Патент на изобретение №2290629

(54) АВТОДИННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КАЧЕСТВА ВОДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области санитарной гигиены и промышленной экологии и может быть использовано для определения концентрации растворенных в воде солей. Технический результат изобретения – повышение линейности характеристики устройства, повышение точности и стабильности измерений. Сущность: измеритель качества воды содержит расположенные в корпусе автодинный генератор переменного сигнала, датчик в виде двух электродов, один из которых выполнен кольцеобразным, а второй – в виде сплошного цилиндра и размещен внутри первого с кольцевым зазором между ними, зазор заполнен диэлектрическим материалом, каждый из электродов одним участком обращен внутрь корпуса, а другим участком выходит наружу для контакта с водным раствором, блок индикации, источник питания, а также измеритель содержит прецизионный детектор, выполненный на дифференциальном усилителе, динамическую память, выполненную на операционном усилителе с положительной обратной связью, и активный буфер, выполненный на операционном усилителе с отрицательной обратной связью. Автодинный генератор переменного сигнала первым выходом подключен через активный буфер к электродам датчика, вторым выходом подключен напрямую к первому входу дифференциального усилителя, а третьим – через динамическую память ко второму входу дифференциального усилителя. Прецизионный детектор подключен к блоку индикации, снабженному статической памятью. 2 табл., 4 ил.

Изобретение относится к области санитарной гигиены и промышленной экологии и может быть использовано для определения концентрации растворенных в воде солей.

Известен индикатор качества очистки воды, содержащий камеры очищенной и исходной воды, соединенные с атмосферой и разделенные полупроницаемой мембраной. Камеры при помощи вентилей соединены с системой подачи очищенной и исходной воды, соответственно. Камера очищенной воды имеет измерительный капилляр диаметром 1-3 мм, в нижней части которого выполнен расширитель. При этом объем камеры исходной воды превышает суммарный объем камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем в 3-10 раз, суммарный объем измерительного капилляра с расширителем превышает объем камеры очищенной воды в 1-5 раз, объем расширителя в 20-25 раз превышает объем измерительного капилляра (см. патент РФ № 2073556, МКИ B 01 D 65/00).

Недостатком устройства является недостаточная точность проводимых измерений и узкий диапазон контролируемых значений.

Известно устройство определения количественных характеристик вод типа конденсата, которое может быть использовано на тепловых электрических станциях. Сущность изобретения заключается в следующем: проводят одновременные измерения рН и электропроводности пробы воды, затем проводят измерения рН и электропроводности пробы воды, прошедшей Н-катионитовую колонку, все измерения проводят с учетом температуры пробы воды, а определение показателей качества воды осуществляют путем обработки измерений на ЭВМ с использованием системы уравнений, характеризующей ионные равновесия в исходной пробе воды и в Н-фильтрате.

Однако устройство имеет недостаточную точность проводимых измерений и не обладает мобильностью по отношению к различным источникам пробы воды.

Известна также электронная система контроля работы автономного обратноосмотического устройства для очистки жидкости, содержащая корпус, образованный основанием и крышкой, и две пары электродов. В основании выполнены два канала для движения жидкости соответственно до и после обработки. Каждый электрод первой пары имеет два участка, один из которых вставлен в первый канал, а другой выведен внутрь корпуса. Находящиеся в первом канале участки электродов установлены на расстоянии один от другого так, что один из них расположен ближе ко входу канала, а другой – ближе к выходу. Каждый электрод второй пары также имеет два участка, один из которых вставлен во второй канал, а другой – пропущен внутрь корпуса. При этом находящиеся во втором канале участки электродов также расположены соответственно около его входа и выхода. В корпусе закреплена печатная плата с генератором переменного сигнала, электрически соединенная с выведенным в корпус вторым участком всех электродов, измеряющих электропроводность жидкости, движущейся в обоих каналах, в которых находится первый участок всех электродов. Электрическая схема на печатной плате, соединенная с установленным в корпусе источником питания, формирует электрические выходные сигналы, пропорционально измеряемой электропроводности жидкости до и после обработки. Печатная плата имеет выводы для передачи выходных сигналов на внешний показывающий прибор с целью индикации рабочего состояния устройства (см. патент США № 5362383, МПК B 01 D 65/10).

