СПОСОБ ИОНОМЕТРИИ БИОПРОДУКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01N27/333 

Группа изобретений относится к технике измерения концентрации вредных для пользователей ионов в веществах с использованием специального измерительного зонда в электрических цепях переменного тока высокой частоты. В частности, заявленные способ и устройство относятся к средствам для определения уровня нитратов в продуктах питания.

Широко известны устройства для измерения концентрации ионов в веществах, содержащие процессор, снабженный средством формирования высокочастотных сигналов, блок индикации, измерительный зонд и эталонный резистор. В таких устройствах способ определения концентрации ионов сводится к анализу на высокой частоте испытательных сигналов проводимости измерительного зонда, погруженного в контролируемую среду, с проводимостью эталонного резистора, параметры которого заранее известны. Для определения концентрации ионов используются какие-либо эмпирические формулы. Результат расчетов концентрации ионов фиксируется в блоке индикации.

К таким способам и устройствам относятся, в частности, технические решения по следующим патентам: US №4655899 A, G01N 27/28, G01N 27/30, G01N 27/416 от 07.04.1987, RU №2073854 C1, G01N 27/22 от 20.02.1997, RU №2143843 C1, A61B 5/05 от 28.04.1999, RU №2188411 C1, G01N 27/414 от 27.08.2002, RU №2244917 C1, G01N 27/414 от 20.01.2005, WO №2005119237 A, C12Q 1/00, G01N 27/327, G01N 27/403, G01N 27/49 от 15.12.2005.

Известные устройства функционируют в разных средах и используют для вычисления различные эмпирические формулы, но обладают общим недостатком: все они предназначены для лабораторных испытаний и не могут применяться для оперативной проверки продукции.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленным являются способ и устройство ионометрии биопродукта по патенту RU №2390767 C1, G01N 27/416 от 27.05.2010. Известный способ включает измерение электрических параметров измеряемой среды биопродукта с помощью измерительного зонда, при котором на вход измерительного зонда подают высокочастотный испытательный сигнал, проводят первое измерение амплитуды контролируемого сигнала перед введением измерительного зонда в контакт с контролируемой средой, запоминают результат первого измерения, вводят измерительный зонд в контакт с контролируемой средой, проводят второе измерение амплитуды испытательного сигнала, вычисляют концентрацию ионов в контролируемой среде по результатам первого и второго измерений амплитуды испытательного сигнала с последующим выведением измерительного зонда из контакта с контролируемой средой. Измерения амплитуды испытательного сигнала в устройстве, реализующем известный способ, проводят на входе измерительного зонда, выход которого подключен к общей шине устройства. При этом для получения результата - концентрации ионов в контролируемой среде - приходится три раза проводить измерения в разных исходных режимах и лишь потом переходить к расчетам.

Это означает, что процесс измерения занимает продолжительный промежуток времени и возможен только в лабораторных условиях.

Между тем, все чаще требуется ускорение получения результатов и обеспечение возможности удобной проверки продуктов питания путем использования носимого малогабаритного оборудования.

Заявленная группа изобретений направлена на устранение указанного недостатка. Она существенно сокращает промежуток времени измерения, причем требует применения только носимого оборудования, что позволяет использовать данные технические решения в полевых условиях.

Предметом первого изобретения является способ ионометрии биопродукта, включающий измерение электрических параметров контролируемой среды биопродукта с помощью измерительного зонда, при котором перед введением измерительного зонда в контакт с контролируемой средой на него подают частотный испытательный сигнал, проводят первое измерение амплитуды U₁ контролируемого сигнала, запоминают результат первого измерения, вводят измерительный зонд в контакт с контролируемой средой, проводят второе измерение амплитуды U₂ контролируемого сигнала, вычисляют концентрацию N ионов в контролируемой среде по результатам первого и второго измерений амплитуды контролируемого сигнала с последующим выведением измерительного зонда из контакта с контролируемой средой, при этом в качестве измерительного зонда применяют штекер типа TRS, один из контактов которого служит для подачи испытательного сигнала, а другой - для измерения амплитуды контролируемого сигнала, при этом указанные измерения амплитуды U₁ и U₂ контролируемого сигнала осуществляют с использованием делителя напряжения, образованного первым и вторым эталонными резисторами с сопротивлениями R1 и R2, причем первый эталонный резистор включают между контактом измерительного зонда, служащим для измерения амплитуды контролируемого сигнала, и общей шиной, а второй - между контактом измерительного зонда, служащим для подачи испытательного сигнала, и контактом измерительного зонда, служащим для измерения амплитуды контролируемого сигнала, причем вычисление концентрации ионов в контролируемой среде проводят по расчетной формуле

$$\text{N}=\text{K}\left[\frac{{\text{U}}_{\text{2}}\text{R1}}{{\text{U}}_{\text{1}}\text{R1}-{\text{(U}}_{\text{2}}-{\text{U}}_{\text{1}}\text{)R2}}-\text{1}\right]$$

