CN102778482A - 混合浓度测定用传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种混合浓度测定用传感器装置，其目的在于正确地检测被检测流体的混合物的混合浓度。在外部电极(22)的内侧以位于同心轴上的方式配置有内部电极(23)，并从壳体(21)经由支承构件(28a、28b)对内部电极(23)在长度方向上的多个部位进行支承。能基于外部电极(22)与内部电极(23)之间的静电电容对流过外部电极(22)与内部电极(23)之间的通路(26)的被检测流体(S)的状态进行检测。

Description

混合浓度测定用传感器装置

技术领域

本发明涉及一种通过电容方式对被检测流体的浓度进行检测的传感器装置。

背景技术

图11表示专利文献1所记载的传感器装置。

为了通过电容和温度来检测从上游侧的流体配管25流向下游侧的流体配管27的被检测流体S，利用与流体配管25连接的管61、与流体配管27连接的管62、夹在管61与管62之间的中间管63形成了流体通路64。在中间管63内侧的流体通路64中，利用支承构件66安装有内部电极65。在此，中间管63是外部电极，内部电极65通过支承构件66被安装成与中间管63电绝缘。温度传感器67的检测部68与支承构件66热结合，从而间接地对内部电极65的温度进行检测。

这样，基于中间管63与内部电极65之间的电容值和由温度传感器67检测到的检测温度，来检测出被检测流体S的浓度等状态。

此外，图12表示专利文献2所记载的传感器装置。

管70和管71被接合成大致T字形状，从管70一端的流入口70a流入的被检测流体S从管71一端的流出口71a流出。管70的另一端被电极插入部72塞住。内部电极73从管70的上述另一端朝向管70的上述一端插入。符号74是安装在管70的外周面上的温度传感器。

这样，基于管70与内部电极73之间的电容值和由温度传感器74检测到的检测温度，能检测出被检测流体S的浓度等状态。

专利文献1：WO2007/019577

专利文献2：日本专利特许第2639753号公报

然而，在图11的第一现有例中，流体通路64内的棒状的内部电极65仅在一处被支承构件66保持，因而会因被检测流体S的流速、粘度而对支承构件66施加多余的应力。因对支承构件66施加的多余应力，会使内部电极65的振动或位置偏移等情况发生的可能性较高，因此，一般采用使支承构件66变粗或是增大电极间距离等处理方式，但是，使电极间距离增大免不了会使检测精度降低。此外，由于会使流体通路的截面积不均匀，而使被检测流体S的流动紊乱，因此，具有在对被检测流体S进行一段时间的感应时，检测精度不稳定、很难注意到被检测流体S细微的特性变化这样的技术问题。

在图12的第二现有例的情况下，同样由于仅有内部电极73的一端被电极插入部72支承，因此，发生内部电极73的振动或位置偏移等情况的可能性较高。

发明内容

本发明为解决上述现有技术问题而作，其目的在于提供一种传感器装置，无论被检测流体S的流速或粘度如何，上述传感器装置均能长时间进行高精度的检测。

本发明的混合浓度测定用传感器的特征是，设有：筒状的外部电极，该外部电极配置在筒状的壳体内侧的通路中；内部电极，该内部电极的位于上述通路一端和另一端方向上的多个部位经由支承构件而与上述壳体连接，并使上述内部电极与上述外部电极位于同心轴上地配置在上述外部电极的内侧；以及支架，该支架安装在上述壳体的端部，其内周通路与形成在上述外部电极的内周与上述内部电极的外周之间的检测通路连通，该混合浓度测定用传感器基于上述外部电极与上述内部电极之间的静电电容对流过上述外部电极与上述内部电极之间的通路的被检测流体的状态进行检测。

较为理想的是，上述内部电极的端部在上述支架的内周通路内延伸设置，上述内部电极与上述支架之间的流路的截面积和上述内部电极与上述外部电极之间的流路的截面积大致相等。

较为理想的是，上述内部电极的端部形状为圆锥形，上述支架的内周通路沿着上述内部电极的端部的圆锥形状而形成为锥状。上述内部电极的端部的圆锥形状具有10～60度的角度。

