Способ измерения влажности Советский патент 1992 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к физико-техническим измерениям и может быть использовано для измерения влажности неоднородных по толщине материалов.

Известен способ измерения влажности твердых веществ с помощью емкостного трехэлектродного датчика, заключающийся в том, что электроды устанавливают на исследуемом объекте в одной плоскости и на одной оси, причем второй электрод располагают между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами меньше расстояния между вторым и третьим электродами, подают на электроды переменное напряжение, измеряют емкость между электродными парами и по результатам измерения емкости рассчитывают влажность материала.

Недостатком способа является невозможность исключения влияния на результаты измерений поверхностного слоя переменной толщины, что обусловлено большой нелинейностью чувствительности датчика с компланарными электродами к диэлектрическим свойствам слоев материала, расположенного на разных глубинах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения влажности твердых веществ с помощью емкостного трехэлектродного датчика, заключающийся в том, что электроды устанавливают на исследуемом объекте . в одной плоскости и на одной оси, причем второй электрод располагают между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами меньше расстояния между вторым и треть

4 О 00

О

им электродами, подают на электроды переменное напряжение, измеряют емкость между электродными парами и по результатам измерения емкости рассчитывают влажность материала, на три электрода подают напряжения одинаковой частоты и фазы, изменяют амплитуду напряжения между первым и вторым электродами и по достижению минимального значения емкости между ними производят измерения емкостей между электродными парами.

Недостатком известного способа является невозможность исключения влияния на результаты измерений сопротивления потерь емкостного трехэлектродного датчика.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем исключения влияния сопротивления потерь емкостного датчика.

Поставленная цель достигается тем, что при способе измерения влажности твердых веществ с помощью трехэлектродного накладного емкостного датчика, включенного последовательно с эталонным сопротивлением, заключающемся в подаче на первый и второй электроды датчика напряжения одинаковой частоты и фазы и регулирования амплитуды напряжения на втором элек- троде, регулирование амплитуды напряжения проводят между вторым и третьим электродами до достижения амплитуды напряжения между первым и вторым электродами максимума, измерение напряжения между первым и третьим электродами проводят на двух частотах, а значение влажности определяют по формуле

Р AiJL

Р AluS иГ

где А - коэффициент пропорциональности;

Ui - напряжение между первым и третьим электродами на первой частоте;

U2 - напряжение между первым и третьим электродами на второй частоте.

На фиг.1 изображено пространственное распределение электрических полей в трехэлектродном датчике и исследуемом материале; на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.З-эквивалентная схема замещения делителя напряжения, состоящего из трехэлектродного датчика и эталонного сопротивления.

Трехэлектродный датчик (фиг.1) состоит из трех электродов 1-3, размещенных на исследуемом объекте 4. При этом создаются два электрических поля - основное, создаваемое между электродами 1 и 3 под действием разности потенциалов (р , и дополнительное, создаваемое между электродами 1 и 2 под действием разности потенциалов pi , гд е р, р2 , рз - потенциал соответствующего электрода. Причем дополнительное поле имеет по сравнению с

основным полем сравнительно малую глубину. Если (pi pi, то силовые линии дополнительного поля направлены навстречу силовым линиям основного поля, поэтому в поверхностном слое материала объекта

вследствие суперпозиции полей происходит их взаимная компенсация. Регулируя величину потенциала (pi на электроде 2 при неизменном потенциале р на электроде 1, изменяют напряженность дополнительного

поля, при этом меняется его глубина проникновения, что позволяет компенсировать основное поле на заданную глубину. При этог-сизменяется емкость между электродами 1 и 3 и достигает минимального значения, т.е. исключается влияние

поверхностного слоя переменной толщины.

Устройство, реализующее способ (фиг.2), содержит трехэлектродный датчик, состоящий из трех электродов 1-3, усилитель 5 с переменным коэффициентом усиления от 1 до 1,5, повторитель 6 напряжения, два измерителя 7 и 8 переменного напряжения, эталонное сопротивления 9 R3, ключ 10, два генератора 11 и 12 переменного напряжения с частотами выходного сигнала а и . соответственно и одинаковыми амплитудами выходного сигнала. Суммарная емкость Сх датчика

Сх-Сб+Сц+С13-С12 ,

где Се - балластная емкость датчика (подложки, проводов, и т.п.);

Си - собственная частичная емкость электрода 1;

Ci3 - частичная емкость между электродами 1 и 3;

Ci2 - частичная емкость между электродами 1 и 2.

Напряженность электрического поля, создаваемого компланарной системой электродов, максимальна.на поверхности материала и нелинейно убывает по его толщине. В емкости Си и Ci3 существенный вклад

вносит поверхностный слой материала объекта, диэлектрические свойства которого могут заметно отличаться от остальной массы материала. Емкость Cia целиком определяется свойствами поверхностного слоя

материала. Регулируя напряжение на электроде 2, можно добиться устранения влияния на результаты измерения поверхностного слоя.

В Связи с наличием сопротивления потерь суммарной емкости между электродами 1 и 3 эквивалентная схема замещения емкостного датчика может быть представлена как комплексное сопротивление двухполюсника с параллельным соединением конденсатора емкостью Сх - суммарной емкостью датчика и сопротивления потерь датчика (фиг.З).

Комплексное напряжение в цепи (фиг.З)

1

и0 ивых+ивых( рг- + j w Сх)Рэ

где Uo и Овых - комплексные напряжения на делителе напряжения - эталонное сопротивление и емкостный датчик, и на емкостном датчике соответственно;

RX - сопротивление потерь материала в датчике.

Отношения комплексных напряжений

-rr O+jrHi Ra- (2)

ивыхКх

Модули комплексных напряжений - наблюдаемые амплитуды напряжений соответственно.

Квадрат модуля (2)

10

15

20

25

1 Iftl -

-k

Сх 2 2 С7)

(О2 - ЙП

Способ измерения осуществляется следующим образом.

Подается напряжение постоянной амплитуды Uo на частотах и ftfc на делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных эталонного сопротивления и емкостного трехэлектродного датчика, раздельно во времени. Измеряют амплитуды напряжений Ui и Da на емкостном трех- электродном датчике между первым и третьим электродами. При регулировании амплитуды напряжения между первым и вторым электродами исключение влияния поверхностного слоя происходит при достижении суммарной емкости Сх минимального значения, а амплитуды напряжения между первым и третьим электродами - максимального значения. Амплитуда напряжения Uo на делителе напряжения поддерживается постоянной на обеих частотах ш и an.

Тогда (7) примет вид

Использование: измерение влажности твердых веществ. Сущность изобретения: способ измерения влажности с помощью трехэлектродного накладного емкостного датчика, у которого электроды размещены в линию, включенного последовательно с эталонным резистором, включающий подачу на первый и второй электроды датчика напряжения одинаковой частоты и фазы и регулирование амплитуды напряжения на втором электроде до достижения напряжением на первом электроде максимума. Измерение напряжения между первым и третьим электродами проводят на двух частотах, значение влажности определяют по расчетной формуле. 3 ил,

Рэч2

+p2 + CxRi.

(3)

Условно обозначим отношения амплитуд напряжений на делителе напряжения к напряжению на емкостном датчике через k:

kUo

UfiblX

(4)

Тогда (3) с учетом (4) k2 (1+feVCxRi.

R

(5)

При наблюдении одинаковых амплитуд напряжений Uo на двух частотах УТ и ftfc входных сигналов на делителе напряжения - эталонное сопротивление и емкостный датчик, и амплитуд напряжений на емкостном датчике на тех же частотах Ui и U2 получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными Сх и Rx:

R

(1+)2+u 2c2R2 k2. Кх

(1+j|)2+ y2:CxRi k2,

Uc

Uc

где ki -ту- и - отношения амплитуд

напряжений на частотах ((&1 соответственно.

Решение (6)

.. Xг

(8)

где Uo - амплитуда напряжения входного сигнала на обеих частотах (й и wz.

Аналогичным образом можно измерить емкость Сх трехэлектродного датчика с сухим эталонным материалом при той же амплитуде напряжения Uo на входе датчика:

Кэ

и Ъ. и Ь 2-

О)

(9)

где Uci и Uc2 - амплитуды напряжений на выходе трехэлектродного датчика с сухим эталонным материалом на двух частотах й)1 и И2 входных сигналов соответственно.

Отношение емкостей (8) и (9) будет ха- 50 рактеризовать уровень влажности материа(6)ла:

55

(10)

Знаменатель в(10) является постоянной величиной, которую можно обозначить как А - коэффициент пропорциональности:

1

1 1 U Ь U &1

(11)

Тогда уровень влажности материала неоднородного по величине

Р А

Yj1

1и§

(12)

Таким образом, при способе измерения влажности влияние поверхностного слоя на результат измерения исключается регулированием амплитуды напряжения между первым и вторым электродами до максимального значения амплитуды напряжения между первым и третьим электродами, а влияние сопротивления потерь трехэлект- родного датчика исключается измерением амплитуд напряжений на двух частотах входных сигналов с последующим вычислением влажности.

... Ю i Ы&ыхWo

0

5

Формула изобретения Способ измерения влажности твердых веществ с помощью трехэлектродного накладного емкостного датчика, включенного последовательно с эталонным сопротивлением, заключающийся в подаче на первый и второй электроды датчика напряжения одинаковой частоты и фазы и регулировании амплитуды напряжения на втором электроде, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, регулирование амплитуды напряжения проводят между вторым и третьим электродами до достижения амплитуды напряжения между первым и вторым электродами максимума, измерение напряжения между первым и третьим электродами проводят на двух частотах, а значение влажности определяют по формуле

Р А

J1

U иГ где А - коэффициент пропорциональности1,1

Ui - напряжение между первым и третьим электродами на первой частоте;

1)2 - напряжение между первым и третьим электродами на второй частоте.