Емкостный датчик влажности газовых сред Советский патент 1985 года по МПК G01N27/22 

Измеряемая газобил среда

/7 /./ /J i2.Z t2.i 15 122 12. по

00 САЭ СП

оо

00 //./ /J ff.2 8 11.1 7 11.1 В J..J..J....±J OfXXXXXXXXXjy4/ A yVV4 yj -X-XXXfXX/y Изобретение относится к измерите ной технике и может бььть использова но в системах дистанционного контро ля и автоматического регулирования влажности газовых сред, например ат- мосферного воздуха. Известен .емкостный датчик с внутренним полем, выполненный в виде плоскопараллельного конденсатора, между пластинами электропроводами которого пропускают контролируемый газ l . Недостатком известного датчика является наличие существенных погреп ностей измерений, обусловленных температурными изменениями геометрических размеров электродов и диэлектрических свойств контролируемого газа и изолирующих конструктивных Элементов. Кроме того, в результате измерения вносится погрешность, связанная с наличием водяной адсорбционной пленки между электродами конденсатора и с изменением давления контролируемого газа внутри датчи- ка так как при этом изменяется плот ность газа, а также наблюдается деформация пластин конденсатора . Наиболее близким техническим решением к изобретению является ем- костный датчик влажности газовых сред, содержащий измерительную и компенсационную камеры, разделенные диэлектрической перегородкой-подложкой, на противоположных сторонах которой закрепле ны два одинаковых накладных конденсатора, при этом измерительная камера является проточ ной, а компенсационная - герметичной и заполнена эталонной средой (2j Недостатком известного датчика являются погрешности измерения, обус ловленные различной плотностью воздушных сред в измерительной и компен сационной камерах из-за возможности разности давлений в этих камерах. Разность давлений в камерах приводит также к различным деформациям (проги бам) торцовых защитных крьшек и перегородки-подложки камер, на которых закреплены электроды измерительного и компенсационного конденсаторов, что обуславливает различные приращецня их емкостей и, как следствие, появление дополнительной погрешности. Относительно большое удаление электродов измерительного и компенсационного конденсаторов при изменении температуры измеряемой среды приводит к появлению градиента температур между этими электродами. градиент температур обуславливает различный дрейф геометрических размеров электродов и диэлектрических свойств изолирующих конструктивных элементов измерительной и компенсационной камер, а следовательно, и погрешность измерения. Кроме того, наличие водяной адсорбционной пленки между электродами кЬнденсаторов ухуд щает стабильность и точность измерения, так как толщина этой пленки зависит от давления в камерах, а также от температуры изолирующих конструктивных элементов камер емкостного датчика. Кроме того, недостатком известного емкостного датчика является на- личине погрещностей измерения, обусловленных коррозией электродов конденсаторов и засорением межэлектрод- ных промежутков, различной плотностью газовых сред в измерительной и компенсационной камерах из-за возможного различия давлений в этих камерах, а та1сже погрешностей, свя- зайных с прогибом диэлектрической перегородки-подложки. Наличие водяной адсорбционной пленки между электродами накладных конденсаторов приводит к появлению дополнительной по- грещности измерения, так как толщина этой пленки зависит от температуры диэлектрической среды перегородки-подложки , давлений в измерительной и компенсационной камерах и т.д. Целью изобретения является повышение точности измерений. Цель достигается тем, что емкостный датчик влажности газовых сред, содержащий измерительную и компенсационную камеры, разделенные диз;лек- трической перегородкой-подложкой, на противоположных сторонах которой закреплены два одинаковых накладных конденсатора, при этом измерительная камера является проточной, а компенсационная камера - герметичной и заполнена эталонной средой, снабжен дополнительной проточной камерой, установленной со стороны компенсационной камеры и отделенной от нее гибкой гофрированной диэлектрической газонепроницаемой перегородкоймембраной, причем дополнительная камера по входу и выходу измеряемой среды сс единеиа с измерительной ка мерой. На чертеже изображен