УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR MEASURING MOISTURE OF GRANULAR MATERIALS

Изобретение относится к области исследования или анализа различных материалов, а именно к области измерительной техники, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для определения влажности сыпучих материалов, например для контроля влажности торфа при его производстве.
6
Известен электронный влагомер SU 123333, МПК G01N 27/22, 1959. Согласно описанию известный влагомер предназначен для измерения влажности сыпучих материалов емкостным методом и содержит емкостной датчик с испытуемым материалом, питаемый переменным напряжением, включенный в электронную схему катодного вольтметра на двойном триоде с измерительным прибором в катодной цепи, указывающим влажность испытуемого материала. Параллельно емкостному датчику включено комплексное сопротивление нагрузки, содержащее емкость и активное сопротивление, и диодный детектор. Известный влагомер определяет влажность испытуемого материала емкостным методом путем перезаряда емкости, образованной изолированными электродами емкостного датчика с испытуемым материалом под действием переменного напряжения. Изменение тока заряда емкости, образованной емкостным датчиком с испытуемым материалом, в зависимости от влажности последнего преобразуется электронной схемой и регистрируется измерительным прибором.
Недостатком известного технического решения является низкая точность измерения влажности сыпучих материалов, имеющих различную температуру, т.к. электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, изменяется не только от его влажности, но и от его температуры. Известно, что диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно невелика (2,5÷5), в то время как диэлектрическая проницаемость воды равна 81 (при температуре 20°С). Поэтому даже незначительное изменение содержания воды в образце ведет к заметному изменению его диэлектрической проницаемости (см. Применение радиометодов в народном хозяйстве. «Энергия», 1964, с.6). Для определения знака температурного коэффициента электрической емкости воды были проведены следующие испытания. В емкость с водопроводной водой, имеющей различную температуру, опускались электроды емкостного датчика, изолированные от воды. На электроды подавались положительные импульсы напряжения частотой f=1.0 МГц. Температура воды измерялась термометром. Проходящий через электроды ток регистрировался измерительным прибором со шкалой 0÷100 мкА. Результаты испытаний приведены в таблице 1, откуда следует, что с повышением температуры воды ток, проходящий через емкостные электроды, увеличивается.
Таблица 1
Температурные испытания воды
№ п/п
Температура воды, С
Показания измерительного прибора, мкА
1
9
65
2
30
69
3
45
75
4
53
77
Емкостное сопротивление определяется из формулы
;
с
где: х - емкостное сопротивление, Ом;
С - емкость электрическая, Ф;
f - частота, Гц.
Отсюда можно сделать вывод, что емкость С увеличивается с повышением температуры воды, емкостное сопротивление уменьшается. Вода имеет положительный температурный коэффициент электрической емкости (диэлектрической проницаемости). В известном электронном влагомере при увеличении температуры исследуемого материала электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Таким образом, ток заряда конденсатора, образованного электрической емкостью электродов датчика с исследуемым материалом, увеличивается, что повышает погрешность измерения влажности материала, обусловленную его различной температурой.
