Тема: Разработка измерительной схемы преобразователя влажности для твердых и сыпучих материалов (стр. 7 )

Чувствительность, точность и дрейф нуля измерительного устройства в значительной степени зависят от стабильности частоты синусоидального высокочастотного генератора и источника тока постоянного напряжения.

На рис.3.4 представлена принципиальная схема измерительного генератора синусоидального напряжения.

Рис.2.3. Принципиальная схема измерительного

высокочастотного генератора синусоидального напряжения.

Измерительный высокочастотный генератор синусоидального напряже­ния представляет собой мультивибратор, собранный по схеме с общим эмиттером на однотипных транзисторах VT1 и VT2 с n-p-n переходам. Базовые переходы транзисторов развязаны по постоянному току через конденсаторы С1 и С2 и токи коллекторов ограничиваются резисторами R1 и R2­. Транзистор VT3 является измерительным, так как в цепь коллектор-эмиттер этого транзистора включен измерительный микровольтметр через полупроводниковый диод – детектор, где происходит выпрямление переменного сигнала соответствующей к изменению емкости, следовательно к изменению диэлектрической проницаемости контролируемого материала. Ток через цепь коллектор-эмиттер транзистора VT3 ограничивается резисторам R5.

Чувствительность, диапазон измерения и дрейф нуля измерительного устройства регулируется с помощью резисторов R­6, R­7, R­8, и R­9. В качестве выходного измерительного устройства также применяется аналого-цифровой преобразователь, функционирующий по принципу двойного интегрирования с жидкокристаллическим индикатором. Экспериментальную исследованию и проверку метода и устройства проводили в лабораторных условиях, обогащенной термическим способом на шихте различной влажности. За действительное значение влажности принимали значение, полученное термогравиметрическим методам. В процессе проверки измеряли влажность обычным термогравиметрическим и предлагаемым методами и определяли погрешность измерений. Результаты сравнительных экспериментов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Метод измерения	Результаты измерения влажности, %
Термогравиметрический	6,2	9,3	12,8	15,8	16,7	18,8	20,4
Предлагаемый	6,2	9,3	12,8	15,8	16,7	18,8	20,4
6,3	9,1	13,3	15,6	17,1	18,9	20,1
6,1	9,0	13,1	15,2	16,9	18,7	20,3
6,4	9,2	13,4	15,7	17,1	19,1	20,5
6,2	9,3	13,2	15,9	17,2	18,7	20,4
6,5	9,3	12,3	15,8	16,9	15,3	20,5
7,0	9,4	12,9	16,3	16,5	18,4	20,8
6,2	9,3	13,0	15,5	16,8	18,7	20,2
6,1	9,4	13,3	15,7	17,0	18,8	20,4
6,9	9,3	12,8	16,0	16,7	18,7	20,5
Среднее значение	6,5	9,5	12,7	15,8	16,4	15,5	20,6

Как следует из таблицы, результаты измерение влажности предлагаемым методам отличаются от соответствующих результатов термогравиметрического метода на ± (0,2÷0,6) %, что измерительное устройство отвечает по точностным характеристикам требования по измерению влажности обогащенного материала шихты в производственно-технологических условиях. Чувствительность и точность измерение влажности значительной степени зависят от стабильности источника питания постоянного напряжения и выходного синусоидального напряжения высокочастотного измерительного генератора.

Исследования показывают, что на измерительной поверхности ёмкостного преобразователя влажность зерна в производственных условиях чаще всего оказывается распределенной неравномерно, особенно, когда зерно движется с определенной скоростью в потоке. При измерении влажности это приводит к появлению погрешностью, обусловленной нелинейностью влажностных характеристик материала. Естественным путем уменьшения этой погрешности является применение повышенных частот, при которых нелинейность влажностных характеристик уменьшается, так как в наших исследованиях применяется переменное синусоидальное напряжение с частотой 1 МГц.

Кроме рассмотренных выше погрешностей, нелинейность влажностных характеристик зерна вызывает нелинейность шкалы измерительного устройства, что ухудшает его за счет появления энтропийной погрешности.

Разработанное нами измерительное устройство может быть применено не только для измерение влажности зерна, а также для измерения влажности сыпучих материалов и его производных в стационарных и производственных условиях эксплуатации.

2.2. Изучение основных характеристик

емкостного датчика измерения влажности

Рассмотренные выше диэлектрические свойства зерна будут использованы при разработке диэлькометрических приборов для измерения влажности.

Диэлькометрические методы измерения влажности исследова­ны для многочисленных промышленных материалов и сельскохо­зяйственной продукции.

Основные достоинства приборов, основанных на этом методе, - компактность, простота в наладке и обслуживании и во многих случаях достаточная для технологических целей точность. Элек­трический выходной сигнал позволяет сопрягать эти приборы непосредственно с устройствами управления технологическими процессами, а также с устройствами передачи, обработки и хра­нения информации [29].

Диэлькометрические измерители влажности строятся по схемам измерения параметров конденсаторного датчика — активной или реактив­ной составляющих полного сопротивления или его модуля.

Иногда для увеличения точности измеряются обе составляющие полного сопротивления, в других случаях схемы строят таким образом, чтобы устранить влияние одной из составляющих на результат измерения.

Наиболее распространены дифференциальные, резонансные, мостовые измерительные схемы, причем измерения могут проводиться как путем прямого отсчета, так и замещением. Схемы с прямым отсчетом проще в эксплуатации, однако боль­шую точность обеспечивают схемы замещения.

Схемная реализация каждого из измерителей определяется предъявленными к нему требованиями, особенностями условий измерения и контролируемого материала.

Использование двухстороннего плоского конденсатора увеличивает коэффициент использования электромагнитного поля, но также устраняет деформацию электромагнитного поля во внешних торцевых объемах и имеет чувствительность к окружающим предметам [30].

Поэтому для соответствия к основным перечисленным требованиям устранения перечисленных факторов (R1 , R3 ,R4), вызывающих снижение точности измерителей влажности, в данной работе используется датчик – 9 (рис. 2.4.). Датчик представляет собой параллелепипед с размерами (ширина 200 мм, высота 300 мм, длина 70 мм). К боковым стенкам на расстоянии 70 мм прикреплены две параллельные между собой пластины. В качестве параллельных пластин применяются плоские металлические пластинки. Корпус датчика сделан из диэлектрика.

Принцип действия емкостных преобразователей

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

,

где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками. Из этого выражения следует, что в емкостном преобразователе переменной (входной) величиной может быть либо d, либо S, либо e.

На рис. 2.5 схематично изображены различные типы емкостных преобразователей.

Рис. 2.4 Емкостные преобразователи

Преобразователь на рис. 2.4, а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается относительно другой так, что изменяется расстояние d между пластинами. Функция преобразования С=f(d) нелинейная, причем чувствительность возрастает с изменением расстояния между d между пластинами. Функция преобразования С=f(d) нелинейная, причем чувствитель­ность возрастает с уменьшением d. Минимальное значение d определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

На рис. 2.4, б показан дифференциальный емкостный преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины емкость одного конденсатора увеличивается, а другая уменьшается. Дифференциальная конструкция позволяет уменьшить погрешность нелинейности или увеличить рабочий диапазон перемещений.

Преобразователь на рис.2.4, в также имеет дифференциальную конструкцию, но в нем происходит изменение активной площади пластин. Он используется для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В таком преобразователе можно получить необходимую функцию преобразования путем профилирования пластин.

Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.