Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биологические аспекты воздействия аэроионов 8
1.1. Искусственные и естественные аэроионы 8
1.1.1. Физико- химические процессы при ионизации 8
1.1.2. Срок жизни и уничтожение ионов 11
1.2. Биофизические аспекты влияния аэроионов 12
1.2.1. Исследование влияния аэроионов на кровь с целью консервирования, на микроорганизмы и растения 12
1.2.2. Создание искусственного микроклимата в помещении 14
1.3. Медицинские аспекты влияния аэроионов 15
1.3.1. Теория электрообмена 15
1.3.2. Влияние аэроионов на некоторые физиологические параметры: электрическую активность коры головного мозга и функциональное состояние сосудодвигательного аппарата 18
1.4. Аппаратура для искусственной ионизации воздуха 39
1.4.1. Методы искусственной ионизации воздуха 39
1.4.2. Аппаратура для аэроионизации 4 3
1.5. Аппаратура для измерения концентрации аэроионов 45
1.5.1. Методы определения концентрации аэроионов 45
1.5.2. Средства измерения параметров аэроионного режима 46
1.6. Разработка биотехнической системы аэроионотерапии с каналом контроля концентрации аэроионов 47
Глава 2. Теоретические исследования распространения аэроионов 53
2.1. Уравнение аэроионного баланса 53
2.1.1. Исследование ближней зоны 54
2.1.2. Исследование дальней зоны 68
2.2. Разработка метода измерения концентрации аэроионов 89
2.3. Теоретические исследования конструкции первичного измерительного преобразователя 91
Глава 3. Экспериментальные исследования распространения аэроинов 100
3.1. Разработка экспериментального стенда 100
3.1.1. Разработка структурной схемы 100
3.1.2. Разработка принципиальной схемы 106
3.2. Исследования с помощью экспериментального стенда . 110
3.2.1. Измерение концентрации аэроионов в закрытом помещении 111
3.2.2. Оптимизация количества коронирующих электродов 114
3.2.3. Исследование влияния системы вентиляции и наличия аппаратуры на распределение концентра ции аэроионов 115
3.2.4. Определение коэффициента ионообразования 116
Глава 4. Результаты клинических исследований 120
4.1. Общее описание 120
4.2. Описание проводимых исследований по воздействию на кровь 121
4 2.1. Определения изменения времени свертываемости крови 121
4.2.2. Определение изменений в общем анализе крови 123
4.2.3. Определение изменений в коагулографическом анализе крови 124
4.3. Исследование воздействия ионизированного воздуха на пациентов 125
4.3.1. Сравнительные данные общего анализа крови у пациентов контрольной и опытной групп 126
4.3.2. Сравнительные данные коагулометрии у пациентов контрольной и опытной групп 12 6
4.3.3. Сравнительные данные времени свертываемости крови у пациентов контрольной и опытной групп 12 6
Общие выводы 137
Список литературы 139
Приложения 14 6
- Биофизические аспекты влияния аэроионов
- Аппаратура для искусственной ионизации воздуха
- Разработка метода измерения концентрации аэроионов
- Исследования с помощью экспериментального стенда
Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время искусственные ионизаторы все чаще пользуются спросом как в медицинских учреждениях так и в быту, так как они насыщают воздух отрицательными ионами кислорода, благотворно влияющими на организм человека, а так же производят очистку помещений от пыли и микроорганизмов. Поэтому, отечественные и зарубежные производители выпускают аппараты, способные насыщать воздух легкими ионами кислорода, в массовых количествах. Но тем не менее аэроионотерапия не нашла широкого применения и поддержки у врачей в связи с неоднозначностью результатов клинических исследований и отсутствием научно- обоснованных методик лечения. Разработка новых методик лечения невозможна без систем контроля аэроионного воздействия. В настоящее время в России отсутствуют системы, способные поддерживать необходимый уровень концентрации аэроионов и оценивать эффективность генерирующей способности аэроионизатора за счет определения концентрации аэроионов. Наличие систем дозировки в искусственных аэроионизатрах имеет большое значение. Благодаря этим системам врач может подбирать индивидуальную дозу воздействия на пациента с определенным заболеванием, так как каждый пациент имеет свою собственную переносимость ионизированного воздуха и для каждого заболевания существуют свои предельно допустимые параметры ионизированного воздуха. В связи с этим, разработка, создание и внедрение в практику систем дозировки является важным моментом в создании аппаратуры для аэроионотерапии нового поколения.
Целью работы является разработка метода и средств измерения концентрации аэроионов в сильных электростатических полях.
Задачи работы:
- б -
Разработка математической модели распространения аэроионного потока в сильных электростатических полях.
Исследование продуцирующей способности коронного ионизатора воздуха для игольчатых электродов.
3. Разработка метода измерения концентрации аэроионов в
закрытом пространстве.
4. Исследование влияния геометрии первичного измерительного
преобразователя на точность измерения концентрации аэроионов.
Б.Медико- биологическая апробация эффективности ионизатора воздуха с системой контроля концентрации аэроионов.
Методы исследования. При вьтолнении диссертационной работы использовались методы теории математической физики, теории дифференциальных уравнений, теории биотехнических систем, использовались численные методы, методы математической статистики, система автоматизированного проектирования MathCAD.
Научная новизна.
В результате экспериментальных исследований геометрии коронирующих электродов предложена математическая модель, аппроксимирующая излучающую поверхность электрода гиперболоидом вращения и цилиндром. На основе предложенной модели впервые был рассчитан и экспериментально подтвержден коэффициент ионообразования для гиперболической части электрода.
На основе теоретических исследований установлено, что в сильных электрических полях процессы диффузии и поле пространственного заряда увеличивают значение концентрации аэроионов не более, чем на 2%.
В результате теоретических исследований установлено, что первичный измерительный преобразователь в виде диска и
охранного кольца вносит минимальные искажения в поле ионизатора.
Установлено, что при внесении в поле первичного измерительного преобразователя поток аэроионов через измерительную поверхность увеличивается в 15 раз и слабо зависит от расстояния между генерирующим электродом и первичным измерительным преобразователем.
На основе результатов медико- биологических исследованиях установлено, что применение аэроионотерапии значительно снизило показатели, характеризующие повышенную свертываемость крови и, как результат, понизило вероятность образования тромбов в послеоперационный период.
Практическая ценность. Разработан новый метод определения концентрации аэроионов, позволяющий проводить измерения в сильных электрических полях. Разработан первичный измерительный преобразователь для предложенного метода измерения, отличающийся методической погрешностью, не превышающей 8%. Разработаны аппаратно- программные средства, которые позволяют осуществлять оперативный контроль за индивидуальной дозой воздействия аэроионов.
Апробация работы проводилась на базе отделения реанимации и интенсивной терапии факультетской хирургической клиники им. Н.Н. Бурденко ММА им. И.М. Сеченова.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 59 наименований и 5 приложений. Основное содержание работы изложено на 177 страницах, содержит 36 рисунков, 12 таблиц.
Биофизические аспекты влияния аэроионов
Необходимость электронов для жизни неопровержимо доказана Г. Пухаричем [6], который в 1973 году запатентовал метод сохранения жидкого (естественного) состояния крови человека и животных в сосудах естественных и искусственных органов и тканей сердечно-сосудистой системы. Техника стабилизации крови осно вана на применении электродинамического контроля за коагуляцией крови и за образованием тромбов. При этом клетки крови и внутренняя поверхность сосудов (например, эндотелий) получают отрицательный заряд, чем и обеспечивается взаимное отталкивание клеток между собой и от природной или искусственной сосудистой поверхности. Здесь уместно вспомнить о теоретических работах А.Л. Чижевского [7], математически обосновавшего стройную (монетными столбиками) структуру движущейся крови, для осуществления которой необходимы все те же отрицательные заряды - электроны.
Таким методом предупреждается образование сгустков и тромбов крови без применения химических антикоагулянтов, как это было необходимо до сих пор, например, с имплантированными искусственными элементами. Способ также используется для удаления уже существующих тромбов и имеет ряд преимуществ, как показали терапевтические результаты, полученные при очищении сердечнососудистой системы.
Начиная с середины 50-х годов, исследовательская лаборатория по изучению ионов воздуха Калифорнийского университета в Беркли (США) исследует влияние аэроионов на живые организмы. Доктор медицины, заслуженный профессор бактериологии А. П. Крюгер [8,9] отмечает, что в результате проведенных в лаборатории работ было опубликовано около 75 научных отчетов.
Профессор А.П. Крюгер отмечает, что в результате работ, проведенных в исследовательской лаборатории, было выявлено, что легкие отрицательные ионы кислорода оказывают губительное воздействие на многие виды плесени и бактерий, включая такие опасные микроорганизмы, как возбудители холеры и брюшного тифа. Отрицательное атмосферное электричество стимулирует рост растений.
Эти материалы позволяют сделать следующие выводы о том, что: - легкие отрицательные ионы кислорода оказывают губительное воздействие на многие виды плесени и бактерий, включая такие опасные организмы, как возбудители холеры и брюшного тифа;- отрицательное атмосферное электричество стимулирует рост растений, таких как: ячмень, овес, горох, бобы, фиалки, герань; сокращает в тепличных условиях время созревания фиалок и герани, а воздух без ионов - сдерживает рост растений и вызывает увядание;- под действием отрицательных ионов в растениях повышается выработка железосодержащих энзимов, увеличивается скорость поглощения кислорода и метаболическая активность хлоро-пластов, являющихся центрами фотосинтеза и образования крахмала.
А. Л. Чижевским был предложен метод очистки воздуха помещений от пыли с помощью электроэффлювиального аэроионизатора [10]. При этом отрицательные ионы воздуха заряжают (или перезаряжают) пыль и микрофлору, находящиеся в воздухе, которые затем начинают двигаться вдоль силовых линий электрического поля по направлению к противоположно (положительно) заряженному полюсу, т.е. к полу, стенам и потолку. При этом электрические силы превосходят силы гравитации в тысячи раз. Это дает возможность по желанию строго направлять движение облака тонкодисперсной пыли (например, вредной кварцевой пыли) и очищать, таким образом, воздух именно в том месте, где работают люди. Осевшие на поверхность пола, потолка и стен частицы и микроорганизмы должны периодически удаляться.
Труды А. Л. Чижевского получили мировое признание. Как отмечалось на Международном конгрессе по биологической физике и биологической космологии в Нью-Йорке, проходившем с по 16 сентября 1939 года , А.Л. Чижевскому принадлежит приоритет в целом ряде капитальных открытий в биофизике, электрофизиологии, медицине и других областях естествознания. Уже в 1939 году А.Л. Чижевский был признан основоположником четырех новых наук, среди которых находится и аэроионификация, как наука об искусственном управлении электрическим режимом атмосферного воздуха.
А.Л. Чижевский с юношеских лет был другом К.Э. Циолковского, который поддержал его идеи по ионизации воздуха с целью сохранения атмосферы Земли в космических ракетах. И можно без преувеличения сказать, что открытия А. Л. Чижевского имеют для человечества первостепенное практическое значение, развертывают широкие горизонты в науке о жизни не только на Земле, но и в условиях космического пространства.
Рассмотрим работу преобразования энергии, роль и влияние электронов в энергетическом потоке, создаваемом "Люстрой Чижевского". Чтобы избежать ошибки, необходимо, оперируя понятием "энергия", четко представлять себе, с каким видом энергии мы имеем дело, какую работу она производит и в какой вид при этом преобразуется.
Последние исследования и выводы, клинические испытания и практическое применение аэроионотерапии в коллективах, руководимых проф. Л. И. Герасимовой [11] в полной мере подтвердили результаты, опубликованные 50 лет назад А.Л. Чижевским [5].
Более того, применив комплексную методику аэроионотерапии в сочетании с лазерной терапией проф. Л.И. Герасимова [5] получила положительные результаты при лечении термически пораженных больных в ожоговом центре НИИСП им. Склифосовского.
Получив факты о противоположном действии на организм отрицательных и положительных аэроионов [12], А.Л.Чижевский провел многочисленные исследования по выяснению благотворного влияния отрицательных аэроионов кислорода. Поддерживая взгляды П. Берта-лона, он считает, что существуют два пути влияния аэроионов на организм человека - это кожа и легкие. Бомбардируя кожу, поток АИ повышает её газообмен и возбуждает рецепторы нервных структур периферической нервной системы. Однако на долю кожной поверхности приходится менее 1 % всего газообмена, поэтому поступление АИ кислорода таким путем очень мало. В то же время получены сведения о влиянии АИ на рецепторы кожного покрова: изменение тактильной и болевой чувствительности, диаметра капилляров, усиленный рост волос. Получен также неплохой эффект при лечении кожных заболеваний (экземы, фурункулез). Влияние АИ на рецепторы кожи способно рефлекторно изменить тонус центральной нервной системы и повлиять положительно на метаболизм организма в целом. Действие АИ через кожу А. Л. Чижевский назвал внешним электрообменомА.Л.Чижевский и Л.Л.Васильев [12] распространили понятиеоб электрообмене между организмом и воздушной средой на электрические процессы, происходящие внутри организма под влиянием притекающего к легким ионизированного воздуха, на легочный и тканевый электрообмен. Наблюдения 1925—1929 гг. над людьми и животными показали, что униполярно ионизированный воздух оказывает определенное воздействие на функцию дыхания. При одной и той же концентрации легких аэроионов отрицательные аэроионы замедляли и успокаивали дыхание, а положительные производили обратное действие. Л. Л. Васильев, проводивший исследования по общему плану работ с А. Л. Чижевским, установил, что в состоянии кислотно-щелочного равновесия обменных процессов организма (покой) и в состоянии нарушения этого равновесия в кислотную сторону (восстановительный период после работы) или в щелочную (гипервенти
Аппаратура для искусственной ионизации воздуха
Методы искусственной ионизации воздуха Гигиеническими и медико- биологическими экспериментами на протяжении нескольких десятков лет установлено определенное биологическое значение легких аэроионов. В 1980 году Минздравом СССР разработаны и утверждены «Санитарно- гигиенические нармы допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений» [25] , в которых определены минимально необходимый л"=200...600 и л+=200...4 00 е/см3 максимально допустимый и оптимальный уровни ионизации воздуха. Минимально необходимый уровень концентрации легких аэроионов может быть обеспечен оптимизацией архитектурно- строительных факторов таких, как кратность воздухообмена, объемно- планировочные параметры, строительные материалы, используемые в ограждающих конструкциях и облицовке и др. Для получение более высоких концентраций легких отрицательных аэроионов, характерных для оптимального аэроионного режима, необходимо их искусственное продуцирование посредством определенных устройств [26]. Аппараты, с помощью которых осуществляется искусственная ионизация воздуха, называются аэроионизаторами или генераторами аэроионами. В зависимости от физического явления, используемого в той или иной конструкции аэроионозатора для продуцирования аэроионов, различают следующие их типы: коронные (эффлювиальные); радиоизотопные; термоэлектронные; термоэлектрические .
В зависимости от размеров обслуживаемой зоны аэроионизаторы подразделяются на местные и общие, а от назначения и варианта расположения - на стационарные и переносные [27]. По своему устройству, принципу действия и техническим характеристикам аэроионизаторы бывают регулируемые и нерегулируемые, генерирующие униполярные и биполярные легкие аэроионы.
Для совершенствования аэроионного режима помещений, изучения физиологического действия и аэроионотерапии создано большое количество аэроионизаторов различных типов.Термоэлектронные аэроиониза торы
Принцип действия аэроионизаторов этого типа основан на использовании термоэлектронной эмиссии раскаленных металлов при его нагревании до высокой температуры (500...2000С). Освобождение электронов из металла требует затраты определенной энергии, называемой обычно "энергия выхода" или "работа выхода". Процесс освобождения электронов с поверхности металла часто называют поверхностной ионизацией [25,26].