6
Также известно устройство для измерения влажности сыпучих материалов, описанное в SU 140248, МПК G01N 27/04, G01N 27/22, 1961. Известное устройство содержит генератор колебаний высокой частоты, усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, усилитель, датчик влажности с изолированными от испытуемого материала емкостными электродами и неизолированными от испытуемого материала электродами, диодные выпрямители, измерительный прибор и источник питания. Измерение влажности контролируемого материала основано на одновременном измерении емкостного и активного сопротивлений материала путем измерения тока разбаланса измерительной схемы с включенными в измерительную схему изолированными и неизолированными электродами датчика при погружении последних в контролируемый материал. В основу конструкции известного устройства для измерения влажности сыпучих материалов положена зависимость электрической емкости и электрической проводимости от влажности испытуемого материала.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения влажности сыпучих материалов с различной температурой, обусловленная тем, что электрическая емкость, образованная изолированными электродами датчика с исследуемым материалом, и электрическая проводимость материала, контролируемая неизолированными электродами датчика, изменяется не только от влажности, но и от его температуры. Известно, что торф по своим электрическим свойствам относится к классу полупроводниковых материалов, и его электрические свойства определяются содержанием в нем воды. При небольшой влажности (1+2%) торф имеет значительное электрическое сопротивление. При увеличении влажности проводимость торфа увеличивается. Для определения знака температурного коэффициента сопротивления воды были проведены следующие испытания. В емкость с водопроводной водой, имеющей различную температуру, опускались металлические неизолированные от воды электроды, на которые подавались положительные импульсы напряжения частотой f=1.0 МГц. Проходящий через электроды ток регистрировался измерительным прибором со шкалой 0÷100 мкА. Температура воды измерялась термометром. Результаты испытаний приведены в таблице 2, из которой следует, что с повышением температуры воды ток, проходящий через неизолированные электроды, увеличивается, т.е. вода имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Таблица 2
Температурные испытания воды
№ п/п
Температура воды, °С
Показания измерительного прибора, мкА
1
12
71
2
30
73
3
43
76
4
53
79
В известном устройстве для измерения влажности сыпучих материалов, например, при увеличении температуры исследуемого материала ток, протекающий через неизолированные электроды, увеличивается, что повышает погрешность измерения, обусловленную различной температурой материала. При увеличении температуры исследуемого материала вследствие того, что он имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Таким образом, ток заряда конденсатора, образованного электрической емкостью с исследуемым материалом, увеличивается, что повышает погрешность измерения влажности материала, обусловленную его различной температурой.
6
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту, т.е. прототипом, является электронный влагомер почвы, описанный в SU 214154, МПК G01N 27/04, G01N 27/22, 1966. Известное устройство содержит самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, емкостный датчик, диодные выпрямители, измерительный прибор, источник питания. В качестве измерительной схемы служит резонансный измерительный контур с индуктивностью и емкостным датчиком, содержащим кольцевые, расположенные в одной плоскости изолированные электроды. Параметры резонансного контура подобраны так, что зависимость между изменением емкости и изменением амплитуды высокочастотного напряжения на контуре близка к линейной. При заполнении датчика влажным испытуемым материалом частота контура уменьшается, приближаясь к частоте питающего контур генератора, в результате чего величина резонансного напряжения на контуре возрастает пропорционально влажности материала. Величина высокочастотного напряжения, пропорционального измеряемой влажности, после выпрямления диодными выпрямителями определяется стрелочным индикатором, показывающим величину влажности вещества. В известном электронном влагомере используется зависимость электрической емкости от влажности испытуемого материала.
Недостатком известного электронного влагомера является низкая точность измерения влажности сыпучих материалов с различной температурой, т.к. электрическая емкость, образованная изолированными электродами датчика с исследуемым материалом, изменяется не только от влажности, но и от температуры материала. В известном устройстве, например, при увеличении температуры исследуемого материала вследствие того, что он имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, увеличивается, частота резонансного измерительного контура уменьшается, величина резонансного напряжения на контуре возрастает, увеличиваются показания стрелочного индикатора, регистрирующего влажность материала, что повышает погрешность измерения, обусловленную различной температурой исследуемого материала.
Настоящее изобретение направлено на исключение вышеперечисленных недостатков, а именно на повышение точности измерения влажности сыпучих материалов с различной температурой.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с емкостными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды, измерительный прибор и источник питания, согласно предлагаемому изобретению дополнительно содержит индуктивные электроды, включенные в измерительную схему, и диоды индуктивной цепи, при этом температурный коэффициент индуктивности дополнительных электродов совпадает по знаку с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости испытуемого материала, индуктивные электроды выполнены в виде индуктивно связанных катушек индуктивности с индуктивной связью, изолированных от внешней среды покрытием, а оси электродов, на которых они расположены, параллельны.
Еще одно отличие предлагаемого устройства состоит в том, что емкостные электроды выполнены в виде катушек индуктивности.
Другие отличия заявляемого изобретения заключаются в том, что все катушки индуктивности намотаны на изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности, соединенные с коллектором транзистора усилителя, соединены последовательно, а две обмотки каждой своей второй катушки индуктивности соединены параллельно.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство для измерения влажности сыпучих материалов отличается наличием новых элементов, их формой выполнения, взаимным расположением, наличием связей между элементами.
Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время неизвестно устройство для измерения влажности сыпучих материалов, обладающее такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемое. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "новизна".
