УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N5/00 G01N5/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативных, точных и абсолютных измерений содержания влаги в веществах с любой концентраций солей, металлов и влаги таких, как хлебные изделия и хлебные полуфабрикаты, кондитерские изделия и их полуфабрикаты, жидкие растворы, цементные шламы, всевозможные шихты и другие.

Известно устройство для измерения влажности кожи (Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин. М. Госэнергоиздат, 1959), содержащее преобразователь влажности электрический сигнал и электрическую измерительную схему. Преобразователь представляет собой металлические пластины, между которыми зажимается исследуемая кожа. Кожа складывается вдвое, непроводящей пленкой наружу. Пластины служат электродами конденсатора. В электрической измерительной схеме высокой частоты мерой содержания влаги является относительная диэлектрическая проницаемость кожи, выражаемая через частотную характеристику генератора.

Основным недостатком устройства является невозможность точного измерения влажности при ее высоких значениях, более 25% В хлебопекарной промышленности и цементной влажность образцов требуется определять с высокой точностью 0,2% при влажности 40 75% с содержанием электролитов и металлов. Активное сопротивление при измерении приведенным устройством составит примерно 50 Ом и менее, зависящее от многих параметров (сжатие пластинами, концентрация солей и металлов, влажность, температура и др.). Чтобы выделить относительную диэлектрическую проницаемость, нужно использовать частоту близкую к 100 МГц и более. С такими условиями точные измерения этим устройством невозможны.

Наиболее близким к изобретению по назначению и конструкции является устройство для определения влажности материалов (Трубников В. Ф. и Матлаева Н. И. Авторское свидетельство N 1408298, заявлено 05.10.85; N 3988487/30-26, опублик. 07.07.88, бюл. N 25, прототип). Данное устройство содержит сушильную камеру с контейнерами для материала, нагревательные элементы, блок питания, вентилятор, весы и систему автоматического регулирования температуры в сушильной камере. Кроме того, устройство снабжено механизмом присоединения контейнеров внутри сушильной камеры к весам, которые расположены на крышке сушильной камеры.

Устройство работает следующим образом. Включенные в электросеть нагревательные элементы, управляемые системой автоматического регулирования температуры нагрева, нагревают воздух в сушильной камере до заданной температуры. Исследуемый материал помещают в контейнер, взвешивают, контейнер помещают в сушильную камеру. Включают реле времени. По сигналу реле времени контейнер внутри сушильной камеры присоединяют к подвеске весов специальным механизмом и фиксируют вес после высушивания. После этого вычисляют влажность материала в процентах.

Основным недостатком известного устройства является то, что нет объективной фиксации момента полного удаления влаги в процессе высушивания. Определению влажности предшествуют специальные исследования для каждого материала.

Конструкция не ориентирована на интенсивное высушивание и быстрый нагрев. Весь процесс определения влажности занимает около 1,5 ч.

Приведенные ограничения не позволяют оперативно определять влажность любых веществ любого веса.

Технический результат изобретения повышение производительности точных измерений влажности вещества любой концентрации солей, металлов, влаги с автоматической фиксацией момента полного удаления влаги.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения влажности, содержащем приспособления для высушивания образцов, весы, систему автоматического регулирования температуры нагрева, блок питания, дополнительно включены блок регистрации момента полного удаления влаги и блок измерения влажности, при этом приспособление для высушивания образцов включает две горизонтальные металлические плиты, сделанные из материала с высокими теплопроводностью и теплоемкостью, нагревательные элементы, размещенные внутри плит, и термодатчик, вмонтированный в одну из плит, причем плиты установлены с возможностью их электрической изоляции друг от друга и прижатия друг к другу, при этом верхняя поверхность нижней плиты выполнена вогнутой, а нижняя поверхность верхней плиты выполнена выпуклой, вдоль нижней поверхности верхней плиты выполнены сквозные прорези, при этом система автоматического регулирования температуры нагрева включает задатчик температуры и последовательно соединенные измерительный преобразователь-усилитель, сумматор-усилитель, дифференциатор-усилитель, первый и второй транзисторные ключи, транзисторный усилитель, оптрон, блок управления симметричным тиристором и симметричный тиристор, соединенный с нагревательными элементами, причем второй вход сумматора-усилителя подключен к задатчику температуры, а вход транзисторного усилителя через сопротивление подключен к выходу измерительного преобразователя-усилителя, блок регистрации момента полного удаления влаги содержит последовательно соединенные генератор, мостовую схему, дифференциальный усилитель, выпрямитель, фильтр низкой частоты, дифференциатор-усилитель с регулируемым сигналом смещения и индикатор, причем в одно из плеч мостовой схемы включены электрически изолированные плиты, весы выполнены в виде преобразователя вес-электрический сигнал, содержащего чувствительный элемент, на котором установлен столик для образца, причем вход преобразователя вес-электрический сигнал соединен с выходом генератора, блок измерения влажности содержит последовательно соединенные узел первичной обработки сигнала, усилитель с регулируемым сигналом смещения и усиления и регистратор, установленный с возможностью подключения к выходу измерительного преобразователя-усилителя, при этом вход узла первичной обработки сигнала соединен с выходом преобразователя вес-электрический сигнал, а блок питания дополнительно содержит трансформатор, вторичная обмотка которого подключена ко второму входу первого ключа.

