Электронный влагомер Советский патент 1980 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к области автоматического измерения влажности материалов по реактивной составляющей емкостного преобразователя в условиях широкого изменения сквоз ной проводимости и поляризационных потерь в исследуемом веществе и может быть использовано для измерения влажности сыпучих материалов, напри мер зерна. Известен электронный влагомер с автоматической стабилизацией активных потерь 1сквозной проводимости), содержащей основной высокочастотный и вспомогательный низкочастотный мосты, генераторы высокой и низ кой частоты, детектор и фазочувствительиый усилитель ll . Принцип действия влагомера заклю чается в стабилизации сквозной проводимости исследуемого материала с помощью малоинерционного терморезис тора, нить косвенного нагрева которого включена в фазочувствительную цепь усилителя небаланса низкочасто ного моста. Основными недостатками известного влагомера являются узкий диапа,зон стабилизации сквозной проводимости и невысокая точность измерения, так как в устройстве отсутствует компенсация поляризационных потерь. Кроме того, трудность подбора и стабилизации характеристики терморезистора, невозможность пЬлного устранения влияния сигналов ВЧ и НЧ мостов друг на друга, а также большая погрешность детектирования ВЧ сигнала в целом не позволяют реализовать высокоточное устройство. Известно также устройство для измерения физико-химических характеристик вещества по его диэлектрической постоянной, предназначенное для измерения влажности веществ, содержащее автогенератор тока, ключ, катушку индуктивности, емкостной преобразователь, автогенератор напряжения и частотомер 2. В устройстве предусмотрена компенсация потерь от сквозной проводимости, поляризационных потерь, которая заключается во введении в колебательный контур, образованный преобразователем и катушкой индуктивности, отрицательных сопротивлений. Основным недостатком известного устройства является недостаточный диапазон измерения влажности, обусловленный узким диапазоном изменешя отрицательных сопротивлений и допустимого зг1ачения сквозной проводимости, в котором возникает автогенераторный режим, а также необходимость предварительной установки выходных сопротивлений .автогенераторов , а в моночастотном режиме необходимость ручной настройки контура на заданную частоту, что предопределяет невысокую точность и громоздкость устройства.

Из известных устройств, наиболее близким по технической.сущности к предлагаемому является электронный влагомер, содержавдий емкостной пре образователь, первая клемма которого соединена с прямым выходом генератора несимметричного прямоугольного напряжения, а вторая клемма - со входом операционного усилителя с опорны элементом в цепи отрицательной обратной связи, нуль-орган и индикатор t

Ocнoвны недостатком известного влагомера является недостаточная точность измерения, обусловленная тем, что в эквивалентной схеме преобразовтеля не учтена геометрическая емкост пустого преобразователя и емкость, храктеризующая мгновенную поляризацию в исследуемом веществе.

Другим недостатком известного влагомера является относительно узкий . диапазон измерения влажности в связи с тем, что при изменении влажности зерна, например от 11% до 50%, сопротивление резистора сквозной проводимости изменяется в пределах от десятков мегаом до единиц килоом. При такой широкой вариации изменение крутизны вершины импульса генератора настолько велико, что операционный усилитель быстро входит в насглщение и работоспособность схемы нарушается.

Цель изобретения - повьиление точности и расширение диапазона измерения влажности.

Поставленная цель достиг ается тем что в известное устройство дополнительно введены параллельно соединенные компенсирующий конденсатор и управляемый резистор, фильтр нижних частот, дифференциатор и преобразователь напряжения в унифицированный сигнал, причем инверсный выход генератора прямоугольных напряжений соединен со входом операционного усилителя через параллельно соединенные компенсирующий конденсатор и управляемый резисторj фильтр нижних частот соединен с управляемым резистором и выходом операционного усилителя, который непосредственно подключен к одному из входов преобразователя напряжения, а второй вход5 преобразователя связан с выходом операционного усилителя через последовательно соединенные дифференцис тор и нуль-орган ; иыход преобразователя подсоединен к индикатору.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого влагомера; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Влагомер для сыпучих веществ содержит контактный емкостной преобразователь 1, зквивалентная схема которого представлена конденсаторами 2 и 3 с емкостями CQ- и С j соответственно, характеризующими первую геометрическую емкость пустого преобразователя, а вторая емкость мгновенной поляризации (электронной и ионной) в исследуемом веществерезисторами 4 и 5 соответственно сквозной проводимости с сопротивлением R и резистором поляризационных потерь с сопротивлением г, а также конденсатором б, характеризующим релаксационную поляризацию емкостью Ср, кроме того, генератор 7 несимметричного прямоугольного напряжения, соединенный через датчик 1 со входом операционного усилителя 8, обратной связи которого включен опорный конденсатор 9 с емкостью С , компенсирующий конденсатор 10 с емкостью С|/., включенный параллельно управляемому резистору 11, соединяющему инверсный выход генератора 7 со входом усилителя 8, фильтр 12 нижних частот, через который выход усилителя. 8 соединен с управляющим входом резистора 11, кроме того, к выходу усилителя 8 подключены последовательно соединенные преобразователь 13 напряжения з унифицированный сигнал и индикатор 14, а также дифференциатор 15, через нуль-орган 16 соединенный с управляющим входом преобразователя 13.

Работа влагомера происходит следующим образом.

С прямого выхода генератора 7 нecиIvIмeтpичнoгo прямоугольного напряжения на вход операционного усилителя (ОУ) 8 посту 1ает прямоугольно напряжение VQ, (t) с периодом 2Тд, размахом амплитуд 2 UQ и постоянной составляющей И . С инверсного выхода генератора через управляемый резистор с сопротивлением RK и компенсирующий конденсатор Ск на вход ОУ 8 поступает инвертированное опорное напряжение UQJ).

Напряжение на выходе ОУ 8 предсталяет суперпозицию следующих состав,(t))MJ(t)4U(t)(t)Ue,(t)-u,,,(araeU,tt) |u,; U(t).u,;

иСк сМ

С о

4 «( -.((0 ВинтеРво1ле|1о-1Л ,)ц Информативными параметрами являю ся емкости, характеризующие поляриз ционные процессы, а именно С, и Ср, имеющие наиболее линейную и стабиль ную зависимость от диэлектрической проницаемости, т. е. от влажности. Параметры R, г и CQ являются неинформативными и мешающими, так как они зависят не только от содержания влаги, но и от химического состава, структуры и других свойств вещества. Устранение влияния мешающих параметров происходит, следующим образом. Влияние R устраняется с помощью канала компенсации, состоящего из фильтра 12 нижних частот и управляемого напряжением резистора 12, включенных в цепь отрицатель ной обратной связи ОУ 8 и в совокуп ности представляющих астатический р гулятор. В случае неравенства R и Н, на выходе ОУ 8 появляется постоянная составляющая, которая выделяется фильтром 12 и подается на управляющий вход резистора 11, изме няя его сопротивление К до выполнения равенства R При полной компенсации постоянная составляющая на выходе ОУ 8 отсутствует и соответственноIUR I-UK IUR I-UK Компенсация геометрической емкости С пустого преобразователя осу ществляетсяпутем подачи инвертированного опорного напряжения через конденсатор 10, который подбирается из условия С - CQ. При компенсации R и С напряжени на выходе ОУ 8 описывается выражени ем ov((Иu,Дt).,. Причем от сопротивления г поляризационных потерь зависит лишь последн член, стремящийся к нулю при выполнении условия t Ср. При этом напряжение на выходе диф ференциатора 1 пропорционально скор ти изменения (первой производной) на пряжения Ugy и, в частности скорост изменения члена, зависящего от г ut,.- ;vW if o-- 4r-S). где - постоянная времени дифферен циатора. Момент, когда член, зав1исяУИЙ от г, приблизился к нулю с удовлетворяющей нас точностью, фиксируется с помощью дифференциатора 15 и «уль-органа 16 и регулируется путем выбора соответствующего порога срабатывания нуль-органа . Начиная с момента t,j, .может быть изме- рено либо мгновенное значение напряженияи (t--L уСм + Ср oyV ulс либо его интегральное значение в интервале t -t. Эту операцию осуществляет преобразователь 13 напряжения в унифицированный сигнал, отражаемый индикатором 14. Использование новых узлов и введение новых связей выгодно отличает предлагаемый влагомер от известного. Во-первых, повышается точность измерения, так как устранение влия-. ния основного меняющего фактора-сквозной проводимости - осуществляется не за счет специальной обработки сигнала, имеющего весьма искаженную форму, а и наиболее точным методомкомпенсационным, с применением системы автоматического регулирования, не реагирующей на искажения формы переменной составлякидей сигнала. В то же время уменьшается влияние сопротивления поляризационных потерь, так как интервал измерения выбирается не условно, как в известном, а с момента, когда погрешность, вносимая г, уменьшается до наперед заданных значений. Кроме того, объект измерения представлен более точной эквивалентной схемой и осуществлена компенсация емкости пустого датчика. Во-вторых, расширяется диапазон измерения, за счет того, что использование одного управляемого резистора (например полевого транзистора) позволяет осуществить автоматическую компенсацию сквозной проводимости при изменении последней во всем диапазоне изменения влажности без дополнительных переключений пределов и ухудшения чувствительности по емкостной составляющей. Использование предлагаемого влагомера позволяет создавать точные, малогабаритные приборы, работающие в широком диапазоне изменения влажности. Формула изобретения Электронный влагомер, содержащий емкостной преобразователь, первая клемма которого соединена с прямым выходом генератора (несимметричного прямоугольного напряжения, а вторая клемма - со входом операционного усилителя с опорным элементом в