CN110057876A - 一种电容式传感器测量含水率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式传感器测量含水率的方法，该方法基于同轴电容器电容量计算方法，抽象出极板间不同介质电容、并联的物理模型，构建电容值随含水率变化的数学模型并进行试验校正。该方法考虑了传统套有介质套的同轴电容器在高含水率区域灵敏度降低的问题，采用了在介质套外套有导体套的方法，形成电场平衡的悬浮导体套，可以在调节导体套的尺寸大小前提下，采取适用于高含水率区域和低含水率区域的测量方法，灵敏度提高，准确高效，快速方便，具有广阔的应用前景，为我国电容测量技术发展奠定了良好的基础。

Description

一种电容式传感器测量含水率的方法

技术领域

本发明涉及测控系统与诊断技术领域，尤其涉及一种悬浮导体套的电容式传感器测量含水率的方法。

背景技术

目前，测量物质中函数率的方法主要有：蒸馏法、电微波法、电导法、电容法、射频法、气相色谱法、红外吸收法、热中子法、等离子浓度法、卡尔·费休（KralFischer）法等。

但是蒸馏法由于是离线采样测量，取样少，且操作复杂，周期长，已经不能适应目前的工业自动化的要求。微波法虽然测量精度高，用于在线测量，测量范围广，但是其价格昂贵。电导法，也称作电阻法，该方法精度较低，仅适用于测量电导率受含水率影响较大的物质。气相色谱法，测量速度慢，精度低并且操作复杂。热中子法仅适用于固体物质的水分测量。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种电容式传感器测量含水率的方法以及电容值随含水率变化的数学模型。

传统同轴电容器套有绝缘介质套的电容计算值为：

式中：——内导体外半径；

——外导体内半径；

——介质套外半径；

——介质套材料的相对介电常数；

——被测物质的相对介电常数；

——真空介电常数；

l——电容器深度；

为了克服同轴电容器在高含水区对含水率灵敏度减小，增加悬浮导体套的方法来解决；

增加有悬浮导体套后的电容计算值为：

式中：——导体套的外半径

——介质套外半径，其值与导体套内半径相同

取导体套对敏感探头灵敏度影响的系数为k，

当, ,被测物质体积不变，得到（取此时），随的增大而增大，更适合于高含水率区域；当， 被测物质体积减小，得到（取此时），随增大而减小，更适合于低含水率下使用。故可以在高含水率区域增加灵敏度。

本电容式传感器测量植物含水率的方法，包括如下步骤。

第一步

抽象出不同介质电容并联的物理模型。图1为并联电容的理论等效电容示意图。三种不同的物质构成不同介质电容的并联：

其中，为理论等效电容。由公式改写得：

式中：——不含水的该物质的等效高度，

——水的等效高度，

H——同轴电容传感器的高度。

第二步

构建理论等效电容随含水率变化的数学模型。通常某物质中的含水率定义为：

若以小数表示，则有：

其中，——不含水的该物质的体积

——水的体积

——不含水物质的密度

——水的密度

比较公式可得，传感器装满含水的某物质时的等效介电常数为

第三步

对构建的数学模型进行分析：

理论等效电容随含水率的增大而增大，这一变化规律符合电容与介质的对应关系。

第四步

对构建的数学模型进行校正。利用电容测量电路或者电容表对置于极板间的样品进行 测量，得到实际电容值。同时，利用烘干法计算出该样品植物的实际含水率，并利用构建的 数学模型推算出相应的理论等效电容。电容校正值为：

含水率的数学模型为：

式中对于一定的传感器及某物质是一个常数，但是随被测物质不同而不同。

Claims (5)

1.一种电容式传感器测量含水率的方法，其特征在于：该方法基于同轴电容器电容量计算方法，抽象出极板间不同介质电容并联的物理模型，构建电容值随含水率变化的数学模型并进行试验校正；该方法考虑了在高含水率区域时，同轴电容传感器灵敏度下降的问题，采用介质套外紧套导体套。

2.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量含水率的方法，其特征在于：抽象出不同介质电容并联的物理模型；

导体套的外半径，介质套外半径，其值与导体套内半径相同，内导体外半径，外导体内半径，介质套材料相对介电常数，被测物质的相对介电常数，真空介电常数，电容式传感器长度H，把极板间物质抽象为由水分和有机物填充满，三种物质所占的高度为，电容量为

构成不同介质电容的并联，其理论等效电容为：

。

3.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量含水率的方法，其特征在于：构建理论等效电容随含水率变化的数学模型；

待测物和水分的密度为，质量为，则含水率 ：

若以小数表示，则有：

比较公式可得，传感器装满含水的某物质时的等效介电常为：

根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量含水率的方法，其特征在于：对构建的数学模型进行定性分析；

通过分析，理论等效电容随含水率的增大而增大。

4.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量含水率的方法，其特征在于：对构建的数学模型进行校正；

利用电容测量电路或者电容表对置于极板间的样品进行测量，得到实际电容值C。

5.同时，利用烘干法计算出该样品植物的实际含水率R，并利用构建的数学模型推算出相应的理论等效电容；

电容校正值为为：

含水率变化的数学模型为：

式中对于一定的传感器及某物质是一个常数，但是随被测物质不同而不同。