專利名稱：水分傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到測量流動材料物理特性的技術領域。本發(fā)明特別涉及到對軋棉機中加工的棉花測量其水分含量的技術領域。
確定由軋棉工業(yè)生產(chǎn)的棉花纖維質(zhì)量的一個因素是皮棉在清潔和軋棉過程中存在的水分含量。如果在清潔過程中能夠?qū)⑵っ薜乃趾烤S持在優(yōu)選的范圍內(nèi)，皮棉清潔機器就能更高效地工作，并且對棉花纖維的損傷很小。如果能根據(jù)皮棉在干燥設備出口處的水分含量而連續(xù)地調(diào)節(jié)皮棉干燥設備，就能將皮棉水分含量維持在優(yōu)選的范圍內(nèi)。
典型的水分測量系統(tǒng)是根據(jù)棉花的電阻來確定水分含量。這種系統(tǒng)從流動的棉花中捕捉棉花的采樣，并且將采樣壓在一個陰極和一個陽極之間。然后，系統(tǒng)測量陰極和陽極之間的電阻。由于棉花的水分含量與棉花的電阻是成反比的，根據(jù)憑經(jīng)驗確定的公式就能計算出水分含量。
遺憾的是，電阻測量系統(tǒng)只能在比較小的水分含量范圍內(nèi)保證精確。隨著水分含量的增大，電阻會下降。這樣，如果系統(tǒng)不能精確地測量小電阻值，測量精度就會變劣。因此，隨著水分含量的增大，還需要增大采樣的電阻，例如是增大陰極和陽極之間的間隙。反之，隨著水分含量的減小，棉花的電阻會增大。通過縮小陰極和陽極之間的間隙從而降低通過采樣的電阻，就可以補償增大的電阻。遺憾的是，這種方案會加重高水分測量的問題。
由于這些相互矛盾的設計問題，典型的水分測量系統(tǒng)是在低水分等級和高水分等級的測量精度之間達成一種折衷。其結(jié)果是，這些系統(tǒng)的精確性被限制在靠近預期水分等級范圍中心的一個比較小的范圍內(nèi)。如果水分測量系統(tǒng)不能在一個足夠?qū)挼乃值燃壏秶鷥?nèi)精確地確定水分含量，皮棉干燥機控制系統(tǒng)就只能在棉花中維持小于適當水分等級的水分。如果皮棉干燥機在清潔操作期間不能將水分含量維持在一個最佳范圍之內(nèi)，棉花纖維就會比適當水分等級范圍之內(nèi)的棉花更容易受到損傷。
因而就需要有這樣一種方法和裝置，它能夠在一個足夠?qū)挼乃值燃壏秶鷥?nèi)精確地測量棉花的水分含量，從而適當?shù)乜刂栖埫迿C中的皮棉干燥機。
上述和其他需要是用這樣一種裝置來實現(xiàn)的，它可以測量諸如棉花等材料的水分含量，材料的電阻是材料的水分含量的一個函數(shù)。水分含量是根據(jù)電荷通過材料的速度來測量的。該裝置有一個包含第一電極，第二電極和接地電極的水分傳感器。接地電極在第一和第二電極之間是相互交叉的。該裝置還包括水分含量確定電路，它向第一電極提供第一電荷，并且向第二電極提供第二電荷。水分含量確定電路確定電荷從各自的第一和第二電極通過材料流到接地電極的速度，并且根據(jù)電荷流經(jīng)材料的速度來確定棉花的水分含量。
借助于向第一電極提供第一電荷，并且向第二電極提供第二電荷，本發(fā)明能夠在很寬的水分含量范圍內(nèi)精確地測量出棉花的水分含量。這一寬范圍是這樣實現(xiàn)的，將第一電極上的第一電荷的等級設定在適當?shù)乃值燃?，它是所需測量范圍的上限，而將第二電極上的第二電荷的等級設定在適當?shù)乃值燃墸撬铚y量范圍的下限。這樣就避免了根據(jù)電阻來測量水分含量時所面臨的上述那些典型的問題。
在最佳實施例中，水分含量確定電路具有第一電荷充電電路和第二電極充電電路。第一電極充電電路將第一電容器充電到第一電壓電平，每個第一電極都有一個相應的第一電容器。按照這種方式將第一電壓電平提供給每個第一電極。同樣，第二電極充電電路將第二電容器充電到第一電壓電平，每個第二電極都有一個相應的第二電容器。這樣就也能將第一電壓電平提供給每個第二電極。
水分含量確定電路還包括一個傳感器放電定時器，用來確定與第一電極有關的第一放電時間。用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平由于第一電容器的放電而下降到第二電壓電平的速度。傳感器放電定時器還要確定與第二電極有關的第二放電時間。用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平由于第二電容器的放電而下降到第二電壓電平的速度。傳感器放電定時器包括一個用來產(chǎn)生周期性時鐘脈沖的時鐘，和一個在第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)的計數(shù)器。計數(shù)器還要在第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)。
最佳實施例的水分含量計算器根據(jù)選定的第一和第二放電時間的次數(shù)來確定材料的水分含量。選定的第一和第二放電時間處在選定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)。水分含量計算器采用這樣一種方法來確定水分含量，該方法按照以下的公式將選定的第一和第二放電時間與水分含量相聯(lián)系M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n1M2(m)n1+n2(1)]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的材料中的水分含量，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，而M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。
在其他最優(yōu)選實施例中，第一和第二電極包括平行的線性導體。每個第一和第二電極導體在電路上與其他所有導體都是絕緣的。接地電極包括離散的平行線性導體，它們與第一和第二電極導體保持平行并且相互絕緣。每個接地電極處在一個接地電位。
本發(fā)明還提供了根據(jù)電荷流過材料的速度來測量材料的水分含量的一種方法。為第一電極提供第一電荷，為第二電極提供第二電荷。第一和第二電荷通過材料向相互交叉地連接在第一和第二電極之間的接地電極放電。確定電荷從第一和第二電極通過材料流到接地電極的速度。根據(jù)電荷流過第一電極的速度，并且根據(jù)電荷流過第二電極的速度來確定材料中的水分含量。
在本發(fā)明的最佳實施例中，向第一電極提供第一電荷的步驟中包括將第一電容器充電到第一電壓電平并且將第一電壓電平提供給第一電極的步驟。向第二電極提供第二電荷的步驟中包括將第二電容器充電到第一電壓電平并且將第一電壓電平提供給第二電極的步驟。
在某些優(yōu)選實施例中，確定電荷從第一電極通過材料流到接地電極的速度的步驟中包括確定與第一電極有關的第一放電時間的步驟。用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的速度。同樣，確定電荷從第二電極通過材料流到接地電極的速度的步驟中包括確定與第二電極有關的第二放電時間的步驟。用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的速度。
