RU152732U1 - Электрометрический ионоизмеритель - Google Patents

Abstract

Электрометрический ионоизмеритель, состоящий из источника питания, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора, модулятора, источника опорного напряжения, измерительного зонда, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен цифровым потенциометром, а в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное использован синхронный детектор, при этом выход источника питания подключен к микроконтроллеру, жидкокристаллическому индикатору, источнику опорного напряжения, синхронному детектору и цифровому потенциометру, а первый выход микроконтроллера подключен к жидкокристаллическому индикатору, второй его выход соединен с управляющими входами синхронного детектора и модулятора, а третий его выход подключен к управляющему входу цифрового потенциометра, выход источника опорного напряжения подключен к сигнальному входу модулятора, соединенного с сигнальным входом цифрового потенциометра, выход цифрового потенциометра подключен к измерительному зонду и к сигнальному входу синхронного детектора.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, и может быть использованав сельском хозяйстве, почвоведении, медицине, биологии и пищевой промышленности, в том числе при контроле концентрации ионов нитратов в плодоовощной продукции.

В практике ионометрии наибольшее распространение получили кондуктометры, позволяющие определить различные физико-химические величины и проводить количественный анализ путем измерения электродвижущей силы элемента.(Камман К. Работа с ионселективными электродами. Перевод с нем. М.: Мир, 1980. - 285 с).

Известно устройство, состоящее из последовательно соединенных генератора, регулятора напряжения, выполненного на переменном резисторе (как делитель напряжения), измерительной ячейки, содержащей два электрода, выполненных коаксиально из нержавеющей стали, усилителя, детектора, выполненных по типовой схеме, и измерительного прибора. На вход генератора подключен регулятор частот, выполненный в виде набора конденсаторов и резисторов(патент РФ №2073854, МПК (6) G01N 27/22,ony6. 20.02.1997 г.). С помощью устройства осуществляют измерение относительно эталона с учетом изменения частоты и коэффициентов множественной корреляции, характерных для совокупности определяемых ионов, что позволяет по зависимости определить концентрацию ионов, в исследуемой среде. Для каждого иона в исследуемой среде характерны присущие только ему одному собственные колебания, частота которых соответствует значениям коэффициентов множественной корреляции зависимости. Недостатком устройств является невысокая точность и стабильность измерения вследствие зависимости результата измерения от напряжения источника питания и разброса параметров электронных компонентов устройства.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является устройство, содержащее источник питания, индикатор в качестве которого используется дисплей и зонд (патент РФ № RU 2390767, МПК G01N 27/416 (2006.01), опубл. 27.05.2010). Устройство дополнительно содержит процессор, два импульсных конвертора, широтно-импульсный регулятор, амплитудный детектор и модулятор. Процессор соединен с двумя импульсными конверторами, дисплеем, широтно-импульсным регулятором, модулятором и амплитудным детектором. Один импульсный конвертор соединен с дисплеем, а другой импульсный конвертор - с широтно-импульсным регулятором, амплитудным детектором и модулятором, модулятор и амплитудный детектор, кроме того, соединены с зондом, а источник питания соединен с процессором и импульсными конверторами. Кроме того, устройство дополнительно содержит устройство защиты, установленное в цепи соединения источника питания с процессором и импульсными конверторами, при этом устройство защиты выполнено в виде параллельно соединенных диода и стабилитрона. Процессор соединен с двумя импульсными конверторами, дисплеем, широтно-импульсным регулятором, модулятором и амплитудным детектором. Один импульсный конвертор соединен с дисплеем, а другой импульсный конвертор - с широтно-импульсным регулятором, амплитудным детектором и модулятором, модулятор и амплитудный детектор, кроме того, соединены с зондом, а источник питания соединен с процессором и импульсными конверторами. Кроме того, устройство дополнительно содержит устройство защиты, установленное в цепи соединения источника питания с процессором и импульсными конверторами, при этом устройство защиты выполнено в виде параллельно соединенных диода и стабилитрона.

