Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы анализа состава жидкостей на базе химических сенсоров 12
1.1. Методы анализа состава жидкостей на базе оптических химических сенсоров 13
1.1.1. Метод рефрактометрии 13
1.1.2. Метод поляриметрии 14
1.1.3. Абсорбционный метод 15
1.1.4. Метод спектрофотометрии 16
1.1.5. Метод колориметрии 17
1.1.6. Метод фотометрии 17
1.2. Методы анализа состава жидкостей на базе масс-чувствительных сенсоров 18
1.3. Методы анализа состава жидкостей на базе тепло-чувствительных сенсоров 20
1.4. Методы анализа состава жидкостей на базе электрохимических сенсоров 21
1.4.1. Кондуктометрический метод 21
1.4.2 Вольтамперометрический метод 22
1.4.3. Потенциометрический метод 24
1.5. Выводы по обзору литературы 40
ГЛАВА 2. Быстродействующий метод контроля концентрации ионов металлов в водной среде 42
2.1. Постановка задачи 42
2.2. Быстродействующий метод контроля концентрации 42
2.3. Измерительная установка 46
2.3.1. Приготовление ионоселективных мембран 46
2.3.2. Изготовление ионоселективных электродов 47
2.4. Исследование метрологических характеристик мембранного датчика в переходном режиме работы 47
2.4.1. Исследование переходной характеристики мембранного датчика 47
2.4.2. Определение постоянной времени мембранного датчика 51
2.4.3. Исследование зависимости переходных характеристик датчика от толщины мембраны 53
2.4.4. Исследование зависимости переходных характеристик датчика от температуры исследуемого раствора 58
2.4.5. Зависимость ЭДС от температуры исследуемого раствора 61
2.4.6. Исследование зависимости переходных характеристик датчика от концентрации исследуемого раствора 64
2.4.7. Зависимость ЭДС Еуст от концентрации исследуемого раствора...67
2.5. Выводы 68
ГЛАВА 3. Визуализация быстродействующего метода на электронной модели и разработка макета информационно-измерительной системы 70
3.1. Постановка задачи 70
3.2. Электронная модель работы мембранного датчика в переходном режиме 70
3.3. Разработка макета информационно-измерительной системы 80
3.3.1. Аппаратная часть макета информационно-измерительной системы 80
3.3.2. Программная среда, обслуживающая процесс измерения 81
3.3.3. Программная часть макета информационно-измерительной системы 82
3.4. Измерение концентрации ионов Na+ в растворе с использованием макета информационно-измерительной системы 95
3.5. Выводы 102
Заключение 104
Список литературы
- Метод рефрактометрии
- Приготовление ионоселективных мембран
- Исследование зависимости переходных характеристик датчика от температуры исследуемого раствора
- Разработка макета информационно-измерительной системы
Введение к работе
В настоящее время разработка эффективных методов и средств анализа состава веществ является одной из важнейших задач, от решения которых существенно зависит развитие многих отраслей народного хозяйства. Актуальность работ в этом направлении определяется быстрорастущей потребностью целого ряда новейших областей науки и техники в чистых и сверхчистых материалах, требованиями улучшения контроля за качеством сырья, промышленной и сельскохозяйственной продукции, продуктов питания, а также мониторинга окружающей среды и Мирового океана.
Среди большого разнообразия аналитических методов все большее внимание в нашей стране и за рубежом уделяется одному из наиболее перспективных направлений электроанализа - методу с применением мембранных датчиков (ионоселективных электродов). Этот метод анализа относится к числу наиболее перспективных современных методик, позволяющих быстро и точно определять концентрацию многих неорганических ионов и ряда соединений неионного характера. Удобство и простота работы с ионоселективными электродами способствуют их широкому распространению и применению в самых различных областях.
Мембранные датчики относятся к устройствам, которые дают прямую информацию о химическом составе среды, в которую помещен датчик. Его можно поместить прямо в технологический раствор, где он будет приобретать тот или иной потенциал в зависимости от состава раствора. Мембранная технология применяется в областях, где традиционные методы неприменимы или малоэффективны.
