Устройство измерения влажности сыпучих материалов

Устройство относится к измерительной технике, в частности к техническим средствам измерения влажности зерна во время сушки и хранения.

Известен способ (Авт. св. №630571 кл. G01N 25/56. Опубл. 30.10.78. Бюл. №40), по которому в барабанной сушилке влажность определяется по разности температур зерна и пыли, собирающейся в циклоне во время сушки.

Недостатки способа:

а) точность измерения низкая - нет устойчивой связи между температурой пыли и влажностью зерна. Она зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, изменений температуры агента сушки, которая, в свою очередь, зависит от вида и качества топлива.

Известен способ (Авт. св. №693204 кл. G01N 25/56. Опубл. 25.10.79. Бюл. №39), по которому используется зависимость энергии шума движущегося материала от влажности. Измеряется энергия шума во всей полосе частот и в части ее, составляющей 0,01-0,1 полосы.

Недостатки способа:

а) нет устойчивого распределения шума по частоте, поэтому диапазон измерения неопределен. Кроме того, результат зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, плотности и равномерности потока зерна;

б) устройство сложное - многоканальный приемник, самописец, фильтры, которые требуют настройки и контроля.

Известен способ (Авт. св. №1260802 кл. G01N 25/56. Опубл. 30.09.86. Бюл. №36), в котором влажность определяется по времени перехода частиц материала, находящегося в конденсаторе, от одной поляризации к другой.

Недостатки способа:

а) точность низкая, т.к. измеряется время нестационарного переходного процесса. Процесс нестационарный, т.к. зависит от гранулометрического состава частиц, их случайного взаиморасположения, которое меняется в процессе. Время установления любого переходного процесса, как правило, велико, поэтому конец процесса определяют по достижении определенного уровня, а этот уровень при нестационарном процессе плавает.В результате точность градуировочной кривой низкая;

б) требуется большое время для получения результата.

Известно устройство (Патент РФ №2394232 кл. G01N 25/56 Опубл. 10.07.2010) с емкостным датчиком влажности.

Недостатки устройства:

а) в устройстве используется камерный датчик, в котором образец изымается из своей среды и его характеристики отличаются от характеристик среды, а в данном случае он должен еще попасть в лабораторию, т.е. добавляются транспортные и тепловые ошибки. Поэтому точность устройства низкая;

б) в качестве датчика используется конденсатор с потерями. Но потери (активное сопротивление между электродами) не учитываются. Поэтому диапазон измерения и точность ограничены;

в) подстройка частоты генератора выполняется механическим путем, поэтому люфт, истирание поверхностей, увеличивают ошибки и уменьшают срок службы измерителя;

г) в качестве преобразователя авторами выбран мультивибратор на логическом элементе (ЛЭ). «Подобные мультивибраторы имеют невысокую временную и температурную стабильность частоты колебаний. Так для ЛЭ семейства 155 нестабильность частоты может достигнуть 5…10% при изменении напряжения питания на 5%. Колебания температуры от 5 до 60°C меняет частоту на 10…20%» (Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов [Текст] / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев - 4-е изд., доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 799 с.: ил. (стр. 649));

д) устройство сложное и громоздкое.

Известно устройство (Авт. св. №1571489 А1 кл. G01N 25/56 Опубл. 15.06.90. Бюл. №22), в котором влажность определяется по изменению сопротивления термистора

Недостаток устройства:

а) тепловые методы из-за больших шумов имеют малую чувствительность и малую точность.

Для точного определения влажности датчиком, являющимся конденсатором с потерями, необходимо точное измерение его сопротивления с учетом емкости, также зависящей от влажности.

Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототип) является устройство, содержащее генератор зарядных импульсов, неинвертирующий усилитель постоянного тока, вход которого соединен с одним из входных зажимов для подключения измеряемого резистора и с одной из обкладок образцового конденсатора, другая обкладка которого и другой входной зажим для подключения измеряемого резистора соединены с общей шиной, выход неинвертирующего усилителя постоянного тока через пороговый блок соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, а выход - с входом счетчика импульсов, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения, введены два ключа, одновибратор, инвертор, причем выход генератора зарядных импульсов через первый и второй ключи соединен соответственно с входом и выходом неинвертирующего усилителя постоянного тока, вход одновибратора соединен с третьим входным зажимом для внешнего запуска, а выход соединен с входом генератора зарядных импульсов, с входом инвертора, с управляющим входом первого ключа и с установочным входом счетчика импульсов, выход инвертора соединен с управляющим входом второго ключа и с третьим входом элемента И, а генератор зарядных импульсов содержит последовательно соединенные операционный усилитель, резистор и ключ, управляющий вход которого соединен с входом генератора зарядных импульсов, а выход - с инвертирующим входом операционного усилителя и с выходом генератора зарядных импульсов, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с источником опорного напряжения (Авт. св. №1190299 Опубл. 07.11.85. Бюл. №41).

Недостатки устройства:

1. Измеряется сопротивление датчика без учета его емкости.

2. Устройство не предназначено для автоматического периодического измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерений, упрощение устройства и его эксплуатации, сокращение времени измерений, расширение функциональных возможностей устройства.

Цель достигается тем, что устройство содержит источник опорного напряжения, генераторы тактовых импульсов и контрольной частоты, таймер, RS триггеры первый и второй, ключи первый и второй, датчик влажности в виде конденсатора с потерями, конденсатор образцовый, инвертор, счетчики суммирующий и реверсивный, регистр памяти, элементы И первый, второй, третий, четвертый - двухвходовые и пятый - трехвходовой, при этом выход источника опорного напряжения соединен с входами таймера и первого ключа, управляющий вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход - с информационным входом таймера, входом второго ключа и через датчик с общей шиной, которая через образцовый конденсатор соединена с выходом второго ключа, управляющий вход которого соединен с выходом второго триггера и третьим входом пятого элемента И; выход таймера соединен с информационным входом суммирующего счетчика, первыми входами первого, второго, третьего элементов И и через инвертор с вторым входом пятого элемента И; первые входы четвертого и пятого элементов И соединены с выходом генератора контрольной частоты, а выходы - соответственно с вычитающим и суммирующим входами реверсивного счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра памяти, выход которого является выходом устройства; вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с вторым выходом суммирующего счетчика, первый выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом сброса второго триггера; выход тактового генератора соединен с входами сброса реверсивного счетчика, регистра памяти, с входом S второго триггера и первого триггера, вход сброса которого соединен с входом сброса суммирующего счетчика, выходом третьего элемента И и входом синхронизации регистра памяти, а выход с вторым входом первого элемента И.

Новые существенные признаки:

1. Сопротивление датчика измеряется с учетом его емкости.

2. Измерения выполняются периодически и автоматически, а результат сохраняется в течение такта.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают периодическое получение высокоточного результата измерений.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, на фиг. 2 - структурная схема таймера, на фиг. 3 - эпюры напряжения устройства.

