Нитратомер Советский патент 1992 года по МПК G01N27/06 G01N27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам потенциометрического контроля за содержанием нитрат-ионов в водных растворах, и может быть использовано в пищевой промышленности, агрохимии, почвоведении и при научных исследованиях.

Цель изобретения - повышение производительности измерений за счет сокращения времени настройки путем автоматизации процессов калибровки.

Начертеже представлена функциональная схема нитратомерам

Нитратомер состоит из входного1 каска- да 1, каскада 2 компенсации, блока 3 регулируемого напряжения (БРИ), первого блока4 калибровки, второго блока 5 калибровки, блока 6 переключения диапазонов, аналого-антилогарифмического преобразо- вателя (ААП) 7, аналого-цифрового преобра- .зователя (АЦП) 8, жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) 9, первого 10 и второго 11 переключателей и двуполярного стабилизатора 12 питания.

Выход входного каскада 1 подсоединен к первому входу каскада 2 компенсации, к второму входу которого подключен выход БРН 3. Выход каскада 2 компенсации /подключен к первому входу БРН 3, к первому входу первого блока 4 калибровки и через первый вход второго переключателя 11 к входу АЦП 8. Первый вход ААП 7 подключен к выходу первого блока 4 калибровки, второй вход- к выходу второго блока 5 калиб- ровки, а третий вход - к выходу блока 6 переключения диапазонов. Через первый вход первого переключателя 10 и второй вход второго переключателя 11 АЦП 8 соединен с выходом входного каскада 1 и через вторые входы первого 10 и второго 11 переключателей с выходом ААП 7. Выход АЦП 8 соединен с входом ЖКИ 9.,

БРН 3 состоит из аналогового компаратора 13, вход которого является первым вхо- дом БРН 3; первого элемента 2И-НЕ 14,

ВТОРОЙ ВХОД КОТОРОГО ЯВЛЯеТСЯ ВТОРЫМ ВХО

дом БРН 3 и подключен к первому выходу двуполярного стабилизатора 12 питания; второго элемента 2И-НЕ 15, второй вход которого является третьим входом БРН 3 и подключен к второму выходу двуполярного стабилизатора 12 питания, второму входу первого блока 4 калибровки и входу второго блока 5 калибровки; третьего элемента 2.И- НЕ 16;.первого RS-триггера 17, S-вход которого подключен к выходу аналогового кбмпаратора 13, Q-выход соединен с первым входом первого элемента 2И-НЕ 14, а Q-выход - с первым входом второго элемен- та 2И-НЕ 15; элемента 18 пуска; первой кнопки 19 и Цифрового компаратора 20, вход которого является четвертым входом ;БРН 3 if подключен к выходу АЦП 8;. второго RS-триггера , S-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора 20; первого ЦАП 22, V-вход которого подключен к Q-выходу второго RS-триггера 21, а С-вход - к выходу третьего элемента 2И-НЕ 16; первого инвертирующего усилителя 23, выход которого является выходом БРН 3, а вход подключен к выходу первого ЦАП 221

Третий элемент 2И-НЕ 16 подключен первым входом к выходу первого элемента 2И НЕ 14, а вторым входом - к выхрду второго элемента 2И-НЕ 15, Элемент 18 пуска подсоединен входом к первому выводу первой кнопки 19 и выходом - к R-входзм первого 17 и второго 21 RS-триггеров и первого ЦАП 22.

Первый блок 4 калибровки состоит из. второго-инвертирующего усилителя 24, выход которого является выходом блока, первый вход - первым входом блока, а второй вход соединен с выходом второго ЦАП 25, С-вход которого является вторым входом блока,: а к V- и R-входам подключены, соот: ветственно, первый и второй входы второй кнопки 2&, выход которой соединен с общей шиной. i

Второй блок 5 калибровки состоит из третьей кнопки 27, третьего инвертирующего усилителя 28, выход которого является выходом блока 5 калибровки, а вход соединен с выходом третьего ЦАП 29, С-вход которого является входом блока 5 калибровки, а V- и Я-входы подключены соответственно к первому и второму входам третьей кнопки 27, выход которой соединен с общей шиной.:

В основу работы нитратомера положен принцип прямого потенцйометрическрго измерения активности однозаряд ных анионов МОз- контролируемой пробы с помощью электродной ионоселективной системы с электронным ААП ЭДС электродной системы в пробе в значение концентрации азота нитратов в образце. ЭДС электродной системы, помещенной в контролируемую пробу, поступает на входной каскад 1, работающий как повторитель.

В нитратомере имеются три режима измерений: режим измерения ЭДС электродной системы, режим измерения приращения ЭДС электродной системы и режим измерения концентрации азота нитратов.

В режиме измерения ЭДС электродной системы через отжатый второй 11 и нажат тый первый 10 переключатели это напряжение с выхода входного каскада 1 подается непосредственно на вход АЦП 8 и далее на ЖКИ 9, который индицирует величину ЭДС в милливольтах. В этом режиме нитратомер работает как высокоомный милливольтметр.

В режиме измерения концентрации, ЭДС электродной системы в измеряемой пробе преобразуется в значение концентрации азота нитратов в соответствии со статической функцией преобразования

lqЈi с к-ю,

где С - значение величины концентрации, мг/кг;

S (56+ 6)MB/pN03l

рМОз-отрицательный десятичный логарифм активности ионов МОз;

Ei - ЭДС электродной системы в калибровочном растворе с концентрацией нитрат-ионов Ci ;, ,

В- ЭДС электродной системы в растворе с неизвестной, измеряемой концентрацией нитрат-ионов

К - коэффициент пропорциональности, устанавливаемый методикой подготовки пробы.

Для реализации функции преобразования ЭДС - концентрация: предназначены следующие каскады; БРН 3, блоки 4 и 5 калибровки, каскад 2 компенсации и ААП 7. С помощью этих каскадов производится калибровка прибора в трех калибровочных растворах с известной концентрацией d, С2, Сз. В БРН 3 совместно с каскадом 2 компенсации производится полная автоматическая компенсация постоянной составляющей ЭДС электродной системы. При помещении электродов в раствор с известной концентрацией азота нитратов d воз-i пикающее на выходе , каскада 2 компенсации напряжение .поступает на .вход аналогового компаратора 13 и через нажатый второй переключатель 11 на вход АЦП 8 и далее индицируется на ЖКИ 9.

При нажатии первой кнопки 19 начинается процесс автоматической компенсации этого напряжения. При этом на выходе элемента 18 пуска формируется импульс положительной полярности. Этим импульсом поступающим на R-входы первого 17 и второго 21 RS-триггеров/и первого ЦАП 22, они устанавливаются в нуль. На прямом Q-выхо- де первого RS-триггера 17 установится сигнал единицы, который является разрешающим для прохождения через первый 14 и третий 16 элементы 2И-НЁ прямоугольных импульсов с первого выхода двуполярного стабилизатора 12 питания на С-вход первого ЦАП 22, а на инверсном Q- выходе второго RS-тр иггера 21 установится сигнал нуля, который является разрешающим для V-входа первого ЦАП 22. Начинается процесс счета импульсов. Двоичный входной код первого ЦАП 22 преобразуется в ток, который поступает на вход первого инвертирующего усилителя 23. По мере увеличения двоичного числа увеличивается суммарный входной ток первого инвертирующего усилителя 23. который преобразует

ток в напряжение и передает его на второй вход каскада 2 компенсации. Результирующее напряжение на его вв1ходе, уменьшаясь, достигает значения, при котором на ;

выходе аналогового компаратора 13 появится напряжение, гш которому первый RS- триггер 17 перебросится в состояние единицы. На инверсном б-выходе первого триггера 17 установится сигнал едиж/к;.

0 цы, который является разрешающим для прохождения через второй 15 и третий 16 элементы 2И-НЁ прямоугольных импульсов со второго генератора двуполярнргр стабилизатора 12 питания на С-вхрд первого ЦАП

5 22. Причем частота импульсов второго генератора значительно меньше, чем первого генератора. Поэтому процесс счета существенно замедляется.

Большая частота первого генератора

0 выбрана для ускорения времени калибровки, а частота второго генератора приведена в соответствие с периодом установления показаний АЦП 8, для четкой фиксации обнуления ЖКИ 9, что соответствует полной

5 компенсации постоянной составляющей ЭДС электродной системы. При этом на выходе цифрового компаратора 20 появится сигнал единицы, который переключит второй RS-триггер 21 в единичное состояние. Единич- .

0 ный сигнал на инверсном Q-выходе второго Р5-тригг ра21 запретит счеттактовыхимпуль- сов первого ЦАП 22. Процесс счета прекращается, выходное напряжение первого инвертирующего усилителя 23 фиксируется и

5 второй переключатель 11 отжимается.

Второй блок 5 калибровки служит для введения в процесс преобразования ЭДС- концентрация значения коэффициента про- порциональности, устанавливаемого методи0 кой подготовки пробы. В растворе с известной концентрацией нитратов О при отжатых первом 10 и втором 11 переключателях вторым блоком 5 калибровки устанавливается такой начальный ток ААП 7. чтобы на ЖКИ 9 индици5 ровалось значение концентрации d.

