Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ЕМКОСТНЫЙ ЭКСПРЕСС-ВЛАГОМЕР
ЕМКОСТНЫЙ ЭКСПРЕСС-ВЛАГОМЕР

ЕМКОСТНЫЙ ЭКСПРЕСС-ВЛАГОМЕР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Экспресс-влагомер содержит два преобразователя 3, 4 проводимости в напряжение, емкостной первичный преобразователь 15, резистивный первичный преобразователь 18, источник переменного напряжения 1, регистратор 23 и делитель частоты 2. Преобразователи проводимости в напряжение 3, 4 образованы регулируемым масштабным преобразователем 7, 12, компаратором напряжений 9, 10, интегратором 8, 11, образцовым элементом 13, 14 и амплитудными детекторами 5, 6 и 21, 22. Точка соединения первого амплитудного детектора 5, 6 и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя 7, 12 соединена с источником переменного напряжения 1 у первого преобразователя 3 проводимости в напряжение непосредственно, а у дополнительного преобразователя 4 проводимости в напряжение - через делитель 2. Первый преобразователь 3 проводимости в напряжение соединен с резистивным преобразователем 15, а дополнительный преобразователь 4 проводимости в напряжение - с емкостным преобразователем 15. Влагомер позволяет повысить точность за счет полного устранения влияния активных потерь в широком диапазоне частот. 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2120623
Класс(ы) патента: G01N27/22
Номер заявки: 95104283/25
Дата подачи заявки: 23.03.1995
Дата публикации: 20.10.1998
Заявитель(и): Пензенский технологический институт (завод-втуз) филиал Пензенского государственного технического университета
Автор(ы): Фролов Г.В.
Патентообладатель(и): Пензенский технологический институт (завод-втуз) филиал Пензенского государственного технического университета
Описание изобретения: Изобретение относится к измерению неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано на предприятиях текстильной промышленности, агропрома, промышленности строительных материалов и стройиндустрии.
Известен влагомер, содержащий генератор синусоидального напряжения, емкостный первичный преобразователь, подключенный через образцовый элемент к информационному входу преобразователя реактивной составляющей комплексного сопротивления в напряжение, включающий масштабный преобразователь, компаратор, фазовращатель, амплитудный детектор и фазочувствительный выпрямитель [1], а также регистратор, соединенный с выходом амплитудного детектора, вход которого вместе с входом фазовращателя подключены к одному из зажимов емкостного первичного преобразователя, второй зажим которого соединен с общей шиной, выход фазовращателя подключен к управляющему входу фазочувствительного выпрямителя, измерительный вход которого соединен с выходом регулируемого масштабного преобразователя и образцовым элементом, а выход фазочувствительного выпрямителя подключен к одному из входов компаратора.
Данное устройство обладает значительной сложностью и недостаточно высокой точностью, которая резко ухудшается с ростом частоты генератора. Это обусловлено наличием в схеме прибора частотозависимых узлов - фазовращателя и фазочувствительного выпрямителя, точная настройка которых возможна только на одной (фиксированной) частоте или в очень узком диапазоне частот. Эксплуатация прибора только на одной частоте ограничивает его область применения.
Известно также устройство, содержащее генератор высокой частоты, емкостный и резистивный первичные преобразователи, управляемый преобразователь нагрузки, аналоговый вычислитель и регистратор, причем емкостной первичный преобразователь через длинную линию и направляемый ответвитель подключен к генератору и к одному из входов аналогового вычислителя, второй вход которого соединен через управляемый преобразователь нагрузки с резистивным первичным преобразователем, а выход аналогового вычислителя подключен к регистратору [2].
Этот прибор также имеет низкую точность т.к. осуществляемая с помощью вычислителя коррекция активных потерь емкостного первичного преобразователя неэффективна из-за различий в характере зависимости с+игналов, подаваемых на входы вычислителя, от влажности контролируемого материала. Это видно из анализа измерительных цепей, в качестве которых используется либо делитель напряжения, составленный внутренним сопротивлением ВЧ-генератора и сопротивлением длинной линии вместе с комплексным сопротивлением емкостного датчика, либо мостовая цепь с резистивным датчиком в одном из ее плеч. Если первая измерительная цепь является преобразователем суммы волнового сопротивления длинной линии и комплексного сопротивления емкостного датчика в напряжение, то вторая измерительная цепь служит преобразователем приращения сопротивления резистивного датчика в напряжение. Преобразовав параллельную схему компонентов комплексного сопротивления емкостного датчика в эквивалентную ей последовательную схему, можно обнаружить, что каждый из компонентов последней схемы включает в себя и информативный, и паразитный параметры емкостного датчика, вследствие чего полная компенсация его активных потерь становится невозможной.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является влагомер, содержащий источник переменного напряжения, резистивный первичный преобразователь, регулируемый масштабный преобразователь, компаратор напряжений, интегратор, два амплитудных детектора, образцовый элемент и регистратор, причем энергетический вход регулируемого масштабного преобразователя, вход первого амплитудного детектора и один из входов регистратора подключены к выходу источника, второй вход регистратора соединен с выходом регулируемого масштабного преобразователя и первым зажимом образцового элемента, второй зажим которого непосредственно подключен к входу второго амплитудного детектора и через резистивный первичный преобразователь - к общей шине, выходы обоих амплитудных детекторов подключены к входам компаратора, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого масштабного преобразователя [3].
Из анализа его принципа действия следует, что совокупность имеющихся в схеме узлов (за исключением источника и регистратора) образует преобразователь проводимости (электропроводности) резистивного датчика и находящегося в нем контролируемого материала в напряжение. Его сигнальным входом служит точка соединения входа первого амплитудного детектора и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя, информационным входом - второй зажим образцового элемента, подключенный непосредственно к входу второго амплитудного детектора и через резистивный первичный преобразователь - к общей шине, а выходом служит выход регулируемого масштабного преобразователя, соединенный с одним из входов регистратора и с измерительной цепью, включающей образцовый элемент и резистивный первичный преобразователь. Поскольку последний прибор не содержит частотозависимых узлов, то он способен работать в широком диапазоне частот и даже на постоянном токе. Его основным недостатком следует считать также низкую точность из-за сильного влияния на результат измерений колебаний температуры материала, непостоянства химического состава и наличия примесей.
Цель изобретения - повышение точности известного влагомера путем полного устранения влияния активных потерь емкостного датчика в широком диапазоне частот.
Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник переменного напряжения, регистратор, резистивный первичный преобразователь, регулируемый масштабный преобразователь, компаратор напряжений, интегратор, образцовый элемент и два амплитудных детектора, образующие преобразователь проводимости в напряжение, причем второй зажим образцового элемента, образующий информационный вход преобразователя проводимости в напряжение, подключен через резистивный первичный преобразователь к общей шине, управляющий вход регулируемого масштабного преобразователя соединен через интегратор с выходом компаратора напряжения, выход регулируемого масштабного преобразователя, образующий выход преобразователя проводимости в напряжение, соединен с одним из входов регистратора и с измерительной цепью, включающей образцовый элемент и резистивный первичный преобразователь, выход измерительной цепи соединен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены с соответствующим входом компаратора напряжений, введены делитель частоты, дополнительный преобразователь проводимости в напряжение и емкостный первичный преобразователь, образующий вместе с образцовым элементом дополнительного преобразователя проводимости в напряжение измерительную цепь дополнительного преобразователя, информационный вход которого подключен через емкостный первичный преобразователь к общей шине, точка соединения входа первого амплитудного детектора и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя, образующая сигнальный вход преобразователя проводимости в напряжение, соединена с источником переменного напряжения через делитель частоты, сигнальный вход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение соединен с источником переменного напряжения непосредственно, а выход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение подключен к второму входу регистратора.