Устройство, представленное на фиг. 1, содержит источник 1 опорного напряжения, генератор 2 тактовых импульсов, таймер 3, RS триггеры 4,5 первый и второй, ключи 6,7 первый и второй, элемент И 8 первый двухвходовой, инвертор 9, датчик 10 в виде конденсатора с потерями, эквивалентная схема которого - параллельно соединенные емкость С_Х и сопротивление R_X, конденсатор 11 образцовый С₀, счетчики 12, 18, суммирующий и реверсивный, генератор 13 контрольной частоты, элементы И 14, 15, 16 второй, третий, четвертый - двухвходовые, элемент И 17 пятый - трехвходовой, регистр 19 памяти, при этом выход источника 1 опорного напряжения соединен с входами таймера 3 и первого ключа 6, управляющий вход которого соединен с выходом первого элемента И 8, а выход - с информационным входом таймера 3, входом второго ключа 7 и через датчик 10 с общей шиной, которая через образцовый конденсатор 11 соединена с выходом второго ключа 7, управляющий вход которого соединен с выходом второго триггера 5 и третьим входом пятого элемента И 17; выход таймера 3 соединен с информационным входом суммирующего счетчика 12, первыми входами первого 8, второго 14, третьего 15 элементов И и через инвертор 9 с вторым входом пятого 17 элемента И; первые входы четвертого 16 и пятого 17 элементов И соединены с выходом генератора 13 контрольной частоты, а выходы - соответственно с вычитающим и суммирующим входами реверсивного счетчика 18, выход которого соединен с информационным входом регистра 19 памяти, выход которого является выходом устройства; вторые входы третьего 15 и четвертого 16 элементов И соединены с вторым выходом суммирующего счетчика 12, первый выход которого соединен с вторым входом второго элемента И 14, выход которого соединен с входом сброса второго триггера 5; выход тактового генератора 2 соединен с входами сброса реверсивного счетчика 18 и регистра 19 памяти, с входом S второго триггера 5 и первого триггера 4, вход сброса которого соединен с входом сброса суммирующего счетчика 12, выходом третьего 15 элемента И и входом синхронизации регистра 19 памяти, а выход - с вторым входом первого 8 элемента И.

Представленный на фиг. 2 таймер 3 содержит делитель входного напряжения в виде последовательно соединенных одинаковых по номиналу резисторов R₁, R₂, R₃, компаратор 20 верхней границы (верхнего порога U_B) и компаратор 21 нижней границы (нижнего порога U_H), триггер 22, соединенные между собой прямой вход компаратора 20 и инверсный вход компаратора 21 образуют информационный вход таймера 3, при этом вход резистора R₁ делителя напряжения соединен с источником 1 опорного напряжения, а выход - с инверсным входом компаратора 20 и входом резистора R₂, выход которого соединен с прямым входом компаратора 21 и входом третьего резистора R₃, выход которого соединен с общей шиной; вход R триггера 22 соединен с выходом компаратора 20, а вход S - с выходом компаратора 21, прямой выход триггера 22 является выходом таймера 3.

Устройство работает следующим образом.

Таймер 3 работает в ключевом режиме:

- если напряжение на входе таймера 3 больше верхнего порога (U_BX≥U_B), то на выходе компаратора 20 и входе R триггера 22 напряжение U=R=1, а на выходе компаратора 21 и входе S триггера 22 напряжение U=S=0, таймер 3 выключен (U_T=0);

- если напряжение на входе таймера 3 меньше нижнего порога (U_ВХ≤U_H), то на выходе компаратора 20 и входе R триггера 22 напряжение U=R=0, а на выходе компаратора 21 и входе S триггера 22 напряжение U=S=1, таймер 3 включен (U_T=1);

- если напряжение на входе таймера 3 больше нижнего порога и меньше верхнего порога, то на выходе таймера 3 сохраняется предыдущее состояние.

Время работы устройства можно разделить на четыре рабочих интервала (фиг. 3, N_И):

- первый интервал - время заряда емкостей С₀ конденсатора 11 и С_Х датчика 10, а второй интервал - время их разряда;

- третий интервал - время заряда емкости С_Х датчика 10;

- четвертый интервал - время разряда емкости С_Х датчика 10;

Исходное состояние - время до первого и после четвертого интервала.

Исходное состояние - до прихода тактового импульса с генератора 2:

- оба триггера 4 и 5 выключены, напряжения на их выходах U₄=U₅=0, а состояние входов S=R=0, поэтому ключи 6 и 7 открыты, датчик 10 отключен от источника 1 и конденсатора 11.

- емкости С₀ конденсатора 11 и С_Х датчика 10 разряжены, напряжение на них меньше или равно нижнему порогу (U_C≤U_H) таймера 3, поэтому таймер 3 включен U_T=1;

Первый интервал начинается с приходом тактового импульса с генератора 2:

- тактовый импульс сбрасывает счетчик 18, регистр 19, включает оба триггера 4 и 5, напряжения на их выходах U₄=U₅=1, а состояние входов по окончании тактового импульса S=0, R=0;

- таймер 3 остается включенным U_T=1;

- ключ 6 закрыт элементом И 8 (на его входах U_T=1 и U₄=1), поэтому датчик 10 подключен к источнику 1;

- ключ 7 закрыт генератором 5 (U₅=1), датчик 10 подключен к конденсатору 11;

- емкости С₀ конденсатора 11 и С_Х датчика 10 заряжаются до верхнего порога U_B таймера 3, при достижении которого (U_C≥U_B) он выключается. Второй интервал начинается после выключения таймера 3 (U_T=0):

- по этому сигналу счетчик 12 устанавливает единицу на выходе первого разряда Q₁=1, Q₂=0;

- при наличии сигналов с инвертора 9 и триггера 5 (U₅=1) элемент И 17 пропускает импульсы генератора 13 на суммирующий вход счетчика 18;

- емкости С₀ конденсатора 11 и С_Х датчика 10 разряжаются до нижнего порога таймера 3, при достижении которого (U_C≤U_H) он включается.

Третий интервал начинается после включения таймера 3 (U_T=1):

- по этому сигналу и сигналу Q₁=1 первого разряда счетчика 12 элемент И 14 сбрасывает триггер 5 и ключ 7 отключает конденсатор 11 от датчика 10;

- по этому сигналу (U_T=1), сигнал с инвертора 9 и триггера 5 (U₅=0), элемент И 17 перестает пропускать импульсы контрольной частоты на суммирующий вход счетчика 18;

- по этому сигналу (U_T=1) включается ключ 6, емкость С_Х датчика 10 начинает заряжаться до верхнего порога U_B таймера 3, при достижении которого (U_C≥U_B), он выключается;

Четвертый интервал начинается после выключения таймера 3 (U_T⁼0):

- по этому сигналу счетчик 12 устанавливает единицу на выходе второго разряда Q₁=0, Q₂=1;

- при Q₁=0 выключенное состояние триггера 5 сохраняется (S=0, R=0);

- при наличии сигнала Q₂=1 элемент И 16 пропускает импульсы генератора 13 на вычитающий вход счетчика 18;

- при наличии сигналов Q₂=1, U_T=1 элемент И 15 сбрасывает триггер 4, счетчик 12 и разрешает прием регистру 19 данных со счетчика 18.

- ключ 6 выключается, емкость С_Х датчика 10 разряжается до нижнего порога U_H таймера 3, при достижении которого (U_C≤U_H) он включается (U_T=1). На этом заканчивается четвертый интервал.

С приходом следующего тактового импульса весь цикл повторяется.

Длительность второго интервала - время разряда емкостей С₀ конденсатора 11 и С_Х датчика 10, определяется по формуле:

Это время измеряется числом импульсов генератора 13:

где f - частота генератора, U_B, U_H - напряжения верхнего и нижнего порогов. Эти импульсы поступают на суммирующий вход счетчика 18.

Длительность четвертого интервала - время разряда емкости С_Х датчика 10 -определяется по формуле:

Это время измеряется числом импульсов генератора 13:

Эти импульсы поступают на вычитающий вход счетчика 18. По окончании четвертого интервала результат следующий:

запоминается в регистре 19 и по нему определяется измеряемая влажность материала, так как сопротивление датчика R_X зависит от влажности.

Перечень позиций на фиг. 1:

1 - источник опорного напряжения;

2 - генератор тактовых импульсов;

3 - таймер;

4, 5 - RS триггеры - первый и второй;

6, 7 - ключи - первый и второй;

8 - элемент И - первый, двухвходовой;

9 - инвертор;

10 - датчик;

11 - конденсатор образцовый;

12, 18 - счетчики суммирующий и реверсивный;

13 - генератор контрольной частоты;

14, 15, 16 - элементы И - второй, третий, четвертый - двухвходовые;

17 - элемент И - пятый, трехвходовый;

19 - регистр памяти.

Перечень позиций на фиг. 2:

20 - компаратор верхней границы;

21 - компаратор нижней границы;

22 - RS триггер;

R₁=R₂=R₃ - резисторы.