ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/60 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности сыпучих веществ, например сахара, зерна, древесных опилок, стирального порошка и т.п. и может быть использовано в пищевой, химической, деревообрабатывающей промышленности, сельском хозяйстве, а также торгово-закупочными фирмами.

Известны способы и устройства измерения влажности сыпучих веществ, основанные на определении величины статического электричества, в частности величины электрической емкости конденсатора, заполненного контролируемым веществом, (Кричевский Е. С. и др. Автоматическое управление процессом сушки фосфоритового концентрата. Механизация и автоматизация производства N 2, 1971, с. 38).

Однако при высокой точности измерения емкости конденсатора достоверность определения влажности зависит от уровня и плотности упаковки сыпучего вещества в конденсаторе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ непрерывного определения влажности древесной стружки в технологическом потоке, заключающийся в измерении разности потенциалов между двумя вращающимися электродами (дисками) датчика при прохождении контролируемого вещества (авт. св. СССР N 1165960, кл. G 01 N 25/56, 1985, бюл. N 25).

Реализация способа помимо двух электродов предполагает наличие соединенного с ним средства измерения и индикации разности потенциалов между электродами.

При вращении электроды в соответствии с их трибоэлектрическими свойствами заряжаются за счет трения о воздух окружающей среды. При отсутствии контролируемого вещества разность потенциалов максимальна. При контакте с контролируемым веществом утечка тока разряда приводит к уменьшению потенциалов электродов и, соответственно, их разности. Степень снижения разности потенциалов определяется только влажностью контролируемого вещества и практически не зависит от размеров частиц и их уплотнения. Движение контролируемого вещества относительно электродов обеспечивает вынос заряженных частиц из зоны контроля и подвод незаряженных.

Недостаток известного способа недостаточная достоверность результатов при нерегулярном измерении, особенно при длительных перерывах и экспресс-контроле на влажность, например при поступлении сыпучих пищевых продуктов, промышленного сырья. Трибоэлектрические свойства металлических электродов определяются чистотой их поверхности. При перерывах в работе, даже кратковременных, происходит окисление поверхностей электродов и, соответственно, изменение их трибоэлектрических свойств, поэтому для достоверности измерения требуется предварительная очистка электродов от окислов, например, путем их предварительной прогонки в контакте с контролируемым веществом. Естественно, чем больше перерыв, тем дольше время прогонки. Искусственная коррекция результатов измерения в данном случае не эффективна, так как степень чистоты электродов носит неопределенный характер. Кроме того, этот способ не учитывает измерения и влажности окружающей среды.

В предлагаемом изобретении отмеченные недостатки устраняются путем циклической импульсной зарядки электродов датчика от внешнего источника тока с увеличением потенциала электродов в последующем цикле на заданную постоянную величину по сравнению с потенциалом электродов в предыдущем цикле.

Согласно электростатическому способу измерения влажности сыпучих веществ по разности потенциалов между двумя электродами в предлагаемом изобретении электроды, измерительный и опорный, заряжают на воздухе до фиксированной величины, а затем погружают измерительный электрод в контролируемое вещество, причем измерения выполняют в импульсном режиме, при этом каждый измерительный цикл включает импульсную зарядку электродов, измерение разности потенциалов между электродами и импульсное снятие заряда с электродов и контролируемого вещества, причем в каждом последующем цикле при зарядке увеличивают потенциал электродов на заданную постоянную величину по сравнению с потенциалом электродов в предыдущем цикле, а циклы повторяю до получения, по крайней мере, в двух последовательных циклах одинакового значения разности между электродами, по которому определяют влажность контролируемого вещества с учетом калибровочной кривой.

Снятие заряда с электродов и контролируемого вещества в измерительном цикле выполняют, например, путем подачи на электроды пакета высокочастотных колебаний, при этом амплитуду высокочастотных колебаний в пакете сначала монотонно увеличивают, а затем монотонно уменьшают.

