Влагомер (варианты)

 

Использование: для измерения влажности в промышленности и сельском хозяйстве. Сущность изобретения: влагомер по I варианту содержит источник модулированного ИК-излучения, эталон с нулевой влажностью, исследуемый материал, приемную оптическую систему, два фотоприемных блока с демодуляторами, блок умножения на константу, блок вычитания, блок сложения, блок деления, блок индикации. Влагомер по II варианту содержит дополнительно эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, два блока умножения на константу, второй блок сложения. Влагомер по III варианту содержит источник модулированного ИК-излучения, эталон с нулевой влажностью, эталон с фиксированной влажностью, исследуемый материал, приемную оптическую систему, три фотоприемных блока с демодуляторами, два блока умножения на константу, блок вычитания, блок деления, блок индикации. Реализация влагомера во всех трех вариантах позволяет получить простое устройство для измерения влажности, выходная функция которого элементарно выражается через измеряемый параметр. 3 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике и может использоваться для контроля влажности в целлюлозно-бумажной, текстильной, химической и пищевой промышленности, стройиндустрии и сельском хозяйстве.

Известно устройство для контроля влажности [1] содержащее блок управления, соединенный с ИК-излучателями информационного и опорного каналов соответственно, излучение которых через контролируемый материал поступает на приемник ИК-излучения, выход которого через усилитель соединен с входом детектора превышения нулевого уровня, а его выход через инвертор связан с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя. Выход сумматора через инвертирующий усилитель соединен с первыми входами блоков выборки-хранения информационного и опорного сигналов соответственно. Выход усилителя связан с первым входом блока выборки-хранения фонового сигнала. Вторые входы блоков выборки-хранения информационного, опорного и фонового сигналов связаны с соответствующими выходами блока управления. Выход блока выборки-хранения фонового сигнала связан с первыми входами блоков вычитания, а их вторые входы соединены с выходами блоков выборки-хранения информационного и опорного сигналов. Выходы блоков вычитания связаны с блоком вычисления и регистрации влажности.

Недостатками рассматриваемого устройства для контроля влажности являются сложность его реализации и низкая точность измерения влажности.

Известно устройство для контроля влажности пищевых продуктов [2] выбранное в качестве прототипа, содержащее расположенные последовательно и оптически связанные источник света, оптический прерыватель, светоделительные зеркала, выделяющие два оптических канала, светофильтры в каждом канале и блоки фотоприемного усиления, выходы которых в каждом канале электрически соединены с блоками усиления сигналов, выходы которых подключены к блоку деления сигналов, выход которого подключен к блоку масштабирования, соединенного с блоком индикации, имитатор нулевой влажности, снабженный приводом для ввода его между источником света и оптическим прерывателем, блок сравнения, блок эталонного напряжения, соединенный с блоком сравнения, блок управления, блоки делителей с переменным коэффициентом деления по одному в каждом канале и шесть ключей, причем входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго блоков делителей, выходы этих ключей соединены с входами первого и второго блоков усиления сигналов, входы третьего и четвертого ключей соединены соответственно с выходами первого и второго блоков делителей, а выходы этих ключей подключены к первому и второму входам блока сравнения, входы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока сравнения, а выходы этих ключей подключены к отстраивающим входам первого и второго блоков делителей, при этом сигнальные входы последних соединены в каждом канале с выходами блоков фотоприемного усиления, а выходы блока управления разделены так, что первый из них соединен с приводом имитатора нулевой влажности, второй с управляющими входами четвертого и шестого ключей, третий с управляющими входами третьего и пятого ключей, четвертый с управляющими входам первого и второго ключей.

Недостатками рассматриваемого устройства для контроля влажности являются сложность его реализации и сложная функциональная зависимость выходной функции от измеряемого параметра.

Целью изобретения является получение элементарной функциональной зависимости выходной функции от измеряемого параметра.

Для достижения поставленной цели предлагается три варианта влагомера.

