Патент на изобретение №2330272

(54) 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. Измеритель качества воды содержит расположенные в корпусе генератор переменного сигнала, датчик, блок индикации, источник питания, термистор. Дополнительно измеритель содержит микроконтроллер, подключенный к выходу генератора переменного сигнала, образцовый резистор, резистор калибровки, коммутатор для последовательного подключения образцового резистора, датчика, резистора калибровки и термистора во времязадаюшую цепь генератора. Микроконтроллер выполнен с возможностью программирования: перевода измеряемой частоты переменного сигнала в концентрацию примесей, зависимости концентрации примесей от температуры, корректировки нуля и автоматической калибровки схемы по эталонному резистору перед каждым измерением, генератор выполнен в виде RC-генератора. Изобретение обеспечивает расширение диапазона измеряемых величин при повышении точности измерений (уменьшение погрешности), исключение дрейфа нуля. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

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

Известен автодинный измеритель качества воды, содержащий расположенные в корпусе автодинный генератор переменного сигнала, датчик в виде двух электродов, один из которых выполнен кольцеобразным, а другой 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, 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 четырехплечий мост, являющийся нагрузкой автодинного генератора, при этом электроды датчика подключены к одному из плеч четырехплечего моста, одна из точек выходной диагонали которого подключена к входу динамической памяти, а другая – к одному из входов дифференциального усилителя, выход динамической памяти подключен к второму входу дифференциального усилителя, при этом прецизионный детектор подключен к блоку индикации, снабженному статической памятью (см. патент на изобретение РФ №2290629, G01N 27/00).

Недостатком указанного решения является наличие дрейфа нуля и ограниченный диапазон измеряемых величин содержания солей в водном растворе.

Наиболее близким к предлагаемому решению является измеритель качества воды, содержащий 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 другой – в виде сплошного цилиндра и размещен внутри первого с кольцевым зазором между ними, зазор заполнен диэлектрическим материалом, а генератор выполнен в виде автодинного устройства (см. патент на изобретение РФ №2231787, МПК G01N 33/18).

Однако данное устройство также не исключает наличие дрейфа нуля и имеет ограниченный диапазон измеряемых величин содержания солей в водном растворе.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона измеряемых величин при повышении точности измерений (уменьшение погрешности), исключение дрейфа нуля.

Поставленная задача решается тем, что измеритель качества воды, содержащий расположенные в корпусе генератор переменного сигнала, датчик, блок индикации, источник питания, термистор, согласно решению дополнительно содержит микроконтроллер, подключенный к выходу генератора переменного сигнала, образцовый резистор, резистор калибровки, коммутатор для последовательного подключения образцового резистора, датчика, резистора калибровки и термистора во времязадающую цепь генератора, микроконтроллер выполнен с возможностью программирования: перевода измеряемой частоты переменного сигнала в концентрацию примесей, зависимости концентрации примесей от температуры, корректировки нуля и автоматической калибровки схемы по эталонному резистору перед каждым измерением, генератор выполнен в виде RC-генератора.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявляемого устройства, где

1 – образцовый резистор;

2 – автономный источник питания;

3 – стабилизатор с ключом;

4 – кнопка включения SA 1;

5 – кнопка выключения SA 2;

6 – индикатор;

7 – датчик;

8 – термистор;

9 – коммутатор;

10 – функциональный RC генератор;

11 – микроконтроллер с программой обработки сигнала;

12 – дешифратор;

13 – резистор калибровки;

14 – светодиод «Жесткость»;

15 – светодиод «Солесодержание».

Устройство содержит расположенные в корпусе образцовый резистор 1, например РН1-12 0.5%, датчик электропроводности 7, термистор 8, например TS503D3, резистор калибровки 13 марки 3329S, которые через коммутатор 9 на микросхеме CD4052 могут последовательно подключаться во времязадающую цепь функционального RC генератора 10 на микросхеме AD8542. Выход генератора 10 подключен к входу микроконтроллера 11 с программой обработки сигнала АТ89С2051, выход которого через дешифратор 12 на микросхеме CD4056 соединен с индикатором 6 (ITS-00824). Один выход автономного источника питания 2 подключен к микроконтроллеру 11, а другой – через стабилизатор с ключом на микросхеме LP2985IM-2.8 к входу функционального RC генератора 10. Устройство содержит два светодиода L1394ID для индикации жесткости воды 14 и солесодержания 15, а также кнопки включения 4 и выключения 5 (DTSM20-13N). Датчик выполнен в виде двух электродов, расположенных в корпусе, каждый из электродов одним участком обращен внутрь корпуса, а другим участком выходит наружу, при этом соотношение площади контактной поверхности электродов к расстоянию между электродами не превышает 0,6 мм.

Устройство работает следующим образом.

