ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР Российский патент 1995 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники, где требуется измерение влажности контролируемых материалов, в том числе материала, критичных к амплитуде измерительного сигнала на исследуемом образце, имеющих нелинейную зависимость измеряемого параметра от величины приложенного напряжения измерительного сигнала и обладающих большими потерями, а также где требуется одновременное преобразование емкостного и активного сопротивления контролируемого объекта для определения его влажности.

Известен электронный влагомер [1] содержащий емкостный первичный преобразователь (датчик), измерительный автогенератор, к частотно-задающей цепи которого подключен датчик, при этом к выходу измерительного автогенератора подключены последовательно соединенные усилитель, оптронная развязка, реверсивный счетчик, ограничитель и регистратор.

К недостатку устройства следует отнести влияние активных потерь на результат измерений и на величину измерительного сигнала.

Известно устройство для определения влажности материалов на основе раздельного преобразования активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления датчика [2] содержащее автогенераторный преобразователь с подключенными к нему амплитудным и частотным детекторами, с помощью которых получают раздельную информацию, пропорциональную потерям и частотной расстройке автогенераторного преобразователя при заполнении его емкостного датчика контролируемым материалом, и два индикаторных прибора, один из которых подключен к амплитудному детектору, а другой к частотному детектору.

Однако в данном устройстве одновременное раздельное преобразование составляющих комплексного сопротивления датчика происходит вне автогенераторного преобразователя с помощью подключенных к нему дополнительных устройств, что приводит к усложнению прибора и его настройки, появлению погрешностей, обуслов- ленных дополнительными устройствами (амплитудным и частотным детекторами).

Кроме того, для данного устройства характерны те же недостатки, что и для большинства известных влагомеров. Это влияние активных потерь на величину измерительного сигнала, сравнительно большая его величина (напряжение на контролируемом объекте), нелинейная характеристика преобразования и невозможность проведения измерений при тангенсе угла потерь исследуемого объекта много больше единицы.

Изложенные выше недостатки, обусловленные структурой автогенератора и методом преобразования, приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик прибора, а в ряде случаев не позволяют получить достоверную информацию.

Наиболее близким аналогом к изобретению является электронный влагомер [3] состоящий из двух настроенных в унисон генераторов высокой частоты с включенным в колебательный контур одного из них емкостным датчиком, между обкладками которого помещают испытываемый материал, вызывающий биение частот и электронной схемы с измерительным прибором, указывающим величину влажности в зависимости от биения, а также реактивной лампы, параллельно подсоединенной к колебательному контуру первого генератора для компенсации активных потерь.

В данном устройстве устраняется влияние активных потерь на результаты измерений (достоверность, точность измерений). Однако недостатки, характерные для описанных выше аналогов, сохраняются.

Целью изобретения является повышение достоверности определения влажности при улучшении эксплуатационных характеристик влагомера.

Цель достигается тем, что в электронный влагомер, содержащий измерительный автогенераторный преобразователь, состоящий из усилителя, охваченного положительной обратной связью с частотно-задающей цепью, соединенной с датчиком, опорный генератор, состоящий из усилителя с частотно-задающей цепью в цепи положительной обратной связи, блок сравнения частот измерительного автогенераторного преобразователя и опорного генератора, измерительный прибор, введены два выпрямительных преобразователя с сумматором между ними, индикатор, подсоединенный к выходу сумматора, причем выпрямительные преобразователи соединены с измерительным автогенераторным преобразователем и опорным генератором соответственно, где в каждом из последних между усилителем и частотно-задающей цепью введен частотно-независимый мост с терморезистором в одном из плеч.

Кроме того, каждый выпрямительный преобразователь подсоединен к цепи положительной обратной связи между частотно-независимым мостом и частотно-задающей цепью в измерительном автогенераторном преобразователе и опорном генераторе соответственно.

Введение двух выпрямительных преобразователей и сумматора позволяет, во-первых, скомпенсировать начальное напряжение разбаланса частотно-независимого моста измерительного автогенераторного преобразователя напряжением разбаланса такого же моста, введенного в опорный генератор, что дает возможность получить непосредственный отсчет активной проводимости контролируемого материала, так как включение между усилителем и частотно-задающей цепью в измерительном автогенераторном преобразователе частотно-независимого моста с терморезистором в одном из плеч позволяет наряду с преобразованием в частоту реактивной составляющей комплексной проводимости датчика с контролируемым материалом, одновременно и независимо преобразовать и активную составляющую в амплитуду на выходе частотно-независимого моста. Во-вторых, изобретение позволяет уменьшить долговременную нестабильность напряжения на выходе сумматора, обусловленную в основном изменением температуры окружающей среды, поскольку в силу полученной идентичности автоколебательных систем температурное изменение амплитуды на выходе частотно-независимого моста измерительного автогенераторного преобразователя, предварительно выпрямленное, компенсируется в сумматоре практически таким же предварительно выпрямленным изменением амплитуды на выходе частотно-независимого моста опорного генератора. То же относится и к частоте информационного сигнала. Температурные уходы частоты в обеих колебательных системах компенсируют друг друга в блоке сравнения частот. Кроме того, одновременное раздельное преобразование реактивной составляющей комплексной проводимости датчика в частоту автоколебаний, а активной составляющей в амплитуду автоколебаний на выходе частотно-независимого моста происходит в самом измерительном автогенераторном преобразователе, что исключает применение дополнительных устройств для разделения информации в отличие от второго аналога.

