Устройство стабилизации гидростатического давления на упругую диэлектрическую мембрану Советский патент 1991 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к биофизической технике, а именно к устройствам для стабилизации минимального давления на упругую диэлектрическую мембрану, которая представляет бислойную липидную пленку используется в качестве модели мембраны клеток живых организмов в биохимических и биофизических исследованиях.

Известно устройство, которое компенсирует гидростатическое давление, используя в качестве индикатора этого давления увеличение емкости мембраны при ее прогибе под воздействием давления. Это устройство содержит ячейку.заполненную электролитом, которая разделена мембраной на две части. В каждой части электролита помещено по электроду, а с одной стороны мембраны в электролит погружена нижняя часть поршня. Верхняя часть поршня присоединена к выходу блока перемещения, который состоит из редуктора, выход которого является выходом блока перемещения, а вход присоединен к валу электродвигателя, подключенного своими обмотками к выходу буферного усилителя. Вход буферного усилителя, являющийся входом блока перемещения, подключен к выходу ЭВМ, вход которой через аналогово- цифровой преобразователь подключен к выходу блока измерения емкости, входы которого присоединены к электродам в ячейке 1.

Сравнивая два значения емкости мембраны (до перемещения поршня и после перемещения), ЭВМ определяет направление гидростатического давления на мембрану и выдает на блок перемещения импульсы, перемещающие поршень на один шаг в сторось

Ч)

00

о о ел

ну компенсации гидростатического давления.

Поскольку применяемое в прототипе определение направления давления на мембрану основывается на двух последовательных измерениях емкости мембраны, то в таком устройстве невозможно уменьшить мощность шума и, соответственно, погрешность определения направления давления за счет сужения полосы частот анализируемого сигнала. Более того, в известном устройстве одно определение направления гидростатического давления требует вычитания двух последовательных значений емкости, в результате которого суммируется погрешность двух измерений емкости, что еще больше увеличивает погрешность определения направления давления на мембрану, а следовательно, снижает точность стабилизации давления на мембрану. Кроме того, в устройстве регулируемый объем ограничен объемом электролита, вытесняемым поршнем при погружении его до дна ячейки, что не позволяет использовать большие, чем этот объем, добавки к электролиту.

Целью изобретения является повышение точности стабилизации давления на мембрану.

Эта цель достигается тем в электролитической ячейке с поршнем и электродами, присоединенными к блоку измерения емкости, поршень присоединен к блоку вертикальных колебаний, а сигнал с выхода блока измерения емкости через усилитель переменного напряжения поступает на сигнальный вход синхродетектора, синхронизирующий вход которого подключен к выходу генератора переменного напряжения, управляющего блоком вертикальных колебаний. При этом сигнал с выхода синхродетектора подается на вход управляемого реверсивного насоса, выходной патрубок которого расположен в ячейке с электролитом. Колеблющийся поршень создает переменное давление электролита на мембрану, которое вместе с гидростатическим давлением модулирует емкость мембраны таким образом, что фаза переменной составляющей с частотой колебаний поршня в сигнале на выходе блока измерения емкости зависит от направления гидростатического давления. Поэтому полярность сигнала на выходе синхродетектора однозначно связана с направлением гидростатического давления, и управляемый реверсивный насос, направление откачки которого зависит от полярности сигнала на его входе, при соот- Е1етствующем подсоединении будет всегда качать электролит в направлении компенсации гидростатического давления на мембрану, обеспечивая этим поддержание гидростатического давления около минимального значения. При этом точность стабилизации ограничивается шумами

входных устройств блока измерения емкости на частоте колебаний поршня в узкой полосе частот, задаваемой постоянной времени интегрирования синхродетектора. В то же время использование насоса для регу0 лирования уровня электролита снимает ограничения на регулируемый объем.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит ячейку 1, запол5 ненную электролитом 2, который разделен на две части мембраной 3. С каждой частью электролита контактируют электроды 4 а в одной из частей электролита погружена нижняя часть поршня 5. Своей верхней час0 тью поршень 5 соединен с блоком 6 вертикальных колебаний, функцию которого выполняет переменное сопротивление и электродинамическая акустическая головка (не показано), подвижная катушка которой

5 соединена последовательно с переменным сопротивлением, причем выходом блока вертикальных колебаний является подвижная часть диффузора, а оставшиеся после соединения катушки с переменным сопро0 тивлением их свободные концы являются входом этого блока. К входу блока в вертикальных колебаний подключен выход гене- - ратора 7 переменного напряжения. К электродам 4 подключены входы блока 8

5. измерения емкости, Этот блок состоит из преобразователя тока в напряжение, синхродетектора промежуточной частоты и генератора промежуточной частоты, причем входами блока 8 измерения емкости явля0 ются вход преобразователя тока в напряжение, выход которого присоединен к сигнальному входу синхродетектора промежуточной частоты, и один из выходов генератора промежуточной частоты, второй

5 выход которого присоединен к синхронизирующему входу синхродетектора промежуточной частоты, Выходом блока 8 измерения емкости является выход синхродетектора промежуточной частоты. К выхо0 ду блока 8 измерения емкости подключен вход усилителя 9 переменного напряжения, к выходу которого подключен сигнальный вход синхродетектора 10, синхронизирующий вход которого подключен к выходу ге5 нератора переменного напряжения. Выход синхродетектора 10 подключен к управляющему входу управляемого реверсивного насоса 11, роль которого выполняет перистальтический насос с блоком управления (не показан). Выходной патрубок насоса 11

расположен в ячейке 1 с электролитом 2, а входной патрубок - в электролите буферной емкости 12.

Устройство работает следующим образом.

Под воздействием напряжения, подаваемого с генератора 7 переменного напряже- ния, блок 6 вертикальных колебаний колеблет поршень 5 в вертикальной плоскости с частотой этого генератора и постоянной амплитудой. Колебания поршня 5 в электролите 2 создают переменное давление на мембрану 3, которое периодически вызывает прогиб мембраны, изменяя этим ее емкость. При наличии гидростатического давления емкость мембраны 3 изменяется с частотой колебаний поршня 5, соответственно, и на выходе блока 8 измерения емкости напряжения содержит переменную составляющую той же частоты. Эта переменная составляющая выделяется и усиливается с помощью усилителя 9 переменного напряжения, а затем подается на сигнальный вход синхродетектора 10. Поскольку фаза переменной составляющей на выходе блока 8 измерения емкости зависит от направления гидростатического давления на мембрану 3, то и полярность сигнала на выходе синхродетектора 10 однозначно связана с направлением давления на мембрану. Поэтому подключенный к выходу синхродетектора 10 управляемый реверсивный насос 11, направление откачки которого зависит от полярности напряжения на входе, доливает электролит в ячейку 1 или откачивает его из ячейки, всегда в сторону умень- шения гидростатического- давления, стабилизируя таким образом, гидростатическое давление около нулевого значения.

Модуляция емкости мембраны с помощью переменного давления позволяет повысить точность стабилизации гидростатического давления на мембрану за счет переноса сигнала, используемого для определения направления гидростатического давления на мембрану, на частоту колебаний поршня, что, по сравнению с прототипом, использующим широкополосный сигнал емкости мембраны, позволяет сузить спектр используемого сигнала до минимума, ограниченного постоянной вроме- ни регулирования устройства, снижая тем самым величину тепловых флуктуации, вносимых в этот сигнал измерительными устройствами. Выделение сигнала, фаза которого однозначно связана с направлением гидростатического давления на мембрану, устраняет необходимое в прототипе вычисление разницы емкостей, в результате

которого суммируются погрешности двух измерений емкости.

Кроме того, в предлагаемом устройстве за счет введения насоса в качестве регулирующего элемента устраняется ограничение на величину регулируемого объема и обеспечивается использование в процессе стабилизации давления на мембрану ячейки в проточном режиме. За счет исключения необходимых в прототипе ЭВМ и аналогоцифрового преобразователя предлагаемое устройство более доступно и рентабельно.

Формула изобретения Устройство стабилизации гидростатического давления на упругую диэлектрическую мембрану, содержащее ячейку с электролитом, разделенную упругой диэлектрической мембраной на две части, в каждой из которых расположен электрод,

поршень, нижняя часть которого погружена в электролит, и блок измерения емкости мембраны, входы которого соединены с электродами, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено

генератором переменного напряжения, блоком вертикальных колебаний и последовательно соединенным усилителем переменного напряжения, синхродетектором и управляемым реверсивным насосом, причем верхняя часть поршня подсоединена к выходу блока вертикальных колебаний, вход последнего связан с выходом генератора переменного напряжения, к которому также подсоединен синхронизирующий

вход синхродетектора, при этом выход блока измерения емкости мембраны связан с входом усилителя переменного напряжения, а выходной патрубок управляемого реверсивного насоса расположен в ячейке с

электролитом.

Изобретение относится к устройствам экспериментальной техники биофизических исследований, а именно к устройствам для поддержания минимального давления на бислойную липидную мембрану. Цель изобретения - повышение точности. Устройство содержит генератор переменного напряжения, блок вертикальных колебаний, усилитель переменного напряжения, синх- родетектор и управляемый реверсивный насос, причем поршень верхней частью присоединен к выходу блока вертикальных колебаний, вход которого подключен к выходу генератора переменного напряжения, к которому также присоединен синхронизирующий вход синхродетектора, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя переменного напряжения, входом подключенного к выходу блока измерения емкости, а выход синхродетектора подключен к входу управляемого реверсивного насоса, выход которого соединен с электролитом в ячейке. 1 ил. fe