Потенциометрический анализатор жидкости

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Совместное общество с ограниченной ответственностью Гомельский приборостроительный завод(72) Авторы Самсонов Сергей Николаевич Карпов Владимир Александрович(73) Патентообладатель Совместное общество с ограниченной ответственностью Гомельский приборостроительный завод(57) 1. Потенциометрический анализатор жидкости, содержащий помещенные в анализируемый раствор измерительный и вспомогательный электроды, выходы которых связаны со входами входного усилителя, источник опорного напряжения, выход которого связан с последовательно соединенным первым и вторым резисторами, и устройство отображения информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит последовательно связанные масштабный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, информационный выход которого связан с устройством отображения информации, и коммутатор, выход которого связан с первым входом масштабного преобразователя, при этом второй вход масштабного преобразователя связан с выходом источника опорного напряжения, управляющий вход коммутатора связан с управляющим выходом микроконтроллера, первый, второй и третий входы коммутатора связаны соответственно с шиной нулевого потенциала, выходом входного усилителя и источником опорного напряжения. 2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что масштабный преобразователь содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый дополнительный резистор связан с первым входом масштабного преобразователя, а через второй дополнительный резистор - с выходом оперативного усилителя, при этом общий вывод последовательно связанных первого и второго резисторов связан с неинвертирующим входом операционного усилителя, второй зажим первого резистора связан со вторым входом масштабного преобразователя, а второй зажим второго резистора связан с шиной нулевого потенциала.(56) 1. А.с. СССР 1260823, МПК 01 27/56. Устройство для потенциометрических изменений // БИ 36. - 1986. 2. А.с. СССР 1448265, МПК 01 27/56. Устройство для измерения электрохимического потенциала ионов в растворах. // БИ 48. - 1988. Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к измерению активности ионов в растворах с использованием потенциометрических чувствительных элементов, и может быть использована в химической, медицинской, биологической, сельскохозяйственной промышленности, медицине, фармакологии и др. Одним из методов, традиционно используемых для исследования и анализа веществ,является потенциометрический метод, представляющий собой электрохимический метод,основанный на определении зависимости между равновесным электродным потенциалом(эдс системы) и термодинамическими активностями компонентов электрохимической реакции (определяемых ионов). При потенциометрических измерениях используют устройства, которые содержат гальванический элемент с индикаторным (измерительным) электродом, потенциал которого зависит от активности хотя бы одного из компонентов электрохимической реакции, и электродом сравнения (вспомогательным электродом), и измеряют электродвижущую силу (эдс) этого элемента. При этом в потенциометрических устройствах используют гальванические элементы либо без переноса, когда оба электрода помещают в один и тот же исследуемый раствор, либо с переносом, когда электроды находятся в разных растворах,имеющих между собой электролитический контакт. Элементы без переноса используют в основном для измерения констант равновесия химической реакций, констант диссоциации электролитов, констант устойчивости комплексных соединений, произведений растворимости, стандартных электродных потенциалов, а также активностей и коэффициентов активности ионов. В потенциометрических устройствах электроды гальванического элемента связаны с электрической схемой измерения и обработки результатов измерения. Так, известен потенциометрический анализатор 1, содержащий связанные с гальваническим элементом входной усилитель, две пары последовательно соединенных резисторов, регулируемые источники смещения, сумматор и выходной усилитель. Однако в данном техническом решении из-за температурного дрейфа сопротивлений резисторов появляются дополнительные погрешности, что ведет к снижению точности измерения. Наиболее близким по совокупности общих технических признаков к заявляемому потенциометрическому анализатору является потенциометрический анализатор 2, содержащий измерительный и вспомогательный электроды, помещаемые в анализируемый раствор и электрически связанные со входом входного усилителя, источник опорного напряжения, связанный с последовательно связанными первым и вторым резисторами, и устройство отображения информации. Недостатком данного технического решения также являются дополнительные погрешности, обусловленные дрейфом значений сопротивления одного из резисторов. Задачей полезной модели является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния температурного дрейфа сопротивлений резисторов. Поставленная задача решается заявляемым потенциометрическим анализатором жидкости, содержащим помещенные в анализируемый раствор измерительный и вспомогательный электроды, выходы которых связаны со входами входного усилителя, источник опорного напряжения, выход которого связан с последовательно соединенным первым и вторым резисторами, и устройство отображения информации. Поставленная задача решается за счет того, что потенциометрический анализатор жидкости дополнительно содержит последовательно связанные масштабный преобразователь, аналого-цифровой преобразова 2 85492012.08.30 