Поверхностный емкостный датчик

 

О П И С А Н И Е ()))6828®

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 22.10.76 (21) 2416357/18-25 (51) М. К .

G 01N 27/22 с присоединением заявки №

Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.08.79. Бюллетень № 32 (53) УДК 543.275.1 (088.8) ло делам изобретений открытий (45) Дата опубликования описания 30.08.79 (72) Авторы изобретения

М. В. Чаусов, В. П. Миронов и В. В. Стрельцов

Ивановский химико-технологический институт (71) Заявитель (54) ПОВЕРХНОСТНЫЯ ЕМКОСТНЫй ДАТЧИК

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 орошаемой насадкой. 10

Известны конструкции датчиков, основанные на измерении диэлектрической проницаемости среды. Известные конструкции не пригодны для измерения амплитуды и частоты смены поверхности контакта взаи- )5 модействующих фаз.

Ближайшим к изобретению является поверхностный емкостный датчик, содержащий два изолированных друг от друга параллельно установленных электрода. Одна- 20 ко известный датчик обладает низким пределом измеряемых толщин пленок и имеет низкую чувствительность. Это связано с конструкцией датчика, так как емкость его между электродами много больше 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 расширение диапазона измерений и повышение точности.

Для этого 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.

Указанному соотношению ширины электрода к его толщине соответствует наибольшая чувствительность датчика, так как отношение ЛС (изменение кольцевой емкости) к С„(постоянная емкость междуэлектродами) 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

682810 движении пленок жидкости на поверхности насадки.

В общем случае для любой жидкости

Н А где Н вЂ” ширина электрода;

S — толщина диэлектрика;

8 — основание натурального логарифма;

Х вЂ” длина волны высокочастотной составляющей, накладываемой на несущую;

А — максимальная амплитуда несущей волны.

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 нарушать 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 о

25 зо 1" . 3 ю

-1.) .эо 3 3 оо

4 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 псевдоояи>кения элемент насадки с встроенным датчиком как и весь слой подвияной 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 большой 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 С (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 в измерительной цепи от непосредственного соприкосновения жидкости с поверхностью чувствительного элемента, поверхность его покрывается тонким слоем лака, стойкого к окружающей среде и ударам.

Таким образом, предлагаемый поверхностный емкостный датчик позволяет с высокой точностью измерить динамические характеристики поверхности раздела фаз, 682810

A-A

Щыг 2 образуемой пленкой жидкости на поверхности подвижной орошаемой насадки преимущественно тел вращения в широком диапазоне нагрузок (по жидкой 25—

100 м /м ч и газовой 1 — 7 м/с) массообменного аппарата.

Формула изобретения

Поверхностный емкостный датчик, содержащий два изолированных друг от друга параллельно установленных электрода, о тличающи йся тем, что, с целью расширения диапазона измерений и повышения точности, электроды выполнены в виде па5 раллельных 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.

682810

Составитель А. Платова

Техред А. Камышникова Корректор 3. Тарасова

Редактор Н. Коляда

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2225/2 Изд. № 534 Тираж 1090 Подписное

НПО «Поиск> Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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