Способ бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества

 

Изобретение относится к измерению диэлектрической проницаемости диэлектрического вещества. Последнее располагается между заземленным проводящим элементом и емкостным датчиком, образованным двумя параллельными перекрывающимися проводящими пластинами, электрически изолированными одна от другой. На пластины датчика подается высокочастотный сигнал заданного напряжения. Выход датчика подключен к прибору для измерения величины возбуждаемого тока. При фиксированном расстоянии между датчиком и поверхностью проводящего элемента величину диэлектрической проницаемости определяют в пропорциональной зависимости от измеренной величины тока. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способам бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, расположенного между проводящим элементом и емкостным датчиком, образованным двумя параллельными перекрывающимися проводящими пластинами, электрически изолированными одна от другой, на которые подается высокочастотный сигнал заданного напряжения.

В частности, изобретение относится к способам бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, который может применяться для измерения уровня жидкости в резервуаре или же для непрерывного отслеживания изменений состава вещества, протекающего по трубопроводу.

Технические решения аналогичного назначения широко известны. В частности, патент США N 2962641 от 29 ноября 1961 г. описывает прибор, использующий зонд, помещенный в одно из плеч емкостного моста. Измерение основывается на принципе дисбаланса моста, который активизирует механизм обратной связи, включающей мотор, предназначенный для восстановления баланса моста соответствующим изменением емкости одного из конденсаторов моста. Используемый механизм основан на модуляции сигнала обратной связи, возникающего при дисбалансе моста. Однако данное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что емкость соединений, подключающих зонд к мосту, оказывает значительное влияние на измерение, проводимое по отношению к значению полного сопротивления моста.

Известен также патент Канады N 1191261 от 30 июля 1961 г., выданный фирмой "Гидро-Квебек", в котором описывается прибор и способ бесконтактного измерения в динамическом режиме расстояния, отделяющего поверхность первого элемента, который может быть проводящим или непроводящим, от поверхности второго проводящего элемента, близко расположенного по отношению к первому и заземленного, таких, например, как статор и ротор электрического генератора. Данные прибор и способ могут постоянно использоваться без значительных изменений или излишних нагромождений, обеспечивая при этом точные и надежные результаты даже в присутствии сильных магнитных полей и колебаний температуры.

Отмеченный выше прибор, содержащий датчик из двух параллельных перекрывающихся проводящих пластин, электрически изолированных друг от друга, на которые подается высокочастотный (от 100 кГц до 10 МГц) сигнал заданного (от 5 до 100 B) напряжения, и подключенный к прибору для измерения величины тока, который в свою очередь подключен к прибору для обработки измеренных значений тока, например к компьютеру.

В рабочем состоянии датчик образует конденсатор с заземленным проводящим элементом, емкость которого определяется следующей известной формулой: где K = ε₀ε_r,ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума (8,854 пФ/м); ε_r - относительная диэлектрическая постоянная диэлектрического вещества между ближайшей к проводящему элементу пластиной датчика и проводящим элементом; A_r - площадь перекрытия проводящего элемента и пластины датчика, и D - расстояние от поверхности ближайшей к проводящему элементу пластины датчика до проводящего элемента.

Когда на образованный таким образом конденсатор подается высокочастотный сигнал, в пластинах датчика возбуждается поддающийся измерению ток, величина которого определяется следующей формулой: i = ωCV (2) где ω = 2πf,f - частота излучаемого сигнала; V - разность потенциалов между ближайшей к проводящему элементу пластиной датчика и проводящим элементом, и C - упомянутая выше емкость.

Формула (1) показывает, что при постоянном значении диэлектрической постоянной K и величины площади перекрытия A_r емкость C и, следовательно, ток i в формуле (2) изменяются обратно пропорционально расстоянию D между датчиком и проводящим элементом, что делает возможным использовать упомянутый способ бесконтактного измерения расстояния между ближайшей к проводящему элементу пластиной емкостного датчика и проводящим элементом.

Легко видеть, что прибор может быть аналогично использован для измерения другого переменного параметра в формуле (1), например диэлектрической постоянной K, в случае, если другие параметры остаются постоянными.

