Устройство с кондуктометрическим датчиком

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля состава веществ, их идентификации, а также определения наличия в них примесей с аномальной электрической проводимостью. Сущность изобретения: кварцевый генератор устройства выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов и снабжен формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности-2, с одинаковыми (кроме фаз) выходными характеристиками; устройство содержит резонансные фильтры, настроенные на частоту одной из нечетных гармоник, которые одновременно служат для обеспечения межкаскадного согласования, а также сумматор, состоящий из кондуктометрических ячеек и балансировочного резистора; сумматор входами подключен к выходам резонансных фильтров, а выходом подключен к блоку регистрации измерений. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля состава веществ, их идентификации, а также определения наличия в них примесей с аномальной электрической проводимостью.

Устройство может найти применение в химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, экологии и т.п.

Известно большое количество устройств с емкостными и кондуктометрическими датчиками, используемых для подобных целей.

В качестве аналогов можно рассмотреть устройства, прошедшие практический отбор и рекомендованные в литературе для широкого использования.

Аналогом предлагаемого устройства является прибор идентификтометр (В помощь радиолюбителю. Выпуск 98, ISSN 0130-0830 М. Издательство ДОСААФ СССР, 1987, с. 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.

Прибор содержит задающий генератор, измерительную цепь и емкостные датчики, являющиеся частотозадающими емкостями генератора.

Однако в указанном приборе задающий генератор выполнен на основе классической мультивибраторной схемы, точность работы которой невелика (Шило В. Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. Москва. Радио и связь, 1982, с. 61).

Кроме того, главным недостатком указанного устройства является невозможность контроля веществ, обладающих относительно высокой электропроводностью, например растворов солей, кислот, щелочей, микробиологических растворов, молока и т.п.

Известно устройство для измерения отношения удельных электропроводностей жидкостей (патент РФ N 1599746, кл. G 01 N 27/02, 1990), которое содержит две кондуктометрические ячейки, генератор переменного тока, аналоговый узел вычисления отношения, выполненный на двух операционных усилителях и измерительную схему.

Однако это устройство выполняет несколько иную функцию: измеряет отношение электропроводностей, а не функцию измерения разности комплексных сопротивлений ячеек, кроме того, оно не может быть экономичным, так как при использовании в схеме двух операционных усилителей от источника питания будет потребляться ток порядка 10 мА при напряжении питания ±12 В.

Два следующих аналога, более близких по технической сущности к предлагаемому устройству, являлись экспонатами 30-й Всесоюзной выставки творчества радиолюбителей ДОСААФ.

Это устройство-аналог индикатор мастита (Радио N 8, 1982, с. 17-20. Москва. ISSN 0033-765X).

Устройство содержит генератор синусоидального напряжения с системой автоматической регулировки амплитуды, измерительную мостовую схему, в одно плечо которой поочередно включаются кондуктометрические ячейки, в другое - корректирующие резисторы, а также устройство содержит блок регистрации разбаланса моста.

Недостатками устройства являются низкая стабильность и точность контроля, вызванная недостаточной стабильностью генератора синусоидального напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения жирности молока с датчиками комплексной проводимости проб (Радио, 1982, N 12, с. 24-25. Москва. ISSN 0033-765X).

Устройство содержит генератор несущей частоты, синусоидальный генератор модулирующей частоты, модулятор, измерительную мостовую схему, в плечи которой включены две ячейки с жиросодержащим и обезжиренным молоком, и блок регистрации разбаланса моста.

Недостатком устройства является его неоправданная сложность, недостаточная стабильность амплитуды генератора модулирующей частоты, а также наличие погрешности, возникающей при модуляции и демодуляции сигнала разбаланса моста.

Задача изобретения расширение области применения устройства за счет повышения точности работы, стабильности и экономичности.

Поставленная задача решается тем, что кварцевый генератор устройства выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов и снабжен формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности-2, с одинаковыми (кроме фаз) выходными характеристиками, устройство содержит резонансные фильтры, настроенные на частоту одной из нечетных гармоник, которые одновременно служат для обеспечения межкаскадного согласования.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для контроля идентичности веществ.

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 A и первый резонансный фильтр 2, подключенный входом к выходу A генератора, второй резонансный фильтр 3, идентичный первому, входом подключенный к выходу а также сумматор, состоящий из последовательно соединенных кондуктометрических ячеек 4 и 5, точка соединения которых подключена к общему проводу, и балансировочного резистора 6, подключенного параллельно ячейкам; сумматор входами подключен к выходам резонансных фильтров 2 и 3, а выходом подключен к блоку 7 регистрации измерений.

Устройство работает следующим образом.

При включении генератор прямоугольных импульсов 1 генерирует переменное напряжение прямоугольных импульсов скважности-2, частота которого определяется собственной частотой кварцевого резонатора.

Напряжение этого генератора с противофазных выходов содержащегося в нем формирователя A и (прямого и инвертированного) подается на входы резонансных фильтров 2 и 3, выходы которых соединены с входами сумматора, состоящего из кондуктометрических ячеек 4, 5, и балансировочного резистора 6, регулируемый выход которого подключен к входу блока 7 регистрации.

Сумматор 6 отрегулирован таким образом, что при наличии в кондуктометрических ячейках 4 и 5 одного и того же вещества его выходное напряжение равно нулю, а напряжение на выходе блока 7 регистрации также равно нулю или же имеет вполне определенное, калиброванное значение.

При наличии в ячейках неодинаковых веществ сопротивления ячеек будут отличаться, напряжение на выходе сумматора станет отличным от нуля, а на выходе блока 7 регистрации возникнет сигнал неидентичности веществ.

Посторонние дестабилизирующие воздействия, например изменение температуры в зоне контроля, в равной степени изменяют параметры ячеек, а также находящихся в них веществ и не вызывают дополнительных погрешностей.

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 кондуктометрических ячеек.

Чувствительность и стабильность предлагаемого устройства с рабочей частотой 32,768 кГц оказывается значительно выше, чем у устройства аналога, работающего на частоте в несколько мегагерц.

Кроме того, если устройство предназначено для контроля какого-то определенного вещества, например молока, с целью определения наличия в нем соматических клеток, возможен упрощенный вариант устройства, в котором роль резонансных фильтров выполняют переходные конденсаторы, которые для обеспечения межкаскадных согласований могут шунтироваться резисторами.

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.

Напряжение питания устройства в этом случае составляет 1,5-3,0 В.

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, метрологические аттестуемые приборы для контроля состава определенных групп веществ.

Формула изобретения

Устройство с кондуктометрическим датчиком, содержащее кварцевый генератор импульсов, две кондуктометрические ячейки, включенные в мостовую схему, и регистратор, отличающееся тем, что кварцевый генератор прямоугольных импульсов снабжен формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности 2, с идентичными, кроме фаз, выходными характеристиками, кроме того, устройство содержит первый резонансный фильтр, подключенный входом к прямому выходу генератора, второй резонансный фильтр, идентичный первому, входом подключенный к противофазному выходу генератора, а также сумматор, состоящий из последовательно соединенных кондуктометрических ячеек, точка соединения которых подключена к общему проводу, и балансировочного резистора, подключенного параллельно ячейкам, сумматор входами подключен к выходам резонансных фильтров, а выходом подключен к блоку регистрации измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1