Способ измерения влажности

(51)5 6 01 Й 27 1709 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и институт фоСС 972 СС 198(54) СПОСОб ИЗМЕРЕНИЯ (57) Использование: измер твердых веществ. Сущнос ЛАЖН ОСТИие влажностиизобретения: АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельствоЬЬ 384063, кл. 6 01 й 27/22,Авторское свидетельствоЬ 1165967, кл. 0 01 И 27/22 Изобретение относится к физико-техническим измерениям и может быть использовано для измерения влажности неоднородных по толщине материалов.Известен способ измерения влажности твердых веществ с помощью емкостного трехэлектродного датчика, заключающийся в том, что электроды устанавливают на исследуемом объекте в одной плоскости и на одной оси, причем второй электрод располагают между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами меньше расстояния между вторым и третьим электродами, подают на электроды переменное напряжение, измеряют емкость между электродными парами и по результатам измерения емкости рассчитывают влажность материала,способ измерения влажности с помощью трехэлектродного накладного емкостного датчика, у которого электроды размещены в линию, включенного последовательно с эталонным резистором, включающий подачу на первый и второй электроды датчика напряжения одинаковой частоты и фазы и регулирование амплитуды напряжения на втором электроде до достижения напряжением на первом электроде максимума. Измерение напряжения между первым и третьим электродами проводят на двух частотах, значение влажности определяют по расчетной формуле. 3 ил. Недостатком способа является невозможность исключения влияния на результаты измерений поверхностного слоя переменной толщины, что обусловлено большой нелинейностью чувствительности датчика с компланарными электродами к диэлектрическим свойствам слоев материала, расположенного на разных глубинах,Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения влажности твердых веществ с помощью емкостного трехэлектродного датчика, заключающийся в том, что электроды устанавливают на исследуемом объекте в одной плоскости и на одной оси, причем второй электрод располагают между первым и третьим электродами так, что расстояние между первым и вторым электродами меньше расстояния между вторым и треть45 50 55 им электродами, подают на электроды переменное напряжение, измеряют емкость между электродными парами и по результатам измерения емкости рассчитывают влажность материала, на три электрода подают напряжения одинаковой частоты и фазы, изменяют амплитуду напряжения между первым и вторым электродами к по достижению минимального значения емкости между ними производят измерения емкостей между электродными парами,Недостатком известного способа является невозможность исключения влияния на результаты измерений сопротивления потерь емкостного трехэлектродного датчика,Цель изобретения - повышение точности измерения путем исключения влияния соп ротивления потерь емкостного датчика.Поставленная цель достигается тем, что при способе измерения влажности твердых веществ с помощью трехэлектродного накладного емкостного датчика, включенного последовательно с эталонным сопротивлением, заключающемся в подаче на первый и второй электроды датчика напряжения одинаковой частоты и фазы и регулирования амплитуды напряжения на втором электроде, регулирование амплитуды напряжения проводят между вторым и третьим электродами до достижения амплитуды напряжения между первым и вторым электродами максимума, измерение напряжения между первым и третьим электродами проводят на двух частотах, а значение влажности определяют по формуле где А - коэффициент пропорциональности;О 1 - напряжение между первым и третьим электродами на первой частоте;О 2 - напряжение между первым и третьим электродами на второй частоте.На фиг.1 изображено пространственное распределение электрических полей в трехэлектродном датчике и исследуемом материале; на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг,3 - эквивалентная схема замещения делителя напряжения, состоящего из трехэлектродного датчика и эталонного сопротивления,Трехэлектродный датчик (фиг.1) состоит из трех электродов 1-3, размещенных на исследуемом объекте 4. При этом создаются два электрических поля - основное, создаваемое между электродами 1 и 3 под действием разности потенциалов у)1 - рз, и дополнительное, создаваемое между электродами 1 и 2 под действием разности потенциалов 02 - р 1, где р 1, 2, рз- потенциал соответствующего электрода. Причем дополнительное поле имеет по сравнению с основным полем сравнительно малую глубину. Если а ) у 1, то силовые линии дополнительного поля направлены навстречу силовым линиям основного поля, поэтому в поверхностном слое материала объекта вследствие суперпозиции полей происходит их взаимная компенсация. Регулируя величину потенциала щ на электроде 2 при неизменном потенциале у)1 на электроде 1, изменяют напряженность дополнительного поля, при этом меняется его глубина проникновения, что позволяет компенсировать основное поле на заданную глубину. При этощлзменяется емкость между электродами 1 и 3 и достигает минимального значения, т,е, исключается влияние поверхностного слоя переменной толщины,Устройство, реализующее способ (фиг.2), содержит трехэлектродный датчик, состоящий из трех электродов 1-3, усилитель 5 с переменным коэффициентом усиления от 1 до 1,5, повторитель 6 напряжения, два измерителя 7 и 8 переменного напряжения, эталонное сопротивления 9 Яэ, ключ 10, два генератора 11 и 12 переменного напряжения с частотами выходного сигнала со 1 и а 2 соответственно и одинаковыми амплитудами выходного сигнала.