CN2032717U

CN2032717U - 电容式含水介电质监测仪

Info

Publication number: CN2032717U
Application number: CN 88206148
Authority: CN
Inventors: 吴宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-30
Filing date: 1988-05-30
Publication date: 1989-02-15

Abstract

本实用新型属对变化物理量的监测仪，用于工业上对纸张、纺织材料、橡胶及塑料等介电质的厚度及含水量测量。它由信号发生电路、脉冲占空比调节式测量电路和电缆驱动电路、差动滤波电路、采样保持和自动调零电路、模数转换数据处理显示电路等所组成。它排除了电容法测量受水份的影响，能同时测出介质量和含水量。它结构新颖、简单、测量稳定、数据可靠，经试用工作正常，使用方便。

Description

本发明属于测量两个或更多变化的物理量的测试仪，它涉及到含水介电质含水率的测量及介电质厚度的测量。

本发明意欲解决工业上对纸张、纺织材料等含水介电质的介质量和含水率的测量，亦可用在对塑料、橡胶、玻璃等介电质厚度的测量。用电容法测量电介质材料是比较容易和直接的方法，但大量的介电质材料都含有一定的水份，如一般纺织材料和纸张的介电常数在2～5之间，而水的介电常数为80，由于无法排除水份对介电常数变化的影响，因而大大地限制了电容法在工业上的应用。国外对这类材料的测量往往采用微波，但又因微波设备复杂，价格较高，安装携带不便及对操作者的健康有损害等弱点，很难大面积推广使用。

本发明的目的为克服上述存在的技术问题，及微波测量有碍人体健康等问题，提供一种可靠准确、能联续测量即时显示的含水介电质的监测仪器，它是采用电容法测量一定介电常数的含水物质的介质量的多少，并测出其所含水份的多少。

按如上构思，本发明所提供的电容式含水介电质监测仪其具体特征是：它由信号发生电路、脉冲占空比调节式电容测量电路、电容探头和电缆驱动电路、差动式滤波输出电路、采样保持电路、自动调零电动、高低频测量减法电路、零电位互相跟随电路、模数转换单片微处理机系统显示和控制量输入电路所组成的。其中，它的脉冲占空比调节式电容测量电路是由IC₁₁构成的单稳态和由IC₁₂中的一个二选一模拟开关TG₁和交替输入的高低频两种触发脉冲同步进行切换的两个定时电阻R₁和R₂构成的。它的自动调零电路是由调零电容C₁、C₂、C₃、模拟开关TG₂、TG₃和运算放大器IC₁₆、IC₁₇、IC₁₈、IC₁₉构成的。它的零电位互相跟随电路是由IC₂₀、IC₂₁、IC₂₂和BG₁、BG₂所构成的。它的电容探头是由测量电极、跟随屏蔽电极、接地屏蔽电极、接地测量电极、电容转轴、电容支撑轴架及环氧树脂铸灌填充所组成的，测量电极、跟随屏蔽电极及接地屏蔽电极之间用环氧树脂铸灌确定它们的相对位置，这三个电极通过偏心的轴架装在接地测量电极上。

本方案所提供的含水介电质监测仪的电容探头中的测量电极、跟随屏蔽电极和接地屏蔽电极是由不锈钢材料制成的，其接地测量电极是采用普通型钢，即工字钢制成的。

本发明是采用不同电场频率受水份影响不同的原理（频率高时受水份影响较小），用两种以上的电场频率同时对被测的电介质进行测量，从而得出电介质中所含水份的多少，再从测量中减去水份所造成的影响，便得到不受水份影响的电介质多少的测量结果。在具体电路中是使脉冲占空比调节电容测量电路和电容探头同时工作在两种不同的频率上，利用它对一定介电常数的电介质测量时不同频率受水份的影响不同的原理，通过差动滤波输出、采样保持和高低频测量减法电路，得出代表受一定水份影响的介电质量的高频测量输出、和代表含水量的高低频测量差值的输出，然后经A／D转换输入单片微处理机系统，把两个测量结果进行线性矫正，利用所得到的含水量的结果，从高频测量的结果中减去水份的影响，得出不受水份影响的电介质量的测量结果。对这些量进行一定的计算就得出其含水量及含水介电质的介质量。

本发明的基本电路及其工作原理如下：

1.信号发生电路。它由IC₁和振荡晶体CL组成晶体振荡器，产生1兆赫以上的方波。经计数器IC₂、IC₃、IC₄、IC₅分频得到三种不同频率的方波。即高频测量信号，由高频测量信号1／100分频的低频测量信号，和由高频测量信号1／10000分频的切换信号。高频、低频测量信号是经IC₇组成的逻辑门切换，变成高、低频交替输出的触发信号，再经电平变换去触发脉冲占空比调节式电容测量电路。由切换信号的正负沿分别经IC₆内的两个接成计数器型式的触发器进行二分频，可以得到互相之间相差90°的两列方波，再由每列方波的正负沿去触发在IC₉、IC₁₀内的四个单稳态电路来调整脉冲宽度，这样就得到了四项采样脉冲信号。

2.脉冲占空比调节式电容测量电路及电缆驱动电路。为了能使电路工作在较高的频率和电压上，本电路没有象一般脉冲调宽电路那样使用电压比较器，而直接用IC₁内的门电路搭成一个单稳态电路。由触发信号规定脉冲宽度，用单稳态电路调节占空比。当单稳态电路产生的触发信号脉冲宽度等于由晶体振荡和分频所产生的触发信号脉冲宽度的一半时，即正负脉冲宽度相等时，经后面的差动滤波输出的电压为0。当正脉冲宽度大于二分之触发脉宽时，负脉冲宽度也同时小于二分之触发脉宽。因此这种电路比起一般脉冲调宽电路的灵敏度高出一倍。电路同时设了两个定时电阻，分别工作在高频或低频中，由IC₁₂中的一个二选一模拟开关TG₁与输出触发信号同步切换，使电容探头的脉冲占空比调节电路能够在高速切换的情况下顺序工作在两种频率上。达到两种频率同时测量的目的。IC₁₂是高速高输入阻抗的运算放大器，将它接成一比一的跟随器，从测量电容C上取得信号，对电容、电缆进行驱动。

3.差动滤波输出电路。为了使T－V转换电路能同时工作在不同频率，这一环节设计成将脉冲占空比调节电路输出的负脉冲经反相后与正脉冲进行差动滤波，差分输入IC₁₄，由IC₁₄检出与脉冲占空比成线性关系的直流输出。

4.采样保持电路、自动调零电路和高低频减法电路。为了最大限度的减少，因脉冲占空比调节电路直接采用门电路和电路其它部分所产生的漂移，本电路设计了自动调零系统。在电路内部设置调零电容，它是由C₁、C₂、C₃组成，与外部电容探头C成并连关系，并与电容探头调节一致，由IC₁₂中的两个二选一模拟开关TG₂、TG₃对电容探头和调零电容来回切换，使脉冲占空比调节电路形成高频测量、高频调零、低频测量、低频调零的循环的工作顺序，并以这一顺序通过差动滤波输出。输出的直流信号经由IC₁₅中的四个模拟开关TG₄、TG₅、TG₆、TG₇，四个采样电容C₄、C₅、C₆、C₇和四个高输入阻抗运算放大器IC₁₆、IC₁₇、IC₁₈、IC₁₉组成的采样保持电路，形成四路连续的直流输出。把IC₁₆、IC₁₇接成跟随器，它们的输出再接到IC₁₈、IC₁₉的反相输入端，形成高频测量与高频调零、低频测量与低频调零的差动放大，因为无论高频测量及调零或低频测量及调零，都是分别工作在同一频率和同一电路上的，所以它们的漂移是一样的。因此，经过差动放大器后便消除了零点漂移。高频信号部分可以做为第一路直接输出，高频或低频经接成差动放大器的IC₂₃的减法电路后，按第二路输出，两路输出送A／D转换电路转变成数据量。

5.零电位互相跟随电路。为了使高低频测量保持在同一个固定不变的基准上，使其有可比性，就需要低频零电位对高频零电位、高频零电位对大地零电位保持一致，紧密跟随，为此，在脉冲占空比调节电路的两个定时电阻R₁和R₂上分别串接了晶体管（或场效应晶体管）BG₁、BG₂。高频调零信号经采样保持输出的直流电位，由接成差动放大器的IC₂₀与一个标准电位进行比较后控制晶体管BG₁的基极。这样，当高频调零信号漂移升高时，它与标准电位的关系发生变化，这个信号经IC₂₀放大后控制BG₁的基极，使BG₁的导通电阻变小，因而使脉冲占空比调节电路的高频正脉冲宽度变窄，最后导致高频调零输出的直流电位下降。当高频调零信号漂移降低时，其结果则相反。这样就可维持高频零电位与标准零电位保持不变。同理，高频零电位经IC₂₂反相后，做为低频的标准电位与低频调零输出经接成差动放大器的IC₂₁进行比较后控制BG₂的基极，以保持低频零电位与高频零电位的一致。

6.模数转换与单片微处理机系统、及显示、打印、控制量输入电路。高频测量输出与高低频测量差值的输出，按顺序进行A／D转换，转换后的数据量直接输入单片微处理机系统进行必要的数据处理。由软件对输入量进行线性矫正，由高低频差值得出含水量，由含水量的多少决定从高频测量中减去水份造成的影响的多少而得出不受水份影响的介质量的变化量。最后把结果用ED数字显示器分别显示出来，把平均值和不匀率用微打印机打印出来。

本发明的优点在于：（1）利用电容法测量含水电介质的介质量时，能有效地排除水份和环境的相对湿度对测量的影响。同时也能排除介质量的影响而测出所含的水份；（2）本发明结构简单、有效、可靠性高，并可把系统漂移控制在很小的范围内；（3）为电容法测量含水介电质开阔了新的途径。

附图说明：

图1为电容式含水介电质监测仪的方框原理图。

图2为该监测仪的电原理图。其中电源部分、模数转换、单片机、显示部分及控制量输入部分为采用已有技术因此从略。

图3为电容探头结构示意图。其中：（1）－测量电极；（2）－跟随屏蔽电极；（3）－接地屏蔽电极；（4）－接地测量电极；（5）－电容翻转轴；（6）－电容支撑轴架；（7）－环氧树脂铸灌。

实施例：

在图2的具体结构中，IC₁采用74LS00，IC₂～IC₅采用74LS90，IC₆为74LS74，IC₇为CD4011，IC₈为CD40109，IC₉、IC₁₀为CD4538，IC₁₁为CD4093，IC₁₂为CD4053，BG₁、BG₂为4007，IC₁₃为LM138，IC₁₄为CA3140，IC₁₅为CD4066，IC₁₆－IC₂₃均为LF347。本仪器经调试后经运行证明工作稳定正常，能即时测量，对生产过程有具体指导的价值。

Claims

1、一种机上即时测量用的电容式含水介电质的介质量和含水率监测仪，其特征在于它由信号发生电路，脉冲占空比调节式电容测量电路，电容探头和电缆驱动电路，差动式滤波输出电路，采样保持电路、自动调零电路、高低频测量减法电路、零电位互相跟随电路及模数转换、单片机处理显示、控制量输入电路所组成的，它的脉冲占空比调节式电容测量电路是由IC₁₁构成的单稳态和由IC₁₂中的一个二选一模拟开关TG₁和与交替输入的高低频两种触发脉冲同步进行切换的两个定时电阻R₁和R₂构成的；它的自动调零电路是由调零电容C₁、C₂、C₃，模拟开关TG₂、TG₃，运算放大器IC₁₆、IC₁₇、IC₁₈、IC₁₉构成的；它的零电位互相跟随电路是由IC₂₀、IC₂₁、IC₂₂、BG₁、BG₂构成的；它的电容探头是由测量电极、跟随屏蔽电极、接地屏蔽电极、接地测量电极、电容转轴、电容支撑轴架及环氧树脂铸灌填充所组成的，测量电极、跟随屏蔽电极及接地屏蔽电极之间用环氧树脂铸灌确定它们的相对位置，这三个电极通过偏心的轴架装在接地测量电极上。

2、按照权利要求1所述的含水介电质的介质量和含水率监测仪，其特征是它的电容探头中的测量电极、跟随屏蔽电极、和接地屏蔽电极是由不锈钢材料制成的，其接地测量电极是采用普通型钢制成的。