Спосіб вимірювання вологості та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения влажности различных материалов и средств органического и неорганического происхождения, например, песка, зерна, хлеба. Известен также способ измерения влажности (прототип), заключающийся в том, что воздействуют высокочастотным переменным напряжением на образцовый конденсатор и емкостной преобразователь влажности, включенные последовательно, определяют фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности и определяют влажность исследуемого материала по формуле где - коэффициент пропорциональности, определяемый при градуировке; - фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями в образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности. В известном способе измерения влажности характерной чертой является зависимость фазового сдвига между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсате и емкостном преобразователе влажности от сопротивления диэлектрических потерь. Фазовый сдвиг входит в выражение для определения емкости емкостного преобразователя влажности, по значению которого судят о влажности исследуемого материала, следовательно, результат определения влажности и сильной степени зависит от непостоянства диэлектрических потерь в исследуемом материале, что снижает достоверность результата измерения. Известно устройство (см.: Берлинер М. А. Измерения влажности. - М: Энергия, 1973), содержащее высокочастотный генератор, соединенный последовательно с емкостным преобразователем влажности, к выходу которого подключен амплитудный детектор, соединенный с измерительным прибором. Однако данное устройство имеет погрешности измерения, связанные с дрейфом нуля амплитудного детектора и усилителя постоянного тока, а также относительно низкой точностью аналоговых показывающих приборов. Известно также устройство (прототип), содержащее высокочастотный генератор, подключенный к последовательно соединенным емкостному преобразователю влажности и образцовому конденсатору. Устройство также содержит фазовый детектор с измерительным прибором и блок обратной связи автоматической стабилизации напряжения, причем блок обратной связи автоматической стабилизации напряжения подключен параллельно емкостному преобразователю влажности, а входы фазового детектора подсоединены к потенциальным зажимам емкостного преобразователя влажности и образцового конденсатора, к выходу фазового детектора подключен измерительный прибор. Известное устройство содержит блок обратной связи автоматической стабилизации напряжения на емкостном преобразователе влажности, однако работа таких блоков на высокой частоте нестабильна и не обеспечивает высокой степени стабилизации из-за конструктивных и монтажных емкостей элементов и неравномерности их частотных характеристик. Кроме того, относительно низкая точность аналоговых показывающих приборов также влияет на достоверность результата измерения. В основу изобретения поставлена задача создать также способ и устройство для измерения влажности, в которых введение новых операций в способе, введение новых элементов в устройстве позволило бы обеспечить чувствительность и точность измерения влажности путем раздельного определения реактивной и активной составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности с исследуемым материалом, которые в одинаковой степени информативны в отношении влагосодержания, а последующее отделение произведения между ними позволит использовать сопротивление диэлектрических потерь в качестве дополнительного информативного параметра, а также позволило бы исключить влияние нестабильности высокочастотного переменного напряжения питающего генератора на активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности и повысить достоверность результата измерения влажности путем применения средств вычислительной техники и цифровых измерительных приборов. Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения влажности, заключающемся в том, что воздействуют высокочастотным переменным напряжением на образцовый конденсатор и емкостной преобразователь влажности, включенные последовательно, определяют фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности и определяют влажность исследуемого материала, согласно изобретению, после измерения фазового сдвига, измеряют отношение амплитуды высокочастотного напряжения на емкостном преобразователе влажности к амплитуде высокочастотного напряжения на образцовом конденсаторе и частоту высокочастотного переменного напряжения, а влажность исследуемого материала вычисляют по формуле где - коэффициент пропорциональности, определяемый при градуировке; - отношение амплитуды высокочастотного напряжения на емкостном преобразователе влажности к амплитуде высокочастотного напряжения на образцовом конденсаторе; - частота высокочастотного переменного напряжения; - емкость образцового конденсатора; - фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности. Поставленная задача достигается также тем, что устройство для измерения влажности, содержащее высокочастотный генератор, подключенный к последовательно соединенным емкостному преобразователю влажности и образцовому конденсатору, согласно изобретению, снабжено цифровым частотомером, симметрирующим трансформатором, цифровым измерителем отношения, цифровым фазометром, интерфейсным устройством, микро-ЭВМ с панелью управления и цифровым индикатором, при этом первичная обмотка симметрирующего трансформатора подключена к выходу высокочастотного генератора, вторичная обмотка подключена к емкостному преобразователю влажности и образцовому конденсатору, средняя точка последних заземлена, к потенциальным зажимам образцового конденсатора и емкостного преобразователя влажности подключены входы цифрового фазометра и цифрового измерителя отношения, цифровые выходы которых через интерфейсное устройство соединены с входом микро-ЭВМ, соединенной выходом с цифровым индикатором, цифровой частотомер соединен входом с высокочастотным генератором, а цифровым выходом через интерфейсное устройство с входом микро-ЭВМ, че тыре адресных вывода микро-ЭВМ соединены, соответственно, с высокочастотным генератором, цифровым частотомером, цифровым фазометром и цифровым измерителем отношения. Измерение отношения амплитуды высокочастотного напряжения на емкостном преобразователе влажности к амплитуде высокочастотного напряжения на образцовом конденсаторе и частоты высокочастотного переменного напряжения обеспечивают раздельное измерение активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, которые в одинаковой степени информативны в отношении влагосодержания и последующее определение произведения между ними в сочетании с известными операциями позволяет использовать зависимость фазового сдвига между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности от сопротивления диэлектрических потерь в качестве дополнительного информативного параметра и тем самым повысить чувствительность и точность измерения влажности. Введение цифрового частотомера, симметрирующего трансформатора, цифрового измерителя отношения, цифрового фазометра, интерфейсного устройства, микро-ЭВМ и панелью управления и цифрового индикатора, причем первичная обмотка симметрирующего трансформатора подключена к выходу высокочастотного генератора, вторичная обмотка подключена к емкостному преобразователю влажности и образцовому конденсатору, средняя точка последних заземлена, к потенциальным зажимам образцового конденсатора и емкостного преобразователя влажности подключены входы цифрового фазометра и цифрового измерителя отношения, цифровые выходы которых через интерфейсное устройство соединены с входом микро-ЭВМ, соединенной выходом с цифровым индикатором, цифровой частотомер соединен входом с высокочастотным генератором, а цифровым выходом через интерфейсное устройство с входом микро-ЭВМ, че тыре адресных вывода микро-ЭВМ соединены, соответственно, с высокочастотным генератором, цифровым частотомером, цифровым фазометром и цифровым измерителем отношения, в сочетании с известными элементами позволяет исключить влияние нестабильности высокочастотного переменного напряжения питающего генератора на активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности и повысить достоверность результата измерения влажности путем применения средств вычислительной техники и цифровых измерительных приборов. На фиг.1а изображена эквивалентная схема определения реактивной и активной составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности: на фиг.1б - ее векторная диаграмма; на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.3 алгоритм его работы. Устройство содержит высокочастотный генератор 1, цифровой частотомер 2, симметрирующий трансформатор 3, образцовый конденсатор 4, емкостный преобразователь влажности 5, цифровой частотомер 6, цифровой измеритель отношения 7, интерфейсное устройство 8, микро-ЭВМ 9 с панелью управления 10 и цифровой индикатор 11. Первичная обмотка симметрирующего трансформатора 3 подключена к выходу высокочастотного генератора 1, вторичная обмотка подключена к емкостному преобразователю влажности 5 и образцовому конденсатору 4, средняя точка последних заземлена, к потенциальным зажимам образцового конденсатора 4 и емкостного преобразователя влажности 5 Подключены входы цифрового фазометра 6 и цифрового измерителя отношения 7, цифровые выходы которых через интерфейсное устройство 8 соединены с входом микро-ЭВМ, соединенной с цифровым индикатором 11 и панелью управления 10, четыре адресных вывода микро-ЭВМ 9 соединены, соответственно, с высокочастотным генератором 1, цифровым частотомером 2, цифровым фазометром 6 и цифровым измерителем отношения 7, цифровой частотомер 2 соединен входом с высокочастотным генератором 1, а цифровым выходом через интерфейсное устройство 8 с входом микро-ЭВМ 9. Сущность предлагаемого способа измерения влажности заключается в следующем. Емкостной преобразователь влажности заполняют исследуемым материалом. На последовательно включенные образцовый конденсатор и емкостной преобразователь влажности с исследуемым материалом воздействуют высокочастотным переменным напряжением от высокочастотного генератора. Измеряют фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности с помощью цифрового фазометра, отношение амплитуды высокочастотного напряжения на образцовом конденсаторе с помощью цифрового измерителя отношения и частоту высокочастотного генератора с помощью цифрового частотомера. Полученные значения цифровых кодов через интерфейсное устройство поступают на микро-ЭВМ, которая вычисляет влажность исследуемого материала по формуле где где - коэффициент пропорциональности, определяемый при градуировке; - отношение амплитуды высокочастотного напряжения на емкостном преобразователе влажности к амплитуде высокочастотного напряжения на образцовом конденсаторе; - частота высокочастотного переменного напряжения; - емкость образцового конденсатора; - фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности. Полученное значение влажности отображается на цифровом индикаторе. Рассмотрим пример определения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности с исследуемым материалом с помощью эквивалентной схемы емкостного преобразователя влажности, изображенной на фиг.1а и ее векторной диаграмме, изображенной на фиг.1б. Комплексное сопротивление емкостного преобразователя влажности находят из выражения - фаза входного напряжения. Соответственно, напряжение