УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОЙ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения абсолютной влажности чистых газов и газовых смесей.

Известно устройство для измерения абсолютной влажности газов, содержащее емкостный датчик-ячейку, включенную в частотозадающий LC-контур ВЧ-генератора, осушитель газа, два клапана, реверсивный счетчик, блок индикации и блок управления.

Известное устройство работает следующим образом.

В соответствии с командами блока управления через емкостный датчик-ячейку поочередно пропускаются опорный (не содержащий влаги) и анализируемый (влажный) газы. При этом спустя время, достаточное для продувки датчика, реверсивный счетчик заполняется импульсами частоты генератора по входу прямого счета при прохождении через датчик-ячейку опорного газа и по входу обратного счета при прохождении через датчик-ячейку анализируемого газа. В результате по завершении циклов заполнения (при одинаковом времени заполнения) реверсивным счетчиком фиксируется число импульсов, пропорциональное абсолютной влажности газа.

Недостатком описанного устройства является наличие неисключенной составляющей погрешности, обусловленной тепловым дрейфом частоты генератора в течение каждого цикла измерения, составляющего 20-30 с, которая не позволяет снизить суммарную абсолютную погрешность ниже 0,3 г/м³.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения абсолютной влажности, содержащее блок управления, емкостный датчик-ячейку, включенную в частотозадающую цепь ВЧ-генератора, осушитель, два клапана, блок индикации, вспомогательный реверсивный счетчик, четыре схемы И, первые входы которых соединены с выходом ВЧ-генератора, регистр памяти, счетчик циклов измерения, основной реверсивный счетчик, входы прямого и обратного счета которого соединены соответственно с выходами первой и второй трехвходовых схем И, вход блока индикации соединен с информационным выходом основного реверсивного счетчика, выходы блока управления соединены - первый с управляющим входом первого клапана и входом первой схемы И, второй с управляющим входом второго клапана и входом второй схемы И, третий с входами всех схем И, четвертый с входом третьей схемы И, пятый с входом четвертой схемы И, шестой с входом "Запись" блока индикации, седьмой с входом "Запись по установочным входам" основного реверсивного счетчика, восьмой с входом счетчика циклов измерения. Выход счетчика циклов измерения соединен непосредственно с входом "Запись" регистра памяти и через блок задержки с входом "Сброс" вспомогательного реверсивного счетчика, информационные выходы которого через регистр памяти соединены с установочными входами основного реверсивного счетчика.

На выходах блока управления сигналы формируются в такой временной последовательности, что обеспечивается попеременное (циклическое) пропускание через емкостный датчик ВЧ-генератора опорного (не содержащего влаги) и анализируемого газов. При этом основным и вспомогательным реверсивными счетчиками измеряется изменение частоты генератора, обусловленное соответственно разностью диэлектрических проницаемостей опорного и анализируемого газов и тепловым дрейфом частоты генератора.

Измеренное вспомогательным счетчиком изменение частоты генератора, обусловленное тепловым дрейфом, используется в качестве поправки, вносимой в результат измерения абсолютной влажности путем соответствующей предустановки перед очередным циклом измерения.

При этом в описываемом устройстве значение поправки формируется в течение четырех циклов, что позволяет повысить точность введения поправки (предустановки основного счетчика) за счет уменьшения погрешности квантования при заполнении вспомогательного счетчика, которая при однократном заполнении в четыре раза превышает соответствующую погрешность при заполнении основного счетчика.

По окончании четырех циклов содержимое вспомогательного реверсивного счетчика переносится в регистр памяти, а сам счетчик очищается импульсом переноса, поступающим с выхода счетчика циклов на вход "Сброс" вспомогательного реверсивного счетчика. По содержимому регистра памяти производится предустановка основного счетчика в следующие четыре цикла.

Недостатком описанного устройства является то, что время формирования поправки вспомогательным реверсивным счетчиком опережает время ее внесения путем предустановки основного счетчика на значение от двух до пяти циклов. При первом цикле измерения - на два цикла, при втором - на три, при третьем - на четыре и при пятом - на пять.

