Способ измерения параметров неоднородных веществ и устройство для его осуществления

)60 2 22 ЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Киевский ордена ТрудовогоКрасного Знамени институт инженерогражданской авиации(54) СПОСОЕб ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВНЕОДНОРОДНИХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.(57) 1. Способ измерения параметронеоднородных веществ, заключающийсв заполнении рабочего пространстваизмерительного датчика контролируемым веществом и измерении емкостидатчика, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точнос,ЯО 1067421 ти измерения путем обеспечения посто янства чувствительности в рабочем объеме, последний выбирают в области однородности электрического поля, перед заполнением рабочего объема остальную область пространства между электродами внутри датчика заполня" ют вспомогательным веществом, величина диэлектрической проницаемости которого близка или равна величине диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее емкост ной датчик с электродами, включенный в измерительную схему, о т л и ч,а " а ю щ е е с я тем, что в него допол- Е нительно введена диэлектрическая стенка, расположенная между электро- %УФ дами, диэлектрическая проницаемость /ффффф которой близка или равна диэлектри- фф ческой проницаемости контролируемоговещества.50 Изобретение относится к измерительной технике, а именно к,измерению неэлектрических величин, и можетбыть использовано во всех отрасляхнародного хозяйства для измеренияпараметров (геометрии структуры,.либо состава) неоднородных веществ,например двухфазных смесей, в частности агрессивных,движущихся в пото" ке при их пневмо- или гидротранспортировке, для контроля весовой концентрации твердого компонента и оп. ределения химического состава взвешенного материала в жидкости, расхода сыпучих материалов, числа и размеров частиц примесей в веществеи т.п,Известен способ определения параметров неоднородных веществ, включающий заполнение контролируемою веществом рабочего объема емкостного,проточного датчика, конструкция которого представляет собой два винтооб,разных аоосных цилиндрических измерительных электрода, причем характерэлектрического поля в измерительном .объеме датчика между его электродами,в частности его однородность, силь-,но зависит от точности установки взаимного расположения и расстояния между измерительными электродами (,13.Однако ри таком способе определения параметров неоднородных веществ,имеющем место при традиционном измерении емкости датчика, когда его .электроды подключают к измерительному 35прибору о днухконтактной схеме включения конденсатора, не удается до"стичь постоянства чувствительностидля различных частей объема контролируемого вещества путем создания однородного электрического измеритель-ного поля в данной области, ввидуневозможности эффективно управлятьконфигурацией электрического полядатчика между его измерительными,электродами.Наиболее блиэким к изобретеннюявляется способ измерения параметровнеоднородных веществ, заключающийсяв заполнении рабочего. пространства.измерительного датчика контролируемым веществом и измерении емкости,датчика, а устройство для осуществления этого способа содержит емкостной датчик с электродами, включенныйв измерительную схему (.2 3, 55Однако в указанном устройствеэлектрическое измерительное поле сохраняет неоднородность, т.е. возникает большая погрешность при измерениях неоднородных веществ. 60Цель изобретения - повышение точности измерения параметров неоднородных веществ путем обеспечения постоянства чувствительности в рабочемобъеме датчика. 65 Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения параметров неоднородных веществ, заключающемуся н заполнении рабочего пространства измерительного датчика контролируемым веществом и измерении емкости датчика, рабочий объем выбирают н области однородности электрического поля, перед заполнением рабочего объема остальную область пространства между электродами внутри датчика заполняют вспомогательным веществом, величина диэлектрической проницаемости которой близка или равна величине диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.Кроме того, в устройство для осуществления способа определения параметров неоднородных веществ, содержащее емкостный датчик с электродами, включенный в измерительную схему, дополнительно введена диэлектрическая стенка, расположенная между электродами, диэлектрическая проницаемость которой близка или равна диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.Определить степень однородности поля датчика, а также область значительной его однородности, в частнос" ти совершенно однородного поля, в электрическом измерительном поле емкостного датчика можно при помощи, например, металлического шарика, перемещаемого на тонкой диэлектрической нити в измерительном электрическом поле датчика. Соответственно, область где перемещения шарика вызывают наименьшие изменения емкости датчика (например, не вызывают изме". нений, что соответствует области совершенно однородного поля ), и является искомой областью значительной однородности поля, в которой надлежит выбрать рабочий объем датчика, т.е. объем, который будет заполняться контролируемым веществом. Заполнение перед измерением параметров контролируемого неоднородного нещества области электрического поля ннутри датчика (вне найденного рабочего объема), которое, как правило, сильно нерднородно, вспомогательнымвеществом приводит к тому, что в датчике свободной областью для заполнения контролируемым неоднородным веществом (рабочим объемом датчика) оказываетсгобласть значительной однародности поля (в идеальном случаесовершенно однородного поля). С другой стороны, выбор величины диэлектрической проницаемости вспомогательного вещества близкой или равной величине диэлектрической проницаемости контролируемого вещества цри отсутствии в нем неоднородностей позволя-. ет сохранить в случае заполнения рабочего объема датчика таким веществом без неоднородностей, первоначально определенный характер поля. Витоге, при нахождении, например., врабочем объеме датчика, в диэлектрическьм веществе-носителе, твердой . 5частицы примеси, она гарантированопопадает в область ранее ограниченного и сохраненного однородного электрического измерительного поля, а значит в любой точке такого рабочего 10объемаона вызывает одинаковое по величине изменение измеряемой емкостидатчика, что и свидетельствует о до-стигнутом постоянстве чувствительности измерений параметров неоднородныхвеществ, вне зависимости от местонахождения области неоднородности вконтролируемом веществе.Применение предлагаемого способадля экспериментального определенияпараметров неоднородных жидких, сы-пучих и газообразных веществ немину, емо ставит вопрос об исключении воз"можности попадания контролируемоговещества в область неоднородного поля, что, очевидно, вызывает погрешность измерения, либо, наоборот,вспомогательного (газообразного,сыпучего или жидкого) вещества в рабочий объем датчика, где помещается контролируемое вещество, что препятствует заполнению рабочего объемадатчика контролируемым веществом.Возникаюшее между измерительнымиэлектродами датчика электрическоеизмерительное поле пронизывает области, занятые вспомогательным веществом и тонкой диэлектрической стенкой,и попадает в область рабочего объемадатчика, где оно имеет однородныйхарактер. когда неоднородность в 40контролируемом веществе, напримерчастице примеси, попадает в зто однородное поле, она искажает его, изменяя величину емкости датчика, чтои несет информацию о контролируемом 45параметре. неоднородного вещества (на. пример, о размерах, неоднородностейлибо о величине диэлектрической проницаемости твердых частиц примесейв жидкости и т.д,). В спучае равенст ва диэлектрической проницаемостивспомогательного вещества, материаладиэлектрической стенки и контролируемого вещества (при отсутствии в немеодиородностей) характер электрического ноля в датчике (в полном соответствии с рассмотренным способомизмерения параметров неоднородных веществ, остается неизменным) по срав-.нению с характером поля, который. былпредварительно определен в полностью 60пустом датчике, например, с помощьюметаллического шара, обеспечивает сохранение области однородного электрического измерительного поля датчикав его выбранном рабочем объеме. 65 При значительном превышении величины диэлектрической проницаемости стенки над величиной диэлектрической проницаемости контролируемого вещества (при отсутствии в нем однороднос- тей) силовые линии измерительного электрического поля при нахождении, к примеру, измерительных электродов по одну сторону от контролируемого вещества замыкаются по данной стенке, находящейся, как правило, .между электродами и контролируемым веществом, и практически не проникают в толщу последнего. Если же, наоборот, величина диэлектрической проницаемости контролируемого вещества (при отсутствии в нем неоднородностей)а следовательно, и величина диэлектрической проницаемости вспомогательного вещества оказываются значительно большими величины диэлектрической проницаемости стенки, то силовые линии измерительного электрического по" ля замыкаются по вспомогательному веществу, не проникая в диэлектрик стенки, а следовательно, и в контро" лируемое вещество, т.е. стенка ока зывается в этом случае непроницаемой границей сред для силовых линий измерительного электрического поля датчика.На чертеже изображено предлагаемое устройство.Устройство содержит соосные прямые цилиндрические .,электроды 1-3 равного диаметра, средний 2 иэ которых заэемлен и расположен в зазоре между торцами двух остальных измерительных электродов 1 и 3, при этом данные электроды укреплены на внешней стенке полого диэлектрическо го тороида с тонкими стенками 4, диэлектрическая проницаемость которых близка или равна к диэлектрической проницаемости контролируемого вещест. ва (без наличия в нем неоднородносф тей, например частиц примесей), а внешний диаметр внешней цилиндричес" кой стенки тороида равен внутреннему диаметру электродов, внутренний диаметр внутренней цилиндрической стенки - внутреннему диаметру трубопрово- да 5 в районе датчика, а, кроме того, тороидальная полость диэлектрического тороида заполнена вспомогательные веществом, несодержащим неоднородностей (частиц примесей).. Продольное (вдоль оси датчика и потока контролируемого вещества) измерительное электрическое поле,возникающее между измерительными элек тродами 1 и 3 датчика, пронизывает вспомогательное вещество, находящееся в области неоднородного электрического поля б, диэлектрические стен. ки 4 и контролируемое вещество, находящееся в области рабочего объема датчика 7, т.е, в области однородно 1067421го электрического измерительного поля. Часть силовых линий электрического поля с высокопотенциального измерительного электрода (например,. 1) замыкаются, на заземленный электрод 2, не достигая второго, низкопотенци ального измерительного электрода (соответственно, электрода 3), при-, чем в момент равновесия, к примеру, .трансформаторного измерительного моста, при помощи которого измеряется 10 емкость данного датчика по трехконтактной схеме включения конденсатора, потенциалы низкопотенциального электрода 3 и заземленного электрода 2 равны. Электрическое поле б в этой области, т.е. у поверхности электродов, оказывается заметно неоднородным, в то время как в центральной области датчика 7, вдоль его оси, электрическое измерительное поле од нородно. Так (согласно экспериментальным данным) при длине заземленного электрода 2, равной 0,3 внутреннего. диаметра электродов, когда длина измерительных эле тродов 1 и. 25 2 не менее величины указанного диаметра, электрическое поле в этой области полностью однородно. Соответственно, область однородного электрического измерительного поля датчика 7 представляет собой рабочий 30 объем датчика, заполняеьщй транспортируемым по трубопроводу контролируе мым веществом, а область неоднородного электрического поля б заполняет. ся вспомогательным веществом в полном соответствии с предложенным способом, например контролируемым веществом, не содержащим неоднороднос- тей (в данном случае, как правило, взвешенных в жидкости частиц приме сей) .Вне зависимости от того, на каком расстоянии от оси такого датчика пройдет контролируемая частица, она вызывает одинаковой величины выход ной сигнал устройства (по которому можно, например, достоверно судить о размере частицы), что и свидетельствует о постоянстве чувствительности в любой точке поперечного сечения 50 датчика. Чувствительность в различных сечениях такого датчика различна, имея пик у заземленного электрода, что очень ценно для возможностей рассмотренного диФференциального анализа контролируемого вещест 55 ва.П р и м е .р. (Гранулометрические измеения, т.е. определение размеров, частиц примесей железа в трубопроводе подачи бензина), 60Выбирают тот рабочий объем датчика, который имеет наиболее однородное электрическое измерительное полев области пропускаемой через датчикжидкости. 55 Такой датчик содержащий три прямыхсоосных цилиндрических электрода,Область наиболее однородного поля вэтом датчике (определенная с помощью,например, металлического шарика), ктому же, имеет наиболее простую Форму - близкую. к цилиндрической - исоосна с электродами, что. удобно дляреализации способа. Однако кольцеваяобласть б у внутренней поверхностицилиндрических электродов имеет существенную неоднородность, избежатьвлияния которой на результат измерения размеров частиц примесей в пропускаемом в потоке жидкости (бензине)сквозь датчик, помогает предлагаемый способ.В указанном датчике,7 с наиболееоднородным электрическим измерительным олем область наиболее однороднойчасти этого поля полагают рабочимобъемом датчика (т.е. областью, вкоторой впредь будет протекать внутридатчика в его измерительном поле исследуемый на загрязнения металлическими частицами бензин). Оставшеесяпространство внутри датчика (т.е.область неоднородного поля б) заполняют вспомогательным веществом, величина диэлектрической проницаемостикоторого близка, лучше всего равна,диэлектрической проницаемости контролируемого вещества, не содержащегонеоднородностей, к примеру самим этимвеществом, не содержащим неоднородностей,Кольцевую область в датчике внеего. рабочего объема б (т.е. область,где электрическое измерительное полезаметно неоднородно) следует заполнить вспомогательным веществом, величина диэлектрической проницаемостикоторого максимально близка, лучшевсего равна, величине диэлектрической проницаемости бензина без металлических примесей (величине 2.05) .Лучше всего заполнить эту нерабочуюоб,пасть б внутри датчика порцией изданной партии контролируемого бензина, полностью очищенного от металлических частиц,В рассматриваемом примере величина диэлектрической проницаемости диэлектрической стенки 4, служащей для исключения взаимного перемешивания контролируемой и вспомогательной жидкостей, должна. быть близка к величине Я = 205, потому выбирают в качестве материала для стенки фторопласт, величина диэлектрической проницаемости которого 1,95 (незначительное различие величин 1,95.и 2,05, а также малый объем в датчике, занимаемый стенкой с величиной диэлектрической проницаемости, не равной Е контролируемой жидкости, не вызывает существенного искажения поля датчикаЗаказ 11202/48 Тираж 828 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4 а значит, и его однородного характера в рабочем объеме).Следующей операцией является за" полнение нерабочей области б внутри датчика (кольцеобразной области между электродами и диэлектрической 5 кольцевой стенкой) вспомогательным веществом (бензином без металлических примесей).Затем по цилиндрической рабочей области внутри тонкой диэлектричес кой стенки начинают пропускать конт ролируемое вещество (бензин с метал-. лическими частицами примесей). Изме" ряют емкость датчика между его измерительными электродами. Каждый им пульс при измерении емкости свидетельствует о прохождении сквозь датчик металлической частицы примесей, а величина импульса прямо пропорциональна размеру частицы, что удается 20 достичь при таких измерениях вследствие обеспечения однородности поля в любой точке рабочего объема датчика (в его поперечном сечении).Таким образом, проходящая сквозь рабочий объем датчика на любом расстоянии (в пределах этого объема) от оси датчика металлическая частица сегда вызывает строго одинаковое изменение емкости, пропорциональное только размеру металлической частицы, а не ее местонахождению в поперечном сечении рабочего объема датчика. Предложенные способ и устройство позволяют решить проблему обеспечения (с любой степенью точности постоянной.чувствительности к любым частям объема контролируемого неоднородного вещества в электроемкостном датчике любого типа за счет исключения в нем .иэ рабочего объема, куда помещается контролируемое вещество, области неоднородного измерительного поля, что позволяет резко (на один - два порядка) повысить точность (до 0,1) измерения параметров неоднородных веществ, главным образом параметров неоднородностей в веществах, при помощи электроемкостного метода контроля, что ведет к соответствующей (не менее чем 5-10) экономии контролируемых веществ и матерна" лов, позволяет решить задачу диэлектрического гранулометрнческого анализа микрочастиц примесей в веществах, например металлических частиц примесей в маслах двигателей.