Содержание

Указатель напряжения. Виды и применение. Работа и применения

Указатель напряжения называются переносные устройства, которые предназначены для выявления отсутствия или наличия напряжения в сети или на токоведущих элементах электрических установок. Такую проверку производят перед подключением переносного заземления или включением заземляющих ножей, а также перед началом электромонтажных работ. В этих случаях не обязательно определять значение напряжения, требуется знать только его наличие или отсутствие.

От указателя напряжения зависит жизнь электромонтера, так как по его показаниям определяют наличие напряжения. Только убедившись, что на токоведущих частях устройства нет напряжения, можно приступать к работе по ремонту светильника, выключателя или розетки.

Разновидности

Существующие виды указателей напряжения, и как они разделяются.

По напряжению:
  • До 1 кВ.
  • Свыше 1 кВ.
Указатели напряжения до 1 кВ делятся по числу полюсов:
  • Однополюсные.
  • Двухполюсные.
Универсальные указатели делятся по виду измеряемого тока:
  • Для переменного тока.
  • Для постоянного тока.
По виду индикатора:
  • Светодиодные.
  • Цифровые.

Также, существуют бесконтактные указатели.

Устройство и принцип действия

Конструктивные особенности всех перечисленных видов указателей, и их принцип работы.

Однополюсный указатель напряжения

Такие указатели имеют один полюс. Для определения наличия напряжения достаточно прикоснуться этим полюсом к токоведущему элементу. Соединение с заземлением создается по телу человека, когда он пальцем руки касается контакта на указателе. При этом возникает очень малый ток, не более 0,3 миллиампера, лампа начинает светиться.

Чаще всего однополюсный указатель изготавливается в виде отвертки или авторучки из диэлектрического прозрачного материала, или со смотровым окошком. В корпусе расположен резистор и неоновая лампочка. Внизу корпуса находится пружина и щуп, а вверху контактная площадка для касания пальцем.

Указатель с одним полюсом используется только для проверки переменного тока, так как при постоянном токе неоновая лампа не будет гореть, даже если есть напряжение. Его целесообразно использовать для контроля фазных проводников, фазы в выключателе, розетке или патроне и в других аналогичных местах.

Допускается использование указателя до 1000 вольт без резиновых перчаток и других средств защиты. Согласно правилам безопасности, нельзя использовать в качестве указателя напряжения контрольную лампу («контрольку»), установленную в патрон, с подключенными двумя небольшими кусками провода. При случайной подаче большого напряжения на эту лампу, или при ее механическом повреждении, колба лампы может лопнуть и нанести травму электромонтеру.

Из недостатков однополюсных указателей можно отметить их малую чувствительность. Они показывают наличие напряжения только от 90 В.

Двухполюсный указатель напряжения

Состоит из 2-х отдельных частей, выполненных из диэлектрического материала и медного гибкого изолированного проводника, соединяющего эти части.

На этом рисунке показано устройство двухполюсного указателя. Неоновая лампа зашунтирована сопротивлением. Это снижает чувствительность указателя к воздействию наведенного напряжения.

Чтобы определить отсутствие или наличие напряжения с помощью двухполюсного указателя, необходимо прикосновение к двум элементам устройства, между которыми может быть напряжение. Если напряжение присутствует, то неоновая лампа будет светиться при протекании через нее тока, который зависит от разности потенциалов между элементами устройства, к которым выполнено прикосновение указателем.

Ток, протекающий через лампу, имеет очень малую величину (несколько миллиампер). Это достаточно, чтобы лампа выдавала устойчивый сигнал света. Чтобы ограничить увеличивающийся ток в лампе, последовательно к ней подключен резистор.

В этом указателе применяется специальная светодиодная шкала на корпусе, имеющая градуировку на конкретные значения напряжения: 12 … 750 В.

Указатели напряжения свыше 1 кВ

Работают за счет эффекта свечения неоновой лампы во время прохождения по ней зарядного тока конденсатора (емкостного тока). Конденсатор подключается по последовательной схеме с неоновой лампой. Такой указатель напряжения еще называют высоковольтным. Он годится только для контроля переменного напряжения, им касаются только к фазе. Никаких контактных площадок для пальцев на них нет.

Различные варианты указателей имеют свои особенности конструкции, но все они состоят из основных общих для любых указателей элементов:

Согласно правилам безопасности, при работе с таким указателем необходимо использовать резиновые перчатки. Всегда перед использованием указателя необходимо произвести его внешний осмотр на предмет отсутствия повреждений, а также проверить его работоспособность и подачу сигнала.

Такой контроль выполняется путем подноса щупа к токоведущим элементам устройства, которые точно находятся под напряжением. Также проверку работоспособности иногда проводят с использованием источников повышенного напряжения, либо мегомметром. Высоковольтный указатель в условиях гаража можно проверить следующим образом: приблизить указатель к работающему двигателю мотоцикла или автомобиля, а именно, к одной из свеч зажигания.

Согласно правилам безопасности указатель напряжения запрещается заземлять, так как провод заземления может случайно прикоснуться к частям, находящимся под напряжением, вследствие чего произойдет поражение электромонтера электрическим током. Высоковольтный указатель напряжения и без подключения заземления образует четкий сигнал работы.

Заземление указателя напряжения допускается заземлять только в случае, когда емкость указателя относительно земли очень незначительная, и ее не достаточно для контроля наличия напряжения. Это бывает при работах с воздушными линиями, находясь на деревянных опорах.

Универсальные указатели

Используются для контроля нуля и фазы, а также проверки напряжения и его значения в интервале 12-750 вольт для переменного тока, и до 0,5 кВ для постоянного тока.

Такие указатели применяют также для прозвонки соединений различных электрических цепей.

В этих устройствах в качестве индикаторов применяют светодиоды, а вместо источника напряжения – конденсатор повышенной емкости.

Указатель напряжения может оснащаться цифровым ЖК дисплеем с выводом напряжения в вольтах. При наибольшем значении напряжения 220 В на дисплее отображаются все значения от наименьшего до наибольшего. Этот прибор отображает ориентировочное значение, и имеет низкую точность показаний. Преимуществом такого устройства является отсутствие источника питания.

Бесконтактный указатель напряжения служит для выявления проводов, находящихся под действием напряжения. Они могут быть скрыты в стеновых панелях или стенах. Устройство такого прибора реагирует на электромагнитное переменное поле. Имеется звуковая и световая индикация.

Правила применения

Перед применением указателя нужно убедиться в его работоспособности и правильных показаниях. Чтобы это проверить, необходимо произвести контроль напряжения в сети, которая точно находится под напряжением, и убедиться в том, что прибор работает. Только после этого допускается его применение в работе.

Запрещается применять лампу накаливания вместо индикатора в указателе напряжения. Эта лампа является травмоопасной и ненадежной.

Чтобы найти фазу на токоведущих элементах или проводах с помощью однополюсного указателя, необходимо взять указатель в правую руку за диэлектрическую рукоятку, прикоснуться щупом к проверяемому проводнику или токоведущему элементу. При этом левую руку нужно отвести за спину, чтобы ей случайно не прикоснуться к токоведущим элементам или заземлению. Пальцем правой руки коснуться металлического контакта однополюсного указателя. Прикасаться удобнее большим пальцем.

Если неоновая лампочка при этом светится, это значит, что проверяемый вами токоведущий элемент находится под напряжением фазы. Если лампа не горит, значит это ноль, либо напряжение отсутствует вовсе.

В случае с двухполюсным указателем, щуп того корпуса указателя, где есть индикатор, устанавливают на проверяемый элемент. Вторым щупом касаются другой фазы или ноля. По свечению лампы также определяют отсутствие или наличие питания. Пользование таким прибором не составляет никакой трудности.

При проверке напряжения необходимо работать аккуратно и осторожно, соблюдая правила безопасности, так как это очень опасно для жизни человека.

Похожие темы:

Указатели напряжения до и свыше 1000В


 

 

Назначение

1. Указатели напряжения предназначены для определения наличия или отсутствия напряжения на токоведущих частях электроустановок.

2. Общие технические требования к указателям напряжения изложены в государственном стандарте.

Указатели напряжения выше 1000В

Принцип действия и конструкция

3. Указатели напряжения выше 1000 В реагируют на емкостный ток, протекающий через указатель при внесении его рабочей части в электрическое поле, образованное токоведущими частями электроустановок, находящимися под напряжением, и “землей” и заземленными конструкциями электроустановок.

4. Указатели должны содержать основные части: рабочую, индикаторную, изолирующую, а также рукоятку.

5. Рабочая часть содержит элементы, реагирующие на наличие напряжения на контролируемых токоведущих частях.

Рабочая часть может содержать электрод-наконечник для непосредственного контакта с контролируемыми токоведущими частями и не содержать электрода-наконечника (указатели бесконтактного типа).

Индикаторная часть, которая может быть совмещена с рабочей, содержит элементы световой или комбинированной (световой и звуковой) индикации. Световой и звуковой сигналы должны быть надежно распознаваемыми.

Рабочая часть может содержать также орган собственного контроля исправности. Контроль может осуществляться нажатием кнопки или быть автоматическим, путем периодической подачи специальных контрольных сигналов.

6. Изолирующая часть может быть составной из нескольких звеньев. Для соединения звеньев между собой могут применяться детали, изготовленные из металла или изоляционного материала. Допускается применение телескопической конструкции, при этом должно быть исключено самопроизвольное складывание.

7. Рукоятка может представлять с изолирующей частью одно целое или быть отдельным звеном.

8. Конструкция и масса указателей должны обеспечивать возможность работы с ними одного человека.

9. Электрическая схема и конструкция указателя должны обеспечивать его работоспособность без заземления рабочей части указателя, в том числе при проверке отсутствия напряжения, проводимой с телескопических вышек или с деревянных и железобетонных опор ВЛ 6 – 10 кВ.

10. Напряжение индикации указателя напряжения должно составлять не более 25% номинального напряжения электроустановки.

11. Время появления первого сигнала после прикосновения к токоведущей части, находящейся под напряжением, равным 90% номинального фазного, не должно превышать 1,5 с.

12. Рабочая часть указателя на определенное напряжение не должна реагировать на влияние соседних цепей того же напряжения.

Эксплуатационные испытания

13. В процессе эксплуатации механические испытания указателей напряжения не проводят.

14. Электрические испытания указателей напряжения состоят из испытаний изолирующей части повышенным напряжением и определения напряжения индикации.

У указателей напряжения со встроенным источником питания проводится контроль его состояния и, при необходимости, подзарядка аккумуляторов или замена батарей.

15. При испытании изоляции рабочей части напряжение прикладывается между электродом-наконечником и винтовым разъемом или на границе рабочей части.

16. При испытании изолирующей части напряжение прикладывается между элементом ее сочленения с рабочей частью (резьбовым элементом, разъемом и т.п.) и временным электродом, наложенным у ограничительного кольца со стороны изолирующей части.

17. Напряжение индикации указателей проверяют так – напряжение испытательной установки плавно поднимается от нуля до значения, при котором световые сигналы начинают соответствовать 25%.

18. Нормы и периодичность электрических испытаний указателей приведены в таблице.

Правила пользования

19. Перед началом работы с указателем необходимо проверить его исправность.

Исправность указателей, не имеющих встроенного органа контроля, проверяется при помощи специальных приспособлений, представляющих собой малогабаритные источники повышенного напряжения, либо путем кратковременного прикосновения электродом-наконечником указателя к токоведущим частям, заведомо находящимся под напряжением.

20. При проверке отсутствия напряжения время непосредственного контакта рабочей части указателя с контролируемой токоведущей частью должно быть не менее 5 с (при отсутствии сигнала).

Следует помнить, что, хотя указатели напряжения некоторых типов могут подавать сигнал о наличии напряжения на расстоянии от токоведущих частей, непосредственный контакт с ними рабочей части указателя является обязательным.

21. В электроустановках напряжением выше 1000В пользоваться указателем напряжения следует в диэлектрических перчатках.

Указатели напряжения до 1000В

Назначение, принцип действия и конструкция

22. В электроустановках напряжением до 1000В применяются указатели двух типов: двухполюсные и однополюсные.

Двухполюсные указатели, работающие при протекании активного тока, предназначены для электроустановок переменного и постоянного тока.

Однополюсные указатели, работающие при протекании емкостного тока, предназначены для электроустановок только переменного тока.

Применение двухполюсных указателей является предпочтительным.

Применение контрольных ламп для проверки отсутствия напряжения не допускается.

23. Двухполюсные указатели состоят из двух корпусов, выполненных из электроизоляционного материала, содержащих элементы, реагирующие на наличие напряжения на контролируемых токоведущих частях, и элементы световой и (или) звуковой индикации. Корпуса соединены между собой гибким проводом длиной не менее 1 м. В местах вводов в корпуса соединительный провод должен иметь амортизационные втулки или утолщенную изоляцию.

Размеры корпусов не нормируются, определяются удобством пользования.

Каждый корпус двухполюсного указателя должен иметь жестко закрепленный электрод-наконечник, длина неизолированной части которого не должна превышать 7 мм, кроме указателей для воздушных линий, у которых длина неизолированной части электродов-наконечников определяется техническими условиями.

24. Однополюсный указатель имеет один корпус, выполненный из электроизоляционного материала, в котором размещены все элементы указателя. Кроме электрода-наконечника, соответствующего требованиям п. 2.4.25, на торцевой или боковой части корпуса должен быть электрод для контакта с рукой оператора.

Размеры корпуса не нормируются, определяются удобством пользования.

25. Напряжение индикации указателей должно составлять не более 50В.

Световой и звуковой сигналы могут быть непрерывными или прерывистыми и должны быть надежно распознаваемыми.

26. Указатели напряжения до 1000В могут выполнять также дополнительные функции: проверка целостности электрических цепей, определение фазного провода, определение полярности в цепях постоянного тока и т.д. При этом указатели не должны содержать коммутационных элементов, предназначенных для переключения режимов работы.

Расширение функциональных возможностей указателя не должно снижать безопасности проведения операций по определению наличия или отсутствия напряжения.

Эксплуатационные испытания

27. Электрические испытания указателей напряжения до 1000 В состоят из испытания изоляции, определения напряжения индикации, проверки работы указателя при повышенном испытательном напряжении, проверки тока, протекающего через указатель при наибольшем рабочем напряжении указателя.

При необходимости проверяется также напряжение индикации в цепях постоянного тока, а также правильность индикации полярности.

Напряжение плавно увеличивается от нуля, при этом фиксируются значения напряжения индикации и тока, протекающего через указатель при наибольшем рабочем напряжении указателя, после чего указатель в течение 1 мин. выдерживается при повышенном испытательном напряжении, превышающем наибольшее рабочее напряжение указателя на 10%.

28. При испытаниях указателей (кроме испытания изоляции) напряжение от испытательной установки прикладывается между электродами-наконечниками (у двухполюсных указателей) или между электродом-наконечником и электродом на торцевой или боковой части корпуса (у однополюсных указателей).

29. При испытаниях изоляции у двухполюсных указателей оба корпуса обертываются фольгой, а соединительный провод опускается в сосуд с водой при температуре (25 +/- 15) °C так, чтобы вода закрывала провод, не доходя до рукояток корпусов на 8 – 12 мм. Один провод от испытательной установки присоединяют к электродам-наконечникам, второй, заземленный, – к фольге и опускают его в воду.

У однополюсных указателей корпус обертывают фольгой по всей длине до ограничительного упора. Между фольгой и контактом на торцевой (боковой) части корпуса оставляют разрыв не менее 10 мм. Один провод от испытательной установки присоединяют к электроду-наконечнику, другой – к фольге.

30. Нормы и периодичность эксплуатационных испытаний указателей приведены в таблице.

Правила пользования

31. Перед началом работы с указателем необходимо проверить его исправность путем кратковременного прикосновения к токоведущим частям, заведомо находящимся под напряжением.

32. При проверке отсутствия напряжения время непосредственного контакта указателя с контролируемыми токоведущими частями должно быть не менее 5 с.

33. При пользовании однополюсными указателями должен быть обеспечен контакт между электродом на торцевой (боковой) части корпуса и рукой оператора. Применение диэлектрических перчаток не допускается.

Указатель напряжения: одно и двухполюсный, бесконтактный

При работе в электроустановках важно контролировать состояние цепей и токоведущих частей. Первичная проверка (в целях обеспечения безопасности) выявляет наличие или отсутствие напряжения в зоне работ. Для этого используют указатель наличия напряжения, подключаемый оператором вручную, то есть он не является элементом конструкции электроустановки.

В каких случаях обязательно надо пользоваться указателем напряжения:

  • перед началом ремонтных работ в электроустановке;
  • перед наложением переносного заземления;
  • для определения участка, на котором произошла авария;
  • для выявления токопроводящих частей электроустановки, на которых не должно быть опасного потенциала.

Важно: От правильного применения индикатора напряжения зависит безопасность, и даже жизнь электрика!

Мы рассмотрим принцип действия указателей высокого напряжения, виды и способы их применения.

Деление по типам

  1. По напряжению указатели напряжения делятся до 1000 В и свыше 1000 В. Для бытового применения обычно используются низковольтные приборы до 1 кВ. Тем не менее, это все указатели высокого напряжения. Согласно нормативам ПУЭ (Правил устройства электроустановок), безопасным для человека является напряжение переменного тока до 50 В, и постоянного тока до 120 В. При неблагоприятных условиях (влажность, токопроводящая пыль) высоким считается напряжение переменного тока до 25 В, и постоянного тока до 60 В. Указатели напряжения выше 1000 В используются профессиональными электриками, для бытовых электросетей 220 В и 380 В их применение нецелесообразно. Например, УВНУ-10 с выносной штангой.
  2. По исполнению указатели напряжения до 1000 В делятся на однополюсные и двухполюсные. Первый вариант — это скорее индикаторная отвертка, чем инструмент. Второй вариант предпочтительней, если речь идет о точности и гарантированном определении опасного потенциала.
  3. По типу электротока: для переменного или постоянного. В бытовом применении указатель высокого напряжения постоянного тока не применяется. К тому же, большинство современных индикаторов универсальные.
  4. По типу индикатора приборы могут быть неоновыми, светодиодными или цифровыми. В последнем случае можно с высокой точностью определить значение напряжения. Но это скорее сервисная, чем необходимая функция.
  5. Способ применения: контактный или бесконтактный. Первый вариант предназначен для работы с открытыми токоведущими частями, и гарантирует точное определение наличия потенциала. Бесконтактный метод используется для поиска скрытых проводок, и не может гарантировать безопасность.

Общие принципы действия УНН (указателей низкого напряжения)

Для срабатывания индикатора (вне зависимости от его типа), необходимо обеспечить протекание электротока по цепи прибора. При этом на первом месте стоит обеспечение безопасности оператора. Двухполюсная конструкция исключает прикосновение открытых участков тела к токоведущим частям. А вот однополюсный указатель напряжения, работает только при касании вспомогательного электрода пальцем. Соответственно, конструкция обязательно должна включать в себя систему ограничения тока до безопасного значения. После снижения порога тока, прибор превращается в указатель низкого напряжения, вне зависимости от реального потенциала на токоведущих частях.

  • Двухполюсные указатели представляют собой типичную электрическую цепь, где ток протекает от фазы к нулевому (или заземленному) проводнику электроустановки. Благодаря этому можно гарантировано определить наличие потенциала, и даже измерить напряжение на контрольном участке.
  • Однополюсные указатели для срабатывания индикатора используют индукционные токи, протекающие через тело оператора. Для срабатывания достаточно наличия фазы на проверяемом элементе электроустановки или проводнике. Точность невысокая, поэтому определить напряжение таким способом невозможно.

Требования к оборудованию

Для обеспечения безопасности и надежности срабатывания, подобные устройства обязательно сертифицируются. Требования государственного стандарта занимают не меньше страницы текста, выделим основные из них:

  • изоляционная оболочка прибора должна выдерживать напряжение, превышающее диапазон измерения;
  • однополюсный указатель изготавливается только в одном корпусе, при этом исключается необходимость работы двумя руками;
  • на одном конце указателя имеется щуп для контакта с проверяемым участком цепи, на противоположном — контактная площадка для касания пальцем оператора;
  • двухполюсный указатель напряжения должен состоять их двух корпусов с одинаковыми показателями защищенности, соединенными гибким изолированным кабелем длиной 1 метр;
  • открытый участок щупа не должен превышать длину, установленную для выбранного диапазона измерения;
  • световой и (или) звуковой индикатор наличия потенциала должен быть отчетливо различим в любых условиях измерения.

Стандарты безопасности единые для всей территории Российской Федерации. Никакой субъект, будь то Москва или любой областной центр не вправе смягчать требования к производству или применению подобного оборудования.

Рассмотрим работу основных типов указателей напряжения.

Двухполюсная конструкция

Указатель высокого напряжения с двумя измерительными контактами работает по принципу фиксации прохождения тока на участке цепи. Внутренняя схема сравнивает разность потенциалов между точкой измерения и заземлением (или нулевым контактом). Если порог срабатывания превышает установленное значение, срабатывает индикация.

Исполнение может быть различным, в зависимости от назначения: только индикация, поиск пробоя, измерение точного значения напряжения, установление диапазона (220 В, 380 В). В качестве примера, на иллюстрации электрическая схема прибора, определяющего наличие фазы на измеряемом участке и приблизительного порога напряжения.

Сложных интегральных элементов нет, поэтому такой указатель надежен и безотказен в любых условиях эксплуатации. Если измерения проводятся на улице, при ярком освещении — параллельно световому индикатору (в данном случае это LED элемент), добавляется звуковой.

При добавлении в измерительную цепь модуля измерения напряжения, мы получаем однорежимный мультиметр, предназначенный для безопасного измерения высокого напряжения.

Это интересно: Обычный мультиметр также можно использовать, как указатель высокого напряжения. Однако для приведения в готовность потребуется время (установка соответствующего режима измерения). Да и с безопасностью не все так гладко: специализированные приборы проходят жесткую сертификацию.

Пользоваться таким устройством несложно: пассивный контакт на соединительном проводе прикладывается к земляной (нулевой) шине электроустановки. Затем измерительным контактом надо коснуться точки замера потенциала.

Преимущества:

  • высокая точность измерения, при необходимости можно расширить функционал;
  • возможность работать с высоким напряжением без дополнительных средств защиты оператора;
  • обеспечена защита оператора: нет непосредственного контакта с открытыми участками тела.

Недостатки:

  • более высокая стоимость;
  • измеритель достаточно громоздкий.

Однополюсная конструкция

Электрический ток протекает между фазой (точка измерения) и заземляющим контуром, который обеспечивает тело человека (оператора). Внутри прибора простая электрическая цепь, состоящая из неоновой лампы и резистора. Сопротивление подбирается таким образом, чтобы электрический ток не превышал безопасное для человека значение.

В то же время, сила тока должна обеспечивать надежное срабатывание индикатора. Для неоновой лампы достаточно нескольких сотых миллиампер, так что схема работает устойчиво.

Как пользоваться таким указателем? Прибор удерживается в одной руке, палец кладется на тыльный контакт. После чего измерительный щуп прикладывается к токоведущей части электроустановки. При наличии потенциала контрольная лампа загорается.

Интересно, что различные «продвинутые» схемы с транзистором и светодиодом не так надежны, как простая неоновая лампа и графитовый резистор. Высокий процент ложных срабатываний не позволяет использовать такой прибор в профессиональных целях.

Преимущества:

  • дешевизна прибора;
  • оперативность использования;
  • возможность работать одной рукой.

Недостатки:

  • низкая точность и надежность;
  • нет расширенного функционала;
  • потенциально опасен: есть контакт открытых участков тела с измерительной частью прибора.

Бесконтактный указатель напряжения

При наличии прямого доступа к открытым контактам электропроводки или электроустановки, производить измерение напряжения легко. А как определить потенциал (хотя бы его наличие) в скрытой проводке?

Для этого существуют бесконтактные индикаторы (не путать с токоизмерительными клещами).

Такие указатели работают не напрямую с электрическим током, а с электромагнитным полем, возникающим вокруг проводника. Фактически, это трансформатор без сердечника, или катушка индуктивности.

Простейшие указатели реагируют на переменное магнитное поле. При его обнаружении срабатывает схема, собранная на триггерах, и на индикатор (LED элемент) подается напряжение. Для усиления эффекта обнаружения, параллельно включается звуковой сигнал.

Разумеется, ни о каких измерениях напряжения не может быть и речи. Мало того, наличие электромагнитного поля зависит от многих факторов, в том числе наличие рядом с проводником заземляющей шины. Иными словами, качественно (по требованиям ПУЭ) проложенный электрический кабель, бесконтактным пробником обнаружен не будет.

Важно: Использовать такой указатель в качестве детектора скрытой проводки нельзя, расстояние обнаружения составляет 1-2 см по открытому воздуху.

Преимущества:

  • удобство применения: не надо искать открытые контакты;
  • безопасность: нет контакта с токоведущими частями.

Недостатки:

  • в реальности прибор не гарантирует даже 50 % результата.

Исходя из принципа работы такого указателя, чем сильнее ток в кабеле — тем выше вероятность обнаружения потенциала. Соответственно, если электроприбор не включен, его питающий кабель не будет активно формировать вокруг себя электромагнитное поле. При этом потенциал на фазном проводе присутствует, и опасность поражения электротоком остается.

Важно: Если вы планируете использование такого указателя, все равно перед началом работ следует проверить отсутствие напряжения на открытых участках обычным контактным прибором.

Перед использованием любого измерительного прибора убедитесь в наличии сертификата соответствия безопасности.

Где купить

Чтобы максимально быстро приобрести индикатор напряжения, можно посетить ближайший специализированный магазин. Оптимальным же, по соотношению цена-качество, остаётся вариант покупки в Интернет-магазине АлиЭкспресс. Обязательное длительное ожидание посылок из Китая осталось в прошлом, ведь сейчас множество товаров находятся на промежуточных складах в странах назначения: например, при заказе вы можете выбрать опцию «Доставка из Российской Федерации»:

Видео по теме

однополюсный, двухполюсный, бесконтактный и звуковой

На чтение 6 мин Просмотров 313 Опубликовано Обновлено

Индикаторы, или указатели напряжения, это переносные электротехнические конструкции, задача которых проверять наличие или отсутствие напряжения на токоведущих участках цепи. Чаще всего такая проверка требуется перед оснащением помещения системой заземления и перед началом выполнения строительных работ.

Разновидности указателей напряжения

Указатель высокого напряжения УВН-80

Индикаторы напряжения делятся на несколько видов в зависимости от конструктивных особенностей и доступного функционала. Основные классификации:

  • По мощности напряжения: индикатор до 1000В и свыше 1кВ.
  • По виду тока измерения: устройства, предназначенные для постоянного и переменного тока.
  • По количеству полюсов: на одно- и двухполюсные.
  • По типу индикатора: цифровые и с применением светодиодных лампочек.

Бесконтактный индикатор напряжения – инновационное устройство, которое получило широкое распространение благодаря безопасному использованию в разных, даже неблагоприятных обстоятельствах.

Устройство и принцип работы

Однополюсные устройства

Однополюсный указатель напряжения

Для вычисления наличия напряжения необходимо прикоснуться рабочим элементом к токоведущей детали. Заземление обеспечивается по человеческому телу при касании пальцем контакта, расположенного на указателе. Лампа начинает светиться, поскольку в результате вышеописанных манипуляций образуется ток небольшой величины, около 0,3 миллиампера.

Как правило, указатель низкого напряжения изготавливается в виде обыкновенной плоской отвертки или авторучки. Внутренняя полость корпуса оснащена неоновой или светодиодной лампочкой и резистором. В нижней части конструкции находится щуп и пружина, а в верхней контактная площадка, предназначенная для касания пальцами.

Такое устройство используется с целью проверки переменного тока, поскольку при постоянном осветительный элемент не будет светиться даже при наличии напряжения. Предпочтительнее однополюсный указатель использовать для контроля фазных проводников, фаз в патроне, розетке, переключателе.

Однополюсный индикатор допускается применять до 1000В без средств защиты, в частности резиновых перчаток.

Из недостатков конструкции стоит выделить малую чувствительность. Наличие напряжения отображается лишь в том случае, если его мощность более 90В.

Двухполюсные индикаторные конструкции

Двухполюсный индикатор

Такая конструкция включает в себя несколько отдельных частей, которые изготовлены из медного гибкого изолированного проводника и диэлектрического материала. Обе части соединены между собой.

Чтобы убедиться в наличии или отсутствии напряжения при помощи данной разновидности указателей, требуется прикоснуться к двум элементам устройства, между которыми должно проходить напряжение. Если напряжение есть, неоновая или светодиодная лампочка будут гореть под действием тока, протекающего через них.

Сила тока чрезвычайно мала и составляет всего несколько миллиампер. Однако этой величины достаточно, чтобы лампа выдавала устойчивый световой сигнал. Для ограничения силы тока к лампе последовательно подсоединен резистор.

На основании этой конструкции изготовляются индикаторы, предназначенные для измерения значений напряжения. Они оснащены специальной светодиодной шкалой, которая имеет градуировку на конкретные значения напряжения.

Приборы, предназначенные для напряжения свыше 1 кВ

Работают за счет эффекта свечения неоновой лампы. Загорается она в тот момент, когда сквозь ее контакты проходит емкостный ток зарядного конденсатора. Детали коммутируются согласно последовательной схеме подключения. Устройства с подобными конструктивными особенностями носят название высоковольтные. Их задача отслеживать показатели переменного напряжения. Какие-либо площадки для обеспечения заземления посредством человеческого тела отсутствуют.

Каждая модель имеет свои конструктивные особенности, но все они состоят из одинакового набора элементов: рабочая часть, в состав которой входит конденсатор, сигнальная лампа, корпус; изолирующая часть; рукоять указателя.

С целью обеспечения личной безопасности, использовать индикатор высокого напряжения можно только в резиновых перчатках. Перед эксплуатацией устройства требуется осмотреть его на предмет повреждений, убедиться в работоспособности и подаче сигнала.

Контроль осуществляется путем подноса к токоведущим частям устройства щупа, который при любых обстоятельствах находится под напряжением. Удостовериться в работоспособности можно с помощью мегомметра или источника повышенного напряжения. Указатель высокого напряжения можно проверить в гараже следующим образом: индикатор осторожно приблизить к одной из свечей работающего двигателя автомобиля, мопеда или мотоцикла.

С целью безопасного использования устройство запрещается заземлять, поскольку заземляющий провод может случайно прикоснуться к деталям под напряжением, что станет причиной поражения человека электрическим током. Высоковольтный указатель способен корректно отображать данные даже без подсоединения заземления.

Универсальные устройства

Комбинированный указатель напряжения

Такие конструкции используются с целью контроля фазы и нуля, а также для проверки напряжения и его значения. Величина для постоянного тока достигает не более 0,5кВ, а для переменного тока колеблется в диапазоне от 12 до 750 вольт. Устройства используются для прозвонки соединений в электрических коммуникациях.

Универсальный прибор дополнительно может оснащаться цифровым дисплеем, который отображает приблизительные данные. Несмотря на большое количество преимущественных особенностей, конструкция имеет низкую точность показаний. Основное достоинство – отсутствие источника питания.

Бесконтактные указатели необходимы для вычисления токопроводящих жил, находящихся под действием напряжения. Им вовсе не обязательно находиться на поверхности, могут быть скрыты в стенах или потолке. Особенность работы устройства – восприимчивость к электромагнитному переменному полю. Модели оснащены световой и звуковой индикацией.

Правила использования

Прежде чем приступать к использованию устройства, каждый раз важно осматривать его на наличие повреждений и качества изоляции, после чего убедиться в работоспособности индикатора. Нужно прикоснуться к фазе, заведомо зная, что она находится под напряжением. Если прибор неисправен, возникнет ошибка, ставшая причиной травмы или короткого замыкания. При использовании индикатора важно быть внимательным и осторожным, строго следовать следующим правилам:

  • Указатель в обязательном порядке должен соответствовать параметрам электрической сети. Убедиться в этом достаточно просто, необходимо лишь ознакомиться с маркировкой, расположенной на корпусе устройства.
  • Один из эффективных и простых в реализации способов избежать нежелательного контакта – держать свободную руку в кармане, в противном случае есть вероятность создания замкнутого контура для электрического разряда.
  • Во время проверки работоспособности нужно принять устойчивую позу, исключив вероятность падения или случайного касания заземленных проводников.

Чтобы свести к минимуму вероятность несчастных случаев, нужно четко следовать всем правилам и требованиям выполнения работ, а также использовать средства индивидуальной защиты. Используя однополюсные устройства, запрещается применять диэлектрические перчатки. Должен быть обеспечен контакт пальца специалиста и пластины, расположенной на ручке индикатора с целью заземления. Если при выполнении работ возникают трудности, лучше обратиться к электромонтажникам со стажем, которые сократят потраченное время и сберегут здоровье. Найти специалиста можно в РЭСе, энергопоставляющей компании или ЖЭКе, они предоставят всю необходимую информацию.

Указатели напряжения до 1000 В | Испытания и ремонт средств защиты в электроустановках | Архивы

Страница 3 из 18

Указатели напряжения предназначены для определения наличия или отсутствия напряжения на токоведущих частях электроустановок до 1000 В. Указатели напряжения изготавливаются двух типов — однополюсные, действующие по принципу прохождения емкостного тока и пригодные в электроустановках переменного тока, и двухполюсные, работающие по принципу прохождения активного тока и пригодные для проверки отсутствия или наличия напряжения как переменного, так и постоянного тока.
Применение контрольных ламп в качестве указателей низкого напряжения не допускается.
Однополюсные указатели низкого напряжения имеют электрическую схему, состоящую из газоразрядной индикаторной лампы с добавочным резистором, контакта-наконечника и контакта на торцевой части корпуса. Корпус указателя выполняется из изоляционного материала и имеет упорное кольцо. При проверке наличия или отсутствия напряжения касаются рукой контакта на торцевой части указателя. При наличии напряжения через указатель проходит емкостный ток, обусловленный емкостью «человек — земля».
Однополюсные указатели применяются при проверке вторичных цепей, определении фазного провода, при подключении электросчетчиков, выключателей, патронов ламп, предохранителей и т. д. Недостатком этих указателей является возможность свечения лампы через емкостную связь, т. е. от наведенного напряжения. Минимальные размеры указателей напряжения приведены в табл. 8, а характеристики указателей напряжения, изготовляемых в промышленности,— в табл. 9.
Таблица 8. Минимальные размеры указателей напряжения (ГОСТ 20493—75)


Напряжение электроустановки, кВ

Длина, мм

изолирующей

рукоятки

До 1,0

Не нормируется

От 2 до 10

230

110

Свыше 10 до 20

320

110

35

510

120

110

1400

600

Свыше 110 до 220

2500

800

Примечания: 1. Ограничительное кольцо входит в длину изолирующей части. Размеры рабочей части указателей напряжения не нормируются, однако они должны быть такими, чтобы при работе с ними в электроустановках исключалась возможность междуфазного замыкания или замыкания на землю.
2. Указатели напряжения ранних выпусков с длиной изолирующей части 210 мм допускаются к применению в электроустановках 1—6 кВ.

Двухполюсный указатель состоит из двух корпусов, выполненных из изолирующего материала, в которых размещены элементы электрической схемы. Корпуса соединены между собой гибким изолированным проводом длиной 1 м для ВЛ и 0,6 м для остальных электроустановок, выдерживающим испытательное напряжение 2 кВ и имеющим в местах ввода в корпус амортизационные втулки или утолщенную изоляцию.

