Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Электросчетчик – устройство и принцип работы

Без счетчиков электроэнергии не обходится работа ни одного электрифицированного объекта, будь то гараж, частный дом или промышленное предприятие. Сегодня на рынке представлены счетчики разных типов, моделей, модификаций. Это позволяет подобрать оптимальный вариант с учетом особенностей объекта и количества используемой электроэнергии. Что представляет собой электросчетчик, устройство и принцип работы данного прибора рассмотрим ниже.

Как ведется подсчет электроэнергии

Независимо от устройства и принципа работы, электросчетчик имеет одно назначения — подсчет количества электроэнергии, которая была израсходована за определенный промежуток времени. Расход измеряется в киловатт-часах. Один киловатт-час (кВт·ч) — это количество электроэнергии, которое расходуется потребителем за временной промежуток, равный часу. В цифровом выражении это представлено так:

1 кВт·ч = 1 киловатт × 1 час = 1000 Ватт × 3600 секунд = 3600000 Джоулей = 3,6 Мегаджоуля.

Можно рассмотреть на примере конкретного прибора. Если утюг мощностью 2 киловатта будет работать полчаса, расход составит:

2 кВт × 0,5 часа = 1 кВт·ч.

Классификация электрических счетчиков

По конструктивному устройству электросчетчики делятся на:

  • механические — считаются устаревшими. Из-за больших габаритов и низкой точности показаний они практически не используются;
  • электромеханические — в основном, используются на объектах бытового назначения, где учет электроэнергии ведется по единому тарифу;
  • электронные — более совершенные модели с широким функционалом и высокой точностью показаний. Рекомендуются для установки на объектах, где предусмотрена разная тарификация учета расхода электрической энергии.

Устройство счетчика электроэнергии

Устройство электросчетчика с электронным измерительным механизмом предусматривает наличие таких элементов:

  • специализированные микросхемы, выполняющие функцию замера количества электроэнергии и преобразования полученных данных в единицы измерения;
  • вычислительный механизм;
  • защитный корпус;
  • импульсный или цифровой выход (в зависимости от модели) для возможности удаленного считывания показаний и интеграции прибора в единую систему автоматизированного учета расхода энергии.

В электромеханическом счетчике вычислительный механизм представлен электромагнитом, соединенным с барабаном, который представляет собой систему колесиков с цифрами. В электронном приборе в качестве счетного механизма используется микроконтроллер, подключенный к цифровому дисплею. Устройство электросчетчиков данного типа предусматривает наличие модуля энергонезависимой памяти, в котором регистрируется количество тока, использованное в разных режимах — например, в дневное и ночное время суток.

Принцип работы однотарифного электросчетчика

Принцип работы электросчетчика электромеханического типа достаточно простой. При включении электроприборов на вход счетчика поступают сигналы о напряжении и силе тока, которые фиксируются соответствующими датчиками и передаются на преобразователь. Он, в свою очередь, оцифровывает эти сигналы и преобразует их в импульсы определенной частоты. Импульсы передаются на электромагнит счетного механизма, далее, посредством зубчатой передачи, сигнал поступает на колесики барабана. В результате данные отображаются в виде конкретных цифр.

Вам также может понравиться

Как считываются показания электромеханического однотарифного счетчика

Электромагнитные модели торговой марки Пульсар производства компании «ТЕПЛОВОДОХРАН» оснащены счетным механизмом с шестиразрядным барабаном. Принцип работы электросчетчиков данного типа предусматривает вывод показаний на переднюю панель прибора. При считывании принимаются во внимание первые пять цифр (колесики черного цвета). Показания корректны только в том случае, если прибор подключен к исправной сети электропитания (должен гореть светодиодный индикатор), опломбирован, эксплуатируется с соблюдением сроков поверки и рекомендаций производителя.

Подготовка электромагнитного счетчика к использованию

Перед монтажом и использованием проведите тщательный осмотр прибора на наличие механических повреждений корпуса, проверьте целостность пломб. Напряжение, которое подводится к параллельной цепи электросчетчика, не должно превышать 265 Вольт. Сила электротока в последовательной сети электросчетчика не должна быть выше 60 или 100 Ампер в зависимости от модификации прибора .

Подключение прибора проводится только при обесточенной сети электропитания. После подключение и опломбирования включите электроприборы. При правильном подключении мигает светодиодный индикатор, показания расхода электроэнергии увеличиваются.

Как работает электронный многотарифный электросчетчик

Принцип работы электросчетчиков многотарифного типа аналогичен принципу работы электромагнитных приборов. Единственное отличие — преобразованный сигнал подается на микроконтроллер, который управляет цифровым дисплеем, запоминающим устройством и электронным реле. На дисплей выводится не только количество использованной электроэнергии, но и значения физических величин электросети: мощность, сила электротока, частота сети и другие.

Многотарифные счетчики торговой марки Пульсар способны вести учет электрической энергии по четырем тарифам в двенадцати сезонах. Они оснащены встроенной литиевой батареей, которая обеспечивает автономный ход часов в случае отключения подачи электропитания. Ресурс батареи рассчитан на 16 лет непрерывной работы.

Встроенный модуль памяти позволяет вести журнал событий, рассчитанный на 22 типа событий. В свою очередь, каждый тип может включать до 24 событий.

Как считываются показания электронного счетчика

Принцип работы электросчетчиков данного вида предусматривает вывод показаний на электронный дисплей. Сценарий вывода показаний задается пользователем. Появление на дисплее значка в виде треугольника с восклицательным знаком свидетельствует о наличии ошибок.

Вычислительный механизм может находиться в циклическом или нециклическом режиме работы. В первом случае переключение тарифных режимов осуществляется автоматически (период отображения программируется). Во втором переключение режимов осуществляется вручную посредством нажатия кнопки на крышке корпуса.

Для дистанционного считывания данных предусмотрен цифровой интерфейс RS485 с гальванической изоляцией от входных цепей.

Подготовка электронного счетчика к использованию

Перед установкой электросчетчика необходимо убедиться в его технической исправности, отсутствии повреждений. Следует также проверить заводские настройки прибора. Если они не соответствуют вашим требованиям, проводится перепрограммирование через интерфейс RS485 с использованием ПК и специального программного обеспечения.

После подключения прибора к сети электропитания на дисплее должна появиться информация о версии программного обеспечения и результате самодиагностики. При отсутствии ошибок на дисплее последовательно отображаются разрешенные режимы работы. Показания значений силы электротока и напряжения в сети соответствуют реальным.

На нашем сайте вы можете купить электросчетчик по привлекательным ценам!

Однофазный счетчик электроэнергии: подключение, принцип работы, выбор

Частные потребители и промышленные предприятия обязаны обеспечивать постоянный учет электрической энергии, использованной для питания электрооборудования. В зависимости от количества фазных проводников, подключаемых к прибору учета электрической энергии все модели подразделяются на однофазные и трехфазные. В данной статье мы рассмотрим однофазный счетчик электроэнергии, как один из видов расчетных электрических приборов.

Принцип работы

За счет постоянного совершенствования технологий совершенствуются и счетчики электроэнергии. Все однофазные модели представленные на современном рынке подразделяются на индукционные и электронные.

Рис. 1. Индукционный и электронный электросчетчик

Первый вариант является первопроходцем в системе учета электрической энергии, несмотря на их простоту и доступность, электронные электросчетчики постепенно вытесняют их за счет высокой точности и расширенной функциональности.

Индукционные счетчики электроэнергии

Индукционные счетчики электроэнергии обладают простой и понятной конструкцией, на примере которой относительно легко разобраться с устройством и принципом действия простейшего электросчетчика.

Рис. 2. Устройство индукционного счетчика электроэнергии

Конструктивно данная модель состоит из:

  • Токовой обмотки – представляет собой катушку индуктивности, включаемую в цепь последовательно нагрузке. Предназначена для измерения величины тока, потребляемого нагрузкой, изготавливается из проволоки большого сечения из нескольких витков.
  • Обмотки напряжения – также представлена катушкой индуктивности, но подключенной параллельно по отношению к токовой обмотке. Изготавливается из тонкой проволоки  и укладывается большим количеством витков, применяется для измерения величины напряжения.
  • Алюминиевый диск – элемент счетчика электроэнергии, предназначенный для преобразования электромагнитного усилия в механическую работу. Устанавливается на ось для вращения по направлению усилий электромагнитного поля катушек индуктивности.
  • Счетный механизм – преобразует количество оборотов алюминиевого диска в цифровое отображение результатов измерения мощности. Состоит из механического циферблата шестеренчатого типа.
  • Постоянный магнит – применяется для сглаживания механических колебаний подвижного диска. Создает постоянный магнитный поток и обеспечивает плавность хода.

Принцип действия индукционного счетчика электроэнергии заключается в том, что при подключении в электрическую цепь на обмотку напряжения подается действующее номинальное напряжение. В случае подключения нагрузки к выводам электросчетчика через токовую катушку будет протекать определенная величина тока.  При взаимодействии двух электромагнитных полей в алюминиевом диске начнут наводиться вихревые токи, что создаст его собственное электромагнитное поле. Механическое усилие от диска через систему шестеренок передастся счетному механизму.

Величина ЭДС, наводимая обмоткой тока и напряжения вступает во взаимодействие с собственным полем подвижного элемента, которое генерируется за счет вихревых токов. Мера данного взаимодействия и определяет скорость вращения алюминиевого диска. Чем больше сила тока, протекающего через токовую катушку, тем больше результат геометрического произведения напряжения и тока.

Рис. 3. Геометрическое вычисление мощности счетчиком электроэнергии

Результирующее значение мощности  будет быстрее вращать диск, что приведет к ускорению начисления показаний счетчика электроэнергии.

Электронные счетчики электроэнергии

С развитием и совершенствованием технических средств произошла модернизация классических индукционных электросчетчиков. Изначально выпускались гибридные электронно-механические модели, но со временем электроника все более и более вытесняла подвижные части. Конструктивно современная электронная модель счетчика электроэнергии состоит из:

Рис. 4. Устройство электронного счетчика электроэнергии
  • Датчика тока – измеряет величину электрического тока, протекающего через счетчик электроэнергии;
  • Датчика напряжения – предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к зажимам счетчика;
  • Электронного преобразователя – осуществляет подсчет мощности, пропускаемой через счетчик электроэнергии;
  • Микроконтроллера – передает показания на дисплей и в блок памяти, может извлекать данные, обрабатывать их и передавать по каналам связи;
  • Дисплея – предназначен для вывода данных опроса со счетчика электроэнергии, может переключать информацию в многотарифных моделях;
  • Блока ОЗУ и ПЗУ – оперативная и долговременная память, предназначенная для хранения и обработки информации.

Принцип действия электронного счетчика электроэнергии основан на измерении силы тока и величины напряжения приложенного к подключенной нагрузке. Фиксация показаний осуществляется за счет датчиков и передается на электронный преобразователь, который рассчитывает величину мощности и преобразует единицу измеряемой величины в счетный импульс. Сигнал с преобразователя передается на микроконтроллер, который, в зависимости от установленной программы срабатывания, выдает на дисплей необходимые параметры электрической цепи. Помимо трансляции текущих показаний на дисплей, микроконтроллер записывает информацию в блок памяти, и извлекать ее в случае необходимости.

Плюсы и минусы

Однофазные электросчетчики применяются для учета электроэнергии, однако каждый вид прибора учета обладает своими преимуществами и недостатками. Поэтому по порядку рассмотрим плюсы и минусы для каждого из них.

Индукционные счетчики электроэнергии обладают такими плюсами:

  • Простая конструкция и меньшая себестоимость;
  • Доступная система работы, позволяющая даже неискушенному в электрике потребителю определить расход электроэнергии;
  • Такие счетчики электроэнергии куда более устойчивы к скачкам напряжения и низкому качеству электрической энергии в отечественных цепях;
  • Более длительный срок эксплуатации.

К существенным недостаткам индукционных моделей следует отнести их большие габариты и уязвимость перед простейшими способами хищения электроэнергии. Со временем начинают проявляться сбои в работе, часто потребители сталкиваются с явлением самохода.

Электронные счетчики электроэнергии однофазного типа характеризуются такими преимуществами:

  • Меньшие габариты, в сравнении с индукционными моделями;
  • Отсутствуют вращающиеся части, что увеличивает износостойкость и позволяет реже производить поверку счетчика электроэнергии;
  • Могут реализовывать многотарифный учет потребляемой электроэнергии, в некоторых моделях присутствует функция дистанционного автоматического опрашивания;
  • Позволяет фиксировать как активную, так и реактивную составляющую, определят максимум и минимум загрузки за сутки, неделю, месяц;
  • Обладают более высоким классом точности.

К недостаткам электронных моделей следует отнести высокую стоимость, их довольно трудно  отремонтировать из-за сложной схемы и необходимости последующей настройки в лабораторных условиях. Также они крайне восприимчивы к качеству электроэнергии протекающей через них.

Нюансы установки и схема подключения

Установка и последующее подключение однофазного счетчика электроэнергии не представляют особых трудностей, поэтому данную процедуру по силам выполнить самостоятельно. Но, в то же время, важно соблюдать основные правила и требования для обеспечения вашей безопасности и функциональности системы.

Важно заметить, что подключение однофазного счетчика электроэнергии должно производиться в строгом соответствии со схемой подключения. Правильность выполненной операции проверяется контролером при приеме точки учета электроэнергии:

Рис. 5. Схема подключения однофазного счетчика электроэнергии

Как видите на рисунке, зажимы 1 и 3 предназначены для подключения фазного проводника, а зажимы 4 и 6 для подсоединения нейтрального проводника. Такой принцип оговаривается инструкцией завода изготовителя, поэтому перед началом подключения однофазного электросчетчика необходимо ознакомиться с его техническими параметрами. Чтобы фазный и нейтральный проводник подключались строго к предназначенным для этого зажимам.

Также при подключении важно соблюдать следующие нюансы:

  • Любая замена или установка нового счетчика электрической энергии должна согласовываться с энергоснабжающей компанией, иначе вас могут отключить с последующим наложением штрафа.
  • Высота размещения счетчика электрической энергии должна составлять от 0,8 до 1,7м над уровнем пола в соответствии с п.1.5.29 ПУЭ. Желательно подбирать расположение таким образом, чтобы показания находились в зоне видимости.
Рис. 6. Высота расположения счетчика электроэнергии
  • Оголенные провода внутри зажима должны исключать возможность соприкосновения жил с разным потенциалом в соответствии с п.5.4 ГОСТ 31818.11-2012.
  • Согласно п.1.5.33 ПУЭ провод или кабель, подключаемый к счетчику электроэнергии должен исключать пайки и другие соединения, допускающие возможность подключения.
  • В соответствии с п.5.9 ГОСТ 31818.11-2012 степень защиты от проникновения влаги и пыли для установки однофазного электросчетчика внутри помещения должна составлять не менее IP51 и не ниже IP54 для наружного расположения.

Получить еще более детальную информацию о подключении электросчетчиков вы можете в нашей статье: https://www.asutpp.ru/podklyuchenie-elektroschetchika.html

Критерии выбора

Выбор конкретной модели производится на основании индивидуальных особенностей подключения каждого потребителя. Основными критериями при выборе однофазного счетчика электроэнергии являются:

  • Номинальная мощность (нагрузка) – определяет допустимую нагрузку, которую вы можете подключить. Желательно выбирать модель с 20 – 30% запасом.
Рис. 7. Номинальные параметры электросчетчика
  • Место установки – в зависимости от расположения выбирается модель для наружного или внутреннего монтажа.
  • Количество тарифов – для экономии денежных средств в ночное время суток можно установить двухтарифный электросчетчик. Если вы не используете мощные электроприборы, данная функция вам не понадобится.
  • Температурный режим – определяет допустимый диапазон температур, в котором может работать однофазный счетчик электрической энергии.
  • Способ крепления – на DIN-рейку, в кожухе на дюбель.
Рис. 8. Способ крепления электросчетчика

Список использованной литературы

  • «Современные цифровые счетчики учета электроэнергии. Справочник. Схемотехника, аспекты применения» 2006
  • Труб И. И. «Обслуживание индукционных счетчиков и цепей учета в электроустановках» 1983
  • И.А. Данилов «Общая электротехника»  1985

Принцип работы электронного счетчика электроэнергии

Никто не спорит с тем, что электричество – это благо, но за него надо платить.

Счетчики электроэнергии, установленные во многих домах, призваны помочь стабилизировать оплату и, по возможности, минимизировать ее.

Виды приборов

Принцип работы любого счетчика заключается в измерении активной энергии и подсчете потраченного.

При этом различают несколько вариантов счетчиков.

Определиться с выбором электронного счётчика поможет данный материал: https://teplo.guru/elektrichestvo/schetchiki/kakoj-luchshe-postavit-v-kvartire.html

Они делятся:

  • по принципу подключения – на приборы прямого и трансформаторного включения;
  • по измеряемым величинам – на однофазные и трехфазные;
  • по конструкции – на механические, электронные и гибридные;
  • по количеству тарифов – на одно- и многотарифные.

В основном, для учета электричества используют электронные устройства, которые обладают рядом преимуществ: они более точные и позволяют использовать несколько тарифов, на которые они переводятся самостоятельно, без участия владельцев.

Стоит отметить: существуют также гибридные счетчики, имеющие цифровой интерфейс и механическое вычислительное устройство, но, судя по отзывам, применяются они крайне редко.

Об установке электросчётчика в частном доме можно прочитать здесь: https://teplo.guru/elektrichestvo/schetchiki/ustanovka-v-chastnom-dome.html

Как работает

Электрический учет устроен на прямом измерении напряжения и тока: вся информация о потреблении электричества подается на индикатор и сохраняется в памяти устройства.

При этом, устройство обладает рядом преимуществ:

  1. Оно позволяет точнее считывать информацию, что препятствует краже электроэнергии.
  2. Обладает меньшими размерами по сравнению с механическими.
  3. Может автоматически переключаться по разным тарифам, не требуя присутствия человека, что позволяет экономить деньги.
  4. Электронные модели проверяют раз в 4-16 лет. Это необходимо для проверки правильности начислений. Проверкой занимается Сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений.

Примите к сведению: первая проверка проводится на заводе – ее дата указывается в паспорте прибора.

Одновременно с достоинствами обычно выделяют некоторые недостатки. К ним относят более высокую стоимость и их ненадежность: несмотря на уверения производителей, электронные модели приходится менять чаще механических. Последние способны работать несколько десятков лет, так как в них практически нечему ломаться.

Принципиальная схема электронного счетчика. (Для увеличения нажмите)

Подсчет электричества производится за счет преобразования сигналов тока и напряжения, «входящих» в прибор, в импульс, который он и подсчитывает.

Число последних при этом изменяется в соответствии с поступающей энергией. То есть, чем больше электричества будет израсходовано, тем больше импульса получит устройство и посчитает.

Вместе с подсчитывающим устройством электронный счетчик имеет дисплей, на котором отражаются изменения в потреблении тока, максимальное и минимальное значения, текущий тариф и другие необходимые хозяевам данные.

Однофазные и трехфазные модели

Главным принципом деления электронных счетчиков являются сами измеряемые величины и технические характеристики.

Они бывают:

  1. Однофазными: их используют в квартирах, отдельных домах, небольших офисах и других площадках, питающихся от сети в 3-7 кВт с напряжением 220 В. Такие приборы рассчитаны на токи в 13-32 А (1 кВт = 4,5А, соответственно, 3 кВт – это 13,5 А). При выборе прибора необходимо учесть, что на нем должны быть обозначены номинальное и максимальное значения тока, обычно это соответствует 5-40 А.
  2. Трехфазными: их обычно применяют в промышленных и бытовых зданиях с большой «проходимостью» тока, а также в частных коттеджах, где ввод происходит только по трехфазной системе. Самым простым способом выбрать подходящее устройство станет обращение в соответствующие службы: они смогут помочь в выборе, назвав основные характеристики или модели.

Стоит обратить внимание, что трехфазный счетчик должен иметь внутренний тарификатор. Он осуществляет формирование графика нагрузки и отслеживает переход тарифов, отмечает перенапряжения и отсутствие тока, его работу, спад или увеличение напряжения. Это помогает в снятии показаний счетчика.

Возьмите на заметку: электронные трехфазные счетчики обычно имеют журнал событий, в которых отмечаются все изменения в «работе» тока для своевременного устранения неисправностей.

При выборе электронного электросчетчика лучше остановиться на моделях в большим гарантийным сроком и указанным сроком службы, а также проследить, чтобы в городе была мастерская компании.

Чтобы безошибочно снять показания с электросчётчика рекомендуется изучить данный материал: https://teplo.guru/elektrichestvo/schetchiki/kak-snyat-pokazaniya.html

Это поможет сократить расходы в случаи поломки или установки нового.

Электронный вариант счетчика на сегодняшний день пользуется большим спросом в квартирах и домах. Благодаря расширенным возможностям он предотвращает хищения энергии и может помочь сберечь деньги владельцу жилплощади.

Выбирая модель, не стоит скупиться: дешевый вариант, сделанный из непрочных материалов, прослужит намного меньше, чем более дорогой.

Смотрите видео, в котором на примере конкретной марки рассмотрены особенности электронных счетчиков электроэнергии:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Принцип работы электросчетчика: импульсный, индукционный и трехфазный

На чтение 5 мин Просмотров 403 Опубликовано Обновлено

Первые приборы учета электроэнергии появились в 19 столетии. Объяснить это можно массовыми исследованиями электромагнетизма, которые проводили ученые. Сегодня электросчетчики делятся на несколько видов и устанавливаются во всех помещениях, где люди потребляют электричество. Основная его задача – стабилизировать и при правильном использовании свести к минимуму оплату за коммунальные услуги.

Классификация приборов учета электроэнергии

Различные виды электросчетчиков

Все счетчики для электроэнергии классифицируются по видам в зависимости от типа подключения, конструктивных особенностей и измеряемых величин. Приборы делятся на прямо включаемые в силовую магистраль и устройства, которые подсоединяются к электрической цепи при помощи измерительных трансформаторов.

В зависимости от конструктивных особенностей электрические счетчики делятся на следующие виды:

Электрические счетчики классифицируют на несколько видов по измеряемым величинам и по количеству тарифов. В первом случае приборы учета бывают однофазными и трехфазными, во втором – одно- и двухтарифными.

Устройство и принцип работы электросчетчика

Устройство индукционного счетчика

Чтобы в режиме реального времени и непрерывно производить учет активного энергопотребления переменного тока, требуется устанавливать однофазные или трехфазные индукционные приборы учета. Если же важен учет постоянного тока, который широко распространен на железной дороге и всех видах электротранспорта, монтируют электродинамические приборы учета.

Индукционные электрические счетчики оснащены диском, изготовленным из алюминия, при потреблении ресурса этот подвижный элемент вращается из-за вихревых потоков, созданных индукционными катушками. В данном случае встречаются две разные силы – магнитное поле индукционных катушек и магнитное поле вихревых токов. Образованные в результате токи протекают в цепи параллельной нагрузки. Каждая катушка оснащена сердечником, который намагничивается переменным током. Воздействие непрерывного переменного тока приводит к тому, что полюса электромагнитов постоянно изменяются. Это приводит к прохождению между ними магнитного поля. Именно оно тянет за собой алюминиевый диск, образуя вращение.

Скорость вращения диска прямо пропорциональна величине токов, находящихся в обеих катушках. При производстве электросчетчиков применяются простые соединительные приемы из механики, благодаря чему вращающийся диск связан с цифровыми показаниями на панели.

Учет потребляемого ресурса основывается на прямом напряжении напряжения и тока. Все данные подаются на индикатор, в усовершенствованных моделях данные сохраняются в памяти устройства.

Последние годы люди все чаще отдают предпочтение электронным двухтарифным конструкциям. Непрерывно увеличивающийся спрос объясним следующим перечнем достоинств:

  • Приборы более точно считывают информацию, что позволяет сократить расходы на оплату коммунальных услуг.
  • В сравнении с механическими электросчетчиками они имеют компактные размеры и более привлекательный внешний вид.
  • Автоматически переключаются на дневной и ночной тарифы, участие человека не требуется. Еще на этапе производства прибор программируют на два временных интервала – с 07:00 до 23:00 и с 23:00 до 07:00.
  • Усовершенствованные модели нуждаются в проверке один раз в течение 5-16 лет. Требуется такая проверка для правильности учета и начисления средств. Проверкой должна заниматься энергопоставляющая компания.

