Электронный влагомер

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения влажности различных материалов и почвы. Техническим результатом является снижение энергопотребления устройства. Влагомер содержит емкостной датчик 1, измерительный двухполюсник 2 с конденсатором 3, варикапом 4, катушкой индуктивности 5 и резистором 6, формирователь импульсов 7, триггер 8, высокочастотный генератор импульсов 9, разделительный конденсатор 10 и регистратор 11. Двоичный счетчик 12, генератор импульсов 13 и цифроаналоговый преобразователь 14 выполняют функцию генератора пилообразного напряжения 15, которым регулируется резонансная частота LC-контура до момента ее равенства с частотой импульсов генератора 7. Формирователь 7 и триггер 8 позволяют точно выделять моменты равенства этих частот по изменению знака разности фаз. Генератор импульсов большой скважности 16 с периодичностью достаточной для получения точных и адекватных оценок разрешает работу высокочастотному генератору импульсов 9 и генератору пилообразного напряжения 15. 1 ил.

Полезная модель относится к средствам измерений параметров физической среды и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства для контроля и измерения влажности материалов и почвы.

Известно устройство для измерения влажности, содержащее емкостной преобразователь, подключенный к LC-контуру генератора импульсов, буферный каскад и измеритель частоты [В.М.Галкин, В.В.Ткаченко, В.Л.Федоров. Электронный влагомер. - А.с. СССР 1672336. МПК G01N 27/22]. Влажность контролируемого материала в известном устройстве определяют по изменению частоты генератора, которая зависит от параметров LC-контура и изменения емкости датчика. Точность измерения влажности в этом устройстве ограничивается температурной нестабильностью параметров транзистора, используемого в генераторе импульсов, и влиянием напряжения питания, изменение которого приводит к вариации частоты выходных импульсов. Значительное энергопотребление обусловлено постоянной работой генератора импульсов.

Известен влагомер, содержащий емкостной датчик, подключенный к измерительному двухполюснику с модулируемыми параметрами на LC-контуре, который через разделительный конденсатор соединен с выходом высокочастотного генератора. В схеме влагомера также применены генератор пилообразного напряжения, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, двоичный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника, и регистратор, один из входов которого соединен с выходом двоичного счетчика. Выход регистратора является выходом устройства [Виноградов И.Г., Шамарин Е.П. Автоматический электронный влагомер. - А.с. СССР 1392478. МПК⁸ G01N 27/22. - Приоритет от 30.04.88]. Точность этого устройства ограничивается тем, что измеряемая влажность определяется по максимальной амплитуде колебаний на выходе двухполюсника, выделяемой с помощью экстремум-детектора. Однако при контроле влажности материалов с повышенной проводимостью резко уменьшается добротность измерительного двухполюсника, что приводит к повышению погрешности выделения экстремума. Кроме того, недостатком данного устройства является высокое энергопотребление.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является электронный влагомер, содержащий емкостной датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре с модулируемыми параметрами, который через разделительный конденсатор соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов, а также генератор пилообразного напряжения, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, двоичный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника, и регистратор, один из входов которого соединен с выходом двоичного счетчика, формирователь импульсов и триггер, причем выход измерительного двухполюсника через формирователь импульсов подключен к D-входу триггера, С-вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов, а выход триггера подключен к одному из входов двоичного счетчика и входу записи данных регистратора [Лисичкин В.Г., Шведов С.Н. Электронный влагомер. Патент 88153 от 27.10.09].

Наличие двух генераторов сигналов обуславливает высокое энергопотребление данного устройства, что приводит к необходимости его снижения, в частности, при использовании влагомера в автономном режиме.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является снижение энергопотребления устройства.

Для достижения этого технического результата в электронный влагомер, содержащий емкостной датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре с модулируемыми параметрами, который через разделительный конденсатор соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов, генератор пилообразного напряжения, собранный на последовательно соединенных генераторе импульсов, двоичном счетчике и цифро-аналоговом преобразователе, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника, и регистратор, один вход которого соединен с выходом двоичного счетчика, а также формирователь импульсов и D-триггер, при этом выход измерительного двухполюсника через формирователь импульсов подключен к D-входу D-триггера, С-вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов, а выход D-триггера подключен к одному из входов двоичного счетчика и входу записи данных регистратора, выход регистратора является выходом устройства, дополнительно введен генератор импульсов большой скважности, выход которого соединен со входами высокочастотного генератора импульсов и генератор пилообразного напряжения.

Влажность является медленно изменяющимся во времени параметром, поэтому его измерение достаточно осуществлять с некоторой периодичностью. Для чего в схему электронного влагомера включен генератор импульсов большой скважности, реализованный на триггере Шмидта. Параметры указанного генератора импульсов большой скважности определены, исходя из следующих соображений.

1. Согласно [ГОСТ 21829-76. Система «человек-машина». Кодирование зрительной информации. Общие эргономические требования. - М.: Государственный комитет стандартов и совета министров СССР, 1976. - 7 с.], пороговая частота мельканий на выходе регистратора (максимальная частота мелькания знака, при которой еще возможна непосредственная визуальная оценка числа мельканий) составляет 4-6 Гц, следовательно периодичность измерения влажности, определяемая генератором импульсов большой скважности, Т_БУ=1/f _БУ=1/6 с.

2. Длительность управляющих импульсов должна превышать время установления колебаний в LC-контуре на величину, обеспечивающую заданную погрешность измерения [Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей: учебник для ВУЗ / А.Ф.Белецкий. - М.: Радио и связь, 1986, - 543 с.]:

,

где f_p - частота резонанса контура; Q - его добротность; _д - заданная погрешность дискретности.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурой, на которой показана структурная схема электронного влагомера.

В схеме электронного влагомера применены емкостной датчик 1 и измерительный двухполюсник 2 с модулируемыми параметрами, в состав которого входят конденсатор 3, варикап 4, катушка индуктивности 5 и резистор 6 в цепи управления. К выходу двухполюсника 2 подключен формирователь импульсов 7, выход которого соединен с D-входом триггера 8, выполняющего функцию фазового компаратора, к С-входу которого подключен выход высокочастотного генератора импульсов 9. Этот высокочастотный генератор импульсов 9 через разделительный конденсатор 10 соединен со средней точкой катушки индуктивности 5. Выход триггера 8 соединен с входом записи данных регистратора 11 и входом установки нуля двоичного счетчика 12, счетный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 13. Выход счетчика 12 подключен к информационному входу регистратора 11 и соединен с входом цифроаналогового преобразователя 14, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника 2. Генератор импульсов 13, двоичный счетчик 12 и цифроаналоговый преобразователь 14 совместно выполняют функцию генератора пилообразного напряжения 15, подаваемого на управляющий вход измерительного двухполюсника 2 для регулирования его резонансной частоты. Генератор импульсов большой скважности 16 выполняет функции управляющего устройства, подавая команды на включение генератор импульсов 13 и генератора пилообразного напряжения 15.

Работа схемы электронного влагомера выполняется следующим образом.

В начале цикла измерения генератор импульсов большой скважности 16 формирует на своем выходе короткий импульс, разрешающий работу высокочастотному генератору импульсов 9 и генератору пилообразного напряжения 15.

Двоичный счетчик 12 работает в режиме суммирования тактовых импульсов, поступающих от генератора 13. Это приводит к равномерному увеличению выходного кода счетчика 12, который поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 14. Поэтому напряжение на выходе ЦАП 14 линейно увеличивается во времени и подается на управляющий вход двухполюсника 2. Пропорционально этому напряжению уменьшается емкость варикапа, приводящая к увеличению резонансной частоты LC-контура f_р, которая также зависит от емкости С_X датчика 1, а значит, и от влажности контролируемого материала. При совпадении резонансной частоты LC-контура с частотой импульсов высокочастотного генератора импульсов 9 в контуре возникает явление резонанса. Чем больше емкость С _X датчика 1 и, соответственно, влажность материала, тем меньше должна быть емкость варикапа 4, и больше напряжение на выходе ЦАП 14, чтобы обеспечить равенство резонансной частоты LC-контура с частотой выходных импульсов высокочастотного генератора импульсов 9, и наоборот.

Хотя LC-контур измерительного двухполюсника 2 возбуждается импульсным высокочастотным сигналом, на выходе двухполюсника 2 формируется гармонический сигнал благодаря избирательным свойствам LC-контура. Этот гармонический сигнал преобразуется формирователем 7 в последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на D-вход триггера 8 и сравниваются по фазе триггером 8 с выходными импульсами высокочастотного генератора импульсов 9, т.е. D-триггер 8 выполняет функцию фазового компаратора. В зависимости от соотношения частоты высокочастотного генератора импульсов 9 и резонансной частоты LC-контура фазовый компаратор на D-триггере 8 находится в одном из двух состояний - высоком (единичном) или низком (нулевом). В момент появления резонанса изменяется знак разности фаз между импульсами высокочастотного генератора импульсов 9 и формирователя импульсов 7, поэтому триггер 8 переключается из низкого состояния в высокое. При этом на выходе триггера 8 формируется фронт импульса, который поступает на вход регистратора 11 для записи выходного кода двоичного счетчика 12, пропорционального выходному напряжению ЦАП 14 и, следовательно, емкости С_X датчика 1 и влажности контролируемого материала. После этого происходит сброс двоичного счетчика 12 в нулевое состояние, после чего начинается новый цикл измерения, и т.д.

Информация о влажности материала хранится в регистре памяти регистратора 11 в цифровом виде, что наиболее удобно при использовании влагомера в современных системах автоматического контроля влажности.

Снижение энергопотребления электронного влагомера обеспечивается за счет управления режимом его работы, позволяющего отключать электропитание двух генераторов на время t_п.БУ=T_БУ-t_и.БУ. При этом периодичности контроля влажности достаточно для сохранения заданной точности измерения и адекватности выводимого результата.

Например, при добротности контура Q=100, заданной погрешности дискретности _д=0,1 и резонансной частоте f_р=1 МГц длительность управляющего импульса на выходе генератора импульсов большой скважности будет составлять 1,1 мс, что позволит снизить приблизительно в q_БУ=Т_БУ/t_и.БУ151 раз энергопотребление рассматриваемого устройства.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна".

Формирователь импульсов 7 собран на микросхеме К1564ТЛ2, выполняющей функцию триггера Шмитта, работа которой описана в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.14.

D-триггер 8 собран на микросхеме К561ТМ2, которая описана в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.25-26.

Схемы генераторов импульсов 9, 13 и 16 описаны в книге: Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.154-156, рис.5, 8.

Двоичный счетчик импульсов 12 собран на микросхемах типа К561ИЕ10, которые описаны в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.31-33. Цифроаналоговый преобразователь 14 собран на микросхеме К1118ПА2, работа которой описана в книге: Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.121-128. Регистратор 11 собран на регистрах типа К561ИР9, которые описаны в книге: Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. - М.: Ягуар, 1993. - С.41-42.

Дополнительным достоинством предложенной полезной модели является универсальность ее применения для высокоточного измерения влажности различных материалов в автономном режиме, в том числе и влажности почвы, поэтому она может быть использована в разных областях народного хозяйства.

Электронный влагомер, содержащий емкостной датчик, подключенный к измерительному двухполюснику на LC-контуре с модулируемыми параметрами, который через разделительный конденсатор соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов, генератор пилообразного напряжения, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов, двоичный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу измерительного двухполюсника, и регистратор, один из входов которого соединен с выходом двоичного счетчика, а также формирователь импульсов и триггер, причем выход измерительного двухполюсника через формирователь импульсов подключен к D-входу триггера, С-вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора импульсов, а выход триггера подключен к одному из входов двоичного счетчика и входу записи данных регистратора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен генератор импульсов большой скважности, выход которого соединен со входами высокочастотного генератора и генератора пилообразного напряжения.