ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР

Полезная модель относится к средствам измерений параметров физической среды и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства для контроля и измерения влажности материалов и почвы.
Известно устройство для измерения влажности, содержащее емкостной преобразователь, подключенный к LC-контуру генератора импульсов, буферный каскад и измеритель частоты (В.М.Галкин, В.В.Ткаченко, В.Л.Федоров. Электронный влагомер. - А.с. СССР №1672336. МПК G01N 27/22. - Приор. от 23.08.91).
Влажность контролируемого материала в известном устройстве определяют по изменению частоты генератора, которая зависит от параметров LC-контура и изменения емкости датчика. Точность измерения влажности в этом устройстве ограничивается температурной нестабильностью параметров транзистора, используемого в генераторе импульсов, и влиянием напряжения питания, изменение которого приводит к вариации частоты выходных импульсов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является влагомер, содержащий емкостный датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре с модулируемыми параметрами, который через разделительный конденсатор соединен с выходом высокочастотного генератора. В схеме влагомера также применены генератор пилообразного напряжения, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, двоичный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника, и регистратор, один из входов которого соединен с выходом двоичного счетчика. Выход регистратора является выходом устройства (Виноградов И.Г., Шамарин Е.П. Автоматический электронный влагомер. - А.с. СССР №1392478. МПК G01N 27/22. - Опубл. 30.04.88).
Точность этого устройства ограничивается тем, что измеряемая влажность определяется по максимальной амплитуде колебаний на выходе двухполюсника, выделяемой с помощью блока выделения экстремума. Однако при контроле влажности материалов с повышенной проводимостью резко уменьшается добротность измерительного двухполюсника, что приводит к повышению погрешности выделения экстремума. В частности, с ростом проводимости ухудшается форма резонансной характеристики LC-контура, которая становится более широкой и пологой, а ее максимум - расплывчатым. Это не позволяет обеспечить точное определение максимума амплитуды колебаний на LC-контуре, вследствие чего значительно увеличивается погрешность измерения влажности.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности измерений.
Для достижения этого технического результата в электронный влагомер, содержащий емкостный датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре с модулируемыми параметрами, который через разделительный конденсатор соединен с выходом высокочастотного генератора, а также генератор пилообразного напряжения, собранный на последовательно соединенных генераторе импульсов, двоичном счетчике и цифроаналоговом преобразователе, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника, и регистратор, один вход которого соединен с выходом двоичного счетчика, дополнительно введены формирователь импульсов и D-триггер. Выход измерительного двухполюсника через формирователь импульсов подключен к D-входу триггера, С-вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов. При этом выход D-триггера подключен к входу установки нуля двоичного счетчика и входу записи данных регистратора. Выход регистратора является выходом устройства.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения точности измерения влажности.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурой, на которой показана структурная схема влагомера.
В схеме влагомера применены емкостный датчик 1 и измерительный двухполюсник на LC-контуре с модулируемыми параметрами 2, в состав которого входят конденсатор 3, варикап 4, катушка индуктивности 5 и резистор 6. К выходу двухполюсника 2 подключен формирователь импульсов 7, выход которого соединен с D-входом триггера 8, выполняющего функцию фазового компаратора, к С-входу которого подключен выход высокочастотного генератора 9. Этот генератор 9 через разделительный конденсатор 10 соединен со средней точкой катушки индуктивности 5. Выход триггера 8 соединен с входом записи данных регистратора 11 и входом установки нуля двоичного счетчика 12, счетный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 13. Выход счетчика 12 подключен к информационному входу регистратора 11 и соединен с входом цифроаналогового преобразователя 14, выход которого подключен к точке соединения конденсатора 3 и варикапа 4 через резистор 6, при этом последовательно соединенные емкостный датчик 1, конденсатор 3, варикап 4 и катушка индуктивности 5 образуют колебательный контур. Генератор импульсов 13, двоичный счетчик 12 и цифроаналоговый преобразователь 14 совместно выполняют функцию генератора 15 пилообразного напряжения, подаваемого на управляющий вход измерительного двухполюсника на LC-контуре с модулируемыми параметрами 2 для регулирования его резонансной частоты.
Работа схемы электронного влагомера выполняется следующим образом.