Очевидно, при переменной скорости дрейфа ВЧ-генератора, вносимая поправка, учитывающая дрейф частоты, будет тем меньше соответствовать действительному значению дрейфа в момент заполнения основного счетчика, чем дальше они разнесены во времени.

Это обстоятельство в конечном итоге снижает точность измерения абсолютной влажности.

Целью изобретения является повышение точности измерения абсолютной влажности газов.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения абсолютной влажности, содержащее блок управления, емкостный датчик-ячейку, включенную в частотозадающую цепь ВЧ-генератора, осушитель, два клапана, блок индикации, вспомогательный реверсивный счетчик, четыре схемы И, первые входы которых соединены с выходом ВЧ-генератора, основной реверсивный счетчик, входы прямого и обратного счета которого соединены соответственно с выходами первой и второй трехвходовых схем И, и счетчик циклов измерения, причем вход блока индикации соединен с информационными выходами основного реверсивного счетчика, выходы блока управления соединены - первый с управляющим входом первого клапана и входом первой схемы И, второй с управляющим входом второго клапана и входом второй схемы И, третий с входами первой, второй, третьей и четвертой (всех) схем И, четвертый с входом третьей схемы И, пятый с входом четвертой схемы И, шестой с входом "Запись" блока индикации, седьмой с входом "Запись" по установочным входам" основного реверсивного счетчика, восьмой с входом счетчика циклов измерения, дополнительно введены три вспомогательных реверсивных счетчика, два демультиплексора, дешифратор команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков и сумматор, выход которого соединен с установочными входами основного реверсивного счетчика, а входы - с выходами четырех вспомогательных реверсивных счетчиков, входы прямого счета которых через первый демультиплексор соединены с выходом третьей схемы И, входы обратного счета вспомогательных реверсивных счетчиков через второй демультиплексор соединены с выходом четвертой схемы И, управляющие входы демультиплексоров соединены с информационными выходами счетчика циклов измерения, с которыми соединены входы дешифратора команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков, а выходы дешифратора соединены с входами "установка в ноль" вспомогательных реверсивных счетчиков.

Введение трех вспомогательных счетчиков позволяет в каждом цикле измерения обновлять информацию о дрейфе частоты ВЧ-генератора.

Введение сумматора обеспечивает возможность формировать интегральную, среднюю за четыре последних цикла поправку, учитывающую погрешность, обусловленную дрейфом частоты генератора.

Введение двух демультиплексоров позволяет последовательно в соответствии со сменой циклов измерения подключать входы вспомогательных реверсивных счетчиков к выходу ВЧ-генератора.

Введение дешифратора команд очистки позволяет в начале каждого цикла измерения после предустановки основного реверсивного счетчика устанавливать в ноль один из вспомогательных реверсивных счетчиков в соответствии с кодом на выходе счетчика циклов. Таким образом подготавливается к заполнению один из вспомогательных реверсивных счетчиков, в котором должна обновляться поправка.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для измерения абсолютной влажности; на фиг. 2 - схема блока управления измерителя влажности; на фиг. 3 - временные диаграммы управляющих напряжений.

Устройство для измерения абсолютной влажности содержит емкостный датчик-ячейку 1, включенную в частотозадающий контур ВЧ-генератора 2, одновходовой клапан 3 для ввода в датчик-ячейку 1 опорного (сухого) газа, одновходовой клапан 4 для ввода в датчик анализируемого (влажного газа), осушитель 5, основной реверсивный счетчик 6, блок индикации 7, соединенный с информационными выходами счетчика 6, трехвходовые схемы И 8, 9, 10 и 11, блок управления 12, счетчик циклов измерения 13, демультиплексоры 14 и 15, вспомогательные реверсивные счетчики 16, 17, 18 и 19, соединенные с выходами демультиплексоров 14 и 15, сумматор 20, соединенный с выходами вспомогательных реверсивных счетчиков и установочными входами основного реверсивного счетчика 6, и дешифратор 21 команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков 16, 17, 18 и 19.

Блок управления 12 выполнен в виде последовательно включенных генератора 22 тактовых импульсов и четырех Т-триггеров 23, 24, 25 и 26 и связанных с выходами этих Т-триггеров четырехвходовых схем И 27, 28 и 29.