Таблица 9. Характеристика указателей напряжения промышленного изготовления






Тип

Рабочее напряжение, В СУНН), кВ (УВН)

ТУ

Размеры, мм

СНИ 6-10

6—10

ТУ 34-28-3835-76

100X70X40

УВН-90

35—110

ТУ 24-04-891-76

0 67X1015X2000 (с изолирующей штангой на 35 кВ и 110 кВ)

УВН 35-220

35—220

ТУ 34-3823-71

0 60X70X235 (рабочая часть)


Тип

Рабочее напряжение, В (УНН), кВ (УВН)

ТУ

Размеры, км

УВНФ

35—110

ТУ 34-28-17002-77

0 35X570 (рабочей части на 35 кВ)
0 35X800 (рабочей части на 110 кВ)


В рукоятке указателя напряжения встроен прибор для проверки исправности рабочей части указателя на месте работ. Изготовляется в двух исполнениях — УВН для контроля напряжения и УВН с трубкой ТФ для фазировки.

Поскольку изготовляемые промышленностью двухполюсные указатели напряжением до 1000 В рассчитаны для работы в распределительных устройствах, то применение таких указателей на ВЛ вызывает определенные затруднения и небезопасно.
В связи с этим в СКТБ ВКТ Мосэнерго, а также на Шяуляйском экспериментальном заводе электроконструкций разработаны и изготовляются специальные указатели напряжения для проверки отсутствия или наличия напряжения на проводах ВЛ до 1000 В (табл. 9). У таких указателей удлинены корпуса до 0,5—0,9 м (за счет дополнительных электродов), контактные наконечники имеют форму крючков, позволяющих навешивать корпуса на провода ВЛ диаметром до 20 мм.
Электрическая схема двухполюсных указателей низкого напряжения содержит газоразрядную индикаторную лампу, зашунтированную резистором, добавочный резистор и контакты-наконечники. Шунтирование резистором индикаторной лампы указателя делает его нечувствительным к наведенному напряжению. При наличии напряжения через указатель пойдет активный ток, обусловленный значением сопротивления резисторов, и индикаторная лампа будет светиться.
Распространены также двухполюсные указатели напряжения до 1000 В с использованием линейных газоразрядных ламп типа ИН-9 и индикаторы ИН-92, схема которых содержит магнитоэлектрический прибор, позволяющий измерять напряжение переменного и постоянного тока (табл.9).

Указатель напряжения – принцип работы и особенности применения (100 фото)

Определить есть или нет электричество в сети или токопроводящих частях электроустановок помогут мобильные устройства, которые называются указателями напряжения. Обычно такие проверки выполняют в случаях подключения мобильных заземлений либо ножей для заземления, или для выполнения работ по электромонтажу. При этом особо важным является определение именно наличия или отсутствия электричества в сети, а не его цифрового значения.

Указатель напряжения имеет большое значение, особенно в работе электромонтера, можно даже сказать, что его жизнь зависит от его показаний. Ведь начинать работы можно лишь в тех случаях, когда прибор показывает полное отсутствие электрического напряжения в токопроводящих элементах источника освещения, розетки или обычного выключателя.

Краткое содержимое статьи:

Виды указателей для определения напряжения

В настоящее время существует несколько видов указателей напряжения, изображенных на фото, которые разделяются по следующим категориям:

  • по мощности напряжения: до 1 кВ и свыше 1 кВ;
  • по количеству полюсов: одно- и двухполюсные;
  • по типу индикатора: с использованием светодиодов и цифровые;
  • по виду тока для измерения: для переменного и постоянного тока.

К тому же можно использовать бесконтактные указатели напряжения.


Конструкция и способ применения

Особенности конструкции и механизм действия стоит рассмотреть более детально для некоторых видов.

Однополюсные указатели оснащены соответственно одним полюсом, при помощи которого и узнают показатели напряжение в электросети. Как проверить это напряжение? Для этого нужно полюсом коснуться токоведущей части устройства.

При этом процесс замыкания с заземлением происходит непосредственно через человеческое тело в момент его прикосновения к контакту, расположенному на указателе, пальцем. Ток в этот момент возникает не значительный, практически минимальный около 0,3 миллиампера, но лампочка однако, включается.

Внешне данный указатель низкого напряжения напоминает отвертку либо школьную ручку, которая изготавливается из бесцветного материала-диэлектрика или оснащается небольшим смотровым оконцем.

Внутри корпуса располагается резистор и неоновая лампочка, а нижняя его часть оборудована пружинкой и щупом, при этом верхняя имеет площадку для контакта с пальцем при соприкосновении.

Однополюсный прибор предназначен проверять исключительно переменный ток, потому что при токе постоянном неоновый свет не появиться (лампа не включиться), несмотря на наличие напряжения. Чаще всего такой прибор применяют для проверки фаз патронов, выключателей, розеток и пр.

Без средств индивидуальной защиты, в частности без защиты рук резиновыми перчатками, можно применять указатель при напряжении до 1000 вольт. В соответствии с правилами электробезопасности запрещается применять контрольную лампу, которая вставляется в патрон с присоединенными к ней отрезками провода. В результате внезапного увеличения напряжения в электросети, колба лампы разорвется, что может привести к травматизму работника электросети.

Недостатком однополюсного прибора является малая чувствительность и определение напряжения лишь до 90 В.

Указатель напряжения двухполюсный

Этот вид указателя имеет две части, отдельные друг от друга. Для их изготовления используется материал-диэлектрик и изолированный гибкий проводник из меди, который соединяет две отдельные части.


Принцип работы двухполюсного указателя совершенно несложный, необходимо слегка коснуться к токопроводящим частям полюсами и устройство покажет есть напряжение или нет.

Если результат положительный и ток в сети присутствует, значит лампа загорится неоновым светом, при этом разность потенциалов, возникающая между этими токопроводящими элементами, оказывает значительное влияние на сам ток.

Значение тока, протекающего через лампу, составляет всего несколько миллиампер, но этого вполне достаточно для устойчивого светового сигнала. Для предотвращения увеличения напряжения в лампе необходимо подключить к ней обычный резистор.

Кроме выпускаемых указателей, можно использовать схожие с ними приборы – индикаторы, служащие также для определения показателя напряжения в электросети и оснащенных специальной шкалой с подсветкой светодиодами на корпусе и градуировкой определенных показаний напряжения от 12 до 750 В.

Прибор высокого напряжения (более 1 кВ)

Указатели высокого напряжения функционируют благодаря возникающему эффекту от свечения неона при протекании по лампе емкостного тока конденсатора, который подключается последовательно с ней.

Указатель такого плана называется высоковольтным и подходит он для проверки напряжения переменного, при этом касание происходит только к фазе, место для контакта с пальцем отсутствует.

Все модели обладают разными конструкционными особенностями, но имеют общие для всех элементы.

В соответствии с требованиями правил электробезопасности:

  • работы необходимо выполнять в резиновых защитных средствах для рук, указатель должен быть в технически исправном состоянии, что необходимо заранее проверить;
  • запрещается заземлять указатель, чтобы не допустить возможное соприкосновение с частями под напряжением, что может привести к травмированию электромонтера.

Фото указателей напряжения


Испытание указателей напряжения до 1000 В

Описание товара:

Указатели напряжения до 1000В

Низковольтные указатели напряжения предназначены для определения наличия или отсутствия напряжения на токоведущих частях электроустановок.

В электроустановках напряжением до 1000 В применяются указатели двух типов: двухполюсные и однополюсные.

Двухполюсные указатели, работающие при протекании активного тока, предназначены для электроустановок переменного и постоянного тока.

Однополюсные указатели, работающие при протекании емкостного тока, предназначены для электроустановок только переменного тока.

Применение двухполюсных указателей является предпочтительным.

Применение контрольных ламп для проверки отсутствия напряжения не допускается.

Двухполюсные указатели состоят из двух корпусов, выполненных из электроизоляционного материала, содержащих элементы, реагирующие на наличие напряжения на контролируемых токоведущих частях, и элементы световой и (или) звуковой индикации. Корпуса соединены между собой гибким проводом длиной не менее 1 м. В местах вводов в корпуса соединительный провод должен иметь амортизационные втулки или утолщенную изоляцию.

Размеры корпусов не нормируются, определяются удобством пользования.

Каждый корпус двухполюсного указателя должен иметь жестко закрепленный электрод-наконечник, длина неизолированной части которого не должна превышать 7 мм, кроме указателей для воздушных линий, у которых длина неизолированной части электродов‑наконечников определяется техническими условиями.

Однополюсный указатель имеет один корпус, выполненный из электроизоляционного материала, в котором размещены все элементы указателя. Кроме электрода-наконечника, соответствующего требованиям п. 2.4.25, на торцевой или боковой части корпуса должен быть электрод для контакта с рукой оператора.

Размеры корпуса не нормируются, определяются удобством пользования.

Напряжение индикации указателей должно составлять не более 50 В.

Индикация наличия напряжения может быть ступенчатой, подаваться в виде цифрового сигнала и т. п. Световой и звуковой сигналы могут быть непрерывными или прерывистыми и должны быть надежно распознаваемыми. Для указателей с импульсным сигналом напряжением индикации является напряжение, при котором интервал между импульсами не превышает 1,0 с.

Электрические испытания указателей напряжения до 1000 В состоят из испытания изоляции, определения напряжения индикации, проверки работы указателя при повышенном испытательном напряжении, проверки тока, протекающего через указатель при наибольшем рабочем напряжении указателя.

При необходимости проверяется также напряжение индикации в цепях постоянного тока, а также правильность индикации полярности. Напряжение плавно увеличивается от нуля, при этом фиксируются значения напряжения индикации и тока, протекающего через указатель при наибольшем рабочем напряжении указателя, после чего указатель в течение 1 мин. выдерживается при повышенном испытательном напряжении, превышающем наибольшее рабочее напряжение указателя на 10%.

При испытаниях указателей (кроме испытания изоляции) напряжение от испытательной установки прикладывается между электродами-наконечниками (у двухполюсных указателей) или между электродом-наконечником и электродом на торцевой или боковой части корпуса (у однополюсных указателей).

При испытаниях изоляции у двухполюсных указателей оба корпуса обертываются фольгой, а соединительный провод опускается в сосуд с водой при температуре (25 ± 15) °C так, чтобы вода закрывала провод, не доходя до рукояток корпусов на 8–12 мм. Один провод от испытательной установки присоединяют к электродам-наконечникам, второй, заземленный, – к фольге и опускают его в воду.

У однополюсных указателей корпус обертывают фольгой по всей длине до ограничительного упора. Между фольгой и контактом на торцевой (боковой) части корпуса оставляют разрыв не менее 10 мм. Один провод от испытательной установки присоединяют к электроду-наконечнику, другой – к фольге.

НЕ ЗАБЫВАЙТЕ!!!! Перед началом работы с указателем необходимо проверить его исправность путем кратковременного прикосновения к токоведущим частям, заведомо находящимся под напряжением.

Нормы и периодичность электрических испытаний указателей напряжения до 1000 В:

Наименование средства защиты

Напряжение электроустановок, кВ

Испытательное

напряжение, кВ

Продолжи-

тельность

испытания,

мин.

Ток, протекающий через

изделие, мА,

не более

Периодичность

испытаний

Указатели напряжения до 1000 В:

– изоляция корпусов

 

– Проверка повышенным напряжением:

-однополюсные

-двухполюсные

 

– Проверка тока через указатель:

-однополюсные

-двухполюсные

 

– Напряжение индикации

 

 

 

До 0,5

Выше 0,5 до 1

 

 

До 1

До 1

 

 

 

До 1

До 1

 

До 1

 

 

1

2

 

1,1 Uраб.наиб

1,1 Uраб.наиб

 

 

 

 Uраб.наиб

 Uраб.наиб

 

Не выше 0,05

 

 

1

1

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

0,6

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 раз

в 12 мес.

Индикаторы напряжения


Индикаторы напряжения
Индикаторы напряжения – это небольшие установочные устройства для измерения как переменного, так и постоянного напряжения.Индикаторы напряжения постоянно показывают текущее напряжение. Индикаторы напряжения используются для проверки батарей или сетевого напряжения. Поскольку электростанции в промышленности, а также измерительное оборудование в исследованиях очень важны, в большинстве случаев необходим мониторинг с помощью индикаторов напряжения. Кроме того, многие величины отображаются в виде напряжения. Масштабируемые индикаторы напряжения могут преобразовывать значение напряжения в соответствующую измеряемую величину. Наши индикаторы напряжения могут использоваться для множества различных приложений.Помимо измерения переменного и постоянного напряжения, некоторые модели индикаторов напряжения позволяют измерять ток и температуру. Текущее напряжение отображается на светодиодном дисплее. Преобразователи напряжения серии PCE-N20 позволяют отображать измеренные значения разными цветами при превышении предельного значения. Контакты сигнализации также позволяют проводить автоматические измерения при превышении предельного значения. Параметризация осуществляется через программный интерфейс с помощью адаптера, преобразующего программные команды для считывания индикаторами напряжения.Если у вас есть какие-либо вопросы относительно наших индикаторов напряжения, свяжитесь с нами: клиенты из Великобритании +44 (0) 23 809 870 30 / клиенты из США (561) 320-9162. А наш технический персонал будет рад помочь вам с индикаторами напряжения, а также с остальными измерительными приборами и шкалами , доступными в PCE-Instruments.

Техническую информацию об индикаторах напряжения можно найти по следующим ссылкам:

– Индикаторы напряжения серии PCE-N20Z
(измерение напряжения до 400 В переменного тока, два выхода сигнализации, IP 65 на передней панели)

– Индикаторы напряжения серии PCE-N20U
(нормализованный сигнал 0-10 В, два выхода тревоги, трехцветный дисплей, программируемый)

– PCE-N30H Индикаторы напряжения
(с внутренним таймером, для постоянного тока и постоянного напряжения, дополнительный выход с открытым коллектором)

– Индикаторы напряжения серии PCE-NA 5
(гистограмма для нормированных сигналов, 4 сигнальных реле, аналоговый и цифровой выход)

– Индикаторы напряжения серии PCE-NA 6
(2-канальные гистограммы с универсальным входом, двойной дисплей с 7 сегментами)

– PCE-N24H индикаторы напряжения
(измеряет постоянное напряжение до 400 В, 4-х разрядный светодиод, IP65)

– PCE-N24Z индикаторы напряжения
(измерение напряжения до 400 В переменного тока, произвольное масштабирование, IP 65, 4 цифры)

– Индикаторы напряжения серии PCE-N30U
(для нормированных сигналов и датчиков температуры, с тревожным выходом и RS-485)

– Индикаторы напряжения серии PAX-P
(для нормализованных сигналов, модуль платы для дополнительных принадлежностей, RS-232)

– Индикаторы напряжения (измерители)
(мультиметры и токоизмерительные клещи)

Часто необходимо контролировать напряжение на производстве и в лабораториях.Для этого используются индикаторы напряжения. Напряжение измеряется в вольтах [В]. Вольт – производная единица электродвижущей силы в системе СИ. Он назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта. Один вольт определяется как значение напряжения между двумя точками, когда ток в один ампер рассеивает один ватт мощности. Общие префиксы СИ – микро [µ], мили [м], кило [k] и мег [M]. Измерительные линии подключаются параллельно к измеряемому объекту для определения разности потенциалов между двумя точками.Затем эта разница отображается. Индикаторы напряжения можно использовать для проверки сетевого напряжения. Если сетевые кабели слишком длинные и имеют большую нагрузку, произойдет падение напряжения. Индикаторы напряжения также используются для оценки выходного сигнала датчиков. Для этого следует масштабировать индикаторы напряжения. Это означает, что необходимо указать напряжение, эквивалентное определенному значению. В индикаторах меньшего напряжения это выполняется установкой двух пар значений. Индикаторы напряжения должны рассчитывать средние значения.Индикаторы напряжения большего размера могут обрабатывать некоторые пары значений для оценки нелинейных сигналов. Затем отображается рассчитанное значение.

Если вы хотите просмотреть или распечатать набор индикаторов напряжения из нашего печатного каталога,
щелкните символ PDF.

Улучшение генетически закодированного индикатора напряжения путем изменения состава заряда цитоплазмы

Положительно заряженные линкерные области улучшили величину индуцированного напряжением оптического сигнала, в то время как отрицательно заряженные линкерные области уменьшили сигнал

Длина и аминокислотный состав линкера между S4 области измерения напряжения и FP влияют на оптические характеристики GEVI 1, 4, 14, 16, 17 .Одним из возможных механизмов объяснения этих результатов является то, что аминокислоты, связывающие FP с VSD, способны реагировать на изменения в поле напряжения, поскольку они находятся близко к плазматической мембране. Чтобы проверить эту гипотезу, панель GEVI, состоящая из VSD из CC1-M240 с различными положительно и отрицательно заряженными линкерными сегментами, была протестирована на клетках HEK 293 (рис. 1). GEVI, CC1-M240, имеет V 1/2 около +80 мВ (Таблица 1). Поскольку движение трансмембранного сегмента S4 приводит к оптическому сигналу 15, 19 , мы использовали VSD, который требует сильной деполяризации плазматической мембраны около 100 мВ, чтобы вызвать оптический сигнал.Таким образом, использование VSD CC1-M240 ограничивает движение S4 во время более слабой деполяризации плазматической мембраны, потенциально улучшая обнаружение индуцированных линкером изменений флуоресценции в ответ на напряжение.

Таблица 1 Результаты подгонки Больцмана для GEVI, испытанных в ячейках HEK 293.

Четыре GEVI с отрицательно заряженными линкерами (CC1-Neg 1–4) и четыре GEVI с положительно заряженными линкерными сегментами (CC1-Pos 5-8), различающиеся по количеству и положению заряженных аминокислот, были экспрессированы в клетках HEK 293 и подвергнуты воздействию зажим напряжения всей ячейки.Как видно на рис. 1C, ни один из этих GEVI не смог дать оптический сигнал ниже мембранного потенциала +30 мВ. Отрицательно заряженные линкеры уменьшали размер оптического сигнала. В то время как GEVI с положительно заряженными линкерными сегментами существенно не влияли на чувствительность к напряжению зонда, сила сигнала была существенно улучшена с лучшим испытанием CC1-Pos6, дающим 55% ΔF / F для этапа деполяризации 200 мВ (рис. 1D). ).