Недостатком устройства является недостаточная точность и чувствительность проводимых измерений, техническая сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения качества воды, содержащее расположенные в корпусе генератор переменного сигнала с подключенным к нему датчиком в виде двух электродов, каждый из которых одним участком обращен внутрь корпуса, а другим участком выходит наружу, блок индикации, источник питания, термистор, соединенный с генератором, блоки памяти и сравнения измеряемых сигналов, включенные между генератором и блоком индикации, блок памяти имеет корректировку нуля, один из электродов выполнен кольцеобразным, а второй – в виде сплошного цилиндра и размещен внутри первого с кольцевым зазором между ними, зазор заполнен диэлектрическим материалом, генератор выполнен в виде автодинного устройства (Патент РФ № 2231787, МПК G 01 N 33/18).

Недостатком устройства является нелинейность характеристик и нестабильность измерений вследствие сильной связи нагрузки с автодинным генератором и быстрого перехода в режим насыщения, малый динамический диапазон блока памяти и его инерционность.

Задача настоящего решения заключается в повышении линейности характеристики устройства, повышении точности и стабильности измерений.

Поставленная задача достигается тем, что измеритель качества воды, содержащий расположенные в корпусе автодинный генератор переменного сигнала, датчик в виде двух электродов, один из которых выполнен кольцеобразным, а второй – в виде сплошного цилиндра и размещен внутри первого с кольцевым зазором между ними, зазор заполнен диэлектрическим материалом, каждый из электродов одним участком обращен внутрь корпуса, а другим участком выходит наружу для контакта с водным раствором, блок индикации, источник питания, согласно предложенному техническому устройству дополнительно содержит дифференциальный усилитель, нагруженный на прецизионный детектор, выполненный на операционном усилителе с отрицательной обратной связью, динамическую память, выполненную на операционном усилителе с положительной обратной связью, и четырехплечный мост, являющийся нагрузкой автодинного генератора, при этом электроды датчика подключены к одному из плеч четырехплечного моста, одна из точек выходной диагонали которого подключена ко входу динамической памяти, а другая – к одному из входов дифференциального усилителя, выход динамической памяти подключен ко второму входу дифференциального усилителя, при этом прецизионный детектор подключен к блоку индикации, снабженному статической памятью.

Оригинальность предлагаемого решения заключается во введении в устройство четырехплечного моста, являющегося нагрузкой автодинного генератора, при этом электроды датчика подключены к одному из плеч четырехплечного моста, одна из точек выходной диагонали которого подключена ко входу динамической памяти, а другая – к одному из входов дифференциального усилителя, что позволяет расширить динамический диапазон измерений с уменьшением степени нелинейности характеристики устройства. Использование динамической памяти, выполненной на операционном усилителе с положительной обратной связью, автоматически компенсирует временной уход параметров автодинного генератора, что повышает точность и уменьшает нестабильность измерений. Подобная совокупность элементов измерения качества воды не известна.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами:

Фиг.1. Схема установки, где:

1 – датчик, 2 – четырехплечный мост, 3 – автодинный генератор, 4 – динамическая память, 5 – дифференциальный усилитель, 6 – прецизионный детектор, 7 – блок индикации, снабженный статической памятью, 8 – автономный источник питания.

Фиг.2. Устройство датчика: 9 – электроды, 10 – кольцевой зазор, заполненный диэлектрическим материалом, 11 и 12 – контакты для подключения к одному из плеч четырехплечного моста, 13 – корпус датчика.

Фиг.3. Внешний вид измерителя.

Фиг.4. Градуировочная кривая.

Устройство измерения качества воды содержит расположенные в корпусе 13 (фиг.1) датчик 1, выполненный в виде двух электродов 9 (фиг.2), один из которых выполнен кольцеобразным, а второй в виде сплошного цилиндра и размещен внутри первого с кольцевым зазором между ними 10, зазор заполнен диэлектрическим материалом, каждый из электродов одним участком обращен внутрь корпуса 13, а другим участком выходит наружу для контакта с водным раствором, электроды 9 через контакты 11 и 12 подключены к одному из плеч четырехплечного моста 2, являющегося нагрузкой автодинного генератора 3. Выходная диагональ четырехплечного моста одной из точек подключена ко входу динамической памяти 4, а другой – к одному из входов дифференциального усилителя 5. Выход динамической памяти 4 подключен ко второму входу дифференциального усилителя 5, нагруженного на прецизионный детектор 6, который подключен к блоку индикации 7, снабженному статической памятью. Все активные элементы схемы подключены к автономному источнику питания 8.

