МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖИДКИХ СРЕД

4 МНОГОЮШАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖИДКИХ СРЕД Изобретение относится к области исследования жидких сред и может быть использовано при проектировании устройств для определения как природы, так и степени загрязнения природных и сточных вод. Решению данной проблемы посвящено большое количество как теоретических работ, так и конкретных технических решений. Анализ патентной информации и научно-технической литературы показал, что общей тенденцией в решении задачи контроля природных и сточных вод является обеспечение полноты, непрерывности и оперативности контроля, возможности автоматизации процесса анализа, а также достижения высокой точности измерения. В большинстве известных технических решений в основу контроля положены измерения различных параметров воды, в частности рИ, электропроводности, радиоактивности, мутности, содержания растворенного кислорода, хлоридов, цианидов, тяжелых металлов и т.д. посредством размещенных в воде датчиков, регистрирующих наличие в воде тех или иных примесей, обработка показаний датчиков с целью определения количественного их содержания, сравнение результатов измерения с допустимым уровнем и документирование их. Одной из основных проблем при решении задачи качественного анализа является обеспечение высокой чувствитедхьнорти устройств. В некоторых технических решениях эта проблема разрешается путем пропускания проб воды через сорбционный элемент в течение заданного времени с целью накопления даже малых доз загрязнителей. Однако эти устройства имеют низкую оперативность контроля. Широкое применение для контроля жидких сред получили устройст;.  ва, использующие датчики, основанные на преобразовании электрохимических по тенциалов среды, в частности, ион-селективные преобразоНапример, известно Устройство для потенциометрических измерений активности ионов в растворах рассмотренное в описании изобретения к а. св. СССР № 466439, МКИ GO1N 27/52, 1962 Г., состоящее из первичных преобразователей, включающих л измерительных электродов. НКИ 6O1 N 27/27
электрод сравнения, дополнительный электрод, а также вторичные измерительные высокоонные преобразователи с регистрирующими приборами.
Основным недостатком указанного аналога являются значительные погрешности измерения вследствие узкого диапазона линейного преобразования сигнсшов с первичных преобразователей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является Устройство для автоматизированной поверки первичных преобразователей ионной активности в растворах, сведения о котором приведены в трудах НПО ВНИИМ им. Д.И.Иенделева Методы и системы автоматизации средств метрологического обеспечения, с. 47-61, 1980 г. УДК 65.011.56.
Устройство содержит первичные преобразователи, электрод сравнения, коммутатор, посредством которого п вичные преобразователи подключаются к высокоомному согласующему усилителю, выход которого через цифровой вольтметр связан с вычислительным устройством в виде электронной клавишной вычислительной машиной (ЭКВМ), блок регистрации в виде цифро-печатающего устройства, а также коммутатор для автокоррекции показаний.
В известном устройстве сигналы с ион-селективных преобразователей, пропорциональные ионной активности через коммутатор поступают на высокоомный согласующий усилитель и далее на цифровой вольтметр. Измеренное значение ЭДС подается на вычислительную машину, которая производит запись, хранение и обработку ре;9уль.татрв „измерения. Об аботанные результаты выдаются на блок регйсуфаций (циф о- печат1), I кроме того машина обеспечивает управление коммутаторами .
Устройство-прототип, решая задачу поверки первичных преобразо;вателей, помещенных в образцовые растворы, позволяю акже. решать |1| задачу контроля растворов с неизвестными знЗче 1ия1 ; оН;.однак6. и .оно  имеет недостаток, присущий указанному ранее аналогу, а именно ограниченный диапазон линейного преобразования сигналов и недостаточная чувствительность, что вызывает существенные погрешности в измерении, особенно в широком диапазоне изменения концентрации ионов в растворе .
От указанного недостатка в значительной степени свободно предлагаемое устройство.
