RU2411512C1

RU2411512C1 - Device for measuring moisture of granular materials

Info

Publication number: RU2411512C1
Application number: RU2010103267/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Михайлович Румянцев (RU); Михаил Михайлович РУМЯНЦЕВ
Original assignee: Михаил Михайлович РУМЯНЦЕВ
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for measuring moisture of granular materials has electrically connected self-excited quartz-crystal generator of high frequency pulsed oscillations on a transistor, measuring circuit having transistor preamplifier 1, amplifier 2, sensor with capacitor electrodes, diodes 3, 4, measuring device 5, power supply 6. The capacitor electrodes are in form of inductance coils 13, 14. The device also has inductive electrodes connected in the measuring circuit. The sign of the temperature coefficient of inductance of the additional electrodes coincides with that of the temperature coefficient of permittivity of the test material. The inductive electrodes are in form of weakly inductive coupled inductance coils 9, 10 which are insulated from the external medium by a coating. The coupling element between the inductance coils is the test material and the axes of the electrodes on which the coils lie are parallel. All inductance coils 9, 10, 13 and 14 are wound on insulated bases using a double-wound technique in one layer, where two windings of each inductance coil 9, 13 are connected in series and two windings of each inductance coil 10, 14 are connected in parallel.

EFFECT: high accuracy of measuring moisture of granular materials at different temperature.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования или анализа различных материалов, а именно к области измерительной техники, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для определения влажности сыпучих материалов, например для контроля влажности торфа при его производстве.The invention relates to the field of research or analysis of various materials, namely to the field of measuring equipment, and can be used in various industries to determine the moisture content of bulk materials, for example, to control the moisture content of peat in its production.

Известен электронный влагомер SU 123333, МПК⁶ G01N 27/22, 1959. Согласно описанию известный влагомер предназначен для измерения влажности сыпучих материалов емкостным методом и содержит емкостной датчик с испытуемым материалом, питаемый переменным напряжением, включенный в электронную схему катодного вольтметра на двойном триоде с измерительным прибором в катодной цепи, указывающим влажность испытуемого материала. Параллельно емкостному датчику включено комплексное сопротивление нагрузки, содержащее емкость и активное сопротивление, и диодный детектор. Известный влагомер определяет влажность испытуемого материала емкостным методом путем перезаряда емкости, образованной изолированными электродами емкостного датчика с испытуемым материалом под действием переменного напряжения. Изменение тока заряда емкости, образованной емкостным датчиком с испытуемым материалом, в зависимости от влажности последнего преобразуется электронной схемой и регистрируется измерительным прибором.Known electronic moisture meter SU 123333, IPC ⁶ G01N 27/22, 1959. According to the description, the known moisture meter is designed to measure the moisture content of bulk materials by the capacitive method and contains a capacitive sensor with the test material, powered by alternating voltage, included in the electronic circuit of the cathode voltmeter on a double triode with a measuring a cathode circuit device indicating the moisture content of the test material. In parallel with the capacitive sensor, a complex load resistance is included, containing capacitance and active resistance, and a diode detector. A known moisture meter determines the moisture content of the test material by the capacitive method by recharging the capacitance formed by the insulated electrodes of the capacitive sensor with the test material under the action of an alternating voltage. The change in the charge current of the capacitance formed by the capacitive sensor with the test material, depending on the moisture content of the latter, is converted by an electronic circuit and recorded by a measuring device.

Недостатком известного технического решения является низкая точность измерения влажности сыпучих материалов, имеющих различную температуру, т.к. электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, изменяется не только от его влажности, но и от его температуры. Известно, что диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно невелика (2,5÷5), в то время как диэлектрическая проницаемость воды равна 81 (при температуре 20°С). Поэтому даже незначительное изменение содержания воды в образце ведет к заметному изменению его диэлектрической проницаемости (см. Применение радиометодов в народном хозяйстве. «Энергия», 1964, с.6). Для определения знака температурного коэффициента электрической емкости воды были проведены следующие испытания. В емкость с водопроводной водой, имеющей различную температуру, опускались электроды емкостного датчика, изолированные от воды. На электроды подавались положительные импульсы напряжения частотой f=1.0 МГц. Температура воды измерялась термометром. Проходящий через электроды ток регистрировался измерительным прибором со шкалой 0÷100 мкА. Результаты испытаний приведены в таблице 1, откуда следует, что с повышением температуры воды ток, проходящий через емкостные электроды, увеличивается.A disadvantage of the known technical solution is the low accuracy of measuring the moisture content of bulk materials having different temperatures, because the electric capacitance formed by a capacitive sensor with the material under study varies not only from its humidity, but also from its temperature. It is known that the dielectric constant of dry matter is usually small (2.5 ÷ 5), while the dielectric constant of water is 81 (at a temperature of 20 ° C). Therefore, even a slight change in the water content in the sample leads to a noticeable change in its dielectric constant (see. Application of radio methods in the national economy. "Energy", 1964, p.6). The following tests were carried out to determine the sign of the temperature coefficient of the electric capacity of water. Electrodes of a capacitive sensor, isolated from water, were lowered into a container with tap water having a different temperature. Positive voltage pulses of frequency f = 1.0 MHz were applied to the electrodes. Water temperature was measured with a thermometer. The current passing through the electrodes was recorded by a measuring device with a scale of 0–100 μA. The test results are shown in table 1, whence it follows that with increasing water temperature, the current passing through the capacitive electrodes increases.

