Содержание к диссертации
Введение
Глава первая.
1. Обзор методов контроля биологической активности воды 15
1.1.Обзор областей применения биологической активности воды 16
1.2. Анализ существующих приборов и методов контроля биологиче ской активности воды 22
1.3 .Постановка задач диссертационных исследований 26
Глава вторая.
2. Способы повышение метрологических характеристик методов контроля биологической активности воды свойств воды 29
2.1.Влияние структуры воды на её физические, электрофизические и биологические свойства 29
2.2. Разработка основных требований к воде для контроля биологической активности раствора ионного серебра и при электромагнитных воздействиях с целью снижения погрешности 38
Глава третья.
3. Разработка и исследование неэлектрического метода контроля биологи ческой активности воды 38
3.1. Методологические основы неэлектрического метода контроля биологической активности воды 39
3.2. Повышение метрологических характеристик неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды и водных растворов с помощью углубленной статистической обработки результатов эксперимента 44
3.3. Экспериментальное исследование изменение биологической активности воды при различных внешних воздействиях на воду с помощью неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды 50
3.3.1 Применение неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды для контроля концентраций раствора ионного серебра 51
3.3.2 Применение неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды для контроля внешних воздействий 66
3.4 Основные результаты исследования неэлектрического дифференци ального метода контроля биологической активности воды 77
Глава четвертая
4. Разработка и исследование динамического рН - метрического метода контроля кислотности воды при различных внешних воздействиях... 78
4.1. Методологические основы обеспечения необходимой точности динамического рН - метрического метода контроля биологической активности воды при внешних электрических излучениях 78
4.1.1. Условия обеспечения точности измерений и расчет погрешно сти динамического рН-метрического метода контроля 81
4.2. Применение динамического дифференциального рН-метрического метода контроля биологической активности воды для контроля внешних воздействий 86
4.2.1. Контроль биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных полей индукцией до 300 нТл с помощью динамического дифференциального рН-
метрического метода контроля воды и водных сред 86
4.3 Основные результаты и выводы исследования динамического дифференциального рН-метрического метода контроля биологической активности воды 90
Заключение 92
Список литературы
- Анализ существующих приборов и методов контроля биологиче ской активности воды
- Разработка основных требований к воде для контроля биологической активности раствора ионного серебра и при электромагнитных воздействиях с целью снижения погрешности
- Повышение метрологических характеристик неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды и водных растворов с помощью углубленной статистической обработки результатов эксперимента
- Условия обеспечения точности измерений и расчет погрешно сти динамического рН-метрического метода контроля
Введение к работе
Вода играет решающую роль в подавляющем большинстве процессов и явлений, происходящих в природе. Она широко используется в промышленности, сельском хозяйстве и коммунальных целях. На долю воды приходиться 7% от веса земной коры, 0,04% из них пресная вода.
Значение воды для процессов жизнедеятельности и для промышленных целей обусловлено её уникальными свойствами: высокими теплоемкостью, теплопроводностью и плотностью, большой диэлектрической проницаемостью, а так же способность хорошо растворять многие вещества. Высокая растворяющая способность обеспечивает все процессы жизнедеятельности растений и животных. Благодаря этому вода участвует во всех биохимических и биофизических процессов, определяющих функционирование биологических объектов на Земле. Нельзя преувеличить роль воды в организме человека, который на 75% процентов состоит из воды. Содержание воды в плазме крови человека достигает 98%. Вода регулирует процессы теплообмена в организме и участвует в большинстве окислительно-восстановительных процессов в клетке. Изменение таких параметров воды как вязкость, водородный показатель, количество растворенного кислорода, температуры, электропроводности и других, влияет на функционирование живых организмов [1-3]. В зависимости от своего состояния, вода может ускорять или замедлять обменные процессы в живых организмах. Зная динамику и характер изменения основных свойств воды или водных растворов, можно регулировать процессы жизнедеятельности биологических объектов. Поэтому в биологии, экологии и медицине большое внимание уделяется исследованию такого параметра воды как биологическая активность (понятие обратное токсичности воды и водных растворов).
Под биологической активностью воды понимается «её свойство пониженного или повышенного (относительно контрольного образца) влияния на процессы жизнедеятельности биологических объектов, приобретенное в результате воздействия внешних факторов» [5,6].
