ЦИФРОВОЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01N21/81 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения влажности твердых, сыпучих, жидких и газообразных веществ, и может быть применено в промышленности строительных материалов, пищевой, горнодобывающей и деревообрабатывающей промышленности.

Известны двухволновые инфракрасные влагомеры, принцип действия которых основан на сравнительном измерении отражательной способности контролируемого продукта на двух длинах волн ИК-диапазона, из которых λ₁ 1,95 мкм соответствует интенсивной абсорбции воды, а λ₂ 1,75 мкм слабой абсорбции. Для измерения соотношения двух отраженных сигналов применена схема потенциометрического деления и фазочувствительная схема, нагруженная двигателем, ось которого кинематически связана с потенциометром, выполняющим роль нуль-органа. Влажность регистрируется по шкале амперметра (Е.С.Кричевский, А.Г.Волченко, С.С.Галушкин. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М. Энергоатомиздат, 1987, с. 53). Эти ИК- влагомеры имеют общий недостаток: ограниченная точность измерения влажности материалов из-за наличия двигателя и стрелочного индикатора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двухволновый влагомер (М.Мухитдинов, Э.С.Мусаев. Оптические методы и устройства контроля влажности. М. Энергоатомиздат, 1986, с. 27), содержащий модулятор с двумя светофильтрами, приводимый синхронным двигателем. Отраженные от обоих потоков доли излучения фокусируются на светочувствительную поверхность фотоприемника, сигнал которого усиливается предварительным усилителем. Электронный переключатель разделяет сигналы от опорного и измерительного потоков, которые поступают на два усилителя с регулируемыми коэффициентами усиления, выпрямители, оконечный усилитель и регистрирующий прибор. В устройстве также имеются переключатель рода работ и блок автоматического регулирования.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерения, содержит выпрямители с блоком автоматической регулировки усиления и стрелочный индикатор, регистрирующий результат измерения влажности в аналоговой форме, а также модулятор, приводимый во вращение синхронным электродвигателем. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения.

В связи с этим важнейшей задачей является способ создания нового оптического устройства для измерения влажности объекта с цифровым представлением результата измерения, не содержащего электрические запоминающие элементы с блоком автоматической регулировки усиления, стрелочные индикаторы и модулятор.

Техническим результатом заявленного цифрового инфракрасного измерителя влажности является повышение точности измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представлен в цифровом коде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

Указанный результат достигается тем, что цифровой инфракрасный измеритель, содержащий два светофильтра, фотоприемник с усилителем фототока, два коммутатора, снабжен вторым фотоприемником с вторым усилителем фототока, интегратором, двумя компараторами, триггером, генератором тактовых импульсов, третьим коммутатором, счетчиком импульсов и делителем частоты, выходы усилителей фототока соединены с входами соответствующих коммутаторов, управляемые входы которых соединены с делителем частоты, выход одного из коммутаторов соединен с входом интегратора, выход интегратора подключен к одним входам двух компараторов, другие входы которых подключены к общей шине у одного и к выходу второго коммутатора у другого, выходы компараторов соединены с установочными входами триггера, выход которого подключен к одному входу третьего коммутатора, а другой его вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход третьего коммутатора соединен с входом счетчика импульсов, установочный вход интегратора подключен к делителю частоты, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения влажности, поскольку в цифровом оптическом измерителе влажности отсутствуют механические подвижные элементы и связанные с ними погрешности от люфтов, и применен принцип времяимпульсного развертывающего преобразования, в результате которого количество импульсов, подсчитанных счетчиком, прямо пропорционально влажности контролируемого вещества. Кроме того, предложенное устройство в отличие от прототипа имеет меньшие габариты, более экономично и имеет более высокую надежность.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блок-схема цифрового инфракрасного измерителя влажности, на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу прибора.

Между исследуемым объектом и двумя фотоприемниками установлены два светофильтра. Оптимальные длины волн опорного и измерительного каналов определены по спектральным характеристикам и составляют 1,9 мкм (измерительная) и 1,7 мкм (опорная).

Излучение, отраженное от поверхности контролируемого объекта 1, через два светофильтра фокусируется на светочувствительные поверхности фотоприемников 4 и 5. К усилителю фототока 6, соединенному с фотоприемником 5, подключен первый коммутатор 7, а к усилителю фототока 6, соединенному с фотоприемником 4, подключен второй коммутатор 9. Выход коммутатора 7 соединен с входом интегратора 10. Коммутаторы 7 и 9 управляются от делителя частоты 11, который также устанавливает в ноль интегратор 10. Выход интегратора 10 подключен к первым входам компараторов 12 и 13. Второй вход компаратора 12 соединен с общей шиной, а второй вход компаратора 13 с выходом коммутатора 9. Выходы компараторов 12 и 13 соединены с установочными входами триггера 14. Генератор тактовых импульсов 15 подключен непосредственно к делителю частоты 11, а через коммутатор 12, управляемый с выхода триггера 14, к счетчику импульсов 17.

При работе измерителя влажности на фотоприемники 4 и 5 одновременно попадают отраженные от поверхности контролируемого объекта 1 и прошедшие по световоду 2 через составной светофильтр 3 потоки опорной и измерительной длин волн. Сигналы от потоков опорного и измерительного каналов с выхода фотоприемников 4 и 5 подаются на усилители фототока 8 и 6 соответственно. Сигнал измерительного канала меньше. Цикл измерения задается делителем частоты 11, который управляет коммутаторами 7 и 9. Сигнал опорного канала выделяется коммутатором 9, управляемым делителем частоты 11, фиг. 2, диаграмма 18, а сигнал измерительного канала выделяется коммутатором 7, управляемым также делителем частоты 11, фиг. 2, диаграмма 19. Сигнал измерительного канала с выхода коммутатора 7 подается на вход интегратора 10, с выхода которого линейно изменяющееся напряжение поступает на первый вход компаратора 13, фиг. 2, диаграмма 20, а на его второй вход подается сигнал опорного канала с выхода коммутатора 9. Сигнал с выхода интегратора 10 подается также на первый вход компаратора 12, второй вход которого соединен с общей шиной. В результате сравнения сигналов в компараторах формируются импульсы, фиг.2, диаграмма 21, управляющие триггером 14, установочные входы которого соединены с выходами компараторов 12 и 13. Импульсы с выхода триггера 14 открывают третий коммутатор 16, на вход которого поступают тактовые импульсы с выхода генератора 15. На выходе коммутатора 16 формируется пакет счетных импульсов, фиг. 2, диаграмма 22, количество которых подсчитывается счетчиком 17. Длительность пакета, то есть количество импульсов, пропорционально влажности. Установка интегратора 10 в ноль осуществляется сигналом от делителя частоты 11.

Длительность импульса на выходе триггера 14 (длительность пакета) определяется следующими соотношениями:

где T_x длительность импульса, пропорциональная информативному параметру влажности; τ постоянная времени интегратора; U_o - напряжение опорного потока; U_x напряжение потока измерительной длины волны.

Результат измерения влажности может быть непосредственно введен в ЭВМ. Применение измерителя влажности позволяет повысить точность измерения и надежность технологического оборудования.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
цифровой инфракрасный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных технологических процессах;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
цифровой инфракрасный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Применение: технологические процессы в строительной, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности. Сущность изобретения: цифровой оптический измеритель влажности содержит составной светофильтр 3, неподвижно зафиксированный между симметричным световодом 2 и двумя фотопреобразователями 4 и 5, соединенными с двумя усилителями фототока 8 и 6 соответственно, два коммутатора 7 и 9, управляемые делителем частоты 11, интегратор 10, подключенный входом к коммутатору 7, а выходом - к двум компараторам 12 и 13, выходы которых подключены к установочным входам триггера 14, выход триггера 14 соединен с управляющим входом коммутатора 16, соединяющим генератор тактовых импульсов 15 со счетчиком импульсов 17. 2 ил.

Цифровой инфракрасный измеритель влажности, содержащий два светофильтра, фотоприемник с усилителем фототока, два коммутатора, отличающийся тем, что измеритель снабжен вторым фотоприемником и вторым усилителем фототока, интегратором, двумя компараторами, триггером, генератором тактовых импульсов, третьим коммутатором, счетчиком импульсов и делителем частоты, выходы усилителей фототока соединены с входами соответствующих коммутаторов, управляемые входы которых соединены с делителем частоты, выход одного из коммутаторов соединен с входом интегратора, выход интегратора подключен к одним входам двух компараторов, другие входы которых подключены к общей шине у одного и к выходу второго коммутатора у другого, выходы компараторов соединены с установочными входами триггера, выход которого подключен к одному входу третьего коммутатора, а другой его вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход третьего коммутатора соединен с входом счетчика импульсов, установочный вход интегратора подключен к делителю частоты, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов.