ЕМКОСТНЫЙ ЭКСПРЕСС-ВЛАГОМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерению неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано на предприятиях текстильной промышленности, агропрома, промышленности строительных материалов и стройиндустрии.

Известен влагомер, содержащий генератор синусоидального напряжения, емкостный первичный преобразователь, подключенный через образцовый элемент к информационному входу преобразователя реактивной составляющей комплексного сопротивления в напряжение, включающий масштабный преобразователь, компаратор, фазовращатель, амплитудный детектор и фазочувствительный выпрямитель [1], а также регистратор, соединенный с выходом амплитудного детектора, вход которого вместе с входом фазовращателя подключены к одному из зажимов емкостного первичного преобразователя, второй зажим которого соединен с общей шиной, выход фазовращателя подключен к управляющему входу фазочувствительного выпрямителя, измерительный вход которого соединен с выходом регулируемого масштабного преобразователя и образцовым элементом, а выход фазочувствительного выпрямителя подключен к одному из входов компаратора.

Данное устройство обладает значительной сложностью и недостаточно высокой точностью, которая резко ухудшается с ростом частоты генератора. Это обусловлено наличием в схеме прибора частотозависимых узлов - фазовращателя и фазочувствительного выпрямителя, точная настройка которых возможна только на одной (фиксированной) частоте или в очень узком диапазоне частот. Эксплуатация прибора только на одной частоте ограничивает его область применения.

Известно также устройство, содержащее генератор высокой частоты, емкостный и резистивный первичные преобразователи, управляемый преобразователь нагрузки, аналоговый вычислитель и регистратор, причем емкостной первичный преобразователь через длинную линию и направляемый ответвитель подключен к генератору и к одному из входов аналогового вычислителя, второй вход которого соединен через управляемый преобразователь нагрузки с резистивным первичным преобразователем, а выход аналогового вычислителя подключен к регистратору [2].

Этот прибор также имеет низкую точность т.к. осуществляемая с помощью вычислителя коррекция активных потерь емкостного первичного преобразователя неэффективна из-за различий в характере зависимости с+игналов, подаваемых на входы вычислителя, от влажности контролируемого материала. Это видно из анализа измерительных цепей, в качестве которых используется либо делитель напряжения, составленный внутренним сопротивлением ВЧ-генератора и сопротивлением длинной линии вместе с комплексным сопротивлением емкостного датчика, либо мостовая цепь с резистивным датчиком в одном из ее плеч. Если первая измерительная цепь является преобразователем суммы волнового сопротивления длинной линии и комплексного сопротивления емкостного датчика в напряжение, то вторая измерительная цепь служит преобразователем приращения сопротивления резистивного датчика в напряжение. Преобразовав параллельную схему компонентов комплексного сопротивления емкостного датчика в эквивалентную ей последовательную схему, можно обнаружить, что каждый из компонентов последней схемы включает в себя и информативный, и паразитный параметры емкостного датчика, вследствие чего полная компенсация его активных потерь становится невозможной.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является влагомер, содержащий источник переменного напряжения, резистивный первичный преобразователь, регулируемый масштабный преобразователь, компаратор напряжений, интегратор, два амплитудных детектора, образцовый элемент и регистратор, причем энергетический вход регулируемого масштабного преобразователя, вход первого амплитудного детектора и один из входов регистратора подключены к выходу источника, второй вход регистратора соединен с выходом регулируемого масштабного преобразователя и первым зажимом образцового элемента, второй зажим которого непосредственно подключен к входу второго амплитудного детектора и через резистивный первичный преобразователь - к общей шине, выходы обоих амплитудных детекторов подключены к входам компаратора, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого масштабного преобразователя [3].

Из анализа его принципа действия следует, что совокупность имеющихся в схеме узлов (за исключением источника и регистратора) образует преобразователь проводимости (электропроводности) резистивного датчика и находящегося в нем контролируемого материала в напряжение. Его сигнальным входом служит точка соединения входа первого амплитудного детектора и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя, информационным входом - второй зажим образцового элемента, подключенный непосредственно к входу второго амплитудного детектора и через резистивный первичный преобразователь - к общей шине, а выходом служит выход регулируемого масштабного преобразователя, соединенный с одним из входов регистратора и с измерительной цепью, включающей образцовый элемент и резистивный первичный преобразователь. Поскольку последний прибор не содержит частотозависимых узлов, то он способен работать в широком диапазоне частот и даже на постоянном токе. Его основным недостатком следует считать также низкую точность из-за сильного влияния на результат измерений колебаний температуры материала, непостоянства химического состава и наличия примесей.

Цель изобретения - повышение точности известного влагомера путем полного устранения влияния активных потерь емкостного датчика в широком диапазоне частот.

Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник переменного напряжения, регистратор, резистивный первичный преобразователь, регулируемый масштабный преобразователь, компаратор напряжений, интегратор, образцовый элемент и два амплитудных детектора, образующие преобразователь проводимости в напряжение, причем второй зажим образцового элемента, образующий информационный вход преобразователя проводимости в напряжение, подключен через резистивный первичный преобразователь к общей шине, управляющий вход регулируемого масштабного преобразователя соединен через интегратор с выходом компаратора напряжения, выход регулируемого масштабного преобразователя, образующий выход преобразователя проводимости в напряжение, соединен с одним из входов регистратора и с измерительной цепью, включающей образцовый элемент и резистивный первичный преобразователь, выход измерительной цепи соединен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены с соответствующим входом компаратора напряжений, введены делитель частоты, дополнительный преобразователь проводимости в напряжение и емкостный первичный преобразователь, образующий вместе с образцовым элементом дополнительного преобразователя проводимости в напряжение измерительную цепь дополнительного преобразователя, информационный вход которого подключен через емкостный первичный преобразователь к общей шине, точка соединения входа первого амплитудного детектора и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя, образующая сигнальный вход преобразователя проводимости в напряжение, соединена с источником переменного напряжения через делитель частоты, сигнальный вход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение соединен с источником переменного напряжения непосредственно, а выход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение подключен к второму входу регистратора.

Изобретение поясняется тремя чертежами. На фиг.1 приведена полная структурная схема прибора, на фиг.2 изображена принципиальная схема основного узла преобразователей проводимости в напряжение - регулируемого масштабного преобразователя, а на фиг.3 приведена функциональная схема источника переменного напряжения. На чертежах обозначены: 1 - источник переменного напряжения U₁ = U_1msinω₁t, у которого амплитуда постоянна, т.е. U_1m = const, а ω₁ = 2πf₁; 2 - делитель частоты, т.е. f₂ < f₁, а U_2m = U_1m ; 3 и 4 - преобразователи проводимости в напряжение, обеспечивающее непрерывное преобразование электропроводности соответствующего первичного преобразователя в напряжение переменного тока; 5, 6 и 21, 22 - амплитудные детекторы; 7 и 12 - регулируемые масштабные преобразователи; 8 и 11 - интеграторы; 9 и 10 - компараторы напряжений; 13 и 14 - образцовые элементы, например, постоянные резисторы с сопротивлениями R₁₃ и R₁₄, соответственно; 15 и 18 - емкостный и резистивный первичные преобразователи (представлены параллельными соединениями своих компонентов: информативного 16, 19 и паразитного 17, 20, т.е. x₁₆ = 1/ω₁C₁₆ и R₁₇ у емкостного первичного преобразователя 15 и R₁₉, x₂₀ = 1/ω₂C₂₀ у резистивного первичного преобразователя 18, и обеспечивающие комплексный характер электропроводности первичных преобразователей, либо их сопротивлениям Z₁₅, Z₁₈ переменному току; причем все параметры первичных преобразователей зависят от влажности W контролируемого материала т.е. C₁₆ = ϕ₁(W), R₁₇ = ϕ₂(W), R₁₉ = ϕ₃(W) и C₂₀ = ϕ₄(W); 23 - регистратор (например, милливольтметр переменного тока); 24 - резисторный оптрон, состоящий из источника излучения - светодиода 25 и фотоприемника - фоторезистора 26; 27 и 28 - постоянные резисторы; 29 - операционный усилитель; 30 - генератор импульсов (например, автоколебательный мультивибратор); 31 - фильтр (служит для выделения первой гармоники импульсной последовательности); входные и выходные напряжения регулируемых масштабных преобразователей 7(12); а U₈(U₁₁) - их управляющие напряжения.

При этом регулируемые масштабные преобразователи 7 и 12 выполнены в виде усилителей с регулируемым по напряжению коэффициентом усиления. Первый зажим резистора 27, соединенного с инверсным входом усилителя 29, служит энергетическим входом регулируемого масштабного преобразователя, выход операционного усилителя 29 служит выходом регулируемого масштабного преобразователя, а резисторный оптрон, фотоприемник 26 которого подключен параллельно входной цепи усилителя 9, служит узлом управления его коэффициентом усиления, определяемого соотношением: k₂₉ = R₂₈/(R₂₆//R₂₇), где R₂₆//R₂₇ означает параллельное соединение сопротивлений фоторезистора 26 и постоянного резистора 27. Светодиод 25 служит управляющим элементом и на его анод подается управляющее напряжение, т.е. это управляющий вход регулируемого масштабного преобразователя 7 (12).

Энергетический вход регулируемого масштабного преобразователя 7 или 12, соединенный с входом амплитудного детектора 5 или 6, служит сигнальным входом преобразователя 3 или 4 проводимости в напряжение. Выход регулируемого масштабного преобразователя 7 или 12, соединенный с первым зажимом образцового элемента 13 или 14, служит выходом соответствующего преобразователя проводимости в напряжение. Информационным входом преобразователя 3 или 4 проводимости в напряжение служит второй зажим образцового элемента 13 или 14, соединенный с входом амплитудного детектора 21 или 22. При этом выходы соответствующей пары детекторов 5, 21 или 6, 22 подключены через последовательно соединенные соответствующий компаратор 9 или 10 напряжений и интегратор 8 или 11 к управляющему входу регулируемого масштабного преобразователя 7 или 12.

Работа предложенного экспресс-влагомера осуществляется следующим образом. Емкостный 15 и резистивный 18 первичные преобразователи одновременно заполняются контролируемым материалом, имеющим относительную влажность W. При этом изменяются электрическая емкость C₁₆ и активные потери R₁₇ емкостного первичного преобразователя 15, а также активное сопротивление R₁₉ и паразитная емкость C₂₀ резистивного первичного преобразователя 18; которые станут равными Эти изменения параметров первичных преобразователей - датчиков влажности W - вызовут соответствующие изменения их комплексных проводимостей, которые в общем случае получат вид:

Из формул (1) видно, что характер изменения активных составляющих комплексных проводимостей обоих датчиков от влажности один и тот же. Конструктивными мерами можно добиться также примерного равенства значений т. е. (обеспечивается при проектировании и изготовлении датчиков благодаря использованию одних и тех же шаблонов и материалов).

При включении источника 1 осуществляется подача переменных напряжений в регулируемые масштабные преобразователи 7,12 и амплитудные детекторы 5,6. Поскольку в начальный момент времени с компараторов 9,10 напряжений снимаются сигналы нулевого уровня, т.е. U₉=U₁₀=0, то и с выходов интеграторов 8, 11 тоже будут получены нулевые сигналы, т.е. U₈=U₁₁=0. Регулируемые масштабные преобразователи 7, 12 выполнены таким образом, что подача на их управляющие входы сигнала нулевого уровня обеспечивает получение у них единичного коэффициента передачи, т.е. k₇=k₁₂=1 при U₈=U₁₁=0. Отсюда следует, что сразу после включения прибора на измерительные цепи, составленные сопротивлениями образцовых элементов 13 и 14 и комплексным сопротивлением соответствующего первичного преобразователя, будут поступать напряжения, равные по амплитуде напряжению источника питания 1, т.е. U_7m=U_12m= U_1m, хотя в общем случае они равны Выходные сигналы измерительных цепей равны соответственно

С помощью амплитудных детекторов 21, 22 формируются сигналы: U₂₁= k₂₁U_13,15m и U₂₂= k₂₂U_14,18m, соответственно, где k₂₁ и k₂₂ - коэффициенты передачи детекторов. Поскольку U_13,15m < U_1m и U_14,18m < U_2m, то компараторы 9, 10 вначале выработают сигналы положительной полярности, т.е. U₉(t)= U_1m-U₂₁(t)>0 и U₁₀(t)=U_2m-U₂₂(t)>0, которые проходят в соответствующий интегратор 8 или 11 и в виде линейно-возрастающего напряжения поступают на управляющие входы регулируемых масштабных преобразователей 7 и 12, вызывая увеличение их коэффициентов передачи, т.е. k₇>1 и k₁₂>1.

Работа преобразователей 7 и 12 проходит независимо друг от друга и вызывает увеличение напряжений питания указанных выше измерительных цепей, а вместе с ними рост сигналов (2) и напряжений U₂₁ и U₂₂. Поскольку U_1m=const, то наступят скоро моменты, когда увеличенные сигналы U₂₁ и U₂₂, т.е. станут равными U_1m. Тогда компаратор 9 (или 10) выдаст отрицательный импульс, по которому соответствующий интегратор переключится на разрядку. Это приведет к некоторому уменьшению коэффициента передачи k₇ или k₁₂ и напряжения Однако при компаратор 9 (или 10) вновь выдаст сигнал положительной полярности, опять станет заряжаться соединенный с ним интегратор и повторно будет увеличиваться коэффициент передачи k₇ (или k₁₂) регулируемых масштабных преобразователей. В результате в цепи R₁₃, z₁₅ (или R₁₄, z₁₈) восстановится состояние, при котором U₂₁=U_1m (или U₂₂=U_2m).

В дальнейшем этот процесс будет повторяться непрерывно и примет характер периодического, т. к. благодаря наличию интеграторов 8, 11 и регуляторов 7, 12 в приборе функционируют две независимые друг от друга астатические системы автоматического регулирования. Установление периодических процессов свидетельствует об окончании измерений, после чего выходные сигналы преобразователей 7 и 12 при k₅=k₆=k₂₁=k₂₂=1 будут равны

Это можно доказать, подставив формулы (2) в выражения для выходных сигналов компараторов 9, 10, приравнять их нулю, найти из полученных уравнений коэффициенты передачи k₇, k₁₂ и подставить их в общие выражения для
Так как преобразование параметров резистивного датчика 18 происходит на пониженной частоте, т. е. от делителя частоты 2, то можно подбором коэффициента деления последнего добиться существенного превышения значения x₂₀ над значением R₁₉, т.е. обеспечить x₂₀>> R₁₉. Это произойдет при условии: f₂ << f₁. В этом случае реактивной проводимостью преобразователя 18 можно пренебречь, т.е. а активную его проводимость считать преобладающей. Тогда регистратор 23 будет находиться под напряжением, равным разности между и его стрелка при R₁₃=R₁₄, U_1m=U_2m, отклонится на угол, равный

Как видно из уравнения преобразования (4) прибора, компенсация потерь в емкостном первичном преобразователе 15 гораздо более эффективна и проста, чем в известном устройстве, т.к. для ее осуществления получены идентичные по характеру зависимости паразитного и компенсирующего параметров от влажности, а реализуется она более простыми средствами. Теоретически возможна полная компенсация R₁₇ в z₁₅. В дополнение к этому можно добавить, что преобразователь 4 проводимости в напряжение может работать и от автономного источника низкой частоты и даже от источника постоянного тока.

Тогда реактивная составляющая проводимости резистивного датчика 18 будет равна нулю. Работа регуляторов 7 и 12 поясняется фиг. 2, на которой приведен пример их реализации на резисторном оптроне 24. При нулевом управляющем сигнале, т.е. U₈=0 (или U₁₁=0), сопротивление фоторезистора 26 велико и равно его темновому сопротивлению, т.е. Rт26

. Подобрав R₂₇ и R₂₈ такими, чтобы выполнялось условие будет обеспечена передача напряжения от источника 1 на измерительные цепи R₁₃, z₁₅ или R₁₄, z₁₈ без усиления. При U₈ > 0 (или U₁₁>0) светодиод откроется и начнет излучать световой поток на фоторезистор 26. Сопротивление последнего резко уменьшится, вследствие чего уменьшится сопротивление входной цепи усилителя 29 и увеличится коэффициент передачи регулируемого преобразователя в целом, т.к. k₇ > 1 (или k₁₂ > 1). Быстродействие этого узла зависит от особенностей таких оптронов. Применение оптрона ОЭП-16 дает возможность реализовать непрерывные измерения параметров датчиков и практически мгновенное определение влажности W.

Существует и другой вариант реализации регулируемых масштабных преобразователей, например, на полевых транзисторах. Источник 1 переменного напряжения легко реализуется на основе автоколебательного мультивибратора 30 (см. фиг. 3), и фильтра 1. При этом фильтр должен быть широкополосным, т.к. отсутствие частотозависимых узлов в схеме сильно снижает требования к форме напряжений U_i. Источник может быть выполнен и импульсным, т.е. без фильтра. Фиг. 3 показывает подключение делителя частоты 2 к источнику 1.

Отсчет значения влажности W производится по шкале регистратора 23 в соответствии с формулой (4). Предложенный прибор благодаря наличию эффективной компенсации активных потерь емкостного датчика обладает более высокой точностью и работает в широком диапазоне частот.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 9666576, кл. G 01 N 27/22.

2. Авторское свидетельство СССР N 1520426, кл. G 01 N 27/02.

3. Авторское свидетельство СССР N 1735753, кл. G 01 N 27/02 (прототип).

Экспресс-влагомер содержит два преобразователя 3, 4 проводимости в напряжение, емкостной первичный преобразователь 15, резистивный первичный преобразователь 18, источник переменного напряжения 1, регистратор 23 и делитель частоты 2. Преобразователи проводимости в напряжение 3, 4 образованы регулируемым масштабным преобразователем 7, 12, компаратором напряжений 9, 10, интегратором 8, 11, образцовым элементом 13, 14 и амплитудными детекторами 5, 6 и 21, 22. Точка соединения первого амплитудного детектора 5, 6 и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя 7, 12 соединена с источником переменного напряжения 1 у первого преобразователя 3 проводимости в напряжение непосредственно, а у дополнительного преобразователя 4 проводимости в напряжение - через делитель 2. Первый преобразователь 3 проводимости в напряжение соединен с резистивным преобразователем 15, а дополнительный преобразователь 4 проводимости в напряжение - с емкостным преобразователем 15. Влагомер позволяет повысить точность за счет полного устранения влияния активных потерь в широком диапазоне частот. 3 ил.

Емкостный экспресс-влагомер, содержащий источник переменного напряжения, регистратор, резистивный первичный преобразователь, регулируемый масштабный преобразователь, компаратор напряжений, интегратор, образцовый элемент и два амплитудных детектора, образующих преобразователь проводимости в напряжение, причем второй зажим образцового элемента, образующий информационный вход преобразователя проводимости в напряжение, подключен через резистивный первичный преобразователь к общей шине, управляющий вход регулируемого масштабного преобразователя соединен через интегратор с выходом компаратора напряжений, выход регулируемого масштабного преобразователя, образующий выход преобразователя проводимости в напряжение, соединен с одним из входов регистратора и с измерительной цепью, включающей образцовый элемент и резистивный первичный преобразователь, выход измерительной цепи соединен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов соединены с соответствующим входом компаратора напряжений, отличающийся тем, что в него введены делитель частоты, дополнительный преобразователь проводимости в напряжение и емкостный первичный преобразователь, образующий вместе с образцовым элементом дополнительного преобразователя проводимости в напряжение измерительную цепь дополнительного преобразователя, информационный вход которого подключен через емкостный первичный преобразователь к общей шине, точка соединения входа первого амплитудного детектора и энергетического входа регулируемого масштабного преобразователя, образующая сигнальный вход преобразователя проводимости в напряжение, соединена с источником переменного напряжения через делитель частоты, сигнальный вход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение соединен с источником переменного напряжения непосредственно, а выход дополнительного преобразователя проводимости в напряжение подключен к второму входу регистратора.