Аэронизаторы этого типа, несмотря на некоторые преимущества (безопасность пользования, получение азроионов с высокой степенью униполярности), обладают и определенными недостатками: малая генерирующая способность, повышение температуры окружающего воздуха, большая потребляемая мощность, малый срок эксплуатации излучателя аэроионов. При работе термоэлектронных аэроионизаторов происходит загрязнение воздуха частицами тонкодисперсной фазы, представляющих собой окислы металлов, из которых состоит накаленная проволока. Концентрация этих частиц в воздухе достигает 1000 в см3. В нашей стране аэронизаторы этого типа не нашли практического применения для совершенствования аэроионного режима в жилых и общественных зданиях.Вместе с тем такие аэроионизаторы используются для некоторых лечебных целей. Как отмечает Ф. Г. Портнов, термоэлектронные аэроионизаторы весьма эффективны в тех случаях, когда целесообразно сочетание аэроионотерапии с тепловым эффектом, например при лечении больных бронхиальной астмой, катарами верхних дыхательных путей и тому подобными заболеваниями для ре гионов, характеризующихся длительными периодами сырой и прохладной погоды.
Радиоизотопные аэроионизаторыПринцип действия аэроионизаторов этого типа основан на свойстве у- лучей радиоактивных веществ ионизировать воздух. Основными достоинствами радиоизотопных аэроионизаторов является отсутствие побочных продуктов (озон, окислы азота) при генерировании и варьирование коэффициента униполярности.
Как известно, ионизирующие излучения вызывают биполярную ионизацию. Варьирование коэффициента униполярности или обеспечение униполярной ионизации воздуха осуществляют в радиоизотопных аэроионизаторах с помощью постоянного электрического поля [27].Фотоэлектрические аэроионизаторы
Принцип действия аэроионизаторов этого типа основан на использовании коротковолновых ультрафиолетовых лучей испускаемых ртутно-кварцевыми лампами. Наиболее известны конструкции аэроионизаторов Я. Ю. Рейнета и А. К. Тумана.Фотоэлектрические аэроионизаторы не получили широкого распространения. Очевидно, это вызвано тем, что при большой потребляемой мощности эти конструкции обладали сравнительно низкой продуцирующей способностью. Вторым, и пожалуй, более существенным недостатком является то, что при работе фотоэлектрических аэроионизаторов генерируется много биологически активных газов, таких, как озон и окислы азота (1-2 ПДК).
Гидродинамические аэроионизаторыПринцип действия гидродинамических аэроионизаторов (гид-роаэроионизаторов) основан на баллоэлектрическом эффекте, заключающемся в электризации мельчайших капель жидкости, возникающих при дроблении и распылении воды [28,29].
Гидроаэроионизатор представляет собой чашу, в верхней части которой находятся трубки, заканчивающиеся распылителями. Вытекающие из распылителей струи воды ударяются о карборундовый диск, в результате чего происходит баллоэлектрический эффект. Концентрация легких аэроионов, возникающих при этом, зависит от давления воды, вытекающей из распылителей.
Достоинством гидроаэроионизаторов является простота устройства, безопасность при работе, экономичность. К недостаткам относится то, что концентрация легких аэроионов положительного и отрицательного знака, генерируемых гидроаэроиониза-торами, зависит от химического состава воды и даже незначительные примеси могут существенно влиять не только на ионооб-разование, но и на коэффициент униполярности. При использовании дистиллированной воды образуются в основном отрицательные аэроионы, а добавление небольшого количества поваренной соли приводит к преимущественному генерированию положительных аэроионов. При дроблении и распылении воды обр.азуется большое число тяжелых аэроионов. Гидроаэроионизаторы, не снабженные подогревателями, вызывают неприятное ощущение холодного воздуха, особенно в зимнее время.Коронные аэроионизаторы
Разработка метода измерения концентрации аэроионов
