Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль
Використання методів надлишкових вимірювань при створенні вимірювачів концентрації речовин передбачає безпосереднє застосування мікропроцесорів та відповідних виконавчих елементів для автоматизації процесу вимірювання, що забезпечує скорочення часу вимірювання, підвищення точності результатів вимірю...
Gespeichert in:
Datum: | 2004 |
---|---|
Hauptverfasser: | , |
Format: | Artikel |
Sprache: | Ukrainian |
Veröffentlicht: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2004
|
Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6404 |
Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
Zitieren: | Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль / В.Т. Кондратов, В.Б. Сітар // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2004. — № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-6404 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-64042010-03-04T12:01:16Z Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль Кондратов, В.Т. Сітар, В.Б. Використання методів надлишкових вимірювань при створенні вимірювачів концентрації речовин передбачає безпосереднє застосування мікропроцесорів та відповідних виконавчих елементів для автоматизації процесу вимірювання, що забезпечує скорочення часу вимірювання, підвищення точності результатів вимірювання та виконання команд щодо підготовки процесу вимірювання. В роботі наведено вирішення задачі підвищення точності результату вимірювання концентрації речовин у технологічних розчинах у широкому діапазоні значень концентрації методами надлишкових вимірювань. Описана робота мікропроцесорного вимірювача концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль з автоматичною корекцією систематичних похибок. 2004 Article Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль / В.Т. Кондратов, В.Б. Сітар // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2004. — № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 1817-9908 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6404 535.08; 681.7.08 uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
collection |
DSpace DC |
language |
Ukrainian |
description |
Використання методів надлишкових вимірювань при створенні вимірювачів концентрації речовин передбачає безпосереднє застосування мікропроцесорів та відповідних виконавчих елементів для автоматизації процесу вимірювання, що забезпечує скорочення часу вимірювання, підвищення точності результатів вимірювання та виконання команд щодо підготовки процесу вимірювання. В роботі наведено вирішення задачі підвищення точності результату вимірювання концентрації речовин у технологічних розчинах у широкому діапазоні значень концентрації методами надлишкових вимірювань. Описана робота мікропроцесорного вимірювача концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль з автоматичною корекцією систематичних похибок. |
format |
Article |
author |
Кондратов, В.Т. Сітар, В.Б. |
spellingShingle |
Кондратов, В.Т. Сітар, В.Б. Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
author_facet |
Кондратов, В.Т. Сітар, В.Б. |
author_sort |
Кондратов, В.Т. |
title |
Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
title_short |
Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
title_full |
Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
title_fullStr |
Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
title_full_unstemmed |
Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
title_sort |
мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль |
publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
publishDate |
2004 |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/6404 |
citation_txt |
Мікропроцесорний вимірювач концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль / В.Т. Кондратов, В.Б. Сітар // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2004. — № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
work_keys_str_mv |
AT kondratovvt míkroprocesornijvimírûvačkoncentracíírečovinvulʹtrafíoletovomudíapazonídovžinhvilʹ AT sítarvb míkroprocesornijvimírûvačkoncentracíírečovinvulʹtrafíoletovomudíapazonídovžinhvilʹ |
first_indexed |
2025-07-02T09:18:19Z |
last_indexed |
2025-07-02T09:18:19Z |
_version_ |
1836526233555304448 |
fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3
43
Використання методів надлиш-
кових вимірювань при створенні
вимірювачів концентрації речовин
передбачає безпосереднє застосу-
вання мікропроцесорів та відпо-
відних виконавчих елементів для
автоматизації процесу вимірюва-
ння, що забезпечує скорочення ча-
су вимірювання, підвищення точ-
ності результатів вимірювання
та виконання команд щодо під-
готовки процесу вимірювання. В
роботі наведено вирішення задачі
підвищення точності результату
вимірювання концентрації речо-
вин у технологічних розчинах у
широкому діапазоні значень кон-
центрації методами надлишко-
вих вимірювань. Описана робо- та
мікропроцесорного вимірюва-ча
концентрації речовин в ульт-
рафіолетовому діапазоні довжин
хвиль з автоматичною корекцією
систематичних похибок.
