Емкостной датчик для измерения физико-химических свойств рыхлых и сыпучих веществ Советский патент 1985 года по МПК G01N27/22 

00

ю

со ч Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении физико-химических CBOIICTD, на:аример влажности рыхл1.1х и сыпучих веществ (шерсти, хлопка, зерна, песка и т. д.) Целью изобретения является повьяаение точности измерения за счет устранения BHIWIHH на результат, измерения избыточного давления газовой среды и непостоянства физико-химичес ких свойств вещества в цилиндрической камере На чертеже изображен емкостный датчик, фронтальный разрез. Емкостный датчик состоит из диэлектрического основания 1, выполненного из материала с большим коэффициентом теплопроводности, на котором закреплены низкопотенциальгпле игольчатые электроды 2 и 3 и высокопотепциальные игольчатые электроды 4 и 5. Ыизконотенциальные электроды 2 и высокогютенциальный электрод 4 погружены в измеряемое вещество 6, заключенное в упаковочную диэлектрическую оболочку 7, которая отделена от основания 1 дрзгой газонепроницаемой диэлектрической оболочкой 8, а низко потенциальные электроды 3 и высокопотенциальный электрод 5 погружен. в иш11 - дриче:скую кам ру, вьп1ол 1енну 0 на основе 9 и заполненную веществом 10.с изнестнь мр5 физико-химическими свойствами. Ве цество 10 удерживается внутри цилиндра 9 с тор ца двумя плоскими диэлектрическими оболочками 11 и 12, закрегьченными герметично с помощью фланца 13, а со стороны другого торца - подвижнь м поршнем 14. К стороне 14 и к другому ..у цилин дра 9 герметично прикреплена при но.мощ) фла1щев 15 и 16 зластичная газонепро} Щ1;асмая оболочка 17, выполне ная, например, в виде гофрированного цилиндра с плоскими торцами Поршень 14 имеет отверстия J8. Мизког1отснциаль Ш е электроды 2 и высоконотепцпальный электрод 4 образуют измерите.пггный конденсатор, а 1н- зкопотенциальные элс троды 3 и .огютендиальный электрод 5 - образцовьдй конденсатор. Конденсаторь (измерительный и образцовьн), представляющие собой емкостный датчик, вклю а.от в измерительную дифферен щальну10 схему, мер, .мостовую. Число ннзконотсг:д за: ьг1ых и вь соконотенииальны: электродов гл.зттка и 1-DC геометрию определяют исходя нз свойств измеряемого объекта (шерсти, хлопка, зерна и т. д.). Для исключения вл1 ян11я посторо. нредметов, а также час1ей датШка (цю1и;и,цра, поршня и т. д.) на результат.. измерени. необходимо иизконотенциальные электроды располагать вокруг высоконотевдиальных (дотя создания эффекта экранирования). Симметричное расположение электродов (высокопотенциальных и 1изкопотенциальных) как по форме, так и io расположению по обе стороны диэле трического основания 1, а также иснользова ие материала для диэлектрического основания 1 с большил коэффициентом теплопроводности позволяет ис л очйть погреилности измерения, обусловле Ш 11е температурHiiLMH изменениями геометрических размеров электродов и диэлектрических свойств диэлектричесгсого основа.чия 1. Это следует из того, что изменении температуры кеинформатив- приращения емкостей измерительного и образцового конде 1саторов одиигаковы. Так как резу.чьтат измерения получают из разности сигналов (емкостей), то эти нсиоформативпые приращения емкостей не па результат измерения. ,Пдя исключения донолнитель 1Ь х погрешностей, связанных с использованием диэлектрическихоболочек 7, 8, 11 и 12, желательно, чтобь упаковочная ди.электрическая оболочка 7 и газонепроницаемая диэлектричес ;ая оболочка 8, расположеннь е со сторонь измерительного конценсатора, были идентичнь ми как по , так и по составу материала соответствую цим дизлектричйсьим оболочкам 11 и 12, расгю:юженн.ым со стороны образцового конденсатора. Исключение погрс дностей : ;:змеренш 1, обусловЛ1:.нных температурнь ми изменениям диэлектрических свойств изг,.1ерясмого ве.дества б, достигается за счет применения анштогнчного вешества 10 с известными физи со-химическими свойствами. Очевидно, что при изменении температуры одинак-овым образом будут изменяться ;дизлектричсс ие свойства веществ б и 10. Эти вызовут одинаковые тф:фащезп1я емкостей в измерительном и образцовом 1-;ок;1,енсатарах. Так как реззльтат измерения получают из разносв сигналов .(емкостей) конденсаторов, то эти температурные изменения диэлектрических свойств веществ б и 10 не вызовзт изменения сигналя на выходе измарительцой схемы. Исключение по1ре лностой нзмере нй, вознпкаюгцих из .-за неодинаковой степени прижатия ем осгного к из.мер.ге.мому веиюству 6, достигается за счет г(рименения ццлиндрическсй калиры. Эта камер состоит кз аналогичного вещества 10 с известными физико-химическими свойствами,- псмсгцешюго во внутрь цилиндра 9, один хорец которого герметично закрыт нлоскимн диэлектрическими оболочками (перогородками) 11 и 12 с помощью флан(а 13, а Е ()й торцовой части пах .5;. подвижный норшекь 14, имеющий по всей фронтальной .поверхности отверсти.ч 18. Гермет тюсть цилиндрической камеры с торца, где размещен носщень 14, достигается применением

