专利名称：物料水份测量仪的制作方法
技术领域：
一种检测物料中所含水份量的测量仪表，属于非电量电测仪器范畴，特别适用于粮食收购时对散装、筐装、袋装粮食的含水率作现场、实时、无损检测，也可用于对面粉、奶粉或者煤粉、矿粉等细粒度物料的含水率作现场、实时检测。
现有粮食水份的检测，多是据检测者的经验咬碎粮食，凭“脆”感作定性评价的；或是用称重-烘干-再称重的方法来定量检定物料的含水率，前者存在人为因素的粗大误差，后者存在速度慢、效率低的问题。用微波法测量，虽然线性好，但造价高。电容振荡法、粉碎测电阻法检测水份则存在着线性差、稳定性不好、实时性差等问题。
本实用新型的任务是基于“虚部法电容测量电路”设计一种能对散装、筐装、袋装的粮食或其它细粒度物料含水率进行现场、实时、快速、准确、无损检测的物料水份测量仪。
本实用新型是以如下方式实现的。
其工作原理是，基于水具有比粮食、面粉、矿物粉料有更高的介电系数，而电极之间的电容量与电极之间的介质的介电系数成正比，当粮食等物料填充于电极间时，含水率高的粮食等物料比含水率低的粮食等物料具有更高的介电系数，从而使电极间的电容量在填充含水率高的粮食等物料时，比填充含水率低的粮食等物料有更大的电容量，通过一种输出电压与电容量成正比的测量电路，将粮食等物料的含水率导至的电极间电容量的变化转换为电压，再用数字电压表测量该电压，通过校准标定，则可测定粮食等物料的含水率。
本实用新型由探头、变换器和测量-显示器组成。探头是能受感物料含水率不同而致电容CX线性变化的电容性器件；变换器是一种其输出电压UO正比于输入电压UI、角频率ω、和被测电容CX的、关系式为UO＝jω·RF·CX·UI的“虚部法电容测量电路”；测量-显示器则是能向电路提供各级工作电源、向变换器提供频率稳定的输入电压信号UI的含有滤波、检波、调节放大器等环节的，能测量显示被测量值的电路。探头、变换器、测量-显示器用导线或电缆和接线端子，实现它们间相应的电连接。
以下结合附图作进一步详细说明本实用新型的探头含有由带圆柱和锥头的芯杆1、呈台肩圆筒形的测量极2和手柄极3构成的探针部和手柄4。芯杆、测量极和手柄极同轴线依次叠套，用高强度绝缘胶充填，绝缘地胶接成一体，并保持测量极2的大端端面与芯杆1的锥头圆柱部端面间，以及手柄极小端端面与测量极台肩端面间有5-10mm的间距。而另一端则依次保持芯杆比测量极，测量极比手柄极沿轴向伸出3-5mm作为电接点以便焊接导线，手柄极3与手柄4联接。变换器电路5设置在手柄4内部的空腔中。探针各电极的电接点经导线与变换器相应连接，其中芯杆1、手柄极3的电接点A1，A3均接地成为电容CX的一电位极。测量极2作为被检测电容CX的另一极经电接点A2接至变换器相应的电连接处。芯杆锥端圆柱面、测量极大端圆柱面和手柄极小端圆柱面的直经相同，为6-10mm，测量极大端圆柱面长度为40-150mm，芯杆锥端圆柱面长度和手柄极小端圆柱面长度为测量极大端圆柱面长度的3/5-2/3。整个探针外部涂敷高强度耐磨材料(参见附
图1)。
图2示出了变换器电路结构，变换器5含有运放NOA-NOD、电阻器RF、RO、RO1-RO4、电容器CO2和电容CI。是一种输出电压UO正比于输入电压UI、角频率ω、反馈电阻RF和电容CI与被测电容CX之串联值的“虚部法电容测量电路”。其中，NOA的正输入端INP接来自测量-显示器的激励交流信号UI，其负输入端接其输出端作成跟随器，其输出接运放NOB的正输入端，NOB负输入端通过反馈电阻RF接输出端，NOB的负输入端还接电容器CI，电容CI的另一端经端子A2用硬导线就近接探针的测量极2；NOC的正输入端接NOA的输出端，NOC的负输入端经电阻RO接其输出端作成“相移补偿跟随器”；NOC的输出端经电阻RO1接NOD的负输入端，NOD的负输入端还经电阻RO2接其输出端；NOB的输出端经电阻RO3接NOD的正输入端，NOD的正输入端接电阻RO4，RO4的另一端接电容CO2，CO2的另一端接地；NOD的输出端输出本变换器的变换信号到测量-显示器。电路的地线(GND)用硬导线就近接探针的芯杆1、探针手柄极3的电接点A1、A3，测量极2的电接点A2与电容CI一极连接。
