Устройство для измерения капиллярного давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить эксплуатационную надежность устройства и точность измерений капиллярного давления. Под действием отрицательного капиллярного давления в микрокапилляре 4, образованном пластинами 1 и 2, изменяется положение уровня жидкости 5. По величине емкости конденсатора, образованного слоями 7, определяют капиллярное давление, а по омическому сопротивлению слоев 7 определяют значение температуры измеряемой среды. 12 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1. „„Я0„„15008 2 (50 4 G 01 L 7/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4279750/24-10 (22) 10.07.87 (46) 15.08.89, Бюл. N 30 (71 ) Московский институт электронной техники и Калининский политехнический институт (72) И.Б.Товбин, Д.М.Стотланд, В.Г.Фадин и П.Е.Мотив (53)531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 587346, кл. G 01 L 7/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР

У 922551, кл. G 01 L 7/00, 1982.

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КАПИЛЛЯРНОГО ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измери.тельной технике и позволяет повысить эксплуатационную надежность устройства и точность измерений капиллярного давления. Под действием отрицательного капиллярного давления в микрокапилляре 4 ° образованном пластинами

1 и 2, изменяется положение уровня жидкости 5. По величине емкости конденсатора, образованного слоями 7, определяют капиллярное давление, а по омическому сопротивлению слоев

7 определяют значение температуры измеряемой среды. 12 ил.

3 1500882

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения отрицательного капиллярного давления в капиллярно-пористых

5 телах, в частности в почвах, грунтах,. торфах, строительных материалах и т.д.

Цель изобретения — повышение точности измерений, увеличение зксплуа- 10 тационной надежности устройства и расширение функциональных возможностей, обеспечение возможности расширения рабочего диапазона измерений, уменьшение габаритов устройства, повы".15 шение воспроизводимости, удобства и многократности измерений, На фиг. 1 изображено устройство, вид сверху (с открытой капиллярной частью), на фиг. 2 — вид А на фиг.1, 20 на фиг. 3 — узел Х на фиг. 2, разрез (увеличено); на фиг, 4,5,6 -конфигурация отдельных слоев на верхней пластине устройства," на фиг. 7 — разрез b-Б на фиг. 4; на фиг. 8,9,10 — 25 конфигурация отдельных слоев на нижней пластине устройства, на фиг. 11— разрез В-В на фиг. 8; на фиг. i?— вариант конструктивной реализации устройства с числом пластин более 30 двух (в частности 3) и возможная схема подключения измерительных устройств.

Устройство для измерения капиллярного давления (фиг. 1,2) содержит две плоские пластины — нижнюю 1 и верхнюю 2, соединенные друг с другом с помощью четырех винтов 3..

В плоскости контакта пластин 1 и 2 размещен микрокапилляр 4 прямоугольного поперечного сечения в виде плоской щели, в когорой ее толщина и гораздо меньше ширины с (т.е.

g

= 30 мкм, фиг. 11), заполненный жид- 45 костью 5. Для обеспечения компактности конструкции микрокапилляр 4 изо-гнут .вдоль продольной своей оси по радиусу переменной величины и имеет, например, форму спирали или ме50 андра, Пластины 1 и 2 снабжены клеммами 6 для распайки соединительных проводов. В зоне расположения микрокапилляра 4 в пластинах 1 и 2 разме щены элементы регистрации положения у 55 мениска жидкости 5 в микрокапилляре

4 (фиг. 3, 6, 7, 10, 11), представляющие собой слои 7 электропроводного материала, изменяющего свое омическое сопротивление при изменении температуры. Эти слои являются обкладками емкостного преобразователя положения мениска жидкости 5. в микрокапилляре 4 в электрический сигнал. Обкладки повторяют по форме конфигурацию микрокапилляра 4 (фиг. 6,10). Обкладки могут быть выполнены, например, из сплавов на основе никеля и покрыты пленкой диэлектрика 8 (например, Si0 ). На нижней пластине 1 (фиг. 8,9,10,11) поверх пленки диэлектрика 8 размещен упругий диэлектрический слой 9 (например, из полиамида) с выставленным в ней микрокапилляром 4, Верхняя пластина 2 по периметру диэлектрического слоя 9 снабжена жестким бортиком 10 (из кремния или окисла кремния) (фиг. 4,5,6,7) с толщиной Ь меньшей, чем толщина а слоя 9, т.е. Ъ (а — д (например, при d = 0,1 мкм, Ь = 0,9 мкм). При этом толщина бортика 10 подбирается таким образом, чтобы при полном затягивании крепежных винтов 3 пластины 1 и 2 плотно прилегали друг к другу, бортик 10 пластины 2 был полностью прижат по периметру пластины 1, а упругий диэлектрический слой

9 деформировался в диапазоне упругих деформаций, т.е. величина д должна быть больше или равна b+ a обеспечивая плотное и надежное прилега" ние пластин в зоне расположения микрокапилляра 4 и, тем самым его герметичность по профилю. Для точной стыковки в пластинах 1 и 2 имеются штифты с соосными отверстиями для них.

Возможен также вариант конструктивной реализации устройства с несколькими пластинами и капиллярами.

Пластин может быть три и более, их взаимное расположение может быть разным — одна вплотную к другой, на одной большой пластине ряд малых пластин; наконец — между пластинами может быть не один, а два и более микрокапилляров различного размера.

Наличие микрокапилляров различного размера позволяет расширить диапазон измерений, а при одинаковых размерах микрокапилляров выполнять усреднение получаемых значений капиллярного давления. В качестве примера такой конструкции на фиг. 12 приведена схема устройства для измере40

5 150088 ния капиллярного давления с двумя микрокапиллярами 4 между тремя пластинами йоз. 2,3, 11 (дополнительная пластина), Каждый капиллярный преобразователь. (микрокапилляр 4 со

5 слоями 7) соединен с вторичными приборами — измерителем 2, регистрирующем емкость между электропроводными слоями 7, пропорциональную

10 капиллярному давлению и с измерителем 13, регистрирующим сопротивление электропроводных слоев 7, пропорциональное температуре.

Технология изготовления предлагаемого устройства достаточно несложна и состоит в нанесении на кремниевые пластины 1 и 2 электропроводного слоя, слоя диэлектрика 8 и упругого слоя 9 с капилляром 4, выполнение с помощью фотолитографии в слое 8 бортика 10 и клемм б для распайки проводов, т.е. заданная конструкция ее реализуется без. затруднений с применением обычной пленочной технологии, применяемой при изготовлении интегральных микросхем.

Устройство работает следующим образом.

Тщательно отмытые в дистилляте и просушенные пластины 1 и 2 собирают и скрепляют винтами 3, а затем торцом, в котором расположен открытый конец микрокапилляра 4, погружают в жидкость 5 (например, дистиллированную воду). Жидкость 5 под действием капиллярных сил заполняет микрокапилляр 4 до тех пор, пока не установится равновесие между капиллярными силами и противодавлением со стороны сжатого в тупиковой части микрокапилляра 4 воздуха, Подготовленное таким образом устройство подключают к измерителю емкости 12 и измерителю сопротивления

13, а затем внедряют в исследуемый материал. Под действием отрицательного капиллярного давления в микрокапилляре 4 изменяется положение уровня жидкости 5, а температура ма- 50 териала и датчика выравниваются. По величине емкости переменного конденсатора, у которого между слоями 7 расположен микрокапилляр 4, частич2 6

;но заполненный жидкостью 5, и измеренной вторичным прибором 12 (измерителем емкости) определяют капиллярное давление, а по омическому сопротивлению слоев 7 определяют значение температуры с помощью омметра 13.

Формула и з обретения

1. Устройство для измерения капиллярного давления, содержащее две контактирующие одна с другой пластины и заполненный жидкостью тупиковый микрокапилляр, образованный в плоскости контакта этих пластин, снабженных элементами системы регистрации положения мениска жидкости в мик" рокапилляре, отличающееся тем, что, с целью повМшения точности измерений и эксплуатационной надежности, устройства, в нем пластины соединены одна с другой разъемным соединением, при этом одна из пластин в плоскости контакта снабжена упругим диэлектрическим слоем с щелевым вырезом, изогнутым по радиусу и образующим микрокапилляр, а во второй пластине со стороны контактирования по периметру трех сторон выполнен бортик, толщина которого выбрана из соотношения

Ь а-а где а — толщина микрокапилляра, a — величина упругой деформации диэлекрического слоя.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в нем элементы системы регистрации положения мениска жидкости в микрокапилляре выполнены в виде электропроводных слоев в пластинах, покрытых пленкой диэлектрика, размещенных в зоне расположения микрока- . пилляра,заполненного неэлектропроводной жидкостью, выводы которых подсоединены к измерителю емкости и измерителю сопротивления.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в нем поверхность пластин в местах их соприкосновения покрыта гидрофобным материалом.

1500882

1500882

Составитель В.Ульянов

ТехредИ.Верес Корректор Т Палий

Редактор И.Сегляник

Заказ 4856/36 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4ь|-5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Ъ,