Датчик для определения параметров жидких и сыпучих сред Советский патент 1993 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к области физических измерений параметров сред, например, для определения загрязненности жидкостей, в том числе смазочных масел,в процессе эксплуатации двигателей, агрегатов, механизмов, а также при определении параметров тонкодисперсных сыпучих сред и может найти применение в строительно-дорожном машиностроении, в автотранспортной, сельскохозяйственной, химической, пищевой промышленностях и других отраслях народного хозяйства.

Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения возможности одновременного определения магнитных и диэлектрических параметров сред.

На фиг.1 и 2 изображены соответственно первый и второй слои диэлектрической ленты с расположенными на них плоскими спиральными обмотками индуктивных элементов и емкостными элементами; на фиг.З показана конструкция диэлектрического каркаса; на фиг.4 показана электрическая схема датчика; на фиг.5 изображена эквивалентная электрическая схема датчика; фиг.6 иллюстрирует процесс взаимодействия датчика с жидкой средой, в которой находятся примеси.

На слоях диэлектрической ленты 1 (фиг.1, 2) расположены индуктивные элементы, выполненные в виде пар плоских спиральных обмоток 2i, 22, расположенных друг против друга с двух сторон диэлектрической ленты.

00 Ю

ел

ON Ю

Кроме того, на диэлектрической ленте в соответствующих местах между индуктивными элементами расположены емкостные элементы 3i. 32, обкладки которых выполнены в виде вложенных друг в друга электропроводящих гребенок.

На фиг. 1, 2 показаны также электропроводящие шины 4i, 4a, соединенные с выводами датчика 5 и 6, которые выполнены в виде круглых контактных площадок, соединенных с внешними витками крайних на диэлектрической ленте индуктивных элементов.

Плоские спиральные обмотки 21, 22 включены в последовательную цепочку через электропроводящие перемычки 7.

На диэлектрической ленте точками 8 обозначены центры отверстий, предназначенных для крепежных элементов на фиг.1, 2 не показаны).

Внутренние витки плоских спиральных обмоток 2i. 22 соединены между собой через контактные площадки 9i, 9г и выполненные в них сквозные металлизированные отверстия (на чертеже не показаны),

По существу диэлектрическая лента 1 представляет собой гибкую двустороннюю печатную плату, выполненную на основе двустороннего фольгированного медью диэлектрика.

Толщина диэлектрика - 0,2-0,5 мм, толщина слоев медной фольги 30-50 мкм.

Такая двусторонняя печатная плата изготавливается методом металлизации переходных сквозных отверстий,

При такой технологии изготовления печатных плат элементы печатного монтажа первого слоя соединяются с элементами печатного монтажа второго слоя через контактные площадки 9i, 92 и выполненные в них металлизированные отверстия (на чертежах не показаны).

Тем самым из пар плоских спиральных обмоток 2i. 22 образуются двухслойные индуктивные элементы.

Число m индуктивных элементов на диэлектрической ленте в данном частном случае равно 8.

Диэлектрическая лента разбита на п индуктивных секций (в данном случае п 4), в каждой из которых находится по два индуктивных элемента (гл/п 2).

Числа m и п, а также величина их отношения могут быть другими и зависят от конкретной области применения предлагаемого датчика.

Диэлектрическая лента 1 сложена зигзагообразно по секциям (см. фиг.З). Между секциями вставлены распорные элементы (шайбы) 10 с отверстиями, соосными с отверстиями 8. выполненными в секциях на диэлектрической ленте.

Распорные элементы 10 задают величину воздушного зазора между параллельны- ми секциями.

.Секция и распорные элементы 10 стянуты между собой крепежными элементами 11 (винтами, заклепками).

Тем самым образуется достаточно жес- ткая несущая конструкция - каркас для индуктивных и емкостных элементов.

Индуктивные элементы могут быть выполнены овальной формы, что позволяет обеспечить малые поперечные размеры дат- 5 чика при достаточной величине индуктивности индуктивных элементов.

Конструктивно датчик может быть расположен на конце тонкой длинной трубки 12, снабженной рукояткой 13 (см. фиг.6). 0 Трубка 12 и рукоятка 13 выполнены из диэлектрического материала.

Через трубку 12 и рукоятку 13 пропущены проводники 14, соединенные с выводами 5, 6 датчика, для подключения к схеме уст- 5 ройства (на чертеже не показано).

Датчик для определения параметров жидких и сыпучих сред, показанный на фиг.З, представляет собой, по существу, электрический колебательный LC-контур, 0 LC-параметры которого распределены по двум координатным осям - в продольном и поперечном направлениях датчика.

На фиг.4 показано взаимодействие отдельных индуктивностей Li1 и LJ между со- 5 бой (I 1-8, J 1-8).

Индуктивности LI соответствуют индуктивным элементам 21, а индуктивности LJ соответствуют индуктивным элементам 22.

Индуктивности Li - Li, L21 - L21

0 g - представляют собой двуслойные катушки индуктивности, величина которых зависит от числа витков, шага витков, толщины и свойств материала (например, стеклотекстолита), на котором выполнены 5 плоские спиральные индуктивные элементы.

Как видно из фиг.З индуктивные элементы с одинаковыми порядковыми номерами в секциях расположены соосно и выполне- 0 ны с согласованным направлением закрутки их плоскости спиральных обмоток от центра.

В каждой индуктивной секции (фиг.З) имеется два индуктивных элемента с номе- 5 рами № 1 и № 2, поэтому индуктивный элемент с номером 1 первой секции взаимодействует с индуктивным элементом № 1 второй секции, который, в свою очередь, взаимодействует с индуктивным элементом № 1 третьей секции и т.д.

Аналогичным образом взаимодействуют между собой индуктивные элементы с номером 2.

Степень взаимодействия индуктивных элементов между собой определяется взаимной индуктивностью MIJ, которая зависит как от геометрических параметров индуктивных элементов (например, от внешнего и внутреннего диаметров плоского индуктивного элемента), так и от величины зазора между индуктивными секциями и от величины магнитной проницаемости среды, заполняющей промежутки между секциями.

Поскольку все индуктивные элементы датчика соединены в последовательную цепочку, то результирующая индуктивность датчика будет равна,,

. 8 1эл + 6 М,

0)

где Lsn индуктивность одного индуктивного элемента;

М - взаимная индуктивность двух индуктивных элементов в смежных секциях.

При этом, как отмечалось выше, величина индуктивности Цл и взаимоиндукции М зависят от свойств среды, в которой находится датчик (от магнитной проницаемости /Wcp), а следовательно:

Lo6m. fl ().

Емкостные элементы 3i, 32. обкладки которых выполнены в виде вложенных друг в друга электропроводящих гребенок, согласно фиг.4 включены между собой параллельно.

Общая емкость Собщ. датчика для параллельного включения определяется выражением

Собщ. 7 С

эл,

(3)

где Сэл - величина емкости отдельного емкостного элемента.

Величина емкости Сэл зависит от гео-1 метрических элементов гребенок.

Величина емкости Сэл зависит также от диэлектрической проницаемости среды Сер, в которой находится датчик, а следовательно;

Собщ - h ( Сер).(4)

Вследствие того, что между печатными элементами датчика, существует некоторая электрическая проводимость, обусловленная поверхностными токами утечки, то датчик характеризуется некоторым активным сопротивлением .

На практике эта величина составляет порядок - 108 Ом.

Компоненты ., Собщ. и Я0бщ. датчика образуют колебательный LC-контур (см. эк- вивалентную электрическую схему на фиг.5).

Основными параметрами колебательного контура являются резонансная частота fo, которая определяется по формуле

X /СА

2л:/1-о6щ.-Со6щ.

и добротность контура, определяемая из вы- ражения

0

2 Л f0 Йобщ

(6)

Поскольку, как следует из выражений (2) и (.общ. и Собщ. являются функциями параметров среды - и Јср, то и параметры колебательного контура (5), (6) будут зависеть от параметров исследуемой среды,

т.е.

fo Р1(/гср, Јср),

Q F2(, Јср).

(7) (8)

30 Предлагаемый датчик для определения параметров жидких и сыпучих сред работает следующим образом.

Допустим, необходимо определить изменение параметров некоторой жидкой

35 среды, например смазочного масла в некотором механизме (см. фиг.6).

Оператор, контролирующий параметры среды, пользуясь рукояткой 13, погружает датчик в корпус 15 механизма с масляной

40 средой 16. 8 верхней части корпуса 15 имеется контрольное отверстие 17.

Колебательный контур датчика посредством соединительных проводников 14 включен в электрическую схему прибора,

45 осуществляющего измерение резонансной частоты (на чертеже не показан).

Прибор предварительно градуируется в единицах, соответствующих степени загрязненности исследуемой среды. В эависи50 мости от типов исследуемых масел или других контролируемых сред, обладающих различными значениями диэлектрических и магнитных параметров, должны быть зафиксированы значе ния резонансной частоты

55 для данной среды без постоянных примесей, а также градуировочные кривые (графики), показывающие изменение резонансной частоты датчика от степени загрязненности (процентного содержания примесей).