тель, микроконтроллер, информационный выход которого связан с устройством отображения информации, и коммутатор, выход которого связан с первым входом масштабного преобразователя, при этом второй вход масштабного преобразователя связан с выходом источника опорного напряжения, управляющий вход коммутатора связан с управляющим выходом микроконтроллера, первый, второй и третий входы коммутатора связаны соответственно с шиной нулевого потенциала, выходом входного усилителя и источником опорного напряжения. В предпочтительных формах реализации заявляемого потенциометрического анализатора масштабный преобразователь содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый дополнительный резистор связан с первым входом масштабного преобразователя, а через второй дополнительный резистор - с выходом оперативного усилителя, при этом общий вывод последовательно связанных первого и второго резисторов связан с неинвертирующим входом операционного усилителя, второй зажим первого резистора связан со вторым входом масштабного преобразователя, а второй зажим второго резистора связан с шиной нулевого потенциала. На чертеже представлена функциональная схема заявляемого потенциометрического анализатора жидкости. Потенциометрический анализатор жидкости содержит измерительный 1 и вспомогательный 2 электроды, помещаемые в анализируемый раствор 3 и связанные с входным усилителем 4, выход которого связан со вторым входом коммутатора 5. Первый вход коммутатора 5 связан с шиной нулевого потенциала, а его третий вход - с выходом источника 6 опорного напряжения. Выход коммутатора 5 через первый вход масштабного преобразователя 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 связан со входом микроконтроллера 9,управляющий выход которого связан с управляющим входом коммутатора 5, а информационный выход - с устройством 10 отображения информации. Выход источника 6 опорного напряжения связан со вторым входом масштабного преобразователя 7. Масштабный преобразователь 7 содержит операционный усилитель 11, первый 12 и второй 13 последовательно связанные резисторы, общий вывод которых связан с неинвертирующим входом операционного усилителя 11. Второй зажим первого резистора 12 связан со вторым входом масштабного преобразователя 7, второй зажим второго резистора 13 связан с шиной нулевого потенциала, первый зажим первого дополнительного резистора 14 связан с первым входом масштабного преобразователя 7, а его второй зажим - с инвертирующим входом операционного усилителя 11. Второй дополнительный резистор 15 связан своими зажимами с инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 11 соответственно. Выход операционного усилителя 11 связан с выходом масштабного преобразователя 7. Потенциометрический анализатор жидкости работает следующим образом. Для современных потенциометрических анализаторов жидкости характерным является то обстоятельство, что в своем составе они используют микроконтроллер и либо встроенный в него, либо отдельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Поскольку напряжение электродов системы может принимать значение двух полярностей, типовой диапазон изменения (- 2,52,5) В, а аналого-цифровой преобразователь, как правило, воспринимает напряжение только одной полярности, то необходим промежуточный элемент - масштабный преобразователь, который позволяет преобразовывать двухполярный диапазон входного напряжения в однополярный диапазон АЦП. Кроме того, даже если АЦП воспринимает двухполярное напряжение, то все равно приходится согласовывать диапазоны изменения напряжений электродной системы и входного напряжения АЦП. В рабочем режиме, когда напряжение электродов системы, равное разности напряжений развиваемых измерительным электродом 1 и вспомогательным электродом 2, через входной усилитель 4, подается на второй вход масштабного преобразователя 7, его выходное напряжение имеет вид 3(115 )4 15 см (115 ) ,(1)121314 1414 где 1215 - значения сопротивления соответствующих резисторов 7(2) - выходное напряжение масштабного преобразователя 7 при подключении к его первому входу напряжения с выхода входного усилителя 4 6 - выходное напряжение источника опорного напряжения 6 Е 4 - выходное напряжение входного усилителя 4 Есм - напряжение смещения операционного усилителя 11. В случае, когда через коммутатор 5 на первый вход масштабного преобразователя 7 подается либо ноль, либо опорное напряжение Е 4, его выходные напряжения имеют вид соответственно 13(3)1412131414 Микроконтроллер 9 запоминает коды напряжений 7(1) и 7(3), а значение напряжения 7(2) - напряжение электродной системы, пересчитывает по формуле(2)7 (1) 47 6 .(4) 7 (1)7 (3) из которой видно, что значения сопротивлений резисторов 1215 не входят в результат вычисления, кроме того, напряжение смещения операционного усилителя 11 также не влияет на результат вычисления выходного напряжения входного усилителя 4. Напряжение же 6 источника 6 опорного напряжения, входящее в выражение (4), имеет температурный дрейф значительно меньший, чем температурный дрейф резисторов 1215. Так,например, температурный дрейф современных источников опорного напряжения находится на уровне 5 /С, а резисторов - более 50 /С. Таким образом, по сравнению с прототипом, где температурный дрейф резисторов полностью входит в результат преобразования, в заявляемом потенциометрическом анализаторе жидкости влияние температурного дрейфа резисторов значительно ослаблено. Из формулы (4) видно, что оно сведено до температурного дрейфа источника опорного напряжения 6. 7 (3)6 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4