Безелектродний спосіб автоматизованого вимірювання питомого опору електролітів та біологічних рідин

Спосіб безелектродного автоматизованого 3 36976 доліками прототипу, що ґрунтований на вимірюванні електропровідності є великий об'єм досліджуваної рідини, велика площа механічного контакту вимірювальної частини приладу з досліджуваною рідиною та складністю теоретичного обґрунтування діапазону вимірювань (об'єм рідини, величина максимального та мінімального питомого опору рідини) пропонується рішення, що усуває вказані недоліки. В основу корисної моделі поставлене завдання удосконалити спосіб безелектродного автоматизованого вимірювання питомого опору електролітів та біологічних рідин безелектродним способом шляхом зміни принципу вимірювання та використання додаткової схеми для вимірювання добротності коливального контуру та обробки результатів за допомогою комп'ютерної програми для забезпечення зниження кількості досліджуваної рідини, підвищення точності та автоматизації вимірювання. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі безелектродного автоматизованого вимірювання питомого опору електролітів та біологічних рідин шляхом вимірювання параметрів рідини, що рухається через контур певного об'єму, згідно до корисної моделі, додатково проводять автоматичну комп'ютерну реєстрацію напруги на виході приладу (вимірювач добротності ВМ-560) та однозначно її переводять у добротність коливального контуру, а вимірювання питомого опору проводять за зміною величини добротності коливального контуру індуктивно зв'язаного з капілярним соленоїдом, заповненим досліджуваною рідиною. Спільними ознаками прототипу та способу, що заявляється, є те, що вимірюється параметри рідини, що р ухається через контур певного об'єму. Корисна модель відрізняється від прототипу тим, що додатково проводять вимірювання добротності, а питомий опір електролітів та біологічних рідин вимірюють автоматизовано. Корисна модель не потребує великої кількості досліджуваною рідини та значної площі її механічного контакту з вимірювальним елементом приладу. Останнє є принципово важливим фактором, оскільки такий контакт приводить до електрохімічних процесів на електродах [Н.И. Губанов, А.А. Утепбергенов. Медицинская биофизика. - М.: Медицина, 1978. - 336с.], здатних до руйнації взаємозв'язків дисипативної структури біологічної рідини. Теоретичне підґрунтя для застосування способу. У даній установці капілярна трубка з досліджуваною рідиною індуктивно зв'язана з досліджуваним коливальним контуром. Отже, для розрахунку струмів у зв'язаних контурах, необхідно використати рівняння Кірхгофа для обох контурів у комплексній формі: × . × . × . IDm z1+ I2m zзв = Em , (1) I2m z 2 + I1m z зв = 0 (2) × × де I1m та I2m - комплексні амплітуди струмів І (LC контуру) і II (контура капілярної трубки з ріди. контурів; r1 і r2, х1 і х2 - відповідно активні і реакти. вні опори контурів; zзв = j wM - опір зв'язку; М - коефіцієнт взаємоіндукції; Еm - амплітуди джерел е.р.с. × Знайшовши I2m із (2): × . ною); z1 = r1 + jx 1 і z2 = r2 + jx 2 - опори відповідних . zзв × I2m = - I1m , (3) . z2 та підставивши (3) в (1) дістанемо: . Em × I1m = , (4) . . 2 . z 1- z зв / z 2 Із (4) видно, що струм в І контурі визначається не тільки через параметри джерела е.р.с. і параметри самого контуру, а він залежить також від параметрів II контур у (опору рідини в капілярній трубці) та індуктивного зв'язку між обома контурами. Взаємозв'язок між контурами І і II приводить . до того, що опір І контуру відрізняється від z1 . Вводячи повний опір І зв'язаного контура - еквіва. . лентний опір z1e , який складається із власного z1 і . вношуваного z1вн опорів одержимо: . . . z1e = z1+ z1вн , (5) де згідно (4): . . 