Выход ВЧ-генератора 2 соединен с входами прямого (+) и обратного (-) счета основного реверсивного счетчика 6 через трехвходовые схемы И 9, 8 и с входами демультиплексоров 14, 15 соответственно через схемы И 10, 11.

Прямой и инверсный выходы Т-триггера 26 (первый и второй выходы блока управления 12) соединены соответственно с управляющими входами клапанов 3 и 4 и вторыми входами схем И 8 и 9. Третий выход блока управления 12 (выход Т-триггера 25) соединен с третьими входами четырех схем И 8, 9, 10 и 11. Четвертый и пятый выходы блока управления 12 (прямой и инверсный выходы Т-триггера 24) соединены соответственно с вторыми входами схем И 10 и 11.

В блоке управления 12 первые входы схем И 27, 28 и 29 соединены с прямым выходом Т-триггера 26, а вторые входы этих схем - с инверсным выходом Т-триггера 25. Третьи входы схем И 27, 28 соединены с инверсным выходом Т-триггера 23, а четвертые входы схемы И 28, 29 соединены с прямым выходом Т-триггера 24. Четвертый вход схемы И 27 и третий вход схемы И 29 соединены соответственно с инверсным выходом Т-триггера 24 и прямым выходом Т-триггера 23.

Шестой выход блока управления 12 (выход схемы И 27) соединен с управляющим входом блока индикации 7. Седьмой выход блока 12 (выход схемы И 28) соединен с входом "Запись по установочным входам" основного реверсивного счетчика 6. Восьмой выход блока управления 12 (выход схемы И 29) соединен с входом счетчика 13 циклов, выход которого соединен с управляющими входами демультиплексоров 14 и 15 и входом дешифратора 21 команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления 12 путем последовательного деления частоты тактового генератора 22 с помощью Т-триггеров 23, 24, 25 и 26 обеспечивает получение управляющих сигналов, а их необходимая расстановка во времени достигается с помощью схем И 27, 28 и 29. Сигналы с 1-го и 2-го выходов блока управления 12 обеспечивают поочередное пропускание через датчик 1 сухого и влажного газов, соответственно изменяя режим счетчика с суммирования на вычитание. Попеременное прохождение осушенного и влажного газов через датчик 1 обуславливает изменение частоты ВЧ-генератора 2, пропорциональное абсолютной влажности анализируемого газа. Кроме периодического изменения, обусловленного разностью диэлектрических проницаемостей влажного и сухого газов, попадающих в датчик, частота ВЧ-генератора 2 монотонно изменяется во времени за счет теплового дрейфа.

При дальнейшем рассмотрении устройства сделаем допущение - скорость изменения температуры ВЧ-генератора в течение ограниченного времени (нескольких циклов измерения) является постоянной. Это допущение правомерно, так как генератор с датчиком помещены в пассивный термостат, и поэтому постоянная времени объекта термостатирования во много раз больше цикла измерения. Кроме того, необходимо учесть, что, благодаря пассивному термостатированию и выбору элементов задающего контура генератора с малыми температурными коэффициентами, скорость теплового дрейфа частоты генератора незначительна по сравнению с его частотой
c = · · < 10^-5,
(1) где с - скорость относительного изменения частоты ВЧ-генератора 2, с^-1;
f - частота ВЧ-генератора, Гц;
t - время, с;
θ - температура, ^оС.

В момент времени t_o (см. фиг. 3) открывается клапан 3 и через датчик 1 проходит опорный газ. Клапан 3 открыт в течение времени от t_oдо t₃. Первая половина этого временного интервала используется для продувки датчика и установления частоты ВЧ-генератора 2. В течение второй половины (с момента t₁ до t₃) сигнал - высокий уровень напряжения с 3-го выхода блока управления 12, поступая на третий вход схемы И 8, разрешает прохождение импульсов ВЧ-генератора в реверсивный счетчик 6 с входа прямого счета (+1). Учитывая, что при заполненном сухим газом датчике текущее значение частоты генератора можно представить в виде
f_сух = f₁[1 + c(t - t₁)], то число импульсов, прошедшее в реверсивный счетчик 6 с момента t₁ до t₃, можно выразить как
N₁= f1+cT ,
(2) где f₁ - частота генератора в момент времени t₁ при нахождении в датчике сухого газа;
Т - время счета, равное (t₃ - t₁);
f1+c - средняя частота генератора за время (t₃ - t₁).

