устройство для измерения влажности и плотности

Формула изобретения

Устройство для измерения влажности и плотности, содержащее корпус, приемник-преобразователь в форме прямоугольной емкости из диэлектрического материала, с двух сторон ограниченной внешними плоскими электродами, разделенной общим электродом параллельно двум другим на две равные секции, одна из которых разделена еще на две секции - вторую и третью, при этом третья секция заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, близкой к диэлектрической проницаемости сухих исследуемых веществ, общий электрод установлен ниже верха емкости, а внешние электроды имеют меньшие размеры, чем размеры стенок емкости, установлены на уровне общего электрода и удалены от дна боковых поверхностей емкости, уплотнитель, который установлен над окном приемника с возможностью освобождения окна, электрическую измерительную схему с последовательно соединенными генератором, мостовой схемой, к которой подключены электроды преобразователя, дифференциальным усилителем с изменяемым смещением, узлом обработки сигнала по уровню, регистратором и блоком питания, отличающееся тем, что над общим электродом установлена разделительная пластина из диэлектрического материала, генератор выполнен с возможностями генерирования на разных частотах и переключения с одной частоты генерации на другую и обратно, в электрическую схему дополнительно включены два пиковых детектора, входы которых соединены с выходами мостовой схемы, а выходы - с входами дифференциального усилителя, который выполнен с возможностью переключения с линейного усиления на нелинейное и обратно, кроме того, введен узел температурной компенсации, который составлен из последовательно соединенных датчика температуры, встроенного в приемник, и усилителя, выход которого соединен с входом дифференциального усилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности и плотности сыпучих веществ, например продуктов зернового производства.

Известно устройство для оперативных измерений влажности зерна - патент США №3794911, опубл. в "Изобретения за рубежом" №4, 1974 г. Устройство является емкостным влагомером и содержит корпус, приемник - емкостный преобразователь влажности в электрический сигнал, измерительную электрическую схему с процессором и регистрацией справочных данных и влажности образца зерна, встроенное электромеханическое устройство фиксации веса продукта, насыпанного в приемник, электрическую схему измерения веса и управления работой прибора, электрическую схему для введения поправки за отличие фактической температуры от справочной.

Основными недостатками прибора являются обязательное предварительное определение электрофизических свойств продуктов и необходимость выбора режима для измерения влажности конкретного продукта.

Известен влагомер зерна и семян с автоматической компенсацией объемной плотности и температуры АТПАЗ-01, Секанов Ю.П. Влагометрия сыпучих и волокнистых растительных материалов. - М.: ВИМ, 2001.

Устройство содержит емкостный датчик влажности, электромеханический датчик массы, датчик температуры, измерительные преобразователи: влажность - электрический сигнал, масса - электрический сигнал и температура - электрический сигнал, микропроцессорное устройство, устройство индикации и управления, источник питания. Измерительная схема позволяет регистрировать одновременно с влажностью плотность и температуру.

Основными недостатками прибора являются обязательное предварительное определение электрофизических свойств продуктов и необходимость выбора режима для измерения влажности конкретного продукта, сложность конструкции и дорогостоимость устройства.

Для измерения влажности сыпучих веществ известно устройство - патент РФ №2130606, опубл. 20.05.99 г. в "Бюллетень изобретений и открытий", №14 (прототип). Устройство содержит корпус, приемник-преобразователь влажности, уплотнитель, измерительную электрическую схему, при этом преобразователь влажности выполнен в форме прямоугольной емкости из диэлектрического материала, с двух сторон ограничен внешними электродами, разделен общим электродом параллельно двум другим на две равные секции, причем одна из них разделена еще на две секции, вторую и третью, при этом третья секция заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, близкой к диэлектрической проницаемости исследуемых на влажность веществ, кроме этого, общий электрод установлен ниже верха емкости, а внешние электроды выполнены меньших размеров, чем размеры стенок емкости, установлены на уровне общего электрода и удалены от дна и боковых поверхностей емкости, уплотнитель установлен над приемником с возможностью освобождения окна приемника, при этом измерительная электрическая схема включает последовательно соединенные генератор, мостовую схему, к которой подключены электроды преобразователя влажности, дифференциальный усилитель с выпрямлением и изменяемым смещением, к выходу которого подключен узел обработки сигнала по уровню, регистратор.

Основными недостатками данного устройства являются: обязательное выполнение предварительных тарировочных измерений с каждым исследуемым веществом для получения тарировочных таблиц, выбор режима при измерениях для конкретного вещества, зависимость результатов измерений от разностей фактических и тарировочных электрофизических свойств веществ, кроме этого, в известном устройстве не предусмотрены измерения плотности и компенсации влияния температуры исследуемого вещества.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности электрических измерений влажности с возможностью совместного определения плотности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения влажности сыпучих веществ, содержащем корпус, приемник-преобразователь в форме прямоугольной емкости из диэлектрического материала, с двух сторон ограниченной внешними плоскими электродами, разделенный общим электродом параллельно двум другим на две равные секции, одна из которых разделена еще на две секции - вторую и третью, при этом третья секция заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, близкой диэлектрической проницаемости сухих исследуемых веществ, общий электрод установлен ниже верха емкости, а внешние электроды имеют меньшие размеры, чем размеры стенок емкости, установлены на уровне общего электрода и удалены от дна и боковых поверхностей емкости, уплотнитель, установленный над окном приемника с возможностью освобождения окна, электрическую измерительную схему с соединенными последовательно генератором, мостовой схемой, к которой подключены электроды преобразователя, дифференциальный усилитель с изменяемым смещением, узел обработки сигнала по уровню, регистратор и блок питания, над общим электродом установлена разделительная пластина из диэлектрического материала, генератор выполнен с возможностью изменения частоты генерации и переключения с одной частоты на другую, включены два пиковых детектора, входы которых соединены с выходами мостовой схемы, а выходы - с входами дифференциального усилителя, дифференциальный усилитель выполнен с возможностью переключения с линейного усиления на нелинейное и обратно, кроме этого, введен узел температурной компенсации, который содержит последовательно соединенные датчик температуры, встроенный в приемник, и усилитель, выход которого соединен с входом дифференциального усилителя.

Конструкция трехсекционного приемника позволяет использовать различия в физических зависимостях параметров электрических сигналов. Параметры электрических сигналов на выходах мостовой схемы зависят от степени увлажненности и плотности вещества в секциях приемника. При этом влияние влажности в первой секции более заметно, так как в данном случае влияние диэлектрических потерь сказывается больше из-за близости вещества к боковому электроду. Во второй секции более заметно влияние плотности, от которой зависит величина диэлектрической проницаемости. Влияние диэлектрических потерь в данной секции снижено, так как вещество удалено от бокового электрода на размер третьей секции.

Логические заключения и результаты многочисленных опытов с продуктами зернового производства подтверждают правомерность формул при влажностях исследуемых веществ до 12%

где А и В, A₀ и B₀ - результаты измерения параметра (амплитуды) электрического сигнала на внешних электродах приемника, заполненного исследуемым веществом и базовым или эталонным образцом; k₁ и k₂ - тарировочные коэффициенты; n₁ и n₂ - степенные коэффициенты, определяются в тарировочных измерениях; W и , ₀ - влажность и плотность исследуемых веществ, плотность базового вещества.

Опыты показывают, что для продуктов зернового производства в диапазоне влажностей 10-20% имеет место линейная зависимость диэлектрической постоянной и величины диэлектрических потерь от плотности для зерновых культур. В этом диапазоне влажностей кривые графиков этих зависимостей не пересекаются, соблюдается линейная зависимость электрического сигнала от плотности на сравнительно высоких частотах 1,8 МГц и более. На низких частотах 0,5-0,8 МГц наблюдается резкая зависимость от влажности, при этом для плотных культур, рис и пшеница, эта зависимость меньше, для менее плотных, ячмень и овес, эта зависимость растет быстрее.

