RU2641657C1 - Moisture meter and method for measuring moisture - Google Patents
Moisture meter and method for measuring moisture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2641657C1 RU2641657C1 RU2017111722A RU2017111722A RU2641657C1 RU 2641657 C1 RU2641657 C1 RU 2641657C1 RU 2017111722 A RU2017111722 A RU 2017111722A RU 2017111722 A RU2017111722 A RU 2017111722A RU 2641657 C1 RU2641657 C1 RU 2641657C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generator
- measuring cell
- amplitude detector
- input
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности различных материалов в промышленных условиях. Основное назначение - контроль содержания воды в бетонной смеси непосредственно в бетоносмесителе. Техническое решение реализует диэлькометрический способ измерения влажности и может быть также применено для контроля и других физических параметров, влияющих на диэлектрическую проницаемость, например для измерения плотности материала, состава смеси веществ.The technical solution relates to measuring equipment and can be used to measure the moisture content of various materials in an industrial environment. The main purpose is to control the water content in the concrete mixture directly in the concrete mixer. The technical solution implements a dielcometric method for measuring humidity and can also be used to control other physical parameters affecting the dielectric constant, for example, to measure the density of a material and the composition of a mixture of substances.
Известен влагомер (патент на полезную модель RU 150395 U1, опубл. 20.02.2015; Urkunde über die Eintragung des Gebrauchsmusters DE 202015104869 U1, опубл. 26.01.2017), содержащий металлическое основание, которое соприкасается с контролируемым материалом одной внешней своей стороной, первичный преобразователь, образованный на металлическом основании, измерительную ячейку, которая установлена с внутренней стороны основания и подключена к первичному преобразователю, генератор гармонического зондирующего сигнала, электронное устройство измерения.A moisture meter is known (patent for utility model RU 150395 U1, publ. 02/20/2015; Urkunde über die Eintragung des Gebrauchsmusters DE 202015104869 U1, publ. 01/26/2017) containing a metal base that is in contact with the controlled material on one external side, the primary transducer formed on a metal base, a measuring cell, which is installed on the inner side of the base and connected to the primary transducer, a harmonic probe signal generator, an electronic measuring device.
У данного влагомера первичный преобразователь представляет собой измерительный конденсатор, который образован первым и вторым электродами, выполненными из металла, стойкого к истиранию, причем первый электрод размещен в отверстии, выполненном во втором электроде, и закреплен на диэлектрической пластине.In this moisture meter, the primary transducer is a measuring capacitor, which is formed by the first and second electrodes made of abrasion resistant metal, the first electrode being placed in the hole made in the second electrode and mounted on a dielectric plate.
Недостатком данного влагомера является малая глубина зондирования и, соответственно, низкая точность измерения при неоднородном распределении влаги в объеме контролируемого материала. Создаваемые отдельными участками измерительного конденсатора электромагнитные поля имеют противоположную ориентацию и на удалении от конденсатора взаимно компенсируются. В результате электромагнитное поле данного влагомера проникает в контролируемый материал только вблизи поверхности первичного преобразователя.The disadvantage of this hygrometer is the small depth of sounding and, consequently, low measurement accuracy with an inhomogeneous distribution of moisture in the volume of the controlled material. The electromagnetic fields created by the individual sections of the measuring capacitor are in the opposite orientation and are mutually compensated at a distance from the capacitor. As a result, the electromagnetic field of this moisture meter penetrates into the controlled material only near the surface of the primary transducer.
Известен влагомер (патент на полезную модель RU 128333 U1, опубл. 20.05.2013; патент на изобретение RU 2571301 С2, опубл. 20.12.2015; патент на изобретение RU 2572087 С2, опубл. 27.12.2015; заявка ЕР 2921848 А1, опубл. 23.09.2015; заявка ЕР 2955509 А1, опубл. 16.12.2015), содержащий металлическое основание, которое соприкасается с контролируемым материалом одной внешней своей стороной, первичный преобразователь, представляющий собой отрезок длинной линии передачи, причем основание является элементом первичного преобразователя, измерительную ячейку, которая установлена с внутренней стороны основания и подключена к первичному преобразователю, генератор гармонического зондирующего сигнала, электронное устройство измерения, причем измерительная ячейка включена в цепь зондирующего сигнала между генератором и первичным преобразователем, а выход измерительной ячейки подключен к устройству измерения.A hygrometer is known (patent for utility model RU 128333 U1, publ. 05/20/2013; patent for invention RU 2571301 C2, publ. 12/20/2015; patent for invention RU 2572087 C2, publ. 12/27/2015; application EP 2921848 A1, publ. 09/23/2015; application EP 2955509 A1, published December 16, 2015) containing a metal base that is in contact with the controlled material on one external side thereof, a primary transducer representing a segment of a long transmission line, the base being an element of the primary transducer, a measuring cell, which is installed on the inside the base and connected to the primary transducer, a harmonic probe signal generator, an electronic measuring device, wherein the measuring cell is included in the probe signal circuit between the generator and the primary transducer, and the output of the measuring cell is connected to the measuring device.
В данном влагомере первичный преобразователь образован основанием и сигнальным проводником, расположенным над основанием и отделенным от него зазором, при этом первый конец сигнального проводника служит входом первичного преобразователя, а второй конец сигнального проводника соединен с основанием так, что в месте соединения между ними образован электрический контакт. Измерительная ячейка содержит резистор и амплитудный детектор. Резистор включен последовательно в цепь зондирующего сигнала между генератором и входом первичного преобразователя. Амплитудный детектор подключен параллельно к входу первичного преобразователя и обеспечивает измерение напряжения на входе первичного преобразователя, выход амплитудного детектора является выходом измерительной ячейки и подключен к устройству измерения.In this hygrometer, the primary transducer is formed by a base and a signal conductor located above the base and separated by a gap, while the first end of the signal conductor serves as the input of the primary transducer, and the second end of the signal conductor is connected to the base so that an electrical contact is formed at the junction between them . The measuring cell contains a resistor and an amplitude detector. The resistor is connected in series to the probe signal circuit between the generator and the input of the primary converter. The amplitude detector is connected in parallel to the input of the primary transducer and provides voltage measurement at the input of the primary transducer, the output of the amplitude detector is the output of the measuring cell and is connected to the measuring device.
В известном влагомере реализован способ измерения влажности (патент на изобретение RU 2571301 С2, опубл. 20.12.2015), при котором измеряют резонансную частоту гармонического зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии передачи, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, причем с выхода генератора зондирующий сигнал подают на вход первичного преобразователя через измерительную ячейку, содержащую резистор и амплитудный детектор, производят измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя с помощью указанного амплитудного детектора, при перестройке генератора определяют резонансную частоту по достижении минимума напряжения, измеренного с помощью амплитудного детектора или по достижении минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, подключенного параллельно к входу измерительной ячейки, по значению резонансной частоты определяют влажность материала.The known moisture meter implements a method of measuring humidity (patent RU 2571301 C2, published December 20, 2015), in which the resonant frequency of the harmonic probe signal in the input circuit of the primary transducer, made in the form of a section of a long transmission line, is measured, the probe signal is generated by a generator, which tuned in the frequency range, and from the output of the generator a probing signal is fed to the input of the primary transducer through a measuring cell containing a resistor and an amplitude detector, and measuring the voltage of the probe signal in the input circuit of the primary converter using the specified amplitude detector, when the generator is tuned, the resonant frequency is determined upon reaching the minimum voltage measured using the amplitude detector or upon reaching the minimum ratio of this voltage to voltage measured using a second amplitude detector connected in parallel to the input of the measuring cell, the moisture content of the material is determined by the value of the resonant frequency.
Необходимо отметить, что в известном способе при перестройке генератора находят резонансную частоту, характеризующуюся тем, что входное сопротивление первичного преобразователя на этой частоте достигает минимума. Резонансную частоту определяют по минимуму напряжения, измеренного на входе первичного преобразователя. Указанное напряжение измеряют с помощью амплитудного детектора, который подключен параллельно к входу первичного преобразователя.It should be noted that in the known method, when the generator is tuned, a resonant frequency is found, characterized in that the input resistance of the primary converter at this frequency reaches a minimum. The resonant frequency is determined by the minimum voltage measured at the input of the primary Converter. The specified voltage is measured using an amplitude detector, which is connected in parallel to the input of the primary Converter.
Известный влагомер содержит выступающий над поверхностью основания элемент - сигнальный проводник, поэтому такой влагомер не может быть применен в ряде практических задач, в частности, для контроля материала в бетоносмесителе, по внутренней поверхности которого перемещаются лопатки.The known hydrometer contains a protruding element above the base surface - a signal conductor, therefore, such a hydrometer cannot be used in a number of practical tasks, in particular, to control the material in a concrete mixer, on the inner surface of which the blades move.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому влагомеру является влагомер (патент на изобретение RU 2585255 С2, опубл. 27.05.2016; см. вариант, описанный в п. 22 и п. 23 формулы изобретения), содержащий металлическое основание, которое соприкасается с контролируемым материалом одной внешней своей стороной, первичный преобразователь, представляющий собой отрезок длинной линии передачи, выполненный как элемент металлического основания, измерительную ячейку, которая установлена с внутренней стороны основания и подключена к первичному преобразователю, генератор гармонического зондирующего сигнала, электронное устройство измерения, причем измерительная ячейка включена в цепь зондирующего сигнала между генератором и первичным преобразователем, а выход измерительной ячейки подключен к устройству измерения.The closest in technical essence to the proposed hydrometer is a hydrometer (patent for invention RU 2585255 C2, publ. 05.27.2016; see the variant described in paragraph 22 and paragraph 23 of the claims) containing a metal base that is in contact with the controlled material one of its outer side, the primary Converter, which is a segment of a long transmission line, made as an element of a metal base, a measuring cell, which is installed on the inside of the base and connected to the primary trans a generator, a harmonic probe signal generator, an electronic measuring device, the measuring cell being connected to the probe signal circuit between the generator and the primary transducer, and the output of the measuring cell being connected to the measuring device.
В известном влагомере, выбранном в качестве прототипа, первичный преобразователь выполнен в виде отрезка копланарной линии передачи. Центральный проводник этого отрезка с одного конца соединен с экранным проводником - основанием, а с другого конца подключен к генератору через измерительную ячейку. Измерительная ячейка содержит резистор и амплитудный детектор. Резистор включен последовательно в цепь зондирующего сигнала между генератором и входом первичного преобразователя. Амплитудный детектор подключен параллельно к входу первичного преобразователя и обеспечивает измерение напряжения на входе первичного преобразователя. Выход амплитудного детектора является выходом измерительной ячейки и подключен к устройству измерения. Устройство измерения обеспечивает определение влажности по значению резонансной частоты, на которой достигается минимальное входное сопротивление первичного преобразователя.In the known hygrometer selected as a prototype, the primary transducer is made in the form of a segment of a coplanar transmission line. The central conductor of this segment is connected from one end to the screen conductor - the base, and from the other end is connected to the generator through the measuring cell. The measuring cell contains a resistor and an amplitude detector. The resistor is connected in series to the probe signal circuit between the generator and the input of the primary converter. The amplitude detector is connected in parallel to the input of the primary Converter and provides a voltage measurement at the input of the primary Converter. The output of the amplitude detector is the output of the measuring cell and is connected to the measuring device. The measurement device provides the determination of humidity by the value of the resonant frequency at which the minimum input resistance of the primary converter is achieved.
В данном влагомере реализован способ измерения влажности (патент на изобретение RU 2571301 С2, опубл. 20.12.2015), подробно описанный выше при рассмотрении второго аналога.This moisture meter implements a method of measuring humidity (patent for the invention RU 2571301 C2, publ. 12/20/2015), described in detail above when considering the second analogue.
Недостатком данного влагомера является малая глубина зондирования и, соответственно, низкая точность измерения при неоднородном распределении влаги в контролируемом материале. Создаваемые отдельными участками копланарной линии электромагнитные поля имеют противоположную ориентацию и на удалении от преобразователя взаимно компенсируются. Отметим, что именно по этой причине копланарная линия не применяется в качестве излучателя (антенны) электромагнитного сигнала. В результате электромагнитное поле данного влагомера проникает в контролируемый материал только вблизи поверхности первичного преобразователя. На результат измерения материала прежде всего будет влиять диэлектрическая проницаемость слоя, что оказался ближе к поверхности первичного преобразователя. Это приводит к ошибкам измерения влажности. Указанная проблема особенно заметно проявляется при измерении в бетоносмесителях.The disadvantage of this hygrometer is the small depth of sounding and, consequently, low measurement accuracy with an inhomogeneous distribution of moisture in the controlled material. The electromagnetic fields created by individual sections of the coplanar line are in the opposite orientation and mutually compensated at a distance from the transducer. Note that it is for this reason that the coplanar line is not used as the emitter (antenna) of the electromagnetic signal. As a result, the electromagnetic field of this moisture meter penetrates into the controlled material only near the surface of the primary transducer. The dielectric constant of the layer will primarily influence the result of measuring the material, which is closer to the surface of the primary transducer. This leads to moisture measurement errors. This problem is especially noticeable when measured in concrete mixers.
В данном влагомере центральный проводник копланарной линии соединен с металлическим основанием только с одного своего конца. Второй конец центрального проводника закреплен диэлектрическими элементами конструкции. Стойкость влагомера к ударам, приходящимся по второму концу центрального проводника, снижена. Другим недостатком данного влагомера является сложность его конструкции.In this hygrometer, the central conductor of the coplanar line is connected to the metal base from only one of its ends. The second end of the central conductor is fixed by dielectric structural elements. The resistance of the hygrometer to shocks occurring at the second end of the central conductor is reduced. Another disadvantage of this hygrometer is the complexity of its design.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения влажности контролируемого материала, увеличение глубины зондирования, упрощение конструкции влагомера. Целью также является повышение механической прочности влагомера, стойкости его к ударам, что особенно важно при использовании влагомера в бетоносмесителях.The aim of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measuring the humidity of the controlled material, increasing the sounding depth, simplifying the design of the moisture meter. The goal is also to increase the mechanical strength of the moisture meter, its resistance to shock, which is especially important when using the moisture meter in concrete mixers.
Поставленная цель достигается тем, что во влагомере, содержащем металлическое основание, которое соприкасается с контролируемым материалом одной внешней своей стороной, первичный преобразователь, представляющий собой отрезок длинной линии передачи, выполненный как элемент металлического основания, измерительную ячейку, которая установлена с внутренней стороны основания и подключена к первичному преобразователю, генератор гармонического зондирующего сигнала, электронное устройство измерения, причем измерительная ячейка включена в цепь зондирующего сигнала между генератором и первичным преобразователем, а выход измерительной ячейки подключен к устройству измерения, согласно предлагаемому техническому решению первичный преобразователь выполнен в виде отрезка щелевой линии передачи и образует щелевой излучатель, причем ширина щели много меньше ее длины, а концы щели расположены вблизи противоположных краев основания, щель загерметизирована диэлектриком, измерительная ячейка подключена к боковым кромкам щели в средней ее части.This goal is achieved by the fact that in the moisture meter containing a metal base, which is in contact with the controlled material on one of its outer sides, the primary transducer, which is a segment of a long transmission line, made as an element of a metal base, a measuring cell, which is installed on the inside of the base and connected to the primary transducer, a harmonic probe signal generator, an electronic measuring device, the measuring cell being turned on the probe signal circuit between the generator and the primary transducer, and the output of the measuring cell is connected to the measuring device, according to the proposed technical solution, the primary transducer is made in the form of a section of a transmission gap line and forms a slot emitter, the gap width being much less than its length and the ends of the gap located near opposite the edges of the base, the gap is sealed with a dielectric, the measuring cell is connected to the lateral edges of the gap in its middle part.
Диэлектрик, обеспечивающий герметизацию щели, может быть выполнен в виде диэлектрической пластины, установленной на основании с внутренней его стороны, или может представлять собой слой компаунда (электроизоляционного материала), заполняющего щель.The dielectric providing sealing of the gap can be made in the form of a dielectric plate mounted on the base from its inner side, or it can be a layer of compound (electrical insulating material) filling the gap.
Точка подключения измерительной ячейки к щелевому излучателю может располагаться вдоль щели на участке от 0,2 до 0,8 длины щели.The point of connection of the measuring cell to the slot emitter can be located along the slit in the area from 0.2 to 0.8 of the length of the slit.
Поставленная цель достигается также тем, что влагомер содержит корпус, который имеет форму цилиндра, металлическое основание является торцевой стенкой этого цилиндра и имеет круглую форму, щелевой излучатель выполнен в форме буквы S.This goal is also achieved by the fact that the hygrometer contains a housing that has the shape of a cylinder, the metal base is the end wall of this cylinder and has a round shape, the slot emitter is made in the shape of the letter S.
Поставленная цель достигается также тем, что влагомер содержит корпус, который имеет форму сжатого с боков цилиндра, металлическое основание является торцевой стенкой этого цилиндра, щелевой излучатель выполнен в форме отрезка прямой линии, металлическое основание имеет продолговатую форму, вытянутую вдоль указанного отрезка прямой линии.This goal is also achieved by the fact that the hydrometer contains a housing that has the shape of a cylinder compressed from the sides, the metal base is the end wall of this cylinder, the slot emitter is made in the form of a straight line segment, the metal base has an elongated shape, elongated along the specified straight line segment.
Поставленная цель достигается также тем, что щелевой излучатель выполнен в форме зигзагообразной линии.This goal is also achieved by the fact that the slot emitter is made in the form of a zigzag line.
Поставленная цель достигается также тем, что измерительная ячейка содержит резистор и амплитудный детектор, резистор включен последовательно в цепь зондирующего сигнала между генератором и щелевым излучателем, указанный амплитудный детектор подключен параллельно к резистору, а выход амплитудного детектора является выходом измерительной ячейки и подключен к устройству измерения.This goal is also achieved by the fact that the measuring cell contains a resistor and an amplitude detector, the resistor is connected in series to the probe signal circuit between the generator and the slot emitter, the specified amplitude detector is connected in parallel to the resistor, and the output of the amplitude detector is the output of the measuring cell and connected to the measuring device.
Поставленная цель достигается также тем, что в состав измерительной ячейки введен второй детектор амплитуды, вход которого подключен параллельно к входу измерительной ячейки, выход второго детектора амплитуды подключен к устройству измерения. Второй детектор амплитуды обеспечивает измерение напряжения зондирующего сигнала, подаваемого на измерительную ячейку с генератора.This goal is also achieved by the fact that a second amplitude detector is introduced into the measuring cell, the input of which is connected in parallel to the input of the measuring cell, the output of the second amplitude detector is connected to the measuring device. The second amplitude detector provides a voltage measurement of the probe signal supplied to the measuring cell from the generator.
Поставленная цель достигается также тем, что соединение измерительной ячейки с генератором выполнено через развязывающий высокочастотный трансформатор.This goal is also achieved by the fact that the connection of the measuring cell with the generator is made through a decoupling high-frequency transformer.
Поставленная цель достигается также тем, что корпус влагомера со стороны, противоположной основанию, закрыт крышкой из диэлектрика или закрыт металлической крышкой, которая выполнена изолированной от металлического корпуса влагомера.This goal is also achieved by the fact that the body of the hygrometer from the side opposite the base is closed by a dielectric cover or closed by a metal cover, which is made isolated from the metal housing of the hygrometer.
Поставленная цель достигается также тем, что основание выполнено из металла, стойкого к истиранию, ширина щели выбрана такой, чтобы в нее не проходили крупные фракции контролируемого материала.This goal is also achieved by the fact that the base is made of metal that is resistant to abrasion, the width of the slit is chosen so that large fractions of the controlled material do not pass into it.
Применительно к способу, реализованному в предложенном влагомере, поставленная цель достигается тем, что в способе измерения влажности материала, при котором измеряют резонансную частоту гармонического зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии передачи, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, причем с выхода генератора зондирующий сигнал подают на вход первичного преобразователя через измерительную ячейку, содержащую резистор и амплитудный детектор, производят измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя с помощью указанного амплитудного детектора, при перестройке генератора определяют резонансную частоту по достижении минимума напряжения, измеренного с помощью указанного амплитудного детектора, или по достижении минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, подключенного параллельно к входу измерительной ячейки, по значению резонансной частоты определяют влажность материала, согласно предлагаемому техническому решению используют первичный преобразователь, выполненный в виде отрезка щелевой линии передачи и образующий щелевой излучатель, при перестройке генератора находят резонансную частоту, характеризующуюся тем, что входное сопротивление первичного преобразователя на этой частоте достигает максимума, резонансную частоту определяют по минимуму входного тока первичного преобразователя, указанный входной ток определяют путем измерения напряжения на резисторе с помощью амплитудного детектора, который подключен к резистору параллельно, при этом резистор включен последовательно с входом щелевого излучателя.In relation to the method implemented in the proposed moisture meter, the goal is achieved in that in the method of measuring the moisture content of the material, in which the resonant frequency of the harmonic probe signal in the input circuit of the primary transducer, made in the form of a section of a long transmission line, is measured, the probe signal is generated by a generator, which is tuned in the frequency range, and from the output of the generator a probing signal is fed to the input of the primary transducer through a measuring cell containing a res the torus and the amplitude detector, measure the voltage of the probe signal in the input circuit of the primary converter using the specified amplitude detector, when the generator is tuned, the resonant frequency is determined upon reaching the minimum voltage measured using the specified amplitude detector, or upon reaching the minimum ratio of the indicated voltage to voltage measured using a second amplitude detector connected in parallel to the input of the measuring cell, the value of the resonant frequency op the humidity of the material is consumed, according to the proposed technical solution, a primary converter is used, made in the form of a section of a slit transmission line and forming a slot emitter, when the generator is tuned, a resonant frequency is found, characterized in that the input resistance of the primary converter at this frequency reaches a maximum, the resonance frequency is determined by the minimum the input current of the primary Converter, the specified input current is determined by measuring the voltage across the resistor using a plitudnogo detector which is connected to the resistor in parallel with a resistor connected in series with the input slot radiator.
Поставленная цель достигается также тем, что генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения с выхода амплитудного детектора к напряжению с выхода второго детектора амплитуды, по полученной частотной зависимости определяют резонансную частоту, соответствующую минимуму входного тока первичного преобразователя.The goal is also achieved by the fact that the generator is tuned in the frequency range in discrete steps, at each step of the tuning, the ratio of the voltage from the output of the amplitude detector to the voltage from the output of the second amplitude detector is calculated, the resonance frequency corresponding to the minimum of the input current of the primary converter is determined from the obtained frequency dependence.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг. 1-6.The essence of the proposed technical solution is illustrated in FIG. 1-6.
На фиг. 1 и 2 приведена схема влагомера, причем на фиг. 1 показан влагомер, у которого генератор непосредственно соединен с измерительной ячейкой, а на фиг. 2 приведена схема, в которой соединение генератора с элементами измерительной ячейки произведено через трансформатор.In FIG. 1 and 2 show a diagram of a moisture meter, with FIG. 1 shows a moisture meter in which the generator is directly connected to the measuring cell, and in FIG. 2 shows a diagram in which the connection of the generator with the elements of the measuring cell is made through a transformer.
На фиг. 3 показана конструкция влагомера, у которого основание имеет круглую форму, а щелевая линия выполнена в форме буквы S.In FIG. 3 shows the construction of a moisture meter, in which the base has a circular shape and the slot line is made in the shape of the letter S.
На фиг. 4 показан влагомер, у которого корпус имеет форму сжатого с боков цилиндра, а щелевой излучатель выполнен в форме отрезка прямой линии.In FIG. 4 shows a hygrometer, in which the casing has the shape of a cylinder compressed from the sides, and the slot emitter is made in the form of a straight line segment.
На фиг. 5 и 6 показан влагомер, щелевой излучатель которого выполнен в форме зигзагообразной линии.In FIG. 5 and 6, a hygrometer is shown, the slot emitter of which is made in the form of a zigzag line.
Предложенный влагомер содержит металлическое основание 1, которое соприкасается с контролируемым материалом одной внешней своей стороной и является одной из стенок корпуса влагомера. В металлическом основании 1 выполнена щель 2, представляющая собой первичный преобразователь в виде отрезка щелевой линии передачи. Указанный первичный преобразователь образует щелевой излучатель (щелевую антенну). Ширина W щели 2 много меньше ее длины L, концы щели 2 расположены вблизи противоположных краев основания 1. Щелевая линия передачи является одним из возможных вариантов так называемой длинной линии передачи. Отрезок щелевой линии передачи, как и отрезок любой длинной линии передачи, имеет резонансную характеристику при определенном соотношении длины этого отрезка и длины распространяющейся в линии передачи электромагнитной волны. Щель 2 закрыта диэлектриком 3, который предотвращает попадание внутрь влагомера контролируемого материала. Диэлектрик 3 может быть выполнен, например, в виде пластины, установленной на основании 1 с внутренней его стороны, или может представлять собой слой компаунда, заполняющего щель 2. С внутренней стороны основания 1 внутри корпуса влагомера установлена измерительная ячейка 4. Ячейка 4 может быть выполнена в виде платы с расположенными на ней резисторами, полупроводниковыми диодами, конденсаторами и другими радиоэлектронными элементами. Двумя выводами ячейка 4 подключена непосредственно к боковым кромкам щели 2, причем точки подключения расположены в средней части щели 2 вдоль ее длины. Расстояние R от места подключения до концов щели 2 удовлетворяет соотношению: R = (0,2…0,8)L, где L - длина щели 2. Измерительная ячейка 4 включена в цепь зондирующего сигнала между генератором 5 гармонического сигнала и щелевым излучателем (антенной) 2, а выход измерительной ячейки 4 подключен к электронному устройству измерения 6. Измерительная ячейка 4 содержит резистор 7 и амплитудный детектор 8. Резистор 7 включен последовательно в цепь зондирующего сигнала между генератором 5 и щелевым излучателем 2. Детектор 8 своим входом подключен параллельно к резистору 7, а выход детектора 8 является выходом измерительной ячейки 4 и подключен к устройству измерения 6.The proposed hydrometer contains a
В состав измерительной ячейки 4 может быть введен второй детектор амплитуды 9, который своим входом подключен параллельно к входу измерительной ячейки 4 и обеспечивает измерение входного напряжения зондирующего сигнала, подаваемого на ячейку 4 с генератора 5. Выход второго детектора амплитуды 9 подключен к устройству измерения 6. Как показано на фиг. 1 и 2, сигнал с генератора 5 может быть подан на радиоэлектронные элементы ячейки 4 как непосредственно, так и через развязывающий высокочастотный трансформатор 10.A second amplitude detector 9 can be introduced into the measuring
Влагомер содержит корпус 11, предпочтительная форма выполнения корпуса - в форме цилиндра. Основание 1 является торцевой стенкой этого цилиндра и может быть выполнено в виде крышки этого цилиндра. На фиг. 3 и 5 показан вариант исполнения влагомера, у которого основание 1 и цилиндрический корпус 2 имеют круглую форму. Для круглого основания 1 предложены предпочтительные формы выполнения щелевого излучателя 2: в форме буквы S (фиг. 3) и в форме зигзагообразной линии (фиг. 5). На фиг. 4 и 6 показан влагомер, у которого корпус 11 имеет форму сжатого с боков цилиндра (размер А больше размера В), а металлическое основание 1 является торцевой стенкой этого цилиндра и выполнено в виде крышки. Показанный на фиг. 4 щелевой излучатель 2 выполнен в форме отрезка прямой линии на основании 1, имеющем продолговатую форму, вытянутую вдоль указанного отрезка. На фиг. 6 показан влагомер, у которого щелевой излучатель 2 выполнен в форме зигзагообразной линии на основании 1 продолговатой формы.The moisture meter comprises a
Принцип измерения предлагаемого влагомера, как и влагомера, выбранного в качестве прототипа, основан на том, что отрезок длинной линии передачи имеет резонансные характеристики на частотах, при которых длина L этого отрезка примерно равна половине длины волны. Так как длина волны зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого материала, то это позволяет по частоте резонанса и температуре материала определять его влажность. Для измерения температуры материала в состав влагомера может входить датчик температуры.The principle of measuring the proposed moisture meter, as well as a moisture meter selected as a prototype, is based on the fact that a segment of a long transmission line has resonant characteristics at frequencies at which the length L of this segment is approximately equal to half the wavelength. Since the wavelength depends on the dielectric constant of the controlled material, this allows you to determine its moisture content by the resonance frequency and temperature of the material. To measure the temperature of the material, a moisture sensor may include a temperature sensor.
Влагомер работает следующим образом.The moisture meter works as follows.
Генератор 5 перестраивают в диапазоне рабочих частот. При перестройке производят измерение напряжения на резисторе 7 с помощью амплитудного детектора 8, который преобразует высокочастотный сигнал в низкочастотный. Снимаемое с выхода детектора 8 напряжение пропорционально входному току щелевого излучателя 2. Напряжение детектора 8 подают на вход устройства измерения 6, в котором производится измерение величины напряжения. Минимум этого напряжения достигается в тот момент, когда входное сопротивление первичного преобразователя будет максимальным. Частота, при которой достигается минимум напряжения на резисторе 7, является резонансной частотой щелевого излучателя 2. По полученному значению резонансной частоты для контролируемого материала и частоте резонанса, полученному на воздухе (в отсутствии контролируемого материала) определяют коэффициент замедления электромагнитной волны в материале. Далее, по переводным таблицам, составленным для набора температур и заложенным в память процессора устройства измерения 6, производят вычисление содержания влаги в контролируемом материале.The
На измерения может влиять нестабильность амплитуды сигнала генератора 5 при его перестройке в диапазоне частот. Для исключения указанного влияния в измерительную ячейку 4 может быть введен второй детектор амплитуды 9, вход которого подключен параллельно к входу ячейки 4. В этом случае резонанс определяют по отношению напряжения с выхода детектора 8 к напряжению с выхода детектора 9.The measurements may be affected by the instability of the amplitude of the signal of the
Необходимо отметить, что процесс измерений может быть реализован в двух вариантах.It should be noted that the measurement process can be implemented in two versions.
Первый вариант: генератор 5 перестраивают по частоте таким образом, чтобы отношение напряжения детектора 8 к напряжению детектора 9 было минимальным, при достижении минимума устройство измерения 6 производит отсчет частоты резонанса.The first option: the
Второй вариант: устройство измерения 6 выполняет измерения указанного отношения напряжений поочередно для дискретных частот рабочего диапазона влагомера, то есть снимают полную частотную характеристику входного сопротивления первичного преобразователя. Далее по полученной частотной зависимости определяют резонансную частоту, соответствующую минимуму входного тока первичного преобразователя. Второй вариант реализации процесса измерений потенциально точнее, так как позволяет уточнить значения резонансной частоты методом «вилки»: резонансная частота вычисляется как среднее от частот вокруг минимума, на которых значения входного тока щелевого излучателя 2 одинаковы.The second option: the measuring
Измерение частоты резонанса по минимуму входного тока является существенным отличием данного технического решения. Измерительная цепь, выполненная на основе резистора 7 и амплитудного детектора 8, при минимальном через нее токе оказывает малое воздействие на частоту резонанса, что повышает точность измерения. Оптимальное место подключения измерительной ячейки 4 к щели 2 расположено в средней части по длине L щели 2. Выбором положения места подключения вдоль щели 2 можно менять входное сопротивление щелевого излучателя 2 при резонансе.The measurement of the resonance frequency by the minimum input current is a significant difference of this technical solution. A measuring circuit based on a
Рассмотрим особенности конструкции предлагаемого влагомера.Consider the design features of the proposed moisture meter.
Преимущество первичного преобразователя, выполненного на основе щелевой линии, состоит в том, что силовые линии электромагнитного поля, создаваемого отдельными участками этой линии, имеют одинаковое направление относительно оси щели. В результате для щелевой линии отсутствует эффект взаимной компенсации поля на расстоянии, что характерно для копланарной линии и для измерительного конденсатора рассмотренных выше влагомеров (прототип и первый аналог). Из-за указанной особенности щелевые линии широко используются в качестве антенн. Применение щелевого излучателя во влагомере позволило существенно увеличить глубину зондирования контролируемого материала. Глубина зондирования предложенного влагомера пропорциональна длине волны зондирующего сигнала и примерно равна 1/4 - 1/2 длины волны в материале. Для повышения глубины зондирования необходимо увеличивать длину волны и, соответственно, увеличивать длину L щели 2. На ограниченной по размерам поверхности основания 1 максимальная длина щели 2 обеспечивается тем, что концы щели расположены вблизи противоположных краев основания так, как показано на фиг. 3-6. Для повышения эффективности излучения щелевой антенны 2 необходимо, чтобы создаваемые отдельными участками этой линии электромагнитные поля не компенсировали взаимно друг друга. Этому требованию удовлетворяет щелевой излучатель 2, выполненный в форме отрезка прямой линии (см. фиг. 1, 2 и 4). При ограниченных размерах основания 1 указанное требование в наибольшей степени обеспечивается для щелевого излучателя 2 S-образной формы (см. фиг. 3), а также при выполнении щелевого излучателя 2 в виде зигзагообразной линии так, как показано на фиг. 5 и 6.An advantage of a primary converter made on the basis of a slit line is that the lines of force of the electromagnetic field generated by individual sections of this line have the same direction relative to the axis of the slit. As a result, there is no effect of mutual field compensation at a distance for the slit line, which is typical for the coplanar line and for the measuring capacitor of the moisture meters discussed above (prototype and first analog). Due to this feature, slotted lines are widely used as antennas. The use of a slot emitter in a moisture meter has significantly increased the sounding depth of the controlled material. The sounding depth of the proposed moisture meter is proportional to the wavelength of the probe signal and approximately equal to 1/4 - 1/2 of the wavelength in the material. To increase the sounding depth, it is necessary to increase the wavelength and, correspondingly, increase the length L of the
Имеется еще один важный фактор, обуславливающий необходимость повышения длины волны зондирующего сигнала и, следовательно, увеличения длины L щели 2. Длина волны должна на порядок и более превышать размеры гранул контролируемого материала, иначе зондирующий сигнал будет ослабляться и рассеиваться на неоднородностях, что приведет к большим ошибкам измерения. Например, при изготовлении бетона используется щебень с размерами фракций до 2-3 см, поэтому для контроля бетонной смеси необходимо применять зондирующий сигнал с длиной волны в материале не менее 30 см. Для формирования такого зондирующего сигнала оптимальная длина L щели 2 должна составлять не менее 12-15 см. С учетом коэффициента укорочения длины волны в материале оптимальные рабочие частоты влагомера для бетонных смесей находятся в диапазоне с верхней границей до 600-700 МГц. Чем ниже частота зондирующего сигнала, тем больше глубина его проникновения в материал и тем выше точность измерения влажности материалов при неоднородном распределении влаги по объему материала.There is one more important factor that makes it necessary to increase the wavelength of the probe signal and, consequently, increase the length L of
Ширина W щели 2 в основании 1 выбрана такой, чтобы в нее не проходили крупные фракции контролируемого материала. Например, во влагомерах для бетоносмесителей, изготовленных по предлагаемому техническому решению, длина щели 2 составляет 150 мм, а ширина - 5 мм.The width W of the
Корпус 11 влагомера со стороны, противоположной основанию 1, закрыт крышкой. Для исключения шунтирования щелевого излучателя 2 боковыми стенками и крышкой корпуса 11 необходимо, чтобы расстояние между указанной крышкой и основанием 1 превышало предельное значение, примерно равное четверти длины волны зондирующего сигнала в воздухе. Другой вариант устранения шунтирующего влияния состоит в том, что указанная крышка должна быть выполнена из диэлектрика. Крышка может быть выполнена и из металла, но в этом случае должна быть отделена от металлического корпуса влагомера изолирующей прокладкой.The
Во влагомере генератор 5 и устройство измерения 6 могут быть размещены внутри корпуса 11, но могут быть выполнены в виде отдельного блока, который соединен кабелем с измерительной ячейкой 4. При выполнении генератора 5 и устройства 6 в виде отдельного блока возможно появление паразитной емкостной связи между частями влагомера, для ее исключения генератор 5 подключают к ячейке 4 через развязывающий трансформатор 10.In the moisture meter, the
Особенностью предложенного влагомера является то, что контролируемый материал непосредственно соприкасается с первичным преобразователем. Благодаря этому увеличивается глубина проникновения электромагнитного зондирующего сигнала в материал. Для уменьшения истирания основания 1, непосредственно контактирующего с контролируемым материалом, оно выполнено из металла высокой твердости, например из коррозионно-стойкой стали 40X13 (AISI 420), прошедшей термическую обработку.A feature of the proposed moisture meter is that the controlled material is in direct contact with the primary transducer. Due to this, the penetration depth of the electromagnetic sounding signal into the material increases. To reduce the abrasion of the
Благодаря тому, что основание 1 влагомера выполнено как единый элемент из прочной стали, а прорезанная в нем узкая щель 2 не влияет на прочность конструкции, предложенный влагомер значительно превосходит по стойкости к механическим воздействиям, ударам известные влагомеры.Due to the fact that the
Проведенные испытания изготовленных образцов влагомера подтвердили эффективность предлагаемого технического решения. По глубине зондирования предложенный влагомер превосходит известные влагомеры, выполненные на основе плоского первичного преобразователя.The tests of manufactured samples of the hygrometer confirmed the effectiveness of the proposed technical solution. According to the depth of sounding, the proposed moisture meter surpasses the known moisture meters based on a flat primary transducer.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017111722A RU2641657C1 (en) | 2017-04-06 | 2017-04-06 | Moisture meter and method for measuring moisture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017111722A RU2641657C1 (en) | 2017-04-06 | 2017-04-06 | Moisture meter and method for measuring moisture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2641657C1 true RU2641657C1 (en) | 2018-01-19 |
Family
ID=68235720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017111722A RU2641657C1 (en) | 2017-04-06 | 2017-04-06 | Moisture meter and method for measuring moisture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2641657C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1285362A1 (en) * | 1981-06-23 | 1987-01-23 | Запорожский машиностроительный институт им.В.Я.Чубаря | Aerial for measuring moisture content of soil grounds and loose materials |
| WO1993021516A1 (en) * | 1992-04-21 | 1993-10-28 | Thermedics Inc. | Meter and method for in situ measurement of the electromagnetic properties of various process materials using cutoff frequency characterization and analysis |
| WO1999040409A2 (en) * | 1998-02-10 | 1999-08-12 | Denver Instrument Company | A microwave moisture analyzer: apparatus and method |
| EP2921848A1 (en) * | 2012-11-14 | 2015-09-23 | PCE Deutschland GmbH | Moisture meter for bulk solids |
| RU2571301C2 (en) * | 2013-09-23 | 2015-12-20 | Олег Креонидович Сизиков | Method to measure physical parameters of material |
| RU2572087C2 (en) * | 2013-02-06 | 2015-12-27 | Олег Креонидович Сизиков | Moisture meter |
| RU2585255C2 (en) * | 2013-05-22 | 2016-05-27 | Олег Креонидович Сизиков | Moisture meter-dielcometer (versions) |
-
2017
- 2017-04-06 RU RU2017111722A patent/RU2641657C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1285362A1 (en) * | 1981-06-23 | 1987-01-23 | Запорожский машиностроительный институт им.В.Я.Чубаря | Aerial for measuring moisture content of soil grounds and loose materials |
| WO1993021516A1 (en) * | 1992-04-21 | 1993-10-28 | Thermedics Inc. | Meter and method for in situ measurement of the electromagnetic properties of various process materials using cutoff frequency characterization and analysis |
| WO1999040409A2 (en) * | 1998-02-10 | 1999-08-12 | Denver Instrument Company | A microwave moisture analyzer: apparatus and method |
| EP2921848A1 (en) * | 2012-11-14 | 2015-09-23 | PCE Deutschland GmbH | Moisture meter for bulk solids |
| RU2572087C2 (en) * | 2013-02-06 | 2015-12-27 | Олег Креонидович Сизиков | Moisture meter |
| RU2585255C2 (en) * | 2013-05-22 | 2016-05-27 | Олег Креонидович Сизиков | Moisture meter-dielcometer (versions) |
| RU2571301C2 (en) * | 2013-09-23 | 2015-12-20 | Олег Креонидович Сизиков | Method to measure physical parameters of material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9851235B2 (en) | Apparatus for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium | |
| EP1082606B1 (en) | A microwave fluid sensor and a method for using same | |
| AU2003234124B2 (en) | Material segregation, density, and moisture analyzing apparatus and method | |
| Kraszewski et al. | Microwave resonator technique for moisture content determination in single soybean seeds | |
| Piuzzi et al. | Measurement system for evaluating dielectric permittivity of granular materials in the 1.7–2.6-GHz band | |
| RU2571301C2 (en) | Method to measure physical parameters of material | |
| JP4194179B2 (en) | Characteristic measuring device | |
| RU2641657C1 (en) | Moisture meter and method for measuring moisture | |
| US3739265A (en) | Test instrument and method for isolating and measuring the capacitance due to a particular functional group in a liquid | |
| RU2572087C2 (en) | Moisture meter | |
| JPH11304764A (en) | Moisture sensor | |
| Bouchalkha et al. | Planar Microstrip Antenna Sensor for pH Measurements | |
| CA2295520A1 (en) | Device for measuring and/or representing electrical and magnetic material properties and properties directly derivable therefrom | |
| US3199350A (en) | Capacitance type fuel gage | |
| Wobschall et al. | Wireless soil moisture sensor based on fringing capacitance | |
| RU2806153C1 (en) | Moisture measurement of soil sapropel | |
| Jackson et al. | A novel microstrip slot antenna for permittivity measurement | |
| EP2921848A1 (en) | Moisture meter for bulk solids | |
| Fu et al. | Study on material relative permittivity using TE011 cylindrical microwave cavity | |
| RU2321010C1 (en) | Device for measurement of high quantities of complex dielectric constant of low-impedance composite materials at shf | |
| SU1062577A1 (en) | Uhf moisture meter | |
| SU824081A1 (en) | Method of measuring electric field strength absolute values | |
| Ismail et al. | Microwave Planar Sensor for Determination of the Permittivity of Dielectric Material | |
| Jain et al. | Design of Complementary Meander Shaped Resonator for Adulteration Testing | |
| RU2164021C2 (en) | Device determining concentration of mixture of various substances |