CN106940338A - 一种新型水分含量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种新型的水分含量测量装置及方法，包括两个电容极片和对应的接地屏蔽层。所述屏蔽层用于屏蔽其他物体对极片电容值的影响，提高测量精度。所述的两个电容极片，与待测物体的距离不同，利用电容极片相对于空载时的容值变化，求解出电容极片与待测物体之间的距离，用以修正电容值。所述修正之后的容值，利用含水率和电容值一一对应的关系，得到物体含水率。本发明的水分含量测量方法简单实用，适合推广。

Description

一种新型水分含量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及水分含量测定领域，特别是涉及一种新型水分含量测量装置及方法。

背景技术

水分含量是反映物体内部潮湿程度的一个物理参数，指含水物质中所含水分量占该物质总重量的百分比(重量含水量)或所含水分的体积占该物质总体积的百分比(容积含水量)。

现有的水分含量测量方法主要有烘箱法、电阻法、电容法、近红外法、微波发等。电容法、近红外法和微波法都是无损的检测方法，但是近红外法易受到被测物体的形状、大小、密度的影响，并且不能测量物体内部的水分。微波法成本较高，难以推广。电容法利用水分的电介常数远远大于被测物体本身的电介常数，通过测量电容的变化，来测量物体水分含量。

电容法成本低、体积小、易集成，可广泛适用于各种便携式电子设备中；但电容法易受到物体的形状、电极极片和物体相位位置的影响；因此业界亟待一种新型的水分含量测量方法，适用于被测物体和电容极片相对位置不固定，接触紧密程度有变化的情况。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种可以避免待测物体和电极板之间相对位置变化而带来的测量误差。以提高测量准确度，减小操作难度，降低对待测物体的形状要求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种新型水分含量测量装置及方法，包括两片电容极片，以及相应的屏蔽层；所述的两片电容极片位于不同的平面且两片电容极片所在平面平行。

进一步，所述的两片电容极片面积比值为0.2～5。

再进一步，电容极片的平均面积为S平方毫米，两个电容极片的距离应取S/1000毫米到S/5毫米区间，以保证两个电极上的电容变化明显，提高计算精度。

采用两个电容极片，测量由于物体内部水分引起的电容变化，利用两个电容极片的上电容变化值的不同，去估计物体与电容极片的距离，用以计算极片在固定距离位置上的等效电容，通过等效电容来测量物体内部的水分含量。采用三片、或是更多电容极片，计算物体和电容极片的相对距离，用以修正电容值，也应视为本发明的变形，属本发明保护范畴之内。包含如下步骤：

S1:采用电容极片E1和电容极片E2两个电容极片，固定两个极片的相对距离为D；

S2:将物体移动到电容极片E1和电容极片E2的正上方，记录电容极片E1、电容极片E2电容的变化值，分别记为ΔC1和ΔC2；

S3:利用ΔC1和ΔC2的值，求解物体离电容极片的近似距离A，用以修正所测电容的值，设物体的厚度为H，令B＝A+H；假设物体含水量为Q；

ΔC1和ΔC2表示两个电极的变化值，其中D是两个电容极片的高度差；采用两个几何形状相似的电容极片，可以认为系数K₁＝K₂相同，令K₁＝K₂＝K；一般使高度差D远远小于被测物体厚度H，因此B+D≈B。

在H已知的情况下，α和A存在一一对应的关系，通过查表法，求解方程近似解，得到A的估计值；用以修正所测量的电容值。

S4:利用所测得的A值，将在距离为A处得到的电容改变值，修正到A0处的等效电容改变量。

S5:利用修正之后的电容改变量ΔC_A0以及电容变化量和含水量的一一对应关系，得到物体内部的含水量。

所述电容极片，有对应的屏蔽层，以屏蔽其他物体对电容值的影响，其中，屏蔽层与对应电极的距离，在0.1～150毫米区间，以达到良好的屏蔽效果。

所述水分含量测量的方法不仅可以用于测量物体的含水量，还适用于通过测量物体含水量来判断物体当前状态或估计当物体内部水量；如通过纸尿裤内的含水量，去判断纸尿裤是否尿湿、计算婴儿尿量，皆属于本发明的保护范畴。

附图说明

图1为本发明所述测量物体内部水分含量的装置示意图。

图2为本发明电容极片形状示意图。

在上述附图中，各附图标记的含义为：E1-导电极片1，E2-导电极片2，P1-屏蔽层1，P2-屏蔽层2，W-待测物体。

具体实施方式

下面详细介绍本发明的实施例，所述实施例的示例在附图1中示出。

在一定条件下，物体的电介常数如婴儿纸尿裤可以用它的含水量表示，并且含水量和电介常数是一一对应的。所以在其他条件没有改变的情况下，可以利用电容传感器来测量出物体的电介常数，再根据电介常数和含水量的对应关系计算出物体内部的含水量。