Повышение производительности точных измерений веществ с любой концентрацией солей, металлов и влаги достигается согласованной работой электрических блоков автоматического регулирования температуры нагрева, регистрации момента полного удаления влаги и измерения влажности, а также конфигурацией плит.

Блок автоматического регулирования температуры нагрева с датчиком температуры, задатчиком температуры и симметричным тиристором обеспечивает быстрый нагрев до заданной оптимальной температуры.

Введение дифференциатора-усилителя обеспечивает высокоточную стабилизацию температуры, так как дифференциатор-усилитель реагирует только на переменную часть сигнала и позволяет использовать большое усиление.

Оптрон исключает влияние высокого переменного напряжения на низковольтные точные сигналы. Высокоточная стабилизация температуры нагрева плит сводит к минимуму помехи от высокого напряжения на точность регистрации момента полного удаления и измерения влажности.

Плиты в роли электродов и слой исследуемого вещества образуют проводник с изменяющимся по мере высушивания сопротивлением от малой величины до бесконечности и конденсатор с изменяющейся относительной диэлектрической проницаемостью от максимальной до минимальной величины. Величина относительной диэлектрической проницаемости зависит от количества влаги. Для воды она равна 81. Величина этой характеристики для сухого образца близка к 1 2.

Это обстоятельство позволяет применить мостовые схемы CCRR в блоке регистрации момента полного удаления влаги.

Эта система автоматически с высокой точностью порядка ±0,1% сигнализирует момент полного удаления влаги при высушивании веществ с любой концентрацией солей, металла и влаги без предварительного определения времени высушивания.

В процессе высушивания емкость конденсатора, образованного плитами с заключенными между ними образцом уменьшается, сигнал на входе дифференциатора-усилителя изменяется и на его выходе сигнал будет пропорциональным скорости этого изменения, на вход индикатора поступает запирающий сигнал, индикатор молчит (не горит). При полном удалении влаги на выходе дифференциатора-усилителя только сигнал смещения и индикатор срабатывает (загорается, если индикатор световой).

Вогнутая поверхность нижней плиты образует емкость для жидких растворов, а выпуклая поверхность верхней плиты позволяет придать исследуемому образцу тонкий слой, что способствует убыстрению высушивания. Прорези на нижней поверхности верхней плиты играют роль паровыпускников, что исключает выбрасывание исследуемого вещества при интенсивном испарении и позволяет использовать высокие температуры для любых веществ. Эти прорези выполнены сквозными через всю поверхность плиты, например, шириной 1 мм и глубиной 2 мм. Такая конфигурация плит способствует ускорению процесса высушивания и совместно с электрическими схемами повышает производительность точных измерений влажности в любых веществах.

Блок измерения влажности в процентах автоматически реализует вычисление влажности по известной формуле, что позволяет ускорить точные измерения влажности без применения дополнительных точных лабораторных весов. Этот блок усиливает и измеряет электрический сигнал, полученный преобразователем вес-электрический сигнал. На выходе этого блока находится регистратор со шкалой или цифровым табло. Шкала имеет деления до 100. Влажность определяется в соответствии с известной формулой

Блок измерения влажности выполнен в соответствии с этой формулой, что позволяет упростить и ускорить измерения. Электрическая схема этого блока выполнена так, что отсчет по шкале (табло) выходного регистратора без образца равен 100. Размах электрического сигнала изменением усиления усилителя делают таким, чтобы отсчет при помещенном на столике образцом до высушивания с определенным весом, например, около 5 г, был равен 0.

Величина влажности линейно зависит от веса после высушивания, потому преобразованная формула

Если начальный отсчет без образца 100, его устанавливают регулируемым смещением усилителя, с образцом до высушивания 0, что устанавливают регулировкой усиления, то выходной регистратор с помещенных на столике образцом после высушивания будет показывать эту разность, т.е. влажность в процентах.

На фиг. 1 и 2 представлено устройство для измерения влажности.

Устройство содержит верхнюю и нижнюю плиты 1, выполненные, например, из дюралюминия марки Д-16; с одного края плиты соединены шарниром, с другого - имеют ручку с зажимом. Ручки и втулки в шарнире выполнены из электроизоляционного материала.

