Мобильное устройство экспресс-анализа пищевых продуктов

Полезная модель относится к устройствам измерения, анализа и контроля содержания нитратов в продуктах, а также радиационного фона, и может быть использована, например, в пищевой промышленности или в бытовых условиях для проведения экспресс-анализа превышения предельно допустимого количества нитратов в продуктах.
Известно устройство для ионометрии (патент РФ на полезную модель №86014, 05.05.2009), содержащее источник питания, индикатор, в качестве которого используют дисплей, зонд, микроконтроллер, два импульсных конвертора, широтно-импульсный регулятор, амплитудный детектор и модулятор. При этом микроконтроллер соединен с двумя импульсными конверторами, дисплеем, широтно-импульсным регулятором, модулятором и амплитудным детектором. Один импульсный конвертор соединен с дисплеем, а другой импульсный конвертор с широтно-импульсным регулятором, амплитудным детектором и модулятором. Модулятор и амплитудный детектор соединены с зондом. Кроме того, микроконтроллер и импульсные конверторы соединены с источником питания. Измерение содержания нитратов в пищевых продуктах основано на ионометрии. Основным недостатком используемой схемы является ее сложность (модуляторы, амплитудные детекторы и т.д.), что в свою очередь влияет на надежность и качество измерения, поскольку они напрямую зависят от количества элементов используемых в схеме, и разброса их электрических параметров в зависимости от температуры и электромагнитных факторов.
Кроме того, данное устройство не имеет функции измерения радиационного фона.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство экологических измерений (патент РФ на полезную модель №110490, 27.06.2011), содержащее соединенные с микроконтроллером источник питания, дисплей, устройство ввода информации и модуль измерений, содержащий ионометр, соединенный с зондом, отличающееся тем, что содержит единую на базе микроконтроллера программно-аппаратную платформу управления режимами измерений, приема и обработки результатов измерений модуля измерений, их записи в память микроконтроллера и вывода на дисплей, при этом модуль измерений дополнительно содержит датчик измерения радиационного фона, вход которого соединен с генератором высокого напряжения, а выход - с детектором импульсов, соединенным с микроконтроллером, а ионометр содержит соединенные с зондом и микроконтроллером блок формирования сигнала, соединенный с блоком питания ионометра и выполненный с обеспечением возможности генерации переменного напряжения и передачи его на зонд, а также блок измерения сигнала, выполненный с обеспечением возможности измерения амплитуды переменного напряжения на выходе зонда и передачи данных на микроконтроллер, выполненный с обеспечением возможности предварительной оцифровки данных. В данном устройстве реализована функция измерения радиационного фона продукта, но измерение содержания нитратов в пищевых продуктах все также основано на ионометрии, а следовательно и сложность в реализуемой схеме.
Технической проблемой решаемой заявленной полезной моделью является расширение арсенала существующих мобильных устройств экспресс-анализа пищевых продуктов.
Технический результат обеспечивает устройство экспресс-анализа пищевых продуктов, содержащее источник питания, дисплей, клавиатуру и модуль измерения, соединенные с микроконтроллером, в котором соответствии с предложенным решением модуль измерения реализован на основе схемы кондуктометрии и включает измерительный зонд, вход которого через резистор соединен с генератором частоты микроконтроллера, а выход через резистор соединен с аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера.
Кроме того, устройство дополнительно может содержать модуль радиационного контроля.
Кроме того, клавиатура устройства экспресс-анализа может быть выполнена на базе сенсерного дисплея.
Дополнительно заявляемое устройство экспресс-анализа может быть снабжено разъемом USB.
Сущность полезной модели поясняют фиг. 1 - структурная схема устройства и фиг. 2 - сигналы на измерительном зонде. Данное решение описывает частную реализацию устройства в соответствии с полезной моделью, и не является исчерпывающим описанием возможных реализаций устройства согласно полезной модели.
На фиг. 1 показана структурная схема устройства, согласно полезной модели, представляет собой мобильное моноблочное устройство экспресс-анализа, предназначенное для индивидуального использования, которое содержит источник 1 питания, дисплей 2, клавиатуру 3 и модуль измерения 5, соединенные с микроконтроллером 4. Устройство дополнительно может содержать модуль радиационного контроля 6.
В качестве источника 1 питания в данном устройстве могут быть использованы батарейки, например, алкалиновые, щелочные, литиевые или любые другие незаряжаемые с номинальным напряжением от 1,2 до 1,5 В, или аккумуляторы, например, никель-металлогидридные, никель-кадмиевые, литий-ионовые или литий-полимерные. Количество батареек или аккумуляторов выбирают из условия обеспечения напряжения 3,3 В. В качестве варианта исполнения, возможна подзарядка аккумуляторов от внешнего источника, подключаемого через разъем USB (на фиг. 1 не показан).
Дисплей 2 предназначен для отображения текстовой и графической информации в удобной для восприятия пользователем форме и может быть выполнен, например, на основе OLED дисплей-модуля UG6028GDEBF01 (Univision Technology Inc, Тайвань) или TFT дисплея WF24FTLAJDNNO (Winstar Display Co., LTD, Тайвань).