某些實施例的第一放電時間是在第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時通過產(chǎn)生周期性的時鐘脈沖并且對時鐘脈沖計數(shù)而確定的。按照同樣的方式，第二放電時間是在第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時通過產(chǎn)生周期性的時鐘脈沖并且對時鐘脈沖計數(shù)而確定的。根據(jù)落入一個指定的時鐘脈沖范圍內(nèi)的選定的第一和第二放電時間的次數(shù)來確定材料的水分含量。
在最佳實施例中，材料的水分含量是用以下的公式根據(jù)選定的第一和第二放電時間而確定的M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n2M2(m)n1+n2,(2)]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的材料中的水分含量，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，而M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。
本發(fā)明進一步提供了一種根據(jù)電荷流經(jīng)棉花的速度來測量棉花水分含量的方法。通過對一組第一電容器充電到第一電壓電平并且將第一電壓電平提供給第一電極而將第一電荷提供給第一電極。每個第一電容器具有大約一微法的電容。通過對一組第二電容器充電到第一電壓電平并且將第一電壓電平提供給第二電極而將第二電荷提供給第二電極。每個第二電容器具有大約270皮法的電容。第一和第二電荷通過棉花對接地電極放電，接地電極相互交叉在第一和第二電極之間。
第一放電時間和第二放電時間被如下確定。用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的速度。同樣，用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的速度。第一放電時間是通過產(chǎn)生大約2兆赫茲頻率的周期性時鐘脈沖并且在第一電極上的第一電壓電平下降到第二電壓電平的過程中對時鐘脈沖計數(shù)而確定的。按照同樣的方式，第二放電時間也是通過產(chǎn)生大約2兆赫茲頻率的周期性時鐘脈沖并且在第二電極上的第一電壓電平下降到第二電壓電平的過程中對時鐘脈沖計數(shù)而確定的。棉花的水分含量是根據(jù)落入大約2000到107時鐘脈沖范圍內(nèi)的選定的第一和第二放電時間的次數(shù)來確定的。時鐘脈沖的這一選定范圍相當于大約一毫秒到五秒的時間段。確定水分含量的公式是M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n2M2(m)n1+n2,(3)]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的棉花的水分含量，M1(m)=ln[(1.17×1013N1(m))0.663],------(4)]]>并且M2(m)=ln[(3.396×109N2(m))0.663].------(5)]]>在以上的公式中，n1是處在選定范圍之內(nèi)的選定的第一放電時間的個數(shù)，n2是處在選定范圍之內(nèi)的選定的第二放電時間的個數(shù)。M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的棉花的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)。M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的棉花的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。N1(m)是時鐘脈沖中的第m個選定的第一放電時間，而N2(m)是時鐘脈沖中的第m個選定的第二放電時間。
根據(jù)以下結(jié)合著附圖參照最佳實施例的詳細說明就可以看出本發(fā)明的優(yōu)點，附圖是沒有標尺的，在所有附圖中用相同的符號來表示相同或是相似的元件，附圖如下

圖1是一個水分傳感器探針的透視圖；圖2是水分傳感器探針的邊沿圖；圖3是水分傳感器的功能性框圖；以及圖4是第一電極充電電路和第二電極充電電路的一個示意圖。
本發(fā)明被用來測量棉花的水分含量，例如是在軋棉工業(yè)中加工的棉花。盡管本發(fā)明的詳細描述是針對棉花纖維的水分測量而言的，本發(fā)明顯然還可以用于測量具有大流量特點的其他材料的水分含量，這種材料可以壓在一個平面上，并且其電導率是由水分含量所確定的，且在一定的測量范圍之內(nèi)。
參見圖1，在圖中表示了本發(fā)明的水分傳感器(用8表示)的最佳實施例。水分傳感器8包括具有一個平面測量面20的測量塊9。測量塊9是用不導電的高電阻材料制成的，具有很低的吸水性，例如是Teflon。構(gòu)成測量塊9的材料應該能在長時間暴露于水的情況下仍然維持其不導電性。在測量塊9的內(nèi)部有一個傳感器電極的陣列，它是由第一電極11a-11b和第二電極10a-10f構(gòu)成的。第一電極11a-11b和第二電極10a-10f是用高導電性的金屬例如銅，鋁或是不銹鋼制成的平行的線性導體。將第一電極11a-11b和第二電極10a-10f嵌入測量塊9內(nèi)，使電極的邊沿暴露在測量面20上。
嵌入測量塊9內(nèi)的還有一個接地電極12a-12i的陣列，它們是在第一電極11a-11b和第二電極10a-10f的陣列內(nèi)部相互交叉的離散的平行線性導體。如圖1所示，每個第一電極和第二電極的側(cè)面分別有兩個接地電極12a-12i。全部在電路上接地的接地電極12a-12i也是用高導電金屬制成的。接地電極也具有暴露在測量面20上的邊沿。
盡管在下文中描述了一種具有兩個第一電極11a-11b，六個第二電極10a-10f和九個接地電極12a-12i的水分檢測裝置，本發(fā)明顯然并不會受到具體的電極數(shù)量的限制。對接地電極數(shù)量的一個限制是它的數(shù)量應該比第一和第二電極的總數(shù)至少多一個。
在一種典型的應用中，可以將測量塊9裝在一個管道，管子或是導管的內(nèi)壁上，讓棉花從管中流過。盡管圖1中表示的測量面20是平面的，測量面20也可以是曲面的，例如是一段圓筒或是圓錐面。只要能讓需要測量水分含量的材料充分接觸到測量面20，測量面20的形狀并不重要。
圖2是測量塊9的最佳實施例的一個邊沿圖，讓棉花13的采樣貼著測量面20。應該讓棉花13能持續(xù)地接觸到第一電極11a-11b，第二電極10a-10f和接地電極12a-12i。如果在第一電極11a-11b上出現(xiàn)正電荷(用符號“+”表示)，在第一電極11a-11b和接地電極12a-12i之間就會產(chǎn)生一個電位。同樣，如果在第二電極10a-10f上出現(xiàn)正電荷，在第二電極10a-10f和接地電極12a-12i之間就會產(chǎn)生一個電位。
