CN1066121A - 利用电容传感器对位移或介电常数进行的动态和非接触测量 - Google Patents

Abstract

一种动态地和非接触地测量导电体相对电容传 感器位移的方法，电容传感器由两片平行的导电极板 构成，重叠设置，且相互电绝缘，并被加以一个具有预 定电压值的高频信号，电容传感器与检测电流值的部 件相连。本发明还公开了一种动态地和非接触地测 量导电部分和上述电容传感器之间电介质的介电常 数的方法。

Description

本发明涉及一种动态地和非接触地测量接地导电体相对电容传感器位移的方法，以及动态地和非接触地测量接地导电部分与电容传感器之间电介质的介电常数的方法。本发明特别涉及一种动态地和非接触地测量位移的方法，它非常适用于以相对简化的方式持久地测量旋转机械轴的轴向位移，或者测量罐中的液面，还特别涉及一种动态地和非接触地测量电介质的介电常数的方法，它也非常适用于以相对简化的方式测量罐中的液面，或连续监测流经管道的物质可能发生的组分变化。

授予HYDRO-QUEBEC的美国专利NO.4，675，670描述了一种动态地和非接触地测量距离的装置和方法，该距离将可能是导体也可能不是的第一部分的表面与第二导电部分的表面隔开，第二导电部分与第一部分相距很近并接地，例如发电机的定子和转子，该装置和方法能够持久使用，不会产生显著的变化或过分的积累现象，即使存在强磁场或温度变化大的情况下，也能保证精度和可靠性。

上述装置包括一个由两块平行导电极板构成的传感器，这两块极板重叠放置且相互绝缘，并被加以一个5V至100V之间的预定电压下的频率为100KHz至10MHz的高频信号，还与一个检测电流值的部件相连，该部件本身又与一个对检测到的电流值进行处理的部件如计算机相连。

传感器在其使用期间构成一个具有接地导电部分的电容器，电容量由下面已知的公式确定：

C＝ (KAr)/(D) （1）

其中：

K＝εoεr，εo为真空介电常数（8.854PF/m），εr为离导电部分最近的传感器极板表面和导电部分之间的电介质的相对介电常数;

Ar为传感器极板上与导电部分重合面的面积;以及

D为离导电部分最近的传感器极板表面和导电部分之间的距离。

当向如此形成的电容器施加一个高频信号时，在传感器极板中就感应出一个可测量的电流，其强度由下面的等式确定：

i＝ωCV  （2）

其中：

ω＝2πf，f为所加信号的频率;

V为离导电部分最近的传感器极板表面和导电部分之间的电压差;以及

C为上述电容量。

等式（1）表示介电常数值K和重合面的面积Ar为常量时，电容量C以及由此产生的公式（2）中的电流i，根据传感器和导电部分隔开的距离D的倒数变化，这就使得用上述方法动态地和非接触地测量离导电部分最近的电容传感器极板和导电部分之间的距离成为可能。

可以很容易地看出，该装置能够类似地用于测量公式（1）中的其它可变参数，例如介电常数K或重合面的面积，只要余下的参数固定不变就行了。

因此，本发明的第一个目的是提出一种利用上述装置动态地和非接触地测量接地导电体相对电容传感器位移的新方法，第一种方法包括以下步骤：

（a）以一个固定的间距将电容传感器靠近导电体设置，电容传感器的极板与导电体延伸的平面平行，于是上述平面中的导电体的位移改变了重叠放置的导电体和电容传感器形成的重合面的面积;

（b）检测在电容传感器中由高频信号感应出的电流，该电流值的变化与重合面的面积变化成正比关系;以及

（c）根据电流值确定导电体相对电容传感器的位移量。

该方法不限于在涡轮机或储液罐中应用，因为它允许测量任何导电体相对传感器的位移，只要传感器上的导电体的重合面在位移时变化就可以了。

本发明的第二个目的是提供一种还是利用上述装置，来动态地和非接触地测量接地导电部分与电容传感器之间电介质的介电常数的新方法，第二方法包括以下步骤：

（a）以一个固定的间距将电容传感器靠近导电部分设置，从而其介电常数有待测量的电介质位于导电部分和电容传感器之间;

（b）检测在电容传感器中由高频信号感应出的电流，该检测到的电流的变化与电介质的介电常数的变化成正比关系;以及

（c）根据电流值确定导电部分和电容传感器之间电介质的介电常数。

再说一遍，该方法不仅仅限于在储液罐中或在检测管道中流动物质组分的变化中应用，因为它允许测量电容传感器和任何被测导电部分之间电介质的介电常数。

通过以下参照附图对可能的实施例所作的非限制性的描述，本发明及其各种优点将更易于理解。

图1是本发明方法的原理图;