На тепловых электрических станциях использование мембранных датчиков позволяет автоматизировать процессы ведения водно-химического режима, а также автоматически контролировать ионный состав исходной воды на разных стадиях её обработки. Мембранные датчики применяются
как в производственном процессе, так и в клиническом анализе (анализ Na+,
0-L 9-і-
Са и Mg в жидкостях тела человека).
Областями применения мембранных датчиков являются медицина, биология, почвоведение, океанология, анализ загрязнений окружающей среды. Они применяются при контроле за нефтепродуктами, крупными химическими агрегатами, ядерными реакторами, технологическими растворами во многих производствах. Такое широкое применение датчиков обусловлено их способностью без нарушения целостности объекта определять активности соответствующих компонентов. Чем более селективен электрод к данному иону, тем шире область его применения в различных средах.
Преимущества мембранных датчиков - относительная простота, компактность аппаратурного оформления, дешевизна, быстродействие, высокая чувствительность, селективность, экологическая чистота, непрерывность процесса измерения и возможность его автоматизации. Но при частом и долговременном использовании ионоселективной мембраны в датчике (измерение концентрации занимает продолжительный промежуток времени) происходит быстрое "отравление" и засорение мембраны ионами других металлов. Как следствие, снижается порог её чувствительности к определяемым ионам, и уменьшается её срок годности. Устранение указанных недостатков и повышение точности измерения позволят получать более достоверные данные о составе раствора. В связи с этим разработка быстродействующего метода неразрушающего контроля параметров природной среды, веществ, материалов и изделий с использованием мембранных датчиков является актуальной задачей.
Целью работы является повышение быстродействия и воспроизводимости потенциометрического метода анализа состава жидкостей.
Задачей научного исследования является разработка метода
определения концентрации ионов металлов в переходном режиме работы мембранного датчика, направленного на повышение быстродействия и увеличение срока его службы.
Решение указанной задачи требовало рассмотрения следующих вопросов:
экспериментальное исследование переходных и стационарных метрологических характеристик мембранного датчика;
апробация метода определения концентрации на электронной модели работы датчика в переходном режиме, построенной в среде Electronics Workbench;
проведение реальных измерений и их автоматизация с использованием программного пакета Lab VIEW.
Научная новизна работы представлена следующими результатами:
на основе исследований переходных характеристик мембранного датчика установлено, что он является системой измерения первого порядка, работа которой описывается эквивалентной схемой RC-цепочки;
предложена электронная модель работы мембранного датчика в переходном режиме, разработанная в среде Electronics Workbench, которая подтверждает адекватность и преимущества метода;
спроектирован и реализован макет информационно-измерительной системы;
впервые предложен метод измерения концентрации ионов металлов в природных и технических средах в переходном режиме работы мембранного датчика; показано его преимущество по сравнению с измерениями в стационарном режиме;
на примере измерения концентрации ионов Na+ в воде показано, что предложенный метод позволяет сократить время измерения на несколько порядков и свести погрешность измерения к погрешности метода.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования показывают, что метод контроля параметров природной и технической воды в переходном режиме работы мембранного датчика значительно уменьшает время измерения и увеличивает срок его службы. Это расширяет области применения этого датчика. Например, он может применяться при контроле нестационарных и химически активных сред, требующих быстроты измерения.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Основные научные положения, изложенные в работе, достаточно полно и убедительно обоснованы результатами экспериментальных исследований, проведенных в лаборатории и на натуральных объектах. Методика их проведения, использование современных надежных измерительных приборов и автоматизированных систем обработки данных дают основания утверждать, что полученные данные достоверны.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод контроля параметров природной и технической воды на основе работы мембранного датчика в переходном режиме, позволяющий существенно повысить его быстродействие и увеличить срок службы датчика;
экспериментальное исследование метрологических характеристик мембранного датчика, которые дают основание утверждать, что он является системой измерения первого порядка, обладающей переходным режимом работы;
визуализация данного метода контроля параметров природной и технической воды и его анализ на реальных измерениях, которые показывают его преимущества, например, при контроле агрессивных и нестационарных сред.