P
X
Х
Двоичный счетчик 12 работает в режиме суммирования тактовых импульсов, поступающих от генератора 13. Это приводит к равномерному увеличению выходного кода счетчика 12, который поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 14. Поэтому напряжение на выходе ЦАП 14 линейно увеличивается во времени и подается на управляющий вход двухполюсника 2. Пропорционально этому напряжению уменьшается емкость варикапа, приводящая к увеличению резонансной частоты LC-контура ƒ, которая также зависит от емкости С датчика 1, а значит, и от влажности контролируемого материала. При совпадении резонансной частоты LC-контура с частотой импульсов высокочастотного генератора 9 в контуре возникает явление резонанса. Чем больше емкость С датчика 1 и, соответственно, влажность материала, тем меньше должна быть емкость варикапа 4, и больше напряжение на выходе ЦАП 14, чтобы обеспечить равенство резонансной частоты LC-контура с частотой выходных импульсов высокочастотного генератора 9, и наоборот.
X
Хотя LC-контур измерительного двухполюсника 2 возбуждается импульсным высокочастотным сигналом, на выходе двухполюсника 2 формируется гармонический сигнал благодаря избирательным свойствам LC-контура. Этот гармонический сигнал преобразуется формирователем 7 в последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на D-вход триггера 8 и сравниваются по фазе триггером 8 с выходными импульсами высокочастотного генератора 9, т.е. D-триггер 8 выполняет функцию фазового компаратора. В зависимости от соотношения частоты генератора 9 и резонансной частоты LC-контура фазовый компаратор на D-триггере 8 находится в одном из двух состояний - высоком (единичном) или низком (нулевом). В момент появления резонанса изменяется знак разности фаз между импульсами высокочастотного генератора 9 и формирователя импульсов 7, поэтому триггер 8 переключается из низкого состояния в высокое. При этом на выходе триггера 8 формируется фронт импульса, который поступает на вход регистратора 11 для записи выходного кода двоичного счетчика 12, пропорционального выходному напряжению ЦАП 14 и, следовательно, емкости С датчика 1 и влажности контролируемого материала. После этого происходит сброс двоичного счетчика 12 в нулевое состояние, после чего начинается новый цикл измерения, и т.д.
Информация о влажности материала хранится в регистре памяти регистратора 11 в цифровом виде, что наиболее удобно при использовании влагомера в современных системах автоматического контроля влажности.
Повышение точности измерения влажности в данном устройстве обеспечивается за счет сравнения импульсов двух частот по фазе, а не по амплитудным параметрам, и основано на высокой крутизне спада фазочастотной характеристики LC-контура в окрестности его резонансной частоты.
P
P
P
Например, при добротности LC-контура Q=20 изменение его частоты на Δƒ/ƒ=±0,2% относительно резонансной ƒ приводит к изменению фазы от +4,5° до -4,5°, а амплитуда сигнала понижается всего на 0,3% относительно максимального значения. При изменении частоты до Δƒ/ƒ=±0,5% фаза изменяется в диапазоне ±11°, а амплитуда понижается примерно на 1,9%, и т.п.
Учитывая, что зона нечувствительности фазового компаратора на D-триггере 8 не превышает значения Δφ±1°, то применение предложенного технического решения позволяет понизить погрешность выделения резонансной частоты до сотых долей процента и тем самым значительно повысить точность измерения влажности по сравнению с известными влагомерами.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна".
Формирователь импульсов 7 собран на микросхеме К1564ТЛ2, выполняющей функцию триггера Шмитта, работа которой описана в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.14.
D-триггер 8 собран на микросхеме К561ТМ2, которая описана в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.25-26. Схемы генераторов импульсов 9 и 13 описаны в книге: Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.154-156, рис.5, 8. Двоичный счетчик импульсов 12 собран на микросхемах типа К561ИЕ10, которые описаны в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.31-33. Цифроаналоговый преобразователь 14 собран на микросхеме К1118ПА2, работа которой описана в книге: Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.121-128. Регистратор 11 собран на регистрах типа К561ИР9, которые описаны в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.41-42.
Дополнительным достоинством предложенной полезной модели является универсальность ее применения для высокоточного измерения влажности различных материалов, в том числе и влажности почвы, поэтому она может быть использована в разных областях народного хозяйства.