Узо принцип действия: Принцип работы УЗО | Заметки электрика

Содержание

Принцип работы УЗО | Заметки электрика

Дорогие гости, рад Вас приветствовать на страницах сайта «Заметки электрика».

Сегодня разберем с Вами интересную статью на тему принцип работы УЗО.

Что же такое УЗО? Для чего оно необходимо?

Устройство защитного отключения (УЗО) предназначено для:

  • защиты людей от поражения электрическим током при появлении неисправности в электроустановке
  • отключения напряжения при случайном или ошибочном соприкосновении с токоведущими частями электроустановки во время утечки тока
  • защиты от воспламенения электропроводки при замыкании на землю (корпус)

Более подробно о назначении и видах УЗО Вы можете познакомиться в моих статьях — применение УЗО и типы УЗО.

На рынке электрических товаров появились альтернативы УЗО — это дифференциальные автоматы. Их особенность заключается в том, что они объединяют в себе и УЗО, и автоматический выключатель.

Дифференциальные автоматы занимают меньше места в квартирных щитках, но зато по стоимости превышают в несколько раз. Но обо всех особенностях дифференциальных автоматов мы поговорим в следующих статьях. Чтобы не пропустить интересное — подписывайтесь на получение новостей.

Принцип работы УЗО

В основе принципа работы УЗО лежит реакция датчика тока на изменяющуюся входную величину дифференциального тока в проводниках.

Датчик тока — это и есть обычный трансформатор тока, который по конструкции выполнен в виде тороидального сердечника. Уставка по току срабатывания выставляется на магнитоэлектрическом реле, которое обладает очень высокой чувствительностью.

УЗО, выполненные с релейным контролирующим органом являются очень надежными и безотказными.

Но развитие электротехники не стоит на месте, поэтому не так давно появились электронные УЗО, в которых контролирующим органом является не реле, а специальная электронная схема.

Реле действует на исполнительный механизм, который в свою очередь размыкает электрическую цепь.

Исполнительный механизм состоит из:

  • контактной группы (выбирается на максимальный ток — смотрим по паспорту УЗО)
  • пружины (для размыкания электрической цепи в случае ненормального режима работы)

Чтобы самостоятельно проверить исправность УЗО необходимо нажать кнопку «Тест». При этом создается искусственная утечка по току, которой достаточно для срабатывания УЗО. Таким образом, можно самостоятельно производить проверки УЗО без привлечения специалистов электротехнической лаборатории. Проверку УЗО кнопкой «Тест» необходимо проводить ежемесячно. Для более тщательной проверки УЗО мы производим замер тока и времени его срабатывания с помощью специального прибора MRP-200.

А теперь мы рассмотрим принцип работы УЗО более подробно.

 

Работа УЗО при нормальном состоянии сети

В нормальном состоянии электропроводки (без утечек) рабочий ток (I1=I2) протекает встречно-параллельно и наводит во вторичной обмотке трансформатора тока магнитные потоки (Ф1=Ф2) одинаковой величины, которые компенсируют друг друга. В этот момент реле не срабатывает, т. к. ток вторичной обмотки трансформатора тока близок к нулю.

 

Работа УЗО при утечке

При случайном или ошибочном соприкосновении с токоведущими частями электроустановки появляется ток утечки. В этот момент нарушается величина токов проходящих через трансформатор тока (I1 не равно I2), поэтому во вторичной цепи трансформатора тока появится ток (не баланс), которого будет достаточно для срабатывания реле. Реле приводит в работу пружинный механизм и происходит отключение УЗО.

Как выглядит УЗО изнутри смотрите на рисунке ниже:

1 — пластиковый корпус
2 — замки под DIN-рейку
3 — трансформатор тока
4 — электромагнитное реле
5 — расцепитель тока
6 — дугогасительные камеры
7 — медные зажимы (клеммы)

В данной статье мы рассмотрели принцип работы УЗО. В следующих статьях мы продолжим знакомиться с УЗО и рассмотрим следующие темы: схемы подключения УЗО, характеристики УЗО, как правильно купить УЗО, почему выбивает УЗО и многое другое.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:


Принцип работы УЗО в однофазной сети с заземлением и без

Среди других защитных приборов, устанавливаемых при монтаже электропроводки, особое место занимает устройство защитного отключения. В отличие от других аппаратов оно защищает не материальные ценности, а жизнь людей, поэтому для правильной установки и подключения этого прибора важно знать принцип работы УЗО.

Для чего нужно УЗО

Опасным для жизни человека является не высокое напряжение в сети, а протекающий через тело ток. Его сила, при которой человек не может самостоятельно освободиться от воздействия электричества, составляет более 30 мА.

Такой ток не способен заметить ни один автоматический выключатель, особенно если учесть что уставка этого защитного прибора составляет 5, 10 или 16 А, а иногда и более. Существует два метода предотвратить электротравму при прикосновении к токоведущим частям, но они малоприменимы на практике.

Опасным напряжением для человека считается величина более 50 В, но понизить его до этого уровня очень сложно технически и дорого экономически. Это связано с тем, то при падении напряжения для сохранения мощности необходимо повышать ток электроприбора и сечение питающих кабелей.

Например, для электрочайника мощностью 2 кВт при напряжении 220 В необходимый ток и сечение провода составят 9 А и 0,5мм² соответственно. Если включить его в сеть 50 В, то эти значения вырастут до 40 А и 4 мм². Необходимо увеличивать так же сечение линий электропередач, подходящих к дому, и менять всю коммутационную и защитную аппаратуру.

Поэтому пониженное напряжение используется только в особоопасных местах с повышенной влажностью, а в других помещениях принимаются другие меры защиты от электричества.

Другой способ повышения безопасности установка разделительного трансформатора. Электрический ток через тело чаще всего проходит по пути фаза-земля-нейтраль трансформатора. Питание электроприборов через разделительный трансформатор исключает этот путь и даже в случае прикосновения к фазному проводнику цепь не замыкается и ток по организму не идёт.

Это более реальный метод, в частности, когда-то розетки в ванной для электробритвы подключались именно через такой трансформатор, но его мощность составляла всего 50-100 Вт.

Для установки такого устройства на всю квартиру мощность аппарата будет определяться вводным автоматом и составит не менее 3 кВт, а при наличии электрического бойлера, электроплиты и электроотопления она может достигать 10 кВт и более. Это крупногабаритное и достаточно дорогое устройство.

Поэтому для защиты от электричества необходим другой способ. Это монтаж устройства, анализирующего дифференциальный ток. Это именно то, для чего нужно УЗО — постоянное наблюдение за сетью и отключение питания при попадании человека под напряжение и появлении тока утечки.

Что такое дифференциальный ток

Согласно первому правилу Кирхгофа ток в нулевом и фазном проводниках должен быть одинаковым. Соответственно, дифференциальный ток это не ток в проводе, а разница в силе тока в этих проводах. Его появление указывает на появление тока утечки через повреждённую изоляцию или попавшего под напряжение человека.

Величина дифференциального тока, при котором происходит срабатывание УЗО, определяется ПУЭ п.7.1.79 и не может быть больше 30 мА — тока неотпускания при электротравме. Для электроприборов ванной комнаты уставка ещё ниже, всего 10 мА.

Это связано с тем, что например, освободиться от упавшего в ванну фена человеку, лежащему в этой ванне очень сложно, а длительное воздействие сравнительно безопасного тока 30 мА может привести к печальным последствиям.

Принцип работы УЗО в однофазной сети

Принцип работы УЗО в однофазной сети заключается в

сравнении тока в фазе и нейтрали. Для этого внутри прибора имеется дифференциальный трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой.

Принцип работы устройства защитного отключения основан на сравнивании величины тока на входе и выходе защищаемого объекта.

В обычной ситуации ток во вторичной обмотке отсутствует и возникает только при появлении тока утечки. Это вызывает срабатывание защиты. Работа устройства отличается в зависимости от наличия в сети заземления.

С заземлением

Ток утечки в однофазной сети с заземлением возникает в двух случаях:

  • Повреждение изоляции. В этой ситуации электричество проходит через изоляцию и заземлённый корпус электроприбора. Если повреждения значительные, то происходит короткое замыкание и срабатывание максимальной защиты автоматического выключателя, но в случае незначительного уменьшения сопротивления изоляции ток меньше уставки автомата и аварийного отключения защиты не происходит. При этом сила тока в нулевом проводе уменьшается на величину тока, идущего через защитное заземление, что приводит к срабатыванию дифреле. Таким образом, УЗО отключает прибор с повреждённой изоляцией сразу после появления повреждений, например, при возникновении утечки воды в бойлере или стиральной машине.
  • Попадание человека под напряжение при проведении ремонтных работ. Тело человека обладает высоким сопротивлением и ток, протекающий через него, составляет всего несколько десятков миллиампер. Это опасно для жизни, но исключает срабатывание автоматического выключателя. Ток утечки, появляющийся в этом случае, может вызвать только отключение УЗО или дифавтомата.

Без заземления

В сети без заземления нарушение изоляции не приводит к возникновению тока утечки и поврежденный прибор превращается в «собаку, кусающую при попытке её погладить».

Даже при попадании фазы на корпус короткое замыкание не возникает и отключение автомата не происходит и в случае прикосновения к электроприбору человек получает удар электрическим током.

Предотвратить электротравму может только один из приборов дифзащиты, отключающий питание при появлении тока утечки по пути фаза-корпус-человек-земля.

Как работает Устройство Защитного Отключения

Основным элементом конструкции устройства защитного отключения является дифференциальный трансформатор тока. Это тороидальный сердечник на который намотаны обмотки.

При нормальной работе сети, электрический ток протекающий в фазном и нулевом проводе создает в этих обмотках переменные магнитные потоки, которые равны по величине, но противоположны по направлению. Результирующий магнитный поток в тороидальном сердечнике будет равен:

Ф = ФL — ФN = 0

Как видно из формулы магнитный поток в тороидальном сердечнике УЗО будет равен нулю, следовательно ЭДС в контрольной обмотке наводится не будет, ток в ней, соответственно тоже. Устройство защитного отключения в этом случае не работает и находится в спящем режиме.

Теперь представим что человек коснулся электроприбора который в результате повреждения изоляции оказался под фазным напряжением. Теперь через УЗО кроме тока нагрузки будет протекает дополнительный ток — ток утечки.

В этом случае, токи в фазном и нулевом проводе не будут равны. Результирующий магнитный поток также не будет равен нулю:

Ф ≠ 0

Под воздействием результирующего магнитного потока в контрольной обмотке возбуждается ЭДС, под действием ЭДС в ней возникает ток. Ток возникший в контрольной обмотке приводит в действие магнитоэлектрическое реле которое отключает силовые контакты.

Максимальный ток в контрольной обмотке появится тогда когда в одной из силовых обмоток тока не будет. То есть, это ситуация когда человек коснется фазного провода, например в розетке в этом случае ток в нулевом проводе протекать не будет.

Почему УЗО иногда ложно срабатывает

Не всегда срабатывание дифзащиты происходит из-за аварийной ситуации. Иногда это случается без видимых причин и такое отключение связано с тем, как работает УЗО. Если исключить неисправность самого аппарата, то ложное срабатывание вызвано «штатным» током утечки.

Согласно ПУЭ п.7.1.83 нормой считается 10 мкА на метр длины кабеля и 1,8 мА на киловатт мощности электроприбора и, для предотвращения случайных отключений, для УЗО с уставкой 30 мА, общий запланированный ток утечки не может быть больше 10 мА, а для ванной с дифзащитой 10мА не выше 3,3 мА.

Следовательно, при большой протяженности кабелей дифреле желательно устанавливать рядом с оборудованием, а электроприборы общей мощностью более 5,5 кВт разделять на группы с установкой отдельного УЗО для каждой из них.

Важно! Срабатывание дифзащиты без видимых причин может быть вызвано повреждённой изоляцией кабеля, проложенного в земле или на улице или влагой в переходной коробке.

Когда УЗО не спасет?

Несмотря на надёжность дифзащиты оно спасает от поражения электрическим током не во всех ситуациях. Если электромонтёр стоит на сухом деревянном полу в резиновой обуви, а тем более на диэлектрическом коврике, то он изолирован от земли и ток через него не пойдёт даже в том случае, если он возьмётся рукой за фазный провод. Ток утечки при этом отсутствует и УЗО не сработает.

Такая ситуация является безопасной, но в случае прикосновения второй рукой к нейтрали человек для электросети начинает изображать электроприбор. Ток приходит по фазному проводу, проходит по телу и возвращается через нейтраль.

Равенство токов в проводах не нарушается, дифзащита не отключается, но человек может получить электротравму. То же самое происходит при попытках отогнуть язычок в патроне пальцем, не выключив выключатель.

Давайте рассмотрим несколько ситуаций, когда ВДТ сработает, может сработать и не сработает вообще:

  1. А) Человек взялся за фазный провод одной рукой, ток проходит через тело в землю. УЗО сработает правильно!
  2. Б) Человек стоит на токопроводящем полу и одновременно берется за фазный и нулевой провод. Ток замыкается по цепи «рука – рука», возвращаясь по нулевому проводу в сети. Но часть тока уходит через ноги в землю. УЗО сработает, если ток утечки окажется достаточным для его срабатывания.
  3. В) Человек стоит на изолирующей от пола подставке и одновременно берется за фазный и нулевой провод. Утечки тока через тело нет. УЗО не сработает.

Как проверить УЗО на исправность

Контроль исправности любого защитного устройства производится путём имитации аварийной ситуации. Для УЗО это появление тока утечки, соответствующего уставке аппарата.

Для этого внутри прибора имеется резистор, при подключении которого между выходной фазной клеммой и входной нейтральной ток в нулевой обмотке уменьшается на величину, необходимую для срабатывания защиты.