Суммарная емкость Сх датчика Сх=Сб+С 11+С 13-С 12п.Фгде Сб - баллаСтная емкость датчика (подложки, проводов, и т.п.);С 11 - собственная частичная емкость электрода 1;С 1 з - частичная емкость между электродами 1 и 3;С 12 - частичная емкость между электродами 1 и 2. Напряженность электрического поля, создаваемого компланарной системой электродов, максимальна,на поверхности материала и нелинейно убывает по его толщине. В емкости С 11 и С 1 з существенный вклад вносит поверхностный слой материала объекта, диэлектрические свойства которого могут заметно отличаться от остальной мас- . сы материала, Емкость С 12 целиком определяется свойствами поверхностного слоя материала. Регулируя напряжение на электроде 2, можно добиться устранения влияния на результаты измерения поверхностного слоя.(8) ходно го Оо измерить ика с суой же аматчика: Вэ(10) Оо 0к 1= - и кг О 01 яжений на ча тношения ампли напрвен но.Реш та и вг соответс В связи с наличием сопротивления потерь суммарной емкости между электродами 1 и 3 эквивалентная схема замЕщения емкостного датчика может быть представлена как комплексное сопротивление двухполюсника с параллельным соединением конденсатора емкостью С - суммарной емкостью датчика и сопротивления потерь датчика (фиг,З).Комплексное напряжение в цепи (фиг.З) Ф 1Оо=Овых+Овых( - +) в Сх)Вэ, (1)Вхгде Оо и Овых - комплексные напряжения на делителе напряжения - эталонное сопротивление и емкостный датчик, и на емкостном датчике соответственно;Вх - сопротивление потерь материала в датчике.Отношения комплексных напряженийОо (1 +Вэ)+) )( В (2) Овых ВхМодули комплексных напряжений - наблюдаемые амплитуды напряжений соответственно.Квадрат модуля (2)г0 о (1 + э)2+ вгС 2 В г (3)г ВхУсловно обозначим отношения амплитуд напряжений на делителе напряжения к напряжению на емкостном датчике через к: Тогда (3) с учетом (4)сг= (1 + э)2 с 2 хВ 2 э(5)ВхПри наблюдении одинаковых амплитуд напряжений Оо на двух частотах в 1 иаг входных сигналов на делителе напряжения - эталонное сопротивление и емкостный датчик, и амплитуд напряжений на емкостном датчике на тех же частотах 01 и 02 получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными Сх и Вх. СхВэ, ="1(7)Способ измерения осуществляется следующим образом.Подается напряжение постоянной ампЛИтудц Оо На ЧаСтстаХ В 1 И аг На дЕЛИтЕЛЬ напряжения, состоящий из последовательно соединенных эталонного сопротивления и емкостного трехэлектродного датчика, раздельно во времени, Измеряют амплитуды напряжений 01 и 02 на емкостном трех- электродном датчике между первым и третьим электродами. При регулировании амплитуды напряжения между первым и вторым электродами исключение влияния поверхностного слоя происходит при достижении суммарной емкости Сх минимального значения, а амплитуды напряжения между первым и третьим электродами - максимального значения. Амплитуда напряжения Оо на делителе напряжения поддерживается постоянной на обеих частотах в 1 и вг.25Тогда (7) примет вид ЗО где Оо - амплитуда напряжения сигнала на обеих частотах в 1 и вгАналогичным образом можно емкость Сх трехэлектродного дат хим эталонным материалом при т плитуде напряжения Оо на входе д где Ос 1 и Ос 2 - амплитуды напряжений на 45 выходе трехэлектродного датчика с сухимэталонным материалом на двух частотах в 1 и аг входных сигналов соответственно.Отношение емкостей (8) и (9) будет ха рактеризовать уровень влажности материала:тельский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 роизводственн Знаменатель в(10) является постояннойвеличиной, которую можно обозначить какАкоэффициент пропорциональности: Тогда уровень влажности материаланеоднородного по величине Таким образом, при способе измерения влажности влияние поверхностного слоя на результат измерения исключается регулированием амплитуды напряжения между первым и вторым электродами до максимального значения амплитуды напряжения между первым и третьим электродами, а влияние сопротивления потерь трехэлектродного датчика исключается измерением амплитуд напряжений на двух частотах входных сигналов с последующим вычислением влажности. Заказ 2592 Тираж ВНИИПИ Государственного комите 113035, Москваформула изобретения Способ измерения влажности твердыхвеществ с помощью трехэлектродного накладного емкостного датчика, включенного 5 последовательно с эталонным сопротивлением, заключающийся в подаче на первый и второй электроды датчика напряжения одинаковой частоты и фазы и регулировании амплитуды напряжения на втором электро де, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности, регулирование амплитуды напряжения проводят между вторым и третьим электродами до достижения амплитуды напряжения между первым и вторым 15 электродами максимума, измерение напряжения между первым и третьим электродами проводят на двух частотах, а значение влажности определяют по формуле где А - коэффициент пропорциональности;0 - напряжение между первым и третьим электродами на первой частоте;Ог - напряжение между первым и третьим электродами на второй частоте. Подписноео изобоетениям и открытиям при ГКНТ СС35, Раушская наб 4/5