较为理想的是，通过上述支承构件将上述内部电极的周向上的两个以上部位安装到上述壳体。

较为理想的是，将中央形成有供上述内部电极贯穿的孔的电绝缘体的第一构件安装在上述外部电极的两端，将中央形成有供上述内部电极贯穿的孔的导电体的第二构件安装到上述第一构件的外侧，并且将上述第二构件的内周面与上述内部电极的外周面之间通过导电体的上述支承构件连接，将安装有上述外部电极的第一构件和安装有上述内部电极的第二构件插入上述壳体内侧的通路，从而对其在上述壳体内侧的通路中的径向位置进行定位，将上述支架安装到上述壳体的端部，以对上述外部电极、上述内部电极、上述第一构件、上述第二构件在上述壳体内侧通路中的上述通路的一端和另一端方向上的位置进行定位，上述外部电极与上述第一构件之间、上述第一构件与上述外部电极之间、上述第一构件与上述第二构件之间、上述第二构件与上述支架之间分别被密封件密封，以使被检测流体在上述外部电极与上述内部电极之间流动。温度传感器与上述外部电极热结合。

根据本发明，由于从壳体经由支承构件对内部电极在上述通路的一端和另一端方向上的多个部位进行支承，以将内部电极以位于同心轴上的方式保持在外部电极的内侧，因此，能正确地保持内部电极的位置，并能长时间确保高的检测精度。

附图说明

图1是本发明实施方式1的传感器装置的示意剖视图。

图2是上述实施方式的组装工序图。

图3是图2的主要部分的放大剖视图。

图4是图1的AA剖视图。

图5是图1的B-B剖视图。

图6是实施例1的聚氨酯发泡设备的结构图。

图7是上述实施例1的电容测定结果的输入输出特性图。

图8是实施例2的聚氨酯发泡设备的结构图。

图9是实施例2的电容测定结果的输入输出特性图。

图10是本发明实施方式2的主要部分的放大剖视图。

图11是专利文献1所记载的现有的传感器装置的剖视图。

图12是专利文献2所记载的现有的传感器装置的剖视图。

具体实施方式

以下，基于图1～图10对本发明各实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1至图5表示实施方式1的传感器装置20。

该传感器装置20具有：筒状的外部电极22，该外部电极22固定在筒状壳体2 1内侧的通路上；内部电极23，该内部电极23以与外部电极22位于同心轴上的方式配置在外部电极22的内侧；以及支架24a、24b，该支架24a、24b安装在壳体21的端部。被检测流体S从与支架24a连接的流体配管25流入。

进入传感器装置20的被检测流体S在形成于外部电极22的内周与内部电极23的外周之间的检测通路26中流动，并经由支架24b从与支架24b相连的流体配管27流出。

两端形状呈圆锥形状的内部电极23的位于检测通路26的一端和另一端方向上的多个部位、此处为两个部位经由支承构件28a、28b而被壳体21支承。另外，内部电极23的长度比外部电极22的长度长，支承构件28a、28b的位置比外部电极22和内部电极23的相对部更靠外侧。

基于组装工序对结构进行详细说明。

如图2(a)所示，将中央形成有孔29的电绝缘体的第一构件30a、30b安装在外部电极22的两端。

将中央形成有孔31的导电体的第二构件32a、32b安装在第一构件30a、30b的外侧，并且通过导电体的支承构件28a、28b将第二构件32a、32b的内周面与内部电极23的外周面之间连接。

此外，外部电极22、第一构件30a、第二构件32a的内周与支架24a的内部通路E形成在一个面上。此外，外部电极22、第一构件30b、第二构件32b的内周与支架24b的内部通路E也形成在一个面上。

具体而言，如图3所示，将螺栓35穿过形成于第二构件32a的通孔33和支承构件28a的中心孔34，并使螺栓35的前端与内部电极23螺合来紧固。第二构件32b一侧也同样进行螺栓固定。

外部电极22端部的外周与第一构件30a的内周面的抵接面被O形环36密封。第一构件30a与第二构件32a的抵接面被O形环37密封。第一构件30b与外部电极22的抵接面还被O形环38密封。第一构件30b与第二构件32b的抵接面被O形环39密封。

接着，如图2(b)所示，将安装有外部电极22的第一构件30a、30b和安装有内部电极23的第二构件32a、32b插入壳体21内侧的通路，以对壳体2 1内侧的通路中的径向位置进行定位。通过O形环40对第一构件30a的外周面与壳体21的内周面之间进行密封，第一构件30b的外周面与壳体2 1的内周面之间被O形环41密封。

在图2(c)中，通过螺栓42将支架24a、24b安装到壳体21的端部。第二构件32a与支架24a的抵接面被O形环43密封，第二构件32b与支架24b的抵接面被O形环44密封。另外，支架24a、24b的内部通路E沿着内部电极23端部的圆锥形状而形成为锥状。

在如上所述组装之后，使温度传感器46与从壳体21的孔45露出的外部电极22的外周面热结合，并如图1所示，在壳体21的外周面以与孔45连通的方式安装上筒47。

图4是图1的A-A向视的局部剖视图。图5是图1的B-B向视的局部剖视图。

由于如上所述构成，因此，可测定外部电极22与内部电极23之间的静电电容值，并对被检测流体S的药液浓度进行判断。此时，由于电容率除了被检测流体S的浓度之外还会因温度而变化，因此，设置了温度传感器46。另外，对于外部电极22与内部电极23之间的静电电容值的测定及温度传感器46，可利用公知技术来实施上述测定。

由于将内部电极23的两端形成圆锥形状，并使支架24a、24b的内周面也形成与内部电极23的端部相适的锥状，以使从流体配管25流入并经过传感器装置20而从流体配管27流出的流路的截面积在除了支承构件28a、28b的设置部位之外，内部电极23与支架24a、24b之间的流路的截面积和内部电极23与外部电极22之间的流路的截面积大致相等，因此，能使在检测通路26中流动的被检测流体S的流动为层流。

若内部电极23的圆锥部的角度的最大角度大于60度，则流体的阻力大，传感器受力，而无法进行稳定的测定。若最小角度小于10度，则传感器的厚度变薄，传感器会变形、弯曲，从而无法测定。因此，在10～60度的范围较好。此外，若最大角度从60度变为45度，则流体的阻力降低，此外被检测流体几乎为层流，从而使测定稳定，测定精度提高。若最小角度从10度变为20度，则强度提高，此外圆锥部的轴向上的长度变短，传感器的全长变短，因此，可提高测定精度。因此，在20～45度的范围更为理想。

在图示的例子中，内部电极23的圆锥部的两侧角度均设定为25度，从而使检测通路26的截面积一定。

一旦去除内部电极23下游端的圆锥形状，则流体会在内部电极23下游侧附近处形成涡旋，从而使其旁边的流动紊乱。如图1所示，在传感器装置20的检测通路26处于一条直线上的情况下，将两端设定为圆锥形状较为理想。

支承构件28a、28b较为理想的是设定为圆柱形以尽量减小被检出流体S的流动阻力，且直径为Φ1～3mm左右。传感器装置20的检测范围由外部电极22和内部电极23的相对向长度来确定，通过在内部电极23的外侧设置外部电极22，以与支承构件28a、28b间的内部电极23相对，从而尽管设置了支承构件28a、28b，其检测范围也形成具有均匀截面积的圆筒状。

根据上述结构，利用支承构件28a、28b从壳体21对内部电极23的两端进行支承，从而能正确地保持内部电极23的位置，并且通过使内部电极23的两端形成圆锥形，能使流体通路的截面积均匀，从而使被检测流体尽可能接近层流状态，籍此能确保更高的检测精度。

假设是采用内部电极23呈圆柱形状且从壳体21仅对其一侧进行支承的结构的情况下，内部电极容易从图11中的支承构件66的根部、图12中的电极插入部72的流体通路侧的端部朝径向挠曲，使得电极间距离缩短，从而使测定精度改变。一旦发生这种挠曲，在流体压力的作用下挠曲量会慢慢变大，测定精度也会慢慢发生变化。例如，在电极间距离为5mm的情况下，一旦发生0.5mm的挠曲(偏移)，检测精度就大约变化10％。此外，上述现象因为是在封闭空间内发生的，因而容易晚发现，并且在内部电极与外部电极接触时是不能检测出的。

另外，在上述实施方式中，内部电极23如图4及图5所示在两侧均利用圆柱状的支承构件28a、28b共在四个方向上螺栓固定，但根据用途也可以在两个方向或三个方向上焊接固定。

(实施例1)

图6示出了将传感器装置20夹装于冰箱隔热件用的聚氨酯发泡设备的原料供给配管的具体实施例。

本设备由使作为发泡剂的第二原料52(环戊烷)与第一原料51(多元醇成分)混合而生成预混原料53的循环型原料供给配管、第三原料54(聚氰酸盐成分)的循环型原料供给配管以及使两个原料混合、排出的混料头55构成，是将聚氨酯原料注入冰箱等的隔热筐体的生产设备。

为了混合第一原料51与第二原料52，可使用以静态混合器为代表的液-液混合器56。另外，在本生产设备中，由于作为发泡剂的第二原料52使用环戊烷，因此，在本生产设备中使用的传感器装置20是为实质安全防爆设计。

在此，对第一原料51与第二原料52的混合比的重要性进行叙述。

由于第二原料52是发泡剂，因此，与混合、排出后的流动性有很大关系。在将混合原料注入冰箱等的隔热筐体之后，随着时间的经过，反应一直进行而发生硬化，若发泡剂过少，则由于发泡倍率变小，因此，混合原料无法到达隔热筐体的各个角落而使得填充不良，除了失去隔热性能之外，筐体强度也会降低。此外，若发泡剂过多，则可能因过度填充而导致筐体变形或聚氨酯泄漏等品质不良。因此，作为发泡剂的第二原料52的浓度管理就变得很重要。

在本实施方式1中，将传感器装置20设置在第一原料51与第二原料52混合后的下游侧的原料供给配管上，使用第二原料52相对于第一原料51的混合比例X每次改变1wt％的三个标准(X-1/X/X+1wt％)的原料，并考虑静电电容值因温度而变化的特性，在三个标准(21/23/25℃)下对原料的温度进行测定。

在本实施例中使用的原料的电容率中，示出了第一原料51为大约11.1，第二原料52为大约2.6，由于使低电容率的物质与高电容率的物质混合，因此，可以预测只要混合比例X增加，所求的静电电容值就会减少。

传感器装置20具有电极间距离为2.8mm/检测长度为100mm的均匀的截面呈圆筒形状的检测范围，在由振荡部发出200kHz的振荡频率之后，通过频率-电压转换电路将其转换输出为直流电压。输出电压在直流电压为0～10V的范围内被检测出，并被调节为对于10pF的静电电容变动，输出电压变化10V。

图7是此时的静电电容测定结果。

可知原料温度越低，则静电电容值变高，静电电容值容易受到原料温度的影响。由于无论在何种混合比例的原料中均表现为很高的线性，因此，可知通过同时进行被检测流体的温度管理，就能容易地修正温度，对检测原料浓度是有效的。因此，能提高发泡聚氨酯隔热件及使用其的隔热箱体的发泡品质。

另外，设定为电极间距离为2.8mm/检测长度为100mm的检测范围，但也可以根据被检测流体S的电容率来设定适当的尺寸。

(实施例2)

图8在以下这点上与图6有所不同：在混料头55上游侧，将接近大气压、沸点为零度以下的发泡剂57(二氧化碳)混合。上述混合路径揭示在日本专利特开2010-138239号中。传感器装置20设于液-液混合器58的后段。其它与图6相同。

由于新混合的发泡剂57在置于接近大气压气氛下时会发生汽化，从而在预混原料53中产生气泡，因此，在8～13MPa左右的高压气氛下使用液-液混合器58等较为理想。预混原料53与发泡剂57在液-液混合器58中被混合之后，在混料头55中与第二原料52混合，并被排出系统外。由于被排出的原料含有在接近大气压下容易发生汽化的发泡剂57，因此，在排出之后立即开始发泡。作为发泡剂57的混合比例，最常使用的是预混原料53的0.1～1wt％左右。因此，与实施方式1一样，检测并管理发泡剂57的混合量及排出时间下的混合分布与发泡品质有着很大的关系。另外，由于发泡剂57随着排出时间而混合，因此，不会回到循环型原料供给配管。

作为到目前为止的混合量检测方法，试着使用了以科里奥利式流量计为代表的公知的流量计来检测发泡剂57的混合量。科里奥利式流量计是利用科里奥利力的流量计，具体来说，使被检测流体在U字型流量管内流动，籍此在两个腿(管)之间作用有反方向的科里奥利力，使管扭转，只要测定管的扭转角度就可知流量。但是，这种科里奥利式流量计具有U字型的流量管，在那里产生的压力损失和振动影响对将传感器装置设置在设备配管上而言是很大的技术问题。在本发明中，若作为目标的发泡剂57的混合量减少为预混原料3的0.1～1wt％左右，则存在如下问题：在使用科里奥利式流量计的情况下，为了进一步提高灵敏度，需要使流量管变细，由于会出现流量管内的压力损失或振动影响等原因，从而无法正确检测发泡剂57。

在本实施例2中，由于混合比例与实施例1有很大差异，因此，需要对传感器固有的电极容量进行调整，改变为传感器装置20的电极间距离为1.65mm/检测长度为135mm的检测范围。

图9是实施例2的静电电容测定结果。

山形的波形D1示出了由前述科里奥利式流量计测定出的CO₂流量的测定结果，凹形的波形D2示出了由传感器装置20测定出的测定结果。两者的实际排出时间T1均是5秒，但在前者的由科里奥利式流量计进行的测定中，由于达到流量峰值之前的响应性较差，且超过实际排出时间仍继续测定，因此，无法判断实际上混合了多少发泡剂57。在另一方的由传感器装置20进行的测定中，达到静电电容峰值之前的响应时间为大约1秒，排出结束时回到初始值为止的响应时间为0.3秒以内，可以说能进行更高精度的测定。此外，由于能更详细地检测出波形状态，因此，能更正确地检测出混合分布。

(实施方式2)

图10示出了本发明实施方式2的传感器装置20。

在实施方式1中，在内部电极23与第二构件32a、32b之间夹着支承构件28a、28b并用螺栓旋紧，但在本实施方式2中，在内部电极23与第二构件32a、32b之间夹着支承构件28a、28b并进行焊接、固定这点上与实施方式1不同。

其加工工序如下，将支承构件28a插入第二构件32a的通孔33，并使支承构件28a的前端与内部电极23抵接。此时，为了将第二构件32a与内部电极23间的间隔维持在规定值，在第二构件32a与内部电极23之间夹着电绝缘性的间隔形成用夹具48。这样，就能在将第二构件32a与内部电极23间的间隔维持在规定值的状态下，将支承构件28a按压到内部电极23并在内部电极23与支承构件28a之间通电，以使支承构件28a的前端与内部电极23焊接。

接着，对支承构件28a与第二构件32a之间进行通电，以使支承构件28a与第二构件32a焊接。

同样也实施支承构件28b与内部电极23、支承构件28b与第二构件32b的焊接，之后，取下所有的间隔形成用夹具48。

这样，通过在内部电极23与第二构件32a、32b之间夹着支承构件28a、28b并进行焊接固定，从而与实施方式1的螺栓固定的情况相比，能缩小支承构件28a、28b占检测通路26的面积，从而能期待流量检测精度的提高。

本发明的传感器装置由于能正确地检测到被检测流体中的混合物的混合浓度，因此，能提高使用被检测流体而制造出的部件或制品的品质。

Claims (7)

1.一种混合浓度测定用传感器装置，设有：

筒状的外部电极，该外部电极固定在筒状的壳体内侧的通路中；

内部电极，该内部电极的位于所述通路一端和另一端方向上的多个部位经由支承构件与所述壳体连接，并使所述内部电极与所述外部电极位于同心轴上地配置在所述外部电极的内侧；以及

支架，该支架安装在所述壳体的端部，其内周通路与形成在所述外部电极的内周与所述内部电极的外周之间的检测通路连通，

该混合浓度测定用传感器装置基于所述外部电极与所述内部电极之间的静电电容对流过所述外部电极与所述内部电极之间的通路的被检测流体的状态进行检测。

2.如权利要求1所述的混合浓度测定用传感器装置，其特征在于，

所述内部电极的端部在所述支架的内周通路内延伸设置，

所述内部电极与所述支架之间的流路的截面积和所述内部电极与所述外部电极之间的流路的截面积大致相等。

3.如权利要求2所述的混合浓度测定用传感器装置，其特征在于，

所述内部电极的端部形状为圆锥形，

所述支架的内周通路沿着所述内部电极的端部的圆锥形状形成为锥状。

4.如权利要求3所述的混合浓度测定用传感器装置，其特征在于，

所述内部电极的端部的圆锥形状具有10～60度的角度。

5.如权利要求1所述的混合浓度测定用传感器装置，其特征在于，

通过所述支承构件将所述内部电极的周向上的两个以上的部位安装到所述壳体。

6.如权利要求1所述的混合浓度测定用传感器装置，其特征在于，

中央形成有供所述内部电极贯穿的孔的电绝缘体的第一构件安装在所述外部电极的两端，

中央形成有供所述内部电极贯穿的孔的导电体的第二构件安装到所述第一构件的外侧，并且将所述第二构件的内周面与所述内部电极的外周面之间通过导电体的所述支承构件连接，

将安装有所述外部电极的第一构件和安装有所述内部电极的第二构件插入所述壳体内侧的通路，从而对其在所述壳体内侧的通路中的径向位置进行定位，

将所述支架安装到所述壳体的端部，以对所述外部电极、所述内部电极、所述第一构件、所述第二构件在所述壳体内侧通路中的所述通路的一端和另一端方向上的位置进行定位，

所述外部电极与所述第一构件之间、所述第一构件与所述第二构件之间、所述第二构件与所述支架之间分别被密封件密封，以使被检测流体在所述外部电极与所述内部电极之间流动。

7.如权利要求6所述的混合浓度测定用传感器装置，其特征在于，

温度传感器与所述外部电极热结合。

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