Knepp. Cavitation // Mir, Moscow, 1974], in which gas bubbles are formed in a water-oil emulsion or oil emulsion with an insignificant water content in a liquid stream — dissolved in a liquid from the atmosphere. In this case, it is possible to obtain a sensitive element and large sizes up to 0.5 mm to more accurately determine the direction of the field source. The thickness of the shell is not fundamental in the design of the inventive sensor and may have a value of 0.2 mm or more due to the design of the sensor, in which it is intended to use this sensitive element. The sensitive element has its own electric field and is an electric compass of electric field sources.
В одном из вариантов осуществления датчика увеличительная линза размещена на корпусе с ее внешней стороны, в другом - часть поверхности корпуса выполнена в виде увеличительной линзы.In one embodiment of the sensor, a magnifying lens is placed on the housing from its outer side, in another, part of the housing surface is made in the form of a magnifying lens.
Заявляемый чувствительный элемент получают эмульгированием исходной гидрофобной жидкости (водомасляной эмульсии), характеризующейся параметрами вязкости от 1 до 10 стоке, газонасыщенностью при нормальном атмосферном давлении (около 764 мм рт. ст.), содержанием воды от 0,1 до 0,5 об. %, при температуре 17-22°C до образования мелкодисперсной фазы воды в гидрофобной жидкости при этом кавитационные пузырьки образуются при понижении локального давления в гидрофобной жидкости. Эмульгирование исходной гидрофобной жидкости может быть реализовано любыми известными из уровня техники средствами и методами, например, с помощью устройства, представленного на фиг. 5, где поток водомасляной эмульсии, размещенной во внешнем цилиндре, создают вращением данного цилиндра, в котором размещен внутренний цилиндр вблизи стенки внешнего (т.е. скольжением внутреннего цилиндра по внутренней поверхности внешнего цилиндра). При этом размер газового пузырька определяется отношением радиусов упомянутых цилиндров и величиной зазора между ними.The inventive sensitive element is obtained by emulsification of the original hydrophobic liquid (water-oil emulsion), characterized by viscosity parameters from 1 to 10 stock, gas saturation at normal atmospheric pressure (about 764 mm Hg), water content from 0.1 to 0.5 vol. %, at a temperature of 17-22 ° C until the formation of a finely dispersed phase of water in a hydrophobic liquid, while cavitation bubbles form when the local pressure in the hydrophobic liquid decreases. Emulsification of the original hydrophobic liquid can be realized by any means and methods known from the prior art, for example, using the device shown in FIG. 5, where the flow of a water-oil emulsion placed in the outer cylinder is created by rotating this cylinder, in which the inner cylinder is placed near the wall of the outer cylinder (i.e., by sliding the inner cylinder on the inner surface of the outer cylinder). The size of the gas bubble is determined by the ratio of the radii of the aforementioned cylinders and the gap between them.
Способ регистрации слабых электрических полей позволяет определять изменение поля на длине 0.1 мм при напряженности 3 в/см. Способ включает размещение датчика или чувствительного элемента вблизи определяемого источника электрического поля (слабые электрические поля детектируются на расстоянии примерно 1-4 см от чувствительного элемента), и по изменению исходной формы микровключения воды (преимущественно сферической на вытянутую) регистрируют наличие слабого электрического поля, при этом направление поля определяют по направлению вытягивания микровключения воды. При расщеплении микровключения воды дополнительно делают вывод о количестве близлежащих источников электрического поля по количеству расщеплений в пузырьке. Изменение положения источника поля связано с изменением положения микрокапель воды на поверхности границы раздела газ-гидрофобная жидкость в кавитационном пузырьке.The method of detecting weak electric fields makes it possible to determine the change in the field over a length of 0.1 mm at a voltage of 3 V / cm. The method includes placing a sensor or a sensitive element near a detected source of electric field (weak electric fields are detected at a distance of about 1-4 cm from the sensitive element), and the presence of a weak electric field is detected by changing the initial form of microinclusion of water (mainly spherical to elongated), the direction of the field is determined by the direction of stretching of the microinclusion of water. When splitting microinclusions of water, an additional conclusion is drawn about the number of nearby sources of electric field by the number of splits in the bubble. The change in the position of the field source is associated with a change in the position of the water droplets on the surface of the gas-hydrophobic liquid interface in the cavitation bubble.
