ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА Российский патент 1995 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным влагомерам, и может использоваться для экспресс-анализа зерна и продуктов его переработки, а также других гранулированных твердых материалов.

Известен емкостной влагомер [1] содержащий штыревой первичный преобразователь и измерительное устройство, в котором для измерения влажности используется зависимость от влажности диэлектрической проницаемости исследуемого материала и конфигурации переменного электрического поля, наводимого первичным преобразователем влагомера.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является измеритель влажности зерна [2] содержащий помещаемый в исследуемый материал пробник (щуп), являющийся емкостным датчиком, соединенным с измерительной схемой, содержащей эталонный конденсатор, генератор, делители напряжения, пиковые детекторы, соединенные по мостовой схеме, дифференциальный усилитель, переключатели.

Недостатками указанных технических решений являются нелинейность характеристик влагомера, приводящая к значительным погрешностям при измерениях на краях диапазона, и низкая чувствительность.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей в измерении влажности зерна и продуктов его переработки диэлькометрическим методом с помощью разработанного авторами принципиально нового устройства, являющегося объектом настоящей заявки. Достигаемый при этом технический результат выражается в высокой чувствительности, стабильности и линейности измерителя, что обеспечивает повышенную точность измерения в широком диапазоне.

Доcтигаемый результат обеспечивается тем, что в измерителе влажности зерна, содержащем первичный преобразователь, выполненный в виде емкостного датчика, и измерительный блок, включающий в себя эталонный конденсатор и генератор, выход которого соединен с первыми электродами емкостного датчика и эталонного конденсатора, в измерительный блок введены первый и второй ключи, дифференциатор, инвертор, первый и второй детекторы знаков сигналов, первый и второй сумматоры, инвертирующий и неинвертирующий фильтры низкой частоты, блок управления частотой генератора и блок температурной коррекции, причем второй электрод емкостного датчика соединен с входами первого и второго ключей, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго сумматоров, выход генератора через дифференциатор соединен с входом инвертора и управляющим входом первого ключа, а выход инвертора соединен с управляющим входом второго ключа, второй электрод эталонного конденсатора через первый и второй детекторы знаков сигналов соединен соответственно с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам инвертирующего и неинвертирующего фильтров низкой частоты, выход инвертирующего фильтра низкой частоты соединен с третьим входом второго сумматора, выход неинвертирующего фильтра низкой частоты является выходом устройства и через блок управления частотой генератора соединен с управляющим входом генератора, а выход блока температурной коррекции подключен к четвертому входу второго сумматора. При этом блок управления частотой генератора выполнен в виде усилителя с постоянными величинами коэффициента усиления и смещения, емкостной датчик выполнен в виде цилиндрического щупа с конусным наконечником, состоящего из механически скрепленных чередующихся токопроводящих и диэлектрических колец, токопроводящие кольца электрически соединены через одно в две группы и образуют первый и второй электроды емкостного датчика, емкостный датчик снабжен жестким уплотняющим диском, закрепленным на противоположном наконечнику конце щупа, электрически изолированном от электродов датчика и имеющем диаметр, в 2-3 раза превышающий диаметр колец щупа, а блок температурной коррекции содержит последовательно соединенные источник тока, датчик температуры, выполненный в виде термометра сопротивления и установленный внутри ближнего к наконечнику токопроводящего кольца емкостного датчика, и выходной усилитель напряжения.

Существенными отличительными признаками в указанной совокупности, обеспечивающими достижение поставленной цели, являются наличие в измерительном блоке двух ключей, дифференциатора, инвертора, двух детекторов знаков сигналов, двух сумматоров, инвертирующего и неинвертирующего фильтров низкой частоты, блока управления частотой генератора и блока температурной коррекции, соответствующим образом соединенных.

Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что заявляемое устройство вследствие предлагаемого схемного решения измерительного блока, обеспечивает высокую чувствительность измерений и стабильность характеристик благодаря:
измерение среднего абсолютного значения тока перезаряда емкости емкостного датчика пилообразным напряжением;
формированию такого управления ключами, при котором выходное напряжение измерительного блока не зависит от величины тока, протекающего через емкостный датчик и обусловленного омическим шунтирующим (активным) сопротивлением между электродами этого датчика, что существенно при измерениях влажности сырого продукта и позволяет использовать высокочувствительный емкостный датчик без электрической изоляции его электродов от измеряемого продукта;
повышению частоты генератора при малых влажностях измеряемого продукта.