Изобретение поясняется тремя чертежами. На фиг.1 приведена полная структурная схема прибора, на фиг.2 изображена принципиальная схема основного узла преобразователей проводимости в напряжение - регулируемого масштабного преобразователя, а на фиг.3 приведена функциональная схема источника переменного напряжения. На чертежах обозначены: 1 - источник переменного напряжения U1 = U1msinω1t, у которого амплитуда постоянна, т.е. U1m = const, а ω1 = 2πf1; 2 - делитель частоты, т.е. f2 < f1, а U2m = U1m ; 3 и 4 - преобразователи проводимости в напряжение, обеспечивающее непрерывное преобразование электропроводности соответствующего первичного преобразователя в напряжение переменного тока; 5, 6 и 21, 22 - амплитудные детекторы; 7 и 12 - регулируемые масштабные преобразователи; 8 и 11 - интеграторы; 9 и 10 - компараторы напряжений; 13 и 14 - образцовые элементы, например, постоянные резисторы с сопротивлениями R13 и R14, соответственно; 15 и 18 - емкостный и резистивный первичные преобразователи (представлены параллельными соединениями своих компонентов: информативного 16, 19 и паразитного 17, 20, т.е. x16 = 1/ω1C16 и R17 у емкостного первичного преобразователя 15 и R19, x20 = 1/ω2C20 у резистивного первичного преобразователя 18, и обеспечивающие комплексный характер электропроводности первичных преобразователей, либо их сопротивлениям Z15, Z18 переменному току; причем все параметры первичных преобразователей зависят от влажности W контролируемого материала т.е. C16 = ϕ1(W), R17 = ϕ2(W), R19 = ϕ3(W) и C20 = ϕ4(W); 23 - регистратор (например, милливольтметр переменного тока); 24 - резисторный оптрон, состоящий из источника излучения - светодиода 25 и фотоприемника - фоторезистора 26; 27 и 28 - постоянные резисторы; 29 - операционный усилитель; 30 - генератор импульсов (например, автоколебательный мультивибратор); 31 - фильтр (служит для выделения первой гармоники импульсной последовательности); входные и выходные напряжения регулируемых масштабных преобразователей 7(12); а U8(U11) - их управляющие напряжения.
При этом регулируемые масштабные преобразователи 7 и 12 выполнены в виде усилителей с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления. Первый зажим резистора 27, соединенного с инверсным входом усилителя 29, служит энергетическим входом регулируемого масштабного преобразователя, выход операционного усилителя 29 служит выходом регулируемого масштабного преобразователя, а резисторный оптрон, фотоприемник 26 которого подключен параллельно входной цепи усилителя 9, служит узлом управления его коэффициентом усиления, определяемого соотношением: k29 = R28/(R26//R27), где R26//R27 означает параллельное соединение сопротивлений фоторезистора 26 и постоянного резистора 27. Светодиод 25 служит управляющим элементом и на его анод подается управляющее напряжение, т.е. это управляющий вход регулируемого масштабного преобразователя 7 (12).
Энергетический вход регулируемого масштабного преобразователя 7 или 12, соединенный с входом амплитудного детектора 5 или 6, служит сигнальным входом преобразователя 3 или 4 проводимости в напряжение. Выход регулируемого масштабного преобразователя 7 или 12, соединенный с первым зажимом образцового элемента 13 или 14, служит выходом соответствующего преобразователя проводимости в напряжение. Информационным входом преобразователя 3 или 4 проводимости в напряжение служит второй зажим образцового элемента 13 или 14, соединенный с входом амплитудного детектора 21 или 22. При этом выходы соответствующей пары детекторов 5, 21 или 6, 22 подключены через последовательно соединенные соответствующий компаратор 9 или 10 напряжений и интегратор 8 или 11 к управляющему входу регулируемого масштабного преобразователя 7 или 12.
Работа предложенного экспресс-влагомера осуществляется следующим образом. Емкостный 15 и резистивный 18 первичные преобразователи одновременно заполняются контролируемым материалом, имеющим относительную влажность W. При этом изменяются электрическая емкость C16 и активные потери R17 емкостного первичного преобразователя 15, а также активное сопротивление R19 и паразитная емкость C20 резистивного первичного преобразователя 18; которые станут равными Эти изменения параметров первичных преобразователей - датчиков влажности W - вызовут соответствующие изменения их комплексных проводимостей, которые в общем случае получат вид:

Из формул (1) видно, что характер изменения активных составляющих комплексных проводимостей обоих датчиков от влажности один и тот же. Конструктивными мерами можно добиться также примерного равенства значений т. е. (обеспечивается при проектировании и изготовлении датчиков благодаря использованию одних и тех же шаблонов и материалов).
