專利名稱：物料水份測(cè)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種檢測(cè)物料中所含水份量的測(cè)量儀表，屬于非電量電測(cè)儀器范疇，特別適用于糧食收購時(shí)對(duì)散裝、筐裝、袋裝糧食的含水率作現(xiàn)場、實(shí)時(shí)、無損檢測(cè)，也可用于對(duì)面粉、奶粉或者煤粉、礦粉等細(xì)粒度物料的含水率作現(xiàn)場、實(shí)時(shí)檢測(cè)。
現(xiàn)有糧食水份的檢測(cè)，多是據(jù)檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)咬碎糧食，憑“脆”感作定性評(píng)價(jià)的；或是用稱重-烘干-再稱重的方法來定量檢定物料的含水率，前者存在人為因素的粗大誤差，后者存在速度慢、效率低的問題。用微波法測(cè)量，雖然線性好，但造價(jià)高。電容振蕩法、粉碎測(cè)電阻法檢測(cè)水份則存在著線性差、穩(wěn)定性不好、實(shí)時(shí)性差等問題。
本實(shí)用新型的任務(wù)是基于“虛部法電容測(cè)量電路”設(shè)計(jì)一種能對(duì)散裝、筐裝、袋裝的糧食或其它細(xì)粒度物料含水率進(jìn)行現(xiàn)場、實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、無損檢測(cè)的物料水份測(cè)量儀。
本實(shí)用新型是以如下方式實(shí)現(xiàn)的。
其工作原理是，基于水具有比糧食、面粉、礦物粉料有更高的介電系數(shù)，而電極之間的電容量與電極之間的介質(zhì)的介電系數(shù)成正比，當(dāng)糧食等物料填充于電極間時(shí)，含水率高的糧食等物料比含水率低的糧食等物料具有更高的介電系數(shù)，從而使電極間的電容量在填充含水率高的糧食等物料時(shí)，比填充含水率低的糧食等物料有更大的電容量，通過一種輸出電壓與電容量成正比的測(cè)量電路，將糧食等物料的含水率導(dǎo)至的電極間電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓，再用數(shù)字電壓表測(cè)量該電壓，通過校準(zhǔn)標(biāo)定，則可測(cè)定糧食等物料的含水率。
本實(shí)用新型由探頭、變換器和測(cè)量-顯示器組成。探頭是能受感物料含水率不同而致電容CX線性變化的電容性器件；變換器是一種其輸出電壓UO正比于輸入電壓UI、角頻率ω、和被測(cè)電容CX的、關(guān)系式為UO＝j(luò)ω·RF·CX·UI的“虛部法電容測(cè)量電路”；測(cè)量-顯示器則是能向電路提供各級(jí)工作電源、向變換器提供頻率穩(wěn)定的輸入電壓信號(hào)UI的含有濾波、檢波、調(diào)節(jié)放大器等環(huán)節(jié)的，能測(cè)量顯示被測(cè)量值的電路。探頭、變換器、測(cè)量-顯示器用導(dǎo)線或電纜和接線端子，實(shí)現(xiàn)它們間相應(yīng)的電連接。
以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型的探頭含有由帶圓柱和錐頭的芯桿1、呈臺(tái)肩圓筒形的測(cè)量極2和手柄極3構(gòu)成的探針部和手柄4。芯桿、測(cè)量極和手柄極同軸線依次疊套，用高強(qiáng)度絕緣膠充填，絕緣地膠接成一體，并保持測(cè)量極2的大端端面與芯桿1的錐頭圓柱部端面間，以及手柄極小端端面與測(cè)量極臺(tái)肩端面間有5-10mm的間距。而另一端則依次保持芯桿比測(cè)量極，測(cè)量極比手柄極沿軸向伸出3-5mm作為電接點(diǎn)以便焊接導(dǎo)線，手柄極3與手柄4聯(lián)接。