Это реализовано за счет введения в схему измерителя электронных ключей, управляемых от производной выходного сигнала генератора пилообразного напряжения, причем один ключ коммутирует и подает ток измерения на фильтр низкой частоты непосредственно, а другой ключ через инвертор, и включения опорной емкости между генератором и детекторами знаков сигналов.

Существенным элементом является также размещение датчика температуры внутри первого токопроводящего кольца емкостного датчика, что обеспечивает повышенный усредненный тепловой контакт с гранулами измеряемого материала, надежную механическую защиту датчика и контроль температуры контролируемого продукта на глубине.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого измерителя зерна; на фиг.2 функциональная схема блока температурной коррекции (предпочтительный вариант для предлагаемого схемного решения измерителя); на фиг. 3 и 4 схематически представлена конструкция емкостного датчика (щупа), продольное и поперечное по А-А сечения соответственно; на фиг.5 токопроводящее кольцо емкостного датчика с размещенной в нем катушкой датчика температуры; на фиг.6 представлена временная диаграмма работы измерительного блока устройства.

Заявляемый измеритель влажности зерна (фиг.1) содержит являющийся первичным преобразователем емкостный датчик 1 и образующие измерительный блок генератор 2, эталонный конденсатор 3, первый и второй ключи 4,5, дифференциатор 6, инвертор 7, первый и второй детекторы 8,9 знака сигнала, первый (двухвходовый) и второй (четырехвходовый) сумматоры 10,11, инвертирующий и неинвертирующий фильтры 12 и 13 низкой частоты, блок 14 управления частотой генератора и блок 15 температурной коррекции. Выход генератора 2 подключен к первым электродам емкостного датчика 1 и эталонного конденсатора 3, а также к входу дифференциатора 6. Второй электрод емкостного датчика 1 подключен к входам первого и второго ключей 4,5, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго сумматоров 10,11. Выход дифференциатора 6 подключен к управляющему входу второго ключа 5 и через инвертор 7 соединен с управляющим входом первого ключа 4. Второй электрод эталонного конденсатора 3 через первый 8 и второй 9 детекторы знаков сигналов соединены соответственно с вторыми входами первого 10 и второго 11 сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам инвертирующего 12 и неинвертирующего 13 фильтров низкой частоты. Выход инвертирующего фильтра 12 низкой частоты соединен с третьим входом второго сумматора 11, выход неинвертирующего фильтра 13 низкой частоты является выходом устройства и через блок 14 управления частотой генератора соединен с управляющим входом генератора 2. Выход блока температурной коррекции 15 подключен к четвертому входу второго сумматора 11.

Блок температурной коррекции 15 по предпочтительному варианту реализации (фиг.2) содержит последовательно соединенные источник тока 16, датчик температуры (термометр сопротивления) 17 и выходной усилитель 18.

Емкостный датчик 1 выполнен в виде полого цилиндрического щупа (фиг.3), состоящего из механически (разъемно или неразъемно) скрепленных между собой чередующихся токопроводящих 19 и диэлектрических 20 колец. Токопроводящие кольца 19 через одно электрически соединены в две группы, образуя, таким образом, два электрически взаимно изолированных электрода емкостного датчика. Емкостный датчик (щуп) снабжен конусным наконечником 21 и жестким уплотняющим диском 22, закрепленным на противоположном наконечнику 21 конце щупа. Диск 22 электрически изолирован от электродов датчика, служит для уплотнения гранулированного контролируемого материала при введении щупа в этот материал и с этой целью имеет диаметр, в 2-3 раза превышающий диаметр кольца щупа.

Датчик температуры 17 выполнен (фиг.4,5) в виде катушка 23 с обмоткой 24, расположенной в полости щупа 1 внутри ближнего к наконечнику 21 токопроводящего кольца 19. Обмотка 24 выполнена из медного провода с сопротивлением 40-100 Ом при 0^оС (этот параметр выбран из условия общепринятых норм ГОСТа).

Устройство работает следующим образом. Емкостный датчик 1 (щуп) измерителя влажности зерна погружают в измеряемый материал до соприкосновения с последним уплотняющего диска 22 и легкого уплотнения материала в зоне измерения.

Содержание влаги в измеряемом материале определяет диэлектрическую проницаемость емкости, образованной двумя группами токопроводящих колец 19 емкостного датчика 1. Температура измеряемого материала через некоторое время определит сопротивление датчика температуры.

