Замер контактов на нагрев норматив: 404. Страница не найдена!

Замер контактов на нагрев норматив: 404. Страница не найдена!

Содержание

Переходное сопротивление контактов: причины, нормы, методика измерения

В электротехнике очень часто возникает необходимость коммутации электрических цепей. Каждое электромеханическое коммутирующее устройство имеет, как минимум, одну пару соединительных контактов. Вопреки ожиданиям, нередко можно наблюдать, что контакты нагреваются. Виной тому является переходное сопротивление контактов, от которого невозможно полностью избавиться.

Контактное пятно образуется в результате любого соприкосновения проводников. В точке соединения проводов всегда возникает сопротивление, которое превышает величину удельных сопротивлений материалов проводника. Существует несколько причин такого явления, о которых речь пойдёт в данной статье. А для начала выясним, что подразумевают под термином переходного сопротивления контактов.

Что это такое?

Сопротивление, возникающее в зоне соприкосновения контактных поверхностей, при преодолении током точек касания, носит название  переходного сопротивления контактов. Другими словами – это скачкообразное увеличение активного  сопротивления в результате прохождения тока через контактное пятно. Математически такое явления можно выразить как отношение падения напряжения на контактах к протекающему через них току: ΔU/I

Как видно из формулы данная величина обратно пропорциональна силе контактного нажатия: Rn = ε/F, где ε – коэффициент, зависящий от физических свойств материала и чистоты обработки поверхности. Эту зависимость можно продемонстрировать на графике (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости от приложенной силы нажатия

Нагревание контактных поверхностей – одна из причин быстрого их износа. Поэтому наиболее качественным соединением считается такое, для которого сопротивление контактного перехода является самым низким. В идеале оно должно равняться нулю. Но в силу ряда причин достичь такого значения на практике невозможно.

Причины возникновения

Для сплошного проводника справедлива формула: R = ρ * ( l / S ), где ρ – удельное сопротивление, lдлина, Sсечение проводника. Казалось бы, решение очень простое – надо увеличить площадь контактных площадок в конструкции электрического аппарата. К сожалению, такое усовершенствование не решает задачи кардинально. И дело даже не в том, что применять закон Ома к плоскостным контактам следует с учётом площади прикосновения поверхностей. Оказывается, что увеличение контактной площадки не сильно увеличивает площадь контактного пятна.

Если посмотреть под микроскопом на поверхность плоской контактной площадки, то можно заметить неровности (рис. 2). Касание контактов происходит лишь в некоторых точках. Даже тщательная шлифовка мало помогает. Дело в том, что в результате замыкания и размыкания контактов образуется искра (электрическая дуга), которая увеличивает неровности контактных поверхностей.

Рис. 2. Структура плоских контактных площадок

Обратите внимание на то, как увеличивается контактное пятно под действием силы нажатия (рисунок справа). Это объясняет причину зависимости сопротивления контактного перехода от нажатия, (график такой зависимости представлен на рисунке 1).

От чего зависит переходное сопротивление контактов?

Мы выяснили, что от площадей соприкасаемых поверхностей мало что зависит.  На нагрев участка механического соединения влияют и другие явления. Например, окисление меди приводит к повышению температуры нагрева на скрутках соединительных проводов. Аналогичный процесс происходит также при соединении алюминиевых проводников.

В результате окисления проводников на их поверхностях образуется тонкая оксидная плёнка. С одной стороны, наличия пленок препятствует проникновению кислорода вглубь металла, предотвращая дальнейшее его разрушение, но с другой стороны они являются ещё одной причиной роста переходных сопротивлений.

Когда медь окисляется, то на поверхности контактной площадки образуется устойчивая плёнка. А это всегда приводит к увеличению сопротивляемости перехода. Устранить дефект можно путём протирания контактов спиртом. Регулярная процедура чистки помогает содержать коммутационные устройства в актуальном состоянии.

Алюминиевый контакт лучше поддаётся влиянию контактного нажатия, благодаря пластичности этого металла. С целью увеличения силы нажатия применяются болты, пружинные зажимы и различные клеммники.

Медные соединительные провода часто припаивают. В местах спайки переходное сопротивление минимальное.

Подводя итог, можем констатировать:

  1. Простое соприкосновение контактных поверхностей не обеспечивает надёжного контакта, поскольку соединение происходит не по всей поверхности, а лишь в немногих точках.
  2. на преодоление контактного перехода почти не влияют размеры и формы контактных площадок (см. график на рис. 3).
  3. Контактное нажатие существенно влияет на структуру перехода. Однако, это влияние проявляется только при сравнительно незначительных усилиях. После некоторого значения приложенной силы, вызвавшей смятие, сопротивляемость току стабилизируется.
  4. Со временем на медных и алюминиевых контактах образуется защитная плёнка, увеличивающая сопротивление. Для борьбы с этим явлением используют сплавы, покрывают поверхности серебром. Окисление активизируется при повышении температуры (для меди свыше 70 ºC). Температура в свою очередь зависит от токов нагрузки.
  5. Очень интенсивно на открытом воздухе окисляется алюминий. Оксидная плёнка алюминия обладает довольно большим удельным сопротивлением.

Рис. 3. Переходное сопротивление стали

Чтобы добиться нужного результата, следует учитывать комплексное влияние  всех вышеперечисленных факторов. Правилами устройств электроустановок строго регламентируется сопротивление контактной группы. Нарушение этих требований может привести к авариям.

Нормы по ПУЭ 7

Правилами предусмотрено соблюдение важных параметров, включая допустимые значения для контактных переходов. Измерения сопротивления постоянному току проводятся при испытаниях разъединителей и отделителей. Нормы по ПУЭ 7 требуют, чтобы показания величин для отделителей и разъединителей, предназначенных для работы под напряжением от 110 кВ, соответствовали данным заводов-изготовителей.

По правилам ПУЭ 7 для разъединителей типа РОН3, рассчитанных на номинальное напряжение 400 – 500 кВ (при номинальном токе 2000 А) переходное сопротивление не должно превышать 200 мкОм. Для ЛРН (110 – 220 кВ/ 600 А сопротивление контактов должно составлять 220 мкОм.

Требования для остальных типов отделителей, применяемые в сетях 110 – 500 кВ:

  • Номинальному току 600 А соответствует сопротивление 175 мкОм;
  • 1000 А – 120 мкОм;
  • 1500 – 2000 А – наибольшее допустимое сопротивление 50 мкОм.

Измерения выполняются между точкой «контактный ввод» и на клемме «контактный вывод».

Методика измерения

Можно использовать формулу ΔU/I и провести вычисления с помощью амперметра и вольтметра. Этим методом измеряют переходное параметры контактов мощных силовых выключателей. Для этого амперметр включают последовательно с контактами, а вольтметр параллельно. Перед амперметром добавляют балластный резистор, параметры которого подбирают так, чтобы рабочий ток контактов соответствовал току контактного сопротивления (с учётом требований ПУЭ).

Данная процедура довольно громоздкая. Целесообразно воспользоваться милиомметром.

При выборе омметра следует учитывать следующие обстоятельства:

  1. Границы измерений должны находиться в диапазоне контроля прибора.
  2. Нижний предел диапазона омметра должен начинаться от 10 мкОм.
  3. Погрешность измерений не должна превышать 0,5%.

Существуют специальные приборы, предназначенные для измерений переходного сопротивления контактов. Выше приведённые требования уже учтены в таких приборах. Один из измерителей показан на рисунке 4. Результат измерений отображается непосредственно на цифровом дисплее.

Рис. 4. Измерительный прибор METREL

При измерениях следует учитывать загрязнение контактов и рабочую температуру агрегата. Наличие сторонних включений на площадках контактов, равно как и заниженная температура может исказить показания измерителя в большую сторону. Чтобы получить наиболее реальные параметры, необходимо выбирать токи и напряжения, близкие по значению к номинальным, характерным для конкретного разъединителя. Следует также помнить о том, что контакты обладают первоначальным временным сопротивлением, которое снижается после прогрева.

Существуют профессиональные измерительные приборы, у которые можно регулировать выходную мощность в довольно больших пределах. Они обеспечивают более высокую точность измерения.

сколько должна быть в многоквартирном доме согласно СанПиН и 354 постановлению + акта замера

Все жители многоквартирных домов хорошо знают, что температура горячей воды в кране по нормативу должна быть… горячей. Если спросить подряд несколько человек, вряд ли кто-то сможет сразу внятно объяснить, каковы величины допустимых параметров, каким образом они измеряются, и кто должен за всем этим следить. Подобной неосведомлённостью жильцов нередко пользуются недобросовестные представители управляющих компаний, присылающие астрономические счета за услуги, о которых никто и не мечтал. Если температура воды явно не соответствует нормам, необходимо предпринимать какие-то меры, обращаться в соответствующие инстанции. В этом вопросе также мало ясности. Что же, будем разбираться.

Почему важно соблюдать температурный режим

Прежде всего, соблюдение температурного режима горячего водоснабжения предписывается требованиями ГОСТ, нормами СанПиН и СНиП. Кроме того, предоставление ГВС — услуга, оплачиваемая в соответствии с действующими тарифами и требующая соблюдения условий договора между потребителем и поставщиком. Существуют и более конкретные причины, заставляющие неукоснительно соблюдать температурный режим ГВС:

  1. Понижение температуры воды ниже минимального установленного порога способно спровоцировать рост или вспышку инфекционных заболеваний, тогда как при соблюдении заданных температур болезнетворные бактерии погибают.
  2. Чрезмерно горячая вода способна причинить ожоги.
  3. Большинство современных квартир оборудовано пластиковыми трубопроводами или иными элементами сантехники. Чрезмерно нагретая вода способна вывести их из строя, расплавить или вызвать деформацию.

Коммунальные службы в нашей стране нередко нарушают нормативы по температуре горячей воды

Наконец, не следует забывать о самом главном — удобстве и комфорте потребителей, ведь подача горячей воды производится только для них. Необходимо учитывать, что в подавляющем большинстве случаев люди сетуют на слишком холодную воду.

Это важно! Жалобы на чрезмерно горячую воду звучат намного реже, поскольку условий для создания подобных ситуаций гораздо меньше, и решить проблему намного легче. В основном людей возмущает необходимость платить за горячую воду, но фактически не иметь возможности ею пользоваться.

Для того чтобы понимать разницу реакции кожи человека на контакт с водой разной температуры, составим небольшую таблицу.

Температура Реакция человека на контакт
50° ожог после 1,5 минутного контакта
55° ожог через 15 секунд
60° ожог через 5 секунд
65° ожог через 2 секунды
70° ожог наступает мгновенно

Норма температуры горячей воды в многоквартирном доме

Итак, температура горячей воды в многоквартирном доме — не чья-то прихоть или возможность, а жёстко нормированный показатель, обязательный к соблюдению. Необходимо пояснить, что требования по температуре продублированы в СНиП, СанПиН и ГОСТ, хотя они не отличаются друг от друга. Такая ситуация возникла из-за необходимости скоординировать технические, санитарные и общие нормативы, привести их в полное соответствие, исключающее возможность разночтений и злоупотреблений. Иначе могла возникнуть путаница, когда медики кивают на техников, техники — на ГОСТы и так без конца. Величина нормативов отработана многолетней практикой, под неё настроено действующее оборудование, она позволяет получить максимально комфортный режим горячего водоснабжения.

Нормативы СанПиН, СНИП и ГОСТ

Температура горячей воды, замеренная штатным способом в точке разбора, должна находиться в диапазоне от 60° до 75°. При этом:

  • Не ниже 60° — в системах открытого водоснабжения;
  • Не ниже 50° — в системах закрытого водоснабжения;
  • Не выше 75° — в любом случае.

Более низкая температура (от 50°) допускается для закрытых систем и относится к отоплению. Разбор воды для бытовых нужд из них не производится, поэтому рассматривать их нет смысла.

Замеры температуры воды можно провести самостоятельно

Эти нормативы действуют уже давно и отработаны многолетней практикой. Любое серьёзное отклонение от заданных величин означает серьёзные изменения в технологии подачи горячей воды, наличие каких-либо нарушений или упущений. При этом существуют разрешённые отклонения от заданных величин, обусловленные отсутствием водоразбора в ночные часы. Горячая вода имеет свойство остывать. Находясь долгое время в трубопроводах без движения, она теряет тепловую энергию. Величины, на которые температура может быть снижена из-за естественной убыли теплоты, также чётко определены действующими нормативами.

Допустимое отклонение параметров

В 2011 году вышло Постановление Правительства Российской Федерации № 354 «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям жилых помещений в многоквартирных домах и жилых домов». В нём чётко обозначены все параметры и условия подачи как горячей, так и холодной воды. В числе прочих указаны допустимые отклонения температуры воды в точках разбора:

  • В ночное время с 00 до 05 часов — не более 5°;
  • В дневное время с 05 часов до 00 часов — не более 3°.

Там же указано, что при температуре горячей воды ниже 40° расчёт должен производиться как за холодную воду. Это Постановление — очень полезный документ, позволяющий владельцам жилья отстаивать свои права в суде или иных инстанциях.

Жильцы многоквартирных домов должны знать нормативные показатели и уметь отстаивать свои права

Необходимо иметь экземпляр этого документа, чтобы в нужный момент аргументированно обосновать свои претензии представителям поставщика услуг. Там же обозначен максимальный срок, в течение которого допускается отсутствие горячей воды — суммарно в месяц не более 8 часов или единовременно 4 часа. Исключение сделано на случай аварии тупиковой магистрали, для таких ситуаций установлен максимальный предел в 24 часа.

Минимальная температура

С учётом допустимых отклонений, наименьшая температура горячей воды в точках водоразбора может составлять:

  • В ночное время (с 00 до 05) — 55°;
  • В дневное время (с 05 до 00) — 57°.

Любой потребитель знает, что горячая вода в ночное время сильно остывает. Сразу после открывания крана её температура заведомо ниже нормативных значений. На этот счёт также существует правило, согласно которому вода должна набирать нужные параметры при пропускании в течение 3 минут (не более). Если этого не происходит, налицо нарушение правил подачи ГВС.

Причины снижения температуры

Основная причина падения температуры — обычная потеря тепловой энергии при неподвижности воды в трубопроводах. В ночное время водоразбор прекращается практически полностью, что и вызывает заметное охлаждение горячей воды, когда требуется некоторое время пропускать её, ожидая повышения температуры. Большинство пользователей относятся к этому с пониманием, хотя при слишком долгом ожидании возникают закономерные вопросы — всё время, пока из горячего крана бежит холодная вода, счётчик исправно наматывает сумму оплаты за потреблённые ресурсы.

Даже если вода ниже положенной температуры, платить приходится как за горячую

Помимо этой естественной причины возможны и другие:

  • Трубопроводы системы циркуляции постепенно забиваются солями, шламом и отложениями, что значительно снижает их пропускную способность и изменяет режим водоснабжения.
  • Состояние вентилей и запорной арматуры нередко требует срочного вмешательства.

В подавляющем большинстве случаев виновником подобных ситуаций являются эксплуатирующие организации, использующие труд неквалифицированных или халатных работников, допускающих злоупотребления или намеренное ограничение подачи ГВС и ХВС относительно нормативных параметров. Если пользователь убеждён, что его права нарушаются эксплуатирующей (управляющей) организацией, он должен подать жалобу в соответствующие надзорные организации. На практике выявлено, что наиболее эффективным бывает обращение в жилищную инспекцию. Нередко одного упоминания о ней хватает, чтобы коммунальщики обрели былую бодрость и принялись устранять замечания, на которые до этого не реагировали.

Правила замера температуры горячей воды

Прежде чем сделать официальный запрос в управляющую компанию, следует самостоятельно измерить температуру воды. Это необходимо хотя бы для того, чтобы самому убедиться в своей правоте и иметь на руках конкретные цифры, на основании которых могут быть изложены какие-либо претензии. Следует иметь в виду, что эти данные необходимы только для уверенности в собственной правоте, подтверждения правильности собственных предположений. Они не могут быть использованы как официальный документ, подтверждающий факт нарушений.

Это важно! Для получения полновесного документа необходимо произвести измерения установленным порядком, в присутствии и непосредственном участии представителей управляющей организации.

Порядок действий:

  1. Производится замер температуры.
  2. Составляется акт, в котором отражаются результаты измерений.
  3. Акт подписывают (или нет) представители управляющей компании и владелец жилья (получатель услуг).

Процедура замера температуры должна выполняться по определённым правилам. Существует такой документ — Методические указания МУК 4.3.2900-11 «Измерение температуры горячей воды систем централизованного горячего водоснабжения». В нём чётко определён ход мероприятия. В частности, указывается примерный напор струи при взятии пробы — не менее 2 л/мин. Нередко инженеры-коммунальщики начинают отвинчивать краны на максимум, утверждая, что «не менее» означает «как можно более». Формально они правы, но при обычном бытовом пользовании никто не открывает воду так, чтобы брызги летели во все стороны.

Это важно! Кроме того, необходимо помнить о времени предварительного слива воды. В данном вопросе следует руководствоваться Постановлением Правительства № 354, где чётко указано время — 3 минуты.

Представитель управляющей компании может начать ссылаться на те же Методические указания МУК 4.3.2900-11, где сказано о выдержке до установки стабильной температуры до 10 минут. Ситуация спорная, но не патовая. Дело в том, что Постановление Правительства имеет гораздо больший вес, чем ведомственные правила, поэтому в данном случае любой суд будет на стороне пользователя.

По результатам измерений составляется акт.

Акт по результатам проверки температуры горячей воды

Нередко составляют обычную бумагу от руки, на которой ставят все необходимые подписи и печати. Они также имеет силу, хотя уровень организации работы в таких управляющих компаниях виден сразу, что косвенным образом может отразиться на решении суда. Необходимо учитывать, что, если работники управляющей компании нарушают правила измерения температуры, или пытаются как-то подтасовать результаты, пользователь вправе отказаться подписывать такой акт. В подобных случаях он не имеет юридической силы и не признаётся судом.

Что делать, если горячая вода низкой температуры

Как правило, первым делом люди обращаются в свою управляющую компанию. Это вполне разумно: ГВС — их хозяйство, им и решать вопрос. Чаще всего так и бывает — обнаруживаются забитые стояки, вышедшие из строя вентили и прочие неполадки. Однако случаются и более печальные истории, когда приходится действовать более официально. Прежде всего, необходимо понимать, каких результатов надо добиться. Обычно это:

  • Исправление ситуации с подачей воды;
  • Перерасчёт платы за все время, в течение которого услуга была получена не в надлежащем объёме.

Для этого следует выполнить следующие действия:

  1. Подать официальную жалобу в управляющую компанию о ненадлежащей температуре горячей воды.
  2. Дождаться визита инженеров, измерить температуру в установленном порядке.
  3. Составить акт по результатам измерений.

Полученный акт (копия) уже является официальным документом, подтверждающим факт нарушений и дающим основание на обращение в надзорные органы.

Как написать жалобу в управляющую компанию

Составляется письменная претензия на имя руководителя управляющей компании, в которой указывается суть проблемы.

Форма претензии в управляющую компанию

Как можно видеть по тексту бланка, пользователь должен предварительно произвести измерение температуры воды. Это не будет рассматриваться как доказанный факт, но сделает претензию более обоснованной. После получения такого заявления руководитель УК обязан в течение 3 дней ответить пользователю и дать ему информацию о дальнейших намерениях. Обычно назначаются дата и время проверки.

Куда обращаться

Имея на руках акт проверки температуры, можно обращаться в более влиятельные инстанции:

  • Прокуратура;
  • Суд;
  • Государственная Жилищная инспекция.

Практика показывает, что наиболее влиятельным и эффективным вариантом будет обращение в Жилинспекцию, и вот почему: суд и прокуратура реагируют обязательно, но по мере решения ранее поднятых вопросов. То есть, пока дело дойдёт до рассмотрения поступившей жалобы, может пройти немало месяцев. Всё это время ситуация с подачей ГВС будет сохраняться в неизменном виде. Кроме того, специфика этих организаций такова, что во главу угла ставится наказание виновных. Это означает, что даже при получении положительного результата вполне можно оставаться с неудовлетворительным режимом подачи горячей воды.

Государственная жилищная комиссия — первая инстанция, куда нужно обращаться гражданам

Обращение в Жилинспекцию приносит гораздо более удачные результаты. Заявление составляется в свободной форме и подаётся в организацию в физическом виде (не в электронном). Согласно законодательству, заявление будет рассмотрено в течение 30 дней с момента подачи, после чего заявитель получит письменный ответ с изложением списка принятых мер. Кроме того, нередко само намерение пользователя обратиться в Жилинспекцию воздействует на коммунальщиков гораздо эффективнее, чем все угрозы судебными или прокурорскими санкциями.

Это важно! Здесь специализированная надзорная организация, имеющая массу рычагов воздействия на управляющую компанию вплоть до приостановки деятельности. Им намного проще решить вопрос миром, чем связываться с могущественными представителями Государственной Жилищной инспекции.

Перерасчёт оплаты ГВС

По действующим правилам при снижении температуры на каждые 3° величина оплаты снижается на 0,1% за каждый час. То есть, если температура в точке забора составляет 51°, то с учётом допустимых отклонений за 3 суток «набежит» 14,4% от суммы оплаты. При температуре горячей воды ниже 40° платить за неё надо как за холодную. При этом управляющая компания сама перерасчёт делать не будет. Надо собрать все документы, подтверждающие факт недополучения услуги в должном объёме и обратиться с ними в суд.

Это важно! Если не удаётся доказать несоответствие качества воды нормативным требованиям, в перерасчёте будет отказано. Поэтому важно все обнаруженные отклонения сразу фиксировать документально, иначе впоследствии доказать существование проблемы задним числом будет очень сложно.

Видео: как воруют на нашей горячей воде

Температура горячей воды — один из самых «больных» вопросов. Многие управляющие компании экономят на нагреве, особенно это заметно в регионах с высокими ценами на электроэнергию. Однако проблемы УК не должны ложиться на плечи жителей многоквартирных домов. Они оплачивают коммунальные услуги и не должны недополучать их ни в каком виде. Кроме того, чрезмерно низкая температура воды способна стать причиной распространения болезнетворных бактерий, пример чего не так давно случился в одном из регионов страны. Несоответствие параметров ГВС привело к вспышке инфекции, унесшей жизни 5 человек. Если бы температура горячей воды соответствовала нормам, бактерии погибли бы в течение нескольких минут. Учитывая тяжесть последствий, необходимо относиться к соблюдению норм и требований СанПиН самым строгим образом и реагировать на обнаруженные недочёты незамедлительно.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Норма температуры горячей воды в многоквартирном доме 2020

Практически каждый гражданин сталкивался с тем, что вода, вытекающая из крана с горячей водой в многоквартирном доме, довольно холодная. В таких условиях принятие ванны или душа становится малоприятной процедурой.

При этом, в соответствии с требованиями нормативных документов, горячая вода, поставляемая в жилое помещение, должна иметь определенную температуру. Ведь оплачивая услуги ЖКХ, граждане, в том числе, платят и за нагрев воды.

Чем регулируется?

Минимальная и максимальная температура горячей воды, подаваемой в помещения, приводится в СанПиН 2.1.4.2496-09, который был введен в действие в РФ постановлением санитарного врача. Также в этом документе изложены допустимые отклонения от предельных показателей.

Все нормативы СанПина рассчитаны таким образом, чтобы полностью исключить вероятность образования вредных микроорганизмов в системе горячего водоснабжения (ГВС).

Норма температуры горячей воды в многоквартирном доме

На данный момент норма температуры горячей воды в многоквартирном доме варьируется в диапазоне от 50 ⁰C для закрытых систем ГВС или 60 ⁰C для открытых систем. Вода не должна быть холоднее нижней границы и горячее верхней, за исключением допустимых отклонений.

В СанПин содержатся дополнительные требования к воде, не касающиеся ее температуры. Так, вода в ГВС должна обладать надлежащим уровнем качества: не иметь посторонних привкусов или запахов, отвечать санитарно-эпидемиологическим нормативам.

В квартире

Диапазон температур для горячей воды в квартире выбран не случайно:

  • Если в жилое помещение будет поступать вода температурой свыше 75 градусов, то велика вероятность получения ожогов жителями многоквартирного дома. Кроме того, в этом случае возможно повреждение элементов системы водоснабжения от высоких температур.
  • Нижнее пороговое значение выбрано таким образом, чтобы в воде не размножались возбудители инфекций. Так, например, при температуре от 70 до 80 градусов происходит полная дезинфекция воды. А если значение этого показателя опускается ниже 40 градусов, высок риск развития опасного возбудителя ‒ легионеллы.

В системе отопления

Нормативы показателей теплоносителя в системе отопления изложены в нормативах для отопления, вентиляции и кондиционирования. Содержание документа указывает на тот факт, что показатели воды в системе отопления могут варьироваться в зависимости от типа помещения.

Так, температура воды в системе отопления многоквартирного дома может находиться в пределах от 30 до 90 градусов. Санитарные нормы не допускают большой нагрев, поскольку в этом случае способно деформироваться лакокрасочное покрытие отопительных приборов.

Допустимое отклонение в точке водоразбора

На 2020 год, по правилам, допустимое отклонение температуры во временном промежутке с 12 ночи и до 5 утра составляет 5 ⁰C. Соответственно, с 5 утра и до 12 ночи отклонение температурного показателя от нормативных значений может быть не более 3 ⁰C.

Стоит знать важные нюансы:

  • если температурный показатель в системе ГВС опускается ниже 40 градусов, то потребители имеют право оплачивать такую воду по тарифам, принятым для холодного водоснабжения;
  • если вода выходит за границы допустимых отклонений, то можно добиться почасового снижения ее стоимости на 0,1% за каждые 3 градуса.

Зная эти правила, можно добиться компенсации средств, отданных за некачественно предоставленные услуги коммунальными службами.

Как контролировать?

Если жильцы многоквартирных домов чувствуют, что температура горячей воды не соответствует нормативам, им необходимо периодически проводить ее замеры. При этом их можно осуществлять как вручную, так и с помощью приборов учета.

Оптимальным вариантом является установка в помещении так называемого «умного счетчика». В его комплектацию входит температурный датчик, который ставится перед входом в водомер. В итоге, подобный прибор будет контролировать не только объемы потребления воды, но и ее температуру.

Как произвести замер?

Замеры температуры горячей воды ‒ это необходимое действие для фиксации факта нарушения нормативов коммунальщиками. Для того чтобы произвести измерения, потребуется термометр со 100-градусной шкалой.

Как выглядит последовательность проведения замеров:

  1. Необходимо открыть кран с горячей водой, после чего выждать 3-х минутный интервал для того, что застоявшаяся жидкость стекла.
  2. Под струю потребуется поставить стакан, держа его до тех пор, пока вода не начнет переливаться через край. Просто набирать воду в емкость нельзя, поскольку она быстро остынет, а измерения окажутся неверными.
  3. Погрузить термометр в центр стакана. Дождаться, пока прибор покажет устойчивое значение. Зафиксировать его.

После этого остается только сопоставить полученное значение с нормативами СанПин, принимая во внимание допустимое отклонение. Если обнаружено серьезное несоответствие, можно звонить в управляющую организацию для приглашения специалиста с целью повторного проведения замеров и составления акта в двух экземплярах.

По установленным правилам, специалист должен подойти по адресу в течение 2-х часов с момента получения заявки. По согласованию с жильцом, допускается другое время ожидания.

Куда обращаться при несоответствии?

Если горячая вода, поставляемая в жилое помещение, регулярно не соответствует нормативам, жилец имеет право составить жалобу и подать ее в ресурсоснабжающую, либо управляющую организацию.

Жалоба составляется в количестве 2 экземпляров. Один из них отдается в уполномоченную инстанцию, а другой остается у заявителя. На второй бумаге должна быть поставлена отметка о приеме с печатью. Ответ на жалобу стоит ожидать в течение 1 месяца.

Подача жалобы

Для того чтобы добиться соответствия температурных нормативов, требуется составить грамотное заявление, и привести в нем все необходимые аргументы.

Какие нюансы стоит учесть при составлении документа:

  • В бумаге требуется указать, на чье имя она направляется. Обязательно предоставление контактов заявителя: ФИО, телефона, адреса регистрации.
  • В тексте документа следует изложить суть проблемы, сообщить о совершении замера температуры воды и указать ФИО человека, проводившего его.
  • В завершительной части документа необходимо изложить требование о необходимости устранения причины, повлекшей за собой нарушение температурного режима воды.
  • В конце жалобы следует поставить дату и подписаться.

Перерасчет оплаты

Для того чтобы добиться перерасчета за воду ненадлежащей температуры, потребуется обратиться в управляющую организацию с актом, что был составлен после замера горячей воды.

Началом периода перерасчета будет дата, указанная в акте, а окончанием ‒ число, в которое произведена финальная проверка температуры воды после устранения причин несоответствия температурных показателей.

Если управляющая организация откажет в перерасчете, гражданин может обратиться в суд или Роспотребнадзор. После этого виновнику нарушения может быть выписан штраф.

На видео о нормах температуры воды

Расчет оборудования для нагрева воды в бассейне. Виды нагревателей. – Статьи

1. Общие понятия

Температура окружающего воздуха основательно влияет на температуру воды в открытом  бассейне. При температуре воздуха 18-20 градусов человек чувствует себя еще мало-мальски комфортно, однако, плавать при такой температуре мало кому захочется.  Зачастую, такие условия в теплом периоде в средней полосе и севернее,  составляют львиную долю. В связи с этим,  вопрос подогрева воды в бассейне актуален.





Норматив  температуры воды для бассейнов
Тип бассейна Температура воды по нормативу (градус по Цельсию)

Плавательные и спортивные бассейны

24-26

Детские бассейны

28-30

Гидромассажные и спа-бассейны

32-38

Для исключения проблем с поддержанием необходимой температуры воды уже на этапе проектирования подбирают необходимое нагревательное оборудование. В статье мы поможем Вам освоиться с этой проблемой и выбрать подходящую модель по типу и мощности.

Устройства обогрева воды работают по принципу передачи тепла «от горячего к  холодному». Установки различаются принципом получения тепла для нагрева.




Типы и принцип работы водоподогревателей

               Тип установки обогрева воды

                 Принцип получения тепла

 Рекурперативные теплообменники (теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен происходит через стенку)

Циркулирующая вода нагретая любым способом передает через стенки тепло, нагревая воду.

Электронагреватели

Нагреваются за счет электроэнергии. Тепло передается воде напрямую от трубчатых электронагревателей (ТЭН)

2.

Теплообменники

Водно-водяной теплообменник состоит из корпуса, внутри которого смонтированы два контура. Первичный контур (контур нагрева) предназначен для циркуляции воды из бойлера. Вторичный контур – для циркуляции воды из бассейна. Между контурами происходит теплообмен следующим образом. Вода из бассейна забирает тепло от воды из теплообменника. Остывшая вода снова проходит через бойлер, подогревается и снова возвращается в теплообменник для отдачи тепла воде из бассейна. И так по замкнутому кругу пока вода в бассейне не достигнет заданной температуры. Затем нагреватель в зависимости от настроек либо отключается, либо продолжает работать в режиме поддержания требуемой температуры.

Время, требуемое для нагрева воды до заданной температуры, зависит от объема бассейна и мощности нагревателя.




Тип и особенности конструкции теплообменника
 Тип теплообменника   Особенности конструкции

вертикально расположенные

Нагревательный контур в виде пучка тонких трубок, по каждой из которых протекает вода. Большое количество  трубок в пучке повышает площадь теплопередачи. Есть конструкции с демонтируемым пучком трубок (повышение ремонтопригодности).

горизонтально расположенные

Нагревательный контур в форме спирали

Корпус теплообменника изготавливают из

  1. композитного пластика,
  2. нержавеющей стали,
  3. титана.

Контур нагрева изготавливают из

  1. нержавеющей стали (подходит по соотношению цена/качество для бассейнов с пресной водой),
  2. титана (для бассейнов с морской водой),
  3. никеля,
  4. купроникеля.




Достоинства и недостатки теплообменников
 Достоинства Недостатки
сравнительно дешевые для работы в доме должен быть газовый котел (можно электрический котел, но это уже дорого)
не требуют больших  затрат в процессе эксплуатации на заявленной мощности теплообменник будет работать только при указанных в тех. паспорте разнице температур первичного и вторичного контура и соотношения скоростей жидкости в них

Падение производительности нагревателя в случае отклонения от паспортных данных можно проанализировать по графикам (диаграмма А,Б)

3. Солнечные коллекторы (солнечные батареи)

Нагреваются под действием солнечных лучей и это тепло используется для подогрева воды в бассейне. Коллектор имеет систему тонких трубок.




Достоинства и недостатки солнечных коллекторов
Достоинства Недостатки
не требуется газовый котел малая мощность (квадратный метр батареи выдает тепловую энергию 0.6 – 0.9 кВт/час. Для покрытия мощности слабого водно-водяного теплообменника потребуется площадь батарей равная площади поверхности бассейна.)
не тратится электричество применяется в южных широтах нашей Родины с большим количеством солнечных дней

4.

Электронагреватели

Электронагреватели являются устройствами альтернативными  теплообменникам.  Принцип действия: в корпусе размещается трубчатый электронагревательный  элемент (ТЭН). Он передает тепло протекающей воде. Особых различий между моделями нет.

При выборе электронагревателя ориентиром является:

  1.  выходная мощность,
  2.  материал, из которого изготовлен корпус,
  3.  материал, из которого изготовлен ТЭН.

При использовании морской воды ТЭН подбирают из титана, никеля или купроникеля.





Достоинства и недостатки электронагревателей
Достоинства Недостатки
для удобства оснащены термостатом с дисплеем, что позволяет легко регулировать температуру воды огромный расход электроэнергии (повышенные затраты на обслуживание бассейна)
оснащены комплектом автоматического управления (датчиком потока или датчиком давления) , который не позволяет работать при слабом потоке воды модели большей мощности требуют трехфазного подключения к сети
изначально укомплектованы всем необходимым для запуска и работы  

 

Особенности монтажа

Электронагреватель включают в цепь так, чтобы входящая труба была направлена вертикально вниз. В таком случае прибор всегда будет наполнен водой и даже при выходе из строя автоматики ТЭН не перегорит.

Практика показывает, что электронагреватели используют для бассейнов до 12 – ти кубометров открытого типа и до 20 – ти кубометров закрытого типа.

Задача по поддержанию в бассейне необходимой температуры решается не так уж и просто. Формула для расчета времени нагрева воды не учитывает важную ее особенность – теплопотери при испарении. Из-за этого подогрев воды происходит длительнее, при всем при том, что, подогрев и без того занимает массу времени.

 

 

 

В связи с этим в проект включают вспомогательные средства для подогрева:

  1.  термическое покрывало,
  2. покрытие стенок бассейна теплоизоляционным напылением,
  3. использование системы солнечных батарей.

5. Тепловые насосы для подогрева воды

Тепловой насос  предназначен охлаждать или обогревать воду в  плавательном бассейне с помощью преобразования энергии атмосферного воздуха в тепло.

 Устанавливается вне помещения.

Достоинства

— очень простое подключение — достаточно подключить воду и электропитание теплового насоса.

встроенная система  автоматически выставляет оптимальные режимы работы компрессора и вентилятора для получения максимального КПД, путём замера соотношения температуры воздуха и теплоносителя. Управление осуществяется цифровым пультом, есть несколько автоматических настроек работы поддержания температуры.

— установлены датчики и системы защиты: защита от малого и большого давления теплоносителя, датчик высокой температуры теплоносителя, датчик потока воды, система отключения при низкой температуре воздуха, система автоматического оттаивания.

Выводы:

1. Для нагрева воды в бассейне в основном используются водно-водяные теплообменники, электронагреватели и солнечные батареи. Последний вариант используется в основном в качестве дополнительного источника нагрева.

2. Выбор модели основывается на мощности нагревателя.

3. В бассейне с морской водой требуется нагреватель  из антикоррозийных материалов.

4. Нагрев воды в бассейне занимает продолжительное время

6. Порядок расчета времени работы теплообменника

Оценим время работы теплообменника по нагреву бассейна. Для этого воспользуемся эмпирической формулой (без учета отклонений от имеющейся мощности и потерь тепла):

t = 1.16  *  V  *  T  /  P,  где,

t – искомое время в часах,

V – объем воды в бассейне в кубометрах,

T – требуемая разница температур в градусах,

P – заявленная мощность.

Пример расчета.

По этой формуле заранее посчитаем необходимое время нагрева вашего бассейна теплообменником заявленной мощности. Например, вода в бассейне 20 градусов,  а требуется нагреть до 26 градусов, т.е. на 6 градусов, при объеме бассейна 30 кубометров и  мощности теплообменника 6 кВт.

t  =  1. 16  *  30  *  6   /  6,       t  =  34,8 час.

7. Определение необходимой мощности нагревателя

Приведем несколько обобщенных формул для правильного подбора водонагревателя.







Определение мощности водонагревателя
 Тип и место использования водонагревателя  Значение требуемой мощности водонагревателя

Теплообменник для открытого бассейна (мощность в кВт)

Равен объему бассейна (куб. метр)

Теплообменник для закрытого бассейна (мощность в кВт)

Равен ¾ объема бассейна (куб. метр)

Электронагреватель для открытого бассейна (мощность в кВт)

Равен ½ объема бассейна (куб. метр)

Электронагреватель для закрытого бассейна (мощность в кВт)

Равен 1/3 объема бассейна (куб. метр)

Солнечные батареи

Суммарная площадь коллекторов должна быть равна площади самого бассейна

Расчет мощности нагревателя воды описан в разной литературе.  Мы же будем использовать формулы из книги «Planung von Schwimmbadern» C. Saunus

Мощность теплообменника определяется из условий первичного нагрева воды в бассейне. Обычно принимается время первичного нагрева  2-4 дня при непрерывной работе нагревателя.

