ЦИФРОВОЙ ОПТИЧЕСКИЙ 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 и газообразных веществ, и может быть применено в строительной, горнодобывающей, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности.

Известен двухволновый инфракрасный влагомер, принцип действия которого основан на сравнительном измерении отражательной способности измеряемого объекта (Е.С.Кричевский, А.Г.Волченко, С.С.Галушкин. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. -М.: Энергоатомиздат, 1987, с.53). Для определения отношения двух отраженных сигналов в устройстве применена схема потенциометрического деления и фазочувствительная схема с двигателем, ось которого кинематически связана с потенциометром, выполняющим роль нуль-органа. Величина влажности регистрируется по шкале амперметра. ИК-влагомерам с такой конструкцией присущ недостаток - ограниченная точность измерения влажности измеряемого объекта из-за наличия двигателя с потенциометром и стрелочного индикатора.

Из известных ИК-устройств для измерения влажности наиболее близким по технической сущности является двухволновой влагомер (М.Мухитдинов, Э.С.Мусаев. Оптические методы и устройства контроля влажности.-М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 27), содержащий ИК-источник излучения, модулятор с двумя светофильтрами, приводимый во вращение синхронным электродвигателем, фотоприемник, усилитель фототока, коммутатор, два усилителя с выпрямителями, блок автоматической регулировки усиления, дифференциальный усилитель и регистрирующий прибор. При вращении модулятора потоки излучения, отраженные от объекта, поступают на фотоприемник и затем на усилитель фототока, на выходе которого образуется последовательность импульсов с различными амплитудами, которая с помощью коммутатора разделяется во времени на опорный и измерительный сигналы. Блок автоматической регулировки усиления, управляемый одновременно двумя сигналами, поддерживает опорный сигнал постоянным. Величина влажности определяется по разности двух сигналов, которая в этом устройстве пропорциональна их отношению.

Данное измерительное устройство имеет невысокий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерения, поскольку измерительное устройство содержит выпрямители с блоком автоматической регулировки усиления и стрелочный индикатор, регистрирующий результат измерения влажности в аналоговой форме. 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 этой связи важнейшей задачей является создание нового оптического устройства для измерения влажности объекта с цифровым представлением результата измерения, не содержащего электрические запоминающие элементы, блок автоматической регулировки усиления и стрелочные индикаторы.

Техническим результатом заявленного цифрового оптического измерителя влажности является повышение точности измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представляется в цифровом виде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройство позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления различными технологическими процессами.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой оптический измеритель влажности, содержащий источник излучения, составной светофильтр, установленный на оси электродвигателя, фотопреобразователь, выход которого подключен к усилителю фототока, и схему обработки информации, снабжен усилителем мощности, выходом подключенным к электродвигателю, а схема обработки информации выполнена в виде двухвходового коммутатора, к первому входу которого подключен усилитель фототока непосредственно, а ко второму через инвертирующий усилитель, соединенного с выходом коммутатора интегратора, подключенного к выходу компаратора, выход которого подключен к первому входу триггера, и генератора тактовых импульсов, соединенного с делителем частоты, выход которого соединен с усилителем мощности, управляющим входом коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения влажности различных объектов, поскольку в цифровом оптическом измерителе влажности использован принцип работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, который в сравнении с развертывающим время-импульсным преобразователем имеет значительно меньшую погрешность преобразования, обусловленную нестабильностью параметров развертывающего элемента и частоты генератора тактовых импульсов. Кроме того, наличие интегратора в измерителе позволяет значительно уменьшить влияние шумов и помех в сигнале на точность измерения.

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, 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 оптического измерителя влажности; на фиг. 2-время-импульсная диаграмма, поясняющая его работу.

Цифровой оптический измеритель влажности состоит из источника излучения 1, представляющего собой лампу накаливания составного светофильтра 2, закрепленного на оси синхронного электродвигателя 3. Составной светофильтр 2 выполнен из двух светофильтров, один из которых является опорным, который пропускает излучение при слабой абсорбции воды с длиной волны λ₁= 1,75 мкм , а другой является измерительным, который пропускает излучение при интенсивной абсорбции с длиной волны λ₂= 1,95 мкм . Электродвигатель 3 подключен в свою очередь к усилителю мощности 4. За составным светофильтром 2 установлен фотопреобразователь 5, соединенный с усилителем фототока 6. Измеритель содержит схему обработки информации, содержащую подключенный к усилителю фототока 6 инвертирующий усилитель 7 с коэффициентом усиления К, выход которого подключен к одному из входов двухвходового коммутатора 8. К другому входу коммутатора 8 подключен выход усилителя фототока 6. Выход коммутатора 8 соединен с интегратором 9, выполненным на базе операционного усилителя и соединенном с компаратором 10, представляющим собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, выход которого соединен с первым входом триггера 11. Триггер 11 срабатывает от срезов импульсов, поступающих на его входы. Измеритель содержит генератор тактовый частоты 12 и соединенный с ним делитель частоты 13. Усилитель мощности 4, управляющий вход коммутатора 8 и второй вход триггера 11 соединены с выходом делителя частоты 13. Выход триггера 11 в свою очередь подключен к управляющему входу ключа 14, соединяющего генератор тактовых импульсов 12 с счетчиком импульсов 15.