В момент времени t₃ клапан 3 закрывается и открывается клапан 4. В датчик поступает контролируемый (влажный) газ. Частота генератора 2 уменьшится скачком, так как диэлектрическая проницаемость влажного газа больше, чем сухого.

Выражение для текущего значения частоты генератора при датчике, заполненном влажным газом, можно представить в виде
f_w = f₁[1 + c(t - t₁)] - SW, (3) где S - крутизна преобразования, Гц˙м³/г;
W - абсолютная влажность газа, г/м³.

Клапан 4 открыт в течение времени с t₃ по t₆ (t₆ - t₃ = 2T), причем первая половина этого временного интервала также используется для продувки датчика и установления частоты ВЧ-генератора 2.

В течение второй половины длительностью Т производится заполнение основного реверсивного счетчика 6 импульсами ВЧ-генератора с входа обратного (-) счета через схему И 9. Число импульсов, поступившее на вход обратного (-) счета счетчика 6, определяется выражением
N₂ = f₁T[1 + 0,5 c (3T + 2T_п)]. (4)
В результате последовательного заполнения реверсивного счетчика 6 в режимах прямого и обратного счета на его информационном выходе появляется код, соответствующий числу импульсов
N = N₁ - N₂ = SWT - f₁cT(T + T_п). (5)
Вторым членом в выражении (5) определяется составляющая погрешности измерения влажности (W), обусловленная тепловым дрейфом частоты генератора.

Формирование поправки, учитывающей составляющую погрешности в выражении (5), обусловленную тепловым дрейфом, осуществляется во вспомогательных реверсивных счетчиках 16-19 в течение четырех циклов следующим образом.

В момент времени t₁ совпадение высоких уровней напряжения на 5-м и 3-м выходах блока управления 12 разрешает прохождение через схему И 11 импульсов ВЧ-генератора на вход обратного (-) счета одного из вспомогательных реверсивных счетчиков 16-19 в течение времени T/2 (с t₁до t₂). Выбор счетчика осуществляется с помощью демультиплексора 15, управляемого кодом, поступающим с двухразрядного счетчика 13 циклов. При этом соответствующий вспомогательный счетчик предварительно в начале цикла очищается импульсом сброса. Импульс сброса формируется в начале цикла в момент появления импульса на 8-м выходе блока 12 дешифратора 21, одновременно определяющим его адрес.

Затем с t₂ по t₃ этот же счетчик уже заполняется со входа прямого (+) счета через демультиплексор 14, так как разрешающие уровни напряжений с 3-го и 4-го выходов блока управления поступают на схему И 10.

Во второй половине цикла измерения, когда основной реверсивный счетчик 6 заполняется с входа обратного счета, тот же вспомогательный реверсивный счетчик, так же как и в первой половине цикла измерений вначале заполняется с входа обратного счета, а затем с входа прямого счета.

В результате по завершении одного цикла измерений во вспомогательном реверсивном счетчика фиксируется число импульсов, пропорциональное скорости с теплового дрейфа ВЧ-генератора,
N_θ = 0,5 f₁cT². (6)
Выражение (6) получено с учетом того, что разность средних частот при заполнении вспомогательного реверсивного счетчика 16 (17, 18, 19) соответственно с входов обратного и прямого счета составляет f₁c f₁c, а суммарное время счета в одном направлении - Т.

Из подставления выражений (5) и (6) следует, что число импульсов N_θ, накопленное в одном из вспомогательных реверсивных счетчиков равно одной четвертой составляющей погрешности, обусловленной тепловым дрейфом частоты генератора, при времени продувки, равном времени счета (Т_п = Т).