В первом варианте поставленная цель достигается тем, что во влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, введены блок умножения на константу, блок вычитания и блок сложения, причем блок умножения на константу подключен к выходу фотоприемного блока второго канала, первые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока вычитания, а вторые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока сложения, выход которого подключен к второму входу блока деления, соединенного первым входом к выходу блока вычитания.

Во втором варианте поставленная цель достигается тем, что во влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, три блока умножения на константу, блок вычитания, два блока сложения, при этом первый и второй выходы фотоприемного блока первого канала присоединены к первым входам блока вычитания и первого блока сложения, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу соединен с вторым входом блока вычитания, второй вход первого блока сложения подключен к второму выходу первого блока умножения на константу, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к первому входу второго блока сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, входом подключенного к выходу первого блока сложения, выход второго блока сложения подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

В третьем варианте поставленная цель достигается тем, что во влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, два блока умножения на константу и блок вычитания, при этом выход фотоприемного блока первого канала подключен к первому входу блока вычитания, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу подключен к второму входу блока вычитания, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

На фиг. 1, 2, 3 представлены соответственно три варианта предлагаемого влагомера.

Влагомер, представленный на фиг.1, содержит источник 1 модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель 2.1 образца или держатель 2.2 эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему 3, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока 4.1, 4.2 c демодуляторами, образующих два канала, блок 8 деления, выходом соединенный с блоком 9 индикации, блок 5 умножения на константу, блок 6 вычитания и блок 9 сложения, причем блок умножения 5 на константу подключен к выходу фотоприемного блока второго канала 4.2, первые выходы фотоприемного блока 4.1 первого канала и блока 5 умножения на константу подключены к соответствующим входам блока 6 вычитания, а вторые выходы фотоприемного блока 4.1 первого канала и блока 5 умножения на константу подключены к соответствующим входам блока 7 сложения, выход которого подключен к второму входу блока 8 деления, соединенного первым входом к выходу блока 6 вычитания.

Влагомер, представленный на фиг.2, содержит источник 1 модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель 2.1 образца или держатель 2.2, 2.3 эталонов, приемную оптическую систему 3, образующую оптические спектральные каналы, три фотоприемных блока 4.1, 4.2, 4.3 с демодуляторами, образующих три канала, блок 8 деления, выходом соединенный с блоком 9 индикации, три блока 5.1, 5.2, 5.3 умножения на константу, блок 6 вычитания, два блока 7.1, 7.2 сложения, при этом первый и второй выходы фотоприемного блока 4.1 первого канала присоединены к первым входам блока 6 вычитания и первого блока 7.1 сложения, выход фотоприемного блока 4.2 второго канала через первый блок 5.1 умножения на константу соединен с вторым входом блока 6 вычитания, второй вход первого блока 7.1 сложения подключен к второму выходу первого блока 5.1 умножения на константу, выход фотоприемного блока 4.3 третьего канала через второй блок 5.2 умножения на константу подключен к первому входу второго блока 7.2 сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока 5.3 умножения на константу, входом подключенного к выходу первого блока 7.1 сложения, выход второго блока 7.2 сложения подключен к второму входу блока 8 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 6 вычитания.

Влагомер, представленный на фиг.3, содержит источник 1 модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель 2.1 образца или держатель 2.2, 2.3 эталонов, приемную оптическую систему 3, образующую оптические спектральные каналы, три фотоприемных блока 4.1, 4,2, 4.3 c демодуляторами, образующих три канала, блок 8 деления, выходом соединенный с блоком 9 индикации, два блока 5.1, 5,2 умножения на константу и блок 6 вычитания, при этом выход фотоприемного блока 4.1 первого канала подключен к первому входу блока 6 вычитания, выход фотоприемного блока 4.2 второго канала через первый блок 5.1 умножения на константу подключен к второму входу блока 6 вычитания, выход фотоприемного блока 4.3 третьего канала через второй блок 5.2 умножения на константу подключен к второму входу блока 8 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 6 вычитания.

Влагомер (фиг.1) работает следующим образом.