Использование частотно-независимого моста позволяет уменьшать амплитуду измерительного сигнала на датчике, поддерживая ее, независимо от активных потерь в датчике, постоянной. При этом тангенс угла потерь исследуемого объекта может быть много больше единицы. Благодаря частотно-независимому мосту с терморезистором в одном из плеч повышается стабильность частоты измерительного автогенераторного преобразователя, что дает возможность увеличить емкость конденсатора в колебательном контуре при снижении частоты автоколебаний, а следовательно, получить линейную характеристику преобразования.

Таким образом, получая одновременно раздельную и независимую информацию о двух составляющих комплексной проводимости контролируемого материала при больших потерях, увеличивая точность измерений за счет уменьшения температурных уходов частоты и амплитуды, имея непосредственный отсчет измеряемых величин и др. преимуществ данного устройства, достигается повышение достоверности измерений при улучшении эксплуатационных характеристик прибора.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство состоит из усилителя 1, частотно-задающей цепи 2, частотно-независимого моста 3 с терморезистром в одном из плеч, датчика 4, измерительного автогенераторного преобразователя 5, усилителя 6, частотно-задающей цепи 7, частотно-независимого моста 8 с терморезистором в одном из плеч, опорного генератора 9, блока 10 сравнения частот измерительного автогенераторного преобразователя и опорного генератора, измерительного прибора 11, выпрямительных преобразователей 12, 13, сумматора 14 и индикатора 15.

Усилитель 1 с частотно-задающей цепью 2 в цепи положительной обратной связи, частотно-независимый мост 3 с терморезистором в одном из плеч моста, одна диагональ которого подключена к выходу усилителя 1, а другая к частотно-задающей цепи 2 и подсоединенный к ней датчик 4, образуют измерительный автогенераторный преобразователь 5, исходная частота которого определяется характеристиками частотно-задающей цепи 2 и незаполненного датчика 4, а амплитуда характеристиками частотно-независимого моста 3. Усилитель 6 с частотно-задающей цепью 7 в цепи положительной обратной связи и частотно-независимый мост 8 с терморезистором в одном из плеч моста, одна диагональ которого подключена к выходу усилителя 6, а другая к частотно-задающей цепи 7, образуют опорный генератор 9, частота которого определяется характеристиками частотно-задающей цепи 7, а амплитуда характеристиками частотно-независимого моста 8.

Измерительный автогенераторный преобразователь 5 и опорный генератор 9 подключены к соответствующим входам блока 10 сравнения, выход которого соединен с измерительным прибором 11.

К выходной диагонали первого частотно-независимого моста 3 подключен первый выпрямительный преобразователь 12, а к выходной диагонали второго частотно-независимого моста 8 второй выпрямительный преобразователь 13. При этом выход первого выпрямительного преобразователя 12 и выход второго выпрямительного преобразователя 13 подключены к соответствующим входам сумматора 14, выход которого соединен с индикатором 15.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда датчик 4 не заполнен исследуемым материалом, индикатор измерительного прибора 11 и индикатор 15 показывают ноль. При заполнении датчика 4 контролируемым материалом изменяется емкость и активная проводимость датчика 4, что вызывает изменение частоты измерительного автогенераторного преобразователя 5 и амплитуды на выходе частотно-независимого моста 3 с терморезистором в одном из плеч, причем изменение частоты вызвано емкостной составляющей датчика 4, а изменение амплитуды активной составляющей.

Сигналы с измерительного автогенераторного преобразователя 5 и с опорного генератора 9, частота которого фиксирована, поступают на блок 10 сравнения частот, где выделяется разностная частота, равная изменению частоты измерительного автогенераторного преобразователя 5. Сигнал разностной частоты поступает с выхода блока 10 сравнения частот на вход измерительного прибора 11, с индикатора которого снимаются показания.

Кроме того, сигналы с выхода частотно-независимого моста 3 и выходной диагонали частотно-независимого моста 8, преобразование в постоянное напряжение разной полярности с помощью выпрямительных преобразователей 12 и 13 соответственно, поступают на сумматор 14, на выходе которого получают разность напряжений, обусловленную изменением амплитуды на выходной диагонали частотно-независимого моста 3. Напряжение на выходе сумматора 14 измеряют индикатором 15.

Калибровку прибора осуществляют так, чтобы при измерении влажности материала, взятого в качестве эталонного образца, показания индикаторов (как измерительного прибора 11, так и 15) соответствовали величине влажности этого материала. Таким образом, если при определении влажности материала, структура которого соответствует структуре эталонного образца, показания индикаторов совпадают, то они соответствуют действительной величине влажности. В случае несовпадения этих показаний вводится поправка. Например, при разных условиях выращивания зерна одного сорта (засуха, дождливый год) оно отличается, в частности, размерами. Прокалибровать прибор на все случаи практически невозможно. Поэтому измерение влажности по двум составляющим комплексной проводимости контролируемого материала позволяет повысить достоверность измерений, тем более при определении влажности более сложных объектов исследования, например при определении влажности грунтов.

