Резонансний вологомір

Резонансний вологомір, що містить задавальний і додатковий генератори, два балансні модулятори, підсилювач з автоматичним регулюванням підсилення, коливальний контур, що складається з паралельно з'єднаних індуктивності, зразкового конденсатора змінної ємності і ємнісного перетворювача, що під'єднаний через резистор до першого виходу задавального генератора, синхронний детектор, причому до першого входу першого балансного модулятора підключений додатковий генератор, а до другого його входу - задавальний генератор, вихід першого балансного модулятора підключений до першого входу другого балансного модулятора, його вихід підключений до підсилювача з автоматичним регулюванням підсилення, вихід якого підключений до першого входу синхронного детектора, другий вхід якого з'єднаний з виходом додаткового генератора, третій вихід задавального генератора і другий вихід коливального контуру сполучені із землею, перший вихід коливального контуру підключений до другого входу другого балансного модулятора, який відрізняється тим, що введені третій і четвертий балансні модулятори, другий підсилювач з автоматичним U 2 (19) 1 3 гішим, у зв'язку з чим знижується чутливість налаштування в резонанс, а відповідно, і точність вимірювання. Найбільш близьким по технічній суті є резонансний вологомір, що містить задаючий і додатковий генератори, два балансні модулятори, підсилювач з автоматичним регулюванням підсилення, коливальний контур, що складається з паралельно з'єднаних індуктивності, зразкового конденсатора змінної ємності і ємнісного перетворювача, що під'єднаний через резистор до першого виходу задаючого генератора, синхронний детектор, підсилювач, реверсивний двигун, причому до першого входу першого балансного модулятора підключений додатковий генератор, а до другого його входу - задаючий генератор, вихід першого балансного модулятора підключений до першого входу другого балансного модулятора, його вихід підключений до підсилювача з автоматичним регулюванням підсилення, вихід якого підключений до першого входу синхронного детектора, другий вхід якого з'єднаний з виходом додаткового генератора, третій вихід задаючого генератора і другий вихід коливального контуру з'єднані із землею, перший вихід коливального контуру підключений до другого входу другого балансного модулятора, вихід синхронного детектора з'єднаний через підсилювач з входом реверсивного двигуна, вихідний вал якого зв'язаний із зразковим конденсатором змінної ємності (див. АС СССР №443299, МКИ G 01 N 27/22. Резонансный влагомер / В.Т. Маликов, С.И. Пятин, М.И. Бандак, 1974г.). Недоліком резонансного вологоміру є складна структура пристрою та низька точність пов'язана з впливом активного опору датчика ємності. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого резонансного вологоміру, в якому за рахунок введення нових елементів та зв'язків між ними підвищується точність вимірювання вологості матеріалів, зменшується складність і трудомісткість процесу роботи. Поставлена задача досягається тим, що у резонансний вологомір, який містить задаючий і додатковий генератори, два балансні модулятори, підсилювач з автоматичним регулюванням підсилення, коливальний контур, що складається з паралельно з'єднаних індуктивності, зразкового конденсатора змінної ємності, ємнісного перетворювача і підключений через резистор до першого виходу задаючого генератора, синхронний детектор, причому до першого входу першого балансного модулятора підключений додатковий генератор, а до другого його входу - задаючий генератор, вихід першого балансного модулятора підключений до першого входу другого балансного модулятора, його вихід підключений до підсилювача з автоматичним регулюванням підсилення, вихід якого підключений до першого входу синхронного детектора, другий вхід якого сполучений з виходом додаткового генератора, третій вихід задаючого генератора і другий вихід коливального контура сполучені із землею, а перший вихід