Пристрій для визначення концентрації водно-спиртового розчину

Реферат: UA 110905 U UA 110905 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі харчової промисловості, а саме до контролю якості горілчаних виробів та спиртів. Його може використовувати як виробник, так і споживач партії готової продукції. Відомими аналогами є способи та засоби контролю параметрів (концентрація, провідність, діелектрична проникність) спирту та водно-спиртових розчинів можна поділити на: - такі, що використовують хімічний аналіз з використанням відповідних реактивів та добавокмаркерів (Патент України № 71063, МПК C12F 3/10. Спосіб контролю походження і якості спирту у спиртовмісних виробах); - прості технічні засоби з неможливістю забезпечення оперативності контролю (ареометри, пікнометри тощо) (ГОСТ 3639-79. Растворы водно-спиртовые. Методы определения концентрации этилового спирта); - такі, що ґрунтуються на вимірюванні електрофізичних параметрів (діелектрична проникність та провідність), які безпосередньо зв'язані з концентрацією [Патент Росії №2203485. Спосіб оперативного визначення міцності водно-спиртових розчинів, МПК G01N від 27.04.2003). Найближчим аналогом до корисної моделі є пристрій для визначення концентрації водноспиртових розчинів (Патент Росії №2135993, МПК G01N 33/14), що містить перетворювач «ємність-напруга» з ємнісним сенсором що наноситься на ізоляційну посудину (трубу чи пляшку), в якій є контрольований розчин, схему коригування, температурний сенсор, АЦП та блок відображення інформації. Такий вимірювальний пристрій використовується для вимірювань концентрації спиртових розчинів у трубопроводах, а також може бути виконаний як засіб контролю спиртних напоїв, розфасованих у скляну тару. У цьому разі електроди ємнісного сенсора та контактна поверхня терморезистора розміщуються безпосередньо на пляшці з водно-спиртовим розчином. Перевага такого пристрою в тому, що, оскільки використовується безконтактний ємнісний сенсор, то немає проблеми з впливом ємності подвійного шару на межі «електрод-розчин». Однак ємність таких сенсорів залежить від розмірів стінок посудини та її діелектричної проникності. Адже відомо, що ємність такого сенсора (прийнявши його плоско паралельним) визначається за формулою  0S (1) Cx  , d1 d2  1  2 де  0 , 1,  2 - діелектричні проникності вакууму, матеріалу посудини та контрольованого об'єкта відповідно; d1 - товщина стінок посудини; d2  товщина контрольованого об'єкта в міжелектродному просторі (внутрішній діаметр посудини); S - площа електродів. З формули (1) видно, що ємність, як інформативний параметр, що містить інформацію про зміну концентрації водно-спиртового розчину через відповідну зміну його діелектричної проникності  2 у даному разі залежить від параметрів посудини, в якій знаходиться контрольована рідина, а саме від її внутрішнього діаметра d2, товщини стінки d1 та діелектричної проникності 1 . Відповідно, це призводить до нелінійної залежності ємності від діелектричної проникності контрольованого об'єкта. Зменшити такий вплив можна лише за умови d1  d2 , тобто збільшенням розміру посудини та зменшенням товщини її стінки або 1 2 збільшенням співвідношення між діелектричними проникностями 1 та  2 . Однак на практиці такі можливості обмежені, оскільки як типорозміри, так і діелектрична проникність матеріалу посудини є стандартними. Тобто, для визначення концентрації водно-спиртового розчину у різних посудинах отримуватимемо різний характер залежностей ємності сенсора від його діелектричної проникності. Окрім цього, результат вимірювання концентрації водно-спиртового розчину залежить від напруги живлення перетворювача «ємність-напруга». В основу корисної моделі поставлена задача створити пристрій, який би забезпечував лінійну залежність результату вимірювання від діелектричної проникності контрольованого водно-спиртового розчину, використовуючи при цьому різні типорозміри посудин та інваріантність до напруги живлення перетворювача «ємність-напруга». Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для визначення концентрації водноспиртового розчину, що містить розміщені зовні на посудині з діелектричного матеріалу електроди ємнісного сенсора, перетворювач «ємність-напруга», послідовно з'єднані аналого 1 UA 110905 U 5 10 15 20 25 30 35 цифровий перетворювач та блок відображення інформації, а також схему коригування, один з входів якої під'єднаний до температурного сенсора, згідно з корисною моделлю, додатково містить генератор синусоїдальних коливань, перший та другий фазові детектори, входи керування яких з'єднані з його виходом, регульований резистивний подільник напруги, причому вхід перетворювача «ємність-напруга» під'єднано до виходу генератора, а вихід до інформаційного входу першого фазового детектора, який виходом з'єднаний з другим входом схеми коригування, а також інформаційний вхід другого фазового детектора під'єднано до виходу генератора, а вихід до вимірювального входу аналого-цифрового перетворювача та входу подільника напруги, вихід якого подається на третій вхід коригувальної схеми, виходом з'єднаної з опорним входом аналого-цифрового перетворювача. Це дає змогу отримати результат вимірювання, який буде лінійно залежати від діелектричної проникності контрольованого об'єкта, забезпечивши при цьому інваріантність до параметрів посудини та напруги живлення. Корисна модель пояснюється кресленнями, де представлена блок-схема пристрою для визначення концентрації водно-спиртового розчину, де: 1 - генератор синусоїдальних коливань; 2 - перетворювач «ємність-напруга», який містить зразковий резистор 2.1, ємнісний сенсор 2.2, операційний підсилювач 2.3; 3 і 4 - фазові детектори; 5 і 6 - резистори подільника напруги; 7 схема коригування; 8 - температурний сенсор; 9 - аналого-цифровий перетворювач; 10 - блок відображення інформації. Пристрій для визначення концентрації водно-спиртового розчину містить розміщені зовні на посудині з ізоляційного матеріалу електроди ємнісного сенсора, перетворювач «ємністьнапруга», послідовно з'єднані аналого-цифровий перетворювач та блок відображення інформації, а також схему коригування, один з входів якої під'єднаний до температурного сенсора, а також генератор синусоїдальних коливань, перший та другий фазові детектори, входи керування яких з'єднані з його виходом, і регульований резистивний подільник напруги. Вхід перетворювача «ємність-напруга» під'єднано до виходу генератора, а вихід до інформаційного входу першого фазового детектора, який виходом з'єднаний з другим входом схеми коригування, а також інформаційний вхід другого фазового детектора під'єднано до виходу генератора, а вихід до вимірювального входу аналого-цифрового перетворювача та входу подільника напруги, вихід якого подається на третій вхід коригувальної схеми, виходом з'єднаної з опорним входом аналого-цифрового перетворювача. При цьому перетворювач «ємність-напруга» містить інверсійно увімкнутий операційний підсилювач, елементами від'ємного зворотного зв'язку якого є резистор та ємнісний сенсор, причому входом перетворювача є вільний вивід резистора, а виходом - вихід операційного підсилювача. Робота пристрою для визначення концентрації водно-спиртового розчину полягає в наступному. Під дією синусоїдального сигналу амплітудою Um та частотою  генератора 1 на виході перетворювача «ємність напруга» 2 отримуємо напругу, яка з урахуванням (1) описуватиметься виразом U1  Um 40 45 50 d2 d1   1  Um  Um  Um 1  Um 2 , R0 C x R0 0  2S R0 0 1S 2 1 2 d2 ,  2  d1 і які є сталими для заданих розмірів посудини, а також R 0 0S R0 0S фіксованих значень частоти та опору R0 резистора 2.1. На виходах фазових детекторів 3 та 4, з урахування їхніх коефіцієнтів перетворення k1, k2 відповідно, матимемо напруги постійного струму k k  (3) U2  Um 1 1  Um 1 2 , 2 1 (4) U3   k 2Um . Перша складова напруги (3) пропорційна параметру  2 , а друга визначається де 1  діелектричною проникністю 1 матеріалу посудини. Тобто, якщо сформувати напругу, яка є рівною другій складовій напруги (3), але має протилежний знак, то вона може бути скомпенсована. Формується така напруга з напруги (4), а її рівень встановлюється змінним резистором 6 подільника напруги (фіг. 1) з коефіцієнтом ділення а, а саме (5) U'3   k 2Uma , де k 2a  k1 2 . 1 2 UA 110905 U 5 10 15 Тоді на виході схеми коригування 7, яка здійснює сумування напруг (3) та (5) отримуємо напругу k  (6) U4  Um 1 1 , 2 яка нелінійно залежатиме від діелектричної проникності водно-спиртового розчину. Вихідна напруга (6) схеми коригування 7 подається на опорний вхід АЦП з двотактним інтегруванням 9, а на його вимірювальний вхід - напруга (4) з виходу фазового детектора 4. В результаті ділення напруги (4) на напругу (6) отримаємо U3 k U k (7)  2 m 2  2 2 . U4 k1Um 1 k11 Отже, результат вимірювання концентрації з використанням безконтактного сенсора засобом, побудованим за наведеною структурною схемою лінійно залежить від діелектричної проникності контрольованого розчину. При цьому на результат вимірювання не впливає зміна амплітудного значення напруги генератора, від якої живиться перетворювач «ємність-напруга». Вплив температури на результат вимірювання усувається схемою коригування 7 з урахуванням даних температурного сенсора 8 формуванням пропорційного до зміни температури відповідного рівня напруги. Результат вимірювання виводиться на блок відображення інформації 10. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 1. Пристрій для визначення концентрації водно-спиртового розчину, що містить розміщені зовні на посудині з діелектричного матеріалу електроди ємнісного сенсора, перетворювач "ємністьнапруга", послідовно з'єднані аналого-цифровий перетворювач та блок відображення інформації, а також схему коригування, один з входів якої під'єднаний до температурного сенсора, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить генератор синусоїдальних коливань, перший та другий фазові детектори, входи керування яких з'єднані з його виходом, регульований резистивний подільник напруги, причому вхід перетворювача "ємність-напруга" під'єднано до виходу генератора, а вихід до інформаційного входу першого фазового детектора, який виходом з'єднаний з другим входом схеми коригування, а також інформаційний вхід другого фазового детектора під'єднано до виходу генератора, а вихід до вимірювального входу аналого-цифрового перетворювача та входу подільника напруги, вихід якого подається на третій вхід коригувальної схеми, виходом з'єднаної з опорним входом аналого-цифрового перетворювача. 2. Пристрій для визначення концентрації водно-спиртового розчину за п. 1, який відрізняється тим, що перетворювач "ємність-напруга" містить інверсійно увімкнутий операційний підсилювач, елементами від'ємного зворотного зв'язку якого є резистор та ємнісний сенсор, причому входом перетворювача є вільний вивід резистора, а виходом - вихід операційного підсилювача. 3 UA 110905 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4