Рефлектометрический влагомер

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля влажности почвы, семян зерновых культур и разнообразных сыпучих материалов, например, в сельском хозяйстве или строительстве. Рефлектометрический влагомер содержит высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий выход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора. Третий отвод тройника через согласующее устройство соединен с соединительныым кабелем, подключенным к первичному преобразователю, который выполнен в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы выполнены разомкнутыми или замкнутыми. Линия задержки выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ - электромагнитного материала и внешний экран, который выполнен в виде внешних стержневых проводников, расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня. Закрепленные на основании концы стержневых проводников замкнуты перемычкой, которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии задержки, а измеряемая среда помещается в пространстве между внутренним стержнем и внешними стержневыми проводниками. Техническим результатом является повышение точности контроля влажности измеряемых сред, а также значительное уменьшение габаритов устройства. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, строительству и может быть использовано для контроля влажности почвы, семян зерновых культур и других сыпучих материалов.

Известно устройство для измерения влажности (кн. Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. Под редакцией Кричевского Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. - М.: Энергия, 1980, с.84), содержащее первичный преобразователь, подключенный к рабочему генератору посредством соединительного кабеля, выход генератора присоединен к первому входу смесителя, второй вход которого связан с опорным генератором, а выход - через фильтр нижних частот с преобразователем частота - напряжение, к выходу которого подключен регистрирующий прибор.

Известны также устройства для определения влажности сыпучих материалов, например почв (С.М.Чудинова и др. Применение метода рефлектометрии во временной области для определения влажности почв // «Почвоведение», №10, 1996, с.1263-1270), содержащие смеситель, соединенный с выходом генератора зондирующих импульсов, входом стробоскопического осциллографа и через соединительный кабель - с первичным измерительным преобразователем. Здесь под смесителем понимается устройство (кн. «Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородности линий Р5-15», 1991 г.), выполняющее фактически функции разветвления электромагнитной энергии и устройства дискретизации и экстраполяции нулевого порядка или выборки - хранения или стробируемого пикового детектора.

Раскрывая существенные признаки известного устройства по его описанию из указанной книги, представим смеситель соединением высокочастотного тройника, обеспечивающего разветвление сигнала, и отчетного устройства, преобразующего непрерывный сигнал в дискретно - ступенчатый сигнал, а из состава стробоскопического осциллографа выделим синхронизатор, обеспечивающий работу отсчетного устройства в стробоскопическом режиме, необходимом для осциллографирования импульсных сигналов наносекундной длительности, и одновременно запускающий генератор зондирующих импульсов.

Таким образом, известное устройство содержит высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, третий отвод высокочастотного тройника связан через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем.

Принцип действия этого устройства заключается в определении влажности различных сред по ее диэлектрической проницаемости путем измерения с помощью рефлектометров времени прохождения (TDR - Time Domain Reflectometry) электромагнитного импульса по первичному измерительному преобразователю, помещенному в эту среду. В качестве первичных преобразователей, находящихся в непосредственном контакте со средой, используют отрезки коаксиальной или двухпроводной линии связи, разомкнутые на конце, в которых роль диэлектрика играет измеряемая среда. Время t_d задержки отраженного относительно зондирующего видеоимпульса при прохождении его по всей длине первичного измерительного преобразователя в прямом и обратном направлениях выражается формулой:

где с - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме (скорость света), L - геометрическая длина первичного измерительного преобразователя (длина отрезка линии связи), ε - диэлектрическая проницаемость измеряемой среды.

Такие устройства имеют недостатки, связанные с наличием существенных погрешностей контроля влажности, а также и значительных массо-габаритных характеристик.

Выражение, связывающее погрешность δθ измерения влажности с первичной ошибкой контроля временной задержки отраженного импульса δt_d, например, при измерении влажности почвы, имеет вид:

Из приведенной формулы следует, что для уменьшения ошибки измерения необходимо увеличивать длину первичного преобразователя L (что эквивалентно увеличению времени задержки отраженного импульса) и уменьшать ошибку измерения времени задержки импульса δt_d, например, уменьшая длительность фронта зондирующего импульса. Увеличение длины первичного преобразователя ограничено размером слоя измеряемой среды, на котором значение средней влажности можно считать постоянной.

В настоящее время наиболее эффективно применение рефлектометрического влагомера, позволяющего увеличить в несколько раз время задержки в первичном измерительном преобразователе со средой и соответственно уменьшить ошибку измерения без увеличения геометрических размеров путем использования первичного измерительного преобразователя, выполненного в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы линии задержки с распределенными параметрами выполнены разомкнутыми или замкнутыми. Причем между третьим отводом высокочастотного тройника и соединительным кабелем включено согласующее устройство, необходимое (во избежание больших потерь и помех отражения) для обеспечения согласования низкого волнового сопротивления высокочастотного тройника (50 Ом) с соединительным кабелем высокого волнового сопротивления (100-200 Ом).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности контроля влажности, а также уменьшение массы и габаритов конструкции влагомеров.

Такой технический результат достигается тем, что в рефлектометрический влагомер, содержащий высокочастотный тройник, соединенный одним отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другим отводом подсоединенный к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, и третьим отводом связанный с соединительным кабелем, вводится первичный измерительный преобразователь в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы выполнены разомкнутыми или замкнутыми, причем между третьим отводом высокочастотного тройника и соединительным кабелем включено согласующее устройство.

В зависимости от назначения предложенного устройства могут применяться линии задержки с распределенными параметрами, например, разнообразных коаксиальных конструкций:

- с внутренним проводником в виде проводящего стержня с равномерно расположенными кольцевыми канавками и внешним экраном в виде отрезка проводящего цилиндра;

- с внутренним проводником в виде полого стержня и внешним экраном в виде спирали провода с изолированными витками;

- с внутренним проводником в виде спирали провода с изолированными витками, намотанной на диэлектрический цилиндрический стержень (или на стержень из ВЧ-электромагнитного материала) и внешним экраном в виде спирали провода с изолированными витками с намоткой на диэлектрическом каркасе в противоположную сторону по отношению к намотке внутреннего проводника.

Для измерения разнообразных сред сельскохозяйственного и строительного назначения (почвы, зерно в насыпях, мешках и др. сыпучие материалы) наилучшим техническим решением является первичный измерительный преобразователь в виде отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ-электромагнитного материала и внешний экран, выполненный в виде внешних стержневых проводников, расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня. Закрепленные на основании концы внешних стержневых проводников замкнуты проводящей перемычкой, которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии задержки с распределенными параметрами, при этом измеряемая среда помещается в пространстве между внутренним стержнем и внешними стержневыми проводниками.

Предлагаемое решение позволяет легко проникать в измеряемую среду путем прокалывания ее слоя, при этом электромагнитное поле, создаваемое первичным преобразователем, будет локализовано в пространстве измеряемой среды между внешними стержневыми проводниками и спиралью, что повышает точность измерения.

На фиг.1 показана блок-схема устройства рефлектометрического влагомера.

Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, подключенный к отводу высокочастотного тройника 2, другой отвод которого присоединен к входу стробоскопическому отсчетному устройству 3, а третий отвод связан через согласующее устройство 4 посредством соединительного кабеля 5 с входными концами линии задержки с распределенными параметрами. Для отображения форм и длительностей зондирующего и отраженного импульсов используется осциллограф 7, своим входом присоединенный к выходу стробоскопического отсчетного устройства 3. Синхронизирующий вход последнего присоединен к первому выходу синхронизатора 8, ко второму выходу которого подключен запускающий вход генератора зондирующих импульсов. Синхронизатор 8 (Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородности линий Р5-15) осуществляет сканирование по времени задержки периодических импульсов (например, с периодом 10 мкс) на первом выходе относительно времени задержки импульсов на втором выходе периодически с низкой частотой (например, порядка 20 Гц) таким образом, чтобы в течение периода этой низкой частоты можно было наблюдать отраженные импульсы от замкнутых или разомкнутых выходных концов линии задержки с распределенными параметрами.

На фиг.2 изображена линия задержки с распределенными параметрами, выполненная в виде отрезка коаксиальной линии по предложенному техническому решению (общий вид).

Рефлектометрический влагомер с линией задержки с распределенными параметрами 9 (фиг.2) выполнен с применением отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль (10) провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ - электромагнитного материала и внешний экран, выполненный в виде внешних стержневых проводников (11), расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня, закрепленные на основании (12) концы внешних стержневых проводников замкнуты проводящей перемычкой (13), которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии с распределенными параметрами. Измеряемая среда (почва, зерно и др. сыпучие материалы) помещается в пространстве между внутренним стержнем со спиралью 10 и внешними стержневыми проводниками 11.

Устройство работает следующим образом. От запускающего импульса на втором выходе синхронизатора 8 посредством генератора 1 зондирующих импульсов формируется короткий импульс (наносекундной длительности), который через высокочастотный тройник 2, согласующее устройство 4 и соединительный кабель 5 возбуждает линию задержки с распределенными параметрами 6, в которую помещена измеряемая среда, имеющая определенную диэлектрическую проницаемость (определяемую влажностью среды). При этом зондирующий импульс, пройдя через высокочастотный тройник 2, согласующее устройство 4 и соединительный кабель 5, частично отражается от входа линии задержки с распределенными параметрами (вследствие неполного согласования волновых сопротивлений соединительного кабеля и линии), и далее, проходя по всей длине линии 9 задержки с распределенными параметрами практически полностью отражается от ее выхода в сторону входа. В случае, если выходные концы линии 9 задержки с распределенными параметрами разомкнуты (фиг.2), т.е. удаленные от входа концы спирали 10 и внешних стержневых проводников 11 не связаны (разомкнуты), то отраженный импульс будет в фазе с зондирующим импульсом генератора 1 зондирующих импульсов. Если же выходные концы линии задержки с распределенными параметрами замкнуты, то отраженный импульс будет находиться в противофазе относительно зондирующего импульса. Отраженный импульс проходит по линии 9 задержки с распределенными параметрами, затем - по соединительному кабелю 5, согласующему устройству 4, через высокочастотный тройник 2 поступает обратно на вход стробоскопического отсчетного устройства 3. При этом такой отраженный импульс оказывается задержанным (относительно) зондирующего импульса на интервал времени, определяемый временами задержки, возникающими в соединительном кабеле 5, согласующем устройстве 4 и в линии 9 задержки с распределенными параметрами, заполненной измеряемой средой. Поскольку внутренний проводник линии 9 задержки с распределенными параметрами выполнен в виде спирали, то значение погонной индуктивности будет в несколько раз больше, чем у линейного проводника, что приводит к уменьшению скорости распространения импульса. Соответственно, увеличивается время задержки отраженного импульса и чувствительность первичного преобразователя. С другой стороны, время задержки отраженного импульса зависит от диэлектрической проницаемости ε измеряемой среды по формуле (1).

Наблюдая на его экране осциллографа рефлектограмму - форму отраженного импульса или форму суммы отраженного и зондирующего импульсов, измеряют время задержки отраженного (относительно зондирующего) импульса.

По результатам измерения величин времени задержки при использовании формулы (1) и градуировочных графиков находят значения влажности измеряемой среды.

Предлагаемое устройство позволяет существенно повысить точность контроля влажности измеряемых сред (до 5 раз по сравнению с известными устройствами) без применения внутренних стержней из диэлектрического или ВЧ-электромагнитного материала, а также значительно уменьшить его массу и габариты за счет укорочения первичного преобразователя.

Для первичного преобразователя по п.2 со спиралью, навитой на внутреннем стержне из ВЧ-электромагнитного материала (ферритовым стержне), можно довести минимальный размер первичного преобразователя до 5 см с сохранением чувствительности, свойственной известным устройствам.

1. Рефлектометрический влагомер, содержащий высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод высокочастотного тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, а также соединительный кабель, связанный с первичным преобразователем, отличающийся тем, что первичный преобразователь выполнен в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы выполнены разомкнутыми или замкнутыми, и введено согласующее устройство, включенное между третьим отводом высокочастотного тройника и соединительным кабелем.

2. Рефлектометрический влагомер по п.1, отличающийся тем, что линия задержки с распределенными параметрами выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ-электромагнитного материала и внешний экран, выполненный в виде внешних стержневых проводников, расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня, закрепленные на основании концы внешних стержневых проводников замкнуты проводящей перемычкой, которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии задержки с распределенными параметрами, при этом измеряемая среда помещается в пространстве между внутренним стержнем и внешними стержневыми проводниками.