Сверхвысокочастотный влагомер

 

Использование: изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения влажности листовых, рулонных и др. материалов. Сущность изобретения: Влагомер содержит СВЧ-генераторы, парафазные генератор, управляемые аттенюаторы, двойной волноводный тройник, передающую и приемную антенны, СВЧ-детекторы, дифференциальные усилители, усилители низкой частоты, фильтры нижних частот, регулируемый источник опорного напряжения , логарифмический преобразователь, синхронные детекторы, АЦП, регистр памяти и суммирующий усилитель постоянного тока. 1 ил.

СОНЭЭ C(?BE ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si) s G 01 N 22/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕ НТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4910102/09 (22) 07.02.91 (46) 07.02,93. Бюл, М 5 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) А,А.Потапов и Ю.А.Скрипник (73) Киевский технологический институт легкой промышленности (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 1245965, кл. G 01 N 22/04, 1986, 2. Авторское свидетельство СССР

N 1504584, кл. G 01 N 22/04, 1989. (54) СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВЛАГОМЕР (57) Использование: изобретение относится

Изобретение относится к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения влажности листовых, рулонных и других материалов.

Известно устройство для измерения влажности, содержащее генератор, циркулятор, стабилизатор мощности, передающую и приемную антенны, первые детектор, усилитель и индикатор, первую согласованную нагрузку, ответвитель, вторую согласованную нагрузку, вторые детектор, усилитель и индикатор, причем генератор подключен через последовательно соединенные циркулятор и стабилизатор мощности к передающей антенне, а приемная антенна подключена к первому детектору и первой согласованной нагрузке, ответвитель через второй детектор подключен к входу первого усилителя, выход которого подключен к первому индикатору и к одному входу второго усилителя, выход которого со,, SU „„1794248 АЗ к технике измерений на сверхвысоких частотах и может быть использовано для измерения влажности листовых, рулонных и др. материалов. Сущность изобретения: Влагомер содержит СВЧ-генераторы, парафазные генератор, управляемые аттенюаторы, двойной волноводный тройник, передающую и приемную антенны, СВЧ-детекторы, дифференциальные усилители, усилители низкой частоты, фильтры нижних частот, регулируемый источник опорного напряжения, логарифмический преобразователь, синхронные детекторы, АЦП, регистр памяти и суммирующий усилитель постоянного тока. 1 ил. н

I единен с вторым индикатором, а другой вход второго усилителя подключен к первому детектору.

К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерения влажности из-за низкой эффективности цепи коррекции по толщине контролируемого К) материала, что обусловило применение двух детекторов, которые могут иметь различные передаточные характеристики, случайно изменяющиеся во времени и под воздействием внешних условий, Кроме того, отклонение контролируемого материала от рабочего положения в ту или иную сторону а напраалении распространения электро- (1 магнитной волны существенно изменит величину стоячей волны, а значит и величину корректирующего сигнала, что приведет к появлению дополнительной погрешности измерения влажности.

Известен сверхвысокочастотный влагомер, содержащий управляемый по частоте

1794248

СВЧ-генератор, низкочастотный управляю- Цель изобретения — повышение точнощий генератор, развязывающий аттенюа- сти измерения влажности при одноврементор, регулятор. мощности, блок выделения ном упрощении конструкции влагомера. отраженного сигнала, два СВЧ-детектора, Указанная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель, излучаю- 5 СВЧ-влагомере, содержащем последоващую и приемную антенны, полупрозрачный тельно соединенный первый СВЧ-генераотражатель, логарифмический преобразо- тор и первый управляемый аттенюатор, ватель, усредняющий фильтр, регулируе- последовательносоединенныевторой СВЧмый видеоусилитель, усилитель огибающей, генератор и второй управляемый аттенюасинхронный детектор, индикаторный при- 1О тор, причем выход первого управляемого бор и источник опорного напряжения. аттенюатора подсоединен к Е-входу, а выДанный сверхвысокочастотный влаго- ход второго управляемого аттенюатора — к мер имеет сравнительно низкую точность Н-входу двойного волноводного тройника, измерения влажности потому, что при сту- первый выход которого через последовапенчатом изменении частоты, а значит и 15 тельносоединенный первый СВЧ-детектор, генерируемой мощности СВЧ-генератора, первый дифференциальный усилитель, к регулятор мощности работает в импульсном второму входу которого подключен первый режиме, что вызывает появление дополни- выход регулируемого источника опорного тельной динамической погрешности при напряжения, и первый фильтр нижних часстабилизации мощности, а значит увеличи- 2О тот подсоединен к управляющему входу . вает погрешность измерения влажности, первого управляемого аттенюатора, переДополнительные погрешности измерения дающуюантенну,второй СВЧ-детектор,ловлажности возникают так же из-за ампли- гарифмическийпреобразователь,усилитель тудно-частотных искажений в приемном низкой частоты и первый синхронныйдетектракте вследствие конечного времени пере- 5 тор, управляющие входы которого соединестройки СВЧ-генератора. ны с управляющими входами второго

Наиболее близок к предлагаемому синхронного детектора и с выходами парасверхвысокочастотный влагомер, содержа- фазного генератора, соединенными так же щий НЧ-парафазный импульсный генера- с модулирующими входами первого и второтор., первый и второй манипулируемые ЗО го СВЧ-генераторов, второй дифференциСВЧ-генераторы, регуляторы мощности, альный усилитель, один из входов которого два двойных волноводных тройника, два соединен с вторым выходом регулируемого

СВЧ-детектора, две согласованные нагруз-. источника опорного напряжения, третий ки, фильтры нижних частот, дифференци- фильтр нижних частот и индикатор, выход альные усилители, усилители огибающей 85 второгодифференциальногоусилителя соевидеосигналов, синхронные детекторы, ре- динен с входом второго фильтра нижних гулируемый аттенюатор, передающую и частот, а второй вход — с выходом второго приемную антенны, логарифмический пре- синхронного детектора, выход третьего образователь, регулируемый видеоусили- фильтра нижних частот соединен с первым тель, индикатор, источник опорного 40 входоминдикатора, а вход — c выходом пернапряжения, два волноводных тройника. вого синхронного детектора, при этом выВлагомер имеет тот недостаток, что в ход логарифмического преобразователя нем используется видеоусилитель, регули- соединено вторымдополнительным входом ровка коэффициента передачи которого индикатора, а модулирующий вход первого осуществляется с использованием нели- <5 СВЧ-генератора соединен с третьим дополнейных элементов, что не позволяет до- нительным входом индикатора. в свою очестичь долговременной стабильности и редь индикатор содержит последовательно. точности регулировочной характеристики, соединенные интегрирующий аналого-цифчто снижает точность измерения влажно- ровой преобразователь и регистр памяти, сти, так как не позволяет в полной мере бо выход которого подсоединен к кодовому реализовать потенциальные возможности. входу цифроаналогового преобразователя, алгоритма коррекции погрешностей. СВЧ- и суммирующий усилитель постоянного тотракт влагомера, содержащий два двойных ка, первый вход которого является первым волноводных тройника; два простых волно- входом индикатора, второй вход соединен водных тройника, регулируемый аттенюа- 5 с выходом цифроаналогового преобразотор, согласованные нагрузки, весьма вателя, а вйход - с управляющим входом громоздок, сложен в изготовлении и на- цифроаналогового преобразователя и одстройке, в производственных условиях не новременно является информационным выобеспечивает стабильность своих характе- ходом индикатора, при этом вход ристик. интегрирующего аналого-цифрового преоб1794248

10

55 разователя является вторым дополнительным входом индикатора, а управляющий вход регистра памяти — его третьим дополнительным входом.

Введение в схему влагомера второго дифференциального усилителя, включенного между вторым фильтром нижних частот и вторым синхронным детектором, позволяет путем подачи на его второй вход напряжения от источника опорного напряжения регулировать уровень мощности СВЧ-колебаний на Н-входе двойного волноводного тройника и тем самым устанавливать "нуль" впагомера, при этом исключаются иэ СВЧ-тракта влагомера регулируемый аттенюатор, два волноводных тройника и согласованные нагрузки, один двойной волноводный тройник, при условии согласования входов и выходов первого двойного волноводного тройника, что кроме существенного упрощения конструкции влагомера одновременно способствует повышению точности измерения влажности.

Использование в схеме СВЧ-влагомера индикатора с цифроаналоговым делитель. ным устройством, включающим интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, цифровой регистр памяти, цифроаналоговый преобразователь и суммирующий усилитель тока, соединенные между собой в определенном порядке и включенного в общей схеме своими основным и дополнительными входами к выходу логарифмического преобразователя, модулирующему входу СВЧ-генератора и через фильтр нижних частот — к выходу первого синхронного детектора, позволяет повысить точность измерения.влажности за счет уменьшения погрешности отношения сигналов в делительном устройстве индикатора. чему так же способствует включение третьего фильтра нижних частот, который снижает пульсации выпрямленного напряжения после первого синхронного детектора.

Сопоставление с прототипом позволяет сделать вывод о том, что данный СВЧ-влагомер отличается от известного введением новых элементов и их соединением между собой и в общей. схеме, а именно: S0 — выход второго дифференциального усилителя соединен с входом второго фильтра нижних частот, а второй вход — с выходом второго синхронного детектора — выход третьего фильтра нижних частот соединен с первым входом индикатора, а вход — с выходом первого синхронного детектора, при этом выход логарифмического преобразователя соединен с вторым дополнительным входом индикатора, а модулирующий вход СВЧ-генератора соединен с третьим дополнительным входом индикатора; — индикатор, включающий последовательно соединенные интегрирующий аналого-цифровой преобразователь и регистр памяти, выход которого подсоединен к кодовому входу цифроаналогового преобразователя, и сумм и рую щи и усилитель постоянного тока. второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход — с управляющим входом цифроаналогового преобразователя и одновременно является информационным выходом индикатора; — первый вход суммирующего усилителя тока является первым входом индикатора, вход интегрирующего аналого-цифрового преобразователя является вторым дополнительным входом индикатора, управляющий вход регистра. памяти — третий дополнительный вход индикатора.

Таким образом, устройство соответствует критерию "новизна", Сравнение данного технического решения с другими показывает, что суммирующий усилитель постоянного тока, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, регистр памяти широко. известны и применяются в цифровой и аналоговой измерительной технике. Однако введение их в схему в указанной взаимосвязи и связи с остальными элементами в предлагаемом влагомере позволяет им проявить новые свойства, которые позволяют повысить точность измерения влажности и одновременно упростить конструкцию влагомера.

Следовательно, можно сделать вывод о соответствии этого технического решения критерию "существенйые отличия".

На чертеже представлена блок-схема сверхвысокочастотного впагомера.

СВЧ-влагомер содержит первый и второй СВЧ-генераторы 1 и 2, модулирующие входы которых подключены к парафазным выходам низкочастотного генератора 3.

СВЧ-генераторы 1 и 2 через управляемые аттенюаторы 4 и 5 соединены с Е- и Н-входами двойного волноводного тройника 6, к одному из выходов которого подключена излучающая антенна 7, а к второму выходу подсоединен первый СВЧ-детектор 8, который своим выходом соединен с первым входом первого дифференциального усилителя

9 и входом усилителя низкой частоты 10.

Второй вход дифференциального усилителя

9 соединен с источником опорного напряжения, а выход его соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора 4

1794248 через первый фильтр нижних частот 11. Выход усилителя низкой частоты 10 соединен с входом первого синхронного детектора

12, выход которого подключен к первому входу второго дифференциального усилителя 13, соединенного вторым своим входом с источником опорного напряжения, а выходом — с управляемым аттенюатором 5 через второй фильтр нижних частот 14. Опорное напряжение поступает от источника 15. Кон10 тролируемый влажный материал 16 располагается между излучающей 7 и приемной антенной 17, к которой подкл|очен второй

СВЧ-детектор 18, соединенный с логарифмическим преобразователем 19, к выходу которого последовательйо подключены второй усилитель низкой частоты 20, второй синхронный детектор 21 и третий -фильтр нижних частот 22.,Управляющие входы персоединены с выходами парафазного генераторэ 3, Выход третьего фильтра нижних частот 22 соединен с первым входом индикатора, выход логарифмического преобразователя 19 соединен с вторым допол25 нительным входом . индикатора, а модулирующий вход первого СВЧ-генератора l соединсн с третьим дополнительным входом индикатора, который включает в себя интегрирующий аналого-цифровой пре30 обоазователь 23 с рег»стром памяти 24, цифроэйэлоговый преобразователь 25 и суммирующий усилитель тока 26.

СВЧ-влагомер работает следующим образом, СВЧ-генераторы 1 и 2, работающие поочередно под действием модулирующего напряжения парафазного генератора 3, генерируюr СВЧ-колебания с длинами волн

i(1 и Л2. которые через регулируемые аттенюаторы 4 и 5 поступают, на Е- и Н-входы двойного волноводного тройника 6, где происходит их суммирование. Часть мощности

СВЧ-колебаний используется на излучение антенной 7 в виде зондирующего сигнала, а часть — детектируется СВЧ-детектором 8, на нагрузке которого выделятся постоянная составляющая детектирования и видеоимпульсы, амплитуда которых пропорциональна мощности СВЧ-колебаний, поступающих

B. Е- и Н-Bxop bf двойного волноводного трой ника 6; Постоянная составляющая усиливается дифференциальным усилителем 9 и через фильтр йижних частот 11 воздействует нэ управляемый аттенюатор 4 так, чтобы скомпенсировать изменение уровня мощности.СВЧ-колебаний в Е-входе тройника 6.

Изменяя опорное напряжение на втором входе дифференциального усилителя 9, можно регулировать уровень мощности

СВЧ-колебаний на Е-входе двойного волноного 12 и второго 21 синхронных детекторов 20 водного тройника 6. Огибающая видеоимпульсов, которая усиливается усилителем низкой частоты 10, пропорциональна разности уровней мощности СВЧ-колебаний с длинами волн Л 1 и Л 2, поступающих на еи Н-входы тройника 6, детектируется синхронным детектором 12, усиливается дифференциальным усилителем 13 и воздействует через фильтр нижних частот 14 на управляемый аттенюатор 5 таким образом, чтобы свести к минимуму различие в уровнях мощности СВЧ-колебаний на Е- и Н-входах двойного волноводного тройника 6, а значит и на выходе излучающей антенны 7, Изменяя уровень опорного напряжения на втором входе дифференциального усилителя

13, можно вводить разбаланс между каналами волноводного тракта и регулировать

"нуль" влагомера. Данная часть СВЧ-влагомера представляет собой двухчастотный источник зондирующего СВЧ-сигнала с автоматической стабилизацией уровня излучаемой мощности СВЧ-колебаний, Импульсы СВЧ-колебаний с длинами волн Л1 и Л2, прошедшие с затуханием, пропорциональнь|м величине влажности, контролируемый материал 16, воспринимаются приемной антенной 17, детектируются вторым СВЧ-детектором 18 и с выхода логарифмического преобразователя 19 поступают на вход усилителя низкой частоты 20 и первый вход индикатора — вход интегрирующего аналого-цифрового преобразователя

23. Амплитуды видеоимпульсов на выходе логарифмического преобразователя пропорциональны степени затухания СВЧ-колебаний с длинами волн Л1 и Л2 во влажном

МатЕрИалЕ и равнЫ СООтвЕтСтвЕннО U1, U2;

Усилитель низкой частоты 20 усиливает сигнал огибающей видеоимпульсов, амплитуда которого определяется разностью U1 и U2, позтомусигнал на выходе фильтра нижних частот

22

U = К20К21К22 (02 01) где К20 К21 К22 — коэффициенты передачи усилителя низкой частоты 20, синхронного детектора 21, фильтра нижних частот 22 соответственно.

Выходной код интегрирующего аналого цифрового преобразователя 23 {см., например, Гутников В.С, Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л.: Энергоатомиздат. 1988, с.202) пропорционален среднему значению входного видеосигнала:

U1+ U2

U=—

Un = — Ообр

R1 п

Uesx =

R2

40 ния от 5 до 150 .

Выходной код N аналого-цифрового преобразователя 23 запоминается регистром памяти 24 на время преобразования, а перезапись кода осуществляется фронтом импульсного сигнала, поступающего с модулирующего входа СВЧ-генератора 1, Цифроаналоговый преобразователь 25 формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное входному коду N и образцовому напряжению Uogp. где No — разрядность цифроаналогового преобразователя.

На первый вход суммирующего усилителя 26, являющийся одновременно первым входом индикатора, поступает напряжение

U, которое преобразуется во входной ток при помощи резистора R<, на второй его вход поступает выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 25 Un, которое преобразуется во входной ток при помощи резистора R2. Выходное напряжение суммирующего усилителя тока 26, являясь выходным информативным сигналом влагомера, служит образцовым напряжением цифроаналогового преобразователя 25 и определяется следующим выражением (см.

Титце У., Шенк. К. Полупроводниковая схемотехника, М.: Мир, 1982, с.452);

Полученное выражение для выходного сигнала влагомера свидетельствует о том, что данная схема (индикатор) является аналого-цифровым делительным устройством и реализует алгоритм обработки измерительного сигнала, предусмотренный в прототипе. за счет чего обеспечивается автоматическая коррекция погрешности измерения влажности, обусловленной изменением

35 толщины, плотности и температуры контролируемого материала, Погрешность выполнения операции деления определяется стабильностью резисторов R и R2 и разрядностью аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей (для 12 разрядов погрешность 0,05-0,1 j). Лучшие аналоговые делительные устройства имеют на порядок большую погрешность (см. Жилинскас P.Ï. Измерители отношения и их применение в радиоизмерительной технике, M. Сов. радио, 1975, с.320).

Предлагаемая схема СВЧ-влагомера позволяет реализовать цель изобретения; повысить точность измерения влажности при одновременном упрощении конструкции влагомера.

Функциональные узлы и блоки СВЧвлагомера могут быть выполнены на серийных электронных элементах широкого применения: СВЧ-генераторы — на диодах

Ганна и ЛПД, управляемые аттенюаторы— на р+и диодах, СВЧ-тракт — на базе волноводных или полосковых конструкций, логарифмический преобразователь, усилители низкой частоты, дифференциальные усилители, фильтры и др. — на микросхемах серий

К140, К1101, К544, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователь, регистр па-. мяти — на микросхемах серий К561, К572, К427 и др. Прецизионные резисторы R1и R2 можно использовать из состава резистивных матриц цифроаналогового преобразователя.

Настройка предлагаемого влагомера сводится к установке требуемого уровня мощности СВЧ-колебаний в передающей антенне и регулировке "нуля" влагомера по сухому материалу или без него.

Испытания макета влагомера показали. что по сравнению с прототипом погрешность измерения влажности картона, ДСП, ДВП и др. уменьшается в 2-3 раза и составляет 0,5-1,0; в диапазоне влагосодержаФормула изобретения

1, Сверхвысокочастотный влагомер, содержащий последовательно соединенные первый СВЧ-генератор и первый управляемый аттенюатор, последовательно соединенные второй СВЧ-генератор и второй управляемый аттенюатор, выход первого управляемого аттенюатора подсоединен к

Е-входу, а выход второго управляемого аттенюатора — к Н-входу двойного волноводного тройника, первый выход которого через последовательно соединенные первый СВЧ-детектор, первый дифференциальный усилитель, к второму входу которого . подключен первый выход регулируемого источника опорного напряжения, и первый

1794248

Составитель А. Потапов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Мотыль

Редактор Г. Федотов

Заказ 532 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 фильтр нижних частот подсоединен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора, а второй выход — к передающей антенне, приемную антенну, второй СВЧдетектор, логарифмический преобразователь, усилители низкой частоты, первый синхронный детектор управляющие входы которого соединены с управляющими входами второго синхронного детектора и с выходами парафэзного генератора, соединенными также с модулирующими входами первого и второго СВЧ-генераторов, второй дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с вторым выходом регулируемого источника опорного напряжения, третий и второй фильтры нижних частот и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, выход второго дифференциального усилителя соединен с входом второго фильтра нижних . частот, а второй вход — с выходом второго синхронного детектора. выход третьего фильтра нижних частот соединен с первым входом индикатора, а выход — с выходом первого синхронного детектора, при этом выход логарифмического преобразователя соединен с вторым дополнительным входом индикатора, а модулирующий вход первого

5 СВЧ-генератора соединен с третьим дополнительным входом индикатора.

2. Влагомер по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что индикатор содержит последовательно соединенные интегрирующий анало10 ro-цифровой преобразователь и регистр памяти, выход которого подсоединен к кодовому входу цифроаналогового преобразователя, и суммирующий усилитель постоянного тока, первый вход которого яв15 ляется первым входом индикатора, второй

его вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя и одновременно является информационным выходом индикатора, при этом вход интегрирующего

20 аналого-цифрового преобразователя является вторым дополнительным входом индикатора, а управляющий вход регистра памяти — его третьим дополнительным входом,