ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ К ЕМКОСТНОМУ ДАТЧИКУ Российский патент 2003 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерению влажности материалов с помощью емкостных датчиков. При этом используется зависимость диэлектрической проницаемости материалов от содержания в них свободной влаги. Изменение содержания влаги в материале приводит к изменению емкости датчика, которое преобразуется в пропорциональный выходной сигнал постоянного тока.

Известен электронный влагомер почвы [1], содержащий емкостный датчик и измерительный преобразователь, в котором имеется самовозбуждающийся кварцевый генератор, колебательный контур и стрелочный индикатор, подключенный к контуру через диодный мост. К контуру подключен также датчик. При изменении емкости датчика изменяется резонансная частота контура и амплитуда напряжения на нем, что оценивается стрелочным индикатором. Недостатком преобразователя является узкий диапазон возможных изменений емкости датчика и нелинейность преобразования "емкость - напряжение". Это связано с нелинейностью характеристики колебательного контура. Выходной ток преобразователя не может быть большим, т. к. нагрузка на колебательный контур ухудшает его резонансные свойства.

Известен емкостный измеритель концентрации, наиболее близкий к предлагаемому [2]. Использованная в нем схема фазового детектора позволяет получать выходной сигнал постоянного напряжения, пропорциональный изменению емкости датчика. Высокочастотный генератор подключен к первичной обмотке трансформатора. Датчик подключен одним концом к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, другим концом - к общему проводу. Второй вывод вторичной обмотки подключен к средней точке третьей обмотки, концы которой присоединены к плечам фазового детектора.

Недостатком преобразователя также является небольшая величина выходного тока и небольшой диапазон измеряемых емкостей. Вместе с тем, в практике нередки случаи, когда материал неоднороден и влажность его варьирует по объему. В этих случаях приходится применять датчики большого размера и емкости, чтобы получить среднее значение влажности. Желательно, чтобы преобразователь имел достаточный выходной сигнал (5mA) и допускал возможность работы со стандартными устройствами контроля и автоматики.

В предлагаемом устройстве контур задающего генератора индуктивно связан с базами транзисторов двухтактного усилительного каскада. Коллекторы транзисторов соединены с крайними выводами первичной обмотки выходного трансформатора, а вторичная понижающая обмотка своими выводами присоединена к датчику. Один выходной контакт преобразователя соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, а другой контакт - с проводом питающего напряжения. Выходным параметром преобразователя является ток потребления усилительного каскада, меняющийся в зависимости от величины нагрузки, которой служит емкость датчика.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема преобразователя, а на фиг.2 - зависимость выходного тока от емкости датчика.

На схеме фиг. 1 показаны задающий генератор 1, колебательный контур 2, обмотки связи 3 и 4, добавочные резисторы 5 и 6, транзисторы усилительного каскада 7 и 8, резисторы в эмиттерных цепях 9 и 10, первичная обмотка выходного трансформатора 11, вторичная обмотка 12, обмотка обратной связи 13, блокировочные конденсаторы 14 и 15, соединенные выходными контактами измерителя 16 и 17, контакты для присоединения датчика 18 и 19, цепь обратной связи для стабилизации амплитуды колебаний 20.

Устройство работает, следующим образом. Задающий генератор 1 вырабатывает синусоидальное ВЧ напряжение, выделяющееся на колебательном контуре 2. Напряжение, трансформированное в обмотки связи 3 и 4 через резисторы 5 и 6 поступает на базы транзисторов 7 и 8.

Усиленное напряжение с коллекторов транзисторов подается на первичную обмотку 11 выходного трансформатора. Со вторичной обмотки 12 напряжение подается на датчик, с обмотки 13 снимается напряжение для работы цепи обратной связи 20, которая регулирует уровень смещения на базах транзисторов 7 и 8 и поддерживает стабильной амплитуду ВЧ напряжения на трансформаторе при значительных изменениях нагрузки выходного каскада, т.е. емкости датчика. Резисторы 5, 6, 9, 10 и конденсаторы 14, 15 предотвращают самовозбуждение усилительного каскада. Выходной ток, проходящий через контакты 16, 17, является током потребления усилительного каскада, но складывается из обеих полуволн тока в коллекторах транзисторов 7 и 8. Амплитуда коллекторных токов отражает векторную сумму тока намагничивания сердечника трансформатора, тока активных потерь и трансформированного во вторичную обмотку емкостного тока датчика. Начальный участок характеристики на фиг.2 отражает примерное равенство этих составляющих. В дальнейшем, при увеличении емкости датчика емкостная составляющая тока превалирует над остальными.

Трансформаторное подключение датчика позволяет согласовать преобразователь с датчиками необходимых размеров и емкости за исключением случаев, когда могут наблюдаться волновые явления в протяженных датчиках. При эксплуатации возможен режим использования устройства, когда одна двухпроводная линия служит одновременно и для питания преобразователя и для передачи в пункт наблюдения полезного сигнала, которым служит величина тока потребления. Это возможно потому, что ток питания в основном определяется нагрузкой выходного каскада, а задающий генератор имеет небольшое и стабильное потребление.

Литература
1. B.П. Попенко. Авт. свид. СССР 214154, МКИ G 01 N 27/22, 1968 г. Бюлл. 11.

2. К. Г. Крюков. Емкостный измеритель концентрации. Авт. свид. СССР 593128, МКИ G 01 N 27/22, 1978 г. Бюлл. 8.

Использование: в измерителях влажности. Сущность: преобразователь содержит задающий генератор и двухтактный усилительный каскад с выходным трансформатором. Трансформатор согласует усилитель с датчиками большой емкости. Выходным параметром преобразователя является ток потребления усилительного каскада. Для повышения точности преобразования имеется цепь стабилизации амплитуды напряжения на трансформаторе. Технический результат изобретения заключается в расширении диапазона измеряемых емкостей и обеспечении возможности работы с усредняющими датчиками больших размеров или протяженности. 2 ил.

Измерительный преобразователь к емкостному датчику, содержащий задающий генератор, контур которого индуктивно связан с базами транзисторов двухтактного усилительного каскада при помощи обмоток связи и дополнительных резисторов, выходной трансформатор, к концам первичной обмотки которого присоединены коллекторы усилительных транзисторов, выводы вторичной обмотки присоединены к датчику, а выходные контакты преобразователя через блокировочные конденсаторы соединены с общим проводом, отличающийся тем, что один выходной контакт соединен со средней точкой первичной обмотки, а второй выходной контакт - с проводом питающего напряжения, при этом выводы третьей обмотки трансформатора подключены к цепи стабилизации амплитуды напряжения.