Патент на изобретение №2254569

(54) ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР

(57) Реферат:

Использование: в измерительной технике, может быть использовано при автоматическом контроле и измерении влагосодержания почвогрунтовых сред в области гидромелиорации, влажности зернобобовых культур агропромышленных производств, а также концентрации примесей двухфазных жидких сред, например концентрации сухих продуктов при варке сиропов в пищевой и нефтяной промышленностях. Технический результат – повышение точности, чувствительности измерений, надежности функционирования устройства. Сущность изобретения: известный диэлькометрический влагомер дополнительно содержит два делителя частоты следования импульсов, формирователи импульсов записи и установки, а также элемент И-НЕ. Выход опорного генератора подключен к первому входу элемента И-НЕ, тактовому входу формирователя импульсов записи и входу первого делителя частоты следования импульсов. Первый выход первого делителя подключен к установочному входу формирователя импульсов установки, а второй выход через блок фазовой автоподстройки частоты, автоматический управляемый генератор и второй делитель частоты следования импульсов – ко второму входу элемента И-НЕ и установочному входу формирователя импульсов записи. Первый выход формирователя импульсов записи через тактовый вход формирователя импульсов установки подключен ко входу цифрового вольтметра, а второй выход – к входу вычитающего устройства. Тактовый вход вычитающего устройства подключен к выходу элемента И-НЕ. Разрядные выходы устройства масштабирования через вычитающее устройство подключены к разрядным входам цифрового вольтметра. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть иcпользовано при автоматическом контроле и измерении влагосодержания почвогрунтовых сред в области гидромелиорации, влажности зернобобовых культур агропромышленных производств, а также концентрации примесей двухфазных жидких сред, например концентрации сухих продуктов при варке сиропов в пищевой промышленности.

Известно устройство диэлькометрического влагомера (Берлинер М.А. Измерения влажности. – М.: Энергия, 1973. – 400 с.), основанное на принципе дифференциальных измерительных схем, содержащем генератор частот, к выводам которого последовательно соединены образцовый конденсатор и конденсатор чувствительного элемента датчика, выводы которого дополнительно соединены с указательным прибором.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений (2-3%) в крайних областях измерительного диапазона вследствие низкой чувствительности устройства.

Низкая точность измерений влажности таким устройством обусловлена суммарной погрешностью от температурной нестабильности последовательно подключенных каналов преобразования опорного генератора, блока фазовой автоподстройки частоты, вычитающего устройства, устройства масштабирования и цифрового вольтметра. Использование большого количества элементов схемы устройства приводит к низкой его надежности функционирования, большой величине энергопотребления (порядка 50-70 мА при напряжении питания ±5 В), а также к сложности в настройке и градуировке.

В направлении реализации данного технического решения автору известны устройства для измерений концентраций примесей косвенным методом (например, в пересчете через суммарную плотность среды) в физико-механическом классе приборов (Кивилис С.С. Плотномеры. – М.: Энергия, 1980. – 279 с.). Принцип работы таких устройств основан на изменениях резонансных частот колебаний стержня (пластины) в зависимости от изменений плотности исследуемой среды. К недостаткам таких устройств относятся зависимость выходных сигналов от условий изменения кавитационных режимов применимо к исследованиям потоков смешанных жидкостей. Кроме того, громоздкость конструкции чувствительных элементов, а также требования больших затрат на электропитание для их вибраций не дают возможность реализовать принцип автономности и портативности разрабатываемых устройств.

Задача изобретения – повышение точности измерений и надежности функционирования устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство диэлькометрического влагомера, содержащее автоматический управляемый генератор, блок фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор, устройство масштабирования, вычитающее устройство и цифровой вольтметр, дополнительно введены два делителя частоты следования импульсов, формирователи импульсов записи и установки и элемент И-НЕ, выход опорного генератора подключен к первому входу элемента И-НЕ, тактовому входу формирователя импульсов записи и входу первого делителя частоты следования импульсов, первый выход которого подключен к установочному входу формирователя импульсов установки, а второй выход через блок фазовой автоподстройки частоты, автоматический управляемый генератор и второй делитель частоты следования импульсов – ко второму входу элемента И-НЕ и установочному входу формирователя импульсов записи, первый выход которого через тактовый вход формирователя импульсов установки подключен к входу синхронизации цифрового вольтметра, а второй выход – к входу предустановки вычитающего устройства, тактовый вход которого подключен к выходу элемента И-НЕ, разрядные выходы устройства масштабирования через вычитающее устройство подключены к разрядным входам цифрового вольтметра.

Сопоставительный анализ изобретения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от известного введением двух делителей частот следования импульсов, формирователей импульсов записи и установки, а также логического элемента И-НЕ, что позволяет получить новые свойства в независимости точности измерений от суммарной погрешности, вызванной температурной нестабильностью последовательно подключенных составных каналов преобразований, и тем самым повысить точность измерений при индикации влагосодержания исследуемых сред единицами измеряемых физических величин. Кроме этого, новые функциональные связи обеспечивают автоподстройку фаз измерительного и опорного генераторов с полным охватом обратными связями между составными каналами преобразований, что позволяет сделать вывод о существенных отличиях предлагаемого устройства.

Таким образом, заявляемый объект соответствует критерию «новизна». Заявителю неизвестны технические решения, содержащие сходные признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «Изобретательский уровень».

На чертеже представлено устройство диэлькометрического влагомера.

Блок-схема диэлькометрического влагомера состоит из опорного генератора 1, первого делителя частоты следования импульсов 2, блок фазовой автоподстройки частоты 3, автоматический управляемый генератор 4, второй делитель частоты следования импульсов 5, элемент И-НЕ 6, формирователи импульсов записи 7 и импульсов установки 8, устройство масштабирования 9, вычитающее устройство 10 и цифровой вольтметр 11.

Опорный генератор 1 реализован в основе кварцевого резонатора с частотой порядка 1 мГц и инверторов (ИМС типа К561ЛН1). Первый делитель частоты следования импульсов 2 в связи с опорным генератором 1 предназначен для выработки цикла преобразования, цифровой индикации и синхронизации, длительность времени которого составляет порядка 100 mS. Он реализован в виде счетных декад на основе ИМС типа К561 ИЕ16. Причем первый его выход образован разрядным выходом одной из составных декад, второй выход образован последовательным подключением разрядного выхода счетной декады к формирователю коротких импульсов единичным уровнем. Поэтому второй выход подключен через блок фазовой автоподстройки частоты 3 к входу автоматического управляемого генератора 4.

Автоматический управляемый генератор 4 выполняет функции измерительного генератора, подстраиваемого по фазе к фазе опорного генератора. Он реализован в виде взаимосвязанных по автоколебательной цепи компаратора и интегратора, в качестве интегрирующей емкости которого используется чувствительный элемент датчика конденсаторного типа. Для технологических измерений сыпучих сред (влажности почвы в области гидромелиорации и зернобобовых культур в агропромышленности) данное устройство реализовано в виде портативного прибора в кожухе с размерами 120×60×20 мм со шнуром связи с чувствительным элементом длиной до 1,5-2 м. При реализации датчика в форме двухпластинчатой лопатки и питанием от аккумуляторной батареи (типа 7Д-0,125) с напряжением в 9 В потребляемый ток составляет 10 мА. При измерениях влажности сиропов в процессе их варки чувствительные элементы датчика выполнены в форме изолированной конденсаторной пластины с эффективной площадью в 100 см², другой обкладкой которого является металлическая стенка реактора.

Получение высоких значений девиации генерируемых частот (до 300 кГц и выше) достигается с использованием прецизионных ИМС типа К544УД2А. Поэтому выход этого генератора 4 подключен через второй делитель частоты следования импульсов ко второму входу логического элемента И-НЕ 6 и установочному входу формирователя импульсов записи 7, тактовый вход которого совместно с первым входом логического элемента И-НЕ подключен к выходу опорного генератора 1. Первый выход формирователя импульсов записи 7 подключен к тактовому входу формирователя импульсов установки 8.

Второй делитель частоты следования импульсов 5 предназначен для преобразования девиаций измеряемых частот во временной интервал и реализован на ИМС типа К561ИЕ16. В качестве логического элемента И-НЕ 6 используется ИМС типа К561ЛА7.

Формирователи импульсов записи 7 и установки 8 предназначены для выработки коротких единичных серий импульсов в цикле преобразования и реализованы в виде пересчетных схем на одинарных декадах распределителей импульсов (ИМС типа К561ИЕ8 или К561ИЕ9). При этом первый выход первого делителя частоты следования импульсов 2 подключен к установочному входу формирователя импульсов установки 8, выход которого подключен ко входу синхронизации цифрового вольтметра 11, выход элемента И-НЕ 6 подключен к тактовому входу вычитающего устройства 10, вход установки которого подключен ко второму выходу формирователя импульсов записи 7. Разрядные выходы устройства масштабирования 9 через вычитающее устройство 10 подключены к разрядным входам цифрового вольтметра 11.

Устройство масштабирования 9 представляет собой четыре декады наборных полей двоичных единиц. Вычитающее устройство 10 предназначено для преобразования измерительной информации влажности из частотной формы сигнала в цифровую и представляет собой последовательно подключенные декады сотых долей, десятых долей, единиц и десятков процентов цифровой шкалы, реализованных на десятичных счетчиках с предустановкой (ИМС типа К561ИЕ14).

Цифровой вольтметр 11 предназначен для преобразования двоично-десятичного кода информации в семисегментный код для работы с цифровыми (жидкокристаллическими или полупроводниковыми) индикаторами. Поэтому он реализован на входных дешифраторах (ИМС типа К176ИД2) для непосредственного подключения к цифровым индикаторам.

Принцип работы устройства осуществляется следующим образом.

При изменении влажности исследуемой среды в локальном объеме чувствительного элемента датчика осуществляется соответствующее изменение ее диэлектрической проницаемости, а следовательно, и соответствующее изменение частоты автоматического управляемого генератора 4. Измеряемая частота с генератора 4 поступает на второй делитель частоты 5 для преобразования во временной интервал единичным уровнем. При этом длительность импульсов таких интервалов преобразуется затем в соответствующее количество опорных импульсов с генератора 1 посредством логического элемента И-НЕ 6 для записи в счетные декады вычитающего устройства 10.

По истечении каждого значащего информационного импульса формирователь импульсов записи 7 вырабатывает вначале с первого своего выхода импульс для запуска формирователя импульсов установки 8, а с задержкой в один такт опорной частоты он вырабатывает импульс со второго выхода импульс записи для предварительной установки величины кодовой маски с масштабируемого устройства 9. Причем импульс установки позволяет синхронизировать работу цифрового вольтметра для последующих операций дешифрации и цифровой индикации измерительной информации.

Первоначальная настройка (градуировка) диэлькометрического влагомера производится следующим образом. Для настройки влагомера необходимо иметь два образца исследуемой среды с различной влажностью. Например, для диапазона измерений от 0 до 50% используется образец с минимальной влажностью W_min=5% и с максимальной влажностью W_max=45%, определяющие образцовую разность в W_обр=40%. Первоначально все весовые значения устройства масштабирования 9 выбираются нулевыми величинами, а датчик (измерительный автоматический управляемый генератор) 4 погружается в среду с влажностью W_min. После этого фиксируется цифровое значение минимальной влажности с помощью цифрового вольтметра 11. Затем датчик помещается в среду с образцовой влажностью W_max среды для определения его относительной величины в цифровой форме. Если измеренный диапазон влажностей W_изм совпадает с образцовым (W_обр=W_изм) при несовпадении их относительных показаний, необходимо произвести относительное смещение его на величину градуировочного веса W_град, определяемую разностью одной из образцовой и измеренных величин. В этом случае градуировочная маска W_град заносится наборным полем в устройстве масштабирования 9, которая затем высчитывается в параллельной форме с помощью вычитающего устройства 9 для получения истинных значений измеряемых величин.

Несовпадение измеренного диапазона влажности с образцовым (W_обрW_изм) означает недостаточную чувствительность измерительного автоматического управляемого генератора 4 (или превышение ее). В этом случае устройство масштабирования 9 необходимо переводить в нулевое значение. При слабой чувствительности влагомера в начале первого цикла градуировки с помощью подстроечного элемента (резистора) измерительного автоматического управляемого генератора 4. Затем датчик погружают в пробу W_min и измеряют это значение (W_min.изм). Датчик погружают в пробу W_max с последующим измерением значения (W_max.изм) и определением измеренной влажности W_изм. Этим оканчивается первый цикл настройки. При недостижении цели вследствие слабой чувствительности влагомера эти циклы повторяются. В случае завышенной чувствительности влагомера с помощью подстроечного элемента измерительного автоматического управляемого генератора 4 осуществляется снижение его частоты автоколебаний и последующим проведением одного или нескольких вышеописанных циклов настройки. Причем процесс настройки считается завершенным при получении равенства W_обр=W_изм. С заданными показателями точности, а также последующим относительным смещением диапазона преобразований посредством весовой маски W_град, как было показано выше.

При измерении влагосодержания сухих продуктов во время варки сиропов погрешность измерений составила 0,01% в диапазоне от 0 до 48% при изменении температур от +20^°С до +150^°С и питающих устройство напряжений в пределах ±20%.

При изменении влагосодержания почвенных сред и зернобобовых культур погрешность измерений составила 0,1% в диапазоне влажностей от 0 до 48%, что обусловлено влиянием изменений плотности исследуемых сред (плотностей почвы и дисперсности частиц зерна для разных агрокультур) в локальной зоне чувствительного элемента датчика (выполненного в форме лопатки). При этом достигнута точность установки нуля в 0,01%.

Технико-экономические преимущества заявляемого объекта по сравнению с известными позволяют повысить точность измерений в 2-3 раза при значительном упрощении схемной реализации. Использование предлагаемого диэлькометрического влагомера позволяет повысить разрешающую способность измерений влагосодержания двухфазных сред и повысить его надежность за счет снижения схемной реализации и уменьшения энергопотребления.

Формула изобретения

Диэлькометрический влагомер, содержащий автоматический управляемый генератор, блок фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор, устройство масштабирования, вычитающее устройство и цифровой вольтметр, отличающийся тем, что он снабжен двумя делителями частоты следования импульсов, формирователями импульсов записи и установки и элементом И-НЕ, выход опорного генератора подключен к первому входу элемента И-НЕ, тактовому входу формирователя импульсов записи и входу первого делителя частоты следования импульсов, первый выход которого подключен к установочному входу формирователя импульсов установки, а второй выход через блок фазовой автоподстройки частоты, автоматический управляемый генератор и второй делитель частоты следования импульсов – ко второму входу элемента И-НЕ и установочному входу формирователя импульсов записи, первый выход которого через тактовый вход формирователя импульсов установки подключен к входу синхронизации цифрового вольтметра, а второй выход – к входу предустановки вычитающего устройства, тактовый вход которого подключен к выходу элемента И-НЕ, разрядные выходы устройства масштабирования через вычитающее устройство подключены к разрядным входам цифрового вольтметра.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 27.04.2006

Извещение опубликовано: 27.04.2007 БИ: 12/2007

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 27.04.2006

Извещение опубликовано: 20.06.2007 БИ: 17/2007