Радиочастотное устройство измерения влажности Российский патент 2020 года по МПК G01N22/04 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к технике радиочастотной влагометрии, основанной на измерении диэлектрических параметров материала.

Уровень техники

Предлагаемое устройство измерения влажности предназначено для материалов, для которых актуальна задача контроля влажности в процессе их производства, хранения, переработки и применения.

В технике радиочастотной влагометрии распространен способ измерения влажности, при котором исследуемый материал помещается между антеннами, а его влажность определяется по уровню прошедшего сигнала. Известно устройство, реализующее данный принцип измерения (1. Монография: Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Минск: Высшая школа, 1974; с. 226-234), содержащее первичный преобразователь, состоящий из корпуса устройства, в котором находится контролируемый материал, передающей и приемной рупорных антенн, расположенных на противоположных стенках корпуса, электронный блок, содержащий генератор и приемник микроволнового сигнала, подключенные к рупорным антеннам первичного преобразователя. Для измерения влажности материала, помещенного в первичный преобразователь, используется измерение амплитуды и фазы прошедшего сигнала.

Недостатком данного устройства является необходимость размещения двух антенн, что значительно усложняет конструкцию устройства и ее массагабаритные параметры. Такой подход сильно ограничивает возможности использования подобных устройств в поточных производственных линиях, а так же промышленных бункерах, требует создания дополнительных условий расположения и перемещения материала, не предусмотренных в технологическом процессе. Так как материал помещается в первичном, преобразователе, представляющем собой металлическую емкость, в процессе измерения появляются дополнительные отраженные волны, которые способствуют снижению точности измерения.

Известна другая группа измерительных устройств, основанных на методах создания резонанса электромагнитных волн в замкнутых объемах - резонаторах. [2. Берлингер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973; с. 142]. Для этих устройств характерно измерение уровня отраженного сигнала полуоткрытого резонатора, открытая стенка которого находится в контакте с исследуемым материалом. Значение влажности материала определяется по калибровочным зависимостям относительно величины коэффициента отражения.

К недостаткам таких устройств можно отнести:

- Как и в первом аналоге, необходимость встраивания дополнительных конструкций - резонаторов в бункеры и поточные линии (продуктопроводы);

- Как и в первом аналоге, при размещении материала в замкнутом объеме металлической емкости появляются паразитные отражения, снижающие точность измерения.

Наиболее близким аналогом, принимаемым за прототип, является устройство для измерения влажности материалов в волноводе из группы изобретений [3. Заявка RU 2011107358 A, G01N 22/04 дата публ. 27.08.2012], которое представляет собой волноводную систему, СВЧ генератор с управляемой частотой колебаний, устройство измерения коэффициента отражения, возбуждающее устройство, схему сравнения, блок управления и индикатор, при этом выход СВЧ генератора последовательно через устройство измерения коэффициента отражения подсоединен к возбуждающему устройству, введенному в волноводную систему, а выход устройства измерения коэффициента отражения подсоединен к входу схемы сравнения, выход которой подсоединен к входу блока управления, первый выход которого подсоединен к входу управления частотой СВЧ генератора, а второй выход подсоединен к индикатору.

Недостатком прототипа является использование схемы сравнения, когда целевой параметр - критическая частота, фиксируется при достижении заданного уровня отраженного сигнала в ходе сканирования частоты. Привязка к уровню отраженного сигнала не позволяет точно определять критическую частоту, поэтому использование такого устройства приводит к снижению точности определения влажности исследуемого материала.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является измерение влажности материала, помещенного в волноводную систему за счет обработки частотных зависимостей коэффициента отражения и определения их характерных точек.

Технический результат, достигаемый изобретением заключается в определении влажности материала, помещенного в волноводную систему, путем определения характерных точек частотной характеристики коэффициента отражения.

Указанный результат достигается тем, что в заявляемое радиочастотное устройство для определения влажности материалов, содержащее возбуждающее устройство 1, содержащее один вход; волноводную систему 2; блок измерения коэффициента отражения 3, содержащий один вход и два выхода; радиочастотный генератор 4, содержащий один вход и один выход; блок управления 5, содержащий два входа и два выхода; блок индикации 6, содержащий один вход; дополнительно вводятся блоки измерения приращения (БИЛ) 7, содержащий два входа и один выход; блок измерения отношений (БИО) 8, содержащий два входа и один выход; блок определения максимума (БОМ) 9, содержащий два входа и один выход. При этом, к выходам блока управления подключены радиочастотный генератор, блок индикации, блок измерения приращения, блок измерения отношений, блок определения максимума. Выход радиочастотного генератора, последовательно, через блок измерения коэффициента отражения, подключен к возбуждающему устройству, введенному в волноводную систему. Ко входам блока управления подключены выход с блока измерения коэффициента отражения, а так же выход блока определения максимума. Схема заявляемого устройства представлена на фиг. 1.

В предлагаемом радиочастотном устройстве измерения влажности, в отличие от прототипа, определение влажности происходит не по заданному уровню отраженного сигнала, а исходя из определяемых, путем анализа частотных зависимостей коэффициента отражения, характерных точек этих частотных зависимостей. Под характерной точкой здесь понимается точка на частотной зависимости, характеризующая максимальную скорость изменения коэффициента отражения на области среза. Эта характерная точка напрямую связана с режимом возбуждения волновода и ее положение позволяет наиболее точно определить критическую частоту волновода. В дальнейшем, для определения влажности исследуемого материала, будет использоваться эквивалентный параметр F_max. Этот параметр показывает частоту, на которой находится характерная точка.

На фиг. 2 приведены анализируемые частотные зависимости коэффициента отражения для разных влажностей исследуемого материала (зерна пшеницы).

Устройство работает следующим образом. Исследуемый материал помещается в волноводную систему, заполняя ее. Волноводная система возбуждается путем подвода электромагнитных колебаний к возбуждающему устройству от радиочастотного генератора. При этом частота подводимых электромагнитных колебаний дискретно изменяется по заданной программе блоком управления. Уровень падающего и отраженного сигнала на возбуждающем устройстве фиксируется блоком измерения коэффициента отражения, и результат измерения, в виде коэффициента отражения, подается на вход блока управления. Таким образом, изменяя частоту подводимых электромагнитных колебаний, собирается частотная характеристика коэффициента отражения. Собранный массив данных циклически обрабатывается с целью поиска характерной точки. Цикл обработки производится следующим образом: с выходов блока управления на БИЛ подаются i и i+1 измеренные величины коэффициента отражения, результат измерения - приращение коэффициента отражения, с выхода БИЛ подается на первый вход БИО. Ко второму входу БИО подключен выход блока управления, через который подается в БИО подается установленное приращение частоты при перестройке радиочастотного генератора. Результат измерения на БИО, фактически являющийся скоростью изменения частотной характеристики подается на первый вход БОМ. Ко второму входу БОМ подключен выход блока управления, через который подается величина скорости приращения, измеренная в прошлом цикле. БОМ определяет динамику изменения ключевого параметра - скорости приращения частотной зависимости и передает ее на блок управления. Этот процесс повторяется циклически, пока приращение скорости изменения частотной характеристики не станет нулевой либо отрицательной - эта точка характеризует максимум скорости изменения частотной зависимости и является искомой характерной точкой, по которой определяется параметр F_max.

Далее, по предварительно записанным в память микроконтроллера градировочным данным, определяется влажность исследуемого материала. При изменении влажности исследуемого материала изменяются его диэлектрические характеристики, что приводит к изменению режима возбуждения волноводной системы, смещению ее критической частоты, изменению получаемой частотной характеристики и, как следствие, изменению положения характерных точек на частотных зависимостях.

На фиг. 3 приведена градировочная характеристика для параметра F_max.

Существенными признаками предлагаемого изобретения являются:

- Наличие волноводной системы, заполняемой исследуемым материалом;

- Возбуждение волноводной системы производится путем подвода электромагнитных колебаний от радиочастотного генератора к возбуждающему устройству;

- Измерение коэффициента отражения производится с помощью рефлектомера, включенного последовательно между радиочастотным генератором и возбуждающим устройством;

- Обработка полученных зависимостей с целью выявления характерных точек проводится посредством блоков измерения приращения, измерения отношений и определения максимума.

При этом, первый, второй и третий признаки являются общими с прототипом.

Описание чертежей

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 представлены экспериментальные зависимости коэффициента отражения от частоты при различных значениях влажности материала. В качестве волноводной системы использовался макет выходного бункера зерносушильного комплекса «PETKUS», который представляет собой металлический короб в виде усеченной пирамиды, заполненный зерном пшеницы. В качестве возбуждающего устройства применялся несимметричный вибратор, установленный внутри короба на одной из его стенок.

На фиг. 3 приведена градировочная зависимость значения параметра F_max от влажности зерна пшеницы (значения частоты F_max соответствуют максимальной скорости изменения частотной зависимости коэффициента отражения, полученной на основе данных, представленных на фиг. 2).

Осуществление изобретения

Для осуществления предлагаемого устройства необходимо, для заданной волноводной системы, выбрать место установки и тип возбуждающего устройства, а так же частотный диапазон подводимых электромагнитных колебаний. В первом приближении сечение волноводной системы можно аппроксимировать прямоугольным или круглым волноводом и использовать классическую теорию возбуждения таких волноводов, где в качестве возбуждающего устройства может использоваться несимметричный вибратор, щели или отверстия связи [Ширман Я.Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы. М., Гос. Изд. Литературы по вопросам Связи и Радио. 1959 г., 380 с.].

В качестве СВЧ-генератора можно использовать перестраиваемые синтезаторы частот, в том числе прямые синтезаторы частот DDS.

В качестве измерителя коэффициента отражения можно использовать классический рефлектометр, построенный на основе направленных ответвителей.

В качестве индикатора можно использовать известные цифровые символьные либо жидкокристаллические дисплеи, либо внешнее устройство системы автоматики, подключенное по промышленному протоколу обмена (RS-232, RS-485, MODBUS и т.д.).

В качестве блоков измерения приращения, измерения отношений и определения максимума можно использовать известные микроконтроллеры либо программируемые логические контроллеры (ПЛК), с целью увеличения быстродействия.

В качестве блока управления можно использовать микроконтроллер, в который предварительно вводятся градировочные зависимости и данные об диэлектрической проницаемости исследуемых материалов. Градировочные зависимости могут быть получены с применением известных термогравиметрических методов измерения влажности, на основе измерений массы исходных и высушенных образцов материала. Могут использоваться известные данные о диэлектрической проницаемости, либо эти данные могут быть получены с применением известных диэлькометрических методов, на основе измерений измерения диэлектрических свойств материалов с известной влажностью.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству для измерения влажности, и может быть использовано для контроля влажности диэлектрических материалов в процессе их производства, хранения или переработки. Радиочастотное устройство для измерения влажности содержит возбуждающее устройство, волноводную систему, блок измерения коэффициента отражения, радиочастотный генератор, блок управления и блок индикации. Кроме того, в состав устройства введен блок анализа частотной зависимости, к выходам блока управления подключены радиочастотный генератор, блок индикации, блоки измерения приращения, измерения отношений и определения максимума, при этом выход радиочастотного генератора последовательно через блок измерения коэффициента отражения подключен к возбуждающему устройству, введенному в волноводную систему, ко входам блока управления подключены выход с блока измерения коэффициента отражения, а также выход блока определения максимума, при этом блоки измерения приращения, измерения отношений и определения максимума выполняют функцию определения эквивалентного параметра путем анализа частотных зависимостей коэффициента отражения и определения их характерных точек, на основании которого затем определяется диэлектрическая проницаемость материала и его влажность. Повышение точности определения влажности исследуемого материала является техническим результатом изобретения. 3 ил.

Устройство для определения влажности материалов, содержащее возбуждающее устройство с одним входом, волноводную систему, блок измерения коэффициента отражения с одним входом и двумя выходами, радиочастотный генератор с одним входом и одним выходом, блок управления с двумя входами и шестью выходами и блок индикации с одним входом, отличающееся тем, что в состав устройства введены блок измерения приращения с двумя входами и одним выходом, блок измерения отношений с двумя входами и одним выходом, блок определения максимума с двумя входами и одним выходом, при этом первый выход блока управления подключен ко входу радиочастотного генератора, второй выход блока управления подключен ко входу блока индикации, третий выход блока управления подключен к первому входу блока измерения приращения, четвертый выход блока управления подключен ко второму входу блока измерения приращения, пятый выход блока управления подключен к первому входу блока измерения отношений, шестой выход блока управления подключен к первому входу блока определения максимума, выход радиочастотного генератора последовательно через блок измерения коэффициента отражения подключен к возбуждающему устройству, введенному в волноводную систему, к первому входу блока управления подключен выход блока измерения коэффициента отражения, ко второму входу блока управления подключен выход блока определения максимума, ко второму входу блока измерения отношений подключен выход блока измерения приращения, ко второму входу блока определения максимума подключен выход блока измерения отношений.