Емкостной датчик измерения физико-химических свойств рыхлых и сыпучих веществ Советский патент 1984 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении физико-химических свойств, например влажности рыхлых и сыпучих/веществ (шерсть, хлопок , зерно, песок и т.д.).

Известен поверхностный емкостной датчик влажности, состоящий из изоляционного основания, на котором заркпелены.копланарные концентрические злектроды. На наружном электроде заркпелены опоры, которые позво лят уменьшить погрешность измерения обусловленную влиянием неровности поверхности вещества ,til7 ,

Недостатком этого датчика является наличие цргрешностей измерения, обусловленных с температурными изменениями геометрических размеров электродов и диэлектрических свойств изоляционного основания и измеряемо го вещества, а также погретиностей, возиикаюш,их из-за неодинаковой степени прижатия датчика к измеряемЪму веществу.

Наиболее близким к изобретению является емкостный датчик для изме- рения физико-химических свойств рыхлых, и сыпучих веществ, содержащий диэлектрическое основание, на одной из сторон которого закреплены игольчатые электроды с электрическими выводами Г23 ,

В известном датчике основное элек трическое поле распалается между электродами на существенной глубине измеряемого вещества, поэтому боль™ шое отютснение поверхностной влажности от средней влажнос.-и вещества не влияет сущесхвенно на емкость датчика а следовательнор не вносит ся допсзлнительная погрешность в результат измерения.

Недостатком известного датчика является наличие погрешностей изме- ренияр обусловленных температурными изменениями геометрических размеров электродов и диэлектрических свойств диэлектрического основания и измеряемого вещества, а также погрешностей 5 возникающих нз-за неодинаковой степени прижатия дат- , чика к измеряемому веществу.

Цель изобретения - повышение точ ности измерения за счет устранения влияния на результат измерения темперутуры и плотности исследуемого вещества,

Поставленная цель достигается тем,- что в емкостном датчикеj, содержащем диэлектрическое основание, на одной из сторон которого закреплены игольчатые электроды с электрическими выводами, на другой стороне основания размещена цилиндрическая камера с по манем, заполненная веществом, аналогичным по физиксз-химическим свойствам исследуемому, при

этом в камере расположены дополнительные электроды, выполненные идентично имеющимся электродам и закрепленные на основании напротив них.

На чертеже схематически изображен 5 предлагаемый емкостный датчик, фронтальный разрез.

Емкостный датчик состоит из диэлектрического основания 1, выполненного из материала с большим коэффи

0 циентом теплопроводности/ на котором закреплены низкопотенциальные И1 ольчатые электроды 2 и 3 и высокопотенциальные электроды 4 и 5. Низкопотендиальные электроды 2 и

5 высокопотенциальный электрод 4 погружены в измеряемое вещество 6, заключенное -в диэлектрическую оболочку 7, а низкопотенциальные электроды 3 ,и высокопотенциальный

Q электрод 5 - в цилиндрическую камеру 8, Камера заполнена веществом 9 с из вестными физико-химически1 1и свойствами. Диэлектрическая перегородка 10, закрепленная с помощью

5 фланца 11 на одном торце цилиндра 8 и подвижного поршня 12.

Низкопотенциальные электроды 2 и высокопотенциальный электрод 4 образуют измерительный конденсатор,

а низкопотенциальные электроды 3

и высокопотенциальный электрод 5 образцовый конденсатор. Эти конденсаторы (измерительный и образцовый представляюиу-зе собой емкостный датчик, включаются в измерительную диф

5 ференциальную схему, например мостО вую„ Число низкопотенциальных и вы сок-опот8нциальных электродов датчика и их геометрию определяют исходя из свойств измеряемого объекта , ,

0 UiepcTb, хлопок, песок- зерно и т,д„5,

Для Исключения влияния посторон них предмаетов, а также частей дат« чика (.цилиндра, поршня и т,д } на

