Патент на изобретение №: 2084884
Автор: Фролов Н.С., Сухомлинов В.В., Панов В.П.
Дата публикации: 20 Июля, 1997г.

Использование: в контрольно-измерительной технике, в частности, в устройствах контроля состава веществ. Сущность изобретения: устройство содержит генератор прямоугольных импульсов с кварцевой стабилизацией частоты и фазы колебаний 1, снабженный формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности - 2, емкостной преобразователь 2, содержащий между своими обкладками кювету с контролируемым веществом 3, второй емкостной преобразователь 4, содержащий между своими обкладками кювету с образцовым веществом 5, а также сумматор 6 и блок регистрации 7. 1 ил.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля состава веществ, их идентификации, а также определения наличия в них примесей (например, повышенного содержания влаги).

Устройство может найти применение в химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, экологии и т.п.

Известно большое количество устройств с емкостными преобразователями, используемых для подобных целей.

В качестве аналогов полезно рассмотреть три устройства, прошедшие некоторый практический отбор и рекомендованные в литературе для широкого использования.
Известны устройства для измерения влажности с емкостными преобразователями ("В помощь радиолюбителю. Выпуск 72". ISSN 0130-0830, издательство ДОСААФ СССР, 1981 г. с. 50 57).

Устройство содержит задающий генератор, выполненный по схеме мультивибратора, измерительную цепь и емкостной преобразователь, подключенный параллельно одной из частотозадающих емкостей мультивибратора.

Там же приводится еще одна схема аналогичного устройства, выполненного на базе мультивибратора, принципиально ничем не отличающаяся от первой.

Недостатками этих двух устройств является неудовлетворительная точность, низкая стабильность и повышенное энергопотребление.

Близким аналогом предлагаемому устройству по своему назначению является прибор-идентификтометр, описанный в другом выпуске ("В помощью радиолюбителю Выпуск 98". ISSN 0130-0830, Москва, издательство ДОСААФ СССР, 1987 г. с. 68

71).
Указанный прибор предназначен для проверки идентичности различных веществ: жидких, сыпучих, органических и минеральных. Прибор позволяет сравнивать одинаковые вещества и обнаруживать в них примеси.

Однако, как и предыдущие аналоги, указанный прибор выполнен на основе классической мультивибраторной схемы, точность работы которой невелика (Шило В. Л. "Функциональные аналоговые интегральные микросхемы". Москва, "Радио и связь", 1982 г. с. 61).

Кроме того, еще одним недостатком указанного устройства является необходимость применения относительно высокого напряжения питания 18 вольт, что при токе потребления 10 20 миллиампер делает устройство еще более неэкономичным.

Наиболее близким к предлагаемому является электронный влагомер по авторскому свидетельству СССР N 744305 (кл. G 01 N 27/22, опубл. 1980 г.), который содержит емкостной преобразователь, генератор несимметричного прямоугольного напряжения, имеющий прямой и инверсный выходы, параллельно соединенные компенсирующий конденсатор и управляемый резистор, сумматор, выполненный в виде операционного усилителя, дифференциатор, нуль-орган, фильтр нижних частот и блок регистрации измерений.

Однако это устройство имеет ограниченную область применения и может использоваться лишь для контроля влажности одного определенного вещества, кроме того, оно не может быть экономичным, так как сумматор, выполненный в виде операционного усилителя, уже будет потреблять от источника питания ток порядка 5 мА при напряжении питания Устройство для контроля идентичности веществ, патент № 208488412 В.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения точности работы, стабильности и экономичности.
Поставленная цель достигается тем, что генератор прямоугольных импульсов имеет кварцевую стабилизацию частоты и фазы колебаний, а также снабжен формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности 2, с одинаковыми (кроме фаз) выходными характеристиками, кроме того, устройство дополнительно содержит второй емкостной преобразователь (идентичный первому), между обкладками которого помещена кювета с образцовым веществом, включенный совместно с первым таким образом, что первые обкладки емкостных преобразователей подключены к противофазным выходам генератора, а вторые ко входам сумматора, выход которого подключен к входу блока регистрации измерений. Сумматор в предлагаемом устройстве может быть любым, в частности, резистивно-мостовым, т.е. не требующим электропитания.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для контроля идентичности веществ.

