Выбор и обоснование функциональной схемы влагомера. Аналогово-цивровые преобразователи влажности и температуры

1.  Выбор и обоснование функциональной схемы влагомера.

Функциональная схема влагомера представлена на рис.1 и состоит из следующих элементов:

КД- кондуктометрический датчик;

ДТ – датчик температуры (AD590);

ИОН – источник опорного напряжения (REF-01);

ФП – функциональный преобразователь;

ПТ – преобразователь температуры;

АЦПи, АЦПf  - аналогово-цивровые преобразователи влажности и температуры;

УИи, УИf  - устройства индикации  влажности и температуры;

БП - блок питания;

Кондуктометрический датчик представляет собой  три электрода находящихся на одной прямой и удаленных на одинаковое расстояние друг от друга. Это расстояние равно длине электродов. Если длина электродов равна 10мм, то для древесины хвойных пород (ель, сосна) сопротивление датчика Rx ,в зависимости от влажности и температуры, дано в [2]. Крайние электроды 1,3 гальванически связаны и на них подано опорное напряжение Еоп. Ток через датчик    обратно пропорционален сопротивлению датчика. В кондуктометрический датчик встроен  сенсор температуры АD590, питаемый от точки источника Еоп. Его выходной сигнал –ток, пропорциональный  температуре древесины в градусах Кельвина. Крутизна ДТ  равна 1мкА/К.

Функциональный преобразователь с учетом температуры древесины и тока Ix осуществляет преобразование в соответствии с формулой [1].

Где U – влажность древесины ,%

С – конструктивная постоянная КД

k , коэффициенты зависящие от типа древесины.

Выходной сигнал ФП при помощи  АЦПи   и УИи  преобразуются в численные значения, а АЦПf  и УИf  - соответственно в численные значения температуры древесины. БП формирует необходимые для питания схемы напряжения

2 . Структурная схема функционального преобразователя.

Структурная схема  ФП дана на рис.2. Она содержит

Ln- логарифмический преобразователь отношения.

exp1, exp2- экспоненциальные преобразователи, причем exp1работает при стабильной температуре подложки To=const, a exp2 работает при такой же температуре, что и логарифмический преобразователь Ln.

На выходе логарифмического преобразователя будет сигнал пропорциональный логарифму отношения сигналов Ix и сигнала с экспоненциального преобразователя 1.

,

После умножения этого сигнала на коэффициент α имеем:

А после экспоненциального преобразователя exp2

т.е получаем сигнал пропорциональный влажности древесины.

Расчет функционального преобразователя .

Функциональный преобразователь реализуется с использованием усилителей log-antilog. Согласно [1] влажности древесины и её сопротивление находятся в следующей зависимости.

Где С постоянная величина, зависящая от типа древесины;

Rx-электрическое сопротивление между штырями датчиков, Ом;

-отклонение температуры древесины от 20 градусов по цельсию.

-значение равное 0,119 для древесины хвойных пород;

К- температурный коэффициент  электрического сопротивления древесины, равный 0,072 1/C

U- значение влажности древесины в %

Рассчитаем ФП ждя температуры древесины 20 гС

При этом формула (1) будет выглядеть следующим образом:

           (2)

В качестве входного сигнала используем ток, походящий через датчик, при питании его от источника опорного напряжения Eоп=10В

Тогда        (3)

Согласно градировочным таблицам, представленным в [2] для диапазона влажности (7-22)%  имеем:

U=7%; Rx=1.28*Ом; Ix=78.1* А.

U=22%; Rx=2.92*Ом; Ix=3.43* А.

Подставляя знечения Rx из (3) в (2) получаем.

U=    (4)

Для вычисления значения влажности  U по формуле  (4) воспользуемся схемой логарифмического усилителя , представленного на рис.1

На DA1, DA2, VT1, VT2 реализован дифференциальный логарифмический усилитель напряжение U, которого равно [3]

U=φт

Где φт- температурный потенциал, равный 2.5мВ при 20 г.С

Ix- значение тока через датчик;

-значение опорного тока

На DA3, DA4, VT3, VT4 реализован антилагорифмический преобразователь [3], его выходное напряжение оно же и выходное напряжение ФП имеет вид:

Где - опорный ток DA3;

U1 – входное напряжение антилогарифмического усилителя ,R1,R2 – делитель напряжения формирующий   в формуле (2). Исходя из этого получим:

С учетом этого можно записать:

 

Или

Окончательно получаем:

         (5)

Сравнивая формулы (4) и (5) потребуем, чтобы

            0,119=      1+

Или        R2=7,4*R1

Пусть значение опорного тока  значению входного тока при 7 % влажности , а выходное напряжение при этом пусть составляет 0,7В. Тогда подставляя значения в формулу (5) можно получить значение .

Задаемся значением Iоп2=А, получаем отношение:

В результате при изменении влажности U от 7 до 22% выходное напряжение ФП будет изменяться от 0,7 до 2,2В

Для коррекции показаний ФП по температуре  необходимо изменять показания в соответствии с формулой (1).

Удобно это осуществлять путем изменения тока   , в соответствии с формулой (1), (5), т.е. сформировать ток  в виде зависимости:

*

Для этой цели используем экспоненциальный преобразователь с постоянной температурой кристалла [4]. Схема такого преобразователя представлена на рис.2. Выходное напряжение данного преобразователя имеет вид:

Где Uвх=β*t  ,

β – коэффициент преобразования температуры древесины в напряжение, В/

φт – температурный коэффициент.

При температуре 0 гр.С Uвых=10В, тогда:

Рис 1.Схема логарифмического усилителя

 

Рис 2. Экспоненциальный преобразователь с постоянной температурой кристалла.