CN111089533A - 一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置及方法，包括半圆柱壳电容器、底座、传感器和控制器；半圆柱壳电容器包括外极板和内极板；外极板和内极板从上至下均依次包括上部补偿极板、中部工作极板和下部补偿极板；底座包括嵌套的外圆环和内圆环，内圆环的上部与内极板的下部补偿极板连接，内圆环与驱动装置连接，外圆环的上部与外极板的下部补偿极板连接；控制器分别与上部补偿极板、中部工作极板、下部补偿极板、传感器和驱动装置连接。本发明能够适应多变的工业烟囱的环境，采用上、下极板的双补偿处理的方法，可以准确、快速、有效的检测灰尘沉积的厚度，并适用于颗粒物和液体厚度的检测。

Description

一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置及方法

技术领域

本发明属于物质厚度检测领域，尤其是涉及一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置及方法。

背景技术

工业除尘适用于各个火电站，化工厂等需要静电除尘的大烟囱工厂，静电除尘装置配上灰尘厚度检测，能够更加准确、有效、灵活的调整除尘频率，增加静电除尘器寿命，节省资源，同时避免了二次扬尘造成环境污染。

利用电容检测灰尘厚度或者液体高度，是一种常用的方法。如发明专利CN109186713A公开了一种电容传感器和液体高度检测系统,该系统包括电容传感器、传感器检测电路、单片机、电源电路、显示电路。该发明虽然可以及时地发现液位异常情况,操作简单,但是无法适用于工业烟囱中灰尘的厚度检测。由于灰尘自带静电，本发明无法清除自身极板上灰尘，并且在工业烟囱复杂环境中电容极板之间介电常数时刻发生改变，无法保证灰尘厚度检测准确性。

此外，为了检测灰尘厚度，人们提出了多种新检测方式。如发明专利CN104142303A公开了一种基于太阳光反射程度的灰尘感应器,包括：用于发出单色光照射太阳能电池板灰尘区域的发光单元；用于接收太阳能电池板灰尘区域所反射的光,且阻值随接收的光的强弱相应改变的光敏电阻，这个发明虽然可以检测灰尘厚度，但是却无法实现在工业烟囱的灰暗条件下的灰尘厚度检测。又如发明专利CN103115893A基于太赫兹核聚变与光学诊断,提供一种检测灰尘沉积层成分及厚度的装置,包括：太赫兹波发射装置、太赫兹波探测装置、激光测距探头、测温探头、太赫兹时域-频域转换模块、数据库模块、结果输出模块。本发明利用反射太赫兹时域谱技术结合计算机数据库,能够在线、同步且无接触无损伤的检测灰尘沉积层成分及厚度。但是其成本过高，操作复杂，不适合于一般化工厂、火电站等场合。

另外，对国内的火电站以及化工厂的静电除尘装置分析发现，绝大多数除尘器内部并没有对灰尘厚度进行检测，而是凭经验对灰尘振打器的振打频率进行设定。由于固定振打频率不能适应各种条件，经常造成二次扬尘或者振打得不够充分，缩短了机器的寿命，增加了产业成本。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置及方法，通过上下补偿极板的应用，能够使装置适应不同的工作环境，并获得准确的待测物厚度，在检测灰尘厚度时通过电极自清洁功能，清除极板上被吸附灰尘，提高厚度检测准确性，且不影响后续的检测工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，包括半圆柱壳电容器、底座、传感器和控制器；

所述半圆柱壳电容器包括外极板和内极板；所述外极板和内极板均为半圆柱壳体，所述外极板和内极板从上至下均依次包括上部补偿极板、中部工作极板和下部补偿极板，所述上部补偿极板、中部工作极板和下部补偿极板之间分别通过绝缘层连接；

所述底座包括嵌套的外圆环和内圆环，所述内圆环的上部通过绝缘支架与内极板的下部补偿极板连接，内圆环与驱动装置连接，驱动装置驱动内圆环带动内极板旋转；所述外圆环的上部通过绝缘支架与外极板的下部补偿极板连接；所述外极板的内壁和内极板的外壁间隙配合；