Клавиатура 3, с помощью которой осуществляют управление устройством и навигацию по меню, может быть выполнена по любой известной из уровня техники технологии, например, в виде кнопочной клавиатуры (DTSL62), пленочной мембранной клавиатуры, резиновой клавиатуры, а также в виде экранной клавиатуры, выполненной на базе сенсорного дисплея (touchpad).
Микроконтроллер 4 производит обработку команд пользователя по заданной программе и обеспечивает выполнение алгоритма работы устройства: управление дисплеем, клавиатурой, измерениями, в т.ч. математическими методами обработки результатов измерений кондуктометрии, а также измерений радиационного фона; управление графическим интерфейсом пользователя, сохранение результатов в памяти микроконтроллера или во внешней памяти, вывод результатов в понятной для пользователя форме. Микроконтроллер 4 функционально соединен со всеми элементами устройства и может быть выполнен, например, на базе следующих контроллеров: STM8S105, STM8L151, АТ89С51, ATMega168, ATMega328, ATMega128 и т.д.
Модуль измерения 5 реализован на основе помехозащищенной схемы кондуктометрии и включает измерительный зонд 9, вход которого через резистор 8 соединен с генератором частоты 7 микроконтроллера 4, а выход через резистор 10 соединен с аналого-цифровым преобразователем 11 микроконтроллера 4.
Модуль радиационного контроля 6 содержит генератор высокого напряжения 12, счетчик Гейгера-Мюллера 13, модуль согласования 14, построенный на основе общеизвестной схеме (на фиг. 1 не показана) включения транзистора с общим эмиттером, при этом коллектор транзистора подключен к счетному входу 15 микроконтроллера 4. Счетчик Гейгера-Мюллера может быть заменен любым известным из уровня техники датчиком, например, на основе сцинтиллятора или твердотельного полупроводника, используемых в составе конструкций мобильных устройств.
Измерительный зонд (щуп) 9 содержит два разделенные диэлектриком электрода 9а и 9б, выполненные из токопроводящего металла, покрытого никелем.
Дополнительно заявляемое устройство измерения нитратов и радиационного фона может быть снабжено разъемом USB (на фиг. 1 не показано).
Устройство согласно полезной модели работает следующим образом.
При включении мобильного устройства экспресс-анализа источник питания 1 обеспечивает энергией все элементы устройства. На экране дисплея 2 выводится экранное меню выбора вида измерений и запуск, управление которыми осуществляют нажатием соответствующих кнопок на клавиатуре 3.
В варианте заявляемого устройства с сенсорным дисплеем для выбора вида измерений может быть использована экранная клавитатура (touchpad). В этом варианте при нажатии на выбранный вид измерения (наименование выбранного продукта), отображенного на дисплее 2, активируется соответствующая зона touchpad, и микроконтроллер 4 вычисляет координаты, которые сопоставляются с местом отображения выбранного вида измерения. Если координаты совпадают или попадают в зону, где отображается надпись, то выбирается это измерение. После выбора вида измерения на дисплее 2 выводится окно, где имеется кнопка запуска измерения количества нитратов, наименования продукта и максимальной нормы количества нитратов допустимой для этого продукта.
0
1
1
Измерительный зонд 9 заявляемого устройство погружают в исследуемый продукт и запускают команду начала измерения количества нитратов в продукте. Микроконтроллер 4 запускает генератор частоты 7, который подает электрический сигнал прямоугольной формы фиксированной частоты из диапазона от 1 Гц до 10 МГц и заданной амплитудой напряжения U на измерительный зонд 9. Ток проходит по электроду 9а, протекает через продукт, который заполняет пространство между электродами 9а и 9б и втекает в электрод 9б. При прохождении тока через продукт сигнал ослабевает до уровня U и принимает вид, показанный на фиг. 2. Сопротивления резисторов 8 и 10 обеспечивают ограничение по току протекаемому через продукт. Величина этих сопротивлений лежит в пределах от 100 Ом до 510 Ом. Через время τ аналого-цифровой преобразователь 11 микроконтроллера 4 измеряет выходное напряжение U измерительного зонда 9 преобразует его в цифровое значение. Далее микроконтроллер 4 вычисляет по заданным формулам уровень нитратов исследуемого продукта, и результат выводит на диплей 2.
При выборе функции измерение радиационного фона генератор высокого напряжения 12 создает высокое напряжения для питания счетчика Гейгера-Мюллера 13. Для преобразования высоковольтных импульсов идущих от счетчика Гейгера-Мюллера 13 в микроконтроллер 4 используется модуль согласования 14, который построен по известной схеме включения транзистора с общим эмиттером, при этом коллектор подключен к микроконтроллеру 4. Транзистор работает в ключевом режиме. Преобразованные импульсы поступают на счетный вход 15 микроконтроллера 4 с коллектора транзистора. Таким образом обеспечивается согласование высоковольтного выхода счетчика Гейгера-Мюллера с микроконтроллером 4.
Результаты экспресс-анализа выводятся на экране дисплея 2: наименование анализируемого продукта, измеренное значение концентрации нитратов в продукте, максимально допустимая норма содержания нитратов в данном продукте или измеренное значение радиационного фона и рекомендации по дальнейшему использованию. Пользователь может подключить устройство через разъем USB к принтеру и вывести результаты измерений на печать.
Таким образом, использование схемы кондуктометрии позволяет расширить арсенал существующих мобильных устройств экспресс-анализа пищевых продуктов.