В.Т. Кондратов, В.Б. Сітар, 2004
ÓÄÊ 535.08; 681.7.08
Â.Ò. ÊÎÍÄÐÀÒÎÂ, Â.Á. ѲÒÀÐ
̲ÊÐÎÏÐÎÖÅÑÎÐÍÈÉ ÂÈ̲ÐÞÂÀ×
ÊÎÍÖÅÍÒÐÀÖ²¯ ÐÅ×ÎÂÈÍ
 ÓËÜÒÐÀÔ²ÎËÅÒÎÂÎÌÓ Ä²ÀÏÀÇÎͲ
ÄÎÂÆÈÍ ÕÂÈËÜ
Завдяки високій чутливості ультрафіолетові
аналізатори-вимірювачі міцно посіли своє міс-
це серед пристроїв для вимірювання концент-
рації речовин у технологічних розчинах. Важ-
ливе значення має визначення концентрації
рідкоземельних і дорогоцінних металів та дея-
ких біологічних сполук в ультрафіолетовому
діапазоні довжин хвиль. Оскільки кожен грам
зазначених металів має високу цінність, стоїть
задача високоточного їх вимірювання в техно-
логічних середовищах з метою їх виділення та
подальшого використання.
Існуючі методи і засоби вимірювання кон-
центрації речовин [1−5] частково вирішують
цю задачу тому, що ще остаточно не вирішена
задача стабілізації параметрів фотоприймачів
від дії температури та деградації чутливих еле-
ментів у часі. Це призводить до виникнення
додаткових систематичних похибок
вимірюван-ня. Для їх зменшення частіше за
все здійсню-ють вибір фотоприймача зі
стабільними характеристиками та його термо-
статування. Термостатування забезпечує тем-
пературну стабіліза-цію параметрів фотоприй-
мача, але не захищає його від впливу інших
дестабілізуючих факторів (тиску, електричних
та магнітних полів тощо). Підбір фотоприй-
мачів зі стабільними параметрами потребує
додаткових матеріаль-них витрат. У зв'язку з
цим актуальною є розробка високоточних
цифрових вимірювачів концентрації речовин.
Нижче розглядається вирішення задачі
створення мікропроцесорного вимірювача з
В.Т. КОНДРАТОВ, В.Б. СІТАР
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 44
автоматичною корекцією похибок результату вимірювання концентрації речо-
вин в технологічних розчинах, наприклад міді, який реалізує метод надлиш-
кових вимірювань.
Вирішення цієї задачі розглянемо на прикладі роботи мікропроцесор-
ного вимірювача концентрації речовин в ультрафіолетовому діапазоні
довжин хвиль, структурна схема якого наведена на рисунку.
В основу реалізованого методу покладений закон Ламберта − Бера [2], який
характеризує залежність поглинання потоку ультрафіолетового випромінювання
з визначеною довжиною хвилі від концентрації поглинаючої речовини і від тов-
щини шару, у якому відбувається поглинання. Аналітично цей закон описується
рівнянням величин
,00 cckkcd eIeII −− ⋅=⋅= (1)
де I, I0 – інтенсивності монохроматичного випромінювання до і після проходжен-
ня досліджуваної речовини; k – коефіцієнт поглинання досліджуваної речовини, за-
даної довжини хвилі; c – концентрація вимірюваної речовини; d – товщина шару.
Приймемо, що dkkc ⋅= .
Припустимо, що функція перетворення фотоприймача має лінійний харак-
тер і описується рівнянням величин
нуфлн UISU ′∆+′= , (2)
де уфI – інтенсивність потоку ультрафіолетового випромінювання; '
лS – крутість
перетворення ( }{}{}{ '
ллл SSS ∆±= ); '
нU∆ – зміщення функції перетворення з
урахуванням адитивної похибки ( }{}{}{ '
аднн UU ∆+∆=∆ ); лS∆ – абсолютне
відхилення крутості (чутливості) під дією дестабілізуючих факторів.
На структурній схемі мікропроцесорного вимірювача концентрації речовин
у технологічних розчинах використовуються такі позначення: 1 – джерело жив-
лення; 2 – оптико-електронний канал; 3 – генератор монохроматичного випро-
мінювання; 4 – перша фокусуюча лінза ; 5 – складана кювета; 6 – робоча камера
для досліджуваного технологічного розчину; 7 – камера порівняння для розчину
з нормованою концентрацією; 8 – друга фокусуюча лінза; 9 – фотоприймач з
підсилювачем; 10 – квадратор; 11 – керований інтегратор; 12 – перетворювач
“напруга – частота”; 13 – мікропроцесор; 14 – дешифратор з регістром; 15 –
блок підсилювачів потужності; 16 – цифровий відліковий пристрій; 17, 18, 19,
20 – ємності з розчинами відомих (С1, С2) і невідомої (СХ) концентрацій
досліджуваної речовини; 21 – мікронасос з двигуном; 22, 23 і 24 – перший, дру-
гий і третій клапани постачання; 25, 26 і 27 – перший, другий і третій зливні
клапани; 28 і 29 – перший і другий сенсори рівня.
