Шумовий кондуктометричний вимірювач вологості

Шумовий кондуктометричний вимірювач вологості, що містить кондуктометричний датчик, який складається з двох голчастих електродів, з'єднаних через гнучкі екрановані дроти та електричні роз'єднувачі з вимірювальною схемою, яка містить автоматичний перемикач, підсилювач напруги підвищеної частоти, перший та другий фільтри нижніх частот, причому перший - з'єднаний з входом вибіркового підсилювача низької частоти, а другий - з входом вимірювального приладу, який відрізняється тим, що в нього введені синхронний детектор, перетворювач струму в напругу, смуговий фільтр, квадратичний перетворювач напруги, генератор низької частоти, опорний резистор, зага U 1 3 13447 4 алу, не дозволяють одержати високу точність вияких опорний резистор з'єднаний з одним із входів мірювання вологості. автоматичного перемикача і загальною заземлеВідомий також шумовий кондуктометричний ною шиною, причому другий вхід автоматичного вимірювач вологості [патент України №62760А, перемикача з'єднаний з першим голчастим електМПК G01N27/02, Бюл. №12, 2003p.], що містить родом, а другий голчастий електрод з'єднаний з кондуктометричний датчик, який складається з загальною заземленою шиною, при цьому керуюдвох голчастих електродів з'єднаних через гнучкі чий вхід автоматичного перемикача з'єднаний з екрановані дроти та електричні роз'єднувачі з вивиходом генератора низької частоти, який має мірювальною схемою, яка містить автоматичний зв'язок з синхронним детектором, який з'єднаний з перемикач, підсилювач напруги підвищеної частовиходом вибіркового підсилювача низької частоти і ти, перший та другий фільтр нижніх частот, причодругим фільтром нижніх частот, а вихід автоматиму перший - з'єднаний з входом вибіркового підсичного перемикача з'єднаний з високопотенційним лювача низької частоти, а другий - з входом входом перетворювача струму в напругу, низьковимірювального приладу. потенційний вхід якого з'єднаний з загальною заКрім того, відомий вимірювач вологості вклюземленою шиною, а вихід - з входом смугового чає диференційний підсилювач на двох операційфільтра, вихід якого має зв'язок з послідовно з'єдних підсилювачах, розмножувальний блок, другий наними підсилювачем напруги підвищеної частоти, підсилювач підвищених частот та автоматичний квадратичним перетворювачем напруги і першим перемикач, генератор підвищеної частоти з подіфільтром нижніх частот. льником частоти. Введення у вимірювальну схему перетворюЗавдяки перемноженню напруг теплових шувача струму в напругу з низьким вхідним опором мів, підсилених двома незалежними підсилювачадозволяє одержати напругу, пропорційну електроми підвищеної частоти, і подальшому їх усередпровідності вологого матеріалу, а почергове підкненню фільтром нижніх частот пригнічується лючення з низькою частотою до входу цього перевплив власних шумів підсилювачів. Але наявність творювача голчастого електроду і потенційного розмножувального блоку та інших вказаних елезажиму опорного резистора, який знаходиться у ментів не забезпечує стабільного нуля вимірювача тепловому контакті з досліджуваним матеріалом, вологості при відсутності вологи в досліджуваному дозволяє виключити вплив початкової електропматеріалі. Справа в тому, що навіть повністю знеровідності зневодненого матеріалу. Почергове воднений матеріал являє собою реальний діелекперетворення напруг, пропорційних електропровітрик з електричними втратами, у якому генеруєтьдності досліджуваного матеріалу і опорного резисся тепловий шум, пропорційний цим втратам. тора, смуговим фільтром виключає вплив нетепНаявність початкового шуму, не пов'язаного з волових шумів вимірювальної схеми, а їх наступне логою матеріалу, суттєво