Термошумовий вологомір

Термошумовий вологомір, що містить автоматичний перемикач, входи якого через електроди датчика і опорний резистор з'єднано із загальною заземленою шиною, а вихід - з потенціальним входом перетворювача струму в напругу, другий вхід якого з'єднаний із загальною заземленою шиною, а вихід - через смуговий фільтр підключений до високочастотного підсилювача, послідовно 3 19249 4 ною, а вихід - з потенціальним входом перетворюперетворювачів струму в напругу, смугових фільтвача струму в напругу, другий вхід якого з'єднаний рів та високочастотних підсилювачів на значення зі загальною заземленою шиною, а вихід - через постійної напруги на виході інтегратора, яка просмуговий фільтр підключений до високочастотного порційна електропровідності матеріалу, який доспідсилювача, послідовно з'єднані вибірковий підліджується, та електрропровідності зразкового силювач низької частоти, синхронний детектор, резистору, а почергово логарифмування постійних фільтр нижніх частот, вольтметр та генератор нинапруг з виходу інтегратора забезпечує виключензької частоти, з'єднаний з керуючими входами авня впливу несталості коефіцієнтів перетворення томатичного перемикача і синхронного детектора. струму в напругу і коефіцієнтів підсилення високоКрім того, відомий вологомір включає квадрачастотних підсилювачів на змінну складову напрутичний перетворювач напруги з фільтром нижніх ги з частотою перемикання шумових напруг на частот, підключений до високочастотного підсилювиході електродного датчика на напругу, яка вимівача. рюється, що підвищує точність виміру вологості Завдяки періодичному порівнянню електричдосліджуваних матеріалів у широкому діапазоні ного шуму електродного датчика з електричним значень. шумом опорного резистора виключається вплив На кресленні представлена функціональна неінформативних шумів сухого матеріалу, що росхема термошумового вологоміра. Входи автомазширяє діапазон вимірювання в ділянці малих вотичного перемикача 1 через електроди 2 і 3 датчилогостей. Але ж нестабільність коефіцієнту висока 4 та опорний резистор 5 з'єднані із загальною кочастотного підсилювача та інших елементів заземленою шиною 6. Вихід автоматичного пересхеми не дозволяє одержати високу точність вимімикача 1 з'єднано із потенціальними входами перювання вологості. Крім того, залежність опору ретворювачів струму в напругу 7 і 8, другі входи (електропровідності) матеріалу від вологості в діяких з'єднані також із загальною заземленою шилянці середніх та малих вологостей нелінійні, що ною 6. До виходів перетворювачів струму в напрутакож призводить до зниження точності термошугу 7 і 8 через смугові фільтри 9 та 10 і високочасмового вологоміра. тотні підсилювачі 11 і 12 підключений входами В основу корисної моделі покладена задача перемножувач напруг 13. До виходу перемножувастворити такий термошумовий вологомір, в якому ча напруг 13 підключено послідовно з'єднані інтегвведення нових елементів та їх зв'язків забезператор 14, логарифматор 15, вибірковий підсилючило б виключення впливу нестабільності хараквач 16 низької частоти та синхронний детектор 17. теристик підсилювачів та інших елементів схеми Генератор низької частоти 18 з'єднано з керуючина результат перетворення електричного шуму в ми входами автоматичного перемикача 1 і синхнапругу та дозволило б лінеаризувати залежність ронного детектора 17. До виходу синхронного децієї напруги від вологості, що підвищить точність тектора через фільтр 19 нижніх частот підключено вимірювання вологості по тепловим шумам матевольтметр 20, градуйований в одиницях вологості. ріалів в широкому діапазоні значень. Позицією 21 показано досліджуваний матеріал, з Поставлена задача вирішується тим, що в яким контактують електроди 2 і 3 датчика 4, який термошумовий вологомір, який містить автоматизнаходиться в тепловому контакті з опорним резичний перемикач, входи якого через електроди датстором 5. чика і опорний резистор з'єднано зі загальною заТермошумовий вологомір працює наступним земленою шиною, а вихід - з потенціальним чином. входом перетворювача струму в напругу, другий За допомогою електродів 2 і 3 з досліджувановхід якого з'єднаний зі загальною заземленою шиго матеріалу 21 знімається шумовий струм, який ною, а вихід - через смуговий фільтр підключений виникає у вологому матеріалі через теплові флукдо високочастотного підсилювача, послідовно туації носіїв струму (електронів, іонів, дірок у напіз'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, впровідниках), які знаходяться в тепловій рівновазі синхронний детектор, фільтр нижніх частот, з молекулами досліджуваного матеріалу 21. В нивольтметр та генератор низької частоти, з'єднаний зькопровідному діелектричному матеріалі з немиз керуючими входами автоматичного перемикача і нучими дисипативними втратами тепловий шум синхронного детектора, згідно з корисною моделобумовлено появою термозбуджених молекул, які лю, в нього введено додаткові послідовно з'єднані поляризуються та створюють елементарні флюкперетворювач струму в напругу, смуговий фільтр туїруючі диполі. В якості поляризуємих молекул у та високочастотний підсилювач, які також підклювологому діелектричному матеріалі є молекули чені до виходу автоматичного перемикача відносводи. но загальної заземленої шини, та послідовно з'єдСередньоквадратичне (дійсне) значення шунані перемножувач напруг, інтегратор і мового струму електродного датчика 4 згідно з логарифматор, при цьому входи перемножувача формулою Найквіста напруг підключено до виходів високочастотних (1) iшд 4k fG, підсилювачів, вихід логарифматора з'єднаний зі де k - стала Больцмана; входом вибіркового підсилювача низької частоти. Т - термодинамічна температура досліджуваВведення в схему термошумового вологоміру ного матеріалу 21; додаткових послідовно з'єднаних перетворювача f - смуга пропускання частот смугових фільструму в напругу, смугового фільтра, високочастотного підсилювача, а також перемножувача натрів 9 і 10, в який вимірюється пруг, інтегратора і логарифматора дозволяє автошумовий струм; матично виключити вплив власних шумів 5 19249 6 G - електропровідність вологого матеріалу між них перетворювачів 7 і 8.1 хоча теплові та дробові електродами 2 і 3 датчика 4. шуми цих перетворювачів струму в напругу 7 і 8 Беручи до уваги, що обезводнений матеріал потрапляють в смугу пропускання фільтрів 9 і 10, має власну, хоча й невелику, електропровідність їх добуток не дає постійну складову напруги. Тому G0, результуючу електропровідність вологого мавихідна постійна напруга інтегратора 14 теріалу подамо у вигляді суми електропровіднос(7) U7=S3Uш3Uш4=4k1k2k3S1S2S3kT f (G0+СB) тей: де k3 - коефіцієнт передачі інтегратора; G=G0+GB (2) S3 - крутизна перетворення перемножувача де GB - іонна електропровідність води та її розчинапруг 13. нів в досліджуваному матеріалі 21. При протилежному положенні автоматичного Шумовий струм (1) надходить через автоматиперемикача 1 до потенційних входів перетворювачний перемикач 1 на потенційні низькоомні входи чів 7 і 8 струму в напругу підключається опорний перетворювачів струму в напругу 7 і 8, за допоморезистор 5, який знаходиться в тепловому контакті гою яких перетворюється в дві однакові шумові з досліджувальним матеріалом 21. Електропровіднапруги. ність опорного резистора 5 вибирають однаковою На значення вихідних напруг претворювачів з електропровідністю G0 обезводненого матеріалу. струму в напругу 7 і 8 у великій мірі впливають їх Середньоквадратичне значення шумового струму власні шумові струми, які є того ж порядку, що і опорного резистора 5 з урахуванням полоси прошумовий струм датчика 4. Так як власні шуми пепускання f смугових фільтрів 9 і 10 ретворювачів струму в напругу 7 і 8 та шуми елекiшp 4k fG 0, (8) тродного датчика 4 між собою не корельовані, то Внаслідок перемноження шумових напруг песумарні вихідні напруги перетворювачів струму в ретворювачів 7 і 8, підсилення цих напруг високонапругу 7 і 8 можемо представити у вигляді: частотними підсилювачами 11 і 12, перемноження (3) Uш1 S1 4k f (G0 GB ) iш2 , їх в перемножувачі напруг 13 і усереднення в інте1 граторі 14 формується друга постійна напруга (4) Uш2 S2 4k f (G0 GB ) iш2 , U8 4k1k 2k 3S1S2S3k fG0 (9) 2 Завдяки періодичному перемиканню автомаде Uш1 та Uш2 - середньоквадратичні значентичного перемикача 1, який керується прямокутня вихідних напруг; ною напругою генератора 18 низької частоти, на S1 та S2 - крутизна перетворення струму в навиході інтегратора 12 постійна напруга періодично пругу; змінюється від значення (7) до значення (9). Ці 2 iш2 та iш2 - дисперсії (середній квадрат) власнапруги почергово піддаються нелінійному перет1 воренню логарифматором 15, створюючи тимчаних шумових струмів перетворювачів 7 і 8. сову послідовність з прологарифмованих напруг: Шумові напруги (3) і (4) проходять крізь смугові 1 фільтри 9 і 10 з смугою f на високочастотні підU9 (t ) S4 ln U7, 0 t , (10) силювачі 11 і 12. Смуга частот f фільтрів 9 і 10 2F вибирається на ділянці високих частот, щоб від1 1 U10(t ) S4 ln U8, t , (11) межувати високочастотні теплові шуми від апара2F F турних низькочастотних шумів високої інтенсивноде S4 - крутизна логарифмічного перствості (фліккер-шуми, контактні шуми, електромагнітні рення; перешкоди і т.