УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Устройство длм измерения влажности
Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к приборам для измерения влажности с использованием емкостного датчика, и предназначено для применения в разнообразных отраслях промышленности, в частности, в энергетике, при экспресс - контроле влаги в трансформаторных маслах или в других вязких средах, где преимущественно требуется высокая точность при определении малых количеств влаги.
Известно устройство для измерения отношения вода / масло (заявка РСТ 8501352, МПК G01N 27/22, от 28.03.85), содержащее коаксиальный конденсатор с внутренним стержневым электродом, наружный трубчатый электрод которого соединен последовательно с трубопроводом, по которому протекает исследуемая смесь. Внутренний и наружный электроды подсоединены к температурно - компенсированной генераторной цепи, на выходе которой частота пропорциональна емкости коаксиального конденсатора. Имеются также средства для преобразования частоты в цифровой код и цифровой компьютер, в памяти которого хранятся зависимости между цифровыми кодами и соответствующими им значениями влажности.
Анализируемым параметром в данном устройстве является частота генерации, зависящая от диэлектрической проницаемости среды между обкладками конденсатора.
Однако этот параметр при малых содержаниях влаги не достаточно чувствительно отслеживает ее изменения, что не позволяет обеспечить точное определение количеств влаги при малом ее содержании.
Известно также устройство для определения влажности нефти (пат. РФ 2055354, МПК G01N27/22, от 27.02.96), содержащее чувствительный элемент, выполненный из двух конденсаторов, работающих в одинаковых условиях, одни обкладки которых соединены между собой непосредственно, а другие - через соответствующий управляемый ключ, коммутатор, выМПК G01N27/22
ходы которого соединены с управляющими входами указанных ключей, блок измерения емкостей указанных конденсаторов, подключенный также к синхровыходу коммутатора, блок обработки информации и блок определения влажности нефти, в памяти которого находится тарировочная кривая.
Это устройство сохраняет точность при длительной эксплуатации за счет учета появляющихся загрязнений на чувствительных элементах.
Однако при измерении такого достаточно обобщенного параметра, как емкость, трудно выделить малые изменения диэлектрической проницаемости, обусловленные незначительными изменениями влаги в среде, что снижает точность контроля малых значений влагосодержания.
Известно устройство для дистанционного определения влажности нефти (пат. РФ № 2092825, М1Ж G01N 27/22, от 26.12.94), содержащее последовательно соединенные микроконтроллер, цифроаналоговый преобразователь, генератор, управляемый напряжением, резонансный датчик, амплитудный детектор, элемент задержки, элемент памяти и компаратор. Микроконтроллер подключен также к цифровому индикатору и частотомеру, а резонансный датчик представляет собой колебательный контур, выполненный из катушки индуктивности, конденсатора, емкостных электродов и двух катушек связи.
Информационным параметром в данном устройстве является резонансная частота контура, зависящая от величины емкости между емкостными электродами. Недостатком этого устройства является малая чувствительность прибора (а, следовательно, и точность), т.к. обеспечиваемая им дискретность измерения примерно на порядок больше требуемой.
Прототипом заявляемого устройства выбрано устройство, область применения которого ограничена измерением влажности  веществ (пат. РФ №2030739, от 11.02.92, МПК G01N27/22). Тем не менее это устройство является наиболее близким к заявляемому по совокупности общих существенных признаков и принципу действия. Известное устройство содержит погружаемый в контролируемую среду емкостной датчик, автономный блок измерительного преобразователя, содержащий генератор прямоугольных импульсов, и первый эмиттерный повторитель, вход которого соединен с вторым электродом емкостного датчика, таймер, подключенный к генератору прямоугольных импульсов измерительного преобразователя, пиковый детектор, состоящий из двух последовательно соединенных усилителей постоянного тока, к входам которых подключены, соответственно, первый и второй зарядные конденсаторы, при этом параллельно второму зарядному конденсатору, емкость которого значительно больше емкости первого зарядного конденсатора, подключен управляемый таймером разрядный ключ, и блок определения влажности, подключенный к выходу пикового детектора, вход которого соединен с вторым электродом емкостного датчика, таймер, подключенный к генератору прямоугольных импульсов, пиковый детектор, состоящий из двух последовательно соединенных усилителей постоянного тока, к входам которых подключен, соответственно, первый и второй зарядные конденсаторы, при этом параллельно второму зарядному конденсатору, емкость которого значительно больше емкости первого зарядного конденсатора, подключен управляемый от таймера разрядный ключ, и блок определения влажности, вьшолненный в виде регистратора.
Основным достоинством такого измерителя является высокая точность, обусловленная использованием при измерении наиболее информативного параметра: максимального зарядного тока емкостного датчика, а также использование импульсной последовательности, подаваемой на емкостной датчик, для усреднения результата, что нейтрализует возможный разброс амплитуд импульсов, подаваемых на емкостной датчик. Однако при необходимости измерения очень малых количеств влаги в измеряемой среде, что имеет место при измерении влагосодержания в трансформаторных маслах, где содержание влаги должно быть не более 50 г/т, данное устройство не обладает необходимой точностью. Это обусловлено тем, что малые количества влаги вносят настолько малое изменение в величину зарядного
тока, что это изменение на фоне основного сигнала не отслеживается измерительной частью схемы.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в создании устройства, способного оперативно с высокой точностью определять малые количества воды в вязкой среде, в частности, в трансформаторных маслах, и отслеживать их малые изменения.
Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве для измерения влажности, содержащем погружаемый в контролируемую среду емкостной датчик, автономный блок измерительного преобразователя, содержащий управляемый генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к первому электроду емкостного датчика, и первый эмиттерный повторитель, вход которого соединен с вторым электродом емкостного датчика, таймер, подключенный к генератору прямоугольных импульсов измерительного преобразователя, пиковый детектор, состоящий из двух последовательно соединенных усилителей постоянного тока, к входам которых подключены, соответственно, первый и второй зарядные конденсаторы, при этом параллельно второму зарядному конденсатору, емкость которого значительно больше емкости первого зарядного конденсатора, подключен управляемый таймером разрядный ключ, и блок определения влажности, подключенный к выходу пикового детектора, согласно заявляемой полезной модели, в блок измерительного преобразователя введены дифференциальный усилитель, второй эмиттерный повторитель и компенсирующий конденсатор, ёмкость которого равна ёмкости емкостного датчика в среде с нулевой влажностью, вход второго эмиттерного повторителя соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов через компенсирующий конденсатор, а выход - с инвертирующим входом введенного дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к выходу первого эмиттерного повторителя, а выход соединен со входом пикового детектора, при этом первый и второй электроды емкостного датчика выполнены соответственно в виде внутреннего и наружного полых коаксиальных цилиндров, закрепленных на электроизоляционной стенке корнуса измерительного преобразователя.
Достигаемый при этом технический результат заключается в автоматическом исключении из сигнала, поступающего на усиление и обработку, неинформативной части, соответствующей среде с нулевым влагосодержанием и составляющей значительную часть суммарного сигнала. Использование же коаксиальной формы электродов позволяет устранить краевые эффекты на обкладках емкостного датчика, которые, являясь соизмеримыми с величиной контролируемого параметра, нивелируют малые изменения выходного сигнала.
Кроме того, емкостной датчик может быть снабжен дополнительным наружным коаксиальным электродом, соединенным электрически с внутренним. Благодаря этому обеспечивается дополнительное повышение точности измерения малых количеств воды за счет увеличения собственной емкости датчика и, как следствие, увеличения значений регистрируемых приращений, как функции емкости. Это, в свою очередь, позволит при оптимальном значении емкости датчика уменьшить его габариты, дополнительно снизив тем самым влияние краевых эффектов.
На фиг, 1 приведена схема заявляемого устройства для измерения влажности, на фиг. 2 - временные диаграммы.
Устройство для измерения влажности содержит измерительный преобразователь 1, в состав которого входят размещенные в общем корпусе управляемый генератор 2 прямозтольных импульсов, компенсирзлющий конденсатор 3, выполненный в виде подстроечного конденсатора,, первый эмиттерный повторитель 4, второй эмиттерный повторитель 5, дифференциальный усилитель 6. На электроизоляционной стенке 7 корпуса преобразователя 1 закреплены коаксиальные цилиндрические электроды 8,9 и 10 емкостного датчика 11. Устройство содержит также таймер 12, пиковый детектор 13, состоящий из первого усилителя постоянного тока 14, второго усилителя постоянного тока 15с цепью обратной связи в виде делителя напряжения на резисторах 16 и 17, нервого и второго зарядных конденсаторов 18 и 19, разрядного ключа 20, и блок определения влажности 2L Выход генератора 2 прямоугольных импульсов, управляющий вход которого связан с выходом таймера 12, подключен к первой обкладке компенсирующего конденсатора 3 и к внутреннем электроду 8 емкостного датчика 11, объединенному с дополнительным наружным электродом 10 упомянутого датчика. Промежуточный электрод 9 емкостного датчика 11 соединен со входом первого эмиттерного повторителя 4, выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 6. Вторая обкладка компенсирующего конденсатора 3 соединена со входом второго эмиттерного повторителя 5, выход которого соединен с инвертирующим входом усилителя 6. Выход дифференциального усилителя 6 с помощью линий связи соединен со входом пикового детектора 13, в качестве которого служит неинвертирующий вход первого усилителя 14 постоянного тока, включенного по схеме повторителя напряжения. Выход усилителя 14 соединен с неинвертирующим входом усилителя 15 постоянного тока, включенного по схеме неинвертирующего усилителя напряжения, коэффициент усиления которого определяется соотношением номиналов резисторов 16 и 17. Параллельно входу усилителя 14 подключен первый зарядный конденсатор 18, а параллельно входу усилителя 15 подключен второй зарядный конденсатор 19, ёмкость которого  Параллельно этому же конденсатору включен разрядный ключ 20, управляемый таймером 12. Выход детектора 13 подключен к блоку определения влажности 21, который в частности может быть вьшолнен в виде микроконтроллера, в памяти которого хранятся значения влажности, соответствующие выходным сигналам пикового детектора.
Устройство работает следующим образом.
замыкание разрядного ключа 20, что вызывает разряд конденсатора 19 «обнуление пикового детектора. Одновременно запускается генератор 5 прямоугольных импульсов (фиг. 2г), продолжительность работы которого задается длительностью импульса с выхода таймера 12. С выхода генератора 2 последовательность прямоугольных импульсов стабильной амплитуды подаётся на включенный в измерительную цепь емкостной датчик 11, образованный двумя парами 8,9 и 9,10 параллельно соединенных коаксиальных электродов. Одновременно последовательность прямоугольных импульсов подаётся на компенсационный конденсатор 3, ёмкость которого подбирается равной суммарной ёмкости емкостного датчика 11, погруженного в исследуемую среду при нулевом содержании влаги в ней, С емкостного датчика 11 последовательность сигналов, амплитуда которых определяется влагосодержанием исследуемого масла, через эмиттерный повторитель 4 поступает на неинвертирующий вход усилителя 6 (фиг. 2д), На инвертирующий вход дифференциального усилителя 6 через эмиттерный повторитель 5 с компенсирующего конденсатора 3 поступает последовательность импульсов, амплитуда которых ео соответствует нулевому влагосодержанию в исследуемом материале (фиг, 2е). Дифференциальный усилитель 6, осуществляя вычитание этих последовательностей, выделяет полезные сигналы, амплитуда которых Umi и Um2 зависит только от количества влаги в пробе (фиг. 2ж). С выхода дифференциального усилителя 6 сигналы по линии связи поступают на вход пикового детектора 13, запоминающего на время измерительного цикла амплитуду Uni2 максимального из сигналов (фиг. 2з). Запоминание осуществляется следующим образом. Каждый из пришедпшх импульсов запоминается на короткое время на конденсаторе 18 малой емкости С1. Ёмкость С1 выбирается такой величины, чтобы её заряд осуществился за время длительности фронта импульса. Затем конденсатор 18 разряжается через усилитель 14, включенный по схеме повторителя напряжения, на конденсатор 19с ёмкостью , который осуществляет хранение напряжения до поступления импульса, имеющего большую амплитуду. При этом осуществляется подзаряд конденсатора 19 и сохранение на нем напряжения, равного максимальной из амплитуд импульсов в данном такте измерения. Этот параметр сохраняется до следующего такта измерения и после усиления в к раз усилителем 15 поступает на вход блока определения 21 влажности (фиг. 2и). Перед началом следующего такта измерения сигналом с выхода таймера детектор обнуляется и процесс начинается сначала.