所述传感器用于检测外极板和内极板之间旋转的角度；

所述控制器分别与上部补偿极板、中部工作极板、下部补偿极板、传感器和驱动装置连接。

上述方案中，还包括挡灰杆；

所述挡灰杆与内极板的内壁间隙配合，挡灰杆的底部与外圆环连接。

上述方案中，所述外极板和内极板内外表面均涂有耐高温绝缘层。

上述方案中，所述传感器为触发式位置传感器；所述传感器安装在内极板底部的两侧。

上述方案中，所述驱动装置为步进电机。

上述方案中，还包括显示器；所述控制器与显示器连接。

一种根据所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

所述控制器控制驱动装置驱动内圆环带动内极板旋转，所述传感器检测外极板和内极板之间旋转的角度，并传递到控制器，当达到预设值，控制器控制驱动装置停止，使外极板和内极板位置相对、且外极板和内极板两侧边之间分别形成缺口；

通过所述上部补偿极板、中部工作极板和下部补偿极板分别获得U_上、U_中、U_下，并传送到控制器，控制器计算得到电容量C_上、C_中、C_下，并通过以下公式计算得到待测物的厚度：

H_待测物＝H_装+l_{中部极板内待测物}+l_下部极板

即：

式中，H_待测物为待测物的厚度，H_装为厚度检测装置的安装高度，C_上为上部补偿极板的电容量，C_中为中部补偿极板的电容量，C_下为下部补偿极板的电容量，l_上部极板为上部补偿极板的高度，l_中部极板为中部补偿极板的高度，l_下部极板为下部补偿极板的高度，l_{中部极板内待测物}为中部补偿极板内待测物的高度。

上述方案中，所述待测物为灰尘、颗粒物或液体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置能够适应多变的工业烟囱的环境，电容极板采用上、下极板的双补偿处理的方法，能够有效的减少极板少量灰尘以及挡灰杆带来的误差，可以准确、快速、有效的检测静电除尘器内部灰尘沉积的厚度；装置本身又具有自动清理极板上多余灰尘的功能，不会在后续检测中仍带有大量灰尘，造成检测误差；检测电容极板涂有陶瓷等绝缘层，不会在检测过程中被击穿，耐高温，可以适应极端环境；外部具有控制器和显示器，可以随时监视传感器状态和灰尘厚度，简单方便快速的测得工业烟囱内部灰尘厚度。本发明还适用于吸附性较强的颗粒物和液体厚度的检测。本发明结构简单，操作方便，造价便宜，经济实用。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置非检测工作时外观结构。

图2为本发明一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置检测工作时俯视图。

图3为本发明一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置测控系统组成结构示意图。

图4为本发明一种基于半圆柱壳电容器的灰尘厚度检测方法工作流程图。

图5为本发明一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置工作时状态图。

图中，1、上部补偿极板，2、绝缘层，3、中部工作极板，4、下部补偿极板，5、外圆环，6、内圆环，7、外极板，8、挡灰杆，9、内极板，10、传感器，11、绝缘支架，12、空气，13、待测沉积物，14、待测物所在容器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的一种实施方式，所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置包括半圆柱壳电容器、底座、传感器10、控制器和显示器；

所述半圆柱壳电容器包括外极板7和内极板9；所述外极板7和内极板9均为半圆柱壳体，所述外极板7和内极板9从上至下均依次包括上部补偿极板1、中部工作极板3和下部补偿极板4，所述上部补偿极板1、中部工作极板3和下部补偿极板4之间分别通过绝缘层2连接。

如图2所示，所述底座包括嵌套的外圆环5和内圆环6，所述内圆环6的上部通过绝缘支架11与内极板9的下部补偿极板4连接，内圆环6与驱动装置连接，驱动装置驱动内圆环6带动内极板9旋转；所述外圆环5的上部通过绝缘支架11与外极板7的下部补偿极板4连接；所述外极板7的内壁和内极板9贴合、且可以相对转动。

所述传感器10用于检测外极板7和内极板9之间旋转的角度。

所述控制器分别与上部补偿极板1、中部工作极板3、下部补偿极板4、传感器10、驱动装置和显示器连接；所述控制器控制驱动装置驱动内圆环6带动内极板9旋转，所述传感器10检测外极板7和内极板9之间旋转的角度，并传递到控制器，当达到预设值，控制器控制驱动装置停止，使外极板7和内极板9位置相对、且外极板7和内极板9两侧边之间分别形成缺口，如图2所示，防止外极板7和内极板9直接接触造成击穿。通过所述上部补偿极板1、中部工作极板3和下部补偿极板4分别获得U_上、U_中、U_下，并传送到控制器，控制器计算得到电容量C_上、C_中、C_下，并通过计算得到待测物的厚度。

还包括挡灰杆8；挡灰杆比两极板略高，所述挡灰杆8与内极板9的内壁贴合，且可相对转动，挡灰杆8的底部与外圆环5连接。

所述外极板7和内极板9内外表面均涂有耐高温绝缘层。

优选的，所述传感器10为触发式位置传感器；所述传感器10安装在内极板9底部的两侧。

所述驱动装置为步进电机。

一种根据所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

如图5所示一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置工作时状态图，将厚度检测装置置于待测物所在容器14中，其处于工作状态时，上部补偿极板1完全处于空气12中，下部补偿极板4完全沉没于待测沉积物13中，中部工作极板3一部分处于待测沉积物13中，一部分处于空气12中。

所述控制器控制驱动装置驱动内圆环6带动内极板9旋转，所述传感器10检测外极板7和内极板9之间旋转的角度，并传递到控制器，当达到预设值，控制器控制驱动装置停止，使外极板7和内极板9位置相对、且外极板7和内极板9两侧边之间分别形成缺口；

外极板7和内极板9上的上部补偿极板1、中部工作极板3和下部补偿极板4对应安装，六块小极板每一块都连接输入输出导线，分别连接外部对应检测电路以获得待测电容值C_总、C_上、C_下。先通过所述上部补偿极板1、中部工作极板3和下部补偿极板4分别获得U_上、U_中、U_下，并传送到控制器，控制器计算得到电容量C_上、C_中、C_下，并通过以下公式计算得到待测物的厚度：

H_待测物＝H_装+l_{中部极板内待测物}+l_下部极板 公式一

式中，H待测物为待测物的厚度，H装为厚度检测装置的安装高度，l_{中部极板内待测物}为中部工作极板3内待测物的高度，l_下部极板为下部补偿极板4的高度。

由上部补偿极板1可测的当前环境条件下的电容量C_上，通过差动放大电路，转换为可测量的电压信号U_上，将电压信号经微机计算可得到电容量C_上，θ_o为内外极板9和7所形成的缺口角度，l_上部极板为上部补偿极板1的高度。当半圆柱壳电容器的长度远大于半径时，可根据以下公式二计算得到当前环境条件下空气介电常数为ε_气：

式中，l_上部极板为上部补偿极板1的高度。

同理，由下部补偿极板4检测结果可根据以下公式三计算得当前环境条件下待测物厚度介电常数为ε_待测物。其中C_下为当前环境下由下部补偿极板4测得的电容量，θ_o为内外极板9和7所形成的夹角，l_下部极板为下部补偿极板4的高度。

根据公式四可计算得空气以及待测物沉积高度：

式中，l_{中部极板内空气}为中部工作极板3内空气的高度，l_中部极板为中部工作极板3的高度。

通过公式四可计算得：

将公式二以及公式三代入公式五可得到以下公式：

通过公式六可将公式一转换为公式七：

式中，H_待测物为待测物的厚度，H_装为厚度检测装置的安装高度，C_上为上部补偿极板1的电容量，C_中为中部补偿极板3的电容量，C_下为下部补偿极板4的电容量，l_上部极板为上部补偿极板1的高度，l_中部极板为中部补偿极板3的高度，l_下部极板为下部补偿极板4的高度。

本发明所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的检测方法，适用于灰尘、颗粒物或液体的厚度检测。

如图3所示，一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置测控系统包括控制器、上部补偿极板1、中部工作极板3、下部补偿极板4、触发式位置传感器、总开关、检测开始按钮、显示器、步进电机及其驱动电路；总开关可以随时关闭、开启整个装置运行，开始检测按钮给控制器电信号启动检测工作，所述触发式位置传感器以及上部补偿极板1、中部工作极板3、下部补偿极板4将检测信号传递给控制器，然后控制器控制步进电机转动和显示器显示灰尘厚度等信息。优选的，所述控制器为微机控制器。