МІКРОПРОЦЕСОРНИЙ ВИМІРЮВАЧ КОНЦЕНТРАЦІЇ РЕЧОВИН В УЛЬТРАФІОЛЕТОВОМУ
...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3
45
Робота пристрою для вимірювання концентрації речовин у технологічних
розчинах складається з п’яти тактів вимірювання й одного такту обробки. У
кожнім такті вимірювання потік ультрафіолетового випромінювання з виходу
генератора 3 монохроматичного випромінювання проходить через першу фоку-
суючу лінзу 4, складану кювету 5, що містить робочу камеру 6 і камеру 7 порів-
няння, і надходить, через другу фокусуючу лінзу 8, на фотоприймач 9. Підсиле-
на вихідна напруга фотоприймача 9 за допомогою послідовно ввімкнених квад-
ратора 10 і інтегратора 11 перетворюється в дійсне значення напруги nU протя-
гом заданого інтервалу часу t∆ .
По закінченні інтервалу часу t∆ вихідна напруга nU інтегратора 11 за до-
помогою перетворювача “напруга – частота” 12 перетворюється в частоту nf
( }{}{}{ 0 nn fff ∆+= , де }{ 0f – початкова частота електричного сигналу; }{ nf∆ –
приріст частоти електричного сигналу, пропорційний концентрації, що визна-
чається) електричного сигналу. За допомогою мікропроцесора 13 здійснюється
13
8
10 11
2 1
5 4 6
3
9
2322
24
16
G Кв U
f
G
М
МП #
DC
000
Nx
БП
1
2
3 4 5
6 7
9 10 11 12
Cx
Cx C2
C1
1415
19
20 17 18
21
27 25 26
8
7
9
1
29
11
L
КІ
РИСУНОК. Структурна схема мікропроцесорного вимірювача концентрації речовин
28
10
L
В.Т. КОНДРАТОВ, В.Б. СІТАР
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 46
вимірювання частоти nf . Результат вимірювання nN ( }{}{ 0 nn ftN += , де 0t –
інтервал часу підрахування імпульсів) запам’ятовується.
При здійсненні першого такту вимірювання за командою з мікропроцесора
13 відкривається клапан постачання 22 і мікронасос 21 заповнює камеру 7 порі-
вняння розчином з нормованою за розміром концентрацією 1C досліджуваної
речовини. По заповненню камери 7 порівняння спрацьовує сенсор 28 рівня і, за
командою з мікропроцесора 13, вимикається мікронасос 21 та закривається кла-
пан постачання 22. Внаслідок вимірювання у першому такті напруга на виході
інтегратора 11 описується рівнянням величин
''))]1([(
0
2
1
1
1 1221211
1
0
])([1 USeIdttu
t
U л
BBlklCkCk
t
t
cnоп ∆+=
∆
= −−−−+−∫ , (3)
де 1t∆ – час вимірювання ( }{}{}{}{ 011 tttt ∆=−=∆ ); )(1 tu – напруга, отримана
внаслідок перетворення інтенсивності потоку ультрафіолетового випроміню-
вання, що пройшло через складану кювету з розчином концентрації С1; 1k та
2k – коефіцієнти поглинання, відповідно, досліджуваної речовини та техно-
логічного розчину; опB – оптичне послаблення, що вноситься стінками кювети та
елементами оптичного тракту; спB – показник забруднення скла робочої камери
кювети; l1 та l2 – довжини робочої камери та камери порівняння відповідно.
Напруга (3) за допомогою перетворювача “напруга-частота” 12 перетво-
рюється в частоту 1f електричного сигналу. За допомогою мікропроцесора 13
здійснюється вимірювання частоти 1f цього сигналу. Результат
1N вимірюван-
ня частоти 1f ( }}{}{{}}{{ 010011 tUStfN ∆=∆= , де }{ 0S – крутість перетворення на-
пруги в частоту) запам’ятовується. За командою з мікропроцесора 13 відкрива-
ється зливний клапан 25 і здійснюється спорожнення камери 7 порівняння в єм-
ність 17.
