Способ измерения влажности вязких и сыпучих веществ и устройство для его осуществления

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВЯЗКИХ И СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Малое предприятие АЯКС(73) Патентообладатель Малое предприятие АЯКС(57) 1. Способ измерения влажности вязких и сыпучих веществ, заключающийся в том, что исследуемое вещество помещают в емкостной датчик, который включают в измерительный колебательный контур, и измеряют резонансным методом диэлектрическую проницаемость вещества, по величине которой определяют влажность, отличающийся тем, что при измерении диэлектрической проницаемости емкость датчика преобразуют в индуктивное сопротивление измерительного колебательного контура, пропорциональное диэлектрической проницаемости вещества, помещенного в датчик, при этом первоначально измеряют диэлектрическую проницаемость сухого исследуемого вещества, которую имитируют с помощью образцового конденсатора, настраиваемого по емкости датчика, предварительно наполненного высушенным веществом, а величину влажности определяют по формуле влгде с - диэлектрическая проницаемость сухого вещества, - диэлектрическая проницаемость влажного вещества,вл - диэлектрическая проницаемость воды,с -удельный вес сухого вещества, Фиг. 1 3103 11 для плоского датчика, а для коаксиального определяется выражением,где- объем влажного вещества в датчике,С - общая емкость датчика, соответствующая объему , с воздушным диэлектриком, - часть объема датчика, заполненная водой с удельным весом, равным 1,С - емкость с воздушным диэлектриком участка датчика , заполненного водой. 2. Устройство для измерения влажности вязких и сыпучих веществ, содержащее емкостной датчик,включенный в измерительный колебательный контур сэлектрически перестраиваемыми емкостями, генератор высокой частоты, выход которого соединен с первым входом измерительного колебательного контура,блоки управления и индикации, отличающееся тем, что емкостной датчик включен в измерительный колебательный контур через трансформатор сопротивления в виде длинной линии длиной,4 где- нечетные числа, - длина распространения в длинной линии электромагнитной волны с частотой генератора высокой частоты, а блок управления содержит блок поиска резонанса, вход которого соединен с выходом измерительного колебательного контура, микропроцессорный контроллер, вход которого соединен с выходом блока поиска резонанса, а первый выход - с блоком индикации, и в устройство введены два ключа и цифро-аналоговый преобразователь, причем вход первого ключа соединен с трансформатором сопротивления, вход второго - с образцовым конденсатором, выходы ключей подключены ко второму и третьему входам колебательного контура, а управляющие входы - ко второму и третьему выходам микропроцессорного контроллера, четвертый выход которого соединен с входом цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к четвертому входу колебательного контура. Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к измерению физических свойств материалов электронным методом. Известен способ измерения влажности вязких и сыпучих материалов, заключающийся в том, что исследуемое вещество помещают в емкостной датчик, который включают в измерительный колебательный контур, и резонансным методом измеряют диэлектрическую проницаемость вещества, а о значении влажности судят по градуировочной кривой 1. Недостатком известного способа является низкая точность измерений, так как значение влажности определяют по градуировочной кривой зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого вещества от влажности. Градуировочная кривая при этом снимается для каждой партии вещества, внося дополнительную погрешность метода определения этой зависимости. Задача изобретения - повышение точности измерений влажности вязких и сыпучих веществ и обеспечение возможности их измерения в непрерывном цикле технологического процесса. Согласно изобретению, в способе измерения влажности вязких и сыпучих веществ, заключающемся в том, что исследуемое вещество помещают в емкостной датчик, который включают в измерительный колебательный контур и измеряют резонансным методом диэлектрическую проницаемость вещества, по величине которой определяют влажность. При измерении диэлектрической проницаемости емкость датчика преобразуют в индуктивное сопротивление измерительного колебательного контура, пропорциональное диэлектрической проницаемости вещества, помещенного в датчик. При этом первоначально измеряют диэлектрическую проницаемость сухого исследуемого вещества, которую имитируют с помощью образцового конденсатора, настраиваемого по емкости датчика, предварительно наполненного высушенным веществом, а величину влажности определяют по формуле где- диэлектрическая проницаемость сухого вещества- диэлектрическая проницаемость влажного вещества вл - диэлектрическая проницаемость воды с - удельный вес сухого вещества 2 3103 1 К 1 - для плоского датчика, а для коаксиального датчика определяется выражением,где- объем влажного вещества в датчике С - общая емкость датчика, соответствующая объему , с воздушным диэлектриком- часть объема датчика, заполненная водой с удельным весом, равным 1 С - емкость с воздушным диэлектриком участка датчика , заполненного водой. В устройстве для осуществления способа измерения влажности вязких и сыпучим веществ, содержащем емкостной датчик, включенный в измерительный колебательный контур сэлектрически перестраиваемыми емкостями, генератор высокой частоты, выход которого соединен с первым входом измерительного колебательного контура, блоки управления и индикации, емкостной датчик включен в измерительный колебательный контур через трансформатор сопротивления в виде длинной линии длиной(3),4 где- нечетные числа- длина распространения в длинной линии электромагнитной волны с частотой генератора высокой частоты, а блок управления содержит блок поиска резонанса, вход которого соединен с выходом измерительного колебательного контура, микропроцессорный контроллер, вход которого соединен с выходом блока поиска резонанса, а первый выход - с блоком индикации, и в устройство введены два ключа и цифроаналоговый преобразователь, причем вход первого ключа соединен с трансформатором сопротивления, вход второго - с образцовым конденсатором, выходы ключей подключены ко второму и третьему входам колебательного контура, а управляющие входы - ко второму и третьему выходам микропроцессорного контроллера, четвертый выход которого соединен с входом цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к четвертому входу колебательного контура. В преимущественном варианте устройства длина длинной линии, на которой выполнен трансформатор сопротивления, кратна 3/4, где- длина распространения электромагнитных колебаний в длинной линии. Благодаря тому, что емкость датчика с исследуемым веществом передается по длинной линии к измерительному колебательному контуру, для поддержания резонанса в нем автоматически изменяется емкость перестраиваемых конденсаторов, по значению изменения которой определяют влажность исследуемого вещества. Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема устройства, на фиг. 2 - временная диаграмма его работы. Устройство для измерения влажности вязких и сыпучих веществ содержит измерительный колебательный контур 1, включающий в себя катушку индуктивности 2 и варикапы 3 - 3, трансформатор 4 сопротивления (длинная линия, в частности высокочастотный коаксиальный кабель), через который емкостной датчик 5 подключен ко входу ключа 6, выход которого подключен к измерительному колебательному контуру, а управляющий вход - ко второму выходу контроллера 12. К измерительному контуру 1 также подключен выходом ключ 7, вход которого соединен с образцовым конденсатором 8, а управляющий вход - с третьим выходом контроллера 12. Измерительный колебательный контур 1 входом подключен к выходу генератора 9 высокой частоты, а выходом - к блоку 10 управления. В свою очередь блок 10 управления содержит блок 11 поиска резонанса, микропроцессорный контроллер 12 и цифро-аналоговый преобразователь 13 (ЦАП). При этом блок 11 поиска резонанса входом подключен к выходу измерительного колебательного контура 1, а выходом - к микропроцессорному контроллеру 12, четвертый выход которого подключен ко входу цифро-аналового преобразователя 13, а первый - к цифровому индикатору 14. Выход ЦАП 13 подключен к варикапам 3 - 3 измерительного колебательного контура 1. Устройство работает следующим образом. На вход измерительного контура 1 от генератора 9 высокой частоты (ГВЧ) поступает напряжение с частотой . В период времени 0 - 1 (фиг. 2) контроллер с помощью ключей 6 и 7 отключает от измерительного контура 1 трансформатор 4 сопротивления с датчиком 5 и образцовый конденсатор 8. При этом с ЦАП 13 под управлением контроллера 12 на варикапы 3 - 3 колебательного контура 1 подается напряжение смещения 0, при котором в контуре наступает резонанс с напряжением контура(фиг. 2 в) на частотегенератора 9 с резонансной емкостью Скр (фиг. 2 б). Резонанс определяется блоком 11 поиска резонанса, который в свою очередь управляет работой контроллера 12. В период времени 1 - 2 контроллер 12 с помощью ключа 7 подключает к измерительному контуру 1 образцовый конденсатор 8, имитирующий емкость датчика с высушенным веществом. При подключении к измерительному блоку 1 конденсатора 8 в измерительном контуре 1 нарушается резонанс, который восстанав 3 3103 1 ливается с помощью блоков 11, 12 и 13 (фиг. 1), изменяя напряжение смещения на варикапах 3 - 3 до значения с (фиг. 2 а) и восстанавливает емкость колебательного контура до значения(4) СкрСксС 0 ,где С 0 дс - емкость образцового конденсатора 8 дс - вносимая в колебательный контур емкость, эквивалентная емкости датчика с высушенным веществом Скс - емкость варикапов колебательного контура при подключенной к нему емкости С 0. Значение напряжения смещения с в период времени 2 - 3 (фиг. 2 а) заносится в оперативную память контроллера 12. В период времени 3 - 4 контроллер 12 с помощью ключа 7 отключает от измерительного контура 1 образцовый конденсатор 8 и с помощью ключа 6 подключает к измерительному контуру трансформатор 4 сопротивления с датчиком 5. В колебательном контуре нарушается резонанс, который восстанавливается с помощью блоков 11, 12 и 13 (фиг. 1), изменяя напряжение смещения на варикапах 3 - 3 до значения(фиг. 2 а) и восстанавливая емкость колебательного контура до значения(5) СкрСкдд ,гдед - внесенная в колебательный контур емкость, эквивалентная емкости датчика с влажным веществом Сд Скд - емкость варикапов колебательного контура при подключении к нему трансформатора 4 с датчиком 5. Значение напряжения смещенияв период времени 4 - 5 (фиг. 2 а) заносится в оперативную память контроллера 12. В период времени 5 -6 по значениям напряжении смещения 0,иконтроллер по заданной программе с учетом закона изменения емкости варикапов от напряжения смещения определяет отношение емкостей д и по формуле (1) вычисляет влажность исследуемого вещества. датчиков С дс В момент временипо команде от контроллера 12 производится сброс напряжения смещения варикапов от ЦП 13, при этом контроллер фиксирует в памяти вычисленное значение , после чего производится следующий цикл определения 0, ,и вычисления . После проведенияциклов измерений контроллер производит вычисления и отсчет среднего значения по формуле Время одного -го измерения и число измеренийвыбирают в каждом конкретном случае в зависимости от технологии производства и сушки веществ. Оно может колебаться от долей до единиц секунд. Настройку образцового конденсатора 8 производят в режиме, когда датчик заполнен высушенным исследуемым веществом. При этом емкость образцового конденсатора регулируется до получения нулевого показания индикатора. Введение образцового конденсатора с включением его в измерительный колебательный контур в каждом цикле измерения, а также определение значения емкости датчика непосредственно по изменению емкости колебательного контура исключило неисключенную систематическую составляющую инструментальной погрешности, за счет чего более чем в 3 раза повысило точность измерения влажности веществ. Благодаря тому, что заполнение датчика сухим веществом проводится крайне редко, например при переходе на измерение влажности нового вещества, изобретение позволяет проводить измерения в непрерывном технологическом процессе. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.