УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения градиента электрической проводимости или концентрации ионов в жидкостных растворах.
Наиболее близким известным техническим решением является прибор для измерения электрической проводимости, содержащий контактный датчик электропроводности, источник постоянного напряжения, генератор прямоугольных импульсов, четырехплечий мостовой коммутатор с управляемыми ключами в плечах, инвертор, демодулятор, фильтр низких частот, источник опорного напряжения и операционный усилитель, см., например, патент РФ №2312331, Опубл. 10.12.2007.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения градиента электрической проводимости во всем объеме при быстропротекающих процессах в жидкости.
Полезная модель решает задачу высокоскоростного измерения градиента электрической проводимости одним устройством и сопряжения с персональным компьютером, что позволит обеспечить быстрое и удобное визуальное отображение, хранение и обработку результатов измерения.
Технический результат - повышение точности измерения градиента электрической проводимости во всем объеме исследуемой жидкости, что позволит увидеть градиент электрической проводимости всей жидкости, т.е. одновременно в различных его точках, а также позволит анализировать изменение этой величины в объеме с течением времени, скорость выравнивания электрической проводимости в различных веществах с разной электрической проводимостью, помещенных в один сосуд.
Существо полезной модели заключается в том, что устройство для измерения градиента электрической проводимости жидкости, содержит линейку N электродов, где N>2, N электронных ключей, коммутатор, генератор прямоугольных импульсов, блок управления, сдвиговый регистр, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок предварительной обработки данных, микросхему приема и передачи кодовых посылок и персональный компьютер, при этом, второй выход микросхемы приема и передачи кодовых посылок подключен к входу блока управления, первый выход которого подключен к входу сдвигового регистра, а второй выход подключен к входу генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к первым сигнальным входам каждого нечетного электронного ключа, сигнальные выходы которых соединены с соответствующими нечетными электродами, четные электроды соединены с сигнальными входами четных электронных ключей, сигнальные выходы которых объединены и подключены к входу АЦП, причем управляющие входы всех N электронных ключей соединены с соответствующими N выходами сдвигового регистра.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения градиента электрической проводимости.
Устройство для измерения градиента электрической проводимости жидкости содержит линейку 1 электродов 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, блок 2 электронных ключей 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, сдвиговый регистр 3, блок 4 управления, генератор 5 прямоугольных импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блок 7 предварительной обработки данных, микросхему 8 приема и передачи кодовых посылок, персональный компьютер 9.
Для подключения к персональному компьютеру 9 необходимо осуществлять согласование уровней сигналов блока 7 предварительной обработки 7 и шины USB, что достигается использованием микросхемы 8 приема и передачи кодовых посылок.
Наличие сдвигового регистра 3 в устройстве позволяет обеспечить быстроту переключения электронных ключей 2-N, от чего зависит высокая частота съема данных. Для переключения электродов 1-N можно использовать, например, сдвиговый регистр 74НС595, а в качестве электронных ключей 2-N, например, полевые транзисторы 2N7000, имеющие максимальное сопротивление порядка 1-3 Ом в режиме насыщения, что позволяет получить минимальную погрешность заявляемого устройства.
Частота импульсов генератора 5 может быть выбрана экспериментально для конкретных электродов и исследуемой жидкости.
В устройстве может быть два (N=2) и более электродов 1-N в зависимости от необходимой точности измерения и объема исследуемой жидкости.
Устройство (Кондуктометр) работает следующим образом.
В стеклянный сосуд помещают жидкость, которую необходимо исследовать, после чего в нее опускают линейку 1 электродов 1-N.
При поступлении из программы компьютера 9 команды «Начать работу», с помощью блока 4 управления сдвиговым регистром 3 устанавливается первая пара электродов 1-1, 1-2, причем на один из электродов 1-1 поступают импульсы с генератора 5, со второго электрода 1-2 происходит считывание данных.
Переключение электродов происходит следующим образом: сначала подключается первый 1-1 и второй 1-2 электроды, затем - второй 1-2 и третий 1-3, и так далее… до N-1 и N. После чего все подключение повторяется циклически до тех пор, пока из программы не придет сигнал завершения работы.
Далее полученные данные проходят предварительную обработку в блоке 7 предварительной обработки и при помощи микросхемы 8 отправляются в персональный компьютер 9, где вычисляется электрическая проводимость жидкости. После чего блок управления 4 при помощи сдвигового регистра 3 устанавливает следующую пару электродов 10, и цикл повторяется до тех пор, пока из программы не поступит сигнал завершения работы.
В качестве устройства визуализации используется персональный компьютер 9 с программным обеспечением, позволяющим отображать данные в реальном времени, а также производить их сохранение в электронном виде. Это позволяет осуществлять передачу результатов измерения через любые электронные средства коммуникации на любые расстояния за короткий промежуток времени и масштабировать сигнал для удобства математической обработки. Обмен данными и командами с персональным компьютером происходит при помощи шины USB, которая используется и в качестве источника питания.
Полезная модель позволяет проводить измерения градиента электрической проводимости или концентрации ионов в жидкостных растворах, при помощи линейки электродов, помещенных в исследуемую жидкость.
рас
Электрическую проводимость исследуемой жидкости вычисляют в сименсах по формуле, выраженной из формулы делителя напряжения, получаемой следующим образом. На входе АЦП 6, сопротивление R и Rобразуют делитель напряжения.
t
рас
пит
АЦП
где - R известное эталонное сопротивление, R - сопротивление жидкостного раствора, U - напряжение питания, в случае шины USB равное 5 В, U - напряжение, полученное на АЦП 6.
Проводимость является величиной, обратной определенной выше.
Пример использования устройства.
Измерение электрической проводимости в водной среде с основным и кислотным гидрогелями.
Характеристики эксперимента:
Объем воды - 50 мл
Мольное соотношение гидрогелей - 1:1
2
n
Полиакрил (ГПАК) - кислотный гидрогель ([-CHCR(COOH)-], где R=Н, полимер акриловой кислоты) (-)
2
2
n
Полиэтиленимин (ГПЭИ) - основной гидрогель ([-CHCHNR-], где R=Η или боковая цепь) (+)
Удельная электропроводность дистиллированной воды менее 5 мкСм/см.
Два гидрогеля, в количестве 1 г, располагают друг от друга на расстоянии 7 см в дистиллированной воде, в количестве 50 мл, в стеклянном сосуде. Между ними помещают электроды кондуктометра в количестве девяти штук, расстояние между каждым из них составляет 5 мм. После запуска кондуктометра, на экране монитора персонального компьютера в реальном времени отображается электрическая проводимость между каждой парой электродов. Полученные результаты показали, что электрическая проводимость увеличивается в направлении с основного к кислотному гидрогелю, что свидетельствует об увеличении сорбции обоих веществ Полиакрила и Полиэтиленимина.
Устройство может быть использовано как в промышленных, так и в лабораторных целях. Для исследования быстропротекающих процессов, при изучении движения ионов от геля донора к акцептору.