然而在实际应用时，每一次测量，并不能保证物体和电容极片的距离相同。因此，本发明采用两个电容极片，引入物体和电容极片之间的距离参数，用以补偿最后的计算结果。

结合图1和图2，所述电容传感器包含两个电容极片，电容极片E1和电容极片E2。本实例中，电容极片E1和电容极片E2的形状相同。

结合图1，所述电容极片背后含有一层接地的极片作为屏蔽层，屏蔽其他物体对电容的影响，以尽量提高电容测量精度。电容极片E1和电容极片E2对应的屏蔽层分别为屏蔽层P1和屏蔽层P2，屏蔽层距离对应的极片距离为10毫米。

结合图1，两个电容极片的空间位置不同，电容极片E2和电容极片E1空间垂直距离为D；本实例中取电容极片的面积为100平方毫米，D的值为0.8毫米。

结合图1，电容极片E1距离待测物体纸尿裤表面距离为A，本实例中，A的取值应当小于5毫米，则相应的电容极片E2距离待测物体纸尿裤的距离为A+D。

令B＝A+H；其中H表示纸尿裤的厚度，本实例中，H取1.5厘米。记电容极片在空载的时候，对应的电容分别是c1＝1.51pf和c2＝1.67pf，并记贴上纸尿裤之后两个电容极片对应的电容为c1’＝2.16pf和c2’＝2.09pf；

(a)计算电容该变量ΔC1＝c1'-c1＝0.65pf；ΔC2＝c2'-c2＝0.42pf。

(b)通过公式计算α＝0.295。

(c)求解方程得到A的值，在本实施例中，H＝1.0cm，可实现列k1和A的对应关系，计算出α之后，可通过下表A与α对应关系，查表得到A的值,A＝1.8mm。

(d)利用A值，将电容值修正到A0＝5毫米处的等效电容值，

(e)利用修正之后的电容ΔC_A0，通过查找电容变化量与含水量的对应表，得到当前纸尿裤内的含水量为66％左右。

ΔCA0(pf)	0.24	0.35	0.46	0.58	0.70	0.81	0.93	1.05	1.16	1.28
											容积含水量(％)	10	20	30	40	50	60	70	80	90	99

相比于其他测量物体含水量的方法，本方法不需限制物体与电容极片之间的相对位置，使用更为方便。

以上所述是本发明的部分实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以做出若干改进和润湿，也应当视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型水分含量测量装置，其特征在于，包括两片电容极片，以及相应的屏蔽层；所述的两片电容极片位于不同的平面且两片电容极片所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种新型水分含量测量装置，其特征在于，所述的两片电容极片面积比值为0.2～5。

3.根据权利要求1所述的一种新型水分含量测量装置，其特征在于，所述的两片电容极片的距离为两片电容极片平均面积数值的千分之一到五分之一之间。

4.根据权利要求1所述的一种新型水分含量测量装置，其特征在于，所述的屏蔽层设置于电容极片的背面，屏蔽层屏蔽其他物体对电容极片电容值的影响。

5.应用权利要求1所述的测量装置进行水分含量测量的方法，其特征在于，将待测物体放置在平行于两片电容极片的位置，根据电容极片的电容值变化计算物体与电容极片的最小距离，用该距离正电容值；根据电容值与含水量的对应关系，利用修正后的电容值得到物体的含水量。

6.根据权利要求5所述的水分含量测量的方法，其特征在于，计算距离方式如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}C1-\mathrm{\Δ}C2}{D*\mathrm{\Δ}C1}=\frac{1}{A}/ln\left(\frac{A+H}{A}\right)=\mathrm{\α}$

ΔC1和ΔC2表示两个电极的变化值，其中D是两个电容极片的距离，H为物体的厚度，A为物体距离电容极片的最小距离；

$ln(A+H)-\frac{1}{\mathrm{\α}*A}=\ln A$

通过求解上述方程，得到A的值。

7.根据权利要求6所述的水分含量测量的方法，其特征在于，在已知物体厚度时得到α和A的对应关系并存储，求得α值后通过查表法得到A的值。

8.根据权利要求5所述的水分含量测量的方法，其特征在于，根据电容与待测物体的距离A，通过以下公式计算得到在固定距离上的等效该变电容ΔC_A0：

${\mathrm{\ΔC}}_{A0}={\mathrm{\ΔC}}_A\ln \left(\frac{A0+H}{A0}\right)/\ln \left(\frac{A+H}{A}\right)$

A0为将电容与待测物体的距离修正后的某一特定距离。

9.根据权利要求5所述的水分含量测量的方法，其特征在于，利用修正后的电容值，根据电容与水分含量的对应关系，通过查表法得到物体的水分含量。