HU205805B

HU205805B - Device for measuring impedance of the samples of low conductivity

Info

Publication number: HU205805B
Application number: HU892103A
Authority: HU
Inventors: Barrie Blake-Coleman
Original assignee: Health Lab Service Board
Priority date: 1988-03-08
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1992-06-29
Also published as: GB8805488D0; JPH02503473A; EP0406293B1; EP0406293A1; WO1989008838A1; HUT52877A; US5003267A; AU3355289A; CA1322387C; BR8906379A; DE68909225D1; HU892103D0; FI895297A0; DE68909225T2; ZA891744B; AU616960B2

Description

(57) KIVONAT

A találmány tárgya berendezés kis villamos vezetőképességű minták impedanciájának mérésére, ahol a minták szigetelt falú mintatartóban (12) vannak elhelyezve.

A találmány lényege abban van, hogy a mintatartó (12) közelében tekercselrendezés (10) van elhelyezve, míg a mintatartó (12) külső falára csatlakozó (14) van illesztve, amelyhez erősítő (24) van csatlakoztatva úgy, hogy az erősítő (24) visszacsatoló ágában van a tekercselrendezés (10), az erősítő (24) kimenetére pedig a minta impedanciájával arányos jelet kijelző elem van kötve. (1. ábra)

l.ábra

HU 205 805 B

A leírás terjedelme: 7 oldal (ezen belül 3 lap ábra)

HU 205805 Β

A találmány tárgya berendezés kis villamos vezetőképességű minták mérésére. A találmány szerinti berendezés előnyösén használható kisméretű mikrobák növekedésének a figyelésére különösen jól kihasználható elsősorban ott, ahol a minták villamos vezetőképessé- 5 ge 0,001-30 rns/cm^-1 tartományba esik.

Ismeretes az, hogy a növesztő' illetőleg tápközegbe elhelyezett baktériumok villamos impedanciájának mérése hasznos információt szolgáltathat a baktériumok növekedésével és állapotváltozásával kapcsola- 10 tosan. Ezeket a méréseket úgy végzik el, hogy a mérendőmintába elektródothelyeznek és közvetlenülvégeznek el impedanciamérést. Ennek a mérésnek is vannak előnyei, azonban inkább használják az olyan mérést, amikor közvetett módon mérik az impedanciát, cél- 15 szerűen oszcillometriás méréssel, azaz amérés során a mérendő közeg és amérő elrendezés nincsenközvetlen érintkezésben egymással. Az oszcillometriás méréseknél a vizsgálandó mintát olyan rezonanciakörbe helyezik el, amelynek a rezonancia frekvenciája jellemző 20 lesz a minta impedanciájára.

Ez az ismert eljárás két nagy csoportba osztható:

Az egyik mérési módszer indukciós elven történő érés, amikoris a mérendő mintát egy mérőtekercsbe helyezik el, a másik mérés a kapacitív elven történő 25 mérés, amikoris a mérendő mintát két elektród közé helyezik el úgy, hogy azok egy kondenzátort képeznek.

Az induktív elven történő mérések leginkább a jó villamos vezetőképességű mintáknál alkalmazhatók, így a már fent említett területen, tehát baktériumok nőve- 30 kedésének a mérésénél ritkán alkalmazzák. A kapacitív elven történő méréseklegnagyobb hátránya a nem kielégítő felbontóképessége. A mikrobás közegei illetőleg szuszpenziók tanulmányozása során azt tapasztaltuk, hogy a legkedvezőbb az, ha a felbontó képesség 35 1 x 10⁸ vagy annál is jobb. _{

A találmány célja olyan berendezés kialakítása volt, amely kis villamos vezetőképességű minták impedanciájának a mérésére is alkalmas, és igen nagy felbontóképességű. 40

A találmány tehát berendezés kis villamos vezetőképességű minták impedanciájának mérésére, amely minta tartóelemben van elhelyezve, amely tartóelemnek megfelelően szigetelt fala van.