Модулированное ИК-излучение от источника 1 попадает на исследуемый материал, который находится в держатале 2.1 образца и, отразившись, попадает на приемную оптическую систему 3, которая разделяет принимаемое ИК-излучение на два спектральных канала с наименьшей и наибольшей чувствительностью к поглощению воды, после чего излучение попадает на блоки 4.1, 4.2 фотоприемников с демодуляторами, в которых сигналы преобразуются в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1 и 4.2 равны: U₁ U₀₁exp(- α(λ₁)m), U₂ U₀₂exp(- α(λ₂)m), где U₀₁, U₀₂ напряжения на выходах блоков 4.1, 4,2, соответствующих нулевому значению влаги; α(λ₁), α(λ₂) коэффициенты поглощения на выбранных длинах волн (например, при λ₁ 1,83 мкм, λ₂ 1,925 мкм); m масса влаги.

Полученное значение напряжения с блока 4.1 поступает на первые входы блока 6 вычитания и блока 7 сложения, а значение напряжения с блока 4.2 поступает на блок 5 умножения на константу и далее на вторые входы блока 6 вычитания и блока 7 сложения. В блоке 6 напряжение умножается на константу k. Значения напряжений с блока 6 вычитания и блока 7 сложения поступают на блок 8 деления, на выходе которого появляется сигнал, равный: U Константа k подбирается таким образом, чтобы при измерении влажности у эталона с нулевой влажностью показание на блоке 9 индикации было равно нулю. Это выполняется, когда k U₀₁/U₀₂. После подстановки коэффициента коррекции k значение напряжения на выходе блока 8 деления равно: U или U th(Δm) где Δ= α(λ₂) α(λ₁)/2.

На выходе блока 8 деления значение напряжения от массы влаги изменяется как гиперболический тангенс. Значение влажности в процентах индуцируется в блоке 9 индикации.

Влагомер (фиг.2) работает следующим образом.

Модулированное ИК-излучение от источника 1 попадает на исследуемый материал, который находится в держателе 2.1 образца и, отразившись, попадает на приемную оптическую систему 3, которая разделяет принимаемое ИК-излучение на три спектральных канала (один с наименьшей чувствительностью к поглощению воды и два с большей чувствительностью к поглощению воды), после чего излучение попадает на блоки 4.1, 4,2, 4.3 фотоприемников с демодуляторами, в которых сигналы преобразуются в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3 равны: U₁ U₀₁exp(- α(λ₁)m), U₂ U₀₂exp(- α(λ₂)m),
U₃ U₀₃exp(- α(λ₃)m), где U₀₁, U₀₂, U₀₃ напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3, соответствующих нулевому значению влаги;
α(λ₁), α(λ₂), α(λ₃) коэффициенты поглощения на выбранных длинах волн (например, при λ₁ 1,83 мкм; λ₂ 1,925 мкм; λ₃ 2,09 мкм); m массa влаги.

Полученное значение напряжения с блока 4.1 поступает на первые входы блока 8 вычитания и первого блока 7.1 сложения, а значение напряжения с блока 4.2 поступает на первый блок 5.1 умножения на константу и далее на вторые входы блока 6 вычитания и первого блока 7.1 сложения. В блоке 5.1 умножения на константу напряжение умножается на константу k. Значения напряжения с выхода первого блока 7.1 сложения поступают на третий блок 5.3 умножения на константу. Значение напряжения с блока 4.3 поступает на второй блок 5.2 умножения на константу и далее на второй вход второго блока 7.2 сложения, а на первый вход второго блока 7.2 сложения подается напряжение с третьего блока 5.3 умножения на константу. Значения напряжения с блока 6 вычитания и второго блока 7.2 сложения поступают на блок 8 деления, на выходе которого появляется сигнал, равный:
U
Константа k подбирается таким образом, чтобы при измерении влажности у эталона с нулевой влажностью показание на блоке 9 индикации было равно нулю. Это выполняется, когда k U₀₁/U₀₂. После подстановки коэффициента коррекции k значение напряжения на выходе блока 8 деления равно:
U
где f е(U₀₃/U₀₁).

Коэффициенты d, f вычисляются из минимума интеграла:
I(d,f) -mdm
где m_o константа, определяющая верхний предел измерения массы влаги. Вычисленный коэффициент d используется в блоке 5.3 умножения на константу. Для определения коэффициента умножения блока 5.2 используется второй эталон с фиксированной влажностью, соответствующей массе влаги m_f. После установки второго эталона коэффициент умножения в блоке 5.2 подбирается так, чтобы в блоке 9 индикации было показание, соответствующее массе влаги m_f. На выходе блока 8 деления значение напряжения от массы влаги численно равно массе влаги. Значение влажности в процентах индуцируется в блоке 9 индикации.

Влагомер (фиг.3) работает следующим образом.

Модулированное ИК-излучение от источника 1 попадает на исследуемый материал, который находится в держателе 2.1 образца и, отразившись, попадает на приемную оптическую систему 3, которая разделяет принимаемое ИК-излучение на три спектральных канала, после чего излучение попадает на блоки 4.1, 4.2, 4.3 фотоприемников с демодуляторами, в которых сигналы преобразуется в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3 будут равны:
U₁ U₀₁exp(- α(λ₁)m),
U₂ U₀₂exp(- α(λ₂)m),
U₃ U₀₃exp(- α(λ₃)m) где U₀₁, U₀₂, U₀₃ напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3, соответствующих нулевому значению влаги;
α(λ₁), α(λ₂), α(λ₃) коэффициенты поглощения на выбранных длинах волн; m масса влаги.

Полученное значение напряжения с блока 4.1 поступает на первый вход блока 8 вычитания, а значение напряжения с блока 4.2 поступает на первый блок 5.1 умножения на константу и далее на второй вход блока 6 вычитания. В блоке 5.1 умножения напряжение умножается на константу k. Значение напряжения с блока 4.3 поступает на второй блок 5.2 коррекции и далее на второй вход блока 8 деления, а на первый вход блока 8 деления поступают сигналы с выхода блока 6 вычитания. На выходе блока 8 деления появляется сигнал, равный:
U Константа k подбирается таким образом, чтобы при измерении влажности у эталона с нулевой влажностью показание на блоке 9 индикации было равно нулю. Это выполняется, когда k U₀₁/U₀₂. После подстановки коэффициента коррекции k значение напряжения на выходе блока 8 деления равно:
U где f e(U₀₃/U₀₁)
Если α(λ₃) -α(λ₁)α(λ₂)-α(λ ₃) Δ, то U2sh(Δ m)/f. Для определения коэффициента умножения блока 5.2 используется второй эталон с фиксированной влажностью, соответствующей массе влаги m_f. После установки второго эталона коэффициент умножения в блоке 5.2 подбирается так, чтобы в блоке 9 индикации было показание, соответствующее sh(Δm_f). На выходе блока 8 деления значение напряжения от массы влаги изменяется как гиперболический синус. Значение влажности в процентах индуцируется в блоке 8 индикации.

Таким образом, каждый из трех вариантов предлагаемого влагомера позволяет получить элементарную выходную функцию от измеряемого параметра.

Формула изобретения

1. Влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены блок умножения на константу, блок вычитания и блок сложения, причем блок умножения на константу подключен к выходу фотоприемного блока второго канала, первые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока вычитания, а вторые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока сложения, выход которого подключен к второму входу блока деления, соединенному первым входом с выходом блока вычитания.

2. Влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, три блока умножения на константу, блок вычитания, два блока сложения, при этом первый и второй выходы фотоприемного блока первого канала соединены с первыми входами блока вычитания и первого блока сложения, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу соединен с вторым входом блока вычитания, второй вход первого блока сложения подключен к второму выходу первого блока умножения на константу, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к первому входу второго блока сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, входом подключенного к выходу первого блока сложения, выход второго блока сложения подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

3. Влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, два блока умножения на константу и блок вычитания, при этом выход фотоприемного блока первого канала подключен к первому входу блока вычитания, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу подключен к второму входу блока вычитания, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3