УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения влагосодержания различных материалов и почвы.
Известно устройство для измерения влажности, содержащее емкостный датчик, подключенный к измерительному двухполюснику, модулятор, генератор высокой частоты и балансирующий орган (Ройфе В.С. Автоматический электронный влагомер. - А.с. СССР №529407. МПК G01N 27/22. - Опубл. 25.09.76 г.).
Влажность контролируемого материала в известном устройстве определяется по частоте генератора, которая зависит от параметров измерительного двухполюсника и изменения емкости датчика. Точность измерения влажности в этом устройстве ограничивается температурной нестабильностью параметров транзисторов, используемых в балансирующем органе, и влиянием активной проводимости контролируемых материалов, изменение которой приводит к дополнительным погрешностям.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является влагомер, содержащий емкостный датчик, включенный в измерительный двухполюсник, высокочастотный генератор импульсов, генератор пилообразного напряжения, блок выделения экстремума, триггер, дифференцирующий блок, ключ и накопительный конденсатор. Генератор пилообразного напряжения изменяет резонансную частоту измерительного двухполюсника до совпадения с частотой высокочастотного генератора. Измеряемая влажность определяется по максимальной амплитуде колебаний на выходе двухполюсника, выделяемой с помощью блока выделения экстремума (Шамарин Е.П., Проскуряков Л.М., Снигирева Н.С. Автоматический электронный влагомер. - А.с. СССР №798635. МПК G01N 27/22. - Опубл. 23.01.81 г.).
P
P
f
K
f
K
P
Точность данного устройства ограничивается тем, что при линейном изменении резонансной частоты f измерительного двухполюсника возникает погрешность от "сноса" резонансной частоты двухполюсника Δf≈VT, которая зависит от скорости развертки частоты V [кГц/с] и постоянной времени измерительного двухполюсника T=Q/πf, возрастающей пропорционально его добротности Q.
Кроме этого, при контроле влажности материалов с повышенной проводимостью резко уменьшается добротность измерительного двухполюсника, что приводит к повышению погрешности выделения экстремума. При увеличении проводимости ухудшается форма резонансной характеристики измерительного двухполюсника, которая становится более широкой и пологой, а ее максимум - расплывчатым. Это не позволяет обеспечить точное определение максимума амплитуды колебаний блоком выделения экстремума, вследствие чего значительно увеличивается общая погрешность измерения влажности.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности измерений.
Для достижения этого технического результата в устройство измерения влажности, содержащее емкостный датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре, высокочастотный управляемый генератор импульсов и генератор пилообразного напряжения, дополнительно введены формирователь импульсов, амплитудный детектор, D-триггер, дифференциальный усилитель, управляемый делитель напряжения, блок обработки данных и цифровой индикатор, причем генератор пилообразного напряжения собран на последовательно соединенных источнике опорных напряжений, аналоговом коммутаторе и интеграторе. Выход интегратора соединен с управляющим входом высокочастотного управляемого генератора импульсов, выход которого соединен с С-входом D-триггера и через управляемый делитель напряжения и разделительный конденсатор подключен к входу измерительного двухполюсника. Выход измерительного двухполюсника соединен с входом амплитудного детектора и через формирователь импульсов подключен к первому входу блока обработки данных и к D-входу триггера. При этом выход триггера подключен к второму входу блока обработки данных, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами интегратора и аналогового коммутатора. Первый и второй входы этого коммутатора подключены к первому и второму выходам источника опорных напряжений, а третий вход аналогового коммутатора соединен с нулевой цепью. Кроме того, первый выход источника опорных напряжений соединен с первым входом дифференциального усилителя, к второму входу которого подключен выход амплитудного детектора, а выход дифференциального усилителя соединен с управляющим входом делителя напряжения. Цифровой индикатор подключен к третьему выходу блока обработки данных.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения точности измерения влажности.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурой, на которой показана структурная схема устройства измерения влажности.
