专利名称：非金属物料含水量检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种非金属物料含水量检测仪，特别是一种能对非金属物料含水量自动进行快速检测的仪器。
目前，对非金属物料含水量能进行自动检测的仪器有两类一类是采用电容传感器的水份测量仪，由于填充在电容两极板之间的被测介质的介电常数随被测介质含水量的变化面变化，通过对电容值的测量，则可以测出相应的被测介质的含水量。但是仅采用电容传感器的水份测量仪只适用于电容板板之间填充的被测介质均匀或被测介质无间隙(或近似无间隙)的情况，当被测介质不均匀或介质有间隙(如较大颗粒状物料)时，则会严重影响测量精度以至于在多数情况下不能进行测量。另一类是采用微波双参量水份测试仪，通过对穿透被测物料微波能量的衰减量及微波相位的变化量的测量，从面计算出被测物料的含水量。该类测量仪虽然能较好地适用于不均匀，有间隙的物料含水量的测量，但由于受微波检测设备自身精度限制，使得该类水份测试仪精度仍不是很高，且微波测试设备价格昂贵，体积大，从而限制了其推广应用。
本实用新型的目的在于提供一种非金属物料含水量检测仪，该种检测仪不仅设置了电容传感器，而且设置了荷重传感器和温度传感器，以达到测试适用范围宽，测量精度高，体积小，测量速度快以及使用方便的目的。
本实用新型的解决方案在于检测仪由电容传感器C，荷重(质量)传感器G，温度传感器F，信号预处理电路，微处理器电路M8及显示电路M9等组成。信号预处理电路则包括振荡电路M1，限幅电路M2，放大电路M3、M4及M6，V/F(电压/频率)转换电路M5，A/D(模/数)转换电路M7等。电容器C通过螺纹固定连接在荷重(质量)传感器G上，并与振荡电路M1输入端连接，用以控制振荡频率。振荡电路M1的频率输出端通过由电阻和二极管网络构成的限幅电路M2与微处理器电路M8的一个计数器输入端T0连接。荷重(质量)传感器G的输出端与专用于仪表前置放大的高输入阻抗的前置放大电路M3的输入端连接，前置放大电路M3的输出端与后级放大电路M4输入端连接，以增加放大量。后级放大电路M4的输出端通过V/F转换电路M5将电路M4的输出信号线性地转变为频率信号，然后与微处理器电路M8的另一个输入端T1连接。温度传感器F负端与负15伏电源连接，其正端与放大电路M6反相输入端连接，并通过电阻R19按地，将电流信号转变为电压信号。放大电路M6的输出端则通过A/D转换电路M7将由温度所确定的模拟电压信号转变为八位数据，然后与微处理电路M8的输入端P0连接，而微处理器电路M8的准双向口作为显示测量结果的数据输出端P1则与显示电路M9连接。
振荡电路M1为矩形波振荡电路，限幅电路M2的高电平限幅在正5伏，低电平限幅在零伏，从而与微处理器电路M8匹配。而V/F转换电路M5采用LM331芯片，A/D转换电路M7采用ADC0804芯片，显示电路M9则由四位柒段发光二极管共限极数码管及驱动电路细成。
本实用新型的优点在于同时设置有电容传感器和荷重(质量)传感器，由此对电容值的单参量测量变成对电容值和荷重(质量)的双参量测量，从而克服了被测物料的不均匀性及被测物料的间隙对测量精度产生的影响，使该检测仪不仅适用于均匀、无间隙物料含水量的检测，而且适用于非均匀，有间隙物料含水量的检测，从而增大了适用范围，提高了测量精度，所设置的温度传感器则可修正水的介电常数，避免了水的介电常数随温度变化而影响测量精度。因而该种检测仪具有测量精度高，测试速度快，且结构简单、价格低廉、体积小、便于携带等优点。
附
图1是本实用新型电路原理框图。
附图2是本实用新型振荡电路M1及限幅电路M2的电路原理图。
附图3是本实用新型前置放大电路M3、后级放大电路M4及V/F转换电路M5的电路原理图。
附图4是本实用新型放大电路M6及A/D转换电路M7的电路原理图。
附图5是本实用新型微处理器电路M8的电路原理图。
附图6是本实用新型显示电路M9的电路原理图。
附图7是本实用新型电容传感器C的原理图。
以下结合附图对本实用新型实施例作进一步详述。
以采用荷重传感器的检测仪为例电容传感器C的两极板的引出线跨接在矩形波振荡电路M1的电容值为100pF的电容C1的两端，同时电容传感器C通过塑料配件与荷重传感器G以螺钉连接。在电路M1中，一方面运放LF356的输出电压经由阻值均为100kΩ的电阻R1，R2分压，使运放LF356的正相输入端电位始终是其辅出电压的一半，另一方面运放LF356的输出电压经阻值为100kΩ的电阻R3向电容C1及与电容C1并联的电容传感器C进行充电，随着充电过程的进行，电容C1和电容传感器C的电位不断升高，当电容C1和电容传感器C的电位大于运放LF356输出电压的一半时，即运放LF356的反相输入端电位大于正相输入端电位时，其输出电压翻转，这时，电容C1和电容传感器C又通过电阻R3放电，电容C1和电容传感器C通过电阻R3的充放电过程重复进行，运放LF356的输出端就产生矩形波电压输出。