п.). Виділені напруги теплових шумів F - частота переключення шумових струмів. підсилюються високочастотними підсилювачами Завдяки тому, що напруга U9 вологого матері11 і 12: алу перевищує напругу U10 сухого матеріалу, в Uш3 2 k1 S1 4kT f (G0 GB ) iш2 1 2 Uш5 , (5) Uш4 k1 S2 4kT f (G0 2 GB ) iш2 2 2 Uш5 , (6) де k1 та k2 - коефіцієнти підсилення високочастотних підсилювачів 11 і 12; 2 2 Uш5 та Uш6 - дисперсії власних шумів високо частотних підсилювачів 11 і 12. Підсилені напруги (5) і (6) перемножуються в перемножувачі напруг 13, а вихідна напруга перемножувача напруг 13 усереднюється інтегратором 14. В результаті перемноження і усереднення корельованих складових шумових напруг утворюється постійна складова напруги, а добуток некорельованих складових напруг наближається до нуля. У напругах (5) і (6) лише перші члени виразів є корельованими, тому що створюються одним джерелом шуму - електродним датчиком 4. Інші члени відображають шумові струми та шумові напруги незалежних електрон послідовності напруг (10), (11) присутня змінна складова напруги, яка змінюється з частотою перемикання F: ln U8 (12) sin g sin 2 Ft, 2 де sin g sin 2 Ft - прямокутна огинаюча послідо U11( t ) S4 ln U7 вності напруг. Вибірковим підсилювачем 16 низької частоти, налагодженим на частоту F, виділяється та підсилюється перша гармоніка змінної напруги (12). Підсилена змінна напруга випрямляється синхронним детектором 17, який керується напругою генератора 18 низької частоти. Випрямлена напруга, згладжена фільтром 19 низьких частот, має вигляд: U12 k 4k 5S 4 ln U7 ln U8 2 1 U k 4k 5S 4 ln 7 , 2 U8 (13) де k4 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 16 низької частоти; 7 19249 8 k5 - коефіцієнт передачі фільтра 19 нижніх чаі не залежить від крутизни перетворення шумового стот. струму в напругу (S1,S2), коефіцієнтів підсилення високочастотних підсилювачів (k1, k2), крутизни Підставляючи значення напруг U7 з (7) і U8 з перетворення перемножувача напруг (S3), коефіці(9), беручи до уваги (2), одержуємо єнта передачі інтегратора (k4), смуги пропускання 1 G U12 k 4k 5S 4 ln смугових фільтрів ( f ) і температури матеріалу, (14) 2 G0 що досліджується (T). Чутливість термошумового Залежність електропровідності G вологого мавологоміра (S0) визначається параметрами низьтеріалу від концентрації води (вологості) нелінійна кочастотних перетворювальних елементів, які моі апроксимується для дисперсних матеріалів ексжна легко стабілізувати. поненціальною залежністю: Таким чином, термошумовий вологомір по заa+bW G=e (15) пропонованій схемі має високу точність, чутливість де а і b - коефіцієнти, залежні від структури та хіта лінійну шкалу в широкому діапазоні вологості, мічного складу досліджуваного матеріалу; яка вимірюється. W - відносна вологість. Дослідження показали, що термошумовий воПровідність опорного резистор(16)а 5 можна логомір доцільно застосовувати для оцінки волоапроксимувати при W=0 виразом гості матеріалів та речовин, які не повинні підлягаG0=ea (16) ти електрохімічному розкладу (ліки, вироби гігієни, Підставляючи вирази (15) і (16) в (14) та, бепарфюмерії, продукти харчування і т. ін.). Діапазон ручи до уваги те, що температура опорного резисвимірювання починається практично з нуля і досятора 5 і матеріала 21 однакові, остаточно одержигає 70-80% вологості. Абсолютна похибка вимірюмо: вання відносної вологості не перевищує ±0,05% 1 при невеликих вологостях і 0,5-1,5% при середніх і U12 k 4k 5S4bW S0 W, (17) 2 великих вологостях. Час вимірювання визначається частотою перемикання шумових струмів (75 Гц), 1 де S0 k 4k 5S4b - результуюча крутизна перетвосмугою пропускання фільтрів (0,5-1МГц) і сталою 2 часу вихідного фільтра нижніх частот (1-2 с) і в рення вологості матеріалу в напругу, яка вимірюцілому не перевищує 5-10с. ється. Як бачимо з формули (17) вихідна напруга термошумового вологоміра пропорційна вологості Комп’ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601