Преобразователь влажности Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ

Изобретение относится к области физико-химического анализа, в частнос ти к определению влажности материалов например бумаги, картона, прессовых сукон, зерна, сахара и т.д., в целлюлозно-бумажной, пищевой промьгашенности и других отраслях народного хозяйства.. Известен микроволновый влагомер, в качестве чувствительного элемента в котором используется объемный СВЧрезонатор, настраиваемой на две частоты. Одна из них, частота, на Kotbрой производятся измерения, создает электрическое поле, обволакивающее рабочую поверхность резонатора и взаимодействующее с объектом измерения. Изменение влажности объекта приводит к изменению рабочей частоты. Вторая эталонная частота образует поле внутри самого резонатора. Разность между эталонной и рабочей частотами резонатора, измеряемая специальным детектором по максимумам резонансных кривых, служит мерой влажности объек та 1. Недостатком данного влагомера является зависимость точности измерений от колебаний температуры и механических деформаций,вызывающих изменение объема резонатора. Наиболее близким к предложенному является преобразователь влажности, вьшолненный в виде двухпроводной длинной линии в форме однородных катушек с диэлектрическими каркасами, рабочие грани .которых расположены в плоскости,параллельной плоскости измеряемого материала, в данном преобразователе медный провод диаметром О,16 мм намотан на.пластинчатые изоляционные каркасы длиной 100 мм, шириной 25 мм и толщиной 2 мм. Этот преобразователь (датчик питается от генератора синусоидального напряжения частотой колебания 10-20 мГц С2. Недостатками данного преобразователя являются низкая чувствительность 3 8 И незначительный диапазон измерения что ограничивает область его применения и требует периодической настрой ки режима работы преобразователя при изменении участка измерения параметра бумажного полотна на технологической линии, что требует зиачительных затрат времени и в условиях эксплуата ции практически невозможно из-за отсутствия соответствующей аппаратуры. Цель изобретения является повышение чувствительности в диапазоне измерений. Поставленная цель достигается тем ;что в преобразователе влажности, вы;полненном в В4зде двухпроводной длинне линии в форме однорядных катушек с диэлектрическими каркасами, рабочие грани которых расположены в плоскости, параллельной плоскости измеряемого материала, катушки двухпроводной длинной линии установлены под углом друг к другу с возможностью его изменения. Усиление эффекта в отношении диапазона измерения с целью его расширения без снижения чувствительности достигается тем, что в указанном преобразователе каркасы катушек выполнены в виде прямых призм, преимущественно .треугольных. Повышение чувствительности преобра зователя в некотором диапазоне достигается за счет согласования его волнового сопротивления р с волновым сопротивлением исследуемого материала в диапазоие измеряемых влажностей Эффект согласования-достигается плавным изменением расстояния между катушками по их длине (так как катушки находятся под углом друг к другу) что обеспечивает плавное изменение по длине катушек и волнового сопротивления датчика. Это обеспечивает для некоторого участка длинной линии приближенное равенство его волнового сопротивления волновому сопротивлению исследуемого материала. Теперь в месте равенства волновых сопротивле НИИ исследуемый материал становится какбы. продолжением датчика, одной с ним системой, что приводит к хорошему проникновению электромагиитного поля в исследуемый материал. В свою очередь, из-за значительной величины относительной диэлектрической проницаемости врды (83) , содержащейс:я в исследуемом материале, значительно изменяются Cg, cL X , смещаются пучнос 4 ти напряжения и, в конечном счете, изменяется потенциал в конце линии, где присоединен индикатор. При этом диапазон измерения влажности обеспечивается диапазоном согласования волновых сопротивлений датчика и исследуемого материала. Как известно, волновое Г(характеристическое сопротивление материала можно определить по формуле где - абсолютная магнитная проницаемость;€(Д - абсолютная диэлектрическая проницаемость исследуемого материала; - относительная магнитная и диэлектрическая проницаемость исследуемого материапа (в основном воды). Поскольку относительная магнитная проницаемость абсолютного большинства веществ, близка к единице, можно приблизительно определить диапазон возможных волновых сопротивлений исследуемых материалов гщ, формуле ( l, при , этом учтено, что У 377. Так, если содержание воды в исследуемом материале равно от 100% до 1%, то его волновое сопротивление приблизительно равно отЯД|.г40 Ом до «Р| р„ду%240 Ом. Такой диапазон волновых сопротивлений вдоль катушек датчика обеспечивается их расположением под углом. Минимальное значение волнового сопротивления (Р 40 Ом) будет в области сближения катушек, а максимальное значение Р 240 Ом - в месте их наибольшего удаления друг от друга. Пользуясь известной формулой 110 Jra 1гтде - расстояние между гранями катуше к; b ширина грани; - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, ожно определить, при каких размерах |, и 3л волновое сопротивление преобазователя принимает соответственно начения: J « 40 Ом и 240 Ом. Даее, зная длину катушек, находим угол, од которым катушки располагаются по тношению друг к другу. Этот угол приблизительно равен 5. Величина, най денная расчетным путем,хорошо согласуется со значением, найденным в про цессе настройки. Изменение расстояния между катушками приводит к изменению погонной е кости длинной линии в больших пределах. Этим достигается некоторый диапазон изменения волнового сопротивле ния и постоянной сдвига фазы датчика В свою очередь, широта диапазона изменения JJ и oL позволяет выбрать тако режим работы преобразователя, при ко тором на его выходе (на конце длинно линии), где подключен детектор с инд катором, будет заданная .точка пучнос напряжения стоячей волны. Таким обра зом, расположение катушек двухпровод ной длинной линии под углом друг к другу с возможностью его изменения обеспечивает преобразователю высокую чувствительность измерения в некотором диапазоне измерительногр парамет ра. Более значительный диапазон изме рения с сохранением чувствительности .может быть достигнут в таком преобра зователе выбором сечения каркаса катушек. Наиболее оптимальным является сечение в виде неравностороннего прямоугольного треугольника. При этом каркасы располагают друг к другу меньшими гранями. Каркасы катушек могут быть выполнены также в виде прямых четырехугольных призм равно и неравносторонних. Рекомендуется при использовании прибора в области высоких влажностей располагать катушки большими площадями противолежащих граней. Таким образом, взаимное расположение катушек, форма каркаса взаимосвязанно обеспечивают чувствительность преобразователя, расширение диапазона измеряемых частот, а также эффективность регулировки параметров преобразователя. На фиг. I изображена блок-схема . предложенного влагомера; на фиг.2 конструкция чувствительного элемента преобразователя в двух проекциях. На блок-схеме (фиг. I) генера- . тор I высокочастотных электромагнитных колебаний подключен выходом на вход преобразователя 2, к выходу которого подключен детектор 3 Выход детектора 3 подключен на один из вы-, ходов сравнивающего .устройства 4, на второй вход которого подключен выход источника 5 компенсирующего напряжеНИН. Выход устройства А подключен к индикатору 7 через аттенюатор 6 с переключателем диапазонов измеряемых влажностей. К выходу аттенюатора 6 может подключаться регистрирукщее устройство 8, например цифровой индикатор или самопишущий прибор. Устройство содержит также каркас 9 треугольного сечения с обмоткой 10. Устройство работает следующим образом. От генератора 1 синусоидальные колебания высокой частоты подаются на вход преобразователя 2 (отрезки длинной линии в ввде катушек, намотанных на трехгранные каркасы). В отрезках длинной линии устанавливается режим стоячих волн, благодаря тому, что волновое сопротивление линии значительно меньше сопротивления нагрузки, в качестве которой служит детектор 3, сравнивающее устройство 4 и индикатор 7.. В исходном состоянии, когда в электромагнитном поле преобразователя 2 не вносится исследуемый материал, на концах длинной линии устанавливается определенное напряжение высокой частоты, которое детектируется детектором 3 и попадает на один из входов сравнивающего устройства 4. Регулировкой компенсирукщего напряжения, поступающего в блок 5, добиваются равенства нулю выходного напряжения сравнивающего устройства 4, в зтбм случае индикатор покажет нуль. При внесении исследуемого материала в электромагнитное поле длинной линии 2 изменяется длина стоящей волны из-за того, что изменилась диэлектрическая проницаемость пространства возле линии н погонная емкость линии, а следовательно, и ее волновое сопротивление. Это вызывает изменение длины волны и смещение пучности напряжения taa выходе длинной линии, а значит, и на выходе детектора 3. Нарушается баланс двух напряжений, подаваемого с блока 5, и выходного напряжения детектора 3, и на выходе сравнивающего устройства 4 появляется сигнал, который подается на индикатор 7 через аттенюатор 6. При этом переключением резисторов аттенюатора 6 выбирают нужный иапазон измеряемых влс1жностей индикатором 7. Сигнал с выхода аттенюатора 6, кроме индикатора, может подаватьяГи на цифровой вольметр и самопишуий прибор, если их подключить к вы