ДЕТЕКТОР ВЛАЖНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01N1/00 

Область техники

Изобретение относится к детектору влажности для определения процента влажности в целевом объекте, который может содержать влагу, например, бытовые отходы или почва, а также к детектору влажности, который предназначен для определения начала дождя для того, чтобы исключить нежелательное увлажнение от дождя или предохранить постиранное белье, урожай сельскохозяйственной продукции и т.д. от дождя для поддержания их в сухом состоянии.

Предшествующий уровень техники

Одним из способов утилизации бытовых отходов является способ разложения отходов с использованием аэробных бактерий для ферментации бытовых отходов. В этом способе утилизации для облегчения активизации аэробных бактерий требуются решения, касающиеся регулирования температуры, количества кислорода, влажности бытовых отходов в соответствии со свойствами аэробных бактерий.

В японской заявке на патент JP-A-2000-288514 описан аппарат для утилизации бытовых отходов путем использования бактерий. В этот аппарат для утилизации бытовые отходы загружаются из загрузочного отверстия для подачи отходов, лопасти вращаются посредством электропривода, бытовые отходы перемешиваются перемешивающими лопастями. Для облегчения активации аэробных бактерий бытовые отходы нагреваются в нагревателе. Температуру при нагреве определяют датчиком температуры, чтобы поддерживать правильную температуру. Однако аппарат для утилизации бытовых отходов не содержит детектора влажности, поэтому разложение бытовых отходов в условиях окружающей среды, при которых в некоторой степени присутствует влага для активизации бактерий, не рассматривалось.

Условия окружающей среды, при которых аэробные бактерии активизируются и размножаются наилучшим образом, - это условия, при которых процент влажности составляет, например, 60%. Если процент влажности меньше или больше этой величины, то возникает не только проблема увеличения продолжительности процесса утилизации бытовых отходов, но также проблема распространения дурного запаха и т.п. Кроме того, если бытовые отходы слишком пересушены, возникает проблема, заключающаяся в том, что тонкий порошок из бактерий летает в воздухе, и в результате возникают закупорки в трубопроводе или в системе дезодорации.

Так как пищевые отходы, поступающие из пунктов приготовления пищи, содержат значительное количество влаги, то при загрузке в аппарат для утилизации новой порции бытовых отходов процент влажности в аппарате для утилизации бытовых отходов повышается почти до 100%. Затем процент влажности в аппарате для утилизации бытовых отходов постепенно уменьшается, затем процент влажности становится оптимальным, но достаточно небольшой период времени, после чего возникают условия пересушивания. Поскольку в обычном аппарате для утилизации бытовых отходов такой цикл постоянно повторяется, то сложно утверждать, что условия, при которых аэробные бактерии легко активизируются, поддерживаются стабильно.

Обычно для определения процента влажности или влажности используется способ определения электрического сопротивления, теплоемкости, электрической емкости, оптических параметров и т.д., каждый из которых имеет достоинства и недостатки. В качестве примера можно привести способ определения влажности воздуха, основанный на определении электрического сопротивления. Если детектор используют в относительно чистой атмосфере, как это имеет место при наблюдении за погодой, то достаточным является детектор открытого типа, основанный на определении электрического сопротивления.

Однако для определения процента влажности в загрязненной обстановке, например, влажности бытовых отходов, детектор открытого типа неприемлем, а приемлем детектор закрытого типа, заключенный в закрытую оболочку.

Кроме того, при попытке определения ударов капель дождя при использовании детектора дождя детектор открытого типа также неприемлем по следующим причинам. Когда капли дождя попадают на грязь и пыль, скопившуюся на детекторе при хорошей погоде, правильное функционирование в качестве датчика для определения требуемых параметров на основании изменения величины сопротивления от момента к моменту нарушается, так как грязь и пыль прилипают к датчику, и требуется его чистка. Следовательно, детектор закрытого типа приемлем для использования в качестве детектора дождя.

Обычно, если процент влажности объекта наблюдения низок, как в случае определения относительной влажности воздуха, то может быть использован детектор открытого типа, однако, если относительная влажность объекта наблюдения высокая, то приемлем детектор закрытого типа. Поэтому проблемой становится создание детектора закрытого типа, работающего на принципе определения теплоемкости и имеющего относительно простую конструкцию.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание детектора влажности закрытого типа, работающего на принципе определения теплоемкости и имеющего относительно простую конструкцию для поддержания стабильных условий, при которых аэробные бактерии легко активизируются в аппарате для утилизации бытовых отходов.