Qs = V*C*(tB – tK)/Za + Zu*S

Qs – мощность нагревателя (Вт)

V – объем бассейна (л)

C – удельная теплоемкость воды, C = 1,163 (Вт/кгК)

tB – требуемая температура воды (град. по Цельсию)

tK – температура заполняемой воды  (град. по Цельсию)

S – площадь зеркала воды (кв. метр)

Za – требуемое время нагрева

Zu – потери тепла (в час.)






Тип бассейна и значение параметра потери тепла
Тип и местонахождение бассейна Значение параметра потери тепла Zu
Бассейн в помещении 180 (Вт/м2)
Бассейн на открытом воздухе (полностью открытое место) 1000 (Вт/метр кв. )
Бассейн на открытом воздухе (частично закрытое место)  620 (Вт/метр кв.)
Бассейн на открытом воздухе (полностью закрытое место) 520 (Вт/метр кв.)

При расчете по этой формуле условно – 1 кг = 1 л. 

Таким образом, мы рассмотрели современные устройства подогрева воды в бассейне. Они имеют разные принципы действия, форму, технические характеристики и цену. Выбор подходящего именно для своего бассейна за Вами, а также можете обратиться к специалистам в нашу компанию и получить крайне граммотную консультацию. 

какие параметры аккумуляторных батарей нужно проверять и как это сделать?

При использовании аккумуляторных батарей на любых объектах, особенно в системах бесперебойного питания, за их состоянием нужно следить и регулярно проводить проверки. В этом материале мы рассмотрим основные параметры АКБ, а также рассмотрим, какими приборами и как можно провести их контроль и проверку!

Основная задача при проверке состояния любой аккумуляторной батареи – выяснить, обладает ли она достаточной емкостью, может ли обеспечить заявленные производителем характеристики в течение необходимого времени. Однако непосредственно средствами измерения определяются только несколько основных параметров – напряжение, сила тока. В обслуживаемых аккумуляторах можно также замерить плотность электролита. Измерения можно проводить неоднократно, фиксируя изменение значений с течением времени. Все остальные параметры и характеристики не измеряются напрямую, а выводятся по разработанной изготовителем методике, причем она зависит и от типа АКБ, и от рекомендаций производителя, и от вида подключенной нагрузки. При этом необходимо учитывать, что многие зависимости, характеризующие работу АКБ, носят нелинейный характер. Могут сказываться и другие факторы, например, влияние температуры.

При выполнении краткосрочных измерений при использовании даже самых совершенных методик тестирование носит не точный количественный, а качественный характер. Единственный достоверный способ измерения емкости АКБ – его полная разрядка в течение многих часов с тщательной фиксацией параметров в ходе всего процесса. Но использовать столь продолжительную процедуру на практике можно далеко не всегда, особенно если батарей много. Тем не менее, и краткосрочных оценочных измерений достаточно для того, чтобы отличить работоспособный аккумулятор от изношенного, утратившего емкость, и вовремя произвести замену АКБ.

Способы проверки АКБ

1. Подключение нагрузки

К АКБ на некоторое время подключается рабочая или второстепенная нагрузка той или иной величины. Вольтметром или мультиметром измеряется падение напряжения. Если процедура выполняется несколько раз, между измерениями выжидается определенное время, чтобы батарея восстановилась. Полученные данные сопоставляются с параметрами, заявленными производителем АКБ для данного типа батареи и данной величины нагрузки.

2. Измерения при помощи нагрузочной вилки

Строение простейшей нагрузочной вилки показано на схеме:

Устройство оснащено вольтметром, параллельно которому установлен большой по мощности нагрузочный резистор, и имеет два щупа. В старых моделях вольтметры аналоговые; новые модели, как правило, оснащены ЖК-дисплеем и цифровым вольтметром. Существуют нагрузочные вилки с усложненной схемой, использующие несколько нагрузочных спиралей (сменных сопротивлений), рассчитанные на разные диапазоны измерения напряжений, предназначенные для тестирования кислотных либо щелочных аккумуляторов. Есть даже вилки, которыми тестируют отдельные банки аккумуляторов. В состав продвинутых устройств помимо вольтметра может входить амперметр.

Получаемые при измерениях данные также необходимо сопоставлять с параметрами, заявленными производителями для данного типа батарей и данного сопротивления.

3. Измерения при помощи специальных устройств, тестеров анализаторов АКБ

Приборы Кулон

Принципиальным развитием идеи нагрузочной вилки можно считать семейство цифровых приборов-тестеров Кулон (Кулон-12/6f, Кулон-12m, Кулон-12n и другие) для проверки состояния свинцовых кислотных аккумуляторов, а также другие подобные устройства. Они позволяют проводить быстрые замеры напряжения, приближенно определять емкость АКБ без контрольного разряда и сохранять в памяти несколько сотен, а иногда и тысяч измерений.

Приборы Кулон питаются от аккумулятора, на котором проводятся измерения. Входящие в комплект провода с разъемами «крокодил» имеют части, изолированные друг от друга, что обеспечивает четырехзажимное подключение к аккумулятору и устраняет влияние на показания прибора сопротивления в точках подключения зажимов. По заявлению разработчика, прибор анализирует отклик аккумулятора на тестовый сигнал специальной формы, при этом измеряемый параметр примерно пропорционален площади активной поверхности пластин аккумулятора и, таким образом, характеризует его емкость. Фактически, точность показаний зависит от достоверности методики, разработанной производителем.

Емкость аккумулятора – электрический заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором – измеряется в ампер-часах и представляет собой произведение тока разряда на время. Для точного определения емкости необходимо произвести разряд батареи (процесс длительный, многочасовой), постоянно фиксируя величину заряда, отдаваемого батареей. При этом относительная емкость АКБ в зависимости от времени изменяется нелинейно. Например, для аккумуляторной батареи типа LCL-12V33AP относительная емкость меняется со временем следующим образом:









Время разряда, часы Относительная емкость, %
0,1 37
1,3 48
0,7 53
1,9 76
4,2 84
9,2 92
20 100

Прибор Кулон при помощи быстрого измерения ориентировочно определяет емкость полностью заряженного аккумулятора. Он не предназначен для оценки степени заряженности АКБ, все измерения необходимо проводить на полностью заряженной батарее. Устройство кратковременно подает тестовый сигнал, регистрирует отклик от батареи и через несколько секунд выдает ориентировочную емкость АКБ в ампер-часах. Одновременно на экран выводится измеренное напряжение. Полученные значения можно сохранять в памяти прибора.

Производитель подчеркивает, что устройство не является прецизионным измерителем, но позволяет оценочно определять емкость свинцовой кислотной батареи, особенно если пользователь самостоятельно откалибровал прибор при помощи аккумулятора такого же типа, что и тестируемый, но с известной емкостью. Процедура калибровки подробно изложена в инструкции к прибору.

Тестеры PITE

Следующая разновидность устройств для тестирования АКБ – тестеры PITE: модель PITE 3915 для измерения внутреннего сопротивления и модель PITE 3918 для оценки проводимости батарей.

Управление осуществляется при помощи цветного сенсорного экрана, но основные управляющие кнопки вынесены на клавиатуру в нижней части корпуса. Прибором можно тестировать батареи емкостью от 5 до 6000 А·ч, с элементами аккумулятора 1.2 В, 2 В, 6 В и 12 В. Диапазон измерения напряжения – от 0. 000 В до 16 В, сопротивления – от 0.00 до 100 мОм. Прибор позволяет задать тип проверяемых батарей, выполнить измерение напряжения и сопротивления (модель 3915) или напряжения и проводимости (модель 3918), и на их основании судить о том, соответствует емкость батареи заявленной производителем или нет. При этом параметр Capacity (емкость батареи) выводится в процентах.

Интерфейс прибора позволяет проводить как одиночные измерения, так и последовательные (до 254 измерений в каждой последовательности, совокупное количество результатов более 3000), что удобно при проверке большого количества однотипных АКБ (в последнем случае результаты сохраняются автоматически, помимо данных в них фиксируется также порядковый номер измерения). В зависимости от настроек прибор может использовать для выдачи результата (статуса Good, Pass, Warning или Failed) собственные критерии либо значения, заданные пользователем. Результаты тестирования через порт USB могут быть перенесены на компьютер для просмотра и последующей подготовки отчетов.

Анализаторы Fluke

Более глубокое развитие той же идеи – приборы Fluke Battery Analyzer серии 500 (BT 510, BT 520, BT 521), которые позволяют измерять и сохранять в памяти напряжение, внутреннее сопротивление стационарной батареи, температуру минусовой клеммы, напряжение при разрядке. При наличии дополнительных аксессуаров можно измерять и сохранять в памяти и другие параметры. Тесты можно проводить как в режиме отдельных измерений, так и в последовательном режиме; используя настраиваемые профили. Есть возможность задать пороговые значения для различных параметров. Встроенный порт USB позволяет передавать собранные записи (до 999 записей каждого типа) на компьютер для подготовки отчетов с помощью программного обеспечения Analyze Software, входящего в комплект поставки.

Щупы прибора имеют специальную конструкцию: внутренний подпружиненный контакт предназначен для измерения тока, внешний – для измерения напряжения. Если на щуп надавить, внутренний наконечник смещается внутрь таким образом, что оба контакта каждого щупа касаются поверхности одновременно. В результате одни и те же щупы позволяют организовать как 2-проводное, так и 4-проводное подключение к полюсам батареи (последнее необходимо для измерения Кельвина).

  • Прибор позволяет измерять следующие параметры:

  • Внутреннее сопротивление батареи (измерение занимает менее 3 с).

  • Напряжение батареи (производится одновременно с измерением внутреннего сопротивления)

  • Температура минусовой клеммы (рядом с черным наконечником на щупе BTL21 Interactive Test Probe предусмотрен ИК-датчик)

  • Напряжение при разрядке (определяется несколько раз в ходе разрядки или во время теста на нагрузку)

Также возможно измерение пульсирующего напряжения, измерение переменного и постоянного тока (при наличии токовых клещей и адаптера), выполнение функций мультиметра. С анализаторами Fluke можно использовать интерактивный тестовый щуп BTL21 Interactive Test Probe со встроенным датчиком температуры. С приборами совместимо большое разнообразие дополнительных аксессуаров (токовые клещи, удлинители разного размера, съемный фонарик и т. п.).


 


 

Хотя прибор обладает богатым функционалом, ключевым этапом в определении состояния АКБ остается сопоставление измеренных показателей с расчетными или заданными изготовителем для данного конкретного типа батарей. Устройства Fluke Battery Analyzer серии 500 удобны для массовой инспекции состояния батарей. Последовательный режим и система профилей позволяют выполнять необходимые измерения одно за другим, результаты запоминаются прибором и хранятся в упорядоченной форме, последовательно пронумерованные и разбитые на группы. Но прибор не имеет функции прямого или косвенного измерения емкости АКБ в ампер-часах – хотя бы потому, что для батарей разного типа на сегодняшний день вряд ли возможно разработать единую точную методику такого определения.

Все перечисленные выше устройства, хоть и отличаются друг от друга по размеру, относятся к классу портативных. В отдельную группу можно выделить стационарные комплексы для проверки АКБ, которые могут проводить быстрые испытания с определением внутреннего сопротивления, контролировать все параметры, включая активную и реактивную составляющие сопротивления, управлять процессом разряда/заряда и т. п. Подобные комплексы адресованы скорее исследовательским лабораториям, промышленным производителям АКБ и разработчикам нового оборудования, чем конечным пользователям.

Анализаторы Vencon

Промежуточное положение занимает анализатор Vencon UBA5, предназначенный для работы с аккумуляторными батареями, используемыми в портативных средствах связи (мобильных телефонах, носимых радиостанциях, разнообразных гаджетах и т. п.), портативных инструментах и других устройствах напряжением до 18.5 В, емкостью от 10 мА·ч до 100 А·ч. Анализатор Vencon UBA5 совмещен с зарядным устройством и может использоваться в ремонтных мастерских, центрах обслуживания компьютерной техники, мобильной электроники и других устройств.

Прибор предназначен для различных типов АКБ (никель-кадмиевых, никель-металл-гидридных, литий-ионных, литий-полимерных, свинцовых кислотных и др.), позволяет задавать токи зарядки и разрядки, изменять алгоритмы работы устройства, тестировать емкость батарей при помощи однократных и многократных измерений, сохранять результаты измерений в памяти и выводить их через порт USB, готовить графические отчеты при помощи программного обеспечения.

Характерная особенность устройства – два измерительных канала (по 2 измерительных провода каждый), причем для проведения различных измерений их можно комбинировать, в том числе и от нескольких устройств UBA5. Дополнительно могут заказываться датчики температуры.

 

Прибор способен генерировать зарядный ток до 2А на каждом канале, ток нагрузки – до 3А (45 Вт) на каждом канале (в комплект входит адаптер питания). Более точные характеристики зависят от конкретной модели устройства – в серию UBA5 входит 5 различных моделей приборов.

 

В данном типе прибора, как и во всех описанных ранее, ключевым для определения состояния батареи является сопоставление измеренных показателей с параметрами, заявленными производителями АКБ.

4. Полная разрядка/зарядка

На сегодняшний день полная разрядка и зарядка – это единственный прямой и максимально достоверный способ определения емкости АКБ. Специализированные устройства контроля разряда/заряда батареи (УКРЗ) позволяют выполнить глубокую разрядку и последующую полную зарядку батареи с постоянным контролем емкости. Однако эта процедура занимает очень много времени: 15-17-20-24 часа, иногда и более суток, в зависимости от емкости и текущего состояния батареи. Хотя метод дает наиболее точные результаты, из-за временных затрат его применение ограничено.

5. Измерение плотности электролита

В обслуживаемых аккумуляторах для определения их состояния можно измерять плотность электролита, поскольку между этим параметром и емкостью АКБ существует непосредственная зависимость. Плотность электролита может меняться в силу разных причин, которые вдобавок взаимосвязаны (частый глубокий разряд батареи, сульфатация, неоптимальная плотность электролита, испарение и утечка раствора и т. д.). Аккумулятор начинает быстрее разряжаться, отдает меньше заряд. При этом необходимо понимать, что плотность электролита даже в исправном аккумуляторе, находящемся в идеальном состоянии – не константа, она меняется с температурой и степенью зарядки аккумулятора. Более того, для разных регионов рекомендованная плотность электролита отличается в зависимости от типовых климатических условий.

Результаты измерения плотности ареометром можно сопоставить со следующей диаграммой для кислотных аккумуляторов.

В зависимости от того, больше или меньше плотность электролита, чем требуемая (а для батареи вредно отклонение и в ту, и в другую сторону), можно частично или полностью заменить электролит, залить дистиллированную воду или раствор необходимой концентрации, обязательно обеспечив перемешивание. Как и при использовании всех ранее описанных способов проверки состояния АКБ ключевым является сопоставление измеренных значений с рекомендациями производителя батареи и следование всем предусмотренным процедурам обслуживания.

Выводы

Каждый способ определения текущего состояния аккумуляторной батареи имеет свои преимущества и недостатки. Каким из них пользоваться – зависит от ваших задач и возможностей. Сориентироваться вам поможет эта сводная таблица.






Способ определения состояния АКБ Преимущества Недостатки
Подкл ючение нагрузки Достаточно реалистичные результаты без использования специализированного оборудования Времязатратность при многократных измерениях Измеренные параметры документируются вручную
Нагрузочная вилка, специализированные анализаторы и тестеры

Портативность устройств


Простота использования


Быстрое проведение измерений, особенно многократных


Некоторые модели способны проводить измерения без выведения АКБ из режима эксплуатации


Специализированные модели позволяют сохранять результаты и переносить их на компьютер для подготовки отчетов

Часть параметров АКБ определяется по косвенным методикам Оценочная точность измерений
Полный разряд/заряд Единственный достоверный способ оценки емкости АКБ Очень продолжительная процедура – многие часы, иногда сутки
Измерение плотности электролита ρ Непосредственное определение состояния батареи по концентрации электролита Способ применяется только для обслуживаемых батарей

 

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.

Эксплуатация, зарядка, хранение аккумуляторной батареи

23.12.2019

Содержание


1. Техническое отступление

2.Основные характеристики аккумуляторных батарей


2.1. Расход воды

2.2. Долговечность батареи

2.3. Рекомендации по эксплуатации


3. Терминология

4. Маркировка АКБ

5. Выбор и покупка АКБ

6. Установка АКБ

7. Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию


7.1. Обслуживание АКБ в процессе эксплуатации

7.2. Продление жизни новой батарее

7.3. Зарядка аккумулятора зарядным устройством


8. Особенности эксплуатации АКБ в зимний период


8.1. Прикуривание от другого автомобиля


9. Особенности эксплуатации АКБ в летний период

10. Вопросы безопасности

11. Хранение аккумуляторной батареи

12. Приложения


12.1. Реанимация аккумулятора

12.2. Ещё несколько способов, основанных на использовании электрического тока

Скрыть содержание

1. Техническое отступление

Назначение автомобильной аккумуляторной батареи понятно каждому мало-мальски сведущему в технических вопросах автолюбителю. С первой ее функцией — обеспечением запуска двигателя — мы сталкиваемся каждый день. Есть и вторая — реже применяемая, но от того не менее значимая — использование в качестве аварийного источника питания при выходе из строя генератора. Кроме того, на современных автомобилях с инжекторным впрыском аккумулятор выполняет роль сглаживателя пульсаций напряжения, выдаваемого генератором. Из этого следует, что следует крайне осторожно относиться к отключению аккумулятора на работающем двигателе. Карбюраторному двигателю ничего не будет, а вот как поведёт себя компьютер, управляющий распределённым впрыском — одному богу известно… Можно загубить компьютер.
Все стартерные батареи, выпускаемые в настоящее время для автомобилей, являются свинцово-кислотными. В основу их работы заложен известный еще с 1858 г., и по сей день остающийся практически неизменным принцип двойной сульфатации.

Как наглядно видно из формулы, при разряде батареи (стрелка вправо) происходит взаимодействие активной массы положительных и отрицательных пластин с электролитом (серной кислотой), в результате чего образуется сульфат свинца, осаждающийся на поверхности отрицательно заряженной пластины и вода. В итоге плотность электролита падает. При зарядке батареи от внешнего источника происходят обратные электрохимические процессы (стрелка влево), что приводит к восстановлению на отрицательных электродах чистого свинца и на положительных — диоксида свинца. Одновременно с этим повышается плотность электролита.
Любая автомобильная батарея представляет из себя корпус — контейнер, разделенный на шесть изолированных ячеек — банок (см. рис.1).

Каждая банка является законченным источником питания напряжением порядка 2.1 В. В банке находится набор положительных и отрицательных пластин, отделенных друг от друга сепараторами. Как известно из школьного курса физики, две разнозаряженные пластины уже сами по себе являются источником постоянного напряжения, параллельное же их соединение увеличивает ток. Последовательное соединение шести банок и дает батарею с напряжением порядка 12.6-12.8 В. Любая из пластин, как положительная, так и отрицательная, есть ни что иное, как свинцовая решетка, заполненная активной массой. Активная масса имеет пористую структуру с тем, чтобы электролит заходил в как можно более глубокие слои и охватывал больший ее объем. Роль активной массы в отрицательных пластинах выполняет свинец, в положительных — диоксид свинца.
Вес залитой АКБ ёмкостью 55 Ач составляет около 16.5 кг. Эта цифра складывается из массы электролита — 5кг (что соответствует 4,5 л), массы свинца и всех его соединений — 10 кг, а также 1 кг, приходящегося на долю бака и сепараторов.

2. Основные характеристики аккумуляторных батарей

2.0. Электродвижущая сила (ЭДС)

Зависимость ЭДС (грубо говоря, напряжение на выводах аккумулятора) от плотности электролита выглядит так:

Е = 6 * (0,84 + р) , где Е — ЭДС аккумулятора , (В) р — приведенная к температуре 5°С плотность электролита , г/мл

2.1. Расход воды

Показатель, имеющий непосредственное отношение к степени обслуживаемости батареи. Определяется в лабораторных условиях. Батарея считается необслуживаемой, если она имеет очень низкий расход воды в эксплуатации. Необслуживаемые батареи не требуют доливки дистиллированной воды в течении года и более при условии исправной работы регулятора напряжения.

На расход воды прямое влияние оказывает процентное содержание сурьмы в свинцовых решетках пластин. Как известно, сурьма добавляется для придания пластинам достаточной механической прочности. Однако у каждой медали есть обратная сторона. Сурьма способствует расщеплению воды на кислород и водород, следствием чего является выкипание воды и снижение уровня электролита. В батареях предыдущего поколения содержание сурьмы доходило до 10%, в современных этот показатель снижен до 1.5 %.

Панацею от этой беды фирмы видят в освоении т.н. гибридной технологии — замене сурьмы в одной из пластин на кальций. Кальций в решетке является веществом нейтральным по отношению к воде, не снижая при этом механической прочности решеток. А потому разложения воды не происходит и уровень электролита остается неизменным.

Преимущества «кальциевых» АКБ — можно устанавливать в местах , не не требующих удобного доступа для обслуживания. Меньше вероятность выхода из строя из-за коррозии решеток электродов. Лучшие стартерные характеристики.

Недостаток «кальциевых» АКБ — при глубоких разрядах происходит образование нерастворимых солей кальция, и емкость АКБ необратимо теряется. Производители АКБ пытаются устранить этот недостаток добавлением в АКБ серебра и др. компонентов, результат пока окончательно не ясен.

2.2. Долговечность батареи

Средний срок службы современных АКБ при условии соблюдения правил эксплуатации — а это недопущение глубоких разрядов и перезарядов, в том числе по вине регулятора напряжения — составляет 4-5 лет.

Наиболее губительными для батарей являются глубокие разряды. Оставленные на ночь включенными световые приборы, либо другие потребители способны разрядить ее до плотности 1.12 — 1.15 г/см3, т.е. практически до воды, что приводит к главной беде аккумуляторов — сульфатации свинцовых пластин. Пластины покрываются белым налетом, который постепенно кристаллизуется, после чего батарею практически невозможно восстановить. Отсюда вытекает главный вывод — необходимо постоянно следить за состоянием батареи, периодически замерять плотность электролита. Особенно актуально это в зимнее время. Следует отметить, что сульфатация в определенных пределах — явление нормальное и присутствует всегда. (Вспомните — на основе теории двойной сульфатации построен принцип работы батарей). Но при малом разряде и последующей зарядке батарея легко восстанавливается до исходного состояния. Это возможно и при глубоком разряде батареи, но только в том случае, если следом сразу, же последует заряд. Если же разряжать батарею длительное время, не давая ей «подпитки», то падение плотности, ниже критического значения неизбежно приводит к образованию кристаллов сульфата свинца, не вступающих в реакцию ни при каких обстоятельствах. А это означает, что начался необратимый процесс сульфатации.

Не менее опасен для батареи и перезаряд. Это происходит при неисправном регуляторе напряжения. При этом электролит начинает «кипеть» — происходит разложение воды на кислород и водород, и понижение уровня электролита. Вот почему необходимо следить за зарядным напряжением. Естественно, это не составляет труда, если на панели приборов присутствует вольтметр. Ну а если его нет? В этом случае также можно довольно просто оценить зарядное напряжение. Для этого запустите и прогрейте двигатель, установив средние обороты и подключите тестер (в режиме вольтметра) между «+» и «массой» аккумуляторной батареи. Нормальный зарядный режим батареи обеспечивается в диапазоне 14±0.5В. Если напряжение меньше — стоит проверить натяжение ремня, надежность контактных соединений цепей системы электроснабжения. Если же это не помогает — неисправность нужно искать в регуляторе напряжения. Впрочем, точно также вина ложится на регулятор, если напряжение превышает 14.5В.

В последнее время широкое распространение получили сепараторы карманного типа — т.н. конвертные сепараторы. Их название говорит за себя — в эти конверты помещают одноименно заряженные пластины. Такая конструкция увеличивает срок службы батареи, так как осыпающаяся в процессе эксплуатации активная масса остается в конверте, тем самым предотвращается замыкание пластин.

2.3. Рекомендации по эксплуатации

Батарея, не эксплуатировавшаяся в течении длительного времени (4-5 мес.) нуждается в подзарядке. Связано это с тем, что батареям свойственно такое явление, как саморазряд. На графиках рис.2,3 показаны характеризующие саморазряд величины для различных батарей. В первом случае — это снижение плотности от времени хранения, во втором — падение напряжения.

Впрочем, зачастую подзарядки требует и находящаяся в эксплуатации батарея. Плотность полностью заряженной батареи составляет 1.27- 1.28 г/см3, напряжение — 12.5 В. О степени разряженности батареи судят по плотности электролита. Чем ниже плотность электролита, тем сильнее батарея разряжена. Уменьшение плотности на 0.01 г/см3 по сравнению с номинальной означает, что батарея разрядилась примерно на 6 — 8%. Используя график (см. рис.4) можно оценить зависимость степени разряженности батареи от плотности. Степень разряженности определяют по той банке, в которой плотность электролита минимальная. Всем известна аксиома, тем не менее, позволим повторить ее еще раз — батарею, разряженную летом более чем на 50%, а зимой более чем на 25%, необходимо снять с автомобиля и зарядить. При этом следует помнить, что пониженная плотность зимой более опасна, т.к. кроме всего прочего может привести к замерзанию электролита. Так, при плотности электролита 1.2 г/см3 температура его замерзания составляет около -20°С.
Также необходимо подзарядить батарею, если плотность в разных банках отличается более чем на 0.02 г/см3. Оптимальной является зарядка батареи током, равным 0.05 от ее ёмкости. Для батареи с ёмкостью 55 Ач эта величина составляет 2.75 А. Чем меньше зарядный ток, тем глубже заряд. Однако не стоит впадать в крайность — при совсем низком токе батарея просто не «закипит», к тому же время зарядки будет несравнимо большим. Наоборот, при очень большом токе батарея «закипит» значительно быстрее, но при этом не успеет зарядиться на все 100%. Признаками окончания зарядки служит бурное выделение газа (т.н. «кипение») и неизменяющаяся на протяжении 1-2 часов плотность электролита.
Для ориентировочной оценки времени, требуемого на зарядку батареи, можно воспользоваться следующим алгоритмом.

Первоначально, используя график (рис.4) необходимо определить степень разряженности батареи, исходя из реальной плотности АКБ, замеренной ареометром. Далее по степени разряженности определяем потерянную ёмкость (или ёмкость, которую необходимо принять батарее).
Затем, выбрав величину зарядного тока, вычисляем ориентировочное время зарядки по формуле:

Тут следует отметить, что не вся энергия идет на повышение ёмкости. КПД процесса составляет 60-80%, остальное тратится на нагрев, а также связанные с этим электрохимические процессы. Потому реальное время увеличивается примерно в полтора раза от расчетного (что и учитывается коэффициентом «1.5» в формуле).

Нужно сказать, что использование данного алгоритма оправдано лишь для облегчения процедуры, но ни в коей мере не избавляет от контроля за ходом зарядки. Процесс заряда, а особенно его окончание Вам необходимо контролировать самому, дабы не прозевать начало бурного кипения.

Другой вариант — использование для этих целей автоматических зарядных устройств, отличающихся тем, что зарядка идет при постоянном напряжении, но автоматически изменяющемся в зависимости от степени заряженности батареи токе. При этом зарядное устройство перестает давать ток, если батарея полностью заряжена. Принцип, используемый в подобных устройствах аналогичен зарядке от генератора на автомобиле.

Для примера определим время зарядки батареи ёмкостью 55 Ач током в 5А, плотность которой составляет 1.25 г/см3. Как видно из графика, при данной плотности батарея разряжена на 25%, что означает потерю ёмкости на величину

Таким образом, примерное время зарядки

Каждодневным способом зарядки батареи является ее заряд от бортовой сети автомобиля (естественно, при условии исправности последней). При данном способе, во первых, невозможен перезаряд, а во-вторых, происходит постоянное перемешивание электролита и наиболее полное его проникновение во внутренние слои активной массы.
Однако было бы ошибочным полагать, что заряд батареи начинается сразу же после пуска двигателя и продолжается все время, пока двигатель в работе. Исследования показывают, что батарея начинает принимать заряд только после прогрева электролита до положительной температуры, что при эксплуатации в зимних условиях происходит примерно через час после начала движения. Именно этим и опасен довольно распространенный, по крайней мере, в нашем автомобильном городе, способ эксплуатации транспортных средств. Холодный запуск зимой с получасовым движением до работы, и затем редкие непродолжительные поездки на протяжении рабочего дня не дают прогреться электролиту и, следовательно, зарядиться Вашей батарее. Тем самым разряженность АКБ увеличивается изо дня в день и в итоге может привести к печальному результату. Из этого следует, что зимой необходимо проверять состояние АКБ и своевременно подзаряжать ее регулярно
Физические процессы, происходящие при пуске двигателя, отличаются от процессов при разряде батареи потребителями. При пуске участвует не весь объем активной массы и электролита, а лишь та ее часть, которая находится на поверхности пластин и соприкасающийся с поверхностью пластин электролит. Поэтому, после неудачной попытки запустить двигатель, следует подождать некоторое время для того, чтобы электролит перемешался, плотность его выровнялась, он проник в поры активной массы. Нормальный запуск двигателя при однократном вращении стартера в течении 10с забирает ёмкость 300А х 10с = 3000 Ас = 0.83 Ач, что составляет около 1.5% от ёмкости аккумулятора.
При медленном же разряде участвуют не только поверхностные слои активной массы, но и глубинные, потому и разряд происходит более глубокий. Однако это не означает, что стартерные режимы не так губительны для батареи — стартером точно также можно разрядить батарею до критической величины.
Каковы же признаки выхода из строя батареи? Батарея не заряжается, плотность низкая и не повышается в процессе заряда. Большой саморазряд — батарея зарядилась, но не держит заряд. Можно попытаться потренировать батарею, однако если произошло осыпание активной массы пластин, либо кристаллизация сульфата свинца, то это уже не исправить.
Вообще, освоить способ оценки степени возможной разрядки батареи от каких-либо действий (в том числе и осознанных) не составит большого труда. Необходимо усвоить несколько истин и запомнить несколько цифр.
Батарея начинает принимать заряд лишь только после прогрева электролита до положительной температуры (как вы понимаете, при температуре воздуха -20°С температура электролита в батарее хранящегося на свежем воздухе автомобиля будет примерно такой же.)
Коэффициент полезного действия процесса зарядки составляет примерно 50%.
Каждый автомобильный генератор характеризуется следующими показателями:
ток отдачи генератора при работе двигателя на холостом ходу.
ток отдачи генератора при работе двигателя на номинальных оборотах.
Для ВАЗовских автомобилей эти цифры имеют следующие значения:

Таблица 1

Модель автомобиля…………………..2101-2106……2108-2109……2110

ток отдачи на холостом ходу…………….16………………24…………..35

ток отдачи на номинальных оборотах 42……………….55…………..80

Как видно из таблицы, на последних моделях автомобилей Волжского автозавода устанавливаются генераторы, имеющие характеристики тока отдачи, в два раза превосходящие по величине характеристики генераторов первых моделей.

И наконец, примерное потребление энергии автомобильными потребителями:

Таблица 2

потребитель……….ток, А (приблизительно)

зажигание……………..2

габариты……………….4

ближний свет…………9

дальний свет………..12

обогрев стекла……10-11

стеклоподьемник…20-30

вентилятор отопителя:

1-я скорость…………5-7

2-я скорость……….10-11

стеклоочистители…3-5

магнитола…………….5

ИТОГО……………….38-48

Таким образом, оставленные включенными габариты за три часа «съедят» 4А х 3ч= 12 Ач ёмкости батареи, что соответствует разряду приблизительно на 20%. Это не страшно для одного раза. Однако повторив это ещё раз, Вы уже рискуете не завести свою машину, особенно, если дело происходит зимой, т.к. разряд составит порядка 40% (тем более, что к тому же зимой батареи, как правило, эксплуатируются заряженными далеко не на 100%).

Аналогично можно прикинуть, что Вы имеете при продолжительной работе двигателя на холостом ходу. Как уже показано выше, ток отдачи генератора автомобиля ВАЗ-2108 на холостом ходу составляет 24А. Вычитаем из этой величины 2А, необходимые для обслуживания системы зажигания. Остается 22А. Используя таблицу 2, нетрудно прикинуть, что можно включать с тем, чтобы хоть немного досталось бы и аккумулятору (при этом помните про КПД зарядки, составляющий 50%).

Для владельцев иномарок с автоматической коробкой передач картина ещё более сложная. Обычно, стоя в пробке или на светофоре, Вы не переключаетесь на нейтраль, а давите ногой на тормоз. Это понижает обороты двигателя от стандартных 800-900 об./мин. до 600-700 об./мин., что, соответственно понизит ток, выдаваемый генератором, а стоп-сигналы добавят ещё пару ампер потребления тока. Да и обогрев заднего стекла у немцев, например, существенно мощнее, чем у отечественных автомобилей.

Следует знать, что зимние условия эксплуатации автомобиля в принципе очень тяжелы для аккумуляторной батареи. Наверняка будут полезны следующие данные. Результаты проводимых в ГДР исследований говорят о том, что при эксплуатации автомобиля в очень тяжелых условиях (испытания по так называемому режиму «город-зима-ночь») аккумулятор получает порядка 1Ач в час

3. Терминология

Аккумуляторная батарея — один из основных элементов электрооборудования автомобиля, поскольку она накапливает и хранит электроэнергию, обеспечивает запуск двигателя в различных климатических условиях, а также питает электроприборы при неработающем двигателе.

Автомобильные свинцово-кислотные 12-вольтовые АКБ состоят из 6-ти последовательно соединенных элементов (банок), объединенных в общий корпус. Каждая банка имеет газоотвод, конструкции которого могут существенно отличаться.

Электролит представляет собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде (для средней полосы России плотностью 1.27-1.28 г/см3 при t=+20°С). Кипение электролита — бурное выделение газа при электролитическом разложении воды с выделением кислорода и водорода. Это происходит во время заряда батареи.

Саморазряд — самопроизвольное снижение ёмкости АКБ при бездействии. Скорость саморазряда зависит от материала пластин, химических примесей в электролите, его плотности, от чистоты верхней части корпуса батареи и продолжительности ее эксплуатации.

Напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи без нагрузки (ЭДС — электродвижущая сила) должно находиться в пределах 12.6-12.9 В. Напряжение в бортовой сети автомобиля при работающем двигателе несколько выше, чем на клеммах АКБ, и должно находиться в пределах 14.0-14.2 В (0,2 В от крайних значений). Значение напряжения ниже 13.8 В ведет к недозаряду батареи, а выше 14.4В — к перезаряду, что одинаково пагубно сказывается на ее сроке службы.

Полярность аккумуляторной батареи — термин, определяющий расположение токосъемных выводов на ее корпусе. На зарубежных батареях полярность может быть прямой или обратной, т. е. ориентировка положительного и отрицательного выводов относительно корпуса может быть различной. По российскому стандарту (если смотреть со стороны выводов) отрицательный (-) должен располагаться справа, положительный (+) слева.

Емкость батареи — способность батареи принимать и отдавать энергию — измеряется в ампер-часах (Ач). Для оценки ёмкости батареи принята методика 20-ти часового разряда током 0.05С20 (т.е. током, равным 5% от номинальной ёмкости). Т.е., если ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75 А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-ти часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда — 3А.

Данная характеристика определяет возможность питать потребителей в экстремальной ситуации (при отказе генератора). Характеризуется объемом активной массы.

Значение тока холодного старта при -18°С (по DIN) — Величина тока, которую батарея способна отдать при пуске двигателя при температуре -18°С. Наиболее важная характеристика, напрямую сказывающаяся на пуске двигателя. Ведь при -20°С ток, потребляемый стартером, составляет порядка 300А. (Для пуска в летнее время горячего двигателя этот же показатель равен 100-120А.) Значение стартового тока определяется конструкцией батареи, пластин, сепараторов. Сепараторы карманного типа без каких-либо других дополнений увеличивают напряжение батареи на 0.3В, одновременно улучшая стартовые характеристики. Чем ниже внутреннее сопротивление батареи, тем выше стартовый ток, тем надежнее пуск двигателя при низких температурах.

Резервная ёмкость — время, в течении которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями батарей после значения тока холодного старта.

Корпус современных АКБ изготавливается из пластмассы, в большинстве случаев полупрозрачной, позволяющей контролировать уровень электролита.

Необслуживаемые батареи. Сразу следует оговориться, что этот термин не должен пониматься буквально и восприниматься как руководство к бездействию. Это название говорит об улучшенных потребительских свойствах батареи. Необслуживаемые АКБ требуют долива воды не чаще одного раза в год при условии использования их на автомобилях с исправным электрооборудованием и среднегодовым пробегом 15-20 тыс. км. Встречаются конструкции, исключающие всякое вмешательство на всем протяжении срока службы, но они особенно критичны к состоянию автомобильного электрооборудования.

Большинство необслуживаемых батарей выпускаются заводами-изготовителями, залитыми электролитом. Так как эти батареи имеют значительно меньший саморазряд, они могут храниться от 6 месяцев до 1 года без подзаряда. Саморазряд новых необслуживаемых батарей за 12 месяцев может составить до 50% от номинальной ёмкости.

