Портативний пристрій для визначення вологості матеріалів
Номер патенту: 109246
Опубліковано: 25.08.2016
Автори: Мамикін Андрій Васильович, Павлюченко Олексій Сергійович, Кукла Олександр Леонідович
Формула / Реферат
Пристрій для вимірювання вологості досліджуваного матеріалу, який містить генератор змінної напруги, що підключений на вхід подільника напруги, який складається з ємнісного датчика із досліджуваним об'єктом та включеного послідовно з ним резистора навантаження, який відрізняється тим, що застосовується генератор напруги із змінною частотою, вхідний і вихідний сигнали подільника напруги підключені до двоканального аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний із входом аналізатора, вихід останнього підключений до мікропроцесорного пристрою, який, в свою чергу, підключений до входу керування робочою частотою генератора напруги, а також до електронно-обчислювальної машини для подальшої математичної обробки даних.
Текст
Реферат: Пристрій для вимірювання вологості досліджуваного матеріалу, який містить генератор змінної напруги, що підключений на вхід подільника напруги, який складається з ємнісного датчика із досліджуваним об'єктом та включеного послідовно з ним резистора навантаження, причому застосовується генератор напруги із змінною частотою, вхідний і вихідний сигнали подільника напруги підключені до двоканального аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний із входом аналізатора, вихід останнього підключений до мікропроцесорного пристрою, який, в свою чергу, підключений до входу керування робочою частотою генератора напруги, а також до електронно-обчислювальної машини для подальшої математичної обробки даних. UA 109246 U (12) UA 109246 U UA 109246 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель, що заявляється, належить до галузі електроніки, конкретно до електронних пристроїв, що забезпечують діелектрометричний спосіб контролю вологості матеріалів (твердих, рідких, газоподібних та ін.), і може бути використана при розробці електронної апаратури для експресного визначення вологості в польових умовах з відбором або без відбору проби та без рутинного довготермінового лабораторного аналізу (зневоднення, зважування і т.п.). В основі роботи пристроїв, що реалізують діелектрометричний метод визначення вологості різних середовищ, лежить той факт, що діелектрична проникність композитної речовини, в яку входить вода, може бути визначена як лінійна комбінація цих параметрів з ваговими коефіцієнтами, пропорційними концентраційному вкладу кожної складової. При цьому діелектрична проникність власне води, як сильно полярної речовини, як правило значно перевищує таку для більшості інших матеріалів. Тому для визначення вологості досліджуваної речовини проводиться вимірювання електричної ємності комірки конденсаторного типу, між обкладинками якого знаходиться така речовина. При цьому зміна електричної ємності в залежності від вологості матеріалу часто досить добре описується лінійним законом, а коефіцієнт пропорційності слабо залежить від температури. Зауважимо, що присутність вологи в досліджуваному матеріалі призводить до появи в складі загальної провідності розглядуваного конденсатора одночасно з реактивною (ємнісною) також і активної складової. Наявність останньої призводить до необхідності проведення вимірювань повного опору (імпедансу) розглядуваної комірки, еквівалентна схема якої складається із паралельно сполучених ємності С та шунтуючого опору R. Існують декілька способів вимірювань повного опору (і відповідно електричної ємності) вказаної електричної комірки. Відомий пристрій для оперативного визначення концентрації водно-спиртових розчинів [1], в якому до досліджуваної проби прикладається змінна електрична напруга фіксованої частоти (1 МГц), вимірюється величина імпедансу розчину на цій частоті, із виміряного значення визначається діелектрична проникність розчину, яка перераховується у вміст етилового спирту за допомогою калібрувальної залежності. Для визначення імпедансу використовується вимірювач імітансу Е7-12 (цифровий врівноважуючий міст змінного струму), що працює в режимі виміру діелектричної проникності. Недоліком цього пристрою є можливість проведення вимірювань лише на одній фіксованій частоті в 1 МГц. Ця частота є оптимальною для визначення вологості спирту [2], але для визначення вологості інших речовин, наприклад нафти, продуктів її переробки, бензанольних палив (суміші бензину та спирту) або рідин з великою в'язкістю, потрібна інша частота або діапазон частот [3, 4]. Відомий пристрій для вимірювання вологості [5], в якому ємнісний датчик включають в коливальний контур, який збуджують напругою змінної частоти, потім виділяють амплітуду вихідного сигналу, за максимумом якої (резонансом в коливальному контурі) визначають частоту резонансу і відповідну їй величину електричної ємності. Недоліком вказаного пристрою є зменшення точності вимірювань при великих концентраціях вологи в матеріалі. Це викликано тим, що збільшення кількості вологи в досліджуваному матеріалі призводить до зменшення активного опору R і відповідного зменшення добротності коливального контуру, що призводить до визначення резонансної частоти і відповідної величини електричної ємності зі значною похибкою. Відомий пристрій для діелектрометричного контролю вологості матеріалів [6], в якому для компенсації вказаного явища пропонується проводити пошук резонансної частоти за два такти, причому на першому такті проводиться грубе визначення частоти резонансу, а на другому такті положення резонансної частоти уточнюється за рахунок зменшення швидкості розгортки частоти збуджуючої напруги. Запропонований спосіб дійсно підвищує точність визначення вологості речовини, але принципово позбавитися вказаної недоліки не дозволяє, тому зі збільшенням вологості похибка збільшується. Відомий пристрій для визначення вологості [7], що складається з ємнісного датчика, включеного в вимірювальний двополюсник генератора електричних коливань. При цьому частота генерованих коливань обернено пропорційна ємності датчика, а відповідно, і вологості матеріалу. Недоліком цього пристрою, як і в попередньому випадку, є низька точність вимірювань при великих концентраціях вологи в матеріалі, яка обумовлена нестабільністю частоти генерації, що виникає в наслідок зменшення добротності коливального контура (в цьому випадку можливий навіть зрив коливань генератора). Відомий спосіб та відповідний пристрій для вимірювання ємнісного компоненту, в якому для компенсації вказаної недоліки пропонується проводити усереднення в часі частоти генерованих коливань [8]. При цьому дійсно спостерігається підвищення точності визначення вологості, але 1 UA 109246 U 5 10 15 20 25 30 35 залишається обмеження у випадку визначення високих концентрацій (оскільки існує можливість зриву коливань генератора). Як прототип вибрано пристрій для визначення вологості [9], в якому вхідна напруга подається на послідовно з'єднані ємнісний датчик і опір навантаження Rн, що утворюють подільник напруги. При цьому ємнісний датчик і опір навантаження включаються в електронну схему вимірювань різними способами, завдяки чому вихідна напруга електронної схеми може бути пропорційна або сумі активної і реактивної складових струму через датчик, або їх різниці. Якщо застосувати комбінацію різних способів вимірювання, то можна отримати значення окремо активної і реактивної складових провідності датчика і відповідно розрахувати параметри еквівалентної схеми на Фіг. 1. Суттєвою перевагою описуваного пристрою є відсутність збільшення похибки визначення вологості при великих концентраціях вологи в досліджуваному матеріалі (на відміну від резонансних способів визначення електричної ємності, реалізованих в попередніх пристроях). Недоліком цього пристрою є робота на одній фіксованій частоті збуджуючого сигналу, тому він не є універсальним вимірювачем, оскільки для вимірювань вологості різноманітних речовин потрібні різні частоти збудження ємнісного датчика або навіть полоса частот. Задачею корисної моделі є збільшення набору досліджуваних речовин при збереженні точності вимірювання, з метою створення універсального аналізатора вологості матеріалів. Поставлена задача в портативному пристрої для визначення вологості матеріалів вирішується тим, що в пристрої, який містить генератор змінної напруги, що підключений на вхід подільника напруги, який складається з ємнісного датчика із досліджуваним об'єктом та включеного послідовно з ним резистора навантаження, застосовується генератор напруги із змінною частотою, вхідний і вихідний сигнали подільника напруги підключені до двоканального аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний із входом аналізатора, вихід останнього підключений до мікропроцесорного пристрою, який, в свою чергу, підключений до входу керування робочою частотою генератора напруги, а також до електроннообчислювальної машини для подальшої математичної обробки даних. Для обґрунтування можливості вирішення поставленої задачі розглянемо більш детально роботу подільника напруги, що утворюється послідовним сполученням ємнісного датчика та резистора навантаження. Як зазначалось раніше, присутність вологи в досліджуваному матеріалі призводить до необхідності проведення вимірювань повного опору Z електрохімічної комірки. Еквівалентна схема розглядуваної комірки зображена на Фіг. 1, та складається із паралельно сполучених ємності С та шунтуючого опору R. Оскільки вхідна і вихідна напруги Uв x подільника пов'язані співвідношенням Uв их Rн , де Uв x та Uв их - комплексні значення Z Rн вхідної та вихідної напруг подільника, магмо вираз для повного опору: A A Z Rн cos() j sin( ) 1 , B B (1) де А та В - амплітуди вхідної та вихідної напруги, відповідно, - зсув фаз між ними. Для дійсної та уявної частин повного опору Z маємо відповідні вирази: 40 Re Im 45 50 R 2 2 2 2 4 C R 1 2CR 2 4 2C2R 2 2 1(2) (3) де - частота. Отже, знаючи амплітуди вхідної та вихідної напруг подільника та зсув фаз між ними, із виразів (1)-(3) можна визначити ємність С та опір R досліджуваної речовини на будь-якій частоті генерованого сигналу. Таким чином, при збудженні ємнісного датчика на частоті, що відповідає певному матеріалу, проводиться визначення параметрів С та R, а із них вологості даного матеріалу. На Фіг. 2 подана блок-схема портативного пристрою для визначення вологості матеріалів. Під керуванням мікропроцесорного пристрою (МГІП) генератор (Г) здійснює генерацію синусоїдального сигналу заданої частоти, який прикладається до входу подільника напруг. Вихідний сигнал знімається з резистора навантаження. Вхідний та вихідний сигнали синхронно 2 UA 109246 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 оцифровуються двоканальним аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП). Отримані дискретні значення надходять в аналізатор (А), що здійснює дискретне перетворення Фур'є (ДПФ) вхідного та вихідного сигналів та розраховує синусну та косинусну складові ДПФ для подальшого визначення їх амплітуд та фаз. Через мікропроцесорний пристрій отримані дані передаються до електронно-обчислювальної машини (ЕОМ), де за значеннями амплітуд та фазового зсуву із співвідношення (1) визначається повний опір комірки із досліджуваною речовиною, а із співвідношень (2)-(3) - ємність та активний опір. Визначення вологості досліджуваного матеріалу за отриманою величиною електричної ємності відбувається за допомогою калібрувальної залежності, яка зберігається в пам'яті ЕОМ. При апаратній реалізації складових блоків генератора, аналізатора та ЛЦП доцільно використовувати типові схемотехнічні рішення на основі мікроконтролерів та операційних підсилювачів (див. наприклад, [10]). Приклад конкретної технічної реалізація пропонованого портативного пристрою. Мікропроцесорний пристрій складається з головного мікропроцесора, джерела опорної напруги, блока послідовного інтерфейсу для комунікації із сполученою ЕОМ. Крім того, він здійснює керування роботою інших блоків схеми, в тому числі робочою частотою генератора напруги, синхронізацією роботи двох АЦП та блока аналізатора. Головний мікропроцесор працює на тактовій частоті 16 МГц. В межах робочого циклу (40 тактів) головний мікропроцесор виконує наступні операції: - розрахунок фазового зміщення для табульованої синусоїди у відповідності з частотою сигналу; - вибірка відповідного значення синусоїди з таблиці та видача його на вхід ЦАП; - синхронний запуск вхідного та вихідного АЦП пристрою. Вказані операції циклічно повторюються протягом 10 або більше періодів генерованого сигналу, потім генерація припиняється. На початку кожного циклу головний мікропроцесор одночасно запускає обидва АЦП. По закінченні перетворення АЦП передають цифровані значення сигналу до блока аналізатора сигналу. Блок генератора складається з цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) із фільтрами низької частоти 2-го порядку на основі операційних підсилювачів. На виході ЦАП розташовані також кола зміщення вихідного сигналу. Для генерації гармонійного сигналу здійснюється видача відліків від головного процесора на фіксованій частоті 40 кГц (~1,3 частоти Найквіста для верхньої границі робочого діапазону частот). Робочий цикл мікропроцесора в режимі генерації складає 40 тактів. Частота генерованого сигналу задається зі спряженої ЕОМ. Для генерації сигналу використовується табульована синусоїда (2048 12-розрядних позицій), що зберігається в пам'яті ПЗП мікропроцесора. Реальний динамічний діапазон може бути менше 12 розрядів для забезпечення можливості програмної корекції зміщення нуля. Блок аналізатора складається з чотирьох допоміжних мікропроцесорів (по два на кожний АЦП), що здійснюють дискретне перетворення Фур'є вхідного та вихідного сигналів (цифрованих АЦП). Далі відбувається черговий крок розрахунку ДПФ, перший з допоміжних процесорів розраховує синусну, а другий косинусну складові. Закінчивши процедуру підсумовування, допоміжні процесори повертаються до режиму очікування. Процедура розрахунку ДПФ продовжується протягом декількох (5-10) періодів вхідного гармонійного сигналу (фактична кількість періодів визначається необхідною точністю встановлення робочої частоти). В даній реалізації число відліків сигналу для розрахунку складових ДПФ визначається за наступним виразом: fsample fsample 16 n , 8 fsignal де fsample - частота дискретизації (400 кГц), fsignal - частота генерованого гармонійного сигналу. Вказаний алгоритм забезпечує лінійну залежність кількості аналізованих періодів сигналу від частоти. По закінченні заданого часу розраховані синусна та косинусна складові ДПФ передаються в головний процесор по шині SPI і далі в спряжену ЕОМ по послідовному інтерфейсу. Розрахунок амплітуд та фаз аналізованих сигналів і подальше визначення ємності датчика С та активного опору R відбувається спряженою ЕОМ. Зауважимо, що вхідний опір АЦП складає зазвичай 2-6 кОм; цей опір на Фіг. 2 включений паралельно резистору навантаження. Для запобігання такого шунтування вимірювання напруги на резисторі навантаження відбувається за допомогою буферного підсилювача, включеного в режимі повторювача. Керування процесом вимірювань відбувається керуючою програмою зі спряженої ЕОМ по послідовному інтерфейсу. Перед початком вимірювань встановлюється режим роботи 3 UA 109246 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 (вимірювання на одній частоті чи розгортка в заданому діапазоні частот). Визначення вологості досліджуваних матеріалів за отриманою величиною діелектричної проникності відбуваються за допомогою калібрувальних залежностей, які зберігаються в пам'яті ЕОМ. Наведений приклад підтверджує можливість технічної реалізації пристрою, що заявляється, на існуючій елементній базі, а також показує, що за рахунок застосування генератора напруги із змінною частотою, який збуджує ємнісний датчик в певному діапазоні частот, а також аналізатора, що здійснює цифрову обробку та попередній аналіз отриманих з датчика сигналів, можна отримати значення ємності та опору досліджуваного матеріалу на будь-якій частоті генерованого сигналу, а отже, досягти поставленої задачі вимірювання вологості різноманітних речовин з метою створення універсального аналізатора вологості матеріалів. Приклади експериментального перевірки точності вимірювання вологості деяких матеріалів пропонованим портативним пристроєм. 1. Вимірювання вологості (міцності) водно-спиртового розчину: Використовується електрохімічна комірка у вигляді двох плоско-паралельних електродів 2 площею S=1.5 см з відстанню між ними d=1,5 мм, яка включена в вимірювальну схему (Фіг. 2) послідовно з опором навантаження Rн=10 кOм. Електроди занурюються в досліджувану речовину (водно-спиртовий розчин невідомої концентрації). Частота вхідної напруги 50 кГц, амплітуда 120 мВ. Чисельне значення діелектричної проникності досліджуваного розчину C розраховується із співвідношення: p , де Cp - виміряна пристроєм ємність електрохімічної Cn комірки з досліджуваним розчином, Cn - ємність порожньої комірки (без досліджуваного розчину в міжелектродному проміжку). Виміри проводились при температурі 20 °C. Концентрація спирту (міцність) визначалась за допомогою відомої калібрувальної залежності [11]. Похибка визначення концентрації спирту згідно з даними, отриманими на макеті пропонованого пристрою, становить не більше 0,5 об. %. 2. Вимірювання вологості бензанольного палива (суміші бензину та спирту): Використовується циліндрична електрохімічна конденсаторна комірка з площею електродів 2 S=100 см , та відстанню між ними d=1,5 мм, яка включена у вимірювальну схему (Фіг. 2) послідовно з опором навантаження Rн=100 кОм. Частота вхідної напруги 1 кГц, амплітуда 10 В. Чисельне значення діелектричної проникності досліджуваного розчину розраховується із співвідношення: Cp , де Cp - виміряна пристроєм ємність електрохімічної комірки з Cn досліджуваним розчином, Cn - ємність електрохімічної комірки без досліджуваного розчину (в міжелектродному проміжку). Виміри проводились при температурі 20 °C. Вміст води (в перерахунку на міцність наявного в паливі спирту) визначався за відомою калібрувальною залежністю [12]. Зауважимо, що одночасно з діелектричною проникністю визначався також і питомий опір бензанольного палива за формулою R S . Похибка визначення міцності d наявного в бензанольному паливі спирту згідно з даними, отриманими на макеті пропонованого пристрою, становить не більше 0,8 об. %. Наведені приклади підтверджують можливість застосування запропонованого пристрою для вимірювання вологості різноманітних матеріалів з означеною точністю. Таким чином, в запропонованій корисній моделі в порівнянні з прототипом досягається збільшення набору досліджуваних речовин при збереженні точності вимірювання вологості. Джерела інформації: 1. Патент 2203485 СІ Росії, МПК G01N27/48. Способ оперативного определения крепости водно-спиртовых растворов від 27.04.2003. 2. Диэлькометрия как один из методов практической акваметрии функциональных материалов / [Бланк Т.А., Экспериандова Л.П., Сидлецкий О.Ц., Касян Н.А. и др.] // Методы и объекты химического анализа, - 2007. - т. 2, № 2. - С. 156-161. 3. Нефть и нефтепродукты. Диэлькометрический способ определения влажности: ГОСТ 14203-69. – [Действующий от 1969-02-07]. - Москва: ИПК Издательство стандартов. – (Межгосударственный стандарт). 4. Патент 93243 України на корисну модель, МПК GO IN 27/02, 27/48. Спосіб експресного визначення вмісту етилового спирту в водно-спиртовому розчині від 25.09.2014. 5. А.С. 1392478 СССР, МПК G01N 27/22. Автоматический электронный влагомер від 30.04.1988. 4 UA 109246 U 5 10 15 20 25 30 6. Патент 2416092 СІ Росії, МПК G01N27/22. Способ диэлектрометрического контроля влажности материалов від 10.04.2011. 7. А.С. 529407 СССР, МПК G01N 27/22. Автоматический электронный влагомер від 25.09.76. 8. Патент 2439593 С2 Росії, МПК G01N27/26. Способ и устройство для измерения емкости емкостного компонента від 10.01.2012. 9. Патент 84682 С2 України, МПК G01N22/00, G01N27/02, G01N27/12, G01N27/22. Спосіб вимірювання електричної ємності і визначення вологості досліджуваного об'єкта та пристрій для його здійснення від 25.11.2008. 10. А.Л. Кукла Импедансный анализатор для идентификации марок водно-спиртовых напитков. / Кукла А.Л., Павлюченко А.С., Майстренко А.С. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2012. - № 1. - С. 15-21. 11. Экспресс анализатор параметров функциональных материалов на основе метода импедансной спектроскопии / [Кукла А.Л., Мамыкин А.В., Майстренко А.С., Павлюченко А.С.] // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2012. - т. 3 (9), № 3. - С. 6-15. 12. Патент 100888 України на корисну модель, МПК G01N 27/00, 33/22. Спосіб оперативного визначення вмісту етилового спирту і води в автомобільному бензині від 10.08.2015. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для вимірювання вологості досліджуваного матеріалу, який містить генератор змінної напруги, що підключений на вхід подільника напруги, який складається з ємнісного датчика із досліджуваним об'єктом та включеного послідовно з ним резистора навантаження, який відрізняється тим, що застосовується генератор напруги із змінною частотою, вхідний і вихідний сигнали подільника напруги підключені до двоканального аналогово-цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний із входом аналізатора, вихід останнього підключений до мікропроцесорного пристрою, який, в свою чергу, підключений до входу керування робочою частотою генератора напруги, а також до електронно-обчислювальної машини для подальшої математичної обробки даних. 5 UA 109246 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6
ДивитисяДодаткова інформація
МПК / Мітки
МПК: G01N 27/12, G01N 27/22, G01N 27/02, G01N 22/00
Мітки: вологості, визначення, матеріалів, портативний, пристрій
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/8-109246-portativnijj-pristrijj-dlya-viznachennya-vologosti-materialiv.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Портативний пристрій для визначення вологості матеріалів</a>
Попередній патент: Спосіб стандартизованої ультразвукової оцінки функції єдиного шлуночка серця на етапах накладання кавапульмональних анастомозів
Наступний патент: Драбина складана транспортного засобу
Випадковий патент: Пристрій для замкнутої системи уловлювання, фільтрації і нейтралізації зварювальних аерозолів при наплавленні