Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 7030
(13) U
(46) 2011.02.28
(51) МПК (2009)
G 01N 27/26
G 01N 22/00
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ
(21) Номер заявки: u 20100613
(22) 2010.07.06
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт прикладной
физики Национальной академии на-
ук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Любецкий Николай Васильевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт при-
кладной физики Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство для измерения качества воды, содержащее датчик, образованный двумя
электродами, генератор, блок обработки и индикатор, отличающееся тем, что дополни-
тельно снабжено термодатчиком, установленным внутри стенки электрода в виде метал-
лического цилиндрического стакана и подключенного ко второму входу блока обработки,
детектором и цифровым пиковым вольтметром, соединенных последовательно и вклю-
ченных между выходом электрода в виде U-образного проводника и первым входом блока
обработки, цифроаналоговым преобразователем, включенным между вторым выходом
блока обработки и входом генератора.
(56)
1. Патент РФ 2231787, МПК G 01N 33/18, G 01N 27/02, 2004.
2. Патент РФ 2290629, МПК G 01N 27/00, 2006.
3. Патент РФ 2285913, МПК G 01N 22/00, G 01N 27/26, 2006.
BY7030U2011.02.28

2. BY 7030 U 2011.02.28
2
Полезная модель относится к области санитарной гигиены и промышленной экологии
и может быть использована для определения содержания растворенных в воде солей.
Также она может найти применение в ряде отраслей промышленности (энергетической,
пищевой, строительной и т.д.) для высокоточного и экспрессного определения количества
соли в используемой для производственных целей воде.
Известно устройство для определения качества воды [1], содержащее расположенные
в корпусе автодинный генератор с подключенным к нему датчиком в виде двух электро-
дов, один из них выполнен кольцеобразным, а второй в виде сплошного цилиндра, каж-
дый из электродов одним из участков обращен внутрь, а другим участком выходит
наружу, термистор, блок памяти, блок сравнения и блок индикации. Недостатками данно-
го устройства являются низкая точность и недостаточный диапазон контроля из-за непо-
средственного контакта контролируемой жидкости с электродами и образования на них
окисных покрытий, а также вследствие измерения только одного информативного пара-
метра.
Известен автодинный измеритель качества воды [2], содержащий расположенные в
корпусе автодинный генератор, датчик в виде двух электродов, один из которых выпол-
нен кольцеобразным, а второй в виде сплошного цилиндра, каждый из электродов одним
из участков обращен внутрь, а другим участком выходит наружу, четырехплечный мост,
динамическую память, блок сравнения, детектор и блок индикации. Недостатками дан-
ного устройства являются низкая точность и недостаточный диапазон контроля из-за не-
посредственного контакта контролируемой жидкости с электродами и образования на
них окисных покрытий, неучета температуры, а также вследствие измерения только од-
ного информативного параметра.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для измере-
ния физических свойств жидкости [3], содержащее датчик, состоящий из двух электродов,
один из которых выполнен в виде металлического цилиндра, а второй электрод располо-
жен внутри него, имеет U-образную форму проводника, покрытого диэлектрической обо-
лочкой, и подключен ко входу автогенератора, выход которого через блок обработки
соединен с индикатором. Недостатками данного устройства являются низкая точность из-
мерения и небольшой диапазон контроля вследствие неучета влияния температуры и из-
мерения только одного информативного параметра.
Предлагаемой полезной моделью решается задача расширения диапазона контроля и
повышения точности измерения.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что она состоит из дат-
чика, образованного двумя электродами, генератора, блока обработки и индикатора, отли-
чается тем, что дополнительно снабжена термодатчиком, установленным внутри стенки
электрода в виде металлического цилиндрического стакана и подключенного ко второму
входу блока обработки, детектором и цифровым пиковым вольтметром, соединенных по-
следовательно и включенных между выходом электрода в виде U-образного проводника и
первым входом блока обработки, цифроаналоговым преобразователем, включенным меж-
ду вторым выходом блока обработки и входом генератора.
Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является наличие термо-
датчика, установленного внутри стенки электрода в виде металлического цилиндрическо-
го стакана и соединенного со вторым входом блока обработки, детектора и цифрового
пикового вольтметра, соединенных последовательно и подключенных между выходом
электрода в виде U-образного проводника и первым входом блока обработки, цифроана-
логового преобразователя, включенного между входом генератора и вторым выходом
блока обработки, при этом обеспечивается одновременное измерение температуры кон-
тролируемой воды, а также частоты и амплитуды резонансной зависимости, что позволяет
повысить точность и диапазон контроля.
Предлагаемая полезная модель представлена на фигуре.

