RU2002244C1 - Humidity measuring device - Google Patents

Abstract

Использование: измерительна  техника Сущность изобретени : в предложенное устройство, содержащее генератор переменного напр жени . емкостный мост с измерительной  чейкой, усилитель , фазовый детектор, последовательно соединенные друг с другом, введен фазовращатель, включенный между генератором и управл ющим входом фазового детектора, или в последовательную цепь, св зывающую выход генератора с сигнальным входом фазового детектора 2 илUsage: measuring technique Summary of the invention: in the proposed device containing an alternating voltage generator. a capacitive bridge with a measuring cell, an amplifier, a phase detector connected in series with each other, a phase shifter connected between the generator and the control input of the phase detector, or in a serial circuit connecting the output of the generator with the signal input of the phase detector 2 or

Description

ЫS

ОABOUT

о ы ыabout s

Јь 44 4

ОABOUT

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  влажности диэлектрических материалов и продуктов, например, в деревообрабатывающей , текстильной, химической, строительной промышленности, а также в сельском хоз йстве.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the moisture of dielectric materials and products, for example, in the woodworking, textile, chemical, construction industries, as well as in agriculture.

Известно устройство дл  измерени  влажности диэлектрических материалов, содержащее генератор синусоидального напр жени , два диодно-емкостных моста с емкостным датчиком в одном из плеч каждого моста, входы которых соединены с выходом генератора синусоидального напр жени , два фильтра низких частот, своими входами соединенными с выходами мостов, и устройство делени  сигналов, входы которого соединены с выходами фильтров низких частот, а выход  вл етс  выходом устройства 1. Наличие двух мостов усложн ет это устройство и ведет к невысокой долговременной точности измерений, так как параметры мостов, а. следовательно, и их выходные сигналы дрейфуют независимо.A device for measuring the moisture content of dielectric materials is known, comprising a sinusoidal voltage generator, two diode-capacitive bridges with a capacitive sensor in one of the arms of each bridge, the inputs of which are connected to the output of the sinusoidal voltage generator, two low-pass filters connected to the outputs of the bridges by their inputs , and a signal splitter, the inputs of which are connected to the outputs of low-pass filters, and the output is the output of device 1. The presence of two bridges complicates this device and leads to low eye of long-term measurement accuracy, since the parameters of the bridges, a. therefore, their output signals drift independently.

1Лз известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  влажности 2, содержащее генератор переменного напр жени , емкостной мост с измерительной  чейкой и усилитель, последовательно соединенные друг с другом , фазовращатель, фазорасщепитель, два синхронных детектора и делитель напр жений . Сигнальные входы синхронных детекторов соединены с выходом усилител , а управл ющие входв - с выходами фазорас- а епител , вход которого через фазовращатель подключен к выходу генератора переменного напр жени . Выходы синхронных детекторов соединены с входами делител  напр жений, выход которого  вл етс  выходом устройства.1 Of the known technical solutions, the closest in technical essence to the proposed one is a moisture measuring device 2 comprising an alternating voltage generator, a capacitive bridge with a measuring cell and an amplifier connected in series with each other, a phase shifter, a phase splitter, two synchronous detectors and a voltage divider . The signal inputs of synchronous detectors are connected to the output of the amplifier, and the control inputs are connected to the outputs of the phase-locked amplifier, whose input is connected through the phase shifter to the output of the alternating voltage generator. The outputs of the synchronous detectors are connected to the inputs of the voltage divider, the output of which is the output of the device.

Это устройство сложно в практической реализации, что ограничивает точность измерений . Сложность обусловлена тем, что устройство содержит.несколько узлов, к которым предъ вл ютс  высокие требовани . Фазорасщепитель должен формировать два строго ортогональных напр жени , а делитель напр жений обеспечивать высокоточное деление сигналов в широком диапазоне их значений. К усложнению устройства следует также отнести наличие в нем двух синхронных детекторов. Недостаточно высока  точность измерений обусловлена тем, что устройство содержит два независимых канала, погрешности в которых увеличивают результирующую ошибку.This device is difficult to implement, which limits the accuracy of the measurements. The complexity is due to the fact that the device contains several nodes that are subject to high demands. The phase splitter must form two strictly orthogonal voltages, and the voltage divider must provide high-precision signal division in a wide range of their values. The complication of the device should also include the presence in it of two synchronous detectors. The accuracy of the measurements is not high enough due to the fact that the device contains two independent channels, the errors in which increase the resulting error.

Ошибка возрастает также в результате операции делени  сигналов.The error also increases as a result of the signal division operation.

Цель изобретени  - упрощение устройства и повышение точности измерений.The purpose of the invention is to simplify the device and increase the accuracy of measurements.

Эта цель достигаетс  тем, что в предлагаемом устройстве вместо четырех блоков - фэзорасщепител , двух синхронных детекторов и делител  напр жений введен один блок - фазовый детектор. Сигнальный входThis goal is achieved in that in the proposed device, instead of four blocks - a phaser coupler, two synchronous detectors and a voltage divider, one block is introduced - a phase detector. Signal input

его св зан с выходом усилител , управл ющий - с выходом генератора, а выход  вл етс  выходом устройства. Фазовращатель может быть включен между управл ющим входом фазового детектора и генераторомit is connected to the output of the amplifier, the control is connected to the output of the generator, and the output is the output of the device. The phase shifter can be connected between the control input of the phase detector and the generator

или в последовательную цепь, соедин ющую генератор с сигнальным входом фазового детектора. Дл  расширени  диапазона измер емой влажности устройство может дополнительно содержать цепь автоматической регулировки усилени  (АРУ), вход которой соединен с выходом усилител , а выход - с его управл ющим входом.or in a series circuit connecting the generator to the signal input of the phase detector. To expand the range of measured humidity, the device may further comprise an automatic gain control (AGC) circuit, the input of which is connected to the output of the amplifier, and the output to its control input.

На фиг, 1 и 2 показана функциональна  схема предлагаемого устройства.On Fig, 1 and 2 shows a functional diagram of the proposed device.

Устройство (фиг. 1) содержит генераторThe device (Fig. 1) contains a generator

1переменного напр жени  емкостной мост1 variable voltage capacitive bridge

2с измерительной  чейкой 3, усилитель 4, фазовращатель 5 и фазовый детектор 6. Выход генератора 1 через последовательно соединенные измерительный мост 2 и усилитель 4 подключен к сигнальному входу фазового детектора 6 и через фазовращатель 5 - к управл ющему входу этого детектора , выход которого  вл етс  выходом2 with a measuring cell 3, an amplifier 4, a phase shifter 5, and a phase detector 6. The output of the generator 1 is connected through a series-connected measuring bridge 2 and an amplifier 4 to the signal input of the phase detector 6 and through a phase shifter 5 to the control input of this detector, the output of which is exit

устройства.devices.

Дополнительно устройство может содержать цепь АРУ 7 (фиг. 2). Вход АРУ 7 соединен с выходом усилител  4, а выход - с его управл ющим входом. ФазовращательAdditionally, the device may include an AGC circuit 7 (Fig. 2). The input of AGC 7 is connected to the output of amplifier 4, and the output is connected to its control input. Phase shifter

5 может быть включен в любой точке последовательной цепи, соедин ющей выход генератора 1 с сигнальным входом фазового детектора 6, например, между выходом мостовой схемы 2 и усилителем 4 (фиг. 2).5 can be switched on at any point in the serial circuit connecting the output of the generator 1 with the signal input of the phase detector 6, for example, between the output of the bridge circuit 2 and amplifier 4 (Fig. 2).

Предлагаемое устройство работает вле- дующим образом. С выхода генератора 1 (фиг. 1) на вход емкостного измерительного моста 2 и фазовращател  5 подаетс  синусоидальное напр жение UBx(t)Uo сThe proposed device operates as follows. From the output of the generator 1 (Fig. 1) to the input of the capacitive measuring bridge 2 and the phase shifter 5, a sinusoidal voltage UBx (t) Uo with

частотой а). При отсутствии материала в измерительной  чейке 3 производитс  балансировка измерительного моста 2 так, чтобы его выходной сигнал был равен нулю. Затем устанавливаетс  нужна  фаза управл ющего сигнала на выходе фазовращател  5. Дл  этого вводитс  резкий разбаланс моста 2 путем увеличени  емкости Со измерительной  чейки 3 и регулировкой фазовращател  5 устанавливаетс frequency a). In the absence of material in the measuring cell 3, the measuring bridge 2 is balanced so that its output signal is zero. Then, the desired phase of the control signal at the output of the phase shifter 5 is set. To do this, a sharp imbalance of the bridge 2 is introduced by increasing the capacitance With the measuring cell 3 and adjusting the phase shifter 5 is established

выходное напр жение фазового детектора 6 равным нулю. При этом фазы сигналов на входах фазового детектора 6 совпадают. Затем восстанавливают первоначальное значение емкости Со измерительной  чейки 3. the output voltage of the phase detector 6 is equal to zero. In this case, the phases of the signals at the inputs of the phase detector 6 coincide. Then restore the original value of the capacitance With measuring cell 3.

При отсутствии материала в измерительной  чейке 3 ее проводимость практически чисто реактивна и равна хр°Н . При введении материала в  чейку ее проводимость становитс  равной , где 5xp icoCo J/(e -1). 5xa (л С0 е - приращени  соответственна реактивной и активной составл ющих проводимости измерительной  чейки, где е и е - действительна  и мнима  составл ющие комп- лексной диэлектрической проницаемости материала Е - е - rj - коэффициент заполнени  измерительной  чейки материалом , равный отношению массы измер емого материала к его массе в объеме  чейки (rj 1). 5хр обусловлено приращением емкости измерительной  чейки на величину (е -1), а 5ха эквивалентно шунтированию измерительной  чейки активным сопротивлением / ыСоф. В результате вве- дени  материала в измерительную  чейку 3 баланс моста 2 резко нарушаетс  и его выходной сигнал становитс  равным IWtKloKJ/Ce -1) + lUotoje s№ ,In the absence of material in the measuring cell 3, its conductivity is almost purely reactive and equal to x ° N. When a material is introduced into a cell, its conductivity becomes equal, where 5xp icoCo J / (e -1). 5xa (l С0 е - increments corresponding to the reactive and active components of the conductivity of the measuring cell, where e and e - the real and imaginary components of the complex dielectric constant of the material E - е - rj - filling factor of the measuring cell with the material, equal to the ratio of the mass of the measured material to its mass in the cell volume (rj 1) .5xp is due to the increment of the measuring cell capacitance by a value of (e -1), and 5xp is equivalent to shunting the measuring cell with the active resistance / sSof. material into the measurement cell 3 of the bridge balance is disturbed greatly 2 and its output signal becomes equal IWtKloKJ / Ce -1) + lUotoje s№,

что эквивалентно UBbix(t) (Ј - 1)2 -fwhich is equivalent to UBbix (t) (Ј - 1) 2 -f

+ (s)2 sln(wt - р}. Здесь ip- угол сдвига фазы сигнала разбаланса моста 2 относительно его входного сигнала, К - посто нный коэффициент, определ емый параметрами измерительного моста 2. С помощью фазового детектора 6 измер етс  угол р. Этот угол не зависит от параметра ij, т.е. от -массы исследуемого материала, но сильно зависит от влажности . Дл  ее измерени  используетс  калибровочна  крива , св зывающа  выходное напр жение фазового детектора б со значением влажности материала. Сигнал разбаланса измерительного моста 2 очень зависит от значени  влажности материала и может мен тьс  более чем на пор док. При этом точность работы фазового детектора 6 также мен етс , что вли ет на точность измерени  влажности материала. Дл  устранени  этого в устройство ввод т цепь АРУ 7 (фиг. 2). При изменении влажности материала цепь АРУ 7 регулирует коэффициент усилени  усилител  4 таким образом, что его выходное напр жение остаетс  практически посто нным .+ (s) 2 sln (wt - p}. Here, ip is the phase angle of the unbalance signal of the bridge 2 relative to its input signal, K is the constant coefficient determined by the parameters of the measuring bridge 2. Using the phase detector 6, the angle p is measured. This angle does not depend on the parameter ij, ie, on the -mass of the material under study, but strongly depends on humidity. To measure it, a calibration curve is used that connects the output voltage of phase detector b with the moisture content of the material. The imbalance signal of measuring bridge 2 is very depends on the value of moisture of the material and can vary by more than an order of magnitude, while the accuracy of the phase detector 6 also changes, which affects the accuracy of measuring the moisture content of the material. To eliminate this, an AGC circuit 7 is introduced into the device (Fig. 2). In the case of material moisture, the AGC circuit 7 adjusts the gain of amplifier 4 so that its output voltage remains almost constant.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР № 1318896, кл. G ОТ N27/78, 1985.(56) 1. USSR Copyright Certificate No. 1318896, cl. G OT N27 / 78, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1728766, кл. G 01 N 27/22, 1989.2. USSR author's certificate N 1728766, cl. G 01 N 27/22, 1989.

Claims (1)

Формула изобретени The claims УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ диэлектрического материала , содержащее генератор переменного напр жени , емкостной мост с измерительной  чейкой и усилитель, последовательно соединенные друг с другом, а также фазовращатель, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений и упрощени  устройства, в него введен фа35DEVICE FOR MEASURING THE HUMIDITY OF A DIELECTRIC MATERIAL, comprising an alternating voltage generator, a capacitive bridge with a measuring cell and an amplifier connected in series with each other, as well as a phase shifter, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements and simplify the device, a fa35 зоаый детектор, сигнальный вход которого св зан с выходом усилител , управл ющий вход - с выходом генератора переменного напр жени , а выход  вл етс  выходом устройства , при этом фазовращатель включен между выходом генератора и 40 управл ющим входом фазового детектора или в последовательную цепь, св зывающую выход генератора с сигнальным входом фазового детектора.a third detector, the signal input of which is connected to the amplifier output, the control input is the output of the alternating voltage generator, and the output is the output of the device, while the phase shifter is connected between the generator output and 40 the control input of the phase detector or in a serial circuit, calling output of the generator with the signal input of the phase detector. Фиг.IFig. I У/Y /