Устройство работает следующим образом.

Источник питания 8 запускает работу автодинного генератора 3. Начальный режим его работы задается параметрами собственной схемы генератора 3, а также состоянием параметрами четырехплечного моста 2.

Сигнала с выходной диагонали моста 2 поступает на вход динамической памяти 4 и на один из входов дифференциального усилителя 5. С выхода блока динамической памяти 4 сигнал поступает на второй вход дифференциального усилителя 5. При этом использование компенсирующих свойств динамической памяти 4 позволяет обеспечить равенство сигналов на входах дифференциального усилителя 5 и на выходе прецизионного детектора 6 устанавливается нулевой сигнал, который отображается на индикаторе 6.

При помещении датчика 1 в водные растворы с различной концентрацией растворенных в них солей изменяется режим работы автодинного генератора 3, на выходе дифференциального усилителя появляется разностный сигнал, который детектируется и подается с выхода прецизионного детектора на вход блока индикации 6, где запоминается и отображается в цифровом виде. Индицируемое числовое значение качества водного раствора соответствует величине концентрации растворенных в воде солей.

Пример практической реализации способа.

Автодинный генератор переменного сигнала выполнен на микросхеме МАХ 136 CPL. Четырехплечный мост имеет четыре резистивных плеча, к одному из которых подключен датчик. Динамическая память выполнена на операционном усилителе МС 33171 с положительной обратной связью. Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью выполнен на операционном усилителе МС 33171, нагрузкой которого является прецизионный детектор, выполненный на диодах 1N4148. Блок индикации выполнен на LCD ITS-G0824. Статическая память – на элементах микросхемы МАХ 136 CPL.

Внешний вид измерителя качества воды приведен на Фиг.3.

Для работы измерителя необходимо:

– Нажать кнопку на корпусе датчика, при этом на жидкокристаллическом индикаторе появляется цифра “0” (см.Фиг.4).

– Опустить датчик на 1 см в воду. Отжатие кнопки фиксирует показания индикатора в течение 5 сек.

– Индикатор показывает в численном выражении качество воды. Через 5 сек табло отключается.

– После окончания измерений протереть рабочую поверхность датчика салфеткой.

– Замена элемента питания (с противоположного конца от рабочей поверхности датчика) проводится через 3-4 месяца.

– Хранить датчик при комнатной температуре и стандартной влажности воздуха. Численное выражение качества воды приведено в таблице 1.

Численное выражение на индикаторе измерителя качества воды может быть переведено в концентрацию растворенных в воде солей с помощью градуировочной кривой (см.Фиг.4).

Основные технические характеристики измерителя качества воды приведены в табл. 2.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет повысить линейность характеристики устройства, точность и стабильности измерений.

Формула изобретения

Автодинный измеритель качества воды, содержащий расположенные в корпусе автодинный генератор переменного сигнала, датчик в виде двух электродов, один из которых выполнен кольцеобразным, а второй в виде сплошного цилиндра и размещен внутри первого с кольцевым зазором между ними, зазор заполнен диэлектрическим материалом, каждый из электродов одним участком обращен внутрь корпуса, а другим участком выходит наружу для контакта с водным раствором, блок индикации, источник питания, отличающийся тем, что в него введены дифференциальный усилитель, нагруженный на прецизионный детектор, выполненный на операционном усилителе с отрицательной обратной связью, динамическая память, выполненная на операционном усилителе с положительной обратной связью, и четырехплечный мост, являющийся нагрузкой автодинного генератора, при этом электроды датчика подключены к одному из плеч четырехплечного моста, одна из точек выходной диагонали которого подключена ко входу динамической памяти, а другая – к одному из входов дифференциального усилителя, выход динамической памяти подключен ко второму входу дифференциального усилителя, при этом прецизионный детектор подключен к блоку индикации, снабженному статической памятью.

РИСУНКИ