Эти зависимости для продуктов зернового производства позволяют распределить показания электрического устройства на высокой частоте по плотности и на низкой частоте по влажности в соответствии с экспериментальными формулами

где V_f и V_F - разности электрических сигналов, снятых с внешних электродов преобразователя при заполненном исследуемым продуктом приемнике на высокой и низкой частотах; К и К_W - тарировочные коэффициенты преобладающего влияния плотности и влажности; k и k_W - тарировочные коэффициенты пониженного влияния плотности и влажности.

Разделительная пластина из диэлектрического материала, установленная над общим электродом, позволяет заполнять сначала вторую секцию приемника и получить показание В, а затем первую секцию приемника и получить показание А-В для использования формул (1).

Генератор с возможностью изменения частоты генерации позволяет получить показания на высокой и низкой частотах, V_f и V_F, при заполненном исследуемым продуктом приемнике для использования формул (2).

Включение в измерительную электрическую схему двух пиковых детекторов позволяет работать только с амплитудными значениями переменного электрического сигнала, что упрощает измерительную схему.

Использование нелинейного усиления электрического сигнала низкой частоты позволяет получить наиболее близкое к оптимальному распределение показаний по влажности. Нелинейное усиление можно получить включением в обратную связь дифференциального усилителя последовательно с сопротивлением двух диодов, соединенных параллельно и противоположно направленных. В этом случае сигналы с большей амплитудой усиливаются меньше и наоборот. Коэффициенты преобладающего влияния влажности в формуле (2) для плотных и легких культур выравниваются.

Узел температурной компенсации позволяет автоматически компенсировать влияние температуры.

На фиг.1 показана схема устройства. 1 - приемник-преобразователь влажности. 2, 3 и 4 - первая, вторая и третья секции приемника. 5 - общий электрод. 6 - внешние электроды. 7 - разделительная пластина. 8 - уплотнитель. 9 - измерительная электрическая схема. 10 - генератор. 11 - мостовая схема. 12 - пиковые детекторы. 13 - дифференциальный усилитель. 14 - регистратор. 15 - датчик температуры с усилителем. 16 - блок питания.

На фиг.2 показано распределение показаний устройства для разных культур зернового производства. В горизонтальном направлении расположены показания устройства при высокой частоте генератора, в вертикальном направлении - при низкой.

Устройство выполнено в одном корпусе. Приемник может выполняться как отдельно от корпуса устройства, так и вместе с ним. Уплотнитель установлен над окном приемника с возможностью освобождения окна или отдельной комплектующей частью. Тарирование регистратора и определение коэффициентов в формулах (1) и (2) выполняют по образцам известной влажности и плотности или эталонным образцам с известными эквивалентами влажности и плотности.

Измерения выполняют в следующем порядке. Показание установленного в рабочее положение прибора приводят к 0. Если примерное значение влажности неизвестно, влажность определяют с использованием режима для исследуемого продукта, как при измерениях с устройством пат. №2130606.

Если существует необходимость более надежного определения влажности, а также определения плотности, измерения выполняют в соответствии с формулами (1) или с использованием тарировочных таблиц, полученных в соответствии с этими формулами при влажностях менее 12%.

Сначала наполняют вторую секцию приемника и снимают показание В, затем наполняют исследуемым продуктом первую секцию и снимают показание А-В. По формулам (1) или соответствующим тарировочным таблицам определяют влажность и плотность.

Если влажность более 10%, наполняют продуктом обе секции, снимают показание при высокой частоте генератора, переключают на низкую частоту и снимают соответствующее показание. По формулам (2) или по тарировочным таблицам определяют влажность и плотность.

При влажностях более 20% определение влажности выполняют с использованием режимов измерений на высокой частоте.

При включении в измерительную схему Pic-контроллеров с встроенными аналого-цифровыми преобразователями, устройствами памяти, арифметико-логическими устройствами весь процесс измерений автоматизируется, за исключением наполнения приемника и первоначального включения.