RU2084884C1

RU2084884C1 - Device testing identity of substances

Info

Publication number: RU2084884C1
Application number: RU94037803A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Фролов; В.В. Сухомлинов; В.П. Панов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия; Научно-производственно-коммерческое товарищество с ограниченной ответственностью "Фортуната"
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1997-07-20
Also published as: RU94037803A

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: device has generator 1 of rectangular pulses with quartz-controlled stabilization of frequency and phase of oscillations fitted with former 2 of forward and counterphase relative pulse duration, capacitive converter 3 carrying dish with tested substance 3 between its plates, second capacitive converter 4 carrying dish with standard sample 5 between its plates, adder 6 and register 7. EFFECT: simplified design, increased operational reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля состава веществ, их идентификации, а также определения наличия в них примесей (например, повышенного содержания влаги). The invention relates to a control and measuring technique and can be used in devices for monitoring the composition of substances, their identification, as well as determining the presence of impurities (for example, high moisture content).

Устройство может найти применение в химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, экологии и т.п. The device can find application in the chemical and food industries, agriculture, medicine, ecology, etc.

Известно большое количество устройств с емкостными преобразователями, используемых для подобных целей. There are a large number of devices with capacitive converters used for such purposes.

В качестве аналогов полезно рассмотреть три устройства, прошедшие некоторый практический отбор и рекомендованные в литературе для широкого использования. As analogues, it is useful to consider three devices that have passed some practical selection and are recommended in the literature for widespread use.

Известны устройства для измерения влажности с емкостными преобразователями ("В помощь радиолюбителю. Выпуск 72". ISSN 0130-0830, издательство ДОСААФ СССР, 1981 г. с. 50 57). Known devices for measuring humidity with capacitive transducers ("To help the amateur. Release 72". ISSN 0130-0830, USSR DOSAAF Publishing House, 1981, p. 50 57).

Устройство содержит задающий генератор, выполненный по схеме мультивибратора, измерительную цепь и емкостной преобразователь, подключенный параллельно одной из частотозадающих емкостей мультивибратора. The device contains a master oscillator made according to the multivibrator scheme, a measuring circuit and a capacitive transducer connected in parallel to one of the frequency-setting capacitors of the multivibrator.

Там же приводится еще одна схема аналогичного устройства, выполненного на базе мультивибратора, принципиально ничем не отличающаяся от первой. It also provides another diagram of a similar device made on the basis of a multivibrator, fundamentally no different from the first.

Недостатками этих двух устройств является неудовлетворительная точность, низкая стабильность и повышенное энергопотребление. The disadvantages of these two devices are unsatisfactory accuracy, low stability and increased power consumption.

Близким аналогом предлагаемому устройству по своему назначению является прибор-идентификтометр, описанный в другом выпуске ("В помощью радиолюбителю Выпуск 98". ISSN 0130-0830, Москва, издательство ДОСААФ СССР, 1987 г. с. 68
71).A close analog of the proposed device for its intended purpose is the identifier device described in another issue ("Using a radio amateur Issue 98". ISSN 0130-0830, Moscow, DOSAAF USSR Publishing House, 1987, p. 68
71).

Указанный прибор предназначен для проверки идентичности различных веществ: жидких, сыпучих, органических и минеральных. Прибор позволяет сравнивать одинаковые вещества и обнаруживать в них примеси. The specified device is designed to verify the identity of various substances: liquid, bulk, organic and mineral. The device allows you to compare the same substances and detect impurities in them.

Однако, как и предыдущие аналоги, указанный прибор выполнен на основе классической мультивибраторной схемы, точность работы которой невелика (Шило В. Л. "Функциональные аналоговые интегральные микросхемы". Москва, "Радио и связь", 1982 г. с. 61). However, like the previous analogues, the specified device is based on the classical multivibrator circuit, the accuracy of which is not high (Shilo V. L. "Functional analog integrated circuits. Moscow, Radio and Communication, 1982, p. 61).

Кроме того, еще одним недостатком указанного устройства является необходимость применения относительно высокого напряжения питания 18 вольт, что при токе потребления 10 20 миллиампер делает устройство еще более неэкономичным. In addition, another drawback of this device is the need to use a relatively high supply voltage of 18 volts, which at a consumption current of 10 20 milliamps makes the device even more uneconomical.

Наиболее близким к предлагаемому является электронный влагомер по авторскому свидетельству СССР N 744305 (кл. G 01 N 27/22, опубл. 1980 г.), который содержит емкостной преобразователь, генератор несимметричного прямоугольного напряжения, имеющий прямой и инверсный выходы, параллельно соединенные компенсирующий конденсатор и управляемый резистор, сумматор, выполненный в виде операционного усилителя, дифференциатор, нуль-орган, фильтр нижних частот и блок регистрации измерений. Closest to the proposed one is an electronic moisture meter according to the USSR author's certificate N 744305 (class G 01 N 27/22, publ. 1980), which contains a capacitive transducer, an asymmetric rectangular voltage generator having direct and inverse outputs, in parallel connected to a compensating capacitor and a controlled resistor, an adder made in the form of an operational amplifier, a differentiator, a zero-organ, a low-pass filter and a measurement recording unit.