На практике известно, что в смазочных маслах от износа металлических деталей (шестерен, втулок, валов) появляются металлические включения, которые изменяют магнитную проницаемость среды /гСр. Вместе с тем, в смазочные масла возможно попадание воды, что существенно изменяет значение диэлектрической проницаемости

Сер.

Указанные обстоятельства вызывают изменение резонансной частоты f0 и добротности Q колебательного контура - в соответствии с выражениями (7), (8).

Поскольку датчик содержит равномерно распределенные индуктивные и емкостные элементы, зазоры между которыми заполнены контролируемой средой, то данная конструкция датчика позволяет обеспечить достаточную для практики чувствительность на наличие постоянных включений, определяющих степень загрязнения среды.

При исследовании параметров сыпучих (порошкообразных) сред датчик погружается в объем с исследуемой средой, которая должна некоторое время встряхиваться и уплотняться до полного заполнения зазоров между секциями датчика, после чего следует измерение f0 и Q и определение степени загрязненности среды или наличия постоянных компонент, изменяющих значения //ер и Еср, зафиксированных для чистой сыпучей среды.

Определение параметров жидких и сыпучих сред производят далее по градуиро- вочным кривым либо непосредственно по показаниям измерительного прибора, если его схема содержит соответствующий функциональный преобразователь, данные с которого могут выводиться на цифровой индикатор.

По сравнению с известными.датчиками аналогичного назначения (оптическим, емкостным или индуктивным) предлагаемый датчик позволяет расширить область его применения, поскольку он, благодаря своим свойствам - достаточно высокой чувствительности к изменению диэлектрических и магнитных характеристик среды, может быть использован при определении параметров различных сред - жидких, порошкообразных или смешанных.

Формула изобретения

1.Датчик для определения параметров жидких и сыпучих сред, содержащий индуктивные элементы, расположенные на несущем каркасе, закрепленном в корпусе датчика посредством крепежных элементов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возможности одновременного

определения магнитных и диэлектрических параметров сред, он содержит емкостные элементы, распорные элементы, электропроводящие шины и перемычки, несущий каркас выполнен в виде зигзагообразной

диэлектрической ленты, состоящей из секций, расположенных параллельно друг с другом и с воздушным зазором между ними, в зазорах установлены распорные элементы с отверстиями, соосными с отверстиями, выполненными в секциях, стянутых крепежными элементами, установленными в отверстиях, в каждой секции расположены m/n индуктивных элементов, где m - общее количество индуктивных элементов на диэлектрической ленте, an- количество секций, индуктивные элементы выполнены в виде пар плоских спиральных обмоток, расположенных друг против друга с двух сторон диэлектрической ленты и соединенных

между собой через контактные площадки и выполненные в них переходные металлизированные отверстия, расположенные внутри плоских спиральных обмоток, включенных в последовательную цепочку через

электропроводящие перемычки, соединенные с внешними витками соседних плоских спиральных обмоток, внешние витки крайних в цепочке плоских спиральных обмоток соединены с выводами датчика, подключенными к электропроводящим шинам, выполненным в виде окантовки диэлектрической ленты и соединенным с обкладками емкостных элементов, расположенных в секциях между индуктивными элементами, которые

расположены в секциях соосно и выполнены с согласованным направлением закрутки их плоских спиральных обмоток.

2.Датчик по п.1,отличающийся тем, что плоские спиральные обмотки выполнены овальной формы и ориентированы своей большей осью в направлении продольной оси диэлектрической ленты.

ч 5

еч ,-

1,..у

«Ч

I

5

Использование: аналитическое приборостроение. Сущность изобретения: датчик, содержит индуктивные элементы, расположенные на несущем каркасе, закрепленном В корпусе датчика посредством крепежных элементов. Он содержит емкостные элементы, распорные элементы, электропроводящие шины и перемычки. Несущий каркас выполнен в виде зигзагообразной диэлектрической ленты, содержащей секции, индуктивные элементы выполнены в виде пар плоских спиральных обмоток, соединенных между собой через контактные площадки и переходные металлизированные бтверстия. Индуктивные элементы включены в последовательную цепочку, внешние витки крайних в цепочке плоских спиральных обмоток соединены с выводами датчика, подключенными к электропроводящим шинам, индуктивные элементы в секциях расположены соосно и выполнены с согласованным Направлением закрутки их обмоток, причем плоские спиральные обмотки выполнены овальной формы и ориентированы своей большей осью в направлении продольной оси диэлектрической ленты. 6 ил. ie

о о in ч- см со

in

о

,

/,

ж

О-- О- П

57 7 lt J

17 № ,7 ,7 ftW

of

$ 2Иф

Т

Ьуоу

tyo.

Що-

Т

Т

H

i

JJ

/S

16