A találmány szerinti berendezés lényege abban van, 45 hogy a mintatartó közelében tekercselrendezés van elhelyezve, míg a mintatartó külső falára csatlakozó van illesztve, amelyhez erősítő van csatlakoztatva úgy, hogy az erősítő visszacsatoló ágában van a tekercselrendezés, az erősítő kimenetére pedig a minta impe- 50 danciája arányos jeletkijelző elem van kötve.

Atalálmányszerinti berendezés egy előnyös kiviteli alakja értelmében a kijelző egy, a renzonanciafrekvenciát mérő frekvenciamérő.

A találmány szerinti berendezés egy további el- 55 őnyös kiviteli alakja értelmében a tekercselrendezés és a csatlakozó között árnyékoló elektród van.

Ugyancsak előnyös a találmány értelmében, ha a -mintatartó egy cső, amelynekkét egymástól távol levő részén van a tekercselrendezés, illetőleg a csatlakozó 60 elhelyezve. Előnyös a találmány értelmében továbbá, ha a tekercsélíendezés legalább egy toroid tekercset’tartalmaz.

A találmány szerinti berendezés egy további előnyös kiviteli alakja értelmében a tekercselrendezés legalább egy olyan toroid tekercset tartalmaz, amelynek tengelye egy vonalba esik a mintatartó tengelyével.

Ugyancsak előnyös a találmány értelmében, ha az erősítő változó, növekvő frekvencia esetén csökkenő erősítésű erősítőként van kiképezve.

Előnyös továbbá a találmány értelmében, ha az erősítő az 500 kHz - 4 MHz frekvenciatartományban 5 20 dB-el előnyösen 9 dB-el csökkenő erősítésűre van kiképezve.

A találmány szerinti berendezés egy további el- &

őnyös kiviteli alakja értelmében az erősítő a bemenő 1 jeltől függő visszacsatolással van ellátva. i

Ugyancsak előnyös a találmány értelmében, ha a mintatartó a tekercselrendezésben és a csatlakozóban onnan kicsúsztathatóan van elrendezve.

Előnyös végül a találmány értelmében, ha az árnyékoló elektródot egy földelt lemez képezi, amelybe rugalmasan van a mintatartó elhelyezve.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábrán a találmány szerinti berendezés vázlatos kialakításalátható, a

2. ábrán az 1. ábrán bemutatott elrendezés látható az egyes elemekhelyettesítő képével bemutatva, a

3. árán az 1. ábrán bemutatott kiviteli alakhoz tartozó erősítő erősítésének frekvencia függvénye látható, a

4. ábrán az 1. ábrán bemutatott elrendezés és berendezés kalibrációs görbéje látható, az

5. ábrán az 1. ábrán bemutatott berendezés egy további kiviteli alakja látható, a

6. ábrán pedig a találmány még egy további kiviteli alakja látható, amely alapjában véve az 1. ábrán bemutatott berendezéshez hasonlít.

Visszatérve az a

1. ábrára, az 1. ábrán látható a 12 mintatartó, amely I egy szigetelt falú cső, és amely 12 mintatar- jr tón egyrészt 10 tekercselrendezés van elhe- ?

lyezve, amely a példakénti kiviteli alaknál kettős toroid tekercsből van kialakítva.

Ugyancsak a 12 mintatartó mentén látható még a 14 csatlakozó, valamint a 16 árnyékoló elektród. A toroid tekercsek egyszeres tekercselésűek és 0,25 mm vastag szigetelt rézhuzalból vannak ferrit magra tekercselve. Maga a 12 mintatartó üvegcsőből van kialakítva, amelynek belső átmérője 4,5 mm, külső átmérője pedig 5,0 mm. A10 tekercselrendezés és a 14 csatlakozó a 12 mintatartó, jelen esetben üvegcső két végén van elhelyezve. A14 csatlakozó kapacitív csatlakozó elem, amely néhány menetből álló

HU 205805 Β tekercs, amely ezüstöt tartalmazó epoxigyantába van ágyazva és így lényegében egy vezetőhüvelyt képez. Aló árnyékoló elektród a 10 tekercselrendezéstől és a 14 csatlakozótól azonos távolságra, kb. középen van elhelyezve. Ez a távolság jelen esetben kb. 5 cm.