4. Маркировка АКБ

На современные аккумуляторные батареи наносится следующая маркировка:

Некоторые батареи имеют такую маркировку:

Несмотря на то, что после ёмкости стоит значение 280А, цифра, интересующая нас и показывающая ток холодного старта по принятому у нас стандарту DIN равна 255А.
Обозначения основных характеристик на батареях различных производителей отличаются друг от друга. Большинство европейских производителей и значительная их часть в Азии руководствуются промышленным стандартом Германии DIN 43539 часть 2, который оговаривает два основных параметра: ёмкость батареи, измеряемую в ампер-часах (Ач) при +25°С, и ток стартерного разряда в амперах (А) при -18°С.
Батареи американских производителей испытываются по требованию американского стандарта SAE J537g, который включен в международный стандарт BCI и также вводит два основных параметра: резервную ёмкость, измеряемую в минутах при +27°С, и ток холодной прокрутки — в амперах при -18С. Стандарт SAE не предусматривает измерение ёмкости батареи в ампер-часах.
Первый рассматривает способность батареи к длительным разрядам меньшими токами, второй — разряд большими токами, но за меньший отрезок времени.
Пересчет значения тока стартерного разряда по европейскому стандарту DIN в ток холодной прокрутки по американскому стандарту SAE может производиться с помощью экспериментальных коэффициентов. Для батарей ёмкостью до 90Ач используется коэффициент 1.7, т. е. ISAE = 1.7 IDIN. Для батарей ёмкостью от 90 до 200 Ач используется коэффициент 1.6, т. е. ISAE = 1.6 IDIN.
В настоящее время в Европе наряду с немецким стандартом DIN введен новый единый стандарт En — 60095-1/93.
Кроме того, на необслуживаемых батареях проставляется соответствующая надпись. Чаще всего на русском, английском или немецком языке (либо на языке производителя, как например, на испанских батареях «Tudor»).

5. Выбор и покупка АКБ

Убедитесь, что выбираемая батарея соответствует конструктивным особенностям вашего автомобиля (ёмкость, место установки, способ крепления, полярность, форма и размер токосъемных выводов). Специализированные торговые фирмы имеют каталоги всего ассортимента, в которых систематизирована информация о модификациях и технических характеристиках.

Нецелесообразно на автомобиль с устаревшей системой электрооборудования устанавливать батарею, исключающую долив воды. Это приведет к сокращению ее срока службы или отказу.

Емкость батареи не должна существенно отличаться от указанной заводом-изготовителем автомобиля. Несоблюдение этого условия приводит к резкому сокращению службы, как батареи, так и стартера.

Очень неплохо знать рекомендуемую величину пускового тока для Вашего автомобиля. На многих (японских) автомобилях устанавливаются стартёры с редуктором. Это позволяет существенно уменьшить величину пускового тока, а значит существенно продлить жизнь Вашего аккумулятора.

Внимательно изучите текст гарантийного талона. Обратите особое внимание на те разделы, где перечислены: случаи, исключающие гарантийное обслуживание; адреса гарантийных мастерских; условия эксплуатации.

Маркировка аккумулятора должна иметь ссылку на стандарт (DIN, SAE, En или другие). В маркировке по стандарту SAE не указывается значение ёмкости в ампер-часах (Ач). Указание ёмкости в Ач в стандарте SAE – косвенный признак подделки. Наиболее подвержены подделкам дорогие аккумуляторы известных фирм-изготовителей, поэтому приобретать их лучше в торговых фирмах, заслуживающих доверие.

Большинство фирм-изготовителей кодирует дату выпуска АКБ. Современные необслуживаемые батареи допускают достаточно длительное хранение без существенной потери своих потребительских свойств, поэтому дата изготовления менее актуальна. Предпочтительнее приобретать залитый качественным заводским электролитом аккумулятор. Он готов к работе, легко поддается проверке. Не залитый сухозаряженный аккумулятор требует дополнительного времени и затрат на подготовку к эксплуатации.

Не спешите отдать деньги! Вы вправе требовать проверки аккумулятора. Первым делом сдерите с него защитную упаковочную пленку, какой бы красивой она ни была, и убедитесь, что корпус не поврежден – такое случается довольно часто. Затем попросите продавца измерить плотность электролита – она не должна быть ниже номинальной более чем на 0,02 г/см3 и одинаковой во всех банках, что соответствует примерно 80-процентной заряженности батареи. Последнюю проверку следует провести с нагрузочной вилкой – ее вольтметр должен показать 12.5–12.9 В при отключенной нагрузке, а при включенной – не опускаться в течение 10 секунд ниже 11В.

В случае отклонения от этих значений, батарея может оказаться частично или полностью непригодной к эксплуатации.

Если вам отказывают в проверке аккумулятора, не могут подтвердить качество товара сертификатом, гарантийным талоном, то лучше отказаться от покупки.

6. Установка АКБ

Перед установкой батареи обязательно полностью удалите с нее полиэтиленовую пленку. Газоотводные отверстия должны быть открытыми. Обратите внимание на правильность подключения. Клеммы АКБ рекомендуется зачистить и после закрепления смазать Литолом-24. Это делается для предохранения контактов от попадания влаги и окисления места контактов. Особенно это касается силовых проводов с медными (а не свинцовыми) наконечниками.

Очень важно уделить внимание проводам. Клеммы необходимо зачистить не только со стороны аккумулятора, но и с другой стороны. Место, куда крепится массовый провод (-) надо тоже тщательно зачистить от краски, масла и прочей грязи. Контакт затянуть туго. Это же касается клеммы на стартёре. Невнимание к проводам и контактам может очень сильно «выйти боком» зимой на морозе.

Батарея должна стоять на своём месте жёстко. Болтание её в крепёжных элементах недопустимо. Дополнительная вибрация скажется на долговечности батареи. Замыкание и осыпание пластин в банках чаще всего происходят именно из-за вибрации.

Обратите внимание, что на многих автомобилях батарея стоит довольно близко к выпускному коллектору. То есть летом ей будет довольно жарко, а это для батареи очень плохо! На «правильных» машинах предусмотрена термоизоляция АКБ от двигателя.

7. Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию

Условия эксплуатации оказывают существенное влияние на срок службы аккумуляторной батареи. Частые запуски двигателя и поездки на короткие расстояния, неисправности электрооборудования (стартер, генератор, реле-регулятор), дополнительные потребители электроэнергии, несвоевременное обслуживание, ненадежное крепление батареи способны сильно сократить срок ее службы.

При продолжительном движении по трассе батарея может перезаряжаться (кипеть) — в городе с малыми пробегами и «пробками» она, как правило, разряжается (см. выше).

Генератор (при холостых оборотах двигателя) не обеспечивает работу большинства штатных потребителей, не говоря о дополнительных. Зимой ситуация усугубляется. К включенным габаритным огням, ближнему свету фар, стоп-сигналам, указателям поворота, аудиоаппаратуре добавляются обогрев заднего стекла и вентилятор отопителя. Ежедневный недозаряд батареи постепенно уменьшает ее ёмкость, что в итоге приводит к невозможности запуска двигателя стартером.

Отказ аккумуляторной батареи может быть вызван и током утечки в электрооборудовании автомобиля. Это происходит, когда при отключении всех потребителей один или часть из них остается включенным в электрическую цепь (неисправны выключатель или реле). Виновником может быть и сигнализация. После глубокого разряда АКБ может не восстановить свою первоначальную номинальную ёмкость. Батарея не сможет нормально работать, если для запуска двигателя требуется продолжительное включение стартера (неисправны системы питания, зажигания).

7.1. Обслуживание АКБ в процессе эксплуатации сводится к проверке и приведению в соответствие с требованиями: уровня и плотности электролита; чистоты и надежности крепления электрических соединений батареи с корпусом автомобиля, параметров электрооборудования, крепления батареи. Необходимо также следить за правильным натяжением ремня генератора, очищать и смазывать выводы и клеммы, содержать батарею в чистоте. Протирайте верхнюю поверхность водным раствором питьевой соды. Доведение плотности электролита до требуемой производится путем заряда батареи от стационарного зарядного устройства.

Значение зарядного тока в амперах (А) не должно превышать 1/10 ёмкости батареи (упрощенно).

7.2. Продление жизни новой батарее

Коротко об этом сказать трудно. В первую очередь, следует залить электролит, точно соответствующий не только климатической зоне, но и сезону эксплуатации. Если батарея будет работать только в теплое время года, то плотность электролита может быть 1.20 г/см3, а если до -15°С — 1.24 г/см3 и т.д. Такая точность, безусловно, снизит скорость сульфатации пластин, следовательно, увеличит долговечность батареи.

На срок службы АКБ значительно влияет средняя степень заряженности, которая зависит от исправности реле-регулятора. Необходимо, чтобы эта величина поддерживалась не ниже 75%.

справка:

Установлено, что отклонение регулируемого напряжения на 10…12% вверх или вниз от оптимального сокращает срок службы батареи в 2…2.5 раза.

Во-первых, отрегулируйте двигатель так, чтобы он легко заводился с пол-оборота. Это предохранит АКБ от глубокого разряда. При пуске двигателя стартером через аккумуляторную батарею проходит ток в несколько сот Ампер, что не способствует ее долговечности. Поэтому, чем легче пуск двигателя, тем лучше для АКБ: она прослужит дольше.

справка:

Сокращение времени работы стартера вдвое при шести-восьми ежедневных пусках повышает срок службы аккумуляторной батареи приблизительно в 1.5 раза.

Во-вторых, отрегулируйте при необходимости реле-регулятор, чтобы напряжение было в пределах 13.8…14.4В. Это одно из важнейших условий. В-третьих, никогда не позволяйте снизиться уровню электролита в банках ниже требуемого.

справка:

Несвоевременная доливка в аккумуляторы дистиллированной воды может снизить срок службы батареи на 30%.

Эти простые советы, продлят жизнь АКБ.

Кроме этого, специалисты советуют при наличии зарядного устройства при любой возможности (например, на ночь) ставить аккумуляторную батарею на подзарядку малым током — около 1…2А. Для этого можно АКБ не снимать с автомобиля. Только эта операция, если ее проделывать регулярно, не реже одного раза в месяц, увеличивает срок службы батареи, по крайней мере, на год.

7.3. Зарядка аккумулятора зарядным устройством

Ну а теперь как заряжать? Зарядные устройства бывают с ручной и автоматической регулировкой (Орион PW-270, Орион PW-320) или автоматические (все остальные зарядные устройства Орион). Перед зарядкой необходимо открыть все газовые каналы: вывернуть пробки, снять крышки банок.

При зарядке важны три параметра: напряжение, ток зарядки и время. Когда аккумулятор частично процентов на 25 разряжен, то начальный ток заряда при включении выпрямителя может резко скакнуть вверх. Отрегулируйте его на зарядный ток около 1/10 ёмкости аккумулятора или меньше (это общепринятое правило заряда кислотных батарей). Т.е., если у Вас батарея имеет маркировку 55Ah — выставляем ток около 5.5А.

Если необходимо зарядить батарею в кратчайшее время, можно выставить и больший ток. В соответствии с законом Вудбриджа который гласит: сила зарядного тока (в амперах) не должна превышать величину заряда (в ампер-часах), недостающего до полной ёмкости акуммулятора. При этом зарядное устройство должно автоматически снижать ток при повышении напряжения или выключаться при достижении порогового напряжения на батарее. В противном случае (если ЗУ этого не делает) необходимо непрерывно контролировать зарядный ток и напряжение в ручную.

Далее в процессе зарядки напряжение будет расти, а ток уменьшаться. Считается, если ток не уменьшается в течение последних 2-3 часов, то аккумулятор заряжен. Важно помнить, что нельзя вести заряд большим током более 25 часов. Электролит сильно нагреется и выкипит, пластины от нагрева может повести и они замкнут друг на друга. Обычно нормальное время полного заряда около 15 часов.

Иногда необходимо выровнять плотность небольшим током. Например, если плотность электролита в разных банках 1.23, 1.25. Включив зарядное устройство, устанавливаем ток зарядки порядка 1-2А. Данное значение у разных АКБ- разное и зависит от многих факторов: конструкции, пассивационного материала пластин, состояния батареи и т.д. Время такой зарядки до двух суток. Особенно это необходимо делать после того, как аккумулятор разряжен в ноль бесплодными попытками завести двигатель. При чём, делать это надо сразу, пока не началась сульфатация пластин.

Батареи, исключающие долив воды, должны заряжаться только устройствами с автоматическим поддержанием зарядного напряжения. Несоблюдение этого условия приведет к снижению их срока службы. Конкретные требования по режиму заряда, эксплуатации и обслуживанию должны быть изложены в инструкции или гарантийном талоне, прилагаемом к батареям.

В настоящее время разные производители обозначают разное напряжение окончания заряда. Как правило, оно составляет от 15 до 16В (для батарей устаревших конструкций, с применением в качестве пассивирующего материала сурьмы — меньше). На самом деле, порог ограничения напряжения автоматического зарядного устройства 15 или 16 вольт (для батареи с прописанными, для полного заряда, 16ю вольтами, например Varta) влияет только на время заряда последних 2-4% емкости.

Для доведения уровня электролита до нормы недопустимо использовать электролит! В аккумуляторную батарею доливают только дистиллированную воду. Не используйте воду сомнительного происхождения. При частом выкипании проверьте электрооборудование автомобиля.

Необходимо знать, что при сильном снижении уровня электролита внутри корпуса аккумулятора может образоваться опасная концентрация газовой смеси. Чтобы исключить вероятность взрыва, нельзя подносить к батарее открытое пламя (даже сигарету) и допускать искрение электроконтактов. Системы газоотвода некоторых современных батарей более взрывобезопасны. В средней полосе России АКБ не требуют корректировки плотности электролита при смене сезонов.

Перед зимней эксплуатацией автомобиля сделайте обслуживание не только аккумуляторной батареи (см. выше), но и систем, влияющих на запуск двигателя. Обязательно залейте моторное масло, соответствующее сезону. Для облегчения запуска двигателя в сильные морозы занесите батарею на несколько часов в теплое помещение.

Перед длительной зимней стоянкой также обслужите батарею, но не храните ее в теплом помещении, а оставьте на автомобиле со снятыми клеммами. Чем ниже температура, тем меньше скорость ее саморазряда.

Недопустимо оставлять на морозе разряженную батарею. Электролит низкой плотности замерзнет, и кристаллы льда приведут ее в негодность. Плотность электролита разряженного аккумулятора может снизиться до 1,09 г/см3, что приведет к его замерзанию уже при температуре -7°С. Для сравнения – электролит плотностью 1.28 г/см3 замерзает при t=-65°С.

Опрокидывание аккумуляторной батареи и слив электролита могут привести к замыканию пластин и выходу ее из строя.

Для борьбы с паразитными токами утечки введите себе привычку вытирать корпус батареи насухо от всякой нечисти. Если совсем в лом, то хотя бы делайте чистый круг вокруг плюсовой клеммы, чтобы разорвать паразитные электрические связи. Ну, а если Вы любите свою машину, то разведите немного соды в воде и протрите всю поверхность корпуса батареи и вытрете ее насухо. Все тряпки, которые прикасались к аккумулятору выбросить немедленно! А заодно проверите крепление батареи, уровень электролита и его плотность. Времени это займёт минут 10-15, а сэкономить может часы и кучу нервов.

8. Особенности эксплуатации АКБ в зимний период

Перво-наперво замерим плотность электролита во всех банках без исключения. Норма 1.27-1.28 г/см3. У Вас далеко не так? Значит, снимаем батарею и ставим на зарядку. И это однозначно! Ни в коем случае не пытаемся повысить плотность электролита добавлением концентрированной кислоты, какая бы низкая не была его плотность. Желаемого же результата — повышения ёмкости батареи при этом не произойдет.

Далее. Обязательно провести ревизию всех силовых проводов, клемм и контактов. Клеммы зачистить мелкой шкуркой. Контакты на АКБ тоже зачистить и затянуть. Можно затем смазать литолом, чтобы к контактам не попадала влага. С другой стороны силовых проводов так же провести ревизию контактов.

8.1. Прикуривание от другого автомобиля

Для российских автовладельцев нормальная ситуация, когда сосед просит «прикурить» его аккумулятор. Для этой нехитрой процедуры помимо автомобиля с заряженным аккумулятором, необходимы ещё и правильные провода. Не забываем, что по этим проводам у нас потечёт около 200 ампер!

На что нужно обратить внимание при покупке:
1. Толщина жилы медного провода. Сняв изоляцию с крокодила (зажима) можно увидеть саму жилу. Чем толще, тем лучше. Не обращайте внимание на толщину кабеля. Главное проводник тока, а не толщина изоляции.
2. Надежность крепления жилы к крокодилу провода прикуривателя. Медная жила д.б. облужена, затем обжата и припаяна. Если эти условия соблюдены, то потерь в месте соединения будет меньше. Все стартовые провода Орион 100% паяются.
3. Изоляция. Лучший вариант — морозоустойчивая резина или силикон. Зимой такие провода остануться эластичными.
4. Длинна проводов. Провода по длинне нужно выбирать не длинее, чем нужно.
5. Крокодилы (зажимы). При покупке обращайте внимание на толщину стали из которой они сделаны и силу пружины, а не габаритные размеры.
Чтобы не навредить сложным электронным системам вашей собственной машины, эта, казалось бы, элементарная процедура требует соблюдения строгой последовательности действий.
1. Соедините красный кабель с клеммой (+) на заряженном аккумуляторе.
2. Соедините другой конец красного кабеля с клеммой (+) на «севшем» аккумуляторе.
3. Соедините черный кабель с клеммой (-) на заряженном аккумуляторе.
4. Соедините другой конец черного кабеля с чистой точкой заземления на блоке двигателя или на шасси, главное — подальше от аккумулятора, карбюратора, топливных шлангов и т.п. В момент подсоединения будьте готовы к небольшой искре.
5. Следите, чтобы оба кабеля не касались движущихся деталей.
6. Попробуйте запустить автомобиль с «севшим» аккумулятором. Если двигатель не заведется, подождите несколько минут и повторите попытку. Если же заведется, дайте ему поработать несколько минут в таком положении. Если не заведется повторите попытку через 2-3 минуты.
7. При отсоединении кабеля следуйте описанной выше процедуре в обратной последовательности.

8.2 Запуск машины при помощи предпускового зарядного устройства Вымпел. Подключаете устройство, выставляете максимальный ток 18А, оживляете акумулятор в течении 10-15 мин. Затем не отключая зарядного устройства пробуете завести. Если не получилось повторяете попытку заново.

9. Особенности эксплуатации АКБ в летний перио

д

Не удивляйтесь, если однажды вам будет трудно или вообще не завести машину в жаркую погоду. Теплое время года — такое же испытание, как и холод. Тепло ускоряет химические процессы. Неисправности и дефекты электрической системы автомобиля или аккумулятора незамедлительно скажутся на состоянии батареи. Но, скорее всего, узнаете вы об этом в самый неподходящий момент. Например, ночью во время дождя, когда придется включить освещение, вентиляцию и стеклоочистители. Поэтому не расслабляйтесь. Лето — самый подходящий период для покупки нового аккумулятора.

Летом автомобилист не сразу заметит, что в аккумуляторе плотность электролита и его уровень в банках недостаточные. Но чем выше температура окружающей среды, тем активнее электрохимические процессы. В результате электролиза кислород вступает во взаимодействие с пластинами, а ставший свободным водород испаряется. Таким образом, из электролита исчезает вода. Как только уровень раствора оказывается ниже уровня пластин, начинается сульфатация пластин (сульфат свинца растворяется в электролите, а затем оседает на поверхности пластин уже в виде крупных нерастворимых кристаллов и происходит изоляция пластин от электролита). Емкость батареи уменьшается. Электрохимические реакции останавливаются. Аккумулятор выходит из строя.

Имейте в виду, что во время длительного хранения аккумулятора происходит саморазряд (снижение ёмкости). Оставлять батарею в разряженном состоянии не рекомендуется: в этом случае вода испаряется, и открываются пластины. А дальше все, как описано выше.

Саморазряд увеличивается от высокой температуры, грязи и электролита (воды) на крышке батареи. Еще одна причина возникновения паразитных токов — неодинаковая плотность электролита в разных банках и на разных уровнях. Это может произойти после доливки большого количества воды. Чтобы избежать неприятностей, зарядите аккумулятор или проедьте на машине, чтобы плотность раствора сравнялась. Есть еще один совет: доливайте дистиллированную воду в аккумулятор при работающем двигателе. Это обеспечит ее перемешивание с кислотой.

Ускорение электролиза способствует уплотнению активной массы. Этой “болезнью” страдают отрицательные пластины, активная масса которых во время эксплуатации постепенно уплотняется, а ее пористость уменьшается. Доступ электролита внутрь отрицательных пластин затрудняется, что снижает ёмкость батареи. К тому же уплотнение активной массы может сопровождаться образованием трещин и отслаиванием.

Пластины коробятся при увеличении силы зарядного тока, при коротком замыкании, понижении уровня электролита, частом и продолжительном включении стартера, когда батарея нагружается разрядным током большой силы. Чаще короблению подвержены положительные пластины, при этом в их активной массе образуются трещины, и она (активная масса) начинает выпадать из решеток.

Причиной выпадения активной массы из решеток пластин может стать длительная перезарядка, плохое крепление пластин, вибрация и т.д. Осыпающийся активный слой в конце-концов замыкает пластины, сокращает мощность и срок службы. В современных аккумуляторах пластины помещаются в конверт-сепараторы; осадок выпадает, но короткого замыкания удается избежать.

Летом вентиляционные отверстия забиваются пылью. Чтобы батарея не лопнула и не взорвалась следите за чистотой аккумулятора. Пробки заливных отверстий должны быть плотно закрыты.

Как сохранить свой аккумулятор летом?

Во-первых, следите за уровнем электролита и регулярно доливайте дистиллированную воду. Во-вторых, не оставляйте батарею незаряженной. В-третьих, следите за чистотой корпуса. В-четвертых, следите за состоянием электрической системы автомобиля. Неисправный стартер и генератор совершенно незаметно “подготовят” батарею к зиме и с первыми морозами она откажет.

Если вы планируете заменить аккумулятор, лучше не ждать до осени. В сезон выбор значительно меньше, цены выше, а желающих больше. В любом случае потребуется помощь подготовленного продавца-консультанта. Летом он сможет больше уделить вам времени.

10. Вопросы безопасности

Помните, что опасность возгорания кислорода и водорода, выделяющихся во время зарядки (а также после ее завершения), вполне реальна.

Хотя большинство серьезных производителей оборудуют крышки аккумуляторов ограничителями пламени, призванными предотвратить его попадание внутрь аккумулятора, подобная вероятность по-прежнему сохраняется.

Помните также, что искра возникает не только при отсоединении клеммы. Статического электричества от синтетической одежды может оказаться достаточно, чтобы вызвать взрыв.

Взрыв аккумулятора можно сравнить по мощности с выстрелом из ружья калибра 12мм. Результат представляет собой жуткое зрелище, и происходит это чаще, чем вы можете себе представить. При том, что взрыв, вероятно, не будет смертельным, он может серьезно травмировать вас, особенно лицо, так как осколки пластика разлетаются во все стороны. Поэтому всегда следует быть в защитных очках.

Если вдруг позарез понадобилось отсоединить аккумулятор на машине с работающим мотором (лучше, конечно, не подвергать свой автомобиль таким испытаниям), прежде надо включить как можно больше потребителей электроэнергии: печку, фары, противотуманки, «дворники». Если этого не сделать, то может сгореть регулятор напряжения, а следом откажет электрооборудование и в том числе — системы управления двигателем. А для начала загляните в инструкции: позволяет ли она вообще производить такую операцию. Ведь на автомобилях некоторых марок, напичканных современной аппаратурой, любое отключение аккумулятора выводит из строя сложные электронные системы.

11. Хранение аккумуляторной батареи

1.снимите аккумулятор с машины (оставьте на машине со снятыми клеммами), очистите от грязи, полностью зарядите.

2.при отсутствии возможности подзарядки во время хранения АКБ можно рекомендовать следующий способ. Электролит в аккумуляторе необходимо заменить 5-процентным раствором борной кислоты. Перед заменой электролита АКБ полностью заряжают, а затем сливают электролит в течение 15 минут. Затем ее сразу же промывают дважды дистиллированной водой, выдерживая воду по 20 минут. После промывки наливают раствор борной кислоты, заворачивают пробки с открытыми вентиляционными отверстиями, вытирают батарею и ставят на хранение. Саморазряд аккумуляторов с раствором борной кислоты практически отсутствует.

Справка

Для приготовления 5-процентного раствора борной кислоты необходимо в 1 литре дистиллированной воды, нагретой до 50…60°С, растворить 50г борной кислоты. Раствор заливают в аккумуляторы при температуре 20…30°С.

Хранить батарею надо при температуре не ниже 0°С, поскольку заливаемый 5-процентный раствор борной кислоты может замерзнуть. А для ввода такой батареи в действие из нее выливают раствор борной кислоты в течение 15…20 минут и сразу же заливают сернокислый электролит плотностью 1.38…1.40 г/см3 для нашей зоны. После 40-минутной пропитки пластин электролитом АКБ можно устанавливать на автомобиль, если плотность электролита не уменьшилась ниже 1.24…1.25 г/см3. Если она стала ниже, следует откорректировать плотность отбором слабого раствора и добавлением электролита плотностью 1.40 г/см

12. Приложения

12.1. Реанимация аккумулятора

Реанимация аккумулятора. Старый фирменный аккумулятор может послужить еще, если его правильно восстановить! Итак, начнём. Имеем на руках убитый или почти убитый аккумулятор.

Нам понадобятся некоторые материалы и инструменты:

1) Свежий электролит (номинальной + желательно повышенной плотности)

2) Дистиллированная вода.

3) Измеритель плотности электролита (ареометр). Например ареометр производства НПП «Орион CПб»

4) Зарядное устройство, способное обеспечить малые (0.05-0.4А) токи зарядки.
5) Маленькая клизма (простите, надо!) и пипетка для наливных целей.
6) Нагрузочная вилка. НПП «Орион СПб» производит 4 модели: от простых и дешевых НВ-01, НВ-02, до профессиональных НВ-03, НВ-04.

Для начала определимся с возможными неисправностями:
1) Засульфатированность пластин — ёмкость аккумулятора падает почти до нуля.
2) Разрушение угольных пластин — при зарядке электролит становится черным.
3) Замыкание пластин — электролит в одной из секций аккумулятора выкипает, секция греется. (Тяжелый случай, но иногда небезнадежный)
4) Перемёрзший аккумулятор — распухшие бока, электролит при заряде сразу вскипает (многочисленные замыкания пластин) — тут уж ничем не помочь, аминь, упокой Господь его душу!

Начнем с конца списка. (п.3) При замыкании пластин ни в коем случае не пытайтесь его заряжать! Начинаем промывку дистиллированной водой. Не бойтесь переворачивать и трясти аккумулятор, хуже уже не будет. Промывайте его до тех пор, пока не перестанет вымываться угольная крошка (надеюсь, этот момент наступит, иначе прекратите этот мазохизм). При промывке часто замыкание пластин устраняется, и мы переходим от пункта (3) к пункту (2). После промывки и вытряхивания всякого мусора из недр аккумулятора приступаем к пункту (1), а именно к устранению отложений солей на пластинах аккумулятора. Следуйте инструкциям к присадке. Мой опыт может отличаться от того, что вы прочтёте в инструкции. Далее я делаю так:

1) Заливаем аккумулятор электролитом номинальной плотности (1.28 г/см3).

2) Добавляем присадку, исходя из объёма аккумулятора (см. инструкцию)

3) Даём электролиту выдавить воздух из секций, а присадке — раствориться в течении 48 часов (!), при необходимости доливаем электролит до номинального уровня. Кстати, присадку можно растворить в электролите до заливки в аккумулятор, если, конечно, она хорошо растворяется.

4) Подключаем зарядное устройство (не забудьте снять пробки!). НО МЫ НЕ БУДЕМ ЕГО ЗАРЯЖАТЬ! НЕ СЕЙЧАС! Сначала мы будем гонять его по циклу «зарядка-разрядка», иначе «тренировка», то есть заряжать и разряжать его, пока не восстановится нормальная ёмкость. Выставляем ток зарядки в районе 0.1- 0.2 А и следим за напряжением на клеммах. Не давайте электролиту кипеть или нагреться! Если необходимо, уменьшите зарядный ток, пузырьки газа и перегрев разрушают аккумулятор! Заряжайте, пока напряжение на клеммах аккумулятора не достигнет 2.3 — 2.4В на каждую секцию, т.е. для 12-вольтового аккумулятора — 13.8-14.4 В.

5) Уменьшаем зарядный ток вдвое и продолжаем зарядку. Зарядку аккумулятора прекращаем, если в течении 2 часов плотность электролита и напряжение на клеммах остаются неизменными.

6) Доводим плотность до номинальной доливкой электролита повышенной плотности (1.4) или дистиллированной воды.

7) Разряжаем аккумулятор через лампочку током примерно в 0.5А до падения напряжения на клеммах до 1.7В на элемент. Для 12-вольтового аккумулятора эта величина составит 10.2В, для 6-вольтового 5.1 соответственно. Из имеющихся величин тока разряда и времени разряда вычисляем ёмкость нашего аккумулятора. Если она ниже номинальной (4 ампер-часа), то:
 Повторяем цикл заряда с начала до тех пор, пока ёмкость аккумулятора не приблизится к номинальной.

9) Добавляем в электролит ещё немного присадки и закрываем отверстия аккумулятора. ВСЁ!!! Мы имеем на руках рабочий аккумулятор, который, иногда способен проработать дольше китайского!

Дальше обращаемся с аккумулятором, как положено.

12.2. Ещё несколько способов, основанных на использовании электрического тока.

Способ первый — простой. Электролит заменить дистиллированной водой и зарядить аккумулятор или батарею очень небольшим (примерно 0.01 ёмкости) током. При этом в банках степень сульфатации снижается и образуется электролит, который заменять не нужно. После двух часов зарядки ее прекращают на такое же время. А затем снова повторяют.

Доказано, что после одного-трех таких циклов степень сульфатации резко снижается.

Второй способ — наиболее трудоемкий, но в безвыходном положении его тоже можно применить. Он химический, включает следующие операции: заряд батареи в течение 2…3 часов, слив электролита из банок, двух-трехкратная их промывка дистиллированной водой, заправка 2.5-процентным (25 г на 1 л) раствором питьевой соды и выдержка в течение 2…3 часов, слив раствора, заправка 2…3-процентным раствором повареной соли, заряд батареи в течение 1ч, слив раствора, промывка 4-процентным раствором питьевой соды, полный (из расчета 150-процентной ёмкости) заряд батареи, третья промывка банок, заправка их электролитом, полный (150-процентной ёмкости) заряд батареи.

Нормативы потребления — Департамент городского хозяйства и экологии

1.2. Нормативы потребления коммунальных услуг

Жилищным кодексом РФ полномочиями по установлению нормативов потребления коммунальных услуг для граждан наделены субъекты Российской Федерации, в Самарской области регулирующим органом является Министерство энергетики и жилищно- коммунального хозяйства.

В настоящее время в городском округе Самара действуют следующие нормативы потребления коммунальных услуг:

1.2.1.Нормативы потребления тепловой энергии и горячего водоснабжения для граждан городского округа Самара

До 01.07.2019 года действовали нормативы потребления тепловой энергии и горячего водоснабжения  в размере, установленном приложением N4 к постановлению Главы городского округа Самара от 18.12.2007 N1153 «Об оплате гражданами жилых помещений, коммунальных услуг в городском округе Самара» (Нормативы по отоплению из расчета оплаты гражданами потребленной тепловой энергии равными долям в течение календарного года (12 месяцев).

Единица
измерения
Норма расхода
в месяц
Норматив потребления тепловой энергии на отопление жилых помещений Для всех видов жилых помещений, за исключением коммунальных квартир и отдельных комнат в общежитиях Гкал. на 1 кв. метробщей площади 0,018 <*>
Для коммунальных квартир и отдельных комнат в общежитиях Гкал. на 1 кв. метр жилой площади 0,025 <*>
Норматив потребления тепловой энергии на горячее водоснабжение Гкал. на 1 человека
Гкал. на 1 куб.метр воды
0,22 <*>0,0611<**>
Норматив потребления химически очищенной
воды для горячего водоснабжения
Куб.м. воды на 1 человека 3,6 <*>

<*> Применяется для расчета оплаты горячего водоснабжения и отопления в жилых помещениях, не оборудованных приборами учета.
<**> Применяется для расчета оплаты горячего водоснабжения в жилых помещениях, оборудованных приборами учета.

С 1 июля 2019 года вступили в силу новые нормативы потребления коммунальной услуги по отоплению, а также нормативы потребления коммунальной услуги по отоплению при использовании надворных построек, расположенных на земельном участке, установленные приказом министерства энергетики жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 20.06.2016 № 131.

НОРМАТИВЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНОЙ УСЛУГИ ПО ОТОПЛЕНИЮ

Категория многоквартирного (жилого) дома Норматив потребления (Гкал на 1 кв. метр общей площади жилого помещения в месяц)
многоквартирные и жилые дома со стенами из камня, кирпича многоквартирные и жилые дома со стенами из панелей, блоков многоквартирные и жилые дома со стенами из дерева, смешанных и других материалов
На 12 месяцев <*> На 7 месяцев На 12 месяцев <*> На 7 месяцев На 12 месяцев <*> На 7 месяцев
Этажность/Метод расчета многоквартирные и жилые дома до 1999 года постройки включительно
1 – 4 0,0180 0,0309 метод аналогов 0,0180 0,0309 метод аналогов 0,0180 0,0309 метод аналогов
5 – 9 0,0173 0,0297 метод аналогов 0,0175 0,0300 метод аналогов 0,0175 0,0300 метод аналогов
10 – 14 0,0150 0,0257 метод аналогов 0,0163 0,0279 метод аналогов 0,0163 0,0279 метод аналогов
15 и выше 0,0133 0,0228 метод аналогов 0,0148 0,0254 метод аналогов 0,0148 0,0254 метод аналогов
Этажность/Метод расчета многоквартирные и жилые дома после 1999 года постройки
1 – 4 0,0142 0,0243 метод аналогов 0,0155 0,0266 метод аналогов 0,0155 0,0266 метод аналогов
5 – 9 0,0140 0,0240 метод аналогов 0,0146 0,0250 метод аналогов 0,0146 0,0250 метод аналогов
10 – 14 0,0139 0,0238 метод аналогов 0,0137 0,0235 метод аналогов 0,0137 0,0235 метод аналогов
15 и выше 0,0137 0,0235 метод аналогов 0,0128 0,0219 метод аналогов 0,0128 0,0219 метод аналогов

 

<*> Информация о величине нормативов потребления коммунальной услуги по отоплению на 12 месяцев предоставляется справочно. Нормативы потребления коммунальной услуги по отоплению на 12 месяцев определены с применением коэффициента периодичности внесения потребителями платы за коммунальную услугу по отоплению, равного 7/12.

Примечание.
Министерству социально-демографической и семейной политики Самарской области для предоставления гражданам компенсации за коммунальную услугу по отоплению в целях социальной защиты населения, оплачивающего услуги по отоплению (по показаниям общедомового прибора учета в отопительный период), применять нормативы потребления коммунальной услуги по отоплению, установленные на 7 месяцев.

НОРМАТИВЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ
КОММУНАЛЬНОЙ УСЛУГИ ПО ОТОПЛЕНИЮ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАДВОРНЫХ
ПОСТРОЕК, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ЗЕМЕЛЬНОМ УЧАСТКЕ

Направление использования коммунального ресурса Единица измерения Норматив потребления
На 12 месяцев <*> На 7 месяцев
Отопление на кв. метр надворных построек, расположенных на земельном участке Гкал на кв. метр в месяц 0,0173 0,0297 расчетный метод

<*> Информация о величине нормативов потребления коммунальной услуги по отоплению на 12 месяцев предоставляется справочно. Нормативы потребления коммунальной услуги по отоплению на 12 месяцев определены с применением коэффициента периодичности внесения потребителями платы за коммунальную услугу по отоплению, равного 7/12.

 

С 1 июля 2019 года вступили в силу нормативы расхода тепловой энергии, используемой на подогрев холодной воды для предоставления коммунальной услуги по горячему водоснабжению в жилых помещениях, установленные приказом министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 16.05.2017 № 119.

НОРМАТИВЫ
РАСХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ НА ПОДОГРЕВ ХОЛОДНОЙ
ВОДЫ ДЛЯ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНОЙ УСЛУГИ ПО ГОРЯЧЕМУ
ВОДОСНАБЖЕНИЮ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ (ГКАЛ НА 1 КУБ. М) <1>, <2>

 

Конструктивные особенности многоквартирных домов или жилых домов Централизованная система теплоснабжения (горячего водоснабжения) Нецентрализованная система теплоснабжения (горячего водоснабжения) <3>
Открытая Закрытая
Неизолированные стояки и полотенцесушители 0,068 0,065 0,065
Изолированные стояки и полотенцесушители 0,063 0,060 х
Неизолированные стояки и отсутствие полотенцесушителей 0,063 0,060 0,060
Изолированные стояки и отсутствие полотенцесушителей 0,058 0,055 х

Примечание:
<1> Средняя температура холодной воды в сети водопровода принята в размере 9,05 °С.
<2> При расчете расхода тепловой энергии, используемой на подогрев холодной воды, для предоставления коммунальной услуги по горячему водоснабжению в жилых помещениях, использовался расчетный метод.
<3> В том числе в случае производства коммунальной услуги по горячему водоснабжению с использованием внутридомовых инженерных систем, включающих оборудование, входящее в состав общего имущества собственников помещений в многоквартирном доме.