Значение нитратов в биопродуктах определяется по относительному изменению амплитуды тестового сигнала в соответствии с формулой:

где: U₁ - величина напряжения на зонде при отсутствии влияния на него измеряемой среды продукта и высокочастотного сигнала на входе в зонд;

U₂ - величина напряжения на входе в зонд при подаче высокочастотного сигнала на вход зонда, но при отсутствии воздействия измеряемой среды продукта на зонд;

U₃ - величина напряжения на входе в зонд в режиме подачи высокочастотного сигнала на вход зонда и воздействия на зонд измеряемой среды продукта;

К - калибровочный коэффициент.

В данном устройстве решена задача генерирования стабильного по амплитуде высокочастотного тестового сигнала, однако не исключена более существенная погрешность измерения амплитуды этого сигнала. Данная погрешность определяется нелинейностью амплитудной характеристики детектора и учитывая значительное неравенство сравниваемых сигналов U₂ и U₃ снижает точность и достоверность данного методаизмерения и устройства его реализующего.

Также необходимо отметить, что используемый амплитудный детектор, реагирующий как на амплитудное значение непосредственно тестового сигнала, так и на помехи, воздействующие на него, не обеспечивает в целом необходимой помехоустойчивости устройства.

Таким образом, к недостаткам прототипа относиться недостаточная точность и помехоустойчивость измерения нитратов в биопродуктах.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения и помехоустойчивости электрометрического ионоизмерителя.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый электрометрический ионоизмеритель состоит из источника питания, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатор, модулятора, источника опорного напряжения, измерительного зонда. Устройство дополнительно снабжено цифровым потенциометром, а в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное используется синхронный детектор. Выход источника питания подключен к микроконтроллеру, жидкокристаллическому индикатору, источнику опорного напряжения, синхронному детектору и цифровому потенциометру. Первый выход микроконтроллера подключен к жидкокристаллическому индикатору, второй выход соединен с управляющими входами синхронного детектора и модулятора, а третий выход подключен к управляющему входу цифрового потенциометра. Выход источника опорного напряжения подключен к сигнальному входу модулятора, соединенного с сигнальными входом цифрового потенциометра. Выход цифрового потенциометра подключен к измерительному зонду и к сигнальному входу синхронного детектора.

Отличие предлагаемого ионоизмерителя от прототипа заключается в том, что в него дополнительно введен управляемый от микроконтроллера цифровой потенциометр, а в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное используется синхронный детектор. Введение цифрового потенциометра позволяет выровнять внутреннее сопротивление (сопротивление цифрового потенциометра) источника тестового сигнала и сопротивление измеряемой среды, а это значит, что напряжение на измерительном зонде примерно будет равно половине амплитуды тестового сигнала. Учитывая, что априорно сопротивление исследуемой среды известно (с учетом предельно допустимого допуска), то устанавливая такое же сопротивление цифрового потенциометра, возможно, стабилизировать напряжение на измерительном зонде не зависимо от конкретного типа исследуемой среды продукта. Применение синхронного детектора позволяет минимизировать влияние помех, воздействующих на измеряемую среду продукта и в целом решить проблему помехоустойчивости ионоизмерителя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема электрометрического ионоизмерителя.

Электрометрический ионоизмеритель 1 состоит из источника питания 2,подключенного к микроконтроллеру 3, жидкокристаллическому индикатору 4, источнику опорного напряжения 5, синхронному детектору 6 и цифровому потенциометру 8. Первый выход микроконтроллера 3 подключен к жидкокристаллическому индикатору 4, второй выход соединен с управляющими входами синхронного детектора 6 и модулятора 7, а третий выход подключен к управляющему входу цифрового потенциометра 8. Выход источника опорного напряжения 5 подключен к сигнальному входу модулятора 7, выход которого соединен с сигнальным входом цифрового потенциометра 8. Выход цифрового потенциометра 8 подключен к измерительному зонду 9 и к сигнальному входу синхронного детектора 6.

Электрометрический ионоизмеритель 1 работает следующим образом.

