УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к исследованию и анализу материалов путем определения их физических свойств измерением электрической емкости и может быть использовано в экспресс-контроле влагосодержания электроизоляционных масел как в лабораторных условиях, так и непосредственно на объекте измерений (высоковольтные трансформаторы).

Известен электронный влагомер, описанный в патенте РФ №2046332, МПК7 G01N 27/22, содержащий измерительный автогенераторный преобразователь, опорный генератор, блок сравнения частот измерительного автогенераторного преобразователя и опорного генератора и измерительный прибор.

К недостаткам данного устройства относятся:

- недостаточная надежность в эксплуатации, обусловленная низкой степенью интеграции, и

- невысокая точность измерений при определении малых значений влагосодержания.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения влажности по патенту Японии №2-22338, з. №56-73376 от 18.05.81 г., опубликованному в реферативном журнале «Изобретения стран мира», №7, вып.84, 1991 г., стр.98, МПК7 G01N 27/22 под названием "Устройство для измерения влажности", в котором влажность определяется по изменению электростатической емкости, а в качестве измерительных сигналов используются импульсы. Устройство для измерения влажности состоит из дифференциального аналогового преобразователя, индикатора и измерительного емкостного датчика в виде погружной пары электродов.

Недостатками данного устройства являются:

- малая степень интеграции электронного узла устройства, затрудняющая его настройку и воспроизведение;

- низкая точность, обусловленная влиянием существующей девиации величины собственной диэлектрической проницаемости ε_м тестируемого объекта (трансформаторное масло) и влиянием на контролируемый параметр температуры.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства простого в конструктивном исполнении и надежного в эксплуатации (что значительно упрощает процедуру его тиражирования), обеспечивающего проведение точных измерений влагосодержания проб трансформаторных масел вне зависимости от величины собственной диэлектрической проницаемости ε_м тестируемых объектов.

Технический результат заключается в исключении влияния на выходной сигнал устройства, пропорциональный влагосодержанию, девиации величины ε_м (высокая избирательность устройства) и температуры тестируемого объекта. Упрощение конструкции и повышение надежности прибора достигается минимизацией количества электронных компонентов за счет интегральной микросхемы преобразователя емкость-напряжение, выполняющей функции генератора тестирующих импульсов, интегратора, сумматора и амплитудного детектора. Повышение точности измерений достигается за счет использования дифференциальной схемы измерений при одновременном воздействии на объект измерений импульсного магнитного поля.

Это достигается тем, что в устройство для измерения влажности, состоящее из дифференциального аналогового преобразователя, индикатора и измерительного емкостного датчика в виде погружной пары электродов, дополнительно введены программируемый контроллер и компенсационный емкостной датчик, выполненный также в виде погружной пары электродов с системой электромагнитных катушек с встречным соединением, измерительный емкостной датчик дополнен системой электромагнитных катушек с согласованным соединением, при этом каждая из электромагнитных катушек электрически соединена с соответствующими источниками импульсного тока, управляемыми импульсом, генерируемым тактовым выходом программируемого контроллера, запуск программируемого контроллера осуществляется от схемы запуска, а информационный сигнал, регистрируемый программируемым контроллером, формируется дифференциальным аналоговым преобразователем емкость-напряжение, электрически связанным с измерительным и компенсационным емкостными датчиками, вывод информации в единицах влагосодержания осуществляется с программируемого контроллера на индикатор, обнуление которого осуществляет контроллер.

Кроме того, дифференциальный аналоговый преобразователь выполнен в виде микросхемы.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки (дополнительно введены программируемый контроллер и компенсационный емкостной датчик, выполненный также в виде погружной пары электродов с системой электромагнитных катушек с встречным соединением, измерительный емкостной датчик дополнен системой электромагнитных катушек с согласованным соединением, при этом каждая из электромагнитных катушек электрически соединена с соответствующими источниками импульсного тока, управляемыми импульсом, генерируемым тактовым выходом программируемого контроллера, запуск программируемого контроллера осуществляется от схемы запуска, а информационный сигнал, регистрируемый программируемым контроллером, формируется дифференциальным аналоговым преобразователем емкость-напряжение, электрически связанным с измерительным и компенсационным емкостными датчиками, вывод информации в единицах влагосодержания осуществляется с программируемого контроллера на индикатор, обнуление которого осуществляет контроллер) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена схема устройства для измерения влажности.

Устройство размещено в едином корпусе 1, содержащем две пары плоскопараллельных электродов с выступанием за пределы корпуса 1, образующих, соответственно, измерительный емкостной датчик 2 и компенсационный емкостной датчик 3. На тыльных поверхностях электродов размещены электромагнитные катушки с намотанным на них проводом, образующие две системы электромагнитных катушек: измерительную 4 (согласованное соединение) и компенсационную 5 (встречное соединение). Каждая из электромагнитных катушек электрически соединена с соответствующими источниками импульсного тока 6, управляемыми импульсом, генерируемым тактовым выходом программируемого контроллера 8. Запуск контроллера 8 осуществляется от схемы запуска 10, а информационный сигнал, регистрируемый контроллером 8, формируется дифференциальным аналоговым преобразователем емкость-напряжение 7, выполненным в виде единой микросхемы, например, Hemics и электрически связанным с измерительным и компенсационным емкостными датчиками 2 и 3. Вывод информации в единицах влагосодержания осуществляется с контроллера 8 на индикатор 9, размещенный на лицевой стороне корпуса 1 устройства.

Устройство работает следующим образом. Емкостные датчики 2 и 3 (электроды), изготовленные из кислотостойкого и неферромагнитного металла, погружаются в тестируемую жидкость 11, например трансформаторное масло. После этого от схемы запуска 10 осуществляется активация прибора. Контроллер 8 осуществляет "обнуление" индикатора 9, отражающего результат предыдущего измерения. Одновременно с тактового выхода контроллера 8 осуществляется запуск импульсных источников тока 6, запитывающих соответствующие электромагнитные катушки 4 и 5, например, Гельмгольца, за счет чего в межэлектродных пространствах емкостных датчиков 2 и 3 создаются мощные однородные магнитные поля. При этом в межэлектродном пространстве измерительного датчика 2 поле образовано разноименными полюсами (согласованное включение электромагнитных катушек, например, Гельмгольца), в межэлектродном пространстве компенсационного датчика 3 поле образовано одноименными полюсами (встречное включение электромагнитных катушек, например, Гельмгольца). Измерение разницы величин электроемкостей датчиков 2 и 3, пропорциональное величине влагосодержания, непрерывно осуществляет аналоговый дифференциальный преобразователь емкость-напряжение 7, выполняющий функцию амплитудного детектора и выделяющий максимальный сигнал, соответствующий максимальной чувствительности устройства. Далее этот сигнал (уровень напряжения) поступает на вход программируемого контроллера 8, где, в соответствии с ранее заложенной программой, осуществляется перевод уровня напряжения в соответствующее значение величины влагосодержания, которое сохраняется в контроллере 8 до начала следующего измерения и отражается на индикаторе 9.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в магнитном поле, образованном разноименными полюсами (согласованное включение электромагнитных катушек, например, Гельмгольца), повышается диэлектрическая проницаемость смесей полярный компонент (вода) - неполярный компонент (масло). В магнитном поле, образованном одноименными полюсами (встречное включение электромагнитных катушек, например, Гельмгольца), диэлектрическая проницаемость таких смесей уменьшается. Известно, что неполярные диэлектрики нечувствительны к воздействию магнитного поля, поэтому очевидно, что описанное выше явление обусловлено присутствием в смеси полярного компонента (вода).

Поэтому вычитание из результата первого измерения (разноименные полюса) результата второго измерения (одноименные полюса) исключает влияние на итоговый сигнал величины собственной ε_м тестируемого объекта (трансформаторного масла).

Тем самым исключается чувствительность устройства к вариациям ε_м и повышается точность измерений. Одновременное проведение двух подобных измерений с использованием дифференциального метода позволяет исключить влияние изменения температуры тестируемого объекта на итоговый результат.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: устройство для измерения влагосодержания предназначено для экспресс-контроля влагосодержания электроизоляционных масел как в лабораторных условиях, так и непосредственно на объекте измерений (высоковольтные трансформаторы).

Устройство, воплощенное в заявленном изобретении, позволило:

- повысить точность измерений влагосодержания проб тестируемого объекта (например, трансформаторного масла) за счет исключения влияния на выходной сигнал устройства девиации величины собственной диэлектрической проницаемости ε_м;

- обеспечить низкую погрешность измерений за счет снижения влияния температуры тестируемого объекта на результат;

- упростить конструкцию устройства, обеспечив простую процедуру его тиражирования;

Таким образом, устройство для измерения влажности, воплощенное в заявленном изобретении, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Устройство для измерения влажности предназначено для проведения экспресс-контроля влагосодержания электроизоляционных масел. Устройство для измерения влажности состоит из дифференциального аналогового преобразователя, индикатора и измерительного емкостного датчика в виде погружной пары электродов, при этом в него дополнительно введены программируемый контроллер и компенсационный емкостной датчик, выполненный также в виде погружной пары электродов с системой электромагнитных катушек с встречным соединением, измерительный емкостной датчик дополнен системой электромагнитных катушек с согласованным соединением, при этом каждая из электромагнитных катушек электрически соединена с соответствующими источниками импульсного тока, управляемыми импульсом, генерируемым тактовым выходом программируемого контроллера, запуск программируемого контроллера осуществляется от схемы запуска, а информационный сигнал, регистрируемый программируемым контроллером, формируется дифференциальным аналоговым преобразователем емкость-напряжение, электрически связанным с измерительным и компенсационным емкостными датчиками, вывод информации в единицах влагосодержания осуществляется с программируемого контроллера на индикатор, обнуление которого осуществляет контроллер. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений влагосодержания проб тестируемого объекта, например трансформаторного масла, и упрощение конструкции устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения влажности, состоящее из дифференциального аналогового преобразователя, индикатора и измерительного емкостного датчика в виде погружной пары электродов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены программируемый контроллер и компенсационный емкостной датчик, выполненный также в виде погружной пары электродов с системой электромагнитных катушек с встречным соединением, измерительный емкостной датчик дополнен системой электромагнитных катушек с согласованным соединением, при этом каждая из электромагнитных катушек электрически соединена с соответствующими источниками импульсного тока, управляемыми импульсом, генерируемым тактовым выходом программируемого контроллера, запуск программируемого контроллера осуществляется от схемы запуска, а информационный сигнал, регистрируемый программируемым контроллером, формируется дифференциальным аналоговым преобразователем емкость-напряжение, электрически связанным с измерительным и компенсационным емкостными датчиками, вывод информации в единицах влагосодержания осуществляется с программируемого контроллера на индикатор, обнуление которого осуществляет контроллер.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дифференциальный аналоговый преобразователь выполнен в виде микросхемы.