Изменение биологической активности воды напрямую связано с изменение её вязкости, водородного показателя, количества растворенного кислорода, способностью поглощать ИК-излучения и другие [3,4]. Поэтому исследования изменения биологической активности воды в зависимости от изменения её физико-химических свойств позволит разработать электрические методы контроля биологической активности воды, которые на сегодняшний день не реализованы. Взаимосвязь между изменением вышеперечисленных физических и химических свойств воды и её биологической активностью мало исследована. Особенно это актуально при исследовании физико-химических свойств и биологической активности воды после различных видов её обработки с помощью слабых по интенсивности полей и излучений [3,4].
Применяемые в медицинских и биологических исследованиях биотесты, способны оценивать биологическую активность или токсичность воды и водных растворов. В качестве выходных характеристик данных биотестов, как правило, отслеживается репродуктивная способность простейших (например, дафний), оптическая плотность водной среды, в которой развиваются микроорганизмы (по изменению оптической плотности судят о биологической активности воды), процессы развития проростков растений (в данном случае контролируется длина корней проростка) [2,4-
9].
Все вышеперечисленные биотесты широко используются в медицине
и экологии, но при этом обладают низкими метрологическими характеристиками и в большинстве случаев направлены на определение токсичности воды. Данные методики не позволяют установить закономерности изменения биологической активности воды. Это в первую очередь обусловлено низкой чувствительностью биотестов и несовершенством методик их реализации.
Таким образом, к актуальной и значимой области исследования различных свойств воды, относится разработка и исследование методов контроля биологической активности воды.
Столь слабое развитие методов контроля биологической активности воды, привело к тому что, уникальные биологические свойства, которые проявляет вода, на сегодняшний день практически не используются (исключение составляет разработка и создание гомеопатических препаратов). Однако, как показали многочисленные экспериментальные исследования, биологическая активность воды напрямую влияет на процессы жизнедеятельности биологических объектов.
Столь слабое использование свойств воды в медицине, биологии и сельском хозяйстве в первую очередь связано с отсутствием чувствительных, метрологически проработанных методов контроля биологической активности воды и водных систем.
Наиболее перспективным следует считать разработку и широкое внедрение методов контроля биологической активности воды, которые основаны на простых, хорошо изученных физических и биологических принципах, на принципиально линейных зависимостях «вход-выход», легко поддающихся расчету и воспроизведению. К числу таких методов относится неэлектрический дифференциальный метод контроля биологической активности воды, основанный на процессах прорастания зерен пшеницы. Развитие неэлектрических методов контроля биологической активности воды будет способствовать разработке и созданию методов контроля биологической активности воды, основанных на контроле физических параметров воды, таких как электропроводность, вязкость, диэлектрическая проницаемость, оптическая плотность и другие. Некоторые из вышеперечисленных свойств воды зависят от внешних влияющих факторов, что позволяет предположить создание чувствительных электрических методов контроля, позволяющих косвенным образом судить об изменении биологической активности воды. [4,10,11]. Это возможно за счет сравнительного
8 анализа изменения биологической активности воды и электрических, физических или электрофизических свойств воды. Наиболее перспективным и простым по реализации является динамический дифференциальный рН-метрический метод контроля.
На современном уровне научно-технического развития прослеживается тенденция к развитию новых технологий, где в качестве регистрирующей среды выступают изменения как физических, так и биологических свойств биообъектов. Причем к изучению последних наблюдается повышенный научный и практический интерес. Об актуальности новых технологических решений с использованием биоинформационных технологий было отмечено на международном конгрессе «Информационные техноло-гии-2003» (г. Санкт - Петербург, 2003 г.); Международных конгрессах «БЭИТ - 2003» (г. Барнаул, 2003г.); «БЭИТ - 2004» (г. Барнаул, 2004г.); Международной конференции «Гуманизация среды обитания и экология человека» (г. Барнаул, 2004г.).
В связи с этим, перспективным направлением в области контроля биологической активности воды следует считать разработку и внедрение комплексных методов контроля биологической активности воды, включающих параллельное использование электрических и биологических методов контроля воды и водных растворов.
Таким образом, целью настоящей работы является разработка методов контроля биологической активности воды для контроля биологической активности раствора ионного серебра и для контроля биологической активности воды при различных внешних воздействиях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Рассмотреть основные области применения биологических свойств воды и провести анализ существующих приборов и методов контроля её биологической активности.
Разработать методологию и метрологию для создания методов контроля биологической активности воды.
Разработать неэлектрический дифференциальный метод контроля биологической активности воды, основанный на изменении скорости прорастания зерен пшеницы
Исследовать применения неэлектрического дифференциального метода контроля, основанного на изменении скорости прорастания зерен пшеницы для контроля биологической активности раствора ионного серебра различных концентраций.
Разработать динамический дифференциальный рН - метрический метод контроля, позволяющий косвенным образом контролировать биологическую активность воды.
Исследовать неэлектрический дифференциальный метод для контроля биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных излучений.
Разработать математические модели зависимости относительного изменения биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных излучений.
Исследовать пути понижения случайной составляющей погрешности при контроле биологической активности воды.
9. Исследовать динамический дифференциальный рН-метрический
метод контроля биологической активности воды при внешних электромаг
нитных воздействиях.
Научная новизна выполненных исследований и разработок заключается:
В предложенном математическом описании относительного изменения биологической активности воды.
В разработанной методике измерения биологической активности воды с гарантированной точностью с помощью неэлектрического метода контроля биологической активности воды, основанного на изменении скорости прорастания зерен пшеницы.
В разработанной методике измерения биологической активности воды с гарантированной точностью для контроля биологической активности раствора ионного серебра.
В разработанной косвенной методике измерения биологической активности воды с гарантированной точностью с помощью динамического дифференциального рН-метрического метода контроля, заключающегося в динамическом измерении рН воды и водных растворов с использованием современных цифровых микропроцессорных систем.
В разработанной методике измерения биологической активности воды с гарантированной точностью при внешних электромагнитных воздействиях.
Практическая ценность приведенной научно-исследовательской работы:
Предложена формула для расчета относительного изменения биологической активности воды.
Исследовано воздействие различных концентраций раствора ионного серебра на биологическую активность воды с помощью неэлектрического дифференциального метода контроля, основанного на изменении скорости прорастания зерен пшеницы.
Исследовано воздействие электромагнитных излучений на биологическую активность воды с помощью неэлектрического дифференциального метода контроля и динамического дифференциального метода контроля воды и водных растворов.
Получены выражения, позволяющие с малой погрешностью определить биологическую активность воды при воздействии внешних электромагнитных излучений на воду.
Реализация результатов работы. На основе неэлектрического метода контроля изменения биологической активности воды в АГМУ на кафедре «Основ гигиены и экологии человека» ведется контроль биологической активности воды в зависимости от концентрации раствора ионного
11 серебра. С помощью неэлектрического метода контроля биологической активности воды, основанного на изменении скорости прорастания зерен пшеницы и динамического дифференцированного рН-метрического метода контроля реализуются научно-исследовательские работы на кафедре «Информационных технологий» АлтГТУ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором и обсуждались на международных конгрессах «БЭИТ-2002» (г. Барнаул, 2002г.), «БЭИТ-2003» (г. Барнаул, 2003г.), «БЭИТ-2004» (г. Барнаул, 2004г.), рамках научно-практической конференции «Гуманизация среды обитания и экологии человека» (г. Барнаул, 2004г.).
Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, включая рисунки на 20 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и приложений.
В ведении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна работы, обоснована практическая ценность, отражена реализация работы в народном хозяйстве, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях, приведена структура диссертации и дано краткое изложение научного материала по главам.
В первой главе дан краткий анализ основных областей применения биологической активности воды, приборов и методов контроля биологической активности воды. Показано несовершенство существующих на сегодняшний день приборов и методов контроля биологической активности воды. Сформулированы задачи диссертационного исследования.
Во второй главе предложено математическое описание изменения биологической активности воды при различных внешних воздействиях, выдвинуты основные требования к воде и водной среде, позволяющие снизить погрешность измерения разработанных методов контроля биологической активности воды.
В третьей главе проработаны методологические и метрологические основы неэлектрического метода контроля биологической активности воды, основанного на изменении скорости прорастания зерен пшеницы, для контроля биологической активности раствора ионного серебра различной концентрации. Показана возможность использования неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды, основанного на изменении скорости прорастания зерен пшеницы при воздействии внешних электромагнитных излучений. Получены формулы изменения биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных излучений.
В четвертой главе проработаны основы динамического дифференцированного рН-метрического метода контроля для косвенного измерения биологической активности воды. Показана возможность использования динамического дифференциального рН-метрического метода для косвенного контроля биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных излучений.