В целях обеспечения электробезопасности посредством сохранения единого заземления ручки снабжены упругим контактом. В разомкнутом положении плиты электроконтактируют, в прижатом электроизолированы.

Нагревательные элементы 25 выполнены из проволочной спирали в керамических изоляторах и смонтированы внутри плит.

Термодатчиком 4 служит термопара, вмонтированная в одну из плит.

Система автоматического регулирования стабилизации температуры нагрева дополнительно содержит смонтированные на общей монтажной плате 2 и последовательно соединенные измерительный преобразователь-усилитель 5, сумматор-усилитель 7, подключенный вторым входом к введенному в устройство задатчику температуры 6, дифференциатор-усилитель 8, первый и второй транзисторные ключи 9, при этом второй вход первого ключа соединен со вторичной обмоткой введенного в устройство трансформатора блока питания 26, который включает также выпрямитель фиксированного двуполярного напряжения.

Блок питания 26 укреплен в основании корпуса. В корпусе устройства смонтированы на общей плате 2 последовательно соединенные транзисторный усилитель 10, который разделенным сопротивлениями входом подключен к выходу измерительного преобразователя-усилителя 5, оптрон 11, блок управления симметричным тиристором 12, симметричный тиристор 13, в нагрузку которого включены нагревательные элементы. В блок регистрации момента полного удаления влаги введены последовательно соединенные, генератор 14, мостовая схема 15, в одно из плеч которой подключены электрически изолированные плиты 1, дифференциальный усилитель 16, выпрямитель 17, фильтр низкой частоты 18, дифференциальный усилитель 19 с регулируемым сигналом смещения и индикатор 20, в качестве которого используют, например, светодиод. В блок измерения влажности введены последовательно соединенные преобразователь вес-электрический сигнал 21, выполненный, например, в виде цилиндрического дифференциального конденсатора, укрепленного на основании корпуса, причем вход преобразователя соединен с генератором 14, узел первичной обработки сигнала 22, содержащий мостовую схему CCRR, второе плечо которой размещено на общей плате 2, а первым плечом служит дифференциальный конденсатор, усилитель с регулируемым сигналом смещения и усилением 23, регистратор 3, установленный с возможностью переключения на выход измерительного преобразователя-усилителя 5, причем в данном конкретном исполнении введенный в устройство столик 24 укреплен на конце установленного вертикально стержня, пропущенного через верхнее основание корпуса.

Стержень установлен с возможностью вертикальной юстировки. Другим концом стержень опирается на подвижный конец горизонтального упругого элемента, второй конец которого жестко закреплен.

Цилиндрический дифференциальный конденсатор включает два электрически изолированных неподвижных цилиндра и один подвижный, который соединен с упругим элементом.

Измерение влажности устройством выполняют следующим образом.

Вначале включают прибор в сеть. На выходе термодатчика имеется низкий сигнал от температуры плиты. На выходе сумматора 7 формируется только сигнал от задатчика температуры 6, отпирающий транзисторные ключи 9, сигнал которых запирает транзисторный усилитель 10. На выходе блока управления 12 действует постоянный управляющий сигнал и симметричный тиристор 13 пропускает оба периода высоковольтного переменного тока. Нагревательные элементы 25 интенсивно нагревают плиты 1. По мере увеличения сигнала термодатчика с увеличением температуры измерительный преобразователь-усилитель формирует открывающий усилитель 10 сигнал. В то же время на вход усилителя 10 действует переменный запирающий сигнал от ключей 9, сформированный переменным сигналом от вторичной обмотки трансформатора блока питания 26, поэтому на выходе усилителя 10 формируется переменный сигнал и через тиристор 13 проходят только полпериода высоковольтного тока.

Элементы 25 нагревают плиты уже в щадящем режиме. С увеличением температуры на входе сумматора сигналы от задатчика температуры и усилителя 5 выравниваются, и на выходе сумматора сигнал меняет знак. Этот сигнал после большого усиления усилителем 8 запирает ключи 9 и на входе усилителя 10 действует только постоянный открывающий сигнал. Этот усиленный сигнал через оптрон 11 подавляет управляющий сигнал в блоке 12 и тиристор 13 закрыт. Нагревательные элементы полностью обесточены. После незначительного остывания плит на выходе сумматора появляется снова отпирающий ключи 9 сигнал и стабилизирующий температуру цикл повторяется. Плиты нагреваются в течение 3 мин.

На столик 24 помещают бумажный пакет, который используют только для предохранения плит от загрязнения и потери части сыпучих и жидких образцов, смещением сигнала усилителя 23 устанавливают отсчет на регистраторе 3, равный 100. На этот момент регистратор включен в режим измерения влажности. В бумажный пакет помещают образец, укладывают пакет с образцом на столик 24. Под нагрузкой преобразователя 21 и узел первичной обработки сигнала формируют сигнал, пропорциональный весу образца и обратный знаку сигнала смещения. Регулировкой усиления усилителя 23 устанавливают отстчет 0.

