ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при определении характеристик двухфазных сред в авиационном двигателестроении, тепловой энергетике, нефтегазовой, фармацевтической, химической промышленности, криогенной технике.

Известно устройство для измерения объема нерастворенного газа в жидкости /1/, служащее для определения концентрации нерастворенного газа в двухфазной смеси. Данное устройство обладает высокой точностью и используется, в основном, для измерения малых объемных концентраций нерастворенного газа в жидкости, поскольку при его использовании требуется создание больших избыточных давлений для полного растворения газа в жидкости. Так, например, для полного растворения газа в смеси с объемной концентрацией газовой фазы 50 при атмосферном давлении и температуре 0 ^oC потребуется двенадцатикратное повышение давления. Кроме того, применение данного устройства для исследования двухфазных потоков в трубопроводах и коммуникациях маслосистем авиационных двигателей невозможно, поскольку, во-первых, включение данного устройства в трубопроводную систему исказит режимы работы двигателя и, во-вторых, в силу своей громоздкости оно не может быть смонтировано на стенде для исследования авиационных двигателей и тем более не может быть применено при летных испытаниях; данное устройство в основном предназначено для градуировки расходомеров.

Известен электроемкостной измеритель концентрации /2/ прототип, содержащий генератор переменного напряжения, усилитель, фазовый детектор, образующие электронный преобразователь, а также электроемкостной датчик с соединительной линией, индуктивности, конденсаторы и контрольный конденсатор, корректирующий нуль выходного сигнала.

Недостаток известного решения состоит в том, что при его использовании не удается избежать ряда погрешностей, обусловленных: 1) необходимостью наличия длинной линии связи между электроемкостным датчиком, помещаемым на изделии, и измерительной аппаратурой, помещаемой на пульте, что требует применения длинного кабеля, обладающего значительной емкостью. Малое изменение емкости электроемкостного датчика (порядка 1-0,1 пФ) не может быть с достаточной точностью определено на фоне большой емкости соединительного кабеля (порядка 500-2000 пФ); 2) тем, что при проведении высотных климатических и летных испытаний отдельные части соединительного кабеля могут находиться в температурных условиях, значительно отличающихся от условий градуировки, в силу чего суммарное температурное изменение емкости соединительной линии может превышать полезное изменение емкости электроемкостного датчика, увеличивая погрешность измерения на сотни процентов; 3) деформацией измерительного кабеля, возникающей в процессе проведения эксперимента и вызывающей изменение емкости измерительной линии, что приводит к возникновению погрешностей, доходящих до 40-50 4)тем, что помещение контрольного конденсатора постоянной емкости в месте подсоединения электроемкостного датчика к магистрали не может решить вопроса повышения точности измерения, поскольку при проведении высотных, климатических и летных испытаний контрольный конденсатор будет находиться в температурных условиях, сильно отличающихся от условий градуировки, что может изменить его емкость на 20-30 и, соответственно, увеличить погрешность измерения.

Задачей, решаемой предложением, является повышение точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в электроемкостном измерителе концентрации, содержащем генератор переменного напряжения, усилитель, фазовый детектор, образующие электронный преобразователь, конденсаторы и индуктивные элементы, контрольный конденсатор, корректирующий нуль выходного сигнала, соединительную линию в виде экранированного кабеля, в котором размещена электропроводящая жила, подсоединенная к электроемкостному датчику; между датчиком и преобразователем установлен модуль сопряжения в виде емкостно-индуктивного моста, два плеча которого составлены из индуктивных элементов, а два других из электропроводящей жилы с датчиком и второй электропроводящей жилы, расположенной в экранированном кабеле.

На фиг. 1 дана блок-схема электроемкостного измерителя концентрации; на фиг.2 принципиальная схема модуля сопряжения датчика сплошности (МСДС).

Устройство (фиг. 1) содержит электроемкостной датчик 1, соединительную линию 2 (экранированный кабель), модуль сопряжения (МСДС) 3, электронный преобразователь 4, состоящий из усилителя 5, фазового детектора 6 и генератора переменного напряжения 7, и регистрирующей аппаратуры: вольтметра 8 (В7-43) и информационно-измерительной системы сбора и обработки информации 9 на базе ЭВМ (СМ-1300).

Модуль сопряжения (МСДС) (фиг.2) представляет собой индуктивно-емкостной мост, состоящий из индуктивностей 10, 11, трансформатора 12, обеспечивающего питание моста, а также емкостей 13, 14 и датчика 1. Емкость 15 является подстроечной и служит для уравновешивания моста, емкости 16 и 17 служат для калибровки электрического тракта, и они имитируют емкости электропроводящих жил 18 и 19 экранированного кабеля при калибровке электрического тракта.

Подключение контрольных конденсаторов 16, 17 и отключение датчика 1 с соединительной линией 2 осуществляется реле 21, которое запитывается через кнопку 22 оператором от источника питания 23.

Емкости проводов 18 и 19 соединительной линии 2 включаются в противоположные плечи емкостно-индуктивного моста и образуют две взаимно компенсирующие емкости для компенсации паразитной емкости соединительной линии 2. Электропроводящие жилы 18 и 19 соединительной линии, имеющие равные паразитные емкости (на схеме условно показаны как C_пк18 и C_пк19), включаются в противоположные плечи емкостно-индуктивного моста и образуют две взаимно компенсирующие емкости для компенсации как паразитной емкости соединительной линии, так и температурной погрешности измерительной схемы, емкостно-индуктивного моста, и синхронно изменяют свою емкость при измерении температуры окружающей среды. Электроемкостной измеритель концентрации градуируется при двух крайних состояниях: датчик 1 полностью заполнен воздухом и полностью заполнен испытуемой жидкостью. Сначала для проведения градуировки к соединительной линии 2 подключают датчик 1, заполненный воздухом, а преобразователь 4 регулируют так, чтобы вольтметр 8 показывал ноль. Нажатием кнопки 22 отключают соединительную линию 2 с датчиком 1 от модуля сопряжения 3 и подключают к плечам емкостно-индуктивного моста контрольные емкости 16 и 17. При этом на вольтметре 8 регистрируют значение U_з, которое в дальнейшем используют для подстройки нуля системы. Отжатием кнопки 22 подключают датчик 1 с электропроводящей жилой 18 соединительной линии 2 к плечам моста. Датчик 1 погружают в емкость (на схеме условно не показана), заполненную чистой (без пузырьков воздуха) жидкостью; при этом измеряют температуру жидкости термометром (на фиг.1 условно не показан) и регистрируют значение напряжения U_ж на вольтметре 8. На этом градуировка заканчивается.

Затем датчик 1, подключенный с помощью соединительной линии 2 к электроемкостному измерителю концентрации согласно фиг. 1, помещают в поток исследуемой жидкости и регистрируют напряжение с помощью вольтметра 8 или информационно-измерительной системы 9.

С целью контроля за уходом нуля преобразователя 4 нажатием кнопки 22 отключают соединительную линию 2 с датчиком 1 от модуля сопряжения 3, подключают к плечам моста контрольные емкости 16, 17 и с помощью регулировки преобразователя 4 устанавливают на вольтметре 8 значение U_з, которое было получено при градуировке системы. Контроль U_з осуществляется через определенные промежутки времени оператором, ведущим эксперимент.

По предлагаемому изобретению в институте разработан и создан опытный образец электроемкостного измерителя концентрации газа в жидкости, который позволяет выявить скрытые дефекты масляных и топливных систем авиационных двигателей, а также сократить время доводки указанных систем на 10-15
Исследования созданного электроемкостного измерителя концентрации на стендах ЦИАМ показали его высокую стабильность, повторяемость результатов, приведенная погрешность измерения концентрации газа в жидкости составляет около 2
По сравнению с базовым объектом предлагаемый обеспечивает повышение точности измерения в 2-2,5 раза и позволяет проводить измерения на расстоянии от объекта до 12-15 м. Внедрение созданного измерительного комплекса в народное хозяйство позволит сократить время доводки масляных, топливных, гидравлических систем не только авиационных двигателей, но и наземных установок, а также способствовать выявлению скрытых дефектов этих систем.

Кроме того, предлагаемое решение позволяет сократить время измерения в 2-4 раза за счет автоматического контроля измерительного тракта и использования автоматизированных систем сбора и обработки информации.

Кроме авиационной промышленности, изобретение может быть использовано в энергетической, химической, фармацевтической, пищевой, нефтегазовой промышленности, а также при исследовании характеристик потоков криогенных жидкостей.

Подсчитать экономический эффект от внедрения в народное хозяйство в настоящее время не представляется возможным ввиду отсутствия данных.

Использование: контрольно-измерительная техника. Сущность изобретения: электроемкостный измеритель концентрации содержит генератор переменного напряжения, усилитель, фазовый детектор, образующие электронный преобразователь, конденсаторы и индуктивные элементы, контрольный конденсатор, корректирующий нуль выходного сигнала, соединительную линию в виде экранированного кабеля, в котором размещена электропроводящая жила, подсоединенная к электроемкостному датчику. Между датчиком и преобразователем установлен модуль сопряжения в виде емкостно-индуктивного моста, два плеча которого составлены из индуктивных элементов, а два других - из электропроводящей жилы с датчиком и второй электропроводящей жилы, расположенной в экранированном кабеле. 2 ил.

Электроемкостный измеритель концентрации, содержащий генератор переменного напряжения, усилитель, фазовый детектор, образующие электронный преобразователь, конденсаторы и индуктивные элементы, контрольный конденсатор, корректирующий ноль выходного сигнала, соединительную линию в виде экранированного кабеля, в котором размещена электропроводящая жила, подсоединенная к электроемкостному датчику, отличающийся тем, что между датчиком и преобразователем установлен модуль сопряжения в виде емкостно-индуктивного моста, два плеча которого составлены из индуктивных элементов, а два других из электропроводящей жилы с датчиком и второй электропроводящей жилы, расположенной в экранированном кабеле.