В схеме этого влагомера применены емкостный датчик 1 и измерительный двухполюсник 2, в состав которого входят конденсатор 3 и катушка индуктивности 4. К выходу двухполюсника 2 подключены амплитудный детектор 5 и формирователь импульсов 6, выход которого соединен с D-входом триггера 7, выполняющего функцию фазового компаратора, и к первому входу блока обработки данных 8, а к С-входу триггера 7 подключен выход управляемого высокочастотного генератора импульсов 9. Этот генератор 9 через управляемый делитель напряжения 10 и разделительный конденсатор 11 соединен со средней точкой катушки индуктивности 4 измерительного двухполюсника 2. Выход триггера 7 подключен ко второму входу блока обработки данных 8. Источник опорных напряжений 12 имеет первый и второй выходы с напряжениями противоположной полярности, которые подключены, соответственно, к первому и второму входам аналогового коммутатора 13, третий вход которого соединен с нулевой цепью. К управляющему входу коммутатора 13 подключен первый выход блока обработки данных 8, а выход коммутатора 13 соединен с сигнальным входом интегратора 14. Управляющий вход интегратора 14 соединен с вторым выходом блока обработки данных 8, а выход интегратора 14 подключен к управляющему входу высокочастотного генератора импульсов 9. Первый вход дифференциального усилителя 16 подключен к первому выходу источника опорных напряжений 12, второй вход дифференциального усилителя 16 соединен с выходом амплитудного детектора 5, а выход дифференциального усилителя 16 соединен с управляющим входом делителя напряжения 10. Третий выход блока обработки данных 8 соединен с цифровым индикатором 17.
Работа схемы устройства измерения влажности осуществляется следующим образом.
O1
ИНТ
O1
1
O1
ИНТ
Г
P
X
X
В начале цикла измерения по командам блока обработки данных 8 устанавливаются в исходные состояния аналоговый коммутатор 13 и интегратор 14. Постоянное опорное напряжение U с первого выхода источника опорных напряжений 12 через аналоговый коммутатор 13 подается на вход интегратора 14, выходное напряжение которого линейно повышается во времени по закону U=Ut/T co скоростью нарастания V=U/t, зависящей от постоянной времени T интегратора 14. Напряжение U поступает на управляющий вход высокочастотного управляемого генератора импульсов 9 и пропорционально этому напряжению увеличивается частота f импульсов до тех пор пока она не сравняется с резонансной частотой LC-контура f, которая зависит от емкости С датчика 1, а значит, и от влажности контролируемого материала. При совпадении резонансной частоты LC-контура с частотой импульсов высокочастотного управляемого генератора 9 в контуре возникает явление резонанса. Чем меньше емкость C датчика 1 и, соответственно, влажность материала, тем больше будет частота резонанса и, соответственно, частота импульсов на выходе управляемого генератора 9, и наоборот.
При возбуждении высокочастотными импульсами генератора 9 измерительного двухполюсника 2 на его выходе формируется гармонический сигнал благодаря избирательным свойствам LC-контура. Этот гармонический сигнал преобразуется формирователем 6 в последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на D-вход триггера 7 и сравниваются по фазе триггером 7 с выходными импульсами высокочастотного генератора 9, т.е. D-триггер 7 выполняет функцию фазового компаратора.
2MAX
O1
Г
P
O1
Г1
P
Г1
P
Г1
P
Г1
P
Амплитуда выходного сигнала измерительного двухполюсника 2 стабилизируется на уровне U≈Uза счет применения амплитудного детектора 5, дифференциального усилителя 16 и управляемого делителя напряжения 10. Так как сопротивление LC-контура измерительного двухполюсника 2 зависит от частоты, то при приближении частоты f возбуждающих импульсов к частоте резонанса f его сопротивление увеличивается, поэтому повышается напряжение на выходе амплитудного детектора 5. При этом изменяется выходной сигнал дифференциального усилителя 16, пропорциональный разности выходного сигнала амплитудного детектора 5 и опорного напряжения U, который подается на управляющий вход делителя напряжения 10 для уменьшения амплитуды импульсов, возбуждающих LC-контур. Вследствие этого амплитуда выходного сигнала измерительного двухполюсника 2 практически не изменяется в диапазоне измерения влажности. До тех пор, пока частота fформируемых генератором 9 импульсов не превышает резонансной частоты fLC-контура (f<f), разность фаз между выходными и входными сигналами ZC-контура остается положительной φ>0. При равенстве частот f=f фазовый угол φ переходит через нулевое значение (φ=0) и при дальнейшем повышении частоты f>f фаза становится отрицательной (φ<0).
Г1
Г1
P
O2
O1
Г1
В процессе увеличения частоты f в момент времени равенства частот f≈f срабатывает D-триггер 7 и переключается из единичного логического состояния в нулевое состояние (переход "1"→"0"), После срабатывания триггера 7 начинается второй такт преобразования, в котором блок обработки данных 8 переводит аналоговый коммутатор 13 во второе положение. При этом на вход интегратора 14 подается от опорного источника напряжений 12 небольшое отрицательное напряжение U≈-U/100, под воздействием которого выходное напряжение интегратора 14 медленно уменьшается по линейному закону. Это приводит к медленному уменьшению частоты импульсов на выходе высокочастотного управляемого генератора 9 относительно предыдущего значения f
Процесс понижения частоты импульсов продолжается до тех пор, пока D-триггер 7 снова не переключится в исходное состояние (переход "0"→"1"), после чего второй такт преобразования заканчивается.
ИНТ
Г2
P
Г2
ИЗМ
C
C
C
После срабатывания D-триггера 7 блок обработки данных 8 выдает команду на аналоговый коммутатор 13, через который вход интегратора 14 соединяется с нулевой цепью. При этом интегратор 14 переводится в режим запоминания, его выходное напряжение U не изменяется, поэтому частота импульсов на выходе высокочастотного управляемого генератора 9 также остается постоянной и практически равной резонансной частоте LC-контура измерительного двухполюсника 2, т.е. f=f. Частота f измеряется блоком обработки данных 8 на интервале времени Т=n/f, кратном одному или нескольким периодам сетевой частоты T=1/f=20 мс (при n=1, 2,…10).
ИЗМ
После окончания такта измерения Т блок обработки данных 8 подает команду на управляющий вход интегратора 14, устанавливая его в нулевое состояние. На этом цикл измерения завершается.
f
ИЗМ
г2
По результату цифрового измерения частоты N=Tf в блоке обработки данных 8 вычисляется влажность контролируемого материала, значение которой выводится на цифровой индикатор 17.
Повышение точности измерения влажности в предложенном устройстве обеспечивается тремя факторами.
P
P
f
P
f
K
f
P
P
Во-первых, применение двухтактного преобразования с изменением скорости развертки частоты импульсов высокочастотного управляемого генератора 9 в соседних тактах преобразования позволяет практически исключить погрешность от "сноса" частоты резонанса Δf. Например, при возбуждении LC-контура, имеющего частоту резонанса f=1 МГц и добротность Q=100, прямоугольными импульсами со скоростью развертки частоты V=10 кГц/с "снос" частоты резонанса составит всего Δf≈VT=VQ/πf≈3 Гц, что пренебрежимо мало по сравнению с частотой f.
Во вторых, в данном устройстве выделение резонансной частоты реализуется не по амплитудным значениям, а по фазовым параметрам, что позволяет повысить точность за счет высокой крутизны спада фазочастотной характеристики LC-контура измерительного двухполюсника вблизи его резонансной частоты.
P
P
P
P
P
Например, при добротности LC-контура Q=20 изменение его частоты на Δf/f=±0,2% относительно резонансной f 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 Δf/f=±0,5% фаза изменяется в диапазоне ±11°, а амплитуда понижается примерно на 1,9%, и т.п.
В-третьих, за счет стабилизации амплитуды выходного сигнала измерительного двухполюсника 2 значительно уменьшается влияние фазовой погрешности формирователя импульсов 6 на точность измерения влажности.
Учитывая, что зона нечувствительности фазового компаратора на D-триггере 7 не превышает значения Δφ≤±1°, то применение предложенного технического решения позволяет снизить 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".
В предложенном устройстве формирователь импульсов 6 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 7 собран на микросхеме К561ТМ2, которая описана в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.25-26. Высокочастотный управляемый генератор импульсов 9 реализован на микросхеме типа КР1108ПП1, схема которой приведена в книге: Гутников В. С.Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.270. Источник опорных напряжений 12 собран на микросхеме КР142ЕН15А, приведенной в книге: Нефедов А.Н., Аксенов А.И. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. - М.: Радио и связь, 1993. - С.163. Аналоговый коммутатор 13 собран на микросхеме К561КП1, которая описана в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.22-23. Интегратор 14 и дифференциальный усилитель 16 собраны на микросхемах типа КР140УД12, работа которой описана в книге: Нефедов А.Н., Аксенов А.И. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. - М.: Радио и связь, 1993. - С.111-114. Управляемый делитель напряжения 10 собран по Г-образной схеме на резисторе и полевом транзисторе типа КП303Г. В блоке обработки данных 8 использовался микроконтроллер AT89S852, к которому подключен цифровой индикатор 17 типа ИЖКЦ-14/7.
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.