Таким образом, чувствительный элемент представляет собой индикатор электрического поля и выполнен в виде трехфазного кавитационного пузырька с оболочкой из гидрофобной жидкости с включениями микрокапель воды. Такое образование представляет электрический диполь с отрицательным потенциалом на границе газ-жидкость и положительным потенциалом в микрокаплях воды. Под действием внешнего электрического поля в таком индикаторе произойдет ориентация микрокапель воды в направлении градиента электрического поля. При наличии нескольких источников поля микрокапли воды покажут ориентацию. Поскольку в жидкости практически всегда есть примеси других жидкостей и растворенный газ, таким образом, трехфазный кавитационный пузырек можно использовать в качестве индикатора (пробника) электрического поля. Трехфазное образование позволяет такому пузырьку иметь свое собственное электрическое поле. Оно образовано отрицательным зарядом на границе гидрофобная жидкость-газ и положительным от микрокапель воды, расположенными на той же границе. Под действием внешнего электрического поля происходит ориентация в виде вытягивания микрокапли воды в направлении отрицательного источника поля. Установлено, что трехфазные кавитационные образования за счет своего поля реагируют на перемещение соседних. Каждый пузырек «видит» соседний пузырек с угловым разрешением до 10 градусов. Таким образом, использование трехфазных кавитационных образований позволяет регистрировать квазистатические электрические поля в медицине и биологии и может быть использован как электрический компас с одновременной регистрацией нескольких источников электрического поля. Отличительными признаками заявляемого изобретения от прототипа являются существенное уменьшение размеров индикатора электрического поля ввиду малого размера кавитационного пузырька (0.2-0.5 мм), а наличие собственного электрического поля у трехфазного кавитационного пузырька исключает необходимость во внешнем источнике электропитания.Thus, the sensitive element is an indicator of the electric field and is made in the form of a three-phase cavitation bubble with a shell of hydrophobic liquid with inclusions of microdrops of water. Such a formation is an electric dipole with a negative potential at the gas-liquid interface and a positive potential in microdroplets of water. Under the influence of an external electric field in such an indicator, microdroplets of water will be oriented in the direction of the gradient of the electric field. If there are several field sources, microdroplets of water will show orientation. Since the liquid almost always contains impurities of other liquids and dissolved gas, thus, a three-phase cavitation bubble can be used as an indicator (probe) of the electric field. Three-phase formation allows such a bubble to have its own electric field. It is formed by a negative charge at the hydrophobic liquid-gas interface and positive from microdroplets of water located at the same interface. Under the influence of an external electric field, an orientation occurs in the form of stretching a microdroplet of water in the direction of a negative field source. It has been established that three-phase cavitation formations react due to their field to the movement of neighboring ones. Each bubble “sees” a neighboring bubble with an angular resolution of up to 10 degrees. Thus, the use of three-phase cavitation formations makes it possible to register quasistatic electric fields in medicine and biology and can be used as an electric compass with the simultaneous registration of several sources of electric field. Distinctive features of the claimed invention from the prototype are a significant reduction in the size of the electric field indicator due to the small size of the cavitation bubble (0.2-0.5 mm), and the presence of its own electric field in a three-phase cavitation bubble eliminates the need for an external power source.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 представлена микрофотография трехфазных кавитационных пузырьков и схема их взаимодействия. На центральном пузырьке стрелками показаны ориентации положительно заряженных микрокапель воды 4 под действием электрических полей соседних пузырьков. При изменении положения источника электрического поля, происходит изменение расположения заряженной микрокапли на оболочке кавитационного пузырька.In FIG. 1 shows a micrograph of three-phase cavitation bubbles and a diagram of their interaction. On the central bubble, arrows indicate the orientations of positively charged microdrops of
