ЦИФРОВОЙ ПОТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения влажности твердых материалов, и может быть применена в строительной, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности.
Из оптических устройств для измерения влажности известен цифровой оптический измеритель влажности (патент РФ№2117936, МКИ G01N 21/81), содержащий источник излучения, составной светофильтр, установленный на оси электродвигателя, фотопреобразователь, выход которого подключен к усилителю фототока, усилитель мощности, выходом подключенный к электродвигателю, схему обработки информации, выполненную в виде двухвходового коммутатора, к первому входу которого подключен усилитель фототока непосредственно, а ко второму - через инвертирующий усилитель, соединенного выходом с интегратором, подключенным к выходу компаратора, выход которого подключен к первому входу триггера, и генератора тактовых импульсов, соединенного с делителем частоты, выход которого соединен с усилителем мощности, управляющим входом двухвходового коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. При вращении модулятора потоки излучения, отраженные от объекта, поступают на фотоприемник и затем на усилитель фототока, на выходе которого образуется последовательность импульсов с различными амплитудами, которая с помощью двухвходового коммутатора разделяется во времени на опорный и измерительный сигналы. Величина влажности определяется по отношению двух сигналов.
Данное измерительное устройство имеет низкую точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку дает информацию только о поверхностном содержании влаги, которая может существенно отличаться от влажности внутри образца.
Из известных устройств для измерения влажности наиболее близким по технической сущности является цифровой поточный измеритель влажности (патент РФ №2397483 МПК, G01N 27/22), содержащий интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом к компаратору, ключ, соединяющий генератор со счетчиком импульсов, снабженный измерительным преобразователем, представляющим собой конденсаторный датчик, включенным во времязадающую цепь генератора, логическим устройством для управления работой интегратора и счетчика, подключенным первым входом к первому бесконтактному переключателю, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю, установленным на торцах измерительного преобразователя, третьим входом к компаратору, а выходом к управляющим входам ключа и коммутатора, к первому и третьему входу которого подключены источники напряжения, а второй и четвертый его входы соединены с землей.
Данное измерительное устройство дает информацию о среднеинтегральной влажности образца. Интегральная же оценка не позволяет оценивать неравномерность влажности по глубине материала.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового устройства для повышения точности результатов измерения, с оценкой неравномерности влажности по глубине оптически непрозрачных объектов и цифровым представлением результата измерения.
Техническим результатом заявленного цифрового измерителя влажности является повышение точности измерения влажности оптически непрозрачных материалов с оценкой неравномерности влажности по глубине образца.
Указанный технический результат достигается тем, что цифровой поточный измеритель влажности, содержащий интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом к компаратору, ключ, соединяющий генератор со счетчиком импульсов, измерительный преобразователь, представляющий собой конденсаторный датчик, включенный во времязадающую цепь генератора, логическое устройство для управления работой интегратора и счетчика импульсов, подключенное первым входом к первому бесконтактному переключателю, вторым входом - ко второму бесконтактному переключателю, установленными на торцах измерительного преобразователя, третьим входом - к триггеру Шмитта с нулевым порогом срабатывания, а выходом - к управляющим входам ключа и коммутатора, к первому и третьему входу которого подключены источники напряжения, а второй и четвертый входы соединены с землей, снабжен источником излучения, составным светофильтром, установленным на оси электродвигателя, подключенного к усилителю мощности, фотопреобразователем, выход которого подключен к первому усилителю фототока, двухвходовым коммутатором, к первому входу которого подключен первый усилитель фототока непосредственно, а ко второму входу первый усилитель фототока подключен через инвертирующий усилитель, соединенным выходом с интегратором, подключенным к входу компаратора, выход которого подключен к первому входу трехвходового триггера, генератором тактовых импульсов, соединенным с делителем частоты, выход которого соединен с усилителем мощности, управляющим входом двухвходового коммутатора и вторым входом трехвходового триггера, подключенного выходом к управляющему входу второго ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со вторым счетчиком импульсов, соединенным с запоминающим устройством, а также содержит нейрокомпьютер, соединенный первым входом со счетчиком импульсов, а вторым входом - с запоминающим устройством, и устройство синхронизации, состоящее из фотоэлементного датчика положения, соединенного со вторым усилителем фототока, выход которого соединен с третьим входом трехвходового триггера.
Указанное отличие позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку цифровой поточный измеритель влажности содержит блок измерения влажности поверхностного слоя материала, устройство синхронизации и нейрокомпьютер, в котором производится сравнение поверхностной влажности образца со среднеинтегральной влажностью.
На фиг.1 изображена блок-схема цифрового поточного измерителя влажности.
На фиг.2 представлен алгоритм принятия решения нейрокомпьютером.
