Термогравіметричний вимірювач вологості продуктів

Термогравіметричний вимірювач вологості продуктів, що містить ваги та цифровий відліковий пристрій, мікропроцесор і вимірювальний перетворювач температури, цифрові входи-виходи яких з'єднані між собою через загальну шину, до якої підключений і цифровий вхід перетворювача “кодструм” , виходи якого з'єднані з нагрівачемформувачем інфрачервоного потоку випромінювання, що розташований між чашечкою вагів з досліджуваним об'єктом і параболічним дзеркалом, що розташоване таким чином, щоб тепловий потік від нього був спрямований на чашечку вагів і нагрівав два послідовно з'єднані між собою терморезистори, об'єднані виводи яких підключені до C2 2 (19) 1 3 78358 4 Найбільш близьким до запропонованого є раторним диском, який розташований між фокусутермогравіметричний вимірювач вологості продукючою лінзою та фотоприймачем, - з одного боку, і тів [див. Аналізатор вологості ЕЛВІЗ-2, пункт 1, між світловипромінюючим діодом і фотодіодом, - з agrobiznes.ru/agroprod_0006598], що містить ваги другого боку, причому фотодіод підключений до та цифровий відліковий пристрій, мікропроцесор і входів підсилювача-формувача синхроімпульсів, вимірювальний перетворювач температури, цифвихід якого з'єднаний зі входом управління синрові входи-виходи яких з'єднані між собою через хронного детектора, а світловипромінюючий діод загальну шину, до якої підключений і цифровий підключений до входу одного з розрядів мікропровхід перетворювача "код-струм", виходи якого цесора. з'єднані з нагрівачем-формувачем інфрачервоного На кресленні наведена структурна схема терпотоку випромінювання, що розташований між могравіметричного вимірювача вологості продукчашечкою ватів з досліджуваним об'єктом і паратів, де 1 - джерело оптичного випромінювання, 2 болічним дзеркалом, тепловий потік від якого перетворювач код-струм, 3 - параболічне дрзеркаспрямований на чашечку ватів і нагріває два поло, 4 - нагрівач-формувач інфрачервоного випрослідовно з'єднані між собою терморезистори, об'мінювання, 5 та 6 - перший та другий термочутливі єднані виводи яких підключені до земляної шини, а резистори (сенсори температури), 7 - об'єкт досліпротилежні виводи терморезисторів з'єднані зі дження (продукт), 8 - чашечка ватів, 9 - оптичний входами вимірювального перетворювача. сенсор сили, 10 - вимірювальний перетворювач Відомий термогравіметричний вимірювач вотемператури, 11 - фокусуючи лінза, 12 - світло логості продуктів забезпечує не досить високу товипромінюючий діод, 13 - обтюраторний диск, 14 чність вимірювання, тому що використовує аналіфото діод, 15 - фотоприймач, 16 - синхронний двитичні ваги з електромеханічним сенсором тиску. гун, 17 - підсилювач-формувач синхроімпульсів, 18 Крім того, процедура вимірювання не забезпечує - підсилювач змінного струму; 19 - фільтр верхніх виключення мультиплікативної складової системачастот, 20 - синхронний детектор, 21 - аналоговотичної похибки вимірювання вологості продуктів, цифровий перетворювач, 22 - мікропроцесор, 23 яка обумовлена дією зовнішніх дестабілізуючих цифровий відліковий пристрій та 24 - загальна факторів на чутливий елемент аналітичних ватів, шина. У склад ватів входить чашечка 8 та оптичзокрема, електричних і магнітних полів, темпераний сенсор сили 9. Інші механічні частини ватів на тури тощо. кресленні не наведені. В основу винаходу покладена технічна задача При цьому цифрові входи-ви ходи цифрового створення такого термогравіметричного вимірювавідлікового пристрою 23, мікропроцесор 22 і виміча вологості продуктів, у якому шляхом введення рювального перетворювача температури 10, з'єднових функціональних блоків та їх зв'язків між сонані між собою через загальну шину 24, до якої бою та з відомими функціональними блоками випідключений і цифровий вхід перетворювача кодмірювача, забезпечило б підвищення