图2表示本发明的测量位移的第一种方法，其中导电体大于电容传感器;

图3是根据图2的本发明的一个实施例的被测电流值的特性曲线;

图4a表示测量蒸汽涡轮机和交流发电机之间连接件位移的本发明的第一种方法;

图4b是图4a所示连接件的详细侧视图;

图4c是图4a所示连接件的详细顶视图;

图5表示采用几个传感器测量位移的本发明的第一种方法;

图6a表示测量导电罐中导电的或强极化液体液面的本发明的第一种方法;

图6b表示测量用电绝缘材料制成的储液罐中导电的或强极化液体液面的本发明的第一种方法;

图6c表示测量导电罐中非导电液体液面的本发明的第二种方法;

图6d表示测量用电绝缘材料制成的储液罐中非导电液体液面的本发明的第二种方法;

图7表示检测管道中流动的油中含水量的本发明的第二种方法;

图8表示本发明的结构中使用的测量、检测和校准电路图;

图9表示采用本发明的方法的装置的主要功能框图。

现在参照附图1，从中可以看出，用于实现本发明方法的装置1包括至少一个电容传感器3，它由两片导电的、重叠的、并由一个适当的绝缘体9进行相互电绝缘的极板5和7组成，一个电源和检测部件11，用来向每个传感器的两片极板5和7施加同样电压的相同的高频信号，以及检测极板7中由高频信号感应出的电流值，还包括将每个传感器的极板5和7连接到部件11上的电缆13，部件11产生一个与被测电流有关的电信号S，它可被送至数据处理装置，例如计算机，以便根据本发明的方法进行测量。

为了避免可能出现的寄生噪声、反射阻抗或绝缘问题，送到传感器的极板5和7的高频信号最好频率在100KHz至10MHz之间，峰峰值电压在5V至100V之间。通过选择极板5和7的最佳尺寸以及将它们隔开的最佳距离，也可以减小寄生噪声的影响。

考虑到由于电容传感器3的结构和物理参数，处理装置是非线性的，因此事先要进行校准，以便精确地转换与参数有关的被测电流，实现用本发明的方法测量的目的。

在本发明的第一个方法（动态地和非接触地测量位移的方法）中，电容传感器3通过适当的手段以固定的距离D靠近导电体15设置，以便使它的极板5和7与导电体延伸的平面平行。在该平面中，导电体15和电容传感器3的共同的表面构成重合面17。根据本方法，基本一点是重合面17的面积在导电体15相对电容传感器3位移时发生变化，这是由于被测电流的变化与该面积的变化成正比关系，该被测电流使精确测量位移的目的得以实现。

图2表示本发明的第一种方法（测量位移的方法）的使用，其中导电体15大于电容传感器3，传感器3是矩形。虽然这种形状不是必需的，但是在本方法的这种使用过程中它呈现了某些具有特殊意义的性质，如图3所示。

图3表示图2中的实施例的导电体15沿箭头方向相对电容传感器3的位移和部件11产生的电信号S之间的线性关系。该特性基于这样一个事实：重合面17的面积相对于所述位移量的增加而线性地增大。虽然当导电体15的边缘27越过电容传感器3的边缘29时曲线21的两端出现弯曲（23和25），但曲线21的主要部分仍是线性的。

如图4a所示，本发明的第一种方法（测量位移的方法）可用来测量连接蒸汽涡轮机33和交流发电机35的旋转轴31的伸长情况。连接件37作为导电体，故必须事先接地。如放大图4b和4c所示，传感器3与连接件37平行，且与之相隔一个固定的距离D′，以便测量由虚线41代表的连接件37沿箭头39方向可能产生的位移。必须使电容传感器3和轴31之间的距离D″与距离D′相比足够长，从而轴31位于传感器3的旁侧而引起的电容效应可忽略不计，不会影响对位移的测量。由于电容传感器3的宽度B′小于连接件37的宽度B″，并且该传感器具有矩形形状，所以位移和信号S之间的关系是线性的，这样便减小了以后处理信号S的复杂程度。