并有RO＝RF，以便达到NOB和NOC这两个运放构成的放大器有基本相同的相移。为了使NOD成为一个对NOC和NOB的输出信号的减法器电路，而使RO1＝RO2、RO3＝RO4，并尽量使RO1＝RO2＝RO3＝RO4。
这样，本电路以如下的原理工作NOA的输出等于NOA的输入UI。
减法器电路的输出UO，正是NOB的输出UB与NOC的输出UC的差UO=UB×RO4RO3+RO4×(1+RO2RO1)-UC×RO2RO1]]>=UB×12×(1+1)-UC×11]]>＝UB-UC当NOB对地无被测电容时，亦即等同于NOB的负输入端无电容时，则NOB与NOC的输出信号是同相、同幅的，即UB＝UC。减法器NOD的输出为UO＝0。
而当NOB的负输入端有对地的被测电容CX(设CI相对于CX为很大的数值，于是有CI串联CX的值近似于CX)时，其输出为UB=UI(1+RF1/jωCX)=UI(1+jω•RF•CX)]]>而NOC的输出则是UC＝UI因此，减法器电路NOD的输出是UO＝UB-UC＝jω·RF·CX·UI从而决定了本变换电路的输出函数是正比于输入电压UI、角频率ω、反馈电阻RF和电容CI与被测电容CX之串联值的线性函数。电路以可靠措施确保ω、RF不变，则测量输出仅与UI、CX有关。
测量-显示器的电路含有激励信号发生器11，抗干扰滤波器12，检波器13，减法调节放大器14、数字电压表15、电源分配器16及电池17。如图3。
激励信号发生器11输出频率、幅度稳定的正弦波经端子B1输出再经电缆接到安装在探针手柄4中的变换器5的端子INP，抗干扰滤波器12的输入经电缆接自变换器5的输出OUT，经滤波器12滤除干扰后，送到绝对平均值检波器13，检波输出的直流信号送到减法调节放大器14，减法调节放大器14减去探针位于空气中时的初始电容对应的电平值，并将放大调节后的信号输出到数字电压表15，显示被测物料的含水率。电池17提供的单电源，经电源分配器16产生VDD、VREF、VCC、GND提供所需电路使用，VCC等于电池电压VDD的40％-60％，相对于VCC高出电池电压的1/8-1/10的VREF供数字电压表作标准电压。
设计中允许探针的测量极对地有初始电容(探针位于全干的物料中的电容加探针的固有电容)，用减法调节放大器14对检波后的绝对平均值减去这一电容对应的值，使数字电压表显示为O；则在探极插入物料后，因含水率增加而使电容增值时，减法器输出的电压将以一定的线性正比于含水率而增加，从而实现含水率的线性测量。
因此，本水分测量仪有，当物料含水率的增量线性地引起测量极对接地极的电容增量时，放大器15的输出电压增量线性地正比于电容的增量，从而线性地正比于物料的含水量。
本测量显示器的激励信号发生器11由用VDD到GND供电的CMOS电路和晶体组成振荡器-分频器产生一个输出的峰峰值十分接近电源VDD到GND的稳频对称方波，频率为f0，然后由一个固定增益的、放大倍数约为1/20-1/10的、其转折频率为(1.5-2)f0的、保证输出的基准电平为CMOS振荡器输出波形之平均电平的“激励信号低通滤波器”，转换为一个正弦波。
图4是一实施例的电路，用D1(CD4060)和32768Hz的晶体Z1等器件产生频率稳定的振荡，由D1分频，由其Q4输出f0＝2048Hz对称方波，D1用VDD到GND供电，尽量减轻分频输出端Q4的负载，其输出幅度十分接近于VDD到GND。由R3-R7、R7’、C4-C7、运放N2C组成所述“激励信号低通滤波器”，由R3与R6交流并联组成3阶低通滤波电路的第一个电阻，并与R4-R7、R7’，电容器C4-C6，运放N2C组成所述要求的激励信号低通滤波器。由于R6、R7经C7交流接GND，不影响N2C输出的基准电平等于Q4输出的平均电平，利于变换器有最大的动态范围。
图4的N2A、N2B与电阻R14、R16、R18、C17组成VCC及数字电压表标准电压VREF的电源分配器16，其输出电压VCC，作为后述电路的基准电平，VREF作为数字电压表的基准。
N1A、R21-R23、电容C21、C22、组成抗干扰滤波器12，以剔除变换器接收的干扰，主要是工频干扰和电磁波干扰。N1A的正输入端接VCC，目的是使其滤波输出严格地以VCC为基准。
N1B、N1C、电阻R9-R11、二极管V1、V2组成负输出绝对平均值检波器13，以VCC为基准，将变换器的、经抗干扰滤波器12滤波输出的交流信号转换为以VCC作基准的负直流(脉动)电压信号。
N1D、R12、R13、R17及RP1、RP2组成减法调节放大器14，是一个并联电压负反馈放大器，旨在通过调节RP2，实现将变换器的探针位于全干物料中时，因探针具有初始电容等因素影响面产生的检波负电压，通过减法运算到N1D输出为零，作为含水率为零的调整；而当探针插入含水率为X的物料，变换器的输出增大时，通过调节RP1改变反相放大倍数，使N1D输出的一个电压，在数字电压表N3上有对应于X的显示。如X＝20％，则调节RP1使N1D输出0.2V，而数字电压表的小数点设在千位，显示为0.200(V)，则表示20％的含水率。
N1D的输出是相对于VCC的，数字电压表N3的IN+接N1D的输出，数字电压表的IN-接VCC。同时用经N2B输出的、由电池电源分压而得的电压联接到REF+，作为数字电压表的标准电压VREF。当电池电压下降Y％时，振荡器、变换器的输出及数字电压表的标准电压都相继下降Y％，因而测量的零点及对于同一含水率的物料测出的含水率显示值有不因电池电压下降而变的优点。
权利要求1.一种物料水份测量仪，由探头、变换器和测量-显示器组成，其特征在于探头是能受感物料含水率不同而致电容CX线性变化的器件；变换器是一种其输出电压UO正比于输入电压UI、角频率ω和被测电容CX，存在关系式UO＝jω，RF，CX，UI的“虚部法电容测量电路”；测量-显示器则是能向电路提供各级电源、向变换器提供频率稳定的输入电压信号UI的，含有滤波、检波、调节放大器诸环节、能测量、处理、显示被测量值的电路；探头、变换器、测量-显示器用导线或电缆和接线端子实现它们间相应的电联接。
2.按权利要求1所述的物料水份测量仪，其特征是探头含有由带园柱和锥头的芯杆(1)，呈台肩圆筒形的测量极(2)和手柄极(3)构成的探针部，和手柄(4)；芯杆、测量极和手柄极同轴线依次叠套，用高强度绝缘胶充填绝缘胶接成一体，并保持测量极(2)的大端端面与芯杆(1)的锥头圆柱部端面间，以及手柄极小端端面与测量极台肩端面间有5-10mm的间距，而另一端则依次保持芯杆比测量极，测量极比手柄极沿轴向伸出3-5mm；手柄极(3)与手柄(4)联结；变换器电路(5)设置在手柄(4)内部的空腔中，探针各电极的电接点经导线与变换器相应联接，其中芯杆(1)经接头A1、手柄极(3)经接头A3接地成为电容CX的地电位极，测量极(2)作为被检测电容CX的另一极经电接点A2接至变换器相应的电联接点处
3.按权利要求2所述的物料水份测量仪，其特征是芯杆锥头圆柱面、测量极大端圆柱面和手柄极小端圆柱面的直经相等为6-10mm，测量极大端圆柱面长度为40-150mm，芯杆锥头圆柱面长度和手柄极小端圆柱面的长度为测量极大端圆柱面长度的3/5-2/3，探针表面涂敷高强度耐磨绝缘材料。
4.根据权利要求1或2或3所述的物料水份测量仪，其特征在于变换器电路(5)，含有运放NOA-NOD、电阻器RF、RO、RO1-RO4、电容器CO2和电容CI，NOA的正输入端INP接来自测量-显示器的激励交流信号UI，其负输入端接其输出端作成跟随器，其输出接运放NOB的正输入端，NOB负输入端通过反馈电阻RF接输出端，NOB的负输入端还接电容器CI，电容CI的另一端经端子A2用硬导线就近接探针的测量极(2)；NOC的正输入端接NOA的输出端，NOC的负输入端经电阻RO接其输出端作成“相移补偿跟随器”；NOC的输出端经电阻RO1接NOD的负输入端，NOD的负输入端还经电阻RO2接其输出端；NOB的输出端经电阻RO3接NOD的正输入端，NOD的正输入端接电阻RO4，RO4的另一端接电容CO2，CO2的另一端接地；NOD的输出端输出本变换器的变换信号到测量-显示器；电路的地线用硬导线就近接探针的芯杆(1)和手柄极(3)。
5.按权利要求4所述的物料水份测量仪，其特征在于测量-显示器的电路含有激励信号发生器(11)，抗干扰滤波器(12)，检波器(13)，减法调节放大器(14)、数字电压表(15)、电源分配器(16)及电池(17)；激励信号发生器(11)输出频率、幅度稳定的正弦波经端子B1(1)输出再经电缆接到安装在探头手柄(4)中的变换器(5)的端子INP，抗干扰滤波器(12)的输入B2经电缆接自变换器(5)的输出OUT，经滤波器(12)滤除干扰后，送到绝对平均值检波器(13)，检波输出的直流信号送到减法调节放大器(14)，减去探针位于空气中时的初始电容对应的电平值，并将放大调节后的信号输出到数字电压表(15)，电池(17)提供的单电源，经电源分配器(16)产生VDD、VRE、VCC、GND供各电路使用，VCC等于电池电压VDD的40％-60％，相对于VCC高出的电压为电池电压1/8-1/10的VREF供数字电压表作标准电压。
6.按权利要求5所述的物料水份测量仪，其特征在于其测量-显示器的激励信号发生器(11)含有一个用VDD到GND供电的、能输出稳定频率为f0的对称方波、且峰峰值十分接近于电源VDD到GND的、由CMOS电路和晶体组成的振荡器-分频器，和一个固定增益的、放大倍数为1/20-1/10的、其转折频率为(1.5-2)f0的、保证输出的基准电平为CMOS振荡器输出波形之平均电平的低通滤波器。
7.按照权利要求5或6所述的物料水分测量仪，其特征是用D1(CD4066)、晶体Z1、和电阻R3-R7、R7’、电容器C4-C7、运放N2C分别组成组成激励信号发生器(11)的振荡-分频器和激励信号低通滤波器，振荡器-分频器由D1分频，用电源电压VDD到GND供电，其Q4输出频率f0的对称方波，经由上述器件组成的三阶低通滤波器电路转换为正弦波，由N2C输出至变换器(5)的端子INP；由运放N2A、N2B、电阻R14、R16、R18电容C17组成电源分配器(16)，由运放N2A、N2B分别输出供后述电路使用的基准电平VCC和供作数字电压表(15)使用的标准电压VREF；由运放N1A、R21-R23、电容C21、C22组成抗干扰滤波器(12)，其N1A的正输入端接VCC；由N1B、N1C、电阻R9-R11、二极管V1、V2组成负输出绝对平均值检波器(13)，将变换器(5)的、经抗干扰滤波器(12)滤波输出的交流信号转换为以VCC为基准的负直流脉动电压信号输出至调节放大器(14)；由运放N1D、电阻R12、R13、R17、RP1、RP2联接成一个并联电压负反馈放大器组成减法调节放大器(14)，运放N1D有初始电压输出为零和对应于物料含水率的电压值输出，其输出接至数字电压表(15)的IN+，数字电压表IN-接VCC，REF+接电源分配器中N2B输出的VREF。
专利摘要物料水份测量仪由探头、变换器和测量－显示器组成。探头是能感受物料因含水率不同而致电容CX变化的器件；变换器是一种其输出电压UO正比于输入电压UI角频率ω和被测电容CX的虚部法电容测量电路；测量－显示器是能提供各级稳压电源，包括向变换器提供频率稳定的输入电压信号UI的，能测量显示被测量值的电路。用于对散装、袋装、筐装的粮食或其他细物料所含的水份作现场实时、快速准确的无损检测。
文档编号G01N27/22GK2355327SQ98231579
公开日1999年12月22日 申请日期1998年10月28日 优先权日1998年10月28日
发明者唐德尧, 彭湘晖, 段中海 申请人:彭湘晖, 唐德尧, 段中海