Устройство для измерения влажности Советский патент 1986 года по МПК G01N22/04 

конденсатора, образованного ками камеры 3, когда она не заполнв на исследуемым материалом. По истечению этого временного интервала 1-й дслюч 12 закрывается, при этом в счетчике 15 хранится информация, соответствующая частоте ДГ 16, при которой камера 3 не заполнена исследуемым материалом.-После засыпки исследуемого материала с ДГ 16 через 2-й ключ 13 на вход счетчика 15 (вьгчитаюпщй вх.) поступают импульсы с частотой, соответствующей случаю засыпанной камеры. КогЛ

Изобретение относится к технике измерения, влажности методом поглощения СВЧ-энергии во влажном материале и может быть использовано для определения влажности сыпучих материалов .

Цель изобретения - повьшение точности измерения влажности за счет уменьшения влияния плотности исследу- ,емого материала.

На фиг,1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения влажности; на фиг.2 - структурная электрическая схема блока управления.

Устройство для измерения влажности содержит генератор 1 СВЧ, к которому последовательно подсоединена излучающая антенна 2, камера 3, приемная антенна А, детектор 5 и логарифмический усилитель 6, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя 7, компаратор 8, индикатор 9, элемент задержки 10, блок управления П, первый ключ 12, второй ключ 13, десятичный и реверсивный счетчики 14 и 15, дополнительный генератор 16, в колебательный контур которого включен конденсатор, обкладки 17 и 18 которого являются двумя противоположными стенкакш камеры 3, первый и второй цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 19 и 20,анало- говьш делитель 21, источник 22 опорно ГО Напряжения.

Устройство для измерения влажности работает nq следующему алгоритьгу.

05004

да ключ 13 закрывается, в счетчике 15 оказьшается информация, равная разности частот ДГ 16. При этом на выходе ЦАП 20, включенного на выходе счетчика 15, появляется сигнал в виде напряжения, пропорционального разности частот fо f|. Частота f преобразуется в аналоговый , сигнал 1-м ЦАП 19 и поступает в ана- логовьй перемножитель 7, где перемно жается с сигналом, пропорциональным ослаблению во влажном исследуемом материале, а следовательно, влажности. 2 ил.

2

Измерения ослабления в исследуемом материале зависят от весовой влажности W и от насыпной плотности Р исследуемого материала так, что вы- полняется соотношение

N K p-W-d,

(1)

где К - коэффициент пропорцио- 10нальности, характерный

для каждого конкретного материала;

d- толщина слоя материала. Предлагаемое устройство свободно t;; от указанного недостатка вследствие того, что две противоположные боковые стенки камеры являются обкладками 17 и 18 конденсатора, включенного в колебательный контур дополни 20 тельного генератора 16, частота которого зависит от емкости конденсатора, образованного этими обкладками 17 и 18 и заполненно 7о исследуемым материалом.

25 Если частота f работы емкостного датчика, включенного в цепь колебательного контура дополнительного генератора 16, выбрана таким образом, что потери, связанные с прово- -|Q димостью и релаксацией диполей воды пренебрежимо малы, что вьшолня-. ется на частоте порядка 10 МГц, то с высокой степенью точности выполняется соотношение

35 YE-v/ b5 -w- - c,), (2)

где - диэлектрическая проницаемость влажного материала; L - диэлектрическая проницаемость сухого.материала; q - объемная концентрация сухого материала}

g - диэлектрическая проницаемость ВОДЬ1,

Пусть Р,- плотность сухого материала, являющаяся константой для каждого конкретного материала. Тогда очевидно, что

Ч

Pd-w)

о

(3)

Подставляя (З) в (2) и преобразуя,

имеют .

VF -i pw(i-i)(Vf;-iJ (м

Разделив уравнение (l) на (4) и введя А-параметр, получают

Ы

(Cв-1)P.(/бo-1)(j (В

Таким образом, А-параметр является монотонно возрастающей функцией влагосодержания и не зависит от насыпной плотности. Тогда резонансная частота колебательного контура, в который включен этот конденсатор, определяется соотношением

-k

При помещении в камеру исследуемого материала частота изме2итель- ного контура изменяется в v раз и становится равной f , причем

(7)

Из сравнения (6) и (7) находят, что

(8)

° - 1. с. - 1

Из (8) и (5) окончательно находят

А

,,

дГ

(9)1

где

лГ f - f.

Колебания от генератора 1 СВЧ подводятся к излучающей антенне 2, закрепленной на стенке камеры 3 с

,

м

В)

-

20500/44

исследуемым материалом. Пройдя через исследуеьаш материал, электромагнитная волна, ослабленная по мощности попадает в приемную антен5 ну 4, а затем в детектор 5,выход которого соединен с входом логарифмического ус1-1лителя 6. Сигнал на выходе логарифмического усилителя 6 пропорционален влажности ис10 следуемого материала. Прологарифмированный сигнал поступает на первьй вход аналогового перемножителя 7. К выходу детектора 5 подключен также первый вход компаратора 8,

15 второй вход которого подключен к источнику 22 опорного напряжения, которое имеет значение.Напряжения, обеспечивающее переключение компаратора 8 в единичное состояние при

20 заполнении камеры 3 материалом. Выход компаратора 8 соединен через элемент 10 задержки с входом блока управления 11, Элемент 10 задержки обеспечивает вьщержку времени,

25 необходимую для полного заполнения камеры исследуемым материалом. Блок управления 11 выполняет следующие функции: производит начальную установку десятичного и реверсивного

счетчиков 14 и 15,формирует временной интервал, в течение которого открыт первьш ключ 12, формирует временной Интервал, в течение которого открыт второй ключ 13. При включении устройства для измерения

влажности блок управления I1 вырабатывает и шyльc, обнуляющий десятичный и реверсивный счетчики 14 и 15, а по сигналу 1 с компаратора 8 открывает первый

ключ 12, через который на вход реверсивного счетчика 15 поступают импульсы с дополнительного генератора 16, причем частота их соответствует емкости конденсатора,

образованного стенками камеры 3, когда она не заполнена исследуемым материалом. Первьй ключ 12 находится в открытом состоянии в течение интервала, заданного блоком управ50 ления 1, при этом импульсы через второй ключ 12 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 14. По истечении этого временного интервала первый ключ 12 закрывает- 55 ся, при этом в реверсивном счетчике 15 хранится информация, соответствующая частоте дополнительного генератора 16, при которой камера 3

не заполнена исследуемым материалом После засыпки исследуемого материала в камеру 3 компаратор 8 переключается в состояние 1 и с выдерж- код времени, определяемой элементом Ю задержки, включает второй ключ 13 в от1 рытое состояние. При этом с дополнительного генератора 16 чер второй ключ 13 на вход реверсивного счетчика 15 (вычитающий вход) поступают импульсы с частотой, соответствующей случаю, когда камера 3 заполнена исследуемым материалом. По истечении временного интервала, сформированного блоком управления П, второй ключ 13 закрывается и в реверсивном счетчике 15 оказывается записанной информация, равная разности частот дополнительного генератора 16, который генери- ровал частоту, соответствующую емкости конденсатора, заполненного исследуемым материалом, и частоту, соответствующую емкости конденсатора, когда исследуемого ма- териала в камере 3 не было. При этом на вькоде второго ЦА11 20, включенного на выходе реверсивного счет чика 15, появляется аналоговьм сигнал в виде напряжения, пропор- ционального разности частот ff, - f На вход десятичного счетчика 24 при открытом втором ключе 13 поступает частота . f-/ , которая преобразуется- в аналоговый сигнал первым ДАП 19 и поступает в виде напряжения на второй вход аналогового пе- ремножит.еля 7, где перемножается с сигналом, пропорциональным ослаблению во влажном исследуемом мятериа- ле, а следовательно, влажности.

Блок управления 1 состоит из блока формирования импульса установки в десятичного счетчика 14 и реверсивного счетчика 15, который содержит инвертор 23, формирователи измерительных интервалов, в течение которых открыты первый и второй клдачи 12 и 13, выполненные.н D-триггерах 24-27; генератора 28 та товых импульсов и ждущего мультивибратора 29 (фиго2),

Блок управления 1i работает следующим образом.

При включении питания (при включении устройства измерения влал носуи) на выходе инвертора 23 вырабатывается положительный импульс сброса десятичного и реверсивного счетчиков 14 и 15, который одновременно запускает ждущий мультивибратор 29„ Длительность импульса определяется постоянной времени цепи, состоящей из резистора 30 и конденсатора 31, Когда конденсатор 31 зарядится, на выходе инвертора 23 устанавливается потенциал логического нуля, при котором десятичный и реверсивный счетчики Г4 и 15 готовы к подсчету импульсов, Положительный импульс запускает ждущий мультивибратор 29, с инверсного выхода которого на С-вход D-триггера 26 поступает импульс, задержанный во времени отношению к импульсу сброса. Велшш- на временной задержки определяется постоянной времени цепи, состоящей из резистора 32, и конденсатора 33, На вход триггера 26 подан уровень логической Г. Поэтому при появлении на С-входе импульса D-триггер 26 переходит из состояния О в состояние 1,

Поскольку прямой выход D-триг Тера 26 .соединен с входом D-триг- гера 27, то ближайший импульс с татового генератора 28 переводит D- триггер 27 в состояние 1, При этом с инверсного выхода D-тригге- ра 27 потенциал О подается на R-вход установки в О D-триггера 26. В результате 0-триггер 26 устанавливается в состояние О. и в нем удерлшвается все время, пока D-триггер 24 находится в единице. Ввиду того, что переключение в нуль О-триггера 26 приводит к появлению сигнала О на D-входе О- Триггера 27 5 то последний очередным импульсом с генератора 28 устанавливается в О. Таким образом, схема формирования измерительного интервала на D-триггерах 26 и 27 возвращается в исходное состояние. Как следует из изложенного, длительность положительного импульса на выходе D-триггера равна, одному периоду тактовых импульсов, вырабатываемых генератором 27. -Этот период и формирует измерительный интервал, в течение которого открыт первый 1 слюч 12, пропуска.ющий частоту ff на суммирующий вход реверсивного счетчика-15. По окончании измерительного интервала первый ключ 12 закрывается.

тивоположные боковые стенкн камеры компаратор, элемент задержки, первы и второй ключи, блок управления, ре версивный счетчик, десятичный счет- J чик, источник опорного напряжения, n&pBbui и второй цифроаналоговые преобразователи, логарифмический ус литель, аналоговый перемножитель и аналоговый делитель, причем выПосле з.асыпки исследуемого материала в камеру 3 компаратор- 8 через элемент 10 задержки положительным импульсом запускает формирователь измерительного ийтервала на D-триггерах 2,4 и 25, который работает точно так .же, как и первый, В результате формирователь формирует измерительный интервал, во время которого открыт второй ключ 13, 0 ход дополнительного генератора че- пропускающий частоту на вычитающий вход реверсивного счетчика 15.

Для проведения измерения влажности следующей пробы устройство нужно выключить, и при повторном вклю- tS чении происходит измерение в том же порядке. Импульс сброса и запуска первого измерительного интервала можно производить кнопкой 34. Ручной запуск можно ввести и в цепь 20 запуска второго измерительного интервала.

Формула изобретения

рез первый ключ соединен с суммиру- icmjiM входом реверсивного счетчика, а через второй ключ - с входом десятичного счетчика и с вычитающим входом реверсивного счетчика, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий выход которого соединен с установленными входами реверсивного и десятичного счетчиков, вход блока управления через элемент задерлжи соединен с выходом компаратора, выход детектора подключен к входу логарифмического уси лителя и к первому входу компара- ратора, а второй вход компаратора соединен с источником опорного напр жения, выход логарифмического усили теля соединен с первым входом аналогового перемножителя, второй вход которого через первый цифро- аналоговый преобразователь соединен с выходами десятичного счетчика, выход аналогового перемно хителя соединен с первым входом аналогового делителя, к второму входу которого подключен вькод второго цифро- аналогового реверсивного счетчика, а выход аналогового делителя соединен с яходом индикатора.

Устройство для измерения влажности, содержащее излуча1ощ: то и приемную антенны, закрепленные на противоположных стенках камеры для размещения исследуемого образца., генера- тор СВЧ, соединенный с входом излуча ,ющей антенны, детектор, вход которого подключен к выходу приемной антенны, и индикатор, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что, с целью повышен НИН точности измерения влажности за счет уменьшения влияния плотности исследуемого материала, введен дополнительный генератор, в колебательный контур которого включен конденсатор, обкладками которого являются про

1205004g

тивоположные боковые стенкн камеры, компаратор, элемент задержки, первый и второй ключи, блок управления, реверсивный счетчик, десятичный счет- J чик, источник опорного напряжения, , n&pBbui и второй цифроаналоговые преобразователи, логарифмический усилитель, аналоговый перемножитель и аналоговый делитель, причем вы, 0 ход дополнительного генератора че-

0 ход дополнительного генератора че-

tS 20

5

о

5

рез первый ключ соединен с суммиру- icmjiM входом реверсивного счетчика, а через второй ключ - с входом десятичного счетчика и с вычитающим входом реверсивного счетчика, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий выход которого соединен с установленными входами реверсивного и десятичного счетчиков, вход блока управления через элемент задерлжи соединен с выходом компаратора, выход детектора подключен к входу логарифмического уси-. лителя и к первому входу компара- ратора, а второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, выход логарифмического усилителя соединен с первым входом аналогового перемножителя, второй вход которого через первый цифро- аналоговый преобразователь соединен с выходами десятичного счетчика, выход аналогового перемно хителя соединен с первым входом аналогового делителя, к второму входу которого подключен вькод второго цифро- аналогового реверсивного счетчика, а выход аналогового делителя соединен с яходом индикатора.

Фиг.

внирпте

Тиоаж 896

Заказ 8520/44 Подписное

Филиал ШП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Изобретение относится к области радиотехники и м.б. использовано для определения влажности сыпучих материалов. Цель изобретения - по- вьшение точности измерения. Колебания от генератора СВЧ 1 подводятся к излучающей антенне 2, закрепленной на стенке камеры 3 с исследуемым iматериалом. Пройдя через камеру 3, электромагнитная волна, ослабленная по мощности, попадает в приемную антенну 4, а затем в детектор 5 и логарифмический усилитель 6. Прологарифмированный сигнал поступает на 1-й вход аналогового перемножителя 7 . К выходу детектора 5 подключен также 1-й вход компаратора 8, 2-й вход которого подключен к источнику опорного напряжения 22, обеспечивающему переключение компаратора 8 в единичное состояние. Выход компаратора 8 через элемент задержки 10 соединен с входом блока управления (ВУ) II. БУ 11 вырабатывает импульс, обнуляющий счетчики 14,15, а по сигналу I с компаратора 8 открывает 1-и ключ 12, через который на вход счетчика 15 поступают импульсы с дополнительного генератора (ДГ) 16. Частота импульсов соответствует емкости i (Л to о ел о о 4ib