У другому такті вимірювання за командою з мікропроцесора 13 відкри-
вається клапан постачання 23 і мікронасос 21 заповнює камеру 7 порівняння
розчином з концентрацією С2 ( }{}{}{ 12 CCC ∆+= ) досліджуваної речовини. При-
чому розмір концентрації С2 відрізняється від попереднього розміру концен-
трації С1 на ,}{3}{ σ≥∆C де σ – середньоквадратичне відхилення похибки n
результатів вимірювань з імовірністю Р = 0,95. Після заповнення камери 7 по-
рівняння спрацьовує сенсор 28 рівня і, за командою мікропроцесора 13, вими-
кається мікронасос 21 та закривається клапан постачання 23. Внаслідок
вимірювання у другому такті напруга на виході інтегратора 11 описується
рівнянням величин
''))]1([(
0
2
2
2
2 1222221
3
2
])([1 USeIdttu
t
U л
BBlklCkCk
t
t
cnоп ∆+=
∆
= −−−−+−∫ , (4)
МІКРОПРОЦЕСОРНИЙ ВИМІРЮВАЧ КОНЦЕНТРАЦІЇ РЕЧОВИН В УЛЬТРАФІОЛЕТОВОМУ
...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3
47
де 2t∆ – час вимірювання ( }{}{}{}{ 232 tttt ∆=−=∆ ); )(2 tu – напруга, що отримана
внаслідок перетворення інтенсивності потоку ультрафіолетового випроміню-
вання, що пройшло через складану кювету з розчином концентрації С2 речовини.
Напруга (4) за допомогою перетворювача “напруга-частота” 12 перетво-
рюється в частоту 2f електричного сигналу. За допомогою мікропроцесора 13
здійснюється вимірювання частоти 2f цього сигналу. Отриманий результат 2N
( }}{}{{}}{{ 020022 tUStfN ∆=∆= ) вимірювання частоти
2f запам’ятовується.
У третьому такті за командою мікропроцесора 13 відкривається клапан по-
стачання 24 і робоча камера 6 заповнюється досліджуваним розчином з невідо-
мою концентрацією xC речовини. У камері 7 порівняння залишається розчин з
тією ж концентрацією речовини, що й у попередньому такті. По заповненню ро-
бочої камери 6 спрацьовує сенсор 29 рівня і, за командою мікропроцесора 13,
закривається клапан постачання 24. Внаслідок вимірювання у третьому такті
напруга на виході інтегратора 11 описується рівнянням величин
'')))](1()([(
0
2
3
3
3 1222221
5
4
])([1 USeIdttu
t
U л
BBlklCCkCCk
t
t
cnопxx ∆+=
∆
= −−−+−++−∫ , (5)
де 3t∆ – час вимірювання ( }{}{}{}{ 453 tttt ∆=−=∆ ); )(3 tu – напруга, отримана
внаслідок перетворення інтенсивності потоку ультрафіолетового випромінювання,
що пройшло через складану кювету з розчинами концентрацій С2 та Сx.
Напруга (5) за допомогою перетворювача “напруга-частота” 12 перетво-
рюється в частоту 3f електричного сигналу. За допомогою мікропроцесора 13
здійснюється вимірювання частоти 3f цього сигналу. Результат вимірювання 3N
( }}{}{{}}{{ 030033 tUStfN ∆=∆= ) запам’ятовується. За командою з мікропроце-сора
13 відкривається зливний клапан 26 і здійснюється спорожнення камери 7 по-
рівняння в ємність 18.
У четвертому такті в робочій камері 6 знаходиться досліджуваний розчин з
тією ж концентрацією xC речовини. За командою з мікропроцесора 13 відкрива-
ється клапан постачання 22 і мікронасос 21 заповнює камеру 7 порівняння роз-
чином з нормованою за розміром концентрацією С1 речовини. Після заповнення
камери 7 порівняння спрацьовує сенсор 28 рівня і, за командою мікропроцесора
13, вимикається мікронасос 21 та закривається клапан постачання 22. Внаслідок
вимірювання у четвертому такті напруга на виході інтегратора 11 описується
рівнянням величин
'')))](1()([(
0
2
4
4
4 1221211
7
6
])([1 USeIdttu
t
U л
BBlklCCkCCk
t
t
cnопxx ∆+=
∆
= −−−+−++−∫ , (6)
В.Т. КОНДРАТОВ, В.Б. СІТАР
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3 48
де 4t∆ – час вимірювання ( }{}{}{}{ 674 tttt ∆=−=∆ ); )(4 tu – напруга, отримана
внаслідок перетворення інтенсивності потоку ультрафіолетового випромінюван-
ня, що пройшло через складану кювету з розчинами концентрацій С1 та Сx речо-
вини.
