Кондуктометричний вимірювач вологості

Кондуктометричний вимірювач вологості, що містить генератор змінного струму підвищеної частоти, до якого підключений вимірювальний контур, що складається з послідовно з'єднаних кондуктометричного датчика вологості і додаткових високоомних резисторів, які вмикаються в контур перемикачем меж вимірювання, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, випрямляч, фільтр нижніх частот і вимірювальний прилад, при цьому вибірковий підсилювач ввімкнений паралельно додатковим високоомним резисторам, який відрізняється тим, що додатково введені керований подільник напруги, перший і другий автоматичні перемикачі, подільник частоти, джерело стабільної опорної напруги, диференційний підсилювач і інтегратор, при цьому вихід генератора змінного струму підвищеної частоти з'єднаний з входом керованого подільника напру ги, високопотенцшнии і низькопотенцшнии виходи якого з'єднані з входами першого автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний з точкою з'єднання додаткових високоомних резисторів, що почергово підключаються до входу перемикача меж вимірювання, один втичний рознім кондуктометричного датчика вологості з'єднаний з високопотенційним виходом керованого подільника напруги, а другий втичний рознім разом з виходом перемикача меж вимірювання підключений до входу вибіркового підсилювача, вихід якого з'єднаний з входом випрямляча, який виходом з'єднаний з входом фільтра нижніх частот, вихід якого з'єднаний зі входом другого автоматичного перемикача, один вихід якого підключений до входу вимірювального приладу, а другий вихід з'єднаний з одним входом диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з виходом джерела стабільної опорної напруги, вихід диференційного підсилювача через інтегратор з'єднаний з керуючим входом керованого подільника напруги, вхід подільника частоти підключений до виходу генератора змінного струму підвищеної частоти, а вихід подільника частоти з'єднаний з керуючими входами першого та другого автоматичних перемикачів (О (О (О Винахід відноситься до області аналізу складу матеріалів електричними засобами і може бути застосований для вимірювання вологості дисперсних матеріалів за їх повним електричним опором Залежність між повним електричним опором дисперсних матеріалів і їх вологістю в області малих і середніх значень вологості (5-30%) досить точно може бути виражена логарифмічним рівнянням, в якому логарифм повного опору пропорційний масовій частці вологи БІЛЬШІСТЬ дисперсних матеріалів у сухому стані є більш-менш хорошими діелектриками з питомим опором 1010-1015Ом см При зволожуванні цих матеріалів їх опір різко зменшується - на багато порядків Вимірювання вологості меншої за 10% пов'язане з великими похибками, що вносяться шунтуючим ефектом вхідного опору засобу вимі рювання, опору датчика Тому створюють різні схеми, в яких застосовують підсилювачі з великим вхідним опором, а також логарифмуючі схеми для лінеаризації градуювальної характеристики Відомо багато схем кондуктометричних вологомірів, які описані в технічній літературі Так, наприклад, відомий кондуктометричний вимірювач вологості (див Мелкумян В Е Измерение и контроль влажности материалов М Издательство стандартов, 1970, С 68-71), що містить кондуктометричний датчик, включений в мостову схему змінного струму, транзисторний підсилювач, підключений до виходу моста, і вольтметр Проте через логарифмічну залежність повного опору датчика від вологості шкала вольтметра, яким вимірюють вихідну напругу мостової схеми, дуже нерівномірна, що приводить до великих похибок вимірювання вологості, особливо якщо остання змінюється в широких межах Відомий ковдуктометричний вимірювач вологості (див Дубровный В А Кондуктометрический датчик влажности для исследования процессов влажно-тепловой обработки//Известия вузов Технология легкой промышленности - № 1 , 1964 С 115-121), що містить у собі генератор підвищеної частота, трансформатор, до якого підключено вимірювальний контур з послідовно з'єднаними кондуктометричним датчиком вологості і набором додаткових резисторів, які вмикаються в контур перемикачем меж вимірювання, катодний повторювач на електронній лампі, що забезпечує високий вхідний опір вимірювача падіння напруги на кондукгомегричному датчику, випрямляч і автоматичний потенціометр, який вимірює суму напруг з виходу катодного повторювача, пропорційну логарифму опору кондуктометричного датчика, і електрорушійної сили термопари, яка вбудована в датчик вологості Таким чином забезпечується спрямлення шкали вологоміра і компенсація температурної похибки останнього Проте використання електронних ламп при сучасній елементній базі недоцільно і неефективно, що обмежує можливість використання даного кондуктометричного вимірювача вологості в сучасних системах автоматичного контролю Відомий також кондуктометричний вимірювач вологості (див Таланчук П М , Скрипник Ю О , Дубровний В О Засоби вимірювання в автоматичних інформаційних та керуючих системах - К Райдуга, 1994, С 495-498), що містить генератор змінного струму підвищеної частоти, до якого підключений вимірювальний контур, що складається з послідовно з'єднаних кондуктометричного датчика вологості і додаткових високоомних резисторів, які вмикаються в контур перемикачем меж вимірювання, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, випрямляч, фільтр нижніх частот і вимірювальний прилад, при цьому вибірковий підсилювач ввімкнений паралельно додатковим високоомним резисторам Крім того, кондуктометричний вимірювач вологості включає термопару, яка вбудована в кондуктометричний датчик вологості Цей вимірювач вологості, не дивлячись на його відносну простоту, забезпечує ЛІНІЙНІСТЬ шкали вологоміра в межах середніх значень (14-25%) вологості Проте розширення діапазону вимірювання в область малих значень вологості (менше 10%) приводить до різкого збільшення похибки і пониження чутливості через шунтуючу дію вхідного опору підсилювача на високоомний додатковий резистор вимірювального контуру Крім того нелінійна залежність між падінням напруги на додатковому резисторі і вологістю матеріалу в кондуктометричному датчику через шунтуючу дію вхідного опору засобу вимірювання знижує точність вимірювання вологості В основу винаходу покладено задачу створення такого кондуктометричного вимірювача вологості, в якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б виключити шунтуючу дію вхідного опору підсилювача на додатковий високоомний резистор вимірювального контура, вплив нестабільності характеристик підсилювача, випрямляча і 46466 інших складових частин схеми вимірювача на ЛІНІЙНІСТЬ І похибки перетворення вологості в електричний сигнал, що забезпечить розширення діапазону вимірюваної вологості і підвищення точності її вимірювання Поставлена задача вирішується тим, що в кондуктометричний вимірювач вологості, що містить генератор змінного струму підвищеної частоти, до якого підключений вимірювальний контур, що складається з послідовно з'єднаних кондуктометричного датчика вологості і додаткових високоомних резисторів, які вмикаються в контур перемикачем меж вимірювання, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, випрямляч, фільтр нижніх частот і вимірювальний прилад, при цьому вибірковий підсилювач ввімкнений паралельно додатковим високоомним резисторам, згідно винаходу, додатково введені керований подільник напруги, перший і другий автоматичні перемикачі, подільник частоти, джерело стабільної опорної напруги, диференційний підсилювач і інтегратор, при цьому вихід генератора змінного струму підвищеної частоти з'єднаний з входом керованого подільника напруги, високопотенційний і нгоькопотенційний виходи якого з'єднані з входами першого автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний з точкою з'єднання додаткових високоомних резисторів, що почергово підключаються до входу перемикача меж вимірювання, один етичний роз'єм кондуктометричного датчика вологості з'єднаний з високопотенційним виходом керованого подільника напруги, а другий етичний роз'єм разом з виходом перемикача меж вимірювання підключений до входу вибіркового підсилювача, вихід якого з'єднаний з входом випрямляча, який виходом з'єднаний з входом фільтра нижніх частот, вихід якого з'єднаний зі входом другого автоматичного перемикача, один вихід якого підключений до входу вимірювального приладу, а другий вихід з'єднаний з одним входом диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з виходом джерела стабільної опорної напруги, вихід диференційного підсилювача через інтегратор з'єднаний з керуючим входом керованого подільника напруги, вхід подільника частоти підключений до виходу генератора змінного струму підвищеної частоти, а вихід подільника частоти з'єднаний з керуючими входами першого та другого автоматичних перемикачів Саме введення в схему кондуктометричного вимірювача вологості керованого подільника напруги, першого та другого автоматичних перемикачів, подільника частоти, генератора стабільної опорної напруги, диференційного підсилювача і інтегратора вказаним способом забезпечує незалежність вихідної напруги вимірювального контура від вхідного опору вибіркового підсилювача, а також нестабільності коефіцієнта підсилення вибіркового підсилювача, коефіцієнтів передачі випрямляча і фільтра нижніх частот Вихідна напруга постійного струму, що пропорційна логарифму повного опору кондуктометричного датчика вологості, практично лінійна і реєструється вимірювальним приладом Це забезпечує розширення діапазону вимірюваної вологості і підвищує точність її 46466 вимірювання На фіг 1 зображена функціональна схема кондуктометричного вимірювача вологості, на фіг 2 - ЛІНІЙНІ логарифмічні характеристики вимірювального контура, де 20, 21 і 22 - ДІЙСНІ залежz, и4 ності —- від U — при трьох десятикратних величиZ 2 0 нах Z2, a 23, 24 і 25 - спрямляючі прямі з трьома значеннями коефіцієнта нахилу, на фіг 3 - значення похибок від нелінійності вимірювального контура, на фіг 4 - шкали вимірювача вологості на різних межах діапазону вимірювання Кондуктометричний вимірювач вологості (фіг 1) містить в собі генератор змінного струму 1 підвищеної частоти, керований подільник напруги 2, перший автоматичний перемикач 3, тригерний подільник частоти 4, втичні роз'єми 5, якими шд'єднується кондуктометричний датчик вологості 6, набір додаткових високоомних резисторів 7 вимірювального контура, які вмикаються в контур перемикачем 8 меж вимірювання, резистор 9, що еквівалентний вхідному опору вибіркового підсилювача 10, випрямляч 11, фільтр 12 нижніх частот, другий автоматичний перемикач 13, вимірювальний прилад 14, конденсатори 15 і 16, диферешдйний підсилювач 17, джерело стабільної опорної напруги 18 і інтегратор 19 До виходу генератора 1 змінної напруги під'єднаний керований подільник напруги 2, високопотенційний і нгоькопсяенцшний виходи якого з'єднані з входами першого автоматичного перемикача 3, керуючий вхід якого з'єднаний із виходом подільника частоти 4, який входом під'єднаний до виходу генератора 1 Високопотенційний вихід керованого подільника напруги 2 через один етичний роз'єм 5 з'єднується з кондуктометричним датчиком 6 вологості, який через другий етичний роз'єм 5 з'єднується з входом вибіркового підсилювача 10, а також перемикачем 8, чим визначається під'єднання одного з додаткових високоомних резисторів 7, опори яких кратні десяти До виходу вибіркового підсилювача 10 підключені послідовно з'єднані випрямляч 11, фільтр 12 нижніх частот і другий автоматичний перемикач 13, один вихід якого з'єднаний з вимірювальним приладом 14, що зашунтований конденсатором 15, а другий вихід з'єднаний з одним входом диференційного підсилювача 17, що зашунтований конденсатором 16 Другий вхід диференційного підсилювача 17 з'єднаний з виходом джерела стабільної опорної напруги 18, а вихід диференційного підсилювача 17 через інтегратор 19 з'єднаний з керуючим входом подільника напруги 2 Керуючі входи автоматичних перемикачів 3 і 13 з'єднані між собою паралельно і через подільник частоти 4 під'єднані до виходу генератора змінного струму 1 Залежно від очікуваного значення вологості встановлюють лінійну шкалу вологоміра під'єднанням ВІДПОВІДНОГО додаткового високоомного резистора 7 перемикачем 8 Вибірковий підсилювач 10 налагоджують на частоту змінного струму генератора 1 Кондуктометричний вимірювач вологості працює таким чином З виходу генератора 1 змінна напруга Ui(t)=Umisin(2TTf+cp) з амплітудою Umi і підвищеною частотою f=1 5кГц через керований подільник напруги 2, що має коефіцієнт передачі k-і, поступає на входи автоматичного перемикача 3, яким керує вихідна напруга подільника частоти 4 На виході тригерного подільника частоти формується керуюча напруга прямокутної форми з частотою F в 64128 разів менша від частоти f генератора 1 Частота F задається коефіцієнтом ділення частоти подільника 4 До виходу перемикача 3 через втичний роз'єм 5 під'єднують кондуктометричний датчик вологості 6, повний опір якого позначимо Zi Послідовно З НИМ під'єднані додаткові високоомні резистори 7, опір яких Z2 перемикачем 8 можна змінювати ступенями, кратними десяти При положенні перемикача 3, що вказаний на фіг 1, паралельно з додатковим високоомним резистором 7, що має повний опір Z2, вмикається підсилювач 10, вхідний опір якого дорівнює Zs (на фіг 1 цей опір умовно позначений резистором 9) Згідно З характеристикою кондуктометричного датчика вологості в межах вологості 5-30% залежність опору датчика від вологості може бути виражена логарифмічним рівнянням lgZ=a-bwx, (1) де Z - повний електричний опір кондуктометричного датчика вологості, а і b - константи досліджуваного матеріалу, значення яких визначаються структурою матеріалу, вмістом солей, кислот або лугів, температурою, тиском (ущільненням матеріалу) і т п, w x - масова вологість матеріалу в % Кондуктометричний датчик вологості 6 з резистором 7 і 9 утворюють подільник напруги з коефіцієнтом передачі к!2 ДЄ Z' 2 =" - повний опір паралельно зєдна них резисторів 7 і 9 Вихідну напругу вибіркового підсилювача 10, що налагоджений на частоту f, можна подати у вигляді f/ 2 (0=^^^iSin(2#+ ? J ) ! (3) де кі - коефіцієнт передачі керованого подільника напруги 2, кз - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача на частоті налагодження f Підсилена напруга U'2(t) детектується випрямлячем 11, згладжується фільтром 12 нижніх частот В результаті вказаних перетворень на виході фільтра 12 з'являється напруга постійного струму U l 3=k 1 k l 2k3k4k5U m i l (4) де к4 - коефіцієнт передачі випрямляча 11, кб - коефіцієнт передачі фільтра 12 При протилежному положенні перемикача З змінюється конфігурація подільника напруги на вході вибіркового підсилювача 10 Кондуктометричний датчик 6 і додатковий резистор 7 включаються паралельно і під'єднуються до високопотенційного виходу керованого подільника 2 Коефіцієнт 46466 передачі к\ подільника 2 на вході вибіркового підсилювача 10, вхідний опір якого Z3, буде *2 ~~ ~ Z де Z'-F ' W/ Z 1 2 ЯКЩО перетворити коефіцієнти передачі к'г і к''2 з врахуванням шунтуючого впливу вхідного опору підсилювача 10, то одержимо - повний опір паралельно включе z +Z 1 (12) U4 2 них датчика 6 і додаткового високоомного резистора 7 ВІДПОВІДНО на виході фільтра 12 формується напруга постійного струму и'з=кік'2кзк4к5и т і, (6) Таким чином, при перемиканні перемикача З напруга ІІ'з ЗМІНЮЄТЬСЯ ДО значення и''з і навпаки Стала часу т фільтра 12 вибирається меншою за період керуючої напруги з частотою F, яка формується подільником частоти 4 (3T