Импульсный рефлектометрический измеритель влажности капиллярно-пористых тел Советский патент 1993 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к рефлектомет- рическому измерителю влажности капиллярно-пористых тел, в частности почвы, для измерения объемной влажности (массы воды в одном кубическом метре материала) основанному на постоянной диэлектрической зависимости тела от его влажности.

Целью изобретения является автоматизация измерения капиллярно-пористых тел, автоматически работающего по различным программируемым пользователем режимам, в особенности, по режиму автоматического контроля наводняющих систем, а также по режиму автоматической регистрации динамики влажности, в частности, почвы, причем, замер влажности почвы

осуществлялся бы в ряде избранных точек ее профиля без необходимости переключения отдельных, установленных в этих пунктах испытателей, во время каждого измерения производилось бы автоматически: компенсирование дрейфа измерителя и запись индивидуальных параметров активного в данное время испытателя. Эта цель достигнута следующим образом.

Рефлектометрический измеритель влажности согласно изобретению содержит испытатель, составленный из п волноводов,

где ,2N. Ими могут быть волноводы

любого типа и формы, с воздушным диэлектриком, концы которых могут быть раскрытыми или замкнутыми и длины которых

00

ы ел о

о

ю

СА)

могут быть равными или различными. Упомянутые волноводы соединены параллельно, в разветвлении, посредством отрезков линий связи, именуемых далее фидерами. К упомянутому разветвлению присоединен также общий отрезок фидера, который посредством входного соединения, соединяет отдельные системы волновод-фидер со стробирующей головкой измерителя. Каждый из фидеров, соединяющих отдельные волноводы в разветвлении обладает местной скачкообразной прерывностью характеристического полного сопротивления (волнового полного сопротивления), именуемую далее отметчиком времени, вызванной в избранном месте фидера вследствие частичного нарушения его свойств,

К входному соединению, также как и к стробирующей головке, подведены шпилечные импульсы от генератора шпилечного импульса и задержанные шпилечные импульсы от генератора задержанного шпи- лечного импульса, возбужденных импульсами из системы, управления. Один из выходов этой системы соединен соответственно с генератором шпилечного импульса, а также посредством управляемой замедляющей системы, с генератором задержанного шпилечного импульса. Другой выход контроллера соединен со сбрасывающим входом стробирующей головки. Выход стробирующей головки присоединен к устройству, отсчитывающему напряжение.

Система управления измерителя представляет собой типовой микропроцессорный контроллер, в состав которого входят: микропроцессор, записываемая (програм-. мировальная) сохраняющаяся память типа PROM запоминающая память с прямым доступом RAM, световой индикатор и клавиатура,предназначенная для программирования работы измерителя по режиму автоматического измерения влажности, по режиму переписывания набора замеров во внешнее устройство (которым может быть магнитофон, гибкие диски или компьютер) либо по режиму сотрудничества с автоматической наводняющей системой, Упомянутый контроллер координирует взаимодействие стробирующей головки и обоих генераторов шпилечного импульса, в соответствии с программой, стойко записанной в PROM - если работает в режиме автоматического измерения влажности - записывает измеренные влажности, а также отдельные глубины, к которым, относятся равно как и сроки замеров, в память RAM.

Включающий вход генератора шпилечного импульса присоединен к упомянутому контроллеру посредством линии задержки,

а включающий вход генератора задержанного шпилечного импульса соединен с контроллером посредством замедляющей системы, управляющий задержкой вход которой соединен с контроллером посредством цифро-аналогового преобразователя. Стробирующая головка измерителя соединена с контроллером посредством устройст- ва, отсчитывающего напряжение,

представляющее собой аналого-цифровой преобразователь.

К испытателю прикреплено механически неразъемным образом электрическое присоединение (многократный штепсель

или многоконтактное гнездо), содержащее электрически соединенную с его контактами интегральную схему, представляющую собой записываемую неразрушающуюся память типа PROM, EPROM, ЕЕРРОм или

иную. Она содержит устойчиво вписанные параметры, индивидуальные для данного испытателя. Входы и выходы интегральной схемы, представляющей собой эту память, соединяются с контроллером посредством

магистрали посредством другого взаимодо- пояняющегося с вышеупомянутым присоединения (многоконтактное гнездо или многоконтактный штепсель).

Испытатели-волноводы могут быть равной или различной длины. Ввиду того, что промежутки времени, содержащие отражения, касающиеся отдельных испытателей, именуемые далее временными окошками, не могут перекрываться, длины отрезков

фидеров, соединяющих отдельные волноводы испытателя в разветвлении разнятся таким Образом, чтобы вводимые ими замедления обеспечивали соответствующую сепарацию этих окошек. Упомянутые

длины определены временами задержки импульса между разветвлением и отдельными установленными на фидерах, отметчика- Ми времени, следующим образом:

t(Ln+i)t(U}nd+18 Ј а также

t(U)+td+18 2t(Li),

где t(U-n) - время задержки импульса на отрезке, равном двойной дистанции: разветвление - отметчик времени в следующем, в порядке следования им длины фидера,

t() - аналогично, для предыдущего, в порядке следования длины фидера,

I(LN) - аналогично для самого длинного фидера,

t(Li) - аналогично для самого короткого фидера,

In - длина предыдущего в порядке следования длины волновода,

IN - длина самого длинного волновода,

td мертвое время, необходимое для преодоления импульсом двойной дистанции: отметчик времени - точка соединения фидера с волноводом,

С - скорость света в вакууме,

18-рг- время распространения импуль-

са на пути, равном двойной длине фидера In полностью погруженного в воду.

Принимая произвольно длину самого короткого фидера и вычисляя соответствующее для нее время задержки импульса: 2U

t(Li).

Vk

где К «s 2,5 является относительной постоянной диэлектрической изолятора в фидере, можно рассчитать длину следующего (в порядке следования длины) фидера, в соответствии с вышеуказанной формулой, определяющей t(Ln+i).

Аналогично зная длину второго в порядке следования фидера, можно рассчитать длину третьего и т.д. Формула, определяющая I(LM) диктует ограничение, вытекающее из факта, что отдельные отражения в системе фидр-испытатель наблюдаются многократно. Самые ранние из отражений второго порядка, генерируемые в кратчайший из систем не могут появиться раньше, чем самое позднее из отражений первого порядка.

Решение рефлектометрического измерителя влажности капиллярно-пористых тел согласно изобретению лишено недостатков, являющихся следствием применения шагового импульса и контроля ответа испытателя на этот импульс при помощи синхроскопа или регистрирующего прибора Х-У, В соответствии с изобретением, применен легкий для интерпретации ответа испытателя шпилечный импульс в форме приблизительно соответствующей функции а также применен для контроля этого ответа типовой микропроцессорный контроллер, роль которого заключается в управлении работой подузлов измерителя и в обработке данных, с хранением результатов замеров включительно. Такое решение измерителя обеспечивает возможность автоматической работы измерителя по различным, программируемым пользователем режимам, а в частности, по режиму автоматического контроля наводняющих систем, а также по режиму автоматической регистрации динамики влажности, в частности, почвы.

Соответствующая дифференциация длины фидеров позволяет одновременно производить замер влажности в ряде точек (слоях) в частности, почвы, без применения

электрических переключателей. Количество этих точек соответствует количеству входящих в состав испытателя волноводов. Каждый из отметчиков времени помещен между присоединенным к фидуре волноводом и

0 разветвлением. Наличие разветвления также вводит прерывность характеристического полного сопротивления фидера, что делает его аналогичным, вторым отметчиком времени, общим для всех входящих в

5 состав испытателя фидеров. Отрезок любого из фидеров, лежащий между этими двумя отметчиками времени, представляет собой благодаря достаточной стабильности электрических свойств провода, из которого вы0 полнены фидеры, этанол времени, используемый в каждом измерении для самокалибровки измерителя. Такое решение позволяет избежать влияния дрейфа измерителя на результаты замеров без необхо5 димости его элиминаций, которая в решениях с применением техники строби- рования, как в случае прибора для проверки кабелей TEKTRONIX 1502, сложна и дорогостояща.

0 Если испытатель содержит только один волновод () то вместо разветвления вводится прерывность полного сопротивления для получения второго отметчика времени.

5 Применение в измерителе согласно изобретению записываемой сохраняющейся памяти типа PROM или другой, связанной с данным испытателем неразъемно и присоединяемой на время пользования им кизме0 рителю посредством электрического присоединения, снимает необходимость индивидуального вписывания характеристических для этого испытателя параметров, как это имеет место относительно

5 длины отдельных испытателей в устройстве. В измерителе согласно изобретению кроме длины отдельных волноводов испытателя вписываются в эту память также данные, касающиеся оригинальных для каждого из

0 фидеров эталонов времени и мертвых времени, а также специфические, зависимые от формы волноводов испытателя и способа его применения. Фрагменты программы обслуживания измерителя.

5 Такое решение делает измеритель согласно изобретению неограниченно гибким в разных областях применений.

Предмет изобретения показан на чертеже, в примере, представляющем его конструкцию.

Испытатель измерителя 1 представляет собой систему трех волноводов 1а, 16,1в, из которых каждый сконструрирован из двух взаимноперпендикулярных продольных электродов, каждый в форме стилета. Длины пар электродов разнятся в последовательном порядке для отдельных волноводов, но одинаковы в пределах каждого волновода и составляют для волноводов 1а, 16 и 1в в примере исполнения соответственно: 0,1, 0,25 и 0,50 м, Упомянутые волноводы соединяются параллельно в разветвлении 2 посредством одинаковых в смысле характеристического полного сопротивления, но разнящихся длиной линий связи За, 36 и Зв; именуемых далее фидерами, длины которых в примере исполнения составляют соответствен но: 9,10 и 12 м, а полное сопротивление каждого из них составляет 50 Омов. Каждый из фидеров имеет местную скачкообразную прерывность характеристического полного сопротивления 4а, 46, 4в, именуемую далее отметчиком времени, который расположен между присоединенным к этому фидеру волноводов и разветвлением 2. Разветвление 2 соединяется со стробирующей головкой 5 посредством общего отрезка фидера б, длина которого в примере исполнения равна 15 м.

К входному соединению 7, также как и к стробирующей головке 5 подведены шпилечные импульсы от генератора шпилечного импульса 8 и задержанные шпилечные импульсы от генератора задержанного шпилечного импульса 8, возбуждаемые импульсами из системы управления 10. Один из выходов управляющей системы 10 соединен линией задержки 11с входов 12 генератора шпилечного импульса 8, а также посредством управляемой замедляющей системы 13 с входом 14 генератора задержанного шпилечного импульса 9. Другой выход контроллера 10 соединен с входом сброса 15 стробирующей головки 5, выход 16 которой присоединен у устройству, считывающему напряжение 17, представляющему собой аналого-цифровой преобразователь.

Системой управления 10 является микропроцессорный контроллер, который координирует взаимодействие стробирующей головки 5 и обоих генераторов шпилечного импульса 8 и 9. Освобождающий вход 12 генератора шпилечного импульса 8 присоединен к контроллеру 10 посредством линии задержки 11, согласовывающей паразитные задержки, вводимые линиями, соединяющими оба генератора шпилечного импульса 8 и 9, с контроллером 10, а вход 18, управляющий замедлением, вводимым замедляющей системой 13, соединен с контроллером 10 посредством цифро-аналогового преобразователя 19. Стробирующая головка 5 соединена с контроллером 10 посредством аналого-цифрового преобразователя 17.

К испытателю 1 механически прикреплено неразъемным способом электрическое

0 присоединение 20, содержащее электрически соединенную с его контактами интегральную схему 21, представляющую собой записываемую сохраняющуюся память типа РРОМ, ЕРРОМ, ЕЕРРОМ или иную. Элект5 рические выводы интегральной схемы памяти 21 соединяются с контроллером 10 посредством магистрали 22 с помощью присоединения 23, взаимодополняющегося с присоединением 20.

0 Величиной, измеряемой измерителем непосредственно, является время следования электромагнитной волны по пути, равному двойной длине отрезка: разветвление - отметчик времени и одновременно - по

5 пути, равному двойной длине отрезка: отметчик времени - раскрытый конец волновода. На основании этих замеров, под контролем резидентной программы контроллер 10 вычисляет поправку, корригирую0 щую влияние дрейфа устройства на замер времени, а затем постоянную диэлектрическую среду (почвы) и ее влажность.

. Управляемые контроллером 10 импульсы, частота порядка 1 кГц, синхронизируют

5 действие стробирующей головки 5 и двух идентичных генераторов импульсов 9 и 8, генерирующих шпилечно импульсы со временем нарастания и половинной ширины порядка 100 пс. Столь быстрые и кратковре0 менные электрические импульсы (во время 100 пс свет преодолевает в вакууме путь 3,3 см) не могут быть преобразованы в реальное время, так как в настоящее время нет достаточно быстрых, активных электронных уст5 ройств. По этой причине в измерителе применена известная техника стробирова- ния, применяемая в стробоскопических осциллографах для наблюдения за крайне быстрыми электрическими импульсами. Она

0 заключается в отборе и хранении образцов напряжения исследуемой формы в его различных фазах, причем одна и та же форма повторяется столько раз, сколько имеется отобранных образцов. Упомянутые обраэ5 цы, воспроизведенные в той же последовательности, в какой они были взяты, но уже в произвольно продолжительное время, отображают форму одиночного импульса.

Импульс из контроллера 10 стирает память стробирующей головки 5 и включает

оба генератора шпилечных импульсов 8, 9, причем, включение генератора задержанного шпилечного импульса 9 контролируемым образом замедляетсячпри помощи замедляющей системы 13. Оба импульса питают испытатель 1 посредством входного соединения 7. Каждый из них независимо друг от друга вызывает развертку в фидере 6 электромагнитной волны, которая разделяя в разветвлении 2 весомую энергию оди- наково между фидерами За, Зв, 36 стремится к концам волноводов 1а, 16, 1в и подвергается очередным отражениям, как выяснено ранее.

Как инициирующие импульсы, так и отраженные, имеются на входе стробирую- щей головки 5. Упомянутая головка не реагирует на напряжения, равные и меньшие, чем максимальное из отдельно имеющихся на ее входе напряжений отдельных импульсов. Когда шпилечный импульс и задержанный шпилечный импульс сходятся во времени (налагаются друг на друга), результирующее напряжение на входе стро- бирующей головки 5 превышает предельное значение и его образец отбирается. Роль вентиля, решающего о том, будет ли взят образец, играет заградительно поляризованный соответствующим напряжением диод с барьером Шотки, который характеризуется кратчайшим достижимым в настоящее время временем переключения. Если диод раскроется, то хранимое головкойнапряжениепрямопропорционально мгновенному значению напряжения анализируемого (стробируемо- го) импульса.

Импульс от генератора задержанного шпилечного импульса 9 перемещается - посредством замедляющей системы 13 - в фазе (во времени) установленным с помощью контролера 10 напряжением из цифро-аналогового преобразователя 19, причем, задержка импульса прямо пропорциональна этому напряжению.

Измеритель согласно изобретению может быть применен в качестве измерительного устройства или в качестве элемента системы автоматики в технике и в науке, повсюду, где должна контролироваться влажность материала, то есть, где ее значение должно сохраняться на определенном уровне или где ее значение обуславливает алгоритм соответствующего технологического процесса, а также тогда, когда превышение принятого интервала изменений или значения должно генерировать аварийный сигнал. Можно его применять для измерений влажности всяческих капиллярно-пористых объектов, в которые можно временно

или на постоянный срок ввести неразрушающим образом испытатель измерения. Такими объектами являются: почва, сельскохозяйственные плоды (зерно, шишки хмеля,листья табака: сено) полупродукты и продукты пищевой промышленности (мука, товары хлебопекарной промышленности), древесина, формовочная смесь, основания путей сообщения, фундаменты

зданий и пр.

Формула изобретения 1. Импульсный рефлектометрический измеритель влажности капиллярно-пористых тел, содержащий испытатель, кмеющий параллельные металлические зонды, подсоединенный с помощью отрезка фидера к блоку управления и регистрации, о т- личающийся тем, что, с целью автоматизации измерений, введены посяедовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), стробирующзя головка итрехкзнальный разветвитесь, к первому выходу которого подсоединен отрезок фидера, к второму выходу - введенный генератор пикосекундных импульсов, а к третьему выходу - введенный генератор задержанных пикосекундных импульсов, первый выход блока управления и регистрации соединен с АЦП, второй выход через

введенную линию задержки соединен с синхронизирующим входом генератора пикосекундных импульсов и через введенный блок задержки - с синхронизирующим входом генератора задержанных пикосекундных

импульсов, третий выход через введенный цифроаналоговый преобразователь соединен с управляющим входом блока задержки, а четвертый выход - с входом сброса стро- бирующей головки, при этом испытатель выполней в виде параллельно соединенных дополнительных отрезков фидера, каждый из которых имеет не менее одной скачкообразной неоднородности характеристического сопротивления и соединен с

металлическим зондом, а их длины выбраны из соотношений

U+1 U+Ld+

7iTn

50

t-N+Ld+ -fc 2Li,

где Ln-и - длина (n+1)-ro дополнительного отрезка;

Ln - длина n-ro дополнительного отрезка фидера;

Lei - расстояние от скачкообразной отражающей неоднородности характеристического сопротивления до начала металлического зонда;

К - диэлектрическая проницаемость изоляции дополнительных отрезков фиде

Ра;

In - длина n-го металлического зонда;

LN - длина самого длинного дополнительного отрезка фидера;

U - длина самого короткого дополнительного отрезка фидера;

IN - длина самого длинного металлического зонда;

И - длина самого короткого металлического зонда.

2. Измеритель по п. 1, отличаю- щ и и с я тем, что испытатель механически соединен с введенным перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством, выводы которого подключены к пятому входу блока управления и регистра- ции.

Использование: измерение влажности капиллярно-пористых тел, в частности почвы. Сущность изобретения: в испытатель с параллельными металлическими зондами, подсоединенный с помощью отрезка фидера к блоку управления и регистрации, введены последовательно соединенные АЦП, стробирующая головка и трехканальный разветвитель, к первому выходу которого подсоединен отрезок фидера, к второму выходу - генератор пикосекундных импульсов, а ктретьему выходу- генератор задержанных пикосекундных импульсов, причем первый выход блока управления и регистрации соединен с АЦП, второй выход через введенную линию задержки - е синхронизирующим входом генератора пикосекундных импульсов и через блок задержки - с синхронизирующим входом генератора задержанных пикосекундных импульсов, третий выход через ЦАП соединен с управляющим входом блока задержки, а четвертый выход - с входом сброса стробирующей головки. Испытатель выполнен в виде параллельно соединенных дополнительных отрезков фидера, каждый из которых имеет не менее одной скачкообразной неоднородности характеристического сопротивления и соединен с металлическим зондом. 1 ил. (Л