Первая проверка работоспособности устройства проводится еще в заводских условиях, дата обязательно должна быть указана в сопроводительной документации.

Среди недостатков двухтарифных приборов учета выделяют высокую стоимость и их ненадежность в сравнении с механическими аналогами. Как показывает практика, электронные модели чаще выходят из строя.

Принципиальная схема электросчетчика

Принципиальная схема счетчика электроэнергии на микросхеме AD7755

Схема работы всех видов электрических приборов не имеет принципиальных отличий, все они похожи.

Для замера мощности задействовано несколько простых датчиков:

  • Датчики напряжения, работа которых основывается на схеме известного делителя.
  • Датчики тока на основе обыкновенного шунта, сквозь который проходит фаза электрической магистрали.

Сигнал, который фиксируется этими датчиками, мал, поэтому его требуется усиливать при помощи электронных усилителей. Потом осуществляется аналогово-цифровая обработка для трансформации сигналов и их перемножения.

Следующие этапы – фильтрация оцифрованного сигнала и вывод на дисплей прибора данных:

  • интегрирования;
  • индикации;
  • передачи вычислений;
  • преобразование.

В этой схеме используемые входные датчики не способны обеспечить измерения высокого класса точности векторов, следовательно, и расчет мощности.

Если требуется высокая точность измерений, схему дополнительно оснащают специальными измерительными трансформаторами.

Если в сравнении рассматривать принципиальную схему работы однофазного электронного прибора учета, в ней дополнительно ТН подсоединен к нулю и фазе, а ТТ – неотъемлемая составляющая разрыва фазного провода. Поскольку сигналы поступают из двух трансформаторов, дополнительное усиление сигнала не требуется. Все дальнейшие преобразования выполняет микроконтроллер, он осуществляет управление дисплеем, оперативным запоминающим устройством и электронным реле. Выходной сигнал через ОЗУ может дальше передаваться в информационный канал.

Принцип работы электросчетчика

В каждую электрическую сеть квартиры или частного дома подключается электросчетчик, учитывающий потребленную электроэнергию. Отличительной особенностью данного прибора является его последовательное подключение. Это позволяет определять в полном объеме количество тока, проходящего через его обмотки. Принцип работы электросчетчика зависит от того, к какому типу относится тот или иной прибор.

Какие виды электросчетчиков бывают

В быту используются три вида счетчиков:

  1. Механические или индукционные, несмотря на простоту и дешевизну, они отличаются большими погрешностями, невозможностью тарификации и другими недостатками.
  2. Электронные счетчики обладают явными преимуществами в виде высокой точности, удобного интерфейса и многих других полезных функций.
  3. Третий вид приборов учета относится к гибридным устройствам, в которых имеется механическая и электронная часть. Они используются достаточно редко, поэтому более подробно следует рассмотреть два первых типа электросчетчиков.

Принцип работы индукционного счетчика

Еще совсем недавно индукционные счетчики были неотъемлемой частью электрических сетей в квартирах. Счетное устройство в этих приборах представлено вращающимся алюминиевым диском и цифровыми барабанами, отображающими показатели расхода электроэнергии в реальном времени.

Принцип действия подобных устройств достаточно простой. Электромагнитное поле, возникающее в катушках счетчика, взаимодействует с диском, выполняющим функцию подвижного токопроводящего элемента. В однофазном индукционном счетчике выполняется параллельное подключение одной из катушек к обмотке напряжения, которая служит сетью переменного тока. Другая катушка подключается последовательно на участке между обмоткой тока или нагрузкой и генератором электроэнергии.

Действие токов, протекающих по обмоткам, приводит к созданию переменных магнитных потоков, пересекающих вращающийся диск. Их величина составляет пропорцию между потребляемым током и входным напряжением. В соответствии с законом электромагнитной индукции в самом диске происходит возникновение вихревых токов, протекающих по направлению магнитных потоков.

Вихревые токи и магнитные потоки начинают взаимодействовать между собой в диске. В результате, появляется электромеханическая сила, которая и приводит к созданию вращающегося момента. Таким образом, возникает пропорция между полученным вращающимся моментом и произведением двух магнитных потоков, возникающих в обмотках тока и напряжения, умноженных на синус сдвига фазы между ними.

Нормальная работа индукционного электросчетчика возможна только при условии фазового сдвига, равного 90 градусам. Такой сдвиг можно получить, разложив магнитный поток обмотки напряжения на две части. Получается, что диск прибора вращается с частотой, пропорциональной активно потребляемой мощности. Поэтому непосредственный расход электроэнергии будет находиться в пропорции с количеством оборотов диска. Полученные данные о потреблении передаются на механическое счетное устройство, ось которого связана с осью подвижного диска с помощью зубчатой передачи. Такая конструкция обеспечивает синхронное вращение обоих элементов.

Принцип работы электронного счетчика электроэнергии

До недавних пор все измерения потребленной электроэнергии осуществлялись с помощью индукционных счетчиков. Постепенно, с развитием микроэлектроники, произошел существенный сдвиг в деле совершенствования приборов учета и контроля потребляемой электроэнергии. Были созданы современные цифровые электронные системы управления с применением новейших микроконтроллеров. Это позволило многократно повысить точность измерений, а отсутствие механики значительно повысило надежность счетчика.

Для электронных электросчетчиков разработана специальная элементная база и методы обработки поступающей информации. После обработки цифровых данных стал возможен одновременный подсчет не только активной, но и реактивной мощности. Данный фактор приобретает важное значение при организации учета в трехфазных сетях. В результате, были созданы многотарифные электросчетчики, учитывающие накопленную энергию в течение определенного времени суток. Данные приборы способны автоматически определять тот или иной тариф.

Простейшая цифровая система на основе обычного микроконтроллера применяется в тех случаях, когда необходимо измерить импульсы, вывести информацию на дисплей и обеспечить защиту при аварийном сбое. Такие устройства являются цифровыми аналогами механических электросчетчиков. В этой системе поступление сигнала происходит через определенные трансформаторные датчики. Далее он идет на вход микросхемы-преобразователя.

Снятие частотного сигнала, поступающего на вход микроконтроллера, осуществляется на выходе микросхемы. Микроконтроллер подсчитывает все поступившие импульсы и преобразует их в полученное количество энергии (Вт*ч). Когда поступающие единицы накапливаются, их общее значение выводится на монитор и фиксируется во внутренней флэш-памяти на случай исчезновения напряжения в сети и других сбоев. Это позволяет вести непрерывный учет потребляемой электроэнергии.

Работает многотарифный электронный счетчик электроэнергии по собственному алгоритму. Последовательный интерфейс позволяет обмениваться информацией с внешним миром. С его помощью задаются тарифы, устанавливается и включается таймер времени, поступает информация о накопленной электроэнергии и т.д. Энергонезависимая оперативная память разделяется на 13 банков данных, сохраняющих информацию о количестве энергии, накопленной по разным тарифам. Первый банк учитывает всю энергию, накопленную от начала работы счетчика. В следующих 12 банках производится учет накоплений за 11 предыдущих месяцев и за текущий период.

Таким образом, принцип действия электросчетчика в электронном варианте, позволяет изменять тарифы в соответствии с заранее установленным расписанием. Через специальный разъем можно подключиться к прибору и выяснить объем электроэнергии, оплаченной потребителем.

Электросчетчики. Виды и работа. Как выбрать и применение

Любая квартира или дом должны быть оборудованы устройствами учета потребления различных ресурсов, стоящих денег. Счетчики тепла и воды допускается не устанавливать, либо можно поставить их позже. А вот электросчетчики должны быть обязательно.

Электросчетчики расхода электрической энергии являются основным устройством, учитывающим ее потребление. По показаниям этого счетчика начисляется оплата за электроэнергию. Поэтому, необходимо знать, какой тип прибора лучше для вашего дома или квартиры. Энергетические компании постоянно пытаются всеми средствами навязать нам установку новых счетчиков энергии.

Старые электросчетчики класса 2,5 не способных учесть расход электроэнергии минимальной мощности, например, электронных устройств, включенных в дежурном режиме. У последних моделей счетчиков имеется класс точности от 0,5 до 2. Давайте разберемся, какие виды счетчиков энергии существуют, и какой прибор подойдет для вашего жилья или другого объекта, потребляющего электричество.

Виды электросчетчиков

Электросчетчики разделяются по следующим типам:

  • Индукционные.
  • Электронные.
Индукционные электрические счетчики

Электрический счетчик индукционного типа работает по принципу магнитного поля, образующегося двумя катушками: напряжения и тока. Магнитное поле воздействует на диск, и заставляет его совершать вращательное движение. Диск в свою очередь приводит в действие счетный механизм. При повышении напряжения и тока в сети диск будет вращаться быстрее, и накручивать показания расхода энергии.

Точность таких приборов оставляет желать лучшего, и равна 2,5. Но такие счетчики считаются одними из самых надежных, недаром у них срок гарантии 15 лет.

Электронные электросчетчики

Такой тип устройства действует непосредственно, измеряя силу тока и напряжение в сети. Никаких промежуточных звеньев и механизмов у него нет, поэтому и потери точности также нет. Параметры выдаются на дисплей и сохраняются в памяти счетчика в цифровом виде.

Перечислим достоинства электронных счетчиков:
  • Компактные размеры.
  • Функция проведения учета по нескольким тарифам.
  • Возможность дополнительной установки микросхемы для повышения класса точности.
  • Точное и быстрое определение показаний, так как прибор оснащен цифровым дисплеем.
  • Обмануть такой счетчик очень трудно, из-за возможности самокорректировки показаний.
  • Стандартный обычный интерфейс позволяет применять счетчики в системах автоматического учета и контроля.

Из недостатков следует отметить недостаточную надежность в сравнении с счетчиками индукционного типа, а также повышенная стоимость.

Однотарифные и многотарифные

Счетчик, учитывающий расход электричества по одному тарифу не имеет каких-либо особенностей, так как работает только по одному типу учета.

Подробнее можно рассмотреть двухтарифные электросчетчики. Сегодня многие люди хотят сэкономить электричество, чтобы платить за него как можно меньше. Это связано с производством бытовой техники повышенной мощности. За месяц пользования такой техникой накручивается внушительная сумма денег. Если установить счетчик на два тарифа, то можно сэкономить немного денег.

Принцип работы

Действие счетчика заключается в том, что стоимость электроэнергии в разное время суток различна.

В этом имеют интерес электростанции, которые производят электричество. Утром и вечером нагрузка на электростанцию повышается, так как потребители в это время больше пользуются электричеством. В итоге электростанция вынуждена работать неравномерно. Это влияет на износ оборудования, расход топлива и т.д. Поэтому ввели двухтарифные счетчики.

Днем они работают таким образом, что в разное время суток стоимость электроэнергии различается. Это дает определенный стимул потребителям применять бытовые приборы в то время, когда это им выгоднее.

Преимущества
  • Экономия денежных средств. Прибор окупается за 1 год.
  • Помощь для электростанций в снижении ремонтных работ и экономии топлива.
  • Уменьшение вредных выбросов, загрязнения атмосферы.

Обычно два последних пункта не играют роли для потребителя, поэтому остается одно основное достоинство – экономия денег.

Недостатки
  • Не для всех регионов стоимость электричества вечером и днем выгодна для рядового потребителя.
  • После установки счетчика с двумя тарифами учета нужно уметь правильно использовать бытовую технику, в противном случае экономия будет равна нулю.
Однофазные и трехфазные

Устанавливается один из типов счетчика, в зависимости от типа сети питания в доме.

Класс точности

Это свойство прибора определяет погрешность в процентах во время учета энергии. Сегодня по правилам нужно использовать счетчики класса точности не менее 2.

Мощность

Это одна из важных характеристик. Ее необходимо учитывать при выборе прибора, основываясь на расчете потребления мощности за сутки от потребителей, то есть, какая общая нагрузка по току образуется у вас в квартире. В продаже имеются счетчики для нагрузки по току 5-100 ампер.

