ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при автоматическом контроле и измерении влагосодержания непроводящих жидкостей типа нефти и нефтепродуктов, диэлектрическая проницаемость которых меняется в зависимости от влагосодержания.

Известен автоматический диэлькометр [1] основанный на методе биений частот двух генераторов, содержащий смеситель частот обоих генераторов, фильтр нижних частот, схему управления генератором и вольтметр.

Недостатком этого диэлькометра является невысокая точность измерений (1-2%) при малом содержании влаги из-за остаточной ошибки в цепи регулирования генератором, а также из-за нестабильности частот обоих генераторов.

Известен диэлькометр [2] содержащий измерительный и опорный генераторы, тактовый генератор, блоки формирования и арифметического преобразования сигналов, где погрешность при сравнении частот измерительного и опорного генераторов может быть уменьшена за счет увеличения разрядности представления чисел в блоке арифметического преобразования.

Однако при измерениях влагосодержания, составляющего десятые доли процента от общего объема, такой диэлькометр не обладает достаточной точностью из-за нестабильности частот генераторов, при этом необходимо значительно увеличивать разрядность арифметического устройства, что существенно усложняет диэлькометр.

Наиболее близким к изобретению является устройство аналогового измерения электрической емкости [3] содержащее два генератора, схему управления одного из генераторов, обеспечивающую автоматическую подстройку частоты генератора к частоте другого генератора, управляемого от источника напряжения, и вольтметр.

Недостатком этого устройства является погрешность измерений из-за нестабильности частот обоих генераторов при изменении напряжения питания, температуры и других дестабилизирующих факторов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в диэлькометрический влагомер, содержащий автоматически управляемый генератор, выход которого подключен к первому входу схемы управления, выход которой соединен с входом автоматически управляемого генератора, и цифровой вольтметр, ведены второй автоматически управляемый генератор и вторая схема управления, выход которой соединен с входом второго автоматически управляемого генератора, выход которого подключен к первому входу второй схемы управления, а также введены опорный генератор, выход которого соединен с вторыми входами первой и второй схем управления, вычитающее устройство, первый и второй входы которого соединены с выходами первой и второй схем управления соответственно, а выход вычитающего устройства через устройство масштабирования подключен к цифровому вольтметру.

Сопоставительный анализ изобретения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от известного введением опорного генератора, второго автоматически управляемого генератора, второй схемы управления, устройства вычитания и устройства масштабирования, что позволяет получить новые свойства, выражающиеся в независимости точности измерений от стабильности частот генераторов, и тем самым повысить точность измерений и обеспечить прямопоказывающую индикацию влагосодержания. Кроме того, новые функциональные связи обеспечивают подстройку обоих автоматически управляемых генераторов к частоте неуправляемого опорного генератора, что позволяет сделать вывод о существенных отличиях предлагаемого устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого влагомера; на фиг.2а-д эпюры напряжений в различных точках данной схемы; на фиг.2 а представлен выходной сигнал опорного генератора 1, имеющего импульсный характер; на фиг.2б выходной сигнал фазового компаратора 6 при запаздывании по фазе сигнала управляемого генератора 2 относительно сигнала опорного генератора 1; на фиг.2в выходной сигнал схемы управления 5, т.е. сигнал на выходе интегратора 7 и первом входе вычитающего устройства 14; на фиг.2г выходной сигнал фазового компаратора 9 при опережении по фазе сигнала управляемого генератора 11 относительно сигнала опорного генератора 1; на фиг.2д выходной сигнал схемы 8 управления, т.е. сигнал на выходе интегратора 10 и втором входе вычитающего устройства 14.

Диэлькометрический влагомер содержит опорный генератор 1, выход которого подключен к вторым входам схем 5 и 8 управления. Выход первого автоматически управляемого генератора 2, содержащего собственно генератор 3, управляемый напряжением (ГУН), и емкостной датчик 4, подключен к первому входу первой схемы 5 управления, содержащей последовательно соединенные фазовый компаратор 6 и интегратор 7. Первый вход второй схемы 8 управления, содержащей последовательно соединенные фазовый компаратор 9 и интегратор 10, подключен к выходу второго автоматически управляемого генератора 11, содержащего емкостной датчик 12 и ГУН 13.

Выход первой схемы 5 управления соединен одновременно с входом управляемого генератора 2 и первым входом вычитающего устройства 14, а выход второй схемы 8 управления соединен одновременно с входом управляемого генератора 11 и вторым входом вычитающего устройства 14. К выходу вычитающего устройства 14 подключено устройство 15 масштабирования, выход которого подключен к цифровому вольтметру 16.

