УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
DEVICE FOR MEASURING CONCENTRATION OF LOOSE MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство, реализующее способ измерения концентрации веществ в средах (RU 2275625 C1, 27.04.2006), содержащее два одинаковых емкостных датчика и регулируемую индуктивность или два одинаковых индуктивных датчика и регулируемую емкость, внутри которых размещены эталонный образец и образец испытуемой среды. Эти датчики, образующие колебательные контуры, подключены к генератору высокочастотных колебаний синусоидального напряжения через ограничительное сопротивление и нуль-индикатор.
В этом техническом решении измерение концентрации веществ заключается в размещении образца испытуемой среды внутри емкостного или индуктивного датчиков, включенных в колебательные контуры, измерении параметров колебательного контура и сравнении их с эталонными значениями для образцов испытуемых сред, и оценке результатов сравнения, по которым судят о характеристиках образца испытуемой среды. Перед измерением параметров колебательного контура в него помещают поочередно эталонный образец и образец испытуемой среды, затем поочередно настраивают их колебательные контуры в резонансный режим и измеряют параметры этих колебательных контуров.
Недостатком этого известного технического решения является сложность процедуры измерения концентрации веществ, связанная с размещением в пространство внутри датчиков эталонного образца и образца испытуемой среды, а также поочередное настраивание в резонанс колебательных контуров.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип измеритель расхода двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по металлическому трубопроводу (RU 2435141 C1, 27.11.2011).
Данный измеритель содержит измерительную вставку из диэлектрического материала, встроенную в металлический трубопровод, на которой расположены обкладки измерительного конденсатора, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла ниобата лития (LiNbO3). При этом с одной стороны от регистрирующего конденсатора размещены поляризатор света и лазерный излучатель, а с другой стороны - анализатор света и фотоприемник, выход которого соединен с усилителем, выход усилителя соединен с микропроцессором, выход последнего подключен к индикатору.
Прохождение сыпучего материала по трубопроводу вызывает изменение емкости измерительного конденсатора, пропорциональной изменению концентрации материала в объеме измерительной ставки. Это в свою очередь приводит к изменению напряженности электрического поля в регистрирующем конденсаторе. В результате лазерное излучение при прохождении через регистрирующий конденсатор становится амплитудно-модулированным. Этот амплитудно-модулированный сигнал в зависимости от концентрации проходящего через измерительную ставку объема вещества после соответствующих преобразований используется в качестве информационного параметра о концентрации сыпучего диэлектрического материала.
Недостатком этого известного измерителя можно считать сложность процедуры амплитудной модуляции лазерного излучения на поперечном эффекте Поккельса при прохождении через регистрирующий конденсатор светового потока.
Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение процедуры измерения концентрации и повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения концентрации сыпучего материала, перемещаемого по трубопроводу, содержит измерительную вставку в виде плоского конденсатора с первой и второй обкладками и первый блок питания. В устройство введены микроволновой генератор с перестройкой частоты, снабженный варактором и цепью питания, второй блок питания и частотомер с коаксиально-волноводным переходом, причем плоский конденсатор соединен с первым блоком питания и варактором генератора, выход второго блока питания соединен с цепью питания микроволнового генератора, частотомер с коаксиально-волноводным переходом подключен к выходу микроволнового генератора с перестройкой частоты.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты дает возможность получить информацию о величине концентрации сыпучего материала, перемещаемого по трубопроводу.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения концентрации сыпучего материала на основе измерения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения концентрации и повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит первый блок питания 1, измерительную ставку (плоский конденсатор) 2, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты 3, второй блок питания 4 и частотомер 5.
Устройство работает следующим образом. При перемещении диэлектрического сыпучего материала через первый и второй обкладки измерительной вставки 2 (плоского конденсатора), встроенной в металлический трубопровод, емкость этого чувствительного элемента изменяется пропорционально концентрации сыпучего материала. Согласно данному техническому решению обкладки этого измерительного плоского конденсатора подключаются к варактору-диоду микроволнового генератора с перестройкой частоты 3 и первому блоку питания 1.
Как известно, варактор-диод (цепь, состоящая из емкости и сопротивления) в микроволновом генераторе, например, на лавинно-пролетном диоде, играет роль емкости, управляющей постоянным напряжением, подаваемым на этот диод. При подаче постоянного напряжения на эту цепь (варактор) частота микроволнового генератора перестраивается. При этом увеличение напряжения на варакторе приводит к уменьшению емкости варактора, что в свою очередь обусловливает увеличение частоты генератора до определенного значения. А уменьшение напряжения на варакторе, наоборот, приводит к увеличению емкости варактора-диода, т.е. уменьшению частоты генератора.
В данном техническом решении измерительный конденсатор (измерительная вставка) подключается, например, параллельно емкости варактора, что в свою очередь приведет к изменению емкости варакторной цепи генератора при изменении емкости измерительного конденсатора. Если подать постоянное напряжение на параллельно соединенные емкость варактора и измерительную емкость, то при отсутствии сыпучего материала между первой и второй обкладками измерительного конденсатора частота генератора перестроится за счет изменения емкости варактора (емкость измерительного конденсатора не изменяется).
Согласно предлагаемому устройству сначала перестраивают частоту микроволнового генератора изменением емкости варактора (подвод на варактор постоянного максимального напряжения с первого блока питания). После этого фиксируют максимальную частоту генератора при его перестройке и отсутствии материала между обкладками измерительного конденсатора. В силу этого по максимальной частоте генератора можно судить об отсутствии материала в измерительной вставке, т.е. о нулевой концентрации. Следовательно, если обеспечить постоянство напряжения на варакторе и менять емкость измерительного конденсатора, подключенного параллельно емкости варактора, то при постоянстве емкости варактора частота генератора перестроится изменением емкости измерительного конденсатора (емкость варактора не меняется).
Как уже было сказано выше, протекание сыпучего диэлектрического материала через обкладки измерительного конденсатора обусловливает увеличение емкости пропорционально концентрации контролируемого вещества. Отсюда следует, что увеличение емкости измерительного конденсатора при постоянной величине емкости варактора приведет к увеличению общей емкости двух параллельно соединенных емкостей. Так как в рассматриваемом случае перестройка частоты микроволнового генератора при постоянном напряжении на варакторе зависит только от увеличения емкости измерительного конденсатора, то все это приведет к уменьшению частоты генератора. Следовательно, частота генератора будет обратно пропорциональна концентрации сыпучего материала в измерительной вставке. Итак, при уменьшении частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты можно судить об увеличении концентрации сыпучего диэлектрического материала в измерительной вставке, и, наоборот, при увеличении частоты - об уменьшении концентрации.
В предлагаемом устройстве перестройку частоты микроволнового генератора 3, при отсутствии сыпучего материала между обкладками измерительной вставки 2, производят постоянным напряжением первого блока питания 1, подаваемым на варактор генератора. Предварительно, для генерирования электромагнитных колебаний генератором, на его цепь питания с выхода второго блока питания 4 подают напряжение. В рассматриваемом случае для фиксации частоты микроволнового генератора и ее измерения используют частотомер 5, который подключен к выходу (волноводному) генератора с помощью коаксиально-волноводного перехода.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, основанном на измерении частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, можно обеспечить упрощение процедуры измерения концентрации сыпучего материала и повышение точности измерения.
Данное устройство успешно может быть использовано для контроля и учета строительных сыпучих материалов, пищевой и фармацевтической продукций при пневмотраспортировнии их по трубопроводам.