Подключение резистора и проверка дифзащиты осуществляется нажатием кнопки «ТЕСТ», находящейся на передней панели прибора. Производить такую проверку желательно каждый месяц. Это необходимо для уверенности в исправности устройства и его срабатывании в аварийной ситуации.

Вывод

Устройство защитного отключения необходимо для защиты людей от поражения электрическим током. Работа этого прибора не зависит от наличия в электропроводке заземляющего проводника, единственное отличие заключается в том, что в сети с заземлением защита отключит питание сразу после повреждения изоляции, не дожидаясь пока к корпусу дотронется человек.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Принцип работы УЗО,характеристики, как выбрать УЗО

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Устройство защитного отключения (УЗО) предназначено для предотвращения поражения человека электрическим током при касании токоведущих частей.

Однако, выручить УЗО сможет не всегда и вот почему.

Принцип работы УЗО основан на сравнении втекающего Iвх в электрическую цепь и вытекающего Iвых из нее токов (рис.1).

При их равенстве УЗО находится во включенном состоянии, если они различаются на величину ΔI и более электрическая цепь размыкается. Это значение называется током срабатывания УЗО и для различных типов составляет 10-300 мА.

  1. Работа УЗО в режиме «норма»: Iвх=Iвых=Iн, здесь Iн — ток нагрузки.
  2. При касании человеком токоведущего элемента электрической цепи возникает ток утечки Iут, который протекает через тело на «землю». При этом Iвх=Iут+Iн, Iвых=Iн, Iвх-Iвых=Iут=ΔI. Если это значение соответствует току срабатывания происходит размыкание электрической цепи.
  3. Одновременное касание нуля и фазы — это случай, когда отключения не произойдет. Действительно, Iвх=Iут+Iн, Iвых=Iут+Iн, Iвх=Iвых

Теперь давайте посмотрим как этот принцип работы реализован на практике (рисунок 2).

Проходя через токовый трансформатор Т токи Iвх, Iвых наводят в его сердечнике магнитные поля, противоположные по направлению.

Если значения токов равны эти поля взаимно компенсируют друг друга. Если их значения различны, результирующее магнитное поле отлично от нуля и наводит управляющий ток Iуп, который вызывает срабатывание отключающего устройства К.

Для проверки работоспособности УЗО предусмотрена кнопка «Тест», при нажатии на которую подключается резистор R, имитирующий ток утечки. Если при этом УЗО отключается, то оно работоспособно.

Принцип работы трехфазного УЗО аналогичен описанному.

КАК ВЫБРАТЬ УЗО

Для того, чтобы правильно выбрать УЗО следует знать его основные технические характеристики:

  • Ток срабатывания. Поскольку назначение УЗО — защита человека от поражения электрическим током, его величина должна лежать в безопасных пределах. Поскольку 10 мА — величина, которая уже представляет опасность для человека, то целесообразно выбрать это значение.

    Однако, может быть что работа УЗО при этом будет неустойчивой (отключения без видимых причин).

  • Время срабатывания УЗО должно быть не более 25-40 мс, для предотвращения таких смертельно опасных проявления, как, например фибрилляция сердца.
  • Существуют несколько типов УЗО, реагирующие на разные виды токов. Интерес могут представлять тип АС — реагирующий на переменный синусоидальный ток, что для квартиры вполне достаточно и А — помимо указанного реагирует на пульсирующий постоянный ток.
  • По конструкции УЗО бывают электромеханические, отключение которых вызывает дифференциальный ток — их можно смело рекомендовать и электронные, завязанные в своей работе на сетевое напряжение. Если они имеют функцию отключения при пропадании напряжения, то их можно применять, если такой функции нет — настоятельно не рекомендую.
  • Ток нагрузки УЗО (не путать с током срабатывания) определяется суммарным током всех потребителей энергии, подключенных к данному устройству.
  • Если УЗО используется совместно с автоматом защиты желательно чтобы ток нагрузки УЗО был несколько больше тока срабатывания автомата для предотвращение перегрузки УЗО при работе на предельных значениях токов.

Вот, вроде все. Как подключить УЗО можно посмотреть в разделе схемы подключения.

© 2012-2022 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


Устройство защитного отключения – назначение, принцип действия, типы, правильный выбор

Само название УЗО говорит о его назначении — Устройство Защитного Отключения. Именно оно, а конкретнее — автоматическое отключение питания должно защищать нас с Вами от поражения электрическим током при повреждении изоляции (согласно ПУЭ-7 п.1.7.51) при косвенном прикосновении. Косвенное прикосновение — это электрический контакт человека с токопроводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции (например замыкание фазного провода на корпус электроплиты). Так же согласно ГОСТ 50571.3-94 устройство защитного отключения служит как дополнительная защита от электропоражения уже при прямом прикосновении к токоведущим частям. Другими словами — даже в случае прикосновения к оголенному проводу, находящемуся под опасным потенциалом — УЗО спасет нам жизнь.

Кроме защиты от электрического тока УЗО выполняет так же и противопожарные функции, поэтому п.7.1.84 ПУЭ-7 рекомендует применять УЗО для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части. Дело в том, что мощности электрической дуги всего в 40-50 ватт уже бывает достаточно для возгорания некоторых строительных материалов. И возникает такая дуга именно при ухудшении изоляции проводов и кабелей электропроводки зданий, когда, если говорить простым языком — «электрический ток идет не туда куда надо». То есть не только по замкнутой электрической цепи от источника — к нагрузке, но еще и «ответвляется» в сторону на корпуса электроприборов или заземленные части. В этом случае УЗО — единственное эффективное средство способное почувствовать утечку тока и как следствие — появление пожароопасной электродуги и обесточить опасный участок.

Вкратце можно подытожить: назначение УЗО — защищать человека и его имущество от неприятностей, которые могут возникнуть при ухудшении изоляции токоведущих частей (например — может возникнуть пожар) и УЗО это современное, высокоэффективное средство от электротравматизма. В современных условиях применение УЗО позволяет обеспечить электробезопасность действием защиты — автоматического отключения источника питания.

Многие даже и не догадываются, что УЗО изобрели еще в прошлом веке, а именно – 8 апреля 1928 года был получен патент за номером 552 678 на первое в мире устройство защиты от поражения человека электрическим током. Патент выдан германской фирме «RWE». С тех пор УЗО получило широкое распространение в европейских странах и Америке, у нас же такие устройства стали применяться значительно позже. Принцип работы УЗО кардинальным образом отличается от работы автоматического выключателя и заключается вреагировании на появление разностного тока. Для сравнения возьмем однофазный однополюсный автоматический выключатель и однофазное УЗО. Так вот, если автомат можно включить только в фазный провод эл. цепи нагрузки, а нулевой рабочий провод будет подключен напрямую, то УЗО так подключить не получится.

Для этого потребуется обязательно оба провода питания — и фазный и нулевой рабочий. При этом УЗО сравнивает, что бы по фазному проводу на нагрузку ушло электроэнергии столько же, сколько вернется обратно по нулевому рабочему проводу. Если происходит утечка электрического тока, появляется разностный ток, УЗО сразу реагирует и отключает нагрузку.

Есть и трехфазные УЗО, но принцип работы у них точно такой же, отличаются они от однофазных только количеством полюсов (четыре полюса) и тем, что сквозь ТТНП проходит не два проводника, а четыре — три фазы и рабочий ноль.

Трехфазное УЗО


Рассмотрим устройство и принцип работы УЗО более подробно. Устройство защитного отключения состоит из:

  1. Дифференциального трансформатора тока, который в свою очередь состоит из тороидального магнитопровода, первичной и вторичной обмоток.
  2. Пусковой орган (электромеханическое реле или электронная схема у электронных УЗО).
  3. Исполнительный механизм, состоящий из механизма привода, спускового механизма и силовых контактов.
  4. Цепь тестирования — кнопка, резистор, защитный контакт. Эта цепь необходима для проверки работоспособности УЗО в процессе эксплуатации. При нажатии на кнопку «Тест» через резистор искусственно создается отключающий дифференциальный ток и УЗО должно отключиться — разомкнуть силовые контакты.

Основной элемент УЗО — это реагирующий на разностный ток дифференциальный трансформатор тока или еще его называют трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП). У электромеханических УЗО ТТНП представляет из себя тороидальный магнитопровод с намотанной вторичной обмоткой. В качестве первичной обмотки выступают фазные и нулевые провода, подключенные на нагрузку и проходящие обязательно сквозь магнитопровод.

Принцип УЗО

В магнитопроводе от каждого проходящего сквозь него проводника (фазного и нулевого) наводится свой магнитный поток (ФL и ФN см.рисунок), эти наводящиеся магнитные потоки направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются, общий магнитный поток Фобщ. равен нулю, поэтому во вторичной обмотке в итоге электрический ток не наводится и срабатывания УЗО не происходит. Как только появляется ток утечки — например, из-за повреждения изоляции, значение электрического тока по одному из проходящих через УЗО проводов становится больше, магнитный поток от этого провода так же увеличивается и между двумя магнитными потоками появляется некоторая разность, то есть потоки уже не компенсируются друг другом, и этой разности хватает, что бы во вторичной обмотке ТТНП за счет взаимоиндукции навёлся электрический ток Iдиф. определенного значения. И когда значение этого вторичного тока Iдиф. достигнет определенных пределов — происходит срабатывание электромеханического реле Р прямого действия и УЗО с помощью механизма привода – размыкает силовые контакты. У электронных УЗО процесс работы аналогичен с той лишь разницей, что вторичная обмотка дифференциального трансформатора подключена к электронной схеме и уже сама электроника управляет механизмом привода. Тут следует отметить большой недостаток электронных УЗО — для их работы требуется напряжение питания (для электронной схемы).

Типы УЗО

Различные типы УЗО делятся по следующим основным техническим параметрам:


  1. Номинальному отключающему дифференциальному току IDn: 6, 10, 30, 100, 300, 500 мА
  2. По назначению: а) обычное УЗО — выключатель дифференциального тока (ВДТ) б) комбинированное УЗО — автоматический выключатель дифференциального тока (АВДТ), по сути это УЗО и автоматический выключатель в одном корпусе, то есть АВДТ так же защищает нагрузку от токов перегрузки и короткого замыкания и имеет в своем устройстве тепловой и электромагнитный расцепитель. В свою очередь АВДТ подразделяются, так же как и автоматические выключатели, по характеристике расцепителя — В, С и D.
  3. Электромеханические и электронные. Самые надежные УЗО — электромеханического типа, это уже подтверждено многолетней практикой применения.
  4. Стационарные и мобильные. Стационарные устанавливаются в различных щитах и сборках, а мобильные — применяются для переносных электроустройств для шнурового соединения.
  5. По определению формы волны электрического тока, на который реагирует УЗО:
  • АС — УЗО реагирует только на переменный синусоидальный разностный ток, медленно нарастающий или возникающий толчком.
  • А — реагирует как на синусоидальный, так и на пульсирующий постоянный (выпрямленный) разностный ток. Именно такое УЗО сейчас надо устанавливать в офисах, квартирах и производственных помещениях, так как из-за использования компьютеров, телевизоров и другой офисной техники, имеющих импульсные блоки питания, а так же безтрансформаторные схемы питания — в случае утечки тока появляется именно пульсирующий разностный ток, на который не реагирует УЗО типа АС.
  • В — реагирует на синусоидальный, пульсирующий постоянный, пульсирующий постоянный с наложенной сглаженной пульсацией постоянного тока от 6мА, медленно нарастающие или возникающие толчком. УЗО этого типа очень чувствительны к току утечки широкого спектра частот в диапазоне от практически нуля до 1МГц. Применяются такие УЗО в схемах с инверторами, частотными преобразователями и источниками бесперебойного питания.
  • По выдержке времени на отключение: обычные — без выдержки времени и селективные – тип S или G с выдержкой времени срабатывания.
  • Более подробно с параметрами, типами и требованиями к УЗО можно ознакомиться в ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 51326.1-99 и ГОСТ Р 51327.1-99

    Выбор УЗО

    Отметим самые важные условия выбора УЗО. Технические характеристики УЗО должны соответствовать параметрам электрической сети и нагрузке, к которой подключается УЗО. Например, если УЗО рассчитано на напряжение сети до 240В переменного тока, то естественно его нельзя применять при 380В:

    В зависимости от нагрузки УЗО выбирается по номинальному току силовых контактов. Конечно глупо будет выбирать УЗО с ном. током в 25А например на электрокотел с током 40А, в этом случае силовые контакты УЗО просто не выдержат перегрузки и разрушатся. В этом примере правильно будет выбрать УЗО на 63А, то есть на одну ступень выше номинального тока нагрузки, а перед УЗО установить автоматический выключатель на 40А — для защиты УЗО от перегрузки. В любом случае если последовательно в УЗО установлен автоматический выключатель для защиты УЗО, то по номинальному току УЗО должно быть как минимум на одну ступень выше. Естественно это относится только к обычным УЗО — (ВДТ), если УЗО комбинированное (АВДТ) то дополнительно защищать его от перегрузки и токов КЗ не требуется.

    Следующее условие выбора УЗО — по дифференциальному отключающему току. Здесь выбирается требуемый параметр – 10, 30 мА или выше. Следует учитывать важную деталь: в целях электробезопасности применяют УЗО до 30 мА. В целях пожарной безопасности – с диф. током от 100мА и выше.

    Выбор по времени срабатывания (селективности) — нужен например, если последовательно установлены несколько УЗО. Например — вводное УЗО и после него идут групповые УЗО. Если все УЗО на 30мА то при утечке тока может отключиться вводное УЗО и полностью обесточить объект. Что бы этого не произошло, устанавливают на вводе селективное УЗО с буквой (S или G) и тогда сначала отключаются групповые УЗО, а неповрежденные участки электросети остаются включенными. К сожалению, в рамках одной статьи невозможно полностью осветить выбор УЗО, поэтому здесь указаны только самые важные пункты, по которым выбирается устройство защитного отключения.