Метод крепления

Современные электрические счетчики фиксируются на DIN рейку, либо на болты.

Условия использования

Есть электросчетчики, которые можно использовать только в теплых отапливаемых помещениях, но имеются и уличные исполнения моделей приборов. Вы должны сами выбрать, для каких условий лучше подойдет прибор.

Какой счетчик выбрать

Во-первых, учитывайте характеристики мощности счетчика. Чтобы сделать правильный выбор по мощности, а правильнее будет сказать, по силе тока, нужно рассчитать, с какими устройствами вы будете работать дома. Обычно в инструкции на бытовую технику указывают мощность в киловаттах.

Сложите все мощности устройств, сделайте небольшой запас на случай приобретения дополнительных бытовых приборов. Если общая мощность получилась не выше 10 киловатт, то приобретайте модель на 60 ампер. Если мощность за сутки получается более 10 киловатт, то необходимо купить счетчик на 100 ампер.

Во-вторых, решите для себя, электронный прибор, либо механический, 1-тарифный, либо 2-тарифный. Это вы должны решить самостоятельно, так как у всех разные финансовые возможности и предпочтения. При возникновении трудностей с выбором, лучше обратиться к специалистам.

Для дачного участка рекомендуется выбирать однотарифное исполнение прибора, так как экономить энергию один раз в неделю нецелесообразно, а в остальное время получится переплата за дневной тариф.

В-третьих, необходимо выбрать прибор по типу крепления. Рекомендуется исполнение с креплением на DIN рейку, так как это универсальное крепление.

В-четвертых, производитель прибора играет далеко не последнюю роль. Качественные изделия можно найти только известных отечественных и зарубежных производителей, пользующихся популярностью. Перед этим лучше почитать отзывы людей о разных моделях, так как лучшим оценщиком являются люди, которые уже применили в работу разные модели устройств.

Полезные советы по выбору
  • Для гаража лучше выбрать прибор более мощный, так как возможно подключение мощного электроинструмента, причем сразу несколько штук.
  • При покупке счетчика обращайте внимание на дату поверки, которая обычно указана в паспорте, а также пломбировку корпуса. Дата поверки должна быть менее 2-х лет для 1-фазного исполнения, и менее 1 года для 3-фазного исполнения.
  • Вам могут предлагать приобрести счетчик с автоматической системой учета, заплатив за это больше денег. Эта функция никакой пользы для вас не даст, так как она облегчает контроль показаний только энергосбыту. Для вас это окажется обычной переплатой денег.
  • Отечественные производители изготавливают электросчетчики с хорошим качеством, не хуже импортных моделей. Подробно ознакомьтесь с моделями электросчетчиков, отзывами о них на различных форумах, сделайте выбор наиболее дешевого образца, но не уступающего по надежности.
  • Нельзя забывать и о возможном ремонте изделия. Необходимо найти информацию о ремонтопригодности выбранного вами устройства, о его стоимости и технического обслуживания.
  • Важным моментом является выбор прибора учета по его шумности, так как после установки различные устройства могут создавать неприятные звуки и шумы.
  • Электросчетчики индукционного типа имеют малый период между поверками, поэтому лучше приобрести прибор с электронной начинкой, у которого межповерочный период наиболее длительный. Этим вы сэкономите финансовые расходы на оплату обязательной процедуры поверки электросчетчика.
  • Счетчики с механическим устройством счета многие умельцы научились отматывать, и этим нарушать законодательство. Однако в России все еще продолжается пользоваться некоторой популярностью такая «экономия» денег на обмане компаний, обеспечивающих электроэнергией население.
  • Если сделали все-таки выбор электросчетчика с механической конструкцией счетного механизма, то перед приобретением обязательно проверьте его. Эта процедура проверки производится следующим образом: прокрутите слегка диск от руки, если диск продолжает вращаться по инерции, это свидетельствует о исправности механизма и годности его к эксплуатации. Если же диск заедает, либо не вращается свободно по инерции, то это считается неисправностью. От такой покупки лучше отказаться.
Похожие темы:

Назначение, устройство, принцип работы счетчиков электрической энергии

Назначение, устройство, принцип работы

Для учета электрической энергии, выработанной на станциях и переданной потребителям, применяют счетчики электрической энергии. Их устанавливают на шинах генераторного напряжения, на отходящих линиях и на стороне НН понизительных подстанций потребителей. Для учета активной энергии применяют однофазные типов СО, СОУ или трехфазные индукционной системы типов САЗ (САЗУ), а для реактивной энергии — счетчики типов СР4 (СР4У). В обозначениях счетчиков буквы и цифры означают: С — счетчик, О — однофазный, А — активной энергии, Р — реактивной энергии, У — универсальный, 3 и 4 — для трех- и четырехпроводных сетей.
Обмотки счетчиков рассчитаны на включение непосредственна в сеть и через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Счетчики для непосредственного включения изготовляются на 5, 10, 20, 30 и 50 А, а через трансформаторы тока — до 2000 А, вторичный номинальный ток счетчика при этом для всех случаев будет 5 А. Номинальные напряжения счетчиков для обмоток непосредственного включения: 127, 220 и 380 В, а через трансформаторы напряжения—100 В. При наличии трансформаторов счетчики можно подключать к шинам станций с рабочими напряжениями 500, 600 В или 3, 6, 10 и 35 кВ.
На однофазных трансформаторных подстанциях мощность 4 — 10 кВ-А, напряжением 6—10/0,23 кВ устанавливают счетчик активной энергии СО2М. Его присоединяют к трансформатору тока, установленному за однофазным трансформатором, поэтому он учитывает всю электроэнергию, проходящую через трансформатор. Счетчик имеет подогрев — тепловое сопротивление ПЭ-75.
На однотрансформаторных подстанциях потребителей напряжением 6—10/0,4 кВ, мощностью 100—250 кВ-А устанавливают трехфазные индукционные счетчики активной энергии типов СА4У или СА4И. Счетчики электроэнергии предназначены для четырехпроводной цепи и имеют семь выводов: по два для подключения к каждому из трех трансформаторов тока и один для подключения к нулевому проводу. Такие счетчики устанавливаются со стороны низкого напряжения силового трансформатора до шин, к которым подключены отходящие низковольтные линии, поэтому они учитывают всю электроэнергию, пропускаемую трансформатором.
Конструктивно механизм счетчика монтируется на литой стойке, расположенной в прямоугольном стальном или пластмассовом цоколе, закрывается пластмассовой крышкой. Универсальные счетчики имеют на лицевой стороне крышки съемный щиток и устройство для его опломбирования. Счетчики выпускаются, классом точности 2,0 за исключением счетчиков реактивной энергии непосредственного включения, которые имеют класс точности 3,0.
Устройство и принцип их работы рассмотрим на примере однофазного счетчика типа С0-2М (рисунок 1).
В пластмассовом корпусе расположен стальной сердечник 1, снабженный обмоткой напряжения. Она выполнена из большого числа витков провода малого диаметра и включается в цепь параллельно. Токовая обмотка 4 намотана на сердечник 5 и состоит из малого числа витков провода большого диаметра. Эта обмотка включается в цепь последовательно и рассчитана на номинальный ток 5 А. Между сердечниками имеется воздушный зазор, в котором может свободно вращаться алюминиевый диск 3, закрепленный на оси 2. Для регулировки счетчика служит установленный на стальной скобе постоянный магнит 7. Выводы обмоток подключаются к четырем клеммам б счетчика, которые закрываются крышкой и пломбируются.


Рисунок 1 – Электрический счетчик

При включении счетчика по его обмоткам текут токи, создающие магнитный поток в воздушном зазоре. Этот поток пересекает алюминиевый диск и индуктирует в нем вихревые токи. Взаимодействие токов в диске с магнитным потоком в обмотках вызывает появление механической силы, приводящей диск во вращение. Диск связан зубчатой передачей со счетным механизмом счетчика, дающим показания в кВт • ч.
В схеме включения однофазного счетчика (рисунок 2, а) фазный провод подключается к первой клемме Г (генераторный зажим), а нулевой провод — к третьей клемме Г. Провода, отходящие к электроприемникам, подключаются ко второй и четвертой клеммам, обозначенным буквой Н (нагрузка).
Для измерения расхода электроэнергии в трехфазных электроустановках можно воспользоваться тремя однофазными счетчиками, включенными в каждую фазу по схеме, приведенной на рисунок 2, б. При этом расход энергии определяется как сумма показаний трех счетчиков. Значительно удобнее, однако, пользоваться трехфазными счетчиками, которые представляют собой три однофазных счетчика, собранных в одном корпусе и имеющих общий счетный механизм.


Рисунок 2 – Схемы включения счетчиков:
а — однофазного, б — трёх однофазных в трёхфазную сеть, в — трехфазного

В схеме включения трехфазного трехэлементного счетчика типа СА4 (рисунок 2, в) три фазы подаются на зажимы Г, трехфазная нагрузка подключается на зажимы Н, а на зажимы О подается нулевой провод.
Схемы включения всегда приводятся на обратной стороне крышки счетчика любого типа, закрывающей контакты.
Токовая обмотка счетчика для установки в квартире рассчитана на номинальный ток 5 А, но в современных жилых домах имеются большие многокомнатные квартиры, которые потребляют значительно большую силу тока. В целом же по дому токовая нагрузка может доходить до нескольких сотен ампер. Ясно, что в цепь с такими токами счетчики непосредственно включать нельзя. Для понижения переменного электрического токи большой силы до значения, удобного для измерения стандартными измерительными приборами, предназначен трансформатор тока, или измерительный трансформатор.
Трансформатор тока типа ТК-20 (рисунок 3) имеет стальной сердечник 2 с обмотками. Первичная обмотка 3 с выводами Л1 и Л2 выполнена из провода большого сечения, рассчитанного на ток, который необходим для нормальной работы электроустановки. Вторичная обмотка 4 и выводы И1 и И2 вторичной обмотки подключены к клеммнику 1. Она имеет такое количество витков, чтобы при номинальном токе первичной обмотки в ней индуктировался ток 5 А.


Рисунок 3 – Трансформатор тока ТК-20

Трансформаторы тока выпускаются с разными коэффициентами трансформации: 10/5, 15/5, 20/5 А и применяются в зависимости от величины рабочего тока потребителя.
В настоящее время планируется введение в эксплуатацию систем автоматического учета потребления энергии. Создание таких систем стало возможным благодаря разработке электронных счетчиков. Например, счетчики электрической активной энергии электронные прямого включения типа «Энергия – 9» предназначены для учета электрической активной энергии в однофазных цепях переменного тока частотой 50 Гц, в зависимости от исполнения по одному или нескольким дифференцированным во времени тарифам.
Счетчики, в зависимости от исполнения, обеспечивают также:
– формирование базы данных, содержащей измерительную информацию;
– передачу интерфейсными каналами измерительной информации, хранимой в базе данных, устройствам учета электрической энергии высшего уровня.
Область применения счетчиков – учет электрической энергии на промышленных (мелкомоторных) предприятиях и в коммунально бытовой сфере в условиях применения дифференцированных во времени тарифов на электрическую энергию.
Счетчики, имеющие последовательный интерфейс и телеметрический импульсный выход могут быть применены в автоматизированных системах учета и контроля электрической энергии.

Схемы включения

В схеме включения однофазного счетчика совместно с трансформатором тока (рисунок 4, а) первичная обмотка трансформатора Л1 — Л2 включена последовательно в линейный провод с большим током, а токовая обмотка счетчика подключена ко вторичной обмотке трансформатора тока (выводы И1 — И2). Как и в обычной схеме, обмотка напряжения должна быть подключена к фазному и нулевому проводу. С этой целью на схеме между выводами Л1 и И1 сделана перемычка, а третий зажим счетчика соединен с нулевым проводом.
Схемы включения трех однофазных, а также одного трехфазного счетчика совместно с трансформаторами тока приведены на рисунок 4, 6, в.
В случае, если счетчик работает с трансформатором тока, для определения действительного расхода электроэнергии необходимо расход, показанный счетчиком, умножить на коэффициент трансформации измерительного трансформатора.