В устройстве для измерения влажности сыпучих веществ, содержащим два электрода, соединенных со средствами измерения и индикации разности потенциалов между электродами, средство измерения разности потенциалов включает два канала усиления постоянного тока и дифференциальный усилитель, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, при этом в устройство введен генератор тактовых импульсов, соединенный с блоком формирования переключающих импульсов и генератором высокочастотных колебаний, причем каждый канал усиления постоянного тока включает последовательно соединенные первый электронный ключ, первый повторитель, второй электронный ключ и второй повторитель, между вторым ключом и входом второго повторителя параллельно подключен конденсатор, при этом выход второго повторителя через третий электронный ключ соединен с входом первого повторителя, а выход первого повторителя соединен со своим входом и с выходом генератора высокочастотных колебаний через первый электронный ключ, при этом входы управления первого, второго и третьего электронных ключей соединены с соответствующими выходами формирования переключающих импульсов, а выходы вторых повторителей подсоединены ко входам дифференциального усилителя.

Повышение достоверности измерений в предполагаемом способе достигается тем, что зарядка электродов осуществляется не трением о воздух, а подачей импульсов от внешнего источника тока, а потому и не зависит от состояния их поверхностей. Наличие окислов, учитывая высокое входное сопротивление каналов усиления, практически не вносит погрешности измерения, так как окислы металлов или сплавов, которые могут быть использованы для изготовления электродов, например никель, нержавеющая сталь, латунь, бронза и др. имеют полупроводниковую проводимость.

Циклическая импульсная зарядка электродов датчика от внешнего источника тока с увеличением потенциала электродов в последующем цикле на заданную постоянную величину по сравнению с потенциалом электродов в предыдущем цикле, не меняя общего принципа измерения относительной влажности по разности потенциалов, позволяет совместить процессы зарядки от внешнего источника тока с разрядом на контролируемое вещество. В совокупности с решением задачи снятия заряда контролируемого вещества подачей высокочастотных колебаний в том же цикле устраняется необходимость, как вращения электродов, так и прохождения контролируемого вещества между электродами. При этом существенно упрощается конструкция датчика, повышается надежность и снижается потребляемая мощность, что особенно важно в конструкции с автономным питанием. Монотонное возрастание и убывание амплитуды высокочастотных колебаний способствует практически полному снятию остаточного заряда и, соответственно, повышению точности измерения. Без принудительного снятия заряда увеличение степени зарядки контролируемого вещества, независимо от влажности, приводит к уменьшению утечки тока с электродов и в конечном итоге к зарядке электрода измерительного до уровня, определяемого электродом опорным.

Установка в контролируемое вещество только одного электрода и использование другого в качестве опорного дает возможность компенсировать влияние влажности окружающей среды на величину статического заряда, а также расширить диапазон измерения относительной влажности как в сторону меньших, так и больших значений.

В устройстве для осуществления способа использование повторителей напряжения позволяет обеспечить увеличение потенциала электродов на заданную постоянную величину смещением их выходных напряжений относительно входов, а также в совокупности с включенными параллельно их входам конденсаторами запоминание потенциала перед снятием заряда с контролируемого вещества. При этом практически полностью устраняется влияние на входное сопротивление каналов низкого выходного сопротивления вторых повторителей и генератора пакетов высокочастотных колебаний при подаче импульсов зарядки с выхода последних повторителей через третьи электронные ключи и пакетов высокочастотных колебаний от генератора на выход первых повторителей и с них через первые электронные ключи на их вход, так как вносимое сопротивление в К (коэффициент усиления повторителя по току) раз больше сопротивления ключа в разомкнутом состоянии.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего электростатический способ; на фиг. 2 эпюры импульсов управления на выходах блока формирования переключающих импульсов.