Пакет с образцом укладывают на нижнюю плиту и прижимают верхней. Начнется интенсивное высушивание образца. Генератор 14 питает мостовую схему 15, с диагональных точек которой сигнал подан на усилитель 16. При высушивании емкость конденсатора, образованного плитами и образцом, уменьшается, равновесие мостовой схемы CCRR нарушается. На выходе выпрямителя 17 сформирован изменяющийся по амплитуде и по полярности запирающий индикатор 20 сигнал. Этот сигнал предварительно фильтруется фильтром 18 и усиливается дифференциатором-усилителем 19. При полном удалении влаги на диагонали мостовой схемы формируется постоянный по амплитуде сигнал, после выпрямителя 17 постоянный сигнал, на который не реагирует дифференциатор усилитель 19. На выходе этого усилителя только появляется сигнал смещения, открывающий индикатор 20, который сигнализирует о полном удалении влаги. Требуемая точность фиксации этого момента настраивается регулировкой смещения усилителя 19.

При появлении сигнала индикатора образец извлекается и укладывается на столик 24. Регистратор показывает влажность в процентах.

Использование: измерительная техника для определения содержания влаги в веществах. Сущность изобретения: устройство содержит две плиты, между которыми размещают образец. Нижняя поверхность верхней плиты, имеющей сквозные прорези, выпуклая, а верхняя поверхность нижней плиты - вогнутая. Снаружи плит установлены нагреватели, а в одной из плит - термодатчик, входящий в систему автоматического регулирования температуры нагрева, которая также включает измерительный преобразователь - усилитель, сумматор-усилитель, задатчик температуры, дифференциатор-усилитель и два транзисторных ключа. Устройство содержит блок регистрации момента полного удаления влаги из образца, который включает генератор, мостовую схему, в одно из плеч которой подключены электрически изолированные плиты, дифференциальный усилитель, выпрямитель, фильтр низкой частоты, дифференциатор-усилитель с регулируемым сигналом смещения и индикатор. Устройство содержит также блок измерения влажности, который включает генератор, узел первичной обработки сигнала с усилением и выпрямлением, усилитель с регулируемым сигналом смещения и усиления, регистратор, соединенный с измерительным преобразователем-усилителем, и преобразователь вес-электрический сигнал, чувствительный элемент которого связан со столиком, на который помещается образец перед процессом высушивания и после его полного высушивания. 2 ил.

Устройство для измерения влажности, содержащее весы и приспособление для высушивания образцов, соединенное с системой автоматического регулирования температуры нагрева, включающей блок питания, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит блок регистрации момента полного удаления влаги и блок измерения влажности, при этом приспособление для высушивания образцов включает две металлические горизонтальные плиты, выполненные из материала с высокими теплопроводностью и теплоемкостью, нагревательные элементы, размещенные внутри плит, и термодатчик, вмонтированный в одну из плит, причем плиты установлены с возможностью их электроизоляции друг от друга и прижатия друг к другу, при этом верхняя поверхность нижней плиты выполнена вогнутой, а нижняя поверхность верхней плиты выпуклой, вдоль нижней поверхности верхней плиты выполнены сквозные прорези, при этом система автоматического регулирования температуры нагрева включает задатчик температуры и последовательно соединенные измерительный преобразователь-усилитель, сумматор-усилитель, дифференциатор-усилитель, первый и второй транзисторные ключи, транзисторный усилитель, оптрон, блок управления симметричным тиристором и симметричный тиристор, соединенный с нагревательными элементами, причем второй вход сумматора усилителя подключен к задатчику температуры, а вход транзисторного усилителя через сопротивления подключен к выходу измерительного преобразователя-усилителя, блок регистрации момента полного удаления влаги содержит последовательно соединенные генератор, мостовую схему, дифференциальный усилитель, выпрямитель, фильтр низкой частоты, дифференциатор-усилитель с регулируемым сигналом смещения и индикатор, причем в одно из плеч мостовой схемы включены электрически изолированные плиты, весы выполнены в виде преобразователя вес электрический сигнал, содержащего чувствительный элемент, на котором установлен столик для образца, причем вход преобразователя вес электрический сигнал соединен с выходом генератора, блок измерения влажности содержит последовательно соединенные узел первичной обработки сигнала, усилитель с регулируемыми сигналом смещения и усиления и регистратор, установленный с возможностью подключения к выходу измерительного преобразователя-усилителя, при этом вход узла первичной обработки сигнала соединен с выходом преобразователя вес электрический сигнал, а блок питания дополнительно содержит трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к второму входу первого ключа.