Сверхвысокочастотный влагомер Советский патент 1993 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения влажности листовых, рулонных и других материалов.

Известно устройство для измерения влажности, содержащее генератор, цирку- лятор, стабилизатор мощности, передающую и приемную антенны, первые детектор, усилитель и индикатор, первую согласованную нагрузку, ответвитель, вторую согласованную нагрузку, вторые детектор, усилитель и индикатор, причем генератор подключен через последовательно соединенные циркулятор и стабилизатор мощности к передающей антенне, а приемная антенна подключена к первому детектору и первой согласованной нагрузке, ответвитель через второй детектор подключен к входу первого усилителя, выход которого подключен к первому индикатору и к одному входу второго усилителя, выход которого соединен с вторым индикатором, а другой вход второго усилителя подключен к первому детектору.

К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерения влажности из-за низкой эффективности цепи коррекции по толщине контролируемого материала, что обусловило применение двух детекторов, которые могут иметь различные передаточные характеристики, случайно изменяющиеся во времени и под воздействием внешних условий. Кроме того, отклонение контролируемого материала от рабочего положения в ту или иную сторону в направлении распространения электромагнитной волны существенно изменит величину стоячей волны, а значит и величину корректирующего сигнала, что приведет к появлению дополнительной погрешности измерения влажности.

Известен сверхвысокочастотный влагомер, содержащий управляемый по частоте

XI

Ю Ь. Ю 4 00

CJ

СВЧ-генератор, низкочастотный управляющий генератор, развязывающий аттенюатор, регулятор, мощности, блок выделения отраженного сигнала, два СВЧ-детектора, дифференциальный усилитель, излучающую и приемную антенны, полупрозрачный отражатель, логарифмический преобразователь, усредняющий фильтр, регулируемый видеоусилитель, усилитель огибающей, синхронный детектор, индикаторный прибор и источник опорного напряжения.

Данный сверхвысокочастотный влагомер имеет сравнительно низкую точность измерения влажности потому, что при ступенчатом изменении частоты, а значит и генерируемой мощности СВЧ-генератора, регулятор мощности работает в импульсном режиме что вызывает появление дополнительной динамической погрешности при стабилизации мощности, а значит увеличивает погрешность измерения влажности, Дополнительные погрешности измерения влажности возникают так же из-за амплитудно-частотных искажений в приемном тракте вследствие конечного времени перестройки СВЧ-генератора.

Наиболее близок к предлагаемому сверхвысокочастотный влагомер, содержащий НЧ-парафазный импульсный генератор, первый и второй манипулируемые СВЧ-генераторы, регуляторы мощности, два двойных волноводных тройника, два СВЧ-детектора, две согласованные нагрузки, фильтры нижних частот, дифференциальные усилители, усилители огибающей видеосигналов, синхронные детекторы, регулируемый аттенюатор, передающую и приемную антенны, логарифмический преобразователь, регулируемый видеоусилитель, индикатор, источник опорного напряжения, два волноводных тройника.

Влагомер имеет тот недостаток, что в нем используется видеоусилитель, регулировка коэффициента передачи которого осуществляется с использованием нелинейных элементов, что не позволяет достичь долговременной стабильности и точности регулировочной характеристики, что снижает точность измерения влажности, так как не позволяет в полной мере реализовать потенциальные возможности алгоритма коррекции погрешностей. СВЧ- тракт влагомера, содержащий два двойных волноводных тройника, два простых волноводных тройника, регулируемый аттенюатор, согласованные нагрузки, весьма громоздок, сложен в изготовлении и настройке, в производственных условиях не обеспечивает стабильность своих характеристик.