При нажатии на кнопку 4 подается питание на микроконтроллер 11, который подключает автономный источник 2 на время 25 с ко всем функциональным блокам и во время измерения во времязадающую цепь генератора 10. Микроконтроллер 11 последовательно подключает с помощью коммутатора 9 образцовый резистора 1, резистор калибровки 13, с помощью которого происходит калибровка, термистор 8 и датчик 7. Частота функционального генератора пропорциональна сопротивлению подключенного элемента. Каждый цикл измерения состоит из четырех этапов:

1. Измерение сопротивления образцового резистора 1 в течение 100 мс, при этом определяется коэффициент преобразования электронной схемы. (Данный коэффициент учитывается в следующих этапах цикла.)

2. Измерение сопротивления резистора калибровки 13 в течение 100 мс, при этом определяется коэффициент, пропорциональный сопротивлению резистора, на который умножается измеряемая величина концентрации.

3. Измерение сопротивления термистора 8 в течение 100 мс, при этом определяется коэффициент, пропорциональный сопротивлению терморезистора, на который умножается измеряемая величина концентрации. (Выбрана средняя величина 2% на 1°С). По изменению сопротивления терморезистора определяется температура воды. Т.к. при увеличении температуры воды ее сопротивление с достаточной степенью точности уменьшается по линейному закону, то, зная изменение температуры воды, точно определяется ее сопротивление и, следовательно, концентрация растворенных в воде примесей.

4, Измерение концентрации солей в течение 500 мс. Микроконтроллер рассчитывает значение концентрации и вводит поправку в зависимости от величины сопротивления термистора 8, резистора калибровки 13 и образцового резистора 1. С микроконтроллера 11 сигнал подается через дешифратор 12 на индикатор 6, который показывает значение концентрации растворенных в воде солей.

При нажатии на кнопку 5 процесс измерения заканчивается, на индикатор 6 попеременно выводятся значения концентрации и жесткости воды одновременно с включением соответствующих светодиодов 14, 15. Также предусмотрено автоматическое переключение поддиапазонов.

Устройство имеет два поддиапазона измерения: Концентрация 10,00 г/л и 1,000 г/л; соответственно. При величине входного сигнала соответствующей концентрации или менее 1,000 г/л микроконтроллер для большей точности измерения автоматически (программным путем) переключается на более чувствительный предел измерений, при этом разрешающая способность индикации концентрации составляет 1 мг/л, а на более грубом пределе измерения разрешающая способность индикации концентрации составляет 10 мг/л (Жесткость 200,0 мг/л – экв. и 99,99 мг/л – экв.).

Частота RC генератора 10 определяется из известного соотношения [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. школа, 1983, 536 с.]

где R₂ – сопротивление участка воды между электродами датчика, которое определяется через удельное сопротивление воды известным образом:

где L – расстояние между электродами, S – площадь поверхности электродов, через которую протекает электрический ток. Удельное сопротивление воды определяется концентрацией растворенных в воде примесей:

здесь е – заряд ионов примеси, – подвижность ионов примеси, N – концентрация растворенных в воде примесей.

Таким образом, использование выражений (1), (2) и (3) позволяет запрограммировать микроконтроллер с целью перевода измеряемой частоты переменного сигнала в концентрацию примесей N.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в применении микроконтроллера для обработки измеряемого сигнала, который рассчитывает величину концентрации примесей, таблицы зависимости концентрации от температуры, имеет корректировку нуля и автоматическую калибровку по эталонному резистору перед каждым измерением, что приводит к повышению точности измерений, а также в использовании функционального RC генератора и измерении его частоты, а также применении датчиков с определенной площадью погружаемой поверхности, что расширяет диапазон измерения при допустимой точности. Подобная совокупность элементов для измерения качества воды неизвестна.

Формула изобретения

1. Измеритель качества воды, содержащий расположенные в корпусе генератор переменного сигнала, датчик, блок индикации, источник питания, термистор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит микроконтроллер, подключенный к выходу генератора переменного сигнала, образцовый резистор, резистор калибровки, коммутатор для последовательного подключения образцового резистора, датчика, резистора калибровки и термистора во времязадающую цепь генератора, микроконтроллер выполнен с возможностью программирования: перевода измеряемой частоты переменного сигнала в концентрацию примесей, зависимости концентрации примесей от температуры, корректировки нуля и автоматической калибровки схемы по эталонному резистору перед каждым измерением, генератор выполнен в виде RC-генератора.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что датчик выполнен в виде двух электродов, расположенных в корпусе, каждый из электродов одним участком обращен внутрь корпуса, а другим участком выходит наружу, при этом соотношение площади контактной поверхности электродов к расстоянию между электродами не превышает 0,6 мм.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что поддиапазоны измерений концентрации 1,000 и 10,00 г/л устанавливаются микроконтроллером автоматически в зависимости от величины измеряемого сигнала.

РИСУНКИ