由于电容C1，电阻R3的大小不变，对于某一具体的电路M1，其运放LF356的反相端输入电阻及输入电容的大小，还有整个电路的寄生电容以及其输出端与后继电路之间的电容值都是确定不变的。则振荡电路M1的输出频率由电容传感器C的电容值唯一确定。反之，测量出振荡电路M1的输出频率也就知道了电容传感器C的电容值。由于振荡电路M1的运放LF356的输出电压峰一峰值大约是±11v左右，不能直接与微处理器Intel(英特尔)8751接口，所以设置了限幅电路M2，在限幅电路M2中，振荡电路M1送来的信号经过阻值为6kΩ的电阻R4，阻值为3kΩ的电阻R6的分压作用，将其峰一峰值限幅在±5V左右，又因为二极管Dl将低电平
位在0V左右。这样，振荡电路M1的输出信号经过限幅电路M2的作用，把信号电平限幅在+5V～OV左右，然后送到微处理器电路M8中的微处理器Intel8751的P3·4脚上，即微处理器Intel8751的计数器T0输入端，用于对振荡电路M1输出的频率信号进行计数测量。荷重传感器G采用CZLYB—7型，其输出信号送到一个高输入阻抗的弱信号前置放大电路M3的输入端上，在放大电路M3中，因为运放LM741正反相输入端所接电阻的阻值都是l0kΩ，所以运放LM741的放大倍数等于1，这样，整个放大电路M3的差动增益
。为了提高共模抑制比，克服电阻存在的误差，所以在阻值为9·1kΩ的电阻R13上串联一个阻值为2kΩ的可变电阻R14。由于荷重传感器G的输出信号很微弱，经过前置放大电路M3的放大后还不能满足要求，需要经过后级放大电路M4的再次放大。后级放大电路M4是由运放LF356构成的基本放大电路，其放大电路的增益
，电阻R17的阻值为50kΩ，电阻R23的阻值为1kΩ。放大电路M4的输出接在V/F(电压/频率)转换电路M5的输入端。V/F转换电路M5以专用芯片LM331及相应外围元件构成。在电压/频率转换电路M5中，输入端阻值为100kΩ的电阻R29和电容值为0.1μF的电容C3起低通滤波作用，在阻值为12kΩ的电阻R30后串联的阻值为5kΩ的可变电阻R31用来对芯片LM331正常工作时所要求的基准电流进行调节，以校正输出频率，在输出端接的阻值为10kΩ的电阻R36是一个上拉电阻，因为该输出端是集电极开路输出。芯片LM331的其它外接阻容元件是按芯片LM331的内部电路及使用要求外接的。电压/频率转换电路M5的输出直接与微处理器电路M8中的微处理器Intel8751的P3.5脚，即微处理器Intel 8751的计数器T1输入端相联，通过对微处理器Intel8751的计数器T1输入的频率信号进行计数测量，即可知道荷重传感器G上所承受的重力大小。由于水的介电常数受温度的影响比较大，所以还设置了由温度传感器F，电阻R19、放大电路M6、模/数(A/D)转换电路M7组成的测温电路。温度传感器F采用电流型温度传感器AD590，其负端接-15V电源，正端通过阻值为1kΩ的电阻R19接地，同时接入可近似视为开路状态的高输入阻抗放大电路M6的输入端。电阻R19的作用是把电流信号转变为电压信号，当环境温度改变1℃时，温度传感器F的输出电流就会变化1μA ，这样在电阻R19上就可以得到1mV的电压变化量。作为放大电路M6的输入信号。放大电路M6是以运放F356构成的基本反相放大器，阻值为20kΩ的电阻R22及阻值为10kΩ的可变电阻P3起分压作用，以调节运放LF356的正相输入端电位，使运放LF356的输出端在0℃时为0V。放大电路M6的输出接在模/数转换电路M7的模拟量输入端。模/数转换电路M7由专用芯片ADC0804构成，阻值为10kΩ的电阻R37和电容值为150pf的电容C6用于产生模/数转换所要求的时钟。由于芯片ADC0804具有三态输出锁存器，可直接驱动数据总线，故与微处理器电路M8的接口采用数据线与数据线相接，读写线及中断口分别与微处理器Intel8751的读写线及中断口1NTO相接；片选信号线cs与微处理器Intel8751的P2·7脚相接。在电路M8中，阻值为200kΩ的电阻R26，电容值为22μf的电容C2，二极管D2及非门74LS04构成微处理器Intel8751的上电复位电路。按钮K1用于在电容传感器C未装入被测物料时启动运行初始化程序，测量初始化各参量。按钮K2用于在电容传感器C装入被测物料后启动测量计算及显示程序的运行，并可立即从显示电路M9的显示器件上得知被测物料的准确含水量的百分比。微处理器Intel8751的P1口的低4位数据线与显示电路M9中的驱动集成块MCS14495相连作为显示数据输出线，P1口的高4位数据线与显示电路M9中的3-8译码器74LS138相连作为显示数据的位选信号线。在显示电路M9中，显示器件采用4位共阴发光二极管显示器，与发光二极管显示器相连的是与之配套的驱动集成块MCS14495，驱动集成块MCS14495的数据输入端与电路M8中的微处理器Intel8751的P1口的低4位相连，而其信号选通及锁存端与3-8译码器74LS138的输出相连，第二位发光二极管显示器的显示小数点的DP端也通过一个1kΩ电阻R50与3-8译码器74LS138的一个输出端相连，3-8译码器74LS138的输入端与电路M8中的微处理器Intel8751的P1口的高4位相连。
对于电容传感器C，设极板高度为h，宽度为l，极板间距为d。当电容传感器C装入被测物料4后，其极板之间的空间可等效地视为由干燥无水的物料1(其高度为h1)、物料内所含水份构成的水2(其高度为h2)、物料之间的空隙及物料未填充部份构成的空隙空间3(其高度为h3)等三部份组成。水的相对介电常数为ε水，干燥无水物料的相对介电常数为εr，真空中的介电常数为εo，则在装入被测物料前与装入被测物料后，电容传感器C的电容值改变量ΔC为
被测物料干燥无水时的比重为gr，水的比重为g水，则在装入被测物料前与装入被测物料后，荷重传感器G上所受重力的变化量ΔG为ΔG＝gr·h1·d·l+g水·h2·d·l于是得出二元一次联立方程组
因为电容传感器C的极板间距d，宽度l，介电常数εr，ε水，εo，比重gr，g水等参数都是已知常量，并预先固化在计算程序里，而电容传感器C的电容改变量ΔC，荷重传感器G所受重力的改变量ΔG可通过测量得知，所以从上述的二元一次联立方程组中可解出参数h2的确切大小。在知道水2的高度h2后，被测物料的含水量则为
由上述方式得到的结果为被测物料所含水份的重量百分比。同样，如果把荷重传感器G改为质量传感器M，二元一次联立方程中干燥无水物料及水的比重gr，g水改为干燥元水物料及水的密度mr，m水，那么在装入物料前与装入被测物料后，质量传感器M上所测到的改变量ΔM即是被测物料的总质量，被测物料所含水份的质量百分比是
×100％这样就可得到被测物料所含水份的质量百分比。
由此在电容传感器C下增加了一个荷重(质量)传感器G，从面使被测物料含水量的测量精度将不受被测物料的均匀性及是否有间隙的影响。所有测量计算及结果显示均是由固化在微处理器Intel8751内的程序控制自动进行，因而测量精度高，速度快，使用十分方便。
权利要求1.一种非金属物料含水量检测仪，包括电容传感器C、温度传感器F、信号预处理电路、微处理器电路M8及显示电路M9等，其特征在于还设置有荷重(质量)传感器G，而信号预处理电路包括振荡电路M1，限幅电路M2，放大电路M3、M4及M6、V/F(电压/频率)转换电路M5、A/D(模/数)转换电路M7等，且电容器C通过螺纹固接在荷重(质量)传感器G上，并与振荡电路M1输入端连接，振荡电路M1的频率输出端通过由电阻和二极管网络构成的限幅电路M2与微处理器电路M8的一个计数器输入端T0连接；荷重(质量)传感器G的输出端与前置放大电路M3的输入端连接，前置放大电路M3的输出端与后级放大电路M4的输入端连接，后级放大电路M4的的输出端通过V/F转换电路M5与微处理器电路M8的另一个计数器输入端T1连接，温度传感器F的负端与负15伏电源连接，其正端与放大电路M6反相输入端连接，并通过电阻R19接地，将电流信号转变为电压信号，放大电路M6输出端通过A/D转换电路M7与微处理器电路M8的输入端P0连接，而微处理器电路M8的准双向口作为显示测量结果的数据输出口P1则与显示电路M9连接。
2.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于所述的振荡电路M1为矩形波振荡电路。
3.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于所述的限幅电路M2的高电平限幅在正5伏，低电平限幅在零伏。
4.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于所述的V/F转换电路M5采用LM331芯片，所述的A/D转换电路M7采用ADC0804芯片。
5.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于所述的显示电路M9由四位柒段发光二极管共阴极数码管和驱动电路组成。
专利摘要本实用新型提供了一种非金属物料含水量检测仪,包括电容传感器C、荷重(质量)传感器G、温度传感器F、信号预处理电路、微处理器电路M
文档编号G01N27/22GK2277523SQ9623287
公开日1998年4月1日 申请日期1996年3月22日 优先权日1996年3月22日
发明者钟均亮 申请人:钟均亮