Диэлькометрический влагомер работает следующим образом.

От опорного генератора 1 сигнал с частотой f0 и напряжением прямоугольной формы U0 (фиг.2а) поступает на вторые входы схем 5 и 8 управления, т.е. на входы фазовых компараторов 6 и 9. На первые входы схем 5 и 8 управления, т. е. на другие входы фазовых компараторов 6 и 9, поступают сигналы от ГУН 3 и 13 соответственно.

Собственные частоты генераторов 3 и 13 прямо пропорциональны управляющим напряжениям U1 и U2 с выходов схем 5 и 8 управления соответственно, т.е. с выходов интеграторов 7 и 10, и обратно пропорциональны величинам электрических емкостей датчиков 4 и 12 соответственно.

Так, для частоты ГУН 3 с подключенным датчиком 4, выбранным в качестве эталонного, можно записать
f1 где К1 коэффициент пропорциональности;
С1 величина электрической емкости датчика 4, в качестве диэлектрика в которой используется эталонная, т.е. "обезвоженная" жидкость.

Для частоты ГУН 13 с датчиком 12, в качестве диэлектрика в котором используется исследуемая жидкость, можно записать
f2 где К2 коэффициент пропорциональности;
С2 величина электрической емкости датчика 12.

В процессе управления частотами генераторов 2 и 11, которые вместе с управляющими схемами 5 и 8 подстройки частот этих генераторов к частоте опорного генератора 1 представляют собой схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), напряжения U1 и U2 с выходов управляющих схем 5 и 8 пропорциональны разности фаз между напряжениями генератора 2 и опорного генератора 1 и разности фаз между напряжениями генератора 11 и опорного генератора 1. В установившемся режиме частоты генераторов 2 и 11 равны частоте f0 опорного генератора 1.

Изменение полной фазы сигнала одного из управляемых генераторов 2 и 11 связано с изменением электрической емкости одного из датчиков 4 и 12, что обусловлено изменением диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости, что, в свою очередь, связано с изменением влагосодержания. Изменение фазы сигнала приводит к изменению одного из управляющих U1 или U2 напряжений на выходе соответствующей схемы 5 или 8 управления.

Разность напряжений Up U1 U2 с выхода вычитающего устройства 14 усиливается в устройстве 15 масштабирования и поступает на вход цифрового вольтметра 16, где индицируется в виде процентного содержания воды в исследуемой жидкости.

Используя известные соотношения из [3] напряжение на выходе схемы 5 управления можно записать в виде
U1 U′1dt=K′1(f1-f0) где U'1 напряжение на выходе фазового компаратора 6;
Т постоянная времени интегратора 7;
К'1 коэффициент пропорциональности.

Аналогично напряжение на выходе схемы 8 управления можно записать в виде
U2 U′2dt=K′2(f2-f0) где U'2 напряжение на выходе фазового компаратора 9;
Т постоянная времени интегратора 10;
К'2 коэффициент пропорциональности
В дальнейшем полагаем, что обе схемы ФАПЧ выполнены идентичными. Тогда, обозначив К'1= К'2 К, разностное напряжение на выходе вычитающего устройства Up K(f1 f2) не зависит от частоты f0 опорного генератора 1.

Кроме того, при изменении питающих напряжений, температуры и других дестабилизирующих факторов при идентичности характеристик схем ФАПЧ, включающих в себя управляемые генераторы 2 и 11 и схемы 5 и 8 управления, разностное напряжение на выходе вычитающего устройства 14 не зависит от вышеперечисленных факторов, в частности от стабильности генераторов 2 и 11.

Устройство 15 масштабирования позволяет путем изменения коэффициента усиления выбрать масштаб индикации процентного содержания влаги в исследуемой жидкости. Эта возможность основана на том, что при установившихся режимах ФАПЧ справедливо соотношение

Тогда при относительно небольшом влагосодержании (≅ 10%), справедливо соотношение
≈ т.е. относительное изменение разностного напряжения прямо пропорционально относительному изменению электрической емкости датчика с исследуемой жидкостью по сравнению с электрической емкостью датчика с эталонной (обезвоженной) жидкостью.

Таким образом, с помощью устройства 15 масштабирования обеспечивается прямопоказывающая индикация процентного содержания влаги в предлагаемом устройстве, что также отличает его от прототипа, где требуются тарировочные кривые при измерениях.

Первоначальная настройка диэлькометрического влагомера производится следующим образом.

Для настройки влагомера необходимо иметь два образца исследуемого нефтепродукта с различной влажностью, например обезвоженный и с известным влагосодержанием.

Первоначально два емкостных датчика 4 и 12 погружаются одновременно в сосуды с эталонным (обезвоженным) продуктом. С помощью подстроечных элементов в генераторах 2 и 11 (установка нуля "грубо"), а затем в вычитающем устройстве 14 (установка нуля "точно") устанавливается нуль показаний по цифровому вольтметру 16. Затем одновременно датчик 4 и датчик 12 помещаются один в эталонный обезвоженный продукт (датчик 4), другой в эталонный с известным влагосодержанием (датчик 12). Регулировкой усиления в масштабирующем устройстве 15 устанавливают показание, соответствующее известному процентному влагосодержанию. На этом первоначальная настройка заканчивается и влагомер готов к измерениям. В дальнейших измерениях достаточно после включения питания производить контроль нуля при погружении датчиков 4 и 12 в продукт с одинаковым влагосодержанием и подстраивать только с помощью органов точной регулировки.

Для обеспечения стабильности показаний влагомера при действии дестабилизирующих внешних факторов применяются две одинаковые микросхемы ФАПЧ серии 564, объединяющие в одном корпусе ГУН и фазовый компаратор.

В качестве одновременно вычитающего и масштабирующего устройства используется одна микросхема операционного усилителя типа 140УД5, включенного по дифференциальной схеме с резистором в цепи обратной связи, осуществляющего регулировку усиления. В качестве опорного генератора используется микросхема 133ЛАЗ, включенная по схеме RC генератора.

Конструктивно влагомер выполнен в корпусе размерами 120х80х40 мм с жесткими выводами для подключения цилиндрических коаксиальных датчиков. Датчики выполнены съемными, погружного типа. Вместо одного из датчиков в качестве эталонного может быть подключен электрический стандартный конденсатор и измерения при этом можно проводить последовательным погружением одного и того же датчика вначале в эталонный продукт с установкой нуля при этом, а затем в исследуемый.

При измерении влагосодержания промышленных автомобильных масел в процессе испытания влагомера получена точность установки нуля 0,01% и диапазон измерений от 0 до 9,9% Погрешность измерений составила 0,05% в диапазоне от 0 до 3% и 0,1% в диапазоне от 3 до 10% влагосодержания при изменении температуры от +10 до +60^оС и питающих напряжений в пределах ± 10%
Сравнение технико-экономических характеристик предлагаемого влагомера с известными аналогами показывает увеличение точности в 2-3 раза по сравнению с прототипом при незначительном усложнении схемы, а также увеличение точности примерно в 8-10 раз по сравнению с аналогичными устройствами [1, 2] при одновременном существенном упрощении устройства.

Таким образом, использование предлагаемого диэлькометрического влагомера позволяет повысить точность измерений влагосодержания в непроводящих жидкостях типа нефти и нефтепродуктов и автоматически индицировать результаты измерений в процентах влагосодержания, что важно при непрерывном дистанционном контроле.

Использование: в измерительной технике при автоматическом контроле и измерении влагосодержания нефти и нефтепродектов. Сущность изобретения: в диэлькометрический влагомер введены опорный генератор, второй автоматически управляемый генератор, вторая схема управления, устройства вычитания и масштабирования. При этом компенсируются частотные нестабильности генераторов под действием дестабилизирующих факторов, в результате чего увеличивается точность измерений относительно малых влагосодержаний. Диапазон измерений составляет от 0 до 10% влагосодержания с точностью 0,05% с цифровой индикацией, не требующей тарировочных таблиц. 2 ил.

ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР, содержащий автоматически управляемый генератор, выход которого подключен к первому входу схемы управления, выход которой соединен с входом автоматически управляемого генератора, и цифровой вольтметр, отличающийся тем, что он снабжен вторым автоматически управляемым генератором и второй схемой управления, выход которой соединен с входом второго автоматически управляемого генератора, выход которого подключен к первому входу второй схемы управления, неперестраеваемым генератором синхросигналов, выход которого соединен с вторыми входами первой и второй схем управления, вычитающим устройством, первый и второй входы которого соединены с выходами первой и второй схем управления соответственно, устройством масштабирования, через которое выход вычитающего устройства подключен к цифровому вольтметру.