A10 tekercselrendezés 18 kivezetése 20 földcsatlakozóra van kötve, és ugyancak erre a 20 földcsatlakozóra van a 16 árnyékoló elektród is csatlakoztatva. A 14 csatlakozó és a 20 földcsatlakozó közé 22 potenciométer van iktatva, amely 22 potenciométer középső kivezetése egy 24 erősítő bemenetére van csatlakoztatva. A 24 erősítő három fokozatú erősítő, amelynek a későbbiekben részletesen leírandó erősítő karakterisztikája van. A 24 erősítő kimenete 26 ellenálláson és 28 kondenzátoron keresztül van a 10 tekercselrendezés másik 30 kivezetésére csatlakoztatva. A 26 ellenállás és a 28 kondenzátor közös pontjára van egy 32 frekvenciamérőcsatlákoztatva.

A2. ábránlátható az 1. ábrán bemutatott elrendezés helyettesítő képe, ahol a mérendő mintát a változó Rg ellenállás és C_s kapacitás képezi. A 22 potenciométer ellenállása RC és az a kapacitás, amely a 14 csatlakozó és a 20 földcsatlakozó között van, a C_p, illetőleg a Csh· A 10 tekercselrendezés L induktivitású. Látható tehát, hogy a mérendő minta Rj ellenállása lényegében párhuzamos rezgőkört képez az L induktivitással és a C_s kapacitásai.

A 24 erősítő úgy van méretezve, hogy 600 kHz frekvencia fölött változzon lényegesen az erősítése a frekvencia függvényében. A 3. ábrán három jelszintre adtuk meg az A erősítés és F frekvencia függvényét. Természetesen a 24 erősítő számos módon méretezhető még, a lényeg az, hogy az A erősítés megfelelő módon csökkenjen a vizsgálandó mintához tartozó frekvenciatartományban. A 24 erősítő A erősítése célszerűen úgy van megválasztva, hogy a bemeneti jel mV-kénti növekedésének hatására az A erősítés 1-10, előnyösen 2-5, ennél a példakénti kiviteli alaknál pedig 3%ot csökken, A 600 kHz - 3,9 MHz tartományban a 24 erősítő kimeneti impedanciája 0,02 kO -16,5 kO tartományban változik.

A találmány szerinti berendezés működése a következő:

A 10 tekercselrendezésbe, amely a példakénti kiviteli alaknál kettős torold tekercs, a zaj által létrehozott váltakozó áram a 12 mintatartóban levő mintában időben változó mágneses erőteret hoz létre, amely a mintában elektromotoros erőt generál, és ez utóbbi váltakozó töltéselmozdulást, azaz lényegében áramot hoz létre. A tiszta dielektrikumoknál a polarizációs jelenség egyértelműen ismert és le van írva, a kis villamos vezetőképességű minták pedig úgy tekinthetők, mint kvázi, kicsit sérült dielektrikumok, amelyben elektromos erőtér alakul ki, amelynek hatására mind a szabad töltések, mind pedig a polarizálható töltéscsoportok elmozdulnak. Ezt a töltésvándorlást érzékeli a 14 csatlakozó, amely az 1. ábrán látható kiviteli alaknál egy kapacitív érzékelő áramszedője.

A 24 erősítőt úgy kell méretezni, hogy kis vezetőképességek esetén is képes legyen oszcillációt létrehozni.