После включения питания измерительного блока измерителя влажности зерна на выходе генератора 2 устанавливается переменное напряжение пилообразной формы U₂ (см.фиг.6) с заданной частотой и амплитудой. Напряжение U₂ подается на первые электроды емкостного датчика 1 и эталонного конденсатора 3. При этом на втором электроде емкостного датчика 1 наводится ток I₁ (выходы ключей соединены непосредственно с суммирующими точками операционных усилителей первого и второго сумматоров 10,11), величина которого пропорциональна емкости между электродами емкостного датчика 1, которая, в свою очередь, связана монотонной функцией с влажностью измеряемого материала. Электронные ключи 4 и 5, управляемые дифференциатором 6 и инвертором 7, образуют схему синхронного детектирования полезного сигнала, работающую следующим образом. Выходной сигнал U₆ дифференциатора 6, представляющий собой меандр с фиксированной амплитудой, открывает ключ 5 в интервалы времени t_o-t₁, t₂-t₃, t_k-1-t_k, где k 0,1,n, и закрывает в интервалы времени t₁-t₂, t₃-t₄,t_k-t_k+1. Ключ 5 пропускает, таким образом, сигналы положительной полярности выходного тока I₁ емкостного датчика 1, имеющего форму меандра, амплитуда которого пропорциональна величине емкости емкостного датчика 1. Кроме того, ключ 5 пропускает положительную полярность тока I_1а пилообразной формы, обусловленного наличием паразитного активного сопротивления R_a между электродами емкостного датчика 1 при его нахождении в измеряемом материале, при этом ток I_1a U₂/R_a. Ток I₅ I₁ + I_1а, когда ключ 5 открыт, и I₅ 0, когда ключ 5 закрыт.

Аналогично выходной сигнал инвертора 7 открывает ключ 4 в интервалы времени t₁-t₂, t₃-t₄,t_k-t_k+1 (k=1,n) и закрывает в интервалы времени t_o-t₁, t₂-t₃,t_k-1 t_k. Ключ 4 пропускает отрицательную составляющую тока I₁ емкостного датчика 1, который инвертируется и фильтруется после прохождения через сумматор 10 и инвертирующий фильтр 12 низкой частоты, и также отрицательную составляющую тока I_1a. Ток I₄ I₁ + +I_1a, когда ключ 4 открыт, и I₄ 0, когда ключ 4 закрыт. Таким образом, на сумматор 11 и затем на неинвертирующий фильтр 13 низкой частоты поступают сфазированные сигналы от токов I₅ и -I₄, несущие информацию о величине емкости датчика 1. Выходной сигнал U₁₃ неинвертирующего фильтра 13, являющегося выходным блоком устройства, пропорционален при этом амплитуде тока перезаряда I₁ емкости датчика 1. А поскольку среднее значение пилообразного тока I₁a равно нулю, то сигнал, проходящий через паразитное активное сопротивление R_a и описанную схему синхронного детектирования, имеет среднее значение, равное нулю. Таким образом, на выходе фильтра 13 составляющая от паразитного тока I_1a также равна нулю, что повышает точность и стабильность измерений влажности материалов.

Емкостный датчик 1 имеет некоторую начальную, собственную емкость, не зависящую от диэлектрической проницаемости измеряемого материала, поэтому в измерительный блок введены эталонный конденсатор 3, первый и второй детекторы 8 и 9 знаков сигналов, сумматоры 10 и 11, фильтры 12 и 13 низкой частоты, образующие узел смещения выходного напряжения U₁₃. Он построен по схеме синхронного детектирования, так что незначительные изменения частоты и формы выходного напряжения U₂ генератора 2 не влияют на величину задаваемого смещения.

Для автоматического регулирования величины смещения выходного напряжения U₁₃ на один электрод эталонного конденсатора 3 подается пилообразное напряжение U₂. Через конденсатор 3 начинает течь ток прямоугольной формы I₃, положительная I₈ и отрицательная I₉ составляющие которого проходят соответственно через детекторы 8,9 знаков сигналов. С помощью сумматоров 10 и 11 и фильтров 12,13 эти токи формируют некоторый отрицательный уровень постоянного напряжения на выходе устройства. При этом U₁₃=0 в случае, когда емкостный датчик 1 не погружен в измеряемый материал. Работа этой схемы синхронного детектирования полностью совпадает с работой аналогичной схемы синхронного детектирования, описанной выше, с той лишь разницей, что вместо ключей 4 и 5 и соответствующего им формирования управления дифференциатором 6 и инвертором 7, в схеме регулирования смещения используются детекторы 8 и 9 знаков сигнала, управляемые самим входным двухполярным сигналом, а направление детекторов 8 и 9 выбрано таким, чтобы из выходного сигнала U₁₃ смещение вычиталось. Такое упрощение схемы синхронного детектирования возможно благодаря тому, что в эталонном конденсаторе 3 узла смещения отсутствует паразитная активная (омическая) составляющая, характерная для емкостного датчика 1. Выходной сигнал U₁₃ устройства поступает на внешний блок отображения (не показан), проградуированный, например, в процентах влажности.