2 z1вн = z зв , (6) . z2 Закон Ома для І зв’язаного контура можна записати у вигляді: × E I1m = . m , (7) z1e Це дає можливість замінити систему дво х зв'язаних контурів одним еквівалентним контуром Фіг.1. . Із (6), вношуваний опір zвн запишемо у вигляді: . zвн = rвн + jx вн , (8) де активна rвн і реактивна хвн складові вношуваних опорів, які дорівнюють: (wM)2 r 2 , (9) r1вн = z2 2 (wM) 2 x1вн = 2 2 z x 2 , (10) . Еквівалентний опір z1e І контура можна розглядати як суму активної і реактивної складових: . . × 4 z1e = r1e + jx1e (11) де r1е=r1+r 1вн (12) x1е=x1+x1вн. (13) Як видно з (10) і (13) вплив II контура приводить до зміни реактивної складової опору І контуру. Водночас реактивна складова вношуваного 5 36976 опору (10) може бути як позитивною, так і негативною, при цьому її знак протилежний знаку реактивної складової II контуру. Із виразів (9) і (11) видно, що реакція II контур у на І контур привела до ефективного зростання активного опору І контура, тобто до зменшення його добротності. Це означає, що частина енергії джерела "передається" II контуру. Добротність Q і хвильовий опір ρ є найважливіші параметри коливального контуру: wL 1 r Q= 0 = = , (14) r w0Cr r 1 L = , (15) w0C C За резонансу напруги на ємності та індуктивності однакові за величиною і протилежні за знаком, внаслідок чого вони взаємно компенсуються і напруга на активному опорі дорівнює е.р.с. джерела: ULom=Ucom=QE m, Urom=E m, (16) Водночас напруги на ємності та індуктивності за резонансу перевищують величину е.р.с. джерела в Q раз. Спосіб здійснюється таким чином. Перед дослідженням рідини з капілярному соленоїді вимірюють добротність пристрою за відсутності рідини в капілярі. Згідно (12-13): x Q1 = 1 , (17) r1 а також хвильовий опір: r = w0L = r 1 = x1 = w0L 1 = 1 L1 = , (18) w0C 1 C1 настроївши вимірювач добротності ВМ-560 на 6 w0 . Оптимальну резонан2p сну частоту обирають шляхом зміни ємності C1 коливального контура. При заповненні капілярного соленоїда рідиною з питомим опором ρх, спостерігається зменшення добротності еквівалентного коливального контуру Q2: x1 + x1вн Q2 = (19) r1 + r1вн резонансну частоту f 0 = та зміна його хвильового опору ρ2: 1 r 2 = x1 = x1вн = (20) w0C2 які можна виміряти експериментально (Фіг.2). На Фіг.2 представлено дослідження рідин у капілярному соленоїді за різних концентрацій іонів. В цих умовах спостерігається зміна питомого опору рідин. Перший максимум (1) спостерігається у порожньому соленоїді; другий максимум (2) спостерігається при заповненні капіляру соленоїда дистильованою водою; третій максимум (3) - при заповненні водопровідною водою; четвертий максимум (4) - при заповненні капіляру плазмою крові людини (І група); п'ятий максимум (5) - при заповненні 0,9% водним розчином NaCl. Таким чином, дослідження на різних рідинах показало, що даним способом можна досліджувати їх питомий опір ρ. Для визначення питомого опору рідин безелектродним методом проводили попереднє калібрування добротності коливального контур у Q від напруги Uq на виході приладу (вимірювач добротності ВМ-560). Графічні залежності Q(Uq) для трьох діапазонів представлено на Фіг.3. Результати вимірювання наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Q 244 185 175 150 125 100 70 55 50 30 20 10 5 Uq3, B 1,884 1,317 1,277 1,024 0,823 0,620 0,402 0,35 0,250 0,115 0,060 0,0176 0,00504 З таблиці 1 та Фіг.3 видно, що вимірювання добротності коливального контуру Q в кожному із трьох діапазонів можна проводити від 0,3 до 2В, оскільки в цьому інтервалі залежність між Q та напругою на ви ході приладу Uq строго лінійна (вимірювач добротності ВМ-560). За допомогою комп'ютерної програми значення напруги Uqi переводиться у величину добротності Q. Питомий опір рідини вираховується за допомогою комп'ютерної Uq2,B Uq1, B 2,187 1,515 1,168 1,015 0,541 0,319 0,116 0,0371 2,230 1,433 0,620 0,253 програми, яка складена на основі формул (19-20). Результати вимірювання питомого опору та питомої електропровідності висвітлюються на цифровому екрані вимірювальної установки. Перепишемо (19) у зворотному вигляді: r1 + r1вн 1 = Q 2 x1 + x1вн в даному випадку x1вн