Рисунок 4 – Схемы включения счетчиков с трансформаторами тока:
а — однофазного, б—трехфазного, в — трех однофазных в трехфазную сеть

Принцип Коултера, подсчет и определение размеров частиц

Во время контракта с ВМС США в конце 1940-х Уоллес Х. Коултер разработал технологию подсчета и определения размера частиц с использованием измерений импеданса. Технология была в основном разработана для быстрого подсчета клеток крови путем измерения изменений электропроводности, когда клетки, взвешенные в проводящей жидкости, проходят через небольшое отверстие. В настоящее время более 98% автоматических счетчиков клеток используют эту технологию, которая называется принципом Коултера.За последние семьдесят пять лет эта технология также использовалась для определения характеристик тысяч различных промышленных твердых частиц.

Приборные системы

Beckman Coulter, в которых используется этот принцип, называются приборами Coulter Counter . Лекарства, пигменты, наполнители, тонеры, продукты питания, абразивы, взрывчатые вещества, глина, минералы, строительные материалы, материалы для покрытий, металлы, фильтрующие материалы и многие другие типы образцов были проанализированы с использованием принципа Коултера.Этот метод можно использовать для измерения любых твердых частиц, которые могут быть взвешены в растворе электролита. Обычно можно измерять частицы размером от 0,4 мкм до 1600 мкм. Было задокументировано более 8000 ссылок на использование этой технологии.

В приборе Coulter Counter трубка с небольшим отверстием на стенке погружается в стакан, содержащий частицы, взвешенные в электролите с низкой концентрацией. Два электрода, один внутри апертурной трубки и один снаружи трубки, но внутри химического стакана, помещаются, а путь тока обеспечивается электролитом при приложении электрического поля (рис. 1).Затем измеряется импеданс между электродами. Апертура создает так называемую «зону восприятия». Частицы низкой концентрации, взвешенные в электролите, можно подсчитать, пропустив их через отверстие. Когда частица проходит через отверстие, объем электролита, эквивалентный погруженному объему частицы, вытесняется из зоны восприятия. Это вызывает кратковременное изменение импеданса в апертуре. Это изменение можно измерить как импульс напряжения или импульс тока.Высота импульса пропорциональна объему обнаруженной частицы. Если предполагается постоянная плотность частиц, высота импульса также пропорциональна массе частицы. Эта технология также называется апертурной.

Используя схемы счетчика и анализатора амплитуды импульсов, можно измерить количество и объем каждой частицы, проходящей через отверстие. Если объем жидкости, проходящей через отверстие, можно точно контролировать и измерять, можно также определить концентрацию образца.В современных приборах Coulter Counter , таких как Multisizer ™ 4e, счетчики частиц и измерители, импульсы оцифровываются и сохраняются с несколькими ключевыми параметрами, которые описывают каждый импульс, такими как высота импульса, ширина импульса, отметка времени, площадь импульса и т. Д. Эти параметры позволяют прибору лучше различать шум и реальные импульсы, а также нормальные и искаженные импульсы по разным причинам, когда частицы проходят через апертуру. Сохраненные импульсы можно использовать для отслеживания изменений выборки в течение периода времени измерения, если импульсы расположены во временной последовательности.На практике объем частиц часто выражается в виде эквивалентного сферического диаметра. Затем измеренный объем (или размер) частиц можно использовать для получения гранулометрического состава.

При скорости подсчета и определения размера до 10 000 частиц в секунду выполнение типичного измерения с помощью прибора Coulter Counter занимает менее одной минуты. Точность измерения размеров может быть лучше 1%. Размер апертуры обычно составляет от 20 до 2000 мкм. Каждое отверстие можно использовать для измерения частиц в диапазоне размеров от 2 до 80% номинального диаметра.Следовательно, возможен общий диапазон размеров частиц 0,4-1600 мкм. Однако способность технологии анализировать частицы ограничена теми частицами, которые можно соответствующим образом суспендировать в растворе электролита. Таким образом, верхний предел может составлять 500 мкм для песка и только 75 мкм для частиц карбида вольфрама. Более того, нижний предел размера ограничен электронным шумом, генерируемым в основном внутри самой апертуры. Выбор наиболее подходящего размера отверстия зависит от измеряемых частиц.Если измеряемый образец состоит из частиц, размер которых в основном находится в диапазоне диаметров 30: 1, можно выбрать наиболее подходящую апертуру. Например, апертура 30 мкм позволяет измерять частицы диаметром от 0,6 до 18 мкм. Апертура 140 мкм позволяет измерять частицы размером примерно от 2,8 до 84 мкм. Если измеряемые частицы покрывают более широкий диапазон, чем может измерить одна апертура, необходимо использовать два или более отверстий, а результаты испытаний могут перекрываться, чтобы обеспечить полное распределение частиц по размерам.

Самое высокое разрешение для анализа размера частиц

Во время измерения по принципу Коултера, когда частица проходит через чувствительную зону, когда жидкость всасывается из контейнера, объем электролита, эквивалентный погруженному объему частицы, вытесняется из чувствительной зоны. Это вызывает кратковременное изменение сопротивления в апертуре. Это изменение сопротивления можно измерить как импульс напряжения или тока. Измеряя количество импульсов и их амплитуды, можно получить информацию о количестве частиц и объеме каждой отдельной частицы.

Количество импульсов, обнаруженных во время измерения, – это количество измеренных частиц, а амплитуда импульса пропорциональна объему частицы. Поскольку это процесс измерения отдельных частиц, он обеспечивает самое высокое разрешение, которое может достичь любой метод определения характеристик частиц. Диаметр частиц может быть определен с разрешением измерения напряжения или тока, которое может быть очень точным с использованием современной электронной техники. Амплитуда распределения может быть определена с точностью до одной частицы.

Преимущества такого высокого разрешения многочисленны, наиболее очевидным из которых является способность отображать детали распределения частиц по размерам. При измерении гранулометрического состава обычно каждое распределение, независимо от того, отображается ли оно кумулятивно или дифференцированно, состоит из нескольких сотен точек данных в предварительно установленном диапазоне размеров. Каждая точка данных называется корзиной. Поскольку каждая частица измеряется, каждая ячейка представляет собой набор частиц в заданном диапазоне размеров. В зависимости от широты распределения общий диапазон размеров может быть сброшен до более тонкого деления, поэтому отображаются детали распределения (т.е., каждый лоток можно предварительно настроить для покрытия меньшего диапазона размеров).

Другие преимущества включают мелкую разницу между двумя частицами и более точные статистические значения, рассчитанные на основе распределения. На рисунках ниже показан образец, измеренный с помощью счетчика клеток Beckman Coulter Multisizer 4e и отображенный в различных диапазонах размеров. Данные импульса были преобразованы в более тонкий набор ячеек на правом рисунке, в котором отображается более подробная информация о распределении.

Цифровой импульсный процесс

В приборах принципа Коултера изменение электрического сопротивления из-за прохождения частиц через апертуру определяется с помощью быстрой электронной схемы.Обнаруженные сигналы мгновенно преобразуются в цифровые сигналы со скоростью несколько миллионов раз в секунду. Затем цифровой сигнал записывается для каждого импульса в виде параметров импульса (то есть времени, высоты, ширины импульсов и т. Д.). Поскольку большинство измерений направлено на подсчет частиц или распределение по размерам, записанная высота импульса преобразуется в размер частиц с использованием калибровочной константы и помещается в одну из предварительно установленных ячеек размера. Распределение частиц по размерам и их подсчет являются совокупным результатом всех измеренных импульсов.Все зарегистрированные параметры импульса по-прежнему доступны для целей, отличных от стандартного, полного гранулометрического состава. Эти параметры можно вычесть или отсортировать (т. Е. Обрабатывать по-разному в зависимости от конкретных приложений). Например, если оператор хочет получить масштабное распределение, показывающее каждую деталь распределения, то может быть выбран более узкий диапазон размеров, и все импульсы могут быть отсортированы и помещены в новый набор более мелких интервалов. Другой пример обнаружен, когда высоты (или размеры) импульсов сортируются во временной последовательности (для выборок с узким распределением по размерам) t отслеживают изменение выборки во время измерения.Еще один пример – использование одного графика зависимости высоты импульса от ширины импульса для нахождения информации о форме частиц.

Когда частица проходит через отверстие, она создает сопротивление. Чем крупнее частица, тем больше сопротивление, тем больше напряжение. Каждый всплеск напряжения прямо пропорционален размеру ячейки. Сегодня каждый современный гематологический анализатор так или иначе зависит от принципа Коултера.

Уоллес и Джозеф Коултер

Высокоскоростной автоматический счетчик клеток крови и анализатор размера клеток

Схема из заявки на патент на первый счетчик сошников

Оригинальная заявка Coulter на патент 1953 г.

Первая коммерческая версия счетчика Coulter

Рисованные рекламные эскизы первого прилавка Coulter

Счетчик Coulter, модель F

Счетчик сошников, модель F

Был разработан метод использования счетчика F Coulter Counter для подсчета эритроцитов коз, которые меньше и больше, чем у людей.Образцы крови были взяты у 25 коз, и клетки были подсчитаны с использованием 100- и 70-микронных пробирок. Также производился визуальный подсчет части каждого образца. Результаты были проанализированы статистически, чтобы определить, какая апертура даст наиболее точные и воспроизводимые результаты по сравнению с ручным подсчетом. Было обнаружено, что подсчеты, полученные с помощью 100-микронной апертурной трубки, существенно не отличались от ручных подсчетов.

Эта технология нашла коммерческий успех в медицинской промышленности, где произвела революцию в гематологии.Эритроциты, лейкоциты и тромбоциты составляют большинство форменных элементов в крови. Когда цельная кровь человека с антикоагулянтом разбавляется изотоническим физиологическим раствором, принцип Коултера может применяться для подсчета и определения размера различных клеток, составляющих цельную кровь. Первое коммерческое применение принципа Коултера в гематологии появилось в 1954 году с выпуском счетчика Коултера Модель А (разработанного Уоллесом и его братом Джозефом Р. Коултером.

В течение десятилетия буквально каждая больничная лаборатория в Соединенных Штатах имела счетчик Коултера , и сегодня каждый современный гематологический анализатор так или иначе зависит от принципа Коултера.

Как работает счетчик Коултера: наука и история

Что находится внутри счетчика сошников

Вы иммунолог или сотрудник лаборатории, занимающийся подсчетом тонн клеток? Тогда вы, должно быть, наткнулись на неуловимый счетчик Коултера! Этот прибор известен тем, что подсчитывает тысячи клеток всего за несколько секунд, что позволяет лучше планировать эксперименты. По этой причине вам может понравиться его использование, но знаете ли вы его принцип? Читайте дальше, чтобы узнать немного об истории технологии прибора и принципах его работы.

Как это было разработано

Прежде чем мы углубимся, мы должны знать, что гемоцитометр и счетчик Коултера – это совершенно разные вещи. Также известный как счетная камера, подсчет клеток с помощью гемоцитометра выполняется вручную под микроскопом. Счетчик Coulter основан на сложной технологии, использующей напряжение и электричество для определения количества ячеек.
Перед Второй мировой войной медицинские технологи потратили много часов на подсчет эритроцитов с помощью гемоцитометра (широко известного как счетная камера), но этот метод привел к низкой точности и воспроизводимости.После атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки доктор Уоллес Х. Коултер осознал необходимость простого, быстрого и точного подхода к подсчету эритроцитов в больших популяциях, что является показателем восстановления после радиационного воздействия. Вскоре доктор Коултер и его брат разработали и усовершенствовали свой метод Коултера, и этот принцип быстро изменил динамику подсчета клеток. [1]

Что такое принцип Коултера?

Когда клетки, взвешенные в растворе с низкой концентрацией, проходят через небольшое отверстие, разделенное двумя электродами, они вызывают изменение сопротивления в электрической цепи.Изменение сопротивления пропорционально объему частицы, вытесненной в маленьком отверстии (рис. 1). Изменение сопротивления в зависимости от времени дает нам пики напряжения. Количество пиков равно количеству частиц, а высота пика указывает размер частицы.

Рис. 1. Принцип Коултера.