Для решения поставленной задачи предложен детектор влажности, содержащий первый датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, второй датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, средство для нагрева второго датчика температуры, вычислительное средство для получения информации, касающейся процента влажности объекта наблюдения, на основании сигнала, поступающего от первого датчика температуры, и сигнала, поступающего от второго датчика температуры, нагреваемого нагревательным средством.

Согласно второму аспекту изобретения детектор влажности содержит датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, средство нагрева для нагрева датчика температуры, вычислительное средство для определения, начался ли дождь или нет, на основании сигнала, поступающего от датчика температуры, не нагреваемого нагревательным средством, и сигнала, поступающего от датчика температуры, нагреваемого нагревательным средством.

Согласно первому аспекту изобретения создан детектор влажности закрытого типа, работающий на принципе определения теплоемкости, относительно простой конструкции, путем определения процента влажности на основании информации о температуре, определяемой двумя типами датчиков температуры при двух типах условий нагрева.

Кроме того, согласно второму аспекту изобретения создан детектор влажности закрытого типа, работающий на принципе определения теплоемкости, относительно простой конструкции для определения того, начался ли дождь или нет, на основании информации о температуре, определяемой с помощью одного датчика температуры при двух типах условий нагрева.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает блок-схему детектора влажности согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.

Фиг.2 - общий вид датчика 11 температуры, согласно изобретению.

Фиг.3 - общий вид датчика 12 температуры, согласно изобретению.

Фиг.4 - общий вид датчика 10 влажности, согласно изобретению.

Фиг.5 - диаграммы повышения температуры в течение времени в детекторе влажности, согласно первому варианту выполнения изобретения.

Фиг.6 - блок-схему детектора влажности, согласно второму варианту выполнения изобретения.

Фиг.7 - детектор влажности, согласно второму варианту выполнения изобретения (поперечный разрез), согласно изобретению.

Фиг.8 - диаграмму изменения температуры, измеренной детектором влажности, согласно второму варианту выполнения изобретения.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На Фиг.1 представлена блок-схема детектора влажности согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. Детектор влажности согласно этому варианту предназначен для использования в устройстве для утилизации бытовых отходов.

Детектор влажности содержит датчик 10 влажности (Фиг.1) для формирования двух типов детектируемых сигналов, блок 20 для обработки сигналов, предназначенный для преобразования сигналов, например, усиления и аналого-цифрового преобразования двух типов детектируемых сигналов, поступающих от датчика 10 влажности, вычислительный блок 30 для получения информации, касающейся процента влажности объекта наблюдения на основании цифровых сигналов, поступающих от блока 20 для обработки сигналов, блок 40 памяти для хранения информации, требуемой для получения процента влажности, дисплей 50 для отражения различных видов данных в соответствии с сигналом, поступающим из вычислительного блока 30, два реле 61 и 62 для замыкания и размыкания соответствующих цепей на основании управляющих сигналов, поступающих из вычислительного блока 30, и блок 70 питания для подачи питающего напряжения к соответствующим блокам. Блок 20 для обработки сигналов, вычислительный блок 30 и блок памяти 40 могут быть выполнены в виде одного малого модуля.

Датчик 10 влажности является датчиком, работающим на принципе определения теплоемкости, и содержит первый датчик 11 температуры и второй датчик 12 температуры для определения температуры объекта наблюдения и формирования сигналов, соответствующих определяемому нагреву, и малый нагреватель 13, используемый в качестве нагревательного средства для нагрева датчика 12 температуры. Как показано на Фиг.2, первый датчик 11 температуры выполнен в виде закрытого полупроводникового датчика, например, диода или термистора, в закрытой оболочке 11а, изготовленной из материала с высокой коррозионной стойкостью, устойчивостью к отклонениям и стойкостью к ударным воздействиям, например, из алюминия или нержавеющей стали. К «горячему» выводу (Н) и заземлению (G) полупроводникового датчика подключены два проволочных проводника. Кроме того, второй датчик 12 (Фиг.3) температуры выполнен в виде закрытого полупроводникового датчика, например, диода или термистора, размещенного в закрытой оболочке 12а, аналогичной закрытой оболочке 11а, а в закрытой оболочке 12а размещен малый нагреватель 13. К «горячему» выводу (Н) и заземлению (G) полупроводникового датчика подключены два проволочных проводника, причем к «горячему» выводу (Н) и заземлению (G) малого нагревателя 13 также подключены два проволочных проводника.

При определении процента влажности первый и второй датчики 11 и 12 температуры расположены так, чтобы они находились в прямом контакте с объектом наблюдения. Подают ток к малому нагревателю 13, чтобы нагреть до предварительно заданной температуры. В состоянии, при котором малый нагреватель 13 генерирует тепло, первым датчиком 11 температуры определяют температуру объекта наблюдения и вторым датчиком 12 температуры, нагреваемым с помощью малого нагревателя 13, определяют температуру объекта наблюдения. Таким образом, первый и второй датчики 11 и 12 температуры формируют два сигнала, определяющих температуру.

Если детектор влажности используют для определения относительной влажности почвы в садовом устройстве, например, в теплице, то желательно использовать датчик 10 влажности, выполненный за одно целое с датчиком 11 температуры и датчиком 12 температуры с встроенным малым нагревателем (Фиг.4), который закапывают в почву на глубину 5-10 см чувствительной поверхностью вверх.

Два сигнала, определяющих температуру от первого и второго датчиков 11 и 12 температуры (Фиг.1), подают в блок 20 для обработки сигналов. В блоке 20 обработки сигналы усиливают, производят аналого-цифровое преобразование усиленных сигналов и затем выполняют обработку сигналов, например, нелинейную коррекцию, чтобы генерировать первый цифровой сигнал, представляющий первую температуру, определенную с помощью первого датчика 11 температуры, и второй цифровой сигнал, представляющий вторую температуру, определенную с помощью второго датчика 12 температуры. Первый и второй цифровые сигналы подают в вычислительный блок 30.

Вычислительный блок 30 может быть выполнен в виде центрального процессора. К вычислительному боку 30 подключен блок 40 памяти для хранения программного обеспечения (управляющей программы) для выполнения операций центральным процессором. В качестве блока 40 памяти можно использовать, например, полупроводниковое запоминающее устройство, например, EEOROM (электронно-перепрограммируемую память). Кроме того, в блоке 40 памяти в соответствии с видом объекта наблюдения хранят информацию, касающуюся процента влажности объекта наблюдения в соответствии с соотношением между первой температурой, определяемой с помощью первого датчика 11 температуры, и второй температурой, определяемой с помощью второго датчика 12 температуры, нагреваемого малым нагревателем 13.

С помощью вычислительного блока 30 выполняют вычисления на основании первого цифрового сигнала, представляющего первую температуру, определяемую с помощью первого датчика 11 температуры, и второго цифрового сигнала, представляющего вторую температуру, определяемую с помощью второго датчика 12 температуры, нагреваемого малым нагревателем 13. Затем осуществляют сравнение с величиной, хранящейся в блоке 40 памяти, на основании величины, полученной путем вычисления, чтобы получить информацию, касающуюся процента влажности объекта наблюдения.

В блоке 40 памяти в соответствии с типом бытовых отходов хранят таблицу процента влажности, представляющую собой соотношение между (i) значением разности между первой температурой, определенной с помощью первого датчика 11 температуры, и второй температурой, определенной с помощью второго датчика 12 температуры, и (ii) значением влажности бытовых отходов. Величина процента влажности получена заранее на основании экспериментов и т.п. С помощью вычислительного блока 30 определяют разность между значением первой температуры, представляемой первым цифровым сигналом, и второй температурой, представляемой вторым цифровым сигналом, и определяют процент влажности бытовых отходов путем сравнения со значением, хранящимся в блоке 40 памяти, на основании значения разности.

Благодаря теплу, генерируемому с помощью малого нагревателя 13, вторая температура, определяемая с помощью второго датчика 12 температуры, становится выше первой температуры, определяемой с помощью первого датчика 11 температуры. Кроме того, так как генерирование тепла малым нагревателем 13 происходит постоянно, кривые повышения температуры различны для материалов объектов наблюдения с различной относительной влажностью. Это означает, что чем выше относительная влажность бытовых отходов, тем больше теплоемкость бытовых отходов, и даже когда второй датчик 12 температуры нагревают малым нагревателем 13, большое количество тепла отбирается бытовыми отходами, и разность между температурами, определяемыми с помощью датчиков 11 и 12 температуры, уменьшается. С другой стороны, чем меньше относительная влажность бытовых отходов, тем меньше теплоемкость бытовых отходов, и когда второй датчик 12 температуры нагревают малым нагревателем 13, количество тепла, отобранного бытовыми отходами, уменьшается, и разность между температурами, определяемыми с помощью датчиков 11 и 12 температуры, увеличивается.

На Фиг.5 показаны диаграммы повышения температуры во времени в детекторе влажности. Показаны случаи, когда исходные значения температуры базового материала, измеряемые первым датчиком 11 температуры, составлявшие 40°С и 60°С, изменяются до температуры, измеряемой вторым датчиком 12 температуры, в окружающих условиях процента влажности 40%, 60% и 80%. Используя такие соотношения, можно определять процент влажности объекта наблюдения на основании температур, измеренных с помощью датчиков 11 и 12 температуры. Поддерживая относительную влажность бытовых отходов на уровне 50-60% и используя показания относительной влажности, определенные с помощью детектора влажности, можно создавать стабильные условия, при которых аэробные бактерии легко активизируются. Кроме того, датчики 11 и 12 температуры могут действовать удовлетворительно даже при использовании для бытовых отходов благодаря тому, что полупроводниковые датчики заключены в закрытые оболочки, в отличие от датчика влажности, действующего на принципе, основанном на определении электрического сопротивления.

На дисплее 50 (Фиг.1) представляют первую температуру, вторую температуру, их разность или определенные значения процента влажности в соответствии с сигналом, поступающим из вычислительного блока 30 на дисплей. Кроме того, нижнее предельное значение и верхнее предельное значение процента влажности были введены заранее в блок 40 памяти, и с помощью вычислительного блока 30 активизируют первый управляющий сигнал, когда определенный датчиком процент влажности ниже нижнего предельного значения, и активизируют второй управляющий сигнал, когда определенный датчиком процент влажности выше верхнего предельного значения. С помощью реле 61 замыкают цепь в соответствии с первым управляющим сигналом, когда процент влажности ниже нижнего предельного значения, и с помощью реле 62 замыкают цепь в соответствии со вторым управляющим сигналом, когда процент влажности выше верхнего предельного значения. Таким образом может быть сконструирован контроллер влажности, с помощью которого можно подключать увлажняющее устройство, соединенное с реле 61, когда процент влажности ниже, и/или подключать сушильное устройство, соединенное с реле 62, когда процент влажности становится выше, чтобы поддерживать относительную влажность объекта наблюдения по существу на постоянном уровне.

Далее описан второй вариант выполнения изобретения. Детектор влажности согласно этому варианту пригоден для использования в качестве детектора дождевых осадков.

Когда во время широкомасштабного полива на большой ферме начинается дождь, полив продолжается даже во время дождя, что ухудшает ситуацию. Кроме того, если во время полива газонов или полей с использованием дождевальных или подобных установок в жилом районе или на городской территории начинается дождь, полив также ухудшает ситуацию. Когда в общем домовладении сушат белье на солнце или продукцию сельского хозяйства в рабочем помещении для сушки, или сушат пойманную рыбу, бывает более удобным использование индикатора дождя закрытого типа.

На Фиг.6 изображена блок-схема детектора влажности, выполненного согласно второму варианту выполнения изобретения. В этом детекторе влажности первый датчик 11 температуры исключен из схемы детектора влажности, поэтому действия вычислительного блока 30 отличаются от первого варианта выполнения. В первом варианте выполнения с помощью первого датчика 11 температуры определяют эталонную температуру и благодаря этому повышают точность измерения. Однако в случае использования детектора влажности в качестве индикатора дождя, нет необходимости определять температуру все время, так как необходимо измерить только изменение температуры от состояния сухой хорошей погоды до условий, когда одна или несколько капель дождя попадают на датчик температуры.

На Фиг.7 представлена конструкция детектора влажности в разрезе согласно второму варианту выполнения изобретения. В корпусе 100 установлен наклонно столик 101, на котором закреплен датчик 12 температуры с встроенным малым нагревателем. Эта часть корпуса 100 выполнена в форме трубы, и датчик 12 температуры открыт сверху и снизу. С помощью стенки, окружающей датчик 12 температуры, предотвращают влияние температуры ветра на измерения. Благодаря наклонному расположению столика 101 грязь и пыль, скапливающиеся на столике 101, смываются дождем или водяными струями.

Проволочный проводник от датчика 12 температуры присоединен к печатной схеме 102, расположенной в следующей камере. Для предотвращения намокания печатной схемы 102 в верхней части камеры, где размещена печатная схема 102, предусмотрена крыша 103. На печатной схеме 102 расположены блок 20 для обработки сигналов; вычислительный блок 30, блок 40 памяти, дисплей 50, два реле 61 и 62 и источник 70 питания и другие цепи (Фиг.6).

Ниже описана работа детектора влажности согласно этому варианту выполнения. Когда ток не подают к малому нагревателю 13, сигнал определения нагрева, поступающий от датчика 12 температуры, преобразуют аналого-цифровым способом в блоке 20 для обработки сигналов, и получают цифровой сигнал, представляющий первую температуру. Цифровой сигнал подают в вычислительный блок 30. Затем с помощью вычислительного блока 30 осуществляют управление источником 70 питания, включая подачу тока к малому нагревателю 13, чтобы вызвать генерирование тепла до предварительно заданной величины. После этого сигнал, поступающий от датчика 12 температуры, преобразуют аналого-цифровым способом в блоке 20 для обработки сигналов и получают цифровой сигнал, представляющий вторую температуру. Этот цифровой сигнал подают в вычислительный блок 30.

На Фиг.8 показана диаграмма изменения температуры, определенная с помощью детектора влажности согласно данному варианту выполнения. В условиях сухой окружающей среды вторая измеряемая температура выше первой температуры до нагрева. Однако, когда первая капля дождя попадает на датчик 12 температуры, вторая температура постепенно снижается. После этого вторая температура снижается каждый раз, когда капля дождя попадает на датчик 12 температуры. При постоянно идущем дожде вторая температура остается низкой. Таким образом, с помощью вычислительного блока 30 можно определить, начался ли дождь или нет, путем определения изменения второй температуры. Для определения изменения температуры, пороговое значение устанавливают равным величине, находящейся между первой температурой и второй температурой. С помощью вычислительного блока 30 сравнивают измеренную вторую температуру с пороговым значением и определяют, начался дождь или нет, на основании, например, числа раз, когда вторая температура становится ниже порогового значения в предварительно определенный период времени. Кроме того, с помощью вычислительного блока 30 можно прекратить подачу тока после того, как в течение заданного периода времени ток подавали к малому нагревателю 13, и переустановить параметры измеряемых условий, а затем снова начать измерения.

С помощью вычислительного блока 30 управляют реле 61 и 62, замыкая цепь реле 61 и размыкая цепь реле 62 при сухих условиях, а когда определено, что идет дождь, размыкают цепь реле 61 и замыкают цепь реле 62. Реле 61 используют, например, для подачи напряжения на дождевальную установку. Когда в начале дождя цепь реле 61 размыкают, дождевальная установка, питаемая током через реле 61, отключается. Реле 62 используют, например, для подачи тревожного сигнала в начале дождя. Когда в начале дождя цепь реле 62 замыкают, устройство для подачи сигнала тревоги, питаемое током через реле 62, начинает действовать.

Детектор влажности может быть также использован в качестве детектора снега или детектора обледенения. Когда температура становится равной или меньшей 0°С, дождь часто переходит в снег или лед. В случае, когда измеренная первая температура в исходных условиях почти равна или ниже 0°С, с помощью вычислительного блока 30 можно определить, идет ли снег или началось обледенение на основании количества раз, когда вторая температура становится ниже порогового значения в течение заданного периода времени.

К области использования изобретения относятся бытовые и сельскохозяйственные установки, а также промышленные установки утилизации бытовых отходов. Технический результат изобретения заключается в увеличении точности определении процента влажности. Сущность изобретения состоит в том, что детектор влажности закрытого типа, действующий на определении теплоемкости, содержит первый датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, второй датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, малый нагреватель для нагрева второго датчика температуры, вычислительные средства для получения информации, касающейся процента влажности объекта наблюдения на основании сигнала, поступающего от первого датчика температуры, и сигнала, поступающего от второго датчика температуры, нагреваемого малым нагревателем. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Детектор влажности, содержащий первый датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения,

второй датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения,

средство нагрева второго датчика температуры, вычислительное средство для получения информации, касающейся процента влажности объекта наблюдения, на основании сигнала, поступающего от первого датчика температуры, и сигнала, поступающего от второго датчика температуры, нагреваемого нагревательным средством.

средство памяти для хранения информации, касающейся процента влажности объекта наблюдения, в соответствии с соотношением между температурой, определенной первым датчиком температуры, и температурой, определенной вторым датчиком температуры, нагреваемым средством нагрева, при этом вычислительное средство предназначено для получения информации о проценте влажности объекта наблюдения путем обработки сигнала первого датчика температуры и сигнала второго датчика температуры, нагреваемого средством нагрева, для сравнения со значением, хранящимся в средстве памяти, на основании значения, полученного путем вычислений.

вычислительное средство для определения, начался дождь или нет, на основании значения, определенного с помощью средства для обработки сигналов на основании сигнала от датчика температуры, не нагретого средством нагрева, значения, определенного с помощью упомянутого средства обработки сигналов на основании сигнала от датчика температуры, нагретого средством нагрева, и заданного порогового значения.