Индивидуальное устройство определения нитратов в продуктах, жесткости воды и радиационного фона

Полезная модель относится к индивидуальным устройствам определения количества нитратов, содержащихся в продуктах питания, жесткости воды и радиационного фона с функцией беспроводной передачи данных в другое устройство и может быть использована, например, в бытовом применении или пищевой промышленности для контроля за превышением предельно допустимого количества нитратов в продуктах питания, жесткости воды и повышенного радиационного фона с возможностью обработки, отображения и хранения полученных данных в устройстве, подключенному по беспроводной сети или через USB разъем.
Известно многофункциональное устройство для экологических измерений (патент РФ на полезную модель №119884, 20.06.2011), содержащее источник питания; устройство для отображения; измерительный модуль, включающий средства измерения в виде блока радиационного контроля; схемы ионометрии с зондом и блоком измерения электромагнитного фона, соединенных с блоком управления и обработки информации; устройством ввода и выполненного в единой программно-аппаратной платформе управляя режимами измерений, формируемых на основе сигналов от устройства ввода; приемом и обработкой результатов измерений поступающих с модуля измерений, их записи в память блока управления и обработки информации и вывода на устройство отображения информации. Основным недостатком устройства является применение схемы ионометрии, которая построена на селективных иономерических датчиках, которые конструктивно выполняются из стекла и являются механически не прочными (хрупкими), а также из-за используемых внутри датчика химических элементов, имеющих ограниченный срок службы (около 1 года).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является Мобильное устройство экспресс-анализа пищевых продуктов (патент РФ на полезную модель №179241, 15.03.2017), содержащее источник питания, дисплей, клавиатуру и модуль измерения, соединенные с микроконтроллером. 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. Дополнительно устройство содержит модуль радиационного фона. Основными недостатками данного устройства является отсутствие схемы подавления шумов, появляющиеся на измерительном зонде, а также подаваемый на измерительный зонд однополярный сигнал, приводящий к смещению измеренного значения нитратов.
Технической проблемой, решаемой в заявленной полезной моделью, является повышение точности измерения напряжения после прохождения сигнала через исследуемый продукт или воду.
Технический результат обеспечивает индивидуальное устройство определения нитратов в продуктах, жесткости воды и радиационного фона, содержащее корпус, в котором расположены источник питания с зарядным устройством, дисплей, сенсорная панель, кнопка включения и выключения питания, модуль измерения нитратов и жесткости воды, модуль измерения радиационного фона соединенные с микроконтроллером, в соответствии с предложенным решением модуль измерения нитратов и жесткости воды включает измерительный щуп, который питает источник переменного напряжения с возможностью изменения направления тока, а выход измерительного щупа подключен через пассивный фильтр помех ко входу аналого-цифрового преобразователя.
Сущность полезной модели поясняют фиг. 1 - структурная схема индивидуального устройства определения нитратов в продуктах, жесткости воды и радиационного фона и фиг. 2 - сигналы в модуле измерения нитратов и жесткости воды. Данное решение описывает частную реализацию индивидуального устройства определения нитратов в продуктах, жесткости воды и радиационного фона в соответствии с полезной моделью и не является исчерпывающим описанием возможных реализаций.
На фиг. 1 показана структурная схема индивидуального устройства определения нитратов в продуктах, жесткости воды и радиационного фона, которое содержит корпус 1 с расположенными в нем источником питания с зарядным устройством 2, дисплеем 3, сенсорной панелью 4, кнопкой включения и выключения питания 5, модулем беспроводной передачи данных 6, единым модулем измерения нитратов и жесткости воды 7, модулем измерения радиационного фона 8, соединенные с микроконтроллером 9.
В качестве источника питания в данном устройстве могут быть использованы энергоемкие аккумуляторы, например, никель-металлогидридные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd), литий-ионовые (Li-Ion) или литий-полимерные (Li-Pol). Количество аккумуляторов выбирают из условия обеспечения устройства стабилизированным напряжением питания 3,3 В с постоянным током в нагрузке до 200 мА. Зарядка аккумулятора устройства выполнена на основе высокоинтегрированной микросхемы зарядки, например, МСР73811 компаний MicroChip, на вход данной микросхемы подается стандартное напряжение 5 В, что обеспечивает универсальность в применении внешних источников питания, подключаемых к устройству через разъем USB. Кроме того, USB разъем может быть использован для передачи данных на другое устройство.
Дисплей 3 предназначен для отображения текстовой и графической информации в удобной для восприятия пользователем форме и может быть выполнен, например, на основе цветного графического TFT дисплея с разрешением не менее 240×320 пикселей компании Winstar Display Co., LTD, Тайвань.
Кнопка включения и выключения питания 5 и сенсорная панель 4 обеспечивают управление устройством и навигацию по разделам меню интерфейсов. Кнопка, может быть выбрана в соответствии с любой известной из уровня техники технологии, например, тактовой или мембранной. Конструктивно сенсорная панель 4 должна быть совмещена с дисплеем 3, таким образом, обеспечивается однозначное соответствие отображаемых на дисплее графических элементов управления с активными зонами соприкосновения на сенсорной панели.
Модуль беспроводной передачи данных 6, может быть выполнен на базе Bluetooth микросхемы NRF5182 компании Nordic Semiconductor или других микросхем от Texas Instruments, Cypress, ST Microelectronics и осуществляет двухстороннюю передачу информации между устройством и сопряженным с ним устройством по технологии Bluetooth.
Микроконтроллер 9 обеспечивает выполнение алгоритма работы устройства по заданной программе: управление дисплеем, контроль нажатия кнопки, включением и выключением питания, сенсорной панелью, измерениями, в том числе математическая обработка данных по схеме кондуктометрии, а также измерений радиационного фона; управление графическим интерфейсом пользователя, передача данных по беспроводному каналу связи, сохранение состояния работы устройства и результатов измерений, вывод результатов в понятной для пользователя форме. Микроконтроллер 9 конструктивно и функционально соединен со всеми элементами устройства и может быть выполнен, например, на одном из контроллеров STM32F103, STM32F401, STM32L433 и т.д. компании ST Microelectronics.
Модуль измерения нитратов и жесткости воды 7 реализован на основе схемы кондуктометрического измерителя и включает измерительный щуп 10, который питает источник переменного напряжения 11, имеющий возможность изменения направления тока. Выход измерительного щупа 10 подключен через пассивный фильтр помех 12 к входу аналого-цифрового преобразователя 13 микроконтроллера 9. Модуль измерения радиационного фона 8 состоит из генератора высокого напряжения 14 с авторегулированием уровня напряжения, счетчика Гейгера-Мюллера 15, схемы преобразователя уровня напряжения 16, выход которого подключен к счетному входу 17 микроконтроллера 9. Модуль измерения радиационного фона 8 может быть заменен на любой известный из уровня техники датчик радиации с необходимыми схемами согласования.
Измерительный щуп 10, выполнен из двух токопроводящих материалов цилиндрической или прямоугольной формы разделенных диэлектриком.
Индивидуальное устройство определения нитратов в продуктах, жесткости воды и радиационного фона согласно полезной модели работает следующим образом.
После нажатия и удержания более 1 с кнопки включения и выключения питания 5 запускается источник питания с зарядным устройством 2 и обеспечивается энергией все элементы устройства. При старте устройства на экране дисплея 3 выводится заставка, а затем интерфейсное меню, с отображенными на нем графическими элементами управления, при прикасании к которым осуществляется интерфейс взаимодействия с пользователем через сенсорную панель 4. В варианте заявляемого устройства сенсорная панель 4 имеет встроенную интегральную микросхему, которая определяет координаты зоны прикасания и передает их в микроконтроллер 9, где они сопоставляются с координатами отображенных на дисплее 3 графических элементов управления и, в соответствии со сценарием работы устройства, по заданному алгоритму осуществляются дальнейшие действия.
Запуск модуля измерения нитратов и жесткости воды 7 осуществляется из соответствующего пункта меню устройства по прикосновению к изображенной на дисплее кнопке «начало измерения». Полученные результаты выводятся на дисплей 3 с указанием максимально допустимой нормы количества нитратов для выбранного продукта, при измерении нитратов, или шкала жесткости воды, при измерении жесткости воды.
0
1
Перед началом измерения щуп 10 устройства очищают от грязи сухой салфеткой и погружают в исследуемый продукт или воду. Затем на дисплее 3 нажимают кнопку «начало измерения», что запускает источник переменного напряжения 11 с амплитудой U прямоугольной формы фиксированной частоты из диапазона от 10 Гц до 100 Гц и этот сигнал, показанный на фиг. 2, подается на вход измерительного щупа 10 в течение 3 секунд. В процессе прохождения сигнала через исследуемый продукт или воду происходит изменение его формы и ослабление до напряжения U вследствие того, что вещество имеет активное и реактивное сопротивления и представляет собой электрохимическую ячейку. Микроконтроллер 9 поочередно подает логическую единицу/логический нуль на источник переменного напряжения 11, что приводит к изменению направления тока, протекающего через измерительный щуп 10 и исследуемый продукт или воду. Т.о. исключается накопление положительных ионов на одном и отрицательных ионов на другом электроде измерительного щупа 10, что позволяет измерить напряжение с большей точностью после прохождения сигнала через исследуемый продукт или воду.
Далее электрический сигнал проходит через пассивный фильтр помех 12, построенный по известной схеме фильтра низких частот, и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13 микроконтроллера 9 и далее вычисляется количество нитратов или жесткость воды в соответствии с заданными в алгоритме устройства формулами. Полученный результат выводится на дисплей 3 и рекомендации по дальнейшему использованию.
После подачи питания на элементы схемы устройства запускается генератор высокого напряжения 14, который осуществляет плавное увеличение уровня высокого напряжения до заданного, после чего автоматически удерживает его с заданной точностью. Полученное высокое напряжение подается на счетчик Гейгера-Мюллера 15, который формирует короткие импульсы. Затем эти импульсы поступают на преобразователь уровня напряжения 16, который преобразует их в цифровые импульсы и далее они подаются на счетный вход 17 микроконтроллера 9. По считанным импульсам и заданным в микроконтроллере 9 формулам осуществляется расчет величины радиационного фона в текущий момент, а результаты отображаются на дисплее 3.
Пользователь может подключить устройство через разъем USB к персональному компьютеру и считать или записать данные из/во внутреннюю память устройства. Также результаты могут быть переданы на любое устройство, которое сопряжено с устройством по беспроводному каналу Bluetooth.
Таким образом, источник переменного напряжения 11, выполненный с возможностью изменения направления тока, повышает точность измерения напряжения после прохождения электрического сигнала через исследуемый продукт или воду, что обеспечивает повышение качества результатов экспресс-анализов.