СПОСОБ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DIELCOMETRIC CONTROL OF MOISTURE OF MATERIALS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения влажности различных сыпучих материалов, в том числе зерна и почвы.
Известны способы измерения влажности, согласно которым емкостный датчик влажности включают в колебательный контур, который возбуждают напряжением переменной частоты, затем выделяют амплитуду выходного сигнала, по максимуму которой определяют частоту резонанса контура и по частоте резонанса судят о влажности материала [А.С. СССР №1392478, кл. G01N 27/22. Автоматический электронный влагомер / И.Г.Виноградов, Е.П.Шамарин. Опубл. 30.04.1988; Полулях К.С. Резонансные методы. - М.: Энергия, 1980. - 119 с.].
Недостатком данных способов является низкая точность измерения, так как увеличение проводимости контролируемого материала или уменьшение его активного сопротивления, которое всегда возникает в реальных случаях, приводит к уменьшению резонансной частоты контура и, как следствие, к повышению погрешности измерения влажности.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ, основанный на возбуждении контура с емкостным датчиком высокочастотным напряжением, частоту которого модулируют с помощью свип-генератора. За время прямого и обратного хода модулирующего напряжения выделяют амплитуду выходного сигнала контура, превышающую пороговый уровень, измеряют интервалы времени между моментами появления максимумов амплитуды сигнала, усредняют несколько этих интервалов времени и по ним определяют резонансную частоту контура, по значению которой судят о влажности [А.С. RU №2275626, кл. G01N 27/22. Устройство для измерения влажности / С.П.Лукьянов, А.В.Семенов, В.А.Пашков. Опубл. 27.04.2006].
Усреднение временных интервалов между амплитудами резонансных лепестков, полученных во время прямого и обратного хода модулирующего напряжения, несколько повышает точность измерений, однако не устраняет методической погрешности, связанной с выделением резонансной частоты по максимуму амплитуды выходного сигнала емкостного датчика, так как на это значение резонансной частоты влияют активные потери в контролируемом материале. Кроме того, точность контроля влажности таким способом ограничивается нелинейностью и стабильностью крутизны модуляционной характеристики свип-генератора.
Задачей изобретения является создание способа диэлькометрического контроля влажности материалов, позволяющего получить повышение точности измерений и исключение влияния проводимости материала на результаты контроля его влажности.
Эта задача решается таким образом, что способ диэлькометрического контроля влажности материалов заключается во включении емкостного датчика влажности в параллельный колебательный LC-контур, на который в первом такте преобразования подают сигнал переменного тока линейно нарастающей частоты, а во втором такте - линейно уменьшающейся частоты. Амплитуду выходного сигнала контура сравнивают с пороговым уровнем, после чего измеряют частоту резонанса и по ней вычисляют влажность контролируемого материала. На контур с емкостным датчиком подают импульсы тока, скорость изменения которых во втором такте уменьшают по сравнению со скоростью изменения частоты импульсов тока в первом такте преобразования. При этом выделяют и усиливают разность между амплитудой выходного сигнала контура и пороговым напряжением, которую используют для регулирования амплитуды импульсов тока. Частоту резонанса контура выделяют по нулевой разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами и по значению резонансной частоты определяют влажность материала.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет выделения резонансной частоты по фазовому (при Δφ=0), а не по амплитудному параметру (по максимуму сигнала на выходе LC-контура), а также из-за изменения скорости и направления линейной развертки частоты импульсов возбуждающего тока в двух тактах преобразования достигается значительное повышение точности измерения влажности контролируемых материалов.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, 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».
В качестве примера на чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего данный способ диэлектрического контроля влажности материалов.
Х
X
Устройство содержит последовательно соединенные управляемый генератор импульсов 1, преобразователь напряжения в ток 2 с высоким выходным сопротивлением и колебательный LC-контур 3 с емкостным датчиком влажности 4. Емкостный датчик влажности 4 представляет собой электрическую цепь на основе параллельного соединения эквивалентной емкости С датчика влажности и активного сопротивления материала R (на чертеже не показаны), используемых в составе колебательного LC-контура 3. К выходу этого контура последовательно подключены амплитудный детектор 5 и дифференциальный усилитель 6, выход которого соединен с управляющим входом преобразователя напряжения в ток 2. Выход управляемого генератора 1 подключен к первому входу фазового компаратора 7 и информационному входу блока управления и обработки данных 8. Второй вход фазового компаратора 7 через формирователь импульсов 9 соединен с выходом контура 3 и входом амплитудного детектора 5. Второй вход дифференциального усилителя 6 подключен к первому выходу источника опорных напряжений 10 и первому входу коммутатора 11, выход которого через интегратор 12 соединен с управляющим входом генератора 1. Второй вход коммутатора 11 соединен со вторым выходом источника опорных напряжений 10, а третий вход коммутатора 11 подключен к нулевой цепи. Управляющий вход коммутатора 11 соединен с первым выходом блока управления и обработки данных 8, тактовый вход которого подключен к генератору тактовых импульсов 13, а выход блока управления и обработки данных 8 соединен с цифровым индикатором 14. Управляемый генератор 1, источник опорных напряжений 10, коммутатор 11 и интегратор 12 представляют собой свип-генератор 15, выходная частота которого линейно увеличивается или уменьшается по командам блока управления и обработки данных 8.
Способ на примере измерения влажности материала емкостным датчиком реализуется следующим образом.
O1
12
O1
1
O1
И
И
12
B1
НАЧ
1
НАЧ
1
ВЫХ2
ВЫХ
Контроль влажности материала выполняется за два такта по командам блока управления и обработки данных 8, поступающим на управляющий вход коммутатора 11. В первом такте постоянное напряжение U от источника опорных напряжений 10 через коммутатор 11 подается на вход интегратора 12, выходное напряжение которого линейно повышается во времени по закону U=U·t/T со скоростью нарастания V=U/Т, зависящей от постоянной времени Т интегратора 12. Напряжение U поступает на управляемый генератор 1, формирующий прямоугольные импульсы со скважностью, равной двум, частота которых f=f+Kt линейно увеличивается во времени от начального значения f пропорционально коэффициенту преобразования К управляемого генератора 1. Импульсы от генератора 1 поступают через преобразователь напряжения в ток 2 с большим выходным сопротивлением (R→∞) на резонансный контур 3 с емкостным датчиком 4. Вследствие избирательных свойств резонансного контура 3 на нем формируется напряжение U(t) гармонической формы, частота которого задается импульсами управляемого генератора 1 и повышается в течение первого такта преобразования.
U
ПОР
M
6
U
ПОР
M
K
K
M
Амплитудным детектором 5 и дифференциальным усилителем 6 выделяется и усиливается в K>>1 раз разность напряжений между пороговым уровнем U≥2 B, формируемым источником опорных напряжений 9, и амплитудой U выходного сигнала контура 3. Усиленная разность этих напряжений U=K (U-U) подается в качестве сигнала обратной связи на управляющий вход преобразователя напряжения в ток 2. При уменьшении эквивалентного сопротивления Z контура 3 амплитуда импульсов тока на выходе преобразователя 2 увеличивается, а при увеличении сопротивления Z амплитуда импульсов тока уменьшается. Поэтому амплитуда сигнала на выходе контура 3 и выходное напряжение амплитудного детектора 5 остаются постоянными (U=const.) независимо от частоты импульсов тока, подаваемого на контур 3 с датчиком 4.
B1
B1
P
Пока частота f формируемых генератором 1 импульсов не превышает частоты резонанса LC-контура (f<f), разность фаз между входными и выходными сигналами LC-контура остается положительной (Δφ>0).
B1
P
B1
P
При равенстве частот f=f фазовый угол Δφ переходит через нулевое значение (Δφ=0), и при дальнейшем повышении частоты импульсов возбуждающего тока f>f фаза становится отрицательной (Δφ<0).
B1
P
По мере увеличения частоты импульсов управляемого генератора 1 фазовый угол Δφ уменьшается, и при равенстве частот f=f срабатывает фазовый компаратор 7, и его выходной сигнал переходит из единичного состояния в нулевое логическое состояние (переход «1»→«0»), указывая на окончание первого такта преобразования.
O2
O1
O2
При появлении перепада напряжения на выходе фазового компаратора 7 срабатывает блок управления и обработки данных 8, который переключает коммутатор 11 во второе положение, и через него на вход интегратора 12 подается небольшое отрицательное напряжение U≈U/100 от источника опорных напряжений 10. Во втором такте преобразования под воздействием напряжения U выходное напряжение интегратора 12 начинает медленно уменьшаться. Это приводит к плавному понижению частоты выходных импульсов генератора 1 в соответствии с выражением:
B2
B1
2
B1
1
f=f-K·t≈f-K·t/100.
B2
P
B2
ИЗМ
C
C
C
ИЗМ
Процесс понижения частоты импульсов генератора 1 продолжается до тех пор, пока фазовый компаратор 7 снова не вернется в исходное состояние (переход «0»→«1»), после чего второй такт преобразования заканчивается и выполняется цифровая обработка полученных данных. Блок управления и обработки данных 8 переключает коммутатор 11 в третье положение, при котором вход интегратора 12 подключается к нулевой цепи, поэтому интегратор 12 переводится в режим запоминания, и частота импульсов управляемого генератора 1 остается постоянной и практически равной частоте резонанса LC-контура (f≈f). Затем в блоке управления и обработки данных 8 выполняется цифровое измерение частоты f в течение интервала времени Т=n/f (при n=1, 2, …, 10), кратного нескольким n периодам сетевой частоты T=1/f=20 мс. По результату цифрового измерения частоты блок управления и обработки данных 8 вычисляет влажность материала по типовому алгоритму, значение которой выводится на цифровой индикатор 14. После окончания такта измерения Т блок управления и обработки данных 8 подает команду на управляющий вход коммутатора 11, который устанавливается в исходное состояние, после чего начинается новый цикл контроля влажности.
Э
X
Э
Э
В реальных условиях измерения влажности материалов частота амплитудного резонанса  понижается при уменьшении эквивалентной добротности контура Q или, соответственно, увеличении электрической проводимости материала. При этом измеряемое значение частоты  отличается от частоты резонанса  идеального контура, в которой скрыто значение емкости датчика C и, соответственно, истинное значение контролируемой влажности. При этом в результаты измерений вносится дополнительная погрешность, определяемая выражением:  Если значения добротности находятся в пределах Q=10…2, то методическая погрешность измерения влажности по частоте амплитудного резонанса достигает значения γ=(0,1…3)%. Увеличение проводимости материала приводит к уменьшению добротности до значения Q≤1 и дальнейшему возрастанию погрешности γ.
Э
P
B
P
B
P
Э
P
В предлагаемом способе для компенсации данной погрешности выделение частоты резонанса выполняется по нулевой разности фаз Δφ=0 между возбуждающим и выходным сигналами контура 3 с емкостным датчиком 4. Согласно аналитическому выражению для фазовой характеристики контура Δφ=arctg[2Q(f-f)/f] нулевая разность фаз Δφ=0 соответствует равенству частоты возбуждающего сигнала f с частотой резонанса f, а уменьшение добротности Q контура приводит только к уменьшению крутизны фазочастотной характеристики. Вследствие этого выделение частоты резонанса f по нулевой разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами позволяет исключить методическую погрешность измерения влажности, возникающую из-за влияния потерь в контролируемом материале. Это позволяет создавать влагомеры, показания которых не будут зависеть от изменения проводимости, а будут определяться только диэлектрическими свойствами материала, т.е. его влажностью.
Вторым фактором повышения точности измерения влажности предлагаемым способом является изменение направления и скорости линейной развертки частоты импульсов возбуждающего тока, позволяющее ослабить влияние «сноса» частоты резонанса контура в процессе контроля.
P
f
K
P
f
K
f
P
f
1
O1
И
1
O1
И
Э
К
P
«Снос» частоты резонанса Δf зависит от произведения скорости развертки частоты возбуждающего сигнала V на постоянную времени T колебательного контура: Δf≈VT=VQ/πf. При этом скорость развертки частоты V=KU/Т [кГц/с] пропорциональна коэффициенту преобразования К управляемого генератора 1, напряжению U источника опорных напряжений 10 и постоянной времени Т интегратора 12, а постоянная времени LC-контура зависит от его добротности Q и уменьшается при повышении частоты резонанса: Т=Q/πf.
P
1f
P1
2f
P2
P
P2
P
Например, при возбуждении LC-контура, имеющего частоту резонанса f=1 МГц и добротность Q=100, импульсами тока с разверткой частоты в диапазоне от 0,5 до 1,5 МГц со скоростью V=100 кГц/мс «снос» частоты резонанса в первом такте преобразования составит примерно Δf≈3 кГц. При 100-кратном понижении скорости развертки до значения V=1 кГц/мс и изменении направления развертки во втором такте погрешность от «сноса» резонансной частоты понижается до Δf≈30 Гц, что эквивалентно относительной погрешности γ=100Δf/f=0,003%.
B2
P
ИЗМ
m
ПОР
Повышение достоверности контроля предложенным способом обеспечивается за счет измерения частоты f=f на интервале времени Т, кратном 20 мс, что позволяет резко ослабить влияние помех промышленной частоты (50 Гц) на результат преобразования. Кроме того, при автоматической регулировке амплитуды импульсов возбуждающего тока в преобразователе 2 амплитуда выходного сигнала LC-контура 3 не зависит от резонансной частоты и определяется только пороговым напряжением U≈U≥2 В. Поэтому инструментальные погрешности амплитудного детектора 5 и формирователя импульсов 9, работающих при постоянной амплитуде сигнала, снимаемого с LC-контура, будут пренебрежимо малы и практически не будут оказывать влияния на точность измерения влажности материалов и достоверность результатов контроля.
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием современной элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.
Таким образом, предложенный способ контроля обеспечивает повышение точности измерения влажности различных материалов независимо от их электрической проводимости за счет использования фазового резонанса вместо амплитудного, а также изменения скорости и направления развертки частоты возбуждающего сигнала в двух тактах преобразования при автоматической стабилизации амплитуды выходного сигнала емкостного резонансного датчика.