Линкерная композиция улучшает оптический сигнал за счет ориентации FP

Для дальнейшего изучения роли положительных зарядов в линкерном сегменте аргинины в CC1-Pos6 были заменены на лизины (CC1-Pos6-K).Как видно на рис. 2А, размер сигнала для CC1-Pos6-K уменьшился почти вдвое. Скорость отклика также была намного меньше для CC1-Pos6-K. Эти результаты означают, что одного заряда недостаточно для улучшения оптического сигнала CC1-Pos6. Общая структура линкерного домена была важна. GEVI с линкерами, полностью состоящими из аргининов или лизинов, подтверждают этот вывод. Когда линкер состоял из девяти аргининов или девяти лизинов, не было статистической разницы в скорости или размере зависимого от напряжения оптического сигнала по сравнению с исходной конструкцией CC1-M240 (рис.2Б). Увеличение количества положительных зарядов не улучшило сигнал.

Рисунок 2

Влияние изменения состава заряда линкера. ( A ) Лизиновая версия CC1-Pos6, CC1-Pos6-K, показала уменьшенный размер сигнала и более медленную реакцию. ( B ) Варианты линкера, состоящие из одной аминокислоты. Положительно заряженные линкеры имели наименьшее влияние на размер сигнала при деполяризации 200 мВ и не демонстрировали статистической разницы по сравнению с CC1-M240 (n.s .: не значимо).Линкеры с отрицательными аминокислотами уменьшали размер сигнала почти в 15 раз. На вставке показана клетка HEK 293, экспрессирующая CC1-9D. Полярные линкеры, состоящие из серина или глутамина, снижали сигнал примерно на 50%. Линкер, полностью состоящий из аланинов, уменьшал размер сигнала примерно на треть. Заштрихованная область обозначает стандартную ошибку среднего. Среднее количество ячеек для каждой конструкции; CC1-M240: 4, CC1-Pos6-K: 4, CC1-Pos6-K (импульс 800 мс): 4, CC1-9Rs: 4, CC1-9Ks: 4, CC1-9Ds: 3, CC1-9Es: 3 , CC1-9Ss: 4, CC1-9Qs: 4, CC1-9As: 5.Шкала шкалы = 20 мкм. На рис. 2В не было обнаружено значительных различий (н.у.) между тремя группами.

Также были протестированы два зонда, полностью состоящие из отрицательно заряженных аминокислотных остатков (D или E) в своих линкерах (рис. 2B). Удивительно, но зависящие от напряжения оптические сигналы для этих зондов почти исчезли, несмотря на то, что они имели хорошую мембранную экспрессию (вставка на рис. 2В). Помимо CC1-9D и CC1-9E было протестировано несколько конструкций с другими типами аминокислотных остатков.Независимо от того, содержал ли линкер остатки аланина или полярные остатки (девять серинов или девять глутаминов), размер сигнала был не таким большим, как CC1-Pos6. Поэтому CC1-Pos6 был выбран для дальнейшей разработки.

Линкер Pos6 может сдвигать реакцию напряжения GEVI на более отрицательные потенциалы или более положительные потенциалы в зависимости от VSD

Как описано в Nakajima et al . 3 , диапазон напряжений GEVI является важной характеристикой при определении типов нейронной активности, которая должна быть оптически разрешена.Мутагенез VSD может изменять диапазон напряжений и скорость оптического сигнала 4, 20, 21 . Чтобы «настроить» CC1-Pos6 на физиологически релевантные потенциалы, в VSD были введены два набора мутаций. Первый набор мутаций состоял из трех изменений, использованных для получения GEVI, Bongwoori 4 , одной мутации в трансмембранном сегменте S2 (A154D) и двух мутаций в трансмембранном сегменте S4 (R217Q / R229I). Объединение Bongwoori VSD с линкером Pos6, обозначенным как Bongwoori-Pos6, привело к GEVI с более быстрой кинетикой, имеющей on tau 6 ± 1 мс и off tau 8 ± 1 msec (рис.3 и таблица 1). Размер сигнала также улучшился до почти 20% ΔF / F на 100 мВ деполяризации плазматической мембраны. Однако линкер Bongwoori-Pos6 сдвигает зависимость GEVI от напряжения в сторону более отрицательных потенциалов, чем ожидалось. У Bongwoori было V 1/2 , равное 6 мВ, что вполне согласуется с V 1/2 , равным −3 мВ, о котором сообщалось ранее 4 . Bongwoori-Pos6, напротив, имел V 1/2 , равный -28 мВ.

Рисунок 3

Регулировка чувствительности напряжения к физиологически значимому диапазону напряжения.( A ) Схема, показывающая различные домены VSD, слитые с линкером Pos6, и их оптические сигналы, реагирующие на ступенчатые импульсы напряжения в клетках HEK 293. Для сравнения также показаны кривые от CC1-M240 и CC1-Pos6. ( B ) Подгонка Больцмана нормализованных данных в ( A ) Фоновое кодирование изображает различные типы нейрональной активности с ингибирующими постсинаптическими потенциалами (IPSP), заштрихованными синим, возбуждающие постсинаптические потенциалы (EPSP) заштрихованы желтым , а потенциалы действия заштрихованы красным.( C ) Взвешенные постоянные времени, показывающие скорость оптического отклика как функцию напряжения. Для следов Bongwoori-Pos6 в ( A ) было усреднено 12 испытаний. Заштрихованная область и полосы ошибок обозначают стандартную ошибку среднего. Среднее количество ячеек для каждой конструкции; CC1-M240: 4, CC1-Pos6: 6, Bongwoori-Pos6: 4 и D164N-Pos6: 6.

Вторая попытка «настроить» ответ напряжения CC1-Pos6 состояла из единственной мутации в домене S2 (D164N).Пиао и др. . 4 сообщил, что VSD фосфатазы Ciona , содержащей мутацию D164N, имеет V 1/2 6 мВ. Слияние линкера Pos6 с преобразователем частоты D164N сместило ответ по напряжению в сторону более положительных потенциалов (рис. 3 и таблица 1). D164N-Pos6 имел V 1/2 +37 мВ. В то время как линкер Pos6 сдвигал оптический ответ Bongwoori в сторону более отрицательных потенциалов, линкер Pos6, слитый с VSD D164N, сдвигал оптический ответ в сторону более положительных потенциалов.Длина линкера D164N-Pos 6 короче, чем у конструкции, описанной в Piao et al . 4 , что также может повлиять на чувствительность датчика к напряжению. D164N-Pos6 также показал гораздо более медленную кинетику с взвешенным тау-значением 48 ± 3 мсек и наилучшим соответствием тау-импульса с помощью одной экспоненты при 21 ± 2 мсек (таблица 2).

Таблица 2 Кинетика GEVI, испытанных на клетках HEK 293.

Обе попытки настроить CC1-Pos6 на физиологически релевантные мембранные потенциалы успешно сместили зависимый от напряжения оптический ответ в сторону более отрицательных потенциалов.Однако конструкция Bongwoori-Pos6 сместила V 1/2 слишком далеко в сторону отрицательных потенциалов, в то время как D164N-Pos6 не сместила ответ напряжения в достаточной степени. Эти результаты продемонстрировали необходимость эмпирического определения оптимального аминокислотного состава линкерной области.

Аргининовое сканирование линкерного домена улучшает силу сигнала бонгвури при сохранении чувствительности оптического сигнала к напряжению

Непредсказуемые результаты комбинирования различных композиций линкерного домена с измененными VSD потребовали изменения стратегии для улучшения силы сигнала бонгвури.Конструкция CC1-Pos6 предполагает, что положение аргининов в линкерном домене играет важную роль в улучшении оптического сигнала. Однако V 1/2 Bongwoori-Pos6 и D164N-Pos6 предполагает, что оптимальные положения аргининов в линкере для Bongwoori, вероятно, отличаются от таковых для CC1-M240. Поэтому мы провели аргининовое сканирование линкерного домена для Bongwoori. Используя Bongwoori VSD, аргинин был протестирован в каждой позиции линкера, в результате было получено восемь новых конструкций, уровни сигнала которых можно увидеть на рис.4Б. Только мутация h337R в линкерном домене привела к GEVI с улучшенной силой сигнала. Поскольку эта конструкция мутировала в третьем положении линкера, она была обозначена как Bongwoori-R3.

Рисунок 4

Аргининовое сканирование линкерного домена. ( A ) Остаток аргинина (красный) вводили в каждое положение между трансмембранным сегментом S4 и FP. ( B ) Гистограмма оптических ответов для конструкций в A при 5 различных мембранных потенциалах.( C ) Сравнение оптического отклика Bongwoori-R3 на Bongwoori и Bongwoori-Pos6. ( D ) Подгонка Больцмана нормализованных данных в ( C ) Затенение показано на рис. 3. Заштрихованная область и полосы ошибок обозначают стандартную ошибку среднего. ( E ) Двухфотонное изображение напряжения Bongwoori-R3, экспрессирующих клетки HEK 293, отвечающих на импульс деполяризующего напряжения 100 мВ. Среднее количество клеток HEK 293 для каждой конструкции; Bongwoori: 4, Bongwoori-R1: 4, Bongwoori-R2: 5, Bongwoori-R3: 5, Bongwoori-R4: 4, Bongwoori-R5: 4, Bongwoori-R6: 4, Bongwoori-R7: 4, Bongwoori-R8: 4 и Bongwoori-Pos6: 4.Для результата двухфотонной визуализации напряжения в ( E ) восемь испытаний были усреднены для каждой клетки, и количество проанализированных клеток составило 3. Звездочки в ( B ) указывают на статистически значимые различия между сравниваемыми средними значениями (** p <0,01 и *** p <0,001).

Bongwoori-R3 демонстрирует кинетические реакции, аналогичные исходной конструкции Bongwoori, и скорость обесцвечивания, аналогичную таковой у ArcLight 22 (дополнительный рисунок 1). Быстрая составляющая on tau, составляющая 90% амплитуды отклика, составляет 6–8 мс (рис.4C и таблица 2). Быстрая составляющая off tau, которая также составляет 90% полной амплитуды, составляет 5–7 мсек. Сравнение оптических откликов для Bongwoori, Bongwoori-Pos6 и Bongwoori-R3 показано на рис. 4C. И Bongwoori-Pos6, и Bongwoori-R3 обладают улучшенной силой сигнала для деполяризации 100 мВ плазматической мембраны по сравнению с Bongwoori. Оптический сигнал для Bongwoori-R3 продолжает увеличиваться для более сильной деполяризации плазматической мембраны из-за того, что его V 1/2 близок к нулю мВ (рис.4D).

Bongwoori-R3 также дает сравнимый индуцированный напряжением оптический сигнал при 2-фотонной микроскопии (рис. 4E). Исторически сложилось так, что частота кадров при 2-фотонной микроскопии была предпочтительнее для получения изображений с кальцием, чем с использованием напряжения. Однако по мере того, как скорость 2-фотонной микроскопии увеличивается 23 , важно разработать GEVI, способные как однофотонную, так и двухфотонную визуализацию. Bongwoori-R3 дает 21% ΔF / F на 100 мВ деполяризации плазматической мембраны, предполагая, что Bongwoori-R3 может способствовать 2-фотонной визуализации.

Улучшенный размер сигнала в сочетании с V

1/2 , близкий к нулю мВ, привел к улучшенному оптическому обнаружению потенциалов действия

Поскольку Bongwoori-R3 давал больший сигнал, чем Bongwoori, но имел аналогичную кинетику, мы чувствовали, что это будет лучше датчик для обнаружения потенциалов действия. Чтобы определить полезность Bongwoori-R3 для мониторинга нейрональной активности, мы сравнили оптические сигналы, возникающие в результате индуцированных потенциалов действия в нейронах гиппокампа, экспрессирующих Bongwoori-R3, с другими GEVI, состоящими из VSD, полученных из чувствительных к напряжению белков фосфатаз, включая ArcLight 1 , ASAP -1 24 и Бонгвури.На рисунке 5 сравнивается оптический сигнал этих GEVI в ответ на потенциалы действия из трех различных областей клетки, сомы (красный след) и двух отдельных процессов (темно-синий и желтый следы). В то время как все конструкции были способны оптически разрешать потенциалы действия, независимо от того, какой участок клетки исследовали, Bongwoori-R3 неизменно давал наиболее устойчивые оптические сигналы в ответ на потенциалы действия. Bongwoori-R3 имел SNR, сравнимый с ArcLight, и вдвое больше, чем у ASAP-1 (Таблица 3).ASAP-2f не тестировался, поскольку его физические параметры практически такие же, как у ASAP-1, за исключением ASAP-2f, дающего больший сигнал при гиперполяризации мембранного потенциала от -70 мВ до -120 мВ 25 .

Рисунок 5

Сравнение способности различных GEVI разрешать потенциалы действия. ( A ) Оптические следы из трех разных областей (сома – красный, отростки – синий и желтый) культивируемых нейронов гиппокампа мыши, экспрессирующих ArcLight, ASAP-1, Bongwoori, Bongwoori-Pos6 или Bongwoori-R3 под зажимом тока всей клетки режим.Цифры над каждой кривой относятся к интенсивности флуоресценции (а.е., произвольная единица) выбранных пикселей. ( B ) Сравнение размера сигнала различных GEVI, усредненного из пикселей, соответствующих соме. Нижняя белая область гистограммы отображает величину оптического ответа на подпороговую деполяризацию плазматической мембраны. Серая заштрихованная область соответствует размеру оптического сигнала во время всплеска потенциала действия. ( C ) Отношение размера пика к общему сигналу для оптического сигнала, усредненного в ( B ) (n.с., не имеет значения). ( D ) Два нейрона гиппокампа, экспрессирующие Bongwoori-R3. Ячейка слева работает с частотой 65 Гц. Клетка справа демонстрирует более низкую флуоресценцию, но все же дает устойчивый оптический сигнал в ответ на потенциалы действия. Планки погрешностей и заштрихованная область представляют собой стандартную ошибку среднего. Число потенциалов действия (техническая репликация), усредненное для каждой клетки, проанализированной на фиг. 5B и C, является следующим; 3, 5 и 4 для ArcLight, 5, 3 и 4 для ASAP1, 3, 3 и 5 для Bongwoori, 4, 4 и 3 для Bongwoori-Pos6 и 4, 4 и 4 для Bongwoori-R3.Значения p для рис. 5C составляли 0,0349 для ArcLight и Bongwoori-R3,> 0,9999 для ASAP-1 и Bongwoori-R3,> 0,9999 для Bongwoori и Bongwoori-R3 и 0,8284 для Bongwoori-Pos6 и Bongwoori-R3. Звездочка в C указывает на статистически значимую разницу между сравниваемыми средними (* p <0,05). Шкала шкалы = 20 мкм.

Таблица 3 Характеристики GEVI, разрешающих вызванные потенциалы действия культивированных нейронов гиппокампа мыши.

На рисунке 5 также показано влияние зависимости GEVI от напряжения на оптический сигнал.С V 1/2 , близким к нулю мВ, Bongwoori-R3 дает лучший «контраст» для пиковой активности нейрона. В то время как Bongwoori-Pos6 имеет кинетику, аналогичную Bongwoori-R3, V 1/2 смещен в сторону подпороговых потенциалов, тем самым уменьшая контраст пиковой активности (рис. 5C). Несмотря на то, что Bongwoori-R3 не так быстр, как ASAP-1 (время около 2 мс) 26 , его больший размер сигнала (и приличная скорость) позволяют Bongwoori-R3 лучше разрешать потенциалы действия, стреляющие с частотой до 65 Гц. (Инжир.5D). В самом деле, конструкции CC1-Pos6 и D164N-Pos6 не устраняют пиковую активность в нейронах так же, как Bongwoori-R3 (дополнительный рисунок 2).

Базовый дрейф флуоресценции для Bongwoori при экспрессии в нейронах происходит из-за подкисления потенциалов активации клеток.

Одним из недостатков оригинальной публикации Bongwoori было то, что для нейронных записей базовая флуоресценция имела тенденцию к дрейфу. Хотя дрейф базовой линии не препятствовал разрешению потенциалов действия, запускаемых с частотой 60 Гц, нам было любопытно, почему дрейф наблюдался только в записях нейронов, а не тогда, когда Bongwoori экспрессировался в клетках HEK 4 .

Bongwoori, Bongwoori-Pos6 и Bongwoori-R3 все содержат FP, чувствительный к физиологическому pH 27, 28 , который имеет отрицательный заряд снаружи структуры β-банки. Мы недавно сообщили о влиянии pH на оптический сигнал для другого GEVI, Pado, который использует тот же FP, слитый с VSD из потенциалозависимого протонного канала 15 . Поскольку дрейф базовой линии для Pado был ответом на изменение внутриклеточного pH, мы проверили, реагирует ли Bongwoori-R3 на закисление нейрона во время активации потенциалов действия.Чтобы визуализировать эффекты pH, нейроны трансфицировали фарнезилированной версией SE 227D 15 , которая чувствительна к физиологическому pH, но не к напряжению (нет VSD), и подвергали токовым зажимам для индукции потенциалов действия. На рис. 6 показано явное уменьшение флуоресценции в ответ на срабатывание потенциалов действия. Это не отбеливание, так как базовый уровень остается неизменным после завершения текущей закачки. Дрейф базовой линии не препятствует разрешению потенциалов действия Bongwoori-R3, как это видно на рис.6. Базовое изменение было более выраженным в процессах, чем в соме (рис. 6), потенциально из-за более высокой буферной способности сомы. Известно, что нейроны окисляются при срабатывании потенциалов действия 29 . В соответствии с этим, величина изменения базовой флуоресценции коррелировала с количеством задействованных потенциалов действия (дополнительный рисунок 3). Обычно мы не пытаемся отобразить высокочастотные потенциалы действия в нейронах, экспрессирующих ArcLight, поскольку это более медленный зонд с тау-импульсом 10 мс (быстрый компонент) и тау-откликом более 30 мс 1 .Однако ArcLight смог разрешить всплески на частоте около 35 Гц, хотя контраст для всплесков был ниже, чем у Bonwoori-R3 (рис. 6). ArcLight также демонстрирует такой же фоновый эффект, как у Bongwoori.