Устройство (фиг. 1) содержит датчик 1, состоящий из электрода измерительного 2 и электрода опорного 3. Электрод 2 подключен к входу повторителя 4, а электрод 3 к выходу повторителя 5. Выход повторителя 4 через ключ 6, а выход повторителя 5 через ключ 7 подсоединены, соответственно, к повторителям 8 и 9. Повторители 4 и 8 составляют измерительный канал усиления постоянного тока, а повторители 5 и 9 опорный канал. Входы последних повторителей 8 и 9 в каналах измерения зашунтированы, соответственно, конденсаторами 10 и 11, а их выходы соединены с входами дифференциального усилителя 12, нагруженного на аналого-цифровой преобразователь 13 с блоком цифровой индикации 14. Генератор тактовых импульсов 15 подключен к входам блока формирования переключающих импульсов 16 и генератора высокочастотных колебаний 17. К другому входу генератора 17 подсоединен выход ИСЗ блока 16. Ключи 6 и 7 составляют группу, управляемую с входа ИИ блока 16. Ключи 18 и 19 группы, управляемой с выхода ИЗ блока 16, включены между выходом и входом каждого канала усиления постоянного тока: ключ 18 между выходом повторителя 8 и входом повторителя 4, а ключ 19 между выходом повторителя 9 и входом повторителя 5. Ключи 20, 21, 22, 23 составляют группу, управляемую с выхода ИСЗ блока 16. Ключи 20, 21 включены между выходом генератора 17 и выходами входных повторителей 4 и 5, соответственно, а ключи 22 и 23 между входами и выходами повторителей 4 и 5. В каналах усиления постоянного тока в качестве повторителей напряжения могут быть использованы операционные усилители (ОУ), характеризуемые определенными значениями напряжения смещения (постоянного напряжения на выходе ОУ в отсутствии сигнала на входе). Как правило, для регулировки напряжения смещения предусмотрены выводы, к которым подключаются регулировочные резисторы.

Устройство для реализации способа работает следующим образом.

Потенциалы электродов 2 и 3 датчика 1 в исходном состоянии находятся в воздухе (окружающей среде) и близки к нулю. Генератор 15 выдает непрерывную последовательность тактовых импульсов с заданной частотой следования, которые поступают на входы блока БФПИ 16 и генератора ГВЧ 17. Блок БФПИ 16 формирует три сдвинутых по времени прохождения последовательности переключающих импульсов (фиг. 2, а, б, в). При прохождении с выхода ИЗ блока БФПИ 16 импульса заряда (фиг. 2а) происходит замыкание ключей 18 и 19. Ключи поддерживаются в замкнутом состоянии на время прохождения импульса зарядки. Этого времени достаточно для того, чтобы электроды 2 и 3 датчика 1 зарядились до потенциалов, определяемых напряжениями смещения на выходах последних повторителей 8 и 9. При прекращении действия импульса зарядки на выходе ИИ блока БФПИ 16 появляется импульс (фиг. 2 б), переводящий ключи 6 и 7 в замкнутое состояние. Оба канала усиления постоянного тока и прибор в целом переходят в режим измерения. Конденсаторы 10 и 11 заряжаются до выходного напряжения входных повторителей 4 и 5, равного потенциалу электродов 2 и 3, а напряжение на выходах последних повторителей 8 и 9 превышает напряжение на конденсаторах 10 и 11 на величину напряжения смещения. Выходное напряжение повторителей 8 и 9 поступает на входы дифференциального усилителя 12, а с него сигнал, пропорциональный разности потенциалов, на АЦП 13 и далее для визуализации на блок ЦИ 14. По прекращению импульса, когда происходит измерение потенциалов, на выходе ИСЗ блока 16 формируется импульс, который поступает на входы управления группы ключей с 20 по 23 и на второй вход генератора 17. При наличии на первом входе тактовых импульсов происходит формирование пакета высокочастотных колебаний с монотонным возрастанием и убыванием амплитуды и частотой, задаваемой периодом следования тактовых импульсов (фиг. 2, г). Одновременно с формированием пакета импульсов происходит замыкание ключей 20 23. Пакет импульсов с выхода генератора ГВЧ 17 через выходы повторителей 4 и 5 подается непосредственно на электроды 2 и 3, обеспечивая снятие с них электростатического заряда. Разомкнутые ключи 6 и 7 обеспечивают сохранение величины предшествующего потенциала электродов. После завершения импульса, когда происходит снятие заряда, цикл повторяется, позволяя при каждом приходе импульса зарядки прибавлять к предшествующему потенциалузаданную постоянную величину. По мере роста потенциалов до наступления равновесия утечка тока с электродов в окружающую среду увеличивается. При установившемся равновесии количество поступающего на электроды заряда за счет заданной постоянной величины равно потере заряда за счет утечке тока во время действия импульса измерения. При достижении равновесия, варьируя величиной напряжения смещения последних повторителей 8 и 9, независимо от относительной влажности окружающей среды устанавливают постоянное значение потенциалов на электродах с обеспечением баланса каналов (равенства потенциалов), а затем производят измерение влажности отпусканием измерительного электрода 2 в контролируемое вещество. Утечка тока с измерительного электрода 2 приводит к уменьшению его потенциала относительно потенциала на опорном электроде 3. Установившееся значение разности потенциалов с учетом градуировочной кривой соответствует определенному значению относительной влажности контролируемого вещества.