Благодаря идентичности электрических схем колебательной системы измерительного автогенераторного преобразователя 5 и опорного генератора 9 можно добиться одинакового ухода частоты в обеих колебательных системах и одинакового ухода амплитуды на выходной диагонали частотно-независимых мостов 3 и 8. Это позволяет на выходе блока 10 сравнения частот и на выходе сумматора 14 уменьшить долговременную нестабильность параметров соответствующих сигналов, несущих информацию о влажности, примерно на порядок.

П р и м е р. Усилитель 1 измерительного автогенераторного преобразователя 5 и усилитель 6 опорного генератора 9 выполнены на трех транзисторах КП 305 Д. Частота генерации обеих автоколебательных систем в исходном состоянии составляла 2 МГц при емкости их колебательных контуров 1000 пФ. В одном из плеч каждого частотно-независимого моста 3 и 8 включен терморезистор ТШ-2, в плече сравнения резистор, равный 150 Ом. Коррекция фазочастотной характеристики в измерительном автогенераторном преобразователе 5 осуществлялась подстроечным конденсатором КТ4-23, включенным параллельно резистору (величиной 27 кОм) двухполюсника, посредством которого выход частотно-незави- симого моста 3 связан с колебательным контуром частотно-задающей цепи 2. Аналогичное соединение имеет место и в опорном генераторе 9, необходимое для того, чтобы обе колебательные системы были одинаковыми.

Смеситель (блок 10 сравнения частот) выполнен на двух транзисторах КП 302 АМ. Измерительный прибор 11 представляет собой конденсаторный частотомер с калиброванным делителем. Каждый выпрямительный преобразователь 12 и 13 состоит из последовательно соединенных усилителя (на транзисторе КП 302 АМ) и выпрямителя, собранного на диодах КД 522 Б. Сумматор 14 изготовлен из резисторов и его выход представляет собой калиброванный делитель, сигнал с которого поступает на микроамперметр М 4204 (индикатор 15).

Калиброванные делители служат для определения влажности различных материалов. В данном случае влагомер был прокалиброван под зерновые культуры. Уход частоты на выходе смесителя при изменении температуры на 5^оС составлял 6 Гц, а в устройстве, где в качестве опорного генератора использовался кварцованный генератор, на 56 Гц. Таким образом уход частоты во втором случае практически равен уходу частоты измерительного автогенераторного преобразователя. Температурная нестабильность уменьшается на порядок. Аналогично обстоят дела и с изменением напряжения на выходе сумматора 14 по сравнению с изменением амплитуды на выходе частотно-независимого моста 3 при изменении температуры. Независимое одновременное измерение составляющих датчика 4 осуществимо при тангенсе угла потерь материала, равном 100. Величина измерительного сигнала на датчике составляла 10 мВ и не изменялась при изменении потерь.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: электронный влагомер содержит измерительный автогенераторный преобразователь, состоящий из усилителя, охваченного положительной обратной связью с частотно-задающей цепью, соединенной с датчиком, опорный генератор, состоящий из усилителя с частотно-задающей цепью в цепи положительной обратной связи, блок сравнения частот измерительного автогенераторного преобразователя и опорного генератора и измерительный прибор. Устройство также содержит два выпрямительных преобразователя с сумматором между ними, индикатор, подсоединенный к выходу сумматора. Преобразователи соединены с измерительным автогенераторным преобразователем и опорным генератором соответственно, где в каждом из последних между усилителем и частотно-задающей цепью введен частотно-независимый мост с терморезистором в одном из плеч. Каждый выпрямительный преобразователь подсоединен к цепи положительной обратной связи между частотно-независимым мостом и частотно-задающей цепью в измерительном автогенераторном преобразователе и опорном генераторе соответственно. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР, содержащий измерительный автогенераторный преобразователь, который состоит из усилителя, охваченного положительной обратной связью с частотно-задающей цепью, соединенной с датчиком, опорный генератор, состоящий из усилителя с частотно-задающей цепью в цепи положительной обратной связи, блок сравнения частот измерительного автогенераторного преобразователя и опорного генератора и измерительный прибор, отличающийся тем, что в него введены два выпрямительных преобразователя с сумматором между ними, индикатор, подсоединенный к выходу сумматора, причем преобразователи соединены с измерительным автогенераторным преобразователем и опорным генератором соответственно, в каждом из последних между усилителем и частотно-задающей цепью введен частотно-независимый мост с терморезистором в одном из плеч. 2. Влагомер по п. 1, отличающийся тем, что каждый выпрямительный преобразователь подсоединен к цепи положительной обратной связи между частотно-независимым мостом и частотно-задающей цепью в измерительном автогенераторном преобразователе и опорном генераторе соответственно.