Однако это устройство имеет ограниченную область применения и может использоваться лишь для контроля влажности одного определенного вещества, кроме того, оно не может быть экономичным, так как сумматор, выполненный в виде операционного усилителя, уже будет потреблять от источника питания ток порядка 5 мА при напряжении питания ±12 В. However, this device has a limited scope and can only be used to control the humidity of one particular substance, in addition, it cannot be economical, since the adder, made in the form of an operational amplifier, will already consume a current of about 5 mA from the power source at a supply voltage ± 12 V.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения точности работы, стабильности и экономичности. The aim of the invention is to expand the scope of the device by improving the accuracy, stability and efficiency.

Поставленная цель достигается тем, что генератор прямоугольных импульсов имеет кварцевую стабилизацию частоты и фазы колебаний, а также снабжен формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности 2, с одинаковыми (кроме фаз) выходными характеристиками, кроме того, устройство дополнительно содержит второй емкостной преобразователь (идентичный первому), между обкладками которого помещена кювета с образцовым веществом, включенный совместно с первым таким образом, что первые обкладки емкостных преобразователей подключены к противофазным выходам генератора, а вторые ко входам сумматора, выход которого подключен к входу блока регистрации измерений. Сумматор в предлагаемом устройстве может быть любым, в частности, резистивно-мостовым, т.е. не требующим электропитания. This goal is achieved in that the rectangular pulse generator has quartz stabilization of the frequency and phase of the oscillations, and is also equipped with a driver of direct and antiphase pulse sequences of duty cycle 2, with the same (except for phases) output characteristics, in addition, the device additionally contains a second capacitive converter (identical to the first ), between the plates of which a cell with a sample substance is placed, included together with the first one so that the first plates of the capacitive transducer s connected to the antiphase outputs of the generator, and the latter to the inputs of the adder, whose output is connected to the input of the measurement recording unit. The adder in the proposed device can be any, in particular, resistive-bridge, i.e. not requiring power.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для контроля идентичности веществ. The drawing shows a functional diagram of a device for controlling the identity of substances.

Устройство содержит: генератор 1 прямоугольных импульсов, имеющий кварцевую стабилизацию частоты и фазы колебаний, а также снабженный формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности 2 с выходами соответственно А и

емкостной преобразователь, подключенный первой обкладкой к выходу А генератора и содержащий между своими обкладками кювету 3 с контролируемым веществом; второй емкостной преобразователь 4, подключенный первой обкладкой к выходу

генератора и содержащий между своими обкладками кювету 5 с образцовым веществом; а также сумматор 6, подключенный входами ко вторым обкладкам емкостных датчиков 2 и 4, а выходом подключенный к блоку 7 регистрации измерений.The device comprises: a generator 1 of rectangular pulses having quartz stabilization of the frequency and phase of oscillations, and also equipped with a shaper of direct and antiphase pulse sequences of duty cycle 2 with outputs respectively A and

a capacitive transducer connected by the first plate to the output A of the generator and containing between its plates a cell 3 with a controlled substance; a second capacitive converter 4 connected to the output by the first plate

a generator and containing between its plates a cuvette 5 with an exemplary substance; as well as an adder 6 connected by inputs to the second plates of capacitive sensors 2 and 4, and by an output connected to a measurement recording unit 7.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При включении генератор прямоугольных импульсов 1 генерирует переменное напряжение прямоугольных импульсов скважности 2, частота которого определяется собственной частотой кварцевого резонатора. When you turn on the generator of rectangular pulses 1 generates an alternating voltage of rectangular pulses of duty cycle 2, the frequency of which is determined by the natural frequency of the quartz resonator.

Напряжение этого генератора с противофазных выходов содержащегося в нем формирователя А и

(прямого и инвертированного) подается на емкостные преобразователи 2 и 4, содержащие между своими обкладками кюветы 3 и 5 с контролируемым и образцовым веществами.The voltage of this generator from the antiphase outputs of the shaper A contained therein and

(direct and inverted) is supplied to capacitive transducers 2 and 4, containing between their plates cuvettes 3 and 5 with controlled and exemplary substances.

Сумматор 6 отрегулирован таким образом, что при наличии в кюветах одного и того же вещества его выходное напряжение равно нулю, и напряжение на выходе блока регистрации 7 также равно нулю или же имеет вполне определенное, калиброванное значение. The adder 6 is adjusted in such a way that in the presence of the same substance in the cuvettes, its output voltage is zero, and the voltage at the output of the recording unit 7 is also zero or has a well-defined, calibrated value.

