ОПТИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01N21/81 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к измерению влажности твердых материалов.

Известны оптические влагомеры [1,2,3,4] для измерения влажности твердых материалов, принцип работы которых основан на сравнительном измерении отражательной способности контролируемого твердого материала на двух длинах волн инфракрасного (ИК) диапазона, одна из которых соответствует интенсивному поглощению воды (например: 0,76; 0,98; 1,45; 1,94 мкм и т.д.), а другая - слабому (например: 0,7; 0,88; 1,2; 1,8 мкм и т.д.).

Устройства [1,2,3] используют временное разделение сравниваемых световых сигналов, поэтому их недостатком является низкая помехоустойчивость из-за наличия канала синхронизации, который может давать сбои в результате воздействия посторонних световых и электромагнитных помех, возникающих при их промышленном применении. Точность измерения указанных приборов также ограничивается примененными в каналах синхронизации пороговыми элементами, в частности, их гистерезисом и фронтами формируемых ими импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является влагомер [4], в котором в источнике излучения два световых потока ИК-диапазона, соответствующие интенсивному и слабому поглощению влагой, в начале модулируются по амплитуде от двух генераторов синусоидальных колебаний с частотами Ω₁ и Ω₂, а затем, после одновременного поглощения и рассеяния их влагой контролируемого материала, на выходе приемника модулированного излучения разделяются с помощью двух узкополосных резонансных усилителей. Причем, огибающая сигнала светового потока, соответствующего интенсивному поглощению влагой, выделяется резонансным усилителем, настроенным на частоту Ω₁ и детектируется в измерительном канале, а слабому - резонансным усилителем, настроенным на частоту Ω₂ и детектируется в канале сравнения. Далее из постоянного напряжения, получаемого в канале сравнения, вычитается постоянное напряжение, получаемое в канале измерения, что и служит мерой измерения влажности контролируемого материала.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения влажности. Поставленная задача решается путем применения в источнике излучения, для получения амплитудной модуляции двух световых потоков ИК-диапазона, одного генератора синусоидальных колебаний с частотой Ω . В результате исключается ошибка измерения влажности, связанная с возможной разностью амплитуд модулирующих колебаний. Последующее разделение огибающих модулированных световых потоков, после поглощения и рассеяния их влагой контролируемого материала, обеспечивается сдвигом в источнике излучения, с помощью фазовращателя, начальной фазы ψ модулирующего колебания, формирующего поток, слабо поглощаемый влагой, на 90^o и, как следствие, применением на выходе приемника модулированных колебаний когерентного метода обработки огибающих световых потоков с использованием кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), что, в отличие от обычных методов детектирования, также повышает точность измерения влажности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема оптического влагомера.

Предлагаемое устройство содержит источник модулированного излучения 1, по ходу которого последовательно расположены держатель 2 исследуемого материала и приемник модулированного излучения 3, выход которого соединен с входом апериодического усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ) 4. Источник излучения 1 выполнен в виде трех селективных излучателей на светодиодах 5, 6, 7, первый светодиод 5 подключен к выходу первого модулятора 8, вход которого соединен с выходом первого фазовращателя 9, на выходе приемника осуществляющего сдвиг начальной фазы входного сигнала на 90^o, вход которого подключен к выходу генератора синусоидальных колебаний 10 со стабилизацией амплитуды, а два других светодиода 6 и 7 через переключатель 11 подключены к выходу второго модулятора 12, вход которого соединен также с выходом генератора 10. Выход апериодического усилителя с АРУ 4 соединен с первым входом первого перемножителя сигналов 13, выход которого подключен к входу первого фильтра нижних частот (ФНЧ) канала сравнения 14, выход которого подключен к входу второго апериодического усилителя с постоянным коэффициентом усиления (K_у = 2) 15, выход которого подключен к первому входу второго перемножителя сигналов 16 и к входу второго ФНЧ 17, служащего для получения оценки амплитуды огибающей сигнала сравнения, выход которого подключен к второму входу третьего перемножителя 18, к первому входу сумматора сигналов 19, а также к входу апериодического усилителя с АРУ 4, предназначенному для регулировки его коэффициента усиления. Кроме того, выход апериодического усилителя 4 соединен с первым входом четвертого перемножителя сигналов 20, выход которого подключен к входу третьего ФНЧ измерительного канала 21, выход которого подключен к входу третьего апериодического усилителя с постоянным коэффициентом усиления (K_у = 2) 22, выходы которого подключены к первому входу третьего перемножителя сигналов 18, и к входу четвертого ФНЧ 23, служащего для получения оценки амплитуды огибающей сигнала в канале измерения, выход которого подключен к второму входу второго перемножителя сигналов 16 и к входу аттенюатора 24 установки нуля, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора сигналов 19, выход которого подключен к входу регистрирующего прибора 25 (например, вольтметру). Кроме того, выход второго перемножителя сигналов 16 соединен с вторым входом второго сумматора сигналов 26 кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), с первым входом которого соединен выход третьего перемножителя сигналов 18, а выход самого сумматора сигналов 26 подключен к входу пятого ФНЧ 27, служащего для получения оценки начальной фазы принимаемого устройством сигнала, выход которого подключен к входу подстраиваемого генератора синусоидальных колебаний 28, выход которого подключен непосредственно к второму входу четвертого перемножителя сигналов 20 и через фазовращатель 29, осуществляющий сдвиг фазы сигнала подстраиваемого генератора 28 на 90^o, к второму входу первого перемножителя сигналов 13.