Поэтому, чтобы получить значение поправки, равное составляющей погрешности, обусловленной тепловым дрейфом частоты генератора, содержимое четырех вспомогательных счетчиков 16, 17, 18 и 19 суммируется блоком 20.

По содержимому сумматора перед очередным циклом измерения производится предустановка основного реверсивного счетчика 6.

Перезапись кода дрейфа с выхода сумматора 20 в основной реверсивный счетчик 6 производится управляющим импульсом, поступающим с 7-го выхода блока управления (выход микросхемы И 28).

В следующем цикле измерения в соответствии с кодом двухразрядного двоичного счетчика 13 циклов демультиплексорами 14 и 15 выбирается очередной вспомогательный реверсивный счетчик, в котором после предварительной очистки обновляется информация о температурном дрейфе частоты ВЧ-генератора 2.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в каждом цикле на четверть обновляется поправка, учитывающая температурный дрейф ВЧ-генератора 2. При этом среднее запаздывание введения поправки не превышает двух циклов. В то время как в прототипе поправка обновляется целиком через четыре цикла. Поэтому запаздывание введения поправки в зависимости от номера цикла, фиксируемого счетчиком циклов (емкость счетчика циклов равна четырем), составляет соответственно 2, 3, 4 и 5 циклов. А среднее запаздывание введения поправки равно 3,5 циклам.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает высокую точность измерения за счет повышения точности введения поправки, учитывающей тепловой дрейф ВЧ-генератора, за счет уменьшения запаздывания коррекции почти в два раза.

Использование: аналитическое приборостроение. Устройство содержит емкостный датчик-ячейку, включенную в частотозадающий контур ВЧ-генератора, одновходовой клапан для ввода в датчик ячейку опорного (сухого) газа, одновходовой клапан для ввода в датчик анализируемого газа. Устройство содержит также осушитель, основной реверсивный счетчик, блок индикации, соединенный с информационными выходами реверсивного счетчика, трехвходовые схемы И, блок управления, счетчик циклов измерения, демультиплексоры, вспомогательные реверсивные счетчики, соединенные с выходами демультиплексоров. В устройство включены сумматор, соединенный с выходами вспомогательных реверсивных счетчиков и установочными входами основного реверсивного счетчика, и дешифратор команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков. В устройстве в каждом цикле на четверть обновляется поправка, учитывающая температурный дрейф ВЧ-генератора. При этом среднее запаздывание введения поправки не превышает двух циклов. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОЙ ВЛАЖНОСТИ, содержащее блок управления, емкостной датчик-ячейку, включенную в частотозадающую цепь ВЧ-генератора, осушитель, два клапана, блок индикации, вспомогательный реверсивный счетчик, четыре схемы И, первые входы которых соединены с выходом ВЧ-генератора, счетчик циклов измерения, основной реверсивный счетчик, входы прямого и обратного счета которого соединены соответственно с выходами первой и второй трехвходовых схем И, вход блока индикации соединен с информационным выходом основного реверсивного счетчика, выходы блока управления соединены - первый с управляющим входом первого клапана и входом первой схемы И, второй с управляющим входом второго клапана и входом второй схемы И, третий с входами первой, второй, третьей и четвертой схем И, четвертый с входом третьей схемы И, пятый с входом четвертой схемы И, шестой с входом "запись" блока индикации, седьмой с входом "запись по установочным входам" основного реверсивного счетчика, восьмой с входом счетчика циклов измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него дополнительно введены три вспомогательных реверсивных счетчика, два демультиплексора, дешифратор команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков и сумматор, выход которого соединен с установочными входами основного реверсивного счетчика, а входы - с выходами четырех вспомогательных реверсивных счетчиков, входы прямого счета которых через первый демультиплексор соединены с выходом третьей схемы И, входы обратного счета вспомогательных реверсивных счетчиков через второй демультиплексор соединены с выходом четвертой схемы И, управляющие входы демультиплексоров соединены с информационными входами счетчика циклов измерения, с которыми соединены входы дешифратора команд очистки вспомогательных реверсивных счетчиков, а выходы дешифратора соединены с входами "установка в ноль" вспомогательных реверсивных счетчиков.