Способ измерения влажности и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях экономики для контроля влажности различных материалов. Сущность изобретения: в способе дополнительно измеряют и запоминают исходную рабочую емкость ячейки первичного преобразователя и его конструктивный параметр. Затем определяют и запоминают суммарную величину электрической емкости всех неинформативных составляющих. В последующих измерениях каждый раз определяют текущее значение рабочей емкости первичного преобразователя и коэффициент изменения его конструктивного параметра. Затем измеряют разницу текущих значений емкости пустого и заполненного первичного преобразователя и умножают ее на коэффициент изменения конструктивного параметра. В устройство дополнительно введены второй реверсивный счетчик, два задатчика чисел, два ключа, второе и третье запоминающие устройства, делитель и умножитель, которые при определенном соединении позволяют реализовать требуемый алгоритм измерений. Технический результат: снижение погрешности измерений. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в различных отраслях экономики для контроля материалов, влажность которых вызывает изменение диэлектрической проницаемости.

Известен способ измерения влажности мелкодисперсных гранулированных материалов (авторское свид. СССР N 1453296, кл. G 01 N 27/22, опубликованное 27.01.1989 г., Бюллетень N 03 "Изобретения стран мира"), который основан на измерении электрической емкости пустого и заполненного первичного преобразователя. По разности двух измерений судят о влажности пробы.

При этом способе материал доизмельчается, что приводит к снижению экспрессности измерений и увеличению погрешности измерений за счет потери влаги при доизмельчении. Механический износ первичного преобразователя приводит к изменению его конструктивного параметра, а следовательно, к изменению крутизны преобразования, что в свою очередь увеличивает погрешность измерений.

Известен способ измерения влажности зерна (Япония, заявка N 63-59103, кл. G 01 N 27/22, 1988 г.), который основан на том, что в емкостный датчик засыпается определенное количество зерна. После чего к пробе зерна в первичном преобразователе подводится осушенный воздух, которым она обезвоживается. По разнице электрической емкости до и после высушивания судят о влажности материала.

К недостаткам этого способа следует отнести низкую экспрессность измерений и существенную зависимость выходной информации от конструктивных параметров измерительной ячейки.

Ближайшим техническим решением к заявляемому объекту является способ (авторское свид. N 1744626, кл. G 01 N 27/22, 1992 г.), при котором величину электрической емкости, внесенной в первичный преобразователь измеряют дважды - сначала при пустом, а затем при заполненном первичном преобразователе и фиксируют разницу этих измерений.

При этом способе на результате измерений не отражаются такие мешающие факторы, как непостоянство емкости монтажа, переменность краевой емкости ячейки первичного преобразователя, переменность электрической емкости нерабочей части электродов и т.п. Однако при износе измерительной ячейки первичного преобразователя изменяются ее конструктивные параметры, а следовательно, меняется ее крутизна преобразования, что приводит к увеличению погрешности измерений.

Известен диэлькометрический анализатор (авторское свид. СССР N 1567954, кл. G 01 N 27/22), который содержит емкостный датчик, включенный в измерительный LC-контур с модулирующим и компенсирующим конденсаторами, модулятор, демодулятор, статический синхронный RS-триггер, накопитель, блок индикации, преобразователь емкость - частота, а также два счетчика импульсов, функциональный преобразователь. Несмотря на точные измерения внесенной в первичный преобразователь электрической емкости, это устройство не является диэлькометром. Следовательно, погрешность, вызванная изменением конструктивных параметров ячейки вследствие, например, ее абразивного износа в полной мере отражается на результате измерений.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является "Емкостный влагомер " (авторское свид. N 1744626, кл. G 01 N 27/22), содержащий первичный преобразователь, измерительный высокочастотный генератор, формирователь сигнала, управляемый ключ, электронный коммутатор, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, блок регистрации, блок управления, исполнительный механизм. Однако известный влагомер также обладает существенной погрешностью измерений вследствие износа ячейки первичного преобразователя.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. снижение погрешности измерений. Задача решается за счет того, что способ измерения влажности, основанный на измерении диэлектрической проницаемости материала, вносимого в первичный преобразователь зависимой от его влагосодержания, при котором величину электрической емкости первичного преобразователя измеряют дважды, сначала в пустом, а затем в заполненном контролируемым материалом состоянии и определяют разницу этих измерений, отличающийся тем, что дополнительно определяют и запоминают рабочую емкость ячейки первичного преобразователя и его конструктивный параметр, определяют и запоминают суммарную величину электрической емкости всех неинформативных составляющих, после чего в последующих измерениях каждый раз определяют текущее значение рабочей емкости первичного преобразователя и коэффициент изменения его конструктивного параметра, а затем измеряют разницу текущих значений емкости пустого и заполненного первичного преобразователя и умножают ее на коэффициент изменения конструктивного параметра.