3. BY 7030 U 2011.02.28
3
Согласно фигуре, она состоит из генератора 1, датчика, состоящего из двух электро-
дов, один в виде U-образного проводника 2, покрытого диэлектрической оболочкой, и
второй в виде металлического цилиндрического стакана 3, детектора 4, цифрового пико-
вого вольтметра 5, блока обработки 6, термодатчика 7, цифроаналогового преобразователя
(ЦАП) 8, индикатора 9, металлической крышки 10 и двух разъемов 11.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Контролируемая вода залива-
ется в металлический цилиндрический стакан 3, на который устанавливается металличе-
ская крышка 10 с закрепленными на ней двумя разъемами 11 (типа SMA), к которым
припаивается U-образный проводник 2, покрытый диэлектрической оболочкой. Металли-
ческий цилиндрический стакан 3 служит экраном для устранения внешних электрических
помех, а также для обеспечения одинакового постоянного объема контролируемой воды,
что требуется для проведения высокоточных измерений. U-образный проводник 2 и ме-
таллический цилиндрический стакан 3 образуют высокочастотный резонатор, в котором
возбуждают электромагнитные колебания, частотный диапазон которого обусловлен
главным образом длиной U-образного проводника 2. При включении питания блок обра-
ботки 6 образует последовательность цифровых кодов, которые со второго его выхода по-
ступают на ЦАП 8, где происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый.
Этот сигнал поступает на вход генератора 1 и осуществляет перестройку его частоты в
требуемой полосе частот ∆F. Сигнал переменной частоты с генератора 1 поступает на вы-
сокочастотный резонатор, образованный U-образным проводником 2 и металлическим
цилиндрическим стаканом 3, заполненный контролируемой водой. Амплитудно-частотная
характеристика высокочастотного резонатора зависит от длины U-образного проводника 2
и диэлектрической проницаемости ε = ε′- jε′′ контролируемой воды. Сигнал с U-образного
проводника поступает на детектор 4, где происходит детектирование сигнала, огибающая
которого несет информацию об амплитудно-частотной зависимости (резонансном откли-
ке) образованной резонаторной системы. Затем сигнал поступает в цифровой пиковый
вольтметр 5, где преобразуется аналоговый сигнал в цифровой, который попадает в блок
обработки 6. В момент появления максимального (пикового) значения в блоке обработки
6 фиксируется значение кода, который соответствует частоте, излучаемой генератором 1 в
момент достижения резонанса, определяя таким образом амплитуду и частоту резонанс-
ной зависимости. При калибровке устройства в память блока обработки 6 заносятся зна-
чения резонансных амплитуд и частот при различных температурах воды и процентном
содержании поваренной соли в ней. Первоначально калибровка осуществляется при ис-
пользовании дистиллированной воды с последующим изменением температуры и содер-
жания соли в ней. Сигнал с термодатчика 7 поступает на второй вход блока обработки 6,
по которому определяется температура контролируемой воды. По измеренному значению
температуры контролируемой воды выбираются требуемые калибровочные зависимости
амплитуды и частоты резонансных откликов, по которым определяется содержание соли в
воде и индицируется с помощью индикатора 9. Анализ полученных калибровочных зави-
симостей как для изменения резонансных частот, так и их амплитуд от величины содер-
жания соли в воде показал, что они имеют отдельные нелинейные участки характеристик.
При этом в диапазонах измерения количества соли, где изменение, например, сдвига резо-
нансной частоты имеет высокую крутизну, амплитуда меняется незначительно, и наобо-
рот. В предлагаемой полезной модели для достижения поставленной цели предложено
одновременное использование двух калибровочных зависимостей, полученных для кон-
кретной температуры.
Экспериментальные исследования для U-образного проводника длиной 220 мм, по-
крытого диэлектрической оболочкой, и металлического цилиндрического стакана димет-
ром 70 мм и длиной 100 мм показали, что резонансная частота изменяется от 76,4 до
37,8 МГц при содержании поваренной соли от 0,001 до 10 мг на литр, а амплитуда при
этом изменяется от 900 до 60 мВ. Экспериментальная проверка результатов была осуще-

4. BY 7030 U 2011.02.28
4
ствлена с использованием векторного анализатора цепей Agilent Е5071В, работающего в
диапазоне частот от 300 кГц до 8,5 ГГц. Было установлено, что использование резонатор-
ной системы в виде U-образного проводника, покрытого диэлектрической оболочкой, и
металлического цилиндрического стакана для определения величины содержания соли в
воде при измерении двух параметров резонансной характеристики (частоты смещения и
ее амплитуды), а также учете температуры контролируемой воды позволяет повысить
точность и расширить диапазон контроля по сравнению с известными устройствами.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.