На фиг. 2 представлена серия фотографий, демонстрирующих перемещение «утолщения» положительно заряженной капли 4 в трехфазном кавитационном пузырьке 1 под действием электрического поля соседнего пузырька. Стрелками показаны изменения ориентации микрокапель воды 4 в пузырьках при их взаимном перемещении. Временной интервал между кадрами 0.6 с. In FIG. 2 is a series of photographs showing the movement of the “thickening” of a positively charged
На фиг. 3а - фотография трехфазного кавитационного пузырька, 3б - реконструкция кавитационного пузырька, где позициями указаны: 1 кавитационный пузырек, 2 граница контакта газа с гидрофобной жидкостью, 3 силиконовое масло, 4 микрокапли воды на границе газа с жидкостью.In FIG. 3a is a photograph of a three-phase cavitation bubble, 3b is a reconstruction of a cavitation bubble, where the positions indicate: 1 cavitation bubble, 2 gas-hydrophobic liquid contact boundary, 3 silicone oil, 4 microdroplets of water at the gas-liquid boundary.
На фиг. 4 - устройство, с помощью которого может быть получен трехфазный кавитационный пузырек. Кавитация возникает в области минимального зазора Н при скольжении внутреннего цилиндра 7 по внутренней поверхности внешнего цилиндра 6 в гидрофобной жидкости ПМС100. После остановки движения цилиндра 6, давление в зазоре Н возрастает до атмосферного. Это приводит к формированию газового (кавитационного) пузырька с микро вкраплениями сконденсированных паров воды на границе газ-жидкость.In FIG. 4 - a device with which a three-phase cavitation bubble can be obtained. Cavitation occurs in the region of minimum clearance H when the
На фиг. 5 показано конструктивное оформление трехфазного кавитационного датчика для практического применения. Кавитационный пузырек 1 с окружающим его силиконовым маслом 3, помещают в небольшой корпус или кювету (микрокювету) 8, выполненную из гидрофобного материала и герметично закрытой сверху линзой 5 с десятикратным увеличением. При размере кавитацинного пузырька в 0,5 мм, такая линза позволит регистрировать расположения нескольких микрокапель воды 4 на поверхности газового пузырька 1.In FIG. 5 shows the design of a three-phase cavitation sensor for practical use. The
Позициями на чертежах обозначены: 1 - трехфазный кавитационный (газовый) пузырек, 2 - граница раздела (или контакта) газа с гидрофобной жидкостью, 3 - гидрофобная жидкость (например, силиконовое масло), 4 - микрокапли воды, 5 - увеличительная линза, 6 - внешний цилиндр, 7 - внутренний цилиндр, 8 - корпус/кювета для размещения трехфазного кавитационного пузырька.The positions in the drawings indicate: 1 - a three-phase cavitation (gas) bubble, 2 - the interface (or contact) of the gas with a hydrophobic liquid, 3 - hydrophobic liquid (for example, silicone oil), 4 - microdrops of water, 5 - magnifying lens, 6 - external cylinder, 7 - internal cylinder, 8 - body / cuvette for placement of a three-phase cavitation bubble.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Заявляемый чувствительный элемент (индикатор) датчика электрического поля представляет собой результат кавитации в виде пузырьков в зазоре между эксцентричными цилиндрами при их скольжении в высоковязкой водомасляной эмульсии, например, в гидрофобном масле ПМС 1000. Кавитационные пузырьки содержат растворенный атмосферный газ, в котором на границе с маслом располагаются сконденсированные микрокапли воды. По паспортным данным, вода является побочным составом масла в количестве 0,05% по объему. Трехфазный кавитационный пузырек размером около 0,2 мм состоит из гидрофобной оболочки высоковязкого силиконового масла, кавитационного газа из состава атмосферы и малого количества воды в виде микронных капель между маслом и газом. В таком пузырьке на границе раздела газ-силиконовое масло образуется двойной электрический слой [А.П. Беляев, В.И. Кучук. Физическая и коллоидная химия // ГЕОТАР-МЕДИА, 2018.]