Задача решается тем, что устройство, состоящее из первичного преобразователя, выход которого соединен со входом измерительного высокочастотного генератора с формирователем сигнала, а выход последнего - со входом устройства управления счетом, устройства управления реверсом счета, реверсивного счетчика, запоминающего устройства, регистратора, блока управления и исполнительного механизма, при этом выход устройства управления счетом соединен со входом устройства управления реверсом счета, второй выход которого соединен со входом обратного счета реверсивного счетчика, а первый вход умножителя через первое запоминающее устройство подключен к выходу первого реверсивного счетчика, отличается тем, что в него дополнительно введены второй реверсивный счетчик, два задатчика чисел, два ключа, второе и третье запоминающее устройства, делитель и умножитель, причем первый выход устройства управления реверсом счета одновременно подключен на входы прямого счета обоих реверсивных счетчиков, выход первого задатчика числа через первый ключ подсоединен ко входу обратного счета второго реверсивного счетчика, выход которого через второе запоминающее устройство заведен на второй вход делителя, первый вход которого через второй ключ соединен с выходом второго задатчика числа, при этом выход делителя подключен ко второму входу умножителя, первый вход которого через третье запоминающее устройство подключен к выходу первого реверсивного счетчика, а выход умножителя через первое запоминающее устройство подсоединен ко входу регистратора, кроме того, выходы блока управления подсоединены к управляющим входам, соответственно, первый и третий - исполнительного механизма, второй - устройства управления счетом, четвертый - устройства управления реверсом счета и первого ключа, пятый - второго ключа, шестой - второго и третьего запоминающих устройств, седьмой - третьего запоминающего устройства, восьмой - первого и второго реверсивных счетчиков, а исполнительный механизм механически связан со штоком первичного преобразователя.

Основное отличие предлагаемого способа от всех известных в диэлькометрической влагометрии заключается в том, что он является подлинно диэлькометрическим. Выходная величина пропорциональна только лишь диэлькометрической проницаемости контролируемого материала (ε_м) и не зависит от конструктивных параметров первичных преобразователей.

В предлагаемом способе предусматривается съем полезной информации осуществлять посредством обычных емкостных первичных преобразователей. Таким образом, сначала измеряется электрическая емкость пустого (не заполненного контролируемым материалом) первичного преобразователя (C_п), величина которого определяется из выражения: C_п = C_о + C_монт + C_пар (1) где C_о - исходная рабочая (геометрическая) емкость первичного преобразователя; C_монт - электрическая емкость подводящих проводов, включающая все элементы монтажа; C_пар - паразитная емкость, включающая все виды паразитных емкостей; C_o = ε_вK, где ε_в- относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (ε_в≈1), K - объединенный конструктивный параметр первичного преобразователя.

Затем первичный преобразователь заполняется контролируемым материалам и производится измерение электрической емкости (C_з) второй раз, величина которой соответствует выражению: C_з = C_м + C_монт + C_пар (2) где C_з - общая электрическая емкость заполненного преобразователя; C_м - электрическая емкость, внесенная материалом на ту часть электродов, которая считается рабочей; C_монт, C_пар - остались без изменения; C_м = ε_мK, где ε_м- диэлектрическая проницаемость внесенного в первичный преобразователь материала.

Вычитая (1) из (2) и учитывая, что ε_в = 1, получим ΔC_м = C_м-C_O= (ε_м-1)K (3) Как видно из (3) выходная информация, отображаемая величиной C_м, не зависит от всех видов сопутствующих емкостей (C_монт, C_пар). Однако в процессе эксплуатации первичного преобразователя его электроды подвергаются износу. Это приводит к изменению параметра K, а следовательно, к изменению крутизны преобразования первичного преобразователя, что, в свою очередь, увеличивает погрешность измерений. Предотвратить это можно использованием предлагаемого способа, в котором предусматриваются следующие операции. После изготовления первичного преобразователя экспериментально по методике, изложенной в работе Эме Ф. "Диэлектрические измерения". - М.: Химия, 1967, определяется его исходная рабочая емкость C_O = ε_oK. В этом выражении ε_o- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума может быть заменена с достаточной для технических измерений степенью точности на ε_в. Имея величину C_п из выражения (1) и определенную экспериментально C_о, можно определить величину емкости всех неинформативных составляющих ее C_ни = C_монт + C_пар, которая может быть представлена в виде C_ни = C_п - C_о (4) Величины C_ни и K запоминаются и вводятся в алгоритм реализации предлагаемого способа. Износ первичного преобразователя приводит к изменению его конструктивного преобразователя K и его рабочей емкости C_о. Текущие значения этих параметров (C_о' и K') могут быть представлены в виде
C_Oʹ = C_пʹ-C_ни = ε_вKʹ ≈ Kʹ, (5)
где C_п - текущее значение электрической емкости пустого первичного преобразователя.

Далее следует определить и запомнить коэффициент изменения конструктивного параметра первичного преобразователя, который может быть определен из выражения
k = C_о/C_о' = K/K' (6)
После измерения текущего значения электрической емкости заполненного первичного преобразователя (C_з') выходную информацию можно представить в виде
ΔC_м = (C_пʹ-C_зʹ)k = [(ε_м-1)Kʹ]k = (ε_м-1)K (7)
Как видно из (7), выходная информация есть функция только диэлектрической проницаемости контролируемого материала и не зависит от величины текущего значения конструктивного параметра первичного преобразователя (K'). Следовательно, износ первичного преобразователя не отражается на погрешности измерений. Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить погрешность измерений в приборах, его реализующих.

На фиг. 1 дана структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

Устройство состоит из первичного преобразователя 1, выход которого соединен со входом измерительного высокочастотного генератора с формирователем сигнала 2, а выход последнего со входом устройства управления счетом 3. Выход устройства управления счетом 3 заведен на вход устройства управления реверсом счета 4, первый выход которого одновременно подсоединен на входы прямого счета реверсивных счетчиков 5 и 6, а второй его выход - на вход обратного счета реверсивного счетчика 5. Вход обратного счета счетчика 6 через ключ 7 подсоединен к выходу задатчика числа 8 (числа, соответствующего величине электрической емкости неинформативных составляющих - C_ни), а выход - заведен на вход запоминающего устройства 9, выход которого подключен на второй вход делителя 10. При этом первый вход делителя 10 через ключ 11 связан с выходом задатчика числа 12 (числа, соответствующего исходному значению конструктивного параметра первичного преобразователя - K), а его выход заведен на второй вход умножителя 13, первый вход которого через запоминающее устройство 14 подключен к выходу реверсивного счетчика 5. Выход умножителя 13 через запоминающее устройство 15 связан со входом регистратора 16. Кроме того, выходы блока управления 17 соединены, соответственно, с управляющими входами: первый и третий со входами исполнительного механизма 18, второй - со входом устройства управления счетом 3, четвертый - одновременно со входами устройства управления реверсом счета 4 и входом ключа 7, пятый - со входом ключа 11, шестой - одновременно со входами запоминающих устройств 9 и 14, седьмой - со входом запоминающего устройства 15, восьмой - одновременно со входами реверсивных счетчиков 5 и 6. Исполнительный механизм 18 механически соединен со штоком первичного преобразователя 1.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Перед установкой устройства в рабочее состояние в задатчике 12 записывается число, пропорциональное значению конструктивного параметра K первичного преобразователя, которое получается расчетным путем. После установки устройства в рабочее положение в задатчике 8 записывается число, пропорциональное суммарному значению электрической емкости всех неинформативных параметров - C_ни.

Цикл работы задается блоком управления 17. С приходом команды на первый вход исполнительного механизма 18 осуществляется перемещение поршня первичного преобразователя 1 в верхнее положение. Первичный преобразователь 1 освобождается от контролируемого материала. На выходе измерительного высокочастотного генератора 2 формируется сигнал частотой f₁, пропорциональной электрической емкости пустого первичного преобразователя. После полной разгрузки первичного преобразователя 1 со второго выхода блока управления 17 поступает команда на управляющий вход устройства управления счетом 3 строго определенной длительности t. В результате этого определенное количество импульсов от генератора 2 через устройство управления счетом 3 и устройство управления реверсом счета 4 одновременно поступает на первые входы реверсивных счетчиков 5 и 6 и зафиксируется в виде числа N₁. Затем с третьего выхода блока управления 17 поступает команда на второй вход исполнительного механизма 18. Поршень первичного преобразователя 1 перемещается вниз, а внутренняя полость заполняется контролируемым материалом. С выхода генератора 2 снимается сигнал частотой f₂, пропорциональной электрической емкости заполненного первичного преобразователя 1. На управляющий вход устройства управления счетом 3 со второго выхода блока управления 17 поступает команда длительностью t и синхронно с ней с четвертого выхода блока управления 17 подается команда на управляющие входы устройства управления реверсом счета 4 и ключа 7. В результате сигнал от генератора 2 через устройства 3 и 4 подается на второй вход (вход обратного счета) реверсивного счетчика 5 в виде числа - N₂, на выходе которого фиксируется число Δ N = N₁ - N₂, пропорциональное значению C_п - C_з. Это число фиксируется запоминающим устройством 14. Кроме того, на второй вход (вход обратного счета) реверсивного счетчика 6 поступает сигнал через ключ 7 от задатчика числа 8 в виде числа, пропорционального значению C_ни. На выходе реверсивного счетчика 6 формируется число K' пропорциональное текущему значению конструктивного параметра первичного преобразователя 1, которое фиксируется запоминающим устройством 9. После этого, с пятого выхода блока управления 17 подается управляющий сигнал на ключ 11, который передает информацию в виде числа, пропорционального исходному значению конструктивного преобразователя K первичного преобразователя 1 от задатчика числа K 12 на первый вход делителя 10. Затем с шестого выхода блока управления 17 подается команда одновременно на управляющие входы запоминающих устройств 9 и 14. В результате этого, на первый вход умножителя 13 подается с запоминающего устройства 14 сигнал, пропорциональный разности текущих значений электрической емкости пустого и заполненного первичного преобразователя, а с запоминающего устройства 9 на второй вход делителя 10 - сигнал в виде числа, пропорционального текущему значению конструктивного параметра K' первичного преобразователя 1. С выхода делителя 10 на второй вход умножителя 13 подается сигнал, пропорциональный коэффициенту изменения k конструктивного параметра K первичного преобразователя 1. С выхода умножителя 13 по команде с седьмого выхода блока управления 17 через запоминающее устройство 15 на регистратор 16 подается сигнал, пропорциональный только лишь диэлектрической проницаемости контролируемого материала и независимый от текущего значения конструктивного параметра первичного преобразователя. В завершение цикла работы устройства с восьмого выхода блока управления 17 подается команда на управляющие входы реверсивных счетчиков 5 и 6, которые обнуляются. Цикл работы устройства повторяется.

Формула изобретения

1. Способ измерения влажности, основанный на измерении диэлектрической проницаемости материала, вносимого в первичный преобразователь, зависимой от его влагосодержания, при котором величину электрической емкости первичного преобразователя измеряют дважды, сначала в пустом, а затем в заполненном контролируемым материалом состоянии, и определяют разницу этих измерений, отличающийся тем, что дополнительно измеряют и запоминают рабочую емкость первичного преобразователя и его конструктивный параметр, определяют и запоминают суммарную величину электрической емкости всех неинформативных составляющих, после чего в последующих измерениях каждый раз определяют текущее значение рабочей емкости первичного преобразователя и коэффициент изменения его конструктивного параметра, а затем определяют разницу текущих значений емкости пустого и заполненного первичного преобразователя и умножают ее на коэффициент изменения конструктивного параметра.

2. Устройство для измерения влажности, состоящее из первичного преобразователя, выход которого соединен со входом измерительного высокочастотного генератора с формирователем сигнала, а выход последнего - со входом устройства управления счетом, устройства управления реверсом счета, реверсивного счетчика, запоминающего устройства, регистратора, блока управления и исполнительного механизма, при этом выход устройства управления счетом заведен на вход устройства управления реверсом счета, второй выход которого соединен со входом обратного счета реверсивного счетчика, а первый вход умножителя через первое запоминающее устройство подключен к выходу реверсивного счетчика, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй реверсивный счетчик, два задатчика чисел, два ключа, второе и третье запоминающие устройства, делитель и умножитель, причем первый выход устройства управления реверсом счета одновременно подключен на входы прямого счета обоих реверсивных счетчиков, выход первого задатчика числа через первый ключ подсоединен ко входу обратного счета второго реверсивного счетчика, выход которого через второе запоминающее устройство заведен на второй вход делителя, первый вход которого через второй ключ соединен с выходом второго задатчика числа, при этом выход делителя подключен ко второму входу умножителя, первый вход которого через третье запоминающее устройство подключен к выходу первого реверсивного счетчика, а выход умножителя через первое запоминающее устройство подсоединен ко входу регистратора, кроме того, выходы блока управления подсоединены к управляющим входам соответственно, первый и третий - исполнительного механизма, второй - устройства управления счетом, четвертый - устройства управления реверсом счета и первого ключа, пятый - второго ключа, шестой - второго и третьего запоминающих устройств, седьмой - третьего запоминающего устройства, восьмой - первого и второго реверсивных счетчиков.

РИСУНКИ

Рисунок 1