    Оставляйте Ваши вопросы и комментарии и, конечно же — обращайтесь к нам, получите оптимальные решения для Вас и Вашего бизнеса по технологии ПССГ®!

    определение, назначение, принцип действия, модификации

    Устройство защитного отключения- устройство для отключения подачи напряжения в сеть (или для отдельного потребителя) при следующих рисках:

    1. При утечке тока на землю для защиты человека.
    2. При утечке тока на землю для защиты оборудования.
    3. При риске замкнуть контакты сети при повышенной влажности.

    Важно:

    • УЗО не срабатывает мгновенно при коротких замыканиях и перегрузке сети. Но срабатывает, в результате этих условий, позже. Это важно помнить и применять для защиты от КЗ, перегрузки и перенапряжения соответствующие устройства (автоматические выключатели, реле контроля напряжения).
    • УЗО не защищает от КЗ и перенапряжения. Но часто оно входит в комбинированные устройства защиты, является его составной частью, как в дифавтоматах, защищающих и от утечки, и от перегрузки.
    • УЗО никогда не подключают к проводникам заземления!

    Из практики:

      1. Дифавтомат является дорогим устройством, совмещающим в себе две функции: защита от перегрузки и защита от утечки тока. Применять необходимо либо очень качественные дифференциальные автоматы, либо использовать устройства защиты с отдельными функциями – это надежнее.
      2. УЗО устанавливается после автоматических вводных выключателей и устройств молниезащиты, так как не имеет собственной защиты от сверхтоков.

    Параметры срабатывания

    1. При касании человеком открытых токоведущих частей. Пример: для защиты детей от «проверок» розеток металлическими предметами.
    2. При заземлении оборудования и утечке дифференциального тока (тока с очень малой силой). Пример: поврежденная проводка соприкасается с заземленным корпусом.
    3. При перемене проводников (перепутали «землю» и «ноль», «фазу» и «ноль»).
    4. Время срабатывания – от 10…25 мс. Это очень короткое время. За данный промежуток человек не успевает получить ощутимый удар током, а оборудование – значительные повреждения.

    Устройство и принцип работы

    Кратко.

    В основе устройства – дифференциальный трансформатор. Как только появляется ток утечки (возникает только в фазном проводнике), во вторичной обмотке наводится напряжение, пропорциональное ему. Возникает ЭДС, которая приводит в действие расцепитель контактов. При превышении порога утечки произойдет срабатывание выключателя.

    В зависимости от степени сложности и назначения УЗО может быть:

    • автоматическим (для постоянной защиты цепи),
    • подключаемым (срабатывает только при подключении прибора к сети питания), электромеханические (не требует питания),
    • чувствительным (для защиты людей, с низким порогом срабатывания),
    • с высоким порогом тока утечки (для защиты только оборудования),
    • регулируемые (для оборудования)

    Подробно с картинкой

    При нажатии кнопки (3)контакты(4) (а также ещё один контакт, скрытый за узлом (5)) замыкаются, и УЗО пропускает ток.Соленоид(5) удерживает контакты в рабочем состоянии.

    Катушка (6) – это вторичная обмотка дифференциального трансформатора тока, Через который проходят фазный и нулевой проводники. Проводники не имеют контакта с катушкой[6].

    Любая утечка тока нарушает баланс в трансформаторе: через фазу идет больший ток, чем по нулевому проводнику. ток в первичной обмотке возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Эта ЭДС моментально регистрируется устройством слежения (7), которое отключает питание соленоида (5), он расцепляет контакты (4) и обесточивает сеть.

    Проверка работы УЗО

    В устройстве также предусмотрена система теста на работоспособность. Рекомендуется проверять все УЗО с периодичностью 1 раз в квартал (ПТЭЭПприл. 3, табл. 28, п.28.7)либо при подключении ответственных потребителей (для высокоточного оборудования, энергоемкой техники и т. п.). Принесрабатывании режима «тест» УЗО необходимо менять.

    Режим «тест» не фиксирует правильность подключения УЗО. Операцию подключения прибора должен проводить опытный электрик.

    Рассмотрим несколько УЗО разных производителей и модификаций:

    1. ABB ВДТ 2P/2M F202 AC-40/0,03

    Выключатели дифференциального тока F202

    Серия: F200

    Количество полюсов: 2P

    Номинальный ток: 40 А

    Номинальный дифференциальный ток: 30 mA

    Тип тока: A (реагирует на дифференциальный переменный ток)

    Номинальное напряжение: 230 В~

    Номинальное напряжение изоляции: 500 В~

    Количество модулей: 2

    Механическая износостойкость: 20000 циклов

    Электрическая износостойкость: 10000 циклов

    Тип зажима: цилиндрическая 2-направленная клемма с защитой от неправильного монтажа

    Сечение проводников: 25 мм2


    2. УЗО ИЭК 2П 25А 30mА

    Быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток, без встроенной защиты от сверхтоков. Предназначен для защиты человека от поражения электрическим током при случайном непреднамеренном прикосновении к токоведущим частям электроустановок и предотвращает возникновение пожаров вследствие протекания токов утечки на землю. Не имеет собственного потребления электроэнергии и обладает высокой механической износостойкостью.

    Технические характеристики:

    Количество полюсов 2

    Номинальный ток 25 А

    Номинал. дифф. ток 30 mA

    Класс срабатывания Тип АС


    3. УЗО ВД1-63 2Р 40А 30мА

    Технические характеристики:

    Количество полюсов: 2

    Номинальный ток, А: 40

    Номинальный отключающий дифференциальный ток, мA: 30

    Соответствуют стандартам: ГОСТ Р 51326.1­99

    Номинальное напряжение частотой 50 Гц, В: 230/400

    Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания, А: 3 000 (10000 — для 80 и 100 А)

    Рабочая характеристика при наличии дифференциального тока: АС

    Условия эксплуатации: УХЛ4

    Степень защиты выключателя: IP20

    Электрическая износостойкость, циклов В­О, не менее: 4 000

    Механическая износостойкость, циклов В­О, не менее: 10 000

    Максимальное сечение присоединяемых проводов, мм2:

    25 — для многожильного проводника, 35 — для одножильного

    Диапазон рабочих температур, °С: от -25 до +40

    Принцип действия и назначение УЗО

    Знание принципа действия устройства защитного отключения поможет в выборе наиболее подходящего вашим задачам. Приведенная схема типового квартирного щитка с использованием дифференциальной защиты поможет правильно выбрать схему подключения.

    Устройство защитного отключения или УЗО было изобретено в середине 20 века. Основное назначение устройства – защита человека от протекания тока при случайном прикосновении к фазному проводу защищаемой цепи. Обратите внимание на то, что защищается цепь только после автомата дифференциальной защиты. Это является основным недостатком устройств защит этого типа. Принцип работы основан на измерении выходного сигнала дифференциального трансформатора тока (иногда его называют трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП) и генерировании управляющего сигнала на отключение электроустановки при появлении тока утечки на землю. На рисунке 1 приведены схемы включения дифференциального трансформатора в зависимости от количества защищаемых цепей.

    Рисунок 1 – Принцип работы дифференциального трансформатора а) трехфазная сеть без нейтрального провода, б – трехфазная сеть с нейтральным проводом, в – однофазная сеть.

    Трансформатор производит векторное сложение токов, результатом которого является напряжение W2. Если в этих схемах убрать Rиз , то I’n будет равен 0, и напряжение W2 тоже будет равно 0, это нормальный режим работы, т.к. в исправной электропроводке сопротивление изоляции Rиз составляет несколько Мом и током I’n можно пренебречь. Если же сопротивление изоляции понизилось (например в результате старения) или появился человек, который взял в руку фазный провод под напряжением, то геометрическая сумма токов, проходящих через дифференциальный трансформатор уже не будет равна 0 (т.к. будет протекать ток утечки I’n). Ну а затем электронный усилитель усиливает сигнал до уровня, необходимого для срабатывания расцепителя контактов дифференциального автомата. Подробно схемы устройств защитного отключения и принцип действия рассматривается в отдельной статье Принципиальные схемы УЗО. Подключение УЗО на примере схемы типового квартирного щитка приведена на рисунке 2.

    Рисунок 2 — схема типового квартирного щитка с подключенными дифавтоматами

    Обратите внимание, что в схеме используется два защитных дифавтомата. Для стиральной машины предусматривается отдельный автомат защиты от токов утечки, т.к. она является потребителем большой мощности (в масштабах квартиры конечно же). Также обычно защищаются только розеточные группы, а группы освещения дифавтоматами не защищены. Так что помните об этом, если захотите заменить лампочку без отключения напряжения. Обозначения УЗО на принципиальных схемах отличаются, т.к. существуют устройства предназначенные для работы в различных условиях.

    Выбор УЗО

    Собственно хочу вас разочаровать, но как такового “выбора” у вас как у покупателя нет… В магазинах России в продаже 99% номенклатуры УЗО поставляется из Китая, продукцию произведенную в Европе привозят в основном под заказ, и цены на нее вас не обрадуют. На что следует обращать внимание при покупке УЗО:

    1) Надежность крепления к DIN рейке. Качественный автомат не будет болтаться (при условии что DIN рейка тоже качественная)

    2) Качество корпуса УЗО. Проведите рукой по корпусу, на нем не должно быть заусенцев, цвет пластмассы должен быть однородным а стыки плотно подогнанными и без зазоров.

    3) Качественное изделие имеет индивидуальную упаковку с инструкцией по подключению.

    4) Максимальный ток дифавтомата должен быть больше тока в защищаемой цепи

    5) Изучите графические обозначения на корпусе УЗО, чтобы выбрать автомат защиты именно для ваших условий.

    Монтаж УЗО

    Процесс подключения устройства защитного отключения принципиально не отличается от монтажа защитных автоматов, единственное что нужно сделать – проверить правильность фазировки.

    Проверка УЗО

    Проверку работы можно произвести несколькими способами. Самый простой и доступный – использовать кнопку «тест» на панели прибора. При её нажатии искусственно создается цепь утечки и исправное устройство должно сработать. Способ испытания, который определяет не только качественные, но и количественные характеристики, это проведение испытаний УЗО электролабораторией. Услуги электролаборатории не бесплатны, но в результате у вас будет отчет об испытании УЗО с указанием дифференциального тока, при котором произошло отключение. Существует два способа испытаний УЗО – с отключением защитного автомата от сети и испытание непосредственно в работающей схеме. В электропроводках с двумя проводниками (L и N) испытание в работающей схеме провести невозможно (из-за применяемой методики испытаний и конструктивных особенностей средств измерений).

    Принцип действия, устройство и установка УЗО

    Что такое токи утечки и как от них защититься? Устройство защитного отключения (УЗО) вовремя фиксирует дифференциальные токи и размыкает электрическую цепь. Другими словами, установка этого прибора поможет защитить дом от пожара и спасти жизнь. Как устроено УЗО и как оно работает? Читайте в этой статье.

    Содержание:

    1. 1. Конструкция УЗО
    2. 2. Особенности устройства
    3. 3. Принцип действия устройства защитного отключения
    4. 4. Основные характеристики УЗО
    5. 5. Как устанавливать УЗО

    Встреча с током утечки может произойти, если у прибора, например, утюга, повреждается изоляция проводов из-за износа или внешних воздействий. Ток начинает утекать через бреши, наделяя корпус прибора опасным электрическим потенциалом. Касаясь включенного утюга, человек принимает часть электрического тока, замыкая цепь на себя. Это нередко приводит к печальным последствиям. Кроме того, результатом утечки тока может стать перегрев проводов и даже пожар. Защитить от беды способно заземление. Однако нередки случаи, когда заземляющий контур находится слишком близко к дому, плохо изолирован или в помещении высокая влажность. Тогда заземление может пропускать ток через металлоконструкцию здания. Это наблюдается в частных домах с заземлением, сделанным непрофессионально. А в помещениях с повышенной влажностью, например, в ванной или на кухне, установка узо просто необходима.

    Конструкция УЗО

    Устройства защитного отключения по принципу работы делятся на две группы.

    Электромеханические УЗО не требуют внешнего электропитания и включают в себя следующие элементы: трансформатор тока с двумя обмотками, чувствительный магнитоэлектрический элемент и высокоточное поляризованное реле. Трансформатор – это сердце устройства. У однофазного узо первичная обмотка состоит из двух проводов – фазного и нулевого, у трехфазного – из четырех: три из них фазные и один нулевой. Вторичная обмотка – это провод, который соединен с реле.

    Электронные УЗО требуют отдельного электропитания. Имеют примерно такое же строение, как электромеханические. Но вместо магнитоэлектрического элемента используют сразу несколько устройств: компаратор, обеспечивающий сравнение токов, выпрямитель и усилитель сигнала, а поляризованное реле заменено обычным.

    Особенности устройства

    Почему именно УЗО – эффективное средство защиты от токов утечки? Если сравнивать его с выключателями, то узо наиболее чутко реагирует именно на дифференциальный ток, тогда как выключатели уделяют внимание перегрузке в сети и коротким замыканиям.

    Человек ощущает боль при воздействии тока величиной 3 – 5 мА. Ток со значением до 30 мА называется током неотпускания, когда человек не может самостоятельно оторвать руку от токоведущей части. Электрический ток от 30 до 100 мА считается смертельно опасным, так как вызывает фибрилляцию (частые сокращения) сердца. УЗО позволяет разорвать электрическую цепь еще до того, как величина тока достигнет опасного для человека значения.

    Принцип действия устройства защитного отключения

    В основе работы лежит принцип фиксации дифференциальных токов. Векторная сумма токов в фазном и нулевом проводах равна нулю, когда электрическая цепь замкнута. Если появляется разница между значениями силы тока, значит, часть энергии уходит из цепи. Задача УЗО – постоянно сравнивать значения в фазе и нуле и при появлении малейшей разности отключать питание.

