Емкостно-кондуктометрический измеритель влажности Советский патент 1992 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для экспресс- оценки состояния различных материалов, веществ и продуктов непосредственно в производственных условиях и может быть использовано в составе средств автоматизации технологических процессов.

Известен влагомер, содержащий источник напряжения, первичный резистивный преобразователь, образцовый резистор, преобразователь проводимости в напряжение и регистратор. Он имеет недостаточно высокую чувствительность и не обеспечивает требуемой точности регулирования влажности.

Наиболее близким к предложенному является измеритель влажности, содержащий и емкостный, и резистивный первичные преобразователи, подключенные к генератору, термодатчик, блок регистрации и вычислитель. Этот измеритель также имеет низкую чувствительность к изменениям влажности. Указанный недостаток обусловлен тем, «то несмотря на наличие в приборе двух разнотипных датчиков в качестве информативного служит емкостный первичный преобразователь, а резистивный

первичный преобразователь выполняет вспомогательную функцию: участвует в уменьшении погрешности от изменения концентрации солей в испытуемом материале.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель влажности, содержащий первичные емкостный и резистивный преобразователи, подключенные к преобразователям емкости и проводимости соответственно, и регистратор, дополнительно содержит блок перемножения, причем его входы соединены с выходами преобразователей емкости и проводимости, а выход - с регистратором.

На фиг.1 приведена структурная схема измерителя с блоком перемножения напряжений; на фиг.2 - обобщенная структурная схема упрощенного варианта преобразователя емкости (проводимости) в напряжение, где 1 - генератор стабилизированного по амплитуде и частоте напряжения Ui IHmsIn tut, у которого Uim const и CD const; 2 и 3 - преобразователи емкости и проводимости в напряжения Ua и Уз постоянного тока; 4 и 5 - емкостный и резиё

ч| 00

4Ь. СО

о

о

стивный первичные преобразователи обозначены комплексными сопротивлениями 2ц и Zs и представлены параллельной схемой соединения информативного и паразитного параметров; т.е. Rn и Хх, где Хх 1 /ш Сх и RX, Хп, где Хп 1/шСп, причем Сх fi(W), Rx f2(W), где W - относительная влажность контролируемого материала; 6 - блок гГеремножения напряжений; 7 - регистратор (показывающий прибор или АЦП; 2.1 и

3.1-1Шмпа1)атдры напряжений; 2.2 и 3.2 - интеграторы; 2.3 и 3.3 - регулируемые масштабные преобразователи (усилители с регулируемым коэффициентом усиления); 2.4 и 3.4 - фазовые детекторы; 2.5 и 3.5 - амплитудные детекторы; 2.6 и 3.6 - аттенюаторы; 2,1 и 3.7 - узлы нормализации; 3.8 - сумматор напряжений; 2.9 - фазовращатель на угол 90°; R0 - образцовый резистор; RT - терморезистор; Rt - R4 - резисторы входных цепей и цепей обратной связи узлов нормализации 2.7 и 3.7.

Изобретение осуществляется следующим образом. Через емкостный 4 и рези- стивный 5 первичные преобразователи пропускается контролируемый материал, обладающий относительной влажностью W. При этом изменяются электрическая емкость Сх первого и активное сопротивление RX второго первичного преобразователя, которые станут равными Сх Схо + А Сх и Rx Rxo - Д RX. При включении генератора 1 осуществляется подача переменного напряжения Ui в компараторы 2.1, 3.1 и регулируемые масштабные преобразователи 2.3, 3.3. Поскольку в начальный момент времени с компараторов 2.1 и 3.1 снимаются напряжения нулевого уровня, т.е. U2 1 Ua 1 0, то и с выходов интеграторов

2.2и 3.2 тоже получили U2 2 Ug 2 0.

Регулируемые масштабные преобразователи 2.3 и 3.3 выполнены таким образом, что подача на управляющие входы сигнала нулевого уровня обеспечивает получение у них единичного коэффициента передачи, т.е. при (J22 - Us 2 0 имеем К23 Кзз 1. Отсюда следует, что сразу после включения прибора на измерительные цепи, составленные сопротивлением R0 образцового резистора и комплексным сопротивлением Z4 емкостного первичного преобразователя 4, а также сопротивлением RT терморезистора и комплексным сопротивлением Zs резистивного первичного преобразователя 5 будут поступать напряжения, равные напряжению Ui генератора, т.е. Оа зо Оз зо - Oi, хотя в обще4м случае они равны U23 Kas6i и Озз Кзз01. Выходные

сигналы измерительных цепей равны соответственно:

Z4

5 U24°K2.3 Z4+Ro Uim;

K33

Z5

(1)

ZS + RT

Utm.

с помощью амплитудных детекторов 2.5 и 3.5 всегда формируются сигналы U2 5 Uzim и Ua.s Uzsm соответственно. Поскольку Uz4 Ui и UzS Ut, то компараторы 2.1,3.1 в последующий момент времени выработают импульсные сигналы Ua.i(t) О и U3.i(t) 0, которые проходят b соответствующий интегратор и в виде линейно-возрастающих напряжений Ua.2, из.2поступают на управляющие входы регулируемых масштабных преобразователей 2.3 и 3.3, вызывая увеличение их коэффициентов передачи, т.е. Каз 1 и Кзз 1.

Работа этих узлов происходит независимо друг от друга и вызывает увеличение напряжений питания указанных выше измерительных цепей, а вместе с ними рост напряжений (1) и напряжений U2.5, Уз5. Поскольку Uim e const, то наступят моменты, когда увеличенные входные сигнала детекторов 2.5 и 3.5, т.е. U 2.5 и U 3.5, станут равными Uim. Тогда компаратор 2.1 (или 3.1) вновь выдает нулевой уровень, по которому соответствующий интегратор переключится на разрядку. Это приведет к некоторому уменьшению К2.з (или Кзз) и напряжения U 2.5 (U ss). Однако при U 2 5 Uim (или из.5 Uim) вновь сработает компаратор, станет заряжаться соединенный с ним интегратор и повторно будет увеличиваться К2з(или Кзз). В результате в цепи RO, 7.6, (или RT, Zs) восстановится

СОСТОЯНие, При КОТОРОМ U 2.5 Ulm (ИЛИ

U s5 Uim). В дальнейшем этот процесс будет повторяться в каждом канале прибора непрерывно и примет характер периодического, так как благодаря наличию интеграторов 2.2,3.2 и регуляторов 2.3. 3.3 в приборе функционируют независимые друг от друга астатические следящие системы автоматического регулирования.

Установление периодических процессов свидетельствует об окончании измерений, после чего выходные сигналы фазовых детекторов 2.4 и 3.4 при К2.4 в Кз4 - К2 5 Кз 5 1 будут равны

U 2 4 UlmWRoCx, U 34 - U lm(1

Далее с помощью узлов 2.7 и 3.7 нормализации, выполненных на основе дифференциальных усилителей, аттенюаторов 2.6, 3.6 и сумматора 3.8 осуществляется компенсация собственных параметров первичных преобразователей 4 и 5 и соединительных кабелей, т.е. Схо и 1/Rxo. и формируются напряжения U2 и Уз, пропорциональные приращениям емкости Сх и проводимости 1 /RX. т.е. А Сх и Д (1 /Rx). Благодаря сумматору 3.8 одновременно с компенсацией 1 /Rxo в первичном преобразователе 5 производится компенсация постоянной составляющей в напряжении 1Гз.4(2), равной Uim. Для этой цели на один их входов сумматора 3.8 подается напряжение U 35. которое после регулировки становится равным Dim.

Подбирая значения Ка е и Кз.б на выходе преобразователей 2 и Зу окончательно получим

(3)

U2 K2.7UlmCWRo ДСХ.

RTARx

U3 R37Ulm

Rx

RXO A RX

где К2.7 R2/R1, Кз.7 R4/R3Учитывая, что ARx/Rxo(Rxo - ARx)эквивалентно разности между новой и первоначальной проводимостями резистивного первичного преобразователя 5, т.е.

-к- /го5- А (1 /Rx), можно сдег хо Ј1 гчх хо

лать вывод, что сигналы (3) пропорциональны приращениям информативных параметров первичных преобразователей и не зависят от влияния их паразитных параметров, т.е. от сопротивления потерь Rn в емкостном и от емкости электродов Ср в резистивном первичном преобразователе.

Использование блока 6 перемнржения позволяет сформировать сигнал, пропорциональный в конечном итоге отношению приращения АСх емкости емкостного датчика к приращению A Rx сопротивления резистивного датчика, которые противоположны по характеру изменения от W, что и обуславливает значительно более высокую (практически в 5 - 7 раз), чувствительность предложенного прибора по сравнению с известными. Подача его на регистратор 7 вызовет отклонение его стрелки на угол

G2 К2.7 Кз.7 К (О Ro RT X xACx A(1/Rx)U2lm .(4)

где К - постоянная регистратора 7.

Наряду с более резким характером изменения напряжения с выхода блока 6 перемножения новый прибор обладает также

5 лучшей линейностью по сравнению с характеристикой емкостного или кондукто- метрического влагомера, что обусловлено взаимной компенсацией нелинейностей в характеристиках Сх fi{W) и Rx f2(W).

10 При работе на низких и средах частотах, для которых справедливы условия Rn Хх и Хп Rx, возможно применение и абсолютно одинаковых упрощенных преобразователей емкости АСх или проводиг

15 мости A(1/RX) в напряжение. Обобщенная схема данного узла приведена на фиг.2 и отличается от ранее упоминае мых (фиг. 1) отсутствием фазовых детекторов 2.4, и 3.4 и фазовращателя 2.9. Работа прибора с упро20 щенными преобразователями 2.3 осуществляется точно так же, как и в первом, более строгом варианте, ко по окончанию процесса измерения на выходах указанных узлов будут получены следующие сигналы:

25

.7UlmRoA(1/Z4),

(5) U3y K37UlmRTA(1/Z5),

30 которые с учетом приведенных выше условий легко могут быть сведены также к виду (3). В результате реакция регистратора 7 на воздействия сигналов (3) будет также описываться выражением (4).

35 Учитывая произведенные упрощения, можно сделать вывод о возможности унификации узлов 2 и 3 и о снижении трудозатрат при их изготовлении и настройке. Наличие в схеме термочувствительного элемента

40. (терморезистора RT) позволяет до минимума снизить влияние колебаний температуры окружающей среды и контролируемого материала, причем для этого не требуется введения дополнительных узлов.

45

Формула изобретения

Емкостно-кондуктометрический измеритель влажности, содержащий емкостный

50 и резистианый первичные преобразователи, подключенные к преобразователям емкости и проводимости соответственно и регистратор, отличающийся тем. что, с целью повышения чувствительности, он

55 дополнительно содержи. блок перемножения, причем его входы соединены с выходами первичных преобразователей емкости и проводимости, а выход - с регистратором.

JL

±

JL

Использование: контроль влажности различных материалов. Сущность изобретения: устройство содержит емкостный и резистивный преобразователи, блок перемножения, регистратор,2 ил.

Фи. /. rh Л

Мъ)