Анализ существующих приборов и методов контроля биологиче ской активности воды
Обзор существующих приборов и методов контроля биологической активности воды и водных растворов показал, что на сегодняшний день разработаны и исследованы различные методы и средства контроля таких свойств воды и водных растворов как: электропроводность, диэлектрическая проницаемость, оптические свойства, рН, вязкость и ионный состав и прочие. Основные направления развития методов и средств контроля воды и водных систем сводятся к созданию и исследованию приборов и методов для контроля концентрации среды, влажности, токсичности и прочих параметров, широко используемых в технологических процессах. Однако на современном этапе научно-технического развития остается практически не изученным и мало проработанным вопрос о контроле такого важного параметра воды и водных растворов как биологическая активность.
Подводя итог сказанному, можно заключить, что требуется разработка и исследование современных биоинформационных и электрических методов контроля свойств воды, обладающих высокой чувствительностью и высокой метрологической точностью.
Наиболее эффективный контроль внешних электрических воздействий на биологическую активность воды и водных растворов возможен при совместном использовании нескольких методов и приборов контроля. Параллельный контроль биоинформационными и электрическими методами позволит установить зависимости изменения биологической активности воды и какого-либо физического или электрического параметра воды и водных растворов при внешних воздействиях.
При постановке задач исследования большое внимание уделялось разработке методов и приборов контроля биологической активности питьевой воды (ГОСТ Р 51232-98) [53] и раствора ионного серебра.
Исходя из этого, были сформулированы следующие задачи исследования: 1. Провести анализ свойств воды и разработать основные требования к состоянию воды, для повышения метрологических характеристик методов контроля биологической активности воды. 2. Предложить математическое описание изменения биологической активности воды, 3. Разработать дифференциальный неэлектрический метод контроля биологической активности воды, на основе изменения скорости прорастания зерен пшеницы. 4. Разработать методику измерения биологической активности раствора ионного серебра с помощью неэлектрического метода контроля, на основе изменения скорости прорастания зерен пшеницы. 5. Разработать косвенный метод контроля биологической активности воды с помощью нового метода контроля, заключающегося в динамическом измерении рН воды и водных сред с использованием современных цифровых микропроцессорных рН - метров. 6. Разработать методику измерения биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных излучений с помощью неэлектрического метода контроля биологической активности воды и дифференциального динамического рН - метрического метода контроля. 7. Разработать математические модели зависимости относительного изменения биологической активности воды при воздействии внешних электромагнитных излучений.
Главной проблемой, возникающей при использовании методов контроля биологической активности воды, является обеспечение высокой точности и достоверности измерения. Наиболее актуально этот вопрос встает при контроле биологической активности растворов ионного серебра и при контроле воздействия электромагнитных излучениях на воду и водные среды.
Решением данной проблемы является исследование влияющих на погрешность измерения факторов, их устранение или снижение. К таким факторам относится непосредственно вода.
Свойства воды давно привлекали внимание ученых всего мира, но наиболее активно с начала двадцатого века. Данной проблематике были посвящены работы Бернала и Фаулера (1933 г.), Самойлова (1946 г.), Л. Полинга (1959 г.), Франа и Вена (1957 г.), Немети и Шерага (1962 г.) и многих других. Примечательно, что практически все предложенные модели, описывающие свойства воды, принципиально отличаются друг от друга. Особенностью в истории исследования свойств воды является фундаментальная разница между предложенными моделями, при этом каждая из них одинаково успешно описывает её основные термодинамические свойства [54-63].
Рентгеноструктурные исследования строения льда и жидкой воды Дж. Вернула и Р. Фаулера показали, что молекулы воды скоординированы тетраэдрически [55]. Согласно данной модели центр отрицательного заряда сдвинут от центра атома кислорода на 0,15 А в сторону атомов водорода. Центр отрицательного заряда располагается между атомами водорода и атомом кислорода на биссектрисе угла Н-О-Н.
При изучении структуры воды большое внимание уделялось электронной конфигурации молекулы. Известно, что неподеленньте пары электронов, расположенные на противоположной стороне от протонов в молекуле воды, оказывают большое влияние на распределение заряда внутри молекулы. Неподеленные пары обуславливают наличие двух полюсов с отрицательными зарядами и вносят определенный вклад в общий ди-польный момент. Электронное строение молекулы воды характеризуется двумя парами эквивалентных орбиталей. Электростатическое отталкивание, возникающее между орбиталями, определяет равновесную конфигурацию молекулы воды. Из десяти электронов молекулы воды восемь являются валентными: шесть располагаются на внешней оболочке атома кислорода (2s2,2p4) и два (Is) - на электронной оболочке атомов водорода. Орбитали атома кислоро-да 2s и 2р заняты неподеленными парами электронов и склонны вступать во взаимодействие с атомами водорода соседних молекул. Орбитали 2рх и 2ру, имеющие только по одному электрону, обуславливают взаимодействие с атомами водорода в данной молекуле [64].
Разработка основных требований к воде для контроля биологической активности раствора ионного серебра и при электромагнитных воздействиях с целью снижения погрешности
Разработка биоинформационных методов контроля, основанных на изменении скорости прорастания и роста семян растений, является наиболее перспективным направлением развития неэлектрических методов и средств контроля биологических свойств воды.
Главным недостатком существующих биоинформационных методов контроля биологической активности воды является высокая погрешность измерения. В связи с этим, большинство биоинформационных методов контроля биологической активности воды позволяют определять только общий характер внешнего воздействия на воду и водные растворы. Например, биоинформационный метод контроля биологической активности воды, основанный на контроле скорости прорастания и роста семян овса, позволяет контролировать только токсичность воды и водных растворов, Метод является высокочувствительным, но из-за большой погрешности измерения его можно использовать только как индикатор токсичности воды и водных растворов.
Высокая погрешность измерения обусловлена недостаточной методологической проработкой методов контроля биологической активности воды и отсутствием анализа факторов, влияющих на погрешность измерения.
Контроль биологической активности воды можно классифицировать как неэлектрическое измерение. Используя общую схему контроля неэлектрических величин, разработаем методику измерения биологической активности воды с гарантированной точностью, основанную на изменение скорости прорастания семян растений.
Полная схема контроля неэлектрических величин представлена на рисунке 3.1 [10]. В предложенной схеме контроля промежуточная среда выступает в качестве преобразователя внешнего воздействия (информационного, электрического, физического и прочих). Промежуточная среда "запоминает" внешнее воздействие и переносит его на объект исследования.
При контроле биологической активности воды в качестве промежуточной среды выступает непосредственно сама вода или водный раствор. От того, насколько вода или водный раствор изменят свои физико-химические свойства при внешнем воздействии, будет зависеть чувствительность метода контроля биологической активности воды.
Стабильность физико-химических параметров воды или водного раствора во времени будет существенным образом характеризовать погрешность измерения при контроле биологической активности воды и водных растворов. Поэтому одним из основных требований при контроле биоло гическои активности воды является обязательная начальная стабилизация физико-химических свойств воды или водного раствора. Требования к воде или водному раствору, выполнение которых, позволяет стабилизировать физико-химические показатели воды, представлены в пункте 2.2 данной работы.
Особое внимание при разработке биоинформационных методов контроля биологической активности воды следует обратить на вид объекта исследования (рисунок 3.1).
Объект исследования является биоиндикатором состояния воды или водного раствора. Изменение свойств биоиндикатора (изменение скорости прорастания семян, скорости роста проростков, увеличение микробной популяции, изменение времени жизни биообъектов и так далее) характеризует состояние воды или водной среды.
Экспериментальным путем была исследована возможность применения в качестве биоиндикатора микроорганизмов [25], грибов [5], семян растений [4,5,12]. Микроорганизмы и грибы проявляют очень высокую чувствительность к изменению физико-химических свойств воды или водного раствора. Каждый из перечисленных биологических объектов имеет свою чувствительность к изменению физико-химических свойств воды или водных растворов.
Чувствительность биоиндикатора к изменению физико-химических свойств воды или водных растворов будет влиять на выбор фазы контроля параметров биологических объектов. В данном случае контроль параметров биообъекта подразумевает анализ какого-либо свойства биологического объекта (скорость размножения, скорость роста, скорость прорастания и так далее) во времени под действием активной воды или водного раствора.
Недостатком таких биоиндикаторов, как микроорганизмы и грибы, является их быстрая адаптация к физико-химическим свойствам воды или водных растворов. Причем процесс адаптации носит случайный характер, и нельзя заранее спрогнозировать время адаптации. Быстрый отклик микроорганизмов или грибов на внешнее воздействие будет наблюдаться только в случае токсичного состояния воды или водного раствора. Поэтому, в случае, когда требуется определить биологическую активность водных растворов слабых концентраций в зависимости от времени воздействия, результаты контроля будут носить только приблизительный характер.