1.2.2. Нормативы потребления холодного водоснабжения и водоотведения для граждан городского округа Самара, проживающего в жилых помещениях, не оборудованных приборами учета

До 01.07.2019 года действовали нормативы потребления холодного водоснабжения и водоотведения  в размере, установленном приложением N5 к постановлению Главы городского округа Самара от 18.12.2007 N1153 «Об оплате гражданами жилых помещений, коммунальных услуг в городском округе Самара»:

N
п/п
Степень благоустройства
жилищного фонда
Норма потребления  холодного водоснабжения
на чел/месяц
(м³)
Норма водоотведения на
чел/месяц
(куб. м)
1 Дома квартирного типа, не оборудованные внутренним водопроводом и канализацией, с
водопользованием из водоразборных колонок
0,9
2 Дома квартирного типа, оборудованные внутренним водопроводом (без канализации) 1,5
3 Дома квартирного типа,  оборудованные внутренним водопроводом и канализацией
(без санузла)
2,4 2,4
4 Дома квартирного типа, оборудованные водопроводом и канализацией (без ванн) 3,3 3,3
5 Дома квартирного типа, оборудованные водопроводом, канализацией, ваннами с
водонагревателями, работающими на твердом топливе
4,6 4,6
6 Дома квартирного типа, оборудованные водопроводом с быстродействующими
водонагревателями в квартирах с
многоточечным разбором горячей воды
11,3 11,3
7 Дома квартирного типа, оборудованные водопроводом, канализацией и центральным
горячим водоснабжением (в т.ч. местных котельных и бойлерах)
7,9 11,5

 

С 1 июля 2019 года вступили в силу новые нормативы потребления коммунальных услуг по холодному водоснабжению, горячему водоснабжению и водоотведению в жилых помещениях, утвержденные приказом министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 26.11.2015 № 447.

НОРМАТИВЫ
ПОТРЕБЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНЫХ УСЛУГ ПО ХОЛОДНОМУ ВОДОСНАБЖЕНИЮ,
ГОРЯЧЕМУ ВОДОСНАБЖЕНИЮ И ВОДООТВЕДЕНИЮ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Категория жилых помещений Единица измерения Норматив потребления коммунальной услуги холодного водоснабжения Норматив потребления коммунальной услуги горячего водоснабжения
метод определения величина метод определения величина
1. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, ваннами сидячими длиной 1200 мм с душем куб. метр в месяц на человека расчетный 4,22 расчетный 3,13
1(1). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, без ванн и без душа куб. метр в месяц на человека расчетный 2,64 расчетный 1,21
2. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, ваннами длиной 1500 – 1550 мм с душем куб. метр в месяц на человека аналоговый 5,60 расчетный 3,19
3. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, ваннами длиной 1650 – 1700 мм с душем куб. метр в месяц на человека аналоговый 5,92 расчетный 3,24
4. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, ваннами без душа куб. метр в месяц на человека расчетный 3,00 расчетный 1,65
5. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душем куб. метр в месяц на человека расчетный 3,77 расчетный 2,59
6. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душами и ваннами сидячими длиной 1200 мм с душем куб. метр в месяц на человека расчетный 7,36 x x
7. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душами и ваннами длиной 1500 – 1550 мм с душем куб. метр в месяц на человека расчетный 7,46 x x
8. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душами и ваннами длиной 1650 – 1700 мм с душем куб. метр в месяц на человека аналоговый 8,13 x x
9. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душами и ваннами без душа куб. метр в месяц на человека расчетный 7,16 x x
9(1). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, без централизованного водоотведения, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душами и ваннами куб. метр в месяц на человека расчетный 7,46 x x
10. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением, оборудованные унитазами, раковинами, мойками, душами куб. метр в месяц на человека расчетный 6,36 x x
10(1). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями на твердом топливе, водоотведением куб. метр в месяц на человека расчетный 5,60 x x
10(2). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением, оборудованные унитазами, мойками куб. метр в месяц на человека расчетный 1,72 x x
11. Многоквартирные и жилые дома без водонагревателей с водопроводом и канализацией, оборудованные раковинами, мойками и унитазами куб. метр в месяц на человека расчетный 3,86 x x
12. Многоквартирные и жилые дома без водонагревателей с централизованным холодным водоснабжением и водоотведением, оборудованные раковинами и мойками куб. метр в месяц на человека расчетный 3,15 x x
13. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения, оборудованные умывальниками, мойками, унитазами, ваннами, душами куб. метр в месяц на человека расчетный 5,02 x x
13(1). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения, оборудованные раковинами, мойками, унитазами, ваннами, душами куб. метр в месяц на человека расчетный 7,16 x x
13(2). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения, оборудованные раковинами куб. метр в месяц на человека расчетный 2,39 x x
14. Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения, оборудованные умывальниками, мойками, унитазами куб. метр в месяц на человека расчетный 1,72 x x
14(1). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения, оборудованные раковинами, мойками, унитазами куб. метр в месяц на человека расчетный 3,86 x x
14(2). Многоквартирные и жилые дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения, оборудованные раковинами, мойками куб. метр в месяц на человека расчетный 3,15 x x
15. Многоквартирные и жилые дома с водоразборной колонкой куб. метр в месяц на человека расчетный 1,01 x x
16. Дома, использующиеся в качестве общежитий, оборудованные мойками, раковинами, унитазами, с душевыми с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением куб. метр в месяц на человека расчетный 3,00 расчетный 1,88
16(1). Дома, использующиеся в качестве общежитий, оборудованные мойками, раковинами, унитазами, с душевыми с централизованным холодным водоснабжением, водоотведением, водонагревателями куб. метр в месяц на человека расчетный 4,88 x x

Примечания:
1. Норматив потребления коммунальной услуги по водоотведению равен сумме норматива по холодному водоснабжению и норматива по горячему водоснабжению.
2. Нормативы потребления коммунальных услуг по категориям 16 и 16(1) применяются также для многоквартирных домов, переведенных из категории общежитий, в которых сохранилась проектная степень благоустройства и оснащенность водоразборными устройствами.

1.2.3. Нормативы потребления коммунальных услуг по холодному водоснабжению при использовании земельного участка и надворных построек вводятся в действие с 01.01.2017 года.

Направление использования коммунального ресурса Единица измерения Норматив потребления
1. Полив земельного участка из водоразборного крана куб. метр в месяц на кв. метр 0,09
из водоразборных колонок (вручную) 0,05
2. Водоснабжение и приготовление пищи для сельскохозяйственных животных: куб. метр в месяц на голову животного
Коровы 1,8
Телята в возрасте до 6 месяцев 0,55
Молодняк в возрасте от 6 до 18 месяцев 1,06
Свиньи на откорме 0,6
Овцы 0,24
Лошади 1,78
Козы 0,17
Кролики 0,048
Норки 0,036
Куры (мясных и яичных пород) 0,012
Индейки 0,015
Утки 0,024
Гуси 0,02
Страусы 0,24
3. Водоснабжение открытых (крытых) летних бассейнов различных типов и конструкций, а также бань, саун, закрытых бассейнов, примыкающих к жилому дому и (или) отдельно стоящих на общем с жилым домом земельном участке из водоразборного крана куб. метр в месяц на человека 1,6
из водоразборных колонок (вручную) 0,2
4. Водоснабжение иных надворных построек, в том числе гаража, теплиц (зимних садов), других объектов, за исключением построек, указанных в п. 5 и п. 6 куб. метр в месяц на человека 0,34
5. Полив теплиц, парников (зимних садов) круглогодичного использования суммарной площадью более 10 кв. метров из водоразборного крана куб. метр в месяц на кв. метр 0,09
из водоразборных колонок (вручную) 0,05
6. Полив теплиц, парников при использовании в теплый период года суммарной площадью более 10 кв. метров из водоразборного крана куб. метр в месяц на кв. метр 0,27
из водоразборных колонок (вручную) 0,15

Примечание:

В расчете нормативов принят период использования холодной воды для водоснабжения:

– полив земельного участка – с 1 мая по 31 августа;
– бани (сауны) – круглый год;
– открытых (крытых) летних бассейнов различных типов и конструкций – с 1 июня по 31 августа;
– закрытого бассейна, расположенного в жилом доме (части жилого дома), и примыкающих к нему и (или) отдельно стоящих на общем с жилым домом (частью жилого дома) земельном участке надворных построек – круглый год;
– полив теплиц, парников (зимних садов) круглогодичного использования площадью более 10 кв. метров – круглый год;
– полив теплиц, парников, используемых в теплый период года, площадью более 10 кв. метров – с 1 мая по 31 августа.

1.2.4. Нормативы потребления холодной (горячей) воды, отведения сточных вод в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме 

В соответствии с Жилищным кодексом РФ, постановлением Правительства РФ от 06.05.2011 №354 «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям жилых помещений в многоквартирных домах и жилых домов», постановлением Правительства РФ от 23.05.2003 №306 «Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг и нормативов потребления коммунальных ресурсов в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме», постановлением Правительства РФ от 26.12.2016 №1498 “О вопросах предоставления коммунальных услуг и содержания общего имущества в многоквартирном доме” Приказом министерства энергетики и ЖКХ Самарской области от 16.05.2017 №121 утверждены нормативы потребления холодной (горячей) воды, отведения сточных вод в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме.

Норматив отведения сточных вод в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме равен сумме норматива потребления холодной воды и норматива потребления горячей воды.

Нормативы потребления холодной (горячей) воды в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме

Категория жилых помещений Этажность Норматив потребления холодной воды в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме Норматив потребления горячей воды в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме Норматив потребления тепловой энергии, используемой на подогрев воды в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме
Открытая система теплоснабжения Закрытая система теплоснабжения
Тип А Тип Б Тип А Тип Б
Куб. метр в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общедомового имущества Гкал в месяц на подогрев 1 куб. метра воды на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общедомового имущества
1. Многоквартирные дома с централизованным холодным и горячим водоснабжением, водоотведением от 1 до 5 0,027 0,027 0,0016 0,0017 0,0015 0,0016
от 6 до 9 0,020 0,020 0,0012 0,0013 0,0011 0,0012
от 10 до 16 0,019 0,019 0,0011 0,0012 0,0010 0,0011
более 16 0,013 0,013 0,0008 0,0008 0,0007 0,0008
2. Многоквартирные дома с централизованным холодным водоснабжением, водоотведением и с нецентрализованным горячим водоснабжением от 1 до 5 0,027 0,027 x x 0,0015 0,0016
от 6 до 9 0,020 0,020 x x 0,0011 0,0012
от 10 до 16 0,019 0,019 x x 0,0010 0,0011
более 16 0,013 0,013 x x 0,0007 0,0008
3. Многоквартирные дома с централизованным холодным водоснабжением, водонагревателями, водоотведением от 1 до 5 0,028 x x x x x
от 6 до 9 0,021 x x x x x
от 10 до 16 0,020 x x x x x
более 16 0,014 x x x x x
4. Многоквартирные дома без водонагревателей с централизованным холодным водоснабжением и водоотведением, оборудованные раковинами, мойками и унитазами от 1 до 5 0,028 x x x x x
от 6 до 9 0,021 x x x x x
от 10 до 16 0,018 x x x x x
более 16 0,018 x x x x x
5. Многоквартирные дома с централизованным холодным водоснабжением, без централизованного водоотведения 0,023 x x x x x
6. Дома, использующиеся в качестве общежитий 0,018 0,018 0,0010 0,0011 0,0010 0,0011

Примечание:

1. Тип А – система горячего водоснабжения с изолированными стояками;   тип  Б  –  система  горячего  водоснабжения  с неизолированными стояками.

2. Нормативы  потребления  холодной  (горячей)  воды  по категории    2   применяются    в   случаях   производства коммунальной     услуги    по    горячему  водоснабжению с     использованием внутридомовых инженерных систем, включающих оборудование,   входящее   в   состав   общего   имущества собственников    помещений    в    многоквартирном    доме                 (при наличии такого оборудования).

3. Нормативы   потребления  холодной  (горячей)  воды  по  категории 6 применяются также для  многоквартирных  домов, переведенных из категории общежитий, в которых сохранилась проектная    степень    благоустройства   и   оснащенность    водоразборными устройствами.

1.2.4. Нормы потребления газа населением при отсутствии приборов учета газа

Нормативы потребления сетевого газа населением г.о. Самара установлены с 01.09.2012 Приказом Министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 16.08.2012 N195 «Об утверждении норм и нормативов потребления природного газа населением при отсутствии приборов учета газа»

Nп/п Направление использования газа Среднегодовые нормы
и нормативы
потребления газа
1 Приготовление пищи с использованием газовой плиты, м3/чел. в месяц 13,0
2 Приготовление пищи и нагрев воды с использованием газовой плитыпри отсутствии центрального горячего водоснабжения игазового водонагревателя, м3/чел. в месяц 18,0
3 Приготовление пищи с использованием газовой плиты и нагревводы с использованием газового водонагревателя, м3/чел. в месяц 30,0
4 Нагрев воды с использованием газового водонагревателя, м3/чел. в месяц 17,0
5 Отопление жилых помещений,
м32 отапливаемой площади в месяц
9,5
6 Отопление бань, м33 отапливаемого объема в месяц 6,2
7 Отопление гаражей, м33 отапливаемого объема в месяц 7,5
8 Отопление теплиц, м33 отапливаемого объема в месяц 35,4
9 Содержание животных и домашней птицы:
9.1 Лошадь, м3/голову в месяц 4,2
9.2 Корова, м3/голову в месяц 10,5
9.3 Свинья, м3/голову в месяц 21,1
9.4 Овца, коза, м3/голову в месяц 1,0
9.5 Куры, м3/10 голов (1 голову) в месяц 0,2 (0,02)
9.6 Индейки, м3/10 голов (1 голову) в месяц 0,3 (0,03)
9.7 Утки и гуси, м3/10 голов (1 голову) в месяц 0,4 (0,04)

 

1.2.5. Нормативы потребления коммунальной услуги по электроснабжению

В соответствии с Жилищным кодексом Российской Федерации, постановлением Правительства Российской Федерации от 06.05.2011 N 354 “О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов”, постановлением Правительства Российской Федерации от 23.05.2006 N 306 “Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг” Приказом министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 30.06.2016 № 139 установлены:
– нормативы потребления коммунальной услуги по электроснабжению в жилых помещениях многоквартирных домов и жилых домах, в том числе общежитиях квартирного типа, населением Самарской области;
– нормативы потребления коммунальной услуги по электроснабжению населением Самарской области в жилых помещениях в многоквартирных домах, включающих общежития квартирного типа, общежития коридорного, гостиничного и секционного типов;
– нормативы потребления коммунальных ресурсов по электроснабжению в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме;
– нормативы потребления коммунальной услуги по электроснабжению при использовании надворных построек, расположенных на земельном участке на территории Самарской области.

Указанный приказ вступил в силу с 01.10.2016.

НОРМАТИВЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНОЙ УСЛУГИ ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ МНОГОКВАРТИРНЫХ ДОМОВ И ЖИЛЫХ ДОМАХ, В ТОМ ЧИСЛЕ ОБЩЕЖИТИЯХ КВАРТИРНОГО ТИПА НАСЕЛЕНИЕМ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

N п/п Категория жилых помещений Единица измерения Количество комнат в жилом помещении Норматив потребления
количество человек, проживающих в помещении
1 2 3 4 5 и более
1 Многоквартирные дома, жилые дома, общежития квартирного типа, не оборудованные в установленном порядке стационарными электроплитами для приготовления пищи, электроотопительными, электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на человека 1 103 64 49 40 35
2 132 82 63 52 45
3 150 93 72 58 51
4 и более 162 100 78 63 55
2 Многоквартирные дома, жилые дома, общежития квартирного типа, оборудованные в установленном порядке стационарными электроплитами для приготовления пищи и не оборудованные электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на человека 1 124 77 60 48 42
2 147 91 70 57 50
3 160 99 77 63 55
4 и более 170 106 82 66 58
3 Многоквартирные дома, жилые дома, общежития квартирного типа, не оборудованные стационарными электроплитами, но оборудованные в установленном порядке электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения, в отопительный период кВт·ч в месяц на человека 1 250 155 120 97 85
2 322 200 155 126 110
3 365 226 175 142 124
4 и более 395 245 190 154 134
4 Многоквартирные дома, жилые дома, общежития квартирного типа, не оборудованные стационарными электроплитами, но оборудованные в установленном порядке электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения, вне отопительного периода кВт·ч в месяц на человека 1 220 136 106 86 75
2 284 176 136 111 97
3 321 199 154 125 109
4 и более 348 216 167 136 118
5 Многоквартирные дома, жилые дома, общежития квартирного типа, оборудованные в установленном порядке стационарными электроплитами, электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на человека 1 287 178 138 112 97
2 338 210 162 132 115
3 370 229 177 144 126
4 и более 393 243 189 153 134

НОРМАТИВЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНОЙ УСЛУГИ ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ В МНОГОКВАРТИРНЫХ ДОМАХ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ОБЩЕЖИТИЯ КВАРТИРНОГО ТИПА, ОБЩЕЖИТИЯ КОРИДОРНОГО, ГОСТИНИЧНОГО И СЕКЦИОННОГО ТИПОВ

N п/п Категория жилых помещений Единицы измерения Количество человек, проживающих в помещениях Норматив потребления
1 Общежития, не оборудованные в установленном порядке стационарными электроплитами для приготовления пищи и электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на человека 1 67
2 42
3 32
4 26
5 и более 23
2 Общежития, оборудованные в установленном порядке стационарными электроплитами для приготовления пищи и не оборудованные электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на человека 1 117
2 73
3 56
4 46
5 и более 40
3 Общежития, не оборудованные стационарными электрическими плитами, но оборудованные в установленном порядке электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения, в отопительный период кВт·ч в месяц на человека 1 232
2 144
3 111
4 90
5 и более 79
4 Общежития, не оборудованные стационарными электрическими плитами, но оборудованные в установленном порядке электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения, вне отопительного периода кВт·ч в месяц на человека 1 202
2 125
3 97
4 79
5 и более 69

НОРМАТИВЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ В ЦЕЛЯХ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩЕГО ИМУЩЕСТВА В МНОГОКВАРТИРНОМ ДОМЕ

N п/п Категория многоквартирных домов Единица измерения Норматив потребления
1. Многоквартирные дома, не оборудованные лифтами и электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 1,88
2. Многоквартирные дома, не оборудованные лифтами и оборудованные электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 2,81
3. Многоквартирные дома, оборудованные лифтами (один лифт в подъезде) и не оборудованные электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 3,29
4. Многоквартирные дома, не оборудованные лифтами и оборудованные электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения, в отопительный период кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме
5. Многоквартирные дома, не оборудованные лифтами и оборудованные электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения, вне отопительного периода кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме
6. Многоквартирные дома, оборудованные двумя лифтами и более в одном подъезде и не оборудованные электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 7,42
7. Многоквартирные дома, оборудованные лифтами (один лифт в подъезде) и оборудованные электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 4,30
8. Многоквартирные дома, оборудованные двумя лифтами и более в одном подъезде и оборудованные электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 7,98
9. Многоквартирные дома, не оборудованные лифтами, оборудованные в установленном порядке электроотопительными установками для целей отопления мест общего пользования (конвекторами), энергозависимыми газовыми котлами для целей горячего водоснабжения и отопления в жилых и нежилых помещениях кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 3,30
10. Общежития, не оборудованные лифтами и электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 2,52
11. Общежития, оборудованные лифтами и не оборудованные электроотопительными и электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 3,24
12. Общежития, оборудованные лифтами и оборудованные электроотопительными и (или) электронагревательными установками для целей горячего водоснабжения кВт·ч в месяц на кв. метр общей площади помещений, входящих в состав общего имущества в многоквартирном доме 5,00

——————————–

 

НОРМАТИВЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ КОММУНАЛЬНОЙ УСЛУГИ ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАДВОРНЫХ ПОСТРОЕК, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ЗЕМЕЛЬНОМ УЧАСТКЕ НА ТЕРРИТОРИИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

N п/п Направление использования коммунального ресурса Единица измерения Норматив потребления
Коровы, лошади Свиньи Овцы, козы Птица, кролики, норки
1 Освещение в целях содержания сельскохозяйственных животных кВт·ч в месяц на кв. м 0,83 0,83 0,17 0,33
2 Приготовление пищи и подогрев воды для сельскохозяйственных животных кВт·ч в месяц на голову животного 5,58 5,75

1.2.6 Норматив накопления твердых коммунальных отходов (ТКО)

Приказом Министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Самарской области от 29.12.2018 года №1023  «Об утверждении и применении нормативов накопления твердых коммунальных отходов на территории городских округов Самарской области на 1 кв.м. общей площади жилого помещения» для городского округа Самара утвержден   норматив накопления твердых коммунальных отходов на территории городского округа Самара на 1 кв.м. общей площади жилого помещения  многоквартирных и индивидуальных домов в  размере 0,091 куб.м./ кв.м.

О сложности нагрева плоских электродов в МРТ

Резюме

Неврологические расстройства все чаще анализируются и лечатся с помощью имплантируемых электродов, и пациентов с такими электродами исследуют с помощью МРТ, несмотря на риск радиочастотного (RF) нагрева во время МРТ экзамен. Недавние клинические исследования показывают, что полезны электроды с меньшим диаметром электрического контакта между имплантатом и тканью; однако влияние этого диаметра контакта электрода на нагрев, индуцированный радиочастотами, не исследовалось.В этой работе диаметр контакта электродов между 0,3 и 4 мм имплантируемых электродов, подходящих для стимуляции и электрокортикографии, оценивался в системе МРТ 1,5 Тл. На месте было выполнено измерений температуры, адаптированных из стандартного метода испытаний ASTM, которые дополнены моделированием удельной скорости поглощения (SAR) для оценки локальных значений SAR, повышения температуры и распределения рассеиваемой мощности. Измерения показали изменения температуры от 0,8 K до 53 K для разных диаметров контактов электрода, что значительно превышает допустимый предел в 1 K.Следует ожидать систематических ошибок в измерениях температуры, так как датчики температуры могут нарушить схему нагрева вблизи небольших электродов. Моделирование показывает, что по сравнению с большими электродами меньшие электроды имеют меньшую рассеиваемую мощность, но более локализованную плотность мощности. Таким образом, электроды меньшего размера могут быть классифицированы как безопасные в текущих процедурах сертификации, но могут с большей вероятностью обжечь соседние ткани. Для оценки этих явлений локального нагрева необходимы датчики температуры меньшего размера или новые неинвазивные методы измерения температуры.

Ключевые слова: Магнитно-резонансная томография, радиочастотный нагрев, имплантаты, планарные электроды, ЭКоГ, безопасность магнитно-резонансной томографии

1. Введение

1.1. Мотивация

Имплантируемые электроды все чаще используются для восстановления нормальной функции, в частности, у пациентов с нейродегенеративными заболеваниями. У этих пациентов имплантируемые электроды могут повысить качество жизни, одновременно предоставляя диагностическую информацию об активности нейронов. Имплантируемые электроды обычно представляют собой полимерные подложки с линейными или плоскими массивами металлических электродных контактов, приложенных к целевой ткани.Обычными применениями таких здесь называемых «электродов» являются электрическая стимуляция мозга у пациентов с болезнью Паркинсона, запись электрокортикограммы (ЭКоГ) для предоперационной оценки эпилепсии (Hermes et al., 2010), картирование функций мозга (Dykstra et al. al., 2012), а также внедрение нейропротезирования (Ordonez et al., 2012). Для этих применений полезно точно локализовать контакты электродов относительно анатомии мозга сразу после имплантации.

Начало и прогрессирование нейродегенерации часто отслеживают с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), поскольку МРТ обеспечивает отличный контраст мягких тканей и позволяет обнаруживать очаговые поражения в тканях мозга без ионизирующего излучения.Более того, локализация электродов лучше выполняется с помощью МРТ, чем с помощью компьютерной томографии (Yang et al., 2012). В частности, МРТ может визуализировать серое и белое вещество с высоким контрастом, он более чувствителен при обнаружении послеоперационных осложнений, а МРТ-изображения могут быть легко зарегистрированы совместно с предимплантационной МРТ. Кроме того, МРТ предоставляет методы нейрофункционального обследования для выявления очагов эпилепсии, которые могут быть важны для фундаментальных исследований терапии эпилепсии (Carmichael et al., 2007; Hawsawi et al., 2017; Мин и др., 2012). Хотя выполнение МРТ-исследований для послеоперационного наблюдения за пациентами с имплантированными электродами было бы весьма желательно, присутствие электродов во время МРТ подвергает пациента значительной опасности. Поля радиочастотного (RF) возбуждения, используемые в МРТ, могут вызвать значительное повышение температуры в ткани, окружающей электроды AIMD (Kainz et al., 2002; Nitz et al., 2001; Shellock, 2000). Этот эффект нагрева особенно выражен в устройствах, которые содержат удлиненные металлические конструкции, такие как кабели, которые соединяются с тканями мозга (Erhardt et al., 2018; Yeung et al., 2002). Было предложено множество различных методов для уменьшения нагрева, вызванного радиочастотным излучением (Bottomley et al., 2010; Eryaman et al., 2015, 2011; Etezadi-Amoli et al., 2015; Krafft et al., 2006; Ladd and Quick, 2000). ; Yeung et al., 2002). Несмотря на меры предосторожности, у пациентов с AIMD, проходящих МРТ, были зарегистрированы случаи серьезных побочных эффектов (Henderson et al., 2005; Spiegel et al., 2003).

1.2. Имплантируемые плоские электроды и тенденция к уменьшению диаметра контакта между электродами

Имплантируемые или субдуральные плоские электроды изготавливаются из плоских полимерных листов, в которых входящие в состав электродные контакты находятся в одной плоскости.Напротив, глубинные электроды (используемые для нацеливания на глубокие структуры) имеют цилиндрическую геометрию, что также приводит к цилиндрическим электродным контактам. Плоские электроды далее подразделяются на электродные «полоски» (или лопастные электроды), если они удлинены, или «сетки», когда они состоят из нескольких линий электродных контактов. Полоски, используемые в этом исследовании, используются для внутричерепного видео-ЭЭГ-мониторинга при предоперационном обследовании пациентов с рефрактерной фокальной эпилепсией. Другими приложениями являются стимуляция коры головного мозга (Saitoh and Koichi, 2009), картирование мозга (Pirotte et al., 2009), запись ЭКоГ или микроЭКоГ (Gupta et al., 2014; Hamilton et al., 2017; Jiang et al., 2017) и стимуляция спинного мозга (Kemler et al., 2000). Размер границы раздела электрод-ткань, называемый здесь «электродным контактом», является ключевым параметром для электростимуляции и регистрации биоэлектрических сигналов (Cogan, 2008). Контакты электродов в большинстве клинических применений имеют большой диаметр порядка миллиметров, что обеспечивает низкий импеданс и, следовательно, низкий уровень шума во время записи. Большая площадь поверхности также полезна для электростимуляции, поскольку она обеспечивает более высокую способность инжекции заряда.Однако большие контакты электродов имеют побочные эффекты, такие как повышенная реакция на инородное тело и плохая пространственная селективность записи. Недавние исследования показали, что небольшие электродные контакты (μECoG: диаметр контакта ~ 1 мм и ниже) предоставляют очень похожую информацию о состоянии мозга в отношении полосы частот и мощности регистрируемого сигнала (Jiang et al., 2018), что и электродные контакты стандартного размера (ECoG : Диаметр контакта электрода 2,7 мм). Обеспечивая аналогичное качество записи, контакты меньшего размера позволяют реализовать сеточные электроды с гораздо более высокой плотностью контактов, что может значительно улучшить пространственную избирательность записи (Chang, 2015; Muller et al., 2016). Контакты электродов даже меньшего размера с диаметром порядка нескольких 100 мкм обладают более высоким пространственным разрешением, что позволяет обнаруживать высокочастотные колебания в небольших ансамблях нервных клеток (Zijlmans et al., 2017). В исследовательских установках сообщалось о диаметрах контактов электродов всего 20 мкм (Stieglitz et al., 2009), а небольшие электроды были изготовлены с поверхностным покрытием, соответствующим способности инжекции заряда больших электродных контактов (Boehler et al., 2015). До сих пор влияние диаметра контакта электрода на радиочастотный нагрев во время МРТ не исследовалось.

1.3. РЧ-индуцированный нагрев около имплантатов в MRI

Удельная скорость поглощения (SAR, Вт / кг) является мерой поглощенной электромагнитной мощности на массу данной ткани. Теоретические выражения для SAR могут быть получены из сложной теоремы Пойнтинга, которая происходит из уравнений Максвелла (Jackson, 2012). Предполагая однородную среду и интегрируя по объему ткани, рассеиваемая мощность на массу определяется уравнением 1:

Здесь σ — электропроводность (в См / м), ρ — массовая плотность (в кг / м 3 ) и E — рассеянное электрическое поле (в В / м).Эта мощность рассеивается в виде тепловой энергии и, следовательно, увеличивает температуру в объеме. SAR может резко возрасти, когда частота радиочастотного поля приближается к резонансной частоте имплантированного устройства, например, электрода, или совпадает с ней. Резонанс может возникать, когда длина проводника совпадает с целым числом, кратным половине длины РЧ волны. В МРТ резонансная частота протонов пропорциональна напряженности поля МРТ B 0 . При B 0 = 1.5 Тл, это соответствует 64 МГц, а резонансная длина проводника составляет λ /2 = 2,43 м , когда он окружен свободным пространством, и λ /2 = 0,27 м , когда он встроен в более позднюю гидроксиэтилцеллюлозу (HEC ) гель с относительной диэлектрической проницаемостью r = 81, что сопоставимо с серым веществом с ϵ r = 74,5 (Gabriel et al., 1996).

1,4. Оценка радиочастотного нагрева в имплантатах

Хотя происхождение радиочастотного нагрева хорошо известно, его оценка in vivo все еще проблематична (Erhardt et al., 2018; Nitz et al., 2001), потому что многие параметры влияют на SAR, особенно локальное SAR в месте расположения имплантата. Помимо индивидуальной анатомии пациента, большое значение имеют дополнительные параметры, такие как B 0 , передающие РЧ-катушки и последовательность МР-изображений, а также материал, геометрия и, особенно, конфигурация имплантата ( Mattei et al., 2008). Например, гибкие кабели имплантированных устройств могут иметь множество различных геометрических конфигураций (Nordbeck et al., 2009), что затрудняет прогнозирование значений SAR для всех применимых условий. Поэтому часто изучаются наихудшие ситуации, когда создается максимальный радиочастотный нагрев отдельного имплантата, чтобы определить условия для безопасного использования устройства в МРТ. Если в этом наихудшем сценарии устройство не нагревается более чем на 1 К в течение 15 минут радиочастотного воздействия, оно считается безопасным в этой и менее сложных ситуациях. Эта методология была обобщена в международном стандарте ASTM F2182 (ASTM International и West Conshohocken, 2011) и использовалась для электродов ЭКоГ в МРТ (Carmichael et al., 2008). В последнее время эти трудоемкие экспериментальные оценки были широко дополнены предварительным моделированием для расчета распределения электромагнитных полей и горячих точек SAR, а затем оценки наихудшего случая, который в конечном итоге подтверждается измерениями (Neufeld et al., 2009; Yeramian и др., 2013). Эти численные методы были приняты как «четырехуровневый подход» в технической спецификации TS-10974, которая должна стать международным стандартом (ISO, 2012).

1.5. Перенос тепла

Падающая РЧ-мощность частично поглощается средой, окружающей электроды, что вызывает нагрев ткани.Повышение локальной температуры T ( x , y , z ) приводит к температурному градиенту ∇ T , который вызывает диффузию тепла, как описано уравнением теплопроводности:

ρ⋅cv⋅∂T∂t = ∇⋅ (k⋅∇T) + QSAR

(2)

с плотностью ρ , теплоемкостью c v , теплопроводностью k . Тепло Q SAR , приложенное к системе в каждом вокселе, связано с падающим РЧ-возбуждением через (Collins2004)

1.6. Объем работы

В данной работе исследуется высокочастотный нагрев плоских электродов во время высокочастотного воздействия на клиническом аппарате МРТ. В частности, оценивается зависимость диаметра контакта плоского электрода от нагрева. Поэтому локальные температуры измеряются во время МРТ с помощью волоконно-оптических датчиков температуры (FOTP) в непосредственной близости от контактов электродов. Кроме того, моделирование электромагнитного поля используется для оценки локального распределения SAR и рассеиваемой мощности вокруг различных диаметров контакта электродов, что позволяет проводить относительное сравнение диаметров контактов электродов между измерениями и между результатами моделирования.Дополнительное моделирование FOTP в симуляциях может определить влияние FOTP на измерения температуры в непосредственной близости от небольших контактов электродов.

2. Методы

2.1. Образцы и экспериментальная установка

Четыре полоски были изготовлены () с использованием установленной технологии производства имплантатов из силиконового каучука (основная концепция описана в (Schuettler et al., 2005)). Ключевыми особенностями этой технологии являются структурированная пикосекундным лазером фольга Pt / Ir 90/10 толщиной 25 мкм (Goodfellow GmbH, Гамбург, Германия), заключенная в силиконовый каучук медицинского класса MED1000 (NuSil, NuSil Technology LLC, Carpinteria, США) со слоем 60 мкм. толщина на активной стороне электрода.Каждая из четырех полосок содержала четыре контакта электрода с одинаковым размером контакта (т.е. открытая площадь контакта электрода из-за отверстия в окружающем силиконе): 4,0 мм; 2,7 мм; 1 мм; 0,3 мм соответственно. Одиночные контакты электрода будут рассматриваться в дальнейшем как комбинация буквы их положения и диаметра контакта, например: A40, B27, C10, D03.

Схема ленты и экспериментальная установка.

(слева) Вид сверху примерной плоской электродной «полосы» с четырьмя контактами электродов по 2.7 мм в диаметре (обратите внимание, что контакт электрода меньше, чем размер всей металлической детали) и кабель. Положение центра контакта электродов на полосах обозначено буквами A — D. Четыре полосы устанавливаются индивидуально на идентичных держателях из ПММА, вырезанных лазером. Эти держатели полос вставляются в блоки LEGO, что позволяет воспроизводимо размещать их в фантоме ASTM. Поперечное сечение (РАЗРЕЗ X-X) вдоль контактов электрода и оси кабеля иллюстрирует всю экспериментальную установку (не в масштабе).FOTP фиксируются вторым держателем PMMA, который выравнивает FOTP по вертикальной оси с центром контакта электрода. Расстояние h между наконечником FOTP и контактами электрода (увеличение справа ) варьировалось путем замены всех частей LEGO в одной плоскости на укороченные. Фотография этой установки представлена ​​в приложении.

Каждый контакт электрода электрически контактирует с извилистой соединительной линией (MIL), что делает его растяжимым, чтобы избежать выхода устройства из строя из-за напряжения во время и после имплантации.Шаг контакта электрода составляет 15 мм, но длина MIL составляет примерно 17 мм на шаг. Лампы MIL соединяются с проволокой из PtIr (90/10) длиной 34 см (диаметром 75 мкм) с помощью контактной сварки, что обеспечивает контролируемое изменение общей длины проводов примерно на 40,8; 39,0; 37,2; 35,4 см, соответствующие положениям контакта электродов A-D соответственно. Проволоки по отдельности покрыты слоем полиэфиримида 7 мкм, и все четыре проволоки для полосы были заключены в трубки из силиконовой резины с внешним диаметром 1,8 мм.Концы кабеля были покрыты силиконовым каучуком MED1000 для полной изоляции. Полоски помещали на держатель образца из полиметилакрилата (ПММА), где лазерные метки вырезали лазером CO 2 Versa (Universal Laser Systems GmbH, Вена, Австрия) для обеспечения воспроизводимого размещения контактов электродов. Кроме того, канавка в держателе образца обеспечивала одинаковое размещение кабеля имплантата на всех полосах ().

Держатель образца целиком был помещен в фантом для МРТ (), адаптированный из стандарта ASTM 2182 — 11a (ASTM International and West Conshohocken, 2011).Следуя инструкциям стандарта, был приготовлен загущенный солевой раствор, отвечающий критериям испытаний на высокочастотный нагрев в отношении проводимости, диэлектрической проницаемости, тепловых параметров и вязкости. Рецептура состояла из 29 л дистиллированной воды, 31 г / л гидроксиэтилцеллюлозы (CAS-№: 9004–62-0, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США), 1,55 г / л NaCl (CAS-№: 7647–14-5, Carl Roth GmbH + Co. KG, Карлсруэ, Германия). Проверка критериев геля HEC показала проводимость 0,49 См / м с помощью кондуктометра (DiST, Hanna Instruments, Германия) и относительную диэлектрическую проницаемость 74, измеренную с помощью набора для измерения коаксиального диэлектрика и анализатора цепей, как описано в (Özen , 2013).Поскольку эти значения очень близко совпадали со значениями, указанными в стандарте ASTM, предполагалось, что вязкость также достаточно высока, чтобы предотвратить конвекцию. Воспроизводимое размещение образца стало возможным благодаря пластине LEGO (LEGO, Биллунд, Дания), приклеенной к нижней части фантома ASTM, и последовательному размещению держателя образца с очень высокой точностью.

2.2. Измерение радиочастотного нагрева

Контроль температуры выполнялся с помощью оптоволоконного термометра (FOTEMP6–19, Optocon AG, Дрезден, Германия), который измеряет зависящую от температуры запрещенную зону кристалла GaAs на конце волокна (Ø 1 мм).Он предлагает разрешение 0,1 К при частоте дискретизации 1 Гц. FOTP были размещены перпендикулярно контактам электродов через второй держатель PMMA (). Расстояние от наконечника зонда до контакта электрода можно было изменять от 0 до 3 мм, заменяя стандартные блоки LEGO на блоки, укороченные с помощью фрезерного станка.

Четыре FOTP использовались для одновременной регистрации температуры, по одному для каждого контакта электрода в полосе. Фантом помещали вдоль края стола пациента системы МРТ 1,5 Тл (MAGNETOM Tim Symphony, Siemens Healthcare GmbH, Эрланген, Германия).FOTP были откалиброваны в МРТ, чтобы избежать систематического температурного сдвига, вызванного статическим магнитным полем (Buchenberg et al., 2015). Положение контакта электрода А было расположено в центре отверстия с боковым смещением 11,3 см. Предполагается, что вес пациента составляет 75 кг, а выделение энергии регулируется с помощью последовательности обслуживания в 300 с с sinc-образными РЧ-импульсами (угол поворота 88 °, длительность импульса 1 мс) и время повторения 50 мс, так что Программное обеспечение сканера показало, что значение SAR для всего тела составляет 1 Вт / кг.Во время экспериментов по нагреву не было активных градиентов.

РЧ-индуцированный нагрев характеризовался как относительное повышение температуры по сравнению с базовой линией, обозначаемое ниже как ΔT, и ΔT max для максимального повышения температуры относительно базовой линии. Период выборки состоял из 100 с базового измерения во время неактивной последовательности МРТ, 300 с радиочастотного нагрева и 200 с охлаждения. Последующие измерения были начаты после того, как изменение температуры стабилизировалось в течение 1 минуты в пределах 0.1 К. Измерение контактной полосы электрода 4 мм повторяли 3 раза подряд с расстоянием FOTP 1 мм для оценки воспроизводимости измерений. Измерение фонового нагрева в геле проводилось с FOTP в тех же положениях, что и предыдущие измерения, но без полосы, установленной на держателе PMMA.

2.2.1. Расчет SAR

Наклоны начальной температуры были оценены для каждого контакта электрода по кривой зависимости температуры от времени (ΔT (t) Δt) в течение первых 10 секунд нагрева ().Интервал в 10 секунд был выбран как компромисс между достаточным количеством точек данных для подгонки (частота дискретизации 1 Гц) и отклонениями от линейности из-за теплопроводности. Здесь предполагается, что в начале фазы нагрева градиент температуры между нагретой областью и ее непосредственным окружением настолько мал, что теплопередача не происходит. Исходя из этого наклона, значения SAR можно рассчитать как

где cv = 4180 Джкг⋅К — удельная теплоемкость геля в фантоме.

Запись ΔT A03. A10, A27 и A40 с FOTP в контакте с электродом в течение 5-минутного периода высокочастотного нагрева. Предыдущие 100-секундные измерения (t <0) служат базой для отображаемого ΔT и отображаются только частично. Период охлаждения начинается с ~ 300 с. Показаны результирующая регрессия и 9 значений : . Обратите внимание на изменение масштабирования графиков по оси Y.

2.3. Моделирование

Моделирование E-поля и B-поля во временной области (FDTD) выполнялось с использованием программного пакета Sim4Life (версия 3.4, ZMT AG, Цюрих, Швейцария) для исследования точечного распределения SAR в решетке моделирования и локального SAR 1 г вокруг возбужденных контактов электрода. показывает установку и среду моделирования. Удлиненный кабель имплантата является основной причиной нагрева контактов электродов, моделирование которого требует очень много времени, поэтому при моделировании кабель был заменен на источник фронта гармонического напряжения ( f = 64 МГц, мощность: P = 85 мкВт ) на переходе кабеля в MIL.Для каждого диаметра был смоделирован только один контакт электрода на полосу, и предполагалось, что контакт электрода является идеальным электрическим проводником и с идентичными MIL для обеспечения сопоставимости между моделированиями (). Диск металлического электрода был покрыт изолирующим силиконовым слоем толщиной 60 мкм ( ϵ r = 3, σ = 0 S / м ), за исключением контакта, и окружающего пространства 10 × 10 × 17 см 3 Объем геля ГЭЦ ( ϵ r = 81, σ = 0.47 S / м ) моделировались как при измерениях. Наименьший размер вокселя составлял 0,04 мм 3 , а время расчета составляло 15–20 часов, в зависимости от размера контакта электрода (с использованием ускорения графического процессора, одна видеокарта GeForce Tesla C2075). Максимальные поточечные значения SAR были получены по вокселу из результирующих электромагнитных полей.

Схема моделирования:

(a) Электродная полоска с эталонным объемом 1 × 1 × 1 см 3 , используемая для интеграции SAR для получения локального SAR 1 г.Синий цилиндр смоделирован со свойствами стеклянного материала, имитирующими FOTP. (b) Смоделированная сетка увеличена на участке контакта 2,7 мм с FOTP на расстоянии 1 мм. (c) Полная имитационная установка с контактом электрода, MIL, силиконовой изоляцией и краевым источником возбуждения, имитирующим РЧ-индуцированную мощность.

ФОТП были реализованы в виде стеклянных цилиндров ( ϵ r = 4,82, σ = 0,0043 S / м ).Моделирование проводилось с использованием FOTP и без них для исследования систематических ошибок, вызванных наличием относительно больших FOTP. Были протестированы два различных размещения FOTP: прямой контакт или на 1 мм выше контакта электрода. Среднее значение SAR над контактом электрода было рассчитано путем интегрирования по контрольному объему 1 × 1 × 1 см 3 с центром на контакте электрода, напоминающим 1 г «ткани».

2.4. Моделирование температуры

Смоделированные распределения SAR использовались для расчета распределения температуры T ( x , y , z , t ).Поэтому дискретная версия уравнения теплопроводности (Collins et al., 2004) была реализована в Matlab (данные моделирования и код Matlab доступны по прямому запросу). Для области моделирования был выбран объем 1,6 × 1,6 × 1,6 см 3 с центром над сайтом контакта. Гель HEC моделировался с параметрами k . = 0,62 (Вт / м / K) ρ = 993 кг / м 3 и c v = 4180 Дж / кг / K (ISO, 2012), и было выполнено поглощающее граничное условие.Кроме того, предполагалось, что FOTP интегрирует температуру по цилиндру длиной 1,5 мм и радиусом диаметром 2 мм, центрированному по положению датчика температуры.

Тепловые импульсы Q SAR были применены к объему моделирования с использованием моделирования распределения SAR. Уравнение теплопроводности 2 затем использовалось для итерационного расчета распределения тепла с временными шагами Δ t = 0,005 с (то есть с 10 шагами на TR) до того, как был выполнен следующий тепловой импульс.Кривая температуры-времени была извлечена для контакта электрода 2,7 мм, которую сравнивали с измерением FOTP. Уровень входной мощности моделирования (величина теплового импульса) варьировался до тех пор, пока разница температур между измерением и моделированием не стала минимальной в конце периода нагрева. Этот уровень мощности впоследствии был применен при моделировании других трех диаметров контакта электродов.

3. Результаты

3.1. Измерения температуры

Постоянное повышение температуры до 1.Во всех экспериментах при ВЧ-возбуждении наблюдалась скорость 3 К / с. Характерная температурно-временная кривая и начальная крутизна температуры показаны на рис. В течение 5-минутного периода РЧ-возбуждения наблюдались ΔT max до 53 K, ΔT max для каждого расстояния FOTP, диаметра контакта и положения контакта электрода показаны в, а также отображается весь набор соответствующих температурно-временных кривых. в Приложении 1. Для каждого отдельного измерения ΔT max в положении A как минимум на 19% выше, чем в любом другом положении, за исключением измерения, когда FOTP контактирует с 0.Контакт электрода 3 мм. Нормированное к температуре контакта 2,7 мм для каждого расстояния FOTP, было найдено среднее относительное стандартное отклонение 0,14 для ΔT max в положениях A-D. Следовательно, контакты электродов в разных положениях показывают сравнимое поведение, и хотя следующее обсуждение сосредоточено на положении A, оно справедливо для всех остальных положений.

Таблица 1

Максимальная разница температур ΔT max в K для каждого расстояния FOTP (контакт — 3 мм), диаметра контакта и положения контакта электрода A-D.Наибольшее значение ΔT max было обнаружено для A27 с контактирующим FOTP. Сравнивая ΔT max в той же конфигурации FOTP, видно явное уменьшение с уменьшением длины MIL (падение от положения A к D), за исключением контакта электрода 0,3 мм с контактирующим FOTP. Увеличение расстояния FOTP от контакта электрода показывает уменьшение ΔT max , за исключением контакта электрода 0,3 и 1 мм, контактирующего с FOTP.

Б

9346

9

4

4 99034

4 963

4

4

Ø контакта в мм 0.3 (ΔT макс. дюймов K) 1,0 (ΔT макс. дюймов K) 2,7 (ΔT макс. дюймов K) 4,0 (ΔT макс.
Положение контакта электрода: FOTP в контакте с контактами электрода
A 0,79 5,04 1.10 5,30 34,52 25,30
C 1,75 3,58 23,59 17,38
17,38
13,80
FOTP на расстоянии 1 мм между контактами электродов
A 3,71 10.19 29,10 27,03
B 2,90 6,80 21,20 19,38

05 9034 9034 9034 9034 9034 9034

05 C

D 2,20 3,70 11,10 10,55
FOTP на расстоянии 2 мм между контактами электродов 6.91 23.60 21,52
B 2.32 4.68 17.90 15.91
15.91
10.90
D 1.80 2.90 10.00 8,45
FOT000 в 3 мм расстояние между контактами электрода6

3

3 2.06

4,90 16,74 17,90
B 1,90 3,60 13,08 13,30
9,09
D 1,50 2,23 7,04 6,90

Три последовательных повтора контактной полосы 4 мм имели 1 абсолютное стандартное отклонение.5, 1,3, 1,3, 1,9 K для положений контакта электродов A-D, что приводит к среднему относительному стандартному отклонению 0,06. Измерения фоновой температуры без электродной ленты, но с FOTP на расстоянии 1 мм показали, что ΔT max ниже 1 K на всех четырех датчиках (Приложение 2).

показывает ΔT max для всех контактов электрода в положении A. ΔT max уменьшается с расстоянием FOTP, за исключением двух мест, где FOTP контактировали с A03 и A10.также показывает, что наибольшее значение ΔT max наблюдается для A27 независимо от расстояния FOTP, за которым следует A40, а затем контакты электродов с двумя наименьшими диаметрами.

(слева): Обзор ΔT max , измеренный на A40, A27, A10 и A03, в зависимости от расстояний 0–3 мм между контактами электродов и FOTP. Рис. 4b (справа): Обзор начального повышения температуры в К / с, полученного из крутизны измерения ΔT. Подобное относительное распределение заметно, и, тем не менее, из-за того же источника данных становится заметна тесная связь между измеренной температурой и SAR.2 = 0,44 наблюдалось при контактном измерении A03 (медиана R 2 = 0,96, IQR ( R 2 ) = 0,07)). Самый высокий наклон был замечен для A27 в контакте с FOTP. Когда FOTP не контактировал с контактом электрода, полученные значения крутизны температуры уменьшались с увеличением расстояния FOTP.

3.2. Моделирование

показывает результаты моделирования FDTD вокруг контактов электродов. Хотя все электродные контакты возбуждались одним и тем же входным сигналом, результирующий точечный SAR распределяется по объему, который масштабируется с диаметром контакта электрода, но глубина, до которой обнаруживается значительный точечный SAR, является наибольшей для диаметра контакта 2. .7 мм. Контакт 2,7 мм и 4 мм показывает провал в интенсивности SAR над центром контакта электрода. перечисляет максимальные значения SAR для точек и локальное значение SAR 1 г в контрольном объеме над контактом электрода. Максимальный точечный SAR увеличивается с уменьшением диаметра и показывает в 92 раза более высокий SAR на контакте 0,3 мм по сравнению с контактом 4 мм. Среднее значение SAR в ткани увеличивается с увеличением диаметра контакта электрода: с диаметра 0,3 мм до 2,7 мм SAR увеличивается почти в четыре раза, а вклад энергии — в 2 раза.7 мм на 34% больше, чем при контакте электрода 4 мм.

Карты SAR для каждого контакта электрода на виде спереди и сбоку. На виде спереди (слева) отображаются точечные значения SAR в параллельной плоскости на 0,8 мм над контактами электродов (пунктирная линия на правой панели) в диапазоне от 0 до –50 дБ, где 0 дБ соответствует 10 Вт / кг. С увеличением диаметра контакта электрода SAR распределяется по увеличивающейся площади, а интенсивность уменьшается. На виде сбоку (справа) показаны значения SAR перпендикулярно плоскости контакта электрода вдоль центральной оси (пунктирная линия на левой панели) с использованием той же шкалы.Становится очевидной разница в распределении SAR в ткани, прилегающей к контактам электродов разного диаметра.

Таблица 2

Максимальный точечный SAR и локальный SAR 1 г в обоих эталонных объемах, рассчитанных на основе смоделированных данных электронного поля. Хотя местное значение SAR уменьшается с увеличением диаметра контакта, средний максимум SAR составляет 2,7 мм, что согласуется с данными измерений.

04-00). OSI индуцировали у 8-недельных крыс Wisker обработкой BAC (0.2 мас.%) Два раза в день на 30 глазах ( n = 5 для 3 групп). Во время эксперимента крыс хранили в CEC, в котором поддерживалась относительная влажность 18,5%, температура 25 ° C и скорость потока воздуха 20 л / мин. Мы разделили крыс, индуцированных OSI, на три группы, такие как OSI-положительные (контрольная группа), группа естественного исцеления (группа 2) и группа, получавшая дексаметазон (10 мкМ, 5 мкл, три раза в день) (группа 3).

Тест на жизнеспособность мягких, умных контактных линз

Нормальные клетки дермальных фибробластов человека (Promocell) поддерживали в среде Cascade Biologics Medium 106 (Gibco), дополненной добавкой для низкого роста сыворотки (Gibco) (полная среда) при 37 ° C в увлажненная атмосфера с 5% CO 2 с заменой среды каждые 3 дня.Когда слияние было закрыто на 80%, клетки субкультивировали с 0,025% трипсином / ЭДТА (Gibco) и инкубировали в условиях полной среды. При четвертом пассаже эти клетки собирали и высевали при плотности 5000 клеток на лунку в каждую лунку 96-луночных планшетов. Клетки инкубировали в полной среде в течение 24 часов.

Для теста на цитотоксичность процесс выполняли в соответствии с ISO 10993-5. В этом эксперименте интеллектуальная контактная линза сравнивалась в обеих полиуретановых пленках, содержащих 0.1% диэтилдитиокарбамата цинка (Исследовательский институт Хатано) и полиуретановая пленка высокой плотности (Исследовательский институт Хатано) в качестве положительного и отрицательного контроля соответственно. Перед экспериментом все контактные линзы стерилизовали в 70% этаноле в течение 30 мин, а затем образцы сушили в вытяжном шкафу. Каждый образец ( n = 4 ) погружали и инкубировали в полной среде при 37 ° C в течение 48 часов. Условия для экстрактов были подготовлены с контактными линзами 0,2 г в полной среде 1 мл. Предварительно обработанную среду инкубированных клеток заменяли экстрагированной средой, погруженной в контактные линзы.Клетки, обработанные экстрагированной средой, инкубировали в течение 24 часов. Цитотоксичность оценивали с помощью набора для подсчета клеток 8 (Dojindo). Оптическую плотность считывали при 450 нм с помощью многомодового планшет-ридера (PerkinElmer). Значения оптической плотности были преобразованы в процентные значения холостого опыта, полученные только на среде для роста клеток.

Пилотное исследование на людях

Протокол этого исследования был одобрен Наблюдательным советом Ульсанского национального института науки и технологий (UNISTIRB-18-17-A).Все эксперименты и испытания проводились с полного информированного согласия добровольца. Термическую обработку людей проводили с использованием теплового пластыря один раз в день в течение 15 минут в течение 2 недель. Мягкую интеллектуальную контактную линзу промывали раствором для очистки контактных линз (раствор Frenz-pro B5, JK Pharmaceutical Inc., Корея), а затем добавляли PBS в течение 1 мин перед ношением. После испытания на людях глазную поверхность добровольца оценивали с помощью исследования с помощью щелевой лампы (SL-15, Kowa Optimed Inc., Япония).

Благодарности: Финансирование: Эта работа была поддержана Министерством науки и ИКТ (MSIT) и Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE) Кореи через Национальный исследовательский фонд (2019R1A2B5B03069358 и 2016R1A5A1009926), Корейская инициатива по содействию Программе Университета исследований и инноваций (KIURI) (2020M3h2A1077207), Программе развития био- и медицинских технологий (2018M3A9F1021649), Программе развития наноматериалов (2016M3A7B4

5) и Программе технологических инноваций (20010366 и 20013621, Центр Технология производства сверхкритических материалов).Мы также с благодарностью отмечаем финансовую поддержку исследовательской программы (2019-22-0228), финансируемой Университетом Йонсей. Вклад авторов: J.J. и J.K. провели эксперименты, проанализировали данные и написали рукопись. H.S. и C.Y.L. внес свой вклад в исследование на людях. Ю.-Г.П. и Б.Дж.Дж. провели эксперименты по сенсорной селективности и изготовлению устройств для контактных линз. H.Seo участвовал в эксперименте по стабильности сенсора. J.-e.W. проведена цитотоксичность смарт-контактной линзы.D.W.K. и Х.К.К. участвовал в планировании проекта, экспериментах на животных и исследованиях на людях. J.-U.P. был автором идеи, лежащей в основе исследования, планировал и руководил экспериментальной работой, а также редактировал рукопись. Все авторы обсуждали и комментировали рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Атомные переключатели металлических точечных контактов путем плазмонного нагрева

Атомные переключатели металлических квантовых контактов

В наших экспериментах в качестве источника света использовалась коммерческая светодиодная (LED) лампа с адаптером переменного тока для непрерывного контроля интенсивности света (см. дополнительный рисунок S1). В экспериментах нет необходимости в специальных оптических установках или мощных лазерных источниках.Для изготовления наноконтактов имеющаяся в продаже золотая проволока с перетяжкой посередине закрепляется на подложке из пружинной стали 19 . Сужение можно точно растянуть, изгибая подложку с помощью механически управляемой установки для разрывных переходов (MCBJ) 24,25,26,27 , как показано на рис. 1a. На рисунке 1b показано изображение золотой металлической проволоки в процессе механического растяжения, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Изображение показывает, что поперечное сечение сужения уменьшается до окончательного разрыва при изгибе подложки, в результате чего образуются два отдельных электрода (см. Дополнительный рисунок S2).

Рис. 1: Стратегия реализации атомного переключения и проводимости, регулируемой световым освещением.

a Металлический провод с выемкой посередине закреплен на подложке. Паз можно растягивать до тех пор, пока он окончательно не сломается из-за изгиба подложки, в результате чего образуются два отдельных электрода. b СЭМ-изображения микропровода с надрезом в процессе растяжения. Масштабная линейка: 50 мкм. c Измерение тока в реальном времени при включении / выключении света каждые 50–60 с.Увеличенное изображение: проводимость уменьшается квантово, кратно G 0 (= 2 e 2 / h ) по мере уменьшения интенсивности света. d Схема расположения атомов, которая соответствует четырем состояниям проводимости при освещении светом. Состояние 1: два электрода разделены несколькими ангстремами ( G ≪ 1 G 0 ). Состояние 2: два электрода повторно соединяются при освещении светом ( G ~ 80 G 0 ).Состояние 3: два электрода растянуты, и цепочка атомов золота образуется до того, как наноконтакт разрывается при уменьшении интенсивности света ( G ~ 1 G 0 ). Состояние 4: два электрода снова разделены из-за рассеивания тепла, поскольку свет полностью выключен ( G ≪ 1 G 0 )

На начальном этапе зазор между двумя электродами устанавливается равным несколько ангстрем (10 −5 G 0 < G <10 −4 G 0 ) с использованием установки MCBJ.При включении света проводимость увеличивается от значения G ~ 10 −5 G 0 до стабильного значения G ~ 80 G 0 с 1– Задержка 2 с после световой стимуляции. Когда свет выключается, проводимость снова уменьшается до значения намного ниже 1 G 0 с задержкой 1-2 с. Такое поведение переключения проводимости надежно воспроизводится для каждого периода измерения, как показано на рис.1c. Соотношение включения / выключения и время задержки в значительной степени зависят от максимального значения интенсивности света и начального размера зазора между двумя электродами. Для нашей установки максимальная проводимость 80 G 0 достигается, когда интенсивность света достигает 1 мВт / мм 2 с начальным размером зазора ~ 1 нм. Большая проводимость (~ 80 G 0 ) демонстрирует, что два разделенных электрода сильно пересоединяются при световом освещении.

Более пристальное рассмотрение кривой проводимости показывает, что проводимость быстро уменьшается и достигает области с плато почти на всех открытых трассах, которые встречаются при целых кратных проводимости G 0 = 2 e 2 / h , как показано увеличенной областью на рис.1c. Это значение является хорошо известным квантом проводимости, который возникает, когда размер металлического контакта уменьшается до одного атома или цепочки атомов золота 28 . Обратите внимание, что у нас есть высокий шанс (~ 90%) получить эти плато проводимости, что указывает на то, что проводимость системы можно контролировать с помощью регулятора освещенности даже при комнатной температуре из-за меньшего количества механических вибраций. Как показано на рис. 1c, каждая ступень проводимости может длиться несколько секунд, что указывает на то, что разделение атомов золота (даже разделенных один за другим) можно контролировать с помощью светового освещения.

Фиг. 1d представляет собой схему расположения атомов при освещении светом. В исходном состоянии 1 два электрода были разделены расстоянием в несколько ангстрем, а соответствующая проводимость существенно меньше 1 G 0 . Нанозазоры демонстрируют сильное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной областях из-за их локальных плазмонных резонансов, то есть, когда частотные компоненты падающего светодиодного света совпадают с частотой колебаний свободных электронов, связанных с электромагнитным полем на электроде. остриями, вокруг зазора возбуждается локализованный поверхностный плазмонный резонанс.Обратите внимание, что как квантовое туннелирование, так и нелокальные эффекты в резкой щели также задействованы 29,30 . Поглощенный свет преобразуется в тепловую энергию, что приводит к расширению наноэлектродов и, таким образом, повторному соединению двух наноэлектродов. Состояние 2 показывает повторное соединение двух электродов при освещении светом, при котором соответствующая проводимость составляет около 10 G 0 –80 G 0 , в зависимости от интенсивности света. Проводимость достигает максимального значения, когда система находится в тепловом равновесии.Когда интенсивность света уменьшается, металлическая проволока растягивается из-за усадки электродов, и может образоваться точечный атомный контакт до того, как наноконтакты полностью разорвутся, как показано в состоянии 3. Когда свет полностью выключен, два электрода снова разделяются, и транспорт электронов возвращается в туннельный режим ( G ≪ 1 G 0 ), как показано в состоянии 4.

Чтобы понять зависимость проводимости от интенсивности света, мы проводим эксперименты, где максимальная интенсивность света в каждом круге освещения постепенно увеличивается.Максимальная проводимость в каждом круге увеличивается примерно линейно с интенсивностью света, как показано на рис. 2а. Когда интенсивность света изменяется плавно в синусоидальной форме, проводимость наноконтакта следует тенденции интенсивности света и изменяется синусоидально, как показано на рис. 2b. Дополнительные повторяемые данные тока в зависимости от интенсивности света наблюдаются в дополнительном видео S1 и на рисунке S3. На основании этих результатов можно сделать вывод, что проводимость квантового контакта регулируется интенсивностью света.

Рис. 2: Проводимость в зависимости от времени , измененного в зависимости от интенсивности света и формы светового возбуждения.

a Нижняя панель: падающий свет периодически включается и выключается, при этом максимальная интенсивность света в каждом круге постепенно увеличивается. Верхняя панель: проводимость металлического контакта увеличивалась в соответствии с изменением интенсивности света. b Проводимость металлических контактов изменяется аналогично синусоидальной волне, следуя синусоидальной форме волны интенсивности света

Размер нанозазора точно модулируется светом

После разрыва двух электродов (например,g., состояние 4, представленное на рис. 1d), мы обнаруживаем, что размер зазора между электродами может быть точно изменен с помощью светового освещения. На рисунке 3а показано, что проводимость может быть изменена в туннельном режиме [10 −5 G 0 , 10 −1 G 0 ] путем управления светом светодиода в условиях окружающей среды. Туннельный ток можно поддерживать постоянным в течение длительного времени с небольшими колебаниями, если интенсивность света фиксирована. Расстояние между двумя электродами можно оценить с помощью уравнения Симмонса, которое описывает взаимосвязь между туннельным током и размером туннельного зазора 31, .Наш расчет показывает, что размер зазора изменяется всего на несколько ангстрем при изменении туннельного тока от 10 −5 G 0 до 10 −1 G 0 (дополнительный рисунок S4), что демонстрирует что расстояние между двумя разделенными электродами можно точно контролировать с точностью до субангстрем по интенсивности света. На рис. 3б схематически показано изменение размера зазора при световом освещении.

Рис. 3: Зависимость проводимости от падающего света.

a Измерение в реальном времени проводимости светодиодов в туннельном режиме. В смещение = 1 мВ. b Схема изменения размера зазора при световом освещении. Пунктирными линиями показано новое положение наноэлектродов при светодиодной подсветке. c Проводимость туннельной щели зависит от поляризации лазера. При использовании лазера с поляризацией p (розовый) проводимость примерно в два раза больше, чем проводимость при использовании лазера с поляризацией s (оранжевый).Центральная длина волны лазера составляет 640 нм с полосой пропускания 5,7 нм, а максимальная плотность мощности лазера составляет 0,5 мВт / мм 2

Чтобы дополнительно прояснить механизм контролируемого светом туннельного тока, мы исследуем отклик тока под действием лазера. облучение, которое обладает не только небольшим пятном фокусировки, но и специфической поляризацией. Во-первых, мы обратились к влиянию местоположения пятна фокусировки на туннельный ток, записав переходную проводимость, когда пятно фокусировки лазера сканируется вдоль длинной оси металлической проволоки.Туннельный ток резко меняется только тогда, когда лазер фокусируется на области наноконтакта, как показано на дополнительном рисунке S5. Следовательно, нанозазоры между электродами, а не другие места, играют ключевую роль в модификации туннельного тока. Во-вторых, мы исследуем влияние поляризации лазера на туннельный ток. В нашем эксперименте электрическое поле лазера (длина волны ~ 640 нм) может быть настроено как параллельное ( p -поляризация) или перпендикулярное ( с -поляризация) оси электрода с фокусным пятном ~ 10 мкм. диаметр на площади наноконтакта.Мы наблюдаем, что проводимость увеличивается в туннельном режиме, когда s -поляризованный лазер освещает нанозазор. Удерживая мощность лазера на постоянном значении, значительное увеличение проводимости происходит, когда лазер s -поляризация переключается на p -поляризацию, как показано на рис. 3c. Электрическое поле сильно усиливается и локализуется вокруг нанощели, когда электрическое поле падающего света параллельно оси электрода ( p -поляризованный лазер), что приводит к сильному поглощению падающего света 17,32, 33 .Плазмонный нагрев слабее, когда электрическое поле падающего света перпендикулярно оси электрода ( s -поляризованный лазер). Таким образом, зависимость проводимости от поляризации лазера свидетельствует о том, что модуляция размера щели связана с плазмонным нагревом.

Расширение наноэлектродов, вызванное плазмонным нагревом

Чтобы подтвердить, что поведение переключения происходит из-за индуцированного плазмонами нагрева в наноразмерных плазмонных системах, исследуется спектр рассеяния образцов MCBJ, с помощью которого выявляется частота плазмонного резонанса.На рисунке 4a показана система измерения, а более подробная информация представлена ​​на рисунке S6 с дополнительной информацией. На рис. 4б показаны измеренные спектры рассеяния темного поля для различных образцов. Расположение пика плазмонного рассеяния слабо зависит от размера зазора и сосредоточено около λ = 660 нм (см. Образец A и образец B). В режиме от 400 до 600 нм для всех образцов не наблюдается пика рассеяния. Затем мы проводим эксперименты по модулированной проводимости света с помощью лазера 488 нм (плотность мощности эквивалентна длине волны 640 нм), в которых основная частота отклоняется от резонансной частоты структуры.Освещение лазером 488 нм дает меньшее изменение проводимости по сравнению с освещением лазера 640 нм. Наблюдение показывает, что изменение проводимости связано с расширением электродов из-за плазмонного нагрева.

Рис. 4: Характеристики устройств MCBJ и моделирование распределения расширения электродов при световом освещении.

Система для измерения оптической спектроскопии. b Измерены спектры рассеяния темного поля в области зазора, в которой используются три разных образца.Размер зазора составляет ~ 2 нм в образце A и ~ 0,2 нм в образце B. Электроды были сильно пересоединены, и в образце C. нано-зазора не наблюдается. Плазмонные резонансы указаны стрелками. c Модель, использованная при моделировании. Рассматривались части большой металлической проволоки, близкие к наноразмерным наконечникам. Размер зазора между двумя наностриями изначально установлен равным 2 нм. Поляризация падающего света параллельна оси x . d Распределение расширения (в компоненте X) при установлении равновесной температуры

Далее мы проводим моделирование на основе метода конечных элементов, с помощью которого оценивается расширение электродов.Поскольку наноострия напрямую связана с макроскопической золотой проволокой, а золотая проволока имеет отличную теплопроводность, генерируемый нагрев не должен локализоваться на наноостриях. Таким образом, часть макроскопической проволоки между двумя фиксированными точками и наноразмерным наконечником рассматривается в нашей модели, как показано на рис. 4c. Обратите внимание, что тепловая диффузия на границе раздела металл-подложка не играет важной роли в определении расширения электродов, поскольку основная часть концов электродов подвешена над подложкой, а площадь контакта между цилиндрической металлической проволокой и плоской подложкой очень велика. небольшой.Наноэлектроды освещаются плоской поляризованной волной p при λ = 640 нм, для которой может быть возбужден поверхностный плазмонный резонанс, как показано на дополнительных рисунках S6-S8. Распределение электрического поля, распределение температуры и тепловое расширение при освещении решаются с помощью пакета программ COMSOL multiphysics 34,35 ; см. дополнительные рисунки S9-S12 для получения подробной информации.

Наше моделирование показывает, что напряженность электрического поля существенно увеличивается на ~ 10 3 в режиме зазора на p -поляризованном лазере, как показано на дополнительном рисунке S9.Распределение плотности тепла может быть получено на основе распределения электрического поля. Плотность тепловой мощности задается в качестве источника тепла, а тепловое расширение / смещение электродов моделируется, как показано на рис. 4d. Максимальное смещение электродов ~ 0,4 нм. С учетом двух противоположных электродов изменение размера зазора должно составлять ~ 0,8 нм, что приводит к значительному изменению туннельного тока, превышающему несколько порядков.

Мы проводим дополнительные эксперименты, чтобы определить предел времени переключения.Установлено, что время отклика по току (время нарастания или время спада) может быть сокращено до минимума 10 мс за счет уменьшения максимальной интенсивности падающего света, поскольку объем расширения электродов положительно связан с интенсивностью света. (Дополнительный рисунок S13). Подобно уменьшению интенсивности света, уменьшение времени освещения также приводит к быстрому отклику тока из-за меньшего теплового расширения. С помощью прерывателя время свечения лазера точно сокращается с секунд до миллисекунд (дополнительный рисунок S14).Общее время выдержки для сильного тока составляет ~ 60 мс при освещении импульсным лазером (время освещения установлено на 50 мс), как показано на рис. 5. Токовый отклик представляет собой задержку всего 10 мс при освещении светом. Это наблюдение согласуется с предыдущим наблюдением за счет уменьшения интенсивности света, что подтверждает, что токовый выключатель может работать быстро.

Рис. 5: Проверка времени отклика по току при освещении двумя разными образцами.

Прерыватель использовался для генерации импульсного лазера для освещения.Время освещения было установлено на 50 мс через каждые 3000 мс, и стрелки указывают, что переход был освещен импульсным лазером. a Для образца A ток квантового точечного контакта переключается между 3 G 0 и 4 G 0 при освещении импульсным лазером. b Для образца B ток квантового точечного контакта переключается между 2 G 0 и 3 G 0 при освещении светом.На увеличенном рисунке видно, что временной интервал изменения тока составляет ~ 60 мс при импульсном лазерном облучении. Красная кривая показывает, что туннельный ток может быть быстро модулирован импульсным лазером после разделения двух квантовых контактов

Как и ожидалось, частота переключения может быть дополнительно оптимизирована с помощью микроизготовленного образца, поскольку время термодиффузии для теплового расширения может быть уменьшено до наносекунд с помощью микровыборочного образца по формуле L = ( Dt ) 0.5 , где D — коэффициент температуропроводности, а L — длина конструкции для рассеивания тепла 36 . Мы видим, что изменение тока может следовать за изменением интенсивности света, даже когда переход освещается лазером с частотой 50 Гц. Однако его нельзя различить глазами, когда интенсивность света изменяется на этой частоте (см. Дополнительное видео S2 и рисунок S15). Этот эксперимент является дополнительным доказательством того, что атомом можно быстро управлять с помощью плазмонного нагрева.

Наконечники для контактных линз в жаркую и холодную погоду

Экстремальные погодные условия могут нанести серьезный ущерб вашему здоровью — например, солнечные ожоги летом и грипп зимой. Жаркая и холодная погода также может ухудшить удобство ношения контактных линз, что приведет к дискомфорту или даже к инфекциям.

Возможно, вы даже задавались вопросом, как сильная жара или холод влияют на коробку контактных линз, оставленную у входной двери утром, которую вы обнаружили, когда вернулись с работы домой.

Следуйте этому совету, чтобы на параде не было дождя, когда вы носите контактные линзы.

Жаркая погода / жара

Блокировать солнце

Поскольку в теплые месяцы мы, как правило, проводим больше времени на открытом воздухе, очень важно не подвергать глаза вредному воздействию ультрафиолетовых лучей. Поэтому вы можете подумать о ношении контактных линз с защитой от ультрафиолета, особенно летом.

Кроме того, вы всегда должны носить поляризованные солнцезащитные очки, когда находитесь на улице, независимо от того, показывает ли термометр 90 градусов или 9 градусов.

ВАМ НУЖНЫ СОЛНЕЧНЫЕ ОЧКИ? Найдите ближайший к вам оптический магазин, чтобы начать делать покупки.

Остановите поток пота

В жаркую погоду, особенно когда жара сочетается с влажностью, совсем нет времени, чтобы вспотеть, даже когда вы не тренируетесь.

Чтобы избежать появления пота в глазах, наденьте впитывающую повязку на голову или почаще вытирайте лоб полотенцем. Ваши глаза и контактные линзы будут вам благодарны.

Не бойтесь сильной жары

Это миф о том, что контактные линзы тают в ваших глазах , если на вас обрушивается летняя жара или если вы стоите над грилем для барбекю.

Многие люди, носящие контактные линзы, часами проводят в жарких условиях, и никто из них не испытывает расплавленных линз. Но не забудьте надеть солнцезащитные очки, чтобы не повредить глаза.

Не волнуйтесь

Если вы ныряете в бассейн в тренажерном зале, отеле или на заднем дворе, снимите контактные линзы, прежде чем контактировать с водой.

Ношение контактных линз во время плавания может вызвать раздражение глаз и инфекцию. (Этот совет также относится к купанию в океане, принятию душа или купанию в гидромассажной ванне.)

Если вы настаиваете на том, чтобы не снимать контактные линзы во время плавания, наденьте очки, прежде чем упасть в воду.

Холодная погода

Обратите внимание на низкую влажность

Осенью и зимой, когда влажность обычно снижается, ваши глаза могут стать суше, потому что слезы испаряются с большей вероятностью.

Поэтому важно запастись глазными каплями или искусственными слезами, совместимыми с контактными линзами. Кроме того, вы должны надевать солнечные очки или защитные очки, когда вы находитесь на открытом воздухе, чтобы защитить глаза от ветра.

Выпейте

Мы не предлагаем пиво или Кровавую Мэри. Скорее, мы рекомендуем вам пить много воды, чтобы ваше тело, в том числе глаза, было достаточно увлажненным.

При употреблении большего количества воды образуется больше слез, борющихся с сухостью.

Держитесь подальше от прямого тепла

Особенно зимой мы повышаем тепло в наших домах, офисах и транспортных средствах для борьбы с низкими температурами.

Вне зависимости от того, идет ли тепло от вентиляционных отверстий печи, автомобильных дефлекторов, радиатора, камина или печи, оно может высушить глаза и вызвать раздражение.

Чтобы ваши глаза оставались влажными, избегайте тесного контакта с этими источниками тепла и включите увлажнитель воздуха.

