RU2397483C1

RU2397483C1 - Digital flow-type moisture metre

Info

Publication number: RU2397483C1
Application number: RU2009123027/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Шилин (RU); Александр Николаевич Шилин; Сергей Валерьевич Макартичян (RU); Сергей Валерьевич Макартичян
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2010-08-20

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: digital flow-type moisture metre has a measuring transducer which is a capacitance sensor connected in the time-setting circuit of a generator which is an astable multivibrator connected by a switch to a pulse counter, two proximity switches fitted on the ends of the measuring transducer in the direction of movement of the specimen which determine the position of the specimen relative the measuring transducer, a logic device connected by the first input to the first proximity switch, by the second input to the second proximity switch, by the third input to a comparator and by the output to control inputs of the switch and commutator whose first and third inputs are connected to a power supply, while the second and fourth inputs are earthed, an integrator connected by the input to the commutator and by the output to the comparator. ^ EFFECT: more accurate measurement of moisture of optically opaque materials with compensation for the multiplicative error component. ^ 6 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения влажности твердых, сыпучих и газообразных веществ, и может быть применено в строительной, горнодобывающей, деревообрабатывающей и пищевой отраслях промышленности.The invention relates to instrumentation, and in particular to devices for measuring the moisture content of solid, bulk and gaseous substances, and can be applied in the construction, mining, woodworking and food industries.

Известно устройство диэлькометрического влагомера (Берлинер М.А. Измерения влажности. М.: Энергия, 1973. - 400 с.), основанное на принципе дифференциальных измерительных схем, содержащее генератор частот, к выводам которого последовательно соединены образцовый конденсатор и конденсатор чувствительного элемента датчика, выводы которого дополнительно соединены с указательным прибором.A device is known dielcometric hygrometer (Berliner MA Measurement of humidity. M .: Energy, 1973. - 400 S.), based on the principle of differential measuring circuits, containing a frequency generator, to the conclusions of which are connected in series to the sample capacitor and the capacitor of the sensor element, the findings of which are additionally connected to a pointing device.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерений (2-3%), поскольку не позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности частоты генератора, возникающую вследствие нестабильности параметров конденсатора чувствительного элемента датчика; содержит указательный прибор, регистрирующий результат измерения влажности в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения.This measuring device has a low technical level, due to the low measurement accuracy (2-3%), because it does not allow to compensate for the multiplicative component of the error of the generator frequency that occurs due to the instability of the capacitor parameters of the sensor sensor element; contains a pointing device that records the result of measuring moisture in an analog form. When using a measuring device with an analog information processing circuit as part of an automated process control system, an analog-to-digital converter is required, which is a source of additional measurement error.

Из известных устройств для измерения влажности наиболее близким по технической сущности является цифровой оптический измеритель влажности (патент РФ №2117936, МКИ G01N 21/81), содержащий источник излучения, составной светофильтр, установленный на оси электродвигателя, фотопреобразователь, выход которого подключен к усилителю фототока, усилитель мощности, выходом подключенный к электродвигателю, схему обработки информации, выполненную в виде двухвходового коммутатора, к первому входу которого подключен усилитель фототока непосредственно, а ко второму - через инвертирующий усилитель, соединенного выходом с интегратором, подключенным к выходу компаратора, выход которого подключен к первому входу триггера, и генератора тактовых импульсов, соединенного с делителем частоты, выход которого соединен с усилителем мощности, управляющим входом коммутатора и вторым входом триггера, подключенного выходом к управляющему входу ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. При вращении модулятора потоки излучения, отраженные от объекта, поступают на фотоприемник и затем на усилитель фототока, на выходе которого образуется последовательность импульсов с различными амплитудами, которая с помощью коммутатора разделяется во времени на опорный и измерительный сигналы. Величина влажности определяется по отношению двух сигналов.Of the known devices for measuring humidity, the closest in technical essence is a digital optical moisture meter (RF patent No. 21117936, MKI G01N 21/81) containing a radiation source, a composite light filter mounted on the axis of the electric motor, a photoconverter, the output of which is connected to a photocurrent amplifier, a power amplifier with an output connected to an electric motor, an information processing circuit made in the form of a two-input switch, to the first input of which a photocurrent amplifier is connected directly, and to the second - through an inverting amplifier connected to an integrator connected to the output of the comparator, the output of which is connected to the first input of the trigger, and a clock pulse generator connected to the frequency divider, the output of which is connected to a power amplifier controlling the input of the switch and the second input of the trigger, connected by the output to the control input of a key connecting the clock generator with a pulse counter. When the modulator rotates, the radiation fluxes reflected from the object are transmitted to the photodetector and then to the photo current amplifier, at the output of which a sequence of pulses with different amplitudes is formed, which, using the switch, is separated in time into reference and measuring signals. The humidity value is determined by the ratio of two signals.