Ez azt jelenti, hogy kis vezetőképességnél is elegendően nagynak kell lenni az induktív térerőnek ahhoz, hogy egy előre megadott, és a 24 erősítő által jól érzékelhető küszöbfeszültséget hozzon létre. Nagy frekvenciáknál a mintába lasan hatol be az erőtér a skin10. effektus miatt, ez tehát azt jelenti, hogy a kezdeti frekvencia kicsi ahhoz, hogy az oszcillációt létrehozza, tehát elég nagy szintet kell elérnie ahhoz, hogy behatoljon a 12 mintatartón keresztül a mintába a megfelelő mélységig.

A mintát is tartalmazó LC-áraffikör rezonancián kívüli állapotot eredményez, ahogy a minta vezetőképessége változik, éspedig úgy, hogy a visszacsatoló jel növekszik, ha a vezetőképesség nő. A 24 erősítő nem válik telítetté, mivel a kimeneti impedancia növekedé20 se csak 600 kHz értéknél kezdődik meg. Az egész rendszer rezonanciafrekvenciája azonos vezetőképességű minták esetén ezzel az elrendezéssel igen jól reprodukálható. Mivel a mérések reprodukálhatók, így a mérőműszerek, illetőleg kijelző műszerek, amelyek a 24 erősítő kimenetére vannak csatlakoztatva, előre kalibrálhatok egy adott oldathoz.

A 4. ábránKCl -oldathoz mutattuk be a sűrűség és azF frekvencia közötti összefüggést. A villamos vezetőképesség változása 5,4 mS/cm volt.

A fent bemutatott elrendezéssel azt tapasztaltuk, hogy ha a felbontóképesség elegendően nagy, úgy 300 Hz/10'³ mS/cm frekvenciaváltozás tipikusan elérhető. Ennek a nagy felbontóképességnek az a magyarázata, hogy összehasonlítva az ismert induktív elven működő oszcillométerekkel, a minta nemcsak a mérőtekercs, jelen esetben a 10 tekercselrendezés önindukcióját, illetőleg ennek következtében az indukciós tényezőjét változtatja meg, hanem az által, hogy a viszszacsatolásban benne van, az egész rezonanciára na40 gyobb hatással van. A minta nemcsak egyszerűen megváltoztatja az áramköri elrendezésben az oszcillációs frekvenciát, de azáltal, hogy az LC és az RC áramkörökkel sorba van kötve, aktív szűrő szerepet is játszik, mégpedig úgy, hogy a 24 erősítő kimeneti impe45 danciáját a jel amplitúdója függvényében változtatja a visszacsatoló körben.

Mivel az elrendezéssel viszonylag nagy frekvenciaváltozás valósítható meg egy adott villamos vezetőképesség esetén, tipikusan 56-112 kHz változás 20050 400 mS változásra, kiváló felbontóképesség valósítható meg. A kísérleteink azt mutatták, hogy ez a felbontóképesség igen széles tartományban használható a mikrobás, baktériumokat tartalmazó szuszpenziók, enzimreakciók, illetőleg elektrolitoknak a vizsgálatá55 nál. Az a tény, hogy a mérés frekvenciamérésre vezethető vissza, különösen előnyös azáltal, hogy elkerülhetők a különféle interferenciák. Mivel a működési frekvencia viszonylag alacsony, így a jelfeldolgozás a multiplex eljárás alkalmazásával is megvalósítható, és ily60 módon egymás után, egy sorban elhelyezett sok minta

HÜ 205805 Β vizsgálható és mérhető.

Az 5. ábrán, egy-egy mintát tartalmazó két 12 mintatartó látható, de természetesen számos 12 mintatartó elhelyezhető egymás mellett és hasonló módon mérhető. Az 5. ábrán látható kiviteli alaknál tehát két 12 mintatartó van, mindegyikben megtalálható a 14 csatlakozó, a 16 árnyékoló elektród, valamint a 10 tekercselrendezés, és a 10 tekercselrendezések kimenetéi és a 24 erősítő bemenete, valamint a 14 csatlakozókés a 24 erősítő bemenete között egy 50 kapcsolóegység van elhelyezve, a 24 erősítő kimenete pedig 32 frekvenciamérőn keresztül van egy 52 szabályozóra csatlakoztatva. Az 50 kapcsolóegység szentén az 52 szabályozóról van vezérelve, ez az 52 szabályozó lehet például egy Hewlett Packard 86 típusúszemélyi számítógép. A 32 frekvenciamérő szintén önmagában ismert készüléklehet, például a Schlumberger 2720 típusú frekvenciamérő. Az 52 szabályozó és a 32 frekvenciamérő ahogy már említettük, szintén egymással össze vankapcsolva.

A 6. ábrán egy további kiviteli alak látható, ennél a kiviteli alaknál a 14 csatlakozó úgy van kiképezve, hogy tartalmaz két 60 elektródot, amelyek a 12 mintatartó falán van elhelyezve, és 62 nyomórugón keresztül vannak 64 házhoz csatlakoztatva. Az árnyékolást egy 66 földelt lemez képezi, amelyben 68 nyílásvankiképezve, amelybe a 12mintatartó szorosan illesztve elhelyezhető. Ennél a kiviteli alaknál a 12 mintatartó a B nyíl irányába kihúzható, ílymódon például eldobható, vagy előre megtöltött sterilizált 12 mintatartók alkalmazhatók és mérhetők egyszerűen, és könnyenmegvalósítható az egyébként veszélyesmintáknakmérése és tárolása.

A találmánynak az előzőekben néhány kiviteli alakját ismertettük, a 14 csatlakozó természetesen kialakítható másképp is, más kapacitív érzékelőként, ugyanúgy a 10 tekercselrendezés is kialakítható más geometriában.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Berendezés kis villamos vezeíőképességű minták impedanciájánakmérésére,aholamintákszigeteltfalú mintatartóban (12) vannak elhelyezve, azzal jellemezve, hogy a mintatartó (12) közelében tekercselrendezés (10) van elhelyezve, míg a mintatartó (12) külső falára csatlakozó (14) van illesztve, amelyhez erősítő (24) van csatlakoztatva úgy, hogy azerősítő (24) kimenetére pedig a minta impedanciájával arányos jelet kijelző elem vankötve.

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogyakijelző egy, a rezonanciafrekvenciát mérő frekvenciamérő (32).

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tekercselrendezés (10) és a csatlakozó (14) között árnyékoló elektród (16) van.

4. Az 1-3. igénypontokbármelyike szerintiberendezés, azzal jellemezve, hogy a mintatartó (12) egy cső, amelynek két egymástól távol levő részén van a tekercselrendezés (10) illetőleg a csatlakozó (14) elhelyezve.

5. Az 1 -4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tekercselrendezés (10) legalább egy toroid tekercset tartalmaz.

6. A 4. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a tekercselrendezés (10) legalább egy olyan toroid tekercset tartalmaz, amelynek tengelye egy vonalba esik a mintatartó (12) tengelyével.

7. Az 1-6. igénypontokbármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (24) változó, növekvő frekvencia esetén csökkenő erősítésű erősítőként van kiképezve.

8. A 7. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (24) az 500 kHz - 4 MHz frekvenciatartományban 5-20 dB-el előnyösen 9 dB-el csökkenő erősítésűre van kiképezve.

9. A 8. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (24) a bemenő jeltől függő viszszacsatolással van ellátva.

10. Az 1-9. igénypontokbármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mintatartó (12) a tekercselrendezésben (10) és a csatlakozóban (14), onnan kicsúsztathatóanvanelrendezve.

11. A10. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mintatartón (12) elrendezett árnyékoló elektródot (16) egy földelt lemez (66) képezi, amelybe rugalmasan van a minta tartó (12) elhelyezve.

HU 205805 Β IntCl.⁵: GOIN27/02