Большинство современных приборов для подсчета клеток основано на принципе счетчика Коултера. Этим инструментам требуется всего несколько секунд для анализа более 10 000 ячеек в диапазоне диаметров от 0.4 мкм и 1600 мкм.

Как работает счетчик сошников?

Счетчик Coulter имеет следующую базовую конструкцию. Стакан, заполненный электролитом низкой концентрации с интересующими частицами, имеет отрицательный электрод (анод). В этот стакан помещается небольшая трубка с положительным электродом (катодом). В этой трубке есть небольшое отверстие, которое действует как «чувствительная зона» (рис. 2).

Рис. 2. Простое изображение счетчика Коултера.

Вся эта установка работает как замкнутая цепь при приложении электрического поля.Когда частицы проходят через зону чувствительности, объем электролита, равный объему частицы, перемещается. Это приводит к изменению сопротивления. Изменение сопротивления во времени дает нам импульсы напряжения, которые предоставляют информацию о количестве и размере частиц.

Применение метода Коултера

Метод Коултера широко используется не только в медицинских и исследовательских лабораториях, но и во многих других отраслях промышленности благодаря следующим преимуществам:

  • Не зависит от оптических и химических свойств частицы.
  • Не требует колориметрии или флуоресценции.
  • Может использоваться для любых частиц, способных вытеснять жидкость.
  • Низкое энергопотребление.
  • Обнаруживает отдельные частицы.

Варианты принципа сошника

Модификации принципа Коултера привели к различным вариациям проточной цитометрии и микрофлюидики. Например, был разработан новый метод измерения конкретных концентраций белка с использованием метода Коултера в микрожидкостной среде.Поскольку это метод без меток [2], его можно использовать для обнаружения различных биополимеров, таких как ДНК, белок и клетки крови. [3]

Moxi Go II – это комбинация счетчика Коултера и проточного цитометра, позволяющая одновременно определять размер клетки и ее первичную флуоресценцию. Этот инструмент также различает мертвые и живые клетки.

Многие приборы имеют возможность изменять размер зоны чувствительности в зависимости от размера исследуемой частицы.У компании Izon есть еще одна разновидность прибора, в которой маленькая трубка заменена пластиковой мембраной с отверстием. Эту мембрану можно растягивать или расслаблять для открытия или закрытия апертуры, что обеспечивает более широкий динамический диапазон анализа.

Заключение

Счетчики

Coulter позволяют быстро, надежно и точно определять количество клеток. Эти инструменты изменили динамику подсчета клеток в медицинской и исследовательской отраслях, особенно в гематологии. Единственный недостаток метода Коултера – это невозможность определить жизнеспособность клетки, но это не имело значения для других отраслей промышленности при анализе таких частиц, как пигменты, глины, минералы и другие материалы.

Вы когда-нибудь использовали инструмент Coulter или его усовершенствованные варианты? Поделитесь своим опытом в комментариях ниже, чтобы помочь своим коллегам-ученым!

Список литературы

  1. Грэм, доктор медицины. Принцип Коултера: воображаемое происхождение. Cytometry 2013; 83 (12): 1057–1061. DOI: 10.1002 / cyto.a.22398.
  2. Rodriguez-Trujillo R et al. Обнаружение белков без метки с помощью микрофлюидного счетчика Коултера. Датчики и исполнительные механизмы B: Chemical 2014; 190: 922–927. DOI: 10.1016 / j.snb.2013.09.038.
  3. Zhang H et al. Методы подсчета частиц в микрофлюидных приложениях. Микрофлюидика и нанофлюидика 2009; 7 (6). DOI: 10.1007 / s10404-009-0493-7.

Вам это помогло? Тогда поделитесь, пожалуйста, со своей сетью.

Принцип Коултера для анализа невидимых частиц в белковых составах

AAPS J. 2011 Mar; 13 (1): 54–58.

Мэтью Н.Rhyner

Бизнес-центр по определению характеристик частиц, Beckman Coulter, Inc., 11800 SW 147th Ave, Miami, Florida 33196 USA

Business Center, Beckman Coulter, Inc., 11800 SW 147th Ave, Miami, Florida 33196 USA

Корреспондент.

Сообщено приглашенными редакторами: Стивеном Шайром и Томом Лауэ

Получено 21 сентября 2009 г .; Принято 23 ноября 2010 г.

Авторское право © Американская ассоциация ученых-фармацевтов, 2010 г. Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Принцип Коултера можно использовать для анализа невидимых частиц в белковых препаратах. Этот подход имеет несколько преимуществ, в том числе: ортогональный принцип работы, высокую чувствительность, способность обнаруживать очень маленькие частицы, отличную воспроизводимость и информацию о размерах с высоким разрешением. В этом мини-обзоре обсуждаются некоторые важные соображения, которые необходимо учитывать при использовании принципа Коултера для анализа невидимых частиц в белковых препаратах.

Ключевые слова: Принцип Коултера, белковые агрегаты, невидимые, USP 788

ВВЕДЕНИЕ

Применение принципа Коултера – это хорошо зарекомендовавший себя метод подсчета и определения размера частиц, состоящих из самых разных материалов. Некоторые стандарты Американского общества испытаний и материалов (ASTM) основаны на принципе Коултера. Эти разнообразные приложения включают эффективность фильтрации воды (1), определение характеристик хроматографической среды (2), подсчет клеток (3) и оценку тонера чернил (4).В последнее время промышленные и академические исследователи заинтересовались применением принципа Коултера к невидимым частицам в белковых препаратах (5-7). Реализованный таким образом принцип Коултера имеет преимущества по сравнению с техникой затемнения света, используемой в Фармакопейном протоколе США 788 (USP 788). К ним относятся: ортогональный подход, высокая чувствительность, способность обнаруживать очень маленькие частицы, отличная воспроизводимость и информация о размерах с высоким разрешением. В этом мини-обзоре описывается принцип Коултера, объясняется, почему он является привлекательным инструментом для анализа невидимых частиц, и обсуждаются ключевые соображения по дизайну эксперимента для характеристики невидимых частиц в белковых составах.

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА COULTER

Принцип Коултера основан на том факте, что объекты, помещенные в электрическое поле, будут изменять ток, протекающий в этом поле. Чтобы превратить это наблюдение в полезный инструмент, должны быть выполнены некоторые условия. Во-первых, необходимо установить электрическое поле в проводящей жидкости. Затем путь тока должен быть физически сужен, чтобы присутствие частиц в поле заставляло ток изменяться поддающимся обнаружению образом.Кроме того, частицы должны быть диспергируемыми в жидкости и достаточно разбавленными, чтобы только одна частица за раз попадала в зону обнаружения. Обычно частицы имеют электрическую проводимость, отличную от проводимости жидкости. В большинстве реализаций взвешенные частицы проталкиваются через сужение одновременно с электрическим током, в то время как ток измеряется. Когда отдельные частицы проходят через сужение, генерируются дискретные электрические импульсы, величина которых пропорциональна объему частиц.Таким образом, этот подход может обеспечить высокоточные подсчеты и измерения размеров с относительно небольшими ограничениями. Заинтересованным читателям предлагается ознакомиться с некоторыми из превосходных публикаций, в которых более подробно объясняется принцип Коултера и его приложения (8–10).

ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ АНАЛИЗА ВИДИМЫХ ЧАСТИЦ В БЕЛКОВЫХ ФОРМУЛЯЦИЯХ

Есть несколько особенностей принципа Коултера, которые делают его привлекательным для анализа невидимых частиц в белковых препаратах. Во-первых, это ортогональный метод, который не зависит от оптических свойств образцов белка.Одним из ограничений методов, основанных на визуализации или блокировании света, является то, что показатель преломления интересующего агрегата должен существенно отличаться от показателя преломления окружающего раствора, чтобы его можно было обнаружить. Для невидимых белковых агрегатов, которые могут быть прозрачными, некоторые частицы могут быть пропущены световыми методами, особенно в образцах с очень высокими концентрациями белка. Принцип Коултера требует только, чтобы частица занимала объем в проводящей жидкости, что упрощает обнаружение небольших прозрачных агрегатов.

Вторая привлекательная особенность – это чувствительность, линейность и воспроизводимость подхода. Типичные коэффициенты вариации для повторных измерений с использованием принципа Коултера составляют около 2%. Кроме того, линейность и воспроизводимость метода в любой жидкости с подходящей проводимостью хорошо известны, и это одна из причин, по которой принцип Коултера широко используется клиницистами для характеристики образцов крови пациентов. В качестве примера линейности подхода к анализу агрегатов белков на рис.показаны результаты экспериментов с образцами бычьего сывороточного альбумина (BSA), подвергнутого стрессу, в различных разведениях фосфатно-солевого буфера (PBS). В этом тесте составы BSA в концентрации 10 мг / мл подвергались интенсивному встряхиванию, а затем разбавлялись буфером PBS 1:10 и 1:20. Эти растворы вместе с контрольным образцом были представлены в Beckman Coulter Multisizer ™ 4 COULTER COUNTER® для анализа количества частиц. Как видно из рисунка, в этом случае было хорошее соответствие между двумя разными разбавлениями.

Образцы BSA под напряжением и без него, характеризуемые с использованием принципа Коултера. Общее количество частиц на миллилитр от 0,45 до 2,0 мкм для каждого образца следующее: напряженный BSA 10%, 1,39 × 106; подчеркнутый BSA 5%, 1,49 × 106; безударный BSA, 8,87 × 10 4 ; BSA, 8,87 × 10 4

Третьей привлекательной особенностью является способность обнаруживать очень маленькие агрегаты белка. Теоретически, если бы было достаточно небольшое сужение, принцип Коултера можно было бы использовать для подсчета частиц размером до нескольких нанометров.Фактически, некоторые ученые пытались сделать именно это (11). Однако у этого подхода есть много практических ограничений, которые выходят за рамки данного обсуждения. Для анализа белковых агрегатов лучшая в настоящее время реализация принципа Коултера позволяет подсчитывать и определять размер частиц размером до 0,4 мкм. Этот нижний предел очень близок к верхнему пределу чувствительности 0,1 мкм эксклюзионной хроматографии. На рисунке показаны результаты анализа различных субмикронных стандартов шариков с помощью Multisizer ™ 4.Результаты показывают, что прибор может обнаруживать различия в номинальном диаметре образца до 50 нм и что можно записать почти полное распределение по размерам шариков с размером 550 нм; Гранулы с длиной волны 500 и 400 нм также были измерены, однако, поскольку значительная часть этих образцов попадает ниже порогового значения чувствительности Multisizer в 400 нм, были получены неполные распределения. На рис. Ось x нанесена как функция объема (а не диаметра), чтобы подчеркнуть, что небольшие вторичные пики справа от основных пиков представляют собой дублеты главного пика (объем в центре пика почти равен ровно в два раза больше основного пика).Эти данные показывают, что принцип Коултера может разрешать частицы размером менее 1 мкм.

Субмикронные стандарты проанализированы в буфере SEC. Использовались стандарты трех разных производителей. Сокращения следующие: BC Beckman Coulter, PS Polysciences, DK Duke Scientific. Распределение размеров было нормализовано, чтобы дать наиболее часто встречающемуся размеру значение 100%.

СООБРАЖЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Несмотря на множество преимуществ для анализа невидимых белковых агрегатов, принцип Коултера не является идеальным инструментом.Исследователей обычно беспокоят требования к большому объему коммерческих счетчиков Коултера, потребность в некоторой минимальной проводимости в буферах для образцов и предполагаемая потребность в разбавлении. В дополнение к этим очевидным проблемам, такие вопросы, как обработка проб и чистота прибора, могут повлиять на подсчет твердых частиц. Тем не менее, все эти проблемы могут быть решены путем разработки подробных рабочих процедур. Здесь мы обсуждаем ключевые элементы оптимизированной процедуры анализа невидимых частиц в белковых препаратах.

