ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Диэлькометрические влагомеры (исключая влагоме­ры СВЧ) работают в диапазоне частот от десятков ки­логерц до десятков мегагерц; наиболее распространен­ным является диапазон от сотен килогерц до 10 — 15 Мгц.

В указанных диапазонах датчик представляет собой комплексное сопротивление, в котором преобладает реак­тивная (емкостная) или активная составляющая.

Для измерения полного сопротивления датчика или его составляющих нашли применение многочисленные измерительные схемы, основанные на известных методах радиотехнических измерений и измерений параметров ди­электриков [JI. 4-5]. Однако диэлектрические измерения влажности материалов имеют ряд особенностей.

Максимальная емкость датчиков обычно ограничена десятками пикофарад и редко превышает 100 пф в то же время tg б датчика с материалом может достигать нескольких единиц и больше.

Современные влагомеры градуируются - эмпирически. Поэтому от измерительных устройств не требуется опре­деления действительных значений є и tg б материала. Не следует также предъявлять слишком высокие требования к погрешности измерительного устройства, так как она не является основной составляющей общей погрешности влагомера. Классификация измерительных устройств ди - элькометрических влагомеров может быть основана на различных признаках. По характеру измеряемой входной величины датчика их можно разделить на устройства для измерения полного сопротивления датчика и на измери­тельные устройства с разделением составляющих, даю­щие информацию о величине реактивной или активной составляющей комплексного сопротивления.

В обеих группах измерительных устройств находят применение:

А) резонансные схемы, использующие явление резо­нанса в колебательном контуре с сосредоточенными по­стоянными, одним из элементов которого является дат­чик;

Б) схемы измерения полного сопротивления без ис­пользования явления резонанса: мостовые, дифференци­альные и т. д. Основная разница между обеими катего­риями заключается в роли генератора колебаний повы­шенной частоты: в резонансных схемах генератор является составной частью измерительной цепи, в то вре­мя как в схемах второго типа он служит лишь источни­ком питания измерительной цепи.

Резонансные схемы можно в свою очередь разделить по характеру выходной величины на контурные и гене­раторные [Л. 4-6]. У первых 'выходной величиной являет­ся один из параметров колебательного контура (в том числе его резонансная частота). В генераторных схемах выходной величиной является частота колебаний генера­тора «ли амплитуда этих колебаний, токи и напряжения генератора.

Е. С. Кричевский [Л. 3-1] делит измерительные схемы на четыре типа: Z-метры и У-метры, реагирующие на из­менение модуля соответственно комплексного сопротив­ления и комплексной проводимости датчика; Q-метры, реагирующие на изменение его добротности, и. F-метры, реагирующие на изменение частоты автогенератора при " включении датчика в его колебательный контур.

Наконец, классификационным признаком может слу­жить используемый способ измерения — с прямым преоб­разованием (включающий неуравновешенные мостовые и дифференциальные схемы) и с уравновешиванием. В схе­мах с уравновешиванием часто применяется способ за­мещения.

Из рассмотренных классификационных признаков основным является способ учета диэлектрических по­терь в датчике влагомера (измерение с разделением или без разделения составляющих ■ полного сопротивле­ния).

При - измерениях полного сопротивления датчика его проводимость прямо влияет на результат измерения.

В резонансных схемах ее влияние на параметры коле­бательного контура и генератора высокой частоты сво­дится к следующему:

1. В резонансных схемах чаще всего применяются LC- Генераторы с самовозбуждением. При наличии диэлек­трических потерь в датчике, входящем в колебательный контур, угловая частота'собственных колебаний генера­тора to не равна резонансной частоте ИдеаЛьного контура (т. е. контура без потерь) too=l LC (L — индуктив­ность контура, С — емкость).

Где tg б — тангенс угла диэлектрических потерь датчика; QL — добротность катушки индуктивности на резонанс­ной частоте.

2. Условие самовозбуждения генератора выполняется при уменьшении резонансного сопротивления контура лишь до определенной величины, которой соответствует минимальное допустимое сопротивление Rx датчика. Ес­ли Rx ниже этой величины, происходит срыв колебаний. Известно, что любой генератор незатухающих колебаний эквивалентен некоторому отрицательному сопротивлению R-, вносимому в контур для компенсации его активных потерь.

Для возникновения колебаний в параллельном конту­ре, включенном параллельно отрицательному сопротив­лению, необходимо, чтобы его резонансное сопротивление было больше

.3. Амплитуда и ширина резонансной кривой зависят от добротности QK колебательного контура. Для конту­ров с последовательным и параллельным питанием отно­шение А ординат резонансной кривой к максимальному значению равно:

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Где QK — добротность контура; Д — относительная рас­стройка контура,

,ЛС _______________________________ 2 ^

''Со "ьч

(ДС и Дію — приращения емкости и частоты относительно значений С0 и - too, соответствующих резонансу в идеаль­ном контуре).

Влияние потерь на частоту описывает соотношение

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

При больших потерях в датчике QK~Qx=L/Tg8X {Qx, Tg бэс — добротность и тангенс угла диэлектрических по­терь датчика). Следовательно, с ростом потерь в датчике уменьшается пик резонансной кривой, кривая становится более широкой и пологой, а ее максимум — расплывча­тым, что ухудшает остроту и уменьшает точность на­стройки в резонансе.

Если не выполняется условие tg бх-—>0, измеритель­ные схемы, основанные на измерении комплексного со­противления, не позволяют непосредственно определить диэлектрическую проницаемость є материала, заполняю­щего датчик; это возможно только при измерении реак­тивной составляющей комплексного сопротивления дат­чика.

Существуют два различных воззрения на измеритель­ные устройства диэлькометрических влагомеров, сводя­щиеся к следующему:

1. Проводимость датчика является функцией влажно­сти материала, и, следовательно, допустимо применение измерительных схем, реагирующих на изменение обеих составляющих полного сопротивления датчика. Во вла­гомерах этого типа зависимость результата измерения 07 tg6 материала учитывается эмпирической градуировкой в единицах влажности, а отмеченное выше отрицательное влияние проводимости датчика на точность измерения рассматривается как помеха, воздействующая только, на измерительное устройство. Влияние этой помехи ограни­чивается способами, описываемыми ниже.

При таком подходе достигается значительное упро­щение и удешевление измерительных устройств по сравнению с устройствами для измерения модуля или фа­зы полного сопротивления.

Опыт подтверждает возможность измерения влажно­сти многих материалов указанным методом с практиче­ски достаточной точностью. Это относится к случаям, ког­да емкостная составляющая существенно превалирует над активной: измерение малых - влагосодержаний неф-- тей, влажности зерна и других материалов с малым со­держанием электролитов. Допустимо и 'большое содержа­ние электролитов в материале при условии постоянства их концентрации и состава.

