Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления

С использованием метода колеблющейся струны в мм диапазоне длин волн исследованы коэффициенты преломления и их температурные зависимости серии образцов питьевых вод из разных источников. Установлено, что температурную зависимость коэффициентов преломления в исследованном диапазоне температур можно с...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Кириченко, А.Я., Голубничая, Г.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2011
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Прикладна радіофізика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78046
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления / А.Я. Кириченко, Г.В. Голубничая // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 81-84. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-78046
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-780462015-03-11T03:01:59Z Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления Кириченко, А.Я. Голубничая, Г.В. Прикладна радіофізика С использованием метода колеблющейся струны в мм диапазоне длин волн исследованы коэффициенты преломления и их температурные зависимости серии образцов питьевых вод из разных источников. Установлено, что температурную зависимость коэффициентов преломления в исследованном диапазоне температур можно с достаточной точностью аппроксимировать прямой. Показано, что с помощью определения коэффициента прямолинейной регрессии температурной зависимости коэффициента преломления можно установить принадлежность образца питьевой воды к тому или другому источнику. Refraction indexes of water samples from different springs and their dependencies upon temperature are studied in millimeter wavelength using oscillating string method. It is established that temperature dependence of refraction index in the investigated range of temperatures can be approximated by linear dependence. It is shown that coefficient of the linear regression of temperature dependence allows one to distinguish waters from different springs. З використанням методу коливної струни в мм діапазоні довжин хвиль було досліджено коефіцієнти заломлення та їх температурні залежності серії зразків питних вод з різних джерел. Встановлено, що температурну залежність коефіцієнтів заломлення в дослідженому діапазоні температур можна з достатньою точністю апроксимувати прямою. Показано, що за допомогою визначення коефіцієнта прямолінійної регресії коефіцієнта заломлення температурної залежності можна встановити належність зразка питної води до того чи другого джерела. 2011 Article Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления / А.Я. Кириченко, Г.В. Голубничая // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 81-84. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78046 621.317.335.3 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прикладна радіофізика Прикладна радіофізика
spellingShingle	Прикладна радіофізика Прикладна радіофізика Кириченко, А.Я. Голубничая, Г.В. Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления Радіофізика та електроніка
description	С использованием метода колеблющейся струны в мм диапазоне длин волн исследованы коэффициенты преломления и их температурные зависимости серии образцов питьевых вод из разных источников. Установлено, что температурную зависимость коэффициентов преломления в исследованном диапазоне температур можно с достаточной точностью аппроксимировать прямой. Показано, что с помощью определения коэффициента прямолинейной регрессии температурной зависимости коэффициента преломления можно установить принадлежность образца питьевой воды к тому или другому источнику.
format	Article
author	Кириченко, А.Я. Голубничая, Г.В.
author_facet	Кириченко, А.Я. Голубничая, Г.В.
author_sort	Кириченко, А.Я.
title	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления
title_short	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления
title_full	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления
title_fullStr	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления
title_full_unstemmed	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления
title_sort	идентификация питьевой воды природных источников харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Прикладна радіофізика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78046
