Устройство для автоматического измерения сопротивления и проводимости биологических объектов Советский патент 1980 года по МПК G01R27/00 

Изобретение относится к биофизическим исследованиям, в частности к электронно-цифровым устройствам для измерения параметров проводимости биологичесних объектов. Изобретение может быть использовано при длительных экспериментах с древесными растениями с целью определения параметров проводимости как фактора, определяющего устойчивость растения к неблагоприятным условиям и повреждающим факторам. Целесообразно применение измерителя в медицине с целью определения пригодности трансплантантов, сыворотки, крови, клеточных суспенций. Известно устройство для автоматиче кого измерения сопротивления, содержа щее источник тока, два трансформатора, усилитель, детектор, RC-цепь, модулятор, буферный элемент, индикаторный прибор 1. Недостатками устройства являются отсутствие, цифровой индикации, а алго ритм работы устройства не позволяет осуществить непосредственное измерение значения проводимости. Устройство имеет узкий динамический диапазон, низкую точность измерения сопротивления, большой вес, невысокую надежность, обусловленную применением трансформаторов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, которое состоит из магнитного усилителя, имеющего две обмотки управления, функционального преобразователя цифра-сопротивление, компаратора, опорного генератора, блока индикации, узла ;сброса 2. На обе обмотки управления магнитного усилителя подается напряжение от одного источника питания. В исходном состояниивесовое со- противление функционального преобразователя минимально, выходной, сигнал с. .магнитного усилителя, максимальный, генератор счетных импульсов запрета. .Измеряемое сопротивление подключено последовательно с одной из обмоток управления магнитного усилителя. При подаче сигнала к измерении) устанавливается или подтверждается исходное состояние блока индикации и функционального преобразователя, запускается генератор, и счетные импульсы начинают поступать:одновременно в функциональный преобразователь и блок индикации. Весовое сопротивление функционального преобразователя увеличивают до тех пор, пока воздействие первой обмотки управления магнитного усилителя не будет скомпенсировано воздействием второй обмотки, включенной последовательно с весовым сопротивлением функционального преобразователя. Тогда обрабатывает компаратор, настроенный на сигнал холостого хода магнитного усилителя. Сигнсш с компаратора поступает в узел сброса, где опрокидыва ет триггер управления. При эФЬМ зайир ется генератор, прекращается поступление счетных импульсов в функциональ ный преобразователь и блок индикации Идет съем показаний. Через некоторое время культивибратор управления, находящийся в узле сброса, вновь опроййШваёт Триггер Управления, устанав ливает в исходное состояние функциональный преобразователь и блок индикаЦйй, запускает генератор и цикл из мерения повторяется вновь. При измерении малого сопротивления, равного единичному приращению весового сопротивления функционального преобразователя (например 1 кОм при установленном приращении весовог сопротивления 1 кОм/импульс), магнит ный усилитель получает наибольшее во мущающее воздействие, поэтому частота гёнёра.тора счетных импульсов должна быть достаточно низкой. При измерении сопротивлений достаточно высоких значений, например 50 кОм и выше, возмущающие воздействия магнитного усилителя малы и умен шайте я с ростом величины измеряемого сопротивления, поэтому частота генератора может быть достаточно высокой С целью устойчивой работы при измерении малых сопротивлений и уменьшения времени при изменении больших сопротивлений генератор с.четных импульсов выполнен переменной частоты. Частота меняется от О до 300 Гц по возрастающей экспоненте. Недостатками известного устройств являются узкий динамический диапазон 6пределяе1 ый свойствами магнитного усилителя, требования к высокой временной и температурной стабильности высоких сопротивлений функциональног преобразователя, невозможность изме ёййй приводимости, низкая точность измерения, определяемая свойствами магнитного усилителя. Цель изобретения - расширение динамического диапазона без снижения точйости измерения. Для достижения целиустройство для автгбйатического измерения сопротив ленйя и проводимости биологических объейтов, содержащее генератор, усиЙЙтё л ь, к оторо го с вяз аи с входом функционального преобразователя йапряжейия - частота, а вход - с био логическим объектом и последовательно соединенные блок сброса и индикатор, снабжено управляеким источником тока, блоком формирования длительности импульсов и тремя ключами, причем выход генератора через первый ключ соединен с первым входом индикатора и выходом функционального преобразователя, последний из которых через второй ключ связан с первым входом блока выделения, выход которого подключен к одному контакту третьего ключа, связанному с вторым входом индикатора. Последний через другой контакт третьего ключа соединен с первым выходом блока сброса, при .этом второй выход рлока сброса подключен ко второму входу блока выделения, а выход управляемого источника тока подключен к вышеупомянутому входу функционального преобразователя. Старт-стопная схема выполнена на -к триггерах-. Схема сброса и индикации выполнена на кварцевом генераторе, работающем в автоколебательном режиме и цифровом счет чике-делителе с автоматической установкой нуля,. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для автоматического измерения сопротивления и проводимости биологических объектов. Устройство имеет два режима работы, первый - режим измерения значения сопротивления Т , второй - режим измерения значения проводимости G, при этом в обоих из названных режимов осуществляется непосредственная цифровая индикация измеряемых параметров в общепринятых единицах измерения. Устройство включает в себя управляемый источник 1 тока, биологический объект 2, усилитель 3, функциональный преобразователь 4, генератор 5, индикатор 6, блок 7 сброса, блок 8 выделения, ключи 9, 10 и 11. Выход источника 1 тока соединен с биологическим объектом 2 и входом усилителя 3, выход которого соединен с преобразователем 4. .Выход генератора 5 подключается в режиме измерения значения ПроводимосТи G к сигнальному входу индикатора 6. Выход функционального преобразователя 4 в режиме измерения значения сопротивления R подключается к сигнальному входу индикатора б, а в режиме измерения значения проводимости G к сигнальному входу блока 8 вьщеления Вход Сброс индикатора 6 соединен с первым выходом блока 7 сброса, в режиме измерения сопротивления R второй выход блока 7 сброса подключен к командному входу индикатора б, а третий выход блока 7 сброса соединен со входом .Ориентация блока 8 выделения, В режиме измерения значения проводимости G биологического объекта 2 блок 8 выделе- . ния подключается выходом к командному входу индикатора 6 и сигнальным входам - к выходу функционального преобразователя 4. Работа устройстваирежиме измерения значения сопротивления R биологического объекта 2 происходит следующим образом. Временные диаграммы, характеризующие данный режим работы, представлены на фиг. 2. Переключатель переводится в положение R. От управляемого эталонного Источника 1 тока задается определенное значение тока, величина которого не зависит от сопротивления объекта и от времени, а абсолютное значение выбирается ниже порога повреждения биологического объекта 2. При прохождении тока.Зэ через би ологический объект 2, на последнем возникает падение напряжения Uj., величи на которого меняется во времени из-за наличия поляризационной ем4сости объекта и достигает в конце ко цов установившегося значения (фиг. 2 т.е. б.с. дщ 6.0., где Rjj-o. - динамическое сопротивление объекта постоянному току. Как правило, значение тока вы бирается достаточно малым, поэтому д эффективного преобразования информац о сопротивлении объекта (напряжение UJQ) выходной зажим объекта подключ ко ВХОДУ буферного масштабного усилителя 3, имеющего большое входное сопротивление и фиксированный коэффициент усиления. На выходе буферного масштабного усилителя 3 образуется напряжение U., -j л ( 2с) соглас но формуле Это напряжение поступает на управ ляющий вход преобразователя 4 напряж ние-частота с линейной модуляционной характеристикой. Частота на выходе преобразователя 4 напряжение-частота . п ( 2d) определяется входным напряжением U- , (фиг, 2с) и равна ьыч«. ьмип ч ьb.x.6. %о. где К 2 - коэффициент, характеризующий угол наклона модуляционной характери тики преобразователя 4 напряжениечастота. На выходе преобразователя 4 образ ется импульсная последовательность (фиг. 2d), частота которой изменяетс в соответствии с напряжением на биол гическом объекте 2 U ,т. е. еледит за изменением его сопротивлени .C учетом (1) и (2) преобразует ( так. эт 6.0. К, В моменты времени ,, tg-t4, tf-t и т. д. (фиг. 2а) импульсная оследовательность .Ц. (Фиг. 2d) с выходифункционального преобразбвателя 4 поступает на сигнальный индикатора 6 в соответствии с командами блока 7 сброса. При этом сброс счетчика осуществляется импульсом малой длительности в моменты времени tьt,t,ит.