Цель изобретения - повышение точности измерения влажности при одновременном упрощении конструкции влагомера. Указанная цель достигается тем, что е

5 СВЧ-влагомере, содержащем последовательно соединенный первый СВЧ-генератор и первый управляемый аттенюатор, последовательно соединенные второй СВЧ- генератор и второй управляемый аттенюа0 тор, причем выход первого управляемого аттенюатора подсоединен к Е-входу, а выход второго управляемого аттенюатора - к Н-входу двойного волноводного тройника, первый выход которого через последова5 тельно соединенный первый СВЧ-детектор, первый дифференциальный усилитель, к второму входу которого подключен первый выход регулируемого источника опорного напряжения, и первый фильтр нижних час0 тот подсоединен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора, передающую антенну, второй СВЧ-детектор, логарифмический преобразователь, усилитель низкой частоты и первый синхронный детек5 тор, управляющие входы которого соединены с управляющими входами второго синхронного детектора и с выходами пара- фазного генератора, соединенными так же с модулирующими входами первого и второ0 го СВЧ-генераторов, второй дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с вторым выходом регулируемого источника опорного напряжения, третий фильтр нижних частот и индикатор, выход

5 второго дифференциального усилителя соединен с входом второго фильтра нижних частот, а второй вход - с выходом второго синхронного детектора, выход третьего фильтра нижних частот соединен с первым

0 входом индикатора, а вход - с выходом первого синхронного детектора, при этом выход логарифмического преобразователя соединене вторым дополнительным входом индикатора, а модулирующий вход первого

5 СВЧ-генератора соединен с третьим дополнительным входом индикатора, в свою очередь индикатор содержит последовательно соединенные интегрирующий аналого-циф- ровой преобразователь и регистр памяти,

0 выход которого подсоединён к кодовому входу цифроаналогового преобразователя, и суммирующий усилитель постоянного тока, первый вход которого является первым входом индикатора, второй вход соединен

5 с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход - с управляющим входом цифроаналогового преобразователя и одновременно является информационным выходом индикатора, при этом вход интегрирующего аналого-цифрового преобразователя является вторым дополнительным входом индикатора, а управляющий вход регистра памяти - его третьим дополнительным входом.

Введение в схему влагомера второго дифференциального усилителя, включенного между вторым фильтром нижних частот и вторым синхронным детектором, позволяет путем подачи на его второй вход напряжения от источника опорного напряжения регулировать уровень мощности СВЧ-колебаний -на Н-входе двойного волноводного тройника и тем самым устанавливать нуль влагомера, при этом исключаются из СВЧ-тракта влагомера регулируемый аттенюатор, два волновод- ных тройника и согласованные нагрузки, один двойной волноводный тройник, при условии согласования входов и выходов первого двойного волноводного тройника, что кроме существенного упрощения конструкции влагомера одновременно способствует повышению точности измерения влажности.

Использование в схеме СВЧ-влагомера индикатора с цифроаналоговым делительным устройством, включающим интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, цифровой регистр памяти, цифроаналого- вый преобразователь и суммирующий усилитель тока, соединенные между собой в определенном порядке и включенного в общей схеме своими основным и дополнительными входами к выходу логарифмического преобразователя, модулирующему входу СВЧ-генератора и через фильтр нижних частот - к выходу первого синхронного детектора, позволяет повысить точность измерения влажности за счет уменьшения погрешности отношения сигналов в делительном устройстве индикатора, чему так же способствует включение третьего фильтра нижних частот, который снижает пульсации выпрямленного напряжения после первого синхронного детектора.

Сопоставление с прототипом позволяет сделать вывод о том, что данный СВЧ-вла- гомер отличается от известного введением новых элементов и их соединением между собой и в общей схеме, а именно:

- выход второго дифференциального усилителя соединен с входом второго фильтра нижних частот, а второй вход - с выходом второго синхронного детектора;

-1 выход третьего фильтра нижних частот соединен с первым входом индикатора, а вход - с выходом первого синхронного детектора, при этом выход логарифмического преобразователя соединен с вторым дополнительным входом индикатора, а

модулирующий вход СВЧ-генератора соединен с третьим дополнительным входом индикатора;

- индикатор, включающий последова- 5 тельно соединенные интегрирующий аналого-цифровой преобразователь и регистр памяти, выход которого подсоединен к кодовому входу цифроаналогового преобразователя, и суммирующий усилитель 0 постоянного тока, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход - с управляющим входом цифроаналогового преобразователя и одновременно является информаци- 5 онным выходом индикатора;

- первый вход суммирующего усилителя тока является первым входом индикатора, вход интегрирующего аналого-цифрового преобразователя является вторым дополни0 тельным входом индикатора, управляющий вход регистра памяти - третий дополнительный вход индикатора.

Таким образом, устройство соответствует критерию новизна.

5 Сравнение данного технического решения с другими показывает, что суммирующий усилитель постоянного тока, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, регистр памяти широко.

0 известны и применяются в цифровой и аналоговой измерительной технике. Однако введение их в схему в указанной взаимосвязи и связи с остальными элементами в предлагаемом влагомере позволяет им проявить

5 новые свойства, которые позволяют повысить точность измерения влажности и одно- временно упростить конструкцию влагомера.

Следовательно, можно сделать вывод о

0 соответствии этого технического решения критерию существенные отличия.

На чертеже представлена блок-схема сверхвысокочастотного влагомера.

СВЧ-влагомер содержит первый и вто5 рой СВЧ-генераторы 1 и 2, модулирующие входы которых подключены к парафазным выходам низкочастотного генератора 3. СВЧ-генераторь 1 и 2 через управляемые аттенюаторы 4 и 5 соединены с Е- и Н-вхо0 дами двойного волноводного тройника 6, к одному из выходов которого подключена излучающая антенна 7, а к второму выходу подсоединен первый СВЧ-детектор 8, который своим выходом соединен с первым вхо5 дом первого дифференциального усилителя 9 и входом усилителя низкой частоты 10. Второй вход дифференциального усилителя 9 соединен с источником опорного напряжения, а выход его соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора 4

через первый фильтр нижних частот 11. Выход усилителя низкой частоты 10 соединен с входом первого синхронного детектора 12, выход которого подключен к первому входу второго дифференциального усилителя 13, соединенного вторым своим входом с источником опорного напряжения, а выходом - с управляемым аттенюатором 5 через второй фильтр нижних частот 14. Опорное напряжение поступает от источника 15. Контролируемый влажный материал 16 располагается между излучающей 7 и приемной антенной 17, к которой подключен второй СВЧ-детектор 18, соединенный с логарифмическим преобразователем 19, к выходу которого последовательно подключены второй усилитель низкой частоты 20, второй синхронный детектор 21 и третий фильтр нижних частот 22„Управляющие входы первого 12 и второго 21 синхронных детекторов соединены с выходами-парафазного генератора 3. Выход третьего фильтра нижних частот 22 соединен с первым входом индикатора, выход логарифмического преобразователя 19 соединен с вторым дополнительным входом . индикатора, а модулирующий вход первого СВЧ-генерато- ра 1 .соединен с третьим дополнительным входом MHflviiOTOpa, который включает в себя интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 23 с регистром памяти 24, .цифроанадоговый преобразователь 25 и суммирующий усилитель тока 26. . .

СВЧ-влагомер работает следующим образом. СВЧ-генераторы 1 и 2, работающие поочередно под действием модулирующего напряжения парафазного генератора 3, генерируют СВЧ-колебания с длинами волн А1 и Я 2, которые через регулируемые аттенюаторы 4 и-5 поступают, на Е- и Н-входы двойного волноводного тройника б, где происходит их суммирование. Часть мощности СВЧ-колебаний используется на излучение антенной 7 в виде зондирующего сигнала, а часть-детектируется СВЧ-детектором8, на нагрузке которого выделятся постоянная составляющая детектирования и видеоимпульсы, амплитуда которых пропорциональна мощности СВЧ-колебаний, поступающих в Е- и Н-входы двойного волноводного тройника 6. Постоянная составляющая усиливается дифференциальным усилителем 9 и через фильтр нижних частот 11 воздействует на управляемый аттенюатор 4 так, чтобы скомпенсировать изменение уровня мощности СВЧ-колебаний в Е-входе тройника 6. Изменяя опорное напряжение на втором входе дифференциального усилителя 9, можно регулировать уровень мощности СВЧ-колебаний на Е-входе двойного волноводного тройника 6. Огибающая видеоимпульсов, которая усиливается усилителем низкой частоты 10, пропорциональна разности уровней мощности СВЧ-колебаний с

длинами волн AI и А 2, поступающих на Е- и Н-входы тройника 6, детектируется синхронным детектором 12, усиливается дифференциальным усилителем 13 и воздействует через фильтр нижних частот 14 на управляемый аттенюатор 5 таким образом, чтобы свести к минимуму различие в уровнях мощности СВЧ-колебаний на Е- и Н-входах двойного волноводного тройника 6, а значит и на выходе излучающей антенны 7. Изменяя уровень опорного-напряжения на втором входе дифференциального усилителя 13, можно вводить разбаланс между каналами волноводного тракта и регулировать нуль влагомера. Данная часть СВЧ-влагомера представляет собой двухчастотный источник зондирующего СВЧ-сигнала с автоматической стабилизацией уровня излучаемой мощности СВЧ-колебаний,

Импульсы СВЧ-колебаний с длинами

волн AI и А2, прошедшие с затуханием, пропорциональным величине влажности, контролируемый материал 16, воспринимаются приемной антенной 17, детектируются вторым СВЧ-детектором 18 и с выхода логарифмического преобразователя 19 поступают на вход усилителя низкой частоты 20 и первый вход индикатора - вход интегрирующего аналого-цифрового. преобразователя 23. Амплитуды видеоимпульсов на выходе

логарифмического преобразователя пропорциональны степени затухания СВЧ-ко- лебаний с длинами волн А1 и А 2 во влажном материале и равны соответственно Ui, Ш, Усилитель.низкой частоты 20 усиливает сигнал огибающей видеоимпульсов, амплитуда которого определяется разностью Ui и U2, поэтому сигнал на выходе фильтра нижних частот 22

. U K2oK2iK22 (U2-Ui),

. . . .

где К2о, K2i, K22 - коэффициенты передачи усилителя низкой частоты 20, синхронного1 детектора 21, фильтра нижних частот 22 соответственно..

Выходной код интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 23 (см., например, Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л.: Энергоатомйздат. 1988, с.202) пропорционален среднему значению входного видеосигнала:

U

Ui +U2

Выходной код N аналого-цифрового преобразователя 23 запоминается регистром памяти 24 на время преобразования, а перезапись кода осуществляется фронтом импульсного сигнала, поступающего с модулирующего входа СВЧ-генератора 1, Циф- роаналоговый преобразователь 25 формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное входному коду N и образцовому напряжению U06p:

Un N Uo6p

где No - разрядность цифроаналогового преобразователя.

На первый вход суммирующего усилителя 26, являющийся одновременно первым входом индикатора, поступает напряжение U, которое преобразуется во входной ток при помощи резистора Ri, на второй его вход поступает выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 25 Un. которое преобразуется во входной ток при помощи резистора R2. Выходное напряжение суммирующего усилителя тока 26, являясь выходным информативным сигналом влагомера, служит образцовым напряжением цифроаналогового преобразователя 25 и определяется следующим выражением (см. Титце У,, .Шенк. К. Полупроводниковая схе- мотехника, М.: Мир, 1982, с.452):

U

вых

R.1 On 0RlK20K2lK22(U2-Ul) R2R2 (Ul + U2)

Полученное выражение для выходного сигнала влагомера свидетельствует о том, что данная схема (индикатор) является аналого-цифровым делительным устройством и реализует алгоритм обработки измерительного сигнала, предусмотренный в прототипе, за счет чего обеспечивается авто магическая, коррекция погрешности измерения влажности, обусловленной изменением

толщины, плотности и температуры контролируемого материала. Погрешность выполнения операции деления определяется стабильностью резисторов Ri и R2 и разрядностью аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей (для 12 разрядов погрешность 0,05-0,1%). Лучшие аналоговые делительные устройства имеют на порядок большую погрешность

(см. Жилинскас Р.П. Измерители отношения и их применение в радиоизмерительной технике, М.: Сов. радио, 1975, с.320).

Предлагаемая схема СВЧ-влагомера позволяет реализовать цель изобретения: повысить точность измерения влажности при одновременном упрощении конструкции влагомера.

Функциональные узлы и блоки СВЧ- влагомера могут быть выполнены на серийных электронных элементах широкого применения: СВЧ-генераторы - на диодах Ганна и ЛПД, управляемые аттенюаторы - на p-i-n диодах, СВЧ-тракт - на базе волно- водных -или полосковых конструкций, логарифмический преобразователь, усилители низкой частоты, дифференциальные усилители, фильтры и др. - на микросхемах серий К140, К1101, К544, аналого-цифровой и циф- роаналоговый преобразователь, регистр па-.

мяти - на микросхемах серий К561. К572, К427 и др. Прецизионные резисторы RI и R2 можно использовать из состава резистив- ных матриц цифроаналогового преобразователя.

Настройка предлагаемого влагомера сводится к установке требуемого уровня мощности СВЧ-колебаний в передающей антенне и регулировке нуля влагомера по сухому материалу или без него.

Испытания макета влагомера показали. что по сравнению с прототипом погрешность измерения влажности картона, ДСП, ДВП и др уменьшается в 2-3 раза и составляет 0,5-1,0% в диапазоне влагосодержания от 5 до 150%.

Использование: изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения влажности листовых, рулонных и др. материалов. Сущность изобретения: Влагомер содержит СВЧ-генераторы, парафаз- ные генератор, управляемые аттенюаторы, двойной волноводный тройник, передающую и приемную антенны, СВЧ-детекторы, дифференциальные усилители, усилители низкой частоты, фильтры нижних частот, регулируемый источник опорного напряжения, логарифмический преобразователь, синхронные детекторы, АЦП, регистр памяти и суммирующий усилитель постоянного тока. 1 ил.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Сверхвысокочастотный влагомер, содержащий последовательно соединенные первый СВЧ-генератор и первый управляв- мый аттенюатор, последовательно.соединен- ные второй СВЧ-генератор и второй управляемый аттенюатор, выход первого управляемого аттенюатора подсоединен к

Е-входу, а выход второго управляемого аттенюатора - к Н-входу двойного волновод- ного тройника, первый выход которого через последовательно соединенные первый СВЧ-детектор, первый дифференциальный усилитель, к второму входу которого подключен первый выход регулируемого источника опорного напряжения, и первый

фильтр нижних частот подсоединен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора, а второй выход - к передающей антенне, приемную антенну, второй СВЧ- детектор, логарифмический преобразователь, усилители низкой частоты, первый синхронный детектор управляющие входы которого соединены с управляющими входами второго синхронного детектора и с выходами парафазного генератора, соединенными также с модулирующими входами первого и второго СВЧ-генераторов, второй дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с вторым выходом регулируемого источника опорного напряжения, третий и второй фильтры нижних частот и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, выход второго дифференциального усилителя соединен с входом второго фильтра нижних частот, а второй вход - с выходом второго синхронного детектора, выход третьего фильтра нижних частот соединен с первым входом индикатора, а выход - с выходом

первого синхронного детектора, при этом выход логарифмического-преобразователя соединен с вторым дополнительным входом индикатора, а модулирующий вход первого

СВЧ-генератора соединен с третьим дополнительным входом индикатора.

аналого-цифрового преобразователя является вторым дополнительным входом индикатора, а управляющий вход регистра памяти - его третьим дополнительным входом.