Способ измерения концентрации вещества, растворенного в жидкой среде, и система для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК G01N27/27 

Предложенные технические решения относятся к области измерения неэлектрических величин, в частности к измерению концентрации кислорода, растворенного в водных растворах. Могут быть использованы в экологических целях, в медицине, нефтедобывающей и газовой промышленности.

Известен «Способ коммутационной хроноамперометрии», описанный в патенте РФ №2489710, МПК G01N 27/26, опубл. 10.08.2013.Суть способа заключается в следующем. Потенциал рабочего электрода, при котором протекает электрохимическая реакция, поддерживают постоянным, контур тока электрохимической ячейки периодически коммутируют, причем длительность замыкания выбирают в зависимости от желаемой чувствительности, измеряют среднее за время замыкания значение возникающего импульсного тока, которое пропорционально как концентрации определяемого элемента, так и отношению периода коммутации к длительности интервала замыкания. Технический результат заключается в возможности изменять чувствительность в широких пределах.

Известен «Анализатор поточный растворенного в воде кислорода РК-1»,зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №31692-06, сертификат RU.C.31.065.A №23892 и «Способ измерения концентрации вещества, растворенного в жидкой среде, и анализатор для его осуществления», описанный в патенте РФ №2420731, МПК G01N 27/41, опубл. 10.06.2011.Сущность изобретения: в способе измерения концентрации вещества, растворенного в жидкой среде, основанном на измерении тока первичного преобразователя амперометрического типа с проницаемой для растворенного вещества мембраной, размещаемого в анализируемой среде, проводят, усредняя во времени, измерения распределенного диффузионного тока ансамблем микроэлектродов. В анализаторе измерения концентрации вещества, растворенного в жидкой среде, измерительный электрод первичного преобразователя амперометрического типа выполнен в виде ансамбля микроэлектродов.

Недостатками вышеуказанных технических решений являются: отсутствие поддержки масштабируемости, так как в качестве информационных интерфейсов применен асинхронный интерфейс RS-232, поддерживающий топологию «точка-точка», а также тесная зависимость первичного преобразователя от измерительно-вычислительного блока, исключающая раздельную работу, непосредственно датчика и измерительного блока, или, например, простую замену датчика или вычислительного блока, так как калибровочные данные первичного преобразователя хранятся в измерительном блоке. Также, учитывая возможности современной компонентной базы, можно улучшить показания чувствительности прототипа устройства, доработав его таким образом, чтобы можно было проводить измерения коммутационным способом, указанным в качестве прототипа способа.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных свойств анализатора в части масштабируемости системы измерения и повышение чувствительности измерения.

Технический результат в повышении чувствительности достигается применением дополнительного коммутационного способа измерения, указанного в качестве прототипа. Технический результат в части масштабируемости достигается за счет разделения измерительной системы на независимые обособленные части. Система разделена на следующие обособленные части: датчик, содержащий в себе непосредственно первичный преобразователь и измерительную систему, блок питания измерительной системы, блок индикации и преобразователь интерфейсов. Путем комбинации различных частей, можно собрать необходимую конфигурацию системы, наиболее подходящую для конкретного случая.

Измерительный датчик системы содержит первичный преобразователь датчика кислорода, который через коммутатор подключается к первому согласующему устройству, выход которого подключен к первому входу двадцатичетырехразрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя из состава микроконтроллера, датчика температуры, который подключен ко второму согласующему устройству, выход которого подключен ко второму входу двадцатичетырехразрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя из состава микроконтроллера, датчика давления, который подключен к первому цифровому входу микроконтроллера, вычислительного ядра, которое выполняет обработку оцифрованных данных и вычисление результата, Flash накопителя данных, для хранения результатов, подключенного ко второму цифровому входу микроконтроллера, модулятора данных, вход которого подключен к первому цифровому выходу микроконтроллера, а выход - к цепи входного питания, демодулятора, вход которого подключен к цепи входного питания, а выход - к третьему цифровому входу микроконтроллера, драйвера шины RS-485и источника вторичного электропитания, который обеспечивает необходимым питанием все узлы датчика. Приоритет интерфейсов связи следующий: интерфейс RS-485 имеет больший приоритет, если связь по данному интерфейсу отсутствует, обмен данными производится по цепям питания.

Блок индикации системы содержит дисплей, для отображения результатов измерения, подключенный к первому выходу микроконтроллера, клавиатуру, для управления блоком и настройки системы, которая подключена к первому входу микроконтроллера, светового и звукового сигнализаторов, подключенных ко второму и третьему выходам микроконтроллера, соответственно, Flash накопителя данных, для хранения результатов, считанных с подключенных датчиков, подключенного ко второму цифровому входу микроконтроллера, модулятора данных, вход которого подключен к четвертому цифровому выходу микроконтроллера, а выход - к цепи входного питания, демодулятора, вход которого подключен к цепи входного питания, а выход - ко второму цифровому входу микроконтроллера, драйвера шины RS-485и источника вторичного электропитания, который обеспечивает необходимым питанием все узлы блока индикации. Приоритет интерфейсов связи следующий: интерфейс RS-485 имеет больший приоритет, если связь по данному интерфейсу отсутствует, обмен данными производится по цепям питания.

Преобразователь интерфейсов системы служит для передачи данных из шины питания в интерфейс RS-485 и наоборот и содержит модулятор данных, вход которого подключен к первому цифровому выходу микроконтроллера, а выход - к цепи входного питания, демодулятора, вход которого подключен к цепи входного питания, а выход - к первому цифровому входу микроконтроллера, драйвера шины RS-485и источника вторичного электропитания, который обеспечивает необходимым питанием все узлы блока преобразователя интерфейсов.

На фиг. 1 изображен датчик системы измерения концентрации вещества, например кислорода, растворенного в жидкой среде, например воде.

На фиг. 2 изображен блок индикации системы измерения.

На фиг. 3 изображен блок преобразователь интерфейсов системы измерения.

На фиг. 4 изображена схема включения датчиков в автономном режиме, когда каждый датчик работает независимо от других в соответствии со своими настройками и производит сохранение результатов измерения на встроенный накопитель. Данная схема включения не предусматривает анализа измерений в реальном масштабе времени.

На фиг. 5 изображена схема включения датчиков с управлением блока индикации. В данном режиме поддерживается возможность изменения настройки каждого датчика, а также чтение архива измерений каждого датчика. Также в этом режиме поддерживается звуковая и световая индикация событий, связанных с измеряемым параметром, например, выход результатов измерения за установленные рамки. Данная схема измерения предусматривает простейший анализ результатов измерений (выход показаний за установленные рамки) в реальном времени.

На фиг. 6. изображена схема включения датчиков, которая позволяет передавать результаты измерения каждого датчика в персональный компьютер и производить анализ показаний в реальном времени, формируя, например, те или иные команды для системы автоматизации производства, необходимые для реакции на изменение концентрации анализируемого вещества, например, кислорода. Также данная схема включения позволяет производить чтение архива каждого датчика и производить их настройку.

На фиг. 7 изображена схема включения всех компонентов системы, которая обеспечивает максимальный функционал системы, обеспечивая все возможности, которые предоставляют схемы, изображенные на фиг. 4, 5, 6.

Применение системы в конфигурации, изображенной на фиг. 4 целесообразно на объектах не оснащенных автоматизированной системой управления технологическим процессом и каким-либо персоналом, но на которых требуется провести анализ изменения концентрации, например, кислорода, и собрать статистические данные для анализа.

Применение системы в конфигурации, изображенной на фиг. 5 целесообразно на объектах не оснащенных автоматизированной системой управления технологическим процессом, но на которых присутствуют сотрудники, которые могут в него вмешаться при возникновении такой необходимости, в результате срабатывания звукового или светового индикаторов.

Применение системы в конфигурациях, изображенных на фиг. 6 и 7 целесообразно на объектах оснащенных автоматизированной системой управления технологическим процессом, которая автоматически внесет корректировки в производственный процесс на основании данных, полученных от датчиков системы.

При автоматизации существующих объектов бывают случаи, когда уже имеются какие-либо проложенные провода, а прокладывать новые или дополнительные невозможно, или экономически нецелесообразно. Предлагаемая система позволяет сократить количество необходимых проводов для работы системы следующим образом. Все компоненты разработанной системы имеют интерфейс связи RS-485, но при отсутствии необходимой проводки на объекте автоматизации, передача данных возможна по цепям питания. Передача данных по интерфейсу RS-485 является более приоритетной, но в случае отсутствия информационного обмена по данному интерфейсу, датчик и блок индикации из состава системы осуществляют информационный обмен по цепям электропитания.

Разделение анализатора на несколько независимых частей позволяет:

- упростить и удешевить масштабирование системы в зависимости от требуемых задач;

- повысить ремонтопригодность и устойчивость системы, так как выход из строя одного из компонентов, не влияет на работу остальных компонентов;

- позволяет легко осуществлять резервирование компонентов, чему также способствует выбор шинной архитектуры системы.

Тесная интеграция первичных преобразователей измеряемой величины с микроконтроллером обработки измеренных данных в рамках одной конструкции также обеспечивает следующие преимущества:

- позволяет сделать датчик максимально автономным, способным работать только лишь при наличии питания, без дополнительных управляющих сигналов;

- позволяет располагать датчик на значительном удалении от устройства индикации;

- позволяет реализовывать различные способы измерения, например, непрерывное измерение или коммутационный способы измерения;

- осуществлять первичную обработку данных и вести журнал измерений без дополнительных элементов системы;

- позволяет изменять алгоритмы обработки и измерения путем изменения прошивки микроконтроллера датчика;

- вводить в систему дополнительные разнородные датчики, которые будут идентичны в части протокола информационного взаимодействия.

Распределенная система для измерения концентрации кислорода, растворенного в водной среде, для автоматизации промышленных объектов состоит из пяти обособленных блоков - датчика измеряемой величины 1(Д), блока питания с ограничением выходного тока 2(БП), блока индикации 3(БИ) и преобразователя интерфейсов 4(ПИ), объединенных одной шиной данных, и персонального компьютера 5(ПК), подключаемого к шине RS-485 преобразователя интерфейсов 4(ПИ).Датчик 1 системы (фиг. 1) преобразует информацию с первичного датчика кислорода 6 в токовый сигнал, который через коммутатор 9 поступает на вход первого согласующего устройства 10, а сего выхода на первый вход 24-разрядного дельта-сигма АЦП 12, сигнал с датчика температуры 7 поступает на вход второго согласующего устройства 11, а с выхода второго согласующего устройства 11 на второй вход 24-разрядного дельта-сигма АЦП 12. Также сигнал с датчика давления 8 поступает на первый вход микроконтроллера 14. Сигнал от датчика давления 8 и оцифрованные сигналы от датчиков кислорода и температуры с выхода АЦП поступают на вход вычислительного ядра 13 микроконтроллера. В качестве микроконтроллера 14 с интегрированным 24-разрядным дельта-сигма АЦП 12 и вычислительным ядром 13 используется микроконтроллер К1986ВК025на базе процессорного RISC-V ядра BM-310S фирмы Миландр. На основе принятых данных вычисляется концентрация растворенного кислорода в анализируемой среде. Результат вычисления записывается для хранения и дальнейшего анализа на Flash накопитель 15 - карту памяти формата microSD. Для информационного обмена с другими составными частями системы применяется шина RS-485, сопряжение с которой осуществляется с помощью драйвера 18. Также для информационного обмена может использоваться шина питания, так для передачи данных от микроконтроллера в шину питания используется модулятор 17, а для приема данных микроконтроллером из шины питания используется демодулятор 16.Блок питания 19 датчика используется для формирования необходимых вторичных напряжений для работы всех составных узлов. Блок индикации 3 системы (фиг. 2) измерения содержит в своем составе графический дисплей 25 для отображения результатов измерения концентрации кислорода, клавиатуру 26, для управления составными частями системы, а также световой 27 и звуковой 28 сигнализаторы. Все узлы блока индикации работают под управлением микроконтроллера 29 - K1986BE92QI на ядре Cortex-M3 фирмы Миландр. Для хранения результатов работы компонентов системы и самого блока индикации используется Flash накопитель 30 - карта памяти формата microSD. Информационный обмен блока индикации 3 с компонентами системы производится по шине RS-485, сопряжение с которой осуществляется с помощью драйвера 33.Для информационного обмена по шине питания, для передачи данных от микроконтроллера в шину используется модулятор 32, а для приема данных микроконтроллером из шины питания используется демодулятор 31. Блок питания 34блока индикации используется для формирования необходимых вторичных напряжений для работы всех составных узлов. Преобразователь интерфейсов 4 системы (фиг. 3) необходим для сопряжения интерфейса передачи данных по шине питания с интерфейсом информационного взаимодействия системы АСУ ТП, например, с интерфейсом RS-485. Информационный обмен по шине RS-485 выполняется посредством драйвера 20. Для преобразования данных между двумя разнородными шинами используется микроконтроллер 21 - K1986BE92QI на ядре Cortex-M3 фирмы Миландр. Для информационного обмена по шине питания, для передачи данных от микроконтроллера в шину используется модулятор 23, а для приема данных микроконтроллером из шины питания используется демодулятор 22. Блок питания 24 используется для формирования необходимых вторичных напряжений для микроконтроллера 21.

