влагомер (варианты)

Формула изобретения

1. Влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены блок умножения на константу, блок вычитания и блок сложения, причем блок умножения на константу подключен к выходу фотоприемного блока второго канала, первые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока вычитания, а вторые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока сложения, выход которого подключен к второму входу блока деления, соединенному первым входом с выходом блока вычитания.

2. Влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, три блока умножения на константу, блок вычитания, два блока сложения, при этом первый и второй выходы фотоприемного блока первого канала соединены с первыми входами блока вычитания и первого блока сложения, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу соединен с вторым входом блока вычитания, второй вход первого блока сложения подключен к второму выходу первого блока умножения на константу, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к первому входу второго блока сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, входом подключенного к выходу первого блока сложения, выход второго блока сложения подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

3. Влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, отличающийся тем, что в него введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, два блока умножения на константу и блок вычитания, при этом выход фотоприемного блока первого канала подключен к первому входу блока вычитания, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу подключен к второму входу блока вычитания, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике и может использоваться для контроля влажности в целлюлозно-бумажной, текстильной, химической и пищевой промышленности, стройиндустрии и сельском хозяйстве.

Известно устройство для контроля влажности [1] содержащее блок управления, соединенный с ИК-излучателями информационного и опорного каналов соответственно, излучение которых через контролируемый материал поступает на приемник ИК-излучения, выход которого через усилитель соединен с входом детектора превышения нулевого уровня, а его выход через инвертор связан с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя. Выход сумматора через инвертирующий усилитель соединен с первыми входами блоков выборки-хранения информационного и опорного сигналов соответственно. Выход усилителя связан с первым входом блока выборки-хранения фонового сигнала. Вторые входы блоков выборки-хранения информационного, опорного и фонового сигналов связаны с соответствующими выходами блока управления. Выход блока выборки-хранения фонового сигнала связан с первыми входами блоков вычитания, а их вторые входы соединены с выходами блоков выборки-хранения информационного и опорного сигналов. Выходы блоков вычитания связаны с блоком вычисления и регистрации влажности.

Недостатками рассматриваемого устройства для контроля влажности являются сложность его реализации и низкая точность измерения влажности.

Известно устройство для контроля влажности пищевых продуктов [2] выбранное в качестве прототипа, содержащее расположенные последовательно и оптически связанные источник света, оптический прерыватель, светоделительные зеркала, выделяющие два оптических канала, светофильтры в каждом канале и блоки фотоприемного усиления, выходы которых в каждом канале электрически соединены с блоками усиления сигналов, выходы которых подключены к блоку деления сигналов, выход которого подключен к блоку масштабирования, соединенного с блоком индикации, имитатор нулевой влажности, снабженный приводом для ввода его между источником света и оптическим прерывателем, блок сравнения, блок эталонного напряжения, соединенный с блоком сравнения, блок управления, блоки делителей с переменным коэффициентом деления по одному в каждом канале и шесть ключей, причем входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго блоков делителей, выходы этих ключей соединены с входами первого и второго блоков усиления сигналов, входы третьего и четвертого ключей соединены соответственно с выходами первого и второго блоков делителей, а выходы этих ключей подключены к первому и второму входам блока сравнения, входы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока сравнения, а выходы этих ключей подключены к отстраивающим входам первого и второго блоков делителей, при этом сигнальные входы последних соединены в каждом канале с выходами блоков фотоприемного усиления, а выходы блока управления разделены так, что первый из них соединен с приводом имитатора нулевой влажности, второй с управляющими входами четвертого и шестого ключей, третий с управляющими входами третьего и пятого ключей, четвертый с управляющими входам первого и второго ключей.

Недостатками рассматриваемого устройства для контроля влажности являются сложность его реализации и сложная функциональная зависимость выходной функции от измеряемого параметра.

Целью изобретения является получение элементарной функциональной зависимости выходной функции от измеряемого параметра.

Для достижения поставленной цели предлагается три варианта влагомера.

В первом варианте поставленная цель достигается тем, что во влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, введены блок умножения на константу, блок вычитания и блок сложения, причем блок умножения на константу подключен к выходу фотоприемного блока второго канала, первые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока вычитания, а вторые выходы фотоприемного блока первого канала и блока умножения на константу подключены к соответствующим входам блока сложения, выход которого подключен к второму входу блока деления, соединенного первым входом к выходу блока вычитания.

Во втором варианте поставленная цель достигается тем, что во влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, три блока умножения на константу, блок вычитания, два блока сложения, при этом первый и второй выходы фотоприемного блока первого канала присоединены к первым входам блока вычитания и первого блока сложения, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу соединен с вторым входом блока вычитания, второй вход первого блока сложения подключен к второму выходу первого блока умножения на константу, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к первому входу второго блока сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, входом подключенного к выходу первого блока сложения, выход второго блока сложения подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

В третьем варианте поставленная цель достигается тем, что во влагомер, содержащий источник модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель образца или держатель эталона, приемную оптическую систему, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока с демодуляторами, образующих два канала, а также блок деления, выходом соединенный с блоком индикации, введены второй эталон с фиксированной влажностью, третий фотоприемный блок с демодулятором, образующий третий канал, два блока умножения на константу и блок вычитания, при этом выход фотоприемного блока первого канала подключен к первому входу блока вычитания, выход фотоприемного блока второго канала через первый блок умножения на константу подключен к второму входу блока вычитания, выход фотоприемного блока третьего канала через второй блок умножения на константу подключен к второму входу блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания.

На фиг. 1, 2, 3 представлены соответственно три варианта предлагаемого влагомера.

Влагомер, представленный на фиг.1, содержит источник 1 модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель 2.1 образца или держатель 2.2 эталона с нулевой влажностью, приемную оптическую систему 3, образующую оптические спектральные каналы, два фотоприемных блока 4.1, 4.2 c демодуляторами, образующих два канала, блок 8 деления, выходом соединенный с блоком 9 индикации, блок 5 умножения на константу, блок 6 вычитания и блок 9 сложения, причем блок умножения 5 на константу подключен к выходу фотоприемного блока второго канала 4.2, первые выходы фотоприемного блока 4.1 первого канала и блока 5 умножения на константу подключены к соответствующим входам блока 6 вычитания, а вторые выходы фотоприемного блока 4.1 первого канала и блока 5 умножения на константу подключены к соответствующим входам блока 7 сложения, выход которого подключен к второму входу блока 8 деления, соединенного первым входом к выходу блока 6 вычитания.

Влагомер, представленный на фиг.2, содержит источник 1 модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель 2.1 образца или держатель 2.2, 2.3 эталонов, приемную оптическую систему 3, образующую оптические спектральные каналы, три фотоприемных блока 4.1, 4.2, 4.3 с демодуляторами, образующих три канала, блок 8 деления, выходом соединенный с блоком 9 индикации, три блока 5.1, 5.2, 5.3 умножения на константу, блок 6 вычитания, два блока 7.1, 7.2 сложения, при этом первый и второй выходы фотоприемного блока 4.1 первого канала присоединены к первым входам блока 6 вычитания и первого блока 7.1 сложения, выход фотоприемного блока 4.2 второго канала через первый блок 5.1 умножения на константу соединен с вторым входом блока 6 вычитания, второй вход первого блока 7.1 сложения подключен к второму выходу первого блока 5.1 умножения на константу, выход фотоприемного блока 4.3 третьего канала через второй блок 5.2 умножения на константу подключен к первому входу второго блока 7.2 сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока 5.3 умножения на константу, входом подключенного к выходу первого блока 7.1 сложения, выход второго блока 7.2 сложения подключен к второму входу блока 8 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 6 вычитания.

Влагомер, представленный на фиг.3, содержит источник 1 модулированного инфракрасного излучения и расположенные по ходу излучения держатель 2.1 образца или держатель 2.2, 2.3 эталонов, приемную оптическую систему 3, образующую оптические спектральные каналы, три фотоприемных блока 4.1, 4,2, 4.3 c демодуляторами, образующих три канала, блок 8 деления, выходом соединенный с блоком 9 индикации, два блока 5.1, 5,2 умножения на константу и блок 6 вычитания, при этом выход фотоприемного блока 4.1 первого канала подключен к первому входу блока 6 вычитания, выход фотоприемного блока 4.2 второго канала через первый блок 5.1 умножения на константу подключен к второму входу блока 6 вычитания, выход фотоприемного блока 4.3 третьего канала через второй блок 5.2 умножения на константу подключен к второму входу блока 8 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 6 вычитания.

Влагомер (фиг.1) работает следующим образом.

Модулированное ИК-излучение от источника 1 попадает на исследуемый материал, который находится в держатале 2.1 образца и, отразившись, попадает на приемную оптическую систему 3, которая разделяет принимаемое ИК-излучение на два спектральных канала с наименьшей и наибольшей чувствительностью к поглощению воды, после чего излучение попадает на блоки 4.1, 4.2 фотоприемников с демодуляторами, в которых сигналы преобразуются в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1 и 4.2 равны:

U₁ U₀₁exp(- (₁)m),

U₂ U₀₂exp(- (₂)m), где U₀₁, U₀₂ напряжения на выходах блоков 4.1, 4,2, соответствующих нулевому значению влаги;

(₁), (₂) коэффициенты поглощения на выбранных длинах волн (например, при ₁ 1,83 мкм, ₂ 1,925 мкм); m масса влаги.

Полученное значение напряжения с блока 4.1 поступает на первые входы блока 6 вычитания и блока 7 сложения, а значение напряжения с блока 4.2 поступает на блок 5 умножения на константу и далее на вторые входы блока 6 вычитания и блока 7 сложения. В блоке 6 напряжение умножается на константу k. Значения напряжений с блока 6 вычитания и блока 7 сложения поступают на блок 8 деления, на выходе которого появляется сигнал, равный:

U

Константа k подбирается таким образом, чтобы при измерении влажности у эталона с нулевой влажностью показание на блоке 9 индикации было равно нулю. Это выполняется, когда k U₀₁/U₀₂. После подстановки коэффициента коррекции k значение напряжения на выходе блока 8 деления равно:

U или U th(m)

где = (₂) (₁)/2.

На выходе блока 8 деления значение напряжения от массы влаги изменяется как гиперболический тангенс. Значение влажности в процентах индуцируется в блоке 9 индикации.

Влагомер (фиг.2) работает следующим образом.

Модулированное ИК-излучение от источника 1 попадает на исследуемый материал, который находится в держателе 2.1 образца и, отразившись, попадает на приемную оптическую систему 3, которая разделяет принимаемое ИК-излучение на три спектральных канала (один с наименьшей чувствительностью к поглощению воды и два с большей чувствительностью к поглощению воды), после чего излучение попадает на блоки 4.1, 4,2, 4.3 фотоприемников с демодуляторами, в которых сигналы преобразуются в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3 равны:

U₁ U₀₁exp(- (₁)m),

U₂ U₀₂exp(- (₂)m),

U₃ U₀₃exp(- (₃)m), где U₀₁, U₀₂, U₀₃ напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3, соответствующих нулевому значению влаги;

(₁), (₂), (₃) коэффициенты поглощения на выбранных длинах волн (например, при ₁ 1,83 мкм; ₂ 1,925 мкм; ₃ 2,09 мкм); m массa влаги.

Полученное значение напряжения с блока 4.1 поступает на первые входы блока 8 вычитания и первого блока 7.1 сложения, а значение напряжения с блока 4.2 поступает на первый блок 5.1 умножения на константу и далее на вторые входы блока 6 вычитания и первого блока 7.1 сложения. В блоке 5.1 умножения на константу напряжение умножается на константу k. Значения напряжения с выхода первого блока 7.1 сложения поступают на третий блок 5.3 умножения на константу. Значение напряжения с блока 4.3 поступает на второй блок 5.2 умножения на константу и далее на второй вход второго блока 7.2 сложения, а на первый вход второго блока 7.2 сложения подается напряжение с третьего блока 5.3 умножения на константу. Значения напряжения с блока 6 вычитания и второго блока 7.2 сложения поступают на блок 8 деления, на выходе которого появляется сигнал, равный:

U

Константа k подбирается таким образом, чтобы при измерении влажности у эталона с нулевой влажностью показание на блоке 9 индикации было равно нулю. Это выполняется, когда k U₀₁/U₀₂. После подстановки коэффициента коррекции k значение напряжения на выходе блока 8 деления равно:

U

где f е(U₀₃/U₀₁).

Коэффициенты d, f вычисляются из минимума интеграла:

I(d,f) -mdm

где m_o константа, определяющая верхний предел измерения массы влаги. Вычисленный коэффициент d используется в блоке 5.3 умножения на константу. Для определения коэффициента умножения блока 5.2 используется второй эталон с фиксированной влажностью, соответствующей массе влаги m_f. После установки второго эталона коэффициент умножения в блоке 5.2 подбирается так, чтобы в блоке 9 индикации было показание, соответствующее массе влаги m_f. На выходе блока 8 деления значение напряжения от массы влаги численно равно массе влаги. Значение влажности в процентах индуцируется в блоке 9 индикации.

Влагомер (фиг.3) работает следующим образом.

Модулированное ИК-излучение от источника 1 попадает на исследуемый материал, который находится в держателе 2.1 образца и, отразившись, попадает на приемную оптическую систему 3, которая разделяет принимаемое ИК-излучение на три спектральных канала, после чего излучение попадает на блоки 4.1, 4.2, 4.3 фотоприемников с демодуляторами, в которых сигналы преобразуется в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3 будут равны:

U₁ U₀₁exp(- (₁)m),

U₂ U₀₂exp(- (₂)m),

U₃ U₀₃exp(- (₃)m) где U₀₁, U₀₂, U₀₃ напряжения на выходах блоков 4.1, 4.2, 4.3, соответствующих нулевому значению влаги;

(₁), (₂), (₃) коэффициенты поглощения на выбранных длинах волн; m масса влаги.

Полученное значение напряжения с блока 4.1 поступает на первый вход блока 8 вычитания, а значение напряжения с блока 4.2 поступает на первый блок 5.1 умножения на константу и далее на второй вход блока 6 вычитания. В блоке 5.1 умножения напряжение умножается на константу k. Значение напряжения с блока 4.3 поступает на второй блок 5.2 коррекции и далее на второй вход блока 8 деления, а на первый вход блока 8 деления поступают сигналы с выхода блока 6 вычитания. На выходе блока 8 деления появляется сигнал, равный:

U Константа k подбирается таким образом, чтобы при измерении влажности у эталона с нулевой влажностью показание на блоке 9 индикации было равно нулю. Это выполняется, когда k U₀₁/U₀₂. После подстановки коэффициента коррекции k значение напряжения на выходе блока 8 деления равно:

U где f e(U₀₃/U₀₁)

Если (₃) -(₁)(₂)-( ₃) , то U2sh( m)/f. Для определения коэффициента умножения блока 5.2 используется второй эталон с фиксированной влажностью, соответствующей массе влаги m_f. После установки второго эталона коэффициент умножения в блоке 5.2 подбирается так, чтобы в блоке 9 индикации было показание, соответствующее sh(m_f). На выходе блока 8 деления значение напряжения от массы влаги изменяется как гиперболический синус. Значение влажности в процентах индуцируется в блоке 8 индикации.

Таким образом, каждый из трех вариантов предлагаемого влагомера позволяет получить элементарную выходную функцию от измеряемого параметра.