где K - безразмерный калибровочный коэффициент.

При равенстве сопротивлений R1 и R2 первого и второго эталонных резисторов вычисление концентрации ионов в контролируемой среде проводят по расчетной формуле:

$$\text{N}=\text{K}\left(\frac{{\text{U}}_{\text{2}}}{{\text{2U}}_{\text{1}}-{\text{U}}_{\text{2}}}-\text{1}\right)$$

В заявленном способе частоту испытательного сигнала выбирают в пределах от 100 до 20000 Гц.

Предметом второго изобретения является устройство для ионометрии биопродукта, содержащее блок питания, соединенный с общей шиной и выполненный с возможностью подачи питающего напряжения на все блоки устройства, также соединенные с общей шиной, процессор, измерительный зонд, выполненный с возможностью ввода в контролируемую среду биопродукта, а также блок индикации и генератор зондирующих сигналов, входы которых соединены с соответствующими выходами процессора, - при этом в него введены клавиатура, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй эталонные резисторы, а в качестве измерительного зонда применен штекер типа TRS, при этом выходы клавиатуры и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими входами процессора, второй эталонный резистор включен между первым и вторым контактами измерительного зонда, а первый эталонный резистор - между вторым контактом измерительного зонда и общей шиной, первый из контактов измерительного зонда соединен с выходным выводом генератора зондирующих сигналов, а второй подключен ко входному выводу аналого-цифрового преобразователя.

Суть заявленных изобретений поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 представлена обобщенная структурная схема заявленного устройства для осуществления заявленного способа ионометрии.

На фиг.2 приведен внешний вид измерительного зонда и указаны связи его контактов при выполнении измерительного зонда в виде двухконтактного штекера типа TRS.

На фиг.3 приведен приведен внешний вид измерительного зонда и указаны связи его контактов при выполнении измерительного зонда в виде трехконтактного штекера типа TRS.

На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 использованы следующие обозначения:

1 - блок питания, 2 - клавиатура, 3 - процессор, 4 - генератор зондирующих сигналов, 5 - измерительный зонд, 6 - первый эталонный резистор, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 - второй эталонный резистор, 9 - блок индикации.

Блок 1 питания соединен с общей шиной (с шиной нулевого потенциала) и выполнен с возможностью подачи питающего напряжения на все блоки устройства, также соединенные с общей шиной. Входы блока 9 индикации, и генератора 4 зондирующих сигналов соединены с соответствующими выходами процессора 3. Выходы клавиатуры 2 и аналого-цифрового преобразователя 7 соединены с соответствующими входами процессора 3. Первый эталонный резистор 6 с сопротивлением R1 включен между входом аналого-цифрового преобразователя 7 и общей шиной. Второй эталонный резистор 8 с сопротивлением R2 включен между первым и вторым контактами измерительного зонда 5. Первый контакт измерительного зонда 5 соединен с выходным выводом генератора 4 зондирующих сигналов, а второй контакт измерительного зонда 5 подключен к входному выводу аналого-цифрового преобразователя 7.

Блок 1 питания, клавиатура 2, процессор 3, генератор 4 зондирующих сигналов, аналого-цифровой преобразователь 7 и блок 9 индикации могут быть блоками, входящими в состав обычного мобильного телефона. Такой мобильный телефон должен лишь обладать возможностями приема в него управляющих программ работы и временного перехода на такие программы по сигналам, подаваемым потребителем, например, через клавиатуру 2. Такими возможностями обладает значительное число современных мобильных телефонов.

В качестве первого 6 и второго 8 эталонных резисторов могут быть использованы любые прецизионные точные резисторы.

В качестве измерительного зонда 5 может быть использован штекер JACK AUDIO (называемый также штекером TRS - аббревиатура от английского Tip, Ring, Sleeve).

На фиг.2 показан внешний вид двухконтактного штекера TRS и приведены связи его контактов с блоками заявленного устройства. Один контакт соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 7, а другой - с выходом генератора 4 зондирующих сигналов.

На фиг.3 показан внешний вид трехконтактного штекера TRS и приведены связи его контактов с блоками заявленного устройства. Один контакт соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 7, другой - с выходом генератора 4 зондирующих сигналов, а третий - с общей шиной.

В принципе, в качестве измерительного зонда 5 может быть использован и четырехконтактный штекер TRS. В этом случае один его контакт должен быть соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 7, другой - с выходом генератора 4 зондирующих сигналов, а третий и четвертый - с общей шиной.

Штекеры TRS широко выпускаются и доступны на коммерческом рынке. При наличии покрытия "золото" указанные штекеры TRS выдерживают воздействие на них кислот и других опасных веществ, которые могут содержаться в контактирующей с измерительным зондом 5 контролируемой среде биопродукта.

Таким образом, все функциональные узлы и элементы заявленного устройства широко известны и доступны на коммерческом рынке или могут быть легко изготовлены. Поэтому возможность практической реализации рассматриваемого устройства для осуществления способа ионометрии биопродукта не вызывает сомнений.

Заявленное устройство, реализующее заявленный способ ионометрии биопродукта, работает следующим образом.

Процесс ионометрии, то есть определения концентрации ионов в контролируемой среде, должен начинаться при включенном блоке 1 питания и, вследствие этого, при питающих напряжениях, подключенных ко всем электронным блокам и узлам, используемым при ионометрии.

С помощью клавиатуры 2 пользователь подает на процессор 3 команду, по которой процессор 3 начинает процесс ионометрии и включает генератор 4 зондирующих сигналов (если он был выключен до начала процесса ионометрии). Генератор 4 зондирующих сигналов формирует на своем выходе испытательный сигнал в виде немодулированного сигнала с заданной частотой. Частоту испытательного сигнала выбирают в пределах от 100 до 20000 Гц.

Если при ионометрии используются клавиатура 2, процессор 3 и генератор 4 зондирующих сигналов, входящие в состав мобильного телефона, то для подачи такой команды могут быть использованы, например, дополнительные клавиши клавиатуры 2.

Выходные сигналы генератора 4 зондирующих сигналов поступают на вход измерительного зонда 5, а с выхода измерительного зонда 5 через первый эталонный резистор 6 поступают на общую шину устройства. Сигнал с выхода измерительного зонда 5 подается на аналого-цифровой преобразователь 7, который преобразует этот сигнал в цифровую форму и передает полученный код в процессор 3. Далее процессор 3 вычисляет амплитуду поданного на вход аналого-цифрового преобразователя 7 напряжения. Аналого-цифровой преобразователь 7 является составной частью аудиокодека, используемого во всех мобильных телефонах.

Проводимость измерительного зонда 5 прямо пропорциональна концентрации ионов в контролируемой среде биопродукта. Если знать амплитуду сигнала, подаваемого с выхода генератора 4 зондирующих сигналов, то по амплитуде сигналов на выходе измерительного зонда 5 (контактирующего с контролируемой средой биопродукта) можно точно рассчитать проводимость измерительного зонда 5, поскольку измерительный зонд 5 вместе с включенным параллельно ему вторым эталонным резистором 8 образуют одно из плеч делителя напряжения, вторым плечом которого является первый эталонный резистор 6.

Когда измерительный зонд 5 находится вне контролируемой среды биопродукта, его внутреннее сопротивление близко к бесконечности (или, что то же самое, у него нулевая проводимость). При этом аналого-цифровой преобразователь 7 формирует код амплитуды U₁ в выходной (средней) точке делителя напряжения, включающего в себя второй эталонный резистор 8 и первый эталонный резистор 6.

После того как измерительный зонд 5 войдет в контролируемую среду биопродукта (например, когда пользователь полностью воткнет измерительный зонд 5 в проверяемое яблоко или морковь), проводимость измерительного зонда 5 станет прямо пропорциональной концентрации ионов в контролируемой среде. При этом аналого-цифровой преобразователь 7 будет формировать код амплитуды поступающего на его вход сигнала U₂ в средней точке делителя напряжения, одно плечо которого включает в себя параллельное соединение второго эталонного резистора 8 с измерительным зондом 5, а другое плечо включает в себя первый эталонный резистор 6.

