МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к техническим средствам для моделирования и автоматического измерения термических, электрохимических, электрических и оптических свойств различных объектов. Она может найти применение в области изучения химических явлений различной природы, в том числе в учебном процессе.
Известно устройство для автоматического определения состава растворов [Патент РФ на изобретение №2110791; МПК 6 G01N 27/02, опубл. 05.10.1998 г.], которое содержит генератор переменного напряжения, блок токозадающих резисторов, соединенный с электрохимическим датчиком, включающим электроды, цифровой вольтметр, подключенный к электронно-вычислительной машине (ЭВМ), обеспечивающей обработку измерений и вычисление состава анализируемого раствора, амплитудный детектор, подключенный между электродами электрохимического датчика и цифровым вольтметром, причем в качестве генератора переменного напряжения использован генератор, входящий в состав ЭВМ, обеспечивающей возможность программного задания и изменения частоты переменного напряжения, а также контроля окончания переходного процесса на электродах электрохимического датчика, при этом выход ЭВМ подключен к блоку токозадающих резисторов.
Основными недостатками этого устройства являются отсутствие возможности моделирования химических процессов и ограниченные возможности применения, так как кроме определения состава раствора, оно позволяет измерять только один его параметр: электрическую проводимость.
Второй недостаток частично устранен в выбранном за прототип предложенной полезной модели (по числу общих существенных признаков и достигаемому положительному эффекту) многофункциональном измерительном комплексе [Патент РФ на полезную модель №29780, МПК G01N 25/00, G01N 27/00, опубл. 27.05.2003 г.], который содержит электрохимический датчик, блок управления источником тока, управляемый генератор в виде мини-ЭВМ, которая связана с блоком управления источником тока и/или напряжения, при этом его выход соединен с входом электрохимического датчика, выход которого соединен через преобразователь тока в напряжение с одним из входов синхронного детектора, причем выход преобразователя тока в напряжение соединен с вторым входом блока управления источником тока и/или напряжения, второй вход синхронного детектора связан с мини-ЭВМ, а выход - с входом многоканального аналого-цифрового преобразователя, соединенного с входом мини-ЭВМ, причем входы многоканального аналого-цифрового преобразователя связаны с соответствующими выходами N датчиков измеряемых параметров, кроме того, один из выходов мини-ЭВМ связан с блоком управления исполнительными устройствами, выходы которого соединены с входами N-исполнительных устройств, где N - не менее одного, при этом мини-ЭВМ соединена с устройствами ввода/вывода данных. При этом в качестве исполнительного устройства могут быть выбраны перемешивающее устройство, или нагревательный элемент, или насос, связанные с соответствующим выходом блока управления исполнительных устройств, а в качестве датчика измеряемых параметров могут быть выбраны датчик температуры, или датчик давления, или датчик рН, или датчик разности потенциалов.
Однако этому известному многофункциональному измерительному комплексу присущи два существенных недостатка. Один из них заключается в отсутствии возможности вести моделирование химических процессов. Для пояснения другого недостатка рассмотрим описание этого комплекса, в котором на с.3 отмечено: «В качестве датчика измеряемых параметров может быть выбран, например, датчик температуры или датчик давления, или датчик рН, или датчик разности потенциалов, или иной датчик требуемого измеряемого параметра». Однако этот комплекс не позволяет измерять количество электричества и оптическую плотность, тем более простым использованием «иных датчиков» путем подсоединения их к блоку управления исполнительными устройствами.
Технический результат предложенного устройства заключается в возможности моделирования химических процессов, а также в возможности измерения количества электричества и оптической плотности за счет существенных изменений известного измерительного комплекса.
Указанный технический результат достигается тем, что многофункциональный модельно-измерительный комплекс, содержащий блоки измерения электрической проводимости, температуры, давления, тока и напряжения, подключенные через аналого-цифровой преобразователь к микропроцессору, связанному с интерфейсом и/или персональным компьютером (ПК), а также с блоком управления исполнительными устройствами: нагревательным элементом, источником переменного напряжения и перемешивающим устройством, согласно предложенному решению, комплекс дополнительно содержит источник постоянного тока и источник монохроматического излучения, связанные с блоком управления исполнительными устройствами, причем источник монохроматического излучения оптически связан с ячейкой измерения оптической плотности, которая в свою очередь связана с блоком измерения оптической плотности, подключенным через аналого-цифровой преобразователь к микропроцессору, а также содержит блок измерения количества электричества, состоящий из источника тока и интегратора тока по времени, и соединенный через узел гальваноразвязки с микропроцессором.
Пример конкретного выполнения предложенного многофункционального модельно-измерительного комплекса проиллюстрирован фиг.1, на которой приведена его блок-схема и фиг.2, на которой представлена блок-схема блока измерения электрической проводимости. Одним из основных элементов комплекса (фиг.1) является микропроцессор 1, связанный с интерфейсом 2 и/или ПК 3, а также с блоком управления исполнительными устройствами 4: источником переменного напряжения 5, перемешивающим устройством 6, нагревательным элементом 7, источником постоянного тока 8 и источником монохроматического излучения 9. Микропроцессор 1 через узел гальваноразвязки 10 связан с блоком измерения количества электричества 11, который состоит из источника тока 12 и интегратора тока по времени 13. Обязательным элементом модельно-измерительного комплекса является и аналого-цифровой преобразователь 14, через который к микропроцессору 1 подключены блок измерения электрической проводимости 15, блок измерения температуры 16, блок измерения напряжения 17, блок измерения тока 18, блок измерения давления 19 и блок измерения оптической плотности 20. Источник монохроматического излучения 9 оптически связан с ячейкой измерения оптической плотности 21, которая связана с блоком измерения оптической плотности 20. В созданном и испытанном комплексе применены микропроцессор фирмы «ANALOG DEVICES» AduC 824 BS, интерфейс выполнен на основе четырехстрочного символьного индикатора и восьмикнопочной клавиатуры. Блок измерения электрической проводимости 15 выполнен как в прототипе, что следует из материалов описания прототипа и блок-схемы, приведенной на фиг.2 предложенного технического решения. Блок измерения электрической проводимости 15 состоит из последовательно соединенных управляемого инвертора 22, фильтра низких частот 23, усилителя 24, выход которого соединен с входом электрохимического датчика 25, а вход подсоединен к входу преобразователя тока в напряжение 26. Выходы последнего соединены с соответствующими входами усилителя 24 и синхронного детектора 27, вход которого связан с микропроцессором 1, а выход соединен с одним из входов аналого-цифрового преобразователя 14.
Предложенный многофункциональный модельно-измерительный комплекс работает следующим образом. Для моделирования химических реакций в реакционное пространство, например, химический стакан цилиндрической формы глубиной 150 мм, внутренним диаметром 50 мм, снабженный крышкой, находящийся в термическом контакте с нагревательным элементом 7, в котором помещен якорь магнитной мешалки перемешивающего устройства 6, помещают реагенты, способные вступать в химическое взаимодействие, например, водный раствор соляной кислоты и металлический цинк. Далее при контролируемой температуре и интенсивности перемешивания с помощью датчиков измерительных блоков 15, 17, 18 измеряют ряд параметров, изменяющихся в ходе протекания реакции: электрическую проводимость, разность потенциалов, величину электрического тока.
Для измерения тепловых эффектов химических процессов в реакционное пространство: химический стакан цилиндрической формы глубиной 150 мм, внутренним диаметром 50 мм, снабженный крышкой, находящийся в адиабатической оболочке, в котором помещен якорь магнитной мешалки перемешивающего устройства 6, помещают реагенты способные вступать в химическое взаимодействие, например, водные растворы перманганат калия и сульфита натрия. Далее при контролируемой интенсивности перемешивания с помощью датчика температуры блока измерения температуры 16 измеряют изменение температуры в ходе протекания реакции.
Для проведения электролиза в реакционное пространство: химический стакан цилиндрической формы глубиной 150 мм, внутренним диаметром 50 мм, снабженный крышкой с установленными электродами блока измерения количества электричества 11, в котором помещен якорь магнитной мешалки перемешивающего устройства 6, помещают реагенты, способные подвергаться электролизу под действием электрического тока, например, водный раствор сульфата меди. Далее при контролируемой силе тока источника тока 12 с помощью интегратора тока по времени 13 измеряют количество электричества, прошедшего через систему в ходе электролиза.
Для проведения измерения оптической плотности в ячейку измерения оптической плотности 21 (кювету прямоугольной формы глубиной 40 мм, шириной 20 мм, длинной 50 мм), установленную в затемненном пространстве с крышкой по ходу оптического пути от источника монохроматического излучения 9 к блоку измерения оптической плотности 20, помещают исследуемый раствор. Затем облучают раствор светом выбранной длины волны и измеряют интенсивность светового потока прошедшего через кювету.