УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
MOISTURE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения влажности различных сыпучих материалов, в том числе влажности почвы.
Известно устройство для измерения влажности, содержащее емкостный датчик, включенный в измерительный двухполюсник генератора, частота которого изменяется обратно пропорционально влажности материала [А.С. СССР №529407, кл. G01N 27/22. Автоматический электронный влагомер / В.С.Ройфе. Опубл. 25.09.1976].
Недостатком этого влагомера является зависимость результатов измерений от электрической проводимости контролируемого материала, которая шунтирует емкость датчика, что приводит к увеличению погрешности измерений, а иногда и к срыву колебаний генератора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является влагомер, содержащий измерительный двухполюсник с емкостным датчиком, управляемый высокочастотный генератор, фазовый компаратор и блок индикации результатов на основе частотомера измерений [А.С. СССР №1774244, кл. G01N 27/22. Влагомер / B.C.Ройфе, В.И.Шкутов, Л.М.Португальский, П.А.Максимцов. Опубл. 07.11.1992].
Введение фазовой автоподстройки частоты в управляемом генераторе позволяет уменьшить зависимость точности измерений от электрической проводимости контролируемого материала, но на результат измерений влияет погрешность от нечувствительности системы автоподстройки частоты вблизи нулевого фазового сдвига контролируемых сигналов. Увеличение проводимости материала приводит к изменению резонансной частоты измерительного двухполюсника и уменьшению амплитуды выходного сигнала, что увеличивает фазовую погрешность автоподстройки частоты генератора и, как следствие, повышает погрешность измерения влажности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерений и расширение диапазона контроля влажности сыпучих материалов.
Для достижения такого технического результата в устройство измерения влажности, содержащее емкостный датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре, высокочастотный управляемый генератор импульсов, фазовый компаратор и блок индикации, дополнительно введены амплитудный детектор, два формирователя импульсов, генератор тактовых импульсов, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, преобразователь напряжения в ток и блок обработки данных. При этом первый выход высокочастотного управляемого генератора импульсов через преобразователь напряжения в ток подключен к входу измерительного двухполюсника на LC-контуре, выход которого через амплитудный детектор соединен с первым входом дифференциального усилителя и через первый формирователь импульсов подключен к первому входу фазового компаратора на элементе «Исключающее ИЛИ», второй вход которого подключен к первому входу блока обработки данных и через второй формирователь импульсов соединен со вторым выходом высокочастотного управляемого генератора импульсов. Выход фазового компаратора на элементе «Исключающее ИЛИ» соединен со вторым входом блока обработки данных, третий вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов и к счетному входу реверсивного счетчика, входы «Разрешение счета» и «Направление счета» которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока обработки данных, третий выход которого подключен к блоку индикации. Кроме того, четвертый вход блока обработки данных соединен с управляющим входом преобразователя напряжения в ток и с выходом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения и одним входом цифроаналогового преобразователя, другой вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом высокочастотного управляемого генератора импульсов.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет применения двухфазного высокочастотного управляемого генератора импульсов и использования фазового компаратора на элементе «Исключающее ИЛИ» исключается зона нечувствительности устройства вблизи нулевого фазового сдвига. Этим достигается существенное повышение точности измерения влажности контролируемых материалов и расширение диапазона контроля.
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». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для измерения влажности, а на фиг.2 показана структура построения высокочастотного управляемого генератора импульсов.
В состав устройства входит высокочастотный управляемый генератор импульсов 1, на двух выходах которого формируются прямоугольные импульсы, сдвинутые на фазовый угол 90° относительно друг друга. Импульсы с первого выхода высокочастотного управляемого генератора 1 через преобразователь напряжения в ток 2 поступают на измерительный двухполюсник 3, содержащий LC-контур с конденсатором переменной емкости, параллельно которому подключен емкостный датчик 4. Сигнал с выхода измерительного двухполюсника 3 преобразуется первым формирователем 5 в прямоугольные импульсы, которые сравниваются фазовым компаратором 6 на элементе «Исключающее ИЛИ» с фазой опорных импульсов, поступающих со второго выхода высокочастотного управляемого генератора 1 через второй формирователь 7. Импульсы с выхода фазового компаратора 6 и формирователя 7 поступают на первый и второй входы блока обработки данных 8, который управляет работой реверсивного счетчика 9, счетный вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов 10 и соединен с третьим входом блока обработки данных 8. К выходу реверсивного счетчика 9 подключен кодовый вход цифроаналогового преобразователя 11, выходное напряжение которого используется для управления частотой генератора импульсов 1. Амплитуда выходного сигнала измерительного двухполюсника 3 преобразуется в постоянное напряжение амплитудным детектором 12 и сравнивается дифференциальным усилителем 13 с пороговым напряжением, которое формируется источником опорного напряжения 14 и подается также на опорный вход цифроаналогового преобразователя 11. Выходное напряжение дифференциального усилителя 13 используется для регулировки амплитуды импульсов тока на выходе преобразователя напряжения в ток 2 и подается на четвертый вход блока обработки данных 8, информация с третьего выхода которого выводится на блок индикации 15.
Для получения прямоугольных импульсов разной частоты на двух выходах управляемого генератора 1, сдвинутых на фазовый угол 90° относительно друг друга, в составе управляемого генератора применены преобразователь напряжения в частоту 16, выход которого соединен с первыми входами логического инвертора 17 и логического повторителя 18, собранных на элементах типа «Исключающее ИЛИ», при этом вторые входы инвертора 17 и повторителя 18 соединены с источником питания +5 В и заземлением соответственно, и два D-триггера 19 и 20, работающие в счетном режиме, входы которых подключены к выходам инвертора 17 и повторителя 18 соответственно (фиг.2).
Устройство для измерения влажности работает следующим образом.
3
Высокочастотный управляемый генератор импульсов 1 вырабатывает две последовательности прямоугольных импульсов с регулируемой частотой следования, сдвинутых между собой по фазе на угол 90°. Импульсы с первого выхода управляемого генератора 1 через преобразователь напряжения в ток 2, имеющий большое выходное сопротивление, поступают на LC-контур измерительного двухполюсника 3, к которому подключен емкостный датчик 4. Благодаря избирательным свойствам LC-контура на выходе измерительного двухполюсника 3 формируется гармонический сигнал U с частотой, равной частоте следования импульсов управляемого генератора 1. Этот гармонический сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов первым формирователем импульсов 5, которые поступают на первый вход фазового компаратора 6, выполняющего функции измерения фазовых сдвигов импульсных последовательностей. Со второго выхода управляемого генератора 1 сдвинутые по фазе на 90° импульсы поступают через второй формирователь импульсов 7 на второй вход фазового компаратора 6 и проходят на первый вход блока обработки данных 8, на второй вход которого поступает сигнал с выхода фазового компаратора 6.
P
CP
3
Перед началом цикла измерения емкостный датчик 4 размещается в сыпучем материале с эталонным значением влажности (диэлектрической проницаемости). Затем регулировкой переменного конденсатора, применяемого в составе измерительного двухполюсника 3, устанавливают частоту резонанса LC-контура примерно равной средней частоте рабочего диапазона контроля влажности f≈f. Этим обеспечиваются высокая фазовая чувствительность и линейность фазочастотной характеристики преобразования при контроле влажности материала. Блок обработки данных 8 вычисляет начальную разность фаз между импульсами, поступающими с выхода второго формирователя 7, и выходным сигналом U измерительного двухполюсника 3, который преобразуется в импульсы первым формирователем 5.
P
B
B
P
B
P
При изменении влажности контролируемого материала изменяется эквивалентная емкость датчика 4, пропорционально которой уменьшается или увеличивается резонансная частота f LC-контура измерительного двухполюсника 3. Поэтому появляется фазовый сдвиг Δφ между возбуждающими импульсами управляемого генератора 1 и выходным сигналом измерительного двухполюсника 3. Если частота возбуждающих импульсов f будет меньше резонансной частоты LC-контура (f<f), то угол фазового сдвига будет положительным (Δφ>0), а на высокой частоте (f>f) этот фазовый угол становится отрицательным (Δφ<0).
T
B
B
В зависимости от знака фазового сдвига ±Δφ блок обработки данных 8 подает с первого выхода сигнал высокого или низкого уровня на управляющий вход «Направление счета» (±1) реверсивного счетчика импульсов 9, а со второго выхода - команду на его Р-вход «Разрешение счета». При этом реверсивный счетчик 9 начинает работать в режиме суммирования или вычитания импульсов тактовой частоты f>>f, поступающих от генератора тактовых импульсов 10. Изменением кода на выходе реверсивного счетчика 9 регулируется выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 11, которым подстраивается частота f управляемого высокочастотного генератора 1.
B
T
T
P
P
Скорость подстройки частоты f управляемого генератора изменяется в зависимости от разности фаз между выходными импульсами управляемого генератора 1 и выходного сигнала измерительного двухполюсника 3. При большой разности фаз (Δφ>5°) блок обработки данных 8 подает непрерывную команду на Р-вход «Разрешение счета» реверсивного счетчика 9, который суммирует или вычитает все импульсы тактовой частоты f. При малой разности фаз (Δφ<5°) между импульсами управляемого генератора 1 и выходным сигналом измерительного двухполюсника 3 блок управления уменьшает время подачи команд на Р-вход реверсивного счетчика 9, который при этом срабатывает только при появлении каждого десятого импульса тактовой частоты f, чем обеспечивается точная подстройка частоты резонанса LC-контура f измерительного двухполюсника 3. Наступление резонанса определяется по нулевому значению фазового сдвига Δφ≈0, после чего от блока обработки данных 8 на Р-вход реверсивного счетчика 9 подается команда «Запрет счета». Затем блок обработки данных 8 измеряет резонансную частоту f и вычисляет значение влажности по заданному алгоритму.
B
При работе данного устройства (фиг.1) выполняется автоматическая регулировка амплитуды импульсов возбуждающего тока I, поступающих от преобразователя напряжения в ток 2, и происходит следующим образом.
P
U
ПOP
m
ПOP
m
3
P
B
Амплитудным детектором 12 и дифференциальным усилителем 13 выделяется и усиливается разность напряжений U=K(U-U) между пороговым значением U≥2 В, формируемым источником опорных напряжений 14, и амплитудой U выходного сигнала U измерительного двухполюсника 3. Этим напряжением разбаланса U регулируется амплитуда импульсов возбуждающего тока I на выходе преобразователя напряжения в ток 2, которые подаются на LC-контур измерительного двухполюсника 3.
P
P
P
P.кор
P.нач
При повышении активной проводимости G или уменьшении активного сопротивления R контролируемого материала пропорционально увеличивается напряжение U на выходе дифференциального усилителя 13 и одновременно увеличивается амплитуда импульсов тока на выходе преобразователя напряжения в ток 2. Напряжение разбаланса U кодируется в блоке обработки данных 8 и используется в качестве поправки в результат измерения резонансной частоты LC-контура измерительного двухполюсника 3. При этом после измерения частоты резонанса f при нулевом сдвиге фаз между возбуждающими импульсами управляемого генератора и выходным сигналом измерительного двухполюсника 3 в блоке обработки данных 8 вычисляется скорректированное значение резонансной частоты f LC-контура. Эта частота вычисляется с учетом влияния активной проводимости контролируемого материала или эквивалентной добротности Q LC-контура измерительного двухполюсника по отношению измеряемого UP и начального U напряжений разбаланса по выражению
.
Для уменьшения инструментальной погрешности выделения фазы Δφ в предлагаемом устройстве используются два одинаковых формирователя импульсов 5 и 7, что позволяет скомпенсировать фазовую задержку сигналов в опорном и измерительном каналах преобразования в области высоких частот.
В реальных устройствах функцию фазового компаратора обычно выполняют D-триггеры или реверсивные счетчики, которые при разности фазовых углов Δφ≈0° имеют зону нечувствительности (гистерезиса). Согласно техническим условиям применения цифровых микросхем нельзя синхронно подавать два сигнала на D- и С-входы триггеров или на С-вход и вход «Направление счета» (±1) реверсивных счетчиков. При синхронной подаче сигналов на оба входа D-триггеры и реверсивные счетчики не срабатывают, т.е. остаются в предыдущем логическом состоянии [Петровский И.И. и др. Логические ИС серий КР1533, КР1554. Справочник. - М.: ТОО «БИНОМ», 1993].
16
B
16
Для устранения данного технического противоречия в этом устройстве предлагается «разменять быстродействие на точность». Учитывая, что максимальная частота переключения цифровых микросхем значительно превышает частоту возбуждающих импульсов, подаваемых на LC-контур измерительного двухполюсника 3 от управляемого генератора 1, в схеме (фиг.2) применен преобразователь напряжения в частоту 16, формирующий импульсы удвоенной частоты f=2f. Затем с помощью инвертора 17 и повторителя 18 обеспечивается срабатывание триггера 19 по срезу (заднему фронту), а триггера 20 - по переднему фронту выходных импульсов преобразователя напряжения в частоту 16. Это позволяет повернуть на 90° фазу одного из сигналов на входах фазового компаратора 6, чтобы выйти из зоны его гистерезиса. Поворот фазы на начальный угол ±90° обеспечивается посредством деления частоты f в два раза D-триггерами 19 и 20.
Для компенсации запаздывания элементов, влияющего на погрешность выделения разности фаз, в каждом измерительном канале устройства применены одинаковые функциональные узлы (формирователи и триггеры).
Применение двухфазного высокочастотного управляемого генератора 1 в предлагаемом устройстве позволяет исключить влияние зоны гистерезиса фазового компаратора на точность выделения фазового сдвига высокочастотных сигналов. При этом диапазон измерения разности фаз ограничивается небольшими пределами
-90°<φ<+90°. Поэтому в качестве фазового компаратора 6 можно применять логический элемент «Исключающее ИЛИ», не имеющий зоны гистерезиса. Результатом предлагаемых схемных решений является двукратное увеличение точности выделения фазовых сдвигов, что позволяет также повысить точность измерения резонансной частоты и обеспечить достоверность контроля влажности в широком диапазоне.
P
Дополнительными преимуществами предлагаемого устройства являются повышение фазовой чувствительности к измеряемому параметру и устранение эффекта "сноса" частоты резонанса f, характерного для резонансных систем с линейной разверткой частоты, а также повышение достоверности контроля влажности за счет усреднения результатов измерения.
Для повышения фазовой чувствительности к измеряемому параметру и увеличения добротности LC-контура {Q=10…200) в данном устройстве нужно применять детектор 12 и формирователь импульсов 5 с высокими входными сопротивлениями (на микросхемах с полевыми транзисторами). Кроме этого, возбуждающий импульсный сигнал от управляемого генератора 1 следует подавать на измерительный двухполюсник 3 через преобразователь напряжения в ток 2 с большим выходным сопротивлением, что также позволяет повысить добротность LC-контура измерительного двухполюсника 3.
Устранение эффекта "сноса" резонансной частоты LC-контура при подстройке частоты управляемого генератора 1 происходит за счет изменения скорости развертки частоты, обеспечиваемой блоком обработки данных 8 при уменьшении фазового сдвига между опорными импульсами и выходным сигналом измерительного двухполюсника 3.
B
ИЗМ
Повышение достоверности контроля влажности в предложенном устройстве обеспечивается за счет усреднения результата измерения частоты f на интервале времени Т, кратном 20 мс, позволяющего резко ослабить влияние помех промышленной частоты (50 Гц) на результат преобразования.
m
пор
Кроме того, при автоматической регулировке амплитуды импульсов возбуждающего тока в преобразователе 2 амплитуда выходного сигнала измерительного двухполюсника 3 мало зависит от частоты возбуждающих импульсов и определяется только пороговым напряжением: U≈U≥2 В. Поэтому инструментальные погрешности амплитудного детектора 12 и формирователя импульсов 5 значительно уменьшаются и практически не оказывают влияния на достоверность результатов контроля влажности.
В устройстве для измерения влажности могут использоваться емкостные датчики влажности погружного и накладного типа. Датчик влажности погружного типа выполняется в виде закрепленного на штанге зонда, который вводится в сыпучие материалы либо в рыхлые почвы. Для измерения влажности плотной почвы делается скважина ручным буром, в которую вводится зонд. Датчик влажности накладного типа прикладывается к ровным поверхностям контролируемых материалов.
P
P
P
В предлагаемом устройстве управляемый высокочастотный генератор 1 можно реализовать на микросхеме преобразователя напряжения в частоту типа КР1108ПП1 и использовать триггеры типа К561ТМ2 и элементы "Исключающее ИЛИ" типа К561ЛП2 (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.269-272). Формирователи импульсов 5, 7 и генератор тактовых импульсов можно реализовать на микросхемах типа К561ТЛ1, реверсивный счетчик 9 - на микросхеме К561ИЕ14, дифференциальный усилитель 12 - на микросхеме типа КР140УД1208, цифроаналоговый преобразователь 11 - на микросхеме типа К1108ПА1 (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.231-232). Преобразователь напряжения в ток можно построить на транзисторе типа КТЗ102 с общей базой и открытым коллектором и с резистором в цепи эмиттера. В источнике опорных напряжений можно применить стабилизатор напряжения на микросхеме К142ЕН5А. В блоке обработки данных можно использовать микроконтроллер типа AT90S1200, содержащий встроенный АЦП для кодирования напряжения разбаланса U и электрически перепрограммируемое запоминающее устройство. Полученные цифровые коды величин f и U можно использовать в качестве адресов ППЗУ, в которые можно записать соответствующие им значения влажности контролируемого материала, которые выводятся на блок индикации в конце каждого цикла преобразования.
Применение управляемого высокочастотного генератора, формирующего две последовательности импульсов с фазовым сдвигом в 90° при переменной скорости автоподстройки частоты, исключает зону нечувствительности устройства вблизи нулевого фазового сдвига, и в сочетании с автоматической коррекцией результатов, ослабляющей влияние активной проводимости, позволяет значительно повысить точность измерения и расширить диапазон контроля влажности различных материалов.