Устройство для измерения влажности веществ

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВЕЩЕСТВ(71) Заявитель Совместное общество с ограниченной ответственностью АЯКС(72) Авторы Молочников Виктор Викторович Годлевская Светлана Владимировна Пожиток Игорь Константинович Волынец Генрих Иванович(73) Патентообладатель Совместное общество с ограниченной ответственностью АЯКС(57) 1. Устройство для измерения влажности веществ, содержащее емкостной датчик, который через ключ соединен с измерительным колебательным контуром, генератор высокой частоты, контроллер, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа,второй выход - к цифровому индикатору, а третий выход - ко входу цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к измерительному колебательному контуру,при этом второй выход ключа соединен с нулевой шиной, отличающееся тем, что содержит генератор опорной частоты, преобразователь частоты, выход которого соединен со входом контроллера, первый вход связан с выходом генератора высокой частоты, а второй вход - с выходом генератора опорной частоты, при этом измерительный колебательный контур включен непосредственно в частотозадающую цепь генератора высокой частоты, а емкостной датчик включен в измерительный колебательный контур с коэффициентом включения, не превышающим 0,1. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкостной датчик выполнен в виде отрезка двухпроводной симметричной линии. 6709 1 3. Устройство для измерения влажности веществ, содержащее емкостной датчик,который через ключ соединен с измерительным колебательным контуром, генератор высокой частоты, контроллер, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа, второй выход - к цифровому индикатору, а третий выход - ко входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к измерительному колебательному контуру, отличающееся тем, что содержит генератор опорной частоты, преобразователь частоты, выход которого соединен со входом контроллера, первый вход связан с выходом генератора высокой частоты, а второй вход - с выходом генератора опорной частоты, имитирующий паразитную емкость емкостного датчика конденсатор, через который второй выход ключа соединен с нулевой шиной и конструктивно связанный с емкостным датчиком датчик температуры, сигнальный выход которого соединен со вторым входом контроллера, при этом измерительный колебательный контур включен непосредственно в частотозадающую цепь генератора высокой частоты, а емкостной датчик включен в измерительный колебательный контур с коэффициентом включения, не превышающим 0,1, и выполнен в виде концентрического компланарного емкостного датчика. 4. Устройство для измерения влажности веществ, содержащее емкостной датчик, ключ,соединенный с измерительным колебательным контуром, генератор высокой частоты,контроллер, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа, второй выход - к цифровому индикатору, а третий выход - ко входу цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к измерительному колебательному контуру, при этом второй выход ключа соединен с нулевой шиной, отличающееся тем, что содержит генератор опорной частоты, преобразователь частоты, выход которого соединен со входом контроллера, первый вход - с выходом генератора высокой частоты, а второй вход - с выходом генератора опорной частоты, а также трансформатор сопротивления, выполненный в виде отрезка длинной линии и включенный между емкостным датчиком и ключом, при этом измерительный колебательный контур включен непосредственно в частотозадающую цепь генератора высокой частоты, а емкостной датчик выполнен в виде коаксиального емкостного датчика и включен в измерительный колебательный контур с коэффициентом включения, не превышающим 0,1, при этом длинаупомянутого отрезка длинной линии равна/4,где 1, 3, 5, - длина распространения электромагнитной волны в длинной линии на частоте генератора высокой частоты. Изобретение относится к устройствам для измерения физических параметров различных веществ электронными методами, в частности к устройствам для измерения влажности твердых (например, древесины), сыпучих (например, зерна, песка, сухого молока),вязких и жидких (например, технических масел, парфюмерных и пищевых) веществ. 2 6709 1 Известно устройство для измерения влажности, содержащее емкостной датчик, включенный через ключ в измерительный колебательный контур, генератор высокой частоты,контроллер, цифровой индикатор и цифро-аналоговый преобразователь (патент РБ 3103). Известное устройство реализует резонансный метод измерения, который требует настройки колебательного измерительного контура в резонанс в момент калибровки и после подключения измерительного датчика. При этом настройка осуществляется электрически перестраиваемой емкостью (варикапом), включенной в измерительный колебательный контур. По величине разницы этой емкости в момент калибровки и после подключения измерительного датчика судят о величине влажности. Точность измерения влажности зависит от точности определения емкости варикапов, что является сложным процессом. Кроме того, известные методики определения этой емкости дают большие погрешности. Эта погрешность увеличивается за счет неточной настройки измерительного контура в резонанс, поскольку определить экстремум резонансной кривой в малый промежуток времени, за который проводится измерение, трудно. Задача изобретения - повышение точности измерения влажности различных веществ. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения влажности, содержащем емкостной датчик, включенный через ключ в измерительный колебательный контур, генератор высокой частоты, контроллер, цифро-аналоговый преобразователь,цифровой индикатор, измерительный колебательный контур включен непосредственно в частотозадающую цепь генератора высокой частоты, а датчик включен в измерительный контур с коэффициентом включения, не превышающим 0,1, и в устройство введены генератор опорной частоты и преобразователь частоты, выход которого соединен со входом контроллера, первый вход связан с генератором опорной частоты, а второй - с выходом генератора высокой частоты. В одном из преимущественных вариантов реализации данного устройства, дающем особые преимущества при измерении влажности твердых веществ (например, древесины),в качестве емкостного датчика использован концентрический компланарный емкостной датчик, и устройство дополнительно содержит датчик температуры, который конструктивно совмещен с емкостным датчиком, и конденсатор, имитирующий паразитную емкость емкостного датчика. В другом варианте осуществления данного устройства, дающем заметные преимущества при измерении влажности сыпучих веществ, таких как зерно в буртах или на токах, датчик выполнен в виде отрезка двухпроводной симметричной линии (штыревого конденсатора). Еще в одном варианте осуществления устройства согласно изобретению, дающем преимущества при измерении влажности вязких веществ (сливочное масло), а также проб сыпучих и жидких веществ (масел технических, парфюмерных и пищевых), является устройство, в котором датчик выполнен в виде коаксиального конденсатора, и устройство дополнительно содержит трансформатор сопротивления, выполненный в виде длинной линии (высочастотный коаксиальный кабель), длина которой равна/4, где- длина распространения электромагнитной волны в длинной линии на частоте генератора высокой частоты,1, 3, 5 Сущность изобретения заключается в том, что емкостной датчик с исследуемым материалом включен в колебательный контур с коэффициентом включения, не превышающим 0,1, а измерительный контур включен непосредственно в частотозадающую цепь генератора высокой частоты, благодаря чему частота генератора высокой частоты по отношению к опорной частоте будет меняться не более 5 даже при максимальных изменениях влажности исследуемого материала. О величине влажности вещества судят по изменению частоты генератора высокой частоты. При выборе исходной частоты генератора высокой частоты опираются на следующее. Каждое вещество имеет свою оптимальную частоту, на которой отношение 6709 1 имеет максимальное значение, где ,- приращения диэлектрической проницаемости измеряемого вещества и приращения влажности этого вещества при изменении частоты генератора высокой частоты. Указанную зависимость устанавливают экспериментальным путем для каждого вещества и на основании этих данных выбирают частоту генератора высокой частоты, которая указана в техническом паспорте на измеритель влажности. Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена общая структурная схема устройства согласно изобретению. На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, приспособленная для измерения влажности преимущественно твердых материалов, например древесины, а также сыпучих веществ в буртах, например зерна, в естественных условиях, т.е. при любых значениях температуры исследуемого материала. На фиг. 3 представлена структурная схема устройства, приспособленная для измерения влажности преимущественно вязких, например, сливочного масла, сыпучих и жидких веществ, например масел технических, парфюмерных и пищевых, при условии, что измерение осуществляется при определенной, заранее заданной температуре. На фиг. 4 схематично показана конструкция концентрического компланарного емкостного датчика и конструктивносовмещенного с ним датчика температуры, используемого в измерителе влажности, представленном на фиг 2. Устройство для измерения влажности материалов содержит емкостной датчик 1, подключенный через ключ 2 к измерительному колебательному контуру 3, который в свою очередь включен в частотозадающую цепь генератора высокой частоты 4, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты 5, ко второму входу которого подключен выход генератора 6 опорной частоты, а выход преобразователя частоты 5 соединен со входом контроллера 7, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа 2, второй выход - к цифровому индикатору 8, а третий выход - ко входу цифроаналогового преобразователя 9, выход которого подключен к измерительному колебательному контуру 3 генератора высокой частоты 4. Устройство для измерения влажности преимущественно твердых веществ, а также сыпучих веществ в буртах, т.е. в условиях хранения (фиг. 2), дополнительно содержит датчик температуры 10, который конструктивно совмещен с емкостным датчиком 1, и конденсатор 11, имитирующий паразитную емкость емкостного датчика 1, при этом сигнальный выход датчика температуры 10 подключен ко второму входу контроллера 7, а второй выход ключа 2 соединен с нулевой шиной через конденсатор 11. Устройство для измерения влажности преимущественно проб вязких (например, сливочного масла), сыпучих и жидких веществ (масла технические, парфюмерные и пищевые)(фиг. 3) дополнительно к устройству фиг. 1 содержит трансформатор сопротивления 12,который включен между емкостным датчиком 1 и ключом 2. Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. В режиме калибровки ключ 2 отключает емкостной датчик 1 от частотозадающего колебательного измерительного контура 3, входящего в частотозадающую цепь генератора 4. Контроллер 7, по команде от ключа 2, с помощью цифро-аналогового преобразователя 9 устанавливает частоту вч генератора 4, равную частоте оп опорного генератора 6 где , С - исходные параметры колебательного контура 3 генератора 4. В результате на выходе преобразователя 5 устанавливаются нулевые биения на частотевч- оп 0. Этот режим отражается па цифровом индикаторе 8. В режиме измерения с помощью ключа 2 емкостной датчик 1 подключают к измерительному колебательному контуру 3 (к частотозадающей цепи генератора 4 высокой частоты). 4 6709 1 При этом контроллер 7 с помощью цифро-аналогового преобразователя 9 фиксирует исходные параметры измерительного контура 3 в частотозадающей цепи генератора 4, а частота вч этого генератора получит значениевч 1 / 2 (д ) ,(2) где Сд 0,1(ССд), где д - емкость датчика 1, которая зависит от влажности исследуемого материала. В связи с тем, что диэлектрическая проницаемость воды значительно больше диэлектрической проницаемости исследуемых веществ, суммарная диэлектрическая проницаемость исследуемого вещества будет увеличиваться с увеличением измеряемой влажности,а следовательно, будет увеличиваться емкость датчика. В результате на выходе преобразователя сформируется напряжение с частотой биенияоп - вч. Сигнал, соответствующий этой частоте, поступает на вход контроллера, в котором производится вычисление измеряемой влажностипо формуле, в частности 2,где- значение влажности исследуемого материала, с,- постоянные величины для каждого измеряемого вещества, записанные в память контроллера,и на цифровом индикаторе высветится значение влажности исследуемого материала. В устройстве измерения влажности, согласно фиг. 2, в режиме калибровки с помощью ключа 2 отключают емкостной датчик 1 от измерительного колебательного контура 3 и подключают к нему конденсатор 11, имеющий емкость, равную паразитной емкости датчика 1, а в режиме измерения с помощью ключа 2 подключают емкостной датчик 1 к измерительному колебательному контуру 3 и отключают от него конденсатор 11. При этом с помощью сигнала от датчика температуры 10 контроллер 7 производит температурную коррекцию величины влажности материала (вещества) по градуировочной функции и вычисляет влажность по формуле, а именноаТ(2),где- температура исследуемого материала в момент измерения влажности,а, , с,- постоянные величины для каждого измеряемого вещества и записанные в память контроллера. Работа устройства, представленная на фиг. 3, отличается от работы устройства, представленного па фиг. 1 тем, что в режиме калибровки ключом 2 точку соединения трансформатора 12 и индуктивностисоединяют с нулевой шиной, а в режиме измерения трансформатор 12 соединяют последовательно с индуктивностью . Частота вч генератора 4 в режиме измерения определяется выражением где 2 Сд 0,1(2 Сд) - емкость датчика, трансформируемая в колебательный контур трансформатором сопротивления как индуктивность, - волновое сопротивление трансформатора сопротивления 12. Из вышеизложенного следует, что в заявляемом устройстве погрешность измерения влажности определяется только погрешностью измерения приращения частоты генератора высокой частоты. Тогда как точность измерения влажности в прототипе зависит от погрешностей снятия вольт-фарадной характеристики варикапов и настройки колебательного контура в резонанс. Таким образом, погрешность измерения влажности в соответствии с изобретением значительно ниже, чем погрешность прототипа. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.