УДК 546.212:576.7
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ
РАЗРАБОТКИ СЕРВИСНОГО ОКРУЖЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ СВОБОДНОЙ ВОДЫ В
БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ
© 1997 г. В. В. Жилкин
Использование в практике эксперимента Устройства для определения содержания свободной воды в биологических тканях [1] (в дальнейшем Устройства) требует применения различных датчиков, клапанов, регистрирующих устройств и другого оборудования. В целом разработка всего комплекса различных приборов, окружающих Устройство и обеспечивающих снятие показаний различных параметров, а также управление работой самого Устройства, может рассматриваться в рамках концепции разработки его сервисного окружения .
Разработанные в ходе выполнения работ по программе Проекта РФФИ № 96-04-50991 некоторые элементы сервисного окружения рассмотрены в [2,3,4]. В данном материале представлены еще два элемента окружения, разработанных автором.
В Устройстве [1] в качестве реагирующей среды, изменяющей свой объем в ходе реакции использован этанол. Однако при этом значительно сказывается изменение объема жидкого реагента под воздействием температуры окружающего воздуха, что компенсируется путем термостатирования всей экспериментальной установки. При прохождении реакции смешивания воды и этанола также происходит выделение тепла, что вносит искажения в результаты эксперимента.
Решению задачи практического применения Устройства и созданию на его основе различных реакторов будет способствовать вынос всей системы из термостатированной среды и организация оперативного контроля температуры как в целом реагирующей среды так и непосредственно в локальной области протекания реакции с целью учета их влияния на изменения объема.
В ходе проводимого эксперимента требуется измерение температуры окружающей среды, температуры этанола внутри реактора, в различных его точках, а также значения температуры непосредственно в месте протекания реакции ( в капсуле с исследуемым образцом ).
Температура окружающей среды - комнатная - 18...25°C. При проведении эксперимента в термостате температура среды составит 30...31°C.
В ходе проведения эксперимента в результате реакции свободной воды с этанолом возможно повышение температуры в капсуле на 1...2°C (с учетом большой теплоемкости системы данное повышение будет еще меньше ).
Весь диапазон изменения температуры
составляет 18-33°C. Необходимая
дискретность измерения температуры не более 1% -
18/100=0.18 (°C).
Абсолютная погрешность не должна превышать половины единицы дискретности измерения, т. е. 0.09 °С.
При разработке макета установки большое внимание уделяется минимизации стоимости и доступности комплектующих изделий.
Исходя из указанных требований для анализа выбираем термопару, полупроводниковый преобразователь и преобразователь основанный на изменении удельного сопротивления металла.
Для анализа воспользуемся материалами
исследований, приведенными в [5]. На рис. 1 показаны
зависимости отклонения показаний термометров
без линеаризаторов от истинных значений
температуры для трех датчиков :
Рис. 1
Как видно из графиков , полупроводниковый датчик в интервале значений температуры - 40...+160 °C имеет существенно лучшую линейность в сравнении с термопарой и близок по этому параметру к платиновому резистору.
В [5] показано, что кремниевый
полупроводниковый переход маломощных приборов в
интервале температур -20...+150 °C имеет
максимальную погрешность измерения 2°C. Применение полупроводниковых
преобразователей является предпочтительным по
следующим соображениям:
В [5] эмпирическим путем было
найдено соотношение, определяющее вольт -
градусную чувствительность полупроводникового
преобразователя в мВ/град.:
S = -2.25 + 0.0033(Upn - 600),
где Upn - падение напряжения на PN переходе при токе через него 100 мкА.
Для кремниевого полупроводника
типовое значение падения напряжения на переходе
составляет 700 мВ., что определяет
чувствительность:
S = -2.25 + 0.0033(700 - 600) = -1.92
(мВ/град.).
Определим требуемую дискретность отсчета в вольтах.
Из постановки задачи известна требуемая точность измерения в градусах - 0.05 °C, тогда требеумая точность измерения в Вольтах составляет
1.92·0.05 = 0.096 (мВ) = 96 (мкВ).
Погрешность, вносимую полупроводниковым преобразователем определим из графика рис. 1. Изменение температуры от 0 до 60°C. дает погрешность в 1°C, которую в первом приближении можно интерполировать в равномерно изменяющуюся. На интервале 18-33C погрешность составит 1/6015 = 0.25 (°C), что превышает требуемую. Для достижения погрешности в 0.09 °C необходимо обеспечить работу реактора в диапазоне температур в 5.4°C или по результатам дальнейших экспериментов снизить требования к погрешности измерений до 0.1°C.
Для возможности получения точных
измерений схему преобразователя предлагается
выполнить в виде мостика Уитстона (рис. 2).
Рис. 2
Переменный резистор R1 служит
для балансировки измерительного моста.
Второй вариант датчика построен
согласно принципиальной схемы рис. 3
Рис. 3
От многочисленных датчиков данное
устройство отличается использованием в плечах
измерительного моста двух идентичных по
параметрам транзисторов, выполненных на одном
кристалле кремния, чем достигнута высокая
идентичность их параметров. Напряжение между
коллекторами транзисторов определяется
следующим соотношением [6]:
где k- постоянная Больцмана - 1.3810-23;
q - заряд электрона - 1.610-19 Кл;
Т - абсолютная температура в градусах Кельвина;
Ikv1, Ikv2 - ток коллектора
транзисторов.
Для измерения емкости между пластинами
датчика изменения объема, используемого в
Устройстве [1] предлагается использовать
устройство представленное на рис. 4
Рис.4
Измерение емкости основано на
изменении скважности импульсов мультивибратора
путем включения емкостного датчика во
времязадающую цепь одного из плеч
мультивибратора. Изменение скважности вызывает
изменение постоянной составляющей
последовательности импульсов, которая
выделяется простейшими RC фильтрами.
Использование в каждом из плеч мультивибратора
элементов с равными температурными
коэффициентами емкости позволяет добиться
высокой температурной стабильности устройства.
А использование мостового метода позволяет
достичь высокой чувствительности.
Заключение
Применение различных вариантов элементов сервисного окружения Устройства [1] дает значительные преимущества в выборе конкретной конфигурации в зависимости от условий проведения исследований, а также от требований к проведению конкретного эксперимента.
Концепция создания сервисного окружения того или иного эксперимента может рассматриваться как самостоятельная область исследований, требующая применения аппарата теории систем и прикладной системотехники в рамках конкретных разработок.
Идея комплексной разработки набора
датчиков, регистраторов и других устройств,
окружающих объект исследования в виде его
сервисного окружения пришла к автору в ходе
работы по программе Проекта Российского Фонда
Фундаментальных Исследований №96-04-50991.
Требования комплексного решения задачи создания
сервисного окружения для управления и контроля
экспериментом, в котором задействованы
различные устройства и производится анализ
множества факторов и параметров, привел к
необходимости системного анализа решаемой
задачи и системного синтеза технических заданий
на разработку сервисного окружения, а также и
возможных изменений самого объекта измерения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Махнач М. М. Устройство для определения содержания свободной воды в биологических тканях. - Патент РФ №2089903.
2. Гумиров Р. З. Об измерении перемещения мембраны реактора устройства для определения содержания свободной воды в биологических тканях. - Математическая морфология. - Том 2. - Выпуск 2 . - 1997. - C.147-154.
3. Жилкин В. В. Электронный регистратор параметров процессов. - Математическая морфология. - Том 2. - Выпуск 1. - 1997. - C. 155-159.
4. Жилкин В. В. Об использовании двухкоординатного планшетного потенциометра для автоматической регистрации параметров в длительном эксперименте. - Математическая морфология. - Том 2. - Выпуск 2 . - 1997. - C. 158-160.
5. Elektricky teplometr. - Sdelovaci tehnika. - 1982.- № 10.
6. Termometro elektronico. - Revista telegrafika elektronica. - 1981. №12.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект РФФИ №96-04-50991).
Кафедра №1
Смоленская военная академия ПВО СВ РФ
Поступила в редакцию 20.12.97.