Процесс калибровки происходит-следующим образом. При нажатой третьей кнопке 27 на R-входе третьего ЦАП 29 устанавливается сигнал единицы, а на у0 входе-сигнал нуля, и начинается прЬцесс счета импульсов/поступающих на С-вход с второго генератора двуполярного стабилизатора 12 питания. Двоичный выходной ход третьего ЦАП 29 преобразуется в ток, кото5 рый поступает на вход третьего инвертиру- - ющего усилителя 28. Выходное напряжение третьего инвертирующего усилителя 28, пропорционально изменяясь в ААП 7, через второй 11 и первый 10 переключатели поступает в АЦП 8 и далее индицируется на ЖКИ

9. Как только на ЖКИ 9 высветится известное значение концентрации раствора Ci, кнопка 27 отжимается. На V-входе третьего ЦАП 29 устанавливается сигнал единицы и процесс счета прекращается, а выходное напряжение третьего инвертирующего усилителя 28 фиксируется. .

При проведении калибровки в растворе с концентрацией нитрат-ионов С2 устанавливается такой коэффициент передачи первого блока 4. калибровки, чтобы на ЖКИ 9 индицировалось значение-концентрации С2 в ранее выбранных единицах. Процесс ка-. либровки происходит следующим образом. При нажатой кнопке 26 на R-гвходе второго ЦАП 25устанавливается сигнал единицы,. а на V-входе - сигнал нулями начинается процесс счета импульсов, поступающих с второго генератора двуполярного стабилизатора 12 питания. Двоичный выходной код второго ЦАП 25 преобразуется в ток, который поступает на второй вход второго инвертирующего усилителя 24. На первом входе второго инвертирующего усилителя 24 устанавливается выходное напряжение каскада 2 компенсации,-получаемое от приращения ЭДС электродной системы в растворе С2, относительно раствора Ci. Результирующее выходноеf напряжение второго инвертирующего усилителя 24, пропорционально изменяясь в ААП 7, через второй 11 и первый 10 переключатели поступает в АЦП 8 и далее индицируется на ЖКИ 9. Как только на ЖКИ|9 высветится известное значение концентрации раствора С2, вторая кнопка 26 отжимается. На У-вхо- де второго ЦАП 25 установится сигнал единицы и процесс счета прекратится, а выходное напряжение второго инвертирующего усилителя 24 зафиксируется.

После соответствующей калибровки в растворах с известной концентрацией Ci и С2 при помещении электродной системы в растворе концентрацией Сз(С1 Сз С2) на ЖКИ 9 нитратомера индицируется концент- . рация.Сз в выбранных ранее единицах из-, мерения. При калибровке и измерениях блок б переключения диапазонов автоматически переключает диапазоны показаний ЖКИ 9.Is

Двуполярный стабилизатор 12 питания обеспечивает все узлы и каскады прибора стабилизированным напряжением питания, в котором первый генератор .пользуется для преобразователя напряжения,-а второй генератор- для работы схемы; ко нтроля напряжения питания двуполярного стабилизатора 12 питания.

Измерение приращения ЭДС электродной системы производится во. время калибровки при переходе от раствора к раствору. Результат измерения считывается на ЖКИ 9 при нажатом втором переключателе 11..По результатам измерения приращения ЭДС

электродной системы в растворе С2 по сравнению с раствором Ci устанавливают соответствие нитратного электрода техническим требованиям на него.

Преимущества технического решения

описываемого нитратомера по сравнению с известным заключаются в том, что с помощью введейия автоматических калибровок сокращается время настройки, что повышает производительность измерений.

Формула изобретения

1.Нитратомер, содержащий каскад компенсации, два переключателя, два блока калибровки, блок регулируемого напряжения, аналого-антилогарифмический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, блок переключения диапазонов, жидкокристаллический индикатор, двупо- лярный стабилизатор питания и входной каскад, выход которого соединен с первым

входом первого переключателя и с первым входом каскада компенсации, подключенного вторым входом к выходу блока регулируемого напряжения и выходом - к первым входам первого блока калибровки и второго

переключателя, блок аналого-антилогариф- мического преобразователя подключен пер: вым и вторым входами к выходам соответственно первого и второго блоков калибровки, третьим входом - к выходу блока переключения диапазонов и выходом - к второму входу первого переключателя, выход которого соединен с вторым входом второго переключателя, подсоединенного выходом к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу жидкокристаллического индикатора, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности измерений за счет сокращения времени, настройки

путем автоматизации процессов калибровки, в нем блок регулируемого напряжения подключен первым входом к выходу каскада компенсации, вторым входом - к первому выходу двуполярного стабилизатора питэния, третьим входом - к второму выходу двуполярного стабилизатора питания, к первому входу первого блока калибровки и к входу второго блока калибровки, четвертым входом - к выходу аналого-цифрового

преобразователя.