Как упоминалось ранее, одним из самых простых и дешевых способов измерения концентрации аэроионов является метод открытого коллектора. Однако, этот метод обладает низкой точностью и служил ранее только как оценочный. Другие же методы измерения концентрации аэроионов неэффективны в сильных электрических полях. Поэтому было решено остановиться на методе открытого коллектора и повысить его точность. Для этого была предложена новая методика измерения концентрации аэроионов [50]. При разработке новой методики расчета концентрации аэроионов были сделаны следующие допущения: не учитывались процессы диффузии: не учитывалось влияние пространственного заряда; Потоко аэроионов, протекающий через поверхность первичного измерительного преобразователя определяется как: где л - концентрация аэроионов; е - заряд электрона; v - скорость распространения аэроионов. Для повышения точности определения скорости распространения аэроионов предполагается, что уменьшение концентрации аэроионов в зависимости от расстояния между первичным измерительным электродом и излучающим электродом пропорционально для всех частиц, обладающих данной скоростью, можно осуществить квантование сигнала плотности тока по уровню, определить время распространения для каждого уровня квантования и соответственно среднюю скорость распространения аэроионов (Рис.2.20). Рис.2.20. Зависимость измерительного тока от времени для различных расстояний между измерительным и излучающим электродами: 1- для Ы,2- для L2 (L1 L2) (t- время, j- измеряемая плотность тока) С учетом выражения (2.106) и выражения для плотности тока ]=— , где I- ток, протекающий через измерительный резистор, S о площадь сечение открытой площадки первичного измерительного преобразователя, выражение для определения концентрации аэроионов имеет вид: где U- напряжение на измерительном резисторе; R- сопротивление измерительного резистора; At- время запаздывания прихода ионного импульса; Л1- расстояние между точками, в которых измеряется ток. Выражение для среднего значения концентрации за период следования излучаемых импульсов в этом случае будет иметь вид: (Одним из наиболее важным звеном аппаратно- программного комплекса для измерения концентрации аэроионов в сильных электрических полях является первичный измерительный преобразователь [52,53]. В качестве первичного измерительного преобразователя была предложена конструкция, которая представляет собой два диска, измерительный и индикаторный, отделенные друг от друга по вертикали непроводящей цилиндрической перегородкой. К измерительному диску добавлено охранное кольцо для снижение краевых эффектов (Рис.2.21). измерительного преобразователя Исследования показали, что возникает ряд погрешностей, связанных с наличием краевых эффектов и увеличением потока через площадь первичного измерительного преобразователя за счет наличия на его поверхности наведенного заряда от излучателя . Для рассмотрения зоны первичного измерительного преобразователя (ПИП) необходимо разработать математическую модель, которая бы описывала распределение поля с учетом наличия в ней ПИП. Поверхностная плотность а заряда на поверхности проводника: где Еп - напряженность поля на поверхности ПИП, создавае мую 4 я- 0 2 мая точечным источником; зп = — сгп - поверхностная плотность заряда на поверхности проводника, созданная подаваемым - -потенциалом; t - толщина проводника; U - подаваемый на поверхность проводника потенциал;S - площадь поверхности проводника. В рассматриваемом сечении переходим к линейному случаю, тогда линейная плотность Я равна: l = a-2-h (2.110) где h - длина проводника. Напряженность поля dE, создаваемого в точке (х0,у0) элементарным зарядом A-dx равна [53] : иги.диск 4-7Г-Є-Е0 J -к,,..л где En - нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля элемента конструкции ПИПА, 1 - номер проводящего элемента конструкции ПИПА, 4 обобщенная координата, к - номер координаты, %0k,i - начальные координаты 1-го элемента конструкции ПИПА, p,q - оси координат, определяющие плоскость расположения 1-го элемента конструкции ПИПА, L - число проводящих элементов конструкции ПИПА, N -размерность пространства.
Проведенные расчеты выявили зависимость погрешности измерения от геометрических размеров первичного измерительного преобразователя. Анализ показал, что возможна оптимизация геометрических размеров первичного измерительного преобразователя по следующему функционалу [54]:Зависимость погрешности от расстояния между диском и охраннымкольцом (Д-погрешность, Аохр- расстояние между измерительнымдиском и охранным кольцом) от ширины охранного кольца (А-погрешность, Кхрхолъца- ширина охранного кольца)
При оптимизированных размерах погрешность измерения не превышает 8% и практически не зависит от расстояния между излучателем и первичным измерительным преобразователем. Наведенный заряд так же вызывает увеличение нормальной составляющей вектора напряженности электрического поля, что приводит к увеличению потока через ПИП. Для определения изменения потока через первичный измерительный преобразователь, было проведено сравнение нормальных составляющих вектора напряженности электрического поля при внесении в него первичного измерительного преобразователя и при его отсутствии [54]. Рассматривалось влияние расстояния между ПИП и излучателем на соотношение нормальных составляющих напряженности электрического поля при внесении ПИП к нормальной составляющей напряженности электрического поля без внесенного ПИП в горизонтальном сечении диска (Рис.2.23). составляющей напряженности электрического поля без внесенного ПИП (Е ) в горизонтальном сечении диска при различных расстояниях между ПИП и излучателем (х- координата пространства, нулевая отметка совпадает с центром ПИП) сплошная линия- расстояние между излучателем и ПИП равно 0.336 м пунктирная линия- расстояние между излучателем и ПИП равно 1.721 м В результате теоретических исследований было установлено, что нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля увеличивается в 15 раз и это изменение слабо зависит от расстояния между излучателем и первичным измерительным преобразователем. Слабая зависимость от расстояния позволяет ввести поправочный коэффициент, равный 15, и тем самым повысить точность измерения концентрации аэроионов. Установлено так же влияние размеров охранного кольца ПИП на соотношение нормальных составляющих напряженности электрического поля при внесении ПИП к нормальной составляющей напряженности электрического поля без внесенного ПИП в горизонтальном сечении диска (Рис.2.24) [54]. где Еі, Е 2 вертикальные составляющие напряженности поля ПИП соответственно в центре измерительного диска и в точке, расположенной на краю измерительного диска. 2 .минимум функционала Ф 2 Ф.=—, где Е з напряженность электростатического поля источника АИ без учета внесения ПИП, в точке пространства, совпадающей с центром измерительного диска. С помощью данных функционалов удалось оптимизировать радиус цилиндрической перегородки (Рис.2.25а и Рис.2.256). - 98 12 4" перегородки, см -4 -12 -20 Рис.2.25а. Зависимость функционала Фг от радиуса цилиндрической перегородки гперегородки 7.04- 6.88- 6.72" 6 56- 6 4-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0.5 1 15 2 2 5 3 3.5 4 4.5 перегородки, см Рис.2.25а. Зависимость функционала Ф2 от радиуса цилиндрической перегородки гперегородки С помощью разработанных математических моделей удалось разработать конструкция первичного измерительного преобразователя с оптимальными геометрическими параметрами. После исследования реального коронирующего электрода удалось произвести оптимальную аппроксимацию в виде гиперболоида вращения и примыкающего к нему цилиндра. При исследовании ближней зоны рассчитана напряженность электростатического поля в непосредственной близости от коронирующего электрода. Проведенные расчеты показали, что при наличии соседнего коронирующего электрода на расстоянии более 20 мм снижение напряженности электростатического поля не превышает 0.5%.
Исследования с помощью экспериментального стенда
С помощью разработанного экспериментального стенда были проведены исследования, которые позволили произвести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных, а также получить некоторые значений параметров, характеризующих аэроионный режим в помещениях.
Для подтверждения справедливости предложенной методики измерения концентрации аэроионов и конструкции первичного измерительного преобразователя проводились измерения концентрации аэроионов в помещении и сравнительный анализ полученных значений с теоретически рассчитанными.
С помощью разработанного интерфейса, после включения канала контроля концентрации аэроионов, на экране монитора компьютера отображается необработанный сигнал с трех датчиков: измерительного датчика, индикаторного датчика и датчика, измеряющего помеху (Рис.3.1).
Рис.3.1. Графики необработанных сигналов После запуска сигналов на цифровую и аналоговую обработку, система вычисляет значение концентрации аэроионов в месте расположения первичного измерительного преобразователя, определяет скорость распространения аэроионов и выдает все результаты в визуальной форме (Рис.3.2).
На Рис.3.3а. представлен график среднего значения концентрации азроионов в зависимости от расстояния до излучающего электрода в фиксированный момент времени (2 с). На Рис.3.36 представлена аналогичная зависимость, полученная при теоретических расчетах.
Рис.3.3а. Экспериментальная зависимости концентрации аэроионов от расстояния между излучающим электродом и первичным измерительным преобразователем (х- расстояние от излучателя, п- концентрация аэроионов)
Рис.3.36. Теоретическая зависимости концентрации аэроионов от расстояния между излучающим электродом и первичным измерительным преобразователем (х- расстояние от излучателя, л- концентрацияаэроионов)
Полученные данные позволили подтвердить корректность математической модели распространения аэроионов в сильных электрических полях. Выло установлено, что максимальные отклонения между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 14%, что является весьма приемлемым при измерении параметров аэроионного режима.С использованием экспериментального стенда исследовалось влияние количества коронирующих электродов на концентрацию аэроионов (Рис.3.4).
Эксперименты показали, что при использовании более восьми коронирующих электродов концентрация аэроионов практически не изменяется. Этот вывод позволяет в дальнейшем подойти вплотную к вопросу оптимизации формы излучателя за счет возможности использовать меньшее количество коронирующих электродов для создания необходимого уровня концентрации аэроионов. и,ед/м3/
При проведении экспериментов в отделении отделения реабилитации и интенсивной терапии клиники факультетской хирургии им. Н.Н. Бурденко ММА им. И.М. Сеченова проводилось исследование влияния систем вентиляции (Таблица 3)и наличия различной аппаратуры на распределение концентрации аэроионов. При исследовании влияние систем вентиляции одновременно проводились и измерения концентрации аэроинов аттестованным счетчиком аэроионов UT-8401, работающим на основе аспирационного метода (верхняя строка Таблицы 3).
Исследования показали одновременно состоятельность предложенной методики измерения концентрации и конструкции первичного измерительного преобразователя, а также позволили сделать вывод о сильном влиянии систем вентиляции на распределение концентрации. Последний вывод показывает, насколько тщательно надо подходить к учеты систем вентиляции в помещении с искусственным аэроионизатором.
Для исследования влияния различной аппаратуры, которая зачастую находится в помещении, были проведены замеры концентра Распределение концентрации-аэроионов в помещении Полученные при этом данные позволили сделать выводы о сильном влиянии аппаратуры, а точнее полей, создаваемых при работе данной аппаратуры, на распределение концентрации аэроионов в помещении. Представленные данные показали, что даже на одинаковых расстояниях от блока коронирующих электродов уровни концентрации различны. Эти результаты еще раз свидетельствуют о необходимости присутствия в системах искусственной ионизации воздуха блоков измерения концентрации азроионов.
Для определения коэффициента ионообразования необходимо рассмотреть уравнение аэроионного баланса в ближней зоне.
Интегрируя выражение (2.3) с учетом наличия процессов рекомбинации, получается выражение для определения коэффициента ионообразования (3.2). При этом предполагается, что распространение аэроионов происходит в сферическое пространство, а сам коэффициент ионообразования определяется в виде 5- функции. п - концентрация рекомбинированных ионов.В данном уравнении три неизвестных: коэффициент ионообразования, произведение коэффициента рекомбинации и концентрации рекомбинированных ионов (число ионов, рекомбинированных на заданном расстоянии в единицу времени) и значение концентрации аэроионов в непосредственной близости от коронирующего электрода.Для решения данной задачи производилось измерение плотности тока и концентрации аэроионов в трех точках пространства, а затем решалась система из трех уравнений:
Измерения показали. Что коэффициент ионообразования равен 1.225-1029 зарядов в единицу времени в объеме гиперболоида, с помощью которого аппроксимирован конец коронирующего электрода. Теоретически рассчитанное значение коэффициентаионообразования равно 8.835 -1032 . Сравнение этих данных показало, что отличие между этими величинами не превышает 0,014%, что означает корректность разработанной математической модели распространения аэроионов в ближней зоне.
Основываясь на теоретических расчетов, описанных в предыдущих главах, были разработаны структурная и принципиальная схемы системы измерения концентрации аэроиоонов.
Для подтверждения справедливости предложенной методики измерения концентрации аэроионов и конструкции первичного измерительного преобразователя были произведен сравнительный анализ данных значений концентрации аэроионов, полученных при измерении разработанной системой измерения концентрации и аттестованным счетчиком UT-8401, работающим на основе аспирационного метода. Полученные данные показали состоятельность предложенной методики и конструкции первичного измерительного преобразователя. Максимальные отклонения между теоретическими и экспериментальными данными не превышали 14 %.Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить корректность математических моделей распространения аэроионов в сильных электростатических полях.
Исследования суммарного тока, протекающего через корони-рующие электроды игольчатого типа позволили оптимизировать количество коронирующих электродов. При анализе зависимости значения амплитуда ионного тока от количества коронирующих излучателей было установлено, что величина ионного тока слабо изменяется при работе более 8 излучателей.