В более общем виде это условие сводится к малой зависимости проводимости материала от факторов дру­гих, чем влажность, или в крайнем случае к возможно­сти учета этих факторов (градуировкой по сортам или видам материала, компенсацией в измерительном устрой­стве) .

2. Физическая природа є и tg б влагосодержащих 'Ма­териалов различна, и связь между этими параметрами изменяется при увеличении влажности в зависимости от таких факторов, как химический состав сухого материа­ла, проводимость воды, капиллярная структура материа­ла, величина его удельной поверхности и т. д.

Величина є материала изменяется однозначно в функ­ции влажности материала, в то время как на проводи­мость влияют перечисленные факторы, а по мнению не­которых исследователей и другие свойства материала.

Согласно этому воззрению изменения проводимости являются - возмущением, воздействующим не только на измерительное устройство, но и на преобразование влажности в электрический параметр материала (ком­понента вектора z на рис. В-2).

Логическим следствием является необходимость. ис­ключения влияния проводимости материала при измере­ниях влажности. Это реализуется в измерительных устройствах с подавлением влияния диэлектрических по­терь или с разделением составляющих полного сопротив­ления датчика. Такие измерительные устройства сложнее и дороже устройств, измеряющих комплексный параметр датчика, однако их применение оправдано, например, для материалов с большими диэлектрическими потерями, из­меняющимися в связи с переменным химическим соста­вом воды и твердой фазы.

Ниже описываются измерительные устройства, осно­ванные на обоих рассмотренных принципах.

Следует отметить, что в качестве элементов с управ­ляемыми параметрами в современных диэлькометриче­ских влагомерах часто используют статические бескон­тактные элементы: подогревные термисторы, варикапы, варисторы, электронные лампы, полупроводниковые ди­оды и т. д. Управление выходным параметром осущест­вляется изменением подаваемого на эти элементы тока или напряжения.

За-мена традиционных потенциометров - и конденсато­ров переменной емкости более простыми и надежными бесконтактными элементами особенно эффективна в схе­мах автоматических влагомеров, так как устраняет не­обходимость в сервоусилителе, реверсивном двигателе и т. п.; управляемые бесконтактные элементы отлича­ются высоким быстродействием (у наиболее инерцион­ных элементов из числа упомянутых постоянная времени исчисляется миллисекундами). В то же время эти эле­менты уступают по стабильности, линейности функции преобразования - и диапазону выходной величины пере­менным резисторам и конденсаторам. В связи с этим они
часто используются не в качестве уравновешивающих (отсчетных) элементов схемы, а для компенсации влия­ния помех.

Приведем обзор применяемых в измерительных устройствах способов компенсации влияния проводимо­сти и других возмущающих воздействий.

В схемах - без разделения составляющих полного со­противления ослабление влияния проводимости часто до­стигается включением последовательно с датчиком раз­делительной емкости (см. ■§ 3-1).

Tgs3 =

Другой способ заключается - в шунтировании датчика малым активным сопротивлением г. Если исходить из па­раллельной схемы замещения и принять, что величина потерь - в датчике определяется только активными сопро­тивлениями R и г, причем R=Rlm (т^>1), то после под­ключения сопротивления г тангенс угла потерь датчика изменится с tg6= IfaRC до значения

= (m-H)tg8.

<*Рс ЯТ7

При изменении сопротивления потерь шунтированно­го датчика (вследствие - изменений влажности материала, его состава и т. п.) до величины R'=NR новое значение tg б будет:

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Таким образом, при изменениях активного сопротив­ления датчика от R до оо тангенс угла потерь датчика изменяется в весьма узких пределах — в (m+l)4-m раз.

Обычно принимают гй^'/^Мин/Ю, где /?мин — минималь­ная величина сопротивления потерь, соответствующая максимальной измеряемой влажности.

Описанный способ весьма прост, однако он требует постоянства сопротивления г во времени и, что важнее, при любой влажности измерение проводится при макси­мальном tg6, т. е. в наиболее неблагоприятных условиях. Если датчик включен в колебательный контур высокоча­стотного генератора, его сопротивление с шунтом должно быть больше - величины, при которой происходит срыв ко­
лебаний генератора. В связи с этим в 'практических схе­мах влагомеров одновременно с шунтированием датчика часто применяют и последовательную емкость.

В па боте Ш. 4-7] была предложена схема с автомати­ческой стабилизацией величины шунтирующего сопло - тивления г—'терморезистора косвенного подогрева. Дат­чик нключен одновременно в две мостовые схемы: высо­кочастотную (для измерения влажности) и низкочастот­ную (для автоматического регулирования величины г). Сигнал разбаланса низкочастотного (50 гц) моста, уси­ленный фазочувствительным усилителем, изменяет силу т. ока в пепи подогпева тел морезистор а до достижения суммарным активным сопротивлением шунтированного датчика заданного значения*:

Для уменьшения 'ВЛИЯНИЯ поовогш-мости можно ис­пользовать также Bbl6oD изменител ьной схемы, некото­рых ее элементов и папаметров.

Уменьшение добпотности измерительного колебатель­ного контула при посте ті отель - в датчике сильно увели­чивает погрешности резонансных схем, основанных - на настройке в резонанс. Значительно меньше этот фактор влияет на точность схем. основанных на сравнении ча­стот двух генераторов или контуров, например схемы биений.

Обеспечение реактивного характера комплексного со­поставления 7. датчика (выполнение условия /?юС^>1 для параллельной схемы замещения) облегчается повы­шением частоты to. Однако величина T=iRC=p0ep зави­сит от удельных электрических свойств е и р материала. Поэтому рабочую частоту следует выбирать только на ос­новании частотных характеристик є (to) и р (со) данного материала.

Средством уменьшения влияния проводимости датчи­ка на генератор высокой частоты является также мини­мальный отбол мощности измерительным колебательным контуром, повышающий устойчивость частоты генератора и устраняющий явление затягивания, частоты. Для этого измерительный контур обычно имеет слабую связь с ге­нератором. Еще больший эффект дает 'включение датчи­ка во вторичный контур (колебательный или апериоди­ческий), слабо связанный с колебательным контуром ге­нератора индуктивной, автотрансформаторной или ем­костной связью. Наличие вторичной цепи, индуктивно связанной с контуром, вносит в него добавочное комп-
декеное сопротивление

7 —________________________________

Zk

Де М — взаимная индуктивность между катушками; ?к — полное сопротивление вторичного контура.

При надлежащем выборе параметров обоих контуров и связи между ними можно уменьшить активную состав­ляющую и усилить влияние реактивной составляю­щей сопротивления, вносимого вторым контуром в пер­вый.

Подавлению влияния проводимости способствует так­же выбор схемы генератора, отличающейся малой чувст­вительностью к колебаниям нагрузки. К этой категории относятся, например, транзитронный генератор с низким отрицательным сопротивлением, генераторы по схеме Франклина, а также с применением буферного каскада, развязывающего-автогенератор от нагрузки.

Кроме влияния потерь, в измерительном устройстве можно ослабить или исключить и некоторые другие воз­мущения. Во многих влагомерах датчик должен нахо­диться на значительном расстоянии от измерительной схемы. Иногда монтируют входную часть измерительной схемы в непосредственной близости от датчика. Однако такбе решение не всегда возможно и часто (например, в автоматических влагомерах) длина соединительного ка­беля достигает десятков метров. Изменения параметров кабеля под влиянием колебаний температуры окружаю­щей среды и других факторов вызывают дополнительные погрешности; кроме того, включение большей емкости кабеля параллельно датчику уменьшает чувствительность влагомера.

Для устранения влияния соединительного кабеля на измерительную схему емкостного влагомера был предло­жен ряд способов.

7 !А ох

С4"2)

Первый из них можно применить при включении дат­чика в колебательный контур в сеточной цепи лампового генератора. Последовательно с катушкой индуктивности Li этого контура включают индуктивность Ь2 и конден­сатор С2; величины L2 и - С2 подбирают так, чтобы они вместе с емкостью кабеля образовали последовательный контур с резонансной частотой, равной частоте генерато­ра. В этих условиях сопротивление контура £2-С2-кабель равно активному сопротивлению катушки JU и соедини­
тельных проводов (если пренебречь сопротивлениями утечки конденсатора С2 и кабеля) и, следовательно, очень мало.

Второй более сложный способ заключается в приме­нении схемы частотной модуляции с двухконтурным ге­нератором, в которой соединительный кабель входит в первый контур, а датчик — во второй [JT. 4-8].

Влияние параметров соединительного кабеля можно исключить также в некоторых мостовых схемах, напри­мер в мостах переменного тока с тесной индуктивной связью между плечами и "в схемах с низкочастотной мо­дуляцией параметров - колебательного контура и автома­тическим уравновешиванием (см. ниже).

■В измерительных схемах большинства диэлькометри­ческих - влагомеров предусмотрена возможность настрой­ки «электрического нуля» и чувствительности схемы. Ес­ли функция преобразования измерительного устройства линейна, ее коррекция - по двум точкам устраняет систе­матическую погрешность. Кроме того-, эта коррекция дает возможность использования единой шкалы для различ­ных сортов одного материала или для нескольких мате­риалов (также при условии линейности градуировочной характеристики). Общепринятой является настройка по емкости пустого датчика Со.

В автоматических влагомерах с 'проточными датчика­ми возникают затруднения, связанные с необходимостью опорожнения датчика для настройки и с возможностью ошибки, вызванной загрязнением датчика, например на­липанием частиц материала на его электродах. Поэтому в приборах этого типа часто ограничиваются автомати­ческой или полуавтоматической настройкой по двум или одной образцовым емкостям. Наиболее распространен­ным элементом настройки у резонансных влагомеров яв­ляется переменная емкость, включенная параллельно датчику. Значительно реже используют для настройки индуктивность колебательного контура.

Одно из основных возмущений — изменение темпера­туры исследуемого материала — компенсируется во мно­гих диэлькометрических - влагомерах (в частности, в при­борах непрорывного действия) автоматически следующи­ми способами:

1. Введением емкостного - преобразователя термоком­пенсатора в колебательный контур, чаще всего парал­лельно емкостному датчику.

В качестве термокомпенсатора, кроме устройств, рас­смотренных в ■§ 3-2, можно использовать также варика­пы. Управляющее напряжение варикапа получают на вы­ходе измерительной схемы (мостовой, дифференциаль­ной и т. и.), в которую входит датчик температуры — ма­лоинерционный термометр сопротивления или чаще ми­ниатюрный термистор, установленные в датчике влаго­мера.

2. Введением выходной - величины (напряжения, силы тока) измерительной цепи температурного датчика в из­мерительную схему влагомера — обычно на ее выход. Этот способ применим не только в резонансных, но также в мостовых и любых других схемах диэлькометрических влагомеров.

3. В схемах, основанных на принципе сравнения, ис­пользованием двух датчиков, из которых один служит датчиком влажности, а второй — опорный — термоком­пенсатором.

Опорный датчик заполнен материалом с TT=const (например, W=0), имеющим температурный коэффици­ент, близкий по величине к коэффициенту контролируемо­го материала. Конструкция датчика должна обеспечи­вать хорошую термическую связь опорного датчика с объектом измерения, например его омывание потоком материала. Практически такое решение нашло примене­ние во влагомерах для жидкостей (нефтепродуктов) с проточным датчиком.

Общие требования к схемам температурной компен­сации заключаются в возможности независимой настрой­ки ее параметров: а) диапазона температурной компен­сации; б) величины температурной поправки, которая может изменяться в зависимости от исследуемого мате­риала и значения температуры; значительно реже учи­тывают ее зависимость от влажности. В большинстве случаев осуществляется простейший — линейный — закон термокомпенсации я предусматривается лишь возмож­ность изменения (вручную) значения температурной по­правки.

В схемах с уравновешиванием отсчетным органом ча­сто служит измерительный (переменный) конденсатор и характер градуировки шкалы в процентах влажности оп­ределяется формой зависимостей эффективной емкости датчика от влажности материала CX(W) и измеритель-
ного конденсатора от угла поворота его подвижной части (ротора).

Резонансные измерительные схемы. Точ­ность их определяется главным образом точностью на­стройки в (резонанс, устойчивостью частоты генератора высокой частоты в течение времени - измерения и чувст­вительностью указателя резонанса. При условии пра­вильного построения и надлежащего выполнения (каче­ство деталей и монтажа) резонансные схемы позволяют

Осуществлять чрезвычай­но простые и надежные влагомеры, отличающиеся в то же время точностью и чувствительностью из­мерительной части.

В схемах (на принци­пе замещения и др.), где в качестве отсчетного ор­гана или образцовых эле­ментов для настройки схемы используются конденсато­ры, дополнительным источником «погрешностей могут служить измерительный и образцовые конденсаторы. Измерительный конденсатор должен иметь. правильную конструкцию и тщательное выполнение. Образцовые и измерительные конденсаторы должны иметь минималь­ный температурный коэффициент, а также минимальные и постоянные потери при рабочей частоте.

Простейшей является схема измерения методом резо­нанса и замещения в колебательном контуре (рис. 4-5). Генератор Г высокой частоты индуктивно связан с коле­бательным контуром, содержащим индуктивность L и параллельно включенные переменный конденсатор Сп и датчик (Сх, Rx). Контур настраивается в резонанс с ча­стотой генератора с помощью переменного конденсатора.

Резонанс можно определить:

А) по максимуму силы тока / в неразветвленной ча­сти контура, измеряемой с помощью амперметра Л;

Б) по максимуму напряжения Ux на конденсаторе, ■измеряемого ламповым вольтметром V.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Рис. 4-S. Схема измерения мето­дом резонанса и замещения.

Рассмотрим основные зависимости в обоих случаях, исходя из упрощающих предположений, что напряжение генератора имеет постоянные амплитуду и частоту, т. е. не зависит от параметров контура, и что активное сопро­тивление индуктивной катушки ничтожно по сравнению
с ее индуктивным сопротивлением (RL=0). Примем сле­дующие обозначения:

Е — э. д. е., действующая в контуре; С=Сх-{-Си— Суммарная емкость контура; со0=1/1^LC — угловая ча­стота колебаний при отсутствии потерь в контуре; С0 — емкость, соответствующая резонансу в тех же условиях.

А) Определение резонанса по максимуму силы тока. Легко доказать, что в этом случае

^О+^ЬЧ'+г*')-

При наличии потерь в датчике максимум силы тока в контуре достигается, следовательно, при значениях ем­кости, больших, чем при отсутствии потерь, а емкость, соответствующая резонансу, возрастает с ростом потерь в датчике. При этом максимум резонансных кривых ста­новится расплывчатым; определение резонанса становит­ся неточным. Рассмотренная схема применялась лишь в первых влагомерах для измерения невысокой влажно­сти материала без электролитических примесей.

Б) Определение резонанса по максимуму напряжения на конденсаторе. Напряжение на датчике, измеряемое вольтметром, равно:

=----------------------------------------------------------------- ~ ыГ' (4-3)

Условием резонанса является:

Го — 1 /УЬС или С=С0.

Емкость, соответствующая резонансу, не зависит, сле­довательно, от потерь в контуре и равна емкости, соот­ветствующей резонансу при отсутствии потерь. Резонанс­ная частота также равна частоте ■соо контура без потерь. На этом основано суждение некоторых исследователей о том, что способ измерения напряжения на конденсаторе в параллельном контуре свободен'от влияния потерь в датчике; такое мнение неправильно. Как видно из (4-3), напряжение на контуре зависит от величины Rx.

Как и при определении резонанса по максимуму тока, с повышением влажности не только понижается макси­мальное значение U, но резонансная кривая становится более широкой, и ее максимум — более пологим, в связи

113

С чем понижается острота настройки - в резонанс, а сле­довательно, и точность измерения.

Для диэлькометрических из-мерений влажности важно то, что резонансное напряжение параллельного контура и резонансный ток последовательного контура несут ин­формацию о величине активных потерь в датчике. На­пряжение на параллельном контуре с пустым датчиком в момент резонанса равно:

U0=t/GK,

Где / — сила тока в неразветвленной части контура; GK— Активная проводимость контура.

Если вследствие введения в датчик влажного мате­риала проводимость контура увеличится на AG, то новое значение резонансного напряжения будет (при постоян­ной силе тока I):

U== 1

Gk-MG'

Откуда

AG= U°~U GK. (4-4)

Аналогично для последовательного контура имеем (при t/=const):

= (4-5)

Где Аг—приращение последовательного сопротивления г контура; /о, /—резонансный ток контура с пустым и заполненным датчиком.

Одной из разновидностей рассмотренного метода яв­ляется способ «половины резонансной кривой». По этому способу для отсчета используется не максимум резонанс­ной кривой, а наиболее крутой участок одной из ветвей этой кривой. Параметры колебательного контура выби­раются таким образом, чтобы его резонансная частота несколько отличалась от частоты генератора, а измене­ния силы тока или напряжения в контуре, соответствую­щие пределам измерения, находились на крутом участке резонансной кривой. Выходной величиной схемы являет­ся сила тока или, чаще всего, напряжение. При измере­ниях влажности емкостным датчиком вследствие наличия потерь в материале рабочая точка перемещается не по одной, а по разным резонансным кривым, соответствую - 114 Щим различным величинам диэлектрических потерь в датчике.

Выходная величина является функцией обеих состав­ляющих полного сопротивления датчика. Измерение ос­новано на принципе_прямого преобразования, и так как амплитуды напряжения или тока в контуре зависят от напряжения питания, необходимо стабилизировать вели­чину этого напряжения. Для уменьшения влияния коле­баний напряжения питания и получения более равномер­ной шкалы влагомера в электронном вольтметре, изме­ряющем напряжение на контуре, применяются отрица­тельная обратная связь, автоматическое сеточное смеще­ние. и другие известные способы.

Схемы, основанные на способе «половины резонанс­ной кривои», широко применялись в автоматических и неавтоматических влагомерах.

Из резонансных измерительных схем, основанных на принципах частотной модуляции, наиболее про­сты схемы, в которых выходной величиной служат по­стоянная составляющая анодного (/а) или сеточного (/с) тока автогенератора; известно, что увеличению /а соответствует уменьшение /с. Датчик входит в колеба­тельный контур в анодной или сеточной цепи или в кон­тур, связанный с ним электрической или магнитной (ча­ще всго. индуктивной) связью.

Изменение параметров материала (є и tg6) влечет за собой изменение эквивалентного сопротивления Zs колебательного контура. Если генератор работает в пере­напряженном или близком к нему режиме, характеризую­щемся большим сеточным током, изменения ZB влекут за собой значительные изменения анодного и сеточного токов, являющиеся функцией полного сопротивления дат­чика. Схемы этого типа обладают невысокой точностью, так как изменения напряжения питания и характеристик ламп, входящих в схему автогенератора, вызывают пря­мые ошибки измерения. Однако благодаря своей про­стоте (возможность реализации с помощью одной лампы) они находят применение в лабораторных и особенно пе­реносных приборах, например в малогабаритном влаго­мере для зерна (рис. 4-6) 4-9].

Датчик Сх включен в колебательный контур генера­тора, собранного на транзисторе. Потенциометр iR позво­ляет настроить схему на максимальное показание при­бора П при незаполненном датчике; с ростом влажности

Увеличивается величина а сила тока, измеряе­мая прибором П, умень­шается.

Как уже отмечалось, включение датчика во вторичный контур, слабо связанный с колебатель­ным («метод реакции»), позволяет уменьшить влияние іпотерь в датчике. В частном случае, когда индуктивно связанный вторичный контур при из­мерениях настраивают в резонанс с частотой 'Гене­ратора, вносимое в контур генератора сопротивление

Имеет максимальное значение и чисто активный ха­рактер. Полное сопротивление вторичного контура ZkRK (RK—активная составляющая ZK) и вноси­мое сопротивление в соответствии с формулой (4-2) Z= = C?M2/RK, где М — взаимная индуктивность обоих кон­туров. В этих условиях схема измеряет активную состав­ляющую сопротивления датчика.

От недостатков схем с измерением сеточного или анодного тока в значительной мере свободны схемы сры­ва колебаний.

Их основной частью является генератор — транзистор­ный или чаще ламповый.

Во влагомерах наибольшее применение нашли осцил - ляторные схемы, в которых кварцевый резонатор рабо­тает вблизи своей частоты параллельного резонанса и может рассматриваться как индуктивность высокой доб­ротности. Обычно кварцевый резонатор включается в се­точную цепь, в результате чего образуется сеточный ко­лебательный контур, связанный с анодным колебатель­ным контуром через междуэлектродную емкость.

Rlh

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Рис. 4-6. Принципиальная схема диэлькометрического влагомера для зерна.

9f

II

ГЪ

JH'I'Hb^

Для обеспечения условий самовозбуждения в такой схеме необходимо, чтобы сопротивление анодного конту­ра носило индуктивный характер. При этом амплитуда генерируемых колебаний максимальна, а постоянная со­ставляющая анодного тока минимальна. Датчик включен в анодный колебательный контур и при постепенном уве­
личении его емкости (уменьшении частоты) анодный л сеточный токи изменяются так, как это показывают гра­фики рис. 4-7.

■Срыву колебаний соответствует скачок тока —участки А Б и А'Б' кривых /а(С) и /с (С), где незначительные ■изменения емкости вызывают резкие изменения токов. Использование этих участков для отсчета позволяет из­мерять весьма малые емкости. Достоинством схемы яв­ляются ее простота, высокая чувствительность к измене­ниям емкости, независимость результата измерения от колебаний напряжения источника питания, удобство фиксирования резонанса по показаниям стрелочного при­бора в анодной или сеточной цепи.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Дальнейшее усовершенствование и упрощение схемы срыва колебаний были достигнуты использованием в ней. электронного индикатора настройки —- лампы 6Е5С; та­кая схема применена во влагомере конструкции автора (влагомер ВЭБ). Триодная часть лампы используется в качестве кварцевого генератора с кварцевым резона­тором между катодом и сеткой. Между анодом и экра­ном лампы 6Е5С последовательно с контуром включено большое сопротивление. При резком уменьшении анодно­го тока в момент возникновения колебаний падение на­пряжения на сопротивлении между управляющим элек­тродом и экраном уменьшается и теневой сектор резко сокращается. Закрытие теневого сектора используется для фиксации момента отсчета емкости переменного кон­денсатора по методу замещения. Визуальный индикатор освобождает от необходимости в электроизмерительном приборе и упрощает схему влагомера.

Рис. 4-7. Зависимость анодного (IR) И сеточного (1с) токов от емкости колебательного контура.

Схема срыва колебаний с электроннолучевым инди­катором была применена и в других влагомерах; ее мож­но - осуществить также на ламповом генераторе с квар­цевым резонатором между анодом и сеткой.

Условия самовозбуждения выполняются в этом вари­Анте схемы при емкостном характере сопротивления



Анодного контура, т. е. если его резонансная частота ни­же частоты параллельного резонанса кварца.

Схемы с частотным детектором основаны на прямом методе частотной модуляции; емкостный дат­чик включен в колебательный контур генератора и непо­средственно изменяет частоту колебаний этого генерато­ра. Индикатором изменения частоты служит частотный детектор, который дает на выходе напряжение, величина которого зависит от величины ухода частоты от основной частоты соо, а знак зависит от знака ухода. Известен ряд схем детекторов, нашедших применение для измерения

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Рис. 4-8. Принципиальная схема и основная характеристика частот­ного детектора.

Ивых

0jO±AW

Г

Малых емкостей. Наибольший интерес представляют двухтактные схемы, в частности дифференциальная схе­ма с колебательной системой в виде двух одинаковых связанных контуров, настроенных на основную частоту too - Принципиальная схема детектора приведена на рис. 4-8,с.

Зависимость напряжения на выходе детектора, т. е. разности двух выпрямленных напряжений, выделенных диодами Ді и Д2 на сопротивлениях Ri и R%, от расстрой­ки частоты показана на рис. 4-8,6; этот график представ­ляет собой основную характеристику частотного детек­тора. Для -измерения емкости используют изменения частоты, соответствующие линейному участку АА' характе­ристики £7ВЬіх(іЛісо). Кроме. линейности, эта характеристи­ка обладает свойством, ценным для автоматизации из­мерения: знак напряжения совпадает со знаком отклоне­ния частоты от ©с; отсутствию отклонения соответствует ввых=0. Необходимо сохранение постоянства основной 118
частоты генератора, достигаемое стабилизацией напря­жения питания генератора и другими известными спосо­бами стабилизации частоты. Для устранения зависимости напряжения Ut от расстройки в рассмотренной схеме обычно применяется амплитудное ограничение. Чувстви­тельность схемы к изменениям емкости датчика опреде­ляется крутизной характеристики детектора; она повы­шается с ростом резонансной частоты и зависит от сте­пени связи и добротности контуров. С повышением крутизны кривой t/EbIX(До) одновременно сужается диа­пазон Alto, соответствующий линейному участку характе­ристики.

Достоинством схем этого типа является их относитель­ная простота (наличие одного генератора), удобная для измерения выходная величина и высокая чувствитель­ность; они позволяют обнаруживать уход частоты вели­чиной несколько герц или даже доли герца. Чувствитель­ность схемы в целом может достигать (при малых по­терях в датчиках) десятков вольт на 1 пф.

Благодаря указанным преимуществам схемы с ча­стотными детекторами широко распространены во вла­гомерах, особенно автоматических.

Метод биений обычно считают наиболее чувстви­тельным и точным из резонансных методов измерения частот, малых емкостей и индуктивностей; в этом методе принцип сравнения осуществляется не в контуре, содер­жащем датчик, а в самой измерительной схеме, преобра­зующей изменения емкости в частоту биений.

В применении к измерениям с ем костными или индук­тивными датчиками метод основан на сравнении частот колебаний двух генераторов (обычно в среднем диапазо­не частот —до 5 — 10-Мгц). Один генератор имеет по­стоянную частоту, а у второго частота зависит от пара­метров датчика, включенного в анодный или сеточный контур. Измерительная схема по методу биений состоит из опорного генератора, работающего на фиксированной частоте fu измерительного генератора с частотой fz, из­меняющейся в функции измеряемого параметра; смеси­теля, в котором образуются результирующие колебания (биения) с частотой, равной разности частот обоих ге­нераторов —и индикатора частоты биений. Из­мерения производятся путем определения величины ча­стоты биений или, чаще всего, методом нулевых биений, т. е. по методу уравновешивания в контуре с датчиком до достижения равенства частот обоих генераторов (Д/=0). Относительная погрешность измерения емкости без потерь равна удвоенной погрешности определения частоты: DCIC=—2Dflf.

Так как при высокой частоте величина df/f весьма ма­ла, чувствительность метода очень высока, а относитель­ная погрешность в принципе может быть доведена до тысячных долей процента. Практически точность схем по методу биений ограничена рядом факторов: точностью отдельных элементов схемы, т. е. устойчивостью частот обоих генераторов, погрешностями смесителя, чувстви­тельностью и точностью индикаторного устройства, а так­же явлением захватывания частот. При измерениях влажности точность и чувствительность измерения допол­нительно уменьшаются в результате влияния потерь, в ис­следуемом материале; как и в других резонансных схе­мах, измерение возможно только до определенной мини­мальной величины потерь, при которой срываются колебания измерительного автогенератора.

Известен ряд способов повышения точности метода биений. Эти способы усложняют измерительную схему (и без этого более сложную, чем в других резонансных методах), и их применение оправдано лишь в тех слу­чаях, когда необходима очень высокая точность измере­ния. В влагомерах, как правило, достаточно применение схемы биений в ее наиболее простом выполнении. Изме­рительные схемы, примененные на практике, отличаются лишь отдельными узлами, в частности способом индика­ции биений, в значительной мере определяющим свойст­ва влагомера.

Обобщенные схемы измерительного устройства влаго­мера на принципе биений показаны на рис. 4-9. Неавто­матическому влагомеру соответствует часть схемы в пунктирном прямоугольнике. Индикатором в схемах с уравновешиванием может служить электроннолучевой индикатор (звуковые индикаторы не применяются в со­временных влагомерах). В схемах прямого. преобразова­ния частоту биений измеряют частотомером со стрелоч­ным указателем на принципе заряда и разряда конден­сатора. Для устранения влияния изменений измеряемого напряжения и напряжений других частот, кроме частоты биений, напряжение смесителя подается на усилитель, а затем на ограничительно-нормирующее устройство. Реже применяются другие способы измерения частоты биений, например счет числа импульсов, поступивших на счетное устройство через электронный ключ, отпираемый на определенный интервал времени.

Автоматические влагомеры имеют измерительную схе­му (полная схема рис. 4-9), отличительной особенностью которой является детектор частоты биений, представляю­щий собой аналоговый преобразователь частота — напря­жение постоянного тока; величина этого напряжения оп­ределяется величиной частоты биений, а знак — знаком

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Рис. 4-9. Блок-схема влагомеров на. принципе биений.

1 — схема неавтоматического влагомера; 1 — опорный генератор;

2 — измерительный генератор; 3 — датчик; 4 — смеситель; 5 — фнльтр низкой частоты; 6 — уснлнтель низкой частоты; 7 — инди­катор неавтоматического влагомера; 8—.преобразователь «часто­та — напряжение»; 9 — следящая система; 10 — реверсивный двига­тель; 11— уравновешивающий переменный конденсатор; 12 —

Индикатор автоматического влагомера.

Отклонения частоты1рабочего генератора от опорной ча­стоты. В измерительных устройствах на принципе пря­мого преобразования индикатор (показывающий. и само­пишущий прибор) подключается к выходу преобразова­теля.

В схемах с автоматическим уравновешиванием вы­ходное напряжение U преобразователя используется для управления следящей системой, изменяющей емкость
уравновешивающего конденсатора в колебательном кон­туре до достижения нулевых биений, которым соответ­ствует и= 0.

"Схемы основанные на измерении полно­го сопротивления датчика в электриче­ских цепяхбез использования явления ре­зонанса, можно разделить на мостовые, дифференци­альные и схемы сравнения напряжений.

Во влагомерах с измерительной схемой без разделе­ния составляющих нашли применение некоторые упро­щенные модификации мостов переменного тока, не тре­бующие уравновешивания по двум параметрам.

Первую группу образуют схемы с неуравновешенны­ми четырехплечими мостами, в которых выходной вели­чиной является выпрямленный ток (или напряжение) измери­тельной диагонали моста.

Ко второй группе относятся мостовые схемы, у которых ОДНО или два плеча образованы лампо­выми генераторами; колебатель­ный контур одного генератора со­держит емкостный или индуктив­ный датчик, который изменяет сопротивление лампового генера­тора в цепи постоянного тока. Известно, что в триод - ном ламповом генераторе первая гармоника анодного тока и его постоянная составляющая являются функция­ми полного эквивалентного сопротивления колебательно­го контура Zs; следовательно, ток в диагонали рассма­триваемого моста также изменяется в зависимости от величины Z3.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Рис. 4-10. Дифферен­циальная измерительная схема.

К этой же категории можно отнести измерительные устройства, состоящие из двух одинаковых генерирую­щих триодов (обычно двух половин двойного триода), у которых сеточные контуры связаны общим резистором; один из контуров содержит емкостный датчик, второй — переменные конденсаторы для уравновешивания и на­стройки схемы. При равенстве частот обоих контуров (обычно 2—5 Мгц) мостовая схема, образованная вну­тренними сопротивлениями обоих триодов и их сопротив­лениями нагрузки (анодными или катодными), уравно­вешена и напряжение выходной цепи моста между ано­дами или катодами триодов равно нулю. Изменение пол-
ного сопротивления датчика влечет за собой появление тока в указанной цепи.

•Схемы дифференциальные и сравнения напряжений основаны на сравнении напряжений. двух цепей (рис. 4-10), одна из которых содержит полное сопротив­ление датчика Zx, а вторая — образцовое сопротивление Zc, которое может состоять из любой комбинации реак­тивных и активных сопротивлений. Напряжение питания U обеих цепей дает общий источник — генератор Г по­вышенной частоты. В простейшем случае применяется емкостный делитель, в котором плечо Zo образовано кон­денсатором постоянной емкости.

В дифференциальных схемах вольтметр В (обычно дифференциальный) измеряет разность падений напря­жения на обоих плечах делителя:

И —ОIJ Z*~Z«

В схемах сравнения напряжения измеряется падение напряжения на одном из плеч делителя:

Її й т'г V Их~-------------------- у— или и0 —------------- —.

1 I 0 1 , зс

L+f - l+z

F

Напряжения Ux и -U0 можно измерять фазочувстви - тельными вольтметрами, причем напряжение питания де­лителя U используется в качестве опорного. Чаще всего измеряются модули напряжений UX и |-U0J или их раз­ность.

Точность измерения определяется: а) стабильностью напряжения U и (в меньшей степени) частоты генерато­ра; б) устойчивостью образцового сопротивления Z0; в) погрешностью измерения напряжения вольтметром В.

Многочисленные влагомеры по дифференциальной схеме работают чаще всего при частотах в несколько ме­гагерц; в них используются электронные ламповые или полупроводниковые генераторы. Дифференциальная схе­ма нашла применение также в ряде автоматических. вла­гомеров, причем используются ее положительные качест­ва— возможности компенсации температурной и других погрешностей в опорной ветви, а также использования в качестве выходного прибора электронного автоматиче­ского потенциометра.

По схемам сравнения или дифференциальной легко выполнить влагомеры, имеющие нулевую отметку в се­редине шкалы - и показывающие величину и знак откло­нения влажности от номинального (установленного) зна­чения. Такие приборы находят применение для разбра­ковки материалов по влажности, а также в автоматиче­ских системах, если не требуется информация об абсо­лютных значениях влажности.

Измерительные устройства с разделе­нием составляющих полного сопротивле­ния датчика. Необходимость измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления Zx датчика, возникает лишь при исследовании зависимо­сти электрических параметров (є', є") материала от его влажности и других влияющих факторов. Для измерения модуля и фазового угла комплексного сопротивления применяются мосты и компенсаторы, осциллографиче - ские схемы, ку-метры и т. д., подробно описанные в ли­тературе (см., например, [Л. 4-10 и 4-11]). В диэлькомет­рических .влагомерах рассматриваемой категории решает­ся задача измерения лишь одной составляющей полного сопротивления, причем эта задача имеет ряд особенно­стей. Переменными являются обе составляющие, и отно­сительное изменение второй (неизмеряемой) составляю­щей велико, иногда даже больше изменения измеряемой величины. Комплексные сопротивления датчиков влаго­меров отличаются от объектов радиотехнических измере­ний малыми величинами емкости и большими углами ди­электрических потерь; измерения проводятся только при повышенных частотах.

Как уже отмечалось, для влагомеров требуется не­сложная аппаратура с простой техникой измерения. Из сказанного следует, что для влагомеров необходимы спе­циализированные измерительные устройства узкого на­значения. Ниже описываются измерительные схемы толь­ко этого типа.

Устройства для измерения активной составляю­щей полного сопротивления датчика мало распростра­нены.

Диэлькометрические влагомеры, измеряющие только активную составляющую, имеют характеристики, анало­гичные кондуктометрическим; к их достоинствам отно­сится высокая чувствительность в диапазоне низких вла - госодержаний, причем отпадают затруднения, встречаю щиеся в к о н д у кто м ет р и че с ко м методе и связанные с из­мерением очень больших омических сопротивлений дат­чика. Прибор [Л. 4-12], предназначенный для нитрата аммония с влажностью в пределах 0,05—0,3%, основан на измерении амплитуды максимального напряжения па­раллельного колебательного контура, в который входит индуктивный датчик (отрезок стекля-нной трубки, на внешней поверхности которой намотана катушка индук­тивности). Контур питает ламповый генератор с частотой 2 Мгц, у которого автоматически стабилизируется выход­ное напряжение. Параллельно датчику в контур включен дифференциальный переменный конденсатор, ротор ко­торого непрерывно приводится во вращение синхронным электродвигателем. Колебательный контур периодически (с частотой 5 гц) проходит через резонанс; выходные им­пульсы поступают на пиковый вольтметр, шкала которо­го градуирована в процентах влажности.

Устройства для измерения реактивной (емкост­ной) составляющей основаны на разных методах.

Мосты и компенсаторы с уравновешиванием двумя параметрами представляют собой сложные дорогие при­боры и не применяются во влагомерах, работающих на высоких частотах.

Из известных мостовых схём для диэлькометрических влагомеров представляют интерес две .разновидности, свободные от некоторых недостатков обычных четырех - плечих мостов: Т-образные и с индуктивно связанными плечами. Т-образные. мосты состоят из Т-образных че­тырехполюсников; если элементы схемы находятся в определенных соотношениях, указатель отмечает рав­новесие. Имеются Т-образные мосты, позволяющие изме­рять сопротивление любого характера и, в частности, определять независимо друг от друга активную и реак­тивную составляющие полного сопротивления датчика. При этом благодаря налйчию общей точки между вход­ной и выходной цепями по сравнению с обычными мо­стами сильно упрощаются экранирование и заземление элементов схемы. Обычно можно заземлить измеряемое полное сопротивление, источник питания и указатель рав­новесия. Последнее обстоятельство освобождает от при­менения экранированных трансформаторов на входе и выходе моста, что особенно ценно при измерениях на высокой частоте. Т-образные мосты до последнего времени не применялись во влагомерах промышленного тина.

Мосты С тесной ИНДуКТ'ИВ н'о й связью плеч имеют близкий к единице коэффициент связи между об­мотками, образующими индуктивные - плечи. Это дости­гается размещением их на общем сердечнике из - материа­ла с высокой магнитной проницаемостью и малыми по­терями (например, феррита).. Главным. достоинством таких мостов является ничтожно малое влияние паразит­ных проводимостей, шунтирующих элементы мостовой схемы.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Из различных известных мостовых схем с индуктивно связанными плечами рассмотрим схему шестиплечего моста для измерения емкостной составляющей комплекс-

6}

Рис. 4-11. Схемы моста с индуктивно связанными плеча-ми (а) и автоматического влагомера (б).

1 — генератор высокой частоты; 2 — мостовая схема; 3 — уравновешивающий конденсатор; 4 — усилитель высокой частоты; 5 — амплитудный детектор; € — реверсивный двигатель; 7 — усилитель низкой частоты; S — блок питания;

9 — модулятор.

Ного сопротивления Zx датчика, примененную во влаго­мерах, разработанных Институтом автоматики АН Кир­гизской ССР (рис. 4-11,с) [Л. 4-13,4

Плечи моста образованы полным сопротивлением датчика Zx, емкостями — образцовой С0 (измерительный конденсатор) и 'переменной Си, а также уложенными на ферритовом кольце обмотками L±, L2 (плечи отношения) и L% емкость Си совместно с индуктивностью L3 исполь­зуется для настройки влагомера.

Напряжение питания і£/п подается на диагональ моста, а выходное напряжение 6'БЫХ снимается с обмотки Ly. Для уравновешивания моста в схеме влагомера преду­смотрены модуляция емкости и амплитудное детектиро­вание.

Выходное напряжение разбаланса моста ' ылх» моду­лированное частотой 50 гц, детектируется амплитудным детектором. Выделенная детектором модуляционная оги­бающая {7БЫх поступает на фазовый детектор,- опорное напряжение которого синфазно с модуляционным воздей­ствием (опорное напряжение фазового детектора и уп­равляющее напряжение модулятора поступают с транс­форматора питания). В этих условиях изменения актив­ной составляющей комплексного сопротивления датчика практически не оказывают влияния на равновесие моста; влияние этой составляющей ограничивается лишь изме­нением чувствительности схемы при измерении реактив­ной составляющей.

Описанные схемы использованы в лабораторном и автоматическом влагомерах. В первом имеется стрелоч­ный указатель равновесия моста; модулятором служит транзисторный ключ, периодически подключающий по­стоянную емкость параллельно измерительному конден­сатору.

У аналогового автоматического влагомера {Л. 4-136] (рис. 4-11,6) выделенная амплитудным детектором оги­бающая напряжения разбаланса моста после усиления используется в качестве сигнала управления реверсивным асинхронным двухфазным двигателем. Двигатель враща­ет ротор конденсатора переменной емкости, уравновеши­вающего мостовую схему.

Большим практическим достоинством рассмотренных схем является возможность отнесения датчика на значи­тельное расстояние от прибора и минимизация влияния параметров соединительного кабеля на результаты изме­рения. Это достигается трехточечной схемой включения датчика в мост. К недостаткам следует отнести ограни­ченность верхнего предела рабочей частоты; в описанных влагомерах она равна 110 кгц.

Вторая группа измерительных устройств основана на рассмотренных в первой части этого параграфа схемах, в которых - дополнительно предусмотрены те или иные способы компенсации активной составляю­щей полного сопротивления. П. М. Плакк {Л. 4-14] ис­пользовал двухполюсник, состоящий из последовательно включенных индуктивности L и емкости С, шунтирован­ной активным сопротивлением R. Если реактивные эле­менты связаны соотношением tozLC=l/2, то модуль пол­ного сопротивления —(Z=l/2toC=.coL) не зависит от величины сопротивления R. Измерение емкости сводится к применению схемы сравнения двух напряжений — на индуктивности L и на двухполюснике в целом. Этот спо­соб применялся для измерения влажности материалов с большими потерями, например торфа.

Более распространены резонансные схемы на принци­пе замещения, у которых в измерительный резонансный контур вводятся переменные активные сопротивления, позволяющие уравновесить активную составляющую из­меряемого полного сопротивления. Контур настраивается в резонанс с введенным датчиком, который затем заме­щают переменным образцовым конденсатором и пере­менным активным сопротивлением. Этот. способ в раз­личных видоизменениях применяется во многих резонанс­ных схемах. Для введения потерь в колебательный контур необходимы практически безреактивные (безъем­костные и безындуктивиые) переменные сопротивления, активное сопротивление которых не зависит от частоты (в пределах ее изменений в схеме). Такие сопротивления достаточно трудно осуществить. Одно из ■простейших ре­шений этой задачи заключается в использовании диода с катодной нагрузкой (переменный резистор г, шунтиро­ванный емкостью). Такую схему можно применять для частот до 100 Мгц и выше. Ее активное сопротивление является функцией переменного сопротивления г. Разви­тием описанного метода является схема, основанная на низкочастотной (чаще всего частотой 50 гц), модуляции параметров, например емкости измерительного парал­лельного колебательного контура, питаемого током фиксированной частоты. При настройке контура в резо­нанс модуль его полной проводимости принимает посто­янное значение, а выходное напряжение становится. рав­ным нулю. Так как условие резонанса не зависит от активного сопротивления датчика, методом замещения можно определить его «чистую» емкость по изменению параметров уравновешивающего элемента.

Указанный способ был реализован Л. В. Каменевым [Л. 4-15] в'схемах с автоматическим уравновешиванием. Демодулированный низкочастотный выходной сигнал контура управляет фазочувствительной следящей систе­мой, приводящей контур в состояние резонанса. В пер­вом варианте схемы исполнительный электродвигатель следящей системы управляет конденсатором переменной емкости, включенным в контур параллельно датчику. Во второй схеме уравновешивающим элементом, включен­ным параллельно контуру, служит цепь, состоящая из по­следовательно соединенных сопротивления R термистора и постоянной емкости С. Эквивалентная емкость этой це­пи C0=C/(l+tozC^) изменяется в функции силы тока, нагревающего термистар, т. е. выходного тока следящей системы. На этом принципе основан автоматический ди- элькометр [Л. 4-15] с рабочей частотой 1,25 Мгц.

Уравновешивающую электрическую цепь удобно при­строить непосредственно к датчику, благодаря чему его можно отнести на значительное расстояние от измери­тельного устройства без введения погрешностей от из­менений электрических параметров соединительного ка­беля.

Упрощенный способ учета активной составляющей полного сопротивления датчика заключается во введении в результат измерения полной проводимости поправки по другой величине, функционально связанной с потерями в датчике. В резонансных схемах такую коррекцию про­ще всего выполнить по величине напряжения на колеба­тельном контуре 1[см. формулу (4-4)].

Измерительная схема влагомера для песка [Л. 4-16] основана на принципе срыва колебаний лампового гене­ратора, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором. Для компенсации потерь в датчике напря­жение на контуре, содержащем датчик, измеряется лам­повым вольтметром. Выходным прибором вольтметра яв­ляется магнитоэлектрический микроамперметр, преобра­зующий изменение силы тока в изменение емкости конденсатора, образованного неподвижной пластиной и металлическим флажком, который связан с подвижной системой прибора. При уменьшении добротности контура компенсатор изменяет емкость, вводимую в контур, и со­ответственно его собственную частоту.

В схеме влагомера [Л. 4-17] по методу биений.(/= =30 Мгц) роль компенсирующего элемента выполняет варикап, включенный в колебательный контур параллель­но датчику. Емкостью варикапа управляет выпрямлен­ное напряжение контура.

ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПСИХРОМЕТРЫ

Психрометрический метод является одним из старей­ших и распространенных в 'промышленности, метеороло­гии и научных исследованиях методов измерения влаж­ности воздуха при положительных температурах. Он основан на зависимости между влажностью воздуха и разностью …

Методы измерения влажности

М. А. БЕРЛИНЕР Методы измерения влажности твердых материалов, жидкостей и газов, основанные на преобразовании влаж­ности в другую физическую величину с использованием современной измерительной техники, насчитывают всего несколько десятилетий; некоторые из …

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ

Задачи метрологического обслуживания измерений влажности возникли сравнительно недавно, после того как эти измерения заня­ли место одной из отраслей аналитической техники. Как и в других отраслях измерительной техники, основной метрологической' зада­чей …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.