УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 2006 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике. Конкретно - к устройствам для измерения влажности сыпучих материалов, в частности, почвогрунтов.

Известно устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее высокочастотный генератор, симметрирующий трансформатор, несимметричный вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а средняя точка выходной обмотки - с общим для устройства проводником, измерительный мост, в первое плечо которого включен емкостной датчик влажности, а второе плечо соединено с первой половиной выходной обмотки симметрирующего трансформатора, два амплитудных детектора, вход первого из которых подключен к третьему (выходному) плечу измерительного моста, а вход второго - ко второй половине выходной обмотки симметрирующего трансформатора, стрелочное индикаторное устройство, подключенное к выходам обоих амплитудных детекторов, и источник питания [1]. Недостатком такого устройства является невысокая точность измерения влажности, к тому же зависящая от вида измеряемого материала, его температуры и плотности.

Наиболее близким к заявляемому устройству по числу общих существенных признаков является устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее высокочастотный генератор, измерительный резонансный контур (резонатор), состоящий из индуктивной катушки и параллельно подключенных к ней емкостного датчика, переменного конденсатора, импульсного емкостного модулятора и двух емкостных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных варикапа и разделительного конденсатора, при этом варикапы в параллельно соединенных цепочках включены встречно, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом резонансного контура, усилитель низкой частоты, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, нуль-орган, вход которого соединен с выходом низкочастотного усилителя, индикаторное устройство, подключенное к первому выходу нуль-органа, электрический двигатель, цепь питания которого подключена ко второму выходу нуль-органа, линейный потенциометр, один конец которого соединен с общим для устройства проводником, конденсатор фильтра нижних частот, включенный между движком линейного потенциометра и общим проводником, первый и второй резисторы фильтра нижних частот, соединенных одними концами с названным движком, а другими концами - с точками соединения варикапов и разделительных конденсаторов, стабилизированный источник питания, истоковый повторитель, выполненный на базе полевого транзистора, в составе которого имеются основной терморезистор, включенный между затвором полевого транзистора и общим проводником, и подстроечный терморезистор, включенный между затвором и стоком полевого транзистора, при этом сток и конец подстроечного терморезистора, соединенного с ним, подключены к стабилизированному источнику питания, а исток полевого транзистора соединен с другим концом линейного потенциометра, узел цифропечати, который также, как и переменный конденсатор и движок линейного потенциометра имеют общую механическую связь с электрическим двигателем (управляемым нуль-органом), и узел ручного управления [2]. Истоковый повторитель с двумя терморезисторами вместе со стабилизированным источником питания выполняют роль датчика температуры. Недостатками устройства-прототипа являются наличие в нем сложной, громоздкой и инерционной электромеханической системы и невысокая точность измерения при определении влажности различных сыпучих веществ, имеющих различную плотность (устройство не содержит датчик плотности исследуемого вещества).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - повышение точности и оперативности измерения влажности материалов (веществ).

Это достигается тем, что в устройство, содержащее каскадно соединенные высокочастотный генератор, датчик влажности, выполненный на основе высокочастотного резонатора, часть емкости которого используется в качестве измерительной, амплитудный детектор и усилитель низкой частоты, а также содержащее индикаторное устройство, датчик температуры, узел ручного управления и источник питания, дополнительно введены генератор пилообразного напряжения, микроконтроллер, оперативное запоминающее устройство, датчик плотности исследуемого объекта, два масштабирующих усилителя постоянного тока и три аналого-цифровых преобразователя, высокочастотный генератор выполнен перестраиваемым по частоте, а усилитель низкой частоты - масштабирующим, при этом выход генератора пилообразного напряжения соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, выход усилителя низкой частоты - с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выходы датчика температуры и датчика плотности - с входами соответственно первого и второго масштабирующих усилителей постоянного тока, выходы которых соединены с входами соответственно второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, выходы первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с первым, вторым и третьим входами микроконтроллера, четвертый вход микроконтроллера соединен с выходом узла ручного управления, а первый, второй, третий и четвертый выходы микроконтроллера соединены соответственно с управляющим входом генератора пилообразного напряжения, параллельно соединенными управляющими входами первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, входом оперативного запоминающего устройства и входом индикаторного устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для измерения влажности. На чертеже обозначены: 1 - датчик влажности; 2 - амплитудный детектор; 3 - усилитель низкой частоты масштабирующий (УНЧМ); 4 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 5 - свип-генератор; 6 - генератор пилообразного напряжения (ГПН); 7 - датчик температуры; 8 - первый усилитель постоянного тока масштабирующий (УПТМ); 9 - второй АЦП; 10 - датчик плотности; 11 - второй УПТМ; 12 - третий АЦП; 13 - микроконтроллер; 14 - индикаторное устройство; 15 - узел ручного управления; 16 - оперативное запоминающее устройство; 17 - источник питания.

На фиг.2 приведены эпюры напряжений в основных точках структурной схемы устройства для измерения влажности.

Обоснование метода измерения влажности.

Резонансная круговая частота ω_о, емкость С и индуктивность L резонатора связаны соотношением [3]:

Зная ω_o и L, находится С. Емкость резонатора, в свою очередь, определяется следующим выражением.

С=ε'С₀,

где ε' - действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости среды резонатора, С₀ - емкость резонатора, нагруженного на воздух.

Если резонатор не полностью заполняется исследуемым материалом, то вводится коэффициент заполнения (связи) резонатора к.

В этом случае:

По измеренной резонансной частоте и известным параметрам резонатора определяется действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости среды.

Относительное напряжение на резонаторе равно U*=U/U₀, где U - амплитуда напряжения на резонаторе при расстройке по частоте относительно ω_o, a U₀=I_вн /g_к амплитуда напряжения на резонаторе при нулевой расстройке, I_вн - ток внешнего источника, g_к - активная проводимость резонатора. Значение U* определяется следующим выражением [3]:

где Δω - величина расстройки резонатора по частоте, τ=2С₀/g_к - постоянная времени резонатора, g_к=ωε″ε₀, ε″ - мнимая составляющая комплексной диэлектрической постоянной, ε₀ - абсолютная диэлектрическая постоянная.

Измеряя резонансную частоту резонатора, амплитуду сигнала на резонансной частоте и величину сигнала при расстройке резонатора можно определить комплексную диэлектрическую проницаемость среды, являющейся в свою очередь функцией влажности материала. Величину Δω удобнее определять при значении U*=0.5.

Точность настройки резонатора в резонанс в контурных методах измерения [3] из-за малой кривизны резонансной кривой в области резонанса значительно ниже, чем точность определения резонансной частоты в генераторных методах со сканированием частоты (точность определения резонансной частоты зависит от добротности резонатора). Чем меньше добротность резонатора, тем больше погрешность измерения. Поэтому методы измерения, резонансной частоты резонатора путем сканирования частоты генератора точнее, чем контурные методы, основанные на настройке измерительного резонатора в резонанс на частоту генератора, питающего измерительный резонатор.

Устройство для измерения влажности работает следующим образом.

С первого выхода микроконтроллера 13 импульсы запуска (фиг.2, а) поступают на вход генератора ГПН 6, с выхода которого пилообразное напряжение (фиг.2, б) с периодом цикла T_ц поступает на управляющий вход свип-генератора 5. Со свип-генератора 5 частотно-модулируемое по пилообразному закону высокочастотное (ВЧ) колебание (фиг.2, в) поступает через зонд на вход емкостного датчика влажности 1, который представляет собой ВЧ резонатор, имеющий диэлектрические окна для связи с исследуемым объектом (материалом). Нагруженная добротность такого резонатора зависит от комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого материала. Сигнал с выхода емкостного датчика влажности 1 поступает на амплитудный детектор 2. С выхода амплитудного детектора 2 сигнал, имеющий двухлепестковую форму за счет прямого и обратного изменения частоты свип-генератором, где форма каждого лепестка отображает резонансную кривую резонатора (фиг.2, г), поступает на вход усилителя УНЧМ 3 и с выхода последнего - на сигнальный вход первого АЦП 4. Преобразованный в цифровой код сигнал с выхода первого АЦП 4 поступает на первый вход микроконтроллера 13. Со второго выхода микроконтроллера импульсы запуска поступают на управляющие входы первого 4, второго 9 и третьего 12 АЦП с тактовой частотой f_такт=N/Т_ц, где N - число выборок сигнала за один цикл сканирования по частоте. Величина N определяется требуемой точностью измерения резонансной частоты ВЧ резонатора и зависит от ширины резонансной кривой.

Резонансная частота резонатора определяется выражением:

где f_в - верхняя рабочая частота свип-генератора 5 (фиг.2, в); Δt_p1,2=n_1,2/f_такт - время между максимумами резонансных кривых и серединой цикла T_ц/2, соответствующей верхней частоте сканирования (фиг.2, в), n_1,2 - число выборок сигнала на временных интервалах Δt_p1,2.

С датчика температуры 7 сигнал поступает на первый УПТМ 8. Усиленный сигнал с УПТМ 8 поступает на сигнальный вход второго АЦП 9, с выхода которого преобразованный в цифровой код сигнал поступает на второй вход микроконтроллера 13.

С датчика плотности 10 сигнал поступает на второй УПТМ 11. Усиленный сигнал поступает на сигнальный вход третьего АЦП 12, с выхода которого преобразованный в код сигнал поступает на третий вход микроконтроллера 13. УНЧМ 3, УПТМ 8 и УПТМ 11 обеспечивают согласование выходных уровней сигналов, поступающих с детектора 2, датчика температуры 7 и датчика плотности 10 с диапазонами допустимых входных сигналов АЦП 4, 9 и 12.

Результаты измерения с третьего выхода микроконтроллера 13 выводятся на индикаторное устройство 14 (жидкокристаллический дисплей), а с четвертого выхода микроконтроллера подаются на вход оперативного запоминающего устройства 16 и записываются в его память. С оперативного запоминающего устройства они могут быть перезаписаны в персональный компьютер. Управление измерителем влажности производится с узла ручного управления 15. Питается устройство от источника 17.

В качестве датчиков температуры и плотности в предлагаемом устройстве могут быть использованы известные датчики, позволяющие получать на их выходах аналоговые электрические сигналы, пропорциональные изменениям температуры и плотности контролируемых веществ.

В микроконтроллере 13 сигнал подвергается обработке, исходя из выбранной структурной схемы устройства. Смещение максимумов лепестков сигнала U_Л по частоте Δf_p1,2 (фиг.2, г) относительно верхней частоты f_в ВЧ сигнала пропорционально величине , где к - вышеприведенный коэффициент, учитывающий связь резонатора с исследуемым веществом. В исходном состоянии резонатор нагружен на воздух (ε'=1), и его резонансная частота равна верхней частоте f_в ВЧ генератора. При введении резонатора в исследуемое вещество его резонансная частота смещается в область более низких частот. Максимальной измеряемой влажности вещества соответствует нижняя частота генератора f_н. Поскольку амплитуда и ширина лепестков сигнала зависят от мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого материала, то для определения последней производится измерение амплитуды и ширины лепестков сигнала (на уровне половины их амплитуды). Поиск положения максимумов лепестков сигнала (максимумов резонансных кривых) производится путем дифференцирования сигнала (фиг.2, д) и определения моментов t_p1,2 изменения полярности продифференцированного сигнала. В моменты изменения полярности продифференцированного сигнала в микроконтроллере 13 вырабатываются прямоугольные импульсы (фиг.2, е), длительность которых t_ком=Δt_p1+Δft_p2. Передние и задние фронты этих импульсов используются в качестве временных меток, соответствующих положениям максимумов резонансных кривых (лепестков). Микроконтроллер также вырабатывает прямоугольные импульсы шириной Δt₁ и Δt₂ (Δt₁≈Δt₂), равные ширине резонансных кривых на уровне 0.5 от их максимальных значений (фиг.2, ж), которые используются при определении мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого вещества. Затем в моменты времени t_p1,2 производятся выборки максимальных значений сигнала при помощи узких строб-импульсов (фиг.2, з), преобразования выборочных значений резонансных кривых в ступенчатые напряжения U_выб1 и U_выб2 (фиг.2, и) и запоминания их значений (в цифровом виде) в памяти микроконтроллера. Для уменьшения погрешности измерений амплитуды резонансных лепестков (исключения аппаратурной и алгоритмической нестабильности) производится усреднение нескольких значений U_выб1 и U_выб2, полученных во время прямого и обратного хода модулирующего сигнала. Частотный сдвиг лепестков сигнала относительно максимального значения частоты f_в свип-генератора определяется с учетом скорости изменения частоты df/dt и измеренных временных разносов Δt_p1,2 (фиг.2, в, г) максимумов лепестков сигнала:

где n - число выборок сигнала на временном интервале t_ком.

При определении влажности материала по измеренной комплексной диэлектрической проницаемости, учитываются температура и плотность исследуемого материала. Поправки вводятся программно с учетом тарированных кривых, полученных экспериментальным путем.

В устройстве для измерения влажности могут использоваться как датчики влажности штыревого типа, так и датчики влажности накладного типа. Датчик влажности штыревого типа выполняется в виде закрепленного на штанге зонда, который вводится в сыпучие материалы либо в рыхлые почвогрунты. Для измерения влажности плотных почвогрунтов делается скважина ручным буром, в которую вводится зонд. Датчик влажности накладного типа прикладывается к ровным поверхностям материалов.

Повышение точности и оперативности измерения влажности сыпучих материалов в предлагаемом устройстве по отношению к прибору-прототипу достигается дополнительным введением в устройство датчика плотности сыпучих материалов, отсутствием в нем инерционных электромеханических узлов и введением в него быстродействующих электронных узлов обработки информации, узлов ее отображения и записи.

Источники информации

1. А.с. СССР №669279, кл. G 01 N 27/22. Измеритель влажности / В.В.Масловский, Е.Н.Тихомиров, В.И.Жерновой. Заявл 01.06.1974. Опубл. 25.06.1979. Бюл. №23.

2. А.с. СССР №1038864, кл. G 01 N 27/22. Электронный влагомер / В.Ф.Микитченко, В.М.Венедиктов, Е.Н.Тихомиров, Н.Л.Позен. Заявл. 30.03.1981. Опубл. 30.08.1983. - прототип.

3. Популях К.С. Резонансные методы. - М.: Энергия, 1980. - 119 с.

Изобретение относится к измерительной технике. Конкретно - к устройствам для измерения влажности сыпучих материалов, в частности, почвогрунтов. Сущность: устройство для измерения влажности содержит канал измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, в состав которого входят каскадно соединенные генератор пилообразного напряжения, высокочастотный генератор, датчик влажности, выполненный на основе высокочастотного резонатора, часть емкости которого используется в качестве измерительной, амплитудный детектор, масштабирующий усилитель низкой частоты и первый аналого-цифровой преобразователь; канал измерения температуры материала, включающий каскадно соединенные датчик температуры, первый масштабирующий усилитель постоянного тока и второй аналого-цифровой преобразователь; канал измерения плотности материала, включающий каскадно соединенные датчик плотности исследуемого материала, второй масштабирующий усилитель постоянного тока и третий аналого-цифровой преобразователь; микроконтроллер, обеспечивающий формирование сигналов управления режимами работы устройства, сбор и обработку полученных данных, узел управления, формирующий команды запуска устройства, оперативное запоминающее устройство, осуществляющее сбор полученных данных, и источник питания. Технический результат изобретения: повышение точности и оперативности измерения влажности сыпучих материалов. 2 ил.

Устройство для измерения влажности, содержащее каскадно соединенные высокочастотный генератор, датчик влажности, выполненный на основе высокочастотного резонатора, часть емкости которого используется в качестве измерительной, амплитудный детектор и усилитель низкой частоты, а также содержащее индикаторное устройство, датчик температуры, узел ручного управления и источник питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены генератор пилообразного напряжения, микроконтроллер, оперативное запоминающее устройство, датчик плотности исследуемого объекта, два масштабирующих усилителя постоянного тока и три аналого-цифровых преобразователя, высокочастотный генератор выполнен перестраиваемым по частоте, а усилитель низкой частоты - масштабирующим, при этом выход генератора пилообразного напряжения соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, выход усилителя низкой частоты - с входом первого аналого-цифрового преобразователя, выходы датчика температуры и датчика плотности - с входами соответственно первого и второго масштабирующих усилителей постоянного тока, выходы которых соединены с входами соответственно второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, выходы первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с первым, вторым и третьим входами микроконтроллера, четвертый вход микроконтроллера соединен с выходом узла ручного управления, а первый, второй, третий и четвертый выходы микроконтроллера соединены соответственно с управляемым входом генератора пилообразного напряжения, параллельно соединенными управляющими входами первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей, входом оперативного запоминающего устройства и входом индикаторного устройства.