погіршує точність харакквадратичне перетворення лінеаризує залежність теристики шумового вимірювача, особливо в зоні змінної складової квадратованої напруги від вимімалих значень вологості. Крім того, відомий вимірюваної вологості. Керування роботою синхроннорювач має зворотну шкалу, оскільки напруга тепго детектора і автоматичного перемикача напрулових шумів пропорційна опору контрольованого гою від введеного генератора низької частоти матеріалу, а вологість зворотно пропорційна цьозабезпечує виділення низькочастотної напруги, му опору. Ці схемні особливості знижують точність пропорційної вимірюваній вологості, із низькочасвимірювання вологості по шумах. тотних шумів та перешкод, що підвищує точність В основу корисної моделі покладена задача вимірювання малих значень вологості глибинних створити такий шумовий кондуктометричний вимішарів в'язко-пластичного матеріалу. рювач вологості, в якому введення нових елеменНа кресленні представлена функціональна тів та зв'язків забезпечило б отримання пропорсхема шумового кондуктометричного вимірювача ційної шкали по вологості при наявності вологості. стабільного нуля, що підвищить точність вимірюКондуктометричний датчик 1 містить в собі говання малих значень вологості глибинних шарів лчасті електроди 2 і 3 з металу, покриті на дві трев'язко-пластичного матеріалу. тини ізолюючою плівкою 4 і 5, опорний резистор 6, Поставлена задача вирішується тим, що в чотири гнучких екранованих дроти 7, 8, 9 і 10, елешумовий кондуктометричний вимірювач вологості, ктричні роз'єднувачі 11, 12, 13 і 14, за допомогою що містить кондуктометричний датчик, який склаяких електродний датчик з'єднується з вимірювадається з двох голчастих електродів, з'єднаних льною схемою. Вимірювальна схема вміщує авточерез гнучкі екрановані дроти та електричні роз'матичний перемикач 15, входи якого з'єднані з єднувачі з вимірювальною схемою, яка містить потенційним кінцем електрода 2 і потенційним автоматичний перемикач, підсилювач напруги підкінцем опорного резистора 6. Вихід автоматичного вищеної частоти, перший та другий фільтр нижніх перемикача 15 з'єднано з високопотенційним вхочастот, причому перший - з'єднаний з входом видом перетворювача струму в напругу 16, низькобіркового підсилювача низької частоти, а другий - з потенційний вхід якого з'єднано із спільною заземвходом вимірювального приладу, згідно з корисленою шиною 17 вимірювальної схеми, до якої ною моделлю, що в нього введені синхронний депідключені опорний резистор 6 і голчастий електтектор, перетворювач струму в напругу, смуговий род 3. До виходу перетворювача струму у напругу фільтр, квадратичний перетворювач напруги, ге16 підключені відносно заземленої шини 17 послінератор низької частоти, опорний резистор, загадовно з'єднані смуговий фільтр 18, підсилювач льна заземлена шина, додаткові гнучкі екрановані напруги 19 підвищеної частоти, квадратичний педроти та електричні роз'єднувачі, за допомогою ретворювач напруги 20, фільтр 21 нижніх частот, 5 13447 6 вибірковий підсилювач низької частоти 22 і синхТоді через низькоомний ланцюг перетворювача ронний детектор 23. Керуючий вхід синхронного струму в напругу 16 протікає струм детектора 23 та керуючий вхід автоматичного пе_ (4) ремикача 15 з'єднані з виходом генератора 24 ниi ш2 4k fTG 0 . зької частоти. Вихід синхронного детектора 23 Через періодичні перемикання автоматичного через другий фільтр 25 нижніх частот з'єднано з перемикача 15, який керується напругою генеравимірювальним приладом 26. тора 24 низької частоти, на виході перетворювача Позицією 27 позначено досліджуваний в'язко16 струму в напругу формуються пакети шумових пластичний матеріал, у який занурені оголеною