Измерительный преобразователь ёмкости для диэлькометрических влагомеров зерна

Рассмотрена задача повышения точности измерений влажности зерна при минимизации аппаратной части диэлькометрического влагомера. Для её решения предложена алгоритмическая компенсация погрешностей аналогового тракта, реализованная на базе 8-разрядного микроконтроллера. Разработанный алгоритм преобразования ёмкости чувствительного элемента (датчика) в цифровой код предусматривает высокие скорости изменения тестового напряжения и обеспечивает прямое сопряжение датчика с микроконтроллером. Разработаны программные и аппаратные средства измерительного преобразователя ёмкости, определены его основные характеристики и оценена возможность применения в составе диэлькометрических влагомеров зерна. В качестве тестового сигнала, подающегося через эталонный резистор на ёмкостный датчик, использован однополярный меандр, формируемый встроенным в микроконтроллер таймером/ счётчиком. Приложенные к датчику максимальное и минимальное напряжения преобразуются в цифровые коды, которые используются для расчёта действительного значения ёмкости. Также для расчёта ёмкости использован параметр, который зависит от сопротивления эталонного резистора и частоты меандра. Преобразование напряжений в цифровые коды реализовано методом сравнения с эталонным напряжением, которое формируется встроенным в микроконтроллер широтно- импульсным модулятором и внешним RC-фильтром. Для сравнения напряжений применён встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор. Методом имитационного моделирования исследована зависимость параметров преобразованого тестового сигнала от ёмкости датчика. Модель разработана в среде SimInTech, ориентированной на решение задач математического моделирования, синтеза алгоритмов управления и программирования вычислительных устройств. Экспериментальный измерительный преобразователь ёмкости построен на базе платы Arduino Nano (Arduino, Италия), содержащей микроконтроллер ATmega328PB (Microchip Technology Inc, США). Частота меандра в эксперименте 500 кГц. В диапазоне изменения ёмкости 25–45 пФ разрешающая способность измерительного преобразователя ёмкости составила 0,1 пФ. Отклонение результатов измерений от заданных значений ёмкости, измеренных прецизионным прибором LCR-819 (GW Instek, Тайвань), не превысило ±0,2 пФ. Измерительный преобразователь ёмкости испытан в составе экспериментальных влагомеров, изготовленных авторами статьи, в диапазоне 9–19 % влажности зерна пшеницы при температуре зерна 23– 25 °С. Отклонение результатов измерений влажности зерна пшеницы экспериментальными влагомерами не превысило ±0,6 % влажности, определяемой по ГОСТ 13586.5-2015 «Зерно. Метод определения влажности». Оптимальная область применения преобразователя – информационно-измерительные и управляющие системы на базе ёмкостных датчиков.

1. J ones S. B., Sheng W., Or D. Dielectric measurement of agricultural grain moisture – theory and applications. Sensors, 22, 2083 (2022). https://doi.org/10.3390/s22062083 ; https://elibrary.ru/cosaoc

2. Liu Y., Zhang J., Yuan H., Song M. et al. Non-destructive quality-detection techniques for cereal grains: a systematic review. Agronomy, 12(12), (2022). https://doi.org/10.3390/agronomy12123187 ; https://elibrary.ru/kxbjqm

3. Берлинер М. А. Измерения влажности. Энергия, Москва (1973).

4. Jafari M., Chegini G. R., Rezaeealam B., Shaygani Akmal A. A. Experimental determination of the dielectric constant of wheat grain and cluster straw in different moisture contents. Food Science & Nutrition, 8(1), 629–635 (2020). https://doi.org/10.1002/fsn3.1350

5. Дубров Н. С., Кричевский Е. С., Невзлин Б. И. Многопараметрические влагомеры для сыпучих материалов. Машиностроение, Москва (1980).

6. Reverter F. The art of directly interfacing sensors to microcontrollers. J. Low Power Electronics and Applications, 2, 265–281 (2012). https://doi.org/10.3390/jlpea2040265

7. Czaja Z. Time-domain measurement methods for R, L and C sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Sensors and Actuators A: Physical, 274, 199–210 (2018). https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.03.029

8. Czaja Z. A measurement method for capacitive sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Measurement, 155, 107547 (2020). https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.107547 ; https://elibrary.ru/gdyypu

9. Vostrukhin A., Vakhtina E. Microcontroller measuring converter of capacitance based on transients in RC circuit. Proc. conference “Engineering for Rural Development”, Jelgava, May 20–22, 2020. Latvia University of Life Sciences and Technologies, Jelgava, pp. 171–176 (2020). https://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF038 ; https://elibrary.ru/appnlb

10. Vostrukhin A., Vakhtina E. Temperature sensor resistance conversion to binary code using pulse width modulation. Proc. conference “Engineering for Rural Development”, Jelgava, May 22–24, 2019. Latvia University of Life Sciences and Technologies, Jelgava, pp. 1269–1274 (2019). https://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N037 ; https://elibrary.ru/ksqbgn

11. Каландаров П. И. Высокочастотный влагомер для измерения влажности зерна и зернопродуктов. Измерительная техника, (4), 65–71 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-4-65-71 ; https://elibrary.ru/oidrqc

12. Мастепаненко М. А., Воротников И. Н., Вахтина Е. А. Многоканальный микроконтроллерный измерительный преобразователь для зондов систем мониторинга влажности почвы емкостными датчиками: пат. RU 2818484 C1. Изобретения. Полезные модели, № 13 (2024).

13. Vostrukhin A., Mastepanenko M., Vorotnikov I., Vakhtina E. Multichannel measuring converter for monitoring soil moisture with capacitive sensors. Proc. conference “Innovations in Sustainable Agricultural Systems” (ISAS 2024), Stavropol, March 04–05, 2024. Springer Nature Switzerland, Cham, pp. 12–20 (2024). https://doi.org/10.1007/978-3-031-72556-2_2 ; https://elibrary.ru/xedslc

14. Клюев А. С., Лебедев А. Т., Клюев С. А., Товарнов А. Г. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: справочное пособие. Под ред. Клюева А. С. Энергоатомиздат, Москва (1989).