实施例1

如图4所示，当待检测物为灰尘时，所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

不检测时，外极板7和内极板9是贴合并在一起；

当想要检测灰尘沉积厚度时，步进电机工作，带动内极板9旋转一定角度，使外极板7和内极板9相对；

通过上部补偿极板1和下部补偿极板4获得当前温度下灰尘空气混合物的介电常数和沉积灰尘的介电常数，作为中部工作极板3对于灰尘厚度测量的介电常数参考。上部补偿极板1其介质全为空气灰尘混合物，因其板间距离、相对面积以及电容量已知，可测得当前温度下空气灰尘混合物介电常数。同理，下部补偿极板4其介质全为灰尘沉积，也可测得当前温度下灰尘沉积的介电常数。

灰尘在中部工作极板3沉积到不同的厚度，将产生不同的电容量，通过检测电容量即可获得当前灰尘厚度。因此，可以通过已知两个状态的介电常数，来计算中部工作极板3的电容量，从而可以计算得出灰尘沉积物在中部工作极板3的高度，结合装置所在高度以及下部补偿极板4的高度，可计算得灰尘厚度。

检测完毕，内极板9旋转返回，与外极板7贴合。

本发明基于半圆柱壳电容器的灰尘厚度的检测方法，厚度计算特征为：

由上部补偿极板1可测的当前环境条件下的电容量C_上，通过差动放大电路，转换为可测量的电压信号U_上，将电压信号经微机计算可得到电容量C_上，θ_o为内外极板9和7所形成的缺口角度，l_气-尘为上部补偿极板1的高度。当半圆柱壳电容器的长度远大于半径时，可由这些已知值可根据公式八计算得到当前环境条件下空气灰尘混合物介电常数为ε_气-尘。

同理，由下部补偿极板4检测结果可根据公式九计算得当前环境条件下灰尘沉积厚度介电常数为ε_沉积。其中C_下为当前环境下由下极板测得的电容量，θ_o为内外极板9和7所形成的夹角，l_沉积为下部补偿极板2的高度。

根据公式十可计算得空气灰尘混合物以及灰尘沉积高度。

可计算得：

将公式八以及公式九代入公式十一可得：

其中，l_沉积2是中部工作极板3灰尘沉积物的高度，l_气-尘2是中部工作极板3中空气—灰尘混合物的高度，l_中部极板为中部工作极板3总长，C_中、C_上、C_下为测得值，l_气-尘为上部补偿极板1的高度，l_沉积为下部补偿极板2的高度。

结合装置所安装的高度H_装，从而得出当前灰尘沉积厚度H_灰，其计算公式是：

H_灰＝H_装+l_沉积2+l_沉积 公式十三

将公式十三转化为：

即灰尘厚度H_灰为：

本发明所述的一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其检测过程中自洁方法是：在检测之前，内极板9的内壁始终贴合挡灰杆8，内极板9外径等于外极板7内径；在准备检测时，内极板9旋出时，其内壁的灰尘被挡灰杆8清理，外极板7的内壁被内极板9所清理，两个电极壁皆干净；在检测结束后，内极板9旋回，内极板9内壁被挡灰杆8清掉粘附灰尘，通过内极板9相对外极板7旋转，外极板7内表面以及内极板9外表面的灰尘同时清理掉，装置表面得到初始化，等待下一次检测。由此可简单方便快速的测得工业烟囱内部灰尘厚度。

在公式十中

θ_o为内外极板9和7所形成的夹角，C_中为测得值，l_中部极板为中部工作极板3的固定高度，ε_气-尘与ε_沉积为未知变量，l_气-尘2与l_沉积2为待测量。ε_气-尘与ε_沉积的变化会影响最终所求的l_气-尘2与l_沉积2，所以需要即时的获得动态变化的ε_气-尘与ε_沉积。而采用上下部补偿极板，由于上中下极板几乎在同一环境下，所以能够通过公式

根据动态变化的电容C得到十分准确的ε_气-尘与ε_沉积动态变化值，从而得到准确的l_气-尘2与l_沉积2。

如果未采用补偿极板，ε_气-尘与ε_沉积只能根据经验通过系统预设，但是中部工作极板3所处的环境变化剧烈，实际的ε_气-尘与ε_沉积是不稳定的，所得到的l_气-尘2与l_沉积2也是不准确的。