Оптический влагомер работает следующим образом.

Генератор 10 синусоидальных колебаний вырабатывает переменное напряжение
U_г = U_mcos(Ωt + ψ),
где
Ω - - круговая частота генератора;
ψ - - его начальная фаза.

Далее это напряжение от генератора поступает непосредственно на модулятор 12 и через фазовращатель на 90^o 9 - модулятор 8, таким образом модулятор 8 модулируется напряжением
U_г = U_mcos(Ω + ψ + 90^o) = U_msin(Ω + ψ).
Излучаемые светодиодами 5 и 6 амплитудно-модулированные световые потоки попадают на исследуемый материал, где суммируются, причем часть потока, модулированного напряжением
U_г = U_msin(Ωt + ψ)
и излучаемого светодиодом 5 рассеивается, а часть потока, модулированного напряжением U_г = U_mcos(Ωt + ψ) рассеивается и поглощается влагой материала. Отраженный суммарный поток попадает на приемник 3, выполненный на фотодиоде, где демодулируется и далее его огибающая усиливается в апериодическом усилителе 4 с АРУ. После усиления суммарная огибающая принятого светового потока
U_вх = A_иcos(Ωt + ψ) + A_csin(Ωt + ψ)
поступает на первые входы двух перемножителей сигналов 13 и 20. Здесь A_и и A_с - соответственно амплитуды измеряемого напряжения и напряжения сравнения. На вторые входы этих умножителей приходят соответственно напряжения

Здесь: оценка, то есть измеренное кольцо фазовой автоподстройки частоты, значение начальной фазы сигнала, которое будет иметь место на выходе подстраиваемого генератора 28. Таким образом, на выходе умножителя 13 имеем

Соответственно на выходе умножителя 20 будем иметь:

После умножителей 13 и 20 сигналы соответственно поступают на фильтры низких частот (ФНЧ) 14 и 21, где от них отфильтровываются составляющие с удвоенной частотой 2Ω, и на апериодические усилители 15 и 22, причем коэффициент усиления периодических усилителей выбран K_у = 2. Поэтому на выходе апериодических усилителей будем иметь следующие напряжения: на выходе усилителя 15

на выходе усилителя 22

Далее эти два напряжения поступают соответственно на фильтры низких частот 17 и 23, осуществляющие фильтрацию этих напряжений и получение оценок амплитуд огибающих Из последних выражений видно, что без фильтров 17 и 23, при высокой точности оценки начальной фазы суммарного сигнала, то есть когда поэтому а
Рассмотрим как получается оценка начальной фазы принимаемого суммарногго сигнала С выхода усилителей 15 и 21 сигналы, соответственно \ \\6 U₁₅ =
и

поступают на первые входы перемножителей 16 и 18, на вторые входы которых приходят соответственно сигналы Следовательно, на выходе перемножителя 16 имеем

а на выходе перемножителя 18

Таким образом, при высокой точности оценки амплитуд огибающих сигнала, то есть когда и на выходе сумматора сигналов 26 получим

Указанное напряжение поступает на фильтр низких частот кольца фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ 27 и далее на подстраиваемый генератор 28, который вырабатывает синусоидальное напряжение причем
Изложенный выше материал показывает каким образом в устройстве получаются когерентные оценки амплитуд огибающих суммарного сигнала и а также его начальной фазы
Рассмотрим работу предлагаемого устройства в целом.