Рисунок 6

Дрейф базовой линии происходит из-за закисления нейрона во время возбуждения потенциалов действия. Культивированные нейроны гиппокампа, экспрессирующие фарнезилированную версию FP, SE 227D, которая является pH-чувствительной, Bongwoori-R3 или ArcLight. Для определения роли флуоресцентных эффектов, индуцированных pH, закрепленная за липидом версия SE 227D экспрессировалась в нейронах гиппокампа и подвергалась воздействию потенциалов действия.Культивированный нейрон гиппокампа, экспрессирующий Bongwoori-R3, обеспечивает оптическое разрешение потенциалов действия и позволяет сравнивать исходные изменения в соме с процессами. Нейрон, экспрессирующий ArcLight, также способен разрешать потенциалы действия и демонстрирует дрейф базовой линии из-за pH. Красный след от сомы. Синие и желтые следы от процессов. Шкала шкалы = 20 мкм.

Корреляция пикселей на основе изменения флуоресценции позволяет оптическое восстановление клетки на основе нейронной активности

Возникающая проблема для визуализации напряжения в срезе или in vivo – это обработка собранных данных.Конечная цель – больше не использовать электроды и использовать только свет для записи нейронов. Но как определить, какие пиксели выбрать для исследуемых областей? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вычислили для каждого пикселя коэффициент корреляции Пирсона изменения флуоресценции к изменению напряжения от лучших нейронов, выражающих ArcLight, ASAP-1, Bongwoori-Pos6 или Bongwoori R3 (рис. 7A). Затем для каждой конструкции извлекался пиксель, показывающий наивысший коэффициент (рис.7Б). Примечательно, что нефильтрованный след от одного пикселя для Bongwoori-R3 все еще был способен оптически определять потенциалы действия. Даже пиксель из нейрона, экспрессирующего Bongwoori-R3 с более низким уровнем света и, следовательно, более низким уровнем SNR, был способен разрешить потенциалы действия (рис. 7B, синяя кривая и таблица 4).

Рис. 7

Единичное испытание, одиночные пиксельные кривые, демонстрирующие самую высокую корреляцию изменения флуоресценции с напряжением. ( A ) Матрица коэффициентов корреляции флуоресценции Пирсона с напряжением.Наивысшее значение коэффициента отображается белым цветом. ( B ) Красные стрелки указывают положение пикселя с наивысшим коэффициентом корреляции. Синяя стрелка указывает на пиксель с более низкой интенсивностью флуоресценции. Цифры под каждым изображением относятся к интенсивности флуоресценции (в произвольных единицах, а.е.) выбранных пикселей. Пиксельные сигналы показаны нефильтрованными (вверху) и с фильтрами нижних частот (посередине). Электрическая запись показана для сравнения (внизу). ( C ) Верхние 5% пикселей с наивысшим коэффициентом корреляции и соответствующими средними следами.( D ) Среднеквадратичное отклонение оптических следов в ( C ) по сравнению с сигналом напряжения. ( E ) Сигнал Bongwoori-R3 от одного пикселя с наивысшим коэффициентом корреляции. Для фильтрации применялся Гауссов фильтр нижних частот с частотой среза 100 Гц. Планки погрешностей представляют собой стандартную ошибку среднего. Звездочки в ( D ) указывают на статистическую значимость (* p <0,05, ** p <0,01, *** p <0,001 и n.s .: не значимо). Масштабные линейки: 20 мкм.

Таблица 4 Характеристики GEVI, проанализированных по наиболее коррелированным пикселям.

Расширение области интереса для включения верхних 5% пикселей, коррелированных с напряжением, улучшило отношение сигнал / шум (рис. 7C). Чтобы количественно оценить, как эти оптические отклики соответствуют электрическим сигналам, мы вычислили среднеквадратичное отклонение после нормализации амплитуды (рис. 7D). В то время как ArcLight показал самый большой размер сигнала и SNR для вызванных потенциалов действия, ArcLight также показал самое большое отклонение оптического отклика на сигнал напряжения. Bongwoori-Pos6 показал большее отклонение оптического сигнала от кривой напряжения из-за его чувствительности к напряжению, смещенной влево.Оптические сигналы верхних 5% коррелированных пикселей от Bongwoori-R3 и ASAP-1 показали наилучшее совпадение.

Затем мы разработали метод определения интересующей области, которая не зависит от электрической записи, используя преимущества способности отдельных пикселей (примерно один мкм 2 плазматической мембраны нейрона) разрешать потенциалы действия. Мы предлагаем простой метод, основанный на попиксельной корреляции трасс флуоресценции, чтобы построить маску из n произвольно выбранного количества пикселей и объективно определить интересующие области (см. Методы).Эта корреляция аналогична, но отличается от корреляции, используемой для GEVI, Arch 30 , которая требовала взвешенной матрицы, не необходимой для Bongwoori-R3. Сначала мы ограничили этот анализ для разных временных окон записи. Выбор подпорогового состояния и состояния покоя давал случайные области интереса, как и ожидалось по корреляции следов шума, в то время как срабатывание потенциалов действия точно реконструировало геометрию ячейки (рис. 8).

Рисунок 8

Определение областей нейрональной активности безэлектродным методом для Bongwoori-R3.Вверху, электрическая запись нейрона, экспрессирующего Bongwoori-R3 с рис. 7. Цветные прямоугольники соответствуют различным временным окнам, используемым для корреляционного анализа. Внизу, интересующие области, вычисленные во время подпорогового состояния, состояния покоя и потенциалов действия для произвольного числа n = 1000 пикселей или n = 2000 пикселей.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

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

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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


Что сохраняется в файле cookie?

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

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

Трехмерное изображение светового поля с субклеточным разрешением с генетически закодированными индикаторами напряжения

1.

Введение

Сотовая визуализация с разрешением по напряжению позволяет напрямую наблюдать за нейронными вычислениями. Действительно, эксперименты по визуализации мембранного потенциала позволили пространственно-временному разрешению как активного, так и пассивного действия, а также генерации синаптического потенциала во всех дендритных и аксональных ветвях. 1 14 Разрешение этих малых сигналов напряжения на высоких скоростях требует высоких потоков фотонов, что делает однофотонное (1P) изображение с широким полем наиболее распространенным методом визуализации напряжения.Для визуализации нейронных процессов с помощью этого метода необходимо, чтобы отображаемые мембраны лежали приблизительно ровно в фокальной плоскости микроскопа. Поскольку эти эксперименты обычно проводятся в срезах, потребность в плоских, здоровых и поверхностных клетках представляет собой значительный барьер для входа экспериментаторов. Даже в наиболее подготовленных срезах анатомия диктует, что только несколько клеток будут ориентированы параллельно поверхности, что снижает производительность экспериментов, и только определенные типы клеток имеют морфологию, которая может быть хорошо проанализирована с помощью одной плоскости.Итеративная трехмерная (3-D) визуализация в широком поле с помощью физической перефокусировки часто оказывается несостоятельной из-за быстрого обесцвечивания образца. Было разработано несколько подходов к улучшению трехмерных характеристик изображения с широким полем зрения. Ансельми и др. 15 применяет дистанционную фокусировку для осевого смещения и наклона фокальной плоскости широкого поля в соответствии с требованиями образца, что позволяет получать изображения кальция вдоль наклонных дендритов. Однако эта адаптация требует половины флуоресцентного излучения и ограничивается одной наклонной плоскостью за раз.Разработка функции рассеяния точки (PSF) с помощью кубических фазовых масок 16 или сферической аберрации 17 также позволяет формировать параллельные объемные изображения образца в сочетании с возбуждением световым листом; однако, насколько нам известно, эти подходы не были успешно реализованы для изображения мембранного напряжения.

Отсутствие оптических срезов с широкопольным 1P-изображением еще больше усложняет ситуацию. Свет от расфокусированных структур загрязняет сфокусированные сигналы, затрудняя распределение сигналов по аксиально разделенным процессам.Эту проблему сложно решить с помощью традиционных подходов к конфокальной или двухфотонной микроскопии с оптическим сечением, поскольку они представляют собой точечное сканирование. Последовательная выборка каждого пикселя значительно уменьшает полосу пропускания изображения, а высокая частота кадров, необходимая для изображения напряжения, требует короткого времени задержки и, следовательно, небольшого количества собираемых фотонов. Это ограничивает отношение сигнал / шум (SNR), ограниченное пуассоновским шумом, до низких уровней, делая отображение точечного сканирования напряжением применимым к ограниченному количеству экспериментальных парадигм. 12 , 18 20

Распараллеливание возбуждения флуоресценции с множественными пятнами, 21 27 вращающиеся диски, 28 , капли 29 , 31 линий, 32 34 листов, 35 42 или заданные шаблоны 43 47 увеличивает бюджет фотонов или функциональную объемную визуализацию одноплоскостная визуализация на повышенных скоростях.Небольшое количество из них было применено для визуализации напряжения в двух измерениях, 26 , 33 , 44 , 47 , однако они не могут отображать нейронные процессы в 3D. Многие из этих методов также приносят компромисс между сниженной устойчивостью к рассеянию по сравнению с модальностями одноточечного сканирования для повышенного возбуждения от распараллеливания.

Параллельная трехмерная двухфотонная визуализация с удлиненными лучами Бесселя 48 , 49 или стереоскопический наклон 50 лучей возбуждает узкие колонки флуоресценции и полагается на временную и пространственную разреженность мечения и активности для разделения временных курсов от разные плоскости z.Это увеличивает объемную скорость, но каждый столбчатый пиксель по-прежнему адресуется последовательно, ограничивая полосу пропускания. Эти методы использовались для изображения переходных процессов флуоресценции кальция, но еще не напряжения.

Светопольный микроскоп (LFM) 51 позволяет реконструировать трехмерные объемы из одинарных двумерных (2-D) изображений камеры, расширяя возможности получения изображений в широком поле, сохраняя при этом беспрецедентную эффективность возбуждения и сбора флуоресценции. Это достигается путем вставки матрицы микролинз (MLA) в исходную плоскость изображения микроскопа и размещения датчика изображения в его задней фокальной плоскости [Рис.1 (а)]. Это рассеивает угловые составляющие полученного изображения [Рис. 1 (b)], который может использоваться для определения осевого положения объектов. Каждое LFM-изображение состоит из круглых подизображений [Рис. 1 (c)], причем каждое частичное изображение напоминает пиксель в изображении сцены с недостаточной дискретизацией. Внутри каждого кругового фрагмента изображения каждое местоположение пикселя кодирует различную угловую выборку через объект, пересекающийся с местоположением фрагмента изображения, столбчатая томографическая проекция через образец. 53 Изображения в световом поле обычно параметризуются четырехмерной (4-D) функцией L (u, v, x, y), где каждое частичное изображение линзы – это L (u, v, ·, ·) и то же самое. конкретный пиксель под каждым фрагментом изображения – L (·, ·, x, y).«Собственное разрешение LFM», с которым производится выборка объекта по горизонтали, определяется шагом микролинз, деленным на увеличение объектива, что намного хуже, чем соответствующее разрешение в широком поле. Взамен микролинзы предоставляют информацию об углах, которую можно использовать для визуализации видов объекта с разных точек зрения, фокусировки на разных плоскостях и восстановления трехмерных объемов из одного двухмерного кадра. Этот метод преобразует ключевой недостаток возбуждения флуоресценции 1P с широким полем, отсутствие оптических секций, в преимущество, поскольку свет, находящийся вне фокуса, передает трехмерную информацию об образце.

Рис. 1

Световая микроскопия позволяет одновременно фокусировать на аксиально разделенных дендритах. (а) Диаграмма LFM. (b) Псевдоцветная z-проекция стека изображений с широким полем через помеченную GEVI ячейку. Глубина имеет цветовую кодировку от красного (поверхностный) до желтого (глубокий). Отдельные дендриты следуют извилистыми путями во всех трех измерениях, поэтому они не могут быть сфокусированы одновременно в WFM. (c) Изображение той же ячейки в светлом поле, показывающее структуру изображений в светлом поле. Каждое пятно на изображении светового поля представляет собой пространственную выборку (координаты x, y) углового распределения лучей (координаты u, v) в этой точке.Эта угловая и пространственная информация может использоваться для восстановления объема из одного изображения. (d) Широкоугольное изображение одиночной клетки с наилучшей фокусировкой, показывающее частично сфокусированные дендритные структуры. (e) Три различных изображения, восстановленные из изображения в световом поле: (e1) и (e2) – деконволюция отдельных осевых плоскостей, показывающих отдельные дендриты, видимые не в фокусе на широкоугольном изображении. (e3) Z-проекция восстановленного объемного изображения светового поля, показывающая сфокусированные участки восстановленных дендритов.Рисунок адаптирован из Quicke 52 CC BY-SA 4.0.

Были описаны два известных алгоритма восстановления объемов источника из изображений LFM, а именно синтетическая перефокусировка 51 и 3-D деконволюция. 53 Синтетическая перефокусировка основана на лучевой оптической модели формирования изображения LFM для восстановления изображений с исходным разрешением LFM, эквивалентным разрешению широкоугольного микроскопа (WFM), сфокусированного в любой осевой плоскости в образце. Фокальные стеки могут быть сгенерированы аналогично стандартным z-стекам микроскопов путем комбинирования изображений, реконструированных на нескольких осевых глубинах.Каждый пиксель перефокусированного изображения представляет собой взвешенную сумму пикселей изображения в светлом поле, что означает быструю перефокусировку. Однако восстановленные изображения страдают от того же размытия из-за отсутствия оптических секций, что и стандартный WFM.

Альтернативный подход основан на восстановлении объема источника с использованием прямой модели формирования изображения светового поля (LFM PSF) на основе волновой оптики. 53 Подходы итеративной деконволюции, такие как Ричардсон – Люси (RL) 54 , 55 или алгоритм реконструкции пространства изображения (ISRA), 56 найти объем источника максимального правдоподобия с учетом измеренного изображения и LFM PSF при наличии пуассоновского (RL) или гауссовского (ISRA) шума.Этот подход позволяет реконструировать объемы источников с разрешением по горизонтали, превышающим исходное разрешение LFM (шаг MLA в образце), используя точную выборку томографических проекций LFM. 53 Эта реконструкция с повышенным разрешением не работает там, где томографическая выборка является вырожденной, особенно вокруг собственной фокальной плоскости микроскопа. Объем источника также восстанавливается с меньшим осевым размытием, чем в случае перефокусировки, что увеличивает различимость осевого сигнала.

В новых конструкциях светового поля значительно улучшены характеристики LFM и устранена дегенеративная выборка в исходной фокальной плоскости. LFM высокого разрешения смещает вырожденную дискретизацию от исходной фокальной плоскости, обеспечивая реконструкцию объекта с более высоким разрешением 57 . Cohen et al. 58 удалил вырождение дискретизации и улучшил реконструкцию, поместив фазовую маску в заднюю фокальную плоскость объектива. Особенно важно то, что Фурье LFM 59 , 60 изменяет конструкцию LFM для размещения MLA в плоскости Фурье микроскопа.Эта конструкция снижает вычислительные затраты на реконструкцию из-за ее латерально инвариантной PSF, а также не страдает от проблем реконструкции вокруг собственной фокальной плоскости. Однако периодичность PSF действительно приводит к артефактам реконструкции, требующим уменьшения поля зрения (FOV) для удаления. Недавно Лю и др. 61 дополнительно улучшил LFM с особенно многообещающим дизайном, удалив артефакты реконструкции с использованием случайного MLA и увеличив восстанавливаемую глубину резкости с помощью микролинз с разным фокусным расстоянием.

Константы электрической длины в нейронах имеют масштаб от десятков до сотен микрон, что делает увеличение поперечного размера пикселя менее невыгодным для визуализации напряжения. Чрезмерное разрешение электрических флуктуаций путем формирования изображения на дифракционном пределе или ниже его обычно не требуется и может даже повредить SNR, увеличивая относительное влияние непуассоновского шума, такого как шум чтения. Поэтому в экспериментах по построению изображения напряжения часто приносят в жертву пространственное разрешение ради увеличения скорости или отношения сигнал / шум. Во многих таких экспериментах используются высокочувствительные ПЗС-сенсоры с низким уровнем шума считывания и малым количеством пикселей, причем пиксели часто имеют размер несколько микрон в плоскости образца.Даже с детекторами с большим количеством пикселей относительно низкая чувствительность многих датчиков напряжения означает, что несколько пикселей часто объединяются для увеличения отношения сигнал / шум до приемлемого уровня. Следовательно, уменьшенная собственная частота дискретизации в поперечном направлении LFM хорошо подходит для построения изображения напряжения, а деконволюция временных рядов отображения напряжения LFM может быть реализована без передискретизации для снижения вычислительных затрат.

LFM успешно визуализировал кальций в больших объемах у C. elegans и рыбок данио, 62 , 63 , а также у мышей с фиксированной головой и ведущих мышей. 64 66 Динамика напряжения также была успешно визуализирована без разрешения отдельных клеток у Drosophila 67 и личинок рыбок данио 60 в рамках установок визуализации всего мозга наряду с визуализацией кальция. LFM, насколько нам известно, не применялся для изучения динамики напряжения субклеточного или одноклеточного разрешения в любом образце, несмотря на его очевидную пригодность. В этом исследовании мы применяем LFM для визуализации субклеточного генетически кодируемого индикатора напряжения (GEVI) в острых срезах мозга мышей.Мы комбинируем этот метод с недавно описанной трансгенной стратегией, управляющей разреженной экспрессией в случайном подмножестве кортикальных пирамидных нейронов 2/3 слоя, что позволяет разрешать сигналы напряжения на уровне одной клетки в соматах и ​​дендритах нейронов. 68 , 69

Мы демонстрируем, что LFM может одновременно отображать аксиально разделенные дендриты, обеспечивая однократный захват и локализацию переходных процессов флуоресценции GEVI в 3-D дендритной ветви.Мы сравниваем и оцениваем деконволюцию и синтетическую перефокусировку для различных приложений визуализации GEVI, используя при этом подход грубой деконволюции без боковой передискретизации, чтобы снизить вычислительные затраты. Мы также применяем недавно разработанный LFM расчет PSF 70 для объективов с высокой числовой апертурой. Мы показываем, что LFM обеспечивает трехмерную локализацию дендритных и соматических переходных процессов флуоресценции GEVI, и сравниваем степень, в которой перефокусированные и деконволютированные световые поля обеспечивают латеральную и осевую переходную локализацию.Наконец, мы сравниваем временное соотношение сигнал / шум между LFM и WFM.

