УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N9/36 

Изобретение относится к области сельскохозяйственного производства, строительства, биологии и др. отраслям и может быть использовано для автоматического контроля влажности почвы, семян зерновых культур и других сыпучих материалов, а также в качестве датчиков в системах автоматического регулирования влажности для технологических целей, например в сушильных установках.

Известно устройство для измерения влажности (кн. Кричевский Б.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др.; под редакцией Кричевского Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. - М.: Энергия, 1980, с.84), содержащее первичный преобразователь, подключенный к рабочему генератору посредством соединительного кабеля, выход генератора присоединен к первому входу смесителя, второй вход которого связан с опорным генератором, а выход через фильтр нижних частот - с преобразователем частота - напряжение, к выходу которого подключен вторичный прибор.

Известны также устройства для определения влажности разнообразных сыпучих материалов, например почв (С.М.Чудинова и др. Применение метода рефлектометрии во временной области для определения влажности почв // "Почвоведение", №10, 1996, с.1263-1270), содержащие смеситель, соединенный с выходом генератора зондирующих импульсов, входом осциллографа и через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем. Здесь под смесителем понимается устройство (кн. "Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородности линий Р5-15", 1991 г.), выполняющее фактически функции разветвления электромагнитной энергии и одновременно устройства дискретизации и экстраполяции нулевого порядка или выборки - хранения или стробируемого пикового детектора.

Раскрывая существенные признаки известного устройства по его описанию из указанной книги, представим смеситель соединением высокочастотного тройника, обеспечивающего разветвление сигнала, и отчетного устройства, преобразующего непрерывный сигнал в дискретно-ступенчатый сигнал, а из состава стробоскопического осциллографа выделим синхронизатор, обеспечивающий работу отсчетного устройства в стробоскопическом режиме, необходимом для наблюдения импульсных сигналов наносекундной длительности, и одновременно запускающий генератор зондирующих импульсов.

Таким образом, известное устройство содержит высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, третий отвод высокочастотного тройника связан через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем.

Принцип действия этого устройства заключается в определении влажности сыпучих сред, связанной определенной зависимостью с их диэлектрической проницаемостью, которая определяется путем измерения с помощью импульсных рефлектометров (TDR - Time-Domain Reflectrometry) времени прохождения электромагнитного импульса по длине первичного измерительного преобразователя, помещенного в эту среду сыпучего материала. Время прохождения электромагнитного импульса по длине первичного измерительного преобразователя обычно определяется с помощью измерения задержки отраженного импульса от конца первичного измерительного преобразователя относительно момента отражения импульса от начала первичного измерительного преобразователя, возникающего из-за неравенства его входного сопротивления и волнового сопротивления соединительного кабеля. Это время определяют по так называемой рефлектограмме, наблюдаемой на экране осциллографа рефлектометра.

По измеренной с помощью осциллографа рефлектометра величине задержки, которая прямо пропорционально корню квадратному из диэлектрической проницаемости измеряемой сыпучей среды, находят величину последней, а затем по градуировочному графику зависимости влажности от диэлектрической проницаемости определяют измеряемую влажность сыпучего материала.

Известные устройства имеют существенные недостатки, связанные с низкой оперативностью и наличием субъективной ошибки, возникающей при измерении влажности сыпучих материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является автоматизация измерения и контроля влажности сыпучих материалов.

Такой технический результат достигается тем, что в устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, другой отвод высокочастотного тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, третий отвод высокочастотного тройника связан через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем, вводятся регулируемое пороговое устройство, два блока обнаружения фронтов импульса, таймер, вычислительное устройство с индикатором, программно-временное устройство, пиковый детектор импульсов с памятью и перемножитель, причем выход стробоскопического отсчетного устройства присоединен к регулируемому пороговому устройству, выход которого подключен к входам первого и второго блоков обнаружения фронтов импульса, выход первого блока обнаружения связан с пусковыми входами таймера и программно-временного устройства, а выход второго блока обнаружения - с входом начальной установки программно-временного устройства и останавливающим входом таймера, выход которого подсоединен к вычислительному устройству с индикатором; выход генератора зондирующих импульсов подключен к пиковому детектору импульсов с памятью, присоединенному своим выходом к первому входу переумножителя, выход которого связан с управляющим входом регулируемого порогового устройства, а второй вход подключен к выходу программно-временного устройства. Для увеличения точности время прохождения электромагнитного импульса по первичному измерительному преобразователю при автоматическом измерении определяется не относительно импульса, отраженного от начала преобразователя и зависящего от измеряемой среды, а относительно сформированного временного репера, связанного с временем излучения зондирующего импульса.

При этом с целью увеличения точности относительного определения задержки импульса в первичном измерительном преобразователе реперная метка должна располагаться возможно ближе к положению отраженного импульса от конца первичного преобразователя.

В качестве реперной метки может, например, использоваться спад зондирующего импульса. В этом случае длительность t_i прямоугольного импульса генератора зондирующих импульсов и длина соединительного кабеля по отношению к времени t_d максимальной задержки в первичном измерительном преобразователе определяются из условия:

где k_y - коэффициент укорочения длины волны в соединительном кабеле (ε_k - диэлектрическая проницаемость диэлектрика кабеля),

с - скорость электромагнитной волны в вакууме (скорость света).

Если из конструктивных соображений длительность зондирующего импульса нельзя выбрать удовлетворяющей указанному соотношению, то реперная метка может образовываться с помощью устройства формирования отраженного импульса, подключенного к третьему отводу высокочастотного тройника. Например, устройство формирования реперного импульса может быть выполнено в виде дополнительного радиочастотного кабеля, с длиной меньше или равной длине соединительного кабеля.

Устройство (фиг.1) содержит высокочастотный тройник 1, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства 2, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора 3, другой отвод высокочастотного тройника 1 подсоединен к выходу генератора 4 зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора 3, третий отвод высокочастотного тройника 1 связан через соединительный кабель 5 с первичным измерительным преобразователем 6. Выход стробоскопического отсчетного устройства 2 присоединен к регулируемому пороговому устройству 7, выход которого подключен к входам первого 8 и второго блоков 9 обнаружения фронтов импульса, выход первого блока обнаружения 8 связан с пусковыми входами таймера 10 и программно-временного устройства 11, а выход второго блока обнаружения импульсов 9 - с входом начальной установки программно-временного устройства 11 и останавливающим входом таймера 10, выход которого подсоединен к вычислительному устройству с индикатором 12, выход генератора зондирующих импульсов 4 подключен к пиковому детектору 13 импульсов с памятью, присоединенному своим выходом к первому входу переумножителя 14, выход которого связан с управляющим входом регулируемого порогового устройства 7, а второй вход подключен к выходу программно-временного устройства 11.

Если энергопотребление устройства измерения влажности не играет существенной роли, то длительность t_i прямоугольного импульса генератора 1 зондирующих импульсов и длина соединительного кабеля по отношению к времени t_d максимальной задержки в первичном измерительном преобразователе 6 должны выбираться из условия 1.

Если устройство для измерения влажности сыпучих материалов должно иметь малое энергопотребление, т.е. длительность зондирующего импульса должна быть как можно короче, то нужно применять устройство формирования реперного импульса. Например, к третьему отводу высокочастотного тройника следует подключить устройство формирования реперного импульса в виде дополнительного радиочастотного кабеля 15, с длиной меньше или равной длине соединительного кабеля, соединенного входным концом с входом соединительного кабеля, причем в этом случае длительность прямоугольного импульса генератора зондирующего импульса определяется из условия:

Устройство работает следующим образом. От запускающего импульса синхронизатора генератором зондирующих импульсов формируется импульс наносекундной длительности, через тройник и соединительный кабель возбуждающий первичный измерительный преобразователь, помещенный в измеряемую среду с определенной диэлектрической проницаемостью, зависящей от влажности. Зондирующий импульс через тройник проходит по соединительному кабелю до начала первичного измерительного преобразователя (который выполняется в виде отрезка линии передачи высокочастотного радиосигнала), где частично отражается, вследствие неполного согласования волновых сопротивлений, затем по первичному преобразователю проходит до конца, где практически полностью отражается в сторону его входа (т.к. концы проводников линии передачи разомкнуты). Отраженный импульс, возвращаясь назад, проходит по первичному преобразователю, затем - по соединительному кабелю и через тройник поступает на вход стробоскопического отсчетного устройства. Отраженный импульс оказывается задержанным относительно зондирующего импульса на время, определяемое временами задержки в соединительном кабеле и в первичном измерительном преобразователе. Время задержки отраженного импульса в линии передачи прямо пропорционально корню квадратному от диэлектрической проницаемости измеряемой среды.

При сканировании по фазе (задержке) синхронизирующих импульсов с первого выхода синхронизатора на входе порогового устройства образуется импульсное напряжение (рефлектограмма процесса отражения), как результат взятия отсчетов за период сканирования синхронизирующих импульсов. Параметры сканирования импульсной последовательности на первом выходе синхронизатора относительно импульсной последовательности на его втором выходе (начальная задержка и амплитуда фазовой (временной) модуляции) выбираются таким образом, чтобы за один период сканирования получить отсчет от реперной метки и отраженного импульса от конца первичного измерительного преобразователя.

В случае, например, длинных зондирующих импульсов, удовлетворяющих соотношению 1, спад зондирующего прямоугольного импульса (реперная метка) и фронт отраженного импульса от конца первичного преобразователя образуют временные "ворота". Их длительность, зависящая от диэлектрической проницаемости измеряемой среды, автоматически измеряется с помощью порогового устройства следующим образом (фиг.2).

На фиг.2 показаны эпюры импульсных напряжений (рефлектограммы напряжений) на выходе стробоскопического отсчетного устройства за период сканирования для двух случаев (двух значений влажности среды или диэлектрической проницаемости ε_d1 и ε_d2) W₁>W_d (ε_d1) и W_d(ε_d2)>W₁, где W₁ - волновое сопротивление соединительного кабеля, W_d - волновое сопротивление первичного измерительного преобразователя.

Момент t_i соответствует спаду зондирующего импульса, а момент 2t₁ - отражению импульса от начала первичного преобразователя, t_p1(2) - указанные "временные ворота", ΔU - скачек напряжения из-за отражения импульса от конца первичного преобразователя, U₁ - амплитуда зондирующего импульса. Времена 2t_d1 и 2t_d2 соответствуют задержке импульса в первичном измерительном преобразователе для двух указанных случаев.

Приведенные эпюры построены с помощью формулы, описывающей рефлектограмму и полученной аналитическим путем в идеализированном случае:

где n=0, 1, 2, 3 ...,

коэффициент отражения на входе датчика

U₁ - амплитуда зондирующего импульса.

Полученные формулы показывают, что рефлектограмма в идеальном случае представляет собой ступенчатую линию со значениями напряжения в точках разрыва, определяемыми выражением (2). В интервалах

где (L - длина первичного преобразователя)

функция, описывающая рефлектограмму, постоянна.

Первый скачок напряжения ΔU при n=1, который, собственно, и используется при измерении времени задержки отраженного импульса, равен:

Для простоты дальнейшего рассмотрения принципа действия предложенного устройства положим, что электрические потери в измеряемом сыпучем материале пренебрежимо малы. Тогда программно-временное устройство формирует напряжение, не зависящее от времени, и значит, на регулирующем входе порогового устройства устанавливается напряжение порога, пропорциональное амплитуде зондирующего импульса U₁, которое образуется на выходе пикового детектора.

Величина порогового напряжения показана на фиг.2 штриховой линией с обозначением U_пор.

Анализ показывает, что в большинстве типичных случаях оптимальная величина порога оказывается равной

U_пор=0,48U₁.

Эта величина порога определяется при условии измерения ε, изменяющегося в заданном диапазоне ε=1÷ε_Max с учетом равновеликости запаса превышения напряжения первого скачка напряжения над порогом на границах диапазона измерения влажности.

На выходе порогового устройства за интервал сканирования образуется прямоугольный импульс длиной t_p1(2), передний фронт которого соответствует моменту t_i, а спад - концу интервала t_p1(2).

От переднего фронта на выходе первого блока обнаружения образуется импульс, запускающий таймер и программно-временное устройство. Таймер отсчитывает время интервала t_p1(2), а программно-временное устройство в общем случае программно формирует напряжение, постоянное до момента времени 2t₁ и спадающее по экспоненциальному закону после его наступления. Показатель экспоненты устанавливается в зависимости от потерь электромагнитной излучения по длине первичного измерительного преобразователя.

Второй обнаружитель фронта импульса срабатывает от спада прямоугольного импульса на его входе, в результате останавливается счет в таймере и происходит сброс программно-временного устройства в начальное состояние.

На выходе таймера образуется число, равное временному интервалу длиной t_d1(2). По результату измерения времени задержки t_d1(2) отраженного импульса от конца первичного измерительного преобразователя относительно момента реперного импульса вычислительное устройство с помощью градуировочных графиков автоматически определяет измеряемую влажность, прямой отсчет которой отображается на индикаторе.

Реперный импульс, например, может образовываться отражением от конца дополнительного отрезка радиочастотного кабеля, с длиной, близкой к длине соединительного кабеля, и подключенного к его входному концу. В этом случае функции обнаружителей могут меняться местами (по сравнению с описанным случаем), т.е. первый обнаружитель фронта срабатывает от спада, а второй - от переднего фронта импульса на выходе порогового устройства.

Стробоскопическое отсчетное устройство позволяет наблюдать быстрые периодические импульсные процессы, к которым относятся последовательности зондирующих и отраженных наносекундных импульсов, в замедленном масштабе времени.

Синхронизатор предлагаемого изобретения является известным устройством (см. указанную кн. "Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородности линий Р5-15", 1991 г.). Сканирование времени задержки производится периодически с низкой частотой порядка 20 Гц таким образом, чтобы в течение периода производились отсчеты отраженных импульсов от начала и от конца первичного преобразователя.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность, и оперативность контроля влажности, например, почвы С.К.О. случайной составляющей ошибки измерения влажности может быть уменьшена до 0,5%.

Изобретение может быть использовано для автоматического контроля влажности почвы, семян зерновых культур и других сыпучих материалов. Техническим результатом является автоматизация измерения и контроля влажности сыпучих материалов. Устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, другой отвод высокочастотного тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, третий отвод высокочастотного тройника связан через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем, отличается тем, что выход стробоскопического отсчетного устройства присоединен к регулируемому пороговому устройству, выход которого подключен к входам первого и второго блоков обнаружения фронтов импульсов, выход первого блока обнаружения связан с пусковыми входами таймера и программно-временного устройства, а выход второго блока обнаружения - с входом начальной установки программно-временного устройства и останавливающим входом таймера, выход которого подсоединен к вычислительному устройству с индикатором, выход генератора зондирующих импульсов подключен к пиковому детектору импульсов с памятью, присоединенному своим выходом к первому входу переумножителя, выход которого связан с управляющим входом регулируемого порогового устройства, а второй вход подключен к выходу программно-временного устройства. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, другой отвод высокочастотного тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, третий отвод высокочастотного тройника связан через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем, отличающееся тем, что выход стробоскопического отсчетного устройства присоединен к регулируемому пороговому устройству, выход которого подключен к входам первого и второго блоков обнаружения фронтов импульсов, выход первого блока обнаружения связан с пусковыми входами таймера и программно-временного устройства, а выход второго блока обнаружения - с входом начальной установки программно-временного устройства и останавливающим входом таймера, выход которого подсоединен к вычислительному устройству с индикатором, выход генератора зондирующих импульсов подключен к пиковому детектору импульсов с памятью, присоединенному своим выходом к первому входу переумножителя, выход которого связан с управляющим входом регулируемого порогового устройства, а второй вход подключен к выходу программно-временного устройства.2. Устройство для измерения влажности сыпучих материалов по п.1, отличающееся тем, что длительность t_i прямоугольного импульса генератора зондирующих импульсов и длина l соединительного кабеля по отношению к времени t_d максимальной задержки в первичном измерительном преобразователе определяются из условия

где k_y - коэффициент укорочения длины волны в соединительном кабеле (ε_k - диэлектрическая проницаемость диэлектрика кабеля);

с - скорость электромагнитной волны в вакууме (скорость света).