. По правилу Кена, вода, как среда с наибольшим диэлектрическим показателем, приобретает положительный потенциал. Таким образом, кавитационная ячейка имеет как отрицательный заряд на своей оболочке, так и положительный внутри, в виде микрокапель воды и обладает собственным электрическим полем. В такой ячейке микро капли воды, ввиду малости своего размера (5-20 микрон), не испытывают трения при перемещении по поверхности гидрофобной жидкости, возникают условия для ее поляризации и ориентации в виде утолщений в направлении градиента внешнего электрического поля. Подтверждение этого эффекта представлено на фиг 1. На фотографии кавитационные трехфазные пузырьки размером 0,2 мм реагируют на электрические поля соседних пузырьков в виде ориентации и утолщения микрокапель 4, показаны стрелками.The inventive sensitive element (indicator) of the electric field sensor is the result of cavitation in the form of bubbles in the gap between the eccentric cylinders when they slip in a highly viscous water-oil emulsion, for example, in the PMS 1000 hydrophobic oil. Cavitation bubbles contain dissolved atmospheric gas in which at the interface with the oil Condensed microdroplets of water are located. According to passport data, water is a by-product composition of oil in an amount of 0.05% by volume. A three-phase cavitation bubble of about 0.2 mm in size consists of a hydrophobic shell of highly viscous silicone oil, cavitation gas from the atmosphere and a small amount of water in the form of micron droplets between oil and gas. In such a bubble, a double electric layer is formed at the gas-silicone oil interface [A.P. Belyaev, V.I. Kuchuk. Physical and colloidal chemistry // GEOTAR-MEDIA, 2018.]. According to Ken’s rule, water, as the medium with the highest dielectric index, acquires a positive potential. Thus, a cavitation cell has both a negative charge on its shell and a positive charge inside, in the form of microdrops of water, and has its own electric field. In such a cell, microdroplets of water, due to their small size (5-20 microns), do not experience friction when moving along the surface of a hydrophobic liquid, conditions arise for its polarization and orientation in the form of thickenings in the direction of the gradient of the external electric field. Confirmation of this effect is shown in Fig 1. In the photograph, cavitation three-phase bubbles of 0.2 mm in size react to the electric fields of neighboring bubbles in the form of orientation and thickening of
Светлые выступы на пузырьке - микрокапли воды, которые при наличии нескольких источников электрического поля, расщепляются и вытягиваются к источнику поля. По сути, такой индикатор в двумерной системе координат является электрическим компасом и может указывать на угловое расположение других источников поля с разрешением по углу 10 градусов. Чувствительность таких трехфазных датчиков показана при взаимном перемещении на фиг. 2. Левый пузырек меньше правого, имеет меньше сконденсированного водяного пара и поэтому легче. Водяные микро капли на обоих пузырьках перемещаются на границе газ-жидкость, ориентируясь к центру внешнего источника электрического поля. На кадрах 1-3 перемещение левого пузырька соответствует 0,1 мм. При этом изменилась ориентация водяных микро капель в обоих пузырьках, которая характеризует изменение внешнего электрического поля на расстоянии 0.1 мм.Light protrusions on the bubble are microdroplets of water, which, in the presence of several sources of electric field, are split and extended to the source of the field. In fact, such an indicator in a two-dimensional coordinate system is an electric compass and can indicate the angular location of other field sources with a resolution of 10 degrees. The sensitivity of such three-phase sensors is shown with mutual movement in FIG. 2. The left bubble is smaller than the right, has less condensed water vapor and is therefore lighter. Water droplets on both bubbles move at the gas-liquid interface, being oriented toward the center of an external source of electric field. In frames 1-3, the movement of the left bubble corresponds to 0.1 mm. In this case, the orientation of the water droplets in both bubbles changed, which characterizes the change in the external electric field at a distance of 0.1 mm.