citation_txt	Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления / А.Я. Кириченко, Г.В. Голубничая // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 81-84. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT kiričenkoaâ identifikaciâpitʹevojvodyprirodnyhistočnikovharʹkovskogoregionasispolʹzovaniemtemperaturnojzavisimostiihkoéfficientaprelomleniâ AT golubničaâgv identifikaciâpitʹevojvodyprirodnyhistočnikovharʹkovskogoregionasispolʹzovaniemtemperaturnojzavisimostiihkoéfficientaprelomleniâ
first_indexed	2025-07-06T02:14:02Z
last_indexed	2025-07-06T02:14:02Z
_version_	1836861926959742976
fulltext	ППРРИИККЛЛААДДННАА РРААДДІІООФФІІЗЗИИККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 1 © ІРЕ НАН України, 2011 УДК 621.317.335.3 А. Я. Кириченко, Г. В. Голубничая ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ХАРЬКОВСКОГО РЕГИОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ИХ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: kharkovs@ire.kharkov.ua С использованием метода колеблющейся струны в мм диапазоне длин волн исследованы коэффициенты преломления и их температурные зависимости серии образцов питьевых вод из разных источников. Установлено, что температурную зависимость коэффициентов преломления в исследованном диапазоне температур можно с достаточной точностью аппроксимировать прямой. Показано, что с помощью определения коэффициента прямолинейной регрессии температурной зависимости коэффициента прелом- ления можно установить принадлежность образца питьевой воды к тому или другому источнику. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр.: 4 назв. Ключевые слова: метод колеблющейся струны, диэлектрическая проницаемость, вода. В окружающем нас пространстве вода в природных условиях всегда представляет собой слабые многокомпонентные растворы солей, га- зов и взвешенных органических веществ. В быту нами используется пресная вода с концентрацией солей до 1 г на 1 кг воды. Химический анализ растворенных в воде веществ  весьма длитель- ный и кропотливый процесс и требует специаль- ного химического оборудования. В то же время часто возникает необходимость в быстрой иден- тификации питьевой воды, принадлежащей к тому или другому природному источнику. В этом случае может помочь определение интегральной характеристики водного раствора слабой концент- рации, какой является его диэлектрическая про- ницаемость  или коэффициент преломления n совместно с использованием температурной зави- симости их диэлектрической постоянной (или коэффициента преломления). Естественно, в слабом водном растворе основной вклад в измеряемые электрические ха- рактеристики вносит вода – жидкость, обладаю- щая высокими электромагнитными потерями, что предъявляет соответствующие требования к ме- тодам измерения ее диэлектрических свойств. Ввиду этого изменение диэлектрической прони- цаемости раствора при невысоких концентрациях растворяемого вещества необходимо наблюдать на фоне высоких значений диэлектрической по- стоянной воды. Постоянная составляющая диэлектриче- ской проницаемости на сверхвысоких частотах заметно снижается с увеличением частоты, и, по утверждению авторов работы [1], мм волны менее чувствительны к солям в водном растворе, чем см, что может затруднять возможность определения различий слабых водных растворов, которыми является питьевая вода из различных источников. Так, в исследованиях проб морской воды с солено- стью S ≤ 2,4 %, взятых из разных акваторий, зна- чения коэффициента преломления n в мм диапа- зоне волн близки к значению для дистиллирован- ной воды, и различия не выходят за пределы средней квадратичной ошибки измерения [2]. В этой работе измерения выполнены в свободном пространстве путем регистрации коэффициентов отражения и прохождения на сложной установке квазиоптического типа, также проведено деталь- ное изучение погрешностей измерения. Однако, как показано, метод, использующий возмущение образцом воды диэлектрического квазиоптиче- ского резонатора, позволяет уверенно наблюдать различия в диэлектрических свойствах морской воды и дистиллированной [3]. Задача настоящих исследований заклю- чается в создании диэлектрической ячейки для измерений, которая позволяет непосредственное измерение коэффициента преломления без ис- пользования резонансных или волноводных ме- тодов, требующих решения прямой и обратной электродинамических задач при определении ди- электрических характеристик