CN101095050A - 超低频湿度传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量包裹体内湿量值的设备。包括频率发生器，其用于产生至少一个频率不高于约1000Hz的源信号。多个与包裹体表面直接接触的探测器，且没有直接的电流经由包裹体在这些探测器之间流动。其中一个探测器电气连接到频率发生器上，作为源探测器，用于接收频率发生器发出的源信号，并将该源信号发送到包裹体中，从而产生电场，该电场的特性至少部分取决于包裹体的湿量。另有一个探测器作为接收端探测器，用于探测电场，并产生输出信号，该输出信号的属性至少部分取决于源信号和包裹体的湿量。本发明还提供了一种用于生成包裹体湿量值的装置，其中湿量值至少部分基于输出信号的属性。

Description

超低频湿度传感器

技术领域

本发明涉及湿度检测领域。更具体的讲，本发明涉及对棉花包中棉花纤维湿量进行测定。

背景技术

利用轧棉机或棉花压榨机对棉花纤维进行加工处理时，应对棉花纤维的湿量进行监控。在进行加工处理过程中，棉花中的湿量对棉花的质量有很大的影响。例如，在处理过程中如果棉花湿量下降太多，棉花纤维就容易被破坏。由于棉花纤维在加工处理过程中，常会受到气流和热量的影响，因此如果不投入足够的重视以避免上述情况的发生，其湿量很容易下降，从而导致棉花纤维的质量下降。

在加工处理过程中，有许多地方都需要获取棉花纤维的湿量读数。例如，当棉花纤维流经轧棉机时，需要湿度传感器来获取并探测其湿量。另一个需要取得湿量读数的场合是轧棉过程临近结束时，目的是测定棉花包的最终湿量。还有一个需要取得湿量读数的场合是，在棉花被捆扎包装之前，棉花纤维在夯实器中形成棉花包的时候。当前已经开发了用于在棉花被夯实以备压成棉花包时，通过嵌入棉花纤维的方式来测量湿量的湿度传感器。

上面描述的湿度传感器，通常是通过测量两个或多个电极之间的电阻来测量湿量。对于夯实器湿度传感器，电极通常要插入到一团棉花纤维中，电流经由所述棉花团在两个电极之间流动。纤维团的湿量取决于其与电阻的特性间的关系，所述电阻是在嵌入纤维团的电极间测量到的。

但是，用这种夯实器湿度传感器测定最终棉花包的湿量时，存在几个问题。其中一个问题是，在棉花纤维退出夯实器之前，为了恢复水分会在棉花纤维上洒水，这样棉花纤维就容易缠绕，从而会滞留一部分在电极上，因此每次读取时湿量读数都会至少部分地受到同一团棉花纤维的影响，直到将所述滞留的棉花纤维团从电极上取走。

所以，需要设计一种系统，该系统能够测定在大容量包裹体的湿量，比如棉花包，在该系统中湿度传感器不受包裹体材料的妨碍，并且其读数趋于更能代表包裹体整体的湿量。

发明内容

为了满足以上的需求，可以设计一种测定包裹体中湿量值的装置。用一个频率发生器产生至少一个频率不高于约1000Hz的源信号。探测器外层最好敷上绝缘材料，安装时与包裹体的表面有直接地接触，且没有直接的电流经由包裹体在探测器之间流动。其中一个探测器作为源探测器，电气连接到频率发生器上，用于接收频率发生器发出的源信号并向包裹体发送该源信号，从而在包裹体内产生电场，该电场的特性至少部分地受到包裹体湿量的影响，该电场最好覆盖到包裹体的大部分。另一个探测器作为接收端探测器，用于探测电场并产生输出信号，该输出信号的属性至少部分地取决于源信号和包裹体的湿量。本发明还提供了一种装置，用于生成包裹体湿量值，该湿量值至少部分地基于输出信号的属性。