При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения «изобретательский уровень».
Для определения знака температурного коэффициента индуктивности в емкость с водопроводной водой, имеющей различную температуру, опускались индуктивные электроды, выполненные в виде индуктивно связанных катушек индуктивности с индуктивной связью, изолированных от испытуемого материала. Индуктивные электроды подключались согласно схеме, приведенной на фиг.1. На базу транзистора усилителя подавались положительные импульсы напряжения частотой f=1,0 МГц. Температура воды измерялась термометром. Образующийся в цепи вторичной катушки индуктивности ток регистрировался измерительным прибором со шкалой 0÷100 мкА.
Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3
Температурные испытания воды
№ п/п
Температура воды, С
Показания измерительного прибора, мкА
1
7
70
2
13
67
3
29
62
4
39
60,5; 61
5
49
60
Из таблицы 3 следует, что с повышением температуры воды ток вторичной катушки индуктивности, проходящий через измерительный прибор, уменьшается. Индуктивное сопротивление определяется по формуле
L
где X - индуктивное сопротивление, Ом;
L - индуктивность, Гн;
f - частота, Гц.
Индуктивное сопротивление с повышением температуры воды увеличивается, температурный коэффициент индуктивности - положительный.
1
1
2
2
1
2
При изменении температуры исследуемого материала, например увеличении, вследствие того что исследуемый материал имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, емкость, образованная емкостными электродами с испытуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Ток I, протекающий через емкостные электроды, выполненные в виде катушек индуктивности, увеличивается на + ΔI. Вследствие того что температурный коэффициент индуктивности положительный, индуктивное сопротивление увеличивается. Ток I, образуемый индуктивными электродами, выполненными в виде индуктивносвязанных катушек индуктивности с индуктивной связью, уменьшается на - ΔI. При суммировании токов, протекающих через измерительный прибор, происходит компенсация температурной погрешности. При уменьшении температуры исследуемого материала знаки приращений ΔI и ΔI изменятся на противоположные. Подбором сопротивления, стоящего в цепи первичной катушки индуктивности, добиваются полной компенсации температурной погрешности.
Вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемого технического решения для измерения влажности сыпучих материалов, т.е. оно соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".
Предлагаемое изобретение схематически поясняется чертежами, где на:
- фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения влажности сыпучих материалов (пример 1);
- фиг.2 - то же (пример 2).
Осуществление предлагаемого устройства рассмотрим на конкретных примерах, которые, однако, не ограничивают всех возможностей его исполнения.
Пример 1 (фиг.1).
Устройство для измерения влажности сыпучих материалов содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе (не показан), измерительную схему, содержащую транзисторные предварительный усилитель 1, усилитель 2, датчик с емкостными электродами, диоды 3, 4, измерительный прибор 5, источник 6 питания.
Предварительный усилитель 1 является разделительным каскадом и служит для устранения влияния нагрузки усилителя 2 на режим кварцевого генератора. Устройство дополнительно содержит индуктивные электроды, включенные в измерительную схему, и диоды 7, 8 индуктивной цепи. Температурный коэффициент индуктивности дополнительных электродов совпадает по знаку с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости испытуемого материала. Индуктивные электроды выполнены в виде индуктивносвязанных катушек 9, 10 индуктивности со слабой индуктивной связью, изолированных от внешней среды покрытием. В качестве элемента связи между катушками индуктивности использован испытуемый материал, а оси электродов, на которых они расположены, параллельны, причем один вывод первичной катушки 9 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, эмиттер транзистора 2 «заземлен», второй вывод катушки 9 индуктивности через сопротивление 11 соединен с источником 6 питания. Один вывод вторичной катушки 10 индуктивности соединен с катодом диода 7 и анодом диода 8, анод диода 7 «заземлен», катод диода 8 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, второй вывод которого «заземлен», при этом второй вывод вторичной катушки 10 индуктивности «заземлен».
Емкостные электроды выполнены в виде катушек 13, 14 индуктивности. Один вывод катушки 13 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, второй вывод катушки 13 индуктивности через сопротивление 15 соединен с источником питания 6. Один вывод катушки 14 индуктивности соединен с катодом диода 3 и анодом диода 4, анод диода 3 «заземлен», катод диода 4 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, при этом второй вывод катушки 14 индуктивности свободен.
Все катушки 9, 10, 13 и 14 индуктивности намотаны на плоские или другой формы изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки каждой своей катушки 9, 13 индуктивности соединены последовательно, две обмотки каждой своей катушки 10, 14 индуктивности соединены параллельно. Бифилярная намотка катушек индуктивности использована для согласования сопротивления измерительной цепи.
Для возможности контроля и установки постоянной чувствительности устройства в нем предусмотрено подключение калибровочной емкости 16. Устройство имеет два диапазона измерения влажности сыпучих материалов. Выбор необходимого диапазона осуществляется переключателем 17.
Устройство для измерения влажности сыпучих материалов работает следующим образом.
Электроды погружают в испытуемый материал. При отсутствии положительного сигнала на базе транзистора 2 последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико и катушка 13 индуктивности отсоединена от «земли». Катушки 13, 14 индуктивности представляют собой металлические электроды с испытуемым материалом между ними, изолированные от испытуемого материала, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от влажности испытуемого материала. Под действием напряжения источника 6 питания емкость конденсатора заряжается через сопротивление 15, диод 4 и измерительный прибор 5. Через измерительный прибор течет ток
где I - ток заряда электрической емкости С конденсатора, А;
Q - заряд на обкладках конденсатора с емкостью С, К;
U - напряжение на обкладках конденсатора, В;
Т - период следования импульсов, с;
f - частота следования импульсов, Гц.
Емкость конденсатора определяется из соотношения
где С - емкость, пФ;
E - относительная диэлектрическая проницаемость среды;
2
S - площадь обкладок конденсатора, см;
d - расстояние между обкладками, см.
При поступлении с выхода предварительного усилителя 1 на базу транзистора 2 положительного импульса, вырабатываемого кварцевым генератором, транзистор 2 открывается, по нему протекает ток коллектора I, и катушка 13 индуктивности соединяется с «землей». Происходит разряд электрической емкости С, образованной емкостными электродами с испытуемым материалом, через открытый транзистор 2 и диод 3. Одновременно ток коллектора I, протекая по первичной катушке 9 индуктивности, создает магнитное поле. Электродвижущая сила (Э.Д.С.) взаимной индуктивности, наводимая магнитным полем тока I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, определяется по формуле
где I - ток первичной катушки 9 индуктивности, А;
f - частота следования импульсов, Гц;
М - взаимоиндуктивность, Гн.
Величина Э.Д.С, наводимая током I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, определяется коэффициентом связи между этими катушками по формуле
где М - взаимоиндуктивность, Гн;
1
2
L и L - индуктивности двух катушек 9, 10 индуктивности соответственно, Гн.
Под действием Э.Д.С. взаимной индуктивности е, наводимой током I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, через диод 8, измерительный прибор 5 течет ток, образуемый индуктивными электродами.
2
При погружении электродов датчика в испытуемый материал через емкостные электроды, выполненные в виде катушек 13, 14 индуктивности, протекает ток I, который через диод 4, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5. Индуктивные электроды, выполненные в виде индуктивно связанных катушек 9, 10 индуктивности с индуктивной связью, образуют ток I, который через диод 8, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5.
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
При изменении температуры исследуемого материала, например увеличении, вследствие того что исследуемый материал имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, емкость, образованная емкостными электродами с испытуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Ток I, протекающий через емкостные электроды, увеличивается на + ΔI. Вследствие того что температурный коэффициент индуктивности положительный, индуктивное сопротивление увеличивается. Ток I, образуемый катушками 9, 10 индуктивности, уменьшается на - ΔI. При суммировании токов, протекающих через измерительный прибор 5, I+ΔI+I-ΔI происходит компенсация температурной погрешности. При уменьшении температуры исследуемого материала знаки приращений ΔI и ΔI изменятся на противоположные. Подбором сопротивления, стоящего в цепи первичной катушки индуктивности, добиваются полной компенсации температурной погрешности.
Пример 2 (фиг.2).
Устройство для измерения влажности сыпучих материалов содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе (не показан), измерительную схему, содержащую транзисторные предварительный усилитель 1, усилитель 2, датчик с емкостными электродами, диоды 3, 4, измерительный прибор 5, источник 6 питания.
Предварительный усилитель 1 является разделительным каскадом и служит для устранения влияния нагрузки усилителя 2 на режим кварцевого генератора. Устройство дополнительно содержит индуктивные электроды, включенные в измерительную схему, и диоды 7, 8 индуктивной цепи. Температурный коэффициент индуктивности дополнительных электродов совпадает по знаку с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости испытуемого материала. Индуктивные электроды выполнены в виде индуктивно связанных катушек 9, 10 индуктивности со слабой индуктивной связью, изолированных от внешней среды покрытием. В качестве элемента связи между катушками индуктивности использован испытуемый материал, а оси электродов, на которых они расположены, параллельны. Один вывод первичной катушки 9 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, эмиттер транзистора 2 «заземлен», второй вывод катушки 9 индуктивности через сопротивление 11 соединен с источником 6 питания. Один вывод вторичной катушки 10 индуктивности соединен с катодом диода 7 и анодом диода 8, анод диода 7 «заземлен», катод диода 8 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, второй вывод которого «заземлен», при этом второй вывод вторичной катушки 10 индуктивности «заземлен».
Емкостные электроды выполнены в виде катушек 9, 13 индуктивности. Один вывод катушки 9 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, второй вывод катушки 9 индуктивности через сопротивление 11 соединен с источником Ј питания. Один вывод катушки 13 индуктивности соединен с катодом диода 3 и анодом диода 4, анод диода 3 «заземлен», катод диода 4 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, при этом второй вывод катушки 13 индуктивности свободен.
Все катушки 9, 10, и 13 индуктивности намотаны на плоские или другой формы изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки катушки 9 индуктивности соединены последовательно, две обмотки каждой своей катушки 10, 13 индуктивности соединены параллельно. Бифилярная намотка катушек индуктивности использована для согласования сопротивления измерительной цепи. Изоляционные основания с намотанными катушками индуктивности крепятся на изоляционном основании-ручке и изолируются от внешней среды покрытием, образуют электроды датчика. Датчик имеет два, три или четыре измерительных электрода, которые соединяются с измерительным устройством посредством кабеля. Шкала измерительного прибора 0÷100 мкА.
Для возможности контроля и установки постоянной чувствительности устройства в нем предусмотрено подключение калибровочной емкости 14. Устройство имеет два диапазона измерения влажности сыпучих материалов. Выбор необходимого диапазона осуществляется переключателем 15.
Устройство для измерения влажности сыпучих материалов работает следующим образом.
Электроды погружают в испытуемый материал. При отсутствии положительного сигнала на базе транзистора 2 последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико, и катушка 9 индуктивности отсоединена от «земли». Катушки 9, 13 индуктивности представляют собой металлические электроды с испытуемым материалом между ними, изолированные от испытуемого материала, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от влажности испытуемого материала. Под действием напряжения источника 6 питания емкость конденсатора заряжается через сопротивление 11, диод 4 и измерительный прибор 5.
При поступлении с выхода предварительного усилителя 1 на базу транзистора 2 положительного импульса, вырабатываемого кварцевым генератором, транзистор 2 открывается, по нему протекает ток коллектора I, и катушка 9 индуктивности соединяется с «землей». Происходит разряд электрической емкости С, образованной емкостными электродами с испытуемым материалом, через открытый транзистор 2 и диод 3. Одновременно ток коллектора I, протекая по первичной катушке 9 индуктивности, создает магнитное поле.
Под действием Э.Д.С. взаимной индуктивности, наводимой током I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, через диод 8, измерительный прибор 5 течет ток, образуемый индуктивными электродами.
1
2
При погружении электродов датчика в испытуемый материал через емкостные электроды, выполненные в виде катушек 9, 13 индуктивности, протекает ток I, который через диод 4, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5. Индуктивные электроды, выполненные в виде индуктивно связанных катушек 9, 10 индуктивности с индуктивной связью, образуют ток I, который через диод 8, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5.
При изменении температуры исследуемого материала - увеличении или уменьшении - компенсация температурной погрешности происходит, как это описано в примере 1. Подбором сопротивления, стоящего в цепи первичной катушки индуктивности, изменением, например, величины связи между катушками шадуктивности индуктивных электродов добиваются полной компенсации температурной погрешности.