напруг. Тривалість цих пакетів напруг визначаєтьчастиною голчасті електроди 2 і 3. Опорний резисся напівперіодом напруги генератора 24 низької тор 6 розташовують в тепловому контакті з дослічастоти. Середньоквадратичні значення цих наджуваним матеріалом. Голчасті електроди 2 і 3 та пруг визначаються як вхідними шумовими струмаопорний резистор 6, що входять до складу кондукми (2) і (4), так і власними шумовими струмами тометричного датчика 1, дистанційно підключаперетворювача 16 струму в напругу, які сумірні з ються до вимірювальної схеми через вказані елеквхідними шумовими струмами. Беручи до уваги те, тричні роз'єднувачі та гнучкі екрановані дроти. що власні шуми перетворювача 16 струму в наШумовий кондуктометричний вимірювач волопругу не корельовані з вимірюваними шумами догості працює наступним чином. сліджуваного матеріалу 27 та опорного резистора Між зануреними у в'язко-пластичний матеріал 6, пакети вихідних напруг перетворювача 16 стру27 голчастими електродами 2 і 3 кондуктометричму в напругу можно представити у вигляді: ного датчика 1 діє електрична напруга від тепло_ вих шумів, які виникають у вологому матеріалі че(5) Uш1 S1 4k fT(G0 Gв ) i2 , ш3 рез хаотичний рух вільних електродів та іонів. Середньоквадратичне значення шумової напруги пропорційне опору досліджуваного середовища _ між електродами та його температурі: (6) Uш2 S1 4k fTG 0 i2 , ш3 _ (1) де S1 - крутизна перетворення шумового струму у Uш 4k fRT , напругу; де k - стала Больцмана; іш3- власний шумовий струм перетворювача f - смуга частот, в якій вимірюється шумова 16. напруга; Пакети напруг (5) і (6) почергово проходять R - електричний опір досліджуваного матеріакрізь смуговий фільтр 18 зі смугою пропускання лу; f0 , яка забезпечує виділення спектру теплових Т - термодинамічна температура досліджуваного матеріалу. шумів із спільного спектру електричних шумів. ВиШумовий струм, який виникає в середовищі з ділена напруга теплових шумів підсилюється підопором R силювачем 19 підвищеної частоти з власними шумами, які також не корельовані з вимірюваними _ _ шумами та шумами перетворювача 16 струму в Uш (2) i ш1 4k fT / R 4k fTG , напругу. Внаслідок цього всі шумові напруги підR сумовуються на вході підсилювача напруги підвиде G - електропровідність досліджуваного матеріщеної частоти 19 квадратично, і пакети сумарних алу, пропорційна вологості. середньоквадратичних напруг підсилюються з одБеручи до уваги, що обезводнений матеріал наковим коефіцієнтом підсилення: має хоч і не велику початкову електропровідність _ С0, подамо електропровідність вологого матеріалу 2 Uш3 K1 S2[4k f0T(G0 Gв ) i2 ] Uш5 , (7) у вигляді суми 1 ш3 G=G0+Gв, (3) де Gв електропровідність вологого матеріалу, _ 2 обумовлена, в основному, іонною провідністю. (8) Uш4 K1 S2( 4k f0TG0 i2 ) Uш5 , 1 ш3 Для одержання інформації про шумовий струм де K1 - коефіцієнт підсилення підсилювача 19 під(2) потенційний голчастий електрод 2 через автовищеної частоти; матичний перемикач 15 підключується до низькоUш5 - напруга власних шумів підсилювача 19 підомного входу перетворювача 16 струма у напругу. вищеної частоти. Низькоомний вхід перетворювача відносно загаПідсилені напруги (7) і (8) квадратично перетльної заземленої шини 17 забезпечує практично ворюються в квадратичному перетворювачі напрурежим короткого замикання голчастих електродів ги 20 і усереднюються фільтром 21 нижніх частот. 