实施例2

本实施例2的待测物为颗粒物，本实施例2与实施例1的区别在于，颗粒物的厚度检测公式为：

H_颗粒物＝H_装+l_颗粒物2+l_颗粒物 公式十六

式中，l_颗粒物2和l_气2为待测值，l_颗粒物2为中部极板内颗粒物高度，l_气2为中部极板内空气高度，C_总、C_上、C_下为测得值，l_气为上部补偿极板1的高度，上部补偿极,1完全由装置内部气体填充，l_颗粒物为下部补偿极板4的高度，下部补偿极板完全由颗粒物填满。

实施例3

本实施例2的待测物为液体，本实施例3与实施例1和2的区别在于，液体的厚度检测公式为：

H_液体＝H_装+l_液体2+l_液体 公式十八

式中l_液体2和c为待测值，l_液体2是中部极板内液体高度，l_液体2是中部极板内空气高度，C_总、C_上、C_下为测得值，l_气为上部补偿极板1的高度，上部补偿极,1完全由装置内部气体填充，l_液体为下部补偿极板4的高度，下部补偿极板完全由液体填满。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其特征在于，包括半圆柱壳电容器、底座、传感器(10)和控制器；

所述半圆柱壳电容器包括外极板(7)和内极板(9)；所述外极板(7)和内极板(9)均为半圆柱壳体，所述外极板(7)和内极板(9)从上至下均依次包括上部补偿极板(1)、中部工作极板(3)和下部补偿极板(4)，所述上部补偿极板(1)、中部工作极板(3和下部补偿极板(4)之间分别通过绝缘层(2)连接；

所述底座包括嵌套的外圆环(5)和内圆环(6)，所述内圆环(6)的上部通过绝缘支架(11)与内极板(9)的下部补偿极板(4)连接，内圆环(6)与驱动装置连接，驱动装置驱动内圆环(6)带动内极板(9)旋转；所述外圆环(5)的上部通过绝缘支架(11)与外极板(7)的下部补偿极板(4)连接；所述外极板(7)的内壁和内极板(9)的外壁间隙配合；

所述传感器(10)用于检测外极板(7)和内极板(9)之间旋转的角度；

所述控制器分别与上部补偿极板(1)、中部工作极板(3)、下部补偿极板(4)、传感器(10)和驱动装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其特征在于，还包括挡灰杆(8)；

所述挡灰杆(8)与内极板(9)的内壁间隙配合，挡灰杆(8)的底部与外圆环(5)连接。

3.根据权利要求1所述的基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其特征在于，所述外极板(7)和内极板(9)内外表面均涂有耐高温绝缘层。

4.根据权利要求1所述的基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其特征在于，所述传感器(10)为触发式位置传感器；所述传感器(10)安装在内极板(9)底部的两侧。

5.根据权利要求1所述的基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其特征在于，所述驱动装置为步进电机。

6.根据权利要求1所述的基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置，其特征在于，还包括显示器；所述控制器与显示器连接。

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述控制器控制驱动装置驱动内圆环(6)带动内极板(9)旋转，所述传感器(10)检测外极板(7)和内极板(9)之间旋转的角度，并传递到控制器，当达到预设值，控制器控制驱动装置停止，使外极板(7)和内极板(9)位置相对、且外极板(7)和内极板(9)两侧边之间分别形成缺口；

通过所述上部补偿极板(1)、中部工作极板(3)和下部补偿极板(4)分别获得U_上、U_中、U_下，并传送到控制器，控制器计算得到电容量C_上、C_中、C_下，并通过以下公式计算得到待测物的厚度：

H_待测物＝H_装+l_{中部极板内待测物}+l_下部极板

即：

式中，H_待测物为待测物的厚度，H_装为厚度检测装置的安装高度，C_上为上部补偿极板(1)的电容量，C_中为中部补偿极板(3)的电容量，C_下为下部补偿极板(4)的电容量，l_上部极板为上部补偿极板(1)的高度，l_中部极板为中部补偿极板(3)的高度，l_下部极板为下部补偿极板(4)的高度，l_{中部极板内待测物}为中部补偿极板(3)内待测物的高度。

8.根据权利要求7所述基于半圆柱壳电容器的厚度检测装置的检测方法，其特征在于，所述待测物为灰尘、颗粒物或液体。

Images