Измерительный зонд 5 может быть выполнен в виде двухконтактного штекера TRS, внешний вид которого показа на фиг.2 или в виде трехконтактного штекера TRS, внешний вид которого показан на фиг.3. На обоих чертежах показана граница введения, то есть тот уровень, до которого желательно вводить измерительный зонд 5 внутрь контролируемой среды. Эта граница интуитивно ясна - на нее указывает окончание металлического контакта. Впрочем, как показали исследования мелкосерийных образцов заявляемых устройств, для обеспечения требуемой точности измерения (единицы процентов) достаточно погружать в контролируемую среду хотя бы две трети последнего контакта штекера TRS.

Итак, после двух измерений амплитуды сигнала, подаваемого на вход аналого-цифрового преобразователя 7: первого U₁, когда измерительный зонд 5 находится вне контакта с контролируемой средой биопродукта, и второго U₂, когда измерительный зонд 5 находится в контакте с контролируемой средой биопродукта, можно рассчитать проводимость измерительного зонда 5, после чего провести вычисление концентрации ионов N в контролируемой среде по расчетной формуле (1).

$$\text{N}=\text{K}\left[\frac{{\text{U}}_{\text{2}}\text{R2}}{{\text{U}}_{\text{1}}\text{R2}-{\text{(U}}_{\text{2}}-{\text{U}}_{\text{1}}\text{)R1}}-\text{1}\right]\text{ (1)}$$

где U₁ - результат первого измерения,

U₂ - результат второго измерения,

R1 - сопротивление эталонного резистора 6,

R2 - сопротивление дополнительного эталонного резистора,

K - калибровочный коэффициент.

Если известны соотношения между сопротивлениями первого 6 и второго 8 эталонных резисторов, то расчетная формула упрощается. Например, при полном равенстве сопротивлений этих резисторов формула преобразуется к следующему виду (2).

$$\text{N}=\text{K}\left(\frac{{\text{U}}_{\text{2}}}{{\text{2U}}_{\text{1}}-{\text{U}}_{\text{2}}}-\text{1}\right)\text{ (2)}$$

где U₁ - результат первого измерения,

U₂ - результат второго измерения,

K - калибровочный коэффициент.

Вычисления производятся в процессоре 3 и поступают в блок 9 индикации, где формируются световые и/или звуковые сигналы оповещения пользователя о концентрации ионов в контролируемой среде. Эти сигналы, например, в графической или табличной форме, могут указывать на уровень концентрации нитратов в контролируемой среде.

Затем пользователь должен удалить измерительный зонд 5 из контролируемой среды (например, вытащить его из яблока или моркови).

Заявленные способ и устройство позволяют определить концентрацию уровня ионов с точностью до нескольких процентов, что подтвердили лабораторные испытания мелкосерийно выпускаемых образцов заявляемого устройства.

Для пользователя проводить измерения весьма удобно (что также подтвердили лабораторные испытания). Время измерения не превышает 3 с.

Обеспечению серийного выпуска продукции по заявляемым способу и устройству способствует использование в качестве измерительного зонда 5 серийно выпускаемых штекеров JACK AUDIO (штекеров TRS).

На фиг.2 показан внешний вид двухконтактного штекера TRS и приведены наименования цепей, к которым должен подключаться каждый из контактов. А на фиг.3 показан внешний вид трехконтактного штекера TRS и приведены наименования цепей, к которым должен подключаться каждый из его контактов. Схема с использованием трехконтактного штекера TRS несколько сложнее, но более помехоустойчива.

Эти штекеры широко выпускаются и доступны на коммерческом рынке. При наличии покрытия "золото" указанные штекеры выдерживают воздействие на них кислот и других опасных веществ, которые могут содержаться в исследуемом продукте.

Таким образом, решена задача по созданию мобильного устройства, обеспечивающего оперативную и достаточно точную проверку концентрации ионов в контролируемой среде.

Группа изобретений относится к технике измерения концентрации вредных для пользователей ионов в веществах, например нитратов в продуктах питания. Перед вводом измерительного зонда в контакт с контролируемой средой на него подают частотный испытательный сигнал. Проводят первое измерение амплитуды контролируемого сигнала и запоминают результат измерения. Далее вводят измерительный зонд в контакт с контролируемой средой биопродукта и проводят второе измерение амплитуды контролируемого сигнала. Концентрацию ионов в контролируемой среде вычисляют по результатам первого и второго измерений, используя расчетную формулу. В качестве измерительного зонда применяют штекер типа TRS, первый из контактов которого служит для подачи испытательного сигнала, а второй - для измерения амплитуды контролируемого сигнала. Указанные измерения амплитуды контролируемого сигнала осуществляют с использованием делителя напряжения, образованного первым и вторым эталонными резисторами, причем первый эталонный резистор включают между контактом измерительного зонда, служащим для измерения амплитуды контролируемого сигнала, и общей шиной, а второй - между контактом измерительного зонда, служащим для подачи испытательного сигнала, и контактом измерительного зонда, служащим для измерения амплитуды контролируемого сигнала. Также предложено устройство для осуществления описанного выше способа. Группа изобретений обеспечивает оперативную и точную проверку концентрации ионов в контролируемой среде биопродукта. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ионометрии биопродукта, включающий измерение электрических параметров контролируемой среды биопродукта с помощью измерительного зонда, при котором перед введением измерительного зонда в контакт с контролируемой средой на него подают частотный испытательный сигнал, проводят первое измерение амплитуды U₁ контролируемого сигнала, запоминают результат первого измерения, вводят измерительный зонд в контакт с контролируемой средой, проводят второе измерение амплитуды U₂ контролируемого сигнала, вычисляют концентрацию N ионов в контролируемой среде по результатам первого и второго измерений амплитуды контролируемого сигнала с последующим выведением измерительного зонда из контакта с контролируемой средой, отличающийся тем, что в качестве измерительного зонда применяют штекер типа TRS, один из контактов которого служит для подачи испытательного сигнала, а другой - для измерения амплитуды контролируемого сигнала, при этом указанные измерения амплитуды U₁ и U₂ контролируемого сигнала осуществляют с использованием делителя напряжения, образованного первым и вторым эталонными резисторами с сопротивлениями R1 и R2, причем первый эталонный резистор включают между контактом измерительного зонда, служащим для измерения амплитуды контролируемого сигнала, и общей шиной, а второй - между контактом измерительного зонда, служащим для подачи испытательного сигнала, и контактом измерительного зонда, служащим для измерения амплитуды контролируемого сигнала, причем вычисление концентрации ионов в контролируемой среде проводят по расчетной формуле
$$\text{N}=\text{K}\left[\frac{{\text{U}}_{\text{2}}\text{R1}}{{\text{U}}_{\text{1}}\text{R1}-{\text{(U}}_{\text{2}}-{\text{U}}_{\text{1}}\text{)R2}}-\text{1}\right],$$
где К - безразмерный калибровочный коэффициент.

2. Способ ионометрии биопродукта по п.1, отличающийся тем, что при равенстве сопротивлений R1 и R2 первого и второго эталонных резисторов вычисление концентрации ионов в контролируемой среде проводят по расчетной формуле:
$$\text{N}=\text{K}\left(\frac{{\text{U}}_{\text{2}}}{{\text{2U}}_{\text{1}}-{\text{U}}_{\text{2}}}-\text{1}\right).$$

3. Способ ионометрии биопродукта по п.1 или 2, отличающийся тем, что частоту испытательного сигнала выбирают в пределах от 100 до 20000 Гц.

4. Устройство для ионометрии биопродукта, содержащее блок питания, соединенный с общей шиной и выполненный с возможностью подачи питающего напряжения на все блоки устройства, также соединенные с общей шиной, процессор, измерительный зонд, выполненный с возможностью ввода в контролируемую среду биопродукта, а также блок индикации и генератор зондирующих сигналов, входы которых соединены с соответствующими выходами процессора, отличающееся тем, что в него введены клавиатура, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй эталонные резисторы, а в качестве измерительного зонда применен штекер типа TRS, при этом выходы клавиатуры и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими входами процессора, второй эталонный резистор включен между первым и вторым контактами измерительного зонда, а первый эталонный резистор - между вторым контактом измерительного зонда и общей шиной, первый из контактов измерительного зонда соединен с выходным выводом генератора зондирующих сигналов, а второй подключен ко входному выводу аналого-цифрового преобразователя.