коливального контура підключений до другого входу другого балансного модулятора, введені третій і четвертий балансні модулятори, другий підсилю 57897 4 вач з автоматичним регулюванням підсилення, другий синхронний детектор, подільник напруги, блок індикації, блок корекції активних втрат, в коливальний контур введений паралельно з'єднаний терморезистор з обмоткою підігріву, причому перший вхід третього балансного модулятора підключений до виходу додаткового генератора, з яким також з’єднаний другий вхід другого синхронного детектора, другий вхід третього балансного модулятора підключений до другого виходу задаючого генератора, перший вхід четвертого балансного модулятора з’єднаний з виходом третього балансного модулятора, а другий вхід четвертого балансного модулятора з’єднаний з першим виходом коливального контуру, вихід четвертого балансного модулятора з’єднаний через підсилювач з автоматичним регулюванням підсилення з першим входом другого синхронного детектора, другий вхід якого з’єднаний з виходом додаткового генератора, виходи першого і другого синхронних детекторів з’єднані відповідно з першим і другим входами подільника напруги, вихід якого з’єднаний з входом блоку індикації, другий вихід другого підсилювача з автоматичним регулюванням підсилення сполучений з другим входом першого підсилювача з автоматичним регулюванням підсилення, перший і другий входи блоку корекції активних втрат з’єднані відповідно з першим і другим входами коливального контуру, а його виходи - з ниткою накалювання терморезистора, який паралельно з’єднаний з ємнісним перетворювачем. На кресленні зображена схема запропонованого резонансного вологоміру, який містить задаючий генератор 1 (генератор напруги високої частоти), додатковий генератор 2 (генератор напруги низької частоти), перший 3, другий 4, третій 5, четвертий 6 балансні модулятори, перший 7, другий 8 підсилювачі з автоматичним регулюванням підсилення, перший 9, другий 10 синхронні детектори, подільник напруги 11, блок індикації 12, резистор 13, блок корекції активних втрат 14, коливальний контур 15, елементами якого є індуктивність 16, зразковий конденсатор змінної ємності 17, ємнісний перетворювач 18 і терморезистор з обмоткою підігріву 19. Ємнісний перетворювач 18 в конструктивному відношенні складається з електродного пристрою, за допомогою якого створюється електричне поле в матеріалі, що досліджується. Він виконує функцію перетворення змін вологості матеріалу в зміну активного або реактивного опору перетворювача, діелектричних втрат. Складова ємності C x ємнісного перетворювача 18 є однозначною функцією вологості матеріалу, а опір втрат R x зумовлено, головним чином, хімічним складом матеріалу, що досліджується. Отже, при вимірюваннях вологості зміну ємнісної складової можна розглядати як корисний сигнал, а зміну активного опору - як шуми. Резонансний вологомір працює таким чином. Напруга UA  Um cos(t ) . (1) з виходу А задаючого генератора 1 подається на коливальний контур 15, елементами якого є індуктивність 16, зразковий конденсатор змінної 5 ємності 17, ємнісний перетворювач 18 і терморезистор з обмоткою підігріву 19 через резистор 13 з активним опором r і на другий вхід першого балансного модулятора 3. Напруга на контурі 15 визначається виразом: U15  U15m cos(t  ) . (2) З іншого боку,  U   U15  A  z , (3)  rz  де U - комплексна вихідна напруга задаючоA  го генератора 1; z - комплексний опір коливального контура 15, що дорівнює: R xt jL 1  j(Co  C x )R xt  z  R xt jL , (4) 1  j(Co  C x )R xt  jLR xt R xt (1   LC0 )  2LC xR xt  jL де R xt - активний опір паралельно з'єднаного 57897  z R xt 1  (C xR xt )2 exp( j) , (5) де  - кут фазового зсуву, що дорівнює:   rctg(C xR xt ) . (6) Напругу з виходу Б задаючого генератора 1 зсунуто відносно виходу А на 90°, тобто: UБ  Um sin( t ) , (7) і подається на другий вхід третього балансного модулятора 5. Напруга U2  U2m cos(t ) . (8) З виходу додаткового генератора 2 подається на перші входи першого 3 і третього 5 балансних модуляторів і на другі входи першого 9 і другого 10 синхронних детекторів. На виході першого 3 і третього 5 балансних модуляторів напруги будуть відповідно дорівнювати: U3  k 3UmU2m cos(t ) cos(t ) , U5  k 5UmU2m cos(t ) cos(t ) , (9) 2 резистора R x ємнісного перетворювача 18 і R t терморезистора з обмоткою підігріву 19. 