Выбор Coulter Counter®

Доступно несколько моделей счетчиков Coulter, каждая из которых оптимизирована для конкретных приложений. Одна ошибка, которую допускают многие исследователи, – это извлекать слишком много информации из COULTER COUNTER®, предназначенного для выполнения неправильной задачи. В частности, некоторые модели предназначены исключительно для подсчета клеток и предоставляют некоторую ограниченную информацию о среднем размере. Очень важно, чтобы исследователи выбрали модель, подходящую для анализируемого образца. В более старых приборах или приборах, предназначенных исключительно для подсчета клеток, отсутствуют передовые схемы и цифровой импульсный анализ, необходимые для точного подсчета и размера невидимых частиц.Таким образом, рекомендуется выбрать COULTER COUNTER®, содержащий лучшую возможную электронику и систему обработки проб, чтобы обеспечить высокое качество, точность и прецизионность.

Выбор апертурной трубки

Для реализации принципа Coulter в коммерческих счетчиках Coulter используется стеклянная трубка, в стенку которой встроен точно просверленный рубиновый диск, ограничивающий ток и поток жидкости. Рубиновые диски называют отверстиями, а стеклянные трубки, в которых они находятся, – трубками с отверстиями.Основная причина выбора различных размеров апертуры заключается в том, что в зависимости от того, какая система COULTER COUNTER® используется, инструменты имеют максимальный динамический диапазон примерно 2–80% от диаметра установленной апертурной трубки. То есть система, оснащенная апертурой 100 мкм, чувствительна к частицам размером от 2 до 80 мкм для наиболее чувствительного прибора. Для подсчета и определения размера частиц размером менее 2 мкм необходимо использовать меньшие отверстия.

Важность проводимости буфера

Ограничения на проводимость буфера зависят от размера апертуры.Например, при использовании апертуры 20 мкм требуются растворы с более высокой проводимостью для достижения того же динамического диапазона, чем при использовании апертуры 100 мкм. Это связано с уменьшением общего количества тока, протекающего через меньшую апертуру в любой момент времени. Если буфер с низкой проводимостью используется с маленькой апертурой, общее сопротивление току намного больше, чем при использовании того же буфера проводимости в апертуре 100 мкм. На практике это означает, что можно было бы пожертвовать некоторой чувствительностью на нижнем конце динамического диапазона диафрагмы из-за повышенного электрического шума в результате повышенного сопротивления.Таким образом, исследователи, работающие с буферами, содержащими десятки миллимолярных солей, могут ожидать, что нижний предел динамического диапазона немного увеличится.

Важно отметить, что не все буферы с эквивалентной концентрацией соли имеют одинаковую проводимость. Например, много раз буферы для белковых композиций титруют NaOH или HCl для достижения желаемого pH, что увеличивает значительную концентрацию ионов без увеличения номинальной силы буфера. Таким образом, один образец 10-мМ гистидинового буфера может иметь значительно более низкий предел обнаружения, чем другой образец с идентичной концентрацией соли.Следует также повторить, что чувствительность к пониженной проводимости является функцией размера апертуры и электроники, используемой внутри COULTER COUNTER®. Правильный экспериментальный план и тестирование могут помочь определить те условия, которые наиболее приемлемы для конкретной интересующей белковой композиции.

Объем пробы

Коммерческие счетчики Coulter обычно используются для проб с очень высокой концентрацией частиц, таких как эритроциты или промышленные абразивы. Эти образцы содержат десятки миллионов частиц в каждом миллилитре суспензии, тогда как белковые составы обычно содержат менее 100 000 частиц на миллилитр.Поскольку принцип Коултера основан на том, что частицы проходят через апертуру по одной, высококонцентрированные образцы должны быть сильно разбавлены перед анализом с помощью COULTER COUNTER®. Чтобы обеспечить значительное разбавление, самые маленькие держатели образцов, доступные в настоящее время для коммерческих систем, предназначены для работы с минимальным объемом около 10 мл. Ученые обнаружили, что это довольно большой объем, особенно потому, что их образцы содержат намного меньше частиц и не нуждаются в разбавлении.К счастью, это всего лишь практический аспект дизайна, и счетчики Coulter можно адаптировать для небольших объемов. Недавно мы разработали процедуру, которая снижает требуемый объем пробы на 60% до 4 мл.

В таблице приведены данные для образца, содержащего смесь гранул размером 2, 5, 10 и 20 мкм. Смешанный образец подавали в Beckman Coulter Multisizer ™ 4 COULTER COUNTER® как с обычным объемом образца 10 мл в чашке объемом 20 мл, так и в недавно адаптированный сосуд для образца объемом 5 мл, заполненный 4 мл образца.Из каждого сосуда для образцов отбирали трехкратные серии по 100 мкл каждая. CV, представленные в таблице, показывают, что разница между разными сосудами для образцов находится в пределах дисперсии, измеренной для повторных прогонов из одного и того же сосуда для образцов. Это указывает на то, что сосуд для образца на 5 мл является приемлемой заменой большего сосуда на 20 мл. Важно отметить, что этот результат достигается без существенной модификации инструмента и требует только адаптера для подставки для образца.

Таблица I

Сравнение результатов трехкратного подсчета для объемов смешанного образца объемом от 4 до 10 мл

9
Объем образца 2 мкм 5 мкм 10 мкм 20 мкм
Среднее значение CV (%) Среднее значение CV (%) Среднее значение CV (%) Среднее значение CV (%)
4 мл 3,429620 18 1,210 5,3 842 2,3 258 2,8
10 мл 3,320 1,5 1,320 2,2 880295
Сравнение флаконов 3,370 1,4 1,260 1,4 861 2,6 275 4,6

Статистическая точность также показывает тенденцию к увеличению количества частиц

. уменьшается.Это наблюдение справедливо для всех методов подсчета частиц и представляет собой проблему для разработки процедур подсчета белков. Частота появления частиц в белковых композициях обратно пропорциональна размеру этих частиц. То есть более крупные частицы встречаются реже, чем более мелкие частицы, что также относится к смешанному образцу, используемому при создании таблицы. Поскольку более крупные частицы встречаются реже, чем более мелкие частицы, обычно будет трудно получить точные измерения их концентрации в образцах, что затрудняет разработку руководящих принципов контроля качества.В таблице представлено более подробное исследование статистической точности подсчета частиц по принципу Коултера. Данные показывают, что когда общее количество частиц в заданном диапазоне размеров превышает 10 000, CV обычно составляет 1% или ниже. Однако, когда общее количество частиц падает ниже 10 000, CV резко возрастает до 9% при общем количестве частиц около 100. Хотя это просто пример принципа, согласно которому ошибка увеличивается с уменьшением размера образца, важно соблюдать Имеется в виду, что исследования в области методов подсчета частиц для белковых растворов растут.Большинство белковых составов, как правило, имеют очень низкие концентрации частиц, что указывает на то, что руководящие принципы статистической точности должны иметь более высокие допуски, особенно при увеличении размера частиц.

Таблица II

Статистическая точность 31 измерения латексных шариков 10 мкм при различных концентрациях

106
Среднее количество частиц ( n = 31) Стандартное отклонение CV (%)
9.5 8,9
1,076 31 2,9
9,755 86 0,9
10,005 85
49,444 221 0,5
98,559 234 0,2

Важность надежной процедуры очистки

Для обеспечения стабильных результатов с небольшим количеством артефактов COULTER важно обеспечить COULTER ® очень чистая как перед использованием, так и во время тестирования образцов.Если система не использовалась в течение некоторого времени и во внутренней системе обработки жидкости произошло застаивание жидкости, рекомендуется тщательно очистить систему путем многократных промывок сильным чистящим раствором. Это удалит все кристаллы соли, водоросли и другие загрязнения, которые могли образоваться во время простоя системы. Кроме того, очень важно регулярно чистить апертурную трубку во время анализа пробы. Один хороший способ добиться этого – использовать слабый мыльный раствор, который можно промывать через апертурную трубку между последовательными образцами.Чтобы проверить чистоту апертурной трубки, исследователи могут подать в прибор хорошо профильтрованный холостой буферный раствор и измерить количество частиц. Если в холостом растворе счетчики высоки, необходимо очистить отверстие. Однако, если этап очистки включен как часть стандартной экспериментальной процедуры, можно ожидать точных и воспроизводимых подсчетов.

ВЫВОДЫ

Таким образом, принцип Коултера – это хорошо зарекомендовавший себя метод, который используется в быстро расширяющейся области подсчета невидимых частиц в белковых препаратах.Его преимущества включают: ортогональный подход, чувствительность, линейность, воспроизводимость и способность обнаруживать очень маленькие невидимые агрегаты (в настоящее время до 0,4 мкм). При правильном дизайне эксперимента могут быть выбраны условия, обеспечивающие получение информативных и надежных данных о характеристиках частиц в различных буферах и с небольшими объемами образцов. Таким образом, принцип Коултера следует использовать как дополнительный, ортогональный метод к USP 788 для анализа невидимых частиц в белковых препаратах.

Список литературы

1. Американское общество испытаний и материалов. Стандартный метод испытаний для измерения количества частиц и гранулометрического состава в образцах партии для оценки фильтра с использованием счетчика частиц с электрическим сопротивлением. 1992. Обозначение F662. ASTM International, West Conshohocken

2. Американское общество испытаний и материалов. Стандартный метод определения гранулометрического состава хроматографических сред методом электрической зоны зондирования. 1995. Обозначение E1772.ASTM International, West Conshohocken

3. Американское общество испытаний и материалов. Стандартный тестовый метод для автоматизированного анализа клеток – метод электрической зоны зондирования для подсчета и определения размеров суспензий отдельных клеток. 2001. Обозначение F2149. ASTM International, West Conshohocken

4. Американское общество испытаний и материалов. Стандартный метод измерения размера частиц сухого тонера. 2002. Обозначение F577. ASTM International, West Conshohocken

5. Карпентер JF, Randolph TW, Jiskoot W, Crommelin DJ, Middaugh CR, Winter G, et al.Невидимые частицы в терапевтических белковых продуктах: пробелы, которые могут снизить качество продукта. J Pharm Sci. 2009. 98 (4): 1201–1205. DOI: 10.1002 / jps.21530. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 6. Тяги А.К., Рэндольф Т.В., Донг А., Мэлони К.М., Хитчерих К.Младший, Карпентер Дж.Ф. Формирование частиц IgG во время работы наполняющего насоса: пример гетерогенного зародышеобразования на наночастицах нержавеющей стали. J Pharm Sci. 2009. 98 (1): 94–104. DOI: 10.1002 / jps.21419. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

8.Колтер WH. Средство для подсчета взвешенных в жидкости частиц, Патент США 2656508. 20 октября 1953 г.

9. Coulter WH. Высокоскоростной автоматический счетчик клеток крови и анализатор размера клеток. Proc Natl Electron Conf. 1956; 12: 1034–1042. [Google Scholar] 10. Грэм, доктор медицины. Принцип Коултера: основа индустрии. J Assoc Lab Autom. 2003. 8 (6): 72–81. DOI: 10.1016 / S1535-5535 (03) 00023-6. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Энрикес Р. Р., Ито Т., Сан Л., Крукс Р. М.. Возрождение счета Коултера для анализа наноразмерных объектов.Аналитик. 2004. 129 (6): 478–482. DOI: 10.1039 / b404251b. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Что такое сцинтилляционный счетчик – принцип работы

Основной принцип работы сцинтилляционного счетчика заключается в взаимодействии излучения со сцинтиллятором, который производит серию вспышек различной интенсивности. Сцинтилляционный счетчик – Принцип действия – Описание

Аппарат со сцинтилляционным кристаллом, фотоумножителем и компонентами сбора данных. Источник: википедия.org License CC BY-SA 3.0

Сцинтилляционный счетчик или сцинтилляционный детектор – это детектор излучения, который использует эффект, известный как сцинтилляция . Сцинтилляция – это вспышка света , возникающая в прозрачном материале при прохождении частицы (электрона, альфа-частицы, иона или фотона высокой энергии). Сцинтилляция происходит в сцинтилляторе, который является ключевой частью сцинтилляционного детектора. Обычно сцинтилляционный детектор состоит из:

  • Сцинтиллятора .Сцинтиллятор генерирует фотоны в ответ на падающее излучение.
  • Фотоприемник . Чувствительный фотодетектор (обычно фотоумножитель (ФЭУ), камера с зарядовой связью (ПЗС) или фотодиод), который преобразует свет в электрический сигнал, и электроника для обработки этого сигнала.