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин, в частности к измерению концентрации кислорода, растворенного в водных растворах. Сущность изобретения заключается в том, что измерение концентрации вещества, растворенного в жидкой среде, основанное на измерении тока первичного преобразователя амперометрического типа с проницаемой для кислорода мембраной, размещаемого в анализируемой среде, проводят массивом датчиков, объединенных в шину. Массив датчиков может работать в автономном режиме, в режиме непрерывного мониторинга измерений, результаты измерений можно наблюдать и анализировать как с помощью блока индикации, так и с помощью персонального компьютера. В зависимости от особенностей объекта установки снятие показаний датчиков может осуществляться посредством только проводов питания или отдельной шины данных, а способ измерения концентрации выбирается автоматически. Техническим результатом является повышение быстродействия, точности измерения, а также масштабируемость измерительной системы. 7 ил.

Система измерения концентрации вещества, растворенного в жидкой среде, состоящая из измерительного датчика, соединенного с блоком питания и преобразователем интерфейсов, блока индикации, объединенного с преобразователем интерфейсов одной шиной данных, и персонального компьютера, подключаемого к шине RS-485 преобразователя интерфейсов, при этом измерительный датчик системы содержит первичный преобразователь датчика кислорода, который через коммутатор подключен к первому согласующему устройству, выход которого подключен к первому входу двадцатичетырехразрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя из состава микроконтроллера, датчика температуры, который подключен ко второму согласующему устройству, выход которого подключен ко второму входу двадцатичетырехразрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя из состава микроконтроллера, датчика давления, который подключен к первому цифровому входу микроконтроллера, вычислительного ядра, которое выполняет обработку оцифрованных данных и вычисление результата, накопителя данных, подключенного ко второму цифровому входу микроконтроллера, модулятора данных, вход которого подключен к первому цифровому выходу микроконтроллера, а выход - к цепи входного питания, демодулятора, вход которого подключен к цепи входного питания, а выход - к третьему цифровому входу микроконтроллера, драйвера шины RS-485 и источника вторичного электропитания, который обеспечивает необходимым питанием все узлы датчика, блок индикации системы содержит дисплей для отображения результатов измерения, подключенный к первому выходу микроконтроллера, клавиатуру для управления блоком и настройки системы, которая подключена к первому входу микроконтроллера, светового и звукового сигнализаторов, подключенных ко второму и третьему выходам микроконтроллера соответственно, накопителя данных блока индикации для хранения результатов, считанных с подключенных датчиков, подключенного ко второму цифровому входу микроконтроллера, модулятора данных, вход которого подключен к четвертому цифровому выходу микроконтроллера, а выход - к цепи входного питания, демодулятора, вход которого подключен к цепи входного питания, а выход - ко второму цифровому входу микроконтроллера, драйвера шины RS-485 и источника вторичного электропитания блока индикации, который обеспечивает необходимым питанием все узлы блока индикации, преобразователь интерфейсов системы, служащий для передачи данных из шины питания в интерфейс RS-485 и наоборот, содержит модулятор данных, вход которого подключен к первому цифровому выходу микроконтроллера, а выход - к цепи входного питания, демодулятора, вход которого подключен к цепи входного питания, а выход - к первому цифровому входу микроконтроллера, драйвера шины RS-485 и источника вторичного электропитания преобразователя интерфейсов, который обеспечивает необходимым питанием все узлы блока преобразователя интерфейсов.