LT4095B - Capacitance hygrometer - Google Patents

Description

Talpinis drėgmėmatis priklauso matavimo prietaisams, dirbantiems aukšto dažnio elektrinio lauko (ADEL) skverbties principu ir gali būti panaudotas tūriniam medžiagų drėgmės matavimui pagal dielektrinę konstantą (DK) žemės ūkyje, statybinių medžiagų, lengvoje, maisto ir kitose pramonės šakose.

Žinomas Danijos firmos SUPERTECH GM200 grūdų drėgnumo tikrinimo prietaisas, kuriame panaudota tiriamos medžiagos varžos pokyčių matavimo sistema [straipsnis laikraštyje “Ūkininko patarėjas” 1995.07.08 “Kuo nustatysime grūdų drėgnumą”].

Prietaiso trūkumas - ilgas, iki 1 min. trunkantis tiriamos medžiagos paruošimas matavimui, be to, ribotas prietaiso matavimo invariantiškumas, t.y. jis pritaikytas tik grūdų drėgnumui matuoti.

Taip pat žinomas būdas ir prietaisas drėgmės dirvoje matavimui, dirbantis dielektrinės konstantos (DK) palyginimo būdu [US5341673 G01N27/22 Būdas ir įtaisas drėgmės lygiui dirvoje nustatyti. Izobretenija stran mira N^a 22. 1995],

Šio prietaiso trūkumas - taip pat ribotas matavimo invariantiškumas, nes prietaiso davikliai sumontuoti strype, kuris įterpiamas į dirvą, todėl negali būti panaudotas kietų kūnų, pav. medienos, drėgnumui matuoti.

Žinomas grūdų drėgnumo matuoklis, priklausantis talpiniams drėgmėmačiams, skirtas grūdų ir panašių birių produktų drėgmei matuoti pagal DK, kurio konstrukcijoje yra matavimo blokas, turintis dažnumų diferenciatoriaus raktus, invertorių, signalų ženklų detektorius, sumatorius, žemo dažnio filtrus, generatoriaus dažnumų valdymo bloką ir temperatūrinės korekcijos bloką [RU2034288 G01N27/22 Grūdų drėgmės matuoklis. BI N² 12. 1995],

Šio matuoklio trūkumas - matavimo invariantiškumas apsiriboja tik biriais produktais, kadangi visi davikliai, įskaitant temperatūrinį, sumontuoti strypo pavidalo mazge, turinčiame atskirą kilnojimo mechanizmą, kas apsprendžia matuoklio konstrukcijos sudėtingumą.

-2LT 4095 B

Artimiausiu analogu-prototipu laikytinas automatinis drėgmėmatis, skirtas statybinių medžiagų drėgnumui matuoti, eliminuojant aktyvios varžos poveikį matavimo rezultatams. Drėgmėmatis turi generatorių, įtampos stabilizatorių, matavimo tiltelį, kurio pirmoje šakoje sumontuotas talpinis keitiklis, antroje-identiškas pirmam talpinis keitiklis ir lygiagrečiai jam pastovios talpos kondensatorius, o trečioje ir ketvirtoje tiltelio šakose-transformatoriai, be to, tiltelio matuojanti įstrižainė sujungta per lygintuvą su matavimo mazgu [SU1368758 G01N27/22. Automatinis drėgmėmatis BI N^a3. 1988].

Šio drėgmėmačio trūkumas glūdi tame, kad matavimo tiltelyje panaudoti pastovios talpos kondensatoriai ir transformatoriai, kurie gali dirbti tik žemo dažnio elektrinio lauko sąlygomis, kas mažina prietaiso jautrumą ir tikslumą, be to, tiriamąją medžiagą reikia patalpinti tarp lygiagrečių kondensatoriaus elektrodų, kas riboja drėgmėmačio panaudojimą įvairioms medžiagoms tirti.

Siūlomo išradimo uždavinys - praplėsti drėgmėmačio technines galimybes matavimo invariantiškumo požiūriu, padidinti prietaiso jautrumą ir matavimo tikslumą, supaprastinti prietaiso konstrukciją.

Šiuo tikslu talpiniame drėgmėmatyje, turinčiame daviklių bloką, AD generatorių, matavimo tilteli, komutatorių, stabilizuotos srovės šaltinį, papildomai sumontuotas tiltelio perjungimo blokas, etalonų blokas, dažnių dalintuvas, detektorius, korekcinių grandinių blokas, integratorius, analoginis-skaitmeninis keitiklis (ASK) ir skaitmeninis indikatorius, be to, visi prietaiso elementai sutalpinti bendrame korpuse, o per jungiklių bloką numatyta galimybė prijungti išnešamą daviklį-zondą.

Išradimo esmę ir jo naujumą pagal technikos lygį apsprendžia sekantys esminiai požymiai: drėgmėmačio daviklių bloke sumontuota identiškų kondensatorių, kurių talpa priklauso nuo matuojamos terpės DK, pora, turinti skirtingų dažnių pastovaus santykio įtampos kritimus, kondensatorių elektrodai išskleisti j plokštumą, tuo pačiu yra ADEL antenos ir jungiklių bloko dėka turi įjungimo į matavimo tiltelį galimybę pakaitomis su etaloniniais kondensatoriais, o gautų signalų pataisai pagal matuojamos terpės tipą prieš integratorių sumontuotas korekcinių grandinių blokas, sudarytas iš empiriškai parinktų rezistorių, be to, daviklių bloke sumontuotas termorezistorius per jungiklių bloką ir stabilizuotos srovės šaltinį turi perdavimo integratoriui galimybę temperatūrą įvertinantį korekcinį signalą.

-3LT 4095 B

Drėgmėmačio konstrukcija paaiškinama grafiškai:

Fig. 1 -struktūrinė drėgmėmačio schema.

Fig. 2 -matavimo tiltelio schema.

Fig. 3 -panaudojimo schema

Fig. 4 -drėgmės W ir kondensatoriaus talpos C priklausomybės įvairioms terpėms diagrama: A - dujinei terpei, B - birioms medžiagoms, C - kietiems kūnams, D - skysčiams.

Pagal struktūrinę schemą Fig. 1 talpinį drėgmėmatj sudaro daviklių blokas 1, jungiklių blokas 2, etalonų blokas 3, komutatoriai 4 ir 5, iš kurių komutatorius 4 sujungtas su relaksaciniu generatorių 6, o šis per dažnių dalintuvą 7 sujungtas su komutatorių 5, matavimo tiltelis 8, dažninis detektorius 9, korekcinių grandinių blokas 10, integratorius 11, turintis ryšį su stabilizuotos srovės šaltiniu 12, ASK 13 ir indikatorius 14.

Matavimo tiltelio 8 schema paaiškinama Fig. 2.

Gretutinėse tiltelio šakose sumontuoti rezistoriai R_b R;, o priešingose - pastovios talpos etaloniniai kondensatoriai Coi , C02 , jungiklio ki dėka įjungiami į tilteli pakaitomis su daviklių bloko 1 identiškų kondensatorių Cw_b Cw₂ pora, turinčia skirtingų dažnių f ir f/n pastovaus santykio įtampos Uf ir U_t/_n kritimus, o jų elektrodai tuo pačiu yra antenos Ai, A₂, be to, stabilizuotos srovės šaltinis 12 per jungiklį k₂ gali būti pakaitomis apkrautas varžomis Ro arba R_t.

Dirba drėgmėmatis sekančiu būdu:

Ant išlyginto (jeigu tiriama medžiaga biri) paviršiaus E (Fig. 3) dedamas drėgmėmatis 15, kurio daviklių bloko 1 kondensatorių Cw_b Cw₂ poros elektrodai išskleisti į plokštumą, sumontuoti ant dielektrinio pagrindo 16 per atstumus a, kontaktuoja su tiriamąja medžiaga 17 per dielektrinį tarpelį b, kurį sudaro izoliacinė elektrodų danga, ir, gaudami iš dažnių dalintuvo 7 bei AD generatoriaus 6 skirtingų dažnių pastovaus santykio įtampos kritimus, atlikdami antenų funkcijas, skleidžia ADEL į matuojamos terpės tūrį; kadangi pradinis matavimo tiltelio balansas, nustatytas prie pastovaus dažnių santykio, veikiamas drėgmės, esančios tiriamos aplinkos 17 tūryje, pasikeičia, gaunamas daviklių bloko 1 kondensatorių poros Cw_lt Cw₂ reaktyvinės varžos skirtumas, duodantis signalo pokytį, kuris per detektorių 9 ir korekcinių grandinių bloką 10 ateina į integratorių 11, taip pat gaunantį aplinkos

-4LT 4095 B temperatūrą įvertinantį korekcinį signalą iš daviklių bloko 1 termorezistoriaus per stabilizuotos srovės šaltinį 12 ir perduoda jį ASK 13, o iš ten - j skaitmeninį indikatorių

14.

Drėgmėmačio matavimo invariantiškumas įrodomas sekančiai:

Kondensatoriaus talpa turi tokią priklausomybę:

S

C - K· — · ε, kur a

C - daviklių bloko 1 kondensatoriaus talpa;

K - empirinis koeficientas;

— - kondensatoriaus elektrodo ploto S ir atstumo tarp elektrodų tarpo a santykis;

ε - tiriamos terpės dielektrinės skverbties koeficientas.

Kadangi dydžiai S, a, K priklauso tik nuo konstrukcinių parametrų ir matavimo eigoje nesikeičia, kintamu dydžiu lieka tik ε, kuris įvairioms terpėms skiriasi nuo 1 orui ir iki 80 - vandeniui, todėl, matuojant įvairių tipų terpės: dujinės, birios medžiagos, kieto ir skysto kūno drėgmę, C keičiasi, kaip parodyta diagramoje Fig. 4.

Pradinio derinimo eigoje pagal etalonus bloke 3 įvedama nulinė atskaita, atsispindinti indikatoriaus 14 parodymuose, po to jungiklių bloku 2 drėgmėmatis nustatomas darbo režimui ir pagal skaitinę reikšmę indikatoriuje 14 sprendžiama apie tiriamos terpės drėgnumą su dešimtosios % atskaitos paklaida.

Matuojant skystos terpės drėgnumą, naudojamas žinomos konstrukcijos išnešamas daviklis-zondas, prijungiamas prie drėgmėmačio per jungiklių bloką 2.

Teigiamas efektas, kuris gaunamas naudojant siūlomos konstrukcijos drėgmėmatį, susideda iš sekančių faktorių:

1. Drėgmėmačio veikimas grindžiamas ADEL ir tiriamos terpės tūrio drėgmės sąveikos principu, kas leidžia atsisakyti specialaus medžiagos paruošimo matavimui mechaninio poveikio ar zondavimo priemonėmis. Tai pagreitina ir atpigina drėgmės matavimo procesą.

2. Matavimo tikslumą užtikrina daviklių bloko identiškų kondensatorių pora, turinti skirtingų dažnių pastovaus santykio įtampos kritimus, kadangi tuo būdu eliminuojami šalutiniai faktoriai, o daviklių bloko signalas dar pakoreguojamas pagal aplinkos temperatūrą.

-5LT 4095 B

3. Matavimo tiltelio schemoje numatyta galimybė per daugiakontaktinj jungiklį pakaitomis prijungti etaloninius arba daviklių bloko kondensatorius, gautą signalo pokytį pataisant pagal matuojamos terpės DK korekcinių grandinių bloke, kas užtikrina matavimo invariantiškumą, t.y. tas pats drėgmėmatis gali būti naudojamas įvairaus tipo terpės drėgnumui matuoti: dujoms, birioms medžiagoms, kietiems ir skystiems kūnams.

4. Išskleisti į plokštumą daviklių bloko kondensatorių elektrodai atlieka ADEL spinduliavimo į matuojamos terpės tūrį antenų funkcijas, kas leidžia visus elementus sutalpinti bendrame prietaiso korpuse, o skystos terpės tyrimui dar prijungti išnešamą daviklį-zondą, kas supaprastina konstrukciją ir palengvina drėgmėmačio eksploataciją.

Claims (6)

1. IŠRADIMO APIBRĖŽTIS

   1. Talpinis drėgmėmatis, susidedantis iš daviklių bloko, etalonų bloko, relaksacinio generatoriaus, dažnių dalintuvo, srovės impulsų komutatorių, matavimo tiltelio, detektoriaus, stabilizuotos srovės šaltinio, integratoriaus, ASK ir skaitmeninio indikatoriaus, besiskiriantis tuo, kad daviklių bloke sumontuota identiškų kondensatorių, kurių talpa priklauso nuo matuojamos terpės DK, pora, turinti skirtingų dažnių pastovaus santykio įtampos kritimus, jų elektrodai išskleisti j plokštumą, tuo pačiu yra ADEL antenos, jungiklių bloko dėka pakaitomis su etaloniniais kondensatoriais įjungiami i matavimo tiltelį, o prieš integratorių sumontuotas korekcinių grandinių blokas.
2. 2. Drėgmėmatis pagal p. 1., b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad korekcinių grandinių blokas sudarytas iš empiriškai parinktų pagal matuojamos terpės DK rezistorių.
3. 3. Drėgmėmatis pagal p. 1., b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad sumontuotas daviklių bloke termorezistorius turi pakaitomis su etalonine varža prijungimo prie stabilizuotos srovės šaltinio galimybę, o pastarasis dar sujungtas su integratorių.
4. 4. Drėgmėmatis pagal p. 1., besiskiriantis tuo, kad visi drėgmėmačio elementai sumontuoti bendrame prietaiso korpuse, o per jungiklių bloką numatyta galimybė prijungti išnešamą daviklj-zondą.
5. 5. Drėgmėmatis pagal p. 1., b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad su tiriamos terpės tūriu jis kontaktuoja daviklių bloko kondensatorių elektrodų plokštumomis per dielektrini tarpelį.
6. 6. Drėgmėmatis pagal p. 5., besiskiriantis tuo, kad dielektrinį tarpelį sudaro izoliacinė elektrodų danga.