如果棉花13是完全干燥的，它應該基本上不導電，并且從第一電極11a-11b或是第二電極10a-10f到接地電極12a-12i之間沒有明顯的電荷流動。然而，隨著棉花13水分含量的增大，其電導率也會增大。因此，隨著棉花13水分含量的增大，電荷從第一電極11a-11b和第二電極10a-10f流到接地電極12a-12i的速度也會增大。如圖2所示，電荷傾向于從正電荷電極例如是第一電極11a(如箭頭所示)流向最近的兩個接地電極例如是接地電極12c和12d。隨著電荷流向接地電極12a-12i，如果第一電極11a-11b和第二電極10a-10f上的電荷得不到補充，第一電極11a-11b和第二電極10a-10f上的電位相對于接地電極12a-12i上的電位就會逐漸下降。
如果第一電極11a-11b上的電位從一個初始值下降到一個低值所需要的時間是已知的，就可以確定電荷從第一電極11a-11b流向接地電極12a-12i的速度。同樣，如果第二電極10a-10f上的電位從一個初始值下降到一個低值所需要的時間是已知的，就可以確定電荷從第二電極10a-10f流向接地電極12a-12i的速度。這樣就能根據(jù)電荷流經(jīng)棉花13的速度來確定棉花13的水分含量。
圖3是按照本發(fā)明最佳實施例的一個水分含量確定電路6的功能性框圖。在圖中同樣表示了與接地電極陣列相互交叉的第一電極11a-11b和第二電極10a-10f。在最佳實施例中，第一電極11a-11b與第二電極10a-10f實際上是相同的。然而，第一電極11a-11b被連接到第一電極充電電路上，而第二電極10a-10f被連接到第二電極充電電路上。為了清楚起見，在圖3中僅僅表示了連接到第一電極11a上的一個第一電極充電電路14a，以及連接到第二電極10c上的一個第二電極充電電路30c。不言而喻的是，另一個第一電極11b連接到在圖3中沒有表示的一個第一電極充電電路上，它與第一電極充電電路14a是相同的，沒有必要表示在圖中。不言而喻的是，其他的第二電極10a，10b，10d，10e和10f被連接到其他第二電極充電電路上，它們在圖3中同樣沒有表示，但是最好還是與第二電極充電電路30c相同。
繼續(xù)參見圖3，水分測量是通過由電極放電定時器48在線46上向第一電極充電電路14a發(fā)送一個開始充電信號而啟動的。第一電極充電電路14a包括一個電荷發(fā)生器16a，它通過節(jié)點22a連接到第一電極11a和第一電容器18a。第一電容器18a的另一端是接地的。在電荷發(fā)生器16a接收到開始充電信號時，電荷發(fā)生器16a就產(chǎn)生存儲在第一電容器18a中的第一電荷。在圖3中用充電電流26a來表示從電荷發(fā)生器16a流向第一電容器18a的電荷。當電荷發(fā)生器16a通過線46從電極放電定時器48接收到一個停止充電信號時，電荷發(fā)生器16a就停止產(chǎn)生電荷，并且存儲在第一電容器18a中的第一電荷開始放電。
如圖3所示，第一電容器18a上的電荷有三種可能的路徑回到電荷發(fā)生器16a，去往一個電壓比較器24a，或者是去往第一電極11a。由于電壓比較器24a和電荷發(fā)生器16a的輸入阻抗與第三種選擇相比可能比較高，唯一的路徑就是通過第一電極11a對地放電的路徑。在圖3中用放電電流28a來表示從第一電容器18a流向第一電極11a的電荷。這樣，第一電容器18a上的電荷就會從第一電極11a通過棉花13流向最近的接地電極12c和12d。這一放電電流一直持續(xù)到第一電容器18a上的電荷耗盡為止，或者是一直到電流28a中斷。
隨著放電電流28a從節(jié)點22a上流出，節(jié)點22a上的電壓從電極放電定時器48發(fā)出放電信號的那一瞬時所處的第一電壓電平開始下降。在比較器24a中將節(jié)點22a的電壓和一個參考電壓VR相比較。電極放電定時器48包括用來檢測線60c上的初始邏輯電壓電平的一個計數(shù)器50c。電極放電定時器48還包括一個時鐘52，在最佳實施例中，它產(chǎn)生大約2MHz的周期性時鐘脈沖。顯然，根據(jù)指定的測量時間也可以采用其他的時鐘速率。包括時鐘52和計數(shù)器50c在內(nèi)的電極放電定時器48最好是用一個微處理器式的計算機構(gòu)成。
在停止充電信號被發(fā)送給電荷發(fā)生器16a時，計數(shù)器50c開始對時鐘脈沖計數(shù)，同時檢測線60c上的電壓電平。在最佳實施例中，線60c上的第一電壓電平是一個邏輯高電平，例如是5伏。隨著第一電容器18a放電，比較器24a的正輸入端上的電壓電平下降。當比較器24a正輸入端上的電壓電平下降到接近參考電壓VR的電平時，比較器24a輸出端上的電壓就會下降到邏輯低電平。當比較器24a的輸出電壓電平也就是線60c上的電壓下降到邏輯低電平時，計數(shù)器50c停止計數(shù)。這樣就能用計數(shù)器50c隨著比較器24a的正輸入端從第一或是初始值下降到第二或是后續(xù)值而對時鐘脈沖數(shù)計數(shù)來確定與第一電極11a有關的第一放電時間。
在圖3中還表示了第二電極充電電路30c，它包括通過節(jié)點36c連接到一個第二電極10c上的電荷發(fā)生器32c和第二電容器34c。電壓比較器38c的正輸入端也連接到接點36c上，比較器38c的輸出連接到線60d上。第二電極充電電路30c的工作方式與上述的第一電極充電電路14a類似。然而，這兩個傳感器充電電路之間的一個明顯差別在于電容器18a和34c的大小不同。由于存在電容值上的差別，在第二電容器34c上產(chǎn)生的第二電荷比第一電容器18a上形成的第一電荷要小。在下文中將要具體說明電荷電平的這一差別及其對本發(fā)明的操作的影響。
繼續(xù)參見圖3，在第一電極放電電流28a和28b流動時，計數(shù)器50c和50f分別檢測線60c和60f上的電壓電平，并且確定代表著與第一電極11a和11b有關的第一放電時間的脈沖計數(shù)值。在第二電極放電電流42a-42f流動時，計數(shù)器50a，50b，50d，50e，50g和50h分別檢測線60a，60b，60d，60e，60g和60h上的電壓電平，并且確定代表著與第二電極10a-10f有關的第二放電時間的脈沖計數(shù)值。這八個脈沖計數(shù)值被提供給一個水分含量計算器56。
由微處理器式的計算機構(gòu)成的水分含量計算器56根據(jù)來自計數(shù)器50a-50h的這八個脈沖計數(shù)值確定棉花13的水分含量。水分含量計算器56首先排除落在指定的時鐘脈沖范圍之外的任何脈沖計數(shù)值。在最佳實施例中，這一指定的范圍是2000到107個脈沖。在使用選定的2MHz時鐘時，這一范圍相當于大約一毫秒到五秒的一個時間窗口。因此，在最佳實施例中，只有脈沖計數(shù)不小于2000并且不大于107的選定的放電時間才能用來確定水分含量。水分含量計算器使用這些選定的放電時間按照以下的公式來確定棉花13的水分含量M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n1M2(m)n1+n2,(6)]]>其中的M是用濕量百分數(shù)表示的水分含量。上述公式中的M1(m)是用第一電極11a和11b的總共n1個選定的第一放電時間當中的第m個選定的第一放電時間來確定的棉花水分含量百分數(shù)。M2(m)是用第二電極10a-10f的總共n2個選定的第二放電時間當中的第m個選定的第二放電時間來確定的棉花水分含量百分數(shù)。M1(m)是用下式來確定的M1(m)=ln[(1.171×1013N1(m))0.663],-------(7)]]>其中的N1(m)是用來自第一電極的時鐘52的脈沖代表的第m個選定的第一放電時間。