6 де k 3 , k 5 - коефіцієнти передач першого 3 і третього 5 балансних модуляторів. Тоді напруги на виходах другого 4 і четвертого 6 балансних модуляторів будуть відповідно дорівнювати: При 2LC0  1 після нескладних перетворень вираз (4) набуде вигляду: U4  k 3k 4UmU2mU15m cos(t ) cos(t  ) cos(t )   0.5k 3k 4UmU2mU15m cos  cos(t )  0.5k 3k 4UmU2mU15m cos(2t  ) cos(t ) U6  k 5k 6UmU2mU15m cos(t ) cos(t  ) cos(t )  ; (10) ; (11)  0.5k 5k 6UmU2mU15m cos  cos(t )  0.5k 5k 6UmU2mU15m cos(2t  ) cos(t ) виразі (12). де k 5 , k 6 - коефіцієнти передач відповідно Напруга з виходів першого 7 і другого 8 підситретього 5 і четвертого 6 балансних модуляторів. лювачів з автоматичним регулюванням підсилення Якщо k 3  k 4  k 5  k 6  k , то на входи першого 7 і подаються відповідно на перші входи першого 9 та другого 8 підсилювачів з автоматичним регулюдругого 10 синхронних детекторів, на другі входи ванням підсилення поступають відповідно наступні яких подається опорна напруга від додаткового сигнали: генератора 2, тоді на виходах першого 9 та друго' ' го 10 синхронних детекторів напруги відповідно , (12) U7  Um cos  cos(t )  Um cos(2t  ) cos(t ) дорівнюють: ' ' U8  Um cos  cos(t )  Um cos(2t  ) cos(t ) , (13) ' U9  kСД1UmU2m cos  , (14) ' де Um  k 3k 4UmU2mU15m  k 5k 6UmU2mU15m . ' U10  kСД2UmU2m sin  , (15) Напруги U7 і U8 містять дві складові: перша де k СД1 і k СД 2 - коефіцієнти передач першого складова з частотою  і друга високочастотна 9 та другого 10 синхронних детекторів. При складова з частотами (2  ) . Слід зазначити, k СД1  k СД2  k СД на виході подільника напруги 11 що амплітуда другої складової виразу (13), тобто напруга дорівнює: ' Um , при вимірюванні невеликих фазових зсувів U  U11  9  tg , (16) завжди значно більша амплітуди першої складоU10 ' вої, тобто Um sin  . Оскільки другий підсилювач з З врахуванням виразу (6): автоматичним регулюванням підсилення 8 працює  U11  CxR xt , (17) по максимальній амплітуді вхідного сигналу U8 , то На виході подільника напруги 11, який з'єднана його виході підтримується з достатньою ступінний з блок індикації 12, напруга буде прямопропо' ню точності постійні значення Um у виразі (13). рційна частоті задаючого генератора 1  , величиНапруга регулювання з другого підсилювача з авні ємності ємнісного перетворювача 18 і томатичним регулюванням підсилення 8 подаєтьеквівалентному активному опору паралельного ся одночасно і на перший підсилювач з автоматиз'єднання R x і R t . чним регулюванням підсилення 7. За рахунок  Враховуючи, що r  z , формулу (3) можна ' цього підтримується постійним і значення Um у 7 57897 8 записати:  U15 Rxt  де  - струм, що протікає в коливальному конi турі 15. Тангенс кута діелектричних втрат ємнісного перетворювача 18 C x , R x визначається виразом: 1 , (19) CxR x З врахуванням шунтуючої дії терморезистора R t еквівалентний тангенс кута діелектричних втрат ємності ємнісного перетворювача 18 буде дорівнювати: 1 , (20) tg(екв )  CxR x де tg()  Комп’ютерна верстка А. Крулевський Rx  Rt , (21) R x  Rt При  U  R xt  1 z  i exp( j) , (18) r 1  (CxR xt )2 виконанні умови tg( екв )  1 , тобто C xR xt  1 комплексна напруга  U15 приймає вигляд  U15  R xt exp( j) . (22) i  Напруга U15 поступає на блок корекції актив них втрат 14, в якому амплітуда напруги  U15  R xt , що виділяється, подається на нитку i накалювання терморезистора з обмоткою підігріву 19. Терморезистор з обмоткою підігріву 19, нагріваючись, встановлює свій активний опір R t таким, що значення R xt буде підтримуватися постійним. Підписне Тираж 23 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