Цифровий двочастотний вологомір

Изобретение относится к области влагометрии и может быть использовано для контроля влажности сыпучих материалов. Известен также цифровой двухчастотный влагомер (прототип), содержащий генераторы низкой и высокой частот, которые соединены с первым и вторым входами автоматического переключателя соответственно, измерительный преобразователь, включающий образцовый конденсатор и емкостной датчик, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, микроЭВМ с панелью управления и цифровой индикатор. Кроме того, устройство содержит блок автоматической стабилизации амплитуды напряжения генераторов низкой и высокой частот на емкостном датчике, цифровой вольтметр и цифровой фазометр, соединенные с выходом измерительного преобразователя. Погрешность статизма блока автоматической стабилизации амплитуды генераторов низкой и высокой частот, а также амплитудно-фазовая погрешность фазометра, обусловливают низкую чувствительность устройства в усло виях, при которых информативный сигнал становится соизмеримым с флуктуациями, обусловленными суммарной погрешностью влагомера, например, при малых активных потерях в исследуемом материале или его малой влажности. В основу изобретения поставлена задача создать цифровой двухчастотный влагомер, в котором введение новых узлов позволило бы обеспечить точность контроля влажности при работе как с чистыми диэлектрическими материалами, имеющими малые активные потери, так и с диэлектрическими материалами, имеющими высокие активные потери (сквозную проводимость). Поставленная задача достигается тем, что цифровой двухчастотный влагомер, содержащий генераторы низкой и высокой частот, которые соединены с первым и вторым входами первого автоматического переключателя соответственно, измерительный преобразователь, включающий первый образцовый конденсатор и емкостной датчик, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, микроЭВМ с панелью управления и цифровой индикатор, согласно изобретению, снабжен переменным аттенюатором, последовательно соединенными множительным блоком, фильтром нижних частот и усилителем, вторым образцовым конденсатором, цифроаналоговым преобразователем и вторым автоматическим переключателем, включенным первым входом и выходом между емкостным датчиком и первым образцовым конденсатором соответственно, второй вход второго автоматического переключателя соединен с выходом второго образцового конденсатора, выход первого образцового конденсатора заземлен, входы множительного блока подключены к выходам второго автоматического переключателя и первого автоматического переключателя соответственно, к выходу последнего подключены также вход второго образцового конденсатора и вход емкостного датчика, переменный аттенюатор включен между генератором низкой частоты и первым входом первого автоматического переключателя выход усилителя соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, вход ци фроаналогового преобразователя соединен со вторым выходом микроЭВМ с панелью управления, а выход - с управляющим входом переменного аттенюатора, третий и четвертый выходы микроЭВМ с панелью управления соединены с управляющими входами первого автоматического переключателя и второго автоматического переключателя соответственно. Введение переменного аттенюатора, множительного блока, фильтра нижних частот, усилителя, второго образцового конденсатора, второго автоматического переключателя и цифроаналогового преобразователя, включенных указанным выше образом и воздействие их на емкостной датчик и образцовый конденсатор приводит к тому, что в результате перемножения сигналов низкой или высокой частот на входе и вы ходе измерительного преобразователя, а затем выделении постоянной составляющей этого сигнала, пропорциональной емкостному току измерительного преобразователя, исключается влияние активных потерь на результат измерения, а дальнейшее изменение амплитуды низкочастотного сигнала в соответствие с разницей коэффициентов передачи измерительного преобразователя на низкой и высокой частотах, измерение и вычисление относительной разности эффективных значений напряжений низкой и высокой частот на выходе множительного блока, отнесенной к низкочастотному значению, исключает влияние нестабильности генераторов низкой и высокой частот на результат измерения. Использование для измерений одного канала исключает влияние частотной погрешности блока перемножения, снижает влияние временной нестабильности коэффициентов передач множительного блока, фильтра нижних частот и аналого-цифрового преобразователя на результат измерения исключает необходимость выбора элементов с индентичными характеристиками, что позволяет обеспечить точность контроля влажности при работе как с чистыми диэлектрическими материалами, имеющими малые активные потери, так и с диэлектрическими материалами, имеющими высокие активные потери (сквозную проводимость), На фиг. 1 показана блок-схема цифрового двухчастотного влагомера. Устройство содержит генератор низкой частоты 1, генератор высокой частоты 2, автоматический переключатель 3, измерительный преобразователь 4, емкостной датчик 5, образцовый конденсатор 6, аналого-цифровой преобразователь 7, микроЭВМ 8 с панелью управления 9, цифровой индикатор 10, переменный аттенюатор 11, множительный блок 12, фильтр нижних частот 13, усилитель 14, второй образцовый конденсатор 15, цифро-аналоговый преобразователь 16 и второй автоматический переключатель 17. Генератор низкой частоты 1 и генератор высокой частоты 2 соединены с первым и вторым входами автоматического переключателя 3 соответственно, выход аналого-цифрового преобразователя 7 соединен со входом микроЭВМ 8 с панелью управления 9, цифровой индикатор 10 подключен к выходу микроЭВМ, второй автоматический переключатель 17 включен первым входом и выходом к емкостному датчику 5 и образцовому конденсатору 6 соответственно, второй вход второго автоматического переключателя 17 соединен с выходом второго образцового конденсатора 15, выход первого образцового конденсатора 6 заземлен, входы множительного блока 12 подключены к выходам второго автоматического переключателя 17 и первого автоматического переключателя 3 соответственно, к выходу последнего подключены также вход второго образцового конденсатора 15 и вход емкостного датчика 5, переменный аттенюатор 11 включен между генератором низкой частоты 1 и первым входом первого автоматического переключателя 3, выход усилителя 14 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 7, вход цифроаналогового преобразователя 16 соединен со вторым выходом микроЭВМ с панелью управления 9, а выход - с управляющим входом переменного аттенюатора 11, третий и четвертый выходы микроЭВМ 8 с панелью управления 9 соединены с управляющими входами первого автоматического переключателя 3 и второго автоматического переключателя 17 соответственно. Цифровой двухчастотный влагомер работает следующим образом. По команде микроЭВМ, ко входу емкостного датчика 5 подключается генератор низкой частоты 1 (автоматический переключатель 3 в положении 1), а к выходу емкостного датчика - образцовый конденсатор 6 (автоматический переключатель 17 в положении 1). При этом, на измерительный преобразователь поступает низкочастотное напряжение частоты w1, определяемое выражением: где Um1 -амплитуда низкочастотного напряжения; - относительная нестабильность амплитуды генератора низкой частоты; κ 1 - коэффициент передачи аттенюатора 11. На входы множительного блока поступают сигналы низкой частоты ал со входа и выхода измерительного преобразователя. Сигнал на входе измерительного преобразователя определяется выражением (1), а сигнал на выходе измерительного преобразователя (падение напряжения на образцовом конденсаторе 6), можно найти из выражения где Υ1 - полная проводимость емкостного датчика 5 на низкой частоте ω1 , Y2 - проводимость первого образцового конденсатора 6 на низкой частоте. Полная проводимость емкостного датчика 5 на низкой частоте определяется выражением: где к 2 - коэффициент пропорциональности, определяемый геометрическими размерами емкостного датчика 5; - комплексная диэлектрическая, проницаемость, пропорциональная массе влаги m D, массе сухого ве щества m с и массе проводящих веществ тп в объеме емкостного датчика. Образцовый конденсатор 6 выбирают таким, чтобы частотная дисперсия диэлектрической проницаемости его диэлектрика была малой на рабочих частота х. Для этого можно использовать конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется слюда, дисперсия диэлектрической проницаемости которой до сверхвысоких частот мала. В этом случае ею можно пренебречь. Проводимость образцового конденсатора 6 на низкой частоте ω1 определяется выражением где к 3 - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров первого образцового конденсатора 6; Β1 - диэлектрическая проницаемость его диэлектрика. С уче том проводимостей емкостного датчика и первого образцового конденсатоpa, определяемых выражениями (3) и (4), падение низкочастотного напряжения на первом образцовом конденсаторе 6, будет равно где Dφ1 - фазовый сдвиг, определяемый соотношением реактивной и активной проводимости емкостного датчика на низкой частоте. Сигналы, определяемые выражением (1) и (5), поступают на входы множительного блока 12, напряжение на выходе которого равно: где S - крутизна преобразования множительного блока 12; y3 - амплитудная погрешность множительного блока 12. Сигнал, определяемый выражением (6), проходит через фильтр нижних частот и усилитель. На выходе усилителя он принимает вид: где к 4, у4 - коэффициент усиления усилителя и его погрешность, вызываемая нестабильностью параметров усилителя. Напряжение U5 переводится в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе 12 и поступает на вход микро-ЭВМ, где становится пропорциональным выражению: где уD - методическая погрешность АЦП. Затем, по команде микроЭВМ, переключатель 