Напряжение то есть напряжение, получаемое в канале сравнения, пропорциональное затуханию светового потока, без составляющей поглощения с выхода фильтра низких частот 17 поступает на первый вход сумматора сигналов 19. На другой вход сумматора 19 через аттенюатор настройки нуля 24 с выхода фильтра низких частот 23 поступает напряжение пропорциональное затуханию светового потока с составляющей поглощения. В результате на выходе сумматора 19 появляется напряжение которое служит мерой влажности контролируемого материала. Далее это напряжение измеряется регистрирующим прибором 25, например, вольтметром, градуированным в единицах измерения влажности. Кроме того, напряжение канала сравнения поступает на вход апериодического усилителя 4 с АРУ для регулировки его коэффициента усиления с целью поддержания постоянным напряжения в канале сравнения при изменении в процессе работы устройства толщины контролируемого материала или загрязнении оптических элементов влагомера, что повышает точность измерения влажности.

Также для повышения точности измерения, перед началом работы прибора, необходимо производить его калибровку. Для этого переключатель 11 переводят в положение, при котором переменным напряжением U_г = U_mcos(Ωt + ψ) осуществляется модуляция светодиода 7, имеющего длину волны ИК-излучения такую же, как светодиод 5, то есть соответствующую слабому поглощению светового потока водой.

Работа прибора при этом происходит аналогично, но в этом случае показания регистрирующего прибора 25 с помощью аттенюатора 24 настройки нуля устанавливают на ноль (0), то есть калибруют по усилению измерительный канал, что также повышает точность измерения.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 561896, кл. G 01 N 21/10.

2. Авторское свидетельство СССР N 1259164, кл. G 01 N 21/81.

3. Авторское свидетельство СССР N 1087851, кл. G 01 N 21/81.

4. Авторское свидетельство СССР N 1589163, кл. G 01 N 21/81.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к измерению влажности твердых материалов. Сущность изобретения: источник излучения выполнен в виде трех селективных излучателей на светодиодах, которые модулируются от одного генератора синусоидальных колебаний со стабилизацией амплитуды, в источник излучения введен фазовращатель, поворачивающий начальную фазу колебаний этого генератора на 90^o, выход которого соединен с входом первого модулятора, который осуществляет модуляцию первого светодиода, а два других светодиода через переключатель модулируются вторым модулятором, вход которого подключен непосредственно к выходу генератора, кроме того, в устройство введены пять фильтров нижних частот (ФНЧ), два апериодических усилителя с постоянным коэффициентом усиления (K_у = 2), четыре перемножителя сигналов, подстраиваемый генератор синусоидальных колебаний и еще один фазовращатель на 90^o, который используется в кольце фазовой автоподстройки частоты. Техническим результатом является повышение точности измерения влажности. 1 ил.

Оптический влагомер, содержащий источник модулированного излучения, по ходу лучей которого последовательно расположены держатель исследуемого вещества, приемник модулированного излучения, апериодический усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), аттенюатор и регистрирующее устройство, причем в источник модулированного излучения входят три селективных светодиода, два модулятора, генератор синусоидальных колебаний со стабилизацией амплитуды и переключатель, отличающийся тем, что в него введены пять фильтров нижних частот (ФНЧ), два апериодических усилителя с постоянным коэффициентом усиления (K_у = 2), четыре перемножителя аналоговых сигналов, два сумматора сигналов, подстраиваемый генератор синусоидальных колебаний и два фазовращателя, осуществляющих сдвиг начальных фаз поступающих на их вход сигналов на 90^o, причем один из них используется в источнике модулированного излучения и его выход соединен с входом первого модулятора, выход которого соединен с первым светодиодом, а вход - с выходом генератора синусоидальных колебаний с стабилизацией амплитуды и входом второго модулятора, к выходу которого через переключатель подключены два других светодиода, а выход второго фазовращателя соединен с вторым входом первого перемножителя, а вход - с вторым входом четвертого перемножителя и с выходом подстраиваемого генератора синусоидальных колебаний, вход которого подключен к выходу пятого ФНЧ, вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу третьего перемножителя, первый вход которого подключен к выходу третьего апериодического усилителя и входу четвертого ФНЧ, а второй вход - к выходу второго ФНЧ, второй вход второго сумматора подключен к выходу второго перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго апериодического усилителя и входу второго ФНЧ, второй вход - к выходу четвертого ФНЧ и к входу аттенюатора, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выход которого подключен к регистрирующему прибору, а первый вход - к выходу второго ФНЧ и к входу апериодического усилителя с АРУ, предназначенному для регулировки его коэффициента усиления, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, выход которого подключен к входу первого ФНЧ, выход которого подключен к входу второго апериодического усилителя, кроме того, выход апериодического усилителя с АРУ подключен к первому входу четвертого перемножителя, выход которого подключен к входу третьего ФНЧ, выход которого подключен к входу третьего апериодического усилителя.