При работе измерителя сигнал с генератора тактовых импульсов 12 с частотой f поступает на делитель частоты 13 с коэффициентом деления n. Сигнал с делителя частоты 13, имеющий частоту f/n и период T=n/f (диаграмма 16, фиг. 2), поступает на усилитель мощности 4. Переменное напряжение с усилителя мощности 4 поступает на синхронный электродвигатель 3, который вращает составной светофильтр 2. Светофильтр 2 в течение полупериода T₁=T2 пропускает отраженный от измеряемого объекта поток излучения Ф₀, соответствующий опорной длине волны λ₁. Это условие достигается подбором положения светофильтра 2 относительно оси электродвигателя 3. Затем поток излучения Ф₀ поступает на фотопреобразователь 5 с токовой чувствительностью S₁, преобразующий поток излучения в электрический ток i=S₁Ф₀. Электрический сигнал с фотопреобразователя 5 поступает на усилитель фототока 6, которым усиливается до величины
U₆=Ф₀S₁R_HK_уф,
где
R_H-сопротивление нагрузки фотопреобразователя.

При вращении светофильтра 2 на выходе усилителя фототока 6 образуется импульсный сигнал (диаграмма 17, фиг.2).

В течение промежутка времени T₁ сигнал с делителя частоты 13 поступает на управляющий вход коммутатора 8, который на это время подключает усилитель фототока 6 к интегратору 9 с постоянной времени T_и, на выходе которого образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 18, фиг.2). Напряжение на выходе интегратора 9 в конце промежутка времени T₁ определяется с помощью выражения

В момент времени T₁ происходит переключение коммутатора 8 и установка триггера 11 в единичное состояние с помощью сигнала от делителя частоты 13. В течение промежутка времени T₁-T светофильтр 2 пропускает отраженный поток Ф_и, соответствующий измерительной длине волны λ₂ , а коммутатор 8 на это время между усилителем фототока 6 и интегратором 9 подключает инвертирующий усилитель 7, на выходе которого присутствует напряжение U₇=Ф_иS₁R_HK_уфK. На выходе интегратора 9 образуется линейно убывающее напряжение (диаграмма 18, фиг.2)

В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 9 срабатывает компаратор 10, который переводит триггер 11 в нулевое состояние. Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора 10, т.е. промежуток времени, в течение которого триггер 11 находится в единичном состоянии через переменную T₂, выразим напряжение на выходе интегратора в момент срабатывания компаратора 10 U₆T₁-U₇T₂=0.

Откуда T₂=T₁U₆/U₇=T₁Ф₀/(Ф_иK),
т. е. длительность импульса на выходе триггера 11 (диаграмма 19, фиг.2) определяется влажностью объекта. Напряжение с выхода триггера 11 на время T₂ открывает ключ и в течение этого времени счетчик импульсов 15 считает импульсы, поступающие от генератора тактовых импульсов 12. Количество поступивших на счетчик импульсов за время T₂ определяется выражением N=T₂f=nФ₀/2(Ф_иK), из которого следует, что медленные в сравнении с частотой f/n изменения частоты тактовых импульсов f и параметров интегратора 9 не оказывают существенного влияния на точность измерения влажности. Кроме того, во всем диапазоне измерения влажности момент срабатывания компаратора 10 не выходит за пределы промежутка времени T-T₁, поскольку усиленное усилителем 7 напряжение U₇ по абсолютной величине больше напряжения U₆. В предложенном измерителе на точность измерения влажности не оказывают влияния нестабильности параметров фотопреобразователя 2 (S₁) и усилителя фототока 4 (K_уф).

Результат измерения влажности может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.

Применение данного цифрового оптического измерителя влажности позволяет повысить точность измерения.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
- цифровой оптический 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 оптический измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: технологические процессы в строительной, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности. Сущность изобретения: цифровой оптический измеритель влажности содержит источник излучения 1, составной светофильтр 2, закрепленный на оси синхронного электродвигателя 3, подключенного к усилителю мощности 4, фотопреобразователь 5, усилитель фототока 6, к выходу которого подключен двухвходовой коммутатор 8, причем один из входов подключен через инвертирующий усилитель 7, интегратор 9, соединенный входом с коммутатором 8, а выходом с компаратором 10, подключенным к одному из входов триггера 11, усилитель мощности 4, управляющий вход коммутатора 8 и другой вход триггера 11 соединены с делителем частоты 13, подключенным к генератору тактовой частоты 12, выход триггера 11 соединен с управляющим входом ключа 14, соединяющим генератор тактовых импульсов 12 с счетчиком импульсов 15. Техническим результатом является повышение точности измерения и удобства пользования, поскольку результат измерения представляется в цифровом виде. 2 ил.

Цифровой оптический измеритель влажности, содержащий источник излучения, составной светофильтр, установленный на оси электродвигателя, фотопреобразователь, усилитель фототока и схему обработки информации, отличающийся тем, что он снабжен усилителем мощности, выходом подключенным к электродвигателю, а схема обработки информации выполнена в виде двухвходового коммутатора, к первому входу которого подключен усилитель фототока непосредственно, а к второму - через инвертирующий усилитель, соединенного с выходом коммутатора интегратора, подключенного выходом к компаратору, выход которого подключен к первому входу триггера и генератора тактовых импульсов, соединенного с делителем частоты, выход которого срединен с усилителем мощности, управляющим входом коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов.