МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1995 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относитсяя к технике исследования жидких сред путем измерения электрохимических потенциалов и может быть использовано в экологии при проектировании устройств для контроля морских, речных, сточных и других вод на предмет определения степени их загрязнения.

В настоящее время контроль вод осуществляется путем размещения в них датчиков, регистрирующих наличие в исследуемой среде солей тяжелых металлов, сложных органических веществ (нефтепродуктов и др.), и совместной обработки сигналов с указанных датчиков.

Так как степень загрязнения вод изменяется в широком диапазоне, то качество контроля будет определяться как чувствительностью датчиков, так и возможностями устройств обработки сигналов с точки зрения диапазона изменения амплитуд входных сигналов. Для обеспечения высокой точности измерения устройство обработки должно обладать высокой чувствительностью и широким диапазоном линейного преобразования сигналов, что в известной степени является проблемой.

Известно устройство для потенциометрических измерений активности ионов в растворах [1] состоящее из первичных преобразователей, индикаторных электродов, электрода сравнения, дополнительного электрода и вторичных высокоомных измерительных преобразователей с показывающими приборами.

Недостатками этого устройства являются значительные погрешности в измерении, вызванные невозможностью данного устройства обеспечить широкий диапазон линейного преобразования сигналов в условиях использования индикаторных электродов в широком диапазоне изменения температуры и концентрации определяемых ионов в жидкой среде.

Наиболее близким к изобретению является устройство для автоматизированной поверки первичных преобразователей ионной активности в растворах [2] содержащее первичные преобразователи, электрод сравнения, подключенный через реле к общей шине устройства, дополнительный контактный электрод, три коммутатора, реле на каждое коммутируемое направление, высокоомный согласующий преобразователь, вход которого соединен с коммутаторами, а выход с последовательно соединенными цифровым вольтметром, электронной клавишной вычислительной машиной (ЭКВМ) и цифропечатающим устройством.

Это устройство в сравнении с приведенным выше аналогом более успешно решает задачу контроля жидких сред на загрязненность за счет введения в него цифрового вольтметра и ЭКВМ, однако и ему присущи недостатки, а именно: невозможность обеспечить широкий диапазон линейного преобразования сигналов в условиях использования первичных преобразователей в широком диапазоне изменения температуры и концентрации определяемых ионов в контролируемой жидкой среде.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве производится контроль жидких сред путем измерения электрохимического потенциала ионов в растворе, но для расширения диапазона измерений и повышения чувствительности измерений в нем осуществляется усилие в К₁ раз сигналов ионселективных датчиков, определение их приращений, взятых через заданные интервалы времени, которые последовательно сравниваются с допуском. В момент достижения этого допуска значение напряжения входного сигнала, усиленное в К₁ раз запоминается и далее оно вычитается из общего входного сигнала, причем полученный разностный сигнал усиливается в К₂ раз при условии К₂>>К₁. В усиленном разностном сигнале берут m отсчетов на скользящем интервале наблюдения, усредняют их и повторяют указанную процедуру на очередном временном интервале, сдвинутом на заданный шаг, определяют разность между последующими и предыдущими усредненными результатами и сравнивают с другим допуском, при достижении которого фиксируют значение разностного сигнала и выносят решение, что переходный процесс на электроде закончился. После этого суммируют полученное значение разностного сигнала с ранее измеренным. Полученное значение корректируется в зависимости от температуры исследуемой жидкости в реальном времени по известным зависимостям и данных температурного канала. Это достигается введением в каждый канал измерения электрохимического потенциала высокоомного согласующего усилителя, блока компенсации части усиленного напряжения, цифро-аналогового преобразователя, коммутатора диапазона измерения, а также благодаря введению в устройство канала измерения температуры с их связями.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 пример схемной реализации блока цифро-аналоговых преобразователей.

На фиг. 1 показаны электрод 1 сравнения (ЭС); ионселективные электроды (Э) 2-4; датчик 5 температуры (ДТ), высокоомные согласующие усилители (ВС) 6-8; усилитель 9 канала измерения температуры (У); компенсаторы 10-12 напряжения (КН); коммутаторы 13-15 диапазонов измерений (КОМ); коммутатор 16 каналов (Ком. кан.); аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17; электронно-вычислительная машина (ЭВМ) 18 и блок 19 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

На фиг.2 показаны: дешифратор 20 адреса канала измерения (ДШ); дешифратор 21 адреса выполнения условия получения заданной точности (ДШ); логические элементы И 22-25 и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 26-29.

Многоканальное устройство содержит ионселективные электроды 2-4 (Э), подсоединенные к первым входам соответствующих высокоомных согласующих усилителей 6-8 (ВС), электрод 1 сравнения (ЭС), подключенный к вторым входам высокоомных согласующих усилителей (ВС) 6-8. Выходы усилителей 6-8 подключены к первым входам соответствующих компенсаторов 10-12 напряжения и к первым входам соответствующих коммутаторов 13-15 диапазонов измерения (КОМ). Вторые входы компараторов 10-12 напряжения соединены с соответствующими выходами блока 19 ЦАП, а выходы компенсаторов 10-12 подключены к вторым входам соответствующих коммутаторов 13-15 диапазонов измерений.

Устройство также содержит датчик 5 температуры (ДТ), подключенный к усилителю 9 температурного канала. Выход усилителя 9 и выходы коммутаторов 13-15 подключены к соответствующим входам коммутатора 16 каналов измерения, выход которого соединен с одним из входов аналого-цифрового преобразователя 17 (АЦП), информационный выход которого соединен с соответствующими входами электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 18 и блока 19 цифроаналоговых преобразователей, при этом управляющие входы коммутаторов 13-15 и блока 19 соединены магистралью с одним из выходов электронно-вычислительной машины 18, другой выход которой магистрально соединен с управляющим входом коммутатора 16 каналов. Выход таковой частоты f_т электронно-вычислительной машины 18 соединен с соответствующими входами АЦП 17 и блока 19 ЦАП, выход "Имп.запуска" ЭВМ 18 соединен с соответствующим входом АЦП 17, а выход АЦП 17 "Готовность" соединен с соответствующими входами ЭВМ 18 и блока 19 ЦАП.

На фиг. 2 выходы дешифраторов 20 и 21, подключенных входами к шине "Код упр. ", соединены с соответствующими входами логических элементов И 22-25, выходы которых подключены к первым входам соответствующих цифроаналоговых преобразователей 27-29, информационные входы которых подключены к шине "Код ЦАП" блока 19.

Многоканальное устройство работает следующим образом.

Ионселективный электрод при погружении в контролируемый раствор развивает электродвижущую силу (ЭДС), зависящую от активности ионов в растворе. Для ее измерения потенциал с чувствительного элемента ионселективного электрода подается на первый вход высокоомного согласующего усилителя 6 (7,8), построенного по схеме стандартного измерительного усилителя на операционном усилителе, например, серии 140УД17 (140УД23). На второй вход усилителя подается потенциал с электрода 1 сравнения. В результате на выходе усилителя 6 (7,8) получаем сигнал, равный
Е К₁Е_вхi, где К₁ коэффициент усиления усилителя;
Е_вxi значение ЭДС i-го ионселективного электрода относительно ЭДС, снимаемой с электрода 1 сравнения.

Сигнал с усилителя 6 (7,8) поступает на компенсатор 10 (11,12) диапазонов измерения, который в зависимости от кода управления, поступающего с ЭВМ 18, замыкает цепь прохождения сигнала с выхода усилителя 6 (7,8) на вход коммутатора 10 (11,12) или цепь прохождения сигнала с выхода усилителя 6 (7,8) через компенсатор 10 (11,12) усиленного напряжения на выход коммутатора 13 (14, 15). Коммутатор 13 (14,15) состоит из дешифратора и управляемых ключей, построенный на микросхеме 590КН6. Далее сигнал поступает на коммутатор 16, построенный по схеме, аналогичной коммутатору 13 (14,15). Коммутатор 16 каналов измерения в зависимости от кода управления, поступающего с ЭВМ 18, подключает к АЦП 17 тот или иной канал измерения. Аналого-цифровой преобразователь 17 построен на микросхеме КР572ПВ1. По мере готовности АЦП 17 формирует сигнал "Готовность" и по этому сигналу код преобразования поступает в ЭВМ 18 и в блок 19 ЦАП.

Блок 19 (см. фиг.2) состоит из дешифратора 20 адреса канала измерения, дешифратора 21 адреса выполнения условия заданной точности измерения, трехвходовых логических элементов И 22-25 и цифроаналоговых преобразователей 26-29, т.е. по числу каналов измерения.

Код управления блоком 19 ЦАП поступает из ЭВМ 18 по общей шине управления, состоящей из шины адреса канала измерения и шины адреса выполнения условия заданной точности тем или иным каналом измерения. При поступлении на входы одной из схем И 22 (23, 24, 25) с дешифратора 20 адреса канала сигнала, равного логической "1" с дешифратора 21 адреса выполнения заданной точности сигнала, соответствующего логической "1", и при поступлении сигнала "Готовность" на третий вход элемента И 22 (23, 24, 25) в соответствующий цифроаналоговый преобразователь блока 19 записывается код с АЦП 17.

На выходе соответствующего цифроаналогового преобразователя формируется сигнал, напряжение которого равно значению, измеренному на момент включения коммутатора 16 i-го канала, которое поступает на второй вход компенсатора 10 (11,12) напряжения i-го канала.

При поступлении с дешифратора 21 адреса выполнения заданной точности потенциала, соответствующего логическому "0", характеризующего выполнение условия, сигнал "Готовность" не проходит через элемент И 22 (23, 24, 25) на запись в регистр ЦАП 26 (27, 28, 29) нового кода из АЦП 17.

Таким образом, на выходе ЦАП 26 (27, 28, 29) сохраняется сигнал напряжением, равным измеренному на момент выполнения условия получения заданной точности. Компенсатор 10 (11,12) построен на операционном усилителе МС 140УД17. Коммутатор 13 (14, 15) выдает на свой выход это напряжение только при поступлении соответствующего кода с ЭВМ 18. В качестве ЭВМ 18 в предлагаемом устройстве используется микроЭВМ типа "Электроника МС 2702". Рассмотрим работу ЭВМ на примере одного i-го канала измерений. Управление каждым каналом производится независимо от состояния других каналов измерения. Первоначально ЭВМ переводит устройство в режим измерения с коэффициентом усиления К₁, для чего выдает соответствующий код на коммутатор измерения 13 (14, 15), выдает в коммутатор 16 код очередного канала измерения и держит этот код в течение всего времени преобразования, выдает в АЦП 17 импульс запуска АЦП ("Имп. запуска" на преобразование сигнала, ждет от АЦП 17 сигнала "Готовность", означающего конец преобразования и разрешение считывания кода АЦП 17. ЭВМ 18 считывает код АЦП 17, заносит его в ОЗУ для дальнейшего использования. Управление процессом идет по достаточно жесткому алгоритму. Для обработки результатов измерений используется время, занимаемое АЦП 17 на преобразование аналогового сигнала в код. ЭВМ 18 сравнивает предыдущее значение с текущим измерением на соблюдение условия
Е_выхin+1 E_выхin K₁[E_вхin+1 Е_вхin] Δ E_iT, где Δ Е_iТ значение, выбранное из условия получения заданной точности измерения
Если это условие не выполняется, ЭВМ переходит на следующее n + 2 преобразование. Если же оно выполняется, осуществляется перевод i-го канала на другой диапазон измерений с коэффициентом усиления К₁ ˙ К₂, где К₂ коэффициент усиления второго усилителя, для ч его выдаются в коммутатор диапазонов измерений i-го канала и блок 19 ЦАП соответствующие коды. В результате на выходе коммутатора вырабатывается сигнал, равный
E_выхi К₁К₂[E_вхin+1 E_цапi] где Е_цапi const значение выходного сигнала i-го канала на момент соблюдения предыдущего условия
Далее, ЭВМ 17 проводит измерения сигнала относительно запомненного сигнала Е_цапi const, но уже с коэффициентом К₁ ˙ К₂, чем повышается чувствительность измерения. По следующим m измерениям ЭВМ проводит осреднение сигнала
где m выбирается из условия соблюдения заданной чувствительности измерения.

Полученное осредненное значение запоминается в ОЗУ. После этого осуществляется осреднение по m последующим измерениям

Полученное осредненное значение также запоминается в ОЗУ. Полученные значения взаимно сравниваются на соблюдение условия
- ΔE_ir где Δ Е_ir выбирается из условия заданной чувствительности измерения. Если это условие не выполняется, то выдается команда перехода на очередные измерение и осреднение. Если оно выполняется, то выносится решение, что переходный процесс на электроде закончился и процесс измерения можно считать завершенным.

После этого полученное значение суммируется с ранее измеренным, затем эта сумма корректируется в зависимости от температуры на данный момент времени по известной зависимости. Откорректированное значение ЭДС выводится на табло ЭВМ.

Используя существующую технологию и элементную базу, предлагаемое устройство без особых трудностей может быть изготовлено в производстве, что характеризует объект изобретения как промышленно применимый.

Использование: техника исследования жидких сред путем измерения электрических потенциалов в экологии при проектировании устройств для контроля морских, речных, сточных и других вод на предмет определения степени их загрязнения. Сущность изобретения: контроль жидких сред производится путем измерения электрохимического потенциала ионов в растворе, но для расширения диапазона измерений, повышения точности и чувствительности измерений в нем производится компенсация части усиленного напряжения. 2 ил.

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖИДКИХ СРЕД, содержащее N каналов измерения электрохимических потенциалов с ионоселективным электродом в каждом канале, электрод сравнения, коммутатор каналов, высокоомный согласующий усилитель, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и электронно-вычислительную машину, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено N 1 высоомными согласующими усилителями, N компенсаторами напряжения, N коммутаторами диапазонов измерения, блоком цифроаналоговых преобразователей, каналом измерения температуры, включающим датчик температуры с усилителем, выход которого подключен к коммутатору каналов, каждый канал измерения электрохимических потенциалов содержит последовательно соединенные ионоселективный электрод, высокоомный согласующий усилитель, компенсатор напряжения и коммутатор диапазонов измерений, выход высокоомного согласующего усилителя соединен также с вторым входом коммутатора диапазона измерений, вторые входы высокоомных согласующих усилителей подключены к электроду сравнения, выходы коммутаторов диапазонов измерений подключены к соответствующим входам коммутатора каналов, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а его управляющий вход с управляющим входом блока цифроаналоговых преобразователей и с соответствующим выходом электронно-вычислительной машины, второй управляющий выход которой подключен к управляющим входам коммутаторов диапазонов измерений, при этом информационный вход блока цифроаналоговых преобразователей соединен с соответствующим выходом аналого-цифрового преобразователя и входом ЭВМ, выход тактовой частоты которой соединен с соответствующими входами АЦП и блока ЦАП, а выход "Импульс запуска" соединен с соответствующими входом АЦП, выход "Готовность" которого соединен с соответствующими входами ЭВМ и блока ЦАП, n выходов которого соединены с вторыми входами соответствующих компенсаторов напряжений.