слабых водных растворов. При этом предполагается упростить схему и увеличить скорость измерений. Опреде- ление абсолютного значения коэффициента пре- ломления или комплексного значения диэлектри- ческой проницаемости, учитывая сложности в точном измерении диэлектрических характери- стик слабых водных растворов (даже при исполь- зовании резонансных измерительных ячеек), при создании и изучении нового устройства не пред- ставляло первоочередной задачи. Ввиду слабого различия в диэлектрических характеристиках воды с низкой концентрацией солей необходимо было разработать также новую методику обработки ре- зультатов, которая дает возможность идентифици- ровать питьевую воду, различающуюся составом растворенных в ней солей с S ≤ 1 %. 1. Применяемая методика измерений. Для непосредственного измерения коэффициента mailto:yavm@ire.kharkov.ua А. Я. Кириченко, Г. В. Голубничая / Идентификация питьевой воды… _________________________________________________________________________________________________________________ 82 преломления слабого водного раствора, каким является питьевая вода, была использована мето- дика колеблющейся металлической струны [4]. Достоинством метода является непосредственное измерение длины волны  в растворе, т. е. фак- тически коэффициента преломления 0n , где 0 – длина волны в свободном пространстве. Следует отметить, что широко известные методы измерения электрических характеристик веществ (резонаторный, волноводный и метод измерения в свободном пространстве) позволяют определять диэлектрические характеристики веществ лишь опосредствовано  через изменения резонансных частот и добротностей или через измерение коэф- фициентов отражения или прохождения волны через слой диэлектрика. К сожалению, область применения предлагаемой методики измерений ограничивается мм волнами. Схематически устройство, использующее рассматриваемый метод, представлено на рис. 1. Рис. 1. Блок-схема измерительного стенда для определения диэлектрических свойств жидкостей Тестируемый раствор 1 находится в кон- тейнере 2. В растворе располагается открытый конец прямоугольного волновода 3, защищенный от проникновения жидкости внутрь волновода заглушкой из фторопласта 5. Открытый конец волновода является излучателем частоты ,2 f  длина волны которой лежит в области мм диапа- зона волн. Часть стальной струны перед волново- дом располагается в жидкости параллельно век- тору напряженности электромагнитного поля. Волновод запитывается клистронным генерато- ром 6. В цепь питания излучателя включены установочный аттенюатор 7 и направленный от- ветвитель 8. Ответвитель, измерительное плечо которого нагружено кристаллическим детектором 9, принимает сигнал, отраженный от открытого конца волновода и металлической струны, распо- ложенной перед ним. Сигнал с детектора подает- ся на вертикально отклоняющие пластины изме- рительного осциллографа 10. Стальная струна 4 приводится в колебательное движение в Е-плоскости излучения из излучателя электро- магнитом 11, питаемым сигналом звукового гене- ратора 12 с частотой . Отраженный сигнал при этом представляет собою интерференцию двух отраженных сигналов (постоянного во времени, отраженного от торца волновода, и переменного – от вибрирующей струны). В детекторный прием- ник 9 поступает суммированный сигнал от неод- нородности в виде открытого конца волновода tieA 0 , т. е. опорный сигнал, и изучаемый сиг- нал, отраженный от колеблющейся струны      tietmBA cos1 ~ . За счет их интерферен- ции сигнал на экране осциллографа имеет вид ос- циллирующей с частотой 2 кривой с изменяю- щейся амплитудой   coscos1 ~ 2 02 tmAAA   . На рис. 2 представлен вид этой кривой, получен- ной на экране осциллографа при колебании стру- ны в воздухе. Рис. 2. Осциллограмма зависимости интенсивности отражен- ного сигнала от положения колеблющейся струны в воздухе при перемещении струны от среза волновода в направлении излучения Расстояние между соседними максиму- мами (или минимумами) этой кривой соответ- ствует половине длины волны, распространяю- щейся в воздухе  20 . При размещении излуча- теля и струны в измеряемой жидкости это рассто- яние равно 2 . Отношением этих расстояний определяется показатель преломления измеряе- мой жидкости 0n . Измерение расстояний производится микрометром при механическом перемещении колеблющейся струны относитель- но излучателя в направлении излучения волны. На