Немаловажным влияющим фактором при использовании в качестве биоиндикаторов микроорганизмов и грибов является высокая стоимость среды для их развития и исследовательского оборудования. Поэтому для широкого практического применения данные варианты биоиндикаторов не подходят.
Семена различных растений могут выступать в качестве биоиндикатора биологической активности воды наряду с микроорганизмами и грибами. В этом случае параметрами контроля будут являться скорость прорастания семян растений в активной воде, скорость роста проростков и прочие.
Семена растений, как и микроорганизмы, обладают высокой чувствительностью к изменениям физико-химических показателей среды. Но, в отличие от микроорганизмов и грибов, семена растений не способны к быстрой адаптации при внешних воздействиях. Безусловным преимуществом семян растений в роли биоиндикаторов является простота в обработке результатов контроля и низкая стоимость материала.
Повышение метрологических характеристик неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды и водных растворов с помощью углубленной статистической обработки результатов эксперимента
Неэлектрический дифференциальный метод контроля биологической активности воды и водного раствора позволяет контролировать биологическую активность по изменению скорости прорастания зерен пшеницы в обработанной внешним поле воде или водном растворе. Данный метод контроля биологической активности воды и водного раствора является высокочувствительным, В связи с этим основная область применения данного метода - это контроль биологической активности растворов малых концентраций, слабых по интенсивности воздействия полей и излучений.
При реализации неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды в качестве биоиндикатора физико-химического состояния воды используется зерно твердых сортов пшеницы. Данный вид пшеницы проявляет высокую чувствительность к физико-химическому состоянию воды или водного раствора. Использование другого вида пшеницы не позволит обеспечить необходимый уровень чувствительности биообъекта к физико-химическим свойствам воды или, наоборот, будет очень чувствительной к её свойствам. Если оставить данный вопрос при контроле биологической активности воды без внимания, можно столкнуться со значительной методической погрешностью измерения. Поэтому при работе с другими сортами пшеницы необходимо сначала определить уровень чувствительности зерен пшеницы к изменению физико-химических характеристик воды или водного раствора на примере подробно исследованных воздействий (например, электромагнитного поля).
Зная уровень чувствительности биологического объекта к изменению физико-химических свойств воды, можно установить наилучшую временную область контроля количества проросших зерен в активной воде. Экспериментальные исследования показали, что данная временная область контроля количества проросших зерен сильно зависит от интенсивности внешнего воздействия. Без анализа наилучшей временной области контроля количества проросших зерен метод контроля будет иметь значительную динамическую погрешность измерения.
Согласно методике измерения биологической активности воды при реализации неэлектрического метода контроля, основанного на изменение скорости прорастания зерен пшеницы, число зерен в каждой выборке равно 100 штук. Отклонение числа зерен в выборке от 100 будет вносить значительную систематическую погрешность. Поэтому при контроле прорастания зерен пшеницы необходимо каждый раз подсчитывать количество проросших и не проросших зерен пшеницы в выборке. Суммирование общего числа зерен в выборке позволит установить точное количество зерен и, если наблюдается отклонение, ввести поправку в расчеты среднего значения и СКО.
Процесс проращивания зерен протекает в температурном диапазоне от 21 до 24С. Это обеспечивает стабильность прорастания зерен во временном интервале от 12 до 72 часов с момента замачивания. При увеличении температуры прорастания выше 24С, наблюдается сокращение времени прорастания, но при этом увеличивается случайная составляющая погрешности. При понижении температуры ниже 2ГС, процесс прорастания тормозиться вплоть до полной остановки и последующей гибели зерновки.
Благодаря тому, что основным параметром при использовании неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды, является относительное изменение биологической активности, то независимо от времени проведения исследования и изменения влияющих факторов окружающей среды (температуры воды, химического состава воды, влажности, давления, влияния времени года и т. д.), наблюдается хорошая повторяемость результатов измерений.
Основными характеристиками качества результата измерений являются точность и достоверность, или степень доверия, которую этот метод обеспечивает. Поэтому целью дальнейшего исследования является выяснение и построение закона распределения случайной величины, а также оценка достоверности применения этого закона [71].
Для анализа случайной погрешности измерения неэлектрического дифференциального метода контроля были проведены многократные эксперименты (п 100) по проращиванию зерен пшеницы в контрольной и активной воде. Результаты измерения представлены в таблице 1 Приложения П1.