точності виструм 2. Виходи перетворювача код-струм 2 підмірювання. ключені до нагрівача-формувача 4 інфрачервоного Поставлена задача вирішується тим, що терпотоку випромінювання, що розташований між могравіметричний вимірювач вологості продуктів; чашечкою 8 ватів з досліджуваним об'єктом 7 і що містить ваги та цифровий відліковий пристрій; параболічним дзеркалом 3. Тепловий потік від мікропроцесор і вимірювальний перетворювач дзеркала 3 спрямований на чашечку 8 ватів і натемператури, цифрові входи-виходи яких з'єднані гріває два послідовно з'єднані між собою термореміж собою через загальну шину, до якої підключезистори 5 та 6, об'єднані виводи яких підключені ний цифровий вхід перетворювача "код-струм", до земляної шини, а протилежні виводи терморевиходи якого з'єднані з нагрівачем-формувачем зисторів 5 і 6 з'єднані зі входами вимірювального інфрачервоного потоку випромінювання, що розперетворювача 10. ташований між чашечкою ватів з досліджуваним У вимірювач додатково введені послідовно об'єктом і параболічним дзеркалом, тепловий потік розташовані на оптичній осі та оптично з'єднані від якого спрямований на чашечку ватів і нагріває між собою генератор оптичного випромінювання 1, два послідовно з'єднані між собою терморезистооптичний сенсор сили 9, фокусуючи лінза 11 і фори, об'єднані виводи яких підключені до земляної топриймач 15, вихід якого підключений до послішини; протилежні виводи терморезисторів з'єднані довно з'єднаних між собою підсилювача змінного зі входами вимірювального перетворювача, від струму 18, фільтру верхніх частот 19, синхронного відомого відрізняється тим, що додатково введені детектору 20 й аналогово-цифрового перетворюобтюраторний диск, синхронний двигун, сві тловивача 21. Виходи аналогово-цифрового перетворюпромінюючий діод, фотодіод, підсилювачвача 21 підключені через загальну шину 24 до мікформувач синхроімпульсів та послідовно розтаропроцесора 22, з яким через цю ж шину 24 шовані на оптичній вісі і оптично з'єднані між соз'єднані і входи управління синхронним двигубою генератор оптичного випромінювання, оптичном 16. ний сенсор сили, фокусуюча лінза і фотоприймач, Синхронний двигун 16 жорстко з'єднаний з обвхід якого підключений до послідовно з'єднаних тюраторним диском 13, який розташований між між собою підсилювача змінного струму, фільтру фокусуючою лінзою 11 та фотоприймачем 15, - з верхніх часто т, синхронного детектору та аналогоодного боку, та між світловипромінюючим діодом во-цифрового перетворювача; виходи якого під12 і фотодіодом 14, - з другого боку. Причому фоключені через загальну шину до мікропроцесора; з тодіод 14 підключений до входів пілсилювачаяким через цю ж шину з'єднані і входи управління формувача синхроімпульсів 17, вихід якого з'єднасинхронним двигуном, жорстко з'єднаного з обтюний зі входом управління синхронного детектора 5 78358 6 20, а світловипромінюючий діод 12 підключений до é 1 n sin(2n - 1)wt ù входу одного з розрядів мікропроцесора 22. ú, u' (t ) = Ux ê + å (3) ê2 2n - 1 ú Припустимо, що реальна функція перетворенë i =1 û ня оптико-електронного каналу, який складається з джерела оптичного випромінювання 1, оптичного де Ux = S'ЛS0mx g + D U' , w - частота обертання, а сенсора сили 9, фокусуючої лінзи 11, фотоприйу парні напівперіоди - гармонічний сигнал мача 15, підсилювача 18, фільтра верхніх частот é 1 n sin(2n - 1)wt ù 19 і синхронного детектора 20, описується рівнянú. u' ' ( t ) = DU ê - å (4) ням величин виду ê2 2n - 1 ú ë i =1 û (1) За повний період обертання на вхід підсилюUx = S'ЛF x + D U' , вача змінного струму 17, з коефіцієнтом підсиленде Фx - потужність потоку оптичного випромінюня kp разів, поступає електричний сигнал вання, яка пропорційна вимірюваній силі u( t )= u ' ( t ) + u ' ' (t ) . Цей сигнал фільтрується за до({F x } {S0}{Px } {S0 }{m x }{g}) ; S'Л - реальна кру= = помогою фільтра верхніх частот 19 і у вигляді гармонічного сигналу тість перетворення каналу ({S'Л } = {SЛ }(1+ g Л)) ; SЛ é n sin(2n - 1)wt ù - номінальна крутість перетворення каналу; gЛ ú u » ( t ) = kp S'ЛS0 mx gê å (5) ê 2n - 1 ú відносна зміна крутості перетворення у результаті ë i =1 û дії зовнішніх дестабілізуючих факторів (темперапоступає на вхід син хронного детектора 20. тури, вологості, тиску то що); DU' - реальне зміСинхронний детектор 20 керується за допомогою сигналу типу "меандр" щення функції перетворення ({DU' } = {DU} + { DU}) ; n sin(2n - 1)wt D U - номінальна за значенням напруга зміщення; uon( t ) = U0 å , (6) 2n - 1 D U - адитивна вимірювання, Dмп = g xF x - мульi=1 типлікативна похибка вимірювання. де U0 - амплітуда гармонічного сигналу. Надалі, для зручності, будемо використовуваСигнал синхронізації (6) формується за допоти функцію перетворення (1) записану наступним могою підсилювача-формувача синхроімпульсів чином: 17, до входу якого підключений фотодіод 14. На цей фотодіод 14 через обтюраторний диск 13 у ' S m g + D U' , (2) Ux = SЛ 0 x парні напівперіоди обертання обтюраторного диску надходить світловий потік від світловипромінюде ({F x } = {S0}{mx }{g}) ; S0 - крутість перетворення ючого діоду 12. сили у потужність потоку оптичного випромінюВ результаті синхронного детектування та вання. усереднення на вхід аналогово-цифрового переРозглянемо сутність роботи запропонованого творювача 21 надходить постійна напруга термогравіметричного вимірювача вологості проUx = km xg , (7) дуктів. Після вмикання джерела живлення (на рисунку ' S k , k - коефіцієнт передачі синде k = kpSЛ 0 с сд не показано) вмикаються всі електричні блоки вимірювача. Одночасно починає працювати синхрохронного детектора 20. нний двигун 16, з ротором якого жорстко з'єднаний За допомогою аналогово-цифрового перетвообтюраторний диск 13. За допомогою останнього рювача 21 напруга (6) перетворюється у код числа здійснюється модуляція потоку оптичного випро(8) Nx = S'aUx + DN , мінювання, який поступає на фотоприймач 15, переривання потоку оптичного випромінювання від де S¢a - реальна крутість перетворення аналоговосвітловипромінюючого діоду 12 і формування синцифрового перетворювача ({S'a} = {Sa}(1+ g a )) ; Sа хроімпульсів на виході підсилювача-формувача 17. На виході цифрового відлікового пристрою 23 - номінальна крутість перетворення; ga - відносна встановлюються нулі. зміна крутісті перетворення у результаті дії зовніРозглянемо процес перетворення сили шніх дестабілізуючи х факторів; D N - адитивна Рx=m xg, що діє на ча шечку 8 вагів, у напругу U x. похибка аналогово-цифрового перетворювача 21. Чашечка 8 жорстко з'єднана з мембраною опОтриманий код числа (8) через загальну шин у тичного сенсора 9. Мембрана прогинається про24 надходить, по команді з мікропроцесора 22, в порційно дії сили Рx. В результаті частина потоку оперативний запам'я товуючий пристрій (що вхооптичного випромінювання, що формується джедить до складу мікропроцесора 22). релом 1 і пропорційна силі Рx, проходить крізь опАналогічним чином виконуються всі три такти тичний сенсор 9 і фокусуючу лінзу 11 на фотовимірювання дії сили Рx на чашечку 8 ва тів різних приймач 15. рівноваг. Оскільки між фокусуючою лінзою 11 і фотоУ першому такті вимірюється сила Р1, яка приймачем 15 розташований обтюраторний диск обумовлена дією наперед обраної рівноваги зада13, що з'єднаний з синхронним двигуном 16, то у ної маси m 1. Цю рівновагу 7 розміщують на чашенепарні напівперіоди обертання обтюраторного чці 8 вагів. диску 13 на виході фотоприймача 15 формується В результаті описаного вище процесу перегармонічний сигнал творення дії сили Р1 у напругу U1 на виході анало 7 78358 8 гово-цифрового перетворювача 21 з'являється код дією маси m x, відрізняються між собою на заздачисла легідь відоме мале