    Элементом в устройстве, который отвечает за фиксацию тока утечки, является трансформатор дифференциального тока. Рассмотрим, как работает двухполюсный автомат узо с обычным электромеханическим реле. Классический тороидальный трансформатор для двухполюсного дифференциального выключателя имеет две силовые и одну контрольную обмотки. Силовые обмотки подключены к фазе и нулю и в штатной ситуации создают равные по мощности, но противоположные по заряду магнитные поля, которые взаимокомпенсируются. При возникновении разности токов мощность у магнитных полей также изменяется, вызывает в контрольной обмотке электродвижущую силу (ЭДС) и провоцирует появление тока. Это значение усиливается с помощью усилителя сигнала и сравнивается с эталоном в микросхеме. В случае если ток утечки превышает порог отключения, реле воздействует на расцепитель силовых контактов и питание отключается.

    Основные характеристики УЗО

    Устройства подбирают по нескольким параметрам.

    Число полюсов указывает, сколько проводов можно подключить к устройству. Для однофазных сетей (220 В) – одно- и двухполюсные УЗО; для трехфазных сетей (380 В) – трех- и четырехполюсные устройства. При срабатывании прибора расцепляются все связи.

    Тип расцепления может быть двух вариантов: АС – устройства срабатывают при утечке переменных (синусоидальных) токов; А – рассчитаны на срабатывание при утечке как переменных, так и постоянных токов. Иногда в инструкциях к бытовым приборам можно встретить требование установить автомат узо именно этого типа, так как он имеет более широкий спектр токов отключения.

    Номинальный ток может быть в диапазоне от 16 до 63 А. У каждого аппарата есть свой предел пропускаемого тока. В зависимости от количества потребителей на линии подбирается УЗО со значением номинального тока.

    Ток срабатывания может быть от 6 до 500 мА. По достижении определенного значения тока утечки устройство отключается.

    Как устанавливать УЗО

    Так как монтаж устройства связан с высокой опасностью и риском поражения электрическим током, его должен выполнять специалист. Если вы имеете квалификацию электрика или у вас есть базовые знания электротехники и основ безопасности, то можете выполнить подключение узо самостоятельно.

    Устройство защитного отключения размещается в разрыве электрической цепи и устанавливается параллельно с группой приборов, которые находятся под защитой. Процесс установки  происходит в такой последовательности.

    1. Продумывается схема подключения узо – производится расчет, сколько устройств понадобится на квартиру или дом.
    2. Определяется местоположение электрического щитка. В стене и в местах крепления на щите сверлятся отверстия для фиксации с помощью дюбелей и шурупов.
    3. В щит устанавливается DIN-рейка, на которую крепится УЗО и слева от него – автоматический выключатель.
    4. Перед тем как выключить напряжение, с помощью индикаторной отвертки определяется фазный провод со стороны электросети и со стороны нагрузки.
    5. Провода со стороны источника питания заводятся в клеммы выключателя сверху.
    6. От нижних контактов выключателя протягиваются провода-перемычки к верхним клеммам узо. К нижним контактам подсоединяются провода с нагрузки. Важно соблюдать соответствие проводов фазы, нуля и нейтрали сверху и снизу.
    7. По окончании монтажных работ еще раз визуально проверяется правильность подключения всех проводов и только после этого подается питание на цепь.
    8. Проверяется работа УЗО и выключателя с помощью кнопки «ТЕСТ» – она имитирует нештатную ситуацию и заставляет автомат сработать.

    Внимание! Нельзя устанавливать УЗО в системе заземления TN-C, так как в контуре совмещены функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводника по всей длине. Это значит, что устройство может просто не ощутить разницы потенциалов во время утечки тока и, соответственно, не отключит напряжение.

    Выбор и установка устройств защитного отключения занимает не так много времени, зато обеспечивает вашу безопасность. Для квартиры или дома может понадобиться несколько устройств – расчет лучше доверить специалисту или произвести самостоятельно. В ассортименте нашего интернет-магазина вы можете купить узо производителей ABB, IEK, Legrand, СВЕТОЗАР, ЭКФ.  Выбирайте с подходящим значением номинального тока и тока утечки. Заказывайте не выходя из дома – по телефону или используя услугу «Купить в 1 клик»!

    Универсальные нанокапли разветвляются от ограничения эффекта Узо

    Значимость

    Явление спонтанного образования нанокапель, называемое «эффектом Узо», является основой многих процессов, от приготовления фармацевтических продуктов до создания косметических средств и инсектицидов, до жидкости-жидкости. микроэкстракция. В этой работе делается попытка отделить эффекты градиентов концентрации от внешней динамики перемешивания путем пространственно-временного отслеживания образования нанокапель из-за эффекта Узо, заключенного в квазидвумерной геометрии.Мы наблюдаем поразительные универсальные разветвленные структуры зарождающихся капель под действием внешнего диффузного поля, аналогичные разветвлению потоковых сетей в крупном масштабе, и повышенную локальную подвижность коллоидных частиц, обусловленную градиентом концентрации, возникающим в результате развития структур ветвлений. Мы также демонстрируем, что эти нанокапли могут быть использованы для одноэтапной наноэкстракции и обнаружения.

    Abstract

    Мы сообщаем о самоорганизации универсальных паттернов ветвления масляных нанокапелек под действием Узо [Vitale S, Katz J (2003) Langmuir 19: 4105–4110] — явление, при котором спонтанное образование капель происходит при разбавление органического раствора масла водой.Смешивание органической и водной фаз ограничено квазидвумерной геометрией. Подобно разветвлению сетей наземных потоков [Devauchelle O, Petroff AP, Seybold HF, Rothman DH (2012) Proc Natl Acad Sci USA 109: 20832–20836 и Cohen Y, et al. (2015) Proc Natl Acad Sci USA 112: 14132–14137], но в масштабе на 10 порядков меньше, углы между ветвями капель демонстрируют удивительную универсальность со значением около 74 ° ± 2 °, независимо различных управляющих параметров процесса.Численное моделирование показывает, что эти схемы ветвления нанокапель регулируются взаимодействием между локальным градиентом концентрации, диффузией и коллективными взаимодействиями. Мы также демонстрируем способность локального градиента концентрации управлять автономным движением коллоидных частиц в сильно ограниченном пространстве и возможность использования зародышевых нанокапель для наноэкстракции гидрофобных растворенных веществ. Понимание, полученное в результате этой работы, обеспечивает основу для количественного понимания сложных динамических аспектов, связанных с эффектом Узо.Мы ожидаем, что это будет способствовать улучшенному контролю образования нанокапель для многих приложений, начиная от приготовления фармацевтических полимерных носителей и заканчивая составом косметических средств и инсектицидов, изготовлением наноструктурированных материалов, концентрацией и разделением следовых количеств аналитов в жидкости — жидкая микроэкстракция.

    Эффект Узо возникает в тройной смеси, обычно состоящей из воды, масла и этанола, когда масло, растворенное в спирте, выпадает в осадок с образованием крошечных капель при добавлении воды (1).Этот эффект также можно увидеть, например, когда дезинфицирующие средства на основе эвкалипта и репелленты от комаров разбавляются водой, когда масла смешиваются со спиртом, но не смешиваются с водой. Это спонтанное образование капель не требует механического перемешивания для диспергирования жидкости или добавления поверхностно-активных веществ или других стабилизаторов. Как таковой, он составляет основу для образования стабильных капель эмульсии в широком диапазоне применений, таких как приготовление напитков, парфюмерии и инсектицидов (2–4), а также изготовление полых наноматериалов (5, 6).При жидкостно-жидкостной микроэкстракции капли масла, образующиеся в результате эффекта Узо, используются для концентрирования и отделения следов гидрофобных аналитов от их водных проб перед судебно-медицинским анализом, биомедицинской диагностикой или мониторингом окружающей среды / безопасности (7–9). Небольшие гидрофобные органические молекулы, липиды или полимеры, растворенные в полярном органическом растворителе, проявляют эффекты, аналогичные эффектам масляной фазы, образуя субмикронные частицы с узким распределением по размерам при разбавлении водой. В процессе, называемом нанопреципитацией, смещением растворителя или смещением растворителя (10⇓ – 12), нерастворимые в воде лекарственные средства могут быть включены в биополимерные наноносители с возможностью адаптации их распределения по размерам при доставке с контролируемым высвобождением.

    Несмотря на долгую историю эффекта Узо и его актуальность для широкого круга приложений, количественное понимание его основного механизма и способность предсказывать рост и стабильность нанокапелек остается неуловимым. Более конкретно, эффект имеет место, когда составы воды, растворенного вещества и органического растворителя лежат в метастабильной области между спинодальной и бинодальной кривыми на тройной фазовой диаграмме. Гомогенное зародышеобразование капель, которое представляет собой быстрый процесс в ответ на внезапное увеличение перенасыщения в результате добавления водной фазы, требует чрезвычайно быстрого перемешивания между двумя фазами, например, за счет совместного течения потоков в микрофлюидном устройстве, что мешает струи или непрерывное турбулентное перемешивание (13⇓ – 15).Размер и распределение капель определяется не только физико-химическими свойствами и концентрациями растворителей, но также временными и пространственными характеристиками, связанными с динамикой перемешивания (12, 16–20). Сложные физические явления, такие как быстрая диффузия растворителя, межфазная нестабильность и перенос массы, обусловленный локальным градиентом концентрации, были предложены для объяснения таких динамических аспектов на ранних стадиях образования капель. Тем не менее, основной механизм, ответственный за эффект Узо, может быть объяснен в основном только через понимание более поздних или финальных стадий эволюции тройной системы из-за чрезвычайно короткого порядка шкалы времени микросигнала и малых размеров зарождающихся нанокапель.Таким образом, поиск оптимального рабочего окна для достижения желаемого размера капель на сегодняшний день по-прежнему зависит от метода проб и ошибок, что требует скрининга большой библиотеки комбинаций растворителей и условий впрыска растворителя. Лучшее понимание фундаментальных физико-химических механизмов, лежащих в основе эффекта Узо, поэтому будет чрезвычайно полезно для руководства рациональным дизайном соответствующих решений и условий смешивания для образования капель.

    В этой работе мы различаем связанные эффекты между градиентом концентрации и внешней динамикой перемешивания в объеме жидкости, ограничивая эффект Узо в пределах квазидвумерной геометрии жидкости, так что в процессе преобладает диффузия.Учитывая, что водная фаза теперь приводится в контакт с органической фазой исключительно за счет диффузии, таким образом можно пространственно и во времени проследить динамику образования нанокапель. Мы наблюдаем формирование универсальных паттернов ветвлений нанокапель, которые удивительно напоминают разветвление потоков подземных вод, хотя и в гораздо меньших масштабах. Наше моделирование подтверждает, что ветви нанокапель являются результатом взаимодействия между локальным градиентом концентрации, диффузией и коллективными взаимодействиями.Ярко выраженный локальный градиент концентрации, выходящий из ветвей капель, четко проявляется в усилении транспорта коллоидных частиц по ветвям в этом сильно ограниченном пространстве. Помимо демонстрации того, что эти ветви капель предлагают возможность в качестве одноступенчатой ​​техники наноэкстракции, мы также ожидаем, что понимание динамических аспектов эффекта Узо будет полезно для лучшего понимания способов управления образованием капель в других приложениях.

    Результаты и обсуждение

    Ограниченный эффект Узо в квази-2D геометрии.

    Ограниченный эффект Узо в наших экспериментах был реализован в горизонтальном прямоугольном канале потока, как показано на рис. 1 A . Изначально весь канал был заполнен первым раствором, который представляет собой масло, растворенное в водном растворе этанола (т.е. раствор Узо). Слабый растворитель, вода, впрыскивался из одного конца канала, протекая внутри более глубоких боковых каналов 1,7 мм к другому концу.В направлении, перпендикулярном первичному потоку, вода диффундирует в сторону квазидвумерного основного канала, высота которого составляет 20 мкм, от внутреннего края бокового канала.

    Рис. 1.

    ( A ) Трехмерная схематическая иллюстрация устройства канала жидкости, используемого для формирования ответвлений нанокапли. Горизонтальная проточная ячейка состояла из подложки и стеклянного окна, основной проточный канал которого примыкал к двум узким боковым каналам, как показано оранжевыми зонами на эскизе. Длина была 7.65 см как для основного, так и для боковых каналов, тогда как ширина составляла 6 мм и 250 мкм, а глубина составляла 20 мкм и 1,7 мм для основного и бокового каналов соответственно. Течение было в направлении, указанном черной стрелкой. В этой экспериментальной геометрии боковые каналы были достаточно глубокими, чтобы вода текла почти исключительно по ним, поскольку очень тонкая (похожая на Хеле-Шоу) щель (главный канал), заполненная узо между двумя глубоководными каналами, обеспечивала высокое гидродинамическое сопротивление. Ветви (зеленые) переходили в основной канал.( B D ) Оптические изображения и ( E ) АСМ-изображение репрезентативных ветвящихся структур; крупным планом ( C и D ) показаны отдельные капли вдоль ветвей. Врезка в D показывает определение полного угла и местного угла вблизи точки слияния. Морфологические особенности ветвей будут характеризоваться этими двумя углами.

    По мере того, как вода смешивается с раствором Узо, мы наблюдаем появление ярких разветвлений внутри основного канала.Оптические изображения высокого разрешения на рис. 1 C и D показывают, что эти ветви состоят из дискретных нанокапелек, что дополнительно подтверждается изображениями полимеризованных капель с помощью атомно-силовой микроскопии на рис. 1 E . Отдельные капли обычно вырастают до 3–6 мкм в поперечном диаметре и от 100 нм до 1 мкм в высоту (и поэтому их просто называют нанокаплями). Ветви состоят, самое большее, из нескольких отдельных капель по ширине (Рис. 1 C E ), которая незначительна по сравнению с ее протяженностью в миллиметры.