После включения источника питания 2 ионоизмерителя 1 производят запитку микроконтроллера 3, жидкокристаллического индикатора 4, источника опорного напряжения 5, синхронного детектора 6, модулятора 7 и цифрового потенциометра 8. Органами управления ионоизмерителя 1 из базы данных микроконтроллера 3 производят выбор исследуемого исследуемой среды и тип измеряемой характеристики. На жидкокристаллическом индикаторе 4 фиксируют название выбранной среды, тип измеряемой характеристики и связанные с ними норму предельно допустимой концентрации (ПДК), а также частоту тестового сигнала.

Далее осуществляют контакт измерительного зонда 9 с исследуемой средой, после чего микроконтроллер 3 вырабатывает управляющий сигнал прямоугольной формы и частотой адаптированной к исследуемой среде. Этот сигнал поступает на управляющие входы синхронного детектора 6 и модулятора 7. На сигнальный вход модулятора 7 с источника опорного напряжения 5 поступает постоянное напряжение с амплитудой U_оп. Таким образом, с выхода модулятора 7 на цифровой потенциометр 8 поступает тестовый сигнал прямоугольной формы и амплитудой U_оп.

Следовательно, напряжение на измерительном зонде 9 при воздействии на него исследуемой среды определяется по формуле:

где: U_оп - амплитуда опорного согнала;

R₃ - сопротивление измеряемой среды;

R_цп - сопротивление цифрового потенциометра.

- Из этой формулы следует, что:

Из формулы (3) определяем содержание ионов в исследуемой среде:

где: K - калибровочный коэффициент, размерность и значение которого определяется типом измеряемой характеристики исследуемой среды.

Таким образом, принцип действия прибора основан на прямом измерении сопротивления исследуемой среды, определяемом количеством исследуемых соединений в среде и расстоянием между электродами зонда прибора.

Отметим ряд отличительных особенностей предлагаемого ионоизмерителя.

1. Как следует из формулы (2) при установлении R_цп≈R₃ напряжение U_з≈0,5U_оп. Эта пропорция соблюдается для всех типов продуктов, так как во-первых примерное значение сопротивления Я₃априорно известно и может быть учтено в процессе подготовки прибора к измерению, а во-вторых микроконтроллером в процессе измерения осуществляется более точная подгонка сопротивления цифрового потенциометра до соблюдения равенства U_з≈0,5U_оп. Таким образом, независимо от типа исследуемой среды, синхронный детектор осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное практически одного уровня, а именно U_сд≈0,5U_оп.

А это значит, что поставленная техническая задача по исключению влияния нелинейности детектора в предлагаемом электрометрическом ионоизмерителе решена.

2. Применение в приборе синхронного детектора позволило практически исключить влияние помех и наводок и таким образом решить проблему повышения помехоустойчивости прибора.

3. Используемый в заявляемом устройстве прямое измерение сопротивления среды придают ему универсальные свойства, как кондуктометра, так и Ph тестера. Возникающая при этом проблема увеличения диапазона частот тестового сигнала (от десятков Гц до сотен кГц) решается путем использования возможностей микроконтроллера в качестве задающего генератора и быстродействующих аналоговых ключей в модуляторе и синхронном детекторе.

Таким образом, предлагаемое техническое решение является новым, промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к полезным моделям.

Claims (1)

1. Электрометрический ионоизмеритель, состоящий из источника питания, микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора, модулятора, источника опорного напряжения, измерительного зонда, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен цифровым потенциометром, а в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное использован синхронный детектор, при этом выход источника питания подключен к микроконтроллеру, жидкокристаллическому индикатору, источнику опорного напряжения, синхронному детектору и цифровому потенциометру, а первый выход микроконтроллера подключен к жидкокристаллическому индикатору, второй его выход соединен с управляющими входами синхронного детектора и модулятора, а третий его выход подключен к управляющему входу цифрового потенциометра, выход источника опорного напряжения подключен к сигнальному входу модулятора, соединенного с сигнальным входом цифрового потенциометра, выход цифрового потенциометра подключен к измерительному зонду и к сигнальному входу синхронного детектора.

   

Images