Личный вклад автора заключается в:
- проведении измерений и исследовании метрологических характеристик
мембранного датчика;
визуализации и анализе применимости данного метода контроля параметров природной и технической воды на электронной модели, реализованной с использованием среды Electronics Workbench
проверке быстродействующего метода определения концентрации ионов металлов на макете информационно-измерительной системы;
обработке и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
VII, VIII, IX, X аспирантско-магистерских научных семинарах (Казань, КГЭУ, 2003 - 2006 гг.);
1-ой и П-ой Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение» (Казань, КГТУ им. Туполева, 2004 - 2005 гг.);
16-ой, 17-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2004 - 2005 гг.);
Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2006г.);
Молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2006 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 1 научная статья в центральной печати и 7 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Материалы диссертации
изложены на 114 страницах печатного текста, включая 42 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 90 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы, формулируется цель работы, научная новизна и практическая ценность, дается общая характеристика и структура работы.
В первой главе дан сравнительный анализ и критический обзор приборов и методов анализа состава жидкостей. Подробно рассмотрены их достоинства и недостатки. Наиболее распространенные из них обладают рядом недостатков, к которым можно отнести ограничение зоны чувствительности, которая не позволяет контролировать весь диапазон измеряемой величины, большая погрешность, низкое быстродействие, чувствительность к "отравлению" различными примесями и т.д.
Особое внимание уделено потенциометрическому методу, принцип действия которого основан на измерении разности потенциалов. Потенциометрические датчики, к которым относится мембранный датчик, обладают рядом достоинств: быстрота измерения, незначительный объём пробы, требующейся для проведения анализа, возможность проведения измерения непосредственно в контролируемой среде, если даже она непрозрачна и содержит механические примеси. На основе обзора сделан вывод, что наиболее приемлемым методом для определения концентрации является использование мембранных датчиков (ионоселективных электродов).
Во второй главе излагается идея метода измерения концентрации в переходном режиме работы мембранного датчика, приведено теоретическое обоснование возможности его применения, исследованы метрологические характеристики в стационарном и переходном режиме работы мембранного датчика.
В третьей главе проведено исследование временных границ применимости быстродействующего метода на электронной модели,
разработанной в среде Electronics Workbench, и на реальных измерениях концентрации ионов Na+ в природной воде с использованием макета информационно-измерительной системы, реализованного на оборудовании фирмы National Instruments.
В заключении представлены основные результаты и выводы диссертации.
Автор выражает глубокую сердечную благодарность научному
руководителю д.т.н., проф. Белавину В.А. за организацию работы,
постоянное внимание, помощь в обсуждении, обобщении и обработке результатов. Благодарность научному консультанту зав. лабораторией биофизики КФТИ КНЦ РАН, д.б.н., проф. Гайнутдинову Х.Л. за постоянные консультации и помощь в обсуждении полученных результатов; благодарность зав. кафедрой физической и органической химии КГТУ (КХТИ), д.х.н., проф. Галяметдинову Ю.Г. за постоянные консультации и помощь в подборе и обсуждении литературных данных; благодарность сотруднику лаборатории биофизики КФТИ КНЦ РАН, к.б.н. Андрианову В.В. за материальное обеспечение проведения экспериментов, в поддержании работоспособности комплекса измерительной системы и предоставленную возможность использования необходимых измерительных приборов. Особая благодарность д.ф.-м.н., проф. Попову Е.А. за поддержку и неоценимую помощь, оказанную после трагической гибели научного руководителя. А также благодарность всему коллективу кафедры Информатики и информационных управляющих систем Казанского государственного энергетического университета за помощь в работе.
Метод рефрактометрии
При переходе электромагнитного излучения через границу раздела двух сред происходит преломление (рефракция) света. Показатель преломления п определяется как соотношение фазовых скоростей света в вакууме и в данной среде. Его можно определить геометрически на основе закона преломления Снеллиуса: = , (1.1) пі snip где а - угол падения, /? - угол преломления на границе раздела двух сред.
Показатель преломления является характерной для данного вещества константой, которая зависит от длины волны света и температуры. Измерение показателя преломления можно использовать для контроля чистоты жидкостей и определения концентрации растворов. В качестве стандартного значения при таких измерениях служит обычно величина показателя преломления, измеренная при 20С на длине волны X = 589,3 нм (D-линия натрия). Ее обозначают nD20. На практике величины показателей преломления измеряют с помощью специальной призмы (рефрактометры Аббе, Пульфриха) [4].
Оптически активные вещества, имеющие асимметричную молекулярную или кристаллическую структуру, поворачивают плоскость поляризации линейно поляризованного света на угол а. Оптическая активность характеризует хиральность молекулы (кристалла), о наличии которой можно заключить и из рассмотрения структуры вещества (отсутствие плоскости симметрии или оси инверсии). В хиральной среде значения показателя преломления п и коэффициента поглощения е различаются для света с левой и правой круговой поляризацией, в результате чего при прохождении плоскополяризованного света через такую среду наблюдается изменение направления результирующего электрического вектора электромагнитной волны. Величину, характеризующую зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны da/dX, называют дисперсией оптического вращения (ДОВ). Зависимости ДОВ от X для энантиомеров зеркально симметричны; их можно использовать для установления конфигурации хиральных соединений [3].
Угол поворота плоскости поляризации измеряют обычно при 20С для стандартной длины волны X = 589,3 нм (D-линия Na). Величина а пропорциональна толщине слоя вещества и концентрации раствора. Если величина удельного угла вращения известна, то, измеряя а, можно рассчитать концентрацию оптически активного вещества или избыточную концентрацию одного из энантиомеров в их смеси.
Прибор для измерения углов вращения называют поляриметром (рис. 1.1). Он содержит одну призму Николя, играющую роль поляризатора света, и другую призму - анализатор [4].
Абсорбционные методы анализа основаны на ослаблении светового потока при его прохождении через поглощающую среду вследствие возбуждения электронных уровней атомов и молекул. Энергия квантов поглощаемого света равна разности энергий между основным и возбужденным электронными уровнями частицы (резонанс). При поглощении света атомами возбуждаются только электроны, находящиеся на внешних орбиталях. Для молекул и комплексов видимый свет может возбуждать также неспаренные электроны, -электронные пары и d-электроны центрального атома [3]. Ослабление света в поглощающей среде подчиняется закону Ламберта- Бера: / = /0ехр(-єс/) (1.2) где /Q - интенсивность падающего света, / - толщина поглощающего слоя, е- молярный коэффициент поглощения, с - концентрация вещества [4].
Он основан на измерении оптической плотности образца (eel). Соответствующие приборы (спектрофотометры) устроены по одному и тому же принципу (рис. 1.2). Белый свет, излучаемый источником, разлагается в спектр с помощью монохроматора (призма или дифракционная решетка). Из него затем выбирается участок спектра требуемой длины волны. Работа большинства современных спектрофотометров основана на двухлучевой схеме. Ее особенность состоит в том, что луч света с помощью системы зеркал делится на два когерентных потока, из которых один проходит через анализируемое вещество, а второй служит для сравнения [2].
Приготовление ионоселективных мембран
Для определения концентрации ионов щелочных и щелочноземельных металлов наиболее хорошие результаты достигнуты в направлении разработки ионоселективных электродов с пластифицированными поливинилхлоридными (ПВХ) мембранами.
Мембрана представляет собой пленку из пластифицированного полимера (матрицы) с внедренным в неё ионофором. В качестве ионофоров применяются краун-эфиры, каликсарены, поданды. Полимерная матрица была изготовлена из поливинилхлорида (ПВХ) и пластификаторов. Липофильной ионной добавкой служит тетрафенилборат натрия (ТФБ-Na), а в качестве пластификатора служил о-нитро-фенил-октиловый эфир (о-НФОЭ), диоктилфталат (ДОФ) и дибутилфталат (ДБФ). Ионоселективные мембраны приготовлялись по следующему способу: в бюксе объёмом 20 мл в тетрагидрофуране (ТГФ) растворялись ПВХ порошок (30 33%), ионофор (1 3%), ТФБ-Na (0,1 1%) и пластификатор (65 70%). Взвешивание компонентов проводилось на аналитических весах ВЛР-20 с точностью до 0,000005 г. Затем раствор наливался на чашку Петри диаметром 10 см и оставлялся на 24 часа до полного испарения ТГФ. Формировалась эластичная прозрачная мембрана толщиной 0,3 0,5 мм.
Для проведения испытаний опытных образцов из мембран были приготовлены электроды с электролитическим контактом. Из ионоселективной мембраны вырезался круг диаметром 7-=-8 мм и приклеивался клеящим составом (раствор ПВХ в ТГФ) на торец поливинилхлоридной трубки диаметром 5 мм и длиной 50-=-60 мм. Внутрь трубки после высыхания клея вливался 0,1 молярный водный раствор соли определяемого иона и вставлялся в качестве внутреннего электрода хлорсеребряный электрод. Хлорсеребряный электрод закреплялся в поливинилхлоридной трубке при помощи силиконовой пасты.
Под переходной характеристикой понимается временная зависимость выходного напряжения с момента погружения датчика в раствор до достижения установившегося значения. Измерение переходной характеристики мембранного датчика проводилось при температуре раствора Т = 25С. Концентрация ионов натрия, содержащихся в растворе NaCl, составляла С = 10"2 моль/л. Для определения зависимости ЭДС от времени установления использовался Ка+-селективный электрод с толщиной мембраны d = 0,1 мм. Как видно из рис.2.2, стабилизация значения ЭДС происходила через 40 секунд после погружения мембранного датчика в исследуемый раствор. Видно, что концентрации ионов Na+ в растворе С=10"2 моль/л соответствует значение Еуш=90 мВ. После установления значения ЭДС мембранный датчик извлекается из раствора и происходит его разряд в течении 40 секунд (рис.2.3).
Обработка результатов проведенных измерений. Измерения переходной характеристики мембранного датчика проводились 5 раз. Результаты измерений и их математическая обработка представлены в табл.2, 3. Определялись следующие параметры, которые затем использовались для аппроксимации экспериментальной кривых методом наименьших квадратов:
1) Среднеарифметическое значение результатов измерений:
Результаты математической обработки экспериментальных зависимостей показывают (рис. 2.2, 2.3), что они хорошо описываются экспоненциальной зависимостью (2.1), то есть работа мембранного датчика соответствует заряду и разряду конденсатора в эквивалентной схеме RC-цепочки. При этом заряд конденсатора соответствует погружению мембранного датчика в раствор, содержащий ионы металлов, а разряд конденсатора соответствует извлечению датчика из этого раствора.
Таким образом, мы показали, что переходная характеристика датчика представляет собой экспоненциальную зависимость ЭДС от t, поэтому мерой времени установления Еуст является постоянная времени г, которая в эквивалентной схеме RC цепочки определяется выражением [71]: T = RC. (2.13)
Величина сопротивления мембранного датчика R была измерена универсальным цифровым вольтметром марки В7-40/5. Она оказалась равной 10 кОм. Для нахождения величины ёмкости конденсатора С необходимо найти постоянную времени т.
Для нахождения г используем метод регрессионного анализа. Так как экспоненциальная регрессия обеспечивает получение параметров функции F(t) = Еуст-еа \ (2.14) где «і - неизвестный коэффициент [72-75], то уравнение переходной характеристики (2.1) необходимо преобразовать к виду (2.14):
Исследование зависимости переходных характеристик датчика от температуры исследуемого раствора
Для исследования зависимости формы переходной характеристики от температуры исследуемого раствора был использован Ка+-селективный электрод с толщиной мембраны 0,1 мм. Концентрация ионов Na+ в исследуемом растворе составляла 10" моль/л. Измерения проводились при температуре раствора от 0 до 60С. Показания прибора снимались при постоянном перемешивании контрольного раствора. Стабилизация значений ЭДС происходила через 40 секунд после начала перемешивания.
Обработка результатов проведенных измерений. Измерения переходной характеристики при разных температурах проводились 5 раз. Результаты измерений и их математическая обработка представлены в табл.5. Переходные характеристики при разных температурах исследуемого раствора показаны на рис.2.6.
Для исследования формы переходной характеристики от концентрации ионов Na+ в растворе был использован Ка+-селективный электрод с толщиной ионоселективной мембраны 0,1 мм. Измерения проводились при температуре раствора 25С в диапазоне концентраций ионов Na+ от 1 до 10"6 моль/л. Показания прибора снимались при постоянном перемешивании раствора. Стабилизация значений ЭДС происходила примерно через 40 секунд.
Обработка результатов проведенных измерений. Измерения переходных характеристик при разных концентрациях раствора проводились 3 раза. Результаты измерений и их математическая обработка представлены в табл.6.
Зависимость Eycm(-\gQ совпадает с аналогичной зависимостью, полученной в стационарном режиме работы мембранного датчика. Крутизна данной функции показывает чувствительность мембраны к данному иону в конкретном интервале изменения концентраций. Чем больше крутизна, тем чувствительнее мембрана. Из рис. 2.9 видно, что наибольшей чувствительностью датчик обладает при концентрациях от 1 до 10"1 моль/л. При дальнейшем изменении концентрации во внешнем растворе до 10 6 моль/л чувствительность постепенно спадает и, следовательно, датчик становится менее чувствительным. При концентрациях, меньших 10"6 моль/л, крутизна нулевая, поэтому предел обнаружения ионов ограничивается 10 6 моль/л. Следовательно, как и в стационарном режиме, диапазон концентраций, который может определить датчик, составляет ІЧ-10"6 моль/л.
Таким образом, для ускорения процесса измерения, предложен быстродействующий метод определения концентрации с помощью двух засечек времени. Его правомерность обеспечивается результатами следующих исследований:
1. Установлено, что мембранный датчик является системой измерения первого порядка с переходной характеристикой экспоненциальной формы и его работа соответствует заряду и разряду конденсатора в эквивалентной схеме RC-цепочки. При этом заряд конденсатора соответствует погружению мембранного датчика в раствор, содержащий ионы металлов, а разряд конденсатора соответствует извлечению датчика из этого раствора.
2. В результате проведенных экспериментальных исследований переходной характеристики было установлено, что постоянная датчика и, следовательно, стабилизация его показаний линейным образом зависят от толщины ионоселективной мембраны.
3. При концентрации ионов Na в растворе 10" моль/л исследована переходная характеристика датчика при разных температурах. Показано, что форма переходной характеристики и постоянная времени датчика не зависят от температуры. Найдена линейная температурная зависимость Еуст(Т), совпадающая с зависимостью, полученной при измерениях в стационарном режиме.
4. При Т=25 С0 изучена переходная характеристика при разных концентрациях ионов Na+ в исследуемом растворе. Найдена калибровочная кривая Eycm(-lgQ, которая совпадает с калибровочной кривой, полученной в стационарных измерениях.
Электронная модель, разработанная в среде Electronics Workbench, является визуализацией быстродействующего метода и позволяет подобрать оптимальные варианты режима работы мембранного датчика.
Разработанный макет информационно-измерительной системы включает в себя мембранный датчик, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер. В качестве АЦП используется оборудование фирмы National Instruments и программный пакет Lab VIEW. Рассмотрены вопросы, касающиеся аппаратной и программной реализации макета информационно-измерительной системы. Приведены результаты экспериментальных измерений с его использованием.
Как известно, основным достоинством электронных моделей является их простота и быстродействие, позволяющее без всяких дополнительных мер создавать аналоги ячеек, работающих в реальном масштабе времени, напряжений и токов [81-83].
Основываясь на этих принципах, было проведено схемотехническое моделирование работы мембранного датчика в переходном режиме. Для схемотехнического моделирования работы датчика в идеальных условиях и определения границ применимости быстродействующего метода была выбрана программа Electronics Workbench (EWB). Особенностью этой программы является наличие контрольно-измерительных приборов, максимально приближенных к их промышленным аналогам по внешнему виду, органам управления и характеристикам. Программа EWB имеет простой пользовательский интерфейс и удобна в работе [84].
Электронная модель работы мембранного датчика в переходном режиме базируется на эквивалентной схеме RC-цепочки следующего вида (рис.3.1), в которой мембранный датчик является комбинацией конденсатора С и активного сопротивления і?,:
Разработка макета информационно-измерительной системы
Для того чтобы преобразовать поток данных, получаемых с выхода мембранного датчика, в массив данных, где каждому моменту времени будет соответствовать определенное значение ЭДС, на блок-диаграмме размещается соответствующий элемент. Для этого из палитры Function выбирается подпалитра All Function, из которой выбирается элемент Waveform, а из
Для того чтобы сделать выборки значений ЭДС в моменты времени t\ и t2, на блок-диаграмме размещаются соответствующие элементы. Для этого из палитры Function выбирается подпалитра All Function, из которой выбирается элемент Array, а из него - Index Array (рис.3.11).
Зная значения ЭДС в моменты времени t\ и t2, нужно вычислить значение устанавливающейся ЭДС Еуст по формуле (2.7). Для этого в блок-диаграмму прибора вводится элемент Formula (Узел формул), в котором содержится соответствующее уравнение. Элемент Formula (Узел формул) предназначен для работы со сложными математическими формулами и выражениями и находится в палитре Function (Функции) в подпалитре Arith/Cornpare (Арифметические операции) (рис.3.12).
Для отображения значения Еуст в цифровом виде после узла формул размещается цифровой индикатор. Для этого на лицевой панели прибора щелчком правой кнопки мыши выводится палитра Controls (Управление). В ней выбирается подпалитра Num Inds (Цифровые индикаторы), из которой выбирается элемент Num Ind (Цифровой индикатор) (рис.3.13). Это объект лицевой панели, используемый для отображения выходных числовых данных.
Как известно, мембранный датчик измеряет ЭДС. Но на выходе информационно-измерительной системы должен быть получен результат, показывающий значение концентрации ионов металлов в растворе. Следовательно, необходимо вычислить значение концентрации по значению ЭДС. Для этого в блок-диаграмму прибора необходимо ввести элемент Formula 2 (Узел формул), в котором содержится программа, написанная по формуле (2.27).
Для отображения цифрового значения концентрации ионов металлов в исследуемом растворе после узла Formula 2 размещается цифровой индикатор.
Чтобы опрос данных с датчика DAQ Assist происходил постоянно, необходимо задать цикл. На блок-диаграмме измерительной системы из палитры Function {Функции) выбирается подпалитра All Function {Все функции), из которой выбирается элемент Structures (Структуры). Этот элемент служит для управления выполнением программы, такой как структура последовательности, варианта, циклы по условию и с фиксированным числом итераций. Из элемента Structures выбирается цикл While Loop (Цикл по условию) и регулятор цикла (рис.3.14). Эта циклическая структура будет выполнять цикл до тех пор, пока не будет выполнено определенное условие. В качестве условия задается запуск виртуального прибора. Запуск прибора осуществляется включением переключателя на лицевой панели. Цикл по условию является неопределенной структурой, поэтому диаграмма в пределах его границ будет выполняться до тех пор, пока переключатель находится в положении «включить» (истина). Для прекращения работы прибора необходимо щелкнуть мышью по переключателю, подав таким образом логическое значение ложь на терминал условия выхода из цикла, и цикл завершит свое выполнение.
Чтобы получать данные с датчика DAQ Assist через определенные промежутки времени, в цикле задается частота опроса. Для этого из подпалитры All Function (Все функции) выбирается элемент Time & Dialog (Время и диалог). В нем выбирается элемент Wait Until Next ms Multiple (Задержка до следующего кратного интервала, мс), где задается частота опроса (рис.3.15). Эта функция обеспечивает задержку выполнения каждой итерации на определенное время. В данном случае частота опроса составляет 1 раз в 1 мс. -fc] Functions