Основной целью настоящего изобретения является создание нового способа с использованием упомянутой выше аппаратуры бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, расположенного между заземленным проводящим элементом и емкостным датчиком. Способ характеризуется следующими операциями:
- размещение емкостного датчика на фиксированном расстоянии по перпендикуляру от поверхности проводящего элемента таким образом, что диэлектрическое вещество, чью диэлектрическую постоянную хотят измерить, расположено между поверхностью проводящего элемента и емкостным датчиком;
- измерение тока, возбуждаемого высокочастотным сигналом в емкостном датчике и изменяющегося прямо пропорционально в зависимости от диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, расположенного между проводящим элементом и емкостным датчиком, и
- определение величины диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, расположенного между проводящим элементом и емкостным датчиком как функции измеряемого тока.

Применение данного способа не ограничено определением уровня жидкости в резервуарах или обнаружением изменений состава вещества, текущего по трубопроводу, т.к. он позволяет измерять диэлектрическую постоянную любого диэлектрического вещества, расположенного между емкостным датчиком и каким-либо проводящим элементом.

На фиг. 1 показана схема способа в соответствии с изобретением для измерения уровня непроводящей жидкости в проводящем резервуаре; на фиг. 2 - схема способа в соответствии с изобретением для измерения уровня непроводящей жидкости в резервуаре, выполненном из непроводящего электрический ток материала; на фиг. 3 - схема способа в соответствии с изобретением для обнаружения включений воды в нефть, текущую по трубопроводу; на фиг. 4 - схема измерения, обнаружения и калибровки, используемая в рамках настоящего изобретения; и на фиг. 5 - блок-диаграмма, поясняющая основные функции устройства, используемого в способе в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 приведена схема использования устройства 1 для осуществления способа бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества для измерения уровня 45 электрически непроводящих жидкостей 47 с относительной диэлектрической постоянной, большей, чем диэлектрическая постоянная воздуха (равная 1), таких как нефть, бензин и производные нефти, например. В этом варианте выполнения изобретения сигнал S измеряемого тока имеет сдвиг, который может быть соответствующим образом скорректирован или скомпенсирован, когда резервуар пуст. Этот сдвиг становится все более существенным по мере приближения величины диэлектрической постоянной раствора к величине диэлектрической постоянной воздуха. Заземляющий вторичный электрод 55 имеет по крайней мере такую же длину, как датчик 3, выполнен, например, просто в виде металлической пластины, заземлен 51 и расположен вблизи емкостного датчика 3, размещенного на внутренней стенке 53 электрически проводящего резервуара 49. Меры по защите датчика 3 не необходимы, но желательны. В том случае, когда резервуар 49 изготовлен из электрически непроводящего материала, как показано на фиг. 2, датчик 3 может располагаться как на внутренней, так и на внешней стенке резервуара 49.

На фиг. 3 схематически изображено применение способа в соответствии с изобретением для определения состава вещества 57, возможно измененного за счет загрязнений, внутри трубопровода 59, изготовленного из электрически непроводящего материала. Датчик 3 размещен непосредственно на стенке трубопровода 59 таким образом, что вещество 57 обязательно проходит между заземленным 63 электродом 61 и датчиком 3, изменяя ранее измеренную величину диэлектрической постоянной, когда появляются загрязнения. Зная величину диэлектрической постоянной вещества 57 или продолжая измерения по ее определению, можно соединить возбуждающий и измерительный прибор 11 с системой сигнализации, предварительно настроенной для оповещения о любых происходящих изменениях в составе вещества 57, когда они обнаруживаются.

На фиг. 4 приведена блок-схема возбуждающего и измерительного прибора 11 устройства 1, используемого в соответствии с изобретением. Схема содержит генератор высокочастотных сигналов 65. Этот генератор подключен к пластине 5 датчика 3, имеющей постоянную емкость C_f с окружающей средой. Пластина 7 датчика 5 образует с поверхностью проводящего тела 15 конденсатор с переменной емкостью C_v.

Имеется также паразитная емкость, характерная для каждого типа датчика. Эта паразитная емкость представлена символом C_r. Измеритель тока 67 содержит низкоомный резистор 69, включенный последовательно между генератором 65 и пластиной 7 датчика. Измеритель тока 67 содержит также изолирующую цепь, соединенную с резистором 69 для отдельного измерения высокочастотного сигнала напряжения на резисторе 69 и для вычисления из измеренного таким образом сигнала другого сигнала, пропорционального измеренному току. Цепь может включать также развязывающий трансформатор 71, одна из катушек которого подсоединена параллельно с резистором 69, а другая подключена к усилителю с регулируемым усилением 73. Этот усилитель в свою очередь соединен с амплитудным демодулятором известного типа 75, на который сигналы от усилителя попадают через фильтр 77. Демодулятор 75 формирует искомый сигнал, пропорциональный измеряемому току, и передает его в соответствующее средство обработки 89, описанное более детально ниже. Для автоматической коррекции дрейфа прибора измеритель тока 67 может также включать средство калибровки 79 для быстрой замены переменной емкости C_v. Данное средство калибровки 79, подключаемое с помощью переключателя 81, состоит из двух резисторов 83 и 85 с известными сопротивлениями и позволяет получить два опорных сигнала (высоко- и низкочастотной калибровки). Переключение резисторов 83 и 85 производится с помощью реле 87.

Необходимо отметить, что использование этого средства калибровки 79 не является обязательным. В некоторых случаях оно позволяет перед каждым сбором данных учесть как дрейф усилителя, так и дрейф генератора, а также определить коэффициент усиления и сдвиги.

Как показано на фиг. 5, средство обработки 89 подключено к измерителю тока 67.

В соответствии с первым вариантом средство обработки 89 может включать схему обработки с микропроцессором 91, который обеспечивает обработку и запись сигнала тока, зарегистрированных измерителем тока 67, до возникновения потребности в них. При запросе этой информации сигналы могут быть переданы микропроцессором 91 в компьютер 93, который имеет внешнее средство записи 95 (магнитные диски и др.) и средство вывода 97 (печатающее устройство и др.). В случае использования нескольких датчиков 3 компьютер 93 соединяют с микропроцессорами 91 каждого датчика 3 так, чтобы производить индивидуальную обработку записанных сигналов в каждом микропроцессоре, подключенном к своему датчику 3. Жирные линии на фиг. 5 показывают в качестве примера возможные соединения с другими микропроцессорами 91. Ввод данных, соответствующих зависимости ток - смещение или ток - диэлектрическая постоянная для каждого вида датчика, осуществляется раздельно для каждого типа датчика в лаборатории. Как указывалось ранее, калибровка бывает необходимой перед каждым сбором данных для учета дрейфов усилителя и генератора.

В соответствии с другим вариантом средство обработки 89 может включать цепь сигнализации 99. Эта цепь сигнализации 99 может быть установлена вместо схемы обработки или совместно с ней. Назначение этой цепи сигнализации 99 заключается в немедленной выработке сигнала сигнализации, если значение измеряемого тока соответствует установленному критическому смещению или диэлектрической постоянной. Применение такой цепи сигнализации 99, быстро устанавливаемой для постоянной работы, обеспечивает значительные преимущества, особенно в случае непрерывного и постоянного наблюдения за работой вращающихся машин, уровнем жидкости в резервуарах или загрязнениями вещества, транспортируемого по трубопроводу.

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, согласно которому вещество располагают между заземленным проводящим элементом и установленным вблизи емкостным датчиком, образованным двумя параллельными перекрывающимися пластинами, электрически изолированными одна от другой, подают на пластины емкостного датчика высокочастотный сигнал заданного напряжения и измеряют величину тока, возбуждаемого высокочастотным сигналом в емкостном датчике, отличающийся тем, что емкостный датчик размещают на фиксированном расстоянии по перпендикуляру от поверхности проводящего элемента, а величину диэлектрической постоянной диэлектрического вещества определяют в пропорциональной зависимости от измеренной величины тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при измерении тока снимают высокочастотное напряжение с имеющего малое сопротивление терминала, включенного между генератором высокочастотных сигналов и ближайшей к проводящему элементу пластиной емкостного датчика, усиливают напряжение и демодулируют по амплитуде.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину диэлектрической постоянной диэлектричесокого вещества определяют по измеренному току с учетом параметров емкостного датчика и/или его паразитных эффектов, искажающих определяемую величину.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину диэлектрической постоянной определяют для нескольких мест диэлектрического вещества с помощью дополнительных емкостных датчиков, при этом все емкостные датчики устанавливают последовательно с интервальным разнесением.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическую постоянную определяют для размещенного в резервуаре диэлектрического вещества с изменяющимся уровнем.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическую постоянную определяют для перемещающегося внутри трубопровода диэлектрического вещества с изменяющимся составом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5