Спосіб визначення вологості матеріалів і середовищ

Изобретение относится к влагометрии и может быть использовано для определения с помощью подогревных полупроводниковых датчиков влажности жидких и газовых сред, дисперсных и волокнистых материалов, теплофизические параметры которых зависят от влажности. Известен теплофизический способ определения влажности материалов, основанный на измерении перегрева р-n перехода транзистора, работающего в диодном режиме при заданном токе нагрева, относительно исследуемого материала, с которым он находится в тепловом контакте [1]. Высокая чувствительность р-n перехода полупроводниковой структуры к температуре позволяет существенно снизить перепад температур и уменьшить рассеиваемую мощность. Недостатком известного способа является низкая точность измерения перегрева датчика из-за разброса и нестабильности параметров отдельных транзисторов. Экспрессность способа ограничена необходимостью периодической калибровки чувствительности полупроводникового термодатчика и коррекции дрейфа нуля. Известен также способ определения влажности материалов и сред [2], заключающийся в том, что приводят р-n переход транзистора в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой, пропускают ток через переход и нагревают транзистор до значения температуры выше температуры исследуемой среды, измеряют падение напряжения на переходе транзистора, увеличивают ток через транзистор до значения, при котором устанавливается падение напряжения, превышающее первоначальное не менее, чем на 3-5 порогов чувствительности измерителя напряжения, измеряют второе значение напряжения и температуру среды, определяют коэффициент теплоотдачи, по полученным данным судят о влажности. К недостаткам известного способа следует отнести невысокую точность, обусловленную сложностью контроля температуры среды в зоне контакта с преобразователем. объем которого не превышает 0.5 - 1 мм . Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения влажности материалов и сред с помощью полупроводниковых термодатчиков, имеющих р-n переход, в котором путем введения дополнительных операций и получения на их основе новой зависимости между измеряемыми характеристиками исключается необходимость измерения температуры материала или среды в зоне контакта с преобразователем, что позволяет повысить точность измерения влажности. Поставленная задача решается тем, что в способ определения влажности материалов и сред, заключающийся в том, что полупроводниковый термодатчик имеющий р-n переход приводят в тепловой контакт с исследуемым материалом или средой, пропускают через датчик первое значение тока и нагревают транзистор до температуры, выше температуры исследуемой среды, измеряют падение напряжения на р-n переходе, увеличивают ток через датчик до второго значения, при котором устанавливается падение напряжения, превышающее первоначальное не менее, чем на 3-5 порогов чувстви тельности измерителя напряжения, измеряют второе значение напряжения, определяют коэффициент теплоотдачи, по полученным данным судят о влажности, согласно изобретению, введены дополнительные операции: - после измерения второго падения напряжения уменьшают ток через датчик до третьего значения, соответствующего начальному участку вольтамперной характеристики р-n перехода; - измеряют третье значение падения напряжения на р-n переходе; - увеличивают ток через р-n переход до четвертого значения; - отношение четвертого и третьего токов выбирают равным отношению второго и первого токов; - определяют влажность по коэффициенту теплоотдачи транзистора, который рассчитывают по формуле: где К -- постоянная Больцмана; А=І2/І1=І4/І3; l1,U1 - первоначальный ток перегретого транзистора и соответствующее ему падение напряжения на переходе; I2U2 - второе значение тока перегретого транзистора и соответствующее ему падение напряжения; l3, U3 - третье значение тока и соответствующее ему падение напряжения на переходе; l4U4 - четвертое значение тока и соответствующее ему падение напряжения; q - заряд электрона; F - поверхность теплообмена транзистора. Введение указанных операций и получение на их основе новой расчетной формулы позволило устранить недостатки, свойственные способам определения влажности на основе малоинерционных транзисторных термодатчиков. Именно дополнительные операции по изменемию тока перехода транзистора, измерению установившегося падения напряжения и соответствующие расчеты обеспечили решение поставленной задачи изобретения. На фиг.1 приведена структурная схема і устройства, позволяющего реализовать предложенный способ, а на фиг.2 показан алгоритм его работы. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Известно, что связь между током I через р-n переход и падением напряжения на нем U определяется уравнением: где Is - ток насыщения, зависящий от температуры перехода; В - коэффициент, имеющий размерность температуры, характеризующий прямой ток через переход; Т - температура перехода; q - заряд электрона; К - постоянная Больцмана. Падение напряжения на открытом р-n переходе при токе I через него определяется приближенной формулой: Способ осуществляется следующим образом. Через открытый р-n переход транзистора в диодном включении пропускают ток и измеряют падение напряжения U 1 на переходе: где D U1 - напряжения наводок и помех. Ток l1 выбирают из условия перегрева перехода относительно влажной среды на 1 ¸ 2 К. В этом случае падение напряжения на переходе определяется температурой окружающей среды То и перегревом переходаТ1; Температура перегрева перехода пропорциональна электрической мощности, рассеиваемой на переходе и обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи и поверхности теплообмена транзистора. Для небольших перегревов ( D Т = 1 ¸ 2 К) справедливо соотношение где h - коэффициент теплоотдачи; F - поверхность теплообмена. Коэффициент теплоотдачи функционально связан с влажностью W среды, с которой контактирует транзистор. Изменяют ток через переход на величину, достаточную для измерения нового значения падения напряжения. За измеряемое значение принимают величину, превышающую порог чувствительности измерителя напряжения в несколько раз. Обычно, за порог чувствительности измерителя принимают среднеквадратичное отклонение указателя (дрейф нуля). При нормальном законе распределения случайной величины максимальное значение погрешности измерения С вероятностью Р = 0,997 не превышает утроенного значения среднеквадратичного отклонения. Если порог чувствительности ' измерителя, соответствующий минимальному обнаруживаемому напряжению равен d U, те за измеренное значение напряжения принимается величина: С учетом соотношения (4) изменяют ток через переход до значения, вызывающего установившееся падение напряжения, значение которого где D Т2 - установившийся перегрев при втором значении тока; D U2 - напряжение наводок и помех при втором измерении. По выражению (3) перегрев D Т2 определяется соотношением: Учитывая, что U1 и U2 близки по величине в пределах пороговых значений, разность перегревов близка к нулю: В соответствии с (7) перегревы D Т1 и D Т2 в выражениях (2) и (5) можно представить в виде среднего перегрева: С учетом (8) падения напряжений от токов її и І2 с учетом перегрева перехода можно представить в виде: Уменьшают ток через переход транзистора до значения и измеряют установившееся падение напряжения на переходе: где D Т3 - величина перегрева транзистора при третьем значении тока; D U3 - напряжения наводок и помех при третьем измерении. Значение тока І3 выбирают соответствующим начальному участк у вольтамперной характеристики транзистора. Этим обеспечивают минимальную величину рассеиваемой транзистором мощности. Изменяют ток перехода до значения І4 и измеряют падение напряжения на переходе: где D Т4 - величина перегрева при четвертом значении тока; D U4 - напряжения наводок и помех при четвертом измерении. Величину тока І4 выбирают таким образом, чтобы выполнялось соотношение: Поскольку значения токов І3 и І4 выбирают на начальном участке вольт-амперной характеристики, перегрев транзисторов относительно температуры окружающей среды близок к нулю и находится в пределах микроградусов. Таким образом: С учетом (14) падения напряжения при токах І3 и І 4 можно представить в виде: При определении падения напряжения на одном транзисторе и одним измерителем напряжения наводок и помех практически одинаковы. Определяют разность падений напряжений от первого и второго токов (9 и 10) через переход: Находят разность падений напряжений от третьего и четвертого (15 и 16) токов через переход: из соотношения (17) определяют средний перегрев перехода: По выражению (18) находят значение температуры среды I: Подставляя (20) в (19), принимая во внимание (8), получают: Из уравнения (21) получают уравнение, описывающее значение коэффициента теплоотдачи: Таким образом, коэффициент теплоотдачи транзисторного термодатчика, функционально связанный с влажностью исследуемой среды или материала, определяется значениями задаваемых токов перехода l1, І2, І3 и І4 и измеряемыми падениями напряжений на переходах U1, U2 , U3 и U4 . Повышение точности по сравнению с прототипом достигнуто исключением необходимости измерения температуры, среды или материала Тo в точке контакта с преобразователем. Интегральное значение температуры То, измеряемое в прототипе, не может однозначно характеризовать температуру а зоне контакта преобразователя с материалом вследствие существования температурных градиентов. Способ реализуется устройством, содержащим источник 1 постоянного напряжения. к выходу которого через калиброванный резистивный делитель 2 подключен один из входов переключателя 3, второй вход которого соединен непосредственно с источником 1. К выходу переключателя 3 через калиброванные резисторы 4, 5'подключены два входа переключателя 6. Выход переключателя 6 соединен с инвертирующим входом усилителя 7, образцовым резистором 8 и подогревными термодатчиками 9, 10 и 11. свободные электроды которых подключены к информационным входам переключателя 12, а его выход соединен с выходом усилителя 7. Таким образом, в зависимости от состояния переключателя 12 в цепь обратной связи усилителя 7 подключен либо один из чувствительных элементов, либо образцовый резистор 8. К выходу усилителя 7 подключен аналого-цифровой преобразователь 13. выход которого соединен с входной магистралью параллельного интерфейса 14 микроконтроллера 15. К выходным магистралям параллельного интерфейса 14 подключен индикатор 16, а так же цепи управления переключателями 3,6 и 12. Устройство, осуществляющее описанный способ, работает следующим образом. Напряжение с источника 1 через переключатели 3 и 6 поступает на инвертирующий вход усилителя 7. В цепь обратной связи усилителя 7 через управляемый переключатель 12 включены образцовый резистор 8 и подогревные термодатчики 9, 10 и 11. В зависимости от кодовой комбинации на управляющих входа х переключателя 12 в цепь обратной связи постоянно включен один из термодатчиков 9, 10, 11 или резистор 8. Входное напряжение операционного усилителя 7 близко к 0 и подогревающие токи задаются напряжением источника 1 и номинальными значениями сопротивлений калибровочных резисторов 4, 5, а так же делителя 2. Выходное напряжение операционного усилителя 7 при этом равно падению напряжения на переходе включенного в цепь обратной связи транзистора, но противоположно ему по знаку. Причем, в зависимости от положения переключателей 3 и 6. задаваемого кодовой комбинацией на выходной магистрали параллельного интерфейса 14, напряжение с источника 1 на вход усилителя 7 поступает через калиброванные резисторы 4 или 5, либо через делитель напряжения 2 и резисторы 4 или 5. Таким образом задают четыре значения тока через р-n переход транзистора. Поскольку значения токов задаются калиброванными резисторами, то выходные напряжения являются функциями перегрева переходов, которые в свою очередь определяются влажностью или температурой исследуемой среды. Выходные напряжения усилителя 7 через аналого-цифровой преобразователь 13 поступают на входную магистраль параллельного интерфейса 14 микроконтроллера 15 и записываются в оперативную память. Функционированием устройства управляет программа, записанная в ПЗУ контроллера. Процесс измерений осуществляется в соответствии с алгоритмом, показанным на фиг.2 и протекает следующим образом- В память микроконтроллера перед началом измерений вводятся значения используемых констант, параметры градуировочной кривой, номера и количество термодатчиков. После запуска программы по сигналу с микроконтроллера переключатель 12 устанавливается в положение 1, при этом в цепь обратной связи усилителя 7 включается образцовый резистор 8. Затем, по команде микроконтроллера переключатели 3 и б устанавливаются в положение 1. При этом через образцовый резистор 8 протекает первое значение тока її. вызывающее падение напряжения U1' на резисторе 8. На выходе усилителя 7 и АЦП 13 формируется код, соответствующий падению напряжения на резисторе 8, который записывается в память микроконтроллера. После этого по команде с микроконтроллера переключатель 6 устанавливается в положение 2 и в память микроконтроллера записывают код. соответствующий падению напряжения U2' на резисторе 8 при втором значении тока. Аналогичным образом получают и запоминают значения падений напряжения для третьего и четвертого токов, когда переключатель 3 устанавливается в положение 2, а переключатель 6 - в положение 1 (U3') или 2 (U4'). По значениям полученных падений напряжений на резисторе 8 определяют значения задаваемых токов: После проведения цикла калибровочных замеров токов по команде с микроконтроллера переключатель 12 устанавливается в положение 2, при этом в цепь обратной связи усилителя 7 включается термодатчик 9. При включении в цепь обратной связи усилителя 7 термодатчика 9 осуществляется измерение падений напряжения на переходе при четырех значениях токов, определяемых положением переключателей 3 и 6. По полученным данным на основе выражения (22) вычисляется значение коэффициента теплоотдачи h . По введенной в память микроконтроллера градуировочной кривой определяется соответствие искомой влажности полученному значению коэффициента теплоотдачи. На индикатор выводится результат измерения и номер термодатчика. Затем осуществляется проверка положения ключа 12. Если в цепь обратной связи включен не последний термодатчик, производится переключение переключателя 12 и вновь производятся замеры. В противном случае цикл измерений заканчивается. Градуировочная зависимость значений коэффициента теплоотдачи от влажности среды определяется экспериментально. Для экспериментов используют камеру с регулир уемой влажностью и температурой. Влажность в камере задают используя насыщенные растворы различных солей (CaCI2, LiCI, NaCI и др.). Фактические значения влажности контролируют психометром Астмана, имеющим погрешность 0.5%. Температуру в камере изменяют и поддерживают на заданном уровне с помощью терморегулятора. В камеру помещают термодатчики и в соответствии с описанным выше алгоритмом осуществляют измерения и рассчитывают коэффициент теплоотдачи при различных заданных значениях влажности. Через полученное семейство точек проводят кривую, которую аппроксимируют соответствующим уравнение любым из известных методов, например, методом наименьших квадратов. Полученные данные заносят в память микроконтроллера. В качестве подогревных термодатчиков в устройстве могут быть использованы бескорпусные транзисторы, например, типа КТ384А. Резистивный делитель напряжения, калиброванные и образцовый резисторы типа С5-28ВТ. В качестве управляемых переключателей можно использовать аналоговые коммутаторы К590КТ1, К590КН1. Операционный усилитель типа К1407УД1. Аналого-цифровой преобразователь - Ф7077. В качестве вычислительного и управляющего устройства использован программируемый микроконтроллер МС2702, в состав которого входят схема параллельного интерфейса и пульт управления. Технико-экономические преимущества предлагаемого способа по сравнению с известными обеспечиваются повышением точности контроля влажности за счет исключения влияния градиента температур в точке контроля и повышения достоверности контроля температуры в зоне контакта преобразователя со средой.