Данное измерительное устройство имеет низкую точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку дает информацию только о поверхностном содержании влаги, которая может существенно отличаться от влажности внутри образца. Существующие диэлькометрические измерители влажности основаны на принципе вычитания частот измерительного и опорного генераторов, чем обеспечивается компенсация аддитивной составляющей погрешности измерения частоты, хотя сама погрешность носит мультипликативный характер.This measuring device has low accuracy in measuring the moisture content of optically opaque materials, since it only provides information about the surface moisture content, which can differ significantly from the humidity inside the sample. Existing dielcometric moisture meters are based on the principle of subtracting the frequencies of the measuring and reference generators, which ensures the compensation of the additive component of the frequency measurement error, although the error itself is multiplicative.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового устройства для повышения точности результатов измерения интегральной влажности оптически непрозрачных объектов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности измерения и цифровым представлением результата измерения.In this regard, the most important task is to create a new device to improve the accuracy of the measurement results of the integral humidity of optically opaque objects with compensation for the multiplicative component of the measurement error and digital representation of the measurement result.

Техническим результатом заявленного цифрового поточного измерителя влажности является повышение точности измерения влажности оптически непрозрачных материалов с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности.The technical result of the claimed digital in-line moisture meter is to increase the accuracy of measuring the moisture content of optically opaque materials with compensation for the multiplicative component of the error.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой поточный измеритель влажности, содержащий интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом к компаратору, ключ, соединяющий генератор со счетчиком импульсов, снабжен измерительным преобразователем, представляющим собой конденсаторный датчик, включенным во времязадающую цепь генератора, логическим устройством для управления работой интегратора и счетчика, подключенным первым входом к первому бесконтактному переключателю, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю, установленным на торцах измерительного преобразователя, третьим входом к компаратору, а выходом к управляющим входам ключа и коммутатора, к первому и третьему входу которого подключены источники напряжения, а второй и четвертый его входы соединены с землей.The specified technical result is achieved in that a digital in-line moisture meter containing an integrator connected to the input of the switch and the output to the comparator, the key connecting the generator to the pulse counter, is equipped with a measuring transducer, which is a capacitor sensor, connected to the generator timing circuit, a logic device to control the operation of the integrator and counter connected to the first input to the first proximity switch, the second input to the second contactless the switch installed on the ends of the measuring transducer, the third input to the comparator, and the output to the control inputs of the key and switch, the first and third input of which are connected to voltage sources, and its second and fourth inputs are connected to ground.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов, поскольку цифровой поточный измеритель влажности, основанный на принципе работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, использует один измерительный конденсатор с образцом и без него, что позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности, обусловленную изменением параметров измерительного конденсатора, и производить измерения влажности с представлением результатов в цифровой форме без дополнительных аналого-цифровых преобразований.This difference makes it possible to increase the accuracy of measuring moisture in optically opaque materials, since a digital in-line moisture meter, based on the principle of operation of an analog-to-digital converter with push-pull integration, uses a single measuring capacitor with and without a sample, which makes it possible to compensate for the multiplicative component of the error due to a change in the measurement parameters a condenser, and take measurements of humidity with a digital representation of the results b of additional analog-to-digital conversions.

На фиг.1 изображена блок-схема цифрового поточного измерителя влажности; на фиг.2-5 показана работа бесконтактных переключателей в процессе перемещения образца относительно измерительного преобразователя; на фиг.6 - временная диаграмма, поясняющая работу измерителя влажности.Figure 1 shows a block diagram of a digital in-line moisture meter; figure 2-5 shows the operation of proximity switches in the process of moving the sample relative to the measuring transducer; 6 is a timing diagram explaining the operation of the moisture meter.

Цифровой поточный измеритель влажности содержит измерительный преобразователь 1, представляющий собой конденсаторный датчик, включенный во времязадающую цепь генератора 2, являющегося автоколебательным мультивибратором, соединенного ключом 3 со счетчиком импульсов 4. Частота импульсов генератора 2 зависит от емкости измерительного преобразователя 1, пропорционально связанной с диэлектрической проницаемостью образца, которая в свою очередь зависит от влажности. Бесконтактные переключатели 5 и 6, установленные на торцах измерительного преобразователя 1 по направлению движения образца, служат для определения положения образца относительно измерительного преобразователя 1. Измеритель влажности содержит логическое устройство 7, подключенное первым входом к первому бесконтактному переключателю 5, вторым входом ко второму бесконтактному переключателю 6, третьим входом к компаратору 8, представляющему собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания. Выход логического устройства 7 подключен к управляющим входам ключа 3 и коммутатора 9, срабатывающим от фронтов и срезов импульсов, поступающих на их входы. К первому и третьему входу коммутатора 9 подключены источники напряжения 10 и 11, второй и четвертый его входы соединены с землей, а к выходу - интегратор 12, подключенный к компаратору 8.The digital in-line moisture meter contains a measuring transducer 1, which is a capacitor sensor connected to a timing circuit of a generator 2, which is a self-oscillating multivibrator connected by a key 3 to a pulse counter 4. The pulse frequency of the generator 2 depends on the capacitance of the measuring transducer 1, which is proportionally related to the dielectric constant of the sample , which in turn depends on humidity. The proximity switches 5 and 6, mounted on the ends of the measuring transducer 1 in the direction of movement of the sample, serve to determine the position of the sample relative to the measuring transducer 1. The moisture meter contains a logic device 7 connected by the first input to the first proximity switch 5, the second input to the second proximity switch 6 , the third input to comparator 8, which is a Schmitt trigger with a zero threshold. The output of the logical device 7 is connected to the control inputs of the key 3 and switch 9, triggered by the fronts and slices of pulses arriving at their inputs. Voltage sources 10 and 11 are connected to the first and third inputs of switch 9, its second and fourth inputs are connected to ground, and the integrator 12 connected to comparator 8 is connected to the output.

Измеритель влажности работает следующим образом.The moisture meter works as follows.

При перемещении образца возможны четыре его положения относительно измерительного преобразователя: образец находится вне измерительного преобразователя (фиг.2, интервал времени t₁-t₂ на фиг.6), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (фиг.3, интервал времени t₂-t₃ на фиг.6), образец заполняет измерительный преобразователь полностью (фиг.4, интервал времени t₃-t₅, на фиг.6), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (фиг.5, интервал времени t₅-t₆ на фиг.6).When moving the sample, there are four possible positions relative to the measuring transducer: the sample is located outside the measuring transducer (Fig. 2, time interval t ₁ -t ₂ in Fig. 6), inside the measuring transducer there is a part of the sample (Fig. 3, time interval t ₂ - t ₃ in Fig. 6), the sample fills the measuring transducer completely (Fig. 4, time interval t ₃ -t ₅ , in Fig. 6), inside the measuring transducer there is a part of the sample (Fig. 5, time interval t ₅ -t ₆ figure 6).

Уровень сигнала, соответствующий логической единице на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6 (диаграммы 13 и 14, фиг.6) и логическому нулю на выходе компаратора 8 (диаграмма 15, фиг.6), означает отсутствие образца в измерительном преобразователе 1 (момент времени t₁ на фиг.6). В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник напряжения 10. В результате этого счетчик импульсов 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f₁, соответствующей незаполненному измерительному преобразователю 1 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется линейно падающее напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

The signal level corresponding to a logical unit at the output of proximity switches 5 and 6 (diagrams 13 and 14, FIG. 6) and a logic zero at the output of comparator 8 (diagram 15, FIG. 6) means the absence of a sample in the transducer 1 (time t ₁ in FIG. 6). At this point in time, the following occurs. The front of the pulse from the output of the logic device 7 (diagram 16, Fig. 6) closes the key 3 and connects the voltage source 10 to the integrator 12 through the four-input switch 9. As a result, the pulse counter 4 starts to count the pulses coming from the generator 2 with a frequency f ₁ , corresponding to the empty transducer 1 (diagram 17, FIG. 6), and a linearly incident voltage is generated at the output of the integrator 12 (diagram 18, FIG. 6)

где U₁₀ - напряжение на выходе источника напряжения 10, τ - постоянная интегрирования интегратора 12.where U ₁₀ is the voltage at the output of voltage source 10, τ is the integration constant of integrator 12.

Момент времени t₂ соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

The time t ₂ corresponds to the logic zero level at the output of the proximity switch 5, which means that the sample is partially filled with the transmitter 1. At this moment, the following occurs. The slice of the pulse from the output of the logic device 7 (diagram 16, FIG. 6) opens the key 3 and connects zero voltage to the integrator 12 through the four-input switch 9. As a result of this, pulses from the generator 2 stop arriving at the pulse counter 4 (diagram 17, FIG. 6), and a constant voltage is generated at the output of the integrator 12 (diagram 18, FIG. 6)

Момент времени t₃ соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6, означающему полное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник напряжения 11 отрицательной полярности. В результате этого счетчик импульсов 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f₂, соответствующей заполненному измерительному преобразователю 1 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

The time t ₃ corresponds to the logic zero level at the output of the

proximity switches

5 and 6, which means that the sample is completely filled with the transmitter 1. At this time, the following occurs. The front of the pulse from the output of the logic device 7 (diagram 16, FIG. 6) closes the key 3 and connects a voltage source 11 of negative polarity to the integrator 12 through a four-input switch 9. As a result of this, the pulse counter 4 starts to count the pulses coming from the generator 2 with a frequency f ₂ corresponding to the filled measuring transducer 1 (diagram 17, FIG. 6), and a linearly increasing voltage is generated at the output of the integrator 12 (diagram 18, FIG. 6)

где U₁₁ - напряжение на выходе источника напряжения 11.where U ₁₁ is the voltage at the output of the voltage source 11.

Момент времени t₄ соответствует уровню логической единицы на выходе компаратора 8 (диаграмма 15, фиг.6), означающей равенство нулю напряжения на выходе интегратора 12. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (диаграмма 16, фиг.6) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (диаграмма 17, фиг.6), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (диаграмма 18, фиг.6)

The time t ₄ corresponds to the level of a logical unit at the output of the comparator 8 (diagram 15, Fig.6), which means that the voltage at the output of the integrator 12 is equal to zero. At this moment, the following occurs. The slice of the pulse from the output of the logic device 7 (diagram 16, FIG. 6) opens the key 3 and connects zero voltage to the integrator 12 through the four-input switch 9. As a result of this, pulses from the generator 2 stop arriving at the pulse counter 4 (diagram 17, FIG. 6), and a constant voltage is generated at the output of the integrator 12 (diagram 18, FIG. 6)

Обозначив число импульсов, поступивших на счетчик импульсов 4 за время Δt₁=t₂-t₁ через переменную N₁=Δt₁f₁, а за время Δt₂=t₄-t₃ через переменную N₂=Δt₂f₂, получим N₂=N₁(f₂/f₁)(U₁₀/U₁₁).Denoting the number of pulses received at the pulse counter 4 during the time Δt ₁ = t ₂ -t ₁ through the variable N ₁ = Δt ₁ f ₁ , and during the time Δt ₂ = t ₄ -t ₃ through the variable N ₂ = Δt ₂ f ₂ , we get N ₂ = N ₁ (f ₂ / f ₁ ) (U ₁₀ / U ₁₁ ).

Момент времени t₅ соответствует уровню логической единицы на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение измерительного преобразователя 1 образцом, однако никаких изменений предыдущего состояния при этом не происходит.The time t ₅ corresponds to the level of a logical unit at the output of the proximity switch 5, which means that the measuring transducer 1 is partially filled with a sample, however, no changes in the previous state occur.

Начиная с момента времени t₆ работа измерителя повторяется, но уже для следующего образца.Starting from time t _{6, the} operation of the meter is repeated, but for the next sample.

Результат измерения влажности может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.The result of moisture measurement can be directly entered into the computer without additional analog-to-digital conversion.

Применение данного цифрового поточного измерителя влажности позволяет повысить точность измерения влажности оптически непрозрачных материалов.The use of this digital in-line moisture meter makes it possible to increase the accuracy of measuring moisture in optically opaque materials.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:Thus, the foregoing indicates that when using the claimed invention the following combination:

- цифровой поточный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных технологических процессах;- a digital in-line moisture meter embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in various technological processes;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;- for the claimed invention in the form described in the claims, the possibility of its implementation in accordance with the description and the attached drawings is confirmed;

- цифровой поточный измеритель влажности, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- a digital in-line moisture meter embodying the claimed invention in its implementation, is able to achieve the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability".

Claims

A digital in-line moisture meter containing an integrator connected by an input to the switch and an output to the comparator, a key connecting the generator to a pulse counter, characterized in that it is equipped with a measuring transducer, which is a capacitor sensor, connected to the generator timing circuit, a logic device for controlling the work of the integrator and the pulse counter, connected by the first input to the first proximity switch, the second input to the second proximity switch, set tained at the ends of the transducer, the third input - to a comparator, and the output - to the control inputs of the key and the switch, the first and the third input of which is connected to voltage sources, and the second and fourth of its inputs connected to ground.