Нитратомер

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Винницкий политехнический институт (72) А,Н.Ружанский, Г,Г,Зэхаренков и А,А.Валькованый(57) 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 С 1 и поступающей через входной каскад, работающий как повторитель, на первый вход каскада компенсации, При нажатии первой кнопки импульсом положительной полярности, формируемым эле:ментом пуска, обнуляются первый и второй Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам потенциометрического контроля за содержанием нитрат-ионов в водных растворах, и может быть использовано в пищевой промышлен 5 Ы 1711000 А 1(я)5 6 01 М 27/06, 27/26 ВЯ-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 В 5-триггера, который останавливает работу первого цифроаналогового преобразователя и фиксирует окончание процесса автоматической компенсации, Вторьм блоком калибровки в растворе с концентрацией нитрат-ионов С 1 автоматически вводится значение коэффициента пропорциональности, устанавливаемого методикой подготовки пробы. Процесс калибровки начинается при нажатии третьей кнопки, обнуляющей третий цифроаналоговый преобразователь, а заканчивается при отжатии ее, как только на ЖКИ высветится известное значение концентрации нитрат-ионов Съ Первым блоком калибровки в растворе с концентрацией нитрат-ионов Сг, автоматически задается диапазон измеряемых концентраций, Процесс калибровки начинается при нажатии второй кнопки, обнуляющей второй цифроаналоговый преобразователь, а заканчивается при отжатии ее, как только на ЖКИ высветится известное значение концентрации нитрат-ионов С 2. При калибровках блок переключения диапазонов автоматически переключает диапазон показаний ЖКИ. 3 з,п, ф-лы, 1 ил,ности, агрохимии, почвоведении и при научных исследованиях. Цель изобретения - повышение производительности измерении зэ счет сокраще10 20 25 30 35 55 ния времени настройки путем автоматизации процессов калибровки.На чертеже представлена функциональная схема нитратомера.Нитратомер состоит из входного каскада 1, каскада 2 компенсации, блока 3 регулируемого напряжения (БРИ), первого блока 4 калибровки, второго блока 5 калибровки, блока 6 переключения диапазонов, аналого-антилогарифмического преобразователя (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 калибровки, 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 входом БРН 3; первого элемента 2 И-НЕ 14, второй вход которого является вторым входом БРН 3 и подключен к первому выходу двуполярного стабилизатора 12 питания; второго элемента 2 И-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 ИН Е 16;.первого ВЯ-триггера 17, Я-вход которого подключен к выходу аналогового компаратора 13,. 0-выход соединен с первым входом первого элемента 2 И-НЕ 14, а 0-выход - с первым входом второго элемента 2 И-НЕ 15; элемента 18 пуска; первой кнопки 19 и цифрового компаратора 20, вход которого является четвертым входом БР Н 3 и подключен к выходу АЦП 8 второго ВЯ-триггера 21, 5-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора 20; первого ЦАП 22, Ч-вход которого подключен к 0-выходу второго КЯ-триггера 21, а С-вход - к выходу третьего элемента 2 И-НЕ 16;. первого инвертирующего усилителя 23, выход которого является выходом БРН 3, а вход подключен к выходу первого ЦАП 22.Третий элемент 2 И-НЕ 16 подключен первым входом к выходу первого элемента 2 И-НЕ 14, а вторым входом - к выходу второго элемента 2 И-НЕ 15, Элемент 18 пуска подсоединен входом к первому выводу первой кнопки 19 и выходом - к Я-входам первого 17 и второго 21 ЯЯ-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 второй15 вход соединен с выходом второго ЦАП 25, С-вход которого является вторым входом блока,.а к Ч- и й-входам подключены, соответственно, первый и второй входы второй кнопки 26, выход которой соединен с общей шиной.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 Ч- и Р-входы подключены соответственно к первому и второму входам третьей кнопки 27, выход которой соединен с общей шиной. В основу работы нитратомера положен принцип прямого потенциометрического измерения активности однозарядных анионов КОз 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 1,40 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 ЗДС электродной системы через отжатый второй 11 и нажа-. тый первый 10 переключатели это напряже 50 ние 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 преобразования5 10 20 25 30 ный сигнал на инверсном О-выходе второго ВЯ-триггера 21 запретит счет тактовых импуль 35 40 55 Е -С=К 10где С - значение величины концентрации, .