Таблица 1Table 1 Температурные испытания водыWater temperature tests № п/пNo. p / p Температура воды, СWater temperature, C Показания измерительного прибора, мкАInstrument reading, μA 1one 99 6565 22 30thirty 6969 33 4545 7575 4four 5353 7777

Емкостное сопротивление определяется из формулыCapacitance is determined from the formula

;

где: х_с - емкостное сопротивление, Ом;where: x _s - capacitance, Ohm;

С - емкость электрическая, Ф;C - electric capacity, F;

f - частота, Гц.f is the frequency, Hz.

Отсюда можно сделать вывод, что емкость С увеличивается с повышением температуры воды, емкостное сопротивление уменьшается. Вода имеет положительный температурный коэффициент электрической емкости (диэлектрической проницаемости). В известном электронном влагомере при увеличении температуры исследуемого материала электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Таким образом, ток заряда конденсатора, образованного электрической емкостью электродов датчика с исследуемым материалом, увеличивается, что повышает погрешность измерения влажности материала, обусловленную его различной температурой.From this we can conclude that the capacitance increases with increasing water temperature, the capacitance decreases. Water has a positive temperature coefficient of electric capacity (permittivity). In the known electronic moisture meter, with increasing temperature of the test material, the electric capacitance formed by the capacitive sensor with the test material increases, and the capacitance decreases. Thus, the charge current of the capacitor formed by the electric capacity of the electrodes of the sensor with the material to be studied increases, which increases the error in measuring the moisture content of the material due to its different temperature.

Также известно устройство для измерения влажности сыпучих материалов, описанное в SU 140248, МПК⁶ G01N 27/04, G01N 27/22, 1961. Известное устройство содержит генератор колебаний высокой частоты, усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, усилитель, датчик влажности с изолированными от испытуемого материала емкостными электродами и неизолированными от испытуемого материала электродами, диодные выпрямители, измерительный прибор и источник питания. Измерение влажности контролируемого материала основано на одновременном измерении емкостного и активного сопротивлений материала путем измерения тока разбаланса измерительной схемы с включенными в измерительную схему изолированными и неизолированными электродами датчика при погружении последних в контролируемый материал. В основу конструкции известного устройства для измерения влажности сыпучих материалов положена зависимость электрической емкости и электрической проводимости от влажности испытуемого материала.A device for measuring the moisture content of bulk materials is also known, described in SU 140248, IPC ⁶ G01N 27/04, G01N 27/22, 1961. The known device comprises a high-frequency oscillation generator, a square-wave pulse amplifier, an amplifier, a humidity sensor isolated from the subject material by capacitive electrodes and electrodes uninsulated from the test material, diode rectifiers, measuring device and power source. The moisture content of the controlled material is based on the simultaneous measurement of the capacitive and active resistances of the material by measuring the unbalance current of the measuring circuit with insulated and uninsulated sensor electrodes included in the measuring circuit when the latter are immersed in the controlled material. The design of the known device for measuring the moisture content of bulk materials is based on the dependence of the electrical capacitance and electrical conductivity on the moisture content of the test material.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения влажности сыпучих материалов с различной температурой, обусловленная тем, что электрическая емкость, образованная изолированными электродами датчика с исследуемым материалом, и электрическая проводимость материала, контролируемая неизолированными электродами датчика, изменяется не только от влажности, но и от его температуры. Известно, что торф по своим электрическим свойствам относится к классу полупроводниковых материалов, и его электрические свойства определяются содержанием в нем воды. При небольшой влажности (1+2%) торф имеет значительное электрическое сопротивление. При увеличении влажности проводимость торфа увеличивается. Для определения знака температурного коэффициента сопротивления воды были проведены следующие испытания. В емкость с водопроводной водой, имеющей различную температуру, опускались металлические неизолированные от воды электроды, на которые подавались положительные импульсы напряжения частотой f=1.0 МГц. Проходящий через электроды ток регистрировался измерительным прибором со шкалой 0÷100 мкА. Температура воды измерялась термометром. Результаты испытаний приведены в таблице 2, из которой следует, что с повышением температуры воды ток, проходящий через неизолированные электроды, увеличивается, т.е. вода имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.A disadvantage of the known device is the low accuracy of measuring the moisture content of bulk materials with different temperatures, due to the fact that the electrical capacitance formed by the insulated electrodes of the sensor with the test material, and the electrical conductivity of the material, controlled by non-insulated electrodes of the sensor, varies not only from humidity, but also from its temperature . It is known that peat in its electrical properties belongs to the class of semiconductor materials, and its electrical properties are determined by its water content. At low humidity (1 + 2%), peat has a significant electrical resistance. With increasing humidity, the conductivity of peat increases. The following tests were carried out to determine the sign of the temperature coefficient of water resistance. Metal electrodes not insulated from water were dropped into a container with tap water having a different temperature, and positive voltage pulses with a frequency of f = 1.0 MHz were applied to them. The current passing through the electrodes was recorded by a measuring device with a scale of 0–100 μA. Water temperature was measured with a thermometer. The test results are shown in table 2, from which it follows that with increasing water temperature, the current passing through uninsulated electrodes increases, i.e. water has a negative temperature coefficient of resistance.

Таблица 2table 2 Температурные испытания водыWater temperature tests № п/пNo. p / p Температура воды, °СWater temperature, ° С Показания измерительного прибора, мкАInstrument reading, μA 1one 1212 7171 22 30thirty 7373 33 4343 7676 4four 5353 7979

В известном устройстве для измерения влажности сыпучих материалов, например, при увеличении температуры исследуемого материала ток, протекающий через неизолированные электроды, увеличивается, что повышает погрешность измерения, обусловленную различной температурой материала. При увеличении температуры исследуемого материала вследствие того, что он имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Таким образом, ток заряда конденсатора, образованного электрической емкостью с исследуемым материалом, увеличивается, что повышает погрешность измерения влажности материала, обусловленную его различной температурой.In the known device for measuring the moisture content of bulk materials, for example, with increasing temperature of the test material, the current flowing through uninsulated electrodes increases, which increases the measurement error due to different temperature of the material. With an increase in the temperature of the test material due to the fact that it has a positive temperature coefficient of dielectric constant, the electric capacitance formed by the capacitive sensor with the test material increases, and the capacitive resistance decreases. Thus, the charge current of the capacitor formed by the electric capacitance with the material under study increases, which increases the error in measuring the moisture content of the material due to its different temperature.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту, т.е. прототипом, является электронный влагомер почвы, описанный в SU 214154, МПК⁶ G01N 27/04, G01N 27/22, 1966. Известное устройство содержит самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, емкостный датчик, диодные выпрямители, измерительный прибор, источник питания. В качестве измерительной схемы служит резонансный измерительный контур с индуктивностью и емкостным датчиком, содержащим кольцевые, расположенные в одной плоскости изолированные электроды. Параметры резонансного контура подобраны так, что зависимость между изменением емкости и изменением амплитуды высокочастотного напряжения на контуре близка к линейной. При заполнении датчика влажным испытуемым материалом частота контура уменьшается, приближаясь к частоте питающего контур генератора, в результате чего величина резонансного напряжения на контуре возрастает пропорционально влажности материала. Величина высокочастотного напряжения, пропорционального измеряемой влажности, после выпрямления диодными выпрямителями определяется стрелочным индикатором, показывающим величину влажности вещества. В известном электронном влагомере используется зависимость электрической емкости от влажности испытуемого материала.Closest to the claimed invention in technical essence and the achieved effect, i.e. The prototype is an electronic soil moisture meter described in SU 214154, IPC ⁶ G01N 27/04, G01N 27/22, 1966. The known device comprises a self-excited quartz oscillator of high-frequency pulsed oscillations, a measuring circuit, a capacitive sensor, diode rectifiers, a measuring device, a source nutrition. As a measuring circuit, a resonant measuring circuit with an inductance and a capacitive sensor containing ring, isolated in the same plane insulated electrodes is used. The parameters of the resonant circuit are selected so that the relationship between the change in capacitance and the change in the amplitude of the high-frequency voltage on the circuit is close to linear. When the sensor is filled with wet test material, the frequency of the circuit decreases, approaching the frequency of the generator supplying the circuit, as a result of which the value of the resonant voltage on the circuit increases in proportion to the humidity of the material. The magnitude of the high-frequency voltage, proportional to the measured humidity, after rectification by diode rectifiers is determined by a dial indicator showing the value of the moisture content of the substance. In the known electronic moisture meter, the dependence of the electric capacitance on the moisture content of the test material is used.

Недостатком известного электронного влагомера является низкая точность измерения влажности сыпучих материалов с различной температурой, т.к. электрическая емкость, образованная изолированными электродами датчика с исследуемым материалом, изменяется не только от влажности, но и от температуры материала. В известном устройстве, например, при увеличении температуры исследуемого материала вследствие того, что он имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, электрическая емкость, образованная емкостным датчиком с исследуемым материалом, увеличивается, частота резонансного измерительного контура уменьшается, величина резонансного напряжения на контуре возрастает, увеличиваются показания стрелочного индикатора, регистрирующего влажность материала, что повышает погрешность измерения, обусловленную различной температурой исследуемого материала.A disadvantage of the known electronic moisture meter is the low accuracy of measuring the moisture content of bulk materials with different temperatures, because the electric capacitance formed by the insulated electrodes of the sensor with the material being studied varies not only from humidity, but also from the temperature of the material. In the known device, for example, when the temperature of the test material increases due to the fact that it has a positive temperature coefficient of dielectric constant, the electric capacitance formed by the capacitive sensor with the test material increases, the frequency of the resonant measuring circuit decreases, the magnitude of the resonant voltage on the circuit increases, the readings increase arrow indicator, registering the moisture content of the material, which increases the measurement error due to personal temperature of the material.

Настоящее изобретение направлено на исключение вышеперечисленных недостатков, а именно на повышение точности измерения влажности сыпучих материалов с различной температурой.The present invention is aimed at eliminating the above disadvantages, namely, improving the accuracy of measuring the moisture content of bulk materials with different temperatures.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения влажности сыпучих материалов, содержащее электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты, измерительную схему, датчик с емкостными электродами, включенными в измерительную схему, на которые нанесено изолирующее от внешней среды покрытие, диоды, измерительный прибор и источник питания, согласно предлагаемому изобретению дополнительно содержит индуктивные электроды, включенные в измерительную схему, и диоды индуктивной цепи, при этом температурный коэффициент индуктивности дополнительных электродов совпадает по знаку с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости испытуемого материала, индуктивные электроды выполнены в виде индуктивно связанных катушек индуктивности с индуктивной связью, изолированных от внешней среды покрытием, а оси электродов, на которых они расположены, параллельны.This object is achieved in that a device for measuring the moisture content of bulk materials, containing a self-excited high-frequency oscillating crystal oscillator electrically interconnected, a measuring circuit, a sensor with capacitive electrodes included in the measuring circuit, on which a coating is insulated from the external environment, diodes, the measuring device and the power source according to the invention further comprises inductive electrodes included in the measuring circuit, and d iodines of the inductive circuit, while the temperature coefficient of inductance of the additional electrodes coincides in sign with the temperature coefficient of the dielectric constant of the test material, the inductive electrodes are made in the form of inductively coupled inductors with inductive coupling isolated from the external environment by the coating, and the axis of the electrodes on which they are located are parallel.

Еще одно отличие предлагаемого устройства состоит в том, что емкостные электроды выполнены в виде катушек индуктивности.Another difference of the proposed device is that the capacitive electrodes are made in the form of inductors.

Другие отличия заявляемого изобретения заключаются в том, что все катушки индуктивности намотаны на изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки каждой своей катушки индуктивности, соединенные с коллектором транзистора усилителя, соединены последовательно, а две обмотки каждой своей второй катушки индуктивности соединены параллельно.Other differences of the claimed invention are that all inductors are wound on insulating substrates in a single layer bifilar manner, with two windings of each of its inductors connected to the collector of the amplifier transistor connected in series, and two windings of each of its second inductors connected in parallel.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство для измерения влажности сыпучих материалов отличается наличием новых элементов, их формой выполнения, взаимным расположением, наличием связей между элементами.Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device for measuring the moisture content of bulk materials is characterized by the presence of new elements, their form of execution, relative position, the presence of bonds between the elements.

Проведенный патентный поиск показал, что в настоящее время неизвестно устройство для измерения влажности сыпучих материалов, обладающее такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемое. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "новизна".A patent search showed that at present there is no known device for measuring the moisture content of bulk materials, which has the same set of essential features as the proposed one. Thus, the claimed design meets the criteria of the invention of "novelty."

При изучении уровня техники, известного в данной области, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения «изобретательский уровень».When studying the level of technology known in this field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype were not identified, and therefore they provide the claimed technical solution according to the criteria of the invention "inventive step".

Для определения знака температурного коэффициента индуктивности в емкость с водопроводной водой, имеющей различную температуру, опускались индуктивные электроды, выполненные в виде индуктивно связанных катушек индуктивности с индуктивной связью, изолированных от испытуемого материала. Индуктивные электроды подключались согласно схеме, приведенной на фиг.1. На базу транзистора усилителя подавались положительные импульсы напряжения частотой f=1,0 МГц. Температура воды измерялась термометром. Образующийся в цепи вторичной катушки индуктивности ток регистрировался измерительным прибором со шкалой 0÷100 мкА.To determine the sign of the temperature coefficient of inductance, inductance electrodes made in the form of inductively coupled inductors with inductive coupling isolated from the test material were dropped into a container with tap water having a different temperature. Inductive electrodes were connected according to the circuit shown in figure 1. Positive voltage pulses of frequency f = 1.0 MHz were applied to the base of the transistor of the amplifier. Water temperature was measured with a thermometer. The current generated in the circuit of the secondary inductor was recorded by a measuring device with a scale of 0 ÷ 100 μA.

Результаты испытаний приведены в таблице 3.The test results are shown in table 3.

Таблица 3Table 3 Температурные испытания водыWater temperature tests № п/пNo. p / p Температура воды, СWater temperature, C Показания измерительного прибора, мкАInstrument reading, μA 1one 77 7070 22 1313 6767 33 2929th 6262 4four 3939 60,5; 6160.5; 61 55 4949 6060

Из таблицы 3 следует, что с повышением температуры воды ток вторичной катушки индуктивности, проходящий через измерительный прибор, уменьшается. Индуктивное сопротивление определяется по формулеFrom table 3 it follows that with increasing water temperature, the current of the secondary inductor passing through the measuring device decreases. Inductance is determined by the formula

где X_L - индуктивное сопротивление, Ом;where X _L is the inductive resistance, Ohm;

L - индуктивность, Гн;L is the inductance, GN;

f - частота, Гц.f is the frequency, Hz.

Индуктивное сопротивление с повышением температуры воды увеличивается, температурный коэффициент индуктивности - положительный.Inductance with increasing water temperature increases, the temperature coefficient of inductance is positive.

При изменении температуры исследуемого материала, например увеличении, вследствие того что исследуемый материал имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, емкость, образованная емкостными электродами с испытуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Ток I₁, протекающий через емкостные электроды, выполненные в виде катушек индуктивности, увеличивается на + ΔI₁. Вследствие того что температурный коэффициент индуктивности положительный, индуктивное сопротивление увеличивается. Ток I₂, образуемый индуктивными электродами, выполненными в виде индуктивносвязанных катушек индуктивности с индуктивной связью, уменьшается на - ΔI₂. При суммировании токов, протекающих через измерительный прибор, происходит компенсация температурной погрешности. При уменьшении температуры исследуемого материала знаки приращений ΔI₁ и ΔI₂ изменятся на противоположные. Подбором сопротивления, стоящего в цепи первичной катушки индуктивности, добиваются полной компенсации температурной погрешности.When the temperature of the material under study is changed, for example, due to the fact that the material under study has a positive temperature coefficient of dielectric constant, the capacitance formed by capacitive electrodes with the test material increases and the capacitance decreases. The current I ₁ flowing through capacitive electrodes made in the form of inductors increases by + ΔI ₁ . Due to the fact that the temperature coefficient of inductance is positive, the inductive resistance increases. The current I ₂ generated by inductive electrodes made in the form of inductively coupled inductors with inductive coupling decreases by - ΔI ₂ . When summing the currents flowing through the measuring device, the temperature error is compensated. With decreasing temperature of the test material, the signs of the increments ΔI ₁ and ΔI ₂ will change to the opposite. By selecting the resistance standing in the circuit of the primary inductor, they achieve full compensation of the temperature error.

Вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемого технического решения для измерения влажности сыпучих материалов, т.е. оно соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".The above proves that the combination of distinctive features from the prototype of the features makes it possible to use the claimed technical solution for measuring the moisture content of bulk materials, i.e. it meets the criteria of the invention of "industrial applicability".

Предлагаемое изобретение схематически поясняется чертежами, где на:The invention is schematically illustrated by drawings, where:

- фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения влажности сыпучих материалов (пример 1);- figure 1 shows a schematic diagram of a device for measuring the moisture content of bulk materials (example 1);

- фиг.2 - то же (пример 2).- figure 2 is the same (example 2).

Осуществление предлагаемого устройства рассмотрим на конкретных примерах, которые, однако, не ограничивают всех возможностей его исполнения.The implementation of the proposed device will consider specific examples, which, however, do not limit all the possibilities of its execution.

Пример 1 (фиг.1).Example 1 (figure 1).

Устройство для измерения влажности сыпучих материалов содержит электрически соединенные между собой самовозбуждающийся кварцевый генератор импульсных колебаний высокой частоты на транзисторе (не показан), измерительную схему, содержащую транзисторные предварительный усилитель 1, усилитель 2, датчик с емкостными электродами, диоды 3, 4, измерительный прибор 5, источник 6 питания.A device for measuring the moisture content of bulk materials contains an electrically interconnected self-excited quartz oscillator of high frequency pulsed oscillations on a transistor (not shown), a measuring circuit containing a transistor pre-amplifier 1, amplifier 2, a sensor with capacitive electrodes, diodes 3, 4, measuring device 5 power supply 6.

Предварительный усилитель 1 является разделительным каскадом и служит для устранения влияния нагрузки усилителя 2 на режим кварцевого генератора. Устройство дополнительно содержит индуктивные электроды, включенные в измерительную схему, и диоды 7, 8 индуктивной цепи. Температурный коэффициент индуктивности дополнительных электродов совпадает по знаку с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости испытуемого материала. Индуктивные электроды выполнены в виде индуктивносвязанных катушек 9, 10 индуктивности со слабой индуктивной связью, изолированных от внешней среды покрытием. В качестве элемента связи между катушками индуктивности использован испытуемый материал, а оси электродов, на которых они расположены, параллельны, причем один вывод первичной катушки 9 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, эмиттер транзистора 2 «заземлен», второй вывод катушки 9 индуктивности через сопротивление 11 соединен с источником 6 питания. Один вывод вторичной катушки 10 индуктивности соединен с катодом диода 7 и анодом диода 8, анод диода 7 «заземлен», катод диода 8 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, второй вывод которого «заземлен», при этом второй вывод вторичной катушки 10 индуктивности «заземлен».The preamplifier 1 is a dividing stage and serves to eliminate the influence of the load of the amplifier 2 on the regime of a crystal oscillator. The device further comprises inductive electrodes included in the measuring circuit, and diodes 7, 8 of the inductive circuit. The temperature coefficient of inductance of the additional electrodes coincides in sign with the temperature coefficient of the dielectric constant of the test material. Inductive electrodes are made in the form of inductively coupled inductors 9, 10 with a weak inductive coupling, isolated from the external environment by coating. The test material was used as a coupling element between the inductors, and the axis of the electrodes on which they are located are parallel, with one terminal of the primary inductor 9 connected to the collector of the transistor 2 of the amplifier, the emitter of the transistor 2 “grounded”, the second terminal of the inductor 9 through resistance 11 is connected to a power supply 6. One terminal of the secondary inductor 10 is connected to the cathode of the diode 7 and the anode of the diode 8, the anode of the diode 7 is “grounded”, the cathode of the diode 8 is connected through a switch 12 to the terminal of the measuring device 5, the second terminal of which is “grounded”, while the second terminal of the secondary coil 10 the inductance is “grounded”.

Емкостные электроды выполнены в виде катушек 13, 14 индуктивности. Один вывод катушки 13 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, второй вывод катушки 13 индуктивности через сопротивление 15 соединен с источником питания 6. Один вывод катушки 14 индуктивности соединен с катодом диода 3 и анодом диода 4, анод диода 3 «заземлен», катод диода 4 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, при этом второй вывод катушки 14 индуктивности свободен.Capacitive electrodes are made in the form of coils 13, 14 inductance. One terminal of the inductor 13 is connected to the collector of the transistor 2 of the amplifier, the second terminal of the inductor 13 is connected via a resistance 15 to a power source 6. One terminal of the inductor 14 is connected to the cathode of the diode 3 and the anode of the diode 4, the anode of the diode 3 is “grounded”, the cathode of the diode 4 through a switch 12 is connected to the output of the measuring device 5, while the second output of the inductor 14 is free.

Все катушки 9, 10, 13 и 14 индуктивности намотаны на плоские или другой формы изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки каждой своей катушки 9, 13 индуктивности соединены последовательно, две обмотки каждой своей катушки 10, 14 индуктивности соединены параллельно. Бифилярная намотка катушек индуктивности использована для согласования сопротивления измерительной цепи.All coils 9, 10, 13 and 14 of the inductance are wound on a flat or other form of insulating base with a bifilar method in one layer, with two windings of each of its inductors 9, 13 connected in series, two windings of each of its inductors 10, 14 connected in parallel. Bifilar winding of inductors is used to match the resistance of the measuring circuit.

Для возможности контроля и установки постоянной чувствительности устройства в нем предусмотрено подключение калибровочной емкости 16. Устройство имеет два диапазона измерения влажности сыпучих материалов. Выбор необходимого диапазона осуществляется переключателем 17.To control and set the constant sensitivity of the device, it provides for the connection of a calibration tank 16. The device has two ranges for measuring the moisture content of bulk materials. The desired range is selected by switch 17.

Устройство для измерения влажности сыпучих материалов работает следующим образом.A device for measuring the moisture content of bulk materials works as follows.

Электроды погружают в испытуемый материал. При отсутствии положительного сигнала на базе транзистора 2 последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико и катушка 13 индуктивности отсоединена от «земли». Катушки 13, 14 индуктивности представляют собой металлические электроды с испытуемым материалом между ними, изолированные от испытуемого материала, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от влажности испытуемого материала. Под действием напряжения источника 6 питания емкость конденсатора заряжается через сопротивление 15, диод 4 и измерительный прибор 5. Через измерительный прибор течет токThe electrodes are immersed in the test material. In the absence of a positive signal based on transistor 2, the latter is closed, the emitter-collector resistance is large, and the inductor 13 is disconnected from the ground. Inductors 13, 14 are metal electrodes with the test material between them, isolated from the test material, form a capacitor with a certain capacity, the value of which depends on the humidity of the test material. Under the action of the voltage of the power supply 6, the capacitor is charged through a resistance 15, a diode 4 and a measuring device 5. Current flows through the measuring device

где I - ток заряда электрической емкости С конденсатора, А;where I is the charge current of the electric capacitance C of the capacitor, A;

Q - заряд на обкладках конденсатора с емкостью С, К;Q is the charge on the plates of the capacitor with a capacity of C, K;

U - напряжение на обкладках конденсатора, В;U is the voltage across the capacitor plates, V;

Т - период следования импульсов, с;T is the pulse repetition period, s;

f - частота следования импульсов, Гц.f is the pulse repetition rate, Hz.

Емкость конденсатора определяется из соотношенияCapacitor capacity is determined from the ratio

где С - емкость, пФ;where C is the capacitance, pF;

E - относительная диэлектрическая проницаемость среды;E is the relative dielectric constant of the medium;

S - площадь обкладок конденсатора, см²;S is the area of the capacitor plates, cm ² ;

d - расстояние между обкладками, см.d is the distance between the plates, see

При поступлении с выхода предварительного усилителя 1 на базу транзистора 2 положительного импульса, вырабатываемого кварцевым генератором, транзистор 2 открывается, по нему протекает ток коллектора I, и катушка 13 индуктивности соединяется с «землей». Происходит разряд электрической емкости С, образованной емкостными электродами с испытуемым материалом, через открытый транзистор 2 и диод 3. Одновременно ток коллектора I, протекая по первичной катушке 9 индуктивности, создает магнитное поле. Электродвижущая сила (Э.Д.С.) взаимной индуктивности, наводимая магнитным полем тока I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, определяется по формулеUpon receipt from the output of the pre-amplifier 1 to the base of transistor 2 of a positive pulse generated by a crystal oscillator, transistor 2 opens, collector current I flows through it, and the inductor 13 is connected to ground. There is a discharge of the electric capacitance C formed by capacitive electrodes with the test material through an open transistor 2 and diode 3. At the same time, the collector current I, flowing through the primary inductor 9, creates a magnetic field. The electromotive force (E.D.S.) of the mutual inductance induced by the magnetic field of the current I of the primary inductor 9 in the secondary inductor 10 is determined by the formula

где I - ток первичной катушки 9 индуктивности, А;where I is the current of the primary inductor 9, A;

f - частота следования импульсов, Гц;f is the pulse repetition rate, Hz;

М - взаимоиндуктивность, Гн.M - mutual inductance, GN.

Величина Э.Д.С, наводимая током I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, определяется коэффициентом связи между этими катушками по формулеThe value of the emf induced by the current I of the primary inductor 9 in the secondary inductor 10 is determined by the coupling coefficient between these coils according to the formula

где М - взаимоиндуктивность, Гн;where M is the mutual inductance, GN;

L₁ и L₂ - индуктивности двух катушек 9, 10 индуктивности соответственно, Гн.L ₁ and L ₂ - inductance of two coils 9, 10 inductance, respectively, GN.

Под действием Э.Д.С. взаимной индуктивности е, наводимой током I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, через диод 8, измерительный прибор 5 течет ток, образуемый индуктивными электродами.Under the influence of E.D.S. mutual inductance e induced by the current I of the primary inductor 9 in the secondary inductor 10, through the diode 8, the measuring device 5 flows the current generated by the inductive electrodes.

При погружении электродов датчика в испытуемый материал через емкостные электроды, выполненные в виде катушек 13, 14 индуктивности, протекает ток I, который через диод 4, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5. Индуктивные электроды, выполненные в виде индуктивно связанных катушек 9, 10 индуктивности с индуктивной связью, образуют ток I₂, который через диод 8, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5.When the sensor electrodes are immersed in the test material through capacitive electrodes made in the form of inductors 13, 14, current I flows through the diode 4, switch 12 is supplied to the measuring device 5. Inductive electrodes made in the form of inductively coupled inductors 9, 10 with inductive coupling, form a current I ₂ , which through the diode 8, the switch 12 is supplied to the measuring device 5.

При изменении температуры исследуемого материала, например увеличении, вследствие того что исследуемый материал имеет положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, емкость, образованная емкостными электродами с испытуемым материалом, увеличивается, а емкостное сопротивление уменьшается. Ток I₁, протекающий через емкостные электроды, увеличивается на + ΔI₁. Вследствие того что температурный коэффициент индуктивности положительный, индуктивное сопротивление увеличивается. Ток I₂, образуемый катушками 9, 10 индуктивности, уменьшается на - ΔI₂. При суммировании токов, протекающих через измерительный прибор 5, I₁+ΔI₁+I₂-ΔI₂ происходит компенсация температурной погрешности. При уменьшении температуры исследуемого материала знаки приращений ΔI₁ и ΔI₂ изменятся на противоположные. Подбором сопротивления, стоящего в цепи первичной катушки индуктивности, добиваются полной компенсации температурной погрешности.When the temperature of the investigated material changes, for example, an increase, due to the fact that the studied material has a positive temperature coefficient of dielectric constant, the capacitance formed by capacitive electrodes with the test material increases, and the capacitance decreases. The current I ₁ flowing through the capacitive electrodes increases by + ΔI ₁ . Due to the fact that the temperature coefficient of inductance is positive, the inductive resistance increases. The current I ₂ generated by the coils 9, 10 of the inductance decreases by - ΔI ₂ . When summing the currents flowing through the measuring device 5, I ₁ + ΔI ₁ + I ₂ -ΔI ₂ , the temperature error is compensated. With decreasing temperature of the test material, the signs of the increments ΔI ₁ and ΔI ₂ will change to the opposite. By selecting the resistance standing in the circuit of the primary inductor, they achieve full compensation of the temperature error.

Пример 2 (фиг.2).Example 2 (figure 2).

Предварительный усилитель 1 является разделительным каскадом и служит для устранения влияния нагрузки усилителя 2 на режим кварцевого генератора. Устройство дополнительно содержит индуктивные электроды, включенные в измерительную схему, и диоды 7, 8 индуктивной цепи. Температурный коэффициент индуктивности дополнительных электродов совпадает по знаку с температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости испытуемого материала. Индуктивные электроды выполнены в виде индуктивно связанных катушек 9, 10 индуктивности со слабой индуктивной связью, изолированных от внешней среды покрытием. В качестве элемента связи между катушками индуктивности использован испытуемый материал, а оси электродов, на которых они расположены, параллельны. Один вывод первичной катушки 9 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, эмиттер транзистора 2 «заземлен», второй вывод катушки 9 индуктивности через сопротивление 11 соединен с источником 6 питания. Один вывод вторичной катушки 10 индуктивности соединен с катодом диода 7 и анодом диода 8, анод диода 7 «заземлен», катод диода 8 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, второй вывод которого «заземлен», при этом второй вывод вторичной катушки 10 индуктивности «заземлен».The preamplifier 1 is a dividing stage and serves to eliminate the influence of the load of the amplifier 2 on the regime of a crystal oscillator. The device further comprises inductive electrodes included in the measuring circuit, and diodes 7, 8 of the inductive circuit. The temperature coefficient of inductance of the additional electrodes coincides in sign with the temperature coefficient of the dielectric constant of the test material. Inductive electrodes are made in the form of inductively coupled inductors 9, 10 with a weak inductive coupling, isolated from the environment by coating. The test material was used as a coupling element between the inductors, and the axis of the electrodes on which they are located are parallel. One terminal of the primary inductor 9 is connected to the collector of the amplifier transistor 2, the emitter of the transistor 2 is “grounded”, the second terminal of the inductor 9 through the resistance 11 is connected to the power supply 6. One terminal of the secondary inductor 10 is connected to the cathode of the diode 7 and the anode of the diode 8, the anode of the diode 7 is “grounded”, the cathode of the diode 8 is connected via a switch 12 to the terminal of the measuring device 5, the second terminal of which is “grounded”, while the second terminal of the secondary coil 10 the inductance is “grounded”.

Емкостные электроды выполнены в виде катушек 9, 13 индуктивности. Один вывод катушки 9 индуктивности соединен с коллектором транзистора 2 усилителя, второй вывод катушки 9 индуктивности через сопротивление 11 соединен с источником Ј питания. Один вывод катушки 13 индуктивности соединен с катодом диода 3 и анодом диода 4, анод диода 3 «заземлен», катод диода 4 через переключатель 12 соединен с выводом измерительного прибора 5, при этом второй вывод катушки 13 индуктивности свободен.Capacitive electrodes are made in the form of coils 9, 13 inductance. One terminal of the inductor 9 is connected to the collector of the transistor 2 of the amplifier, the second terminal of the inductor 9 through the resistance 11 is connected to the power supply Ј. One terminal of the inductor 13 is connected to the cathode of the diode 3 and the anode of the diode 4, the anode of the diode 3 is “grounded”, the cathode of the diode 4 is connected through the switch 12 to the terminal of the measuring device 5, while the second terminal of the inductor 13 is free.

Все катушки 9, 10, и 13 индуктивности намотаны на плоские или другой формы изоляционные основания бифилярным методом в один слой, причем две обмотки катушки 9 индуктивности соединены последовательно, две обмотки каждой своей катушки 10, 13 индуктивности соединены параллельно. Бифилярная намотка катушек индуктивности использована для согласования сопротивления измерительной цепи. Изоляционные основания с намотанными катушками индуктивности крепятся на изоляционном основании-ручке и изолируются от внешней среды покрытием, образуют электроды датчика. Датчик имеет два, три или четыре измерительных электрода, которые соединяются с измерительным устройством посредством кабеля. Шкала измерительного прибора 0÷100 мкА.All inductors 9, 10, and 13 are wound on a flat or other form of insulating base in a single layer by bifilar method, with two windings of inductor 9 connected in series, two windings of each of its inductors 10, 13 connected in parallel. Bifilar winding of inductors is used to match the resistance of the measuring circuit. Insulating bases with wound inductors are mounted on an insulating base-handle and are isolated from the external environment by a coating to form sensor electrodes. The sensor has two, three or four measuring electrodes that are connected to the measuring device via a cable. The scale of the measuring device is 0 ÷ 100 μA.

Для возможности контроля и установки постоянной чувствительности устройства в нем предусмотрено подключение калибровочной емкости 14. Устройство имеет два диапазона измерения влажности сыпучих материалов. Выбор необходимого диапазона осуществляется переключателем 15.In order to be able to control and establish the constant sensitivity of the device, it provides for the connection of a calibration container 14. The device has two ranges for measuring the moisture content of bulk materials. The desired range is selected by switch 15.

Электроды погружают в испытуемый материал. При отсутствии положительного сигнала на базе транзистора 2 последний закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор велико, и катушка 9 индуктивности отсоединена от «земли». Катушки 9, 13 индуктивности представляют собой металлические электроды с испытуемым материалом между ними, изолированные от испытуемого материала, образуют конденсатор с некоторой емкостью, величина которой зависит от влажности испытуемого материала. Под действием напряжения источника 6 питания емкость конденсатора заряжается через сопротивление 11, диод 4 и измерительный прибор 5.The electrodes are immersed in the test material. In the absence of a positive signal on the basis of transistor 2, the latter is closed, the emitter-collector resistance is large, and the inductor 9 is disconnected from the ground. Inductors 9, 13 are metal electrodes with the test material between them, isolated from the test material, form a capacitor with a certain capacity, the value of which depends on the humidity of the test material. Under the action of the voltage of the power supply 6, the capacitor is charged through a resistance 11, a diode 4, and a measuring device 5.

При поступлении с выхода предварительного усилителя 1 на базу транзистора 2 положительного импульса, вырабатываемого кварцевым генератором, транзистор 2 открывается, по нему протекает ток коллектора I, и катушка 9 индуктивности соединяется с «землей». Происходит разряд электрической емкости С, образованной емкостными электродами с испытуемым материалом, через открытый транзистор 2 и диод 3. Одновременно ток коллектора I, протекая по первичной катушке 9 индуктивности, создает магнитное поле.Upon receipt from the output of the pre-amplifier 1 to the base of the transistor 2 of a positive pulse generated by the crystal oscillator, the transistor 2 opens, the collector current I flows through it, and the inductor 9 is connected to ground. There is a discharge of the electric capacitance C formed by capacitive electrodes with the test material through an open transistor 2 and diode 3. At the same time, the collector current I, flowing through the primary inductor 9, creates a magnetic field.

Под действием Э.Д.С. взаимной индуктивности, наводимой током I первичной катушки 9 индуктивности во вторичной катушке 10 индуктивности, через диод 8, измерительный прибор 5 течет ток, образуемый индуктивными электродами.Under the influence of E.D.S. mutual inductance induced by the current I of the primary inductor 9 in the secondary inductor 10, through the diode 8, the measuring device 5 flows the current generated by the inductive electrodes.

При погружении электродов датчика в испытуемый материал через емкостные электроды, выполненные в виде катушек 9, 13 индуктивности, протекает ток I₁, который через диод 4, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5. Индуктивные электроды, выполненные в виде индуктивно связанных катушек 9, 10 индуктивности с индуктивной связью, образуют ток I₂, который через диод 8, переключатель 12 поступает на измерительный прибор 5.When the sensor electrodes are immersed in the test material through capacitive electrodes made in the form of inductors 9, 13, a current I ₁ flows through the diode 4, the switch 12 enters the measuring device 5. Inductive electrodes made in the form of inductively coupled coils 9, 10 inductance with inductive coupling, form a current I ₂ , which through the diode 8, the switch 12 is supplied to the measuring device 5.

При изменении температуры исследуемого материала - увеличении или уменьшении - компенсация температурной погрешности происходит, как это описано в примере 1. Подбором сопротивления, стоящего в цепи первичной катушки индуктивности, изменением, например, величины связи между катушками шадуктивности индуктивных электродов добиваются полной компенсации температурной погрешности.When the temperature of the material under study is increased or decreased, the temperature error is compensated, as described in Example 1. By selecting the resistance in the circuit of the primary inductor, by changing, for example, the coupling value between the inductance electrodes, they completely compensate for the temperature error.

Claims

A device for measuring the moisture content of bulk materials, containing a self-excited high-frequency quartz oscillator electrically connected to each other, a measuring circuit, a sensor with capacitive electrodes included in the measuring circuit, which are coated with an external insulation coating, diodes, a measuring device and a power source, characterized in that it further comprises inductive electrodes included in the measuring circuit, and diodes of the inductive circuit, while the temperature coefficient the inductance of the additional electrodes coincides in sign with the temperature coefficient of the dielectric constant of the test material, the inductive electrodes are made in the form of inductively coupled inductors with inductive coupling isolated from the external environment by a coating, and the axis of the electrodes on which they are located are parallel, and capacitive electrodes are made in in the form of inductors, and all inductors are wound on insulating substrates by the bifilar method in one layer, with two windings each nd its coil connected to the collector of the amplifier transistor, connected in series, and the two windings of each of their second inductor connected in parallel.