ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР Российский патент 2005 года по МПК G01N27/22 G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть иcпользовано при автоматическом контроле и измерении влагосодержания почвогрунтовых сред в области гидромелиорации, влажности зернобобовых культур агропромышленных производств, а также концентрации примесей двухфазных жидких сред, например концентрации сухих продуктов при варке сиропов в пищевой промышленности.

Известно устройство диэлькометрического влагомера (Берлинер М.А. Измерения влажности. - М.: Энергия, 1973. - 400 с.), основанное на принципе дифференциальных измерительных схем, содержащем генератор частот, к выводам которого последовательно соединены образцовый конденсатор и конденсатор чувствительного элемента датчика, выводы которого дополнительно соединены с указательным прибором.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений (2-3%) в крайних областях измерительного диапазона вследствие низкой чувствительности устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является диэлькометрический влагомер (Патент РФ №2045053, МКИ G 01 N 27/22. Диэлькометрический влагомер. /Андриевский А.Ю.// Открытия. Изобретения. - 27.09.95 г. Бюллетень №27), содержащий цифровой вольтметр, устройство масштабирования, вычитающее устройство, опорный генератор, блок фазовой автоподстройки частоты в основе двух схем управления, а также автоматических управляемых генераторов, каналы преобразования которых содержат взаимосвязанные генераторы управляемых напряжений и емкостные датчики, соответственно с эталонными и измерительными чувствительными элементами, выход автоматического эталонного управляемого генератора, являющийся выходом генератора управляемого напряжения подключен к первому входу схемы управления, являющийся входом фазового компаратора, выход которого подключен к интегратору, а выход последнего является выходом первой схемы управления и подключен к генератору управляемого напряжения и первому входу вычитающего устройства, выход которого через устройство масштабирования подключен ко входу цифрового вольтметра, выход измерительного автоматического управляемого генератора подключен к первому входу второй схемы управления, выход которой соединен с входом измерительного управляемого генератора и вторым входом вычитающего устройства, а выход опорного генератора - со вторыми входами схем управления.

Низкая точность измерений влажности таким устройством обусловлена суммарной погрешностью от температурной нестабильности последовательно подключенных каналов преобразования опорного генератора, блока фазовой автоподстройки частоты, вычитающего устройства, устройства масштабирования и цифрового вольтметра. Использование большого количества элементов схемы устройства приводит к низкой его надежности функционирования, большой величине энергопотребления (порядка 50-70 мА при напряжении питания ±5 В), а также к сложности в настройке и градуировке.

В направлении реализации данного технического решения автору известны устройства для измерений концентраций примесей косвенным методом (например, в пересчете через суммарную плотность среды) в физико-механическом классе приборов (Кивилис С.С. Плотномеры. - М.: Энергия, 1980. - 279 с.). Принцип работы таких устройств основан на изменениях резонансных частот колебаний стержня (пластины) в зависимости от изменений плотности исследуемой среды. К недостаткам таких устройств относятся зависимость выходных сигналов от условий изменения кавитационных режимов применимо к исследованиям потоков смешанных жидкостей. Кроме того, громоздкость конструкции чувствительных элементов, а также требования больших затрат на электропитание для их вибраций не дают возможность реализовать принцип автономности и портативности разрабатываемых устройств.

Задача изобретения - повышение точности измерений и надежности функционирования устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство диэлькометрического влагомера, содержащее автоматический управляемый генератор, блок фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор, устройство масштабирования, вычитающее устройство и цифровой вольтметр, дополнительно введены два делителя частоты следования импульсов, формирователи импульсов записи и установки и элемент И-НЕ, выход опорного генератора подключен к первому входу элемента И-НЕ, тактовому входу формирователя импульсов записи и входу первого делителя частоты следования импульсов, первый выход которого подключен к установочному входу формирователя импульсов установки, а второй выход через блок фазовой автоподстройки частоты, автоматический управляемый генератор и второй делитель частоты следования импульсов - ко второму входу элемента И-НЕ и установочному входу формирователя импульсов записи, первый выход которого через тактовый вход формирователя импульсов установки подключен к входу синхронизации цифрового вольтметра, а второй выход - к входу предустановки вычитающего устройства, тактовый вход которого подключен к выходу элемента И-НЕ, разрядные выходы устройства масштабирования через вычитающее устройство подключены к разрядным входам цифрового вольтметра.

Сопоставительный анализ изобретения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от известного введением двух делителей частот следования импульсов, формирователей импульсов записи и установки, а также логического элемента И-НЕ, что позволяет получить новые свойства в независимости точности измерений от суммарной погрешности, вызванной температурной нестабильностью последовательно подключенных составных каналов преобразований, и тем самым повысить точность измерений при индикации влагосодержания исследуемых сред единицами измеряемых физических величин. Кроме этого, новые функциональные связи обеспечивают автоподстройку фаз измерительного и опорного генераторов с полным охватом обратными связями между составными каналами преобразований, что позволяет сделать вывод о существенных отличиях предлагаемого устройства.

Таким образом, заявляемый объект соответствует критерию «новизна». Заявителю неизвестны технические решения, содержащие сходные признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «Изобретательский уровень».

На чертеже представлено устройство диэлькометрического влагомера.

Блок-схема диэлькометрического влагомера состоит из опорного генератора 1, первого делителя частоты следования импульсов 2, блок фазовой автоподстройки частоты 3, автоматический управляемый генератор 4, второй делитель частоты следования импульсов 5, элемент И-НЕ 6, формирователи импульсов записи 7 и импульсов установки 8, устройство масштабирования 9, вычитающее устройство 10 и цифровой вольтметр 11.

Опорный генератор 1 реализован в основе кварцевого резонатора с частотой порядка 1 мГц и инверторов (ИМС типа К561ЛН1). Первый делитель частоты следования импульсов 2 в связи с опорным генератором 1 предназначен для выработки цикла преобразования, цифровой индикации и синхронизации, длительность времени которого составляет порядка 100 mS. Он реализован в виде счетных декад на основе ИМС типа К561 ИЕ16. Причем первый его выход образован разрядным выходом одной из составных декад, второй выход образован последовательным подключением разрядного выхода счетной декады к формирователю коротких импульсов единичным уровнем. Поэтому второй выход подключен через блок фазовой автоподстройки частоты 3 к входу автоматического управляемого генератора 4.

Автоматический управляемый генератор 4 выполняет функции измерительного генератора, подстраиваемого по фазе к фазе опорного генератора. Он реализован в виде взаимосвязанных по автоколебательной цепи компаратора и интегратора, в качестве интегрирующей емкости которого используется чувствительный элемент датчика конденсаторного типа. Для технологических измерений сыпучих сред (влажности почвы в области гидромелиорации и зернобобовых культур в агропромышленности) данное устройство реализовано в виде портативного прибора в кожухе с размерами 120×60×20 мм со шнуром связи с чувствительным элементом длиной до 1,5-2 м. При реализации датчика в форме двухпластинчатой лопатки и питанием от аккумуляторной батареи (типа 7Д-0,125) с напряжением в 9 В потребляемый ток составляет 10 мА. При измерениях влажности сиропов в процессе их варки чувствительные элементы датчика выполнены в форме изолированной конденсаторной пластины с эффективной площадью в 100 см², другой обкладкой которого является металлическая стенка реактора.

Получение высоких значений девиации генерируемых частот (до 300 кГц и выше) достигается с использованием прецизионных ИМС типа К544УД2А. Поэтому выход этого генератора 4 подключен через второй делитель частоты следования импульсов ко второму входу логического элемента И-НЕ 6 и установочному входу формирователя импульсов записи 7, тактовый вход которого совместно с первым входом логического элемента И-НЕ подключен к выходу опорного генератора 1. Первый выход формирователя импульсов записи 7 подключен к тактовому входу формирователя импульсов установки 8.

Второй делитель частоты следования импульсов 5 предназначен для преобразования девиаций измеряемых частот во временной интервал и реализован на ИМС типа К561ИЕ16. В качестве логического элемента И-НЕ 6 используется ИМС типа К561ЛА7.

Формирователи импульсов записи 7 и установки 8 предназначены для выработки коротких единичных серий импульсов в цикле преобразования и реализованы в виде пересчетных схем на одинарных декадах распределителей импульсов (ИМС типа К561ИЕ8 или К561ИЕ9). При этом первый выход первого делителя частоты следования импульсов 2 подключен к установочному входу формирователя импульсов установки 8, выход которого подключен ко входу синхронизации цифрового вольтметра 11, выход элемента И-НЕ 6 подключен к тактовому входу вычитающего устройства 10, вход установки которого подключен ко второму выходу формирователя импульсов записи 7. Разрядные выходы устройства масштабирования 9 через вычитающее устройство 10 подключены к разрядным входам цифрового вольтметра 11.

Устройство масштабирования 9 представляет собой четыре декады наборных полей двоичных единиц. Вычитающее устройство 10 предназначено для преобразования измерительной информации влажности из частотной формы сигнала в цифровую и представляет собой последовательно подключенные декады сотых долей, десятых долей, единиц и десятков процентов цифровой шкалы, реализованных на десятичных счетчиках с предустановкой (ИМС типа К561ИЕ14).

Цифровой вольтметр 11 предназначен для преобразования двоично-десятичного кода информации в семисегментный код для работы с цифровыми (жидкокристаллическими или полупроводниковыми) индикаторами. Поэтому он реализован на входных дешифраторах (ИМС типа К176ИД2) для непосредственного подключения к цифровым индикаторам.

Принцип работы устройства осуществляется следующим образом.

При изменении влажности исследуемой среды в локальном объеме чувствительного элемента датчика осуществляется соответствующее изменение ее диэлектрической проницаемости, а следовательно, и соответствующее изменение частоты автоматического управляемого генератора 4. Измеряемая частота с генератора 4 поступает на второй делитель частоты 5 для преобразования во временной интервал единичным уровнем. При этом длительность импульсов таких интервалов преобразуется затем в соответствующее количество опорных импульсов с генератора 1 посредством логического элемента И-НЕ 6 для записи в счетные декады вычитающего устройства 10.

По истечении каждого значащего информационного импульса формирователь импульсов записи 7 вырабатывает вначале с первого своего выхода импульс для запуска формирователя импульсов установки 8, а с задержкой в один такт опорной частоты он вырабатывает импульс со второго выхода импульс записи для предварительной установки величины кодовой маски с масштабируемого устройства 9. Причем импульс установки позволяет синхронизировать работу цифрового вольтметра для последующих операций дешифрации и цифровой индикации измерительной информации.

Первоначальная настройка (градуировка) диэлькометрического влагомера производится следующим образом. Для настройки влагомера необходимо иметь два образца исследуемой среды с различной влажностью. Например, для диапазона измерений от 0 до 50% используется образец с минимальной влажностью W_min=5% и с максимальной влажностью W_max=45%, определяющие образцовую разность в ΔW_обр=40%. Первоначально все весовые значения устройства масштабирования 9 выбираются нулевыми величинами, а датчик (измерительный автоматический управляемый генератор) 4 погружается в среду с влажностью W_min. После этого фиксируется цифровое значение минимальной влажности с помощью цифрового вольтметра 11. Затем датчик помещается в среду с образцовой влажностью W_max среды для определения его относительной величины в цифровой форме. Если измеренный диапазон влажностей ΔW_изм совпадает с образцовым (ΔW_обр=ΔW_изм) при несовпадении их относительных показаний, необходимо произвести относительное смещение его на величину градуировочного веса ΔW_град, определяемую разностью одной из образцовой и измеренных величин. В этом случае градуировочная маска ΔW_град заносится наборным полем в устройстве масштабирования 9, которая затем высчитывается в параллельной форме с помощью вычитающего устройства 9 для получения истинных значений измеряемых величин.

Несовпадение измеренного диапазона влажности с образцовым (ΔW_обр≠ΔW_изм) означает недостаточную чувствительность измерительного автоматического управляемого генератора 4 (или превышение ее). В этом случае устройство масштабирования 9 необходимо переводить в нулевое значение. При слабой чувствительности влагомера в начале первого цикла градуировки с помощью подстроечного элемента (резистора) измерительного автоматического управляемого генератора 4. Затем датчик погружают в пробу W_min и измеряют это значение (W_min.изм). Датчик погружают в пробу W_max с последующим измерением значения (W_max.изм) и определением измеренной влажности ΔW_изм. Этим оканчивается первый цикл настройки. При недостижении цели вследствие слабой чувствительности влагомера эти циклы повторяются. В случае завышенной чувствительности влагомера с помощью подстроечного элемента измерительного автоматического управляемого генератора 4 осуществляется снижение его частоты автоколебаний и последующим проведением одного или нескольких вышеописанных циклов настройки. Причем процесс настройки считается завершенным при получении равенства ΔW_обр=ΔW_изм. С заданными показателями точности, а также последующим относительным смещением диапазона преобразований посредством весовой маски ΔW_град, как было показано выше.

При измерении влагосодержания сухих продуктов во время варки сиропов погрешность измерений составила 0,01% в диапазоне от 0 до 48% при изменении температур от +20^°С до +150^°С и питающих устройство напряжений в пределах ±20%.

При изменении влагосодержания почвенных сред и зернобобовых культур погрешность измерений составила 0,1% в диапазоне влажностей от 0 до 48%, что обусловлено влиянием изменений плотности исследуемых сред (плотностей почвы и дисперсности частиц зерна для разных агрокультур) в локальной зоне чувствительного элемента датчика (выполненного в форме лопатки). При этом достигнута точность установки нуля в 0,01%.

Технико-экономические преимущества заявляемого объекта по сравнению с известными позволяют повысить точность измерений в 2-3 раза при значительном упрощении схемной реализации. Использование предлагаемого диэлькометрического влагомера позволяет повысить разрешающую способность измерений влагосодержания двухфазных сред и повысить его надежность за счет снижения схемной реализации и уменьшения энергопотребления.

Использование: в измерительной технике, может быть использовано при автоматическом контроле и измерении влагосодержания почвогрунтовых сред в области гидромелиорации, влажности зернобобовых культур агропромышленных производств, а также концентрации примесей двухфазных жидких сред, например концентрации сухих продуктов при варке сиропов в пищевой и нефтяной промышленностях. Технический результат - повышение точности, чувствительности измерений, надежности функционирования устройства. Сущность изобретения: известный диэлькометрический влагомер дополнительно содержит два делителя частоты следования импульсов, формирователи импульсов записи и установки, а также элемент И-НЕ. Выход опорного генератора подключен к первому входу элемента И-НЕ, тактовому входу формирователя импульсов записи и входу первого делителя частоты следования импульсов. Первый выход первого делителя подключен к установочному входу формирователя импульсов установки, а второй выход через блок фазовой автоподстройки частоты, автоматический управляемый генератор и второй делитель частоты следования импульсов - ко второму входу элемента И-НЕ и установочному входу формирователя импульсов записи. Первый выход формирователя импульсов записи через тактовый вход формирователя импульсов установки подключен ко входу цифрового вольтметра, а второй выход - к входу вычитающего устройства. Тактовый вход вычитающего устройства подключен к выходу элемента И-НЕ. Разрядные выходы устройства масштабирования через вычитающее устройство подключены к разрядным входам цифрового вольтметра. 1 ил.

Диэлькометрический влагомер, содержащий автоматический управляемый генератор, блок фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор, устройство масштабирования, вычитающее устройство и цифровой вольтметр, отличающийся тем, что он снабжен двумя делителями частоты следования импульсов, формирователями импульсов записи и установки и элементом И-НЕ, выход опорного генератора подключен к первому входу элемента И-НЕ, тактовому входу формирователя импульсов записи и входу первого делителя частоты следования импульсов, первый выход которого подключен к установочному входу формирователя импульсов установки, а второй выход через блок фазовой автоподстройки частоты, автоматический управляемый генератор и второй делитель частоты следования импульсов - ко второму входу элемента И-НЕ и установочному входу формирователя импульсов записи, первый выход которого через тактовый вход формирователя импульсов установки подключен к входу синхронизации цифрового вольтметра, а второй выход - к входу предустановки вычитающего устройства, тактовый вход которого подключен к выходу элемента И-НЕ, разрядные выходы устройства масштабирования через вычитающее устройство подключены к разрядным входам цифрового вольтметра.