ЦИФРОВОЙ ПОТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ
DIGITAL FLOW-TYPE MOISTURE METRE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения влажности твердых, сыпучих и газообразных веществ, и может быть применено в строительной, горнодобывающей, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности.
Известно устройство диэлькометрического влагомера (Берлинер М.А. Измерения влажности. М.: Энергия, 1973. - 400 с.), основанное на принципе дифференциальных измерительных схем, содержащее генератор частот, к выводам которого последовательно соединены образцовый конденсатор и конденсатор чувствительного элемента датчика, выводы которого дополнительно соединены с указательным прибором.
Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерений (2-3%), поскольку не позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности частоты генератора, возникающую вследствие нестабильности параметров конденсатора чувствительного элемента датчика; содержит указательный прибор, регистрирующий результат измерения влажности в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения.
Из известных устройств для измерения влажности наиболее близким по технической сущности является 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 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 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. Существующие диэлькометрические измерители влажности основаны на принципе вычитания частот измерительного и опорного генераторов, чем обеспечивается компенсация аддитивной составляющей погрешности измерения частоты, хотя сама погрешность носит мультипликативный характер.
В связи с этим важнейшей задачей является создание нового устройства для повышения точности результатов измерения интегральной влажности оптически непрозрачных объектов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности измерения и цифровым представлением результата измерения.
Техническим результатом заявленного цифрового поточного измерителя влажности является повышение точности измерения влажности оптически непрозрачных материалов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности.
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, снабжен 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.
Указанное отличие позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку цифровой поточный измеритель влажности, основанный на принципе работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, использует один измерительный конденсатор с образцом и без него, что позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности, обусловленную изменением параметров измерительного конденсатора, и производить измерения влажности с представлением результатов в цифровой форме без дополнительных аналого-цифровых преобразований.
На фиг.1 изображена блок-схема цифрового поточного измерителя влажности; на фиг.2-5 показана работа бесконтактных переключателей в процессе перемещения образца относительно измерительного преобразователя; на фиг.6 - временная диаграмма, поясняющая работу измерителя влажности.
Цифровой поточный измеритель влажности содержит измерительный преобразователь 1, представляющий собой конденсаторный датчик, включенный во времязадающую цепь генератора 2, являющегося автоколебательным мультивибратором, соединенного ключом 3 со счетчиком импульсов 4. Частота импульсов генератора 2 зависит от емкости измерительного преобразователя 1, пропорционально связанной с диэлектрической проницаемостью образца, которая в свою очередь зависит от влажности. Бесконтактные переключатели 5 и 6, установленные на торцах измерительного преобразователя 1 по направлению движения образца, служат для определения положения образца относительно измерительного преобразователя 1. Измеритель влажности содержит логическое устройство 7, подключенное первым входом к первому бесконтактному переключателю 5, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю 6, третьим входом к компаратору 8, представляющему собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания. Выход логического устройства 7 подключен к управляющим входам ключа 3 и коммутатора 9, срабатывающим от фронтов и срезов импульсов, поступающих на их входы. К первому и третьему входу коммутатора 9 подключены источники напряжения 10 и 11, второй и четвертый его входы соединены с землей, а к выходу - интегратор 12, подключенный к компаратору 8.
Измеритель влажности работает следующим образом.
1
2
2
3
3
5
5
6
При перемещении образца возможны четыре его положения относительно измерительного преобразователя: образец находится вне измерительного преобразователя (фиг.2, интервал времени t-t на фиг.6), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (фиг.3, интервал времени t-t на фиг.6), образец заполняет измерительный преобразователь полностью (фиг.4, интервал времени t-t, на фиг.6), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (фиг.5, интервал времени t-t на фиг.6).
1
1
Уровень сигнала, соответствующий логической единице на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6 (диаграммы 13 и 14, фиг.6) и логическому нулю на выходе компаратора 8 (диаграмма 15, фиг.6), означает отсутствие образца в измерительном преобразователе 1 (момент времени t на фиг.6). В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник напряжения 10. В результате этого счетчик импульсов 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f, соответствующей незаполненному измерительному преобразователю 1 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется линейно падающее напряжение (диаграмма 18, фиг.6)
10
где U - напряжение на выходе источника напряжения 10, τ - постоянная интегрирования интегратора 12.
2
Момент времени t соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (диаграмма 18, фиг.6)
3
2
Момент времени t соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6, означающему полное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник напряжения 11 отрицательной полярности. В результате этого счетчик импульсов 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f, соответствующей заполненному измерительному преобразователю 1 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 18, фиг.6)
11
где U - напряжение на выходе источника напряжения 11.
4
Момент времени t соответствует уровню логической единицы на выходе компаратора 8 (диаграмма 15, фиг.6), означающей равенство нулю напряжения на выходе интегратора 12. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (диаграмма 18, фиг.6)
1
2
1
1
1
1
2
4
3
2
2
2
2
1
2
1
10
11
Обозначив число импульсов, поступивших на счетчик импульсов 4 за время Δt=t-t через переменную N=Δtf, а за время Δt=t-t через переменную N=Δtf, получим N=N(f/f)(U/U).
5
Момент времени t соответствует уровню логической единицы на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение измерительного преобразователя 1 образцом, однако никаких изменений предыдущего состояния при этом не происходит.
6
Начиная с момента времени t работа измерителя повторяется, но уже для следующего образца.
Результат измерения влажности может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.
Применение данного цифрового поточного измерителя влажности позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов.
Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
- цифровой поточный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных технологических процессах;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
- цифровой поточный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость».