УДК 546.212:576.7

ОБ ИЗМЕРЕНИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МЕМБРАНЫ РЕАКТОРА В УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ СВОБОДНОЙ ВОДЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ

© 1997 г. Р. З. Гумиров

Устройство для определения содержания свободной воды в биологических тканях включает корпус с герметично закрывающейся крышкой и патрубками для его заполнения этанолом. Измерительное устройство устанавливается на крышке корпуса, которая дополнительно снабжена чувствительным элементом в виде мембраны. Внутри корпуса имеется держатель биологической ткани в виде фланца с расположенными по окружности гнездами со сквозными ступенчатыми отверстиями, в верхней части которых размещена биологическая ткань, заключенная в герметические капсулы, а в нижней - подпружиненная толкателями с режущими вставками для перфорации капсул, приводимые в движение электроприводом [1, 2].

Перемещение мембраны реактора контролируется с помощью датчика положения ДП, который должен иметь диапазон измерения от 0 до 1 мм, разрешающую способность 1 мкм и силовое воздействие на мембрану не более 5 г. В настоящее время существуют различные схемы построения датчиков перемещения ДП [3], и наиболее распространенные и заслуживающие внимания типы существующих ДП, основанные на разных принципах действия, показаны в табл. 1, в которой приведены сравнительные даные по диапазону преобразуемых перемещений и по величине реактивного усилия.

Таблица 1

Из таблицы видно, что практически для каждого типа ДП существуют ограничения по рассматриваемым параметрам, и это в свою очередь, накладывает ограничения на выбор ДП. Рассмотрим более подробно перечисленные в таблице типы ДП.

ДП с тензопреобразователем в последнее время нашли очень широкое распространение в связи с серийным освоением на Киевской фирме "Веда" высокостабильных фольговых и полупроводниковых тензодатчиков. Благодаря отработанной технологии изготовления устранен их основной недостаток,связанный со значительным технологическим разбросом параметров датчика. Это позволило получить взаимозаменяемые тензодатчики. Существенным ограничением в широком промышленном применении тензодатчиков служит несовершенство технологии наклейки и ограниченный диапазон перемещения. В нашем случае, наклеивая тензодатчики непосредственно на мембрану реактора, возможно их применение. Более целесообразно применение полупроводниковых тензометрических ДП с электронной схемой, в которой предусмотрена периодическая коррекция нуля перед каждым измерением.

Механотронные ДП типов МЭ-1, ЭЭ-5 и ЭЭ-8 в последнее время находят все меньшее применение ввиду их невысокой надежности из-за наличия нити накала и необходимости поддержания высокой степени вакуума. Применение их в новых разработках нужно считать нецелесообразным.

ДП с датчиками Холла в настоящее время серийно не выпускаются ввиду их невысоких метрологических характеристик. Имеются примеры использования их в качестве релейных датчиков перемещения в образцах единичного изготовления, в которых вопросы точности не стоят на первом месте. Использование датчиков Холла для построения ДП серийного применения требует значительных исследований, положительный результат которых неочевиден.

Широко применяются в схемах ДП индуктивные преобразователи, разработкой которых занимаются многие организации. Этот класс ДП, наиболее разработанный, содержит разные модификации, среди которых магнитоупругие, индуктивные, соленоидные и дифференциально-трансформаторные являются наиболее распространенными. Большинство этих датчиков применяются в машиностроении для контроля размеров деталей и в приборостроении для измерения теплоэнергетических параметров. Из индуктивных ДП можно назвать такие типы: Э, БВ-908, ДИ-1М, АРЛ-1, ДУ, ИКВ, Д-3, разработанные в ЦНИИТМАШе, в Одесском политехническом институте и на заводах "Теплоконтроль" (г. Казань) и "Манометр" (г. Москва). Из соленоидных ДП известны типа ДС, применяемые в приборах ЭПИД, ВМД, АСД и др. Дифференциальнотрансформаторные ДП отличаются более высокой точностью, благодаря двухканальной схемой построения. Именно ДП такого типа - один из наиболее подходящих вариантов для применения в нашем случае.

Разновидностью индуктивных ДП, выделенных в отдельный класс приборов, являются индуктосины, отличающиеся от классических индуктивных ДП развернутой в линейку распределенной магнитной системой. Индуктосины находят применение при измерении больших перемещений до 1000 и более мм, например, в металлообрабатывающих станках с программным управлением. Для прецезионных станков в часовой промышленности известны примеры использования индуктосинов для контроля перемещений в диапазоне от 1 мкм до 10 мм. Однако широкого применения для измерения малых перемещений индуктосины не нашли из-за сложности и дороговизны.

В последнее время получают распространение растровые ДП с линейным и угловым перемещением. В штангенциркулях с цифровым отсчетом, индикаторах часового типа моделей 190, 191 и 192 инструментального завода "Измерон" (г. С.-Петербург) используются оптические растровые линейки, позволяющие получить разрешающую способность лучше 1мкм в диапазоне перемещения более 200 мм. В преобразователе типа ВЕ-178 завода "Красный Борец" (г. Орша) применяется оптический растровый диск с разрешающей способностью около 50". С помощью реперных импульсов диапазон измерения может быть увеличен до 360 градусов и более. При этом возможно возникновение сбоя, что приведет к грубому отказу ДП. Повышение защищенности от помех требует значительной избыточности в схеме измерения ввиде дополнительного "обзорного" канала или ввиде периодической коррекции нуля. Это удорожает схему измерения. Например, электронная часть индикаторов моделей 190 стоит более 100 долларов. Кроме того, технология изготовления растровой решетки достаточно трудоемка и экономически целесообразна при их массовом и серийном производстве.

Оптические интерференционные ДП применяются при научных исследованиях для измерения перемещений до тысячных долей микрона. При измерении используются монохроматические лучи лазера, направляемые по опорному и информационному каналам, и по совмещенной интерференционной картине определяется разница длин обоих каналов. Достигаемая точность является избыточной для нашего случая, но может быть использована в дальнейшем при более тонком анализе процессов в реакторе.

В последнее время с развитием элементной базы в электронике стало возможным построение ДП с применением ВЧ и СВЧ техники, основанных на измерении резонансной частоты отрезков длинной линии или объемного резонатора [4]. Измерение происходит на частотах сотни и тысячи МГц с девиацией частоты 5 - 20%. Преимущество этого метода измерения заключается в том, что в качестве информативного параметра могут выступать изменение геометрических размеров реактора или изменение электрофизических свойств среды реактора. Последнее обстоятельство заслуживает особого внимания, так как при однозначной функциональной зависимости между электрофизическими свойствами исследуемой среды реактора и его резонансной частотой появляется возможность вести измерение количества свободной воды без промежуточных преобразований в перемещение мембраны. Это принципиально другой подход к решению задачи, и в этом направлении требуются специальные исследования.

Широкое распространение получили емкостные и индуктивные ДП, у которых измерение емкости C и индуктивности L ведется по генераторной или мостовой схеме.

В качестве индуктивного ДП интерес представляет схема, применяемая в микробарографах типа М-75-2, серийный выпуск которых освоен на заводе " Гидрометприбор" (г.Рига) [5].

Принципиальная схема индуктивного ДП представлена на рис.1. На

Рис . 1

транзисторах VT1-VT4 собран стабилизатор напряжения с К=150, на VT5 и VT6 - генератор, на диодах VD3-VD6 - кольцевой модулятор. Индуктивность L1 и L2 совместно с конденсаторами С3 и С4 образуют колебательный контур и являются частотнозадающими цепочками генератора. Выходной ток после модулятора описывается уравнением:

, (1)

где r, Х_L- активное и индуктивное сопротивление одной катушки ДП; R - сопротивление измерительного прибора; U_п - напряжение источника питания; - круговая частота генерации; L₀ - индуктивность катушки ДП; A - относительное перемещение якоря ДП. Как видно из выражения (1), при АwL₀>>r коэффициент передачи максимален, однако схема работает в релейном режиме, что недопустимо. Для достижения линейного режима необходимо, чтобы соблюдалось условие АwL₀»r. При этом чувствительность схемы получается около 3мкА/мкм.

Результаты, полученные при испытаниях этого вида ДП показали, что он имеет ряд недостатков, такие как низкий коэффициент передачи, высокая трудоемкость изготовления ДП, связанная с наличием намоточных работ, критичность работы к параметрам схемы и к напряжению источника питания. Имеется также конструктивная несовместимость при стыковке якоря ДП с мембраной реактора, затрудняющая работу устройства в режиме заправки реактора этанолом.

Датчики емкостного типа выгодно отличаются тем, что конструкция их, представляющая собой две параллельно расположенные пластины, предельно проста и конструктивно легко вписывается в общую компоновку: одна пластина жестко закреплена на корпусе реактора и является неподвижной, другая пластина с помощью кронштейна установлена на мембране реактора и отслеживает ее перемещения. Обе пластины являются обкладками конденсатора, включенного в схему преобразования электрического сигнала. Имеется возможность регулировать зазор между пластинами конденсатора с тем, чтобы получить расчетное значение емкости, которое определяется из выражения [6]:

(2)

где S - площадь обкладки конденсатора [cм²]; d - растояние между обкладками [см].

Размеры обкладок конденсатора определяются габаритами мембраны и составляют в диаметре 70 мм; расстояние между обкладками конденсатора были выбраны из условия получения высокой чувствительности и технической возможности обеспечения минимального зазора, позволяющего получить необходимый коэффициент передачи и диапазон перемещения мембраны.

При начальном зазоре d_о = 1 мм емкость конденсатора составит 35 pF и чувствительность ДП получается не менее 1 pF на 100 мкм перемещения.

Преобразовать изменение емкости в электрический сигнал можно различными способами. Однако, учитывая малый диапазон перемещения мембраны и следовательно незначительные относительные изменения емкости ДП, преобразование C® U необходимо проводить на высокой частоте.

Для этих целей была использована схема, представленная на рис. 2, которая содержит два генератора Г₁ и Г₂ .

Рис. 2

Структурная схема измерителя перемещения мембраны реактора

В частотнозадающую цепь генератора Г₂ включена контролируемая емкость С_х, в контур другого генератора включена емкость опорного канала, являющаяся идентичной контролируемой емкости С_x. Такое построение по дифференциальной схеме позволяет практически исключить влияние дестабилизирующих факторов (влажность, температура и т. д.), так как происходит взаимное исключение погрешностей генераторов при алгебраическом сложении генерируемых ими сигналов f₀ и f_x - частот опорного и измерительного сигналов [7]. Сложение сигналов происходит на смесителе См, на выходе которого появляются гармонические составляющие После смешения частот f₀ и f_X на выходе смесителя (См) появляются гармонические составляющие nf₀; mf_X и комбинационные составляющие nf₀ ± mf_X. В числе комбинационных частот имеется разность частот первых гармоник, которая определяет частоту биений Df = | f₀ - f_X | и которая выделяется в схеме после фильтра низких частот ФНЧ. При выделении разностной частоты происходит компенсация погрешностей измерительного и опорного каналов, обусловленных дестабилизирующими факторами. После однокаскадного усиления разностного сигнала по низкой частоте на УНЧ происходит преобразование сигнала F в напряжение U на частотомере Ч, который работает в индикаторном режиме с нелинейностью ±2%. Путем небольшого усложнения схемы частотомера, а именно включения в него формирователя импульсов с постоянной вольт-секундной характеристикой удается получить частотомер с нелинейностью не более ±0,2%. Этот резерв повышения точности целесообразно использовать на дальнейших этапах исследований.

Электрическая схема измерителя перемещения мембраны показана на рис. 3, на которой опорный и измерительный генератор собраны на полевых транзисторах VT1 и VT2 соответственно, смеситель на транзисторе VT3, усилитель УНЧ - на VT4 и оконечный каскад, являющийся частотомером, - на биполярном транзисторе VT5. К конденсаторам C1 и C2 параллельно подключаются конденсаторы опорного и измерительного каналов, начальные емкости которых при d = 0,1 см, S = 49,5 см², температуре окружающей среды t_ОС = +20⁰C и барометрическом давлении 720 мм рт.ст. составляют C_0X = С₀₀ = (30 ± 2) пФ; начальные частоты измерительного и опорного генераторов f_0X = f₀₀ = (535 ± 5) кГц. Экспериментально установлено, что при напряжении питания схемы 10 В крутизна характеристики преобразования частоты в напряжение составляет не менее 1,6 В/кГц. Значит, при параметрах схемы, указанных на рис. 3, выходное напряжение в диапазоне 0 ё 2 В удается получить при перемещении мембраны в диапазоне не более 0,1 мм.

Рис. 3

Электрическая схема измерителя перемещения мембраны

При незначительном усложнении электрической схемы, а именно, использование цифрового метода преобразования частот f₀ и f_X, можно получить погрешности преобразования не более ±0,1% [8]. Структурная и принципиальная схема такого преобразователя будет показана в следующем номере журнала.

Выводы

1. Проведенный обзор и анализ существующих схем ДП показал преимущество высокочастотных индуктивных и емкостных ДП, обеспечивающих получение требуемых технических характеристик.

2. Более целесообразно на данном этапе разработки использовать ДП емкостного типа, на котором проведены большая часть экспериментальных исследований.

3. В дальнейших разработках с целью повышения точности измерения необходимо рассмотреть применение цифровых методов преобразования частот f₀ и f_X.

ЛИТЕРАТУРА

1. Махнач М. М. Устройство для определения содержания свободной воды в биологических тканях. - Патент РФ №2089903.

2. Махнач М. М. Устройство для определения содержания свободной воды в биологических тканях. - Изобретения. - 1997. - №25.

3. Агейкин Д. И. и др. Датчики контроля и регулирования, -М.:Машиностроение, 1965.

4. Викторов В. А. и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука, 1979.

5. Авторское свидетельство №1076735.

6. Волков В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. - М.:Энергия, 1977.

7. Зернов Н. В. и Карпов В. Г. Теория радиотехнических цепей. - Л.:Энергия, 1972.

8. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.:Энергоатомиздат, 1988.

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект РФФИ №96-04-50991).

Кафедра радиоэлектроники

Смоленская военная академия ПВО СВ РФ

Поступила в редакцию 20.03.97.