M2(m)是用下式來確定的M2(m)=ln[(3.396×109N2(m))0.663],------(8)]]>其中的N2(m)是用來自第二電極的時鐘52的脈沖代表的第m個選定的第二放電時間。公式中給定的系數(shù)是為大約6．9伏的初始電壓值和大約4．64伏的低電壓值確定的。也可以確定針對其他電壓值的系數(shù)。
在本發(fā)明的最佳實施例中，n1是2，而n2是6。然而，顯而易見的是，按照本發(fā)明的確定水分含量的方法并不僅限于任何特定的n1或是n2值。另外，本發(fā)明也不僅限于n1和n2值之間的任何特定關系。
在本發(fā)明的典型應用中，水分含量計算器56將水分含量值M提供給軋棉機器內(nèi)部的一個水分控制系統(tǒng)54。水分控制系統(tǒng)54是例如皮棉干燥機的一種裝置，它使用水分含量值來調(diào)節(jié)棉花的水分含量，盡量減少棉花纖維的損傷，并且提高軋棉機的工作效率。這一水分含量值還被提供給一個水分含量顯示器58，例如是一個可供操作人員觀察的數(shù)字顯示器。
如上所述，第一電極充電電路14a和第二電極充電電路30c之間的一個差別在于電容器18a和34c的大小不同。在最佳實施例中，第一電極充電電路14a包括一個一微法的電容器18a，而第二電極充電電路30c包括一個270皮法的電容器34c。第一電容器18a的電荷存儲容量大約是第二電容器34c的3700倍。因此，當這兩個電容器18a和34c被充電到相同的初始電壓電平時，第一電容器18a所需要的放電時間比第二電容器34c的放電時間長。如果兩個放電電流28a和42c流過具有相同電導率的路徑例如是棉花13的采樣時也是這樣。
通過對相同的棉花水分含量采用具有不同放電時間的電容器18a和34c，就可以增大在選定的放電時間內(nèi)能夠測量的水分含量范圍。例如，如果棉花13的采樣具有14．9％的水分含量，在一微法電容器18a上的電位從6．9伏下降到4伏需要大約一毫秒。一毫秒相當于2MHz時鐘52的2000個脈沖，這一值處在選定的放電時間范圍之內(nèi)。然而，如果棉花13的采樣只有3．9％的水分含量，一微法電容器18a從6．9伏放電到4．64伏就需要2MHz時鐘52的3×1010個脈沖(四小時以上)。這樣長的放電時間對于快速測量水分的需要來說是不可能的，因而會落在選定的放電時間范圍之外。
另一方面，270皮法的電容器34c上的6．9伏初始電位在通過具有3．9％水分含量的棉花13放電時，下降到4．64伏需要大約9．48×106個脈沖(大約五秒)。由于軋棉機中典型的水分控制系統(tǒng)需要在每分鐘內(nèi)將水分測量值更新許多次，由270皮法的電容器34c所提供的小于五秒的放電時間最適合低水分測量。然而，270皮法對于測量具有高水分含量的棉花來說并不是合適的容量。例如，第二電容器34c在通過14．9％水分含量的棉花13放電時只需要2MHz時鐘52的不到一個脈沖。這樣的放電時間對于用最佳實施例的時鐘52來分辨來說可能是太短了。
上述的例子說明了本發(fā)明的雙重范圍水分檢測方案的補充特征。如果將第二電極充電電路設計成能夠測量3．9％到9．5％的水分，并且將第一電極充電電路設計成能夠測量9．3％到14．9％的水分，本發(fā)明的最佳實施例就能精確地測量11％寬度范圍內(nèi)的水分含量。這樣，本發(fā)明的水分測量范圍就能比現(xiàn)有技術裝備的測量范圍擴大兩倍以上。
從上文中可以看出，如果包括另外的多組電極，并且用比最佳實施例中所用的電容器更大或是更小的電容器充電，本發(fā)明的水分檢測范圍還可以進一步擴展。例如，可以用包括大于一微法的電容器的第三電極充電電路為一組第三電極充電。第三電極上的電荷水平可以將水分測量范圍擴展到比14．9％更高的水分等級。同樣，也可以用包括小于270皮法的電容器的第四電極充電電路為一組第四電極充電。第四電極上的電荷水平可以將水分測量范圍擴展到比3．9％更低的水分等級。在某一點上，電容器的大小可能會降到使漏電流變成更敏感因素的地步。然而，在此時可以使用具有更小的漏電流的電路。由此就可以看出，本發(fā)明的范圍并沒有受到僅僅兩個電極充電電平的限制。
其他顯而易見的情況還有，提供給最佳實施例的第一和第二電極的不同的電荷水平也可以利用其他不同手段而非不同大小的電容器來實現(xiàn)。只要在放電之前為第一和第二電極提供不同的初始電壓電平，就可以獲得不同的電荷水平。例如，在一個變更的實施例中，為第一電極提供第三電壓電平，為第二電極提供第四電壓電平，而第三電壓電平比第四電壓電平高。第一電極上較高的初始電壓電平使得第一電極上的電荷水平比第二電極上的電荷水平高。在這一變更的實施例中，第一放電時間是通過測量第一電極隨著放電電流從第一電極流到接地電極而從第三電壓電平下降到第五電壓電平所需的時間來確定的。同樣，第二放電時間是通過測量第二電極隨著放電電流從第二電極流到接地電極而從第四電壓電平下降到第六電壓電平所需的時間來確定的。這一變更實施例中的第五和第六電壓電平可以是相同或是不同的電壓電平。
參見圖4，圖中給出了第一電極充電電路14a的最佳實施例的更詳盡的說明。以下的說明同樣可以用于與充電電路14a功能相同的第一電極充電電路14b。從水分測量的充電部分開始，電極放電定時器48將線46上的電壓設定在一個邏輯高電平。線46被連接到一個固體開關器件138，例如是Analog Devices制造的序號為ADG419的器件，它響應邏輯高電平將固體開關134a和134b驅(qū)動到圖4中所示的位置開關134a閉合，開關134b打開。在這一狀態(tài)下，運算放大器(opamp)102正輸入端即節(jié)點100上的電壓與齊納二極管140正端上的節(jié)點141處在相同的電壓電平。opamp 102的輸出通過電阻122和二極管116及114連接到節(jié)點22a上。opamp 102的負輸入，第一電容器18a和第一電極11a也連接到節(jié)點22a上。opamp 102是一個為第一電容器18a充電的差分輸入放大器，直到節(jié)點22a上的電壓接近等于節(jié)點100上的電壓。
節(jié)點22a上的電壓也就是第一電容器18a和棉花采樣13上的電壓同樣出現(xiàn)在opamp 104的正輸入端上。opamp 104是一個單位增益緩沖器，它的阻抗很高的輸入連接到節(jié)點22a上。opamp 104的輸出驅(qū)動比較器24a，一個防護環(huán)118(在圖4中用虛線表示)，以及二極管112和114的陽極。防護環(huán)118用來盡量減小印刷電路板上的表面漏電流。opamp 104的輸出通過電阻124連接到二極管114的陽極，在電容器18a放電期間讓二極管114的的電壓接近零伏，這樣就能盡量減少通過二極管114的漏電流。節(jié)點147上的參考電壓VR(大約是4．7伏)被提供給比較器24a的負輸入端。在電容器18a放電到第二電壓的時候，比較器24a的輸出從電容器18a持續(xù)放電期間的邏輯高電平下降到邏輯低電平。電阻128和130將比較器24a的輸出邏輯電平削弱到適合通過緩沖opamp 108發(fā)送的一個電平。緩沖器108的輸出出現(xiàn)在線60c上。如圖3所示，線60c連接到電極放電定時器48的計數(shù)器50c的輸入端。在本發(fā)明的最佳實施例中，線60c上的初始電壓電平是邏輯高電平。
電極放電定時器48從它將線46設定為高邏輯電壓的時刻開始等待大約100毫秒，在這段時間內(nèi)為第一電容器18a充電，然后將線46上的電壓設定到邏輯低電平。這時，開關器件138就會改變狀態(tài)，開關134a打開，開關134b閉合。在這種狀態(tài)下，opamp 102被接地，而opamp 102輸出端上的電壓電平會下降。第一電容器18a上的電荷尋找阻抗最低的路徑接地，產(chǎn)生一個從第一電極11a通過棉花13流到接地電極12c和12d的放電電流28a。很少量的電荷流經(jīng)opamp 102的負輸入端，opamp 104的正輸入端和反向偏置的二極管114，這些元件都具有很高的阻抗。
幾乎是在同時，電極放電定時器48將線46上的電壓設定到邏輯低電平，計數(shù)器50c復位到零，并且開始對時鐘脈沖計數(shù)。計數(shù)器50c連續(xù)計數(shù)，直到線60c上的電壓下降到邏輯低電平。然后用水分含量計算器56讀出計數(shù)器50c的值，將其作為變量N1(1)。
盡管是為了清楚而在圖4中僅僅表示了一個第一電極充電電路14a的電路圖，本發(fā)明的最佳實施例還包括另一個連接到第一電極11b上的第一電極充電電路14b。第一電極充電電路14b與第一電極充電電路14a基本上是相同的，并且由兩個電路共享公共節(jié)點100，141和147。其結(jié)果是，如針對第一電極充電電路14a所述的測量順序的充電和放電部分的工作方式與第一電極充電電路14b是相同的。在完成了測量順序的放電部分時，水分含量計算器56讀出與第一電極充電電路14b有關的計數(shù)器50d的值，將其作為變量N1(2)。
繼續(xù)參見圖4來具體說明第二電極充電電路30c的一個最佳實施例。以下的說明同樣可以用于與充電電路30c功能相同的第二充電電路30a，30b和30d-30f。從水分測量的充電部分開始，電極放電定時器48將線46上的電壓設定在一個邏輯高電平。線46被連接到一個固體開關器件138，它響應邏輯高電平將固體開關134a和134b驅(qū)動到圖4中所示的位置開關134a閉合，開關134b打開。在這一狀態(tài)下，opamp 162正輸入端即節(jié)點100上的電壓與齊納二極管140正端上的節(jié)點141處在相同的電壓電平。opamp 162的輸出通過電阻172，二極管158和JFET 156連接到節(jié)點36c上。opamp 162的負輸入，第二電容器34c和第二電極10c也連接到節(jié)點36c上。opamp 162是一個為第二電容器34c充電的差分輸入放大器，直到節(jié)點36c上的電壓接近等于節(jié)點100上的電壓。
節(jié)點36c上的電壓也就是第二電容器34c和棉花采樣13上的電壓同時出現(xiàn)在opamp 164的正輸入端上。opamp 164是一個單位增益緩沖器，它的阻抗很高的輸入連接到節(jié)點36c上。opamp 164的輸出驅(qū)動比較器38c，一個防護環(huán)160(在圖4中用虛線表示)，二極管154和158的陽極，以及連接成二極管的JFET 156的柵極。防護環(huán)160用來盡量減小印刷電路板上的表面漏電流。opamp 164的輸出通過電阻170連接到JFET 156的柵極，在電容器34c放電期間讓JFET 156上的電壓接近零伏，這樣就能盡量減少通過JFET 156的漏電流。
節(jié)點147上的參考電壓VR(大約是4．7伏)被提供給比較器38c的負輸入端。在電容器34c放電到第二電壓的時候，比較器38c的輸出從電容器34c持續(xù)放電期間的邏輯高電平下降到邏輯低電平。電阻176和178將比較器38c的輸出邏輯電平削弱到適合通過緩沖opamp168發(fā)送的電平。緩沖器168的輸出出現(xiàn)在線60d上。如圖3所示，線60d連接到電極放電定時器48的計數(shù)器50d的輸入端。在本發(fā)明的最佳實施例中，線60d上的初始電壓電平是邏輯高電平。
電極放電定時器48從它將線46設定為高邏輯電壓的時刻開始等待大約100毫秒，在這段時間內(nèi)為第二電容器34c充電，然后將線46上的電壓設定到邏輯低電平。這時，開關器件138就會改變狀態(tài)，開關134a打開，開關134b閉合。在這種狀態(tài)下，opamp 162的正輸入端被接地，而opamp 162輸出端上的電壓電平會下降。第二電容器34c上的電荷尋找阻抗最低的路徑接地，產(chǎn)生一個從第二電極10c通過棉花13流到接地電極12d和12e的放電電流42c。很少量的電荷流經(jīng)opamp 162的負輸入端，opamp 164的正輸入端和連接成二極管的JFET 156的柵極／溝道，這些元件都具有很高的阻抗。
當電極放電定時器48將線46上的電壓設定到邏輯低電平時，計數(shù)器50d復位到零，并且開始對時鐘脈沖計數(shù)。計數(shù)器50d連續(xù)計數(shù)，直到線60d上的電壓下降到邏輯低電平。然后用水分含量計算器56讀出計數(shù)器50d的值，將其作為變量N2(3)。
盡管是為了清楚而在圖4中僅僅表示了一個第二電極充電電路34c的電路圖，本發(fā)明的最佳實施例還包括連接到第二電極10a，10b，10d，10e和10f上的另外五個第二電極充電電路30a，30b，30d，30e和30f。第二電極充電電路30a，30b，30d，30e和30f與第二電極充電電路30c基本上是相同的，并且由所有電路共享公共節(jié)點100，141和147。其結(jié)果是，如針對第二電極充電電路30c所述的測量順序的充電和放電部分的工作方式與第二電極充電電路30a，30b，30d，30e和30f是相同的。在完成了測量順序的放電部分時，水分含量計算器56分別讀出與第二電極充電電路30a，30b，30d，30e和30f有關的計數(shù)器50a，50b，50e，50g和50h的值，將其作為變量N2(1)，N2(2)，N2(4)，N2(5)和N2(6)。
盡管在本發(fā)明的最佳實施例中第一和第二電荷是同時分別提供給一組傳感器電極的，顯而易見的是，第一和第二電荷也可以在不同時間提供給同樣的一組傳感器電極。例如，可以將傳感器電極連接到開關上，根據(jù)開關的狀態(tài)將傳感器電極連接到第一充電電路或是第二充電電路。在這種變更的實施例中，測量順序從每個傳感器電極連接到對應的第一充電電路上開始。在第一電荷通過材料放電并且確定了第一放電時間之后，開關改變狀態(tài)，將傳感器電極連接到第二充電電路。第二充電電路向傳感器電極提供第二電荷，第二電荷通過材料放電，并且確定第二放電時間。從這一點開始按照與上述最佳實施例相同的方式根據(jù)第一和第二放電時間確定水分含量。由此可以看出，這種測量順序也可以掉換成在第一放電時間之前確定第二放電時間。
本領域的技術人員根據(jù)上文的說明和附圖顯然還可以對本發(fā)明的實施例進行修改和變更。因此，以上的說明和附圖僅僅是為了解釋最佳的實施例而不是為了限制，本發(fā)明的實質(zhì)和范圍是由附帶的權利要求書來確定的。
權利要求
1．一種裝置，它根據(jù)電荷通過材料的速度來測量材料的水分含量，該裝置包括水分傳感器，它具有第一電極，第二電極和相互交叉在第一電極和第二電極之間的接地電極以及水分含量確定電路，它向第一電極提供第一電荷，并且向第二電極提供第二電荷，其中的第一電荷和第二電荷處在不同的電荷水平，用來確定電荷從各自的第一和第二電極通過材料流到接地電極的速度，并且根據(jù)電荷流經(jīng)材料的速度來確定材料的水分含量。
2．按照權利要求1的裝置，其特征是水分含量確定電路中進一步包括電極充電電路，它包括第一電極充電電路，它們各自具有與一個第一電極相聯(lián)系的第一電容器，第一電容器被充電到第一電壓電平，將第一電壓電平提供給對應的一個第一電極，以及第二電極充電電路，它們各自具有與一個第二電極相聯(lián)系的第二電容器，第二電容器被充電到第一電壓電平，將第一電壓電平提供給對應的一個第二電極；一個放電定時器，用來確定與第一電極有關的第一放電時間，并且確定與第二電極有關的第二放電時間，用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平由于第一電容器的放電而下降到第二電壓電平的速度，用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平由于第二電容器的放電而下降到第二電壓電平的速度；以及一個水分含量計算器，用來根據(jù)第一和第二放電時間確定材料的水分含量。
3．按照權利要求2的裝置，其特征是放電定時器進一步包括用來產(chǎn)生周期性時鐘脈沖的時鐘；和至少一個計數(shù)器，在第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)，并且在第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)。
4．按照權利要求3的裝置，其特征是水分含量計算器僅僅根據(jù)選定的第一放電時間和選定的第二放電時間的次數(shù)來確定材料的水分含量，選定的第一和第二放電時間處在指定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)。
5．按照權利要求4的裝置，其特征是水分含量計算器根據(jù)選定的第一放電時間和選定的第二放電時間來確定材料的水分含量，其公式是M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n1M2(m)n1+n2,]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的材料中的水分含量。M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，而M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。
6．按照權利要求1的裝置，其特征是進一步包括第一電極，它包括平行的線性導體，每個平行的線性導體在電路上與每個其他平行線性導體都是絕緣的；第二電極，它包括平行的線性導體，每個平行的線性導體在電路上與每個其他平行線性導體都是絕緣的；并且接地電極包括離散的平行線性導體，它們與第一和第二電極平行線性導體保持平行，每個接地電極的離散平行線性導體在電路上與每個第一和第二電極平行線性導體都是絕緣的，并且每個接地電極的離散平行線性導體處在一個接地電位上。
7．按照權利要求1的裝置，其特征是上述材料是軋棉機中的棉花。
8．根據(jù)電荷流經(jīng)棉花的速度來測量棉花水分含量的一種裝置，該裝置包括一個水分傳感器，它具有具有平行的線性導體的第一電極，每個平行的線性導體在電路上與每個其他平行線性導體都是絕緣的；具有平行的線性導體的第二電極，每個平行的線性導體在電路上與每個其他平行線性導體都是絕緣的；并且接地電極具有離散的平行線性導體，它們相互交叉在第一和第二電極平行線性導體之間并且與其保持平行，每個接地電極的離散平行線性導體在電路上與第一和第二電極平行線性導體都是絕緣的，并且每個接地電極的離散平行線性導體處在一個接地電位上；以及一個水分含量確定電路，它具有電極充電電路，它包括第一電極充電電路，它們各自具有與一個第一電極相聯(lián)系的第一電容器，其電容量是一微法，第一電容器被充電到第一電壓電平，將第一電壓電平提供給對應的一個第一電極；以及第二電極充電電路，它們各自具有與一個第二電極相聯(lián)系的第二電容器，其電容量是270皮法，第二電容器被充電到第一電壓電平，將第一電壓電平提供給對應的一個第二電極；一個放電定時器，用來確定與第一電極有關的第一放電時間，并且確定與第二電極有關的第二放電時間，用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平由于第一電容器的放電而下降到第二電壓電平的速度，用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平由于第二電容器的放電而下降到第二電壓電平的速度，這一放電定時器具有用來產(chǎn)生2兆赫茲頻率的周期性時鐘脈沖的時鐘；和至少一個計數(shù)器，在第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)，并且在第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)；以及一個水分含量計算器，用來僅僅根據(jù)選定的第一放電時間的個數(shù)和選定的第二放電時間的個數(shù)來確定棉花的水分含量，選定的第一放電時間和選定的第二放電時間處在指定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)，水分含量計算器按照以下公式來確定棉花的水分含量其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的棉花的水分含量，
在以上的公式中，時鐘脈沖的指定范圍是2000個時鐘脈沖到107個時鐘脈沖之間，n1是選定的第一放電時間的個數(shù)，n2是選定的第二放電時間的個數(shù)，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的棉花的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的棉花的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)，N1(m)是時鐘脈沖中的第m個選定的第一放電時間，而N2(m)是時鐘脈沖中的第m個選定的第二放電時間。
9．根據(jù)電荷流過材料的速度來測量材料中水分含量的一種方法，該方法包括以下步驟為第一電極提供第一電荷；為第二電極提供第二電荷，第一電荷和第二電荷處在不同的電荷水平；第一電荷通過材料向相互交叉地連接在第一和第二電極之間的接地電極放電；第二電荷通過材料向接地電極放電；確定電荷從第一電極通過材料流到接地電極的速度；確定電荷從第二電極通過材料流到接地電極的速度；以及根據(jù)電荷流過第一電極的速度，并且根據(jù)電荷流過第二電極的速度來確定材料中的水分含量。
10．按照權利要求9的方法，其特征是向第一電極提供第一電荷的步驟中包括以下步驟將第一電容器充電到第一電壓電平；并且將第一電壓電平提供給第一電極；以及向第二電極提供第二電荷的步驟中包括以下步驟將第二電容器充電到第一電壓電平；并且將第一電壓電平提供給第二電極。
11．按照權利要求10的方法，其特征是確定電荷從第一電極通過材料流到接地電極的速度的步驟中包括確定與第一電極有關的第一放電時間的步驟，用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的速度；并且確定電荷從第二電極通過材料流到接地電極的速度的步驟中包括確定與第二電極有關的第二放電時間的步驟，用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的速度。
12．按照權利要求11的方法，其特征是確定與第一電極有關的第一放電時間的步驟中包括以下步驟產(chǎn)生周期性的時鐘脈沖；并且在第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)；并且確定與第二電極有關的第二放電時間的步驟中包括以下步驟產(chǎn)生周期性的時鐘脈沖；并且在第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)。
13．按照權利要求12的方法，其特征在于確定材料水分含量的步驟是僅僅根據(jù)選定的第一放電時間的次數(shù)和選定的第二放電時間的次數(shù)來執(zhí)行的，選定的第一放電時間和選定的第二放電時間處在一個指定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)。
14．按照權利要求13的方法，其特征是材料的水分含量是根據(jù)選定的第一放電時間和選定的第二放電時間按照以下的公式來確定的M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n2M2(m)n1+n2]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的材料中的水分含量，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，而M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。
15．按照權利要求9的方法，其特征是上述材料是軋棉機中的棉花。
16．根據(jù)電荷流過棉花的速度來測量棉花中水分含量的一種方法，該方法包括以下步驟用以下方法為第一電極提供第一電荷將電容量為一微法的第一電容器充電到第一電壓電平；并且將第一電壓電平提供給第一電極；用以下方法為第二電極提供第二電荷將電容量為270皮法的第二電容器充電到第一電壓電平；并且將第一電壓電平提供給第二電極；第一電荷通過棉花對接地電極放電，接地電極相互交叉在第一和第二電極之間；第二電荷通過棉花對接地電極放電；確定與第一電極有關的第一放電時間，用第一放電時間測量第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的速度，確定與第一電極有關的第一放電時間的步驟包括以下步驟產(chǎn)生2兆赫茲頻率的周期性時鐘脈沖；并且在第一電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的過程中對時鐘脈沖計數(shù)；確定與第二電極有關的第二放電時間，用第二放電時間測量第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的速度，確定與第二電極有關的第二放電時間的步驟包括以下步驟產(chǎn)生2兆赫茲頻率的周期性時鐘脈沖；并且在第二電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的過程中對時鐘脈沖計數(shù)；以及根據(jù)選定的第一放電時間的個數(shù)和選定的第二放電時間的個數(shù)來確定棉花的水分含量，選定的第一放電時間和選定的第二放電時間落入一個指定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)，確定棉花水分含量的步驟是按照以下的公式執(zhí)行的M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n2M2(m)n1+n2,]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的棉花的水分含量，
在以上的公式中，指定的時鐘脈沖范圍處在大約2000個時鐘脈沖到大約107個時鐘脈沖之間，n1是選定的第一放電時間的個數(shù)，n2是選定的第二放電時間的個數(shù)，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的棉花的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的棉花的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)，N1(m)是時鐘脈沖中的第m個選定的第一放電時間，而N2(m)是時鐘脈沖中的第m個選定的第二放電時間。
17．一種裝置，它根據(jù)電荷通過材料的速度來測量材料的水分含量，該裝置包括水分傳感器，它具有傳感器電極，和相互交叉在傳感器電極之間的接地電極；以及水分含量確定電路，它向傳感器電極提供第一電荷，并且向傳感器電極提供第二電荷，其中的第一電荷和第二電荷處在不同的電荷水平，用來測量第一電荷和第二電荷從傳感器電極通過材料流到接地電極的速度，并且根據(jù)第一電荷和第二電荷流經(jīng)材料的速度來確定材料的水分含量。
18．按照權利要求17的裝置，其特征是水分含量確定電路中進一步包括充電電路，它包括第一充電電路，用于向傳感器電極提供第一電荷，以及第二充電電路，用于向傳感器電極提供第二電荷；一個放電定時器，用來確定與第一電荷有關的第一放電時間，并且確定與第二電荷有關的第二放電時間，用第一放電時間測量傳感器電極上的第一電荷通過材料放電的速度，并且用第二放電時間測量傳感器電極上的第二電荷通過材料放電的速度；以及一個水分含量計算器，用來根據(jù)第一和第二放電時間確定材料的水分含量。
19．按照權利要求18的裝置，其特征是每個第一充電電路向?qū)囊粋€傳感器電極提供第三電壓電平；每個第二充電電路向?qū)囊粋€傳感器電極提供第四電壓電平；以及放電定時器通過測量第三電壓電平隨著傳感器電極上的第一電荷經(jīng)由材料放電而下降到第五電壓電平的速度來確定第一放電時間，并且通過測量第四電壓電平隨著傳感器電極上的第二電荷經(jīng)由材料放電而下降到第六電壓電平的速度來確定第二放電時間。
20．按照權利要求18的裝置，其特征是每個第一充電電路具有對應著一個傳感器電極的第一電容器，將第一電容器充電到第一電壓電平，再將第一電壓電平提供給對應的一個傳感器電極；每個第二充電電路具有對應著一個傳感器電極的第二電容器，將第二電容器充電到第一電壓電平，再將第一電壓電平提供給對應的一個傳感器電極；以及放電定時器通過測量傳感器電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的速度來確定第一放電時間，并且通過測量傳感器電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的速度來確定第二放電時間。
21．按照權利要求20的裝置，其特征是上述放電定時器進一步包括用來產(chǎn)生周期性時鐘脈沖的時鐘；以及至少一個計數(shù)器，用來在第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)，并且在第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)。
22．按照權利要求21的裝置，其特征是水分含量計算器僅僅根據(jù)選定的第一放電時間的個數(shù)和選定的第二放電時間的個數(shù)來確定材料的水分含量，選定的第一放電時間和選定的第二放電時間處在指定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)。
23．按照權利要求22的裝置，其特征是水分含量計算器根據(jù)選定的第一放電時間和選定的第二放電時間來確定材料的水分含量，其公式是M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n1M2(m)n1+n2,]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的材料中的水分含量，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，而M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。
24．按照權利要求17的裝置，其特征是進一步包括傳感器電極，它包括平行的線性導體，每個平行的線性導體在電路上與每個其它平行線性導體都是絕緣的；并且接地電極包括離散的平行線性導體，它們與傳感器電極平行線性導體保持平行，每個接地電極的離散平行線性導體在電路上與每個傳感器電極平行線性導體都是絕緣的，并且每個接地電極的離散平行線性導體處在一個接地電位上。
25．按照權利要求17的裝置，其特征是上述材料是軋棉機中的棉花。
26．一種根據(jù)電荷流經(jīng)材料的第一和第二速度來測量材料水分含量的方法，其特征是包括以下步驟向材料提供第一電荷；向材料提供第二電荷，其中的第二和第一電荷處在不同的電荷水平；通過材料使第一電荷放電；通過材料使第二電荷放電；在第一電荷放電時確定電荷流經(jīng)材料的第一速度；在第二電荷放電時確定電荷流經(jīng)材料的第二速度；以及根據(jù)電荷在第一和第二電荷放電時流經(jīng)材料的第一和第二速度來確定材料的水分含量。
27．按照權利要求26的方法，其特征是向材料提供第一電荷的步驟中包括向接觸到材料的傳感器電極提供第三電壓電平的步驟；向材料提供第二電荷的步驟中包括向傳感器電極提供第四電壓電平的步驟；確定電荷流經(jīng)材料的第一速度的步驟中包括確定與第一電荷有關的第一放電時間的步驟，用第一放電時間測量傳感器電極上的第三電壓電平隨著傳感器電極上的第一電荷通過材料放電而下降到第五電壓電平的第一速度；以及確定電荷流經(jīng)材料的第二速度的步驟中包括確定與第二電荷有關的第二放電時間的步驟，用第二放電時間測量傳感器電極上的第四電壓電平隨著傳感器電極上的第二電荷通過材料放電而下降到第六電壓電平的第二速度。
28．按照權利要求26的方法，其特征是向材料提供第一電荷的步驟中包括以下步驟將第一電容器充電到第一電壓電平；并且將第一電壓電平提供給接觸到材料的傳感器電極；向材料提供第二電荷的步驟中包括以下步驟將第二電容器充電到第一電壓電平；并且將第一電壓電平提供給傳感器電極；確定電荷流經(jīng)材料的第一速度的步驟中包括確定與第一電荷有關的第一放電時間的步驟，用第一放電時間測量傳感器電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的第一速度；以及確定電荷流經(jīng)材料的第二速度的步驟中包括確定與第二電荷有關的第二放電時間的步驟，用第二放電時間測量傳感器電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的第二速度。
29．按照權利要求28的方法，其特征是確定與第一電荷有關的第一放電時間的步驟中包括以下步驟產(chǎn)生周期性的時鐘脈沖；并且在傳感器電極上的第一電壓電平隨著第一電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)；并且確定與第二電荷有關的第二放電時間的步驟中包括以下步驟產(chǎn)生周期性的時鐘脈沖；并且在傳感器電極上的第一電壓電平隨著第二電容器放電而下降到第二電壓電平的同時對時鐘脈沖計數(shù)。
30．按照權利要求29的方法，其特征在于確定材料水分含量的步驟是僅僅根據(jù)選定的第一放電時間的個數(shù)和選定的第二放電時間的個數(shù)來執(zhí)行的，選定的第一放電時間和選定的第二放電時間處在一個指定的時鐘脈沖范圍之內(nèi)。
31．按照權利要求30的方法，其特征是材料的水分含量是根據(jù)選定的第一放電時間和選定的第二放電時間按照以下的公式來確定的M=Σm=1n1M1(m)+Σm=1n2M2(m)n1+n2,]]>其中的M是用按濕量計算的重量百分數(shù)表示的材料中的水分含量，M1(m)是用第m個選定的第一放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n1在內(nèi)的1和n1之間的一個整數(shù)，而M2(m)是用第m個選定的第二放電時間來確定的材料的水分含量，m是包括1和n2在內(nèi)的1和n2之間的一個整數(shù)。
32．按照權利要求26的方法，其特征是上述材料是軋棉機中的棉花。
全文摘要
一種裝置根據(jù)電荷從棉花中流過的速度來測量棉花的水分含量。該裝置包括一個水分傳感器,它具有第一電極,第二電極和相互交叉在第一和第二電極之間的接地電極。該裝置還包括水分含量確定電路,它向第一電極提供第一電荷,并且向第二電極提供第二電荷。水分含量確定電路確定電荷從各自的第一和第二電極通過棉花流到接地電極的速度,并且根據(jù)電荷流經(jīng)棉花的速度來確定棉花的水分含量。借助于向第一電極提供第一電荷,并且向第二電極提供第二電荷,該裝置能夠在很寬的水分含量范圍內(nèi)精確地測量出棉花的水分含量。這一寬范圍是這樣實現(xiàn)的,將第一電極上的第一電荷的等級設定在適當?shù)乃值燃?它是所需測量范圍的上限,而將第二電極上的第二電荷的等級設定在適當?shù)乃值燃?它是所需測量范圍的下限。
文檔編號G01N27/00GK1278918SQ98810916
公開日2001年1月3日 申請日期1998年10月23日 優(yōu)先權日1997年11月4日
發(fā)明者H·M·戈拉希, M·E·加爾約恩, T·V·布拉洛克 申請人:澤韋格路瓦有限公司