емкостный датчик влажности газовых сред, фронтальный разрез. Емкостный датчик влажности газовых сред содержит проточную измерительную камеру 1, герметичную компе сационную камеру 2, проточную дополнительную камеру 3, корпус 4 и сиетему 5 подачи измеряемой газовой среды. Камеры 1 - 3 размещены в корпусе 4, выполненном, например, в ни- де металлического цилиндра. Проточная измерительная камера 1 состоит из разделительного кольца 6, торцовой защитной крышки 7, перегородки-подложки 8, изготовленной из диэлектрического материала с больщи коэффициентом теплопроводности, и измерительного накладного конденсатора 9, закрепленного на одной ст роне перегородки-подложки 8, на про тивоположной стороне которой закреп лен компенсационный накладной кон- денсатор 10, выполненный идентично измерительному конденсатору 9. Конденсаторы 9 и 10 состоят из низкопотенциальных 11.1, 12.1 и высокопотенциальных П.2 и 12.2 электродов. На наружные поверхности электродов и на межэлектродные поверхности перегородки-подложки 8 нанесе но запщтное диэлектрическое покрытие 13. Компенсационная камера 2 состоит из разделительного кольца 14, перегородки-подложки 8, компенсационного накладного конденсатора 10 и перегородки-мембраны 15, выполненной из гибкого гофрированного диэлектри ческого газонепроницаемого материала. В компенсационной камере 2 содержится эталонная среда осушенный воздух или воздух с заданной влажностью . Дополнительная проточная камера состоит из разделительного кольца 16, перегородки-мембраны 15 и торцо вой защитной крьшки 17. . Емкостный датчик влажности газо- вых сред работает следующим образом .При подаче измеряемой газовой ср ды в емкостный датчик, давления газовых сред в измерительной 1, компенсационной 2 и дополнительной 3 камерах будут всегда одинаковыми. Это следует из того, что давления газовых сред в измерительной 1 и дополнительной 3 камерах будут всегда одинаковыми, так как они связаны между собой посредством системы 5 подачи газовых сред, а давление в компенсационной камере 2 и давление Б дополнительной камере 3 будут выравниваться благодаря наличию подвижной гибкой перегородки-мембраны 15. В том случае разность давлений газовых сред в компенсационной 2 и дополнительной 3 камерах будет определяться только упругостью перегородки-мембраны 15. Применение гибких, гофрированных тонких диэлектрических перегородок-мембран позволит уменьшить эту разность давлений вплоть до нуля. При этом перегородка-мембрана не будет подвержена деформации прогибу , а следовательно, не будет вноситься погрешность в измерения, связанная с изгибами электродов 11.1, 11.2, 12.1 и 12.2 конденсаторов 9 и 10. При подаче осушенного воздуха в емкостный датчик и при включении измерительного 9 и компенсационного 10 конденсаторов в уравновешенную измерительную, например мостовую, дифференцигшьную схему, сигнал на ее выходе будет отсутствовать и не не будет появляться даже при больших изменениях давления измеряемой газовой среды. Это следует из того, что приращения емкостей измерительного 9 и компенсационного Ю конденсаторов при изменении плотностей осушенного воздуха в измерительной 1 и компенсационной камерах будут одинаковыми. Подача влажного воздуха в измерительную камеру 1 приведет к увеличению емкости измерительного конденсатора 9, так как диэлектрическая проницаемость влажного воздуха больше, чем осушенного. Следовательно, на выходе измерительной схемы появится сигнал, величина которого будет связана пропорциональной зависимостью с количеством влаги, содержащейся в воздушной среде. При этом изменение давления газовой среды в измерительной камере 1 не будет существенно влиять на результат измерения влажности газовых сред. Установка дополнительной камеры 3 со стороны компенсационной камеры 2 позволит также обеспечить обтекание с двух сторон (большей частью) внепгней поверхности компенсационной камеры 2 измеряемой газовой средой, S что приводит к более быстрому выравниванию температуры во всех камерах емкоотного датчика. Это в свою очередьS обеспечивает более полную компенсацию погрешностей, обусловленных температурным изменением диэлектрических свойств газовы сред и водяных адсорбционных пленок на поверхности конденсаторов 9 и 10 Применение защитного диэлектрического покрытия 13, наносимого на электроды конденсаторов 9 и 10 и на межэлектродные поверхности перегородки-подпожки 8,позволяет исклю- чить токи сквозной проводимости меж ду электродами конденсаторов, корро зию электродов и засорение межзлек- тродных промежутков, а также позволяет исключить возможность коротког замыкания электродов конденсаторов. Наличие защитного диэлектрического покрытия приводит также к ослаблению влияния водяной адсорбционной пленки, осаждающейся на поверхности конденсаторов, на выходной сигнал емкостного датчика. Толщину защитного диэлектрическо го покрытия 13 необходимо устанавливать в зависимости от ширины элек тродов и межэлектродных промежутков Исходя из реальных геометрических размеров обычно применяемых емкостных датчиков, численное значение толщины защитного покрытия должно находиться в интервале от 1 до 1000 мкм, С увеличением ширины элек тродов и межрлектродных промежутков толщина защитного диэлектрического покрытия 13 может быть также увеличена, при этом чувствительность емкостного датчика заметно не умень шается, С достаточной точностью для практических целей fтак как число электродов в конденсаторе, как правило, не превышает ста единиц) толщину защитного диэлектрического покрытия можно определить из соотношения . , (a + btc№ с ( о i1 10050 где 8 толщина защитного диэлектрического покрытия , Я - ширина низкопотенциального электрода конденсаторов; Ь - ширина высокопотенциальнрго электрода конденсаторов , С - ширина межзлектродного промежутка. 5336 ,3,4,,, - число низко- и г ысокопотенциальных электродов в одном конденсаторе. При использовании емкостного дат- чика для измерениявлажности воздуха в помещениях, резервуарах и,т,, объем которых существенно превышает габариты емкостного датчика, система 5 подачи газовой среды может быть выполнена в виде отверстий в корпусе 4 и разделительных колец 6 и 14 или в торцовых защитных крьшгках 7 и 17 измерительной 1 и дополнительной 3 камер, Применение в качестве эталонной среды в компенсационной камере 2 воздуха с заданной влажностью позволяет более полно скомпенсировать погрешности измерения, обусловленные изменением температуры и давления измеряемой воздушной среды, а также позволяет измерять отклонение абсолютной влажности измеряемой воздуш- ной среды от заданного значения. При этом выходной сигнал можно использовать для осуществления автоматического регулирования влажности воз- д тпной среды в контролируемых объемах (помещениях , резервуарах и т,д,) . Таким образом, в предлагаемом ем-. костном датчике существенно повьшгена точность измерения за счет исклю- чения погрешностей, обусловленных различной плотностью газовых сред в измерительной и компенсационной камерах из-за возможного различия давлений в этих камерах, а также погрешностей, связанных с прогибом диэлектрической перегородки-подложки, Благодаря применению защитного диэлектрического покрытия существенно уменьшены погрешности измерения, связанные с исключением токов сквозной проводимости между электродами конденсаторов, а также с коррозией электродов и засорением межэлектродтных промежутков. Кроме того, исключается возможность короткого замыкания электродов этих конденсаторов, а также ослабляется влияние адсорбционной водяной пленки на результат измерения. Исключение указанных погрешностей измерения позволит более точно контролировать и при необходимости поддерживать на заданном уровне влажностьгазовых сред (на-

71133533И

пример, влажность воздуха в цехах качество выпускае.мой продукции при производства и переработки искусствен- ее производстве, переработке, храных волокон , что позволит повысить нении и т.д.

ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВЫХ СРЕД, содержащий измерительную и компенсационную камеры, разделенные ц элeктpичec;кoй перегородкой-подложкой, на противоположных сторонах которой закреплены два одинаковых накладных конденсатора, при этом измерительная камера является проточной, а компенсационная камера - герметичной и заполнена эталонной средой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен дополнительной проточной камерой, установленной со стороны компенсационной и отделенной от нее гибкой гофрированной диэлектрической газонеi проницаемой перегородкой-мембраной, причем дополнительная камера по вхоkn ду и выходу измеряемой среды соединена с измерительной камерой.