Измерители влажности с емкостными датчиками

Емкость конденсатора зависит от диэлектрика, находящегося между его пластинами. Используя эту зависимость были сконструированы емкостные датчики для измерения неэлектрических величин (влажности различных материалов, уровней жидкости и сыпучих материалов, концентрации различных веществ в жидкостях и др.) электрическими методами.

Изменение емкости датчика можно определять двояким способом: либо измерением частоты генератора электрических колебаний, в котором емкость датчика служит частотнозависимым элементом, либо измерение ем тока в цепи датчика. Для увеличения чувствительности измерителя при небольших приращениях емкости датчика необходимо использовать генераторы с повышенными частотами и чувствительные измерительные приборы.

Принципиальная схема измерителя с емкостным датчиком приведена на рис. 1. Устройство состоит из задающего генератора, выполненного по схеме мультивибратора, измерительной цепи, калибратора и датчика. Мультивибратор собран на транзисторах V1 и V2. Параллельно конденсатору С3 подключен емкостной датчик C1. Для установки на, коллекторах транзисторов V1 и V2 одинаковой длительности импульсов, при которой стрелка измерительного прибора не отклоняется, служит резистор R4.

Измерительная цепь содержит резисторы Rl , R8, конденсаторы С 2 , С7 и измерительный прибор РА1.

Увеличение емкости датчика С 1 приводит к увеличению длительности импульсов на коллекторе транзистора V2, что в свою очередь приводит к повышению напряжения на конденсаторе С7.

В этом случае ток проходит через измерительный прибор в направлении от резистора R8 к резистору R1. При уменьшении емкости датчика направление тока меняется.

Чтобы исключить влияние уменьшения напряжения питающей батареи на точность измерений, в приборе имеется калибратор. Он содержит регулятор напряжения на транзисторе V3 и переменном резисторе R9, которым устанавливают стрелку измерительного прибора на последнее деление шкалы в режиме Калибровка (кнопка S1 нажата). Транзистор V3 включен по схеме эмиттерного повторителя и служит для усиления регулируемого тока.

На рис. 2 показан один из вариантов конструкции емкостного датчика для измерения влажности сыпучих материалов, например, зерна, муки, сахара, почвы и других веществ. Датчик состоит из двух пластин из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2—2,5 мм. Слой фольги удален от краев пластин на 3 мм. Со стороны фольги на пластины наклеен стеклотекстолит толщиной 0,3—0,5 мм. С помощью двух крепежных металлических стоек пластины соединены между собой и с ручкой из изоляционного материала. К рабочим пластинам припаян двухжильный экранированный провод длиной около 1 м. Экран соединяют с корпусом устройства и надевают на него полихлорвинилхлоридную трубку. Емкость между проводами соединительного кабеля должна быть около 150 пФ.

Размеры пластин датчика (см. рис. 2) указаны для влагомера зерна, С помощью такого датчика влагомером можно измерить влажность зерна до 40%. Емкость датчика (в зависимости от вида зерна) при максимальной влажности увеличивается на 20—40 пФ. Если испытуемый материал изменяет емкость датчика значительно меньше, необходимо использовать датчик с увеличенными размерами пластин или установить более чувствительный измерительный прибор. Для уменьшения погрешности измерений необходимо, чтобы плотность вещества между пластинами датчика соответствовала плотности, при которой был отградуирован измерительный прибор. Хорошие результаты получаются, если пластины датчика при измерении располагать вертикально при полном погружении в испытуемый материал.

Перед градуировкой необходимо установить нуль измерительного прибора и откалибровать его по напряжению.

Затем отвешивают на точных весах 2 кг измеряемого вещества с максимальной влажностью и помещают в него датчик. Нажав кнопку 52, устанавливают конден-сатором С 6 стрелку измерительного прибора на последнее деление шкалы. После этого сушат вещество и в течение сушки взвешивают 10—15 раз и замеряют влажность в делениях шкалы. При измерении вещество следует охладить до температуры 20—25° С , так как нагретое вещество дает завышенное показание прибора. Закончить сушку необходимо в сушильном шкафу с вакуумным насосом. Сушку считают оконченной, если масса вещества не изменяется. Зная массу вещества при нулевой влажности, определяют влажность в процентах при каждом измерении, и строят график зависимости показаний прибора от влажности. Пользуясь графиком, градуируют шкалу или составляют таблицу показаний прибора в зависимости от влажности вещества.

Влагомер питается от гальванической батареи Крона, ток потребления 10 мА.

Измеритель с емкостным датчиком можно собрать на маломощных высокочастотных кремниевых транзисторах, например, серии КТ315, КТ312, КТ306, транзисторной сборке К125НТ1. Статические коэффициенты передачи тока транзисторов h21 должны быть около 70. Конденсаторы пригодны с малым ТКЕ, например слюдяные, бумажные, пленочные. Измерительный прибор имеет шкалу на 100 мкА.

При правильном монтаже и использовании исправных элементов налаживание устройства сводится к установке необходимой чувствительности и градуировке измерительного прибора. Погрешность измерений 2-3%.

Для уменьшения размеров влагомера, зависящих в основном от измерительного прибора, устройство можно собрать по схеме, изображенной на рис, 3. В этой конструкции вместо измерительного прибора устанавливают миниатюрный индикатор, используемый в транзисторных магнитофонах для установки уровня записи. Пластины датчика делают шириной 20—25 мм, длиной 200—250 мм, расстояние между пластинами 15 мм. При различных влажностях вещества для получения одинаковой емкости датчика необходимо пластины погружать на различную глубину. Чем больше влажность вещества, тем на меньшую глубину необходимо погрузить пластины, чтобы стрелка индикатора устанавливалась на одну и ту же отметку на шкале. Исходя из этого, на лицевой пластине датчика размечают шкалу (или несколько шкал) влажности вещества. Контроль допустимого падения напряжения на батарее питания осуществляют с помощью другой метки на шкале индикатора, расположенной ближе к нулевому положению стрелки. На эту метку устанавливают стрелку индикатора переменным резистором R8 при нажатой кнопке S1 и непогруженных пластинах датчика. В пустотелой ручке измерителя, которую можно изготовить из фольгированного стеклотекстолита, располагают все элементы устройства. Для измерителя пригоден индикатор на 100 мкА. Транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э около 70 Ток потребления устройством не превышает 10 мА, что позволяет использовать для питания батарею Крона.

Измеритель, собранный по схеме, изображенной на рис. 3, можно применить и для измерения уровня жидкости. В этом случае устройство можно питать от сети, а вместо индикатора установить измерительный прибор со шкалой на 100 мкА. Размеры емкостного датчика определяются проводимостью измеряемой жидкости. Конструктивно мультивибратор собирают на продолжении пластин датчика и герметизируют компаундом. Блок питания, измерительный прибор и установочные резисторы R7, R8 можно расположить на значительном расстоянии от датчика.

Для повышения надежности и уменьшения размеров переносный измеритель с емкостным датчиком можно собрать без стрелочного индикатора, используя для индикации светодиод. Принципиальная схема измерителя с индикацией на светодиоде показана на рис. 4. Устройство состоит из емкостного датчика С 1 , задающего генератора на транзисторе V3, частота которого около 10 МГц, усилителя на транзисторах V 4 и V 5, узла контроля напряжения батареи на транзисторах V 6 и V 7, узла индикатора на транзисторах V 10, V 11 и светодиодах V 8, V 9, стабилизатора напряжения на транзисторе V 12 и стабилитроне V 13.

В исходном состоянии при нажатой кнопке S1 и свободных пластинах датчика транзистор V6 открыт, V7 закрыт (если напряжение питания батареи больше 6 В). Положительные импульсы с генератора через емкость датчика С 1 , диоды V1 или V2 поступают на конденсатор С4 и заряжают его. Если емкость датчика мала, транзисторы V4 и V5 закрыты. При увеличении емкости датчика транзисторы V4, V5 открываются, V10, V11 закрываются и светодиоды V8, V9 гаснут. Если напряжение батареи питания становится меньше б В , закрывается транзистор V6, открывается V7, что также приводит к закрыванию транзисторов V10, V11 и погасанию светодиодов. Пороговыми элементами в устройстве - служат переходы база-эмиттер транзисторов V4—V7 и V10, VII. Чувствительность устройства устанавливают подстроечным резистором R3.

Корпусом влагомера и одновременно емкостным датчиком служат две пластины фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, шириной 30 мм и длиной 300 мм. Часть пространства между пластинами на 100 мм по их длине занята монтажом деталей влагомера. Оставшиеся 200 мм служат датчиком. Пластины соединяются между собой с помощью шпилек длиной 25 мм или болтов и стоек длиной 15 и диаметром 5 мм.

С целью устранения гальванической связи между пластинами через измеряемое вещество фольга снята с краев пластин датчика на 2 мм. На рабочую поверхность пластин датчика эпоксидным компаундом приклеены пластины тонкого стеклотекстолита толщиной 0,3 мм. На передней пластине датчика размечена шкала диапазонов влажности измерителя (шкалы можно сделать съемными). В ручке просверлены отверстия, в которые установлены светодиоды. Разметку шкалы делают способом, аналогичным приведенному в описании измерителя со стрелочным индикатором.

Для устройства пригодн ы- кремниевые маломощные высокочастотные транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h2э больше 60, например КТ315, КТ312, КТЗОб (любые из серий), или транзисторные сборки, например, К125НТ1. Светодиоды следует использовать с рабочим током не более 10 мА. Катушка индуктивности L1, L2 задающего генератора намотана проводом ПЭЛШО 0,41 на двухсекционном пластмассовом каркасе с внутренним диаметром 7 и длиной 20 мм. Первичная обмотка содержит 30 витков с отводом от середины, вторичная—15 витков, намотанных поверх

первичной.

Налаживание устройства начинают с узла контроля напряжения. Сначала необходимо установить дв и - жок переменного резистора R3 в верхнее по схеме положение, при котором транзисторы V4 и V5 будут закрыты. Измеритель подключают к источнику регулируемого постоянного напряжения, позволяющему устанавливать напряжение в пределах 5—10 В. При понижении напряжения источника питания ниже 6 В светодиоды должны резко гаснуть. Если светодиоды гаснут при другом напряжении, необходимо подобрать номинал резистора R6. Затем проверяют работу задающего генератора с помощью осциллографа. Выходной сигнал генератора должен быть синусоидальной формы частотой 7—10 МГц и с амплитудой 2 В. После чего устанавливают пластины датчика и помещают их в измеряемый материал с минимально возможной влажностью. Движок подстроечного резистора R3 поворачивают до положения засвечивания светодиодов. Затем производят разметку шкалы влажности по ранее описанному способу.

Для измерения влажности необходимо нажать на кнопку S1 и погрузить пластины датчика в исследуемый материал до положения, когда светодиоды погаснут, и по шкале определить влажность.