Напряжение U₁₃ поступает также на вход блока 14 управления частотой, состоящего из линейного усилителя с регулируемыми коэффициентами усиления (меньше единицы) и смещения. Выходное напряжение блока 14, поступая на управляющий вход генератора 2, управляет его частотой таким образом, что при измерении влажности очень влажных продуктов (большая емкость емкостного датчика 1) частота генератора 2 несколько снижается, предотвращая выход за границы динамического диапазона выходного сигнала U₁₃) устройства. И, наоборот, при измерении влажности сухих продуктов (малая емкость емкостного датчика 1) выходной сигнал U₁₃ устройства и блока 14 уменьшается и увеличивает частоту генератора 2.

Блок 15 температурной коррекции осуществляют аддитивную коррекцию выходного сигнала влажности для компенсации влияния на измеряемую относительную влажность продукта его температуры. Источник 16 эталонного постоянного тока нагружен на датчик температуры 17 термометр сопротивления. Каждому значению температуры датчика 17 соответствует строго определенное значение его сопротивления и, следовательно, значение падения напряжения на датчике 17. Это напряжение усиливается усилителем 18 путем включения датчика 17 в отрицательную обратную связь усилителя 18 и, с некоторым заданным коэффициентом, смещает выходной сигнал U₁₃ измерителя влажности зерна.

Использование: измерительная техника, экспресс-анализ зерна, продуктов его переработки и других гранулированных твердых материалов. Сущность изобретения: измеритель влажности зерна содержит первичный преобразователь, выполненный в виде емкостного датчика, и измерительный блок. В измерительный блок дополнительно введены два ключа, дифференциатор, инвертор, два детектора знаков сигналов, два сумматора, инвертирующий и неинвертирующий фильтры низкой частоты, блок управления частотой генератора и блок температурной коррекции. Все блоки соответствующим образом соединены между собой и с емкостным датчиком (щупом), снабженным датчиком температуры. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА, содержащий первичный преобразователь, выполненный в виде емкостного датчика, и измерительный блок, содержащий эталонный конденсатор и генератор, выход которого соединен с первыми электродами емкостного датчика и эталонного конденсатора, отличающийся тем, что в измерительный блок введены первый и второй ключи, дифференциатор, инвертор, первый и второй детекторы знаков сигналов, первый и второй сумматоры, инвертирующий и неинвертирующий фильтры низкой частоты, блок управления частотой генератора и блок температурной коррекции, причем второй электрод емкостного датчика соединен с входами первого и второго ключей, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго сумматоров, выход генератора через дифференциатор соединен с входом инвертора и управляющим входом второго ключа, а выход инвертора с управляющим входом первого ключа, второй электрод эталонного конденсатора через первый и второй детекторы знаков сигналов соединен соответственно с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам инвертирующего и неинвертирующего фильтров низкой частоты, выход инвертирующего фильтра низкой частоты соединен с третьим входом второго сумматора, выход неинвертирующего фильтра низкой частоты является выходом устройства и через блок управления частотой генератора соединен с управляющим входом генератора, а выход блока температурной коррекции подключен к четвертому входу второго сумматора. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что блок управления частотой генератора выполнен в виде линейного усилителя с постоянной величиной смещения и постоянным коэффициентом усиления меньшим единицы. 3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что емкостный датчик выполнен в виде цилиндрического щупа с конусным наконечником, состоящего из механически скрепленных чередующихся токопроводящих и диэлектрических колец, токопроводящие кольца электрически соединены через одно в две группы и образуют первый и второй электроды емкостного датчика. 4. Измеритель по п. 3, отличающийся тем, что емкостный датчик снабжен жестким уплотняющим диском, закрепленным на противоположном наконечнику конце щупа, электрически изолированном от электродов датчика и имеющим диаметр в 2 3 раза превышающий диаметр колец щупа. 5. Измеритель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что блок температурной коррекции содержит последовательно соединенные источник тока, датчик температуры, выполненный в виде термометра сопротивления и установленный внутри ближнего к наконечнику токопроводящего кольца емкостного датчика, и усилитель напряжения.