3 переводится в положение 2. Высокочастотный сигнал, который определяется выражением: где Um2 - амплитуда высокочастотного напряжения; относительная нестабильность амплитуды высокочастотного напряжения, поступает на вход измерительного преобразователя, на выходе которого имеем где Y3 - полная проводимость емкостного датчика 5 на высокой частоте ω2; Y4 - проводимость первого образцового конденсатора 6 на высокой частоте ω2. Полная проводимость емкостного датчика на высокой частоте уменьшается за счет дисперсии диэлектрической проницаемости исследуемого материала, и определяется, в основном, массой сухого вещества , в соответствие с выражением: где ε1 (m c, m n) - комплексная диэлектрическая проницаемость, пропорциональная массе сухого вещества m с и массе проводящих ве ществ m п в объеме емкостного датчика. Проводимость первого образцового конденсатора 6 на высокой частоте определяется выражением С учетом выражений (9), (11) и (12), падение высокочастотного напряжения (10) на выходе измерительного преобразователя имеет вид где Dj3 - фазовый сдвиг, определяемый соотношением реактивной и активной проводимостей емкостной датчика на высокой частоте. Сигналы, определяемые выражениями (9) и (13) поступают на входы множительного блока 12, напряжение на выходе которого равно U7 = (S · (1 + γs) · U2 · U6 = S · (1 + ys) · (1 + γω 2) х (U2 m2(1+y2)2-k 2-e1(m c))/k3 e2 (14) где gw2 - частотная погрешность множительного блока на частоте ω2. Напряжение (14) проходит через фильтр нижних частот и усилитель. На выходе усилителя сигнал определяется выражением: Напряжение U8 в аналого-цифровом преобразователе 7 переводится в цифровой код и поступает на вход микроэвм, где принимает вид: где gD-погрешность АЦП. Следующий шаг программы проведения измерения состоит в вычислении цифрового кода разности напряжений, определяемых выражениями (8), и (16): и сведении этой разности к нулю, Для этого, цифровой код разности (17) выдается на цифроаналоговый преобразователь 16, который связан с переменным аттенюатором 11 низкочастотного генератора 1. При регулировке коэффициента передачи переменного аттенюатора, достигается условие равенства напряжений (8) и (16). При этом условии, коэффициент передачи k1 принимает вид Далее, по команде микроЭВМ, автоматический переключатель 17 устанавливается в положение 2, при котором к образцовому конденсатору 6 подключается второй образцовый конденсатор 15. Емкость С3 второго образцового конденсатора 15 выбирается при градуировке влагомера из соотношения: где Cxmax, C xmin - емкость емкостного датчика, соответствующая максимальной и минимальной влажности исследуемого материала, соответственно. При этих условиях, амплитуды сигналов, поступающих на входы множительного блока 12, соответствующие определенным положениям переключателей, будут приблизительно равны. Следовательно, будут равны и погрешности, вносимые множительным блоком и другими узлами схемы. Проводимость второго образцового конденсатора на частотах ω1 и ω2 определяется выражениями: где К5 - коэффициент пропорциональности, определяемый геометрическими размерами второго образцового конденсатора 15; e3 - диэлектрическая проницаемость его диэлектрика. При установлении автоматического переключателя 3 в положение 1, сигнал на входе микроЭВМ 8, определяется выражением: При установлении автоматического переключателя 3 в положение 2, сигнал на входе микроЭВМ 8, определяется выражением: Следующий шаг программы проведения измерений состоит в вычислении относительной разности напряжений U10 и U11, отнесенной к напряжению U10. В результате получаем При подстановке коэффициента передачи κ 1 аттенюатора 11 в соответствие с выражением (18), получаем Диэлектрическая проницаемость влажного материала на низкой частоте, то есть действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости на низкой частоте пропорциональна массе влаги и массе сухо го вещества и не зависит от массы проводящих ве ществ где к 6 - коэффициент пропорциональности. Диэлектрическая проницаемость влажного материала на высокой частоте, за счет явления дисперсии, пропорциональна в основном массе сухого ве щества и также не зависит от массы проводящих ве ществ в объеме датчика e1(m с) = k6 m c. Подставляя найденные значения e1(m B, m c) и e1(m c) в полученное выражение (24), окончательно получим Выражение (25) определяет влагосодержание исследуемого материала. Для того, чтобы определить влажность, необходимо выполнить операцию В результате получаем При этом регистрируемое напряжение (25), не зависит от массы проводящих веществ в объеме емкостного датчика 5, временной и амплитудной нестабильностей низкочастотного и высокочастотного напряжений, геометрических размеров емкостного датчика 5 и первого образцового конденсатора 6, крутизны преобразования множительного блока, его частотной погрешности и т.п., что повышает точность определения МДВ. Алгоритм работы микроЭВМ изображен на фиг. 2.