Влагомер Советский патент 1988 года по МПК G01N22/04 

00 Од СХ) ч

4 К)

iI3

Изобретение относится к технике измерений влажности веществ с переменной активной составляющей проводимости и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для измерения влажности различных материалов, например угля.

Цель изобретения - повьшение точности измерений.

На фиг.1 изображена структурная электрическая схема влагомера; на фиг.2 - эпюры, поясняющие его работу на фиг.З - эпюры, поясняющие работу ограничителя.

Влагомер содержит частотно-модулированный генератор 1, модулятор 2, первый резонатор 3, первый детектор 4, первый усилитель 5 переменного то

Работа части схемы, включающей

управляемый аттенюатор

ограничитель iO, пиковый детектор 12 и второй коммутатор 13, состоит из двух циклов - подготовительного и рабочего. Подготовительный цикл происходит во время обратного хода пилообразного модулятора 2. В течение обратного хода выходное напряжение ограничителя 10 поступает на второй вход пикового детектора 12 и через замкнутый ключ второго коммутатора 13 на второй вход управляемого аттенюатора 9.

Коэффициент передачи К управляемо го аттенюатора 9 является функцией выходного напряжения ограничителя 10 выу огр (фиг.З), которое через второй коммутатор 13 подается на управ

Изобретение м.б. использовано во всех отраслях народного хоз-ва. Цель изобретения - повьшение точности измерений. На выходе управляемого аттенюатора 9 во время рабочего цикла действует сигнал, по форме повторяющий огибающую СВЧ-колебаний с выхода детектора 7 измерительного резонатора (ИР) 6. Амплитуда сигнала изменяется незначительно при значительных изменениях (до 40 дБ) амплитуды огибаю1цей. Осуществлена практически безынерционная стабилизация амплитуды огибгиощей без искажения ее формы, что повышает точность регистрации вершины резонансной кривой ИР 6. Фактором, повышающим точность регистрации вершины, является также увеличение крутизны сигнала в область его максимума. 3 ил. i (Л

ка, второй резонатор 6, второй детек- 20 ляющий вход управляемого аттенюатора тор 7, второй усилитель 8 переменно- 9. При достижении напряжением Ug|,,,rp. го тока, управляемый аттенюатор 9, ограничитель 10, первый коммутатор 11, пиковый детектор 12, второй коммутатор 13, дифференцирующий блок 14, 25 минимального значения К нуль-орган 15, триггер 15, тактовый генератор 17, интегратор 18 и индикатор 19.,

Влагомер работает следующим обра30

величины DO коэффициент передачи К управляемого аттенюатора 9 начинает уменьщать-ся и достигает некоторого

при величине и г

и.

ре

35

40

зом.

Импульсы с выхода тактового генератора 17 (фиг,2а) запускают модулятор 2. На выходе модулятора 2 формируется напряженна пилообразной формы (фиг.2б), которое поступает на вари кап |:олебательной системы генератора 1. В результате на выходе генератора 1 возникают частотно-модулированные колебания, возбуждающие резонаторы 3 и 6 (эталонный и измерительный)« При воздействии контролируемого материала на резона гор 6 изменяется его резонансная частота. Огибающая СВЧ-ко- лебаний резонатора 6, представляющая собой резонансную кривую резонатора, дб выделяется детектором 7 (фиг,2в). Огибающая СВЧ-колебаний с выхода детектора 7 усиливается вторым усилителем 8 и через управляемый аттенюатор 9 поступает на вход ограничите- Q ля 10. Часть сигнала с выхода аттенюатора 9, превьшающая порог срабатывания ограничителя 10, усиливается последним и подается далее на входы пикового детектора 12, первого коммута- gg тора 1 и второго коммутатора 3. Коэффициент усилег ия ограничителя выбирается при этом большим (более 1000).

ВИу.огр. -м«.с (фиг.З). В

зультате такого изменения коэффициента передачи управляемого аттенюато ра крутизна напряжения на выходе ограничителя 10 начинает резко уменьшаться начиная с некоторого значения напряжения U,, и максимальное напряжение на выходе ограничителя изменяется незначительно в пределах регулирования dU при изменении амплитуды нап ряжения на выходе второго усилителя 8 переменного тока в больших пределах (до 40 дБ). Величина максимально го значения амплитуды напряжения на выходе ограничителя 10 запоминаетс я пиковым детектором 12 (фкг.2д).

Рабочий цикл начинается с момента прямого хода пилообразного напряжения модулятора 2. В это время, им- лульс с выхода тактовог-о генератора 17 переключает второй комьгутатор 13 и постоянное цапряжение с выхода ог- раничитеотя 10, запомкепное пиковым детектором 12 so время подготовительного цикла, поступает через замк нутый клго: ч второго коммутатора 13 на упт аЕхшющий вход управляемого атташе аторя 3 в качестве управляющего В течение ра.бочего цикла состояние уп- ра&л емого ато.енюатора 9 полностью определяется величиной этого капр.лже кия, Если за период модуляции свойст БД контролируемого материала не изме нгпотся, то зелнчкка амплитуды сигналяющий вход управляемого аттенюатора 9. При достижении напряжением Ug|,,,rp. минимального значения К

величины DO коэффициент передачи К управляемого аттенюатора 9 начинает уменьщать-ся и достигает некоторого

при велиляющий вход управляемого аттенюатора 9. При достижении напряжением Ug|,,,rp. 5 минимального значения К

0

чине и г

и.

ре5

0

б Q g

ВИу.огр. -м«.с (фиг.З). В

зультате такого изменения коэффициента передачи управляемого аттенюато-. ра крутизна напряжения на выходе ограничителя 10 начинает резко уменьшаться начиная с некоторого значения напряжения U,, и максимальное напряжение на выходе ограничителя изменяется незначительно в пределах регулирования dU при изменении амплитуды напряжения на выходе второго усилителя 8 переменного тока в больших пределах (до 40 дБ). Величина максимального значения амплитуды напряжения на выходе ограничителя 10 запоминаетс я пиковым детектором 12 (фкг.2д).

Рабочий цикл начинается с момента прямого хода пилообразного напряжения модулятора 2. В это время, им- лульс с выхода тактовог-о генератора 17 переключает второй комьгутатор 13 и постоянное цапряжение с выхода ог- раничитеотя 10, запомкепное пиковым детектором 12 so время подготовительного цикла, поступает через замкнутый клго: ч второго коммутатора 13 на упт аЕхшющий вход управляемого атташе- аторя 3 в качестве управляющего В течение ра.бочего цикла состояние уп- ра&л емого ато.енюатора 9 полностью определяется величиной этого капр.лже- кия, Если за период модуляции свойст БД контролируемого материала не изме- нгпотся, то зелнчкка амплитуды сигна

ла на выходе второго усилителя 8 во время рабочего цикла равна амплитуде сигнала на его выходе во время предшествующего подготовительного цикла. Поэтому амплитуда сигнала на выходе управляемого аттенюатора 9 во время рабочего цикла уменьшается последним до значения U, в соответствии с действующим на входе аттенюатора уп- равляющим напряжением, запомненным пиковым детектором 9 во время предшествующего подготовительного цикла (фиг.2ё).

Отличительной особенностью сигнала, действующего на выходе управляемого аттенюатора 9 во время рабочего цикла по сравнению с подготовительным, является то обстоятельство, что выходной сигнал во время подготови- тельного цикла имеет уплощенную вершину,, в то время как выходной сигнал во время рабочего цикла полностью совпадает по форме с сигналом на выходе второго усилителя 8, а по ампли- туде равен величине сигнала, действующего на выходе управляемого аттенюатора 9 во,время подготовительного цикла. Это обеспечивается тем, что во время рабочего гщкла на входе управляемого аттенюатора 9 действует постоянное напряжение с выхода пикового детектора 12, равное по величи35

40

45

не амплитуде сигнат1а U на -выходе жения ,. на выходе огра.-шчитсшя ограничителя 10 во время подготовительного цикла.

Таким образом, на выходе управляемого аттенюатора 9 во время рабочего цикла действует сигнал, по форме повторяющий огибающую СВЧ-колебаний с выхода детектора 7 измерительного резонатора 6, а амплитуда сигнала изменяется незначительно (в пределах регулирования ли) при возможных значительных изменениях (до 40 дБ) амплитуды огибающей с выхода детектора, т.е. осуществлена практически безынерционная (с быстродействием, равным периоду модуляции) стабилизация амплитуды огибающей без искажения ее форм, что существенно повышает точность регистрации вершины резонансной кривой измерительного резонатора.

Фактором, в значительной степени повьш1аклцим точность регистрации вер- шинь резонансной кривой измерительного резонатора, является также увеличение крутизны сигнала в области .его максимума. Это достигается тем.

50

55

10 (фиг.З). Увеличивая rayfiiniy регу лирования, т.е. меньшая величину у ла наклона / , можно умельшитг. пе-пи чину ошибки регулирования л1 . ген самым уменьшить минимально допустимое значение разности у,с i-; что позволяет еще более иовьк-нть кр тизну сигнала на выходе ограглчите- ля 10, а следовательно, и точность регистрации вершиш 1 pesoiiaHCHoi i icv)H вой измерительного резонатора 6,

Дальнейшая работа влагомера состоит в следующем,

Сформированг1ый указанным вьш1е об разом сигнал измерительного резона- .тора 6 с выхода ограничителя I О. пос тупает на второй вход первого комму татора 11, на первый вход которого поступает через первьш детектор 4 и первый ус11питель 5 переменпого тока сигнал с первого резонатора 3, явля гцийся эталонным, Первьш коммутатор 1 1 управляется по третье,му входу си налом с выхода триггера 16. В случа наличия на выходе триггера 16 сигна

5

o

0 5 о

что напряжение с выхода управляемого аттенюатора 9 ограничивается снизу ограничителем 10 на уровне U-,, несколько меньшем амплитуды сигнала Aidkc (фиг.2е). Вершина сигнала, превышающая величину порога ограничителя, усиливается и с выхода ограничителя 10 поступает на второй вход первого коммутатора. Причем длительность импульса на выходе ограничителя 10 (фиг.2ж) значительно меньше длительности импульса на его входе, а амплитуда импульса на выходе близка к его амплитуде на входе ограничителя 10,- т.е. крутизна сигнала в области его вершины зпачитольпо улет т- чена. Увелт-гчирзя величину п(рогр, U,., т.е. уменьшая разность U,,, - U;, и увеличивая коэффициент усилслия ограничителя 0, можно уме ьшить длительность импульса на виходо. огргшичиге- ля по сравнению с входом Б десятки раз, сохранив его амплитуду, что позволяет осуществлять регистидцию лер- шины резонансной кривой измер.ч ге.чьно- го резонатора даже при имзких значениях его добротности (порядка 10 л менее) . Мипимапьно допусти.ля пслпчи- на разности и,„,.с Un связана с ограничениями, обуслоБлеилг.ми коп.о.чным значением погрешности JU лоддсрлсоиил постоянной величины амплитуды илирл5

0

5

жения ,. на выходе огра.-шчитсшя

0

5

10 (фиг.З). Увеличивая rayfiiniy регулирования, т.е. меньшая величину угла наклона / , можно умельшитг. пе-пи- чину ошибки регулирования л1 . ген самым уменьшить минимально допустимое значение разности у,с i-; что позволяет еще более иовьк-нть крутизну сигнала на выходе ограглчите- ля 10, а следовательно, и точность регистрации вершиш 1 pesoiiaHCHoi i icv)H вой измерительного резонатора 6,

Дальнейшая работа влагомера состоит в следующем,

Сформированг1ый указанным вьш1е образом сигнал измерительного резона- .тора 6 с выхода ограничителя I О. поступает на второй вход первого коммутатора 11, на первый вход которого поступает через первьш детектор 4 и первый ус11питель 5 переменпого тока сигнал с первого резонатора 3, являю- гцийся эталонным, Первьш коммутатор 1 1 управляется по третье,му входу сигналом с выхода триггера 16. В случае наличия на выходе триггера 16 сигнала логического нуля на выход коммутатора 1 1 проходит сигнал эталонного резонатора с выхода первого усилителя 5 переменного тока, а в случае наличия на выходе триггера 16 сигнала логической единицы на выход коммутатора 11 проходит сигнал измерительного резонатора с выхода ограничителя 10. Во время обратного хода пилообразного напряжения модулятора 2 сигнал с выхода тактового генератора 17 поступает на первый вход триггера 16 устанавливает его в состояние логического нуля на выходе и исключает ложные переключения триггера в течение обратного хода пилообразного напряжения модулятора 2.

Сигнал эталонного резонатора 3 (фиг.2г) с выхода первого коммутатора 1 1 поступает на вход дифференцирующего блока 14, выходной сигнал которого проходит через нуль в момент действия на его входе максимального значения амплитуды сигнала эталонного резонатора 3 (фиг.2д). Таким образом, осуществляется регистрация вершины резонансной кривой резонатора 3 ,

Далее сигнал с выхода дифференцирующего блока iA поступает на вход нуль-органа 5, формирующего на своем выходе короткий прямоугольный им- пульс положительной полярности (фиг.2и), передний фронт которого совпадает с моментом перехода через нуль выходного напряжения дифференцирующего устройства. Импульс с выхода нуль-органа 15 поступает на второй вход триггера 3 6 и передним фронтом переводит его в состояние логической единицы на выходе (фиг,2к). Состояние логической единицы на выходе триггера 16 переводит первый коммута тор 11 в режим подачи на вход дифференцирующего блока 14 сигнала измерительного резонатора 6. Сигнал с выхода дифференцирующего блока 14, проходящий через нуль в момент действия на его входе максимального значения амплитуды сигнала измерительного резонатора 6, поступает далее на вход нуль-органа 15, на выходе которого формируется короткий импульс положительной полярности, передний фронт которого совпадает с моментом перехода через нуль выходного напряжения дифференцирующего,блока 14. Импульс с выхода нуль-органа 15 своим передним фронтом переводит триггер 16 в состояние логического нуля на выходе.

Таким образом, за период модуляции на выходе триггера 16 формируется прямоугольный импульс, длитель™

ность которого пропорциональна разности резонансных частот эталонного и измерительного резонаторов. После довательность импульсов с выхода триггера 16 подается затем на интегратор 18, подключенный к индикатору 19, по показаниям которого судят о влажности контролируемого материала.

Формула изобретения

Влагомер, .содержащий последовательно соединенные частотно-модулированный генератор, управляющий вход которого подсоединен к выходу моду- лятора, первый резонатор, первый детектор и первый усилитель переменного тока, последовательно соединенные второй резонатор, вход которого подключен к выходу частотно-модулированного генератора, второй детектор и второй усилитель переменного тока, ограничитель и последовательно соединенные триггер, интегратор и индикатор , отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений, между выходом первого усилителя переменного тока и входом триггера включены последовательно соединенные первый коммутатор, второй вход которого под1слючен к выходу триггера, дифференцирукяций блок и нуль-орган, между выходом второго усилителя переменного тока и входом ограничителя введен управляемый аттенюатор, выход огранигчителя соединен с третьим входом первого коммутатора и через введенные последовательно соединенные пиковый детектор и второй коммутатор, второй вход которого подсоединен к выходу ограничителя, с управляющим входом управляемого аттенюатора, а также введен тактовый генератор, выход которого соединен с управляющим входом модулятора, третьим входом второго коммутатора и вторыми входа- ffH пнхового детектора и триггера.

tfA/x.w/.