2.Нитратомер по п. 1, о т л и.ч а ю щ и- й с я тем, что, в нем блок регулируемого напряжения содержит первый инвертирующий усилитель, два триггера, элемент пуска.

первую кнопку, цифровой .компаратор, три элемента 2И-НЕ, первый циф оэналоговий преобразователь и аналоговый компаратор,

вход которого является первым входом 6п:0 ка, выход аналогового компаратора еоеди- нён с S-входом первого триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов 2VI-HEi вторые входы которых являются соответственно вторым и третьим входами блока, выходы первого и второго элементов 2И-НЕ соединены соответственно с первым и вторым входами третьего элемента 2И-НЕ, выход которого подключен к С-входу первого цифроаиало- гового преобразователя, подключенного R- входом к R-входам обоих триггеров и к выходу элемента пуска, V-вхо.дом - к инверсному выходу второго триггера и выходом - к входу первого инвертирующего усилителя, выход которого является вцходом блока, первая кнопка подсоединена| первым выводом к входу элемента пуска и вторым выводом - к общей шине, а цифровой компаратор, вход которого является четвер- тым входом блока, подключен выходом к З входу второго триггера.

3.Нитратомер по п. 1, о т л и ч а ю щ.и- й с я тем, что в нем первый блок калибровки содержит второй цифроаналоговый npeofr разователь. вторую кнопку и второй инвертирующий усилитель,, первый вход и выход которого являются соответственно первым входом и выходом блока, а второй цифроаналоговый преобразователь, С-вход которого является вторым входом блока, подсоединен выходом к второму входу второго инвертирующего усилителя и V- и R- входами соответственно к первому и второму входам второй кнопки, выход которой соединен с общей шиной.

4.Нитратомер по п; 1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что в нем второй блок калиброеки содержит третий цифроаналоговый преобразователь, третью, кнопку и третий инвертирующий усилитель, выход которого является выходом блока,,а третий цифроаналоговый преобразователь, С-вход которого является входом блока, подсоединен выходом к входу TpeTberoviHBepTHpyKiiitero усилителя и V- и R-входамй соответственно к первому и второму входам третьей кнопки, выход которой соединен с общей шиной,.. , :

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам потенциометрического контроля за содержанием нитрат-ионов в водных растворах, и может быть использовано в пищевой промышленности, агрохимии, почвоведении и при научных исследованиях. Цель изобретения - повышение производительности измерений за счет сокращения времени настройки путем автоматизации процессов калибровки. В блоке регулируемого напряжения производится полная автоматическая компенсация постоянной составляющей ЭДС электродной системы, возникающей в растворе с концентрацией нитрат-ионов С1 и поступающей через входной каскад, работающий как повторитель, на первый вход каскада компенсации. При нажатии первой кнопки импульсом положительной полярности, формируемым элементом пуска, обнуляются первый и второй . RS-триггеры и первый цифроаналоговый преобразователь, начинается процесс автоматической компенсации. Цифровой компаратор анализирует состояние жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и при его обнулении вырабатывает сигнал управляющий состоянием второго RS-тригге- ра° который останавливает работу первого цифроанаяогового преобразователя и фиксирует окончание процесса автоматической компенсации. Вторым блоком калибровки в растворе с концентрацией нитрат-ионов Ci автоматически вводится значение коэффициента пропорциональности, устанавливаемого методикой подготовки пробы. Процесс калибровки начинается при нажатии третьей кнопки, обнуляющей третий цифро- аналоговый преобразователь, а заканчивается при отжзтии ее, как только на ЖКИ высветится известное значение концентрации нитрат-ионов Ci. Первым блоком калибровки в растворе с концентрацией нитрат-ионов С2. автоматически задается диапазон измеряемых концентраций. Процесс калибровки начинается при нажатии второй кнопки, обнуляющей второй цифро- аналоговый преобразователь, а заканчивается при отжатии ее, как только на ЖКИ высветится известное значение концентрации нитрат-ионов С2. При калибровках блок переключения диапазонов автоматически переключает диапазон показаний ЖКИ. 3 з.п. ф-лы, 1 ил. U) с о о о