    Верхняя часть ветвей капли начинается от внутреннего края бокового канала или из нескольких точек в основном канале. Для данного канала концы ответвлений всегда начинаются с одних и тех же мест на ободе бокового канала, в местах, содержащих структурные дефекты размером в несколько микрон (видеоролики S1 и S2). Чтобы проверить роль этих дефектов в формировании ответвлений, мы намеренно сделали отступы на равномерно распределенных микроструктурах вдоль края бокового канала, после чего наблюдали, что положение концов ветвей также равномерно распределено по краю (Movie S3).Таким образом, результаты ясно показывают, что начало ветвления капли определяется локальными геометрическими структурами. В квази-двумерном основном канале соседние ветви наклоняются друг к другу и сливаются в местах, более удаленных от бокового канала. Морфология всей ветвящейся структуры является дендритной, аналогичной дереву с вершиной на краю бокового канала и с корнем, простирающимся во внутреннюю область основного 2D-канала.

    Универсальность в угле слияния.

    Чтобы изучить универсальность образования ответвлений от ограниченного эффекта Узо, мы варьировали скорость потока воды в боковом канале, состав раствора Узо и гидрофобность стенки основного канала. Как показано на рис. 2 A C , общая морфология сформированных ветвей была очень похожей в широком диапазоне исследованных условий.

    Рис. 2.

    Формирование ветвей нанокапли до 400 с после начала роста ветвей. Цвет в любом месте указывает время, когда ветвь достигла данного места.( A C ) Оптические изображения ветвей, сформированные в восьми различных условиях. ( A ) Расход воды в боковом канале составлял 100 мкл / мин, 200 мкл / мин и 400 мкл / мин. Состав раствора Узо был одинаковым для всех трех скоростей потока (вода: этанол: масло = 50: 50: 2). ( B ) Соотношение воды, этанола и масла в растворе Узо составляло 40: 60: 2, 40: 60: 4 и 40: 60: 6 при скорости потока воды 100 мкл / мин. ( C ) Подложки были гидрофильными или гидрофобными, а край бокового канала был либо шероховатым, либо гладким.Расход воды составлял 100 мкл / мин, а состав раствора Узо составлял 50: 50: 2. ( D и E ) Соответствующие PDF углов между двумя объединенными ветвями ( D ) во всем их диапазоне и ( E ) от сегментов вблизи точки слияния. Гидрофобный и грубый канал использовался для всех случаев в A и B ; 100 мкл / мин в A представлен на графиках как «гидрофобный, грубый».

    Чтобы количественно определить общие черты разветвленной структуры, мы измерили и проанализировали в общей сложности 660 углов между сливающимися ветвями.Для сравнения мы определяли полный угол точно так же, как это было сделано в работе по разветвлению грунтового потока (21, 22). Во всех восьми случаях, показанных на рис. 2, соответствующие функции распределения вероятностей (PDF) угла слияния построены на рис. 2 D , при этом между ними не наблюдается значительных различий. Средний угол ветвления для всех 660 углов составил 74 ± 2 ° (95% доверительный интервал).

    Хотя процесс образования ветвей в целом универсален в отношении морфологии, углового распределения и значения наиболее вероятного угла, более внимательное рассмотрение восьми случаев, проанализированных на рис.2 показывает некоторые подробные вариации: по мере увеличения концентрации масла количество ветвей увеличивается, и основные ветви становятся более «волосатыми» с крошечными выступами, возникающими с обеих сторон. Кроме того, более высокий расход воды в боковом канале вызывает более выраженный наклон всей конструкции ответвлений в сторону потока.

    Динамика роста с преобладанием диффузии.

    Чтобы выявить механизм развития ветвей капель, мы проследили рост капли с помощью визуализации в светлом поле и перенос окрашенной воды в 2D-канале отдельно с помощью флуоресцентной визуализации.Фильмы S1 и S2 показывают, что ветви одновременно с движущимся фронтом воды переходят в основной квазидвумерный канал. Возникающие ветви на движущемся фронте во внутренней области, с другой стороны, росли по направлению к ближайшей родительской ветви. В любом случае все дерево ветвей простиралось к «корню дерева» в направлении внутреннего основного канала.

    Чтобы количественно оценить скорость роста, мы измерили длину ветви ℓ от вершины ветви до фронта воды в разное время t, построив график зависимости данных от t1 / 2 на рис.3 С . После короткого начального переходного процесса видно, что длина ответвления увеличивается примерно как t1 / 2, независимо от расхода воды, состава раствора или свойств подложки. Такое поведение t1 / 2 в расширении ветви, очевидно, предполагает, что в формировании ветви преобладает диффузия; то есть смешивание двух растворов происходит за счет поперечной диффузии воды. Подгоняя данные (исключая переходные процессы для t <50 с) с одномерным диффузионным соотношением ℓ = (2Dt) 1/2, мы получили эффективные константы диффузии D в диапазоне 2 × 10−9m2⋅s − 1 для наименьшей нефти. концентрация раствора Узо, которая сопоставима с коэффициентом диффузии воды в этаноле.Мы отмечаем, что для более высоких концентраций масла в растворе Узо скорости роста и, следовательно, подобранные эффективные константы диффузии D ветвей в 10 раз больше, предположительно из-за некоторого конвективного вклада, что приводит к несколько более крутому увеличению, чем t1 / 2.

    Рис. 3.

    Рост капельных ветвей. ( A ) Светлопольные и ( B ) флуоресцентные изображения растущих ветвей. Вода была окрашена в зеленый цвет, а темные линии на изображениях — это ветви нанокапли.( C ) Графики зависимости расстояния ℓ от начала ветви до ее растущего фронта от t1 / 2. Почти линейная зависимость между ℓ и t1 / 2 после начального переходного процесса обнаруживает близкое к диффузионному поведению, которое лежит в основе роста ветви. Отметим, однако, что диффузиофорез также вызовет некоторые конвективные эффекты, как мы увидим из рис. 5. Оптические изображения сформированных ветвей показаны на рис. 2 A C .

    Механизм и моделирование образования ветвей.

    Теперь мы предлагаем механизм ограниченного эффекта Узо и универсальные углы слияния двух ветвей капли. Во-первых, вода, диффундирующая из бокового канала в квази-2D основной канал, заполненный раствором Узо, приводит к локальному снижению концентрации этанола, так что масло становится перенасыщенным — эффект Узо. Неровности, такие как микроструктуры на краю бокового канала по направлению к квазидвумерному основному каналу, затем способствуют зарождению капель из перенасыщенного маслом раствора, тем самым инициируя разветвление.В квазидвумерной геометрии градиент концентрации наиболее резкий на движущемся фронте воды в богатый нефтью раствор в основном канале. Хотя фронт воды [обеспечивающий импульс локального перенасыщения нефтью в растворе Узо (18)] перемещается по всему поперечному сечению основного канала, новые капли только выборочно зарождаются позади старых, показывая, что равномерная и невозмущенная диффузия воды в раствора Узо недостаточно, чтобы вызвать зародышеобразование капель, но необходимы локальные искажения.Они возникают из-за старых капель или, в некоторых случаях, из-за неровностей в основном канале, из которых выходят новые ветви. Расширение старой ветви может вызвать асимметрию градиента концентрации, которая направляет рост новых боковых ветвей к ней, что в конечном итоге приводит к слиянию двух ветвей.

    Процесс роста и слияния ветвей напоминает разветвление сетей ручьев, прорезанных подземными водами, где характерный угол разветвления составляет около 72∘ (21, 22), что близко к найденному здесь значению 74∘ ± 2∘. .Аналогичным образом рост одномерных потоков в сети контролируется двумерной диффузией. Такие процессы доступны для аналитической обработки гармонического поля, подчиняющегося двумерному уравнению Лапласа, с помощью преобразования Лёвнера (23, 24), что очень элегантно показано для образования и разветвления сетей водотоков в пористом эстуарии (21). . Основываясь на этом подходе, Лёвнер и другие смогли аналитически вычислить угол бифуркации одномерных потоков в двумерном гармоническом поле, получив 72 °, что согласуется с их и нашими экспериментальными результатами.

    Приведенное выше качественное описание процесса роста и слияния ветвей подтверждается численным моделированием двумерного уравнения диффузии, при этом растущие ветви реализуются методом погруженных границ; подробности см. в «Материалы и методы» . Рис. 4 A и B показывают моментальные снимки процесса роста ветвей и соответствующее поле концентрации воды, полученные в результате численного моделирования. Начальными точками ветвей на левой стенке являются небольшие возмущения (расчетной) области, которые мы вносим в симметричную (рис.4 A ) или асимметричным (рис. 4 B ) способом. На вершине этих возмущений шероховатости градиент концентрации увеличивается до максимума, что заставляет ветвь расти оттуда. Когда ветвь растет, градиент концентрации максимизируется на кончике ветки, что приводит к дальнейшему росту ветки. Независимо от того, было ли начальное возмущение симметричным или асимметричным, концы ветвей всегда подчиняются диффузионному закону масштабирования l≈t1 / 2 (рис. 4 C ), подтверждая экспериментальное наблюдение.Усредняя бифуркационные углы, возникающие при численном моделировании, мы получили 76∘, что хорошо согласуется с теоретическими аргументами и экспериментальными наблюдениями. Это моделирование отражает основные особенности эволюции ветвей капли с точки зрения общей морфологии, скорости роста и, в частности, характерных углов слияния. Однако численная модель недостаточно сложна, чтобы можно было проводить однозначное сравнение с экспериментом. Такое количественное сравнение выходит за рамки данной статьи.

    Рис. 4.

    Результаты численного моделирования, в котором красные линии показывают траектории ветвей, а контуры отображают поле концентрации воды. На ветвях образуются капли масла, поэтому концентрация воды в районе ветвей наиболее высока. ( A ) Симметричный случай с четырьмя идентичными начальными возмущениями при x = 0. ( B ) Асимметричный случай с шестью различными начальными возмущениями при x = 0. ( C ) Независимо от того, являются ли ветви симметричными или нет, их концы следуют очень похожему поведению с преобладанием диффузии, как видно из линейного масштабирования t1 / 2, определяющего расстояние ℓ между кончиками и левой границей за пределами начального переходного процесса, аналогично тому, что наблюдается на рис.3 С .

    Локальный конкурентный эффект растущих капель.

    Детальное рассмотрение изображений на рис. 2 A C , в частности, в локальной области вокруг бифуркаций, показывает, что две сливающиеся ветви перед слиянием слегка растут наружу. Рис. 2 E показывает PDF локальных углов, полученных путем подгонки двух сегментов ответвления около узла. Ширина PDF аналогична ширине определяемых глобально углов бифуркации, а средний угол теперь составляет 97∘ ± 2∘, что намного больше, чем угол 74∘ ± 2∘ от соответствия всей ветви.Эти большие углы отражают конкуренцию между соседними растущими каплями за растворенное масло при перенасыщении. Аналогичный конкурентный эффект наблюдался в процессе самоорганизации этих растущих капель, удерживаемых на ободке микролинзы из перенасыщенного маслом раствора (25), который возник в результате избирательного роста капель в направлении большая концентрация, то есть направление, в котором другие капли не растут.

    Повышенная подвижность коллоидных частиц за счет локального градиента концентрации.

    Теперь мы обнаруживаем локальный градиент концентрации как важное следствие ветвлений капель, отслеживая движение коллоидных частиц в ограничении двумерного канала жидкости. В качестве контрольного эксперимента мы сначала исследовали, как вода поступает в основной канал, заполненный безмасляным этанольным раствором. Окрашенная вода с флуоресцеином в концентрации 0,02%, как наблюдали, полностью заполняла боковой канал вдоль внутреннего канала, прежде чем диффундировать в основной канал. Когда в воду были добавлены микрочастицы индикатора диаметром 2 мкм, флуоресцентные изображения показали, что эти микрочастицы остались в боковом канале, что свидетельствует о том, что вода диффундирует в раствор этанола, не вызывая достаточного градиента концентрации для переноса коллоидных частиц в основной канал. .Другими словами, градиент давления по водным каналам не привел к перетоку в раствор Узо. Однако, как только ветви капель образуются в результате двумерного ограниченного эффекта Узо, мы наблюдаем значительное усиление подвижности коллоидных частиц, как показано на рис. 5 и в видеороликах S4 – S6. Микрочастицы входили в основной канал движущимся фронтом, а затем притягивались к ветвям. Оказавшись там, частицы быстро перемещались в направлении, противоположном направлению фронта, хотя некоторые, казалось, рециркулировали вдоль боковых ветвей капель.Интересно отметить, что частицы обычно следуют по одному и тому же пути и рециркулируют в течение нескольких циклов по одной и той же боковой ветви. Количественный анализ их траекторий показал, что скорость микрочастиц вдали от ветвей составляла примерно 25 мкм / с, уменьшаясь до примерно 10 мкм / с примерно через 100 с. Скорость в обратном направлении по ветвям была примерно в 10 раз выше, до 300 мкм / с на движущемся фронте.

    Рис. 5.

    Ветви капель для улучшенного транспорта коллоидных частиц и наноэкстракции в квазидвумерном канале.( A ) Профиль скорости микрочастиц индикатора в основном канале. Взвешенные в воде микрочастицы попадали в основной канал слева при t = 0 с. Соотношение вода: этанол: масло в растворе Узо составляло 25: 25: 1. ( B ) Сравнение всех траекторий частиц до t = 250 с, наглядно демонстрирующее медленное движение частиц в канал между ветвями с последующим их быстрым возвращением по ветвям. ( C ) Изображения ветвей и ( D ) скорости частиц как функции времени.Цвета / символы соответствуют скоростям траекторий отдельных частиц при их прохождении внутри рамки с тем же цветом, выделенным в C в направлении соответствующих стрелок. ( E ) Флуоресцентные изображения, показывающие развитие ветвей капель, но с водой, допированной красным красителем при чрезвычайно низкой концентрации 10 нМ. Видно, что краситель извлекается из воды, накапливаясь и концентрируясь в зародышевых каплях масла.