Устройство содержит: генератор 1 прямоугольных импульсов, имеющий кварцевую стабилизацию частоты и фазы колебаний, а также снабженный формирователем прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности 2 с выходами соответственно А и Устройство для контроля идентичности веществ, патент № 2084884 емкостной преобразователь, подключенный первой обкладкой к выходу А генератора и содержащий между своими обкладками кювету 3 с контролируемым веществом; второй емкостной преобразователь 4, подключенный первой обкладкой к выходу Устройство для контроля идентичности веществ, патент № 2084884 генератора и содержащий между своими обкладками кювету 5 с образцовым веществом; а также сумматор 6, подключенный входами ко вторым обкладкам емкостных датчиков 2 и 4, а выходом подключенный к блоку 7 регистрации измерений.

Устройство работает следующим образом.

При включении генератор прямоугольных импульсов 1 генерирует переменное напряжение прямоугольных импульсов скважности 2, частота которого определяется собственной частотой кварцевого резонатора.

Напряжение этого генератора с противофазных выходов содержащегося в нем формирователя А -А (прямого и инвертированного) подается на емкостные преобразователи 2 и 4, содержащие между своими обкладками кюветы 3 и 5 с контролируемым и образцовым веществами.
Сумматор 6 отрегулирован таким образом, что при наличии в кюветах одного и того же вещества его выходное напряжение равно нулю, и напряжение на выходе блока регистрации 7 также равно нулю или же имеет вполне определенное, калиброванное значение.

При наличии в кюветах неодинаковых веществ емкости преобразователей будут отличаться, напряжение на выходе сумматора станет отличным от нуля и на выходе блока регистрации 7 возникнет сигнал неидентичности веществ.

Посторонние дестабилизирующие воздействия, например: изменение температуры в зоне контроля в равной степени изменяют параметры датчиков и не вызывают дополнительных погрешностей.

Генератор прямоугольных импульсов имеет кварцевую стабилизацию частоты и будучи выполнен на микросхеме КМОП структуры, совместно с входящим в его состав формирователем, имеет токопотребление менее 20-ти микроампер, что в 500 1000 раз меньше, чем у устройства аналога. Токопотребление блока регистрации (в режиме баланса) еще меньше.

Таким образом, область применения устройства значительно расширяется, так как становится возможным использование в нем автономных источников питания (батарей или аккумуляторов небольшой емкости), при этом ресурс работы устройства при непрерывной работе составит 1 2 года в сравнении с двумя - тремя сутками для аналога.

Повышение точности работы устройства достигается за счет низкого уровня фазовых шумов генератора с кварцевой стабилизацией частоты, идентичности характеристик противофазных прямоугольных импульсов скважности 2, а также возможности дифференциального включения емкостных преобразователей.

Чувствительность и стабильность предложенного устройства с рабочей частотой 32,768 кГц оказывается значительно выше, чем у устройства аналога, работающего на частоте в несколько мегагерц.

Кроме того, очевидным достоинством предлагаемого устройства является его простота, что позволяет исключить из устройства многие элементы, необходимые для работы прототипа, с одновременным улучшением метрологических характеристик и ограничиться минимальным количеством "навесных" элементов, что обеспечивает высокую надежность устройства, особенно при микросхемном исполнении.

Напряжение питания устройства в этом случае составляет 1,5 3,0 вольта.

Сверхсуммарный эффект, определяющий изобретательский уровень технического решения, характеризуется еще и тем, что многократное увеличение точности, стабильности и ресурса работы устройства придает ему совершенно новое качество в области метрологического обеспечения, не присущее аналогам и прототипу, что позволяет на его основе создавать высокоточные, метрологически аттестуемые приборы для контроля состава определенных групп веществ.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для контроля идентичности веществ, содержащее генератор прямоугольных импульсов, имеющий прямой и инверсный выходы, емкостной преобразователь, между обкладками которого помещена кювета с контролируемым веществом, сумматор и блок регистрации измерений, отличающееся тем, что генератор прямоугольных импульсов выполнен с кварцевой стабилизацией частоты и фазы колебаний и содержит формирователь прямой и противофазной импульсных последовательностей скважности-2, а устройство дополнительно содержит второй емкостной преобразователь, между обкладками которого размещена кювета с образцовым веществом, причем первые обкладки емкостных преобразователей подключены к противофазным выходам генератора, а вторые обкладки подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу блока регистрации.