Устройство для измерения параметров среды Советский патент 1992 года по МПК G01N25/56 

fe

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения влажности, и может быть использовано для измерения влажности и температуры окружающей среды или материала. Цель - расширение функциональных возможностей устройства. В устройстве, кроме измерения влажности окружающей среды, осуществляется одновременное измерение

ё

О VI

ее температуры. Это достигается за счет введения в схему устройства коммутатора 15, преобразователя 36 напряжение-длительность импульса и ключа 33. Высокая точность измерения обеспечивается за счет введения в схему резистивного делителя 19, блока 16 выборки и хранения и преобразователя 38 кодов, который позволяет линеализовать кривую зависимости длительности теплового импульса от влажности исследуемой среды или материала и сгладить возможную нелинейность зависимости мгновенного падения напряжения на датчике 3, преобразованного в цифровой код, от температуры

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения влажности, и может быть использовано для измерения влажности и температуры окружающей среды или материала.

Известно устройство - гигрометр, содержащий резистивный электрод, подключенный через коммутатор к источнику тока и соединенный с одним из измерительных электродов датчика.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерения температуры окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее датчик влажности, выполненный в виде термочувствительного элемента, измерительный мост, в одно плечо которого включен термочувствительный элемент, преобразователь, регистрирующий прибор, блок питания, схему сравнения, схему управления, компаратор длительности теплового импульса, регистрирующий прибор и термочувствительный элемент, выполненный в виде термоизлучателя.

Недостатками известного устройства являются низкая точность измерения, низкая чувствительность к измерению малых значений влажности исследуемой среды, а также измерение только одного параметра среды - влажности, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения влажности, содержащее источник постоянного напряжения, регистрирующий прибор, датчик,

исследуемой среды. Высокая чувствительность устройства к измерению малых значений влажности достигается за счет покрытия термочувствительного элемента пленкой избирательного к молекулам НаО сорбента. Устройство можно реализовать с автономным питанием от малогабаритных батарей или аккумулятора с напряжением 9 В, или от малогабаритного выпрямителя напряжения типа Д2-15 благодаря подаче напряжения питания на преобразователь 38 и счетчик 7 только на время измерения выбранного параметра, что дополнительно снижает потребляемый устройством ток. 4 ил,

выполненный в виде термочувствительного элемента, генератор тактовых импульсов, три выхода источника постоянного напряжения соединены с входами питания генератора тактовых импульсов, блока управления и компаратора, введены счетчик, вход сброса которого соединен с первым выходом блока управления, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора и блока выборки и хранения и входом источника постоянного тока, выход которого соединен с первым входом резистивного делителя и вторыми

входами коммутатора и блока выборки и хранения, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом резистивного делителя, второй и третий входы которого

соединены с первым и вторым выходами датчика, второй выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом счетчика, разрешающий вход которого соединен с входом записи регистрирующего

прибора и первым выходом ключа, первый вход которого соединен с выходом компаратора и первым входом преобразователя кодов, второй вход ключа соединен с выходом преобразователя напряжение-длительность импульса, вход которого соединен с выходом коммутатора, выход счетчика соединен с вторым входом преобразователя кодов, выход которого соединен с информационным входом регистрирующего прибора, семь выходов источника постоянного напряжения соединены с входами питания счетчика, коммутатора, источника постоянного тока, блока выборки и хранения, преобразователя кодов, преобразователя

напряжение-длительность импульса, регистрирующего прибора, выход опорного напряжения преобразователя напряжение- длительность импульса, вход источника постоянного напряжения и управляющий вход источника постоянного тока соединены между собой, второй выход ключа соединен с вторым входом преобразователя кодов.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения параметров среды; на фиг.2 - структурная схема блока управления; на фиг.З - структурная схема преобразователя напряжение-длительность импульса; на фиг.4 - структурная схема резистивного делителя.

Устройство для измерения параметров среды (фиг.1) содержит источник 1 постоянного напряжения, регистрирующий прибор 2, датчик 3, выполненный в виде термочувствительного элемента, компаратор 4, генератор 5 тактовых импульсов и блок 6 управления. Три выхода источника 1 постоянного напряжения соединены с входами питания генератора 5 тактовых импульсов, блока б управления и компаратора 4. Устройство содержит также счетчик 7, вход 8 сброса которого соединен с выходом 9 блока 6 управления, второй 10, третий 11 и четвертый 12 выходы которого соединены соответственно с управляющими входами 13 и 14 коммутатора 15 и блока 16 выборки и хранения и входом источника 17 постоянного тока, выход которого соединен с первым входом 18 резистивного делителя 19 и вторыми входами 20 и 21 коммутатора 15 и блока 16 выборки и хранения, выход которого соединен с первым входом 22 компаратора 4, второй вход 23 которого соединен с выходом резистивного делителя 19, второй 24 и третий 25 входы которого соединены с первым 26 и вторым 27 выходами датчика 3. Выход 28 генератора 5 тактовых импульсов соединен со счетным входом 29 счетчика 7, разрешающий вход 30 которого соединен с входом 31 записи регистрирующего прибора 2 и первым выходом 32 ключа 33, первый вход 34 которого соединен с выходом компаратора 4. Второй вход 35 ключа 33 соеди- нен с выходом преобразователя 36 напряжение-длительность импульса, вход которого соединён с выходом коммутатора 15. Выход счетчика 7 соединен с первым входом 37 преобразователя 38 кодов, выход которого соединен с информационным входом регистрирующего прибора 2. Семь выходов источника 1 постоянного напряжения соединены с входами питания счетчика 7, коммутатора 15, источника 17 постоянного тока, блока 16 выборки и хранения, преобразователя 38 кодов, преобразователя 36,

напряжение-длительность импульса и регистрирующего прибора 2. Выход опорного напряжения источника 1 постоянного напряжения соединен с входом опорного напряжения преобразователя 36 напряжение-длительность импульса. Вход источника 1 постоянного напряжения и управляющий вход источника 17 постоянного-тока соединены между собой. Второй выход 39

ключа 33 соединен с вторым входом 40 преобразователя 38 кодов.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 3, выполненный в виде термочувствительного элемента, покрытого пленкой сорбента, приводится в контакт с исследуемой средой (материалом).

С помощью ключа 33 устанавливается режим регистрации информации Влажность или Температура путем подключения к разрешающему входу 30 счетчика 7 выхода компаратора 4 или выхода преобразователя 37 соответственно, а также путем переключения на входе 40 преобразователя

38 уровня логического нуля на уровень логической единицы соответственно.

Блок 6 подает сигнал включения с четвертого выхода 12 на источник 17, подключенный к датчику 3 через высокоомный

резистивный делитель 19 напряжения, с целью температурной компенсации показаний влажности. При этом счетчик 7 начинает счет тактовых импульсов генератора 6. На датчике 3 будет падение напряжения Uo, зависящее от температуры исследуемой среды (материала), а на выходе резистивного делителя 19 - напряжение К, где - коэффициент деления резистивного делителя 19. Напряжение Do по сигналу с третьего выхода 11 блока 6 запоминается в блоке 16, а по сигналу с второго выхода 10 блока 6 отключается коммутатор 15, и напряжение Uo запоминается в преобразователе 36. Под

действием протекающего тока датчик 3 начинает разогреваться, его сопротивление резко возрастает и напряжение U0K на выходе резистивного делителя 19 увеличивается до Uo, причем время нарастания

Ti зависит от влажности исследуемой среды (материала). При равенстве напряжений на первом 22 и втором 23 входах компаратора 4 на выходе появляется сигнал О. При этом, если ключ 33 установлен в режим регистрации влажности, останавливается счет счетчика 7, на адресный вход 40 преобразователя 38 подается уровень 1 с выхода 39 ключа 33, и преобразователь 38 перекодирует выходной код счетчика 7 в показания

влажности, которые запоминаются по сигналу с выхода 32 ключа 33 на регистрирующем приборе 2. Одновременно с этим преобразователь 36 формирует на выходе сигнал О через время Г2, пропорциональное напряжению Do, т.е. температуре исследуемой среды (материала), При этом, если ключ 33 установлен в режим регистрации температуры, останавливается счет счетчиком 7, и код счетчика 7 через преобразователь 38, на адресный вход которого подается уровень О с выхода 39 ключа 33, перекодируется в показания температуры, которые запоминаются по сигналу с выхода 32 ключа 33 на регистрирующем приборе 2.

Далее сигнал с четвертого выхода 12 блока 6 отключает источник 17. Через время, заданное блоком 6 и необходимое для приведения датчика 3 в состояние равновесия с исследуемой средой (материалом) после проведенного измерения, процесс измерения автоматически повторяется.

Источник 1 постоянного напряжения предназначен для питания всех узлов схемы и подачи стабилизированного опорного напояжения на вход преобразователя 36, причем напряжение питания на преобразователь 38, на ключ 33 и счетчик 7 подается только на время измерения выбранного параметра, что позволяет реализовать устройство с автономным питанием от малогабаритных батарей или аккумуляторов с напряжением 9 В, или от малогабаритного выпрямителя напряжения.

Генератор 5 тактовых импульсов предназначен для выдачи прямоугольных импульсов с частотой 10-50 кГц. Частота генератора задается с помощью кварцевого резонатора или конденсатора с малым ТКЕ.

Блок 6 управления предназначен для выработки очередности сигналов включения, отключения и сброса основных блоков и элементов схемы: источника 1 постоянного напряжения, счетчика 7, коммутатора 15, источника 17, блока 16 и может быть выполнен по схеме, представленной на фиг.2.

Блок 6 управления содержит таймер 41, первый 42, второй 43 и третий 44 резисторы, первый 45 и второй 46 конденсаторы, первый 47, второй 48 и третий 49 инверторы, выходы 50 и 51 таймера и входы 52-55.

Блок 6 работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходах 50 и 51 таймера 41 и выходах 10 и 11 блока высокий уровень напряжения, а на первом 9 и четвертом 12 выходах блока - низкий. Через первый 42 и второй 43 резонаторы происходит заряд первого конденсатора 45 до напряжения, равного 211Пит/3, при этом через время, равное 0,685 (Ri+R2) С, на выходах 50 и 51 таймера 41 и втором выходе

10 блока появляется напряжение низкого уровня, а на выходе 11 - напряжение высокого уровня. На первом выходе 9 блока - положительный импульс длительностью не более 500 мкс, зависящий от емкости второ0 го конденсатора 46, третьего резистора 44 и порога срабатывания первого инвертора 47, а на третьем выходе 11 блока - отрицательный импульс.

Далее первый конденсатор 45 начинает

5 разряжаться через первый резистор 42 до напряжения 1)пит/3 и через время, равное 0,685 -R2 С, на выходе 50 таймера 41 и выходе 10 блока появляется высокий уровень, а на четвертом выходе 12 блока - низ0 кий. Далее процесс работы схемы циклически повторяется.

Счетчик 7 предназначен для измерения длительности импульсов, зависящих от влажности и температуры, путем счета час5 тоты, вырабатываемой генератором 5, в течение времени действия импульса соответствующей длительности.

Коммутатор 15 предназначен для отключения по сигналу от блока 6 выхода ис0 точника 17 от преобразователя 36.

Источник 17 постоянного тока предназначен для подачи импульса постоянного тока 50-200 мА на датчик 3.

Преобразователь 38 кодов предназна5 чен для перекодировки кода счетчика 7 в значение температуры или влажности с целью линеализации функций р, (ri) и t, (Г2) и получения достоверных показаний на регистрирующем приборе 2.

0 Преобразователь 36 напряжение-длительность импульса предназначен для преобразования напряжения Ко, пропорционального измеряемой температуре, на датчике 3 в длительность импульса и может

5 быть выполнен по схеме, представленной на фиг.З.

Преобразователь 36 содержит конденсатор 56, резистор 57 и компаратор 58. Преобразователь 36 работает следую0 щим образом.

В исходном состоянии на выходе компаратора 58 высокий уровень напряжения, при этом до напряжения заряжен конденсатор 56. Разряд до напряжения Don

5 осуществляется через резистор 57 в течение времени

U

П RC-ln

U

оп

При равенстве напряжений Uc и Don на выходе компаратора 58 появляется сигнал О.

Датчик 3 температуры и влажности выполнен в виде термочувствительного эле- мента, покрытого пленкой избирательного к молекулам НаО сорбента.

Компаратор 4 предназначен для сравнения напряжений на первом 22 и втором 23 входах. При равенстве напряжений на выходе должен быть сигнал О.

Ключ 33 предназначен для выбора режима регистрации информации Температура или Влажность. Выбор режима осуществляется путем подачи на вход 40 преобразователя 38 уровня О или уровня 1 соответственно, а также путем подключения выхода 32 ключа к одному из его входов 35 или 34 соответственно. В качестве ключа может использоваться сдвоенный тумблер.

Регистрирующий прибор 2 предназначен для регистрации значений температуры или влажности и может быть выполнен на индикаторе с дешифраторами.

Резистивный делитель 19 предназначен для деления напряжения датчика 3 и обеспечения температурной компенсации показаний по влажности. Резистивный делитель 19 может быть выполнен по схеме, пред- ставленной на фиг.4.

Резистивный делитель 19 содержит первый 59 и второй 60 резисторы и терморезисторы 61. Номиналы резисторов зависят от сопротивления датчика 3, тока, приложенного к датчику 3, материала датчика и материала, используемого в качестве сорбента.

Блок 16 выборки и хранения предназначен для запоминания напряжения с выхода источника 17 постоянного тока и удержания его на время действия импульса измерения влажности на входе компаратора 4,

В предлагаемом устройстве, кроме измерения влажности окружающей среды, осуществляется одновременное измерение ее температуры, что расширяет функциональные возможности устройства. Повышается точность измерения, Это достигается тем, что в схему введены резистивный дели- тель 19 и блок 16, которые позволяют сделать независимой длительность теплового импульса при изменении влажности от температуры. Введение в схему преобразователя 38 позволяет линеализовать кри- вую зависимости длительности теплового импульса от влажности исследуемой среды или материала и сгладить возможную нелинейность зависимости мгновенного падения напряжения на датчике 3, преобразованного в цифровой код, от температуры исследуемой среды или материала.

Формула изобретения Устройство для измерения параметров среды, содержащее источник постоянного напряжения, регистрирующий прибор; датчик, выполненный в виде термочувствительного элемента, компаратор, генератор тактовых импульсов, первый-третий выходы источника постоянного напряжения соединены соответственно с входами питания генератора тактовых импульсов, первым входом блока управления и первым входом компаратора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены счетчик, коммутатор, блок выборки и хранения, источник постоянного тока, резистивный делитель, ключ, преобразователь кодов и преобразователь напряжение-длительность импульса, при этом вход сброса счетчика соединен с первым выходом блока управления, второй - четвертый выходы которого соединены соответственное первым входом коммутатора, первым входом блока выборки и хранения и первым входом источника постоянного тока, выход которого соединен с первым входом резистивного делителя и вторыми входами коммутатора и блока выборки и хранения, выход которого соединен с вторым входом компаратора, третий вход которого соединен с выходом резистивного делителя, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами датчика, выход генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом счетчика, разрешающий вход которого соединен с входом записи регистрирующего прибора и первым выходом ключа, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом компаратора и выходом преобразователя напряжение-длительность импульса, первый вход которого соединен с выходом коммутатора, выход счетчика соединен с первым входом преобразователя кодов, второй вход и выход которого соединены соответственно с вторым выходом ключа и информационным входом регистрирующего прибора, четвертый выход источника постоянного напряжения соединен с вторым входом преобразователя напряжение - длительность импульса, вход источника постоянного напряжения и первый вход источника постоянного тока соединены между собой, а пятый-одиннадцатый выходы источника постоянного напряжения подключены соответственно к вторым входам блока управления и источника постоянного тока, третьим входам блока выборки и хранения, коммутатора, преобразователя напряжение-длиLU

г. d

56

i5

$

К

Олорн.

Фиг. 5

тельность импульса и преобразователя кодов и входам питания счетчика и регистрирующего прибора.

Бь. ХОС

&ЫХ30

Фиг.