эластичной газонепротщаемой диэлектрической оболочки 17, изготовленной, например, в виде гофрированного дилиндра с плоскими торцами, выполненными в виде внутреннего и внешнего колец. Внутренняя кольцевая часть одного торца имеет малую площадь и служит для герметичного крепления гофрированного дилиндра 17 к тыльной стороне поршня 14 при помощи фланца 15, а другая торцовая часть цилиндра 17, включающая внешнее кольцо, имеет большую площадь и предназначена как для герметичного крепления к торцу цилиндрической камеры При помощи фланца 16, так и для выполнения функций мембраны. Такое размещение и герметичное крепление оболочек 11, 12 и 17, а также наличие в порщне 14 отверстий 18 позволяет не только исключить появление избыточного давления газовой среды в цилиндрической камере при измерениях, но делает возможным предотвращение утечки газовой среды наружу, т. е. исключается возможность обмена газовыми средами внутри цилиндрической камеры и вне ее. Положительный эффект при измерениях достигается за счет воздействия на датчик силой, обеспечивающей его плотное прилегание к измеряемому веществу 6, через Еощество Юс известными физико-химическими свойствами. С по.мощью подвижного поршня 14 через вещество 10 происходит Прижатие емкостного датчика к измеряемому веществу. 6. Силы, .уплотняющие измеряемое вещество 6 и вещество 10, будут одинаковыми. Так как применены вещества 6 и 10 одного и того же типа, то и степень уплотнения от воздействия на них сил будет примерно одинаковой. Поэтому Приращение емкостей измерительного и образцового конденсаторов при изменении плотности веществ 6 и 10 будет также одинаковым. Следовательно, выходной сигнал на выходе измерительной схемы не будет существенно 1 меняться при изменении силы прижатия, что может иметь место при измерении.

Емкостный датчик работает следующим образом.

ЕМ1СОСТНЫЙ датчик, состоящий из диэлектрического основания I с закрепленными на нем низкопотендиальными игольчатыми электродами 2 и 3 к высокопотенцпальными игольчатыми электродами 4 и 5, подключают к измерительной дифференщгальной схеме, например, мостовой. Емкость измерительного конденсатора состоящего из низко- и высокопоте}щиаль.чых элек.тродов 2 к 4 должна быть равна е.4костя образцового конденсатора, состоящего из низко- и высокопотенциальных электродов 3 и 5. При отсутствии вещест ; 6 и 10 в межэлектродяом пространстве емкостного датчика Bbixopjiofi сигнал на выходе измерительной дифференциальной схемы близок к нулю, так как сигналы от измерительного и образцового конденсаторов взаим но компенсируются.

При погружении электродов 2 и 4 измерительного конденсатора в измеряемое вещество 6 -(например, в кипу шерсти), а электродов 3 и 5 образцового конденсатора в цилиндрическую камеру емкости конденсаторов возрастают. Плотное соприкосновение емкостного датчика с измеряемым веществом 6 и цилиндрической камерой осуществляется при помощи силы I- , прикладываемой к поршню 14, который может свободно перемещаться в цилиндре 9.

При измерениях под действием силы F поршень 14 начинает перемещаться, при этом происходит сжатие вещества 10 и газовой среды в цилиндрической камере. Появление избыточного давления газовой среды в зоне сжатия приводит к перетоку ее через отверстия 18 в порщне 14 в зону с нормальным (атмосферным) давлением. На чертеже переток газовой среды через отверстия 18 в поршне 14 показан стрелками. Зона с нормальным давлением образована тыльной стороной поршня 14, внутренней поверхностью (Лилиндра 9 и герметичной эластичной оболочкой 17. Применение эластичной оболочки 17, выполненной в виде гофрированного цилиндра с плоским торцом большой площади, позволяет поддерживать в этой зоне давление, равное атмосферному, при движении поршня в прямОдМ и обратном направлениях. Наличие отверстий 18 по всей фронтальной поверхности поршня 14 всегда способствует уравниванию давления газовых сред в зонах, расположенных по обе стороны поршня 14, т. е. позволяет исключить появление избыточного давления газовой среды, при сжатии вещества 10, а еледовательно, и появление дополнительных погрешностей измерения. Диаметр отверстий 18 в поршне 14 выбирают в зависимости от примв; няемого вещества 10. В случае использования порошкообразного вещества Ш необходимо на фронтальную сторону поршня 14 наложитьи закрепить газопроницаемую прокладку (фильтр), которая свободно пропускала бы газы и препятствовала проникновению пороиь кообразного вещества 10 через отверстия 18. При равенстве физико-химических свойств (например, вла:кности) веществ 6 и 10 емкости измерительного и образцового конденсаторов равны, а выходной сигнал на выходе измерительной дифференциальной схемы остается без изменения, и близок к нулю. При : изменении (например, увеличении) влажности измеряемого вещества 6 емкость измерительного ковденсатора возрастает по сравнению

с емкостью хэбразцового конденсатора. На выходе измерительной схемы появляется сигнал, величина которого пропорциональна приращению емкости в измерительном конденсаторе, т. е. Пропорциональна приращению влажности измеряемого вещества 6. При этом величина сигнала не изменяется во времени при многократном изменении одного и того же измеряемого вещества 6, так изобретение позволяет исключить появление избыточного давления газовой среды и обеспечивает постоянство физико-химических свойств вещества 10 в цилиндрической камере. Для исключения возможности короткого замыкания электродов порщень .14 должен быть-изготовлен из диэлектрического материала. Цилиндр може быть металлическим, так как его проводящие свойства не повлияют на емкость образцового конденсатора ввиду надежной экранировки высокопотенцнальных электродов низкопотенциальными.

Использование предлагаемого емкостного датчика позволяет существенно повысить точность измерения, что достигается путем

исключения погрешностей, обусловленных

избыточным давлением газовой среды и непостоянством физико-химических свойств веществ в цилиндрической камере. Исключение указанных погрешностей, в емкостном датчике .позволяет более эффективно применять его для контроля малых влажностей в веществах (шерсти, хлопке, зерне и т. д.), что расщиряет область его применения.

ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЫХЛЫХ И СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ по авт. св. № 1073674, отличающийся тем. что,с целью повышения точности измерения за счет устранения влияния на результат измерения избыточного давления газовой среды и непостоянства физико-химических свойств веществ в цилиндрической камере, датчик дополнительно снабжен двумя газонепроницаемыми эластичными диэлектрическими оболочками, -одна из которых является плоской и закреплена герметично на торце цилиндрической камеры со стороны диэлектрического основания, а другая оболочка имеет форму гофрированного щшиндра с плоскими торцами и 1фикреплена также герметично одним торцом К тьшьной стороне, порцшя, а другим - к торцу цилиндрической камеры, причем поршень снабжен отверстиями. (Л