снижение амплитуды колебаний при удалении струны от излучателя сказывается как этот фак- тор (что отражено на кривой, полученной в воз- духе, рис. 2), так и поглощение электромагнитно- 0 5 10 15 20 25 30 –10 0 10 20 30 40   2 z, мм / 4 5 9 7 8 1 6 11 12 10 3 2 A , о тн . ед А. Я. Кириченко, Г. В. Голубничая / Идентификация питьевой воды… _________________________________________________________________________________________________________________ 83 го излучения в измеряемой жидкости. Высокие поглощающие свойства воды обедняют осцилло- грамму, приведенную на рис. 2, в результате чего на ней наблюдается всего 1,5 – 2 колебания (рис. 3), что снижает точность измерения длины волны в слабых водных растворах. Рис. 3. Осциллограмма зависимости отраженного сигнала от положения колеблющейся струны в воде при отклонении ее к срезу волновода ( z  0) и от среза (0  + z) 2. Результаты измерений. Для исследо- вания коэффициента преломления источников питьевой воды Харьковского региона были взяты родниковые воды и воды из глубоководных арте- зианских источников: вода минеральных источни- ков, добываемая из скважин  «Роганская» (из глу- бины 700…800 м) и «Рай-Еленовская» (из глуби- ны 65…79 м); «Шестаковская-кремниевая» и «Шатиловская – Харьков-1». Для сравнения про- водились также измерения n дистиллированной воды и воды из харьковской водопроводной сети. Различие в коэффициентах преломления n всех че- тырех изучаемых образцов питьевой воды дости- гает всего лишь nn ~ 6 % в пределах темпера- турных границ проводимых исследований. При тем- пературе Т  14 °С в зависимости от вида образца измеренное n лежит в интервале 4,9 ≤ n ≤ 5,2, а при Т  21 °С – в интервале 5,3 ≤ n ≤ 5,6. Таким обра- зом, различие в коэффициентах преломления изучаемых образцов воды небольшое и сравнимо с точностью измерения используемого метода. Наряду с этим отмечается четкое увеличение ко- эффициента преломления всех четырех образцов питьевой воды с повышением температуры и, по- видимому, с различием в скорости изменения с температурой Tn  . Так, например, коэффи- циент преломления «свежей» (непосредственно сразу из под крана) водопроводной воды при температуре ниже 18 °С меньше значения n всех изучаемых образцов воды, однако с повышением температуры ее коэффициент преломления быстро возрастает и превышает значение n остальных образцов воды при Т ≥ 21 °С. Слабые отличия коэффициентов прелом- ления исследуемых водных растворов привлекли внимание к различиям в скорости изменения n с изменением температуры. С этой целью ввиду небольшого температурного интервала логично было использовать коэффициент линейной регрес- сии R при изменении температуры. Из результа- тов измерения электрических свойств дистилли- рованной воды на длине волны 8 мм, приведен- ных в работе [1], а также в других публикациях этих авторов, коэффициент линейной регрессии дистиллированной воды в интервале 20…30 °С составляет R  0,05727. Настоящими измере- ниями для дистиллированной воды установлено, что R ≤ 0,060. Предполагалось, что совместное исполь- зование измерений n и коэффициента линейной регрессии  Tn исследуемых образцов могло бы позволить повысить достоверность в различии слабых водных растворов. Действительно, не- смотря на низкую концентрацию растворенных примесей в изучаемых водных растворах, коэф- фициенты прямолинейной регрессии R коэффи- циента преломления с изменением темпера- туры  Tn оказались различными. На рис. 4 представлены зависимости коэффициента пре- ломления изучаемых образцов воды от темпера- туры, измеренные в интервале 13…21 °С, а также линии прямолинейной регрессии. 12 14 16 18 20 22 24 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 6 5 4 32 n T, C 1 Рис. 4. Линейные регрессии температурных зависимостей коэф- фициентов преломления для образцов воды из разных источ- ников Харьковского региона: 1 – «Рай-Еленовская» вода (*); 2 – «Роганская» вода (); 3 – дистиллят ( ); 4 – «Шестаков- ская» вода (); 5 – шатиловский источник (); 6 – водо- проводная вода () Т, С Благодаря усреднению измерений n, проведенных при нескольких температурах, отмечается различие прямых регрессии, которые получены при измерениях отдельных образцов питьевой воды.  /2 A , о тн . ед –10 –5 0 5 10 z, мм 1,0 0,5 0,0 –0,5 –1,0 –1,5 А. Я. Кириченко, Г. В. Голубничая / Идентификация питьевой воды… _________________________________________________________________________________________________________________ 84 Измеренные коэффициенты прямолиней- ной регрессии изучаемых образцов воды меняют- ся в интервале от R ≤ 0,06 для «Рай-Еленовской» и дистиллированной воды, до R ≥ 0,06  для водо- проводной. Коэффициенты линейной регрессии для «Шатиловской» (0,056), «Роганской» (0,061) и «Шестаковской» (0,062) воды имеют значение, близкое к 0,06. В проводимых исследованиях об- наружено заметное изменение R для водопроводной воды со временем ее хранения. Если для свеже- набранной воды из водопроводного крана R за- метно превышает значение 0,06, достигая 0,08, то со временем оно приближается к значению R  0,06. В отличие от водопроводной воды, дистиллированная вода сохраняет свои диэлект- рические свойства в течение нескольких суток без заметных изменений. В таблице представлены значения коэффициента линейной регрессии R изучаемых образцов воды в порядке возрастания. Здесь же приведено значение коэффициента кор- реляции B проведенных измерений n с получен- ной прямой регрессии. Высокое значение коэф- фициента корреляции B (достигающее 0,9) явля- ется дополнительным аргументом, подтвержда- ющим достоверность результатов проводимых исследований. Источник воды R B «Рай-Еленовская» 0,040,045 0,60,9 Дистиллированная  0,06 0,60,9 «Шатиловская» 0,0550,06 0,80,9 «Шестаковская» 0,060,062 0,70,9 «Роганская» 0,060,065 0,80,9 Водопроводная 0,060,08 0,80,9 Выводы. Метод, предложенный для непосредственного измерения коэффициента пре- ломления слабых водных растворов, позволяет производить измерение интегральной характери- стики – коэффициента преломления n с доста- точной точностью ( %5 nn ). Проведенными исследованиями показано, что предложенная экспресс-методика позволяет идентифицировать питьевую воду по коэффициенту преломления n с дополнительными измерениями его темпера- турной зависимости. 1. Мериакри В. В. Контроль влагосодержания в средах и мате- риалах с помощью миллиметровых волн / В. В. Мериакри, И. П. Никитин, Е. Е. Чигряй // Радиотехника.  1996. – № 2. – C. 98101. 2. Фурашов Н. И. Исследование диэлектрических свойств воды в диапазоне частот 75 – 120 ГГц / Н. И. Фурашов, В. Е. Дудин, Б. А. Свердлов // Изв. вузов. Радиофизика. – 2006. – 49, № 6. – С. 489501. 3. Кириченко А. Я. Полудисковый диэлектрический резонатор с колебаниями шепчущей галереи для измерения электриче- ских свойств воды / А. Я. Кириченко, А. Е. Когут // Изв. вузов. Радиофизика. – 2008. – 51, № 9. – С. 769776. 4. Голубничая Г. В. Метод непосредственного измерения коэф- фициента преломления жидкостей в миллиметровом диапа- зоне / Г. В. Голубничая, А. Я. Кириченко // 18-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»: материалы конф.  Севастополь, 2008. – С. 743744. A. Ya. Kirichenko, G. V. Golubnichaya INDENTIFICATION OF POTABLE WATER FROM KHARKOV REGION SPRINGS, USING TEMPERATURE DEPENDENCE OF THEIR REFRACTION INDEXES Refraction indexes of water samples from different springs and their dependencies upon temperature are studied in millimeter wavelength using oscillating string method. It is estab- lished that temperature dependence of refraction index in the in- vestigated range of temperatures can be approximated by linear dependence. It is shown that coefficient of the linear regression of temperature dependence allows one to distinguish waters from different springs. Key words: method of vibrations string, permittivity, water. О. Я. Кириченко, Г. В. Голубнича ІДЕНТИФІКАЦІЯ ПИТНОЇ ВОДИ ПРИРОДНИХ ДЖЕРЕЛ ХАРКІВСЬКОГО РЕГІОНУ З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ЇХ КОЕФИЦІЄНТІВ ЗАЛОМЛЕННЯ З використанням методу коливної струни в мм діапа- зоні довжин хвиль було досліджено коефіцієнти заломлення та їх температурні залежності серії зразків питних вод з різних джерел. Встановлено, що температурну залежність коефіцієнтів заломлення в дослідженому діапазоні температур можна з достатньою точністю апроксимувати прямою. Показано, що за допомогою визначення коефіцієнта прямолінійної регресії коефіцієнта заломлення температурної залежності можна встановити належність зразка питної води до того чи другого джерела. Ключові слова: метод коливної струни, діалект- рична проникність, вода. Рукопись поступила 23.11.10 г.

Идентификация питьевой воды природных источников Харьковского региона с использованием температурной зависимости их коэффициента преломления

Репозитарії

Схожі ресурси