2.

Методы

В этом разделе воспроизводятся методы, описанные Quicke. 52 Мы разработали наш LFM в соответствии с принципами, изложенными Levoy et al. 51 Мы адаптировали систему формирования изображений с широким полем, разместив MLA в плоскости изображения микроскопа, и использовали релейную линзу 1: 1 (Nikon 60-мм f / 2,8 D AF Micro Nikkor Lens) для изображения задней фокальной плоскости MLA. на наш чип камеры [ORCA Flash 4 V2, 2048 × 2048 пикселей, 6.Размер пикселя 5 мкм, Хамамацу, см. Рис. 1 (а)]. Поперечное разрешение определяется шагом MLA, деленным на увеличение объектива. Используя наш объектив 25x (1.0 NA, XLPLN25XSVMP, Olympus), мы выбрали нашу систему с боковыми пикселями 5 мкм, что соответствует шагу микролинз 125 мкм.

Осевое разрешение определяется количеством разрешаемых дифракционно-ограниченных пятен за каждой микролинзой. 51 Предполагая центральную длину волны излучения 550 нм для mCitrine, донора резонансной передачи энергии Ферстера (FRET) в VSFP-Butterfly 1.2, 71 размер пятна в плоскости камеры составляет 6,46 мкм с использованием критерия Воробья. Используя MLA с шагом 125 мкм, мы можем разрешить Nu = 19 различных пятен под каждой микролинзой. Таким образом, осевое разрешение при синтетической перефокусировке нашего LFM можно рассчитать как 7,81 мкм. 51

Для эффективного использования сенсора камеры выходной зрачок объектива должен отображаться через MLA для создания кругов на плоскости светового поля, которые только соприкасаются, требуя, чтобы f-число на стороне изображения объектива (f / 12.5) равны f-числу MLA. Мы выбрали f / 10 MLA (MLA-S125-f10, RPC Photonics), стандартную модель, которая была близка к соответствию, но имела большую диафрагму.

2.1.

Imaging

Это исследование было проведено в соответствии с рекомендациями Закона Великобритании о животных (научные процедуры) 1986 года в рамках проекта Home Office и личных лицензий (лицензии на проекты 70/7818 и 70/9095). Срезы получали от четырех мышей в возрасте 31, 32, 32 и 175 дней, трансгенно модифицированных для редкой экспрессии VSFP-Butterfly 1.2 71 с использованием метода, ранее описанного Quicke et al. 68 и Song et al. 69 Эти трансгенные мыши экспрессируют GEVI в пирамидных нейронах кортикального слоя 2/3 под перекрестным контролем TetO и дестабилизированной Cre-рекомбиназы. 72 74 Дестабилизированная Cre-рекомбиназа была стохастически рестабилизирована для индукции разреженной экспрессии индикатора напряжения посредством двух IP-инъекций в общей сложности 2 × 10-4 мг / кг триметоприма (TMP, Sigma) более двух последовательные дни, как описано Song et al. 69

Срезы получали по меньшей мере через 2 недели после инъекции TMP с использованием метода, адаптированного из Ting et al. 75 (метод «защитного восстановления» 76 ). Срезы размером 400 мкм были нарезаны на микротоме Camden 7000 в ледяной среде 95% O2 / 5% CO2 оксигенированной искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), содержащей: (в мМ) 125 NaCl, 25 NaHCO3, 20 глюкозы, 2,5 KCl, 1,25 Nah3PO4, 2 MgCl2. , и 2 CaCl2. Затем срезы немедленно переносили в NMDG-ACSF 75 , содержащий: (в мМ) 110 N-метил-D-глюкамин, 2.5 KCl, 1,2 Nah3PO4, 25 NaHCO3, 25 глюкоза, 10 MgCl2, 0,5 CaCl2, доведены до 300-310 мОсм / кг, pH 7,3-7,4 с помощью HCl и насыщены кислородом 95% O2 / 5% CO2 при 36 ° C в течение 12 мин. перед переносом обратно в исходный натрийсодержащий ACSF в течение как минимум часа перед наложением заплат и визуализацией.

Флуоресцентные клетки закрывали под косым инфракрасным освещением (780 нм) пипетками с сопротивлением от 3 до 10 МОм при заполнении внутриклеточным раствором, содержащим: (в мМ) 130 K-глюконат, 7 KCl, 4 ATP-Mg, 0,0.3 GTP-Na, 10 фосфокреатин-Na и 10 HEPES представляют собой 4- (2-гидроксиэтил) -1-пиперазинэтансульфоновую кислоту. Мы оцифровали сигналы токовых клещей (дигитайзер Power 1401; Cambridge Electronic Design) с усилителя Multiclamp 700B (Axon Instruments). При комнатной температуре мы получали изображения со скоростью 100 кадров в секунду в течение 2,5 с при подаче импульсов тока длительностью 50 и 100 мс. Для обнаружения потенциалов действия с помощью этого индикатора напряжения достаточно изображения 100 Гц из-за медленной кинетики индикатора. Этот GEVI, в отличие от недавно разработанных индикаторов или органических красителей напряжения, передает сигнал мембранного напряжения через фильтр нижних частот.Во-вторых, как обсуждалось Quicke et al., 68 более низкая частота кадров может быть полезна для обнаружения всплесков низкого отношения сигнал / шум, поскольку сигнал дополнительно фильтруется нижними частотами с помощью периода интеграции камеры, а более длительный период кадра позволяет собирать больше фотоны, увеличивая дробовой шум, ограничивают SNR. Более высокая частота кадров лучше разрешает время и кинетику потенциала действия. Каждый импульс вызывал деполяризацию до порога, вызывающего единичный потенциал действия или всплеск двух-трех потенциалов действия. Мы подключили 490-нм светодиод (M490L4, Thorlabs) к источнику постоянного тока (Keithley Sourcemeter 1401) для освещения образца с мощностью от 3 до 11 мВт / мм2.Наборы временных рядов светового поля и захвата временных рядов широкого поля чередовались путем удаления и замены MLA вручную. Мы усредняли от 4 до 16 разверток для каждого условия визуализации. Светодиод коллимировали асферической линзой f = 16 мм (ACL25416U0-A, Thorlabs) и фильтровали с помощью возбуждающего фильтра 475/28 нм (FITC-EX01-CLIN-25, Semrock). Флуоресценцию собирали с использованием дихроичного длиннопроходного фильтра с длиной волны 495 нм (FF495-Di03, Semrock) вместе с собирающим фильтром 550/88 нм (FF01-550 / 88, Semrock) и 496 длиннопроходными фильтрами (Semrock FF01-496 / LP) для ослабления любого возбуждающего света, передаваемого дихроичным.Данные изображений были получены с помощью Micromanager. 77 Сомы изображенных клеток лежат на 11-40 мкм ниже поверхности среза со средней глубиной 29 мкм. Все эти клетки лежат в пределах длины свободного пробега фотонов на поверхности среза, 78 , и наши методы реконструкции не учитывают тканевое рассеяние. Данные были проанализированы с помощью пользовательских скриптов Python с использованием пакетов SciPy. 79

2.2.

Реконструкция светового поля

Мы реконструировали объемы источников, используя два метода, чтобы сравнить их характеристики для данных напряжения одной ячейки.Мы рассчитали объемные временные ряды (x, y, z, t) с использованием синтетической перефокусировки, 51 и ISRA 56 , 62 с использованием PSF, рассчитанного с использованием метода, описанного в следующем разделе. Деконволюция RL 53 55 также была протестирована на данных, однако наблюдалась небольшая заметная разница в результатах.

2.2.1.

Расчет PSF светового поля

Мы рассчитали PSF LFM иначе, чем описано ранее, 53 , используя метод, описанный Quicke 52 и Quicke et al. 70 Вкратце, чтобы вычислить поле в MLA, мы рассмотрели, как линза объектива с высокой числовой апертурой собирает поле от колеблющегося электрического диполя в позиции r вблизи фокуса микроскопа, | r | ≪f, в начале координат, вычисляя Преобразование Фурье поля в задней фокальной плоскости объектива. Мы предположили, что можем смоделировать поведение точечного источника, состоящего из случайно ориентированных флуоресцентных молекул, как некогерентную сумму диполей вдоль трех ортогональных направлений. Затем мы использовали тот же метод, что описан Broxton et al. 53 для моделирования передачи через MLA и на камеру.

Мы рассчитали PSF для деконволюции изображений GEVI для излучения 550 нм. Мы не делали избыточную дискретизацию деконволюции, поскольку разрешение сигналов напряжения обычно требует усреднения пикселей до приблизительно собственного разрешения LFM. Поэтому мы сгенерировали одно ядро ​​светового поля для каждой глубины путем усреднения по ядрам, отобранным для точечных источников в разных боковых положениях под микролинзой, взвешивая каждую точку в среднем с помощью функции двумерного окна Хэмминга шириной, равной нашей шаг микролинз.Мы усреднили по ядрам, отобранным с разрешением в пять раз выше, чем исходное разрешение микролинз. ISRA использовалась для деконволюции данных.

2.2.2.

Объемные реконструкции

Получив нашу субдискретизированную PSF, мы деконволюционировали объем, используя процедуру, аналогичную предыдущим исследованиям. Ключевое отличие состоит в том, что для каждой глубины реконструированного объема требовалась только одна двумерная свертка для прямой и обратной проекций соответственно, поскольку мы не увеличивали латеральную частоту дискретизации.Мы применили схему деконволюции независимо к каждому кадру временных последовательностей изображения, используя кластер для распараллеливания обработки данных. Деконволюция одного кадра занимала от 30 до 40 минут на 21 итерацию деконволюции 21 плоскости z на одном процессоре. Мы использовали большой кластер для одновременной обработки отдельных кадров, что позволило обработать 5000 кадров за ночь. Мы не использовали параллельный алгоритм в каждой деконволюции для использования, например, обработки графическим процессором, поскольку доступные нам вычислительные ресурсы лучше подходили для параллелизма данных.Как и в предыдущих исследованиях, это значительно увеличит скорость отдельных кадров, хотя также, вероятно, уменьшит количество одновременных кадров, которые можно было бы деконволюционировать для типичных конфигураций кластера.

Синтетическая перефокусировка, основанная на модели формирования изображения светового поля на основе лучевой оптики, представляет собой более простой подход к восстановлению объема, который также требует гораздо меньших вычислительных затрат. Изображения, сфокусированные на разной глубине z, могут быть построены путем комбинирования отдельных перспективных видов с использованием формулы, полученной Ng et al. 80 Линейная интерполяция в этом суммировании приводит к тому, что каждый пиксель является взвешенной суммой пикселей исходного изображения в светлом поле. Эта реконструкция намного быстрее, чем методы итеративной деконволюции, а также не страдает от усиления шума. 81

2.3.

Анализ временных рядов объема

2.3.1.

Влияние реконструкции на SNR

Чтобы сравнить влияние различных методов реконструкции на SNR сигнала напряжения, мы реконструировали отдельные плоскости из объемов в фокусе LFM.Мы сравнили синтетически переориентированные временные ряды с временными рядами, деконволюционированными с использованием ISRA для разных номеров итераций. Области интереса (ROI) были выбраны вручную для сомы и ее окружения и были идентичны для синтетически перефокусированных и деконволюционных томов.

Когда мы собирали флуоресценцию от донора VSFP-Butterfly 1.2 FRET, флуоресценция уменьшалась при деполяризации мембраны. 71 Следовательно, следы, показанные на рис. 2 и 3 перевернуты. Чтобы измерить SNR, мы рассчитали сигнал как значение пятого процентиля в течение периода стимула и релаксации 200 мс с вычитанием медианного значения 100 мс перед периодом стимуляции.Уровень шума рассчитывали как стандартное отклонение периода 350 мс при отсутствии внутриклеточного стимула тока.

Рис. 2

Сравнение различных методов реконструкции по ОСШ. (а) Временные ряды светового поля были собраны из функциональных сигналов напряжения от редко выраженных GEVI. (b) Временные ряды были извлечены из последовательностей сфокусированных изображений сомы с помощью перефокусировки (слева) и деконволюции ISRA (справа), а сигнал и шум были сравнены. (c) Деконволюция и перефокусировка сигналов сильно линейно коррелированы, что можно увидеть из построения графиков отдельных временных точек трассировки.Дополнительную дисперсию шума из-за деконволюции можно определить как остаток от линейной аппроксимации. Повышенный уровень сигнала можно увидеть как увеличенный градиент подгонки по наклону единицы (серая пунктирная линия). И (d) шум, и (e) сигнал монотонно увеличиваются с увеличением итерации деконволюции, что приводит к общему снижению (f) SNR с номером итерации. При низком числе итераций деконволюция и перефокусировка очень похожи. При большом количестве итераций отношение сигнал / шум уменьшается по сравнению с перефокусированным; тем не менее, увеличенное осевое сечение может по-прежнему мотивировать использование методов деконволюции.Сплошные линии представляют собой медианы n = 15 ячеек, а пунктирные линии указывают значения 25-го и 75-го процентилей. Кривые на (b) были получены в среднем из восьми разверток.

Рис. 3

Деконволюция LFM разрешает трехмерные локализованные сигналы напряжения. (a1) – (a3) ​​Временные графики и графики глубины-времени, показывающие сигналы из разных клеточных компартментов [показанные на (b)], локализованные на разных глубинах. (a1) Соматический сигнал максимален в фокальных плоскостях широкого поля и естественного светового поля, в то время как (a2) апикальный дендрит спускается в срез, а его область интереса располагается на 15 мкм глубже.Сигнал от базального дендрита (a3) ​​расположен поверхностно по отношению к соме, и его лучшую глубину фокуса трудно локализовать из-за широкой осевой протяженности перефокусированного сигнала. Базальные и апикальные переходные процессы дендритной флуоресценции в широкополосных временных потоках имеют меньшие сигналы, чем сигналы светового поля, поскольку они находятся вне плоскости при фокусировке на соме. (c) Нормализованный размер сигнала для каждой области интереса на разных (c1) деконволюционных и (c2) перефокусированных глубинах. Деконволюция увеличивает осевую локализацию сигналов.Данные представляют собой в среднем восемь разверток.

2.3.2.

Графики глубины-времени

Чтобы определить центр масс сигнала для различных областей интереса сотовой связи, мы извлекли временные курсы из каждой перефокусированной или деконволюционной глубины, а затем отфильтровали полученные двумерные массивы глубины-времени с медианным фильтром 11 отсчетов по оси времени (110 мс) и трех отсчетов по оси z (15 мкм).

2.3.3.

Сравнение отношения сигнал / шум в световом поле и в широком поле

Мы сравнили отношение сигнал / шум между испытаниями одной и той же ячейки для последовательностей изображений, полученных с помощью систем формирования изображений в широком поле и в светлом поле.Мы сравнили SNR между перефокусированными и широкопольными изображениями для одинакового количества повторов, используя ROI, рассчитанные как одинаковые для обоих методов визуализации. Для 8/12 клеток в наш LFM была введена дополнительная апертура, чтобы компенсировать хроматическую аберрацию, уменьшая светопропускную способность микроскопа от 1/2 до 3/4 во время визуализации в световом поле по сравнению с эквивалентными испытаниями в широком поле. Чтобы учесть это, отношение сигнал / шум для этих испытаний было скорректировано с коэффициентом, равным квадратному корню из отношения средней яркости первых испытаний изображений из испытаний в светлом поле и в широком поле.Микроскоп был перестроен для учета хроматической аберрации перед последними 4/12 ячеек, что означает, что расчетная светопропускная способность микроскопа была одинаковой при испытаниях в световом поле и в широком поле. Для этих испытаний в анализ был включен необработанный SNR.

2.3.4.

Анализ распространения сигнала

Мы сравнили поперечный и осевой разброс сигналов, используя метод, аналогичный нашей предыдущей работе. 68 Мы количественно оценили силу сигнала напряжения нейронов в каждом пикселе, чтобы создать 2-D или 3-D «карты активации», вычислив коэффициент временной корреляции временного хода каждого пикселя с начальным временным ходом из соматической области интереса.

Мы сравнили пространственные автокорреляции этих карт активации, чтобы количественно оценить средние перекрестные помехи между сигналами сотового напряжения. 68 В нашей предыдущей работе мы описали, как автокорреляцию можно использовать для количественной оценки средней мощности сигнала, которую ячейка вносит во временной ход конкретного пикселя, и количественно оценили этот эффект для этой подготовки с помощью WFM в двух измерениях. 68 В этой работе мы рассчитали трехмерные автокорреляции объемов светового поля и двумерные автокорреляции объемов широкопольного поля, используя свертку на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), задав центральные 10 × 10 пикселей автокорреляции со средним значением их периметра, чтобы удалить центральный шумовой пик.

3.

Результаты

3.1.

Световая микроскопия позволяет одновременно получать изображения аксиально разделенных дендритов.

Мы продемонстрировали способность LFM разрешать аксиально разделенные структуры путем визуализации клетки со сложной трехмерной дендритной ветвью с использованием обоих WFM [Рис. 1 (b)] и LFM [Рис. 1 (с)]. Ни одно плоское широкопольное изображение не могло одновременно сфокусировать все дендриты [Рис. 1 (d)]; тем не мение; в разных плоскостях из объема, реконструированного деконволюцией, можно было четко различить разные дендритные структуры [Рис.1 (e1) и 1 (e2)]. Те же самые клеточные особенности можно ясно увидеть в проекции стандартного отклонения через реконструированный стек LFM [Рис. 1 (e3)] и z-стек с широким полем через одну и ту же ячейку [Рис. 1 (b)], оба выступа через стопки с осевым приращением 1 мкм].

3.2.

Сравнение влияния различных методов реконструкции на отношение сигнал / шум

Низкая чувствительность GEVI означает, что отношение сигнал / шум имеет первостепенное значение в стратегиях анализа изображений напряжения, поэтому мы сначала сравнили эффективность подходов деконволюции и реконструкции с перефокусировкой на эта метрика.Мы реконструировали объемный временной ряд для 15 ячеек из временного ряда светового поля (LF) [Рис. 2 (a)] и извлекли оптические временные курсы из ROI по соме отдельной клетки в естественной фокальной плоскости и сравнили SNR между деконволютивными и перефокусированными объемами [Рис. 2 (б)]. Обычно используемые схемы итеративной реконструкции LFM подвержены усилению шума 82 , который увеличивается с увеличением номера итерации. Поэтому очень важно понимать, когда остановить итерационную схему. Ранняя остановка обеспечивает регуляризирующий эффект на схему деконволюции, уменьшая шумовое загрязнение в окончательной реконструкции за счет точности модели. 83 Мы использовали перефокусированные изображения в качестве базового сравнения для итерационного анализа из-за простоты их восстановления. Мы обнаружили, что для всех номеров итераций шум и уровень сигнала были увеличены деконволюцией, что увеличило чувствительность и дисперсию [Рис. 2 (в) –2 (д)]. Сигнал значительно увеличился с 0,3% (0,2%, 0,4%) [все результаты представлены как медианный межквартильный размах (IQR)] в перефокусированном временном ряду до 1,4% (0,9%, 1,7%) для 21 итерации деконволюционных трасс (подпись Вилкоксона ранг, n = 15, z = 0.0 и p = 0,0003). Шум значительно увеличился с 0,05% (0,04%, 0,08%) в перефокусированном временном ряду до 0,4% (0,3%, 0,5%) для 21 итерации развернутой трассы (знаковый ранг Уилкоксона, n = 15, z = 0,0 и p = 0,0002). Это привело к уменьшению отношения сигнал / шум с примерно такого же, как в случае перефокусировки [1.0 (0.8, 1.3)] для одной итерации деконволюции, примерно до половины, чем в случае перефокусировки [0.6, (0.4, 1.3)]. Мы также обработали временные ряды светового поля с помощью деконволюции RL и не обнаружили существенных различий по сравнению с ISRA.

3.3.

Световая микроскопия позволяет выявлять трехмерные локализованные и разделенные по оси сигналы напряжения

Затем мы исследовали ключевое преимущество визуализации светового поля с субклеточным разрешением: трехмерное отображение нейронных процессов. Достижение этого требует, чтобы сигналы от разных плоскостей были различимы при реконструкциях объема. Осевая различимость зависит от внутренних факторов, таких как осевое разрешение, а также от внешних факторов, таких как клеточная морфология и распространение сигнала из-за рассеяния ткани.Чтобы продемонстрировать разрешение субклеточных переходных процессов напряжения в 3D, мы реконструировали объемы 4-D (x, y, z, t) из временных рядов изображений светового поля и сравнили временные сигналы от ROI по различным дендритным и соматическим структурам во многих осевых плоскостях. .

Рисунок 3 демонстрирует способность LF-визуализации аксиально локализовать функциональные сигналы напряжения от нейронных процессов и, таким образом, отображать функциональную активность в 3D с SNR, недостижимым для любой эквивалентной системы с широким полем. Рисунки 3 (a1) –3 (a3) ​​показывают одноплоскостные и многоплановые временные курсы для трех различных областей интереса по клеточным компартментам от нейрона, распределенного по множеству осевых плоскостей.Соматическая рентабельность инвестиций [рис. 3 (a1)] в естественной фокальной плоскости как широкопольных, так и световых изображений содержит переходные процессы флуоресценции, вызванные потенциалом действия, приблизительно равные по размеру сигнала как для светового поля, так и для широкого поля (вверху). Графики «глубина-время» показывают функциональный сигнал, локализованный в родной фокальной плоскости в функциональных стеках LF (внизу). Напротив, ROI по апикальному дендриту [Рис. 3 (a2)] имеет самый большой сигнал, когда изображение LF перефокусировано на 15 мкм глубже в срез, а сигнал в эквивалентной области ROI с широким полем намного меньше.Графики глубина-время для этой области интереса как для деконволюции, так и для перефокусированных сумм также ясно показывают центр масс сигнала, расположенный глубже, чем собственная фокальная плоскость [Рис. 3 (в) 1 и 3 (в) 2, внизу]. Сигналы от базального дендрита [рис. 3 (a3)] аналогичным образом больше в LF-изображении, перефокусированном на 10 мкм меньше, чем собственная фокальная плоскость. Соответствующие графики зависимости глубины от времени показывают небольшое смещение центра масс сигнала на меньшую глубину, особенно в случае перефокусировки.

Графики зависимости размера сигнала от глубины для случаев перефокусировки и деконволюции [Рис.3 (c1) и 3 (c2)] показывают осевую локализацию в виде четко разных плоскостей для каждой области интереса, а также демонстрируют ключевое преимущество деконволюции перед перефокусированными реконструкциями: повышенная точность осевой локализации функциональных сигналов.

3.4.

Деконволюция увеличивает осевую локализацию функциональных сигналов напряжения

Переходные процессы от перефокусированных объемов демонстрируют большую осевую ширину PSF по сравнению с деконволюцией трасс [Рис. 3 (с)]. Следовательно, эти сигналы размыты, что снижает различимость вкладов сигналов от разных плоскостей.Чтобы количественно оценить этот эффект, мы создали объемы, показывающие распределение функционального сигнала. Мы сгенерировали временной ход из сфокусированной соматической области интереса и рассчитали временной коэффициент корреляции каждого пикселя в объеме для временных рядов перефокусированного и деконволюционного объема. Пиксели с высокими коэффициентами корреляции интерпретируются как имеющие большой отклик на инъекцию внутриклеточного тока, и поэтому их объемная карта показывает морфологию структур, через которые распространяется функциональный сигнал.Эти карты активации сигнала напряжения (рис. 4) позволили нам количественно оценить пространственное распределение сигнала от одних и тех же клеток с помощью различных методов визуализации. Карты активации, полученные при испытаниях изображений с широким полем зрения, показывают размытость вокруг сомы из-за расфокусированных базальных дендритов [Рис. 4 (а)]. Для сравнения, z-проекции из области 70 мкм вокруг сомы, полученные из деконволюционного активационного объема [Рис. 4 (b)] показывает структуры, вызывающие это размытие. Проекция через 70 мкм вокруг фокуса из перефокусированного случая показывает значительно большее размытие из-за плохого осевого сечения этого метода [Рис.4 (с)]. Мы использовали трехмерную автокорреляцию этих карт активации для количественной оценки распространения сигнала в трехмерном пространстве (см. Раздел 2.3.4). Измерение автокорреляции карт активации обеспечивает удобный метод сравнения средней поперечной и осевой ширины сигнала напряжения между подходами к реконструкции, поскольку сложные структуры, распределенные в 3D, автоматически «выравниваются». Автокорреляция сотового сигнала также может использоваться для количественной оценки вклада перекрестных помех сигнала от соседней ячейки к соседним пикселям. 68 С этой целью мы сначала количественно оценили, как пиковая автокорреляция от каждой ячейки и, следовательно, вклад функционального сигнала ослабевает в осевом направлении. Осевое размытие можно увидеть на реконволюциях как по деконволюции, так и по рефокусировке [Рис. 4 (г)], хотя на перефокусированных трассах эффект гораздо сильнее. Размытие проявляется в осевой автокорреляции как уширение центрального пика, так и увеличения боковых лепестков [Рис. 4 (е)]. Ширина центрального пика и боковые лепестки уменьшаются с увеличением числа итераций деконволюции [рис.4 (f) и 4 (g)], таким образом увеличивая осевое сечение.

Рис. 4

Отображение дендритных сигналов. (а) Широкополосное «активационное» изображение. Желтые пиксели содержат сигналы высокого напряжения, а синие пиксели содержат сигналы низкого напряжения или его отсутствие. (b) Деконволюционное изображение активации, суммарная проекция от -35 до +35 мкм, пять итераций деконволюции. (c) Перефокусированное активационное изображение, суммарная проекция от -35 до +35 мкм. (d) проекции максимальной интенсивности xz через (d1) деконволюцию и (d2) перефокусированные изображения активации, показывающие различные аксиальные сечения.(e) Средние проекции xz через автокорреляции. (f) Нормализованная максимальная автокорреляция для разных глубин из перефокусированных и деконволютированных активационных объемов LFM. Вторичные пики возникают из-за удлиненной аксиальной PSF, и их можно увидеть уменьшающимися по мере увеличения числа итераций. (g) Медианная осевая полуширина автокорреляции для n = 12 ячеек с номером итерации. Пунктирные линии представляют значения квартилей. Красная линия – это перефокусированная медианная ширина и заштрихованная область перефокусированного IQR. (h) Медианная поперечная ширина автокорреляции, нормализованная к поперечной ширине широкого поля для перефокусированных изображений (IQR красной и заштрихованной области) и различных итераций деконволюции (черные линии и пунктирные линии IQR).

Ширина автокорреляции значительно уменьшилась с 1 до 21 итерации [медиана снизилась с 42,5 (37,5, 47,5) до 22,5 (12,5, 23,75) мкм, z = 0 и p = 0,002], и для обоих случаев осевой разброс был значительно ниже, чем при перефокусировке [медиана 47,5 (47,5,52,5) мкм, p = 0,001 и p = 0,002 для 1 и 21 итераций, соответственно]. Тесты значимости были выполнены с использованием критерия Фридмана χ2 с апостериорными скорректированными по Бонферрони знаковыми ранговыми тестами Вилкоксона (значимость при p <0,017). Здесь n = 12 клеток из 12 срезов от четырех мышей.Фридмана χ2 = 24 и p = 6 · 10−6.

Наконец, мы сравнили, как деконволюция и рефокусировка повлияли на локализацию бокового сигнала по сравнению с эквивалентными временными рядами с широким полем [Рис. 4 (з)]. Мы измерили ширину радиально усредненных автокорреляций, нормированных на согласованные широкопольные испытания для случаев перефокусировки и деконволюции. Мы обнаружили, что латеральный разброс сигнала значительно уменьшился с 1 до 21 итераций [медиана снизилась с 1,05 (1,03, 1,18) раза больше, чем при испытаниях с широким полем, до 0.89 (0,73, 0,99) раз больше, Z = 0, p = 0,002], из значительно большего, чем широкое поле и перефокусированного на 1 итерации (z = 1, p = 0,003 и z = 0, p = 0,002, соответственно), до значительно меньшего, чем перефокусированный на 21 итерации (z = 0,0, p = 0,003). Перефокусированная ширина существенно не отличалась от аналогичных исследований с широким полем [медиана в 1,02 (0,99, 1,07) раза больше, z = 17 и p = 0,08]. Тесты значимости были выполнены с помощью критерия Фридмана χ2 с апостериорными скорректированными по Бонферрони знаковыми ранговыми тестами Вилкоксона для необработанных значений ширины (значимо при p <0.0083). Здесь n = 12 клеток из 12 срезов от четырех мышей. Фридмана χ2 = 26, p = 9 · 10−6 (рис.5).

Рис. 5

Сравнение SNR в светлом поле и SNR в широком поле. Точки соответствуют среднему SNR между парными испытаниями в светлом поле и широким полем. LFM SNR существенно не отличается от широкого поля. Для 8/12 испытаний мы включили поправочный коэффициент из-за смещения LFM, как описано в разд. 2.3.3.

В целом, наш анализ показывает, что деконволюция улучшает как осевую, так и латеральную локализацию сигнала, но снижает временное соотношение сигнал / шум по сравнению с синтетической перефокусировкой, причем оба эффекта усиливаются с увеличением числа итераций.

3.5.

SNR временного сигнала не зависит от формирования изображения светового поля

Мы измерили SNR для парных испытаний изображений широкого поля и перефокусированного светового поля в одних и тех же клетках. Для 8/12 испытаний мы включили поправочный коэффициент из-за смещения LFM, как описано в разд. 2.3.3. SNR существенно не изменился между случаями светлого поля и широкопольного поля (знаковый ранговый критерий Вилкоксона, n = 12 клеток из 12 срезов и четырех мышей, z = 32, p = 0,6), со средним значением SNR в светлом поле. из 8.4 (5,2, 11,4) и медианное отношение сигнал / шум в широком поле 10,0 (7,6, 11,9) (рис. 5). Мы измерили SNR для эквивалентных областей пикселей в сериях изображений с широким полем и световым полем, чтобы сравнить эти два метода. Это потенциально дает преимущество световому полю перед широким полем, поскольку более сложные области интереса могут использоваться с меньшими пикселями широкого поля, уменьшая пространственное усреднение сигнала и увеличивая размер сигнала. Мы ожидаем, что этот эффект будет небольшим для соматических областей интереса, которые мы использовали, так как пиксели, внешние по отношению к областям интереса, обычно все еще содержали сигналы рассеянного или дендритного напряжения, и поэтому увеличенная детализация широкопольных областей интереса не обеспечила бы большого преимущества в отношении отношения сигнал / шум.Кроме того, этот недостаток значительно улучшен в более поздних реализациях LFM, 57 , 59 , 61 , которые обычно имеют лучшее латеральное разрешение, особенно в фокальной плоскости LFM.

4.

Обсуждение

Мы показали, что LFM дает возможность трехмерной субклеточной визуализации GEVI соматических и дендритных структур. Мы продемонстрировали, что LFM позволяет одновременно получать изображения аксиально разделенных дендритов, преодолевая ключевое ограничение широкопольной визуализации.Мы также показали, что сигналы функционального напряжения от дендритов могут быть аксиально разрешены на разной глубине. Это открытие является ключом к демонстрации полезности LFM для изучения дендритной интеграции или синаптического картирования.

Мы сравнили эффективность методов синтетической перефокусировки и реконструкции на основе деконволюции в отношении пространственной локализации сигнала и временного отношения сигнал / шум. Синтетическая перефокусировка вычислительно проста и может использоваться для обработки световых полей онлайн, во время эксперимента или постфактум.Функции рефокусировки имеют лучшее временное соотношение сигнал / шум, но более плохое поперечное и осевое ограничение по сравнению с деконволюцией. Деконволюция имеет два основных недостатка: вычислительные затраты и усиление шума. Поскольку LFM PSF не является инвариантным относительно сдвига, он описывается пятимерной матрицей, что усложняет реконструкцию. Тем не менее, периодичность, отображаемая при боковых сдвигах на целые числа, кратные шагу микролинз, позволяет эффективно выполнять деконволюцию с использованием сверток на основе БПФ.Несмотря на это, даже небольшое увеличение латеральной выборки в деконволюционном объеме резко увеличивает вычислительные затраты на реконструкцию. Реконструкция nzz-плоскостей в объеме с боковым увеличением выборки по сравнению с исходной LFM-выборкой m требует 2 × nz × m2 2-мерных сверток на итерацию, что исключает онлайн-обработку изображений. Во-вторых, как RL, так и ISRA имеют тенденцию усиливать шум на своих выходах из-за отсутствия регуляризации. 82 Этот шум может быть приемлемым при визуализации кальциевых сигналов с высоким отношением сигнал / шум, однако он может преобладать над небольшими тусклыми сигналами напряжения.Включение регуляризации в подходы к деконволюции для подавления переобучения шумом также может улучшить влияние деконволюции на временное соотношение сигнал / шум. Итерационный анализ, описанный в разд. 3.2 и 3.4 должны помочь в будущих исследованиях, использующих раннее прекращение схемы деконволюции в качестве неявной регуляризации, поскольку они обеспечивают количественную оценку прибылей и убытков на разных уровнях регуляризации.

Для этого исследования мы использовали оригинальный дизайн LFM, который с тех пор был значительно улучшен несколькими группами. 57 61 Эти усовершенствования по-разному улучшают пространственное разрешение и уменьшают вычислительные затраты на деконволюцию; однако основная концепция формирования изображения остается неизменной во всех новых модальностях. Результаты этого исследования, вероятно, применимы к визуализации напряжения с помощью этих новых модальностей светового поля, поскольку подходы к реконструкции аналогичны. В этом исследовании мы визуализировали VSFP-Butterfly 1.2, датчик старого поколения. Технология GEVI значительно продвинулась в последнее время, значительно повысив их чувствительность, и с этими новыми датчиками усиление шума из-за деконволюции при реконструкции объема светового поля может стать менее значительным.Хотя VSFP-Butterfly 1.2 демонстрирует более низкую чувствительность, чем несколько недавно описанных зондов, 20 , 84 88 , мы смогли экспрессировать его редко и сильно, чтобы обеспечить визуализацию одноклеточных GEVI без соматических ограничений, что препятствует изучению субклеточных сигналов. 68 , 69 Медленная кинетика зонда, использованного в этом исследовании, также позволила разрешить потенциалы действия со скоростью 100 кадров / с без серьезного искажения.Хотя мы могли разрешить одиночные сигналы развертки, для разрешения меньших дендритных сигналов с адекватным SNR требовалось усреднение сигнала. С более поздним GEVI дендритные процессы, вероятно, могут быть разрешены за один проход.

Новые датчики напряжения нельзя сразу комбинировать с LFM, поскольку они требуют гораздо более высокой частоты дискретизации, обычно от 500 до 1000 Гц. Поэтому для полноценного использования этих новых индикаторов напряжения необходимы мегапиксельные камеры с частотой полнокадрового считывания 1 кГц.Современные научные CMOS-камеры (sCMOS), такие как та, которая использовалась в этом исследовании, могут достичь такой скорости изображения за счет уменьшения поля обзора до небольшой центральной полосы датчика изображения. Это, однако, особенно вредно для LFM по сравнению с формированием изображений с широким полем, поскольку LFM PSF широко распространяет информацию о каждой точке по датчику изображения для объектов, удаленных от фокальной плоскости. Если отображается только небольшая полоса датчика, SNR будет значительно ухудшаться, поскольку свет будет теряться за пределами этого уменьшенного поля зрения. Ограничение камеры до 128-пиксельных строк для достижения частоты кадров 1.6 кГц отклонит <50% всей флуоресценции от объектов, находящихся на расстоянии более 35 мкм от фокальной плоскости. Этот потерянный свет также будет недоступен для реконструкции, что приведет к ухудшению разрешения. Это резко ограничивает применимость уменьшения FOV для увеличения частоты кадров, что характерно для камер sCMOS.