При включении источника 1 осуществляется подача переменных напряжений в регулируемые масштабные преобразователи 7,12 и амплитудные детекторы 5,6. Поскольку в начальный момент времени с компараторов 9,10 напряжений снимаются сигналы нулевого уровня, т.е. U9=U10=0, то и с выходов интеграторов 8, 11 тоже будут получены нулевые сигналы, т.е. U8=U11=0. Регулируемые масштабные преобразователи 7, 12 выполнены таким образом, что подача на их управляющие входы сигнала нулевого уровня обеспечивает получение у них единичного коэффициента передачи, т.е. k7=k12=1 при U8=U11=0. Отсюда следует, что сразу после включения прибора на измерительные цепи, составленные сопротивлениями образцовых элементов 13 и 14 и комплексным сопротивлением соответствующего первичного преобразователя, будут поступать напряжения, равные по амплитуде напряжению источника питания 1, т.е. U7m=U12m= U1m, хотя в общем случае они равны Выходные сигналы измерительных цепей равны соответственно

С помощью амплитудных детекторов 21, 22 формируются сигналы: U21= k21U13,15m и U22= k22U14,18m, соответственно, где k21 и k22 - коэффициенты передачи детекторов. Поскольку U13,15m < U1m и U14,18m < U2m, то компараторы 9, 10 вначале выработают сигналы положительной полярности, т.е. U9(t)= U1m-U21(t)>0 и U10(t)=U2m-U22(t)>0, которые проходят в соответствующий интегратор 8 или 11 и в виде линейно-возрастающего напряжения поступают на управляющие входы регулируемых масштабных преобразователей 7 и 12, вызывая увеличение их коэффициентов передачи, т.е. k7>1 и k12>1.
Работа преобразователей 7 и 12 проходит независимо друг от друга и вызывает увеличение напряжений питания указанных выше измерительных цепей, а вместе с ними рост сигналов (2) и напряжений U21 и U22. Поскольку U1m=const, то наступят скоро моменты, когда увеличенные сигналы U21 и U22, т.е. станут равными U1m. Тогда компаратор 9 (или 10) выдаст отрицательный импульс, по которому соответствующий интегратор переключится на разрядку. Это приведет к некоторому уменьшению коэффициента передачи k7 или k12 и напряжения Однако при компаратор 9 (или 10) вновь выдаст сигнал положительной полярности, опять станет заряжаться соединенный с ним интегратор и повторно будет увеличиваться коэффициент передачи k7 (или k12) регулируемых масштабных преобразователей. В результате в цепи R13, z15 (или R14, z18) восстановится состояние, при котором U21=U1m (или U22=U2m).
В дальнейшем этот процесс будет повторяться непрерывно и примет характер периодического, т. к. благодаря наличию интеграторов 8, 11 и регуляторов 7, 12 в приборе функционируют две независимые друг от друга астатические системы автоматического регулирования. Установление периодических процессов свидетельствует об окончании измерений, после чего выходные сигналы преобразователей 7 и 12 при k5=k6=k21=k22=1 будут равны

Это можно доказать, подставив формулы (2) в выражения для выходных сигналов компараторов 9, 10, приравнять их нулю, найти из полученных уравнений коэффициенты передачи k7, k12 и подставить их в общие выражения для
Так как преобразование параметров резистивного датчика 18 происходит на пониженной частоте, т. е. от делителя частоты 2, то можно подбором коэффициента деления последнего добиться существенного превышения значения x20 над значением R19, т.е. обеспечить x20>> R19. Это произойдет при условии: f2 << f1. В этом случае реактивной проводимостью преобразователя 18 можно пренебречь, т.е. а активную его проводимость считать преобладающей. Тогда регистратор 23 будет находиться под напряжением, равным разности между и его стрелка при R13=R14, U1m=U2m, отклонится на угол, равный

Как видно из уравнения преобразования (4) прибора, компенсация потерь в емкостном первичном преобразователе 15 гораздо более эффективна и проста, чем в известном устройстве, т.к. для ее осуществления получены идентичные по характеру зависимости паразитного и компенсирующего параметров от влажности, а реализуется она более простыми средствами. Теоретически возможна полная компенсация R17 в z15. В дополнение к этому можно добавить, что преобразователь 4 проводимости в напряжение может работать и от автономного источника низкой частоты и даже от источника постоянного тока.
Тогда реактивная составляющая проводимости резистивного датчика 18 будет равна нулю. Работа регуляторов 7 и 12 поясняется фиг. 2, на которой приведен пример их реализации на резисторном оптроне 24. При нулевом управляющем сигнале, т.е. U8=0 (или U11=0), сопротивление фоторезистора 26 велико и равно его темновому сопротивлению, т.е. Rт26. Подобрав R27 и R28 такими, чтобы выполнялось условие будет обеспечена передача напряжения от источника 1 на измерительные цепи R13, z15 или R14, z18 без усиления. При U8 > 0 (или U11>0) светодиод откроется и начнет излучать световой поток на фоторезистор 26. Сопротивление последнего резко уменьшится, вследствие чего уменьшится сопротивление входной цепи усилителя 29 и увеличится коэффициент передачи регулируемого преобразователя в целом, т.к. k7 > 1 (или k12 > 1). Быстродействие этого узла зависит от особенностей таких оптронов. Применение оптрона ОЭП-16 дает возможность реализовать непрерывные измерения параметров датчиков и практически мгновенное определение влажности W.
Существует и другой вариант реализации регулируемых масштабных преобразователей, например, на полевых транзисторах. Источник 1 переменного напряжения легко реализуется на основе автоколебательного мультивибратора 30 (см. фиг. 3), и фильтра 1. При этом фильтр должен быть широкополосным, т.к. отсутствие частотозависимых узлов в схеме сильно снижает требования к форме напряжений Ui. Источник может быть выполнен и импульсным, т.е. без фильтра. Фиг. 3 показывает подключение делителя частоты 2 к источнику 1.
Отсчет значения влажности W производится по шкале регистратора 23 в соответствии с формулой (4). Предложенный прибор благодаря наличию эффективной компенсации активных потерь емкостного датчика обладает более высокой точностью и работает в широком диапазоне частот.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 9666576, кл. G 01 N 27/22.
2. Авторское свидетельство СССР N 1520426, кл. G 01 N 27/02.
3. Авторское свидетельство СССР N 1735753, кл. G 01 N 27/02 (прототип).
Формула изобретения: Емкостный экспресс-влагомер, содержащий источник переменного напряжения, регистратор, резистивный первичный преобразователь, регулируемый масштабный преобразователь, компаратор напряжений, интегратор, образцовый элемент и два амплитудных детектора, образующих преобразователь проводимости в напряжение, причем второй зажим образцового элемента, образующий информационный вход преобразователя проводимости в напряжение, подключен через резистивный первичный преобразователь к общей шине, управляющий вход регулируемого масштабного преобразователя соединен через интегратор с выходом компаратора напряжений, выход регулируемого масштабного преобразователя, образующий выход преобразователя проводимости в напряжение, соединен с одним из входов регистратора и с измерительной цепью, включающей образцовый элемент и резистивный первичный преобразователь, выход измерительной цепи соединен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены с соответствующим входом компаратора напряжений, отличающийся тем, что в него введены делитель частоты, дополнительный преобразователь проводимости в напряжение и емкостный первичный преобразователь, образующий вместе с образцовым элементом дополнительного преобразователя проводимости в напряжение измерительную цепь дополнительного преобразователя, информационный вход которого подключен через емкостный первичный преобразователь к общей шине, точка соединения входа первого амплитудного детектора и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя, образующая сигнальный вход преобразователя проводимости в напряжение, соединена с источником переменного напряжения через делитель частоты, сигнальный вход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение соединен с источником переменного напряжения непосредственно, а выход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение подключен к второму входу регистратора.