ВЛАГОМЕР

Полезная модель относится к измерительным приборам и может быть использована в устройствах для измерения влажности материалов, преимущественно сыпучих или измельченных материалов, например, муки, круп, в сахарной промышленности, в производстве древесных плит для определения влажности древесной стружки и т.п.
Известно устройство для измерения влажности Фирмы GreCon (проспект Фирмы GreCon, июль 1988 г.), включающее оптический преобразователь и измерительный блок.
Недостатками известного устройства являются - наличие только одной градуировочной характеристики, а также отсутствие возможности использования одновременно нескольких оптических преобразователей.
Известен модернизированный инфракрасный влагомер древесной стружки ВДС-201 М (Проспект ВНИИДРЕВ, 1990 г.), включающий набор имитаторов влажности, блок измерения и оптический преобразователь.
Недостатками известного технического решения являются: наличие только одной градуировочной характеристики, а также отсутствие блока линеаризации и возможности использования одновременно нескольких оптических преобразователей; выполнение узла синхронизации в виде магнитов и магнитоводов снижает надежность работы и достоверность показателей с течением времени; размещение источников ИК - излучения в одном корпусе с оптическим преобразователем снижает возможность ремонта устройства и значительно увеличивает вероятность выхода из строя радиоэлементов оптического преобразователя.
Известен также влагомер (Свидетельство РФ на полезную модель №20793, 2001 г. - прототип).
Недостатками известного влагомера являются высокая погрешность показаний влагомера при колебаниях температуры окружающей среды и зависимость показаний от места установки влагомера.
Техническая задача полезной модели - повышение достоверности показаний влагомера независимо от места установки влагомера и температуры окружающей среды за счет стабилизации температуры фотопреобразователя.
Техническая задача достигается тем, что во влагомере, включающем набор имитаторов влажности, оптический преобразователь и блок измерения, содержащий цифроаналоговый преобразователь, цифровой индикатор и микроконтроллер, причем оптический преобразователь содержит расположенные симметрично относительно его оптической оси источники ИК - излучения, объектив, приводной модулирующий диск с симметрично закрепленными в нем светофильтрами соответственно аналитической и сравнительной длиной волны, световод, фотопреобразователь, усилитель, коммутатор электрических сигналов, преобразователи напряжения в частоту и узел синхронизации в виде смонтированного на плоскости модулирующего диска и соосно ему диска синхронизации с равноудаленным от светофильтров прерывателем приема излучения на его периферийной части и двух симметрично расположенных относительно его оси вращения оптопар с источниками и приемниками излучения, - оптический преобразователь влагомера снабжен смонтированным около фотопреобразователя устройством термостабилизации, которое состоит из термодатчика, источника опорного напряжения, схемы сравнения, схемы управления и элемента Пельтье, при этом термодатчик связан тепловой связью с фотопреобразователем, выходы термодатчика и источника опорного напряжения связаны с соответствующими входами схемы сравнения, выход которой связан со входом схемы управления, а выход последней связан со входом элемента Пельтье, имеющего тепловую связь с фотопреобразователем.
Полезная модель имеет следующее отличие от прототипа:
- оптический преобразователь влагомера снабжен смонтированным около фотопреобразователя устройством термостабилизации, которое состоит из термодатчика, источника опорного напряжения, схемы сравнения, схемы управления и элемента Пельтье, при этом термодатчик связан тепловой связью с фотопреобразователем, выходы термодатчика и источника опорного напряжения связаны с соответствующими входами схемы сравнения, выход которой связан со входом схемы управления, а выход последней связан со входом элемента Пельтье, имеющего тепловую связь с фотопреобразователем.
Это позволит повысить достоверность показаний влагомера независимо от места установки влагомера и температуры окружающей среды за счет стабилизации температуры фотопреобразователя.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также решений с указанными отличительными признаками.
Полезная модель применима и прошла апробацию на промышленных предприятиях в 2008 г.
На фиг.1 изображен влагомер, общий вид.
На фиг.2 представлена схема влагомера для измерения влажности материалов;
На фиг.3 представлена схема блока измерения;
На фиг.4 представлена схема узла синхронизации, вид сверху.
На фиг.5 представлена схема устройства термостабилизации.
Влагомер для измерения влажности материалов 1 включает в себя набор 2 имитаторов влажности 3, блок измерения 4, содержащий цифроаналоговый преобразователь 5, цифровоой индикатор 6 и микроконтроллер 7, со входом 8 ждущего режима измерения, с четырьмя входами кнопок управления 9, 10, 11 и 12, с цифровым 13 и аналоговым 14 выходами, с запоминающим устройством 15 для хранения градуировочных характеристик, с программным модулем линеаризации 16, с программным модулем расчета 17 и с коммутатором 18 входа-выхода. Влагомер включает также оптический преобразователь 19, который содержит расположенные симметрично относительно его оптической оси 20 источники 21 и 22 ИК - излучения, каждый из которых имеет параболический отражатель соответственно 23 и 24 и размещен с ним в отдельном корпусе соответственно 25 и 26, смонтированными съемными и с возможностью их поворота, объектив 27, приводной от электродвигателя 28 модулирующий диск 29 с симметрично закрепленными в нем светофильтрами 30 и 31 соответственно аналитической и сравнительной длиной волны, световод 32, фотопреобразователь 33, усилитель 34, коммутатор 35 электрических сигналов, автоматический регулятор усиления 36, преобразователи 37 и 38 напряжения в частоту и узел синхронизации 39 в виде смонтированного на плоскости 40 модулирующего диска 29 и соосно ему диска синхронизации 41 с равноудаленным от светофильтров 30 и 31 прерывателем приема излучения 42 на его периферийной части 43, и двух симметрично расположенных относительно его оси вращения 44 оптопар 45 и 46 с источниками 47 и 48 и приемниками 49 и 50 излучения.
Устройство термостабилизации 51 установлено около фотопреобразователя 33 оптического преобразователя 19 влагомера и состоит из термодатчика 52, источника опорного напряжения 53, схемы сравнения 54, схемы управления 55 и элемента Пельтье 56, при этом термодатчик 52 связан тепловой связью с фотопреобразователем 33, выходы термодатчика 52 и источника опорного напряжения 53 связаны с соответствующими входами схемы сравнения 54, выход которой связан со входом схемы управления 55, выход последней связан со входом элемента Пельтье 56, имеющего тепловую связь с фотопреобразователем 33.
Работа влагомера основана на оптическом методе измерения величины, характеризующей влажность (влагосодержание). Отражательную способность контролируемого материала 1 на аналитической длине волны 1950 им (где вода абсорбирует сильно) сравнивают с отражательной способностью на сравнительной длине волны 1750 нм (где вода абсорбирует слабо). По соотношению интенсивностей отражения определяют значение влажности (влагосодержание).
Работа влагомера происходит следующим образом.
После включения электропитания влагомера (выключатель электропитания расположен на задней стенке корпуса блока измерения 4) световой пучок, формируемый с помощью двух источников 21 и 22 ИК - излучения в виде ламп-фар и параболических отражателей 23 и 24, направляется на объект измерения - контролируемый материал 1. Часть отраженной от контролируемого материала 1 энергии через объектив 27 влагомера поочередно попадает на светофильтры 30 и 31 ближней инфракрасной области, вращающиеся на модулирующем диске 29, приводимым во вращательное движение электродвигателем 28. Светофильтры 30 и 31 с длинами волн соответственно 1950 и 1750 нм поочередно в виде импульсов пропускают излучение на световод 32, выполненный в виде конического оптического конденсатора, который направляет их на приемник излучения - фотопреобразователь 33, например, фоторезистор, преобразующий инфракрасные импульсы в электрические сигналы. Таким образом, на выходе фотопреобразователя 33 получаются электрические в виде импульсов чередующиеся сигналы Uи (измерительный) и Uo (опорный), которые пропорциональны отражательным способностям излучения объекта измерения на двух длинах волн аналитической 1950 и сравнительной 1750 нм. При этом высота измерительных импульсов меньше высоты опорных импульсов на величину тем большую, чем больше влажность контролируемого материала 1, т.к. волны 1950 нм поглощаются материалом 1 пропорционально количеству содержащейся в нем воды, т.е. влажности.
Импульсы Uи и Uo с фотопреобразователя 33 поступают на вход усилителя 34 с масштабным коэффициентом усиления. Для измерения этих сигналов в оптическом (первичном) преобразователе 19 с помощью оптопар 45 и 46 узла синхронизации 39 вырабатываются синхронные и синфазные с измеряемыми сигналами Uи и Uo управляющие импульсы Uynpl и Uynp2. Усиленные сигналы Uи и Uo с выхода усилителя 34 поступают на вход коммутатора 35 электрических сигналов, а именно, напряжений. Одновременно на коммутатор 35 напряжений поступают управляющие импульсы Uynpl и Uynp2 от узла синхронизации 39, которые синхронны и синфазны соответственно с входными сигналами Uи и Uo. Это происходит благодаря тому, что прерыватель 42 приема излучения оптопар равноудален от светофильтров 30 и 31, в результате чего, отраженные от материала 1 лучи проходят через один из светофильтров 30 или 31 одновременно с прохождением прерывателя 42 приема излучения через оптопару 45 или 46. При этом сигнал прерывания излучения от источника 47 или 48 к соответствующему приемнику 49 или 50 поступает к коммутатору 35 электрических сигналов в виде прямоугольного импульса. В коммутаторе 35 электрических сигналов происходит разделение электрических сигналов Uи и Uo с помощью управляющих сигналов напряжений Uynpl и Uynp2 и, благодаря наличию в коммутаторе 35 схемы выборки-хранения, происходит преобразование поступивших импульсных сигналов в постоянное напряжение. В результате, на выходах коммутатора 35 электрических сигналов появляются сигналы постоянного напряжения Uи и Uo, которые поступают на соответствующие преобразователи 37 и 38 напряжения в частоту, с выходов которых поступают в блок измерения 4 сигналы соответственно измерительной fи и опорной fо частот.
В блоке измерения 4 по заданной программе и выбранной из 4-х градунровочной кривой происходит расчет значения влажности исследуемого материала 1. Результат расчетов и вычислений передается на цифровой индикатор 6, а также на цифровой выход 13, представляющий собой последовательный порт RS-232, и цифро-аналоговый преобразователь 5, который преобразует его в стандартный выходной сигнал 0-5 мА, поступающий на выход 14.
Предварительно до первого запуска в работу влагомер должен быть откалиброван. Для этого в перепрограммируемую память - запоминающее устройство 15 для хранения различных градуировочных характеристик микроконтроллера 7 блока измерения 4 вводятся посредством кнопок управления 10, 11 и 12 пронумерованные градуировочные таблицы на различные материалы, влажность которых может быть подвергнута контролю данным конкретным влагомером. Первичная градуировка влагомера производится непосредственно в технологическом потоке или в лабораторных условиях по 5-10 точкам. Всего можно хранить в запоминающем устройстве 15 до 4 различных градуировочных кривых.
Перед началом работы с определенным материалом 1 производится подготовка влагомера к измерениям. Для чего в диалоговом режиме с использованием кнопок управления 9, 10, 11 и 12 и цифрового индикатора 6 выбирается в запоминающем устройстве 15 соответствующий этому материалу 1 номер градуировочной таблицы, выбирается измеряемый параметр (влажность или влагосодержание), а также выбирается режим работы блока измерения 4. Блок измерения 4 может работать в одном из двух предусмотренных режимов: однократный с внешним запуском или автоматический без внешнего запуска.
При однократной режиме измерения блок измерения 4 запускается вручную посредством нажатия кнопки 9 «RES», расположенной на лицевой панели корпуса блока измерения 4, или по внешнему управляющему сигналу, поступающему через вход 8 ждущего режима управления RS, расположенного на задней стенке корпуса блока измерения 4. В этом режиме блок измерения 4 после запуска производит один цикл измерения влажности и выставляет на цифровом индикаторе 6 и своих выходах цифровом 13 и аналоговом 14 информацию о влажности по результату измерения, которая сохраняется до следующего запуска блока измерения 4.
При автоматическом режиме измерения блок измерения 4 после включения электропитания начинает работать по циклической программе, производя измерения цикл за циклом. Каждый цикл измерений может быть простым (однократное измерение) или сложным (многократное измерение с последующим усреднением результата за цикл). В этом случае на цифровой индикатор 6 и выходы 13 и 14 выводится только усредненный результат измерения за цикл. Максимальное количество измерений, производимых в сложном цикле, может быть установлено до 70. При выборе автоматического режима вводится посредством кнопок управления 10, 11 и 12 количество усредняемых измерений в одном цикле,
Дальнейшая проверка в процессе работы влагомера производится по набору 2 имитаторов 3 влажности, а именно: молочному стеклу МС-20 и желто-зеленым стеклам ЖЗС-18 но 4 точкам..
Дня обеспечения стабильности температуры фотопреобразователя 33 оптического преобразователя 19 предназначено устройство термостабилизации 51. Термодатчик 52 устройства термостабилизации 51 воспринимает температуру фотопреобразователя 33 и преобразует тепловой сигнал в электрический, который с его выхода поступает на один из входов схемы сравнения 54. На второй вход схемы сравнения 54 с выхода источника опорного напряжения 53 поступает электрический сигнал, значение которого устанавливается в соответствии с требуемой температурой на фотопреобразователе 33. В схеме сравнения 54 сигнал, поступивший от термодатчика 52, сравнивается с сигналом источника опорного напряжения 53. Результат сравнения в виде электрического сигнала поступает с выхода схемы сравнения на вход схемы управления 55. Если результат сравнения отличен от нуля (положительный или отрицательный) с выхода схемы сравнения 55 поступает управляющий сигнал на вход элемента Пельтье 56, который благодаря тепловой связи с фотопреобразователем 33 уменьшает или увеличивает его температуру до значения, установленного источником опорного напряжения 53.
Таким образом, при изменении температуры окружающей среды влагомера температура фотопреобразователя (фоторезистора) 33 поддерживается постоянной.
Таким образом, полезная модель позволит повысить достоверность показаний влагомера независимо от места установки влагомера и температуры окружающей среды за счет стабилизации температуры фотопреобразователя.