Анализ состояния исследований жидкофазных объектов методом изучения свечения их газового разряда

Борисова М.В., СПбГУ.

      Кирлианография получила большое распространение в мире как метод экспериментальных исследований: библиография по эффекту Кирлиан насчитывает более тысячи публикаций, в Internet имеется более 400 ссылок. Наибольший интерес вызвали исследования фотографий газоразрядного свечения биологических и жидкофазных объектов.
      Сущностью метода ГРВ-графии является изучение характеристик газового разряда, индуцируемого электронно-оптической эмиссией объекта, помещенного в электромагнитное поле (ЭМП) высокой напряженности. При этом, характеристики газового разряда являются отражением, как внутренних свойств самих исследуемых объектов, так и свойств внешней среды и электромагнитного поля.
      Для практического применения метода ГРВ необходимо не только квалифицированное проведение эксперимента по фиксации свечения измеряемого объекта, но и понимание методов описания и анализа характеристик газоразрядного изображения, а также грамотное математическое описание самих процессов газоразрядной визуализации.
      В компанию разработчика регулярно поступают запросы об использовании исследовательского оборудования и об интерпретации данных исследований. Данная статья посвящена обзору литературы и методических пособий, которые могут оказать максимальную помощь по изучению особенностей физико-химических свойств жидкофазных объектов и их слабых изменений на базе метода ГРВ.
      Не смотря на уже достаточно полно описанные технологии, связанные с решением поставленной цели, необходимо остановиться на основных моментах постановки эксперимента.

  Объекты исследования

      Объектами исследования являются газоразрядные процессы, индуцируемые оптоэлектронной эмиссией исследуемых жидкостей в электромагнитном поле высокой напряженности и динамики их изменения во времени. Именно динамика изменения для воды является одной из важнейших ГРВ характеристик. И для ее оценки тоже придется ввести ряд дополнительных расчетов, связанных с оценкой поведения трендов (функций ГРВ характеристик относительно времени подачи разряда на электрод).
      В ГРВ-графии основная информация извлекается из характеристик излучения газового разряда, которое представляет собой пространственно-распределенную группу участков различной яркости. Оптический видеоприемник излучения преобразует пространственное распределение яркости в изображение, а анализ характеристик видеоизображения позволяет сформировать множество параметров ГРВ-граммы (параметры значимой площади, средней интенсивности, графических характеристик ГРВ-граммы), на основании которых формируется заключения о свойствах или состоянии жидкофазного объекта. Подробное описание параметров ГРВ-грамм и методах их расчета можно посмотреть в описании программы «GDV Scientific Laboratory» в разделе «ГРВ параметры» и в учебно-методическом пособии. Крылов Б.А., Гришенцев А.Ю., Величко Е.Н. Методы регистрации, обработки и анализа изображений /– СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009. – 64 с.

      Адаптивные методики исследования характеристик ГРВ свечения жидкофазных объектов включают в себя следующие аспекты:
1. Выбор способа подготовки проб, которые будут исследованы, для ГРВ анализа.
2. Выбор оборудования для ГРВ анализа – базовое оборудование, вспомогательные устройства (электроды), способы их закрепления.

1. Выбор способа подготовки проб, которые будут исследованы, для ГРВ анализа.

      При отборе пробы необходимо стремиться к тому, чтобы ее химический состав и состояние правильно отражал состав всего анализируемого объекта. Если это условие не соблюдено и проба не характеризует объект как целое, то весь анализ, даже самый точный, теряет смысл. Задача получения представительной пробы особенно сложна при анализе растворов, которые по условиям эксперимента подвергаются обработке. Для жидкофазных объектов неоднородностью состава практически всегда можно пренебречь. Поэтому операции отбора пробы для них обычно проще, а ее размер — меньше. Однако если жидкость негомогенна, например, содержит взвешенные твердые частицы (природные воды, коллоидные растворы), то требуется ее интенсивно перемешать или отобрать несколько отдельных порций в разных местах (на разной глубине). Если анализ нельзя провести сразу же после отбора проб (например, в полевых условиях), то важным становится их правильное хранение. Хранить и транспортировать пробы необходимо с учетом определенных мер предосторожности, направленных на то, чтобы состав и свойства растворов не изменились (стеклянная тара, жидкость наливается под «пробку», температура хранения до 30С и т.д., в зависимости, от изучаемых воздействий).

2. Выбор оборудования для ГРВ анализа – базовое оборудование, вспомогательные устройства (электроды), способы их закрепления.