значення. Наприклад, і-й результат вимірювання маси m x, дорівнює N3i: ' U + DN , (9) N1 = Sa 1 (14) N3i = S'aU'3 + DN , де де U1 = km1g . (10) Після отримання результату вимірювання (9) (15) U'3 = km'x g , за допомогою мікропроцесора 22 подається звукоа (i+1)-й результат – N3(i+1) : вий сигнал про запам'ятання коду числа (9) в опе' (16) ративній пам'яті мікропроцесора 22 та готовності N3(i+ 1) = S'aU'3 + D N = N3 , приладу до виконання наступного такту вимірюде вання. ' ' (17) У другому такті вимірювання обирають рівноU'3 = km'x g . вагу з наперед заданою за розміром масою m 2, При чому різниця результатів (16) і (14) не попричому {m2 } = {m1} + {D m0} , де Dm0 - відомий і винна бути більша наперед заданої похибки. Наприклад, більшою за 0.0001, тобто нормований за розміром приріст маси. Цю рівновагу розміщують на чашечку 8 ватів. DN = N3(i + 1) - N3i = 0,0001 . В результаті на чутливий елемент оптичного сенОтриманий результат N3 (16) запам'ятовується сора 9 буде діяти сила P2. в оперативній пам'яті мікропроцесора 22. У четвеВ результаті вищезгаданого перетворення дії ртому такті здійснюється обчислення дійсного знасили Р2 у напругу U2 на виході аналоговочення вологості згідно з рівнянням числових знацифрового перетворювача 21 з'являється код чисчень ла N - N3 W = kw 2 , (18) (11) N2 = S'aU2 + DN , N2 - N1 де {D m0 } де k w = . U2 = km2g . (12) {m2} Отриманий результат вимірювання (11) запаНескладно показати, що обробка результатів м'ятовується в оперативній пам'яті мікропроцесора проміжних вимірювань за рівнянням числових зна22. Вимірювач знову видає звуковий сигнал до чень (18) забезпечує автоматичне виключення виконання наступного такту вимірювання. адитивної і мультиплікативної похибок вимірюванУ третьому такті вимірювання формують силу ня. Для цього підставимо в (18) результати проміР3, пропорційну масі m x досліджуваного продукту. жних вимірювань N1 (9), N2 (11), N3( 16) і приведеПричому масу m x досліджуваного продукту формо подібні члени мують шляхом рівномірного розміщення її на ча'' '' N - N3 S U - SaU3 km 2g - km xg { Dm0 }{m2 } - {m x } W = kw 2 =k w a 2 = kw = k2 =, шечці 8 вагів і додавання (чи віднімання) до тих N2 - N1 SaU2 - SaU1 km 2g - km 2g { m2 }{ 2 } - { m1} m пір, поки цифровий відліковий пристрій 23 не зафі'' '' { Dm0 }{m 2} - { m2 } {m } - {m x } { D mx } =100 = 100 2 = 100 % ксує код числа N2 (10). Це має місце при виконанні { m2 } {m 2} {m2 }{D m2 } 0 умови де Dmx - маса вимірюваної вологи продукту. {m x } = {m2 } . (13) Запропоноване технічне рішення термогравіПісля цього вмикають нагрівач-формувач 4 метричного вимірювача вологості продуктів забезінфрачервоного випромінювання шляхом подачі печує автоматичну корекцію похибок вимірювання, на перетворювач “код-струм” 2 дискретного ряду обумовлених нестабільністю параметрів функції кодів чисел, що були записані у постійному запаперетворення оптико-електричного каналу у нам'ятовуючому пристрої мікропроцесора 22, які хапругу, які викликані дією зовнішніх дестабілізуючих рактеризують заданий закон зміни струму на нафакторів. На кінцевий результат не впливає також грівачі-формувачі 4. За допомогою параболічного похибка перетворення у код ви хідної напруги у дзеркала 3 потік інфрачервоного випромінювання кожному такті вимірювання. спрямовується на чашечку 8 з досліджуваним Таким чином, запропонована сукупність нових продуктом масою m x. функціональних блоків ті їх зв'язків між собою з Процес випаровування вологості з продукту відомими блоками забезпечує вирішення технічної триває до того часу, коли на цифровому відлікозадачі створення високоточного вимірювача воловому пристрої 23 два слідуючи один за другим гості продуктів. результати вимірювання сили P , що обумовлені x 9 Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 78358 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601