д. В р1езультате, в течение интервалов времени , . т. д., на вход блока б индикации поступает количество иМпульсов N (фиг. 2е) в соответствии с формулой ., где F - частота генерации схемы сброса и индикации. При этом Р определяется по формулеЗадавая определенные значения О,у, К, К 2 и К( , легко получить индикацию непосредственно величины сопротивления в общепринятых единицах измерения . Работа устройства в режиме измерения значения электрической проводимости биологического объекта 2 происходит следующим образом.(Временные Диаграммы, характеризующие данный режим работы, представлены на фиг. 3). Переключатель переводится в положение, при котором от управляемого эталонного источника тока 1 защается определенное -значение тока, величина которого, как и. в первом режиме работы, не зависит от электрических параметров объекта и от времени, а абсолютное значение выбирается ниже -порога повреждения биологического объекта 2, Режим цифрового измерения значения электрической проводимости биологического объекта 2 сводится к определению обратной зависимости т. е. получению, цифрового эквивалента величины, обратной сопротивлению биологического объекта 2. Как и в первом режиме работы устройства, при прохождении тока 3yf через биологический объект 2 на последнем возникает падение напряжения в соответствии с формулой (1), кото- : рое усиливается буферным масштабным усилителем 3 (фиг. 3с) и,далее поступает на вход функционального преобразователя 4 напряжение-частота с линейной модуляционной характеристикой, на выходе которого образуется импульсная последовательность (фиг.. 3d) в соответствии с формулой (3) и (4). Эта импульсная последовательность поступает на сигнальный вход блока 8 выделений, на вход Ориентация которой в моменты времени , t , t и т. д. посту пают ориентирующие импульсы с блока 7 сброса, возвращающие с блока 8 выделения в исходное состояние. В результате на Командный вход индикатора 6 поступает импульс Т, раэрешающий прохождение серии импульсов Fon ген- (фиг. Зе) опорного генератора 5, через сигнальный вход блока 6 индикации на счетчик в течение вре мени действия импульсов Т, по командному входу индикатора 6. Длительность импульса на выходе старт-стопной схемы Т (фиг. 3f) оп ределяется мгновенной частотой следо вания импульсов преобразователя 4, напряжение-частота, так как роль старт-стопной схемы сводится к выделению периода.импульсной последбвательности Fgjj, J, ,то есть; Т -L. : t п эж %о. Таким образом, длительность импул са Т обратно пропорциональна сопроти лению биологического объекта 2 Кд,. ийи,что то же самое,пропорциональна его электрической проводимости GgQ. На вход счетчика блока 6 индикации Поступает количество импульсов N, пропорциональное значению электри ческой проёодимости G биологическо го объекта 2 в соответствии с формулойon.rCH on. гсй. t 0,. иС -Т 6.0. NDnreH. N 9m«6.c,. Выбирая значения постоянных входящих в формулу (9), легко получить иепосредственно индикацию в единицах проводимости. Сброс блока 6 индикаци как и в первом режиме работы,осущест вляется в момент времени t , t, tj и т. д. (фиг. 3).. Изобретение может быть использова lio при Длительных экспериментах с древесными растениями, в медицине пр определении Пригодности трансплантан тов и позволит автоматизировать науч ные эксперименты значительной пр|одол жительности во времени при существен ном повышении точности измеряемых параметров . Наряду с приложением возможно эффективное использование данного электронного устройства в промыиленности полимеров и в пищевой промышленг ности. Устройство реализуется с помощью средств микроэлектроники, экономично, что позволяет создавать на базе его передвижные установки для экспресс-анализа в полевых условиях. Формула изобретения Устройство для автоматического измерения сопротивления и проводимости биологических объектов, содержащее генератор, усилитель, выход которого связан с входом функционального преобразователя, а вход - с биологическим объектом, и последовательно соединенные блок сброса и индикатор, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона без снижения точности измерения, устройство снабжено управляемым источником тока, блоком формирования длительности импульсов и тремя ключами, причем выход генератора через первый ключ соединен с первым входом индикатора и выходом функционального преобразователя, последний из которых через второй ключ связан с первым входом блока выделения, выход которого подключен к одному контакту третьего ключа, связанному с вторым входом индикатора, последний через другой контакт третьего клюЧа соединен с первым выходом блока сброса, при этом второй выход блока сброса подключен ко второму входу блока выделения, а выход управляемого источника тока подключен к вышеупомянутому входу функционального преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 280646, кл. G 01 R 27/00, 1970. 2.Авторское свидетельство СССР 398894, кл. G 01 R 27/02, 1973 (прототип) ..

СчгнаиншЛ ted

(Гы),

а/

Л)

et