Не бойтесь замерзания

Контактные линзы не тают в глазах, но и не могут замерзнуть.

Почему? Потому что они согреваются за счет температуры вашей роговицы и ваших слез.

Однако имейте в виду, что в холодную погоду вы должны носить очки или защитные очки, чтобы не дать резким ветрам высушить глаза и защитить глаза от ультрафиолетовых лучей.

Переключитесь на очки

В худшем случае, если холодная погода способствует постоянным проблемам со зрением, заменяйте очки контактными линзами, пока не увидите своего окулиста.

СМОТРИТЕ ПО ТЕМЕ: Путешествуете с контактными линзами? Эти 9 советов помогут

Жаркая и холодная погода

Уход за контактными линзами

Чтобы сохранить здоровье глаз, будь то солнечно, пасмурно, дождливо или снежно, правильно очищайте и храните контактные линзы.

Как вы это делаете? Следуйте рекомендованному производителем графику изменения контактов (ежедневно, ежемесячно и т. Д.).

Обратите внимание на одноразовые одноразовые линзы

Один из лучших способов защитить глаза от проблем со зрением вне зависимости от погоды — это узнать о рецепте на ежедневные одноразовые контактные линзы (если вы еще не пользуетесь ими).

Свежая чистая пара повседневных контактов может снизить вероятность раздражения глаз или инфекции.

Дайте глазам отдохнуть

Чтобы свести к минимуму проблемы, связанные с погодой, сделайте перерыв от контактов — например, за несколько часов до сна — и вместо этого наденьте очки.

Также не забудьте высыпаться; это может уменьшить сухость и усталость глаз.

Возможно, самое главное — не надевайте контактные линзы во время сна, поскольку это может увеличить риск развития глазной инфекции.

Не беспокойтесь о контактах, оставленных у вашей двери.

Вы заказали контактные линзы онлайн. Через два дня их доставят к вам домой.

Ящик с контактами простоял у вашей входной двери большую часть дня, пока вы отсутствовали на работе, поэтому подвергся воздействию непогоды.

Стоит ли беспокоиться о состоянии контактов?

Нет. Исследования показывают, что контактные линзы выдерживают как адскую жару, так и антарктический холод.

НУЖНЫ ЗАКАЗАТЬ КОНТАКТЫ ?: Найдите ближайший к вам магазин оптики.

СМОТРИТЕ СВЯЗАННЫЕ: Контактные линзы: руководство для начинающих пользователей

Страница опубликована в августе 2019 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Диаметр контакта в мм SAR макс., Вт / кг локальный SAR 1 г в пВт / кг
0.3 2,218 0,0181
1,0 0,451 0,0527
2,7 0,077 0,0649
4,0 0,06 0,0649 9034 9346
4,0 0,06 В результате FOTP либо непосредственно контактирует с контактом электрода, либо размещается на 1 мм выше контактной поверхности электрода. На расстоянии 1 мм локальный максимум и среднее значение SAR практически идентичны значениям без FOTP.Размещение FOTP в контакте с электродом уменьшило средний SAR на 87% для контакта электрода 0,3 мм и на 90% для контакта электрода 1,0 мм (по сравнению с отсутствием FOTP), в то время как более крупные контакты электрода не были затронуты.

Таблица 3

Максимальный точечный SAR и локальный SAR 1 г в контрольном объеме, рассчитанный на основе смоделированных данных E-поля в присутствии смоделированного FOTP, помещенного в контакт, и с конфигурацией расстояния 1 мм относительно контактных центров электродов.В то время как введение FOTP показывает лишь небольшое снижение локального SAR в 1 г для контактов электродов 4,0 мм и 2,7 мм в контактной конфигурации по сравнению с отсутствующими данными FOTP, значительное снижение на 89% и 87% в локальном SAR в 1 г соответственно для электродных контактов 1 мм и 0,3 мм.

Расстояние FOTP 1 мм 1 мм При контакте
Ø контакта в мм Максимальное SAR в точках, Вт / кг Локальное SAR 1 г, Вт / кг Локальное 1g SAR, Вт / кг в пВт / кг
0.3 2.201 0,0180 0,0023
1,0 0,443 0,0521 0,0054
2,7 0,077 9034 0,06 0,06 0,06

0,0479

Смоделированные значения температуры были получены из объема интегрирования FOTP. Они соответствуют позиции контакта A в данных.Наибольшее значение ΔT max , равное 79 K, было обнаружено на расстоянии 1 мм при контакте FOTP. Для диаметров контакта электрода от 0,3 до 2,7 мм температура снижалась с увеличением расстояния, а для диаметра контакта электрода 4 мм максимальная температура наблюдается не непосредственно на поверхности, а на расстоянии 1 мм. Сравнение моделирования и измерения для расстояний 2 мм и 3 мм показывает среднюю ошибку 6,83 K, где контакт электрода 2,7 мм показывает наибольшее отклонение 18,2 K при расстоянии 2 мм.В целом наибольшие отклонения составляют 96% и 94% для контактных размеров контактов электрода 0,3 мм и 1 мм соответственно. Примерная температурная карта контакта электрода 2,7 мм и временные кривые температуры для всех электродов можно найти в Приложении 5.

Таблица 4

Моделируемая максимальная температура T max в К, полученная путем интегрирования объема вокруг FOTP для предыдущих расстояний (контакт — 3 мм) и всех четырех диаметров контакта.

903 903 9034 9034 9034 9034 9034

9346 22,46 Воздействие РЧ-поля на имплантированные электроды при МРТ может сфокусировать E-поле в прилегающей ткани, что может вызвать увеличение SAR с последующим повреждением ткани (Erhardt et al., 2018; Nyenhuis et al., 2005). Следовательно, предотвращение нагрева, вызванного радиочастотным излучением, сверх допустимых пределов важно, поскольку пациентам с имплантатами часто необходимо проходить обследование МРТ после имплантации электродов, но МРТ также может быть показана по причинам, не связанным с имплантатом. Из-за множества параметров, влияющих на нагрев, и отсутствия полной аналитической формулировки, радиочастотный нагрев устройства обычно оценивается путем измерения температуры в гелевых фантомах для оценки безопасности МРТ отдельных имплантатов. Одним из центральных геометрических параметров является диаметр контакта электрода.В этой работе было изучено влияние диаметра контакта электрода на индуцированный радиочастотным излучением нагрев ткани с использованием как установленных методов измерения температуры, так и моделирования поля.

4.1. Измерения температуры

Измерения с помощью FOTP показали, что контакты электродов с самыми длинными MIL (положение A) дают самый высокий ΔT max (как минимум на 19% больше) во время воздействия РЧ по сравнению с идентичными контактами электродов с более короткими MIL. Ожидаются более высокие значения ΔT max , поскольку увеличение длины проводника по направлению к длине волны приводит к увеличению поглощения РЧ антенной, образованной проводом, и, таким образом, к более высокой энергии РЧ, передаваемой на контакт электрода.

Наблюдаемое увеличение ΔT max для FOTP ближе к контактам электрода также ожидается, поскольку вклад энергии должен быть самым высоким на границе между контактом электрода и гелем. Однако при очень малых диаметрах контакта электрода 0,3 мм и 1 мм измеренное значение ΔT max заметно уменьшается. Поскольку датчики температуры имеют диаметр 1 мм, они приводят к удалению геля вблизи контакта электрода, что, в свою очередь, вызывает меньшее выделение энергии.Этот систематический эффект необходимо учитывать при исследовании контактов электродов, размеры которых аналогичны размерам FOTP, а также могут быть причиной плохой производительности регрессии при начальном расчете наклона.

Интересно отметить, что ΔT max контактов электрода диаметром 4 мм меньше, чем контакты электрода 2,7 мм, что можно объяснить большим объемом, в котором рассеивается мощность. Эта взаимосвязь между входящей энергией и объемом распределения также видна в результатах моделирования (см.). В клинической практике пациенты с имплантированными электродами будут проходить МРТ-обследование после операции, поэтому при выборе оптимального диаметра контакта электрода следует также учитывать допустимое количество местного нагрева вблизи контактов электродов. Чтобы лучше оценить ожидаемое повреждение ткани, можно применить модель повреждения ткани, такую ​​как CEM43 (van Rhoon et al., 2013).

4.1.1. Метод измерения температуры

Оптоволоконный метод измерения температуры, используемый в этом исследовании, рекомендован Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для оценки совместимости имплантируемых устройств с помощью МРТ, и он использовался для аналогичных испытаний удлиненных имплантатов. к сертификации FDA (Shellock, 2007).Однако, особенно при малых диаметрах контакта электродов (0,3 мм и 1 мм), наличие и расположение FOTP сильно повлияли на результат измерения. Как обсуждалось выше, перемещение геля, имитирующего ткань, датчиками изменяет свойства локального радиочастотного нагрева и приводит к недооценке нагрева. При моделировании эту систематическую ошибку можно изучить — здесь был представлен стеклянный цилиндр с электромагнитными свойствами, аналогичными FOTP. Моделирование показало, что в отсутствие FOTP значения SAR могут быть намного выше.Чтобы уменьшить эту систематическую ошибку, следует использовать FOTP меньшего размера, однако FOTP с диаметром меньше, чем контакты микроэлектрода, коммерчески недоступны.

В данной работе было выбрано ортогональное расположение четырех FOTP к контактной поверхности электрода. Хотя Маттей и соавторы предлагают поперечную конфигурацию электродов кардиостимулятора (Mattei et al., 2007), наши результаты показывают, что ортогональная конфигурация более воспроизводима, поскольку расстояние от активного датчика температуры до кончика колеблется только на ± 0.5 мм (по данным производителя). При ортогональном размещении активный датчик температуры всегда располагается в центре контакта электрода, тогда как погрешность бокового положения до 1 мм может привести к значительным отклонениям температуры, особенно для небольших контактов электрода 0,3 мм.

В качестве альтернативы инвазивным датчикам температуры можно использовать термометрию МРТ для визуализации тепловыделения (Ehses et al., 2008), что будет выгодно по сравнению с измерением температуры в одной точке, как это предусмотрено FOTP.Кроме того, систематических ошибок из-за смещения геля можно избежать с помощью неинвазивной техники МРТ. Однако магнитно-резонансная термометрия затруднена из-за артефактов восприимчивости, которые могут особенно ярко проявляться возле имплантатов. Термометрия МРТ имеет температурное разрешение около 1 К (Quesson et al., 2000), что может быть проблематичным при малых ΔT max , которые обнаруживаются рядом с меньшими контактами электродов. Другим ограничением термометрии МРТ является пространственное разрешение: при 1,5 Тл может быть достигнуто разрешение изображения около одного миллиметра при динамической термометрии МРТ, чего может быть недостаточно для небольших контактов электродов.

Взаимодействие конкретной конфигурации электродов с системой МРТ зависит от многих параметров, таких как сканер, передающая катушка B1, напряженность поля (Neufeld et al., 2009; Thornton, 2017). Эти изменения в основном влияют на величину нагрева, наблюдаемого на имплантате. Для относительного влияния диаметров контактов электродов, исследованных в этой работе, необходимо учитывать линейные размеры и точное распределение электрического поля вдоль антенны, образованной MIL.Эффект этой соединительной антенны можно описать с помощью метода передаточной функции [Park2007], так что подвод энергии через антенну может быть отделен от выделения энергии вблизи контактов электродов. Это оправдывает использование источника напряжения в моделировании вместо полного моделирования, включая кабели, что потребовало бы очень много времени — моделирование с высоким разрешением в непосредственной близости от контактов электродов требовало времени вычислений в несколько дней.

Измерительная установка в этом исследовании была выбрана так, чтобы вызывать резкие перепады температуры — соединительные кабели были полностью погружены в гель и размещены рядом с перекладинами катушки для тела птичьей клетки, где присутствует высокая напряженность электрического поля (Nordbeck et al., 2008) для работы в режиме, при котором наблюдается значительный нагрев. Длина кабеля полосок находилась в диапазоне длин, в котором ожидался резонансный нагрев, — длина, которая обычно используется в клинической практике. Фантомный гель был настолько вязким, что конвективное охлаждение не могло повлиять на распределение температуры (Park et al., 2003). Тем не менее, во время измерений нагрева расчетное значение радиочастотной мощности в 1 Вт / кг, рассчитанное системой МРТ, оставалось намного ниже нормативных пределов 4 Вт / кг SAR для всего тела, эффективных в США.Тем не менее, около контактов электродов было измерено ΔT max до 53 K, что могло быть опасно для пациентов с имплантированными электродами. (Вложение мощности было скорректировано, поскольку фантомный гель начал готовиться в предварительных экспериментах с расходом 2 Вт / кг). В ASTM данные измерений температуры собираются за 15-минутный период — здесь радиочастотное воздействие было сокращено до 5 минут, так как наибольший нагрев происходит в этот период времени. Необходимо принять дополнительные меры для экстраполяции этих результатов на другие диаметры контактов электрода или даже другие геометрические формы.Для безопасного использования испытанных электродов в клинических условиях можно использовать подход, основанный на индексе безопасности (Yeung et al., 2002), когда передаваемая РЧ-мощность снижается на заранее определенный коэффициент, так что ΔT max в районе контакты электродов остаются ниже 1 К. В представленных настройках — без учета любого переноса тепла (например, перфузии), но проводимости, этот индекс может достигать 1344, что означает, например, что необходимо уменьшить углы поворота в последовательностях MR. на 1344 = 36,6, коэффициент, который, вероятно, был бы непрактичным.

4.1.2. Влияние конфигурации концов кабеля

Еще одним фактором, влияющим на нагрев контактов электродов, вызванный радиочастотами, является электрическая оконечность соединительных кабелей (Özen et al., 2019). В этом исследовании концы кабеля были изолированы, поскольку производитель рекомендует избегать короткозамкнутых кабелей, поскольку петли кабеля могут представлять угрозу безопасности (Dempsey et al., 2001). Потенциал изолированного конца кабеля определяется более воспроизводимо, чем потенциал открытого кабеля — тем не менее, конфигурация плавающего кабеля также была протестирована в предварительных измерениях, и было обнаружено примерно в три раза меньшее ΔT max .Этот вывод согласуется с предыдущими исследованиями отведений от кардиостимуляторов. Было показано, что для изолированной концевой заделки кабеля значение ΔT max было выше, чем для конфигурации, подвергшейся воздействию геля (Langman et al., 2011). Эти результаты подчеркивают, что производителям имплантатов необходимо тщательно оценивать влияние оконечного импеданса на безопасность устройства.

4.2. Моделирование

Чтобы оценить относительную разницу в нагреве относительно диаметра контакта электрода, из моделирования было удалено как можно больше влияющих факторов.Таким образом, электроды моделировались одноэлектродными контактами. Результаты моделирования FDTD () предполагают, что значительно больший объем нагревается в непосредственной близости от более крупных контактов электрода, в то время как точечное SAR уменьшается, тогда как SAR концентрируется локально и увеличивается для меньших контактов электродов. Общая вложенная мощность для трех больших диаметров в три раза выше, чем для наименьшего. Поэтому для каждого клинического применения необходимо решить, является ли контакт большого диаметра электрода с соответствующим более высоким вкладом энергии на большую площадь предпочтительным по сравнению с контактом меньшего электрода с уменьшенным выделением энергии, но с 92-кратным увеличением плотности энергии в небольшом объеме. .В последние годы этот эффект фокусировки привел к количественной оценке значений SAR в больших (10 г ткани) и меньших (1 г ткани) объемах (Wang et al., 2007). Представленные здесь результаты моделирования показывают, что для имплантированных электродов большая часть отложения энергии происходит в объеме, эквивалентном 1 г ткани, и что это значение или даже меньше следует использовать для оценки безопасности.

Моделирование с датчиком FOTP подтверждает, что более низкие температуры обнаруживаются в присутствии датчика FOTP из-за смещения геля ().Хотя присутствие FOTP на расстоянии 1 мм от контакта электрода не изменяло среднее значение SAR, систематическая ошибка была обнаружена, когда FOTP находился в контакте с контактом электрода. Эта ошибка была наибольшей при меньшем диаметре контакта электрода. Это еще раз подчеркивает необходимость менее инвазивного метода измерения температуры.

При контакте электрода 4 мм была обнаружена более низкая максимальная температура по сравнению с контактом электрода 2,7 мм, что хорошо согласуется с моделированием, но контакт электрода 1 мм имеет более высокое среднее значение SAR, чем контакт электрода 4 мм, что составляет не воспроизводится при замерах.

Кольцеобразное распределение SAR вдоль контактной кромки электрода (см.), По сравнению с более пиковым распределением на контакте электрода 1 мм и 0,3 мм, делает меньшие контакты электродов еще более подверженными систематическим ошибкам позиционирования, что может объяснить несоответствие между контактом электрода 1 мм при моделировании и измерении. В области электростимуляции хорошо известно, что плотность тока максимальна на краю контакта электрода и близка к нулю в центре.Этот эффект становится более отчетливым с увеличением частоты, как это наблюдалось в типичном частотном диапазоне для электростимуляции с низкой частотой кГц (Behrend et al., 2008), и уменьшается с увеличением соотношения диаметра контакта электрода к краю силикона (Rubinstein et al. , 1987; Suesserman et al., 1991) — явление, которое также может происходить на частотах МГц, используемых в МРТ. Этот эффект можно исследовать с помощью метода измерения с пространственным разрешением, такого как МРТ-термометрия или прямое измерение распределения электрических полей (Reiss et al., 2015), что даст дополнительное преимущество в виде отсутствия теплопроводности.

Интеграция смоделированных температур по объему датчика FOTP дала значения температуры, которые имели тот же порядок, что и измерения с помощью FOTP, то есть максимальная температура для диаметра контакта электрода 2,7 мм. Однако абсолютные значения температуры при моделировании и измерении различаются до 2,9 раз. Здесь значения FOTP в контакте и расстояния 1 мм не учитывались, что может быть оправдано смещением геля FOTP, которое сильно влияет на нагрев.

Смоделированные кривые температура-время показывают более крутой рост, чем измерения, что предполагает наличие дополнительного радиатора во время эксперимента. Моделирование не учитывает теплопроводность электродов, которые могут отводить тепло от системы. Кроме того, нельзя полностью исключить конвективный перенос тепла в геле. Тем не менее, измерения и моделирование согласуются с коэффициентом 1,6 для самых больших диаметров электродов (2,7 мм и 4 мм), на которые в меньшей степени влияет присутствие FOTP.Сравнение измеренных и смоделированных кривых температура-время для всех диаметров контакта электродов на расстоянии 2 мм от FOTP (см. Приложение 5) показывает одинаковый порядок для максимальных значений температуры.

4.3. Сравнение результатов с предыдущими исследованиями

Лишь в нескольких публикациях анализируются аспекты безопасности МРТ-исследований у пациентов с имплантированными электродами (Hawsawi et al., 2017). В этом фантомном исследовании максимальное значение ΔT max , равное 53 K, было значительно выше, чем в предыдущих исследованиях с подобными типами имплантатов, проведенными Кармайкл и др. (6.7 K) (Carmichael et al., 2008), Carmichael et al. (6,9 K) (Carmichael et al., 2010), Boucousis et al. (10 K) (Boucousis et al., 2012), Ciumas et al (0,9 K ) (Ciumas et al., 2014), Ahmadi et al (10,1 K) (Ahmadi et al., 2016) и Bhattacharyya (12 K) (Bhattacharyya and Klapperich, 2007). Сравнение изменений температуры затруднено, так как напряженность поля МРТ, конфигурация имплантата, конструкция имплантата, объект изображения, параметры последовательности изображений и примененный SAR не согласованы между всеми этими исследованиями.Здесь имплантат был помещен полностью погруженным, с прямым кабелем в коронковой плоскости области правой руки внутри фантома ASTM, где ожидается наивысшая z-компонента E-поля (Nordbeck et al., 2008). Напротив, во всех предыдущих исследованиях имплантаты размещались в более центре области головы, чтобы имитировать клиническую конфигурацию, где основные части кабелей и конец кабеля были окружены воздухом. Уменьшение погруженной длины проводника приводит к изменению длины резонанса RF, а центральное положение кабелей приводит к снижению воздействия электрического поля.Таким образом, наше исследование более точно имитирует сценарий, в котором пациент наклоняет голову в сторону.

Ян и др. . недавно сообщалось, что у более чем тысячи пациентов с субдуральными контактами электродов из нержавеющей стали диаметром 4 мм, которым была проведена МРТ, не наблюдались неблагоприятные исходы, связанные с МРТ (Yang et al., 2012). Несмотря на то, что этот результат показывает, что изучаемая здесь ситуация не встречается в клинических условиях, остается заметная неопределенность в отношении возможных эффектов нагрева, которые могут возникнуть.Несмотря на то, что на величину (количество) нагрева сильно влияет степень погружения (имплантация) кабелей и расположение самого устройства относительно МР-сканера, качественное соотношение между диаметром контакта и МР-индуцированным нагревом остается в силе: Диаметр контакта электрода может помочь уменьшить общее количество энергии, рассеиваемой в окрестности электрода, но увеличивает точечный SAR на контакте.

4.4. Применимость результатов к электродам, используемым для различных применений.

Имплантируемые электроды, используемые для различных применений, такие как DBS или глубинные электроды, не исследовались.Форма этих электродов значительно отличается от геометрии, исследуемой здесь, и, таким образом, влияние размера контакта электрода на свойства нагрева не может быть выведено из представленных результатов. Недавние исследования показали, что электроды DBS с плоскими контактными диаметрами электродов 50 мкм (Vajari et al., 2018), а изменение размеров контактов электродов и существующие FOTP все еще могут влиять на схему нагрева.

Руководство по основам работы с регулятором температуры

| Instrumart

Предоставлено Danaher Industrial Controls Group — Автоматизация процессов, измерения и зондирование

Просмотреть все контроллеры Danaher’s Partlow и West

Зачем нужны терморегуляторы?

Регуляторы температуры необходимы в любой ситуации, когда необходимо поддерживать стабильную заданную температуру.Это может быть в ситуации, когда
объект требуется нагревать, охлаждать или и то, и другое, и поддерживать заданную температуру (заданное значение), независимо от изменения
окружающая среда вокруг него. Есть два основных типа контроля температуры; разомкнутый и замкнутый контур управления. Открытый цикл — это
наиболее простая форма и применяет непрерывный нагрев / охлаждение без учета фактической выходной температуры. Это аналог
система внутреннего отопления в автомобиле. В холодный день вам может потребоваться включить огонь на полную, чтобы прогреть машину до 75 °.Тем не мение,
в теплую погоду при той же настройке температура в салоне автомобиля будет намного выше желаемых 75 °.

Блок-схема управления без обратной связи

Управление по замкнутому циклу намного сложнее, чем по разомкнутому. В приложении с замкнутым контуром выходная температура постоянно
измеряется и регулируется для поддержания постоянной выходной мощности при желаемой температуре. Управление с обратной связью всегда учитывает
выходной сигнал и передаст его обратно в процесс управления.Замкнутый контур управления аналогичен автомобилю с внутренним климатом.
контроль. Если выставить температуру в автомобиле 75 °, климат-контроль автоматически отрегулирует обогрев (в холодные дни).
или охлаждение (в теплые дни) для поддержания целевой температуры 75 °.

Блок-схема управления с обратной связью

Введение в регуляторы температуры

Контроллер температуры — это устройство, используемое для поддержания заданной температуры на заданном уровне.

Самый простой пример терморегулятора — обычный термостат, который можно найти в домах. Например, водонагреватель.
использует термостат для контроля температуры воды и поддержания ее на определенном заданном уровне. Температура
контроллеры также используются в духовках. Когда для духовки установлена ​​температура, контроллер контролирует фактическую температуру внутри.
духовки. Если она упадет ниже установленной температуры, он отправит сигнал, чтобы активировать нагреватель, чтобы поднять температуру обратно до
уставка.Термостаты также используются в холодильниках. Поэтому, если температура становится слишком высокой, контроллер инициирует действие, чтобы
понижение температуры.

Общие приложения контроллера

Промышленные регуляторы температуры работают примерно так же, как и в обычных бытовых применениях. Базовая температура
Контроллер обеспечивает управление промышленными или лабораторными процессами нагрева и охлаждения. В типичном приложении датчики измеряют
фактическая температура.Эта измеренная температура постоянно сравнивается с пользовательской уставкой. Когда фактическая температура отклоняется
от заданного значения контроллер генерирует выходной сигнал для активации других устройств регулирования температуры, таких как нагрев
элементы или компоненты холодильного оборудования, чтобы вернуть температуру к заданному значению.

Обычное использование в промышленности

Контроллеры температуры используются в самых разных отраслях промышленности для управления производственными процессами или операциями.Некоторый
Регуляторы температуры широко используются в промышленности, включая машины для экструзии и литья пластмасс под давлением, термоформование.
машины, упаковочные машины, пищевая промышленность, хранение продуктов питания и банки крови. Ниже приводится краткий обзор некоторых распространенных
приложения для контроля температуры в промышленности:

  • Термообработка / Духовка

    Контроллеры температуры используются в печах и при термообработке в печах, печах для обжига керамики, котлах и т. Д.
    теплообменники.

  • Упаковка

    В мире упаковки оборудование, оснащенное сварочными планками, аппликаторами клея, функциями клея-расплава, туннелями для термоусадочной пленки или этикетками.
    аппликаторы должны работать при определенных температурах и продолжительности процесса. Контроллеры температуры точно регулируют
    эти операции для обеспечения выпуска продукции высокого качества.

  • Пластмассы

    Контроль температуры в пластмассовой промышленности является обычным для переносных чиллеров, бункеров и сушилок, а также для формования и экструзии.
    оборудование.В экструзионном оборудовании контроллеры температуры используются для точного мониторинга и контроля температуры при
    разные критические точки при производстве пластика.

  • Здравоохранение

    Контроллеры температуры используются в сфере здравоохранения для повышения точности контроля температуры. Обычное оборудование, использующее
    контроллеры температуры включают лабораторное и испытательное оборудование, автоклавы, инкубаторы, холодильное оборудование и
    камеры для выращивания кристаллизации и испытательные камеры, в которых должны храниться образцы или испытания должны проводиться в определенных условиях.
    температурные параметры.

  • Еда и напитки

    Общие области применения в пищевой промышленности, включающие регуляторы температуры, включают пивоварение, смешивание, стерилизацию и
    варочные и пекарские печи. Контроллеры регулируют температуру и / или время процесса для обеспечения оптимальной производительности.

Детали регулятора температуры

Все контроллеры имеют несколько общих частей. Во-первых, у контроллеров есть входы. Входные данные используются для измерения переменной в
контролируемый процесс.В случае терморегулятора измеряемой переменной является температура.

Входы

Контроллеры температуры могут иметь несколько типов входов. Тип входного датчика и необходимый сигнал могут различаться в зависимости от
от типа управляемого процесса. Типичные входные датчики включают термопары и резистивные тепловые устройства (RTD), а также
линейные входы, такие как мВ и мА. Типичные стандартизованные типы термопар включают, среди прочего, типы J, K, T, R, S, B и L.

Контроллеры

также могут быть настроены на прием RTD в качестве входа для измерения температуры. Типичный RTD — это платиновый датчик на 100 Ом.

В качестве альтернативы, контроллеры могут быть настроены на прием сигналов напряжения или тока в диапазоне милливольт, вольт или миллиампер от других типов
датчики, такие как датчики давления, уровня или потока. Типичные сигналы входного напряжения включают от 0 до 5 В постоянного тока, от 1 до 5 В постоянного тока, от 0 до 10 В постоянного тока и от 2 до 5 В постоянного тока.
10 В постоянного тока. Контроллеры также могут быть настроены на прием милливольтных сигналов от датчиков, которые включают от 0 до 50 мВ постоянного тока и от 10 до 50 мВ постоянного тока.Контроллеры также могут принимать миллиамперные сигналы, например, от 0 до 20 мА или от 4 до 20 мА.

Контроллер обычно включает функцию обнаружения неисправности или отсутствия входного датчика. Это называется датчиком.
обнаружение перерыва. Необнаруженная эта неисправность может привести к значительному повреждению управляемого оборудования. Эта особенность
позволяет контроллеру немедленно остановить процесс при обнаружении неисправности датчика.

Выходы

Помимо входов, у каждого контроллера есть выход.Каждый выход можно использовать для нескольких вещей, включая управление
процесса (например, включение источника нагрева или охлаждения), инициировать аварийный сигнал или повторно передать значение процесса в
программируемый логический контроллер (ПЛК) или регистратор.

Типичные выходы, снабженные контроллерами температуры, включают релейные выходы, драйверы твердотельных реле (SSR), симистор и линейные выходы.
аналоговые выходы. Релейный выход обычно представляет собой однополюсное двухпозиционное реле (SPDT) с катушкой постоянного напряжения.Контроллер
возбуждает катушку реле, обеспечивая изоляцию контактов. Это позволяет контактам управлять внешним источником напряжения для
запитать катушку гораздо большего нагревательного контактора. Важно отметить, что номинальный ток контактов реле составляет
обычно меньше 2А. Контакты могут управлять нагревательным контактором с номиналом 10–20 А, используемым нагревательными лентами или нагревательными элементами.

Другой тип вывода — это драйвер SSR. Выходы драйвера SSR — это логические выходы, которые включают или выключают твердотельное реле.Большинство
твердотельным реле требуется от 3 до 32 В постоянного тока для включения. Типичный сигнал включения драйвера SSR 10 В может управлять тремя твердотельными реле.

Симистор обеспечивает функцию реле без каких-либо движущихся частей. Это твердотельное устройство, контролирующее токи до 1 А. Симистор
Выходы могут допускать небольшое количество утечки тока, обычно менее 50 мА. Этот ток утечки не влияет на нагрев
цепи контактора, но это может быть проблемой, если выход используется для подключения к другой твердотельной цепи, такой как вход ПЛК.Если это вызывает беспокойство, лучше выбрать стандартный релейный контакт. Он обеспечивает абсолютный нулевой ток, когда на выходе
обесточен и контакты разомкнуты.

На некоторых контроллерах имеются аналоговые выходы, которые выдают сигнал 0–10 В или сигнал 4–20 мА. Эти сигналы
откалиброван так, чтобы сигнал изменялся в процентах от выходного сигнала. Например, если контроллер отправляет сигнал 0%,
аналоговый выход будет 0 В или 4 мА. Когда контроллер отправляет сигнал 50%, на выходе будет 5 В или 12 мА.Когда
Контроллер отправляет 100% сигнал, на выходе будет 10 В или 20 мА.

Другие параметры

Сравнение аварийных сигналов контроллера

У регуляторов температуры есть несколько других параметров, один из которых является уставкой. По сути, уставка — это набор целевых значений.
оператором, которого контроллер стремится поддерживать устойчивым. Например, заданная температура 30 ° C означает, что
Контроллер будет стремиться поддерживать температуру на этом значении.

Другой параметр — это значение срабатывания сигнализации. Это используется, чтобы указать, когда процесс достиг некоторого заданного состояния. Есть
несколько вариаций по типам будильников. Например, аварийный сигнал высокого уровня может указывать на то, что температура стала выше, чем некоторые
установить значение. Точно так же низкий сигнал тревоги указывает на то, что температура упала ниже некоторого установленного значения.

Например, в системе контроля температуры фиксированный высокий сигнал тревоги предотвращает повреждение оборудования источником тепла путем
обесточивание источника, если температура превышает некоторое заданное значение.С другой стороны, низкий фиксированный сигнал тревоги может быть
установите, если низкая температура может повредить оборудование в результате замерзания.

Контроллер также может проверить наличие неисправного выходного устройства, такого как открытый нагревательный элемент, путем проверки количества выходного сигнала.
сигнал и сравнивая его с величиной обнаруженного изменения входного сигнала. Например, если выходной сигнал равен 100% и
входной датчик не обнаруживает никаких изменений температуры по прошествии определенного периода времени, контроллер определит, что контур исправен.
сломанный.Эта функция известна как Loop Alarm.

Другой тип сигнала тревоги — сигнал отклонения. Устанавливается на некоторое положительное или отрицательное значение от уставки. Сигнал отклонения
контролирует заданное значение процесса. Оператор получает уведомление, когда процесс начинает изменять некоторую заранее запрограммированную величину от
уставка. Разновидностью сигнала отклонения является сигнализация диапазона. Этот сигнал тревоги сработает либо в пределах назначенного, либо за его пределами.
температурный диапазон. Обычно точки срабатывания сигнализации наполовину выше и наполовину ниже уставки контроллера.

Например, если заданное значение составляет 150 °, а аварийные сигналы отклонения установлены на ± 10 °, аварийные сигналы будут активированы.
когда температура достигла 160 ° на верхнем конце или 140 ° на нижнем. Если уставка изменена на 170 °,
сигнализация высокого уровня активируется при 180 °, а сигнализация низкого уровня — при 160 °. Другой распространенный набор параметров контроллера — это ПИД-регулятор.
параметры. PID, что означает пропорциональный, интегральный, производный, представляет собой расширенную функцию управления, которая использует обратную связь от
контролируемый процесс, чтобы определить, как лучше всего контролировать этот процесс.

Как это работает

Все контроллеры, от базовых до самых сложных, работают примерно одинаково. Контроллеры контролируют или удерживают некоторую переменную
или параметр на заданное значение. Контроллеру требуются две переменные; фактический входной сигнал и желаемое заданное значение.
Входной сигнал также известен как значение процесса. Вход в контроллер дискретизируется много раз в секунду, в зависимости от
на контроллере.

Затем это входное или технологическое значение сравнивается со значением уставки.Если фактическое значение не соответствует уставке,
Контроллер генерирует изменение выходного сигнала в зависимости от разницы между заданным значением и значением процесса, а также от того,
или значение процесса не приближается к заданному значению или отклоняется дальше от заданного значения. Этот выходной сигнал затем инициирует некоторые
тип реакции для корректировки фактического значения, чтобы оно соответствовало уставке. Обычно алгоритм управления обновляет вывод
значение мощности, которое затем применяется к выходу.

Принимаемое управляющее воздействие зависит от типа контроллера. Например, если контроллер является управлением ВКЛ / ВЫКЛ, контроллер
решает, нужно ли включить выход, выключить или оставить в его текущем состоянии.

Управление ВКЛ / ВЫКЛ — один из самых простых в реализации типов управления. Он работает путем установки диапазона гистерезиса. Например,
регулятор температуры может быть установлен для контроля температуры внутри помещения. Если заданное значение составляет 68 °, а фактическое значение
температура упадет до 67 °, сигнал ошибки покажет разницу в –1 °.Затем контроллер отправит сигнал на
увеличьте прикладываемое тепло, чтобы снова поднять температуру до заданного значения 68 °. Как только температура достигнет 68 °,
обогреватель отключается. При температуре от 68 ° до 67 ° контроллер не выполняет никаких действий, и нагреватель остается выключенным.
Однако, как только температура достигнет 67 °, нагреватель снова включится.

В отличие от управления ВКЛ / ВЫКЛ, ПИД-регулирование определяет точное выходное значение, необходимое для поддержания желаемой температуры.Выход
мощность может варьироваться от 0 до 100%. Когда используется тип аналогового выхода, выходной сигнал пропорционален значению выходной мощности.
Однако, если выход представляет собой тип двоичного выхода, такой как реле, драйвер SSR или симистор, тогда выход должен быть пропорциональным по времени
получить аналоговое представление.

Система с пропорциональным временным распределением использует время цикла для пропорционального распределения выходного значения. Если время цикла установлено на 8 секунд, система вызывает
при 50% мощности выход будет включен на 4 секунды и выключен на 4 секунды.Пока значение мощности не меняется, время
ценности не изменились бы. Со временем мощность усредняется до заданного значения 50%, при половинном включении и половинном выключении. Если выходная мощность
должно быть 25%, тогда в течение того же времени цикла 8 секунд выход будет включен на 2 секунды и выключен на 6 секунд.

Пример дозирования выходного времени

При прочих равных условиях желательно более короткое время цикла, потому что контроллер может быстрее реагировать и изменять состояние
вывод для заданных изменений в процессе.Благодаря механике реле более короткое время цикла может сократить срок службы реле и
не рекомендуется быть меньше 8 секунд. Для твердотельных переключающих устройств, таких как драйвер SSR или симистор, время переключения сокращается.
лучше. Более длительное время переключения, независимо от типа выхода, допускает большие колебания технологического значения. Общее правило таково:
ТОЛЬКО, если процесс позволяет это, когда используется релейный выход, желательно более длительное время цикла.

Дополнительные функции

Контроллеры также могут иметь ряд дополнительных дополнительных функций.Одно из них — коммуникационные возможности. Общение
link позволяет контроллеру связываться с ПЛК или компьютером. Это позволяет обмениваться данными между контроллером и хостом.
Примером типичного обмена данными может быть хост-компьютер или ПЛК, считывающий значение процесса.

Второй вариант — удаленная уставка. Эта функция позволяет удаленному устройству, например ПЛК или компьютеру, изменять контроллер.
уставка. Однако, в отличие от возможностей связи, упомянутых выше, вход удаленного задания уставки использует линейный аналоговый вход.
сигнал, который пропорционален заданному значению.Это дает оператору дополнительную гибкость, поскольку он может изменять заданное значение с
удаленное место. Типичный сигнал может быть 4–20 мА или 0–10 В постоянного тока.

Другой распространенной функцией, поставляемой с контроллерами, является возможность их настройки с помощью специального программного обеспечения на ПК, подключенном через
канал связи. Это позволяет быстро и легко конфигурировать контроллер, а также дает возможность сохранять конфигурации для использования в будущем.

Еще одна общая черта — цифровой вход.Цифровой вход может работать вместе с удаленной уставкой для выбора локального или удаленного
уставка для контроллера. Его также можно использовать для выбора между уставкой 1 и уставкой 2, как запрограммировано в контроллере. Цифровой
входы также могут удаленно сбросить предельное устройство, если оно перешло в предельное состояние.

Другие дополнительные функции включают источник питания преобразователя, используемый для питания датчика 4–20 мА. Этот блок питания используется для питания
Питание 24 В постоянного тока при максимальном токе 40 мА.

В некоторых приложениях двухцветный дисплей также может быть желательной функцией, позволяющей легко идентифицировать различные состояния контроллера.
Некоторые продукты также имеют дисплеи, которые могут менять цвет с красного на зеленый или наоборот в зависимости от предварительно запрограммированных условий, например
как указание на состояние тревоги. В этом случае зеленый дисплей может не отображать тревогу, но если тревога присутствует, дисплей
станет красным.

Типы контроллеров

Контроллеры температуры бывают разных стилей с широким спектром функций и возможностей.Также есть много
способы категоризации контроллеров в соответствии с их функциональными возможностями. Как правило, регуляторы температуры бывают одноконтурными.
или многопетлевой. Контроллеры с одним контуром имеют один вход и один или несколько выходов для управления тепловой системой. С другой стороны,
Многоконтурные контроллеры имеют несколько входов и выходов и могут управлять несколькими контурами в процессе. Больше контроля
петли позволяют управлять большим количеством функций технологической системы.

Диапазон надежных одноконтурных контроллеров — от базовых устройств, требующих однократного изменения уставки вручную, до сложных профилировщиков
который может автоматически выполнять до восьми изменений уставок в течение заданного периода времени.

Аналог

Самый простой и базовый тип контроллера — аналоговый. Аналоговые контроллеры — это недорогие, простые контроллеры, которые
Достаточно универсален для жесткого и надежного управления технологическим процессом в суровых промышленных условиях, в том числе в тех
шум. Дисплей контроллера обычно представляет собой ручку управления.

Базовые аналоговые контроллеры используются в основном в некритичных или простых тепловых системах для обеспечения простой температуры включения-выключения.
управление для приложений прямого или обратного действия.Базовые контроллеры принимают входы термопар или RTD и предлагают дополнительный процент
режим управления мощностью для систем без датчиков температуры. Их основной недостаток — отсутствие удобочитаемого дисплея и отсутствие
сложность для более сложных задач управления. Кроме того, отсутствие каких-либо коммуникационных возможностей ограничивает их использование простыми приложениями.
например, включение / выключение нагревательных элементов или охлаждающих устройств.

Предел

Эти контроллеры обеспечивают безопасный контроль температуры процесса.У них нет возможности самостоятельно контролировать температуру.
Проще говоря, контроллеры предельных значений — это независимые устройства безопасности, которые можно использовать вместе с существующим контуром управления. Они способны
прием термопар, RTD или технологических входов с ограничениями, установленными для высокой или низкой температуры, как обычный контроллер. Ограничение контроля
является блокирующим и является частью резервной схемы управления для принудительного отключения тепловой системы в случае превышения предела. В
выход предела фиксации должен быть сброшен оператором; он не будет сброшен сам по себе, если условие ограничения не существует.Типичный пример
будет отключением безопасности для печи. Если температура в печи превысит некоторую заданную температуру, ограничительное устройство отключит систему.
Это сделано для предотвращения повреждения печи и, возможно, любого продукта, который может быть поврежден чрезмерными температурами.

Регуляторы температуры общего назначения

Регуляторы температуры общего назначения используются для управления наиболее типичными промышленными процессами. Обычно они бывают разных
Размеры DIN, имеют несколько выходов и программируемые функции вывода.Эти контроллеры также могут выполнять ПИД-регулирование для отличного
общие контрольные ситуации. Они традиционно размещаются на передней панели с дисплеем для облегчения доступа оператора.

Большинство современных цифровых контроллеров температуры могут автоматически рассчитывать параметры ПИД для оптимальной работы тепловой системы.
используя свои встроенные алгоритмы автонастройки. Эти контроллеры имеют функцию предварительной настройки для первоначального расчета параметров PID для
процесс и функция непрерывной настройки для постоянного уточнения параметров ПИД-регулятора.Это позволяет быстро настроить, сэкономить время и сократить количество отходов.

Привод электродвигателя клапана

Особым типом универсального контроллера является контроллер привода клапана (VMD). Эти контроллеры специально разработаны для
двигатели регулирующих клапанов, используемые в производственных приложениях, таких как управление газовыми горелками на производственной линии. Специальные алгоритмы настройки
обеспечивают точное управление и быструю реакцию на выходе без необходимости обратной связи по скользящей схеме или чрезмерного знания трехчленного ПИД-регулятора
алгоритмы настройки.Контроллеры VMD управляют положением клапана в диапазоне от 0% до 100% открытия, в зависимости от энергии.
потребности процесса в любой момент времени.

Профиль

Контроллеры профилирования, также называемые контроллерами линейного замачивания, позволяют операторам программировать количество заданных значений и время сидения на каждом из них.
уставка. Программирование изменения уставки называется рампой, а время нахождения на каждой уставке называется выдержкой или выдержкой. Один пандус или
одна выдержка считается одним сегментом.Профайлер предлагает возможность ввести несколько сегментов, чтобы разрешить сложную температуру.
профили. Оператор может называть профили рецептами. Большинство профилировщиков позволяют хранить несколько рецептов для последующего использования. Меньше
Профилировщики могут допускать четыре рецепта с шестнадцатью сегментами каждый с более продвинутыми профилировщиками, позволяющими создавать больше рецептов и сегментов.

Контроллеры профилей могут выполнять профили нарастания и выдержки, такие как изменения температуры с течением времени, наряду с выдержкой и выдержкой / циклом
продолжительности без присмотра оператора.

Типичные области применения контроллеров профиля включают термообработку, отжиг, климатические камеры и печи для сложных технологических процессов.

Многоконтурный

Помимо одноконтурных контроллеров, которые могут управлять только одним контуром процесса, многоконтурные контроллеры могут управлять более чем одним контуром,
это означает, что они могут принимать более одной входной переменной.

Вообще говоря, многоконтурный контроллер можно рассматривать как устройство с множеством отдельных контроллеров температуры внутри
одиночное шасси.Обычно они устанавливаются за панелью, а не перед панелью, как в универсальных одиночных
шлейфовые контроллеры. Программирование любого из контуров аналогично программированию терморегулятора, установленного на панели. Тем не мение,
Многоконтурные системы, как правило, не имеют традиционного физического пользовательского интерфейса (без дисплея или переключателей), а вместо этого используют специальный
канал связи.

Многоконтурные контроллеры необходимо настраивать с помощью специальной программы на ПК, которая может загружать конфигурацию в
контроллер с помощью специального интерфейса связи.

Информацию можно получить через интерфейс связи. Общие поддерживаемые интерфейсы связи включают:
DeviceNet, Profibus, MODBUS / RTU, CanOPEN, Ethernet / IP и MODBUS / TCP.

Многоконтурные контроллеры представляют собой компактную модульную систему, которая может работать как в автономной системе, так и в ПЛК.
среда. В качестве замены регуляторов температуры в ПЛК они обеспечивают быстрое ПИД-регулирование и разгружают большую часть математических вычислений.
интенсивная работа процессора ПЛК, что позволяет увеличить скорость сканирования ПЛК.В качестве замены нескольких контроллеров DIN они
обеспечить единую точку программного доступа ко всем контурам управления. Стоимость установки снижается за счет устранения большого количества проводки,
вырезы в панелях и экономия места на панелях.

Многоконтурные контроллеры предоставляют некоторые дополнительные функции, недоступные в традиционных контроллерах, устанавливаемых на панели. Например,
Многоконтурные контроллеры имеют более высокую плотность контуров для данного пространства. Некоторые многоконтурные системы контроля температуры могут иметь
до 32 контуров управления в корпусе, устанавливаемом на DIN-рейку длиной не более 8 дюймов.Они также сокращают количество проводов за счет наличия общего
точка подключения для питания и интерфейсов связи.

Многоконтурные регуляторы температуры также имеют улучшенные функции безопасности, одной из которых является отсутствие кнопок, на которых
любой может изменить важные настройки. Имея полный контроль над информацией, считываемой или записываемой в контроллер,
производитель машин может ограничить информацию, которую любой оператор может прочитать или изменить, предотвращая нежелательные условия
от возникновения, например, установка слишком высокой уставки до диапазона, который может привести к повреждению продукта или машины.Кроме того, контроллер
модули могут быть заменены в горячем режиме. Это позволяет заменять модуль контроллера без отключения питания системы. Модули
также может автоматически настраиваться после горячей замены.

Другие характеристики регулятора температуры
Напряжение питания

Обычно существует два варианта напряжения питания, когда речь идет о контроллерах температуры: низкое напряжение (24 В переменного / постоянного тока) и высокое напряжение (110–230 В переменного тока).

Размер

Контроллеры бывают нескольких стандартных размеров, которые обозначаются номерами DIN, такими как 1/4 DIN, 1/8 DIN, 1/16 DIN и 1/32 DIN.DIN — это сокращение от примерно переведенного Deutsche Institut fur Normung, немецкой организации по стандартам и измерениям.
Для наших целей DIN просто означает, что устройство соответствует общепринятому стандарту размеров панелей.

Сравнение размеров DIN

Ø контакта в мм 0.3 (ΔT макс. дюймов K) 1,0 (ΔT max дюймов K) 2,7 (ΔT макс дюймов K) 4,0 (ΔT max дюймов K)
Расстояние FOTP Температурное моделирование
Контакт 19,42 79,32 57,66 27,01
71 29,09
2 мм 3,65 19,69 32,85 23,58
3 мм 2,20 11,92
11,92
DIN Размер 1/4 1/8 1/16 1/32
Размер в мм 92 х 92 92 х 45 45 х 45 49 х 25
Размер в дюймах 3.62 х 3,62 3,62 х 1,77 1,77 x 1,77 1,93 х 0,98

Наименьший размер — это 1/32 DIN, который составляет 24 мм × 48 мм, с соответствующим вырезом в панели 22,5 мм × 45 мм. Следующий размер
вверху находится 1/16 DIN, размер которого составляет 48 мм × 48 мм с размером выреза в панели 45 мм × 45 мм. 1/8 DIN составляет 48 мм × 96 мм с
вырез в панели 45 мм × 92 мм. Наконец, самый большой размер — это 1/4 DIN размером 96 мм × 96 мм с вырезом в панели 92 мм × 92 мм.

Важно отметить, что стандарты DIN не определяют, насколько глубоко контроллер может находиться за панелью. Стандарты
учитывайте только размеры передней панели и размеры выреза в панели.

Одобрения агентств

Желательно, чтобы терморегулятор имел какое-либо одобрение агентства, чтобы гарантировать, что контроллер соответствует требованиям.
минимальный набор норм безопасности. Тип разрешения зависит от страны, в которой будет использоваться контроллер.В
Наиболее распространенное одобрение, регистрация UL и cUL, применяется ко всем контроллерам, используемым в США и Канаде. Обычно бывает один
сертификация требуется для каждой страны.

Для контроллеров, которые используются в странах Европейского Союза, требуется одобрение CE.

Третий тип сертификации — FM. Это относится только к ограничивающим устройствам и контроллерам в США и Канаде.

Класс защиты передней панели

Важной характеристикой контроллера является степень защиты передней панели.Эти рейтинги могут быть в форме рейтинга IP или
Рейтинг NEMA. Классы IP (защиты от проникновения) применяются ко всем контроллерам и обычно составляют IP65 или выше. Это означает, что из
только на передней панели, контроллер полностью защищен от пыли и струй воды под низким давлением со всех сторон с помощью
разрешено только ограниченное проникновение. Рейтинги IP используются в США, Канаде и Европе.

Рейтинг контроллера NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования) параллелен рейтингу IP.Большинство контроллеров имеют
Рейтинг NEMA 4 или 4X, что означает, что они могут использоваться в приложениях, требующих только промывки водой (не масла или растворителей). В
«X» в рейтинге NEMA 4X означает, что передняя панель не подвержена коррозии. Рейтинги NEMA используются в основном в США и Канаде.

Термовольтные измерения атомных контактов при низких температурах

Проведение измерения термоЭДС

Образец был приготовлен методом электронно-лучевой литографии, как описано ранее [22], но с использованием Kapton Cirlex в качестве материала подложки вместо обычных подложек из бронзы или нержавеющей стали [18,23,24].Kapton Cirlex — это электроизоляционный и оптически непрозрачный материал на основе полиимида. Мы используем толщину 500 мкм, выбранную таким образом, чтобы она была механически прочной, но обеспечивала гибкость в широком диапазоне температур до 4 К и, таким образом, подходила для измерений при низких температурах. Помимо гибкости, его теплопроводность на один-два порядка ниже при 4 К, чем у обычных металлических подложек. Это поддерживает создание (и сохранение) температурного градиента для измерений термоЭДС.Из-за среднеквадратичного значения При шероховатости поверхности 1 мкм необходимо было отполировать подложку перед нанесением центрифугированного покрытия тонким слоем (2–3 мкм) полиимида, который усиливает планаризацию подложки. Кроме того, этот слой служит жертвенным слоем, который необходимо протравить, чтобы создать отдельно стоящий Au-мостик длиной примерно 2 мкм. Недостатком использования этой (термически и) электронно изолирующей подложки была необходимость преодолеть вызванное зарядом ухудшение электронного луча во время процесса литографии.Для этого подложки были покрыты тонкой пленкой Al толщиной 10 нм поверх стандартного фоторезиста (MAA / PMMA). Этот металлический слой был удален после электронно-лучевой литографии путем вымачивания образца в растворе гидроксида натрия на несколько десятков секунд.

Использовался оптический криостат, позволяющий проводить измерения при 77 К или 4 К. Предварительные измерения показали необходимость работы при низкой температуре для повышения временной стабильности переходов и обеспечения чистых условий благодаря криогенному вакууму.Для организации переходов атомного размера мы разработали механизм MCBJ, который поддерживает положение атомного мостика почти постоянным при изгибе подложки. Кроме того, образец установлен вертикально для облегчения оптической фокусировки и сканирования. Схема установки показана на рисунке 1. Поворачивая стержень двигателем, мы удлиняем и, наконец, разрушаем сужение MCBJ. Вращение стержня двигателя сначала преобразуется в вертикальное движение (d x , стержень ) с последующим переводом этого движения в горизонтальное (d z ) с помощью ножа, который толкает шарик.Затем образец изгибается, так что горизонтальное движение снова преобразуется в пикометрическое изменение расстояния между электродами, чтобы сформировать и разрушить мост (d x ).

Рисунок 1:

а) Схема механизма MCBJ.Образец представлен оранжевой линией, а стык находится в его центре. б) Схема движения по схеме для пояснения. Части, отмеченные зеленым цветом, указывают на вертикальное, а синие — на горизонтальное движение.

Рисунок 1:
а) Схема механизма MCBJ. Образец представлен оранжевой линией и стыком…

Для обеспечения возможности облучения светом с различной длительностью импульса все компоненты оптической системы устанавливаются вне криостата, за исключением последней фокусирующей линзы, см. Рис. 2. В экспериментах, описанных в этой статье, мы использовали непрерывно-волновой аргоновый криптон. (Ar-Kr) лазер на длине волны λ = 514 нм. Лазерный луч прерывался электрооптическим модулятором и затем фокусировался на образец с переменной интенсивностью до 3 мВт.Воздействие тепловых градиентов на контакты атомного размера обычно вызывает изменение геометрии наконечников из-за теплового расширения, вызванного вкладываемой энергией. Для нашего эксперимента мы получаем из моделирования, что изменение расстояния между остриями, образующими атомный контакт, меньше 1 пм, тем самым ограничивая возможные изменения проводимости до менее 10 -2 G 0 [24,25] . Кроме того, облучение лазерным светом может вызвать возбуждение в слое Au, которое влияет на электронные свойства [23,24].Чтобы избежать таких нежелательных других источников сигналов напряжения, мы не облучаем металлические выводы, а подложку поблизости, см. Рисунок 2, и выбираем фокусировку лазерного нагрева на несколько микрон от сужения. Расстояния между зеркалом, линзами 1 ( f 1 = 50 мм) и 2 ( f 2 = 150 мм) и образцом были выбраны таким образом, чтобы положение фокуса лазера на образце можно было регулировать с помощью наклонить зеркало. Небольшое расстояние между линзой объектива и поверхностью образца f 3 = 12.6 мм обеспечивает наименьший диаметр фокуса (полная ширина на полувысоте (FWHM)) около 12,7 мкм (см. Раздел «Методы»). Положение фокуса лазера на подложке контролируется камерой CCD.

Рисунок 2:

Оптическая установка: лазер Ar-Kr служит источником непрерывного лазера на длине волны λ = 514 нм, а луч прерывается электрооптическим модулятором (EOM).Расстояния между зеркалом, линзами 1 и 2 и образцом выбирались таким образом, чтобы положение фокуса лазера на образце можно было регулировать путем наклона зеркала. Источник света освещался, и за образцом наблюдала камера CCD. Полученное оптическое изображение показано в нижнем левом углу, где белые линии указывают контур структуры Au, а лазерное пятно (зеленая точка) показывает освещенное положение.

Рисунок 2:
Оптическая установка: лазер Ar-Kr служит источником непрерывного лазера на длине волны λ = 514 нм и луча…

Образец контролируемым образом разрушается и закрывается при низкой температуре в криогенном вакууме путем изгиба и сплющивания подложки без лазерного облучения, при регистрации тока при приложенном смещении 5 мВ. Управление двигателем и сбор данных выполняется с помощью специальной программы сбора данных. Это измерение повторяется сотни циклов для получения большого статистического набора для определения корреляции между термо-напряжением и проводимостью перехода.Пример гистограммы проводимости, записанной при T = 77 K, показан на рисунке 3. В пределах статистической точности они согласуются с более ранними результатами, полученными на контактах Au и реализованными с помощью различных методов (например, [18]).

Рисунок 3:

Гистограмма проводимости при 77 К 220 кривых открытия и закрытия, записанных при приложенном напряжении 5 мВ. G 0 = 2 e 2 / h — квант проводимости.

Рисунок 3:
Гистограмма электропроводности при 77 К 220 кривых открытия и закрытия, записанных при приложенном напряжении …

Для измерения Δ V и Δ T стандартная схема образца MCBJ была изменена, так что он содержал две цепи: основную схему для измерения термо-напряжения и проводимости ( G ) и температурную цепь для измерения определение изменения температуры по образцу, см. рисунок 4.

Рисунок 4:

Схематическое изображение измерительных цепей. а) Основная цепь, в которой ток I измеряется падением напряжения на предварительном резисторе R I = 812 Ом.б) Температурный контур с R TC ≈ 5200 Ом и образец, соединенный с электрическим потенциалом земли.

Рисунок 4:
Схематическое изображение измерительных цепей. а) Основная цепь, в которой измеряется ток I

Определение проводимости и термо-напряжения — измерения главной цепи

В основной цепи подается постоянное напряжение ( В, MC ) и измеряется напряжение ( В, ) на переходе с помощью двух разных усилителей напряжения (× 100 и × 20000 соответственно).Усилитель с коэффициентом усиления 100 имеет очень низкое и стабильное во времени смещение напряжения. Он используется для определения полного падения напряжения на образце и определения проводимости. Усилитель с большим коэффициентом усиления служит для измерения термо-напряжения. Ток ( I ) измеряется падением напряжения на последовательном резисторе ( R I = 812 Ом). Этот резистор действует как ограничитель тока в случае замкнутого перехода, т.е. когда 1/ G << R I .Когда переход образует атомный контакт с ≈ G 0 , то есть R >> R I , в токе преобладает сопротивление перехода.

Процедура измерения для одновременного определения проводимости G и термо-напряжения Δ В следующая: После образования атомного контакта двигатель останавливается.Затем выполняется измерение В, , в то время как лазер подает импульс на образец с длительностью импульса 4 мс в определенной позиции (например, показанной на рисунке 2). Для низких напряжений вольт-амперная характеристика ( I V ) является линейной, так что G = I / V может быть определено из отдельных данных V и I . Разрешение измерения составляет порядка 10 −2 G 0 .На рисунке 5a показано напряжение во время импульсного лазерного нагрева подложки в положении, указанном на рисунке 2. Термо-напряжение (Δ V ) определяется пересечением Y и Δ V ( I ) кривая с облучением, см. рис. 5в. Этот метод гарантирует, что все напряжение при I = 0 будет исключительно из-за теплового градиента, вызванного лазерным импульсом [10]. Чтобы определить термоЭДС контакта, необходимо определить вклад электрической цепи в термо-напряжение.Принимая во внимание объемное значение S Au и тот факт, что в данном эксперименте приложенный градиент температуры сосредоточен внутри Au выводов на кристалле, этот вклад незначителен [10].

Рисунок 5:

Методика измерения главной цепи атомных контактов Au при 77 К.a) Необработанные данные В в зависимости от времени при I = -0,39 мкА во время импульса лазера (зеленая линия). Затем определяется ∆ V и усредняется по множеству импульсов при конкретном I для получения кривой ∆ V ( I ), изображенной на b). Подгонка (красная линия) с ∆ В = −175,6 Ом · I + 2,07 мкВ дает ∆ В 0 = ∆ В ( I = 0) = (2,0 ± 0,3) мкВ ( Столбцы ошибок, определенные статистическим усреднением по повторяющимся импульсам, меньше размера символа.в) Зависимость термо-напряжения ∆ В 0 от проводимости отдельных контактов. Для этих измерений использовался лазер с длиной волны 514 нм и мощностью 1,5 мВт для освещения образца в положении, показанном на рисунке 2.

Рисунок 5:
Методика измерения главной цепи для атомных контактов Au при 77 К. а) Исходные данные В, в сравнении с…

Электроника тщательно калибруется перед проведением измерений, чтобы убедиться в отсутствии других источников смещения на переходе, возникающих из-за смещений усилителей. Каждое измерение ∆ V берется для определенного стабильного значения G и затем повторяется для контактов с разной проводимостью.Конкретное измерение, показанное на рис. 5a, b, было выполнено в течение 50 с. Совокупность ∆ V ряда контактов с различными G представлена ​​на рисунке 5c.

Определение ∆

T — измерение температуры контура

Здесь мы предлагаем метод определения разницы температур на стыке для расчета S .С этой целью были изготовлены два дополнительных вывода из золота методом электронно-лучевой литографии за один этап литографии с основной схемой. Два вывода датчика расположены по обе стороны от соединения, расстояние между ними составляет около 5 мкм. Они имеют конусообразную форму с шириной, увеличивающейся от 4 мкм в месте пересечения с датчиками напряжения до 7 мкм на расстоянии около 100 мкм от этой точки. Кроме того, они имеют изгиб на расстоянии 25 мкм от пересечения, см. Рис. 2. Сопротивление каждого провода датчика ( R Sens ) можно измерить с помощью 4-точечной схемы измерения.Релейные переключатели расположены рядом с образцом для подключения обоих электродов соединения к земле, см. Рисунок 4b. Измерение изменения напряжения на двух выводах датчика ( В, Sens ) было выполнено во время импульса лазера при различных приложенных напряжениях ( В TC ) в положении, показанном на микрофотографии образца ( Рис.2) зеленой точкой. На рисунке 6a показаны графики V Sens при освещении для последовательности токов смещения, смещенных по вертикали для ясности.Значения ∆ V Sens построены в зависимости от текущего значения I TC на рисунке 6b. Линейная аппроксимация этих точек приводит к уравнению ∆ В Sens = 0,15 Ом · I TC + 0,08 мкВ.

Рисунок 6:

а) Необработанные данные В Sens в зависимости от времени при различных приложенных токах, когда лазер пульсирует на подложке.Длительность импульса 4 мс обозначена зеленой линией. Кривые смещены по вертикали, чтобы избежать перекрытия. б) ∆ В Sens ( I ) = В Sens (вкл.) — V Sens (выкл.) кривая, полученная из необработанных данных в a). Планки погрешностей обозначают стандартное отклонение кривых времени, когда лазер был выключен, умноженное на √2, чтобы учесть тот факт, что вычисляется разница между временем включения и выключения. Уравнение линейной аппроксимации (красная линия): ∆ V Sens = 0.15 Ом · I TC + ∆ V 0 .

Рисунок 6:
а) Необработанные данные В Sens в зависимости от времени при различных приложенных токах, в то время как лазер пульсирует на …

Данные показывают два вклада лазерного нагрева в наблюдаемый сигнал: напряжение, возникающее в результате изменения сопротивления проводов датчика из-за повышения температуры, и термо-напряжение ∆ В 0 , которое здесь далее не рассматривается. .Эти эффекты можно легко разделить с помощью соотношения ∆ V Sens = ∆ R Sens · I TC + ∆ V 0 .

Значение ∆ V Sens ( I ) = V Sens (on) — V Sens (off) определяется как изменение V Sens , когда лазер пульсирует (рис. 6а).Наклон кривой ∆ V Sens ( I TC ) соответствует изменению сопротивления ∆ R Sens , здесь ∆ R Sens = 0,15 Ом, которое преобразуется в разность температур Δ T с использованием моделирования, описанного в следующем разделе.

Моделирование

Чтобы получить ∆ T на стыке из разницы сопротивлений ∆ R Sens , измеренной между двумя выводами датчика, было выполнено моделирование конечных элементов с помощью COMSOL Multiphysics [26].Моделирование проводилось для эквивалентной конструкции образца с поперечным сечением подвешенного Au-моста 63 × 100 нм. 2 . Чтобы смоделировать тот факт, что измерение проводилось при относительно низкой проводимости 4 G 0 , мы предполагаем, что контакт является термически и электрически изолирующим. Золотая структура была помещена на подложку Kapton Cirlex (свойства из библиотеки материалов COMSOL: полиимидная лента (Kapton HN)) с дополнительным слоем полиимида (свойства из модуля COMSOL MEMS: полиимид) 2.Толщина 5 мкм. Гауссов источник тепла мощностью 1,5 мВт и диаметром 12 мкм (FWHM) был расположен на поверхности подложки и представлял собой лазерный источник с λ ≈ 500 нм [25]. Моделирование проводилось для 77 К в положении лазерного пятна в стороне от металлической пленки, как в эксперименте (Рисунок 7, вставки и Рисунок 2).

Рисунок 7:

Моделирование распределения температуры, создаваемого гауссовым источником тепла 1.5 мВт и диаметром 12 мкм (FWHM) после 4 мс нагрева при базовой температуре 77 К. Мы реализовали структуру, аналогичную нашему устройству. Точка облучения (зеленая точка) соответствует той, которая использовалась в нашем эксперименте. Рассчитаем температурный профиль по разным сечениям, показанным на вставках красной, зеленой (а) и синей линиями (б) (см. Вставки). a) Поведение температуры по красной кривой (красная кривая) и зеленой кривой (зеленая кривая). б) Температурный режим вдоль y = 0 мкм, где переход находится в положении (0,0).Моделирование показывает разницу температур около 7 К.

Рисунок 7:
Моделирование распределения температуры, создаваемого гауссовым источником тепла 1,5 мВт и с …

Мы исследовали профиль температуры по трем поперечным сечениям после 4 мс нагрева.Два из них показаны на рисунке 7a (зеленые и красные кривые и дорожки), на рисунке 7b показано третье поперечное сечение в точке y = 0, где соединение находится в точке (0,0). ∆ T было рассчитано как разница температур между обеими сторонами сужения, см. Рисунок 7b, здесь ∆ T = 7 K.

Для определения изменения сопротивления, вызванного этой разницей температур, мы также моделируем зависящее от времени сопротивление проводов датчика из-за лазерного нагрева.Для моделирования использовались измеренные значения сопротивления образца, который имел те же размеры и параметры изготовления, что и использованный в эксперименте. Как обычно для тонких пленок, удельное сопротивление выше, чем оценено по объемным данным [27]. Номинальная экспериментальная толщина пленок Au составляла 80 нм, но при сравнении с литературными данными, полученными для тонких пленок золота на различных подложках [28], и предполагая, что при температурах выше 200 К в температурной зависимости сопротивления должна преобладать электрон-фононная зависимость. При рассеянии мы получили эффективную толщину 63 нм.Это уменьшение может быть вызвано образованием мертвого слоя или повышенной шероховатостью из-за процесса травления. Учитывалась полная длина выводов датчика, включая части, соединяющиеся с землей (см. Рис. 7а, красная и зеленая линии). Результаты моделирования показаны на рисунке 8. И снова зеленая кривая соответствует правому выводу датчика, а красная кривая — левому. После 4 мс нагрева разница сопротивлений двух проводов датчика составляет ∆ R Sim = 0.23 Ом, в том же диапазоне, что и экспериментальное значение 0,15 Ом.

Рисунок 8:

Зависимое от времени моделирование удельного сопротивления двух проводов датчика из-за нагрева. Через 4 мс изменение сопротивления составляет ∆ R Sim = 0.23 Ом.

Рисунок 8:
Зависимое от времени моделирование удельного сопротивления двух проводов датчика из-за нагрева. Через 4 мс …

Увеличение разницы сопротивлений на 50% объясняется предположением о полностью подавленной теплопередаче через переход, что приводит к завышению разницы температур и сопротивлений.Тем не менее, сравнение эксперимента и моделирования подтверждает экспериментальный подход и позволяет калибровать разницу температур на стыке (∆ T ).

Используя экспериментально определенные значения для ∆ V и ∆ T , можно также вывести S . На рисунке 9 показан пример данных S ( G ), рассчитанных из ∆ V ( G ), представленных на рисунке 5c, с соответствующим ∆ T , представленным на рисунке 7b.Знак S отрицательный, и его значения хорошо согласуются с предыдущими исследованиями атомных контактов Au [10,12]. В то время как в [12] наблюдались выраженные флуктуации со средним значением S = 0, в [10] было показано, что S принимает оба знака, но среднее значение отрицательно для атомных контактов с G и выше. на номер 10 3 G 0 .

Рисунок 9:

Thermopower S ( G ) в зависимости от проводимости G отдельных контактов, рассчитанной на основе данных ∆ V ( G ), показанных на рисунке 5d, и соответствующего измерения ∆ T (= 7 K), показанного на Рисунок 7b.

Рисунок 9:
Thermopower S ( G ) в зависимости от проводимости G отдельных контактов, рассчитанной на основе показанных данных ∆ V ( G ) …

Наши данные подтверждают отрицательный знак.Однако дисперсия меньше, так что все измеренные значения S отрицательны, вероятно, из-за меньшего статистического ансамбля. Более полное исследование термоЭДС одноатомных контактов станет темой следующей публикации.

Удельная теплоемкость — обзор

2.31.2.2.1 Линейное сканирование

Наиболее распространенным режимом работы DSC является нагрев или охлаждение с постоянной скоростью.Основным результатом такого эксперимента является график зависимости скорости теплового потока от времени. Если температура позиции образца известна, то данные также могут быть представлены как зависимость скорости теплового потока от температуры. (Следует знать, что обычно измеряется температура около образца, а не сама температура образца.) На рисунке 2 показан типичный пример.

Рисунок 2. Температурный профиль и измеренная скорость теплового потока для (а) пустых кастрюль, (б) калибровочного стандарта сапфира (31.3 мг) и (в) исходно аморфный ПЭЭК (29 мг). Скорость нагрева β = 20 K мин −1 .

Данные PerkinElmer Pyris Diamond DSC. Воспроизведено с разрешения Schick, C. Anal. Биоанал. Chem. 2009 , 395 , 1589–1611. 35

Из кривых теплового потока, показанных на Рис. 2 , удельную теплоемкость c p (T) можно получить следующим образом:

[8] cp (T) = cp, сапфир (T) msapphireβmsampleβΦsample (T) −Φempty (T) Φsapphire (T) −Φempty (T) = K (T) Φsample (T) −Φempty (T) msampleβ

с

K (T) = cp, сапфир (T) msapphireβΦsapphire (T) −Φempty (T)

, где K ( T ) — это зависящий от температуры калибровочный коэффициент, который можно сохранить для использования в будущем.Здесь все измерения собираются с одинаковой скоростью сканирования. Изотермы в начале и в конце сканирования используются для корректировки небольших изменений тепловых потерь между измерениями пустого, сапфирового и образца путем совмещения этих частей кривых. Небольшие изменения потерь неизбежны, поскольку термические свойства, такие как теплопроводность, образцов различны. С другой стороны, проверка скорости теплового потока на изотермах позволяет нам проверить правильность размещения и тепловые контакты всех частей измерительной системы, перемещаемых во время смены образца.В частности, изотерма высоких температур не должна слишком сильно отличаться между последовательными измерениями.

Удельная теплоемкость — это наиболее полезная величина, доступная от DSC, поскольку она напрямую связана со свойствами образца и, согласно уравнениям [1] — [5], напрямую связана со стабильностью и порядком. Тем не менее, часто отображается только скорость теплового потока, полученная в результате измерения одного образца. Есть несколько причин, по которым это не следует представлять:

1.

На каждом графике теплового потока необходимо указать эндотермическое или экзотермическое направление, поскольку направление графика не стандартизировано.

2.

Кривые, измеренные при разных скоростях сканирования, сравнить непросто.

3.

Если не разделить на массу образца, кривые для разных образцов нельзя сравнивать.

4.

Если измерения пустой чаши не вычитаются, кривые могут быть искривлены, и построение базовой линии для интегрирования пиков может быть затруднено.

5.

Если калибровочный коэффициент теплового потока K ( T ) зависит от температуры, полученная теплота плавления и другие подобные параметры могут быть ошибочными.

Выполнение поправок (3) — (5) дает удельную теплоемкость, заданную уравнением [8]. Поскольку большинство программных пакетов DSC включают определение удельной теплоемкости в соответствии с уравнением [8], настоятельно рекомендуется определять удельную теплоемкость, а не представлять кривые расхода тепла. Несмотря на то, что представление данных об удельной теплоемкости предпочтительнее, могут быть причины не делать этого. Нормализация кривой теплового потока по скорости сканирования и массе образца может привести к «измерениям псевдо c p », которые можно использовать для определения зависящей от температуры кристалличности и других величин, как показано в ссылке 8.Но есть еще один очень веский аргумент в пользу представления удельной теплоемкости, а не «псевдо c p » или скорости теплового потока. Для более чем 200 полимеров данные об удельной теплоемкости от 0 до 1000 К доступны в банке данных ATHAS (ATHAS-DB). 36 Эти данные можно использовать для сравнения измеренных данных в стеклообразном или жидком состоянии с рекомендованными значениями. Это позволяет легко проверить качество измеренных данных, хотя следует иметь в виду, что точность рекомендованных данных банка данных составляет всего около 6%. Рисунок 3 показывает удельную теплоемкость (согласно уравнению [8]), рассчитанную на основе данных, показанных в Рисунок 2 .

Рис. 3. Зависимость удельной теплоемкости от температуры для первоначально аморфного образца ПЭЭК. Данные из Рисунок 2 . Справочные данные (прямые) для полностью аморфного (жидкого) и кристаллического (твердого) ПЭЭК доступны в ATHAS-DB. 36

Воспроизведено с разрешения Schick, C. Anal. Биоанал. Chem. 2009 , 395 , 1589–1611. 35

Более подробное обсуждение оценки кривых, показанных на Рис. 3 , приведено в ссылке 35.

Помимо измерений сканирования при нагревании, DSC позволяет охлаждение в широком диапазоне скоростей охлаждения. В зависимости от прибора и интересующего диапазона температур скорость охлаждения может достигать 750 K мин. -1 (HyperDSC ™ PerkinElmer, США). 20,37–39 Но, как правило, диапазон температур для контролируемого охлаждения с максимальной скоростью ограничен.Измерения, выполняемые в широком диапазоне скоростей нагрева или охлаждения, требуют оптимизации условий эксперимента. Масса образца должна масштабироваться обратно пропорционально скорости сканирования. При низких скоростях, когда тепловая задержка не является проблемой, масса образца должна быть большой, чтобы иметь хорошее отношение сигнал / шум. При высоких скоростях, когда сигналы большие, масса образца должна быть небольшой, чтобы минимизировать тепловой поток к образцу, который пропорционален скорости и вызывает тепловую задержку. Проблемы, связанные с тепловым запаздыванием, температурной калибровкой и воспроизводимостью в экспериментах ДСК с быстрым сканированием, были интенсивно изучены, и были даны соответствующие рекомендации. 37,40,41 На рисунке 4 показаны кривые охлаждения в области кристаллизации полиэтилена низкой плотности (ПЭ). При скоростях выше 200 K мин. -1 контролируемое охлаждение до 100 ° C было невозможно из-за ограниченной охлаждающей способности используемого механического промежуточного охладителя. Если требуется более высокая скорость охлаждения, следует использовать жидкий азот. Для более низких скоростей сканирования, показанных на рис. 4 , масса образца должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошее отношение сигнал / шум.Для более высоких скоростей большой образец (4 мг) вызывает некоторую тепловую задержку, как обсуждается в учебниках и ссылках 37, 40 и 42. Это также видно по уширению пика кристаллизации при 20 К мин. -1 по сравнению с с образцом 0,4 мг при той же скорости охлаждения. Данные, представленные на рис. 4 , предоставляют информацию о кинетике кристаллизации и могут быть проанализированы с использованием различных кинетических моделей. 43–48

Рис. 4. Кривые охлаждения в области кристаллизации полиэтилена низкой плотности.Образцы имеют массу 4 мг в алюминиевом поддоне 25 мг для скоростей охлаждения до -20 K мин. -1 и массу 0,4 мг в алюминиевой фольге 2 мг для более высоких скоростей охлаждения. Теплоемкость отложена вниз.

Данные PerkinElmer Pyris 1 DSC. Воспроизведено с разрешения Schick, C. Anal. Биоанал. Chem. 2009 , 395 , 1589–1611. 35

Как показано на рис. 4 , DSC имеет широкий динамический диапазон, который может быть расширен как минимум на 1 порядок в сторону более низких скоростей; таким образом он покрывает 3 порядка величины.Расширение на несколько порядков в сторону более высоких скоростей обсуждается в разделе 2.31.3.2. Возможность достаточно быстрого охлаждения образца позволяет нам изучать формирование структуры в далеких от равновесия ситуациях, таких как «квази» изотермическая кристаллизация при глубоком переохлаждении.

Интеллектуальные контактные линзы и прозрачная тепловая повязка для удаленного мониторинга и терапии хронического воспаления глазной поверхности с помощью мобильных телефонов

ВВЕДЕНИЕ

Носимые электронные устройства с деформируемыми структурами, которые могут отслеживать биомедицинскую информацию о человеческом теле по беспроводной сети, активно изучались за последнее десятилетие как ключ к электронике следующего поколения ( 1 11 ).Они стремятся реализовать систему личной гигиены путем измерения биомаркеров в различных биологических интерфейсах, включая кожу ( 1 , 2 ), поверхности глаз ( 12 16 ) и ротовую полость ( 17 ). Пот и слезы могут быть особенно привлекательными для клинической диагностики хронических заболеваний (например, диабета, хронического почечного синдрома и болезней легких), поскольку их можно неинвазивно и постоянно контролировать с помощью этих носимых устройств ( 18 ).Среди этих заболеваний диагностика и лечение хронического воспалительного заболевания глазной поверхности, включая синдром сухого глаза (DES) и дисфункцию мейбомиевых желез (MGD), вызывают растущий интерес, поскольку их распространенность неуклонно растет среди населения в целом. Это связано с увеличением ежедневного экранного времени людей, загрязнением воздуха и старением общества ( 19 ). В настоящее время хроническое воспаление глазной поверхности (OSI) можно диагностировать с помощью нескольких тестов, включая аномалии эпителия, тест слезной пленки, степень инъекции конъюнктивы и анкеты для оценки тяжести субъективных симптомов (таблица S1).Некоторые диагностические критерии были предложены с использованием этих традиционных диагностических методов ( 20 ). Однако у значительного числа пациентов, сообщающих о симптомах хронического ИНМ, могут быть отрицательные результаты при использовании общепринятых критериев. Более того, ни один из тестов не доступен для скрининга, прогнозирования прогноза и определения реакции на лечение ( 19 , 21 ). Матричная металлопротеиназа-9 (ММР-9), которая является важной эндопептидазой для патологических анализов, использовалась в качестве биомаркера для диагностики хронического OSI, поскольку она тесно коррелирует с воспалительным статусом глазных поверхностей.Хотя качественный тест с MMP-9 был доступен, этот тест не может количественно оценить и оцифровать степень хронического OSI ( 19 , 22 , 23 ). Поэтому носимые интеллектуальные датчики, которые могут отслеживать OSI количественно в режиме реального времени, очень желательны для использования в мобильном здравоохранении. В дополнение к этому диагнозу важна также неотложная и последовательная терапия из-за трудности полного излечения хронического OSI после того, как симптомы становятся очевидными. Несколько медицинских устройств, таких как устройство тепловой пульсации Lipiflow (TearScience, Моррисвилл, Северная Каролина, США), которое поддерживает температуру обработки век или лечение с использованием интенсивного импульсного света (IPL), были недавно представлены для эффективного лечения OSI.Однако эти устройства и методы могут применяться только в клиниках и не могут использоваться в повседневной жизни, поскольку они относительно громоздки и закрывают зрение пользователя. ( 20 , 24 , 25 ).

Здесь мы сообщаем об интегрированной системе для удаленного мониторинга и лечения хронических ИНМ в режиме реального времени. Эта система состоит из мягкой, умной контактной линзы для диагностики и прикрепляемого к веку теплового пластыря для лечения гипертермии. Наша разработка этой системы медицинского обслуживания включает в себя несколько уникальных стратегий, как показано ниже.Во-первых, в качестве диагностического устройства мы изготовили интеллектуальную мягкую контактную линзу, которая позволяет дистанционно и количественно анализировать уровень MMP-9 в слезах носителя с помощью мобильных телефонов. Биосенсор на графеновом полевом транзисторе (FET), который может определять концентрацию MMP-9 в слезной жидкости в качестве белкового биомаркера OSI ( 22 , 26 ), интегрирован с беспроводной антенной, конденсаторами, резисторами, и чип связи ближнего поля (NFC) через растягивающиеся межсоединения для создания этой интеллектуальной контактной линзы, не загораживая обзор пользователя.Эта контактная линза обеспечивает беспроводную передачу данных зондирования в реальном времени на портативное устройство пользователя, такое как смартфон или умные часы, тем самым обеспечивая неинвазивную диагностику OSI. Кроме того, пациент может создать базу данных для личного состояния здоровья на основе этого количественного анализа MMP-9 во время повседневной деятельности пользователя с ношением контактных линз. Во-вторых, в качестве беспроводного терапевтического устройства эластичная и прозрачная тепловая повязка, которую можно прикрепить к области века соответствующим образом, была изготовлена ​​с использованием случайных сетей из сверхдлинных металлических нановолокон с низким листовым сопротивлением и высоким коэффициентом пропускания.Это терапевтическое устройство небольшое и достаточно легкое, чтобы не мешать движению пациента во время термотерапии. Нагревание верхних и нижних век снимает симптомы MGD, одной из распространенных патологий OSI, за счет облегчения экспрессии липидов из мейбомиевых желез и стабилизации слезной пленки. В-третьих, интегрируя интеллектуальную контактную линзу (диагностическое устройство) и прикрепляемую к коже тепловую пластину (терапевтическое устройство) через беспроводную связь с использованием смартфона, интеллектуальная система медицинского обслуживания для диагностики и терапии может быть реализована во время занятий спортом на открытом воздухе, обеспечивая индивидуальный подход. управление на месте оказания медицинской помощи.По сравнению с предыдущими исследованиями умных контактных линз, которые в основном сосредоточены на диагностике диабета или глаукомы путем мониторинга уровней глюкозы или внутриглазного давления, эта система демонстрирует количественную диагностику заболевания OSI (путем определения концентрации MMP-9 в слезах) и последовательное лечение этот симптом; Таблица S2 суммирует отличия этой работы от предыдущих исследований.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Эластичные прозрачные электроды с использованием сверхдлинных металлических нановолокон

На рис. 1А показаны схемы интегрированной системы диагностических и терапевтических устройств для мониторинга и лечения хронической ИНМ в режиме реального времени.Эта система состоит из двух частей: (i) мягкой интеллектуальной контактной линзы, в которой графеновый биосенсор на полевых транзисторах, беспроводные антенны, конденсаторы, резисторы и чип NFC объединены через растягивающиеся межсоединения, и (ii) растягиваемый и прозрачный теплообменник. пластырь, который можно прикрепить к веку пациента. На рис. S1 показан подробный метод изготовления этой контактной линзы, а на рис. S2 показывает оптические микрофотографии образца для каждого этапа изготовления. Сигналы от интеллектуальной контактной линзы могут передавать диагностические данные на смартфон пользователя по беспроводной сети, а последовательные операции позволяют тепловому пластырю немедленно лечить симптом при контролируемой температуре.Поскольку эта мягкая контактная линза и прикрепляемое к коже устройство должны деформироваться во время их работы, эти два носимых устройства требуют достаточной растяжимости для обеспечения надежной работы. Кроме того, интеллектуальные контактные линзы должны иметь хорошую прозрачность, чтобы не мешать зрению пользователя. Точно так же желательна высокая прозрачность теплового пятна, учитывая его прикрепление к лицу, особенно к области век. Методом электроспиннинга были сформированы непрерывные сети из одномерных сверхдлинных серебряных нановолокон (AgNF) со средним диаметром 345 ± 30 нм после термического отжига при 150 ° C в течение 30 мин в качестве растягиваемых и прозрачных электродов, которые использовались для изготовления устройств. компоненты, включая антенну, джоулева нагревательную пленку и межкомпонентные соединения.Одиночные волокна были достаточно длинными, чтобы свести к минимуму количество стыков между одномерными металлическими формами, что может привести к существенному снижению сопротивления листа ( R s ) при сохранении больших открытых пространств в сетях для высокого коэффициента пропускания ( 27 , 28 ). На рисунке 1B показаны R s и коэффициент пропускания ( T ) сетей AgNF как функция доли площади. R s значение 1.3 Ом на квадрат, с полученным коэффициентом пропускания 90% в видимом диапазоне длин волн, что было значительно ниже, чем R s предыдущих прозрачных проводящих пленок, таких как оксид индия и олова (ITO), химическое осаждение из паровой фазы (CVD) –Синтезированный графен, или случайные сети металлических нанопроволок ( 29 31 ). На рисунке 1 (C и D) показано, что прозрачные электроды случайных сеток AgNF, покрытые прозрачной полиимидной пленкой толщиной 25 мкм (для испытания на изгиб) или пленкой полидиметилсилоксана (PDMS) толщиной 100 мкм (для растяжения), также демонстрируют выдающуюся устойчивость к механическим деформациям, включая отсутствие значительного изменения сопротивления вплоть до радиуса изгиба (~ 70 мкм) или высокую растяжимость до ~ 80% от деформации при растяжении, что подходит для их использования в мягких контактных линзах и на коже -соединяемое устройство.Однако большие открытые участки сетей AgNF могут значительно увеличить их сопротивление, если они выполнены в виде тонких электродов с малой шириной, поскольку локально разъединенные участки образуются путем травления AgNF ( 32 ). Таким образом, чтобы обеспечить дополнительные проводящие пути, суспензия серебряных нанопроволок (AgNW) относительно короткой длины и тонкого диаметра (средняя длина 30 ± 5 мкм; диаметр 25 ± 5 нм) была спрядена непосредственно поверх электросетей AgNF для узкие рисунки прозрачных электродов для антенн интеллектуальной контактной линзы.На рисунке 1E показаны изображения гибридных электродных сетей, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Среди различных технологий беспроводной связи NFC может быть подходящей для интеллектуальных контактных линз благодаря работе без батареи на основе беспроводной передачи энергии. Резонансная частота этой платформы NFC была стандартизирована во всем мире и составляет 13,56 МГц. На рисунке 1F показаны фотографии девятивитковых антенн NFC (внутренний диаметр катушки 4,65 мм; внешний диаметр 11,5 мм; ширина антенны 300 мкм; расстояние между витками 50 мкм), изготовленных с использованием медного электрода (толщина Cu 500 нм. ) и гибридный электрод AgNF-AgNW.По сравнению с медной антенной образец антенны с этим гибридным электродом показал более высокую прозрачность (~ 70% в видимом диапазоне длин волн). Эта антенна AgNF-AgNW показала импеданс 55 Ом и индуктивность 0,7 мкГн, что полностью удовлетворяло условию стандартизированных операций NFC, то есть от 0,3 до 3 мкГн ( 33 ). Средний диаметр AgNF и AgNW составил 345 ± 30 и 25 ± 5 нм соответственно. Моделирование резонансной частоты 13,56 МГц было выполнено с помощью программы ANSYS, и на рис.1G изображает этот результат моделирования и резонансные кривые этих двух образцов антенн, изготовленных с использованием гибрида Cu и AgNF-AgNW. Разница между значениями отражения (S11) образцов Cu и AgNF-AgNW не была значительной, демонстрируя аналогичные значения импеданса вблизи резонансной частоты 13,56 МГц (рис. S3). На расстоянии пропускания 10 мм антенна AgNF-AgNW и антенна Cu имели коэффициенты качества ( Q ) ~ 7,9 и ~ 9,0 соответственно, что свидетельствует об их высокочастотной селективности.Кроме того, эта антенна AgNF-AgNW показала незначительное изменение ее сопротивления при растяжении до 30% при деформации растяжения, что преодолевает ограничение хрупкой антенны из Cu (рис. 1H). В случае переворота мягкой контактной линзы значение S11 антенны AgNF-AgNW все еще сохранялось (рис. S4). Принимая во внимание окисление Ag, антенна AgNF-AgNW была инкапсулирована дополнительным вакуумным слоем парилена (толщиной 1 мкм). Например, на рис. 1I показано, что интеллектуальная контактная линза сохраняла свои чувствительные свойства и функцию беспроводной связи после погружения в физиологический раствор с фосфатным буфером (PBS) и раствор искусственной слезы на 180 часов.

Рис. 1. Эластичные прозрачные электроды из сверхдлинных металлических нановолокон.

( A ) Схематическое изображение интегрированной системы диагностических и терапевтических устройств для мониторинга и терапии хронического OSI в реальном времени. ( B ) Сопротивление листа и оптическое пропускание как функция доли площади сетей AgNF. ( C ) Относительные изменения сопротивления в зависимости от радиуса кривизны. ( D ) Относительные изменения сопротивления в зависимости от деформации растяжения.На вставке — фотография экспериментальной установки и направление приложения деформации растяжения. Шкала шкалы 1 см. ( E ) СЭМ-изображение гибридной структуры AgNF-AgNW. Шкала 5 мкм. ( F ) Фотографии антенн, изготовленных на основе медного электрода (слева) и гибрида AgNF-AgNW (справа). Шкала шкалы 1 мм. ( G ) Зависимые от индуктивности антенные частоты двух антенн на основе гибрида AgNF-AgNW и медного электрода с имитацией ANSYS.( H ) Относительные изменения сопротивления антенн в зависимости от приложенной деформации. ( I ) Электромагнитные характеристики антенны в ответ на раствор искусственной слезы и физиологический раствор с фосфатным буфером (PBS) как функция времени погружения. На вставке показаны резонансные характеристики до погружения (вверху) и после 180 часов погружения (внизу). Фотография предоставлена: (F) Джиук Чанг, Университет Йонсей.

Биосенсор MMP-9 для диагностики хронического OSI

Диагностика заболеваний с помощью биомаркеров вызывает большой интерес с точки зрения управления личным здоровьем.Среди различных биомаркеров слезной жидкости MMP-9 известен как воспалительный биомаркер хронического OSI, включая DES и MGD ( 22 , 26 ). Для определения концентрации MMP-9 в слезах с помощью смарт-контактных линз в качестве биосенсора был изготовлен графеновый полевой транзистор, поверхность которого функционализирована иммуноглобулином G (IgG). Чтобы реализовать прозрачную и растяжимую структуру этого биосенсора, гибридная структура графена со случайными сетками AgNW была использована для формирования электродов истока и стока вместе с нетронутым графеновым каналом из-за превосходных электрических и механических свойств графен-AgNW. гибридные электроды ( 34 ).Для этого изготовления слой графена, синтезированный методом CVD, был перенесен на структуры сетей AgNW перед последовательной функционализацией графенового канала с помощью IgG.

На рис. 2А показано схематическое изображение IgG и его фрагментов для реакции антиген-антитело с ММР-9. IgG состоит из двух антигенсвязывающих фрагментов (Fab) и одного константного фрагмента (Fc). Поскольку диаметр всего антитела IgG составлял примерно 10 нм, что больше длины Дебая, мы фрагментировали антитело IgG на фрагмент F (ab ‘) 2 , который содержал два антигенсвязывающих сайта и фрагмент Fc.Чтобы гарантировать выделение фрагмента F (ab ‘) 2 , мы избирательно окрашивали антиген с использованием набора для маркировки антител Mix-n-Stain 488A (Sigma-Aldrich, США) и подтвердили флуоресцентную микроскопию окрашенного F (ab’ ) 2 фрагмент как показано на рис. S5. Схематические иллюстрации функционализации Fab и реакций антиген-антитело представлены на фиг. 2B. Для селективного обнаружения MMP-9 фрагмент F (ab ‘) 2 был иммобилизован на канале графена с использованием пиренового линкера из сукцинимидилового эфира 1-пиренбутановой кислоты посредством π-π-стэкинга, и части сложного сукцинимидилового эфира объединены с амино-основание фрагмента F (ab ‘) 2 .Передаточные характеристики графенового полевого транзистора до и после этой функционализации показаны на рис. S6. Затем MMP-9 может быть прикреплен к антигенсвязывающему сайту. Характеристики переноса для различных концентраций ММП-9 показаны на фиг. 2С. Графен, синтезированный методом CVD, обладал амбиполярными характеристиками, а ток стока увеличивался с концентрацией ММП-9 при нулевом смещении затвора ( В G = 0 В) по сравнению со случаем только с буфером, что позволяет предположить, что положительно заряженный ММП- 9 был прикреплен к графеновому каналу.На основе передаточных характеристик ток стока был измерен в реальном времени при В G = 0 В для различных концентраций MMP-9 от 1 до 500 нг / мл (рис. 2D). В целом, когда концентрация MMP-9 в слезной жидкости составляла 40 нг / мл или более, можно считать, что у человека есть симптомы хронического OSI, а когда концентрация более 200 нг / мл, человеку ставится диагноз. как имеющий хронический OSI ( 21 ). Как показано на калибровочной кривой (рис. 2E), датчик очень чувствителен к патологическому диапазону концентрации MMP-9 в слезной жидкости (от 1 до 500 нг / мл).Отношение сигнал / шум (SNR) составляло 8,14 при 2 нг / мл, а предел обнаружения (при SNR = 3) составлял 0,74 нг / мл. Чувствительность ( S ) этого датчика была рассчитана как 11,1 нг / мл на 1% изменения его тока стока. Время отклика датчика было определено как время, необходимое датчику для достижения 90% результатов обнаружения, и было измерено как ~ 2,5 с. Чувствительность существенно не различалась для случаев слезы и буферных растворов, как показано на рис. 2F, что указывает на то, что другие элементы слезы оказывают незначительное влияние на этот датчик MMP-9.Кроме того, характеристики восприятия также сохранялись в смеси промежуточных молекул (т.е. аскорбиновой кислоты, лактата и мочевины), что демонстрирует хорошую селективность датчика MMP-9 (рис. S7A). Поскольку слезные жидкости человека имеют pH в диапазоне от 6,5 до 7,5, мы провели тест надежности датчика MMP-9 для различных буферных растворов с разными уровнями pH (от 6,4 до 8,0). Как показано на рис. S7B, влияние pH на чувствительность этого датчика было незначительным.

Инжир.2 Биосенсор MMP-9 и эксперимент на крысах in vivo.

( A ) Схематическое изображение иммуноглобулина G (IgG) и его фрагментов. ( B ) Схематические иллюстрации функционализации Fab и реакций антиген-антитело с графеновым полевым транзистором. ( C ) Передаточные характеристики ( I D V G ) датчика при различных концентрациях ММП-9. ( D ) Относительные изменения тока стока при различных концентрациях MMP-9 в реальном времени ( В G = 0 В, В D = 0.1 В). ( E ) Относительные изменения тока стока в зависимости от концентрации MMP-9. ( F ) Относительные изменения тока стока при использовании различных растворов (черный — буферный раствор; красный — раствор искусственной слезы). Каждая точка данных указывает среднее значение для 10 образцов, а столбцы ошибок представляют собой стандартное отклонение. ( G ) Фотография живой крысы Льюиса с интеллектуальной контактной линзой. Шкала шкалы 2 см. ( H ) Беспроводной мониторинг концентрации MMP-9 в каждой группе до (день 1) и после лечения (день 4 и день 7) OSI.( I ) Средняя концентрация MMP-9 в каждой группе в течение недели ( n = 5 ). Фото: (G) Джиук Чанг, Университет Йонсей.

Это количественное измерение концентрации MMP-9 позволяет пользователю контролировать воспаление глаза в режиме реального времени. Чтобы исследовать долговременную стабильность датчика контактных линз, мы провели испытание на ускоренное старение при температуре старения 70 ° C. Для этого теста датчики контактных линз хранили на воздухе в течение 16 дней, что соответствует сроку хранения 1 год.Затем их резонансные характеристики были измерены с помощью анализатора цепей. Как показано на рис. S8 относительное изменение резонансной частоты было незначительным.

Мы применили интеллектуальную контактную линзу к модели крысы с хроническим OSI ( 35 ), чтобы выполнить проверку in vivo этого устройства линз. Для этого эксперимента in vivo мы изготовили умные контактные линзы, соответствующие размеру глазного яблока крысы (средний диаметр 5,5 ± 0,3 мм) ( 36 ), а подробные методы изготовления описаны в разделе «Материалы и методы».В этом эксперименте in vivo OSI индуцировали у 8-недельных крыс Lewis (вес от 100 до 125 г) путем обработки 15 крыс (30 глаз) хлоридом бензалкония [ВАС; 0,2 вес.% (Вес.%)] Два раза в день ( n = 5 для 3 групп). Здесь крыс содержали в камере с контролируемой средой (CEC), в которой поддерживались условия 18,5% RH (относительная влажность), 25 ° C и скорость воздушного потока 20 л / мин. Мы разделили крыс, индуцированных OSI, на три группы: группу OSI-положительных (контрольная группа), группу естественного исцеления (группа 2) и группу, получавшую дексаметазон (группа 3, 10 мкМ, 5 мкл, трижды. в день).Чтобы проверить характеристики датчика контактных линз, значения S11 образцов контактных линз были измерены для каждой группы. На рис. 2G показана живая крыса с линзовым датчиком для обнаружения MMP-9. Изменение значений S11 для каждой группы относительно времени заживления представлено на фиг. 2H. Градуировочный график датчика для крыс представлен на рис. S9. Значения S11 в группе 3, которую лечили дексаметазоном для быстрого восстановления OSI, снизились во время восстановления.Кроме того, на рис. 2I показано изменение концентрации MMP-9 в зависимости от времени восстановления для каждой группы. Концентрация MMP-9 снижалась по мере ослабления OSI, что свидетельствует о возможностях использования этой умной контактной линзы для диагностики хронического OSI у людей.

Растягивающаяся прозрачная тепловая повязка для дистанционной терапии хронического OSI

Слезная жидкость состоит из трех слоев: липидного слоя, водного слоя и слоя гликокаликса ( 26 ). Липидный слой (толщиной от 15 до 160 нм), который секретируется мейбомиевой железой, покрывает водный слой, предотвращая испарение влаги.Когда железа повреждена, это вызывает гиперевапоративную сухость поверхности глаза, и термическая обработка век может быть эффективной для облегчения симптомов MGD, который является основной причиной OSI, с нормализацией функции железы ( 24 ). Однако обычно трудно использовать обычное оборудование для термотерапии, потому что оно имеет громоздкие компоненты (например, отдельный источник питания и контроллеры), а также не видно зрения пациента ( 25 ).Хотя для термической обработки было разработано несколько медицинских устройств, таких как Lipiflow (TearScience, Моррисвилл, Северная Каролина, США) и IPL, их применение в повседневной жизни затруднено из-за вышеупомянутых ограничений. Таблица S3 суммирует сравнение производительности нашего устройства с недавними коммерческими клиническими системами и золотыми стандартами. Носимая тепловая повязка может обеспечить непрерывную и частую тепловую терапию, тем самым обеспечивая удобное лечение раннего и тяжелого заболевания OSI, такого как DES.

Чтобы преодолеть эти проблемы, эластичная и прозрачная тепловая повязка, прикрепляемая к лицу соответствующим образом, была изготовлена ​​как беспроводное терапевтическое устройство (рис. 3A). Растяжимая и прозрачная нагревательная пленка была сформирована путем электроспиннирования непрерывных случайных сетей AgNF на эластомерной пленке (PDMS). Площадь этого прозрачного теплового пятна была относительно большой, чтобы поддерживать проводящие пути вдоль AgNF без дополнительного использования AgNW, которое показало R s , равное 1.3 Ом на квадрат с T 90% в видимом диапазоне длин волн. Затем эта нагревательная пленка была интегрирована с модулем Bluetooth с микроконтроллером (MCU) (BI-200M, Blueinno, Корея), коммерческим датчиком температуры (MA100BF103A, Amphenol Advanced Sensors, США) и батареей (TW-802030, The Han Inc., Корея) за беспроводной контроль температуры. На рисунке 3B показана принципиальная схема, а в MCU была установлена ​​специально разработанная коммутационная программа для автоматической регулировки заданной температуры с помощью смартфона.На рисунке S10 представлена ​​подробная информация о гибкой печатной плате терапевтического устройства. На Фигуре 3C представлена ​​фотография пары тепловых пятен на основе AgNF, прикрепленных к участкам верхнего и нижнего века человека соответственно. Инфракрасные (ИК) изображения на рис. 3D и видеоролик S1 показывают надежную работу этого терапевтического устройства (в паре) с беспроводным контролем температуры для лечения гипертермии. Температура теплового пятна меняется в зависимости от приложенного смещения постоянного тока (рис.3E). Из температурного профиля на этом рисунке теплопроводность этого теплового пятна AgNF была рассчитана как 109,1 Вт / м · К. На рисунке S11 сравниваются свойства этого теплового пятна AgNF со свойствами других прозрачных нагревателей на основе ITO ( R s , ~ 50 Ом на квадрат) и AgNW ( R s , ~ 10 Ом на квадрат). . Все эти три нагревателя были изготовлены на полиимидных пленках и имели одинаковый оптический коэффициент пропускания (85%). Относительно низкое значение R s этого теплового пластыря AgNF позволило ему пропускать относительно большие токи при идентичном входном смещении постоянного тока, что привело к его эффективному потреблению энергии.Кроме того, нагреватель на основе сетей AgNF показал самую высокую скорость нагрева и охлаждения среди этих трех нагревателей. Кроме того, как показано на рис. 3F, температура оставалась постоянной на уровне заданной температуры (синяя пунктирная линия на графике) благодаря обратной связи от датчика температуры в замкнутом контуре. Чтобы избежать низкотемпературного ожога, это терапевтическое устройство было запрограммировано на температуру не выше 45 ° C. Потребляемая мощность этого теплового пятна составляла 0,24 мВт, а максимальное время работы — 200 мин. На рис. 3 (G и H) показаны механические свойства этого теплового пятна AgNF при таких деформациях, как изгиб и растяжение.Температуру постоянно поддерживали, изгибая его до минимального радиуса изгиба 70 мкм и растягивая до 90% при деформации растяжения. Кроме того, изменение температуры было незначительным (~ 2%) даже после 10 000 циклов повторяющегося растяжения при 30% деформации, что означает, что этот тепловой пластырь AgNF может подходить для кожи человека (рис. 3I). Кроме того, на рис. 3J показан график его надежной работы при циклических настройках включения-выключения.

Рис. 3 Эластичная прозрачная тепловая повязка для удаленного лечения гипертермией.

( A ) Схематическое изображение беспроводного терапевтического устройства. ( B ) Принципиальная схема теплового пятна, микроконтроллера (MCU) и модуля Bluetooth. ( C ) Фотография эластичного и прозрачного теплового пятна, прикрепленного к участкам верхнего и нижнего века человека. Шкала шкалы 1 см. ( D ) Инфракрасные (ИК) изображения теплового пятна до (слева) и во время операции (справа). Масштабные линейки 3 см. ( E ) Температура теплового пятна как функция времени для различного смещения постоянного тока (1, 1.5 и 2 В). ( F ) Температура теплового пятна как функция времени с автоматической обратной связью от датчика температуры и MCU. Синяя пунктирная линия указывает на заданную температуру. ( G и H ) Относительное изменение температуры как функция радиуса кривизны (G) и деформации растяжения (H). ( I ) Относительное изменение температуры после многократного растяжения (~ 30% деформации растяжения). ( J ) Тест термостабильности во время циклических настроек включения-выключения теплового пятна.График показывает среднюю температуру теплового пятна как функцию времени. Фотография предоставлена: (C) Джиук Чанг, Университет Йонсей.

Дистанционный мониторинг и лечение

На рис. 4A показана интегрированная система смарт-контактных линз (в качестве диагностического устройства) с прикрепляемым к веками тепловым пластырем (в качестве терапевтического устройства) посредством беспроводной связи с использованием смартфона. Сигналы от контактных линз обрабатываются смартфоном, а затем мгновенно выполняются беспроводные операции с тепловыми пятнами, прикрепленными к векам.На рис. 4В показана фотография этой контактной линзы, а на вставке — живой кролик в ней. Для изготовления этой контактной линзы чип NFC на основе Si (RF430FRL152H, Texas Instruments, США) был интегрирован с антенной AgNF-AgNW, резисторами и конденсаторами для оцифровки измеренных данных и передачи информации на смартфон. . Мы реализовали высокопрозрачную гибридную геометрию с регулируемым напряжением, состоящую из жестко армированных островков с использованием тонкого фототекстурного оптического полимера (SPC-414, EFiRON) для обнаружения хрупких компонентов (таких как чип NFC, датчик MMP-9, конденсатор и резисторы). ), а также мягкую матрицу для размещения антенны AgNF-AgNW и соединительных электродов.Электрические компоненты интеллектуальной контактной линзы были электрически соединены посредством растягиваемых межсоединений, которые были непосредственно напечатаны с использованием жидкого металла из эвтектического галлий-индиевого сплава в качестве чернил (EGaIn, 75 мас.% Ga и 25 мас.% In, Changsha Santech Materials Co. Ltd.) с узкой шириной линии (<10 мкм) ( 37 , 38 ). Этим компонентам устройства, расположенным на эластомерной пленке, можно придать форму контактных линз с использованием обычного материала мягких линз (эластофилкон A, CooperVision, США), как показано на рис.S12. Резонансная характеристика датчика контактных линз сохранялась до и после процесса формования линз (рис. S13). На рис. 4С показан кролик, носящий пару тепловых пластырей на основе AgNF, прикрепленных к областям верхнего и нижнего века кролика.

Рис. 4 Удаленное наблюдение и лечение хронического ИНМ.

( A ) Схематическое изображение алгоритмов работы интегрированной системы, состоящей из мягкой интеллектуальной контактной линзы (диагностическое устройство), прикрепляемой к веку тепловой накладки (терапевтическое устройство) и смартфона (беспроводная связь).( B ) Фотография мягкой умной контактной линзы. Шкала шкалы 2 см. На вставке изображен живой кролик в мягкой контактной линзе. Шкала шкалы 1 см. ( C ) Фотография кролика с парой тепловых пластырей на основе AgNF, прикрепленных к областям верхнего и нижнего века кролика. Шкала шкалы 2 см. ( D ) Обнаружение концентрации MMP-9 и мгновенный контроль температуры теплового пятна. На каждом графике в реальном времени показаны изменения относительного тока стока контактной линзы (вверху) и температуры теплового пятна (внизу).( E ) Концентрация ММП-9 в слезах живого кролика после обработки 0,1 мас.% БАХ ( n = 5). ( F ) Фотографии живого кролика во время исследования in vivo. Слева: живой кролик, носящий смарт-контактные линзы и терапевтическое устройство одновременно. В центре: смартфон получает сигналы от интеллектуальной контактной линзы через NFC и выдает операционные команды терапевтическому устройству. Справа: терапевтическое устройство находится на операции. Масштабные линейки 3 см.( G ) ИК-изображения живого кролика во время исследования in vivo. Каждое ИК-изображение соответствует фотографиям на (F). Масштабные линейки 3 см. Фото: (B, C и F) Джиук Чанг, Университет Йонсей.

На рис. 4D продемонстрировано обнаружение концентрации MMP-9 и мгновенный контроль температуры теплового пятна, который работал автоматически на основе данных зондирования, которые были получены для концентрации MMP-9. Когда графеновый биосенсор на полевых транзисторах обнаружил концентрацию MMP-9 в растворе искусственной слезы, интеллектуальная контактная линза передала этот сигнал на смартфон через NFC.На рисунке S14 показана эта принципиальная схема. Когда передаваемый сигнал превышает пороговое значение (концентрация MMP-9, ≥200 нг / мл), приложение для самодельного смартфона немедленно отправляет терапевтическому устройству команду лечения, позволяя тепловому пластырю работать при определенной температуре терапии (42 ° С). MGD, которая обычно является основной патологией при OSI, может быть излечена с помощью этого лечения гипертермией ( 24 ). Для валидации этой системы in vivo мы вводили БАХ (0,1 мас.%) В глаза кролика ( 39 ), создавая модель OSI кролика (рис.4E). Экспериментальная группа (то есть группа, которую лечили БАХ) показала в ~ 4 раза более высокую концентрацию ММП-9, чем необработанная контрольная группа. На рис. 4F показан живой кролик, носящий контактные линзы и терапевтическое устройство для беспроводного управления. После ношения линзы кролик не проявлял никаких признаков ненормального поведения, и эта линза стабильно сохраняла свое положение во время многократных морганий глаз (фильм S2). Когда смартфон приближался к глазу кролика, воспринимаемый сигнал обрабатывался и затем отображался на экране смартфона.Поскольку кролика лечили БАХ (т.е. концентрация ММП-9 в слезной жидкости ≥250 нг / мл), была выполнена автоматическая операция теплового пластыря (рис. 4G). Как показано в видеоролике S2, тепловое пятно обеспечивало стабильное и равномерное распределение температуры. Кроме того, температура этой линзы и температура склеры кролика надежно поддерживалась на уровне приблизительно 37 ° и 38 ° C, соответственно, без какого-либо значительного тепловыделения во время передачи энергии от передающей катушки (рис.S15, A и B). Относительное изменение сигнала концентрации MMP-9 во время моргания кроличьего глаза было незначительным, что свидетельствует о стабильной беспроводной работе датчика контактных линз (рис. S15C).

Пилотное исследование на людях in vivo

На рисунке 5A и видеоролике S3 показана женщина 27 лет, одетая в эту мягкую, умную контактную линзу, которая может без проводов передавать на смартфон концентрацию MMP-9 в слезах. При размещении смартфона рядом с контактной линзой данные, передаваемые с линзы, отображались на экране (23 ± 1 нг / мл) в реальном времени.Измерение в реальном времени концентрации MMP-9 может быть основной конечной точкой этого пилотного испытания на людях. Чтобы обеспечить надежность этого устройства для контактных линз, концентрация MMP-9 была измерена у нескольких субъектов в качестве пилотных испытаний, а средняя концентрация MMP-9 составила 29,1 ± 5,0 нг / мл ( n = 4 ). Чтобы проверить безопасность пользователя от электромагнитных волн, мы выполнили моделирование для конкретного коэффициента поглощения (SAR) для человека с помощью программы ANSYS (рис. 5B). Здесь максимальное значение SAR для этой системы линз составляло 1.0 Вт / кг, что ниже стандартной нормы (10 Вт / кг). Кроме того, цитотоксичность этой умной контактной линзы была протестирована путем измерения жизнеспособности клеток фибробластов мыши (рис. S16). Подробные протоколы описаны в разделе «Материалы и методы». График показывает, что жизнеспособность клеток составляла 82%, что было сопоставимо с коммерческими мягкими контактными линзами без электронных устройств, что позволяет предположить, что наши умные контактные линзы не обладали значительной цитотоксичностью. На рис. 5С показана увеличенная фотография глаза этого человека, который носил эту линзу, что указывает на отсутствие серьезного воспаления глаза.Все электронные компоненты были размещены за пределами зрачка, чтобы свести к минимуму влияние на поле зрения испытуемого. После ношения этой линзы в течение 12 часов глаз испытуемого исследовали с помощью щелевой лампы. На рис. 5D показаны флуоресцентные изображения роговицы этого человека до и после ношения контактных линз, и изображения показывают, что не было явной реакции роговицы на эту линзу. Кроме того, конъюнктивальная область глаза женщины была исследована до и после 12 часов ношения смарт-контактных линз, и после ношения конъюнктивальной инъекции не наблюдалось (рис.S17). Кроме того, мы измерили концентрацию ММП-9 до и после 2 недель термической обработки с помощью нашего теплового пластыря (один раз в день, 15 минут) для субъекта, у которого была обнаружена высокая концентрация ММП-9. Как показано на рис. S18, концентрация MMP-9 снизилась через 2 недели, что свидетельствует о значительном потенциале этой системы.

Рис. 5. Исследование мягких умных контактных линз на человеке in vivo.

( A ) Фотографии женщины, носящей мягкую интеллектуальную контактную линзу, перед измерением (слева) и во время измерения с помощью смартфона (справа).( B ) Результат моделирования удельной скорости поглощения (SAR) на частоте 13,56 МГц для экстремальных условий окружающей среды, в которых через контактную линзу протекает ток 1,2 А. ( C ) Увеличенная фотография глаза человека в интеллектуальной контактной линзе. Масштабная линейка 0,5 см. ( D ) Серия иммунофлуоресцентных изображений человеческого глаза до ношения контактных линз (слева) и после ношения контактных линз в течение 12 часов (справа). Масштабные линейки 0,5 см. Фото: (A и C) Джиук Чанг, Университет Йонсей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Эксперимент на крысах

Все животные содержались и использовались в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных Института лабораторных животных Центра медицинских инноваций Тэгу-Кёнбук. Исследования на животных проводились после одобрения институциональной комиссией по этике экспериментов на животных Фонда медицинских инноваций Тэгу-Кёнбук (DGMIF-1