Изготовить чувствительный элемент можно посредством газовой кавитации эмульсии из гидрофобной высоковязкой жидкости 99,5% и 0,5% воды по объему. Кавитация смеси возникает в тонком слое между неконцентрическими цилиндрами при их кратковременном скольжении между собой. При этом достигается падение давления, достаточное как для газовой кавитации, так и для паровой для вскипания воды (17 мм.рт.ст) [Joseph D. D. Cavitation in a flowing liquid //Phys. Rev. E, 51, R1649 (1995)]. При остановке скольжения, давление повышается до атмосферного и в газовых пузырьках происходит конденсация паров воды в микрокапли. Образуется трехфазный кавитационный пузырек с отрицательным потенциалом на своей оболочке и положительным в сконденсированных парах воды. Ввиду большой вязкости, такой трехфазный кавитационный пузырек почти не всплывает и может быть помещен в гидрофобный корпус (ячейку или кювету) (фиг. 5) с увеличительной линзой для регистрации внешних источников электрического поля. Гидрофобный корпус/ячейка/кювета может быть выполнен из любого оптически прозрачного материала с герметичным размещением в ней кавитационного трехфазного пузырька, при этом в качестве оболочки кавитационного пузырька выступает силиконовое масло, заполняющее весь внутренний объем корпуса. Линза может быть закреплена на поверхности кюветы любым известным из уровня техники способом, при этом возможен вариант реализации датчика, при котором весь корпус или часть ее поверхности выполнен в виде увеличительной линзы. Такой датчик может иметь размеры от 3 до 5 мм.A sensitive element can be manufactured by gas cavitation of an emulsion from a hydrophobic highly viscous liquid of 99.5% and 0.5% water by volume. Cavitation of the mixture occurs in a thin layer between non-concentric cylinders during their short-term sliding between themselves. This achieves a pressure drop sufficient for both gas cavitation and steam for boiling water (17 mm Hg) [Joseph D. D. Cavitation in a flowing liquid // Phys. Rev. E, 51, R1649 (1995)]. When the slip stops, the pressure rises to atmospheric pressure and condensation of water vapor into microdrops occurs in gas bubbles. A three-phase cavitation bubble is formed with a negative potential on its shell and positive in condensed water vapor. Due to the high viscosity, such a three-phase cavitation bubble almost does not float and can be placed in a hydrophobic body (cell or cuvette) (Fig. 5) with a magnifying lens for recording external sources of electric field. The hydrophobic body / cell / cuvette can be made of any optically transparent material with a hermetic placement of a three-phase cavitation bubble in it, while silicone oil acts as the shell of the cavitation bubble, filling the entire internal volume of the body. The lens can be mounted on the surface of the cell in any way known from the prior art, while a sensor embodiment is possible in which the entire body or part of its surface is made in the form of a magnifying lens. Such a sensor can have sizes from 3 to 5 mm.
Измерения показали, что предлагаемый трехфахный кавитационный датчик способен почувствовать изменение напряженности электрического поля на длине перемещения 0,1 мм. Использование трехфазного кавитационного пузырька с собственным электрическим полем в качестве индикатора, без внешнего источника электропитания, может успешно найти применение в таких областях, как медицина, биология, например, для регистрации заряженных областей на биологическом теле, а также как электрический компас.Measurements showed that the proposed three-phase cavitation sensor is capable of sensing a change in the electric field strength over a travel length of 0.1 mm. The use of a three-phase cavitation bubble with its own electric field as an indicator, without an external power source, can be successfully used in areas such as medicine, biology, for example, for recording charged areas on a biological body, as well as an electric compass.