мг/кг;3=(56+ б) мВ/рйОз;рИОз - отрицательный десятичный логарифм активности ионов ИОз;Е 1 - ЭДС электродной системы в калибровочном растворе с концентрацией нитрат-ионов С 1;Е - ЭДС электродной системы в растворе с неизвестной, измеряемой концентрацией нитрат-ионов Сх,К - коэффициент пропорциональности,устанавливаемый методикой подготовкипробы,Для реализации функции преобразования ЭДС - концентрация. предназначеныследующие каскады; БРЙ 3, блоки 4 и 5калибровки, каскад 2 компенсации и ААП 7,С помощью этих каскадов производится калибровка прибора в трех калибровочныхрастворах с известной концентрацией С 1,С 2, Сз. В БРН 3 совместно с каскадом 2компенсации производится полная автоматическая компенсация постоянной составляющей ЭДС электродной системы, Припомещении электродов в раствор с известной концентрацией азота нитратов С 1 воз-,никающее на выходе, каскада 2компенсации напряжение поступает навход аналогового компаратора 13 и черезнажатый второй переключатель 11 на входАЦП 8 и далее индицируется на ЖКИ 9.При нажатии первой кнопки 19 начинается процесс автоматической компенсацииэтого напряжения, При этом на выходе элемента 18 пуска формируется импульс положительной полярности, Этим импульсомпоступающим на В-входы первого 17 и второго 21 ЯЯ-триггеров и первого ЦАП 22, ониустанавливаются в нуль. На прямом 0-выходе первого ЯЯ-триггера 17 установится сигнал "единицы", который являетсяразрешающим для прохождения через первый 14 и третий 16 элементы 2 И-НЕ прямоугольных импульсов с первого выходадвуполярного стабилизатора 12 питания наС-вход первого ЦАП 22, а на инверсном 0 выходе второго ЯЯ-триггера 21 установитсясигнал "нуля", который является разрешающим для Ч-входа первого ЦАП 22, Начинается процесс счета импульсов. Двоичныйвходной код первого ЦАП 22 преобразуетсяв ток, который поступает на вход первогоинвертирующего усилителя 23. По мере увеличения двоичного числа увеличиваетсясуммарный входной ток первого инвертирующего усилителя 23. который преобразует ток в напряжение и передает его на второй вход каскада 2 компенсации, Результирующее напряжение на его выходе, уменьшаясь, достигает значения, при котором на выходе аналогового компаратора 13 появится напряжение, по которому первый ЯЯ- триггер 17 перебросится в состояние "единицы", На инверсном 0-выходе первого триггера 17 установится сигнал "едини- . цы", который является разрешающим для прохождения через второй 15 и третий 18 элементы 2 И-НЕ прямоугольных импульсов со второго генератора двуполярного стабилизатора 12 питания на С-вход первого ЦАП 22. Причем частота импульсов второго генератора значительно меньше, чем первого генератора. Поэтому процесс счета существенно замедляется. Большая частота первого генератора 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 компенсации постоянной составляющей ЭДС электоодной системы, При этом на выходе цифрового компаратора 20 появится сигнал "единицы", который переключит второй ЯЯ-триггер 21 в единичное состояние. Единичсов первого ЦАП 22. Процесс счета прекращается, выходное напряжение первого инвертирующего усилителя 23 фиксируется и второй переключатель 11 отжимается.Второй блок 5 калибровки служит для введения в процесс преобразования ЭДС - концентрация значения коэффициента пропорциональности, устанавливаемого методикой подготовки пробы. В растворе с известной концентрацией нитратов С 1 при отжатых первом 10 и втором 11 переключателях вторым блоком 5 калибровки устанавливается такой начальный ток ААП 7, чтобы на ЖКИ 9 индицировалось значение концентрации С 1,Процесс калибровки происходит. следующим образом. При нажатой третьей кноп. ке 27 на й-входе третьего ЦАП 29 устанавливается сигнал "единицы", а на Ч- входе - сигнал "нуля", и начинается процесс счета импульсов, поступающих на С-вход с второго генератора двуполярного стабилизатора 12 питания. Двоичный выходной код третьего ЦАП 29 преобразуется в ток, который поступает на вход третьего инвертирующего усилителя 28, Выходное напряжение третьего инвертирующего усилителя 28,пропорционально изменяясь в ААП 7, через второй 11 и первый 10 переключатели паступает в АЦП 8 и далее индицируется на ЖКИзатора 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 20 24 устанавливается выходное напряжение каскада 2 компенсации, получаемое от приращения ЭДС электродной системы в растворе С 2, относительно раствора С 1. Результирующее выходное напряжение 25 второго инвертирующего усилителя 24, про порционально изменяясь в ААП 7, через