Емкостной датчик для измерения диэлектрической проницаемости жидкости
1. ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащий корпус, ; в котором расположены четыре парал-..: лельных, симметрично расположенных электрода, образующих две перекрестные емкости, отличающий с я тем, что, с целью повышения .. точности измерения за счет исключеНИН краевых эффектов, один из электродов выполнен в виде цилиндрического стакана, в центре которого расположен второй электрод, выполненный в виде подвижного цилиндра, с возможностью вращения и образующий с первым электродом одну кз перекрестных емкостей, а на нижнем торце подвижного электрода жестко закреплен кольцевой электрод, образующий вторую перекрестную емкость с электродом, расположенным между стаканом и подвижным электродом и закрепленным на изоляторах, причем в системе электродов выполнены отi верстия для заполнения рабочего объема контролируемой жидкостью. (Л 2. Датчик по п. 1,отличаю щ и и. с я тем, что электроды полнены из одного материала и одной заготовки..
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
3 5п G 01 Х 27/22 ( ч
Я ю и
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ.
Р Э<1
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, Н ABTOPGHOlVlY СВИДЕ ЕЛЬСТВЪ/ а
СР
4ь
Ж
1Я
Ю (21) 3310293/18-25 (22) 22. 04 . 81 (46) 15.09.83. Бюл. Р 34 (72) Э.A. Тарасенко, A.Ë. Грохольс- кий и С.Д. Тарасенко (71) Киевский ордена Трудового
Красного Знамени институт инженеров, гражданской авиации (53) 551.508.7(088.8) (56) 1. Эме Ф. Диэлектрические измерения. M. "Химия", 1967, с. 55-65.:.
2. Авторское свидетельство СССР
9 757958, кл. G 01 Х 27/22, 1978 .(прототип). (54)(57) 1. ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ, ЖИДКОСТИ, содержащий корпус, в котором расположены четыре парал-., лельных,.симметрично расположенных . электрода, образующих две перекрест-ные емкости, о т л и ч.а ю щ и. йс я тем, что, с целью повышения
„„Su„„1041920 А тоЧности измерения за счет исключения краевых эффектов, один из электродов выполнен в виде цилиндрического стакана, в центре которого
:расположен второй электрод, выполненный в виде подвижного цилиндра, с возможностью вращения и образующий с первым электродом одну из перекрестных емкостей, а на нижнем торце подвижного электрода жестко закреплен кольцевой. электрод, образующий вторую перекрестную емкость с электродом, расположенным между стаканом и подвижным электродом и закрепленным на изоляторах, причем в системе электродов выполнены отверстия для заполнения рабочего объема контролируемой жидкостью.
2. Датчик по п. 1, о т л и ч аю щ и й. с я тем, что электроды вы.-. полнены "из одного материала и одной заготовки.
1041920
Изобретение относится к .измери- с известной величиной диэлектричес тельной технике, а именно к измерите- кой проницаемости. льным устройствам, используемым Цель изобретения - повышение точпреимущественна для определения ности измерения за счет исключения значения коэффициента диэлектричес- краевых эффектов. кой проницаемости вещества. Указанная цель достигается тем, Известна измерительная ячейка, что в емкостном датчике для измеимеющая плоские или цилиндрические рения диэлектрической проницаемоскоаксиально расположенные элек- ти жидкости, содержащем корпус, в троды, по изменению емкости между котором расположены четыре параллекоторыми при заполнении датчика ис- 10 льных симметрично расположенных следуемой диэлектрической жидкостью электрода, образующих две перекрестсудят о величине коэффициента ди- иые емкости, один из электродов вы; электрической проницаемости пос- полнен в виде цилиндрического сталедней (1 )., кана, в центре которого расположен
Недостатком известного устрой- 15 второй электрод, выполненный в виства является большая погрешность де подвижного цилиндра с возможизмерения, вызываемая коррозией ностью вращения и образующий c riepэлектродов, а также наличием тон- вым электродом одну из перекрестких диэлектрических пленок окислов, ных емкостей, а на нижнем торце и загрязнений на электродах внут- 0 подвижного электрода жестко закри рабочего пространства датчика, ррплен кольцевой электрод, образую2 которые образуются за счет равномер, щий вторую перекрестную емкость с ного оседания на электродах остатка электродом, расположенным между . исследуемых веществ: пыли, грязи стаканом и подвижным электродом и и т.д. кроме того, в результатах ; 5 закрепленным на изоляторах, причем измерений возможны большие погреш- . в системе электродов. выполнены отности, возникающие вследствие не- верстия для заполнения рабочего правильного осуществления измери- объема контролируемой жидкостью. тельного эксперимента, например из- Кроме того,.электроды выполнены из за неполного заполнения рабочего . одного материала и одной заготовки. пространства датчика исследуемой
На чертеже изображен предлавязкой жидкостью. гаемый датчик..
Наиболее близкий к предлагаемомУ Датчик содержит нижний кольцевой емкостный датчик для измерения.ди- .электрод 1, установленный жестко электрической проницаемости жидкос- на изоляторе на нижнем торце подти содержит корпус, в котором рас-. З5 вижного цилиндрического электрода 2, положены четыре идентичных элек- наружный цилиндрический электрод 3, трода, образующих две перекрест- выполненный в виде стакана, охватыные емкости (2 ). вающего систему электродов при
Недостатком известного датчика заполнении его исследуемой жидкосявляется невысокая тьчность измере- 40 тью последняя заполняет также все ния, вызываемая наличием существен- рабочее межэлектродное пространстных по величине и нестабильности кра- ва конденсатора,. верхний кольцеевых полей на обоих торцах системы . вой электрод 4, крепежное кольцо 5 электродов, форма и интенсивность с контргайкой, в котором укрепляется которых зависит от окружающих датчик 45 электрод 2, контактный стержень 6, предметов (главным образом, .из ме.-.. соединенный с электродом 1, кольталла ), свойств самой контролируе- цевые изоляторы 7, разъединяющие мой жидкости, особенно при Наличии электроды 1, 2, 3 и 4, наружный зав ней неоднородных с жидкостью по земленный экран 8, защищающий всЮ диэлектрической проницаемости систему электродов от внешних элеквключений сильно искажающих крае- трических полей, коаксиальные раэьвые поля. Наличие краевых полей на емные 9, соединенные каждый с одним арцах электродов исключает воз- из четырех электродов системы, комажность точного Расчета емкости уст- :льцевой изолятор 10, на котором ройства. Проведение абсолютных из- x àéêoN укреплена вся система в экрамерений величины диэлектрической 55 нирующем стакане, сливное приспособпроницаемости жидкости таким датчи- ление 11 в дне электрода 3, через коком невозможно. его можно использокоторое после испытаний выйускают вать только.для относительных из- исследуемую жидкость. Все электромерений величины диэлектрической про ды системы выполнены из одного металницаемости жидкости, когда опреде- щ ла, например из нержавеющей стали ляют отноаительное изменение ем- одной марки, и из одной заготовки. кости датчика, заполненного конт- Датчик заполняется исследуемым ролируемой жидкостью, в сравнении веществам через воронкообразную с емкостью датчика, предварительно горловину электрода 2. Для прохожзаполненного образцовой жидкостью дения вещества в.межэлектродное ра1(4 19 20 полей на торцах электродов датчика ведет к резкому повышению точности измерений диэлектрической проницаемости жидкости, исключает зависимость результатов измерения от окружающих датчик:предметов, характера распределения по объему контролируемой жидкости частиц примесей, неоднородностей самой жидкости и т.д. Отсутствие упомянутых краевых полей позволяет резко сократить габариты датчика и электродов так как нет необходи.мости уменьшать удельный вес нестабильных краевых емкостей на торцах электродов в общей емкости датчика путем увеличения длины электродов, как в прототипе, что значительно повышает механическую жесткость электродов; а значит, стабильность и точность емкостного датчика.
В процессе однократного, а "".àêже многоразового использования датчика, как правило на всех электродах конденсатора образуются довольно
--равномерные тонкие диэлектрические пленки загрязнений различного происхождения, которые представляют собой например, осевшие остатки ранее заполнявших датчик жидкостей, грязи, пыли. Кроме того, после заполнения датчика агрессивными средами возможна коррозия электродов, изменение качества их поверхности и даже уменьшение размеров, что вепредлагаемом датчике отмеченные факторы практически не приводят к изменению его емкости ввиду сохранения равентсва перекрестных емкостей в конденсаторе вследствие равномерного воздействия среды на все электроды, так как перекрестные емкости на единицу длины рабочего пространства либо вовсе не .изменяются (что имеет место при идентичном изменении геометрических размеров чистых металлических электродов ), либо изменяются в размере второго порядка малости относительно (в сравнении с расстоянием между противолежащими электродами ) толщины тонких диэлектрических пленок загрязнений на электродах. Так как, при укаэанных выше внешних воздействиях, среднегармоническая длина кальцеобразного рабочего пространства конденсатора, находящегося между
его электродами, практически не изменяется, то и емкость всего устройства с высокой степенью точности не изменяется.
При изготовлении электродов конденсатора.из одного материала и одной заготовки можно получить также высокую точность измерений при работе датчика в широком диапазоне температур. бочее пространство в электроде 2 имеются специальные перфорации 12.
Одна из перекрестных емкостей в .конденсаторе образуется при измерении емкости между электродами 1 и 4,когда электроды 2 и 3 заземлены.
Соответственно, вторая перекрестная емкость имеет место в случае измерения емкости между электродами 2 и 3 при условии заземления электродов 1 и 4. При вращении элен- 1О трода 2 в крепежном кольце 5 расстояние между электродами 1 и 4 изменяется (например, уменьшается ). Соответственно изменяются зна- чения обеих перекрестных емкос-, 5 тей первая перекрестная емкость увеличивается, вторая уменьшается при этом добиваются, чтобы. значения обеих перекрестных емкостей стали равными между собой.
После этого через воронкообраэ- . ную горловину электрода 2 наливают исследчем ло жидкость. По равенству между собой изменившихся значений обеих перекрестных емкостей, делают вывод о правильном осущебт- 25 влении измерения, в частности ol полном и равномерном заполнении. рабочего пространства между электродами датчика жидкостью, например вязкой, отсутствии осадка и грязи 30 на дне датчика и т.д., а,следОвательно, о полной достоверности полученных результатов измерения. . Таким образом, удается исключить су-:: дет к увеличению расстояния между щественные погрешности в измере- З5- противолежащими электродами. В ,ниях.
По величине измеренной емкости .датчика, заполненного контролируемой жидкостью,. определяют абсолют- .ное значение диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости ис- 40 ходя из точной расчетной формулы емкости датчика по его геометрическим размерам (при этом в расчетную .формулу емкости устройства. входят всего два, а не три, как обыч;:45 но, линейных размера - диаметры обращенных друг к другу цилиндричес» ких рабочих поверхностей электродов 2 и 3
Ввиду возможности точного рас- . 5p чета емкости устройства что стано-.: вится возможным благодаря отсутствию в датчике трудно учитываемых краевых полей на торцах электродов нет необходимости в предварительном заполнении датчика образцовой жидкостью с точно иэвЬстной величиной диэлектрической проницаемости и последующем определении отношения к этой величине величины измеренной емкости датчика, заполненного контролируемой жидкостью, с целью определения значения ее диэлектрической проницаемости.
Отсутствие нестабильных и весьма существенных по величине краевых . ф5
1041920
Составитель A. Платова
Редактор А. Маковская Техред М. Кузьма
Корректор A. Тяско
Подписное
Филиал ППП "Патент", rQ Ужгород„ ул. Проектная, 4
Заказ,7118/44 Тираж 873
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