按照这种方案，本发明的湿度传感器提供的湿量读数更能代表所述包裹体的整体情况，而不仅仅是所述包裹体的很小的表层部分。而且，本发明的探测器不需要直接插入到被测包裹体内，这样在传统电极中存在的纤维滞留等问题，在本发明的探测器中就可以降低或消除。例如，因为减少了纤维滞留问题，相同的纤维团就不会重复地影响湿量读数，探测器也无需像传统电极那样进行日常的维护和清洁。

在各种优选的实施例中，包裹体是指棉花包，棉花包要用带捆扎或有包装。该装置最好安装在轧棉机的出口处或者棉花压榨机的入口处，如棉花打包机的出口处或者置料区等地方。探测器最好做成滚轮，棉花包在其上或其间滚动传输。探测器的表面最好是绝缘的。在某些实施例中，探测器被安装在包裹体的公共表面上。在用输出信号生成湿量值之前，优选地，用放大器来对所述输出信号进行接收、滤波以及放大，并用模数转换器来接收输出信号并将其转换成数字信号。输出信号优选以其幅值为输出特性，根据试验，输出信号的幅值是与湿量相关的。

在某些实施例中，频率源产生至少一个源信号，其中频率最低的第一源信号用于测定湿量值，而至少一个频率较高的第二源信号用于区分混淆变量。优选仅采用一个频率约为600hz的源信号。某些实施例中的所述单个信号源能产生约40V的输出电压，而另一些实施例中所述单个信号源产生的电压在10V左右。本发明还提供了一种装置，该装置用于以期望间隔对包裹体的湿量进行采样。期望间隔最好是按规律重复的间隔。在各种实施例中，期望间隔至少是时间间隔或包裹体上的距离间隔。本发明还提供了一种装置，该装置利用以期望间隔采样得来的湿量值，生成包裹体的湿量分布图。

根据本发明的另一方面，描述了一种用于测量棉花包内湿量值的装置。频率发生器产生频率为600hz左右的源信号。两个探测器与棉花包直接接触。探测器被制成滚轮，棉花包退出棉花打包机时在其间或其下滚动传输，从而使探测器与棉花包的公共表面直接接触，并且没有直接的电流经由棉花包在两个探测器之间流过。其中一个探测器作为源探测器，电气连接到频率发生器上，接收频率发生器发出的源信号并向包裹体发送源信号，从而在包裹体上产生电场，该电场的特性受包裹体湿量的影响。另一个探测器作为接收端探测器，用于探测电场并产生输出信号，该输出信号的幅值至少部分取决于源信号和包裹体的湿量。

放大器，用于接收并放大源信号，模数转换器用于接收源信号并将其转换为数字信号。本发明还提供了一种装置，用于生成棉花包的湿量值，其中所述湿量值是至少部分地基于输出信号的幅值而得到的。本发明还提供了一种装置，该装置以沿棉花包长度方向上的多个规则间距，来对棉花包中的湿量进行采样。本发明还提供了一种装置，该装置利用以期望间隔采样得来的湿量值，生成该棉花包的湿量分布图。

根据本发明的另一方面，描述了一种用于测量棉花包内湿量的方法。用频率发生器产生频率为600hz左右的源信号。两个探测器与棉花包直接接触。探测器被做成滚轮，随着从棉花打包机中退出的棉花包滚动，从而使探测器与棉花包的公共表面直接接触，但同时没有电流经由棉花包在所述探测器间流动。其中一个探测器作为源探测器，电气连接到频率发生器上，接收频率发生器发出的源信号并向包裹体发送源信号，从而在包裹体上产生电场，该电场的特性受包裹体湿量的影响。

另一个探测器作为接收端探测器，用于探测电场并产生输出信号，该输出信号的幅值至少部分地取决于源信号和棉花包中的湿量。输出信号经由放大器接收并放大，并用模数转换器接收并将其转换成数字信号。基于输出信号的幅值，生成棉花包中的湿量值。以沿棉花包长度方向的多个规则期望间距为基础，对湿量进行采样，基于这些采样得来的湿量值生成棉花包的湿量分布图。

附图说明

通过参考具体实施方式，同时结合附图来进行思考，本发明更多优点都很显然。为了更清楚地显示细节，该附图并不是按比例绘制的，且其中类似的参考标号表示类似的元件，而且根据本发明的优选实施例该附图描绘了一种设备的功能模块图。

具体实施方式

如附图所示，其中根据本发明的优选实施例描绘有系统10。该系统10优选用于测定包裹体14中的湿量。该包裹体14优选为纤维束，最优为棉花包14，其通常在打包机12中形成，置于轧棉机的出口处。系统10优选用于测定棉花包14的湿量，而不管该棉花包14是否被包装、是否经捆扎，也不考虑其方位。然而，应了解，系统10也可用于测定棉花包以外的其它包裹体的湿量。

系统10采用探测器16来探测包裹体14的特性，该特性是至少部分地取决于包裹体14中的湿量的。在最佳实施例中，探测器16安装在传输导轨18上，包裹体14就是在其上传输的。例如，在一个实施例中，探测器16被配置成滚轮轨道18上的滚轮16，棉花包14从打包机12中退出时沿着该轨道18传输。因此，探测器16不会以任何程度插入到包裹体14中。

探测器16安装时，最好保证至少一个探测器的表面与包裹体14有直接接触，然而并不要求是直接导电接触。因此，对于探测器16，其与包裹体14有直接接触的表面，可以由导体材料组成，也可以由绝缘材料组成。但是不管是哪一种材料，最好都没有直接的电流经由包裹体14从一个探测器16a流向另一个探测器16b。探测器16内部最好由导电材料组成，如下文中更详细的描述。

在探测器16被配置成滚轮16的实施例中，当包裹体14沿着轨道18传输时，探测器16的外表面随之转动。因此，当所述滚轮16随着包裹体14的运输在其下面转动时，所述探测器16几乎所有的外表面都与包裹体14一次又一次地重复接触。在这种配置中，所述滚轮16的表面最初由绝缘材料构成，如涂有橡胶、涂有油漆、经过阳极电镀或者涂有粉末，但是，随着多次的使用，绝缘表层会逐渐磨损，探测器16的导电部分就会暴露出来，开始与包裹体14接触。虽然这种情况是可以接受的，但是在探测器16与包裹体14接触的外表面最好是绝缘材料，因为绝缘材料还有一些优点，比如抗腐蚀等。

探测器16优选只是与包裹体14的单一表面接触，就是说当包裹体14沿着导轨18传输时，这些探测器只能接触到棉花包14的一边。但是，在可选实施例中，根据包裹体14的形状等因素，一个或多个探测器可安装在与包裹体14相邻的、相对的或其它类似的面上。

优选地，安装有两个探测器16。然而，在各个实施中，可以使用更多数量的探测器16，其中附加的探测器16可安装在附图中绘出的同一导轨18结构中，或者将其安装成可与包裹体14的其它表面接触。这些附加探测器既可作为具有第一双探测器16的同一系统10的组成部分，也可作为附加系统的组成部分。该探测器16可能安装在如导轨18等结构上，最优地其应与这些结构的绝缘。

在一个实施例中，探测器16被配置成可与与其连接的导线20进行间歇式电接触。可以这样实现，在探测器16的末端放置一个或多个导电元件，由于在棉花包沿导轨18传输的同时，滚轮16在所述棉花包14下面转动，因此当导电元件转过导电接收装置时，即使得这些元件和导电接收装置产生间歇式电接触。当然，在本发明中也可用其它方法来实现间歇式电接触。

探测器16a通过导线20a连接到频率发生器22上。所述频率发生器22产生至少一个源信号，所有的这些源信号的频率都不高于约1000Hz。在最优选实施例中，只产生一个源信号，该源信号的频率为约600Hz。这种低于约1000HZ的超低频率优于更高的频率，因为这种超低频不会产生可能会出现在更高频率中的具有破坏性或其它危险性的辐射，并且经证实，这些低频信号适合于在此描述的使用。而且，这种超低频率的信号已被证实与湿量具有相对稳定的和可预测的相关性，见下文中更详细的描述。

源探测器16a将信号发射到包裹体14中，而不会将任何电流传递到包裹体14中。发射到14中的源信号会产生电场，该电场至少会部分地覆盖到包裹体14内部。包裹体14的各个特性，如湿量，会影响到由源信号建立在包裹体14内的电场的各个特性。另一探测器16b用作接收端探测器，用于探测电场的特性，比如受包裹体14内湿量影响的那些特性。接收端探测器16b产生输出信号，通过导线20b传输到接收器28。

最优地，接收器28包括放大器24，该放大器24用于将接收自接收端探测器16b的输出信号进行发大和滤波。接收器28还包括模数转换器26，该模数转换器26用于将模拟的、并在优选情况下经过放大的输出信号转换成数字信号，以便分析。然而，应了解，此处提到的对输出信号所进行的所有操作和研究也都可以在模拟域中执行，而并不一定非要在数字域中执行。然而，在现代社会中，计算机的特性使得数字信号更易于处理。

频率发生器22和接收器28都是数据采集模块30的组成部分，例如个人电脑中的SOUND BLASTER声卡。在这种结构中，声卡30是全双工的声卡30，这样频率发生器22和接收器28就能够同步运行，其中同步运行是本发明的优选实施例。在另一实施例中，数据采集模块30是具有嵌入式微机的数字信号处理器的组成部分。

输出信号被送到控制器38中进行分析。在各种实施例中，优选地该控制器植入于软件中，如植入于运行于个人电脑的程序中，而在该电脑中应装有数据采集模块30。可替代的，此处所述的装置也可嵌入于专用硬件中。

输出信号用于测定包裹体14中的湿量值，如通过湿度测定程序32来实现。在优选实施例中，这可通过将输出信号的一个或多个特性与一输出信号特性表进行比较来实现，该表格内的输出信号特性由具有已知独立变量的系统测量得到。例如，所述表格可按如下步骤计算得到：以各种已知频率产生输入信号，并在具有已知湿量等特性的包裹14内产生电场；输出信号的不同特性(由不同组合的输入信号产生)及湿量被检测并编制成与输入频率和已知湿量相关的表格。

随后，按照如下方法使用该表格来测定包裹体14的湿量。以已知频率产生源信号，之后源探测器16a会在包裹体14中产生电场，此时包裹体14中的湿量是未知的。接收端探测器16b探测电场，产生输出信号，并按上述方法对其进行处理；然后，将输出信号的期望特性与表格中与其具有相同频率源信号的相应特性进行比较；之后将所述表格中的湿量数据进行插值计算或者回归计算，来测定未知的包裹体14的湿量值。在最佳实施例中，用于测定湿量的输出信号的特性是输出信号的峰峰值。

控制器38包括一个间隔序列发生器34，用于以一定间隔对输出信号进行采样。所述间隔是规则性的等距间隔，为时间间隔或者当包裹体14经过所述探测器16时沿着其长度方向的距离间隔。产生采样间隔的方法之一如前文所述，即在转动的探测器16上使用间歇式接触。应了解，可以对上述方法进行增补，或者用构建于控制器38内的逻辑方法来代替，所有的这些组合和方法都在本发明的考虑范围内。

当得到这样的间隔序列后，优选地，系统10还包括湿度绘图仪36，它能绘制包裹体14的湿度分布图。也就是说，所述系统10可获取包裹体14上的多个湿度读数，而不是仅获取包裹体14上的单一湿度读数，并且最优地可利用这些湿度读数来创建包裹体14的湿度分布图。该湿度分布图包括：如用包裹体14内不同位置上(如沿着包裹体14的长度方向)的湿量值趋势图所表示的物体图形描述等信息。只要包裹14始终与探测器16保持直接接触，或者随时间反复与探测器16进行接触，湿度分布图也可描述包裹体14内的湿量分布是如何随着时间进行变化的。

湿度分布图有以下用途，比如棉花商从买入棉花到卖出的整个过程中，察看湿量的变化。也可以用于纺织厂中，从买入棉花、将其放入仓库、到将棉花包从仓库取出以送入纺纱车间进行处理的整个过程中，察看湿量的变化。所以，根据本发明中，有许多不同的湿度分布图的实施例。

在湿度分布图中无论是单个的湿量值还是多个湿量值，都会通过连接线40从控制器38发送到输出装置42。在各种实施例中，所述输出装置42可采用许多不同的结构，例如，为了举例而不是限制，可为数据存储设备、显示器、报警系统、联锁装置或远程计算设备等。应了解，除湿量值外，前面提到的所有或部分其他数据也可发送到输出装置42。

因此，这里描述的系统10可用来测定包裹体14中的湿量。最优地，被测湿度是水的湿度。但是，在可替代实施例中，所述被测湿度可以是任何液体，如酒精或是含有不同浓度的盐或者其他矿物质等杂质的水。可编制出用于计算这些不同种类液体间相互关系的表格或算法，这样即使是在同一棉花体14中有多种不同种类的液体共存也能对这些液体进行检测和记录。

在一些实施例中，频率发生器22产生一个以上源信号。但是，在所有的这些实施例中，所产生的基波源信号的频率均低于约1000Hz。同时，在所有的这些实施例中，具有最低频率的源信号用于测定包裹体14内的湿量，而其他具有更高频率的源信号则用于减少数据中的混淆变量。

优选地，所述源信号的电压在约10V到40V之间。然而，该电压取决于多种因素，比如探测器的表面积、探测器间的距离、包裹体14的质量及其成份等。如果包裹体14是具有标准尺寸的棉花包，源信号具有约600hz的频率，同时探测器16被配置成直径约2英寸、长度约3英尺的滚轮，且各探测器间的距离不超过约0.5英寸，则数据采集模块30选用声卡时，40V的电压工作效果较好。然而，当选用嵌入式控制器时，10V左右的电压工作效果较好。

为了举例说明和描述的目的，提出了本发明如前文所述的优选实施例。但这并非是要穷尽列举所有的实施例，或者是将本发明限定于精确的公开范围。根据前文的描述，显而易见的修改例或变化例都是可以的。所选择和描述的实施例都是为了对本发明的原理及其实际应用提供最好的说明，从而使得本领域的一般技术人员能够使用各种实施例及适于特定应用时的各种修改例来实施本发明。所有这些修改例和变化例都在由所附权利要求所限定的本发明的范围之内，因此如果根据该范围进行解释，它们都是公平、合法及具有资格的。

Claims (20)

1、一种用于测量包裹体内湿量值的设备，该设备包括：

频率发生器，用于以不大于约1KHz的基波频率产生至少一个源信号；

多个探测器，其表面与所述包裹体直接接触，其中没有电流经由所述包裹体在所述探测器间流动；

其中一个探测器作为源探测器，与所述频率发生器电气连接在一起，用于接收所述源信号，并将所述源信号发射到所述包裹体内，从而产生其特性至少部分取决于所述包裹体内湿量的电场；

另有一个探测器用作接收端探测器，用于探测所述电场并产生其属性至少部分取决于所述源信号和所述湿量的输出信号；及

用于生成所述包裹体湿量值的装置，其中所述湿量值至少部分取决于所述输出信号的输出特性。

2、如权利要求1所述的设备，其中，所述包裹体为棉花包。

3、如权利要求1所述的设备，其中，所述包裹体是经捆扎且包装过的棉花包。

4、如权利要去1所述的设备，其中，所述设备放置在棉花打包机的出口处或者棉花压榨机的入口处。

5、如权利要求1所述的设备，其中，所述探测器制成滚轮，且所述包裹体相对于这些探测器的滚动。

6、如权利要求1所述的设备，其中，所述探测器的表层是绝缘的。

7、如权利要求1所述的设备，其中，所述探测器安装于所述包裹体的公共表面上。

8、如权利要求1所述的设备，还包括放大器，用于接收所述输出信号，并在用所述输出信号产生湿量值前将所述输出信号进行放大和滤波。

9、如权利要求1所述的设备，还包括模数转换器，用于接收所述输出信号，并在用所述输出信号生成湿量值前将其转换成数字信号。

10、如权利要求1所述的设备，其中，所述输出信号的输出特性为所述输出信号的幅值，并且根据试验所述输出信号的幅值与湿量相关。

11、如权利要求1所述的设备，其中，所述频率发生器产生一个以上源信号，其中具有最低频率的第一源信号用于测定湿量值，而至少一个具有更高频率的第二源信号用于区别混淆变量。

12、如权利要求1所述的设备，其中，所述信号源的输出电压在约10V与约40V之间。

13、如权利要求1所述的设备，其中，只使用具有约600Hz频率的单一源信号。

14、如权利要求1所述的设备，还包括用于以期望间隔对所述包裹体的湿量进行采样的装置。

15、如权利要求14所述的设备，其中，所述期望间隔为按规律重复的间隔。

16、如权利要求14所述的设备，其中，所述期望间隔为时间间隔。

17、如权利要求14所述的设备，其中，所述期望间隔为沿着所述包裹体长度方向的距离间隔。

18、如权利要求14所述的设备，还包括一装置，该装置利用以期望间隔采样到的湿量值，生成所述包裹体的湿度分布图。

19、一种用于测量棉花包内湿量值的设备，所述设备包括：

频率发生器，用于以小于约1KHz的频率产生源信号；

两个探测器，与所述棉花包直接接触，所述探测器制成滚轮，在所述棉花包退出棉花打包机时相对所述探测器滚动，从而使得所述探测器与所述棉花包的公共表面接触，其中没有电流经由所述棉花包在所述探测器间流动；

所述两个探测器中的一个探测器作为源探测器，与所述频率发生器电气连接一起，用于接收所述源信号，并将所述源信号发射到所述棉花包中，从而产生其特性至少部分取决于所述棉花包湿量的电场；

所述两个探测器中的另一个探测器，作为接收端探测器，用于探测所述电场，并产生其幅值至少部分取决于所述源信号和所述棉花包湿量的输出信号；

放大器，用于接收所述源信号，并将所述源信号进行放大和滤波；

模数转换器，用于接收所述源信号，并将所述源信号转换成数字信号；

用于产生棉花包湿量值的装置，其中所述湿量值至少部分取决于所述输出信号的幅值；

用于对所述棉花包的湿量进行采样的装置，该装置以沿着所述棉花包长度方向的多个规则性期望距离间隔对所述棉花包的湿量进行采样；及

用于生成所述棉花包的湿度分布图的装置，该装置根据以期望间隔采样到的湿量值生成所述棉花包的湿量分布图。

20、一种用于测量棉花包中湿量值的方法，该方法包括以下步骤：

使用频率发生器以约600Hz的频率产生源信号；

令棉花包与两个探测器直接接触，所述探测器制成滚轮，在棉花包退出棉花打包机时相对于所述探测器滚动，从而使得所述探测器与所述棉花包的共有表面接触，但是没有电流经由所述棉花包在所述探测器间流动；

令所述两个探测器中的一个探测器与所述频率发生器电气连接在一起，该探测器作为源探测器，用于接收源信号；

将所述源信号发射到所述棉花包中，从而生成其特征至少部分取决于所述棉花包湿量的电场；

令两个探测器中的另一个探测器作为接收端探测器，来探测电场，并产生其幅值至少部分依赖于源信号和棉花包内湿量的输出信号；

使用放大器接收所述输出信号，并将所述输出信号进行放大和滤波；

使用模数转换器接收所述输出信号，并将所述输出信号转化成数字信号；

生成所述棉花包的湿量值，所述湿量值至少部分取决于所述输出信号的幅值；

以沿着所述棉花包长度方向的多个规则性期望距离间隔对所述棉花包的湿量进行采样；及

由以所述期望间隔采样到的湿量值生成所述棉花包的湿度分布图。