При наличии в кюветах неодинаковых веществ емкости преобразователей будут отличаться, напряжение на выходе сумматора станет отличным от нуля и на выходе блока регистрации 7 возникнет сигнал неидентичности веществ. If there are dissimilar substances in the cells, the capacitance of the transducers will differ, the voltage at the output of the adder will become non-zero, and a signal of non-identical substances will appear at the output of registration unit 7.

Посторонние дестабилизирующие воздействия, например: изменение температуры в зоне контроля в равной степени изменяют параметры датчиков и не вызывают дополнительных погрешностей. Extraneous destabilizing effects, for example: changes in temperature in the control zone equally change the parameters of the sensors and do not cause additional errors.

Генератор прямоугольных импульсов имеет кварцевую стабилизацию частоты и будучи выполнен на микросхеме КМОП структуры, совместно с входящим в его состав формирователем, имеет токопотребление менее 20-ти микроампер, что в 500 1000 раз меньше, чем у устройства аналога. Токопотребление блока регистрации (в режиме баланса) еще меньше. The square-wave pulse generator has quartz frequency stabilization and being executed on the CMOS chip of the structure, together with its shaper, it has a current consumption of less than 20 microamps, which is 500 1000 times less than that of an analog device. The current consumption of the registration unit (in balance mode) is even less.

Таким образом, область применения устройства значительно расширяется, так как становится возможным использование в нем автономных источников питания (батарей или аккумуляторов небольшой емкости), при этом ресурс работы устройства при непрерывной работе составит 1 2 года в сравнении с двумя - тремя сутками для аналога. Thus, the scope of the device is expanding significantly, since it becomes possible to use autonomous power sources (batteries or small capacity batteries) in it, while the life of the device during continuous operation will be 1 2 years compared with two to three days for an analogue.

Повышение точности работы устройства достигается за счет низкого уровня фазовых шумов генератора с кварцевой стабилизацией частоты, идентичности характеристик противофазных прямоугольных импульсов скважности 2, а также возможности дифференциального включения емкостных преобразователей. Improving the accuracy of the device is achieved due to the low level of phase noise of the generator with quartz frequency stabilization, the identity of the characteristics of the out-of-phase rectangular pulses of duty cycle 2, as well as the possibility of differential switching capacitive converters.

Чувствительность и стабильность предложенного устройства с рабочей частотой 32,768 кГц оказывается значительно выше, чем у устройства аналога, работающего на частоте в несколько мегагерц. The sensitivity and stability of the proposed device with an operating frequency of 32.768 kHz is significantly higher than that of an analog device operating at a frequency of several megahertz.

Кроме того, очевидным достоинством предлагаемого устройства является его простота, что позволяет исключить из устройства многие элементы, необходимые для работы прототипа, с одновременным улучшением метрологических характеристик и ограничиться минимальным количеством "навесных" элементов, что обеспечивает высокую надежность устройства, особенно при микросхемном исполнении. In addition, the obvious advantage of the proposed device is its simplicity, which allows you to exclude from the device many of the elements necessary for the prototype to work, while improving metrological characteristics and limit itself to the minimum number of "mounted" elements, which ensures high reliability of the device, especially with microcircuit design.

Напряжение питания устройства в этом случае составляет 1,5 3,0 вольта. The supply voltage of the device in this case is 1.5 to 3.0 volts.

Сверхсуммарный эффект, определяющий изобретательский уровень технического решения, характеризуется еще и тем, что многократное увеличение точности, стабильности и ресурса работы устройства придает ему совершенно новое качество в области метрологического обеспечения, не присущее аналогам и прототипу, что позволяет на его основе создавать высокоточные, метрологически аттестуемые приборы для контроля состава определенных групп веществ. The total effect that determines the inventive step of a technical solution is also characterized by the fact that a multiple increase in the accuracy, stability and life of the device gives it a completely new quality in the field of metrological support that is not inherent in analogues and prototype, which allows us to create highly accurate, metrologically certified devices for controlling the composition of certain groups of substances.

Claims

A device for controlling the identity of substances containing a rectangular pulse generator having direct and inverse outputs, a capacitive transducer, between which the cuvette with the controlled substance is placed, an adder and a measurement recording unit, characterized in that the rectangular pulse generator is made with quartz stabilization of the frequency and phase of the oscillations and contains a driver of direct and antiphase pulse sequences of duty cycle-2, and the device further comprises a second capacitive transform a generator with a sample cell placed between the plates, the first plates of the capacitive transducers connected to the antiphase outputs of the generator, and the second plates connected to the inputs of the adder, the output of which is connected to the input of the recording unit.