второй 11 и первый 10 переключателипоступает в АЦП 8 и далее индицируется наЖКИ 9, Как только на ЖКИ Я высветитсяизвестное значение концентрации раствора 35Сг, вторая кнопка 26 отжимается. На Ч-входе второго ЦАП 25 установится сигнал "единицы" и процесс счета прекратится, авыходное напряжение второго инвертирующего усилителя 24 зафиксируетсл, 40После соответствующей калибровки врастворах с известной концентрацией С иС 2 при помещении электродной системы враствор с концентрацией Сз(С 1СзС 2) нэЖКИ 9 нитратомера индицируется концентрация, Сз в выбранных ранее единицах из-,мерения. При калибровке и измеренияхблок 6 переключения диапазонов автоматически переключает диапазоны показанийЖКИ 9, 50Двуполярный стабилизатор 12 питанияобеспечиваетвсе узлы и каскады приборастабилизированным нэпряжейием питания,в котором первый генератор используетсядля преобразователя напряжения, а второй 55генератор - для работы схемы контроля напряжения питания двуполярного стабилизатора 12 питания,Измерение приращения ЭДС электродной системы производится во, время калиб 9. Как только на ЖКИ 9 высветится известное значение концентрации раствора С,кнопка 27 отжимается. На Ч-входе третьегоЦАП 29 устанавливается сигнал "единицы"и процесс счета прекращается, а выходное 5напряжение третьего инвертирующего усилителя 28 фиксируется,При проведении калибровки в растворес концентрацией нитрат-ионов С 2 устанавливается такой коэффициент передачи первого блока 4 калибровки, чтобы на ЖКИ 9индицировалось значение концентрации С 2в ранее выбранных единицах. Процесс ка-,либровки происходит следующим образомПри нажатой кнопке 26 на й,входе второго 15ЦАП 25 устанавливается сигнал "единицы"а на Ч-входе - сигнал "нуля":и начинаетсяпроцесс счета импульсов, пЬступающих свторого генератора двуполярного стабилировки 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 С 2 по сравнению с раствором С устанавливают соответствие нитратного электрода техническим требованиям на него.Преимущества технического решения описываемого нитрэтомера по сравнению с известным заключаются в том. что с помощью введения 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, двуполярный 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-антилогарифмического преобразователя подключен первым 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 питания, третьим входом - к второму выходу двуполярного стабилизатора питания, 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 ий с я тем, что, в нем блок регулируемого напряжения содержит первый инвертирующий усилитель, два триггера, элемент пуска,первую кнопку, цифровой,компаратор, три элемента 2 И-НЕ, первый цифроаналоговый преобразователь и аналоговый компаратор, вход которого является первым входом блока, выход аналогового компаратора соеди нен с Я-входом первого триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов 2 И-НЕ, вторые входы которых являются соответственно вторым и 10 третьим входами блока, выходы первого и второго элементов 2 И-НЕ соединены соответственно с первым и вторым входами . третьего элемента 2 И-НЕ, выход которого подключен к С-входу первого цифроанало гового преобразователя, подключенного В- входом к й-входам обоих триггеров и к выходу элемента пуска, Ч-входом - к инверсному выходу второго триггера и выходом - к входу первого ин вертирующего усилителя. 20 выход которого является выходом блока, первая кнопка подсоединена первым выводом к входу элемента пуска и вторым выводом - к общей шине, а цифровой компаратор, вход которого являетсячетвер тым входом блока, подключен выходом к Я-входу второго триггера. 3, Нитратомерпо и. 1, о тл и ч а ю щий с я тем, что в нем первый блок калибровки содержит второй цифроаналоговый преобразователь, вторую кнопку и второй инвертирующий усилитель,. первый вход и выход которого являются соответственно первым входом и выходом блокаа второй цифроаналоговый преобразователь, С-вход которого является вторым входом блока, подсоединен выходом к второму входу второго инвертирующего усилителя и Ч- и Й- 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 ий с я тем, что в нем второй блок калибровки содержит третий цифроаналоговый преобразователь, третью. кнопку и третий инвертирующий усилитель, выход которого является выходом блокаа третий цифроаналоговый преобразователь. С-вход которого является входом блока, подсоединен выходом к входу третьегои н вертирующего усилителя и Ч- и В-входами соответственно к первому и второму входам третьей кнопки выход которой соединен с общей шинои,