91(М /4
-5,, w Сущность изобретения заключается в том, что в многоканальное устройство для контроля жидких сред, содержащее электрод сравнения и л измерительных электродов, подключенных к соответствующим входам первых усилителей, входящих в состав л каналов обработки сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два коммутатора, блок управления и блок регистрации, в каждый канал обработки введены последовательно соединенные первый блок определения приращений сигнала, первый пороговый блок, первый блок памяти и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), при этом выход блока памяти подключен также и к первому входу с)гмматора, а выход цифро-аналогового преобразователя соединен с первым входом блока вычитания, подключенного вторым входом к выходу первого усилителя, выход блока вычитания соединен с первым входом третьего коммутатора непосредственно, а с вторым его входом - через второй усилитель, два выхода упомянутого коммутатора через элемент ИЛИ связаны с первым выходом канала, кроме того канал содержит последовательно соединенные блок осреднения, второй блок определения приращений, второй пороговый блок, второй блок памяти и делитель, подключенный выходом к второму входу сумматора, выход которого является вторым выходом канала, при этом выход второго порогового блока подключен к управляющему входу делителя, выход первого порогового блока соединен с управляющими входами третьего и четвертого коммутаторов, информационный вход четвертого коммутатора подключен к информационному входу первого блока памяти и к информационному входу канала, первый выход упомянутого коммутатора соединен с информационными входами блока осредения и второго блока памяти, а второй его выход соединен с информационным входом первого блока определения приращений, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами блока осреднения и второго блока определения приращений и является тактовым входом канала, подключенным к тактовому выходу блока управления, к тактовому входу АЦП и к тактовым входам остальных каналов обработки, управляющие выходы блока управления по числу каналов обработки подключены к управляющим входам первого и второго коммутаторов устройства, при этом выход первого коммутатора связан через АЦП с информационным входом второго коммутатора, а его информационнае входы соединены с первыми информационными выходами соответствующих каналов обработки, вторые информационные выходы которых
соединены с входами блока регистрации, при этом информационные входы каналов обработки подключены к соответствующимвььсодам второго коммутатора устройства.
В усиленном в Kj раз входном сигнале благодаря введению в каналы устройства цепи обработки и коммутации сигнала, состоящей из первого усилителя, блока вычитания, третьего коммутатора, элемента ЯЛЯ, связанного через первый коммутатор, АЦП, второй и четвертый коммутатор с последовательно соединенными первым блоком определения приращений, первым пороговым блоком, первым блоком памяти и блоком ЦАП через заданные промежутки времени определяются его приращения, которые сравниваются с пороговым значением, выбранным из условия обеспечения заданной точности измерения, в момент пересечения которого фиксируется и запоминается текущее значение усиленного в К раз входного сигнала и формируется разностный сигнал между текущим и запомненным значениями, что позволяет расщирить диапазон линейного преобразования измеряемого сигнала.
Благодаря введению в каналы цепи из последовательно соединенных второго усилителя, с коэффициентом усиления , третьего коммутатора, элемента ЯЛЯ, подключенного через последовательно соединенные первый коммутатор, АЦП, второй и четвертый коммутатор к последовательно соединенным блоку осреднения, блоку определения приращений осредненного сигнала, пороговому блоку, второму блоку памяти и делителю на коэффициент К2/ точно фиксируется момент выхода ион-селективных электродов на рабочий режим, когда точность измерения определяется исключительно пороговой чувствительностью упомянутых преобразователей, для чего порог, с которым сравниваются приращения осредненного разностного сигнала, выбирается близким к пороговой чувствительности электродов. При величине порога ниже указанного значения ухудщается точность, при величине выше этого значения снижается быстродействие .
Благодаря введению в устройство л ион-селективных электродов, регистрирующих наличие в среде ионов различной природы их происхождения, подключенных к л каналам обработки сигналов с них, а также указанной организации взаимодействия между каналами, обеспечивается наибольшая полнота контроля среды, причем это достигается минимальными аппаратурными затратами.
-4дено от ни дя Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 привефункциональная схема устройства, а на фиг.2, 3 - примеры схемеализации блоков определения приращений и блока осреднения соственно . В соответствии с фиг. 1 на ней обозначены: I электрод сравнения (ЭС); 2 - 2jj - ион-селективные электроды (); Входящие в состав каналов: 3- первый усилитель (Ус.Кд); 4- блок вычитания (Бл.выч.); 5- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); 6- первый блок памяти (Вл.памяти); 7- первый пороговый блок (Пор.бл.); 8- блок определения приращений (БОП); 9- четвертый коммутатор (К-р); 10- третий коммутатор (К-рд); II- второй усилитель (yc.Kj); 12- элемент ИЛИ; 13- блок осреднения (Вл.осред.) 14- второй блок определения приращений (БОП); 15- второй пороговый блок (Пор.бл.); 16- второй блок памяти (Бл.памяти); 17- делитель (Дел.К2); 18- сумматор (Z); Кроме того, блоки обслуживания каналов: 19- блок управления (Бл.упр.); 20- первый коммутатор (К-рд); 21- второй коммутатор (K-pj); 22- аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 23- блок регистрации (Бл.рег.) В соответствии с фиг. 1 в устройстве выход электрода 1 сравнеэлектроды  подключены к входам первых усилителей 3, вхов состав каждого канала 1-п обработки. Все каналы обработки выполнены идентичными.
последовательно соединенные ЦАП 5, блок 6 паняти, пороговый блок 7 к выходу блока 8 определения приращений (БОП), тактовый вход которого (ТИ) объединен с одноименными входами блока 13 осреднения и блока 14 определяния приращений и подключен к тактовому выходу блока 19 управления и с тактовым входом (ТЯ) остальных каналов и АЦП 22.
Информационный вход блока 8 соединен с вторым выходом коммутатора 9, управляющий вход которого объеденен с управляющим входом блока б памяти и подключен к управляющему входу коммутатора 10, первый вход которого соединен с выходом блока 4 вычитания и связан через второй услитель 11 со вторым собственным входом. Два выхода коммутатора 10 связаны через элемент ЯЛЯ 12 с одним из информационных входов коммутатора 20, другие информационные входы которого подключены соответственно к первым в 1ходам остальных каналов устройства.
Управляющие входы коммутатора 20 по числу каналов подключены к управляющим выходам блока 19 управления и соединены с одноименными управляющими входами второго коммутатора 21, информационный вход которого через АЦП 22 связан с информационным выходом коммутатора 20.
Информационные выходы коммутатора 21 подключены к информационным входам соответствующих каналов устройства, которые в свою очередь, соединены с информационными входами блока 6 памяти и коммутатора 9, первый информационный выход которого подключен к информационному входу блока 16 памяти к информаци ому входу блока 13 осреднения, выход которого через последоваоУельно соединенные блок 14
определения приращений, порогового блока 15, блока 16 памяти и делителя 17 связан со вторым входом сумматора 18, первый вход которого соединен с выходом блока б памяти, выход порогового блока 15 также подключен к управляющему входу делителя 17, а выход сумматора 18, являющийся вторым выходом канала, соединен к соответствующему входу блока 23 регистрации, к другим входам которого подключены одноименные выходы остальных каналов устройства.
В соответствии с фиг. 2 блоки 8, 14 определения приращений, выполненные по идентичной схеме, содержат комбинационный сумматор 24, работающий в режиме вычитания, вход + которого объединен с информационным входом регистра 25 запоминания предыдущей информации и подключен к информационному входу блока. Выходы разрядов регистра 25 подключены к входам - сумматора 24, а его вход записи через блок
. ff,}M
ЧГ в
.,ф.  26 задержки связан с управляющим входом сумматора 24 и подключен к тактовому входу блока 8 (14). Выход сумматора 24 является выходом блока. Блок 13 осреднения (см. фиг. 3) содержит распределитель 27 импульсов, число разрядов в котором равно числу тактовых импульсов ТИ, размещающихся в пределах длительности скользящего интервала (окна), при этом выход первого разряда не задействован, л регистров 28, при этом между выходом предыдущего и входом последующего регистра включены блоки элементов Я ,.2. выходы регистров подключены к ходам сумматора 30, выходы которого соединены с входами управляемого делителя 31, выход которого является выходом блока 13. Входы делителя управляемого делителя 31 подключены к выходам счетчика 32 и к выходам дещифратора 33, выход которого соединен с входом сложения сумматора 30, к управляющему входу делителя 31 и к входу установки кода в счетчике 32, а также к входу сброса содержимого последнего регистра 28. Вход дешифратора 33 соединен со счетным входом счетчика 32 и связан через элемент 34 задержки с входом пРя блока, с входом распределителя 27, с входом записи информации в первый регистр 28 и с импульсными входами блоков ., элементов Я, потенциальные входы которых связаны через триггеры  с выходами разрядов распределителя 27, начиная со второго, при этом вход первого регистра 28 является информационным входом блока. Блок 19 управления содержит генератор тактовых импульсов и переключатель каналов обработки сигналов, остальные блоки устройства являются широко известными. Устройство работает следующим образом. Рассмотрим его работу на примере рабочЕ ы первого канала. Сигналы с электрода 1 сравнения и измерительного электрода 2поступают на входы усилителя 3, где разностный сигнал усиливается в заданное постоянное число К раз и затем подается на вход блока 4 вычитания. До момента появления на выходе блока 7 сигнала  сигнал на первом входе блока 4 отсутствует и коммутатор 10 будет транслировать входной сигнал с блока 4 через элемент ЕЛЕ 12 на соответствующий вход коммутатора 20. Коммутатор 20 по сигналу с блока 19 управления выдает этот сигнал на вход АЦП 22, который с поступлением тактовых импульсов (ТИ) преобразует его в цифровой код и затек выдает ма информационный вход коммутатора 21.
Коммутатор 21 по управляющему сигналу с блока 19 управления выдает цифровой код на информационные входы блока 6 памяти и коммутатора 9. Так как сигнал  на управляющем входе коммутатора 9 отсутствует, то он находится в состоянии, при котором поступающие на его информационный вход цифровые сигналы будут транслироваться на информационный вход блока 8 определения приращений. В блоке 8 синхронно с тактовыми импульсами определяется разность между двумя смежными отсчетами, текущим и предыдущим (см. фиг.2). Разностный сигнал (приращение) выдается на пороговый блок 7, где сравнивается с фиксированным пороговым уровнем, выбранным из условия обеспечения линейности преобразования.
Если значение предыдущего приращения больше заданного порогового уровня, то описанный процесс повторяется до момента пересечения приращением сигнала прогового уровня. При наступлении такого момента блок 7 выдает сигнал равно , по которому сработают коммутаторы 9, 10, ив блок 6 памяти записывается значение сигнала, при котором приращение достигнет порогового уровня. Код, зафиксированный в блоке 6 записывается в сумматоре 18, а также преобразуется в цифро-аналоговом преобразователе в аналоговую форму и затем вычитается в блоке 4 из текущего медленно нарастающего сигнала с усилителя 3. Полученный разностный сигнал поступает на усилитель 11, где усиливается с коэффициентом  и затем через коммутатор 10 и элемент 12 ИЛИ поступает на коммутатор 20 и далее следует по указанному выше тракту на коммутатор 9, который по сигналу  переключит свой информационный вход на первый выход, подключенный к блоку 13 осреднения. В блоке 13 (см. фиг. 3) первый отсчет разностного усиленного в .j раз сигнала с помощью тактовых импульсов записывается в первом регистре 28. Вторым тактовым импульсом первый отсчет разностного сигнала, записанный в регистре 28.j посредством распределителя 27 импульсов и управляемых им триггера 352  блока 29.| элементов и перезапишется в регистр 28j, второй отсчет сигнала при этом запишется в регистре 28.
-L V счетов. Числа отсчетов, которые затем будут осредняться, определяются кодом, который должен записаться в счетчике 32 импульсов ТЕ. Этот факт зафиксируется дешифратором 33, который при установке в счетчике 32 заданного кода выдает на сумматор 30 сигнал, по которому коды, записанные в регистрах  взаимно просуммируются и код суммы в виде делимого поступит на входы 5 равляемого делителя 31, где разделится на код, записанный в счетчике 32. Код частного поступит на выход блока и далее на вход блока 14 определения приращений осредненных сигналов. После чего по сигналу с дешифратора 33 информация (первый отсчет), записанная в последнем регистре 28, стирается, а код, записанный в счетчике 32 уменьшается на единицу. При поступлении очередного отсчета по сигналу ТЯ снова произойдет указанная перезапись информации в регистрах (сдвиг) и определяется значение очередного осредненного на очередном интервале сигнала. В блоке 14 по поступающим осредненным сигналам определяется их приращение во времени аналогично, как это делается в блоке 8 (см. фиг. 2). Разностный сигнал (приращение) поступает в пороговый блок 15, где сравнивается с заданным пороговым значением, выбранным из условия обеспечения заданной чувствительности устройства. Наиболее предпочтительным значением порогового уровня является значение, близкое к пороговой чувствительности ион-селективных преобразователей. Рассмотренный процесс выработки осредненных сигналов и их приращений повторяется до момента пересечения текущим приращением порогового уровня. В этот момент блок 15 сформирует сигнал , по которому в блок 16 памяти запишется код разностного сигнала, при котором наступило указанное равенство. Код усиленного в К2К2 раз разностного сигнала по сигналу  поделится в делителе 17 на код числа Ifi и код частного будет выдан на сумматор 18, где он просуммируется с кодом, записанным в нем с блока б памяти. Код суммы выдается на блок 23 регистрации, где и зафиксируется. Для измерения концентрации ионов другими каналами переключатель в блоке 19 управления устанавливается в положение, соответствующее выбранному  каналу. Таким образом, предложенное многоканальное устройство в сравнении с прототипом обладает более широким диапазоном линейного преобразователя сигналов с преобразователей и более высокой чувствительностью, что в совокупности суцественно повышает точность измерения.
На предриятии-заявителе в соответствии с данным изобретением был изготовлен и испытан иономер ИОН-1, в котором частота тактовых импульсов равна 10 Гц, период скользящего интервала составлял 1 с, первый допуск был равен 20 мВ, второй - 10 мВ, значения Jfl и JC2 равны соответственно 5 и 20. Испытания прибора подтвердили возможность достижения технического эффекта.
Полнота описания прдложенного устройства, представленные чертежи позволяют, пользуясь существующей элементной базой и технологией, сравнительно легко изготовить устройство в производстве, что характеризует предложенный объект {зобретения как промышленно применимый.
lt1
-I
-
Ра/г V
fW, М.И.Калугнш