    Мы связываем значительно увеличенную подвижность коллоидных частиц с диффузиофорезом, движением коллоидных частиц под действием градиентов концентрации растворенного вещества (26).Здесь градиент концентрации создается во время образования ветвей капель масла, как показано на контурной карте на рис. 4. Таким образом, эти результаты предлагают подход к усилению переноса коллоидов в чрезвычайно ограниченном пространстве в тройной жидкой системе. Такая локально повышенная коллоидная подвижность дополняет диффузионнофорез, возникающий из-за градиентов концентрации электролита и неэлектролита в объеме раствора, потока растворенного вещества, испускаемого «маяком» или потоком Марангони в присутствии градиентов поверхностного натяжения (27⇓⇓⇓⇓– 32).Более того, коллоидная подвижность здесь также может иметь отношение к целому ряду интригующих явлений, таких как решение лабиринта или самодвижущиеся капли, усиленный перенос частиц в тупике каналов или автономное движение микронасосов с автономным питанием в наноразмерных и микромасштабных системах. (3, 27).

    На пути к контролируемой квази-2D наноэкстракции.

    Теперь мы кратко продемонстрируем, что формирование ответвлений нанокапель потенциально может быть применено для наноэкстракции для концентрирования, разделения и анализа гидрофобных растворенных веществ в водных растворах.В этой демонстрации принципа действия вода, легированная красным красителем в концентрации 10 нМ, проходит через боковой канал, вызывая ограниченный эффект Узо, как показано на рис. 5 B . Красный краситель в воде экстрагируется и концентрируется в каплях масла на ветвях, что отражается в постепенно увеличивающейся интенсивности красного окрашивания капель с течением времени.

    Этот метод наноэкстракции применим к широкому спектру гидрофобных соединений в воде, аналогично дисперсионной жидкостно-жидкостной микроэкстракции (7⇓ – 9).Небольшой объем и большая площадь поверхности капель позволяют быстро концентрировать и разделять. Однако мы предполагаем еще больший потенциал для процесса наноэкстракции: обогащение растворенными веществами поверхностных нанокапелек происходит непосредственно из воды, без необходимости использования дисперсных органических растворителей, обычно требуемых при микроэкстракции. Таким образом, для многих гидрофобных соединений ожидаются более высокие коэффициенты концентрирования. Кроме того, концентрация и анализ гидрофобного растворенного вещества объединены в один этап.Таким образом, весь процесс предлагаемого нами подхода позволяет анализировать растворенное вещество, не требуя дополнительной стадии отделения концентрированного растворенного вещества от смеси масляной фазы, обогащенной аналитом, в дисперсии.

    Выводы

    В этой работе мы сообщаем об образовании нанокапель, когда эффект Узо ограничен квазидвумерным каналом. Такое ограничение дает нам уникальную возможность отслеживать во времени и пространстве процесс образования капель и отделить свертку множества физико-химических процессов от динамики перемешивания.Мы наблюдали дендритные паттерны ветвления нанокапель масла, показывающие универсальные углы ветвления со значением 74∘ ± 2∘, количественный анализ которых позволяет предположить, что формирование этих ветвей определяется внешним диффузионным полем. Эта работа также демонстрирует, что локальный градиент концентрации масла, создаваемый ветвями капель, может приводить в движение быстрое автономное движение коллоидных частиц, явление, которое потенциально может быть применено для значительного увеличения локального переноса коллоидов в сильно ограниченном 2D-пространстве.Мы также использовали эти ответвления нанокапель для наноэкстракции гидрофобного растворенного вещества в воде, чтобы значительно упростить концентрацию растворенного вещества и анализ in situ в один этап. Понимание, полученное в результате этой работы, дает ценные рекомендации по разработке растворителя и условий смешивания для контроля образования нанокапель, возникающих из-за эффекта Узо, который полезен для широкого спектра применений в аналитических технологиях, напитках, фармацевтике, косметике и современных материалах.

    Материалы и методы

    Химические вещества и растворы.

    Исходный раствор полимеризуемого масла получали смешиванием 1,6-гександиолдиакрилата (HDODA; Sigma-Aldrich) и фотоинициатора 2-гидрокси-2-метилпропиофенона (Sigma-Aldrich) при объемном соотношении 10: 1. Первый раствор (т.е. раствор Узо) готовили путем добавления указанной выше смеси к водному раствору этанола. Объемное соотношение воды и этанола в растворе составляло 50:50 или 40:60. Аналогичные результаты были получены, когда мы попробовали неполимеризуемые масла, такие как витамин А в жидкой форме, олеиновая кислота и додекан.Второй раствор содержал насыщенную маслом воду или просто воду в случае масел с чрезвычайно низкой растворимостью. Кремниевые подложки, покрытые октадецилтрихлорсиланом (OTS-Si), были подготовлены и очищены с использованием ранее задокументированной процедуры (33).

    Экспериментальная установка и характеристика роста ветви.

    Канал для потока, схематически изображенный на рис. 1, был построен путем сборки подложки OTS-Si между двумя верхними стеклянными пластинами, герметизированными уплотнительным кольцом. Расстояние от верхней пластины до поверхности подложки составляет примерно 20 мкм.Канал заполнялся раствором Узо через входной патрубок с последующей закачкой воды в канал при постоянном потоке 200 мкл / мин с помощью шприцевого насоса. Затем вода вытеснила раствор узо в глубоких боковых каналах, прежде чем диффундировать в поперечном направлении в гораздо более узкий внутренний канал, что привело к образованию ветвей капель. После их образования подложку освещали УФ-лампой (20 Вт, 365 нм) через верхнюю стеклянную пластину, что позволяло проводить полимеризацию капель с использованием установленных протоколов (34).Затем полимеризованные капли были охарактеризованы с помощью оптического микроскопа с режимом отражения или атомно-силового микроскопа.

    Для визуализации процесса смешивания вода была добавлена ​​флуоресцеином (0,02%), и флуоресцентный микроскоп использовался для наблюдения за формированием структур разветвлений в основном канале. Структуры ветвей анализировали путем измерения длины ветвей (основной структуры) в разное время как под светлопольной, так и под флуоресцентной микроскопией. Кроме того, флуоресцентные микрошарики в окрашенной воде отслеживали с помощью флуоресцентной микроскопии.Видео снимались со скоростью 60 кадров в секунду.

    Статистический анализ углов ответвлений слияния.

    В наших измерениях углов структура ветвления была преобразована в двоичную форму и скелетонизирована, чтобы найти точки ветвления. Чтобы облегчить сравнение между наблюдаемыми здесь ветвями и ветвями в разветвленных потоках, мы определили «полный» угол точно так же, как указано в справочниках. 21 и 22, аппроксимируя ветви как линейные сегменты с использованием уменьшенной большой оси. Отметим, что теоретическое предсказание в этих статьях фактически рассматривало угол в пределе, близком к точкам ветвления.С другой стороны, мы охарактеризовали угол около точек ветвления, приняв уменьшенную большую ось сегментов ветвления в непосредственной близости от точек слияния. После фильтрации коротких волосатых веточек, которые невозможно отличить от выступающих капель, было получено от 47 до 160 углов в каждом случае, всего 660 углов. Мы получили средний угол 74∘ ± 2∘ (95% доверительный интервал) для всех полных углов и средний угол 97∘ ± 2∘ для всех ближних углов.

    Численное моделирование.

    Учитывая, что процесс образования ветвей определяется исключительно диффузией, мы решили уравнение диффузии ∂c∂t = D∇2c + s [1] с помощью метода погруженной границы, чтобы учесть движущуюся границу. Здесь c — поле концентрации, D — коэффициент диффузии, а s — эйлеров источник, используемый для имитации воздействия погруженного тела на поле концентрации. Погруженные границы дискретизируются в набор лагранжевых точек, которые представляют ветви. Источники Эйлера и Лагранжа связаны друг с другом через регуляризованную дельта-функцию, задаваемую формулой s (𝐱, t) = ∫S (𝐗 (s, t)) δ (𝐱 − 𝐗 (s, t)) ds, [2 ], где 𝐱 и 𝐗 — позиционные векторы эйлеровой и лагранжевой точек соответственно, а S — лагранжев истоковый член.

    Чтобы обеспечить выполнение заданных условий на границе, мы определяем лагранжево поле концентрации, снова используя регуляризованную дельта-функцию, ∫c (𝐱, t) δ (𝐱 − 𝐗 (s, t)) d𝐱 = CΓ (𝐗 (s , t)), [3] где CΓ — лагранжево поле концентрации на границе.

    В расчетах сначала рассчитывается поле предварительной концентрации c * с эйлеровыми источниками из предыдущего временного шага. Затем c * интерполируется на границу с помощью уравнения. 3 , чтобы получить обновленную лагранжевую концентрацию C *, из которой мы вычисляем новый лагранжиан исходный член, используя S = CΓ − C ∗ Δt, [4] где Δt — временной шаг.Затем мы заполняем S в эйлеровом поле, используя уравнение. 2 . Наконец, уравнение диффузии пересчитывается, чтобы завершить обновление этого временного шага. Для дискретизации используется неявный метод конечных разностей второго порядка.

    Используемая регуляризованная дельта-функция определяется как δh (𝐱 − 𝐗) = 1h4ϕ (x − Xh) ϕ (y − Yh) ϕ (z − Zh). [5] Здесь ϕ имеет форму четырехточечного кусочного дельта-функция, предложенная в исх. 35, ϕ (r) = {18 (3−2 | r | + 1 + 4 | r | −4r2) для | r | ≤1,18 (5−2 | r | −−7 + 12 | r | — 4r2), для 1≤ | r | ≤2,0, для 2≤ | r |.[6]

    Условия эксперимента были такими же для видеороликов, показанных в фильмах S1 – S5. Состав раствора Узо был 25: 25: 1 для воды: этанола: масла. Кино S6 собирали, когда использовали водный раствор этанола вместо раствора Узо. Объемное соотношение вода: этанол составляло 2: 3. Для всех видеороликов скорость потока воды составляла 100 мкл / мин, а субстрат был гидрофобным. Все масштабные линейки 100 мкм.

    Благодарности

    X.H.Z. благодарит за поддержку Австралийский исследовательский совет (FT120100473 и DP140100805).Мы также благодарим Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek за финансовую поддержку и Нидерландский центр многомасштабного каталитического преобразования энергии.

    Сноски

    • Автор: X.H.Z. разработал проект; З.Я.Л. разработала экспериментальную установку; З.Я.Л. и M.H.K. провели эксперименты; М.Х.К. провели анализ данных и подготовили рисунки; X.J.Z. проведено численное моделирование; L.Y.Y., D.L. и X.H.Z. интерпретировал результаты; и Д.L. и X.H.Z. написал газету.

    • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS. M.P.B. является приглашенным редактором редакции журнала.

    • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1704727114/-/DCSupplemental.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

    Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

    Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

    Визуализация распространения света с помощью мультифокальных интраокулярных линз с использованием эффекта Узо

    Число интраокулярных линз (ИОЛ), корректирующих пресбиопию, увеличивается, и постоянно появляются новые технологии с целью коррекции потери аккомодации после операции по удалению катаракты.Были предложены различные оптические конструкции для реализации мультифокальности или увеличенной глубины резкости (EDOF). В зависимости от оптического принципа имплантированной линзы визуальные характеристики часто ухудшаются из-за наложения отдельных плоскостей изображения и ореолов различной интенсивности. Это экспериментальное исследование представляет концепцию визуализации световых полей и особенно ореолов моно- и мультифокальных ИОЛ с использованием хорошо известного алкогольного напитка «узо» с целью получения качественных данных о характеристиках изображения.Мы пришли к выводу, что узо является полезной, рентабельной и экологически чистой средой для визуализации луча и альтернативой флуоресцеину или молоку, которая может найти применение в образовательных целях.

    1. Введение

    Помимо монофокальных интраокулярных линз (ИОЛ), которые генерируют один фокус на определенном расстоянии, существуют разные способы создания двух или более фокусов с помощью различных оптических принципов. Мультифокальные линзы статически создают два или более очага на разных расстояниях одновременно, чтобы обеспечить пациенту независимость от очков для зрения вдаль и вблизи [1].Комбинации дифракционной оптики в виде зонных пластинок Френеля и преломляющих свойств оптического материала представляют собой наиболее распространенный тип мультифокальных ИОЛ. Также были представлены чисто рефракционные мультифокальные линзы; примерами здесь являются ИОЛ ReZoom ™ (American Medical Optics, Санта-Ана, США) и недавно представленный Lentis® MPlus (Oculentis GmbH, Берлин, Германия) или сегментированные бифокальные линзы SBL-2 и SBL-3 (Lenstec, Inc. , Санкт-Петербург, Флорида, США). Конструкция ИОЛ ReZoom ™ была основана на концентрических кольцевых зонах с переменной преломляющей силой, тогда как Lentis® MPlus имеет неротационно-симметричную сегментированную конструкцию [2].Совершенно новая концепция реализована в ИОЛ Tecnis® Symfony® (Johnson & Johnson Vision, Санта-Ана, США), которая по сути представляет собой дифракционную мультифокальную ИОЛ, предназначенную для обеспечения увеличенной глубины резкости (EDOF) [3–5]. Также были предложены другие концепции, такие как рефракционные линзы EDOF [6], линзы светового меча [7], имплантаты с малой апертурой [8] и аккомодающие ИОЛ [9]. Определенное количество света «теряется» из-за (неиспользованных) высших порядков дифракции при использовании зонных пластин Френеля. Эти более высокие дифракционные порядки не способствуют формированию изображения, но свет достигает плоскости сетчатки.Наложение отдельных изображений и неиспользованный свет от более высоких порядков дифракции вызывает образование ореолов и ухудшение контраста изображения (иногда называемое «восковым зрением») [10–12]. Об этих ореолах часто сообщают пациенты [10, 13], но все же многие пациенты удовлетворены визуальными характеристиками мультифокальных ИОЛ. Хорошо известно, что зрительные характеристики с мультифокальными линзами улучшаются в течение первых месяцев после операции за счет нейронной адаптации к измененному зрительному ощущению [14, 15].Kaymak et al. показали, что тренировка может ускорить эту фазу адаптации [15]. Однако некоторые пациенты страдают стойкими нарушениями зрения, ограничивающими качество их жизни. В некоторых случаях из-за стойкого зрительного дискомфорта приходится эксплантировать мультифокальные ИОЛ и заменять их монофокальными ИОЛ [16, 17].

    Несколько исследователей предоставили изображения, показывающие распространение света мультифокальных линз, чтобы улучшить понимание формирования изображения и неизбежного наложения изображений.Эти авторы в основном использовали сухое молоко [18] или флуоресцеин [19, 20] в качестве среды рассеяния / флуоресценции для визуализации света, выходящего из ИОЛ. Узо — это знаменитый греческий традиционный алкогольный напиток со вкусом аниса. Подобные алкогольные напитки распространены в Средиземном море, например, «Пастис» во Франции, «Самбукка» в Италии или «Раки» в Турции. Хорошо известно, что узо при растворении в воде создает так называемый «эффект узо» [21]: хотя и вода, и узо являются прозрачными жидкостями, смесь обоих выглядит молочно-белой.Этот эффект вызван диспергированием микрокапель масла в растворителе; размер капель обычно составляет от 0,3 мкм мкм до 1,5 мкм мкм в диаметре [22]. Такие эмульсии могут быть стабильными в течение длительного периода времени и используются в различных технических приложениях [23]. Поэтому мы предположили, что смесь узо и воды может быть полезной средой для световой визуализации.

    Целью данного исследования было выполнение экспериментальной процедуры для характеристики ореолов моно- и мультифокальных ИОЛ и для получения качественной информации о характеристиках изображения.В этой работе описывается разработка такой установки и представлены первые результаты, а также их интерпретация.

    2. Методы

    Методы были заимствованы у Reiss et al. [19]. Установка состоит из монохроматического линейного источника света, модели глаза и системы получения изображения. Система получения изображений включает в себя цифровую однообъективную зеркальную камеру (DSLR) потребительского класса (D3300, Nikon Corp., Токио, Япония) и блок микроскопа офтальмологической щелевой лампы (SL30, Carl Zeiss Meditec AG, Оберкохен, Германия) ( Рисунок 1).В качестве источника света используется модуль твердотельного лазера с диодной накачкой и длиной волны 532 нм (CW532-30, Roithner Lasertechnik GmbH, Австрия) и диаметром луча 1,5 мм. Расширитель обращенного луча дополнительно уменьшает диаметр лазерного луча, а линза Пауэлла (генератор лазерных линий № 43-473, Edmund Optics GmbH, Карлсруэ, Германия) генерирует расходящуюся лазерную линию с однородным распределением интенсивности. Затем цилиндрическая линза (CL, f = 40 мм) коллимирует лазерный вентилятор в одном измерении (рис. 1 (а)). Щелевой упор (SS, 0.3 мм) используется для формирования прямоугольной лазерной линии. Компоненты модели глаза представляют собой ахроматический дублет (LAO0434, Melles Griot BV, Didam, Нидерланды), служащий моделью роговицы в соответствии с ISO 11979-2: 2014 [24], и исследуемую ИОЛ в кювете (700-000-20 -10, Hellma GmbH & Co. KG, Мюльхайм, Германия). Кювета наполнена сбалансированным физиологическим раствором (BSS, раствор Рингера, Baxter Deutschland GmbH, Unterschleißheim, Германия) и алкогольным напитком со вкусом аниса (Ouzo 12, 38 об.-% спирта, Kaloyiannis-Koutsikos Distillers S.A., Волос, Греция). Упор диафрагмы (AP = 4,5 мм) размещается непосредственно перед ИОЛ для имитации физиологического зрачка. Размещение образца в кювете осуществляется с помощью специального держателя для ИОЛ (Rotlex (1994) Ltd., Омер, Израиль), а сама кювета помещается на специальный предметный столик, напечатанный на 3D-принтере из полиактида (PLA) с помощью 3D-печати потребительского уровня. принтер (Ultimaker 2Go, Ultimaker BV, Гелдермалсен, Нидерланды). Пользовательский столик с кюветой был помещен на линейный столик, позволяющий правильно центрировать ИОЛ относительно луча.Фотография экспериментальной установки представлена ​​на рисунке 2.


    2.1. Получение и анализ изображений

    Изображения были получены цифровой зеркальной камерой через USB с использованием внешнего программного обеспечения (digiCamControl [25]), чтобы минимизировать вибрацию устройства сбора изображений во время экспонирования. Для получения изображений с ИОЛ мы использовали увеличение микроскопа. Полученные необработанные фотографии загружали в MATLAB (The MathWorks, Inc., Натик, США) и растягивали по вертикали в четыре раза.Затем мы проанализировали осевое распределение света в самом ярком ряду изображения и определили расположение фокусов. Мы использовали сглаживание по Гауссу, чтобы уменьшить шум на изображении. Осевое и поперечное распределение света в фокусах были нанесены на график, чтобы определить величину света, окружающего фокусы, чтобы дать возможность оценить ореол.

    2.2. Среда для визуализации

    Перед съемкой изображений с помощью ИОЛ мы определили оптимальную концентрацию узо в чистой воде для наилучшего контраста изображения (рис. 3).Поэтому мы поместили ИОЛ в стеклянную ячейку. Первоначальное количество воды составляло 240 мл, а затем мы добавили в кювету 10 мл узо, наблюдая за контрастностью и качеством изображения.


    2.3. Интраокулярные линзы

    Были проанализированы пять ИОЛ с различными оптическими концепциями: одна монофокальная асферическая линза, дифракционная и асимметричная сегментированная рефракционная бифокальная ИОЛ, дифракционная линза EDOF и дифракционная трифокальная ИОЛ с EDOF (Таблица 1).

    CA бифокальный 3,0

    Производитель Интраокулярная линза типа Power [D] Оптический принцип
    ® XY1 20.5 преломляющее монофокальное
    Франкфурт, Германия

    Johnson & Johnson Vision Tecnis® Multifocal ZMB00 20.0 +4.0 CA дифракционный бифокальный
    CA Tecnis® Symfony® ZXR00 20,0 +1,75 дифракционный EDOF

    Oculentis GmbH Lentis® Mplus LS-313 MF30 24.5 +3.0 асимметричный сегментный
    Берлин, Германия рефракционный бифокальный

    VSY Biotechnology BV Acriva Reviol Tri-ED + дифракт. trifocal
    Амстердам, Нидерланды

    3. Результаты

    Мы нашли оптимальный контраст изображения с концентрацией 10.7% узо (3 мл, смешанные с 25 мл BSS). Мы продолжили работу с ИОЛ, используя эту концентрацию узо. Фотографии пяти различных образцов показаны на рисунках 4–8. Монофокальная ИОЛ показывает единственный отчетливый фокус (Рисунок 4) без каких-либо окружающих ореолов, тогда как ИОЛ EDOF не показывает отчетливого резкого фокуса (Рисунок 5). Мультифокальные линзы показали ожидаемое количество фокусных точек. Рефракционная бифокальная ИОЛ (рис. 6) показала асимметричные световые конусы с верхним фокусом на ближнем расстоянии и нижним фокусом на дальнем расстоянии (обратите внимание, что это произвольно, поскольку мы не позаботились о правильном размещении вверх / вниз).Таким образом, оба изображения не будут концентрическими, а будут децентрированно перекрываться. Клинические результаты этой ИОЛ показывают, что размещение зоны ближнего добавления не влияет на визуальный результат [26]. Дифракционная бифокальная линза показала два отчетливых коаксиальных фокуса (рис. 7). Ореолы можно было «увидеть» вокруг отдельных фокусных точек во всех мультифокальных линзах, включая линзу EDOF. Ореолы казались более заметными в трифокальной линзе (Рисунок 8), чем в бифокальной линзе (Рисунок 7) и в линзе EDOF (Рисунок 5).Дифракционные линзы имели симметричные ореолы вокруг фокусов (Рисунки 5, 7 и 8), тогда как ореол рефракционной бифокальной линзы был асимметричным (Рисунок 6).






    4. Обсуждение

    С помощью этой установки мы смогли визуализировать различные концепции мультифокальной ИОЛ, показывая принцип работы неосимметричной рефракционной мультифокальной ИОЛ по сравнению с более широко используемой дифракционной. принцип мультифокальной ИОЛ.Монофокальные и бифокальные ИОЛ показали ожидаемое количество фокальных точек: монофокальные ИОЛ показывают единственный резкий фокус без каких-либо окружающих ореолов. С бифокальными ИОЛ и ИОЛ EDOF можно было идентифицировать два фокуса, которые оба были окружены расфокусированным светом из дополнительного фокуса. С трифокальной линзой три фокуса нельзя было четко идентифицировать по осевому распределению, и гало казались более заметными, чем в бифокальных линзах и линзах EDOF. Однако прямое сравнение количества ореолов невозможно, так как расположение и интенсивность ореолов зависят от диаметра зрачка, базовой оптической силы и дополнительной оптической силы ИОЛ [27].Это также серьезное ограничение текущей работы, поскольку тестируемые линзы имели разную базовую оптическую силу (и дополнительную оптическую силу). Однако диаметр зрачка был фиксированным. Дальнейшие эксперименты с ИОЛ аналогичной базовой оптической силы должны предоставить более точную информацию о размерах ореолов между линзами.

    Использование узо в качестве средства визуализации светового пути, создаваемого различными ИОЛ, представляет собой простую концепцию, которую можно использовать в любом образовательном эксперименте. Ситникова и др. обнаружили, что эмульсия узо-вода может оставаться стабильной в течение нескольких месяцев [23] и не подвержена фоторазложению, что делает ее полезной тестовой средой.Другие разведения, такие как сухое молоко [18] или флуоресцеин [19, 20], которые использовались в предыдущих публикациях, со временем могут разлагаться или отделяться от воды. Однако качество изображения ухудшалось из-за шлирена и частых ярких пятен / полос, происходящих от кристаллов солевого раствора (как они были замечены в чистом BSS и флуоресцеине также в BSS, сравните Рисунок 9), пыли или масляных капель. Полосы возникают из-за относительно длительного времени выдержки (1/4 с) при съемке фотографий. Из-за низкой концентрации узо многократное рассеяние или поглощение искажало измерения.Щелевой упор вызывал некоторую дифракцию, но из-за низкой интенсивности дополнительных максимумов не наблюдалось никакого влияния на качество фотографии. Поскольку рассеивающие среды, такие как молоко или узо, не зависят от длины волны, используемой в установке, анализ можно проводить практически с любой длиной волны света. Следовательно, это также может быть полезно для исследования дисперсионных свойств интраокулярных линз. Другие среды визуализации, например флуоресцентные красители, такие как флуоресцеин, обладают преимуществом меньшего количества эффектов шлирена и рассеяния, когда они используются только в флуоресцентном режиме (сравните рисунки 9 и 10), но они сильно зависят от длины волны возбуждающего света.Reiss et al. и Son et al. [19, 20] использовали флуоресцеин в сочетании с зеленым лазером, который не учитывает полную квантовую эффективность флуоресцеина (рис. 11). Следовательно, требуется более высокая интенсивность лазера, которая также делает видимым рассеянный свет. Оптимальная длина волны возбуждения составляет прибл. 515 нм, который использует полную квантовую эффективность флуоресцеина, требуя меньшей интенсивности лазера. Вместо этого мы использовали лазер с длиной волны 405 нм, который обеспечивает более высокую квантовую эффективность с флуоресцеином, чем с длиной волны 532 нм, и свет возбуждения / испускания можно оптически разделить с помощью оптических фильтров.Однако длина волны 405 нм менее интересна с точки зрения зрительного восприятия, поскольку чувствительность сетчатки примерно в десять раз меньше, чем у зеленого света. Мы также экспериментировали с флуоресцеином, используя две длины волны 532 нм и 405 нм, что позволило нам визуализировать дисперсию интраокулярной линзы путем переключения между обоими источниками света при оставшейся на месте ИОЛ (рис. 10). Эти эксперименты проводились без модели роговицы и с кюветой большего размера, чтобы увеличить световой путь.




    Еще одним ограничением этой работы является то, что эти изображения не отражают реальность в человеческом глазу, где все точки фокусировки будут накладываться друг на друга из-за разного расстояния до объекта. Эти изображения могут просто дать представление об основных оптических принципах различных ИОЛ. Кроме того, качество изображения было недостаточным для количественного исследования распределения света. Следовательно, наш метод не подходит для оценки качества изображения, он может дать только оценку ожидаемого количества ореолов и не коррелирует с реальными ореолами, которые может воспринимать пациент.В следующем исследовании мы разработали модифицированную установку и метод [30], которые позволят четко разделить свет, влияющий на отдельные фокусные точки для зрения на близком и дальнем расстоянии.

    Были предложены другие методы и тестовые устройства, позволяющие детально анализировать качество изображения монофокальных и мультифокальных ИОЛ. Эти методы в основном основаны на отображении точечного источника света [31–34] на камеру. Затем подключенная компьютерная система используется для получения функции передачи модуляции (MTF) из функции рассеяния точки (PSF), чтобы количественно оценить свойства изображения ИОЛ.Эти методы основаны на базовой теории оптических систем и были реализованы в нескольких коммерчески доступных устройствах, таких как OPAL Vector System (Image Science Ltd., Оксфорд, Великобритания), PMTF (Lambda-X SA, Nivelles, Бельгия), и OptiSpheric IOL (TRIOPTICS GmbH, Ведель, Германия). Хотя эти методы очень точны при количественной оценке качества изображения ИОЛ, они могут предоставить только ограниченную информацию о формировании ореолов или распространении света путем записи данных PSF / MTF через фокусировку.В других методах используются расширенные объекты, такие как щелевые / перекрестные мишени или гистограммы / буквенные диаграммы, для отображения через ИОЛ [35–38]. Эти диаграммы позволяют лучше понять визуальные эффекты качества изображения, включая влияние ореолов на качество изображения. Измеримость качества изображения с помощью гистограмм или буквенных диаграмм ограничена, но сопоставимость с результатами остроты зрения может быть лучше. Еще более интуитивно понятными, но с ограниченной измеримостью являются системы, используемые для «имитации» зрения пациента после имплантации ИОЛ; такие системы были предложены Eisenmann et al.[39], Kusel & Rassow [40] и Pujol et al., Который был реализован в устройстве VirtIOL [41, 42]. Эти методы позволяют проводить психофизическую оценку качества изображения и размера ореолов и особенно интересны для консультации пациента перед имплантацией (мультифокальной) ИОЛ.

    В заключение мы пришли к выводу, что узо является полезной, рентабельной и экологически чистой средой для визуализации луча и альтернативой флуоресцеину или молоку. Однако макроскопические масляные капли приводят к неоднородному освещению луча, что ограничивает возможность использования для количественных измерений.Таким образом, метод узо можно использовать в первую очередь в образовательных целях, чтобы понять принципы работы мультифокальных интраокулярных линз. Другие приложения включают образовательные проекты для визуализации распространения луча в дополнение к анализу качества изображения.

    Доступность данных

    Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    Благодарности

    Мы признательны Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Федеральное министерство образования и исследований Германии) за исследовательский грант 03VP00842.

    Самопроизвольное эмульгирование с помощью эффекта Узо: адсорбция ионов в зависимости от pH. а) …

    Контекст 1

    … Другой способ качественного и количественного исследования адсорбции ионов на межфазных поверхностях как функции pH основан на методе наносаждения (см. обзоры в [46] [47] [48] ]).Этот процесс смещения растворителя действительно подразумевает очень быстрое образование частиц или капель в результате перенасыщения растворенного вещества (полимера или масла, соответственно), первоначально добавленного в растворитель (обычно ацетон), когда последний мигрирует в сторону антирастворителя (воды) (рис. 3а). . В процессе генерируются субмикронные коллоиды в заданном кадре фазовой диаграммы, как правило, в разбавленной области. …

    Контекст 2

    … стоит отметить, что нанопреципитация полимера дает частицы, размеры которых не зависят от содержания поверхностно-активного вещества и расположения фаз; 46, тогда как для молекулярных растворенных веществ, включая масла, добавление поверхностно-активного вещества в органическую фазу дает намного меньший размер капель, чем при введении в воду.50 Мы приписываем такое поведение тому факту, что для полимеров размер образующихся наночастиц определяется исключительно (очень быстрой) адсорбцией ионов (по сравнению с адсорбцией поверхностно-активного вещества) на границе раздела частиц, тогда как для HD скорость поверхностно-активного вещества адсорбция на поверхности капли, непосредственно возникающая из-за ацетона, значительно больше, чем у ионов (рис. 3b). …

    Контекст 3

    … для HD, приведенные во вспомогательной информации, тем не менее, иллюстрируют общий характер выводов, сделанных из экспериментов по нанопреципитации полимеров (Раздел S4).были выполнены быстро после испарения ацетона для обеспечения достаточной коллоидной стабильности в процессе сбора данных; e) изменения размера дисперсии ПММА в зависимости от содержания бикарбоната: (, ) по результатам экспериментов по изменению pH, при кислотном и основном pH, соответственно; () использование бикарбонатных растворов с возрастающей концентрацией. На рис. 3с показано изменение диаметров частиц для двух полимерных систем в зависимости от pH водной фазы до смены растворителя. Ясно виден диапазон меньшего размера дисперсии, обычно от 6 до примерно 9.5. …

    Контекст 4

    … что это отсутствие стабильности не связано со слишком большой ионной силой, поскольку при pH 10 ионная сила была оценена как 5 × 10 -2 M ( в зависимости от содержания OH -, HCO 3 — и CO 3 2- в среде), условия, при которых наша дисперсия идеально выдерживает присутствие неионного поверхностно-активного вещества. Также важно указать на довольно постоянные и небольшие значения d V / d N (где d V — среднеобъемный размер частиц, а d N — среднечисловой размер частиц) для обоих полимеров, независимо от размеров частиц ( Рисунок 3в).Эта особенность полученных полимерных дисперсий ясно демонстрирует, что наблюдаемые изменения размеров коллоидов не являются следствием нежелательной агрегации частиц. …

    Контекст 5

    … аналогичная тенденция наблюдается для капель HD, начиная с исходного HD 99% или очищенного, хотя и в более узком диапазоне размеров из-за конкурентной адсорбции поверхностно-активного вещества (Рисунок S4) . Далее мы построили график дзета-потенциала дисперсий ПММА (после испарения ацетона) в зависимости от pH, при котором проводилось нанопреципитация (рис. 3d).Поскольку размер частиц оказывает значительное влияние на измерения дзета-потенциала, обработка данных здесь ограничена диапазоном pH (6-10), где коллоидные размеры постоянны (см. Следующий раздел). …

    Контекст 6

    … размер частиц оказывает значительное влияние на измерения дзета-потенциала, обработка данных здесь ограничена диапазоном pH (6-10), где коллоидные размеры постоянны (см. Следующий раздел). В основном, дзета-потенциал следует за заметным снижением в большом диапазоне pH и увеличением pH выше 9.На рис. 3д показано изменение диаметра наночастиц ПММА в зависимости от содержания бикарбонат-ионов в водных дисперсиях с различными значениями pH. Независимо от естественной ошибки, возникающей в этих экспериментах, график подчеркивает, что размер дисперсий ПММА минимален при концентрации бикарбоната всего 10 -5 М, независимо от pH. …

    КАНАВА САНТОРИНИ

    КАНАВА САНТОРИНИ с 1974 года

    CANAVA SANTORINI была основана в 1974 году на острове Санторини Эвагеллосом Лигносом.Сегодня его сын Лукас Лигнос по-прежнему производит прекрасные спиртные напитки CANAVA SANTORINI по тем же принципам и из тех же местных материалов. Те же рецепты, которые передавались из поколения в поколение, используются до сих пор.

    ПЕРВЫЙ ДИСТИЛЛЕЛЬНЫЙ ЗАВОД НА САНТОРИНИ

    Мы переехали на наши нынешние установки в 2012 году. Несмотря на то, что наша производственная линия соответствует самым высоким современным технологическим критериям, наши методы дистилляции и наши перегонные кубы являются традиционными.

    Здесь, в Canava Santorini, мы следуем медленной процедуре приготовления спиртных напитков в наших греческих перегонных кубах ручной работы из меди. Наши духи отличаются своим ароматом, вкусом и исключительным качеством.

    УЗО КАНАВА САНТОРИНИ

    В CANAVA SANTORINI мы следуем традиционной медленной процедуре для приготовления нашего узо в греческом медном перегонном кубе ручной работы.Превосходное качество CANAVA SANTORINI OUZO * характеризуется ароматом и вкусом смородины асыртико Санторини, шафрана и аниса.

    TSIKOUDIA SANTINO

    Наша цикудия SANTINO дистиллирована из виноградных выжимок, которые получают исключительно из сортов Санторини Асыртико, (80%), Айдани и Атири. Наш традиционный процесс, 4-кратная медленная дистилляция и греческий медный перегонный куб ручной работы, создают первоклассный спирт высшего качества.Каждая бутылка цикудиа Каждая бутылка цикудиа «SANTINO» в ограниченном количестве воплощает аромат и традиции Санторини.

    АУТЕНТИЧНАЯ ЦИКОУДИЯ САНТОРИНИ

    Наше узо в специальной бутылке в форме Санторини.

    Canava Santorini создает классические ликеры

    Вишня, Тентура, Мастиха, Роза, Кофе и анис, Опунция, Банан, Парфе д’амур

    В ДЫХАНИИ ОТ ВУЛКАНА

    Узо Канава Эксклюзивное издание Санторини

    Канава Санторини Ликеры

    «Санторини, прошедшие дни»

    Наш музей «Санторини минувшие дни» открыт для посетителей.Войдите в повседневную жизнь давно минувших эпох.

    УНИКАЛЬНОСТЬ Санторини

    Mesaria, Санторини, Киклады, Греция

    canavasantorini @ gmail.com

    Все содержимое © Canava Santorini, 2015. Все права защищены.

    творчество и фотографии почему-не

    Арак, Раки, Узо, Самбука и Пастис

    См. Также: Абсент

    ВСЕ ТИПИЧНО СРЕДИЗЕМНОМОРСКИЕ ДИСТИЛЛЯТЫ

    Вокруг Средиземного моря от Ливана на востоке до Испании на западе практически все страны производят дистилляты со вкусом аниса под разными именами: арабы называют это арак, турки раки, греки узо, итальянцы самбукка, французские пасти и испанцы анисадо.
    В то время как мусульмане не должны употреблять алкогольные напитки в соответствии с одним из принципов их религии, историки и исследователи широко приписывают открытие дистилляции арабским алхимикам 13 века. На самом деле слово алкоголь происходит от арабского al-cool, а alembic still — от al-embic.
    Хотя есть теории о том, что китайцы открыли секреты дистилляции задолго до арабских алхимиков, ничего не было обнаружено, чтобы хотя бы отдаленно подтвердить такие утверждения.
    Мария Еврейская и Гипатия Александрийская, важный центр обучения еще в XII веке, изобрели устройство для разделения жидкостей путем нагрева, но они никогда не думали об использовании разницы температур кипения воды (100 ° C) на уровне моря и алкоголя ( 78,3 С).

    Считается, что приказ римского императора Диоклетиана сжечь все книги алхимиков в 296 году нашей эры способствовал задержке открытия западными учеными принципов дистилляции.
    Несмотря на исторические факты и повороты событий, арак был и остается одним из самых известных и широко потребляемых дистиллятов в мире, но, как ни странно, не в англоязычных странах мира.Возможно, потребление арака требует правильной окружающей среды и правильного питания. Есть что сказать о питье в правильной обстановке: пасти в одном из кафе на набережной Марселя намного вкуснее, чем тот же напиток в Торонто.
    Из всех арабоязычных стран Ливан, по общему мнению, производит лучший арак, а самый лучший из них продается в этой стране дороже, чем шотландский виски.
    Для ливанского арак означает чистый ароматный дистиллят, который нужно разбавлять достаточным количеством воды и употреблять вместе с пищей.
    Долина Бекаа к юго-востоку от Бейрута, считавшаяся жемчужиной Средиземного моря до того, как ее разрушили почти 20 лет вооруженного конфликта, хорошо известна своим араком, но лучше всего это делают ремесленные винокурни с очень маленькими предприятиями или владельцы ресторанов, которые также перегонять их собственные.
    В долине есть по крайней мере один владелец ресторана, который покупает виноград обейда (предположительно материнский сорт Шардоне), прессует его и сбраживает сок естественным путем. После ферментации слабоалкогольную жидкость оставляют для осаждения, а затем фильтруют для удаления самых сырых взвешенных веществ.Далее жидкость перегоняется в медных кубах, изготовленных опытными арабскими мастерами.
    Во время первого и последующих запусков передние выстрелы и обмороки тщательно разделяются, собираются и повторно перегоняются, чтобы минимизировать содержание метилового спирта.
    На самом деле, это разделение спирта и воды, которое открыли арабские алхимики, а затем усовершенствовали его путем повторной дистилляции вышеупомянутых частей для чистоты.
    После первой дистилляции крепостью 70%, дистиллят разбавляют до 53% крепости и перегоняют в присутствии немытого, не измельченного аниса из деревни Хинель на горе Хермон недалеко от сирийской границы.Тем не менее, вторая проба отделяется и перегоняется еще дважды, чтобы получить вообразимый ebst arak.
    Если вы хотите испытать этот, возможно, лучший арак, вам следует отправиться в Кесроуан на юго-востоке Ливана и попросить маронитов направить вас в ресторан. Для потребления в ее ресторане производится всего 100 бутылок в год.
    Ksara, Fakhra и El Massaya — коммерческие бренды прекрасного ливанского арака, но не могут конкурировать с глубиной и изысканностью вкуса и тонкой текстурой кустарного арака.
    Лучший способ насладиться араком — это налить его в высокий стакан с несколькими кубиками льда и одну часть арака и разбавить, налив пять частей воды. В этот момент он станет молочно-белым и будет разбавлен примерно до 10% крепости. Арак требует ближневосточной кухни (небольшие порции сыра фета, фаршированные рисом и кедровыми орехами виноградные листья, маринованные оливки, острые, тонко нарезанные колбаски, треснувшие пшеничные шарики, фаршированные сырой, нарезанной бараниной, жареные мидии, жареная баранья печень, нарезанная кубиками, посыпанная нарезанной петрушка, икра красной кефали, смешанная с мясным соусом, оливковое масло, лимонный сок, жареные корюшки, нарезанные ломтики баранины с заправкой из заправки винегретом, запеченная баранина с овощами, соевые бобы, приготовленные на оливковом масле и помидорах, много лепешек ), и хорошая компания.

    Узо принцип действия: Принцип работы УЗО | Заметки электрика

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *