Устройство для измерения влажности твердых веществ

 

Использование: измерительная техника . Сущность изобретения: устройство измерения влажности твердых веществ содержит емкостной трехэлектродный датчик с тремя компланарными электродами, которые установлены на исследуемом материале в одной плоскости и на одной оси. Второй электрод расположен между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами меньше расстояния между вторым и третьим электродами. Первый электрод через резистор и ключ попеременно соединен с двумя генераторами переменного напряжения, через последовательно соединенные повторитель и усилитель с аттенюатором с вторым электродом, третий электрод соединен с общей шиной, переключающий контакт ключа соединен с входом первого преобразователя напряжение-код, выходы которого соединены с первыми шиной данных и разрешения записи вычислительного блока. Первый электрод соединен с входом второго преобразователя, первый и второй выходы которого соединены со второй шиной данных и разрешения записи вычислительного блока, третий выход соединен через генератор импульсов с усилителем-аттенюатором , выход вычислительного блока соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с ключом, второй - с первым преобразователем, третий - с вторым преобразователем 5 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6/1ИК (51)5 G 01 N 27/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4933141/25 (22) 05,05.91 (46) 30.06.93. Бюл. N. 24 (71) Научно-исследовательский институт фотоэлектроники (72) Т.Б. Рзаев (56) Авторское свидетельство СССР

N. 384069, кл. G 01 N 27/22, 1972.

Авторское свидетельство СССР

М 1165967, кл. G 01 N 27/22, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ВЛАЖНОСТИ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ (57) Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: устройство измерения влажности твердых веществ содержит емкостной трехэлектродный датчик с тремя компланарными электродами, которые установлены на исследуемом материале в одной плоскости и на одной оси.

Второй электрод расположен между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности неоднородных по толщине материалов.

Цель изобретения — автоматизация процесса контроля влажности материалов, неоднородных по толщине.

Предлагаемое устройство позволяет автоматически измерять относительное отклонение суммарной емкости датчика с исследуемым материалом от суммарной емкости датчика с эталонным материалом при максимальных амплитудах напряжения,!Ж„„1824567 А1 меньше расстояния между вторым и третьим электродами. Первый электрод через резистор и ключ попеременно соединен с двумя генераторами переменного напряжения, через последовательно соединенные повторитель и усилитель с аттенюатором с вторым электродом, третий электрод соединен с общей шиной, переключающий контакт ключа соединен с входом первого преобразователя напряжение-код, выходы которого соединены с первыми шиной данных и разрешения записи вычислительного блока. Первый электрод соединен с входом второго преобразователя, первый и второй выходы которого соединены со второй шиной данных и разрешения записи вычислительного блока, третий выход соединен через генератор импульсов с усилителем-аттенюатором, выход вычислительного блока соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с ключом, второй — с первым преобразователем, третий — с вторым преобразователем. 5 ил. между первым и третьим электродами датчика, что позволяет исключить влияние поверхностного слоя, а также сопротивлений потерь датчика как при измерении емкости датчика с исследуемым материалом,так и при измерении емкости датчика с эталонным материалом. По результату измерения относительной емкости рассчитывается влажность материала, На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства, На фиг.2 — электрическая схема защемления емкостного трехзлектродного датчика. На фиг.3 — схема блока

1824567 управления, На фиг.4а, б — схемы преобразователей напряжение-код, На фиг,5 изображено пространственное распределение электрических полей в. трехэлектродном датчике и исследуемом материале. 5

Устройство (фиг.1) содержит два генератора 1 и 2 переменного напряжения, управляемый ключ 3, блок 4 управЛения, два преобразователя 5 и 6 напряжение-код, резистор 7, генератор 8 тактовых импульсов. повторитель 9 напряжения, усилитель 10 с аттенюатором, три электрода 11. 12 и 13 емкостного датчика, исследуемый материал

14 и вычислительный блок 15.

При этом генераторы 1 и 2 переменного напряжения попеременно через управляемый ключ 3 и резистор 7 соединены с первЬ1м электродом 11, переключающий контакт управляемого ключа 3 соединен с входом первого преобразователя 5 напря- 20 жение-код, у которого разрядные выходы кода соединены с первой шиной данных вычислительного блока 15, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения записи в память вычислительного блока 15, первый электрод 11 соединен через последовательно соединенные повторитель 9 напряжения и усилитель 10 с аттенюатором, с вторь1м электродом 12, и соединен с входом второго преобразователя 6 напряжение-код, у которого разрядные выходы соединены с второй шиной данных вычислительного блока 15, второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислитель- 35 ного устройства 15, а третий выход соединен с генератором 8 тактовых импульсов, выход которого соединен с управляющим входом усилителя-аттенюатора 10, третий электрод 13 соединен с общей шиной, вы- 40 ход "конец записи" вычислительного блока

15 соединен с входом 4 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 3, второй выход соединен с входом начала преобразования 45 первого преобразователя 5 напряжениекод, третий выход соединен с входом начала преобразования второго преобразователя 6 напряжение-код.

Устройство работает следующим обра- 50 зом, Емкостной датчик с тремя электродами

11, 12 и 13 прикладывают к эталонному сухому материалу. По сигналу "Пуск" блока 4 управления ключ 3 подключает к измерительной цепи генератор 1 переменного на- 55 пряжения с частотой о11 по другому сигналу блока 4 управления преобразователь 5 напряжение-код преобразует в код амплитуду напРЯжениЯ Ио;1 на входе цепи (фиг.2) с двухполюсни ом (С. суммарная емкость датчика с эталонным материалом, R conpo sne e потерь датчика с эталонным материалом, Во — резистор 7), значение которой заносится в память вычислительного блока 15, а сигнал об окончании записи с вычислительного блока 15 поступает в блок

4 управления. С задержкой во времени по сравнению с сигналом блока 4 управления на первый преобразователь 5 поступает сигнал с блока 4 управления на второй преобразователь 6 напряжение-код, где по достижению максимального значения амплитуды напряжения U» между первым и третьим электродами 11 и 13 происходит преобразование этого напряжения в код и затем заносится в память вычислительного блока 15. Генератор 8 тактовых импульсов подает сигналы на усилитель-аттенюатор

10. с помощью которого изменяется напряжение между вторым и третьим электродами 12 и 13 до достижения максимального значения амплитуды напряжения между первым и третьим электродами 11 и 13, после чего происходит преобразование амплитуды напряжения U» и сигналом второго преобразователя 6 на генератор 8 импульсов прекращается регулирование напряжения на усилителе-аттенюаторе 10, который возвращается в начальное состояние и заново начинает регулировку, но уже при сигнале другой частоты.

По поступлению второго сигнала в блок

4 управления с вычислительного блока 15 об окончании записи амплитуды напряжения

U» в блоке 4 управления вырабатывается сигнал, который подключает ключом 3 к измерительной цепи генератор 2 переменного напряжения с частотой и 2. По аналогичной последовательности во времени поступают сигналы с блока 4 управления на два преобразователя 5 и 6 напряжение-код, которое преобразуют амплитуду напряжения

Ооэ2, КОтОРаЯ РаВНа аМПЛИтУДЕ НаПРЯжЕНИя ООэ1 На ЧаСтОтЕ а1, И ПО дОСтИжЕНИЮ

МаКСИМаЛЬНОГО ЗНаЧЕНИЯ аМПЛИтУДУ Оэ2 В код, значение которых заносятся в память вычислительного блока 16. По окончанию записи в вычислительном блоке 15 происходит вычисление по алгоритму э2 кэ1. /2 2

Uo» Ооэ2 где k» = и k32 = — отношения амОэ1 Оэ2 плитуд напряжений на входе делителя напряжения (фиг.2) к емкостному датчику на двух частотах м1 и о 2, соответственно.

Далее аналогичным образом происходит измерения амплитуд напряжений U<»1и

1824567

Ux), О» и Ua на делителе напряжения и емкостном датчике с исследуемым материалом 14 (фиг.2) (Cx — суммарная емкость датчика с исследуемым материалом, R сопротивление потерь емкостного датчика с 5 исследуемым материалом), на двух частотах си1 и аф входных сигналов, соответственно.

Причем также поддерживается равенство амплитуд напряжений на делителе U»>-Uoa на двух частотах си1 и аа. Таким обра- 10 эом осуществляется регулировка амплитуды напряжения на втором электроде 12 по достижению максимального значения амплитуды напряжения на первом электроде

11, По окончанию записи кодов в вычисли- 15 тельном блоке 15 происходит вычислительные операции по алгоритму.

20 где k1- и k2 = — отношения ампUox1 Uox2

Ux), Охг литуд напряжений на входе делителя напряжения (фиг,2) к емкостному датчику с исследуемым материалом на двух частотах си> и са соответственно.

Затем происходит вычисление отношения емкости датчика с исследуемым материалом к емкости датчика с эталонным материалом.

По результатам измерения отношения емкостей, рассчитывается влажность твердого вещества.

Блок 4 управления (фиг.3) содержит два ключа 16 и 17, два двоичных счетчика 18 и

19, триггер 20, два элемента задержки 21 и

22. При этом вычислительный блок 15 через ключ 16 соединен с первым входом двоичного счетчика 18, который через триггер 20 соединен с управляющим входом управляемого ключа 3, и с входом второго двоичного счетчика 19, выход которого соединен с вторым входом триггера 20, к которому через ключ 17 подключено положительное напряжение.

При включении ключа 17 подается положительное напряжение на второй вход триггера 20, который срабатывает и последовательно во времени подключает пер- . вый генеРатор 1 переменного напряжения с частотой cui, первый и второй преобразователи 5 и 6 напряжение-код, которые преобразуют в код амплитуды напряжений Uo>1 и U>i. которые по разрядным выходам кода заносятся в память вычислительного блока

15. По поступлению двух последовательных во времени сигналов о записи на первый двоичный счетчик 18 в нем вырабатывается сигнал, который подается на первый вход триггера 20, который сработав, подключает последовательно во времени второй генератор 2 переменного напряжения с частотой и, первый и затем второй преобразователя

5 и 6 напряжение-код, которые преобразуют в код амплитуды напряжений О а и Ua, которые по разрядным выходам заносятся в память вычислительного блока 15. Два последовательных сигнала о записи поступают на первый двоичный счетчик 18 и далее повторяются измерения на двух частотах в1 и в до тех пор пока ключом 16

"Останов" не будет разомкнута цепь блока

4 управления.

Первый преобразователь 5 напряжение-код (фиг.4а) содержит амплитудный детектор 23 и стандартный функциональнозаконченный аналого-цифровой преобразователь 24, в котором имеются клеммы цифрового выхода, готовности данных, начала преобразования, а также питания и аналогового входа. При поступлении сигнала с блока 4 управления на АЦП начало преобразования осуществляется преобразование сигнала в код и после передачи сигнала готовности на вход разрешение записи вычислительного блока 15 осуществляется занесение по разным выходам кода в память вычислительного блока 15.

8торой преобразователь 6 напряжениекод (фиг.4б) содержит амплитудный детектор 25, элемент задержки 26, схему совпадения 27 и стандартный аналого-цифровой преобразователь 28. При поступлении сигнала начало преобразования с блока 4 управления преобразования начнутся только при максимальном значении амплитуды напряжения на емкостном датчике, когда после амплитудного детектора

25 два сигнала — прямой и через элемент задержки совпадут в схеме совпадения 27 и на входе АЦП 28 будет максимальное значение амплитуды напряжения на емкостном датчике между первым и третьим электродами 11 M 13, На фиг.5 изображено пространственное распределение электрических полей в трехэлектродном датчике и исследуемом материале. При этом создается два электрических поля — основное, создаваемое между электродами 11 и 13, под действием разности потенциалов

11 и 12. под действием разности потенциалов Лф- р1 — pr, Причем дополнительное

1824567

C» = С9+ C«+ С1з — С12 — . м

Р1 где Cg - балансовая емкость датчика (подложки, проводов и т,п.); 25

С11 — собственная частичная емкость электрода 11;

C12 — частичная емкость между электродами 11 и 13, С 1з — частичная емкость между электро- 30 дами 11 и 12.

Напряженность электрического поля, создаваемого компланарной системой электродов, максимальна на поверхности материала и нелинейно убывает по его тол- 35 щине, В емкости С«и С1з существенный вклад вносит поверхностный слой материала, диэлектрические свойства которого могут заметно отличаться от остальной массы материала. Емкос, ь целиком определяется 40 свойствами поверхностного слоя материала. Регулируя напряжение на электроде 12 можно добиться минимального значения суммарной емкости или максимального значения амплитуды напряжения на первом 45 электроде 11, устранения влияния поверхностного.слоя на результаты измерения.

Комплексное напряжение в цепи (фиг.2) (1) 50

Оо - Овых + Овых (— +) ® Сх) Ro, Rx где Uo и U»x — комплексное напряжение на делителе напряжения — сопротивление и емкостной датчика и на емкостном датчике. 55

Отношение комплексных напряжений — = (1 + -) i ) гл C»Ro.

Uo Ro вых х поле имеет по сравнению с основным полем сравнительно малую глубину. Если щ > р1, то силовые линии дополнительного поля направлены навстречу силовым линиям основного поля, поэтому в поверхностном 5 слое материала объекта вследствие суперпозиции полей происходит их взаимная компенсация. Регулируя величину потенциала на электроде 12 при неизменном потенциале р1 на электроде 11, изменяют 10 напряженность дополнительного поля, при этом меняется его глубина проникновения, что позволяет компенсировать основное поле на заданную глубину. При этом изменяется емкость между электродами 11 и 13 15 достигает минимального значения т.е. исключается влияние поверхностного слоя переменной толщины, Суммарная емкость датчика

Модули комплексного напряжения есть наблюдаемые Up u Овых амплитуды напряжений, соответственно.

Квадрат модуля (2) ° О

=(1+ р — ) + N Cx Ro. (3)

Овых х

Условно обозначим отношения амплитуд напряжений через

Оо

Овых (4) Тогда (3) с учетом (4) будет 2=(1+ R )2+ C 2R 2

Rx (5) При наблюдении амплитуд напряжений

Uox1 И Uox2 На дВуХ ЧаСтОтаХ й) 1 И Ш 2 ВХОДных сигналов на делителе напряжения и на

ЕМКОСтНОМ датЧИКЕ U»1 И U»2 На тЕХ жЕ ЧаСтотах получим систему иэ двух уравнений с двумя неизвестными С» и Rx. (1+ — ) + N1 Cx Ro =k1 (6)

Ro2 2 2 2 2

Rx ("+ — ) + ®2 CX Ro =k2

Во2 2 2 2 2

Оох1 Оох2 где k1 = и сг = — отношения ампUx1 Ux2 литуд напряжений на частотах в1 и cuz, соответственно.

Решение (6) (7) Процесс измерения реализуется следующим образом. Подается напряжение поСтОЯННОй аМПЛИтУДЫ Upx1 И Upx2 На ЧаСтОтаХ в1 и со2 раздельно во времени на делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных резисторе Ro и емкостном датчике. Измеряют амплитуды напряжений

Ux1 и Ux2 на емкостном датчике между первым и третьим электродами 11 и 13. При регулировании амплитуды напряжения между первым и вторым электродами до максимального значения, достижения емкости между первым и третьим электродами

11 и 13. а следовательно и суммарной емкости Сх минимального значения исключается влияния поверхностного слоя.

Таким образом, регулируя амплитуду напряжения на втором электроде 12 по до1824567

1п с. 6:kÃ

Сэ k22 k2i (9) f4

Ro был стижению максимального значения амплитуд напряжения О«и О г на емкостном датчике между первым и третьим электродами

11 и 13 можно считать, что влияние поверхностного слоя исключается.

Аналогичным образом можно провести измерение емкости Сэ трехэлектродного датчика с эталонным сухим материалом

Сэ (8) Ооэ1 Ооэ2 где k 1- u кэ2 = — отношения

Оэ1 Оэ2 амплитуд напряжений при измерении емкости трехэлектродного датчика с эталонным сухим материалом на двух частотах со1 и ж, соответственно.

Регулировка осуществляется по максимальному значению амплитуд напряжений

Оэ1 и Оа на емкостном датчике на тех же частотах.

Отношение емкостей (7) и (8) будет

Далее по результатам измерения отношения емкостей определяется влажность материала.

Таким образом, заявленное устройство позволяет автоматизировать процесс измерения влажности твердых материалов в производстве, Формула изобретения

Устройство для измерения влажности твердых веществ, содержащее два генератора переменного напряжения, ключ, эталонное сопротивление, повторитель напряжения, усилитель и трекэлектродный датчик, два генератора переменного напряжения через ключ и через сопротивление соединенные с первым электродом, кото5 рый через повторитель напряжения и усилитель соединен с вторым электродом. третий электрод, соединенный с общей шиной, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью автоматизации измерения влажности твер1О дых веществ, в него введены два преобразователя напряжение-код, блок управления, генератор тактовых импульсов и вычислительный блок, причем переключающийся контакт ключа соединен с первым входом

15 первого преобразователя напряжение-код, у которого разрядные выходы кода соединены с первой шиной данных вычислительного блока, а второй выход готовности данных соединен с первым входом разрешения эа20 писи в память вычислительного блока, первый электрод соединен с входом второго преобразователя напряжение-код, у которо=.

ro разрядные выходы кода соединены с второй шиной данных вычислительного блока, 25 второй выход готовности данных соединен с вторым входом разрешения записи в память вычислительного блока, а третий выход соединен с генератором тактовых импульсов, выход которого соединен с управляю30 щим входом усилителя, выход "Конец записи" вычислительного блока соединеН с входом блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом уп.равляемого ключа, второй выход соединен с

35 входом начала преобразования первого преобразователя Напряжение-код, третий выход соединен с входом начала преобразования второго преобразователя напряжениекод.

1824567

Останов

Фиг. 3

Фиг.4

Фиг. 5

Составитель Т. Рэаев

Техред М.Моргентал

Редактор

Корректор,С, Пекарь

Заказ 2222 Тираж Под1тисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент". r, Ужгород, ул, Гагарина 101