Поверхностный емкостный датчик Советский патент 1979 года по МПК G01N27/22 

1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения и исследования динамики турбулентного движения взаимодействующих фаз на их поверхности раздела, образуемой пленкой жидкости, движущейся по контактному элементу и турбулентным потоком газа в массообменном аппарате, в частности, в аппарате с подвижной орощаемой насадкой.

Известны конструкции датчиков, основанные на измерении диэлектрической проницаемости среды. Известные конструкции не пригодны для измерения амплитуды и частоты смены поверхности контакта взаимодействующих фаз.

Ближайщим к изобретению является поверхностный емкостный датчик, содержащий два изолированных друг от друга параллельно установленных электрода. Однако известный датчик обладает низким пределом измеряемых толщин пленок и имеет низкую чувствительность. Это связано с конструкцией датчика, так как емкость его между электродами много больще емкости на концах электродов, в силу чего полезный сигнал имеет небольшую величину. Использование дополнительной усиливающей аппаратуры ведет к искажению полезной

информации, а это уменьшает точность измерения.

Целью изобретения является расщирение диапазона измерений и повышение точности.

Для этого электроды выполнены в виде параллельных колец щириной 1,5-2 мм, изолированных друг от друга слоем диэлектрика, не превыщающим 0,1 мм, а отношение щнрины электрода к его толщине составляет не более 20.

Указанному соотношению ширины электрода к его толщине соответствует наибольшая чувствительность датчика, так как

отношение ЛСк (изменение кольцевой емкости) к Сп (постоянная емкость между электродами) возрастает за счет уменьшения последней. Оптимальная ширина электрода лежит в пределах 1,5-2 мм, что обусловлено условием фиксации волн наименьшей длины при их максимальной частоте (высокочастотная составляющая), накладываемой на низкочастотную несущую волну с максимальной амплитудой.

Выбор величины слоя диэлектрика в межэлектродном пространстве не более 0,1 мм определяется спектральной характеристикой изменения толщин пленок жидкости, т. е. амплитудой и частотой при волновом движении пленок жидкости на поверхности насадки. В общем случае для любой жидкости Н А Я - ширина электрода; 5 - толщина диэлектрика; е - основание натурального логарифма;К - длина волны высокочастотной составляющей, накладываемой на несущую;А - максимальная амплитуда несущей На фиг. 1 представлена конструкция поверхностного датчика, встроенного заподлицо (со стороны измерительной поверхности) в электроизоляционный материал с малым тангенсом угла диэлектрических потерь при высоких частотах (например, полистирол); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлены отдельные элементы датчика, образующие в целом элемент посадки с встроенным заподлицо датчиком, на примере шаровой насадки для пояснения способа изготовления и сборки поверхностного емкостного датчика; на фиг. 4 - блок-схема измерительной цепи. Датчик содержит изоляционный материал 1, электроды 2 в виде колец, межэлектродный слой диэлектрика 3, прорези 4 для проводов, соединяющих датчик с измерительным мостом, тонкий, гибкий экранированный привод 5. На одну из составных частей кольца 1 надеваются электроды 2, между которыми находится слой диэлектрика 3, при этом припаянные концы гибкого экранированного провода 5 к электродам 2 вставляются в прорези 4 кольца 1. Затем электроды прижимаются второй частью составного кольца 1, посаженного на клею растворенного исходного материала. К торцам датчика жестко прикрепляются части элемента насадки 6, образуя в целом сам элемент насадки без изменения размеров и формы последнего. В центре одной части сферы элемента насадки 6 проходит и жестко закрепляется в этом месте экранированный провод 5. Это необходимо, чтобы не нарущать контакт в местах припайки электродов к концам экранированного провода в процессе эксплуатации датчика. На фиг. 4 приведена измерительная блоксхема, где изображены блок стабилизированного питания 7, генератор высокой частоты 8, высокочастотный резонансный усилитель 9, измерительный высокочастотный мост 10, детектирующий блок 11, регистрирующий прибор 12. Датчик работает следующим образом. Элемент насадки с встроенным емкостным датчиком и частью экранированного гибкого провода, соединяющего электроды датчика с измерительным мостом 10, помещается в слой подвижной насадки. Длина помещенной части провода выбирается такой, чтобы датчик мог свободно перемещаться по всему объему аппарата. В режиме развитого псевдоожижения элемент насадки с встроенным датчиком как и весь слой подвижной насадки совершает пульсационные и циркуляционные движения, но при этом чувствительная поверхность датчика почти всегда перпендикулярна движению потоков взаимодействующих фаз. При своем движении элемент насадки с встроенным датчиком попадает в зоны с большей или меньшей плотностью орошения, что вызывает постоянное изменение толщины движущейся пленки жидкости на его поверхности. Кроме того, движущаяся пленка жидкости турбулизируется потоком газа. Это также приводит к постоянному ее изменению, а следовательно, к обновлению поверхности контакта фаз. При наличии пленки жидкости на чувствительной поверхности электродов 2 и переменного высокочастотного напряжения, подаваемого на измерительный мост, где датчик включен в одно из его плеч (фиг. 4) образуется некоторое распределение плотности линий электрического поля между жидкой и газовой фазой, причем большая плотность наблюдается в среде с больщой диэлектрической проницаемостью (в пленке жидкости). При увеличении толщины пленки жидкости силовые линии электрического поля проходят через нее, вызывая этим увеличение концевой емкости измерительных электродов. Это увеличение будет до тех пор, пока пленка жидкости не выйдет за пределы распространения электрического поля. Последнее обусловлено расстоянием между электродами, их формой и размерами. Изменение концевой емкости вызывает разбаланс измерительного моста, который предварительно был сбалансирован при отсутствии пленки жидкости на поверхности датчика при помощи переменного конденсатора Сг (фиг. 4). Питание моста осуществляется переменным напряжением, стабилизированным по амплитуде и частоте, выдаваемым блоками 8, 9. Сигнал разбаланса детектируется детектирующим блоком 11 и подается на самописец или осциллограф 12. Чтобы исключить нестабильность сигнала измерительной цепи от непосредственного оприкосновения жидкости с поверхностью увствительного элемента, поверхность его окрывается тонким слоем лака, стойкого к кружающей среде и ударам. Таким образом, предлагаемый поверхнотный емкостный датчик позволяет с высоой точностью измерить динамические хаактеристики поверхности раздела фаз, образуемой пленкой жидкости на поверхности подвижной орошаемой насадки преимущественно тел вращения в широком диапазоне нагрузок (по жидкой 25- 100 и газовой 1-7 м/с) массообменного аппарата. Формула изобретения Поверхностный емкостный датчик, содержащий два изолированных друг от друга параллельно установленных электрода, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений и повышения точности, электроды выполнены в виде параллельных колец шириной 1,5-2 мм, изолированных друг от друга слоем диэлектрика, не превышающим 0,1 мм, а отношение ширины электрода к его толщине составляет не более 20.

Cpuz.3