3.7. Блок вимірювання електропровідності молока.

Імпедансні методи знаходять застосування в електрохімічному аналізі речовин, біологічних дослідженнях (імпедансна мікробіологія), імпедансній спектроскопії, для контролю якості елементів живлення та акумуляторних батарей, цементів, деревини,продуктів харчування тощо. Для реалізації та ширшоговпровадження цих методів у практичну діяльність необхідною умовою є створення відповідної апаратної бази, яка би задовольняла такі критерії: точність ішвидкість вимірювання, виконання вимірювань уширокому частотному діапазоні, можливість пересилання інформації у комп’ютер для подальшогооброблення і зберігання, мала споживана потужність, невисока собівартість. Під час створення вимірювача імпедансу надискретних елементах чи універсальних ІС необхіднозабезпечити стійкість вимірювального каналу уширокій частотній смузі та здійснювати корекцію ізурахуванням частоти тестового сигналу, взяти до увагипохибку кожного вузла вимірювального каналу і впливтемператури зовнішнього середовища. Такий підхідпризводить до високої собівартості і часових затрат.

Сучасні досягнення мікроелектроніки дають змогу вирішити цю проблему ефективніше.

3.7.1. Опис вимірювальної системи

ОсновоювимірювальноїсистемиємікросхемаAD5933 (AnalogDevices), щоєінтегральнимперетворювачемімпедансунацифровийкод. Мікросхема побудована запринципом прямого перетворення. AD5933 містить усобі синтез – генератор (DDS) сигналу збудження, 12-розрядний АЦП із частотою дискретизації 1 МГц, DSPпроцесор, давач температури. Задавальний генераторзабезпечує вимірювання імпедансу від 100 Ом до 9МОм у частотній смузі 1–100 кГц з можливістюдискретної зміни амплітуди сигналу збудження від 2 Вдо 200 мВ. Оброблення сигналу відгуку здійснює АЦПі сигнальний DSP процесор, що застосовує алгоритмдискретного перетворення Фур’є (ДПФ) дляобчислення дійсної та уявної складових імпедансу.

ДПФ здійснюється для кожної точки частотної смуги,в якій виконують вимірювання за таким алгоритмом:

; (3.2)

де X(ω) є модулем сигналу на частотіw , x(n) єрезультатом вимірювання АЦП.

Добуток обчислюється за 1024 відліками длякожної частотної точки. Результат суми зберігається удвох 16-бітних регістрах, які відображають дійсну (Re)та уявну (Im) складові імпедансу. Відносні модуль M(ω) і фаза φ (ω) обчислюються за формулами:

(3.3)

(3.4)

Для переходу від відносного до реальногозначення величина відносного модуля M(ω) повиннабути помножена на передатний коефіцієнт K(ω)каналу вимірювання. Для отримання достовірногозначення фази результат вимірювання необхідноскоректувати з урахуванням внутрішнього фазовогозсуву φ₀ (ω) , що наявний у каналі вимірювання. К(ω )та φ₀ (ω) знаходять в результаті процедури калібрування, яка зводиться до вимірювання апріорі відомогоімпедансу (точного активного опору) на цій частоті:

(3.5)

│Z_cal│– модуль калібрувального імпедансу, M(ω)_cal – результат вимірювання калібрувального імпедансу на цій частоті.

Отже, під час вимірювання невідомого імпедансу

(3.6)

де │Zx│ – модуль невідомого імпедансу, M_x – результат вимірювання.

Рис.1. Блок схема блоку вимірювання електропровідності

Рис.2. Блок схема вимірювальноїмсистеми

Вимірювальна система (рис. 2) побудована на основі мікросхеми AD5933 і керівного мікроконтролераMSP430F155 (TexasInstruments). Алгоритм функціонування мікроконтролера реалізовано мовою ASSEMBLER у комп’ютерному середовищі програмування IARWorkbench. Мікроконтролерздійснюєтакіфункції:

• керує роботою перетворювача по послідовній шині I²C;

• визначає граничні межі та автоматично перемикає діапазони вимірювання;

• виконує математичні операції з перетворення і оброблення результатів вимірювання;

• пересилає результати вимірювання на рідко-кристалічний дисплей для індикації;

• виконує процедуру калібрування, записує і зчитує значення К(ω ) та φ₀ (ω) з енергонезалежної пам’яті EEPROM;

• працює під керуванням комп’ютерної програми при під’єднанні до комп’ютера через послідовний порт;

Процедура калібрування здійснюється для кожного діапазону вимірювання окремо. У загальномувипадку передатний коефіцієнт K(ω ) і внутрішнійфазовий зсув φ₀ (ω) залежать від частоти. Дляздійснення вимірювань у частотній смузі 1–100 кГцзначення передатного коефіцієнта та внутрішньогофазового зсуву знаходять для множини частотнихопорних точок з кроком 500 Гц. Для частот, не кратних500 Гц, значення K(ω ) і φ₀ (ω) обчислюють задопомогою лінійної інтерполяції між двома сусіднімиопорними точками. Значення передатного коефіцієнтаK(ω ) і фазового зсуву φ₀ (ω) зберігаються у виглядімасиву даних у енергонезалежній пам’яті EEPROM.Для візуалізації, оброблення і зберігання результатів вимірювання розроблено прикладну комп’ютернупрограму у середовищі візуального програмуванняLabWindows, що керує вимірювальною системою черезпослідовний порт.

На рис. 4, 6 наведено експериментальні результати вимірювання імпедансних характеристиктестових паралельно та послідовно сполучених RLCкіл (рис. 3, 5). Ці результати цілком узгоджуються зтеоретичними даними.

РозробленопрототипаналізатораімпедансунаосновімікросхемиAD5933 такерівногомікроконтpолерасім’ї MSP430 (Texas Instruments). Завідносноїпростотисхемноїреалізаціївимірювальнасистемазабезпечуєвимірюванняімпедансувід 10 Омдо 1 МОмусмузічастот 1–100 кГцзмінімальнимкроком 50 Гцібазовоюпохибкою3%. Зоглядунате, щоосновнікомпонентипрацюютьнадоволінизькійнапрузіживлення (3.5 вольт) ізмінімальнимспоживаннямструму, подібнівимірювальнісистемиможутьзнайтиширокезастосуванняупортативнихвимірювальнихприладахзавтономнимживленням. Зокрема, у вимірювачах CLR, приладах, призначених для електрохімічного аналізу речовин, імпедансної спектроскопії, для контролю якості елементів живлення та акумуляторних батарей. Цифровий метод калібрування забезпечує гнучкість побудови вимірювального каналу, простоту калібрування, сталість метрологічних параметрів і є базою для реалізації цифрових методів корекції й компенсації передатних характеристик первинних перетворювачів у широкому частотному діапазоні.