现在参照图5，当导电体15沿箭头43方向的位移太大，仅用一个传感器不能测量时，可以使用几个电容传感器3，并按照本发明的测量位移的第一种方法将它们进行设置，导电体15的位移改变至少一个传感器的重合面，于是被测电流值也发生了变化。获得这种结果的一个简单办法是成直线地一个接一个地设置传感器。

如图6a所示，本发明的第一种方法（测量位移的方法）可以用来测量储液罐49中的液体47的液面45，该液体是导电的或强极性的，比如特定条件下的水或水银，储液罐49也是导电的。在这种情况下，液体47作为导电体，利用储液罐49本身也导电的便利条件，液体47能够接地51。通过粘接或适当手段，电容传感器3能够简单地直接装在储液罐49的内擘53上，并且当然要用绝缘密封保护层加以遮盖。为了允许测量储液罐49中的液体47的任何液面45，传感器3仅仅需要像储液罐49的壁53的高度那样长就可以了。在储液罐49是电绝缘的情况下，如图6b所示，导电液体或强极性液体47借助于接地辅助电极55与地51相连，辅助电极55例如由一般的金属板制成，放在储液罐49的底部的外部或内部。

现在参照图6c，在此装置1用来实现本发明的第二种方法（动态地和非接触地测量电介质的介电常数的方法），用该方法测量非导电液体47的液面45，这种非导电液体47，如油、汽油或其它石油派生物的相对介电常数大于空气的介电常数（为1个单位）。在本实施例中，当储液罐空了的时候，被测电流的信号S产生一个偏差，该偏差是可以被充分校正或补偿的。当溶液的介电常数接近空气的介电常数时这种偏差会变得更加严重。接地辅助电极55至少和传感器3一样长，例如由一般的金属板制成，与地51相接，并且靠近电容传感器3设置，传感器3本身装在导电储液罐49的内壁53上。对传感器3的保护不是必须的，但却是所希望的。在储液罐49是电绝缘的情况下，如图6d所示，传感器3可装在储液罐的内壁或外壁上。

图7表示用于检测物质57组分的本发明的第二种方法，该物质的组分可能被存在于电绝缘管道59中的杂质改变了。传感器3以这样一种方式直接装在管道59的壁上，使得物质57必然经过接地63的电极61和该传感器3，当存在杂质时，事先测得的介电常数会改变。知道了物质57的介电常数值或进行试验确定该值，就能将电源和检测部件11连接至事先调整好的报警系统，报告被检测的物质57的组分发生的任何变化。

图8表示本发明使用的装置1的电源和检测部件11的电路图。在该电路中，有一个高频信号发生器65。该发生器向传感器3的极板5输送信号，极板5与外界形成一个固定电容Cf。传感器3的极板7与导电体15的表面形成一个可变电容Cv。每一种传感器还特有一个寄生电容。该寄生电容用符号Cp表示。电流检测器67由串联在发生器65和传感器极板7之间的低阻抗值阻抗69构成。电流检测器67还包括一个与阻抗69相连的隔离电路，用来隔离地测量阻抗69两端的高频电压信号，并从该信号中取出如此测得的一个正比于被测电流的信号。该电路还包括一个隔离变压器71，一侧与阻抗69并联，另一侧与可调增益放大器73相连。该放大器接下来经滤波器77与接收放大器信号的已知类型的振幅解调器75相连。解调器75输出所要求的与被测电压成正比的信号，并将它输送给适当的处理装置89，该装置89在以后作进一步的详细说明。为了对装置的漂移进行自动校正，检测器67还包括校准装置79，以便暂时替代可变电容Cv。校准装置79可通过开关81连接，由两个已知阻值的阻抗83和85构成，能够得到两个参考信号（高和低校准）。这两个阻抗83和85由继电器87切换。

应该指出的是，使用这种校准装置79不是必须的。在一些情况下，在获取每个数据之前，允许既考虑发生器的漂移，又考虑放大器的漂移，并且还进一步允许简便地确定增益和偏差。

如图9所示，处理装置89与电流检测器67相连。

根据第一实施例，处理装置89由包括微处理机91的处理电路构成，其功能是保证当需要时提供由电路检测器67检测到的电路信号的处理过程和记录过程。当需要信息的时候，这些信号可由微处理机91向计算机93传送，该计算机可装配外部记录装置95（磁盘等）和输出装置97（打印机等）。在使用几个传感器3的情况下，计算机93可以与和每个传感器3相联的微处理机91连接，单独处理存储在每个和传感器3相联的微处理机91中的信号。图9中的粗线以一个实例方式表示可能与其它微处理机91的连接。在实验室中，对于每种传感器来说，所提供的电流-位移关系和电流-介电常数关系数据都要进行一次测定。如前所述，在获取每个数据之前，考虑到放大器和发生器的漂移，可能有必要进行一次校准。

根据另一个实施例，处理装置89可以装有报警电路99。该报警电路99可以代替处理电路或与之相连。它的目的是如果检测到对应于预定的关键性的位移或介电常数的电流时，立即产生一个报警信号。使用这种能够方便地和永久地连接的报警电路99，主要在连续、持久监测旋转机械、储液罐液面或管道中物质杂质的情况下，有着极大的优越性。

Claims (12)

1、一种动态地和非接触地测量接地导电体相对电容传感器位移的方法，电容传感器由两片平行的导电极板构成，重叠放置，且相互电绝缘，并被加以一个从信号发生器发出的具有预定电压值的高频信号，所说的电容传感器与一个检测电流值的部件相连，所说的方法包括以下步骤：

(a)以一个固定间距将所说的电容传感器靠近所说的导电体设置，所说的极板与所说的导电体延伸的平面平行，于是所说平面中的导电体的位移改变了重叠放置的所说导电体和电容传感器形成的重合面的面积；

(b)检测在所说电容传感器中由所说高频信号感应出的电流，该电流值的变化与所说重合面的面积变化成正比关系；以及

(c)根据所说的电流值确定所说导电体相对所说电容传感器的位移量。

2、根据权利要求1的方法，其中对所说电流的检测是通过与一个低阻抗值阻抗并联的隔离电路完成的，该阻抗串联在所说信号发生器和离导电体最近的传感器的极板之间，所说隔离电路用来测量所说低阻抗值阻抗两端的所说高频信号，并从所说测量中取出一个正比于所说电流的信号。

3、根据权利要求1的方法，其中确定与所说电流值有关的所说的位移量是通过电子部件完成的，这些部件被设计或编程为其输出量成为所说电容传感器的各种物理参数的函数，通过考虑寄生效应，确定对应于所说电流值的所说位移的实际值，寄生效应对每个电容传感器来说是特定的，可能影响如此测得的电流。

4、根据权利要求1的方法，其中在步骤（a）设置几个电容传感器，从而所说导电体的位移改变至少一个所说的电容传感器上的所说重合面。

5、根据权利要求1的方法，其中所说导电体是旋转机械的轴，所测位移是所说轴的连接件相对所说电容传感器的位移。

6、根据权利要求1的方法，其中所说导电体是盛在罐中的液体，所测位移是所说罐中液面相对所说电容传感器的位移。

7、一种动态地和非接触地测量接地导电部分和电容传感器之间电介质的介电常数的方法，电容传感器由两片平行的导电极板构成，重叠设置，且相互电绝缘，并被加以一个从信号发生器发出的具有预定电压值的高频信号，所说的电容传感器与一个检测电流值的部件相连，所说的方法包括以下步骤：

（a）以一个固定间距将所说的电容传感器靠近所说的导电部分设置，使得其介电常数有待测量的电介质位于所说导电部分和电容传感器之间;

（b）检测在所说的电容传感器中由所说高频信号感应出的电流，该电流的变化与所说电介质的介电常数的变化成正比关系;以及

（c）根据所说的电流值确定所说导电部分和电容传感器之间电介质的介电常数。

8、根据权利要求7的方法，其中对所说电流的检测是通过与一个低阻抗值阻抗并联的隔离电路完成的，该阻抗串联在所说信号发生器和离导电体最近的传感器的极板之间，所说隔离电路用来测量所产低阻抗值阻抗两端的所说高频信号，并从所说测量中取出一个正比于所说电流的信号。

9、根据权利要求7的方法，其中确定与所说电流值有关的所说的介电常数是通过电子部件完成的，这些部件被设计或编程为其输出量为所说电容传感器的各种物理参数的函数，通过考虑寄生效应，确定对应于所说电流值的所说介电常数的实际值，寄生效应对每个电容传感器来说是特定的，可能影响如此测得的电流。

10、根据权利要求7的方法，其中在步骤（a）以这种方式设置几个电容传感器，使所说电介质的介电常数能在几处确定。

11、根据权利要求7的方法，其中所说电介质是盛在罐中的液体，所测介电常数随罐中所说导电部分和电容传感器之间的所说液面的变化而改变。

12、根据权利要求7的方法，其中所说电介质在管道中，所测介电常数的值由所说电介质主要的杂质含量来改变。

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