Напруга (6) за допомогою перетворювача “напруга – частота” 12 перетво-
рюється в частоту 4f електричного сигналу. За допомогою мікропроцесора 13
здійснюється вимірювання частоти 4f цього сигналу. Отриманий результат 4N
( }}{}{{}}{{ 040044 tUStfN ∆=∆= ) вимірювання запам’ятовується.
У п’ятому такті за командою мікропроцесора 13 відкриваються зливні кла-
пани 25 та 27 і здійснюється спорожнення складаної кювети 5. Вимикають дже-
рело 1 монохроматичного випромінювання. В цьому разі виключається проход-
ження потоку монохроматичного ультрафіолетового випромінювання через не-
заповнені камери складаної кювети 5. В дійсне значення напруги U5 перетво-
рюється вже інтенсивність темнового потоку. Внаслідок вимірювання напруга
на виході інтегратора 11 описується наступним рівнянням величин:
'2
5
5
5
9
8
])([1 Udttu
t
U
t
t
∆=
∆
= ∫ , (7)
де 5t∆ – час вимірювання ( }{}{}{}{ 895 tttt ∆=−=∆ ); )(5 tu – напруга, отримана вна-
слідок перетворення інтенсивності потоку ультрафіолетового випромінювання, що
пройшло через незаповнені камери складаної кювети. Отримана напруга (7) за до-
помогою перетворювача “напруга-частота” 12 перетворюється в частоту 5f елек-
тричного сигналу. За допомогою мікропроцесора 13 здійснюється вимірювання
частоти цього сигналу. Результат 5N ( }}{}{{}}{{ 050055 tUStfN ∆=∆= ) вимірювання
запам’ятовується.
Отримані результати проміжних вимірювань концентрації обробляються
згідно з рівнянням надлишкових вимірювань
)ln(
))((
))((
ln)(
52
51
2
5453
5251
12 UU
UU
n
UUUU
UUUU
CCC x −
−
⋅
−−
−−
⋅−= , (8)
де n2 = 2.
За допомогою мікропроцесора 13 здійснюється обробка результатів промі-
жних вимірювань 1N , 2N , 3N , 4N , 5N відповідно до рівняння числових значень
)ln(
))((
))((ln}){}({
52
51
2
5453
5251
12 NN
NNn
NNNN
NNNNCCNx −
−
⋅
−−
−−
⋅−= . (9)
МІКРОПРОЦЕСОРНИЙ ВИМІРЮВАЧ КОНЦЕНТРАЦІЇ РЕЧОВИН В УЛЬТРАФІОЛЕТОВОМУ
...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2004, № 3
49
Код числа XN , який характеризує кінцевий результат вимірювання, відо-
бражається на цифровому відліковому пристрої 16.
Якщо підставити у (8) вирази (3) – (7) для напруг, то не важко переконатися,
що обробка результатів проміжних вимірювань за рівнянням числових значень
(9) забезпечує автоматичну корекцію систематичних похибок результатів
вимірювань, обумовлених нестабільністю параметрів фотоприймача і дрейфу нуля.
Таким чином, запропонований мікропроцесорний вимірювач концентрації
речовин, який реалізує метод надлишкових вимірювань концентрації речовин,
забезпечує розв’язання задачі автоматичної корекції систематичних похибок.
Використання мікропроцесора 13 забезпечило скорочення часу вимірювання
концентрації більше ніж в 10 разів за рахунок автоматичного керування проце-
сом заповнення та спорожнення кювет і обчислення результатів проміжних
вимірювань.
Попередня оцінка показала можливість створення цифрового вимірювача
концентрації речовин з відносною похибкою γ ={0,5…1}%.
1. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей / Пер. с чеш.; Под ред. О. С. Арутюнова. – М.:
Энергия, 1970. – 552 с.
2. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам
анализа. – 5-е изд., перераб. – Л.: Химия, 1986. – 432 с.
3. Баркан М.Я., Каралис В.Н. Двухканальный ультрафиолетовый фотометр // Приборы и
техника эксперимента. − 1977. − № 5. −С. 166−167.
4. А.с. № 2012868. Однолучевой многоканальный анализатор / В.Р. Козубовский, Т.И. По-
вхан. – Опубл. 15. 05. 1994. Бюл. № 9.
5. А.с. № 1807356. Фотоэлектрический способ определения концентрации жидких и газо-
образных сред / В.С. Михалевич, В.Т. Кондратов, Ю.А. Скрипник. – Опубл. 07. 04. 1993.
Бюл. № 13.
Отримано 18.02.2004
|