Устройство для измерения влажности твердых веществ Советский патент 1993 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности неоднородных по толщине материалов.

Цель изобретения - автоматизация процесса контроля влажности материалов, неоднородных по толщине

Предлагаемое устройство позволяет автоматически измерять относительное откло- нение суммарной емкости датчика с исследуемым материалом от суммарной емкости датчика с эталонным материалом при максимальных амплитудах напряжения

между первым и третьим электродами датчика, что позволяет исключить влияние поверхностного слоя, а также сопротивлений потерь датчика как при измерении емкости датчика с исследуемым материалом,так и при измерении емкости датчика с эталонным материалом. По результату измерения относительной емкости рассчитывается влажность материала.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 - электрическая схема защемления емкостного трехэлект- родного датчика. На фиг.З - схема блока

управления. На фиг.4а, б схемы преобразователей напряжение-код. На фиг,5 изображено пространственное распределение электрических полей в.трехэлектродном датчике и исследуемом материале.

Устройство (фиг. 1) содержит два генератора 1 и 2 переменного напряжения, управляемый ключ 3, блок 4 управления, два преобразователя 5 и 6 напряжение-код, резистор 7, генератор 8 тактовых импульсов, повторитель 9 напряжения, усилитель 10 с аттенюатором, три электрода 11. 12 и 13 емкостного датчика, исследуемый материал

14и вычислительный блок 15.

При этом генераторы 1 и 2 переменного напряжения попеременно через управляемый ключ 3 и резистор 7 соединены с первым электродом 11, переключающий контакт управляемого ключа 3 соединен с входом первого преобразователя 5 напря- жение-код, у которого разрядные выходы кода соединены с первой шиной данных вычислительного блока 15, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислитель- ного блока 15, первый электрод 11 соединен через последовательно соединенные повторитель 9 напряжения и усилитель 10 с аттенюатором, с вторым электродом 12, и соединен с входом второго преобразовате- ля 6 напряжение-код, у которого разрядные выходы соединены с второй шиной данных вычислительного блока 15, второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислитель- ного устройства 15, а третий выход соединен с генератором 8 тактовых импульсов, выход которого соединен с управляющим входом усилителя-аттенюатора 10, третий электрод 13 соединен с общей шиной, вы- ход конец записи вычислительного блока

15соединен с входом 4 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 3, второй выход соединен с входом начала преобразования первого преобразователя 5 напряжение- код, третий выход соединен с входом начала преобразования второго преобразователя б напряжение-код.

Устройство работает следующим обра- зом, Емкостной датчик с тремя электродами 11, 12 и 13 прикладывают к эталонному сухому материалу. По сигналу Пуск блока 4 управления ключ 3 подключает к измерительной цепи генератор 1 переменного на- пряжения с частотой D по другому сигналу блока 4 управления преобразователь 5 напряжение-код преобразует в код амплитуду напряжения Uf,3i на входе цепи (фиг.2) с двухполюсником (С. суммарная емкость

датчика с эталонным материалом, Яд - сопротивление потерь датчика с эталонным материалом, R0 - резистор 7), значение которой заносится в память вычислительного блока 15, а сигнал об окончании записи с вычислительного блока 15 поступает в блок 4 управления. С задержкой во времени по сравнению с сигналом блока 4 управления на первый преобразователь 5 поступает сигнал с блока 4 управления на второй преоб- разователь 6 напряжение-код, где по достижению максимального значения амплитуды напряжения U31 между первым и третьим электродами 11 и 13 происходит преобразование этого напряжения в код и затем заносится в память вычислительного блока 15. Генератор 8 тактовых импульсов подает сигналы на усилитель-аттенюатор 10. с помощью которого изменяется напряжение между вторым и третьим электродами 12 и 13 до достижения максимального значения амплитуды напряжения между первым и третьим электродами 11 и 13, после чего происходит преобразование амплитуды напряжения U31 и сигналом второго преобразователя 6 на генератор 8 импульсов прекращается регулирование напряжения на усилителе-аттенюаторе 10, который возвращается в начальное состояние и заново начинает регулировку, но уже при сигнале другой частоты.

По поступлению второго сигнала в блок 4 управления с вычислительного блока 15 об окончании записи амплитуды напряжения Уэ1 в блоке 4 управления вырабатывается сигнал, который подключает ключом 3 к измерительной цепи генератор 2 переменного напряжения с частотой ад. По аналогичной последовательности во времени поступают сигналы с блока 4 управления на два преобразователя 5 и 6 напряжение-код, которое преобразуют амплитуду напряжения , которая равна амплитуде напряжения Усы на частоте ал, и по достижению максимального значения амплитуду U32 в код, значение которых заносятся в память вычислительного блока 16. По окончанию записи в вычислительном блоке 15 происходит вычисление по алгоритму

отношения .

, Uos1 , Uo32 ГДе КЭ1 -г-: И КЭ2 -г-.

UsiиЭ2

плитуд напряжений на входе делителя напряжения (фиг.2) к емкостному датчику на двух частотах и ад, соответственно.

Далее аналогичным образом происходит измерения амплитуд напряжений U0xi и

Uxi, Uox2 и Ux2 на делителе напряжения и емкостном датчике с исследуемым материалом 14 (фиг.2) (Сх - суммарная емкость датчика с исследуемым материалом, Rx - сопротивление потерь емкостного датчика с исследуемым материалом), на двух частотах ом и ад входных сигналов, соответственно. Причем также поддерживается равенство амплитуд напряжений на делителе Uoxi - -Uох2 на двух частотах ом и аи. Таким обра- зом осуществляется регулировка амплитуды напряжения на втором электроде 12 по достижению максимального значения амплитуды напряжения на первом электроде 11. По окончанию записи кодов в вычисли- тельном блоке 15 происходит вычислительные операции по алгоритму.

v/kT-kf.

где ki

Uox1

И К2

Uox2

- отношения ампUxl. Ux2

литуд напряжений на входе делителя напряжения (фиг.2) к емкостному датчику с исследуемым материалом на двух частотах ал и ад соответственно.

Затем происходит вычисление отношения емкости датчика с исследуемым материалом к емкости датчика с эталонным материалом.

Сх T kfЈkT Сэkl2 - kii

По результатам измерения отношения емкостей, рассчитывается влажность твердого вещества.

Блок 4 управления (фиг.З) содержит два ключа 16 и 17, два двоичных счетчика 18 и 19, триггер 20, два элемента задержки 21 и 22. При этом вычислительный блок 15 через ключ 16 соединен с первым входом двоич- Htoro счетчика 18, который через триггер 20 соединен с управляющим входом управляемого ключа 3, и с входом второго двоичного счетчика 19, выход которого соединен с вторым входом триггера 20, к которому через ключ 17 подключено положительное напряжение.

При включении ключа 17 подается положительное напряжение на второй вход триггера 20, который срабатывает и последовательно во времени подключает пер- вый генератор 1 переменного напряжения с частотой ом, первый и второй преобразователи 5 и 6 напряжение-код, которые преобразуют в код амплитуды напряжений Коэ1 и Uai, которые по разрядным выходам кода заносятся в память вычислительного блока

5 0 5

0

5

0

5

0

5

0

5

15. По поступлению двух последовательных во времени сигналов о записи на первый двоичный счетчик 18 в нем вырабатывается сигнал, который подается на первый вход триггера 20, который сработав, подключает последовательно во времени второй генератор 2 переменного напряжения с частотой (01, первый и затем второй преобразователя 5 и 6 напряжение-код, которые преобразуют в код амплитуды напряжений Uotf и Оэ2, которые по разрядным выходам заносятся в память вычислительного блока 15. Два последовательных сигнала о записи поступают на первый двоичный счетчик 18 и далее повторяются измерения на двух частотах ом и ад до тех пор пока ключом 16 Останов не будет разомкнута цепь блока 4 управления.

Первый преобразователь 5 напряжение-код (фиг.4а) содержит амплитудный детектор 23 и стандартный функционально- законченный аналого-цифровой преобразователь 24, в котором имеются клеммы цифрового выхода, готовности данных, начала преобразования, а также питания и аналогового входа. При поступлении сигЪа- ла с блока 4 управления на АЦП начало преобразования осуществляется преобразование сигнала в код и после передачи сигнала готовности на вход разрешение записи вычислительного блока 15 осуществляется занесение по разным выходам кода в память вычислительного блока 15.

Второй преобразователь 6 напряжение- код (фиг.4б) содержит амплитудный детектор 25, элемент задержки 26, схем-у совпадения 27 и стандартный аналого-цифровой преобразователь 28. При поступлении сигнала начало преобразования с блока 4 управления преобразования начнутся только при максимальном значении амплитуды напряжения на емкостном датчике, когда после амплитудного детектора 25 два сигнала - прямой и через элемент задержки совпадут в схеме совпадения 27 и на входе АЦП 28 будет максимальное значение амплитуды напряжения на емкостном датчике между первым и третьим электродами 11 и 13.

На фиг.5 изображено пространственное распределение электрических полей в трехэлектродном датчике и исследуемом материале. При этом создается два электрических поля - основное, создаваемое между электродами 11 и 13, под действием разности потенциалов р - и дополнительное, создаваемое между электродами 11 и 12. под действием разности потенциалов Д - pi. Причем дополнительное

поле имеет по сравнению с основным полем сравнительно малую глубину. Если р2 ул. то силовые линии дополнительного поля направлены навстречу силовым линиям основного поля, поэтому в поверхностном слое материала объекта вследствие суперпозиции полей происходит их взаимная компенсация. Регулируя величину потенциала на электроде 12 при неизменном потенциале на электроде 11, изменяют напряженность дополнительного поля, при этом меняется его глубина проникновения, что позволяет компенсировать основное поле на заданную глубину. При этом изменяется емкость между электродами 11 и 13 достигает минимального значения т.е. исключается влияние поверхностного слоя переменной толщины.

Суммарная емкость датчика

Cx VCn + Ci3-Ci2 .

где Су - балансовая емкость датчика (подложки, проводов и т.п.);

Си - собственная частичная емкость электрода 11;

Ci2 - частичная емкость между электродами 11 и 13;

С 13 - частичная емкость между электродами 11 и 12.

Напряженность электрического поля, создаваемого компланарной системой электродов, максимальна на поверхности материала и нелинейно убывает по его толщине. В емкости Си и Ci3 существенный вклад вносит поверхностный слой материала, диэлектрические свойства которого могут заметно отличаться от остальной массы материала. Емкое, ь целиком определяется свойствами поверхностного слоя материала. Регулируя напряжение на электроде 12 можно добиться минимального значения суммарной емкости или максимального значения амплитуды напряжения на первом электроде 11, устранения влияния поверхностного слоя на результаты измерения.

Комплексное напряжение в цепи (фиг.2)

Uo UBUx + UBlJx(+JftjCx)Ro, (1)

где Do и Увых - комплексное напряжение на делителе напряжения - сопротивление и емкостной датчика и на емкостном датчике.

Отношение комплексных напряжений

Uo

(1 f Ј2) f J о CxRo

Модули комплексного напряжения есть наблюдаемые U0 и Увых амплитуды напряжений, соответственно.

Квадрат модуля (2)

5

„,2 г 2 R 2 ш LX о

(3)

Условно обозначим отношения амплитуд напряжений через k- U°

ивых

Тогда (3) с учетом (4) будет k2-(i+ )2+ Cx2Ro2

Их

(4)

(5)

При наблюдении амплитуд напряжений Uoxt и Uox2 на двух частотах ш 1 и ш г входных сигналов на делителе напряжения и на емкостном датчике Uxi и UX2 на тех же час- тотах получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными Сх и Rx.

Ro422 2 г, 2 . 2

О М

(1+ g)2+M22Cx2Ro2 k22,

(6)

где ki и К2

Uox2

- отношения ампUxl Ux2

литуд напряжений на частотах MI и од, соответственно. Решение (6)

CX WJ V k3 - kT R°

(7)

Процесс измерения реализуется следующим образом. Подается напряжение постоянной амплитуды Uoxi и Uox2 на частотах

и 0)2. раздельно во времени на делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных резисторе R0 и емкостном датчике. Измеряют амплитуды напряжений Uxi и Ux2 на емкостном датчике между первым и третьим электродами 11 и 13. При регулировании амплитуды напряжения между первым и вторым электродами до максимального значения, достижения емкости между первым и третьим электродами

11 и 13, а следовательно и суммарной емкости Сх минимального значения исключается влияния поверхностного слоя.

Таким образом, регулируя амплитуду напряжения на втором электроде 12 по достижению максимального значения амплитуд напряжения Uxi и на емкостном датчике между первым и третьим электродами 11 и 13 можно считать, что влияние поверхностного слоя исключается.

Аналогичным образом можно провести измерение емкости Сэ трехэлектродного датчика с эталонным сухим материалом

Uo32

- отношения

11э1Уэ2

амплитуд напряжений при измерении емкости трехэлектродного датчика с эталонным сухим материалом на двух частотах (а и ati, соответственно.

Регулировка осуществляется по максимальному значению амплитуд напряжений Usi и Us2 на емкостном датчике на тех же частотах.

Отношение емкостей (7) и (8) будет

Сэ k|2 - kii

Далее по результатам измерения отношения емкостей определяется влажность материала.

Таким образом, заявленное устройство позволяет автоматизировать процесс измерения влажности твердых материалов в производстве.

Формула изобретения

Устройство для измерения влажности твердых веществ, содержащее два генератора переменного напряжения, ключ, эталонное сопротивление, повторитель на«ИГ.1

г

10

15

20

25

30

35

пряжения, усилитель и трехэлектродный датчик, два генератора переменного напряжения через ключ и через сопротивление соединенные с первым электродом, который через повторитель напряжения и усилитель соединен с вторым электродом, третий электрод, соединенный с общей шиной, о т- личающееся тем, что, с целью автоматизации измерения влажности твердых веществ, в него введены два преобразователя напряжение-код, блок управления, генератор тактовых импульсов и вычислительный блок, причем переключающийся контакт ключа соединен с первым входом первого преобразователя напряжение-код, у которого разрядные выходы кода соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока, первый электрод соединен с входом второго преобразователя напряжение-код, у которо-- го разрядные выходы кода соединены с второй шиной данных вычислительного блока, второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, а третий выход соединен с генератором тактовых импульсов, выход которого соединен с управляющим входом усилителя, выход Конец записи вычислительного блока соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа, второй выход соединен с входом начала преобразования первого преобразователя йапряжение-код, третий выход соединен с входом начала преобразования второго преобразователя напряжение- код.

«иг.2

| Пуск

Фиг.З

J

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: устройство измерения влажности твердых веществ содержит емкостной трехэлектродный датчик с тремя компланарными электродами, которые установлены на исследуемом материале в одной плоскости и на одной оси. Второй электрод расположен между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами меньше расстояния между вторым и третьим электродами. Первый электрод через резистор и ключ попеременно соединен с двумя генераторами переменного напряжения, через последовательно соединенные повторитель и усилитель с аттенюатором с вторым электродом, третий электрод соединен с общей шиной, переключающий контакт ключа соединен с входом первого преобразователя напряжение-код, выходы которого соединены с первыми шиной данных и разрешения записи вычислительного блока. Первый электрод соединен с входом второго преобразователя, первый и второй выходы которого соединены со второй шиной данных и разрешения записи вычислительного блока, третий выход соединен через генератор импульсов с усилителем-аттенюатором, выход вычислительного блока соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с ключом, второй - с первым преобразователем, третий - с вторым преобразователем 5 ил. Ё

I

II

fi /ъ

I/13

Фиг. 5

Составитель Т. Рзаев Техред М.Моргентал

о

Корректор С. Пекарь

Редактор

Заказ 2222ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

I

Фиг.4

KB от4

о

Корректор С. Пекарь