Проведенные макетные исследования предлагаемого способа показали, что относительная погрешность измерения влажности не превышает 5% в диапазоне от 3 до 20% при диапазоне измерения от 1 до 30% Время измерения не превышает 5 с при частоте следования переключающих импульсов 20 Гц.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: электростатический способ измерения влажности сыпучих материалов заключается в измерении разности потенциалов между измерительным электродом, который погружается в контролируемое вещество, и опорным электродом. Измерение проводятся в импульсном режиме. Каждый измерительный цикл включает импульсную зарядку электродов, измерение разности потенциалов между электродами и импульсное снятие заряда с электродов и контролируемого вещества. В каждом последующем цикле увеличивают заряд электродов на фиксированную величину. Измерительные циклы повторяют до получения постоянного значения разности потенциалов. По этой величине разности потенциалов с учетом калибровочной кривой определяют влажность контролируемого вещества. Устройство для измерения влажности содержит два электрода 2 и 3, генератор тактовых импульсов 15, генератор высокочастотных колебаний 17, блок формирования переключающих импульсов 16, три выхода которого соединены с входами управления электронных ключей: включенных в два канала усиления постоянного тока. На входе каналы усиления соединены с электродами 2 и 3 соответственно, а на выходе с входом дифференциального усилителя 12, который соединен с аналого-цифровым преобразователем 13 и средством индикации 14. Каждый канал содержит первый ключ 20 - 23, первый повторитель 4 и 5, второй ключ 6 и 7. конденсатор 10 и 11, второй повторитель 8 и 9, третий ключ 18 и 19. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электростатический способ измерения влажности сыпучих веществ, включающий измерение разности потенциалов между двумя электродами, отличающийся тем, что электроды, измерительный и опорный, заряжают на воздухе до фиксированной величины, а затем погружают измерительный электрод в контролируемое вещество, причем измерения выполняют в импульсном режиме, при этом каждый измерительный цикл включает импульсную зарядку электродов, измерение разности потенциалов между электродами и импульсное снятие заряда с электродов и контролируемого вещества, причем в каждом последующем цикле при зарядке увеличивают потенциал электродов на заданную постоянную величину по сравнению с потенциалом электродов в предыдущем цикле, а циклы повторяют до получения по крайней мере в двух последовательных циклах одинакового значения разности потенциалов между электродами, по которому определяют влажность контролируемого вещества с учетом калибровочной кривой. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что снятие заряда с электродов и контролируемого вещества выполняют путем подачи на электроды пакета высокочастотных колебаний, при этом амплитуду высокочастотных колебаний в пакете сначала монотонно увеличивают, а затем монотонно уменьшают. 3. Устройство для измерения влажности сыпучих веществ, содержащее два электрода, соединенных со средствами измерения и индикации разности потенциалов между электродами, отличающееся тем, что средство измерения разности потенциалов включает два канала усиления постоянного тока и дифференциальный усилитель, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, при этом в устройство введен генератор тактовых импульсов, соединенный с блоком формирования переключающих импульсов и генератором высокочастотных колебаний, причем каждый канал усиления постоянного тока включает последовательно соединенные первый электронный ключ, первый повторитель, второй электронный ключ и второй повторитель, между вторым ключом и входом второго повторителя параллельно подключен конденсатор, при этом выход второго повторителя через третий электронный ключ соединен с входом первого повторителя, а выход первого повторителя соединен со своим входом и с выходом генератора высокочастотных колебаний через первый электронный ключ, при этом входы управления первого, второго и третьего электронных ключей соединены с соответствующими выходами блока формирования переключающих импульсов, а выходы вторых повторителей подсоединены к входам дифференциального усилителя.