NO318250B1 - Anordning ved en kapasitiv sensor - Google Patents

Abstract

Anordning ved kapasitiv sensor for måling av egenskaper hos et målemedium når dette omgir og strømmer forbi sensoren. Sensoren omfatter et hus av metall og en i forhold til fiuidstrømmen tverrløpende åpning i huset som er innrettet til å romme minst én kapasitiv elektrode, idet sensorens elektrode(r) er elektrisk isolert fra nevnte målemedium ved hjelp av et glasskeramisk materiale som er innrettet til å flukte med sensorhusets motsatte flater.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved en kapasitiv sensor for å måle egenskaper hos et medium som skal måles, når dette medium omgir og strømmer forbi sensoren, der sensoren har et hus av metall med en åpning i huset utformet til å romme en eller flere elektroder, idet nevnte elektrode eller elektroder er elektrisk isolert fra nevnte medium som skal måles, ved hjelp av et glasskeramisk materiale som er anordnet til å flukte med den ytre overflaten av sensorhuset.

Det er fra DE 3231206- Al og WO 98/45672 i alt vesentlig kjent anordninger av oven-nevnte art. Selv om det fra nevnte publikasjoner og fra andre løsninger er tidligere kjent en rekke anordninger for kapasitiv måling av egenskaper hos et målemedium som strømmer gjennom eksempelvis en rørledning, har det imidlertid lenge vært et ønske å tilveiebringe en kapasitivt virkende sensor som er robust, motstandsdyktig overfor kor-rosivt målemedium og i tillegg tilveiebringer en økt følsomhet i forhold til de kjente løs-ninger.

Den foreliggende oppfinnelse kjennetegnes derfor ved at nevnte åpning i huset er plassert på tvers relativt til strømmen av nevnte medium som skal måles, og strekker seg mellom to motstående flater på sensorhuset.

Ifølge en utførelsesform av anordningen er åpningen i sensorhuset i stand til å romme minst én kapasitiv elektrode.

Alternativt kan åpningen i sensorhuset være i stand til å romme minst to elektroder som er elektrisk isolert fra hverandre med en fast innbyrdes avstand.

Nevnte minst éne elektrode ér med fordel elektrisk isolert fra nevnte hus ved hjelp av nevnte glasskeramiske materiale.

Nevnte minst to elektroder er elektrisk isolert fra hverandre og fra nevnte hus ved hjelp av nevnte glasskeramiske materiale.

Sensorelektrodene