      Для измерения жидкофазных объектов рекомендуется использовать «ГРВ Камеру» с КИТом (базовым набором различных типов заземления). Наиболее распространенный метод – подвешивание капли на пластиковом шприце.
      При измерениях со шприцом следует учитывать дополнительные рекомендации:
a. Расстояние между подвешенной каплей и стеклянной поверхностью электрода «ГРВ Камеры» должно быть фиксированным.
b. Объем жидкости в вывешенной капле и ее центровка должны быть для всей серии сравнения постоянны.
c. Съемку рекомендуется проводить на минимальном режиме, достаточном для получения устойчивого сигнала.
d. Внимательно следите за тем, чтобы жидкость не попадала внутрь канала держателя шприца.
e. Если контрольная съемка при выбранных параметрах многократно не воспроизводится, необходимо изменить условия съемки (расстояние между электродом прибора и вывешенной каплей, объем вывешенной капли, подаваемое на электрод «ГРВ Камеры» напряжение).
      С более подробном изложением методик можно познакомиться, прочитав учебное пособие Орлов Д.В./ под ред. д.т.н. Короткова К.Г., Проведение измерений объектов окружающей среды на программно-аппаратном комплексе ГРВ. – СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009 и посмотрев мультимедийное руководство «ГРВ Минилаборатория», 2009.

3. Подбор режимов работы прибора «ГРВ Камера» и процедуры ГРВ анализа для всей серии измерений.

      Основной критерий для выбора режимов работы это получение устойчивого и воспроизводимого свечения объекта, при минимальном напряжении. Условия съемки в серии сравнения должны быть одинаковы. Методика подбора режимов подробно освещена в мультимедийном руководстве «ГРВ Минилаборатория», 2009.
      Методика исследования объектов методом ГРВ-графии заключается в получении, обработке и анализе газоразрядных изображений. В статической ГРВ-графии запись ведется в виде отдельных растровых изображений. В динамической ГРВ-графии – это последовательность газоразрядных изображений, получаемых в течение времени экспозиции. Цифровые видеосигналы записываются на жесткий диск компьютера в виде видеофайлов. Таким образом, чтобы разделить традиционный анализ ГРВ-грамм и метод анализа видеоизображений ГРВ-грамм используется терминология статическая и динамическая ГРВ-графия: статическая или традиционная – основана на анализе характеристик отдельных кадров, захватываемых в течение времени экспозиции разряда, динамическая – представляет собой принципиально новый метод исследования, основанного на анализе временных рядов числовых параметров полученных по видеоизображению свечения газового разряда в течении всего времени экспозиции.
      При исследовании одного и того же объекта, при одинаковых параметрах окружающей среды и одинаковых параметрах электромагнитного поля, функция формирования изображения ГРВ-граммы в зависимости от времени может меняться, а может быть постоянной. Эти изменения могут носить стационарный характер, как в случае, например, металлического тест-объекта; иметь выраженный горизонтальный тренд или развиваться по случайному нестационарному нелинейному закону, как в случае исследования биологических жидкостей и человека. В статической ГРВ-графии захват изображения ГРВ-граммы может происходить в некоторый любой момент времени от начала экспозиции, так как из-за технических особенностей программно-аппаратного комплекса «ГРВ камера» невозможно достоверно определить в какой именно момент времени происходит видеозахват изображения. В то время как функция определения набора характеристик изображения динамической ГРВ-граммы является функцией от времени и не обладает ошибкой подобного рода. Запись процесса формирования изображения в течение времени экспозиции дает нам информацию в виде тренда (зависимость ГРВ параметров от времени разряда), что является также индивидуальной характеристикой объекта. Характеристики изображений ГРВ-грамм для различных образцов могут быть неразличимы большую часть времени экспозиции разряда и отличаться на каком-либо небольшом участке времени. Захватываемый из видеофайла в случайный момент времени кадр, как это происходит в статической ГРВ-графии, может не отразить подобную ситуацию.
      Таким образом, видно, что статическая ГРВ-графия позволяет сформировать лишь приближенное заключение о характеристиках объекта исследования, в то время как динамический метод может лежать в основе более глубокого исследования свойств объекта. Анализ исследования различных жидкофазных объектов методом динамической ГРВ-графии показал, что для выявления значимых различий между наблюдениями необходимо оценивать весь временной ряд полученных данных. (Автоматизированная система измерения динамических характеристик параметров изображения газоразрядного свечения, Коротков К.Г.*, Крыжановский Э.В. *, Муромцев Д.И. *, Бабицкий М.А. *., Борисова М.Б. **), K. Korotkov, E. Krizhanovsky, M. Borisova, D. Korotkin et.al. Time dynamics of the gas discharge around drops of liquids, J.Appl.Phys., 95, 3334-3338, (2004)).

4. Экспериментальный протокол исследования, сохранение отснятого материала.

      Здесь необходимо отметить необходимость фиксирования подобранной методики и условий эксперимента п.п.1-3, для дальнейшей грамотной интерпретации данных.

5. Работа с данными. Очистка шума. Выбор наиболее значимых параметров количественной обработки ГРВ свечения для сравнения исследуемых проб.

      Сейчас разработан достаточно полный аналитический аппарат для анализа параметров ГРВ жидкофазных объектов. Программа «GDV Scientific Laboratory» предназначена для многопараметрической обработки статических или динамических ГРВ-грамм. Программа обеспечивает решение следующих задач:
1. Расчет числовых характеристик ГРВ-грамм как для всего изображения, так и для отдельных секторов;
2. Формирование до 10 выборок ГРВ-грамм и осуществление их статистического сравнения по выбранным ГРВ-параметрам;
3. Расчет статистических характеристик каждой выборки по выбранному параметру;
4. Расчет трендов, энтропийный и фрактальный анализ временных рядов параметров динамических ГРВ-грамм;
5. Визуальный анализ и сравнение исходных ГРВ-грамм и массивов рассчитанных числовых данных;
6. Сохранение результатов обработки в файлы и печать отчетов;
7. Создание подробного отчета в формате MS Word.

      Для решения поставленных задач расчетный софт программы постоянно пополняется новыми методами математического анализа. Развивается метод извлечения информации с временных рядов характеристик газоразрядных изображений жидкофазного объекта на основании многофакторного анализа фрактальной размерности, энтропии, анализа трендов временных рядов, представления физики фрактальных кластеров. Интересно представление временных рядов, как моделирование случайных процессов рядами Фурье и проведении на его основе спектрального анализа. Вводятся новые расчетные ГРВ параметры, например, сейчас активно изучается параметр суммарная интенсивность, которая рассчитывается, как площадь*средняя интенсивность/100000.
      Анализ выборок параметров статических ГРВ изображений.
      Основные направления анализа статических ГРВ изображений жидкостей сводятся к сравнительному анализу ГРВ изображений различных жидкостей, либо ГРВ изображений жидкости до и после определенного воздействия.
      В первом случае проводится анализ независимых выборок ГРВ изображений, во втором случае анализ ГРВ изображений зависимых выборок.
      В свою очередь, количество измерений (объем выборки) и вид их распределения определяют характер статистического анализа. Если распределение параметра ГРВ изображений носит не нормальный характер, то применяются методы непараметрического анализа.
      Анализ выборок параметров динамических ГРВ изображений.
Из рассчитанных параметров отдельных кадров ГРВ изображений формируются временные ряды, которые описывают динамику изменения каждого параметра во времени. Для анализа временных рядов был реализован статистический анализ с использованием критериев Манна-Уитни, Уилкоксона и Стьюдента для выборок параметров ГРВ изображений временных рядов в определенные моменты времени, для определения момента, при котором начинаются значимые различия; для выборок характеристик аппроксимаций параметров ГРВ изображений временных рядов, а также для энтропии и фрактальной размерности временных рядов. Более подробная информация в описании программы «GDV Scientific Laboratory» и учебном пособии Коротков К.Г., Крыжановский Э.В., Муромцев Д.И., Бабицкий М.А., Борисова М.В., Яновская Е.Е., Шапин А.В., Исаева Е.В./ под. ред. к.т.н. Муромцева Д.И., Практические основы метода газоразрядной визуализации. – СПб: СПб ГУ ИТМО, 2007. – 128 с

6. Интерпретация данных.

      На данном этапе, к сожалению, из-за многофакторной природы ГРВ свечения жидкофазных объектов интерпретация результатов носит в основном описательный характер, основанная на малом эмпирическом опыте. Для создания софта, аналогичного софту, обслуживающему ГРВ съемки пальцев рук, необходима дальнейшая экспериментальная проверка развитых подходов и методов анализа изображений и временных рядов параметров ГРВ изображений на примерах модельных жидкофазных сред различной природы.
      В работах по исследованию методом ГРВ-графии на современном этапе огромное значение имеет воспроизводимость результатов, как внутри серии исследований, так и при сравнении результатов различных исследователей. Анализ причин, приводящих к непостоянству значений и к ошибкам при измерениях с помощью ГРВ-камеры основных параметров ГРВ изображений (ГРВ-грамм), и пути их устранения изложен в работе «ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЕТОДОМ ГРВ-ГРАФИИ» Борисова М.В., Крыжановский Э.В.

Заключение

      Обновление софта доступно всем пользователям ГРВ оборудования при обращении в службу технической поддержки группы компаний «КТИ» и «Биотехпрогресс».
      Все указанные литературные источники и мультимедийные пособия можно получить при обращении в офис группы компаний «КТИ» и «Биотехпрогресс».