В примере конкретного выполнения (фиг. 1-3) заявляемый чувствительный элемент - кавитационный пузырек, был получен с помощью устройства (фиг. 4). При этом в эксперименте в качестве гидрофобной жидкости был использован ПМС 100, внешний цилиндр имел диаметр 5 см, внутренний 2,5 см. Цилиндры были размещены соосно один в другом с обеспечением зазора Н=5-10 мкм с возможностью скольжения внутреннего цилиндра по внутренней поверхности внешнего цилиндра, которое было реализовано посредством вращения внешнего цилиндра относительно своей оси, с линейной скоростью от 1 см до 3 см в течение 2-5 сек, обеспечивающей образование газовых (кавитационных) пузырьков с микровкраплениями сконденсированных паров воды на границе газ-жидкость после остановки перемещения внешнего цилиндра. Диаметр полученных кавитационных пузырьков составлял 0,2-0,5 мм. Результаты проведенных экспериментов, демонстрирующие возможность регистрации слабых электрических полей, количества близлежащих источников электрического поля, направлений электрических полей, представлены на фиг. 1-3, а именно: с помощью изготовленных чувствительного элемента и датчика на его основе были зафиксированы слабоменяющиеся квазистатические поля, характеризующиеся влиянием соседних кавитационных пузырьков, которые обладают своим собственным электрическим полем. Кроме того, кинофотосъемкой было зафиксировано изменение положений микровключений воды в пузырьке по действием внешнего электрического поля напряженностью 3 в/см, источник которого был размещен на расстоянии 2-3 см чувствительного элемента. Следует отметить, что датчик и чувствительные элемент характеризуются стабильностью в течение длительного времени за счет сохранения газа в оболочке масла, как и микрокапли воды, ввиду своей гидрофобности, при отсутствии резких температурных изменений, когда масло может замерзнуть при отрицательной температуре или сильно нагреться и вскипеть. В проведенном исследовании при неизменных внешних условиях чувствительный элемент сохранял свои свойства не менее 1 месяца.In an example of a specific implementation (Fig. 1-3), the inventive sensitive element is a cavitation bubble, was obtained using the device (Fig. 4). At the same time, in the experiment, PMS 100 was used as a hydrophobic liquid, the outer cylinder had a diameter of 5 cm, the inner one was 2.5 cm. The cylinders were placed coaxially in one another with a gap of H = 5-10 μm with the possibility of the inner cylinder sliding on the inner surface external cylinder, which was implemented by rotating the external cylinder about its axis, with a linear speed of 1 cm to 3 cm for 2-5 seconds, which provides the formation of gas (cavitation) bubbles with microincreations of condensed ditch water at the gas-liquid after stopping the movement of the outer cylinder. The diameter of the cavitation bubbles obtained was 0.2-0.5 mm. The results of the experiments, demonstrating the possibility of recording weak electric fields, the number of nearby sources of electric fields, directions of electric fields, are presented in FIG. 1-3, namely: using the manufactured sensitive element and a sensor based on it, weakly changing quasistatic fields were detected, characterized by the influence of neighboring cavitation bubbles, which have their own electric field. In addition, by filming, a change in the positions of microinclusions of water in the bubble was detected by the action of an external electric field of 3 V / cm, the source of which was placed at a distance of 2-3 cm of the sensing element. It should be noted that the sensor and the sensitive element are characterized by stability for a long time due to the preservation of gas in the oil shell, as well as microdroplets of water, due to their hydrophobicity, in the absence of sharp temperature changes, when the oil can freeze at low temperatures or become very hot and boil. In the study, under constant external conditions, the sensitive element retained its properties for at least 1 month.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019116310A RU2719271C1 (en) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | Bubble sensor for detecting weak electric fields |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019116310A RU2719271C1 (en) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | Bubble sensor for detecting weak electric fields |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2719271C1 true RU2719271C1 (en) | 2020-04-17 |
Family
ID=70277758
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019116310A RU2719271C1 (en) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | Bubble sensor for detecting weak electric fields |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2719271C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2002106916A (en) * | 2002-03-18 | 2003-11-20 | Федеральное государственное унитарное предпри тие "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" | Electric field indicator |
RU2388003C1 (en) * | 2008-09-02 | 2010-04-27 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Method for electric field intensity measurement |
WO2011008872A1 (en) * | 2009-07-14 | 2011-01-20 | Amfit, Inc. | Electrostatic sensor device and matrix |
US20120160680A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | National Chiao Tung University | Microfluidic system and bubble manipulation method thereof |
RU2676059C1 (en) * | 2018-03-01 | 2018-12-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Microsystem indicator of electric fields of space apparatus |
-
2019
- 2019-05-27 RU RU2019116310A patent/RU2719271C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2002106916A (en) * | 2002-03-18 | 2003-11-20 | Федеральное государственное унитарное предпри тие "Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий" | Electric field indicator |
RU2388003C1 (en) * | 2008-09-02 | 2010-04-27 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Method for electric field intensity measurement |
WO2011008872A1 (en) * | 2009-07-14 | 2011-01-20 | Amfit, Inc. | Electrostatic sensor device and matrix |
US20120160680A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | National Chiao Tung University | Microfluidic system and bubble manipulation method thereof |
RU2676059C1 (en) * | 2018-03-01 | 2018-12-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Microsystem indicator of electric fields of space apparatus |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Marston et al. | Quadrupole resonance of drops driven by modulated acoustic radiation pressure—Experimental properties | |
KR970000633B1 (en) | Method and apparatus for measuring particle size and charge amount | |
Mabrouk et al. | Physicochemical and electrochemical methods for determination of critical micelle concentrations of surfactants: a comprehensive review | |
Hanai et al. | The variation of capacitance and conductance of bimolecular lipid membranes with area | |
Rollefson | Tunneling in NaBr: F−: Thermal and Dielectric Properties | |
US10584966B2 (en) | Precision inclinometer with parallel dipole line trap system | |
RU2202803C2 (en) | Responding device for three-dimensional measurements of position or acceleration | |
BR112020024496A2 (en) | oil recovery sensor | |
Zhu et al. | Highly sensitive open-ended coaxial cable-based microwave resonator for humidity sensing | |
Delgado et al. | Electrokinetic phenomena and their experimental determination: an overview | |
CN101782419A (en) | Liquid level measuring method and device based on isosceles right triangular prism | |
RU2719271C1 (en) | Bubble sensor for detecting weak electric fields | |
RU2719274C1 (en) | Three-phase cavitation sensing element of electric field, method of its production and application | |
Morganti et al. | A numerical application of the Eshelby theory for geobarometry of non-ideal host-inclusion systems | |
Duque et al. | Fiber-optic hydrophone based on Michelson’s interferometer with active stabilization for liquid volume measurement | |
Richards | An intensity gauge for “supersonic” radiation in liquids | |
Sui | Weighted l1 minimization techniques for compressed sensing and their applications | |
WO2018159688A1 (en) | Viscosity and elasticity measuring device, and viscosity and elasticity measuring method | |
Bacri et al. | Magnetic fluid pressure sensor | |
Thurston et al. | Shear wave propagation in a birefringent viscoelastic medium | |
Riaño et al. | A high spatial and temporal resolution film thickness sensor in oil-water flows | |
Almuradi et al. | Temperature impact in electromagnetic non-invasive water/oil/gas multiphase real time monitoring | |
Rohman | Hexyltrimethylammonium bromide solutions at 278.15: A dielectric investigation on micelle relaxation and hydration | |
Rozental et al. | Methods and means of dielectric measurements of aqueous solutions of electrolytes | |
Nazarov et al. | Capacitive technique for measuring the component concentration in drops of binary solutions |