Мы ожидаем, что эта проблема будет неуклонно решаться по мере разработки более быстрой сенсорной технологии sCMOS.

Вторая проблема возникает с более новыми, более быстрыми GEVI, поскольку они требуют гораздо более высокой частоты кадров.Удаление свертки отдельных кадров с помощью этих датчиков потребует значительного увеличения вычислительных ресурсов и, вероятно, несостоятельно. Подходы к извлечению источников были разработаны для статических изображений в светлом поле 89 и временных рядов изображений кальция в световом поле, 65 , 90 , которые не включают деконволюцию каждого кадра. Однако в их нынешнем виде они не подходят для реконструкции временных рядов визуализации субклеточного напряжения светового поля, поскольку они используют временные и / или пространственные характеристики визуализации нейронного кальция в качестве априорных элементов реконструкции.Эти априорные факторы, такие как локализация соматического сигнала или разреженная временная активность, неприменимы к сигналам визуализации субклеточного напряжения, которые меньше, менее разрежены во времени и возникают из более морфологически сложных структур, чем сомы нейронов. Тем не менее, разработка более сложных алгоритмов реконструкции важна, тем более, что предыдущие усилия позволили получить изображения более глубоких в рассеивающей ткани, чем это было возможно в этом исследовании.

Наконец, в этом исследовании мы сравнили SNR между перефокусированными объемами LFM и согласованными широкопольными трассами и обнаружили, что они существенно не различаются.Это ожидаемо, поскольку помимо световых потерь на MLA, которые, по данным производителя, составляют <15%, между WFM и LFM нет значительных потерь отношения сигнал / шум к дробовому шуму. Способность LFM разрешать сигналы напряжения с разных осевых плоскостей без повторной физической перефокусировки и получения временных рядов может значительно сократить время визуализации и обесцвечивание. Вместе эти результаты могут мотивировать дальнейшую работу и широкое применение LFM для визуализации напряжения из-за большого фотонного бюджета светового поля и способности разрешать нейроны в трех пространственных измерениях.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Ю Лю за ее техническую помощь и поддержку исследований в лабораториях Фуста и Шульца. Авторы также хотели бы поблагодарить Imperial College Research Computing Service. Работа поддержана следующими грантами: Engineering and Physical Sciences Research Council (Grant No.EP / L016737 / 1), Wellcome Trust Seed Award (грант № 201964 / Z / 16 / Z), Королевская инженерная академия в рамках программы исследовательских стипендий RAEng (грант № RF1415 / 14/26), биотехнологические и биологические исследования Совет (гранты № BB / R009007 / 1 и BB / R022437 / 1), Королевское общество (грант № TA / R1 / 170047) и инициатива BRAIN (Национальные институты здравоохранения США, гранты № U01Mh209091 и U01NS099573) .

Доступность кода, данных и материалов

Наборы данных и код, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Ссылки

3.

M. A. Popovic et al., «Кортикальные дендритные головки шипов электрически не изолированы шейкой позвоночника от сигналов мембранного потенциала в родительских дендритах», Цереб. Кортекс, 24 385 –395 (2014). https://doi.org/10.1093/cercor/bhs320 53OPAV 1047-3211 Google Scholar

28.

C.G. Coates et al., «Оптимизация микроскопии при слабом освещении с помощью электронного умножителя с зарядовой связью с задней подсветкой: повышенная чувствительность, скорость и разрешение», Дж.Биомед. Опт., 9 (6), 1244 –1253 (2004). https://doi.org/10.1117/1.1805559 JBOPFO 1083-3668 Google Scholar

43.

O. Therrien et al., «Широкопольное многофотонное изображение клеточной динамики в толстой ткани с помощью временной фокусировки и узорчатого освещения», Биомед. Опт. Экспресс, 2 (3), 696 –704 (2011). https://doi.org/10.1364/BOE.2.000696 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

51.

М. Левой и др., «Световая микроскопия», в ACM SIGGRAPH 2006 Пап.—SIGGRAPH’06, 924 (2006). Google ученый

52.

П. Куик, «Улучшенные методы функциональной нейронной визуализации с генетически закодированными индикаторами напряжения», Имперский колледж Лондон, (2019). Google ученый

61.

F. L. Liu et al., «Fourier diffuserScope: однократная трехмерная микроскопия светового поля Фурье с диффузором», (2020). Google ученый

64.

L. M. Grosenick et al., «Идентификация динамики клеточной активности в больших объемах тканей в головном мозге млекопитающих», (2017).Google ученый

70.

P. Quicke et al., «Расчет функций рассеяния точек светового микроскопа с высокой числовой апертурой», в области изображений и приложений. Опт. 2019 (COSI, IS, MATH, pcAOP), Google ученый

80.

Р. Нг и др., Фотосъемка в световом поле с помощью ручной пленоптической камеры. (2005). Google ученый

81.

Э. Тьебо, «Введение в реконструкцию изображений и обратные задачи», Оптика в астрофизике.Серия научных исследований НАТО II: математика, физика и химия, 198 Springer, Dordrecht (2006). Google ученый

82.

N. Dey et al., «Алгоритм Ричардсона – Люси с регуляризацией полной вариации для деконволюции трехмерного конфокального микроскопа», Microsc. Res. Тех., 69 (4), 260 –266 (2006). https://doi.org/10.1002/jemt.20294 MRTEEO 1059-910X Google Scholar

83.

M. Bertero, P. Boccacci и V. Ruggiero, Inverse Imaging with Poisson Data, IOP Publishing, Bristol (2018).Google ученый

Биография

Питер Кви – научный сотрудник кафедры биоинженерии Имперского колледжа Лондона. Он получил степень магистра (со степенью бакалавра) по физике в 2014 году, степень магистра в области нейротехнологии в 2015 году и докторскую степень в 2019 году. Его текущие исследовательские интересы включают вычислительную микроскопию и визуализацию функционального напряжения.

Кармел Л. Хоу – научный сотрудник Имперского колледжа Лондона, Великобритания. Она получила степень MEng и докторскую степень в области электротехники и электронной техники в Ноттингемском университете в 2014 и 2018 годах соответственно.В настоящее время она разрабатывает новый способ высокоскоростной и высокопроизводительной трехмерной визуализации для отслеживания нейронной активности на сетевом уровне в головном мозге млекопитающих. Ее исследования объединяют области нейрофизиологии, оптической инженерии и обработки сигналов и изображений.

Пингфань Сонг – научный сотрудник Имперского колледжа Лондона. Он получил докторскую степень в Университетском колледже Лондона, степени магистра и бакалавра в Харбинском технологическом институте. Его исследовательские интересы включают обработку сигналов и изображений, машинное обучение и вычислительную визуализацию с приложениями для различных модальностей изображений.

Герман В. Джадан получил степень бакалавра в области электронной техники и коммуникаций в Высшей Политехнической школе дель Литораль (ESPOL), Гуаякиль, Эквадор; степень магистра Имперского колледжа Лондона, Великобритания. В настоящее время он работает над докторской степенью на факультете электротехники и электронной техники Имперского колледжа Лондона. Его исследовательские интересы включают обработку сигналов / изображений на основе разреженности и машинное обучение с приложениями для решения обратных задач.

Марк Нил – профессор фотоники на факультете физики Имперского колледжа. Он получил степень бакалавра естественных наук в Кембриджском университете в 1985 году и докторскую степень в области оптической инженерии, также полученную в Кембридже, в 1990 году. Его текущие исследовательские интересы включают оптическую визуализацию и микроскопию, особенно флуоресценцию, и методы сверхвысокого разрешения, применяемые к проблемам биологии. и медицина.

Пьер Л. Драготти получил степень лауреата (с отличием) в области электронной инженерии в Университете Федерико II, Неаполь, Италия, в 1997 году; степень магистра в области систем связи Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL), Швейцария, в 1998 году; и его докторская степень в EPFL, Швейцария, в апреле 2002 г.Он занимал несколько выездных должностей. В частности, он был приглашенным студентом в Стэнфордском университете, Стэнфорд, Калифорния, США, в 1996 году; летним исследователем в отделе математики коммуникаций Bell Labs, Lucent Technologies, Мюррей-Хилл, Нью-Джерси, США, в 2000 г .; и приглашенный ученый в Массачусетском технологическом институте в 2011 году. В настоящее время он является профессором обработки сигналов на факультете электротехники и электроники Имперского колледжа Лондона. До прихода в Имперский колледж в ноябре 2002 года он был старшим научным сотрудником EPFL, работая над распределенной обработкой сигналов для сенсорных сетей для Швейцарского национального центра компетенции в исследованиях мобильных информационных и коммуникационных систем.Его исследовательские интересы включают теорию дискретизации, теорию вейвлетов и ее приложения, обработку сигналов с использованием разреженности с применением в сверхвысоком разрешении изображений, нейробиологию и вычислительную визуализацию. Он был техническим сопредседателем Европейской конференции по обработке сигналов в 2012 году, младшим редактором журнала IEEE Transactions on Image Processing с 2006 по 2009 год, членом Технического комитета IEEE по обработке изображений, видео и многомерных сигналов, а также член Технического комитета по теории и методам обработки сигналов IEEE.Он также был лауреатом премии ERC Investigator Award. В настоящее время он является главным редактором журнала IEEE Transactions on Signal Processing , членом Технического комитета IEEE Computational Imaging и научным сотрудником IEEE.

Саймон Р. Шульц – профессор нейротехнологии и директор Центра нейротехнологий Имперского колледжа Лондона. Он получил степень бакалавра физики и прикладной математики в Университете Монаша в 1994 году, степень бакалавра в области электротехники и вычислительной техники также в Университете Монаша в 1994 году, степень магистра электротехники в Сиднейском университете в 1997 году и степень доктора философии в области электротехники. нейробиология из Оксфордского университета в 1998 году.Его текущие исследовательские интересы включают разработку оптических технологий для понимания функций мозга.

Аманда Дж. Фуст – научный сотрудник Королевской академии инженерных наук и преподаватель кафедры биоинженерии Имперского колледжа Лондона. Она получила степень бакалавра наук в области нейробиологии с акцентом на вычислениях и электротехнике в Университете штата Вашингтон, а также степень магистра и доктора наук в области нейробиологии в Йельском университете. Цель ее исследовательской программы – построить мосты между передовыми оптическими технологиями и нейробиологами, чтобы получить новые революционные данные о том, как мозг соединяет, обрабатывает и хранит информацию.

Биографии других авторов недоступны.

Индикаторы напряжения Bierer | Индикатор отключения напряжения прямого контакта

Индикаторы напряжения Bierer | Индикатор отключения напряжения прямого контакта

Главная страница »Продукция» Испытательное оборудование »Тестеры высокого напряжения» Индикаторы напряжения – Bierer Meters

Описание

Измерители

Bierer предлагают множество индикаторов напряжения, адаптированных к вашим требованиям к измерениям.VBI-15 – это индикатор обрыва напряжения при прямом контакте, AV-40 – это бесконтактный индикатор напряжения, а VIAV300 – это комбинированный датчик бесконтактного / прямого контактного напряжения. Все модели имеют звуковую и визуальную сигнализацию, указывающую на наличие напряжения.

VBI-15 – это индикатор обрыва напряжения при прямом контакте со звуковой и визуальной сигнализацией, указывающей на отсутствие напряжения, с рабочим диапазоном от 7,2 кВ до 20 кВ (между фазой и землей). Устройство состоит из группы огней и звуковой сигнализации, чтобы дать пользователю быстрое и четкое указание на то, что воздушная линия опустилась ниже порогового значения 2.5кВ. Защищен от перегрузки до 115кВ.

AV-40 – это бесконтактный индикатор напряжения со звуковой и визуальной сигнализацией для индикации наличия напряжения с рабочим диапазоном от емкостной контрольной точки / вторичного напряжения до 40 кВ (линия-земля). Порог активации соответствует требованиям ASTM. Его можно использовать как автономный детектор напряжения без второго датчика. Он также выполняет бесконтактное измерение на URD 7,2 / 14,4 / 20 кВ и на ВЛ 2,4 / 7,2 / 14,4 / 20/40 кВ. 12-позиционный поворотный переключатель выбирает функцию и диапазон.

VIAV300 – это комбинированный бесконтактный / прямой контактный датчик напряжения со звуковой визуальной сигнализацией для индикации наличия напряжения с рабочим диапазоном от 240 В до 300 кВ между фазой и землей. Порог активации соответствует пороговым значениям ASTM. Диапазоны составляют 2,5 / 7,5 / 15/30 / 40/70/140/300 кВ, выбираемые 12-позиционным поворотным переключателем.

Все модели

  • Сверхъяркие светодиоды и сверхгромкий рог
  • Обнаруживает линейное напряжение
  • Порог активации соответствует требованиям ASTM
  • Стандартная батарея 9 В
  • Тестовое положение (кроме VBI-15)

Страница каталога-172a Bierer_Brochure

продуктов

Номер товара Информация для заказа
BR / VBI-15 Индикатор отключения напряжения для 7.Линии 2-20кВ на землю, прямой контакт. Включает специальный зонд с крючком, универсальный / универсальный адаптер, руководство, сумку для хранения
BR / VIAV300 Индикатор напряжения 0–300 кВ, бесконтактный / прямой контакт. Включает прямой зонд, зонд с крючком, универсальный / универсальный адаптер, руководство, сумка
BR / AV40 Индикатор напряжения 0-40 кВ, бесконтактный / прямой контакт. Включает универсальный / универсальный адаптер, руководство, сумку для хранения

Связанные продукты

{{{data.Вариант.price_html}}}

{{{data.variation.availability_html}}}

Пассивные индикаторы напряжения VisiVolt – Аппарат

VisiVolt ™ – пассивный индикатор напряжения – это монтируемый на шине индикатор наличия напряжения, разработанный для использования в наружных и внутренних системах, 3–36 кВ

VisiVolt ™ можно легко и постоянно устанавливать на сборные шины и неизолированные или изолированные металлические проводники в системах среднего напряжения.VisiVolt ™ указывает на наличие напряжения, отображая на ЖК-дисплее большую, хорошо видимую стрелку в виде молнии.

Корпус из силиконового эластомера VisiVolt ™ обеспечивает работу в условиях окружающей среды, а его флуоресцентный оранжевый цвет обеспечивает хорошую видимость среди других элементов системы.

Номинальное напряжение (Un) кВ

3,0 – 6,0 *
6,0 – 15,0

13.8 – 36,0

Максимальное напряжение кВ

3,6 – 17,5 **

17,5 – 40,5 **

* – На неизолированных (неизолированных) проводниках круглого сечения и на стержни шириной до 30 мм
** – В зависимости от расстояния между полюсами (см. рекомендуемые минимальные зазоры)
Основные характеристики продукта:
  • Применимо к любой неэкранированной системе среднего напряжения
  • Информация при наличии напряжения доступен постоянно
  • Экономичное решение
  • Не требует обслуживания; пассивное устройство – источник питания не требуется
  • Может быть установлен в любой неэкранированной системе среднего напряжения: на сборных шинах, проводниках (неэкранированных, незащищенных или изолированных любого типичного диаметра или сечения)

Соответствие стандартам:
– Порог индикации наличия напряжения ниже 45% от номинального напряжения трехфазной системы соответствует стандартам IEC 61243-5 и IEC 61958
. – Выдерживаемые напряжения и токи короткого замыкания соответствуют IEC 60694
– Устойчивость к проникновению влаги испытана в соответствии с IEC 60099-4

Почему ABB?

  • всемирно признанный бренд
  • глобальная сеть сервисных центров для поддержки клиентов
  • непрерывное развитие для удовлетворения меняющихся потребностей клиентов

Индикация напряжения для сверхмощных выключателей безопасности

% PDF-1.5 % 45 0 объект >>> эндобдж 109 0 объект > поток False11.08.522018-10-03T05: 39: 44.242-04: 00 Библиотека Adobe PDF 15.068ee494ddb4ed8662a8946f7bb168c658767960a322729Adobe InDesign CC 2017 (Macintosh) 2017-03-01T17: 13: 51.000-05: 002017-03-01.000-05: 0017: 1320 -03-01T17: 12: 57.000-05: 00application / pdf2018-10-03T05: 46: 52.727-04: 00

  • Выключатели безопасности Eaton для тяжелых условий эксплуатации со смотровыми окнами и встроенными индикаторами напряжения обеспечивают более безопасное коммутационное решение. Эти переключатели сочетают в себе видимые средства отключения с постоянно установленными индикаторами, которые загораются при наличии напряжения.
  • Индикация напряжения для сверхмощных предохранительных выключателей
  • xmp.id:65b059aa-4913-490f-8a4c-fd1641fecff5adobe:docid:indd:bd8cd452-d1c1-11dd-9c96-9af8a6233d4aproof:pdfuuid:eb977493-617e-334d-8f13-7c7c1aidba:38 c87d76ead468adobe: docid: indd: bd8cd452-d1c1-11dd-9c96-9af8a6233d4adefaultxmp.did: F77F11740720681192B0B7272516F689
  • преобразовано приложение Adobe InDesign CC 2017 (Macintosh) в формат
  • : приложение Adobe InDesign / ppm / pdf: 12-03-01 / pdf
  • Библиотека Adobe PDF 15.0false
  • eaton: классификация продуктов / низковольтные системы распределения электроэнергии / выключатели и разъединители / сверхмощные предохранительные выключатели с защитой от перенапряжения
  • eaton: классификация продуктов / низковольтные системы управления распределением энергии / выключатели и разъединители / сверхмощные предохранительные выключатели
  • eaton: классификация продуктов / низковольтные системы управления распределением энергии / выключатели и разъединители / сверхмощные предохранительные выключатели с улучшенным видимым лезвием
  • eaton: language / en-us
  • eaton: ресурсы / маркетинговые ресурсы / брошюры
  • eaton: страна / северная америка / сша
  • eaton: вкладки поиска / тип содержимого / ресурсы
  • конечный поток эндобдж 105 0 объект > эндобдж 41 0 объект > эндобдж 46 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / XObject >>> / Rotate 0 / TrimBox [0.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *