Электронный влагомер

Союз Советских Соцналнстнческнх РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 11744305(51)М. Кл 2 с присоединением заявки МВ -О 01 й 27/22 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(71) Заявитель Пензенский политехнический институт(54) ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР Изобретение относится к области автоматического измерения влажности материалов по реактивной составляющей емкостного преобразователя в условиях широкого изменения сквозной проводимости и поляриэационных потерь в исследуемом веществе и может быть использовано для измерения влажности сыпучих материалов, например зерна.Известен электронный влагомер с автоматической стабилизацией активных потерь сквозной проводимости), содержащей основной высокочастотный и вспомогательный ниэкочастот ный мосты, генераторы высокой и низкой частоты, детектор и Фазочувствительный усилитель 11 .Принцип действия влагомера заключается в стабилизации сквозной ,роводимости исследуемого материала с помощью малоинерционного терморезистора, нить косвенного нагрева которого включена в фазочувствительную цепь усилителя небаланса низкочастотного моста.Основными недостатками известного влагомера являются узкий диапа,зон стабилизации сквозной проводимости и невысокая точность измере 2ния, так как в устройстве отсутствует компенсация поляризационных потерь. Кроме того, трудность подбораи стабилизации характеристики терморезистора, невозможность полногоустранения влияния сигналов ВЧ и ИЧмостов друг на друга, а также большая погрешность детектирования ВЧсигнала в целом не позволяют реализовать высокоточное устройство.Известно также устройство дляизмерения физико-химических характеристик вещества по его диэлектрической постоянной, предназначенноедля измерения влажности веществ, содержащее автогенератор тока, ключ,катушку индуктивности, емкостнойпреобразователь, автогенератор напряжения и частотомер 2),В устройстве предусмотрена компенсация потерь от сквозной проводимости, поляризационных потерь, котораязаключается во введении в .колебательный контур, образованный. преобразователем и катушкой индуктивности,отрицательных сопротивлений.Основным недостатком известногоустройства является недостаточныйдиапазон измерения влажности, обусловленный узким диапазоном измене ВНя отрицательных сопротивлений и допустимого значения сквозной проводймости, в котором возникает автогенераторный режим, а также необходимость предварительной установки выходных сопротивлений .автогенереторов, 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, содержащий емкостной преобразователь, первая клемма которого соединена с прямым выходом генератора несимметричного прямоугольного на. пряжения, а вторая клемма - со входом операционного усилителя с опорным элементом в цепи отрицательной обратной связи, нуль-орган и индикатор (31, 2 ООсновным ндосатко известного влагомера является недостаточная точность измерения, обусловленная тем, что в эквивалентной схеме преобразователя не учтена геометрическая емкость ,д 5 пустого преобразователя и емкость, характеризующая мгновенную поляризацию в исследуемом веществе.Другим недостатком известного влагомера являетсяотносительно 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 де ятков мегаом до единиц килоом. При такой широкой вариации изменение крутизны вершины импульса генератора настолько велико, что операционный усилитель быстро входит в насыщение и работоспособность схемы нарушает О ся а Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения влажности. 45Поставленная цель достигаетсн тем, что в известное устройство дополнительно введены параллельно соединенные компейсирующий конденсатор и управляемый резистор, фильтр нижних частот, дифференциатор и преобразователь напрнжения в унифицированный сигнал, причем инверсный выход генератора прямоугольных напряжений соединен со входом операционного усилителя через параллельно соединенные коМпенсирующий конденсатор и управляемый резистор, фильтр нижних частот соединен с управляемым резистором и выходом операционного усилителя, который непосредственно под ключен к одному иэ входов преобразователя напряжения, а второй вход преобразователя связан с выходомоперационного усилителя через последовательно соединенные дифференциа- у тор и нуль-орган выход преобразователя подсоединен к индикатору,На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого влагомера; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.Влагомер для сь 1 пучих веществ содержит контактный емкостной преобразователь 1, эквивалентная схема которого представлена конденсаторами 2 и 3 с емкостями Со и С соответственно, характеризующимй первую геометрическую емкость пустого преобразователя, а вторая емкость мгновенной поляризации (электронной и ионной) в исследуемом веществе- резисторами 4 и 5 соответственно сквозной проводимости с сопротивлением В и резистором поляризационных потерь с сопротивлением г, а также конденсатором б, характеризующим релаксационную поляризацию емкостью С, кроме того, генератор 7 несимметричного прямоугольного напряжения, соедиченный через датчик 1 со входом операционного усилителя 8, обратной связи которогс включен опорный конденсатор 9 с емкостью С, компенсирующий конденсатор 10 с емкостью Ск, 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 в 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 несимметричного прямоугольного напряжения на вход операционного усилителя (ОУ) 8 поступает прямоугольное напряжение "Г, (т) с периодом 2 То, размахом амплйтуд 2 Бо и постоянной составляющей И С инверсного выхода генератора через управляемый резистор с сопротивлением Ви компенсирующий конденсатор 0 на вход ОУ 8 поступает инвертированное опорное напряжение Ооп(1).Напряжение на выходе ОУ 8 представляет суперпозицию следующих составО (Ф)=(.(ф,)О ( )+Он 1 Оср(1) ге О, = - О,; О (Ь)= - "ив интеавсме10 я 1 = -0,Информативными параметрами являются емкости, характеризующие поляризационные процессы, а именно Си С, имеющие наиболее линейную и стабильную зависимость от диэлектрической проницаемости, т, е. от влажности. Параметры Н, г и Со 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 В 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 совокупности представляющих астатический регулятор. В случае неравенства Й и К,к на выходе ОУ 8 появляется постоянная составляющая, которая выде ляется фильтром 12 и подается на управляющий вход резистора 11, изменяя его сопротивление Нк до выполнения равенства В = Нк. При полной компенсации постоянная составляющая 35 на выходе ОУ 8 отсутствует и соот- ветственно Компенсация геометрической ем Окости Сбпустого преобразователя осу-,ществляется путем подачи инвертированного опорного напряжения черезконденсатор 10, который подбираетсяиэ условия Ск - Со45При компейсаций й и С напряжениена выходе ОУ 8 описывается выражением1)-О (С)+ - фО СРО -ЙО загсо см сР сл о сосл о 50 причем от сопротивления г поляризационных потерь зависит лишь последний член, стремящийся к нулю при выполнении условия гС р.При этом напряжение на выходе дифференциатора 15 пропорционально скорости изменения (первой производной) напряжения 0, и, в частности скорости изменения члена, зависящего от г где- постоянная времени дифференциатора, Момент, когда член, зависящий от г, приблизился к нулю с удов летворяющей нас точностью, фиксируется с помощью дифференциатора 15 инуль-органа 16 и регулируется путемвыбора соответствующего порога срабатывания нуль-органа 00. Начиная с момента с, может быть измерено либо мгновенное значение напряжения либо его интегральное значение винтервале 1 -йк 1. Эту операциюосуществляет прес раэователь 13напряжения в унифицированный сигнал, отражаемый индикатором 14.Йспользование новых узлов и введение новых связей выгодно отличает предлагаемый влагомер от известного,Во-первых, повышается точностьизмерения, так как устранение влия-.ния основного меняющего фактора-сквозной проводимости - осуществляетсяне эа счет специальной обработки сигнала, имеющего весьма искаженнуюформу, а и наиболее точным методомкомпенсационным, с применением системы автоматического регулирования, не реагирующей на искаженияформы переменной составляющей сигнала. В то же время уменьшается влияние сопротивления поляризационныхпотерь, так как интервал измерениявыбирается не условно, как в известном, а с момента, когда погрешность,вносимая г, уменьшается до напередзаданных значений. Кроме того, объектизмерения представлен более точнойэквивалентной схемой и осуществленакомпенсация емкости пустого датчика.Во-вторых, расширяется диапазонизмерения, за счет того, что использование одного управляемого резистора (например полевого транзистора)позволяет осуществить автоматическую компенсацию сквозной проводимос"ти при изменении последней во всемдиапазоне изменения влажности бездополнительных переключений пределови ухудшения чувствительности по емкостной составляющей.Использованиепредлагаемого влагомера позволяет создавать точные,малогабаритные приборы, работающиев широком диапазоне изменения влажности,Формула изобретения Электронный влагомер, содержащий емкостной преобразователь, первая клемма которого соединена с прямым выходом генератора несимметричного прямоугольного напряжения, а вто" рая клемма - со входом операционного усилителя с опорным элементом в744305 аж 1019 исное ород, ул. П тная,цепи отрицательной обратной связи,нуль-орган и индикатор о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповьваения точности и расширения диапазона измерения, в него дополнительновведены параллельносоединенные компен-сирующий конденсатор и управляемый резистор, Фильтр нижних частот, диФФеренциатор и преобразователь напряжения в унифицированный сигнал, причеминверсный выход генераторапрямоуголь-Оного напряжения соединен со входомоперационного усилителя через параллельно соединенные компенсирующийконденсатор и управляемый резистор,Фильтр, нижних частот соединен с управляемым резистором и выходом операционного усилителя, который непосЦНИИПИ Заказ 378 филиал ПНП Патент, г редственно подключен к одному иэвходов преобразователя напряжения, авторой вход преобразователя связанс выходом операционного усилителячерез последовательно соединенныедиФференциатор и нуль-орган, выходпреобразователя подсоединен к индикатору. Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР9 248297, 6 01 й 27/22.2. Авторское свидетельство СССРР 417718, С 01 й 27/22.3, Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2360100/18-25,кл, О 01 й 27/22, 1976 (прототип).