5 результатт измерения необходимо

низкопотенциальные игольчатые элекхроды располагать вокруг высокопо тенциальных (для создания эффекта экранирования ),.

j. Симметричное расположение элек тродов (высокопотенциальных и ниэкопотенциальных / как по форме, так и ПС расположению по обе стороны диэлектрического основания 1, а же использование материала для

диэлектрического основания 1 с

большим коэффициентом теплопроводности позволяют исключить погрешности измерения, обусловленные температурными измерениями геометри0 ческих размеров электродов и диэлектрических свойств диэлектрического основания 1, Это объясняется тем, что температурные изменения диэлектрических свойств будут изменяться

5 одинаковым образом по всему объему основания 1, следовательно, эти изменения диэлектрических свойств основания 1 будут в равной мере влиять на емкос±ь как измерительного, так и образцового конденсаторов Так как результат измерения получают из разности сигналов (емкостей ) конденсаторов, то неинформативные сигналы, обусловленные изменением диэлектрических свойств осгнования будут взамно скомпенсированы и дополнительной погрешности не внесут Аналогичным образом компенсируется погрешность измерения, обусловленная температурным дрейфом геометрических размеров электродов Это следует из того, что при дрейфе температуры геометрические размеры электродов измерительного и образцового конденсаторов будут также изменяться одинаковым образом, что вызовет в них равные приращения емкостей. Исключение погрешностей измерения, обусловленных температурным изменением диэлектрических свойств измеряемого вещества 6, достигаетс за счет применения аналогичного ве щества 9 с известными физико-химическими свойствами, Очевидно, что при изменении температуры будут одинаковым образом изменяться диэлектрические свойства веществ б ;И 9. Эти изменения вызовут одинако , вые приращения емкостей в измерительном и образцовом конденсаторах Так как результат измерения получа ют из разности сигналов (емкостей) конденсаторов, то эти температурны изменения диэлектрических свойств веществ 6 и 9 не вызовут изменение сигнала на выходе измерительной системы. 1 Исключение погрешностей измере НИН, возникакщих из-за неодинаковой степени прижатия емкостного датчика к измеряемому веществу б, достигается за счет применения цилиндрической камеры, состоящей из аналогичнол-О вещества 9 с известными физико-химическими свойствами, поме щенного внутрь цилиндра 8, один торец -которого закрйлт плоской диэлектрической перегородкой 10 с помощью фланца 11, а в другой торцовой части находится подвижный поршень 12 Положительный эффект достигается за счет воздействия на датчик силыр обеспечивакяцего его плотное прилега кие к измеряемому веществу б, через вещество 9 с известными физико-химическими свойствами. С помощью под вижного поршня 12 через вещество 9 происходит прижатие емкостного дат,чика к измеряемому веществу б. Силы уплотняющие измеряемое вещество б и вещество 9, одинаковы. Так как применены вещества 6 и 9 одного и того же типа, степень уплотнения от воздействия На них сил будет примерно одинаковой. Поэтому, приращение емкостей измерительного и образцового конденсоаторов при изменении веществ б и 9 будет также одинаковой. Следовательно, выходной сигнал на выходе измерительной схемы не будет существенно изменяться при изменении силы прижатия, что может иметь место при измерении. Емкостный датчик работает следующим образом. Емкостный датчик, состоящий из диэлектрического основания 1 с закрепленными на нем низкопотенциальными игольчатыми электродами 2 и 3 и высокопотенциальными игольчатыми электродами 4 и 5, подключается к измерительной дифференциальной схеме, например мостовой. Емкость измерительного конденсатора, состоящего из низко- и высокопотенциальных электродов 2 и 4 должна быть равна емкости образцового конденсатора, состоящего из низко- и высокопотенциального электродов 3 и 5. При отсутствии веществ б и 9 в межэлектродном пространстве емкостного датчика выходной сигнал на выходе измерительной дифференциальной схемы должен быть близок к нулю, так как сигналы от измерительного и образцового конденсаторов взаимно компенсируются. При погружении электродов 3 и 5 измерительного конденсатора в измеряемое вещество б (например, в кипу шерсти ), а электродов 2 и 3 образцового конденсатора - в цилиндричес кую камеру емкости конденсаторов-возрастают. Для исключения дополнительных погрешностей необходимо, чтобы диэлектрическая оболочка 7 и диэлекрическая перегородка 10 в камере 8 были ИЗ одного и того же материала. Плотное соприкосновение емкости датчика с измеряемым веществом б и камерой 8 осуществляется при помощи силы F, прикладываемой к поршню 12, который может свободно перемещаться р цилиндрической Kahiepe. При равенстве физико-химических свойств (например, влажности ) веществ б к 9 емкости измерительного и образцового конденсаторов равны, а выходной сигнал на выходе измерительной дифференциальной схемы останется без изменения и близок к нулю. При изменении(например, увеличении влажности измеряемого вещества 6 емкость измерительного конденсатора возрастает по сравнению с емкостью образцового конденсатора. На выходе измерительной схемы появляется сигнал, величина которого

пропорциональна приращению емкости в измерительном конденсаторе, т.е. пропорциональна приращению влажности измеряемого вещества б. Для исключения возможности короткого замыкания электродов поршень 12 должен быть изготовлен из диэлектрического материала. Цилиндр 8 может бить металлическим, так как его проводящие свойства не влияют на емкость образцового конденсатора благодаря надежной экранировке высокопотенци апьных электродов низкопоТенциаль иымк,

Таким образом, в данном емкостном датчике исключены погрешности, обусловленные температурными изменениями геометрических размеров электродов и диэлектрических свойст диэлектри 1еского основания и измеряемого вещества, а также погрешности, возникающие из-за неодинаковой степени прижатия датчика к измеряемому веществу. Исключение указанных погрешностей в емкостном датчике позволяет применить его для контроля малых влажностей в веществах (шерсть, хлопок, зерна и т..д/i, что расширяет область применения устройства,. Применение емкостного датчика для измерения влажности шерсти в кипах позволяет существенно упростить процесс определения влажности, что делает возможным уменьшение трудоемкости, сокращение до мин проведения одного измерения, при этом отпадает необходимость в нарушении целостности кипы, появляется возможность измерять влажность всех кипо Вследствие этого, повышается точность измере ния влажности шерсти, а следовательно, и качество выпускаемой про0 дукции. Кроме того, уменьшаются потери шерсти, связанные с отбором ее для пробы и с нарушением целостности кипы.

5)-) ) Ч : ) /) ч / , 1 5/ 3 J ГТ Ь )/ ) ) 5 ); )г i ) ) -) 7 7 5 Т7ТТТТТ , 5 5 )),,, 5 / ) ) ЙТКШ 5 5 )э 5 )))));: 5)) )р 3 э 3 .; : h JL-LV -V диэлектрическое основание, на одной из сторон которого закреплены игольчатые электроды с электрическими выводами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет устранения влият НИН на результат , измерения температуры и плотности исследуемого вещества, на другой стороне оснований размещена цилиндрическая камера с поршнем, заполненная веществом, аналогичным по физико-химическим свойствам исследуемому, при этом в камере расположены дополнительные электроды, выполненные идентично имеющимся электродам и закрепленные на основании напротив них. (Л 05pa3i(oeff мера li) )))) ) ) ) 1)) ) 5 :))) vZilvX/, )) ) ) J. )/)))) П ) ) / ) ) ):) )))) )- ))) ))) SS ))))/) 7)))) )) ;Л ))):) 5 /:)) э) : 3 3 J 7 5 /.))) ,V аз 5 э э 3 3 Э 3 3 J J3% 3 3 3 33 3 3 yx vy uryV y y/yZ., р .