Для анализа закона распределения случайной погрешности неэлектрического метода контроля воспользуемся критерием согласия Л72].
Рассчитаем основные параметры для анализа закона распределения случайной погрешности неэлектрического дифференциального метода контроля биологической активности воды.
Условия обеспечения точности измерений и расчет погрешно сти динамического рН-метрического метода контроля
Таким образом, для реализации поставленной задачи необходимо использовать цифровые низкоинерционные, имеющие температурную компенсацию рН-метры, обеспечивающие точность ±0,02. рН-электроды могут иметь различную длину, несовершенную геометрическую форму, нарушения в составе внутреннего электролита. Суммарная погрешность рН-метра и электрода не должна превышать 0,005 рН.
Современные рН-электроды, как правило, комбинированные, т.е. в одном корпусе находятся и рН-электрод и электрод сравнения. Данное схемотехническое решение обеспечивает более быстрый отклик и снижает суммарную ошибку. Изоэлектрическая точка для таких электродов находится на уровне рН=7 (0 мВ). Поэтому в первую очередь прибор калибруется по буферу с нейтральным рН (например, 6,86 или 7,01). Вторая точка выбирается на расстоянии примерно 3 единицы рН, т.е. рН=4,01 (или 10,01).
Проблема температурной компенсации является одной из самых важных и актуальных и именно она стоит на пути повышения точности рН - метров и складывается из трех составляющих: в уравнение Нернста входит температура; равновесные концентрации ионов водорода в буфере и образцах меняются при изменении температуры; характеристики рН-электрода зависят от температуры.
Согласно теоретическим исследованиям, наклон калибровочной кривой изменяется с температурой. Если в приборе не реализован механизм учета этого изменения, то к погрешности измерений добавляется ошибка, в среднем равная 0,003 рН на каждый градус Цельсия и каждую единицу рН от изопотенциальной точки. Компенсация изменения наклона калибровочной прямой в цифровых микропроцессорных рН-метрах происходит автоматически.
Гораздо более сложной задачей является компенсация изменений равновесных концентраций ионов водорода в образцах с изменением температуры. Проблема заключается в том, что, не зная точного химического состава образца, невозможно предсказать характер этих изменений. Существует только общая закономерность: рН нейтральных и щелочных растворов сильнее зависит от изменения температуры, чем рН кислых растворов. При изменении температуры на 25-30С рН может измениться на 0,5 -1 единицу.
3. Кроме вышеперечисленных причин, температура влияет и на сам корпус электрода и на электролит, находящийся в нем. Все это заметно сказывается на значении рН. Практически никто из производителей этого не учитывает данного фактора, влияющего на погрешность этой технологии. Исключение составляет фирма Orion, разработавшая технологию LogR. Суть заключается в том, что сопротивление чувствительной части рН-электрод a (R) обратно пропорционально температуре: LogR 1/Т. Помимо учета изменяемых с температурой характеристик электрода технологии LogR позволяет в принципе отказаться от параллельного измерения температуры, заменив температуру в уравнении Нернста обратным логарифмом сопротивления электрода.
Проведенный обзор рН-метров свидетельствует о высоком уровне развития технологий, применяемых в этих приборах, которые обеспечивают высокую точность измерения кислотного показателя и создают предпосылки для создания нового метода контроля биологической активности воды. Таким методом является рН-метод.
Погрешность динамического рН-метрического метода контроля зависит от изменения параметров окружающей среды и от изменения температуры воды в процессе эксперимента. Использование рН-метра с автоматической коррекцией по температуре не позволяет достоверно выделить изменения показателя рН от исследуемого воздействия, поэтому необходимо использовать дифференциальный динамический метод контроля. Дифференцирование результатов измерения показателя рН в контрольной и активной воде позволяет учитывать изменение параметров окружающей среды при анализе результатов измерения (выражение 4.1). Таким образом, основная погрешность измерения разработанного метода будет состоять из погрешности рН-метра и случайной погрешности измерения.
Для анализа случайной погрешности измерения были проведены многократные эксперименты (п 20) по измерению показателя рН в контрольной и активной воде. Результаты измерения представлены в таблице 1 Приложения ПЗ.
Для анализа закона распределения случайной погрешности динамического рН-метрического метода контроля воспользуемся как в пункте 3.2 критерием согласия Пирсона.
Расчет основных параметров для анализа закона распределения случайной погрешности динамического рН-метрического метода контроля.