Цифровой поточный измеритель влажности содержит источник излучения 1, составной светофильтр 2, установленный на оси электродвигателя 3, подключенного к усилителю мощности 4, фотопреобразователь 5, выход которого подключен к первому усилителю фототока 6, схему обработки информации, выполненную в виде двухвходового коммутатора 7, к первому входу которого подключен первый усилитель фототока 6 непосредственно, а ко второму - через инвертирующий усилитель 8, соединенного выходом с интегратором 9, подключенным к входу компаратора 10, выход которого подключен к первому входу триггера 11, и генератора тактовых импульсов 12, соединенного с делителем частоты 13, выход которого соединен с усилителем мощности 4, управляющим входом двухвходового коммутатора 7 и вторым входом триггера 11, подключенного выходом к управляющему входу ключа 14, соединяющего генератор тактовых импульсов 12 со счетчиком импульсов 15, соединенным с запоминающим устройством 16; а также снабжен фотоэлементным датчиком положения 17, соединенным со вторым усилителем фототока 18, который соединен с третьим входом триггера 11; и содержит измерительный преобразователь 19, представляющий собой конденсаторный датчик, включенный во времязадающую цепь генератора 20, являющегося автоколебательным мультивибратором, соединенного ключом 21 со счетчиком импульсов 22. Частота импульсов генератора 20 зависит от емкости измерительного преобразователя 19, пропорционально связанной с диэлектрической проницаемостью образца, которая в свою очередь зависит от влажности. Бесконтактные переключатели 23 и 24, установленные на торцах измерительного преобразователя 19 по направлению движения образца, служат для определения положения образца относительно измерительного преобразователя 19. Измеритель влажности содержит логическое устройство 25, подключенное первым входом к первому бесконтактному переключателю 23, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю 24, третьим входом к компаратору 26, представляющему собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания. Выход логического устройства 25 подключен к управляющим входам ключа 21 и коммутатора 27, срабатывающим от фронтов и срезов импульсов, поступающих на их входы. К первому и третьему входу коммутатора 27 подключены источники напряжения 28 и 29, второй и четвертый его входы соединены с землей, а к выходу - интегратор 30, подключенный к компаратору 26.
Выходы запоминающего устройства 16 и счетчика импульсов 22 подключены к нейрокомпьютеру 31, позволяющему производить сравнение поверхностной и средней влажности по сечению материала. Нейрокомпьютер 31 соединен с устройством сортировки (на чертеже не показано).
Цифровой поточный измеритель влажности работает следующим образом:
1
2
Излучения от источника излучения 1 через составной светофильтр 2, выполненный из двух светофильтров, один из которых является опорным и пропускает излучение при слабой абсорбции воды с длиной волны λ=1,75 мкм, а другой является измерительным и пропускает излучение при интенсивной абсорбции с длиной волны λ=1,95 мкм, попадает на фотопреобразователь 5, соединенный с первым усилителем фототока 6. Электродвигатель 3, на оси которого установлен составной светофильтр 2, подключен к усилителю мощности 4. Измеритель содержит схему обработки информации, содержащую подключенный к усилителю фототока 6 инвертирующий усилитель 8 с коэффициентом усиления К, выход которого подключен к одному из входов двухвходового коммутатора 7. К другому входу двухвходового коммутатора 7 подключен выход первого усилителя фототока 6. Выход двухвходового коммутатора 7 соединен с интегратором 9, выполненным на базе операционного усилителя и соединенным с компаратором 10, выход которого соединен с первым входом триггера 11. Триггер 11 срабатывает от срезов импульсов, поступающих на его входы. Измеритель содержит генератор тактовых импульсов 12 и соединенный с ним делитель частоты 13. Усилитель мощности 4, управляющий вход двухвходового коммутатора 7 и второй вход триггера 11 соединены с выходом делителя частоты 13. Выход триггера 11 подключен к управляющему входу ключа 14, соединяющего генератор тактовых импульсов 12 со счетчиком импульсов 15. Фотоэлементный датчик положения 17 образца соединен со вторым усилителем фототока 18, который соединен с третьим входом трехвходового триггера 11. Логическая единица на третьем входе триггера 11 означает отсутствие образца в измерителе. Счетчик импульсов 15 соединен с запоминающим устройством 16.
1
2
О
1
О
1
1
О
При работе измерителя сигнал с генератора тактовых импульсов 12 с частотой f поступает на делитель частоты 13 с коэффициентом деления n. Сигнал с делителя частоты 13, имеющий частоту f/n и период Т=n/f, поступает на усилитель мощности. 4. Переменное напряжение с усилителя мощности 4 поступает на электродвигатель 3, который вращает составной светофильтр 2. Светофильтр 2 в течение полупериода T=T пропускает отраженный от измеряемого объекта поток излучения Ф, соответствующий опорной длине волны λ. Это условие достигается подбором положения светофильтра 2 относительно оси электродвигателя 3. Затем поток излучения Ф поступает на фотопреобразователь 5 с токовой чувствительностью S, преобразующий поток излучения в электрический ток i=S·Ф. Электрический сигнал с фотопреобразователя 5 поступает на первый усилитель фототока 6, которым усиливается до величины
6
О
1
H
УФ
U=Ф·S·R·К,
H
где R - сопротивление нагрузки фотопреобразователя.
При вращении светофильтра 2 на выходе первого усилителя фототока 6 образуется импульсный сигнал.
1
и
1
В течение промежутка времени Т сигнал с делителя частоты 13 поступает на управляющий вход двухвходового коммутатора 7, который на это время подключает первый усилитель фототока 6 к интегратору 9 с постоянной времени Т, на выходе которого образуется линейно возрастающее напряжение. Напряжение на выходе интегратора 9 в конце промежутка времени Т определяется с помощью выражения:
1
1
и
2
В момент времени Т происходит переключение двухвходового коммутатора 7 и установка триггера 11 в единичное состояние с помощью сигнала от делителя частоты 13. В течение промежутка времени Т-Т светофильтр 2 пропускает отраженный поток Ф, соответствующий измерительной длине волны λ, а двухвходовой коммутатор 7 на это время между усилителем фототока 6 и интегратором 9 подключает инвертирующий усилитель 8, на выходе которого присутствует напряжение
8
И
1
H
УФ
U=Ф·S·R·К·К
На выходе интегратора 9 образуется линейно убывающее напряжение
2
В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 9 срабатывает компаратор 10, который переводит триггер 11 в нулевое состояние. Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора 10, т.е. промежуток времени, в течение которого триггер 11 находится в единичном состоянии через переменную Т, выразим напряжение на выходе интегратора 9 в момент срабатывания компаратора 10
6
1
8
2
UT-UT=0
Откуда
,
т.е. длительность импульса на выходе триггера 11 определяется влажностью объекта.
При перемещении образца возможны четыре его положения относительно измерительного преобразователя: образец находится вне измерительного преобразователя, внутри измерительного преобразователя находится часть образца, образец заполняет измерительный преобразователь полностью, внутри измерительного преобразователя находится часть образца.
1
Уровень сигнала, соответствующий логической единице на выходе бесконтактных переключателей 23 и 24 логическому нулю на выходе компаратора 26, означает отсутствие образца в измерительном преобразователе 19. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 25 замыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 источник напряжения 28. В результате этого счетчик импульсов 22 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 20 с частотой f, соответствующей незаполненному измерительному преобразователю 19, а на выходе интегратора 30 образуется линейно падающее напряжение
28
где U - напряжение на выходе источника напряжения 28, τ - постоянная интегрирования интегратора 30.
2
Момент времени t соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактного переключателя 23, означающему частичное заполнение образцом измерительного преобразователя 19. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 25 размыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 22 перестают поступать импульсы от генератора 20, а на выходе интегратора 30 образуется постоянное напряжение:
3
2
Момент времени t соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 23 и 24, означающему полное заполнение образцом измерительного преобразователя 19. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 25 замыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 источник напряжения 29 отрицательной полярности. В результате этого счетчик импульсов 22 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 20 с частотой f, соответствующей заполненному измерительному преобразователю 19, а на выходе интегратора 30 образуется линейно возрастающее напряжение:
29
где U - напряжение на выходе источника напряжения 26.
4
Момент времени t соответствует уровню логической единицы на выходе компаратора 27, означающей равенство нулю напряжения на выходе интегратора 30. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 25 размыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 22 перестают поступать импульсы от генератора 20, а на выходе интегратора 30 образуется постоянное напряжение
1
2
1
1
1
1
2
4
3
2
1
2
1
28
29
Обозначив число импульсов, поступивших на счетчик импульсов 22 за время Δt=t-t через переменную N=Δtf, а за время Δt=t-t через переменную N=N(f/f)(U/U).
5
Момент времени t соответствует уровню логической единицы на выходе бесконтактного переключателя 23, означающему частичное заполнение измерительного преобразователя 19 образцом, однако никаких изменений предыдущего состояния при этом не происходит.
Нейрокомпьютер 31 выполняет функцию принятия решения. Он получает вектор входных сигналов от запоминающего устройства 16 и счетчика импульсов 22.
Входы нейрокомпьютера неравнозначны и характеризуются весовыми коэффициентами, определяющими важность поступающей по ним информации.
Таким образом, вычисляется скалярное произведение вектора входных сигналов и вектора весовых коэффициентов.
1
2
1
2
Сначала производится сравнение величин влажности X и X, измеренных при помощи диэлькометрического и оптического методов. Если измеренные величины отличаются более чем на заданную величину δ, т.е. условие |X-X|≤δ не выполняется, подается команда на устройство сортировки, и данный образец отправляется на досушку. Величина δ определяется требованиями к качеству процесса сушки.
Если измеренные величины влажности отличаются незначительно, то производится определение уточненного показателя через весовые коэффициенты:
1
1
2
2
X=k·X+k·X
1
2
Коэффициенты k и k находятся экспериментально в зависимости от материала.
ТРЕБ.
Уточненное значение влажности сравнивается с требуемым значением, и если выполняется условие X≤X, значение измеренной влажности выводится на устройство отображения результата (на схеме не показано).
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов с оценкой неравномерности влажности по глубине материала.