ЦИФРОВОЙ ПОТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 2010 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения влажности твердых, сыпучих и газообразных веществ, и может быть применено в строительной, горнодобывающей, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности.

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

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерений (2-3%), поскольку не позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности частоты генератора, возникающую вследствие нестабильности параметров конденсатора чувствительного элемента датчика; содержит указательный прибор, регистрирующий результат измерения влажности в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения.

Из известных устройств для измерения влажности наиболее близким по технической сущности является цифровой оптический измеритель влажности (патент РФ №2117936, МКИ G01N 21/81), содержащий источник излучения, составной светофильтр, установленный на оси электродвигателя, фотопреобразователь, выход которого подключен к усилителю фототока, усилитель мощности, выходом подключенный к электродвигателю, схему обработки информации, выполненную в виде двухвходового коммутатора, к первому входу которого подключен усилитель фототока непосредственно, а ко второму - через инвертирующий усилитель, соединенного выходом с интегратором, подключенным к выходу компаратора, выход которого подключен к первому входу триггера, и генератора тактовых импульсов, соединенного с делителем частоты, выход которого соединен с усилителем мощности, управляющим входом коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. При вращении модулятора потоки излучения, отраженные от объекта, поступают на фотоприемник и затем на усилитель фототока, на выходе которого образуется последовательность импульсов с различными амплитудами, которая с помощью коммутатора разделяется во времени на опорный и измерительный сигналы. Величина влажности определяется по отношению двух сигналов.

Данное измерительное устройство имеет низкую точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку дает информацию только о поверхностном содержании влаги, которая может существенно отличаться от влажности внутри образца. Существующие диэлькометрические измерители влажности основаны на принципе вычитания частот измерительного и опорного генераторов, чем обеспечивается компенсация аддитивной составляющей погрешности измерения частоты, хотя сама погрешность носит мультипликативный характер.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового устройства для повышения точности результатов измерения интегральной влажности оптически непрозрачных объектов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности измерения и цифровым представлением результата измерения.

Техническим результатом заявленного цифрового поточного измерителя влажности является повышение точности измерения влажности оптически непрозрачных материалов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой поточный измеритель влажности, содержащий интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом к компаратору, ключ, соединяющий генератор со счетчиком импульсов, снабжен измерительным преобразователем, представляющим собой конденсаторный датчик, включенным во времязадающую цепь генератора, логическим устройством для управления работой интегратора и счетчика, подключенным первым входом к первому бесконтактному переключателю, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю, установленным на торцах измерительного преобразователя, третьим входом к компаратору, а выходом к управляющим входам ключа и коммутатора, к первому и третьему входу которого подключены источники напряжения, а второй и четвертый его входы соединены с землей.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку цифровой поточный измеритель влажности, основанный на принципе работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, использует один измерительный конденсатор с образцом и без него, что позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности, обусловленную изменением параметров измерительного конденсатора, и производить измерения влажности с представлением результатов в цифровой форме без дополнительных аналого-цифровых преобразований.

На фиг.1 изображена блок-схема цифрового поточного измерителя влажности; на фиг.2-5 показана работа бесконтактных переключателей в процессе перемещения образца относительно измерительного преобразователя; на фиг.6 - временная диаграмма, поясняющая работу измерителя влажности.

Цифровой поточный измеритель влажности содержит измерительный преобразователь 1, представляющий собой конденсаторный датчик, включенный во времязадающую цепь генератора 2, являющегося автоколебательным мультивибратором, соединенного ключом 3 со счетчиком импульсов 4. Частота импульсов генератора 2 зависит от емкости измерительного преобразователя 1, пропорционально связанной с диэлектрической проницаемостью образца, которая в свою очередь зависит от влажности. Бесконтактные переключатели 5 и 6, установленные на торцах измерительного преобразователя 1 по направлению движения образца, служат для определения положения образца относительно измерительного преобразователя 1. Измеритель влажности содержит логическое устройство 7, подключенное первым входом к первому бесконтактному переключателю 5, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю 6, третьим входом к компаратору 8, представляющему собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания. Выход логического устройства 7 подключен к управляющим входам ключа 3 и коммутатора 9, срабатывающим от фронтов и срезов импульсов, поступающих на их входы. К первому и третьему входу коммутатора 9 подключены источники напряжения 10 и 11, второй и четвертый его входы соединены с землей, а к выходу - интегратор 12, подключенный к компаратору 8.

Измеритель влажности работает следующим образом.

При перемещении образца возможны четыре его положения относительно измерительного преобразователя: образец находится вне измерительного преобразователя (фиг.2, интервал времени t₁-t₂ на фиг.6), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (фиг.3, интервал времени t₂-t₃ на фиг.6), образец заполняет измерительный преобразователь полностью (фиг.4, интервал времени t₃-t₅, на фиг.6), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (фиг.5, интервал времени t₅-t₆ на фиг.6).

Уровень сигнала, соответствующий логической единице на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6 (диаграммы 13 и 14, фиг.6) и логическому нулю на выходе компаратора 8 (диаграмма 15, фиг.6), означает отсутствие образца в измерительном преобразователе 1 (момент времени t₁ на фиг.6). В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник напряжения 10. В результате этого счетчик импульсов 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f₁, соответствующей незаполненному измерительному преобразователю 1 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется линейно падающее напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

где U₁₀ - напряжение на выходе источника напряжения 10, τ - постоянная интегрирования интегратора 12.

Момент времени t₂ соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

Момент времени t₃ соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6, означающему полное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник напряжения 11 отрицательной полярности. В результате этого счетчик импульсов 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f₂, соответствующей заполненному измерительному преобразователю 1 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

где U₁₁ - напряжение на выходе источника напряжения 11.

Момент времени t₄ соответствует уровню логической единицы на выходе компаратора 8 (диаграмма 15, фиг.6), означающей равенство нулю напряжения на выходе интегратора 12. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

Обозначив число импульсов, поступивших на счетчик импульсов 4 за время Δt₁=t₂-t₁ через переменную N₁=Δt₁f₁, а за время Δt₂=t₄-t₃ через переменную N₂=Δt₂f₂, получим N₂=N₁(f₂/f₁)(U₁₀/U₁₁).

Момент времени t₅ соответствует уровню логической единицы на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение измерительного преобразователя 1 образцом, однако никаких изменений предыдущего состояния при этом не происходит.

Начиная с момента времени t₆ работа измерителя повторяется, но уже для следующего образца.

Результат измерения влажности может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.

Применение данного цифрового поточного измерителя влажности позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:

- цифровой поточный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных технологических процессах;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;

- цифровой поточный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость».

Использование: технологические процессы в строительной, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности. Цифровой поточный измеритель влажности содержит измерительный преобразователь, представляющий собой конденсаторный датчик, включенный во времязадающую цепь генератора, являющегося автоколебательным мультивибратором, соединенного ключом со счетчиком импульсов, два бесконтактных переключателя, установленные на торцах измерительного преобразователя по направлению движения образца, служащие для определения положения образца относительно измерительного преобразователя, логическое устройство, подключенное первым входом к первому бесконтактному переключателю, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю, третьим входом к компаратору, а выходом к управляющим входам ключа и коммутатора, к первому и третьему входу которого подключены источники напряжения, а второй и четвертый его входы соединены с землей, интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом к компаратору. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения влажности оптически непрозрачных материалов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности. 6 ил.

Цифровой поточный измеритель влажности, содержащий интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом к компаратору, ключ, соединяющий генератор со счетчиком импульсов, отличающийся тем, что он снабжен измерительным преобразователем, представляющим собой конденсаторный датчик, включенным во времязадающую цепь генератора, логическим устройством для управления работой интегратора и счетчика импульсов, подключенным первым входом к первому бесконтактному переключателю, вторым входом - ко второму бесконтактному переключателю, установленными на торцах измерительного преобразователя, третьим входом - к компаратору, а выходом - к управляющим входам ключа и коммутатора, к первому и третьему входу которого подключены источники напряжения, а второй и четвертый его входы соединены с землей.