變換器電路5設(shè)置在手柄4內(nèi)部的空腔中。探針各電極的電接點(diǎn)經(jīng)導(dǎo)線與變換器相應(yīng)連接，其中芯桿1、手柄極3的電接點(diǎn)A1，A3均接地成為電容CX的一電位極。測(cè)量極2作為被檢測(cè)電容CX的另一極經(jīng)電接點(diǎn)A2接至變換器相應(yīng)的電連接處。芯桿錐端圓柱面、測(cè)量極大端圓柱面和手柄極小端圓柱面的直經(jīng)相同，為6-10mm，測(cè)量極大端圓柱面長度為40-150mm，芯桿錐端圓柱面長度和手柄極小端圓柱面長度為測(cè)量極大端圓柱面長度的3/5-2/3。整個(gè)探針外部涂敷高強(qiáng)度耐磨材料(參見附

圖1)。
圖2示出了變換器電路結(jié)構(gòu)，變換器5含有運(yùn)放NOA-NOD、電阻器RF、RO、RO1-RO4、電容器CO2和電容CI。是一種輸出電壓UO正比于輸入電壓UI、角頻率ω、反饋電阻RF和電容CI與被測(cè)電容CX之串聯(lián)值的“虛部法電容測(cè)量電路”。其中，NOA的正輸入端INP接來自測(cè)量-顯示器的激勵(lì)交流信號(hào)UI，其負(fù)輸入端接其輸出端作成跟隨器，其輸出接運(yùn)放NOB的正輸入端，NOB負(fù)輸入端通過反饋電阻RF接輸出端，NOB的負(fù)輸入端還接電容器CI，電容CI的另一端經(jīng)端子A2用硬導(dǎo)線就近接探針的測(cè)量極2；NOC的正輸入端接NOA的輸出端，NOC的負(fù)輸入端經(jīng)電阻RO接其輸出端作成“相移補(bǔ)償跟隨器”；NOC的輸出端經(jīng)電阻RO1接NOD的負(fù)輸入端，NOD的負(fù)輸入端還經(jīng)電阻RO2接其輸出端；NOB的輸出端經(jīng)電阻RO3接NOD的正輸入端，NOD的正輸入端接電阻RO4，RO4的另一端接電容CO2，CO2的另一端接地；NOD的輸出端輸出本變換器的變換信號(hào)到測(cè)量-顯示器。電路的地線(GND)用硬導(dǎo)線就近接探針的芯桿1、探針手柄極3的電接點(diǎn)A1、A3，測(cè)量極2的電接點(diǎn)A2與電容CI一極連接。
并有RO＝RF，以便達(dá)到NOB和NOC這兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的放大器有基本相同的相移。為了使NOD成為一個(gè)對(duì)NOC和NOB的輸出信號(hào)的減法器電路，而使RO1＝RO2、RO3＝RO4，并盡量使RO1＝RO2＝RO3＝RO4。
這樣，本電路以如下的原理工作NOA的輸出等于NOA的輸入U(xiǎn)I。
減法器電路的輸出UO，正是NOB的輸出UB與NOC的輸出UC的差UO=UB×RO4RO3+RO4×(1+RO2RO1)-UC×RO2RO1]]>=UB×12×(1+1)-UC×11]]>＝UB-UC當(dāng)NOB對(duì)地?zé)o被測(cè)電容時(shí)，亦即等同于NOB的負(fù)輸入端無電容時(shí)，則NOB與NOC的輸出信號(hào)是同相、同幅的，即UB＝UC。減法器NOD的輸出為UO＝0。
而當(dāng)NOB的負(fù)輸入端有對(duì)地的被測(cè)電容CX(設(shè)CI相對(duì)于CX為很大的數(shù)值，于是有CI串聯(lián)CX的值近似于CX)時(shí)，其輸出為UB=UI(1+RF1/jωCX)=UI(1+jω•RF•CX)]]>而NOC的輸出則是UC＝UI因此，減法器電路NOD的輸出是UO＝UB-UC＝j(luò)ω·RF·CX·UI從而決定了本變換電路的輸出函數(shù)是正比于輸入電壓UI、角頻率ω、反饋電阻RF和電容CI與被測(cè)電容CX之串聯(lián)值的線性函數(shù)。電路以可靠措施確保ω、RF不變，則測(cè)量輸出僅與UI、CX有關(guān)。
測(cè)量-顯示器的電路含有激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器11，抗干擾濾波器12，檢波器13，減法調(diào)節(jié)放大器14、數(shù)字電壓表15、電源分配器16及電池17。如圖3。
激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器11輸出頻率、幅度穩(wěn)定的正弦波經(jīng)端子B1輸出再經(jīng)電纜接到安裝在探針手柄4中的變換器5的端子INP，抗干擾濾波器12的輸入經(jīng)電纜接自變換器5的輸出OUT，經(jīng)濾波器12濾除干擾后，送到絕對(duì)平均值檢波器13，檢波輸出的直流信號(hào)送到減法調(diào)節(jié)放大器14，減法調(diào)節(jié)放大器14減去探針位于空氣中時(shí)的初始電容對(duì)應(yīng)的電平值，并將放大調(diào)節(jié)后的信號(hào)輸出到數(shù)字電壓表15，顯示被測(cè)物料的含水率。電池17提供的單電源，經(jīng)電源分配器16產(chǎn)生VDD、VREF、VCC、GND提供所需電路使用，VCC等于電池電壓VDD的40％-60％，相對(duì)于VCC高出電池電壓的1/8-1/10的VREF供數(shù)字電壓表作標(biāo)準(zhǔn)電壓。
設(shè)計(jì)中允許探針的測(cè)量極對(duì)地有初始電容(探針位于全干的物料中的電容加探針的固有電容)，用減法調(diào)節(jié)放大器14對(duì)檢波后的絕對(duì)平均值減去這一電容對(duì)應(yīng)的值，使數(shù)字電壓表顯示為O；則在探極插入物料后，因含水率增加而使電容增值時(shí)，減法器輸出的電壓將以一定的線性正比于含水率而增加，從而實(shí)現(xiàn)含水率的線性測(cè)量。
因此，本水分測(cè)量儀有，當(dāng)物料含水率的增量線性地引起測(cè)量極對(duì)接地極的電容增量時(shí)，放大器15的輸出電壓增量線性地正比于電容的增量，從而線性地正比于物料的含水量。
本測(cè)量顯示器的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器11由用VDD到GND供電的CMOS電路和晶體組成振蕩器-分頻器產(chǎn)生一個(gè)輸出的峰峰值十分接近電源VDD到GND的穩(wěn)頻對(duì)稱方波，頻率為f0，然后由一個(gè)固定增益的、放大倍數(shù)約為1/20-1/10的、其轉(zhuǎn)折頻率為(1.5-2)f0的、保證輸出的基準(zhǔn)電平為CMOS振蕩器輸出波形之平均電平的“激勵(lì)信號(hào)低通濾波器”，轉(zhuǎn)換為一個(gè)正弦波。
圖4是一實(shí)施例的電路，用D1(CD4060)和32768Hz的晶體Z1等器件產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的振蕩，由D1分頻，由其Q4輸出f0＝2048Hz對(duì)稱方波，D1用VDD到GND供電，盡量減輕分頻輸出端Q4的負(fù)載，其輸出幅度十分接近于VDD到GND。由R3-R7、R7’、C4-C7、運(yùn)放N2C組成所述“激勵(lì)信號(hào)低通濾波器”，由R3與R6交流并聯(lián)組成3階低通濾波電路的第一個(gè)電阻，并與R4-R7、R7’，電容器C4-C6，運(yùn)放N2C組成所述要求的激勵(lì)信號(hào)低通濾波器。由于R6、R7經(jīng)C7交流接GND，不影響N2C輸出的基準(zhǔn)電平等于Q4輸出的平均電平，利于變換器有最大的動(dòng)態(tài)范圍。
圖4的N2A、N2B與電阻R14、R16、R18、C17組成VCC及數(shù)字電壓表標(biāo)準(zhǔn)電壓VREF的電源分配器16，其輸出電壓VCC，作為后述電路的基準(zhǔn)電平，VREF作為數(shù)字電壓表的基準(zhǔn)。
N1A、R21-R23、電容C21、C22、組成抗干擾濾波器12，以剔除變換器接收的干擾，主要是工頻干擾和電磁波干擾。N1A的正輸入端接VCC，目的是使其濾波輸出嚴(yán)格地以VCC為基準(zhǔn)。
N1B、N1C、電阻R9-R11、二極管V1、V2組成負(fù)輸出絕對(duì)平均值檢波器13，以VCC為基準(zhǔn)，將變換器的、經(jīng)抗干擾濾波器12濾波輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為以VCC作基準(zhǔn)的負(fù)直流(脈動(dòng))電壓信號(hào)。
N1D、R12、R13、R17及RP1、RP2組成減法調(diào)節(jié)放大器14，是一個(gè)并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器，旨在通過調(diào)節(jié)RP2，實(shí)現(xiàn)將變換器的探針位于全干物料中時(shí)，因探針具有初始電容等因素影響面產(chǎn)生的檢波負(fù)電壓，通過減法運(yùn)算到N1D輸出為零，作為含水率為零的調(diào)整；而當(dāng)探針插入含水率為X的物料，變換器的輸出增大時(shí)，通過調(diào)節(jié)RP1改變反相放大倍數(shù)，使N1D輸出的一個(gè)電壓，在數(shù)字電壓表N3上有對(duì)應(yīng)于X的顯示。如X＝20％，則調(diào)節(jié)RP1使N1D輸出0.2V，而數(shù)字電壓表的小數(shù)點(diǎn)設(shè)在千位，顯示為0.200(V)，則表示20％的含水率。
N1D的輸出是相對(duì)于VCC的，數(shù)字電壓表N3的IN+接N1D的輸出，數(shù)字電壓表的IN-接VCC。同時(shí)用經(jīng)N2B輸出的、由電池電源分壓而得的電壓聯(lián)接到REF+，作為數(shù)字電壓表的標(biāo)準(zhǔn)電壓VREF。當(dāng)電池電壓下降Y％時(shí)，振蕩器、變換器的輸出及數(shù)字電壓表的標(biāo)準(zhǔn)電壓都相繼下降Y％，因而測(cè)量的零點(diǎn)及對(duì)于同一含水率的物料測(cè)出的含水率顯示值有不因電池電壓下降而變的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種物料水份測(cè)量儀，由探頭、變換器和測(cè)量-顯示器組成，其特征在于探頭是能受感物料含水率不同而致電容CX線性變化的器件；變換器是一種其輸出電壓UO正比于輸入電壓UI、角頻率ω和被測(cè)電容CX，存在關(guān)系式UO＝j(luò)ω，RF，CX，UI的“虛部法電容測(cè)量電路”；測(cè)量-顯示器則是能向電路提供各級(jí)電源、向變換器提供頻率穩(wěn)定的輸入電壓信號(hào)UI的，含有濾波、檢波、調(diào)節(jié)放大器諸環(huán)節(jié)、能測(cè)量、處理、顯示被測(cè)量值的電路；探頭、變換器、測(cè)量-顯示器用導(dǎo)線或電纜和接線端子實(shí)現(xiàn)它們間相應(yīng)的電聯(lián)接。
2.按權(quán)利要求1所述的物料水份測(cè)量儀，其特征是探頭含有由帶園柱和錐頭的芯桿(1)，呈臺(tái)肩圓筒形的測(cè)量極(2)和手柄極(3)構(gòu)成的探針部，和手柄(4)；芯桿、測(cè)量極和手柄極同軸線依次疊套，用高強(qiáng)度絕緣膠充填絕緣膠接成一體，并保持測(cè)量極(2)的大端端面與芯桿(1)的錐頭圓柱部端面間，以及手柄極小端端面與測(cè)量極臺(tái)肩端面間有5-10mm的間距，而另一端則依次保持芯桿比測(cè)量極，測(cè)量極比手柄極沿軸向伸出3-5mm；手柄極(3)與手柄(4)聯(lián)結(jié)；變換器電路(5)設(shè)置在手柄(4)內(nèi)部的空腔中，探針各電極的電接點(diǎn)經(jīng)導(dǎo)線與變換器相應(yīng)聯(lián)接，其中芯桿(1)經(jīng)接頭A1、手柄極(3)經(jīng)接頭A3接地成為電容CX的地電位極，測(cè)量極(2)作為被檢測(cè)電容CX的另一極經(jīng)電接點(diǎn)A2接至變換器相應(yīng)的電聯(lián)接點(diǎn)處
3.按權(quán)利要求2所述的物料水份測(cè)量儀，其特征是芯桿錐頭圓柱面、測(cè)量極大端圓柱面和手柄極小端圓柱面的直經(jīng)相等為6-10mm，測(cè)量極大端圓柱面長度為40-150mm，芯桿錐頭圓柱面長度和手柄極小端圓柱面的長度為測(cè)量極大端圓柱面長度的3/5-2/3，探針表面涂敷高強(qiáng)度耐磨絕緣材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的物料水份測(cè)量儀，其特征在于變換器電路(5)，含有運(yùn)放NOA-NOD、電阻器RF、RO、RO1-RO4、電容器CO2和電容CI，NOA的正輸入端INP接來自測(cè)量-顯示器的激勵(lì)交流信號(hào)UI，其負(fù)輸入端接其輸出端作成跟隨器，其輸出接運(yùn)放NOB的正輸入端，NOB負(fù)輸入端通過反饋電阻RF接輸出端，NOB的負(fù)輸入端還接電容器CI，電容CI的另一端經(jīng)端子A2用硬導(dǎo)線就近接探針的測(cè)量極(2)；NOC的正輸入端接NOA的輸出端，NOC的負(fù)輸入端經(jīng)電阻RO接其輸出端作成“相移補(bǔ)償跟隨器”；NOC的輸出端經(jīng)電阻RO1接NOD的負(fù)輸入端，NOD的負(fù)輸入端還經(jīng)電阻RO2接其輸出端；NOB的輸出端經(jīng)電阻RO3接NOD的正輸入端，NOD的正輸入端接電阻RO4，RO4的另一端接電容CO2，CO2的另一端接地；NOD的輸出端輸出本變換器的變換信號(hào)到測(cè)量-顯示器；電路的地線用硬導(dǎo)線就近接探針的芯桿(1)和手柄極(3)。
5.按權(quán)利要求4所述的物料水份測(cè)量儀，其特征在于測(cè)量-顯示器的電路含有激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器(11)，抗干擾濾波器(12)，檢波器(13)，減法調(diào)節(jié)放大器(14)、數(shù)字電壓表(15)、電源分配器(16)及電池(17)；激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器(11)輸出頻率、幅度穩(wěn)定的正弦波經(jīng)端子B1(1)輸出再經(jīng)電纜接到安裝在探頭手柄(4)中的變換器(5)的端子INP，抗干擾濾波器(12)的輸入B2經(jīng)電纜接自變換器(5)的輸出OUT，經(jīng)濾波器(12)濾除干擾后，送到絕對(duì)平均值檢波器(13)，檢波輸出的直流信號(hào)送到減法調(diào)節(jié)放大器(14)，減去探針位于空氣中時(shí)的初始電容對(duì)應(yīng)的電平值，并將放大調(diào)節(jié)后的信號(hào)輸出到數(shù)字電壓表(15)，電池(17)提供的單電源，經(jīng)電源分配器(16)產(chǎn)生VDD、VRE、VCC、GND供各電路使用，VCC等于電池電壓VDD的40％-60％，相對(duì)于VCC高出的電壓為電池電壓1/8-1/10的VREF供數(shù)字電壓表作標(biāo)準(zhǔn)電壓。
6.按權(quán)利要求5所述的物料水份測(cè)量儀，其特征在于其測(cè)量-顯示器的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器(11)含有一個(gè)用VDD到GND供電的、能輸出穩(wěn)定頻率為f0的對(duì)稱方波、且峰峰值十分接近于電源VDD到GND的、由CMOS電路和晶體組成的振蕩器-分頻器，和一個(gè)固定增益的、放大倍數(shù)為1/20-1/10的、其轉(zhuǎn)折頻率為(1.5-2)f0的、保證輸出的基準(zhǔn)電平為CMOS振蕩器輸出波形之平均電平的低通濾波器。
7.按照權(quán)利要求5或6所述的物料水分測(cè)量儀，其特征是用D1(CD4066)、晶體Z1、和電阻R3-R7、R7’、電容器C4-C7、運(yùn)放N2C分別組成組成激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器(11)的振蕩-分頻器和激勵(lì)信號(hào)低通濾波器，振蕩器-分頻器由D1分頻，用電源電壓VDD到GND供電，其Q4輸出頻率f0的對(duì)稱方波，經(jīng)由上述器件組成的三階低通濾波器電路轉(zhuǎn)換為正弦波，由N2C輸出至變換器(5)的端子INP；由運(yùn)放N2A、N2B、電阻R14、R16、R18電容C17組成電源分配器(16)，由運(yùn)放N2A、N2B分別輸出供后述電路使用的基準(zhǔn)電平VCC和供作數(shù)字電壓表(15)使用的標(biāo)準(zhǔn)電壓VREF；由運(yùn)放N1A、R21-R23、電容C21、C22組成抗干擾濾波器(12)，其N1A的正輸入端接VCC；由N1B、N1C、電阻R9-R11、二極管V1、V2組成負(fù)輸出絕對(duì)平均值檢波器(13)，將變換器(5)的、經(jīng)抗干擾濾波器(12)濾波輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為以VCC為基準(zhǔn)的負(fù)直流脈動(dòng)電壓信號(hào)輸出至調(diào)節(jié)放大器(14)；由運(yùn)放N1D、電阻R12、R13、R17、RP1、RP2聯(lián)接成一個(gè)并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器組成減法調(diào)節(jié)放大器(14)，運(yùn)放N1D有初始電壓輸出為零和對(duì)應(yīng)于物料含水率的電壓值輸出，其輸出接至數(shù)字電壓表(15)的IN+，數(shù)字電壓表IN-接VCC，REF+接電源分配器中N2B輸出的VREF。
專利摘要物料水份測(cè)量儀由探頭、變換器和測(cè)量－顯示器組成。探頭是能感受物料因含水率不同而致電容CX變化的器件；變換器是一種其輸出電壓UO正比于輸入電壓UI角頻率ω和被測(cè)電容CX的虛部法電容測(cè)量電路；測(cè)量－顯示器是能提供各級(jí)穩(wěn)壓電源，包括向變換器提供頻率穩(wěn)定的輸入電壓信號(hào)UI的，能測(cè)量顯示被測(cè)量值的電路。用于對(duì)散裝、袋裝、筐裝的糧食或其他細(xì)物料所含的水份作現(xiàn)場實(shí)時(shí)、快速準(zhǔn)確的無損檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/22GK2355327SQ98231579
公開日1999年12月22日 申請(qǐng)日期1998年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月28日
發(fā)明者唐德堯, 彭湘暉, 段中海 申請(qǐng)人:彭湘暉, 唐德堯, 段中海