2 і 3, з яких голчастий електрод 3 з'єднано з загаВнаслідок усереднення формуються відеоімпульльною заземленною шиною 17 і, таким чином, заси з амплітудами: землено. При другому положенні автоматичного перемикача 15 вхід перетворювача 16 струму в 2 U6 S2K 2K 2 {S2 [ 4k f0T(G0 Gв ) i2 ] Uш5 } , (9) 1 1 ш3 напругу з'єднується з потенційним зажимом опорного резистора 6, який знаходиться в тепловому контакті з досліджуваним матеріалом 27. Електро2 U7 S2K 2K 2 [S2 ( 4k f0TG0 i2 ) Uш5 ] , (10) 1 1 ш3 провідність опорного резистора 6 обирається рівде S2 - крутизна квадратичного перетворення; ною електропровідності зневодненого матеріалу. 7 13447 8 К2 - коефіцієнт передачі фільтра 21 нижніх частот. Оскільки вимірювана напруга (13) не залежить Оскільки амплітуди відеоімпульсов (9) і (10) не від електропровідності зневодненого матеріалу, то є рівними, то в послідовності відеоімпульсов призв'язок його з вологістю буде пропорційним сутня змінна складова напруги з амплітудою U10 S0BW . (15) U6 U7 Таким чином, схемно-технічне рішення шумоU8 2S2K 2K 2S2k fTG в . (11) 1 1 2 вого кондуктометричного вимірювача вологості Частота змінної складової (11) відповідає часзабезпечує стабільний нуль, що дозволяє контрототі перемикань автоматичного перемикача 15. лювати малі значення вологості. Виключення Змінна напруга (11) підсилюється вибірковим впливу теплових шумів зневодненого матеріалу підсилювачем низької частоти 22, що настроєний забезпечує пропорційний характер шкали шумовона частоту генератора 24 низької частоти, який го вологоміра в діапазоні малих значень (до 3-5% керує роботою як автоматичного перемикача 15, об'ємної вологості). так і синхронного детектора 23. Підсилена вибірДослідження показали, що власні шуми перетково напруга випрямляється синхронним детектоворювача струму в напругу 16 не впливають на ром 23 і згладжується фільтром 25 нижніх частот. показання вимірювача вологості, але ж їх наявВихідним приладом 26 вимірюється стала наність звужує діапазон вимірюваних вологостей пруга через насиченість підсилювача напруги 19 підвищеної частоти сумарним шумом. Для зниження U9 K 3K 4K 5U8 , (12) шумів перетворювача струму в напругу 16 було де К3 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилюрозроблено малошумливий перетворювач з еквівача низької частоти 22; валентним шумовим опором менш, ніж 10Ом. У К4- коефіцієнт випрямлення синхронного детеперших каскадах перетворювача струму в напругу ктора 23; 16 використовувалось паралельне включення К5 - коефіцієнт передачі фільтра 25 нижніх чатрьох польових транзисторів з сумарною крутизстот. ною характеристики приблизно 100, наприклад Підставляючи у вираз (12) значення напруги транзисторів КП307Г. При цьому перетворювач U8 з (11), остаточно одержимо цілком охоплено паралельним від'ємним зворотU10 S0Gв , (13) ним зв'язком, що знижує його вхідний опір. В якості 2S2k f T - крутизна переопорного резистора 6 використано металоплівочде S0 2K5K 4K3K 2S2K 1 1 0 ний резистор опором 10МОм, який знаходиться в творення електропровідності в сталу напругу. тепловому контакті з досліджуваним середовищем Вологість в'язко-пластичних матеріалів, які ви27. Підсилювач напруги підвищеної частоти 19 готовляються на безводній основі, зазвичай не виконано на малошумливих операційних підсилюперевищує 0,05-2%. Для таких малих вологостей вачах, наприклад, 1407УД1, а квадратичний переможно вважати залежність електропровідності творювач напруги 20 - на інтегральному перемноматеріалу (3) від вологості лінійною жувачі КМ525ПСЗА. Автоматичний перемикач 15 і синхронний детектор 23 побудовані з використанG G0 Gв A BW , (14) ням мікросхем типу КР572ПВ2. Час усереднення де W - вологість матеріалу; вихідного сигналу, який задається фільтром 25 А і В - коефіцієнти, які залежать від складу і струкнижніх частот, не перевищує 5с при частоті перетури матеріалу. микання шумових сигналів порядка 75Гц. 9 Комп’ютерна верстка М. Мацело 13447 Підписне 10 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