Основной принцип работы заключается в взаимодействии излучения со сцинтиллятором, который производит серию вспышек различной интенсивности. Интенсивность вспышек пропорциональна энергии излучения.Эта особенность очень важна. Эти счетчики подходят для измерения энергии гамма-излучения ( гамма-спектроскопия ) и, следовательно, могут использоваться для идентификации изотопов, излучающих гамма-излучение.

Сцинтилляционный счетчик

– принцип работы

Работа сцинтилляционных счетчиков резюмируется в следующих пунктах:

Ссылки:

Радиационная защита:

  1. Knoll, Glenn F., Radiation Detection and Measurement 4th Edition, Wiley , 8/2010.ISBN-13: 978-0470131480.
  2. Стабин, Майкл Г., Радиационная защита и дозиметрия: Введение в физику здравоохранения, Springer, 10/2010. ISBN-13: 978-1441923912.
  3. Мартин, Джеймс Э., Физика для радиационной защиты, 3-е издание, Wiley-VCH, 4/2013. ISBN-13: 978-3527411764.
  4. U.S.NRC, КОНЦЕПЦИИ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
  5. Министерство энергетики, внедрения и контроля США. Справочник по основам DOE, том 2 от 2 июня 1992 г.

Ядерная и реакторная физика:

  1. J.Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
  2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
  3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
  4. Glasstone, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
  5. W.S.C. Уильямс.Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
  6. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
  7. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
  8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник DOE по основам, тома 1 и 2. Январь 1993 г.
  9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

См. Также:

Сцинтилляционные счетчики

Мы надеемся, что эта статья «Сцинтилляционный счетчик – принцип работы » поможет вам.Если это так, даст нам на боковой панели. Основная цель этого сайта – помочь общественности узнать интересную и важную информацию о радиации и дозиметрах.

Основной принцип пропорциональных счетчиков – Описание

Детекторы ионизирующего излучения состоят из двух частей, которые обычно соединяются. Первая часть состоит из чувствительного материала, состоящего из соединения, которое претерпевает изменения при воздействии радиации. Другой компонент – это устройство, которое преобразует эти изменения в измеримые сигналы.

Пропорциональный счетчик имеет катод и анод, которые удерживаются под некоторым напряжением (выше 1000 В), а устройство характеризуется емкостью, которая определяется геометрией электродов. В пропорциональном счетчике газ, заполняющий камеру, представляет собой инертный газ, который ионизируется падающим излучением, и гасящий газ, чтобы гарантировать прекращение каждого импульсного разряда; обычная смесь – это 90% аргона и 10% метана, известная как P-10.

Когда ионизирующее излучение проникает в газ между электродами, образуется конечное число ионных пар.В воздухе средняя энергия, необходимая для образования иона, составляет около 34 эВ, поэтому излучение с энергией 1 МэВ, полностью поглощенное детектором, дает около 3 x 10 4 пар ионов. На поведение образующихся ионных пар влияет градиент потенциала электрического поля в газе, а также тип и давление наполняющего газа. Под действием электрического поля положительные ионы будут двигаться к отрицательно заряженному электроду (внешнему цилиндру), а отрицательные ионы (электроны) будут перемещаться к положительному электроду (центральному проводу).Электрическое поле в этой области удерживает ионы от рекомбинации с электронами. В непосредственной близости от анодной проволоки напряженность поля становится достаточно большой, чтобы вызвать лавины Таунсенда . Эта область лавины возникает только в долях миллиметра от анодной проволоки, которая сама по себе имеет очень маленький диаметр. Целью этого является использование эффекта размножения лавины, создаваемой каждой ионной парой. Это район «лавины». Ключевая цель конструкции состоит в том, чтобы каждое исходное событие ионизации из-за падающего излучения приводило к возникновению только одной лавины.Коэффициенты газового усиления могут варьироваться от единицы в области ионизации до 10 3 или 10 4 в области пропорциональности . Большой коэффициент усиления пропорционального счетчика – главное преимущество перед ионизационной камерой.

Сбор всех этих электронов вызовет заряд на электродах и электрический импульс в цепи обнаружения. Каждый импульс соответствует одному взаимодействию гамма-лучей или частиц. Высота импульса пропорциональна количеству исходных электронов.Но в этом случае амплитуда импульса значительно усиливается детектором. Фактором пропорциональности в данном случае является коэффициент газового усиления. Количество произведенных электронов пропорционально энергии падающей частицы. Таким образом, пропорциональные счетчики могут идентифицировать частицы и измерять энергию (спектроскопия). Разные энергии излучения и разные типы излучения можно различить, анализируя высоту импульса, поскольку они значительно различаются по первичной ионизации (с низкой ЛПЭ и высокой ЛПЭ).Поскольку процесс усиления заряда значительно улучшает отношение сигнал / шум детектора, последующее электронное усиление обычно не требуется.

Конструкция ионизационной камеры отличается от пропорционального счетчика. Конструкция с плоской пластиной предпочтительна для ионизационных камер, или в конструкции могут использоваться концентрические цилиндры, позволяющие интегрировать импульсы, создаваемые падающим излучением. Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера обычно используют цилиндр и центральный электрод.Пропорциональный счетчик потребовал бы такого точного контроля электрического поля между электродами, что это было бы непрактично.

Основной принцип счетчиков Гейгера – Описание

Детектор ионизирующего излучения – трубка Гейгера

Счетчик Гейгера , также известный как счетчик Гейгера-Мюллера , представляет собой электрическое устройство, которое обнаруживает различные типы ионизирующего излучения. Это устройство названо в честь двух физиков, которые изобрели счетчик в 1928 году. Мюллер был учеником Ганса Гейгера. Счетчик Гейгера широко используется в таких приложениях, как дозиметрия излучения, радиологическая защита, экспериментальная физика и ядерная промышленность. Счетчик Гейгера состоит из трубки Гейгера-Мюллера (чувствительный элемент, который обнаруживает излучение) и обрабатывающей электроники, которая отображает результат.

Счетчик Гейгера может обнаруживать ионизирующее излучение, такое как альфа- и бета-частицы, нейтроны и гамма-лучи, используя эффект ионизации, производимый в трубке Гейгера – Мюллера, которая дала название прибору.Напряжение детектора регулируется так, чтобы условия соответствовали области Гейгера-Мюллера .

Основной принцип счетчиков Гейгера Детекторы ионизирующего излучения состоят из двух частей, которые обычно соединяются между собой. Первая часть состоит из чувствительного материала, состоящего из соединения, которое претерпевает изменения при воздействии радиации. Другой компонент – это устройство, которое преобразует эти изменения в измеримые сигналы.

Счетчик Гейгера имеет катод и анод, которые удерживаются под высоким напряжением, и устройство характеризуется емкостью, которая определяется геометрией электродов.В счетчике Гейгера газ, заполняющий камеру, представляет собой инертный газ, который ионизируется падающим излучением, и гасящий газ, содержащий 5–10% органического пара или газообразного галогена, для предотвращения паразитных импульсов за счет гашения электронных лавин.

Когда ионизирующее излучение проникает в газ между электродами, образуется конечное число ионных пар. В воздухе средняя энергия, необходимая для образования иона, составляет около 34 эВ, поэтому излучение с энергией 1 МэВ, полностью поглощенное детектором, дает около 3 x 10 4 пар ионов.На поведение образующихся ионных пар влияет градиент потенциала электрического поля в газе, а также тип и давление наполняющего газа. Под действием электрического поля положительные ионы будут двигаться к отрицательно заряженному электроду (внешнему цилиндру), а отрицательные ионы (электроны) будут перемещаться к положительному электроду (центральному проводу). Электрическое поле в этой области удерживает ионы от рекомбинации с электронами. В непосредственной близости от анодной проволоки напряженность поля становится достаточно большой, чтобы вызвать лавины Таунсенда .Эти лавины могут быть вызваны и распространены фотонами, испускаемыми атомами, возбужденными в исходной лавине. Поскольку на эти фотоны не действует электрическое поле, они могут взаимодействовать далеко (например, сбоку от оси) от первичной лавины, вся трубка Гейгера участвует в этом процессе. Эти лавины создают сильный сигнал (коэффициент усиления может достигать примерно 10 10 ), форма и высота которых не зависят от первичной ионизации и энергии детектируемого фотона. Высокий коэффициент усиления счетчика Гейгера – главное преимущество перед ионизационной камерой. Таким образом, счетчик Гейгера – гораздо более чувствительный прибор, чем другие камеры. По этой причине он часто используется для обнаружения низкоуровневых гамма-лучей и бета-частиц.

Поскольку положительные ионы не перемещаются далеко от области лавины, облако положительно заряженных ионов нарушает электрическое поле и прекращает лавинный процесс. На практике прекращение схода лавины улучшается за счет использования методов «гашения» .

Сбор всех этих электронов вызовет заряд на электродах и электрический импульс в цепи обнаружения. Каждый импульс соответствует одному взаимодействию гамма-лучей или нейтронов. Высота импульса не пропорциональна количеству исходных электронов. Следовательно, счетчики Гейгера не могут идентифицировать частицы и измерять энергию (спектроскопия). Поскольку процесс усиления заряда значительно улучшает отношение сигнал / шум детектора, последующее электронное усиление обычно не требуется.

Компонент счетчика – ложная логика – Показать и сказать


В принципе можно построить счетчик, имитирующий логику. Я создал 5 кнопок с небольшой индикацией, которая указывает, сколько кнопок включено в любой момент времени. Прежде чем я понял, как работает обмен сообщениями, я бы построил его для одного конкретного счастливого пути (мне пришлось бы нажимать кнопки В ПОРЯДКЕ, чтобы счетчик не шифровался. Вот как я это сделал.

Сначала я создал компонент для самого счетчика.Я сделал 6 артбордов – 0, 1, 2, 3, 4, 5. Затем я создал сообщения для каждого артборда и из него. В результате получилось множество дополнительных сообщений (например, отправка сообщения от 5 до 1). Я удалил все лишние сообщения, которые не идут на соседний артборд. Затем я переименовал сообщения в «вперед» и «назад». Это позволило мне создать новые компоненты, которые могут отправлять сообщения в мой компонент счетчика – в этом случае кнопки будут отправлять «вперед» и «назад».

Затем я создал свой компонент кнопки.Как обычно для простого переключения, я использовал две доски для дротиков внутри компонента кнопки для двух состояний. Я использовал события касания, чтобы вызвать изменение состояния (довольно просто). Я сделал еще один шаг, чтобы получить свой счетчик. Я выбрал каждую монтажную область и решил отправить сообщение родителю. Выключенное состояние автоматически отправляет (родителю) «выключено», а состояние включения автоматически отправляет (родителю) «включено» (примечание: я использовал «вкл» и «выкл» вместо тех же «продвижение» и «назад». чтобы отслеживать, какие сообщения к чему идут).

Теперь у меня установлен мой счетчик с «продвижением» и «назад» внутри, а компонент кнопки отправляет «вкл» и «выкл» родительскому элементу (в данном случае основной монтажной области). Пришло время связать два компонента вместе.

Чтобы вдохнуть жизнь в свой прототип, я выбираю компонент кнопки и выбираю триггер события. Я выбираю «вкл» и перенаправляю его на сообщение «продвижение» на счетчике. Я делаю это снова, но выбираю «выкл», чтобы вернуться «назад». Теперь, когда кнопка переключает состояние с «выключено» на «включено», состояние «включено» автоматически отправляет команду счетчику на «продвижение».когда кнопка меняет состояние с «включено» на «выключено», в выключенном состоянии будет выдано сообщение «назад». Поскольку мы запустили компонент счетчика с 0 со всеми выключенными кнопками, любая кнопка, меняющая состояние на «включено», будет каскадно переходить к компоненту счетчика и укажет ему перейти к 1. Если я изменю другой компонент кнопки с «выключено» на « on », он снова скажет счетчику« продвигаться »и поднимется еще на один. Любой артборд, возвращающийся к «выключенному», отправит сообщение на счетчик «назад», которое вычитает число (вернитесь на один артборд в счетчике).Это немного запутано, но этот подход хорошо работает, когда несколько компонентов управляют одним компонентом для изменения состояния.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.