на сопротивлении емкостного преобразователя влажности находят из выражения: Модуль напряжения преобразователе влажности выражения на емкостном определяют из Отношение модулей (амплитудных значений) напряжений на емкостном преобразователе влажности и образцовом конденсаторе находят из выражения где - активная составляющая комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности; - реактивная составляющая комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности; Ток протекающий через последовательное соединение образцового конденсатора и емкостного преобразователя влажности можно найти из формулы: где - комплексная амплитуда входного напряжения, сопротивление образцового конденсатора. Комплексную амплитуду напряжения на образцовом конденсаторе определяют из выражения Фазовый сдвиг между напряжениями определяют из выражения и Следовательно Используя выражения (2) и (3) находят расчетные соотношения для составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности: Таким образом, измеряя амплитуды напряжения на преобразователе влажности к отношение емкостном амплитуде напряжения на образцовом конденсаторе, а также фазовый сдвиг между ними, можно определить активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, которые, как видно из выражений (4) и (5), в одинаковой степени информативны в отношении влагосодержания. При увеличении влажности исследуемого материала, увеличивается его диэлектрическая проницаемость, благодаря разнице в диэлектрических проницаемостях воды (81) и исследуемого сухого материала (2 ... 10), в результате этого увеличивается реактивная составляющая комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности. При увеличении влажности исследуемого материала увеличиваются также диэлектрические потери (активная составляющая комплексного сопротивления емкостного преобразователи влажности) из-за поляризации свободной влаги в составе исследуемого материала. Поэтому, для повышения чувствительности и точности измерения предложено перемножить активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, исходя из формул где - крутизна преобразования реактивной составляющей комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, пропорциональной влажности исследуемого материала, в измеряемую величину; - крутизна преобразования активной составляющей комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, пропорциональной влажности исследуемого материала, в измеряемую величину; - крутизна преобразования произведения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, пропорциональной влажности исследуемого материала, в измеряемую величину; - числовой код произведения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности, пропорциональный влажности исследуемого материала Из записанных выражений определяют влажность исследуемого материала по формуле где - коэффициент пропорциональности; сопротивление образцового конденсатора. где - частота высокочастотного переменного напряжения; - емкость образцового конденсатора. Окончательно получим Использование предлагаемого способа измерения влажности позволяет не только исключить мешающее действие сопротивления диэлектрических потерь, а использовать его в качестве дополнительного информативного параметра при измерении. Кроме того, мы исключаем влияние непостоянства высококачественного напряжения питающего генератора на активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления емкостного преобразователя влажности. Устройство для измерения влажности работает следующим образом (фиг.2). Сигналом от микро-ЭВМ включается питание высокочастотного генератора 1, цифрового частотомера 2, цифрового фазометра 6 и цифрового измерителя отношения 7. Переменное напряжение от высокочастотного генератора 1 поступает на вход цифрового частотомера 2 и на первичную обмотку симметрирующего трансформатора 3, ко вторичной обмотке которого подключены емкостной преобразователь влажности 5 и образцовый конденсатор 4, средняя точка последних заземлена. Наличие исследуемого материала в емкостном преобразователе влажности проверяется. по вносимому им фазовому сдвигу, соответствующему для пустого емкостного преобразователя влажности. Если это условие не выполняется, то с панели управления микро-ЭВМ оператором производится ввод значений коэффициента пропорциональности определяемого при градуировке для каждого материала и емкости образцового конденсатора. Далее по программе с помощью цифрового частотомера 6 измеряют фазовый сдвиг между высокочастотными напряжениями на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности, ас помощью цифрового измерителя отношения 7 измеряют отношение амплитуды высокочастотного напряжения на емкостном преобразователе влажности к амплитуде высокочастотного напряжения на образцовом конденсаторе. Цифровые коды, соответствующие частоте высокочастотного переменного напряжения, измеренному фазовому сдвигу и измеренному отношению амплитуд через интерфейсное устройство 8 поступает на микроЭВМ 9 с панелью управления 10, которая обрабатывает результаты по программе и отображает их на цифровом индикаторе 11. Алгоритм работы устройства для измерения влажности изображен на фиг.3. Преимущество предлагаемого способа и устройства для измерения влажности состоит также в том, что для его осуществления не требуется изготовления дополнительных измерительных средств. Все приборы выпускаются серийно. Пример. В качестве объекта измерения был выбран влажный речной песок. Измерения проводились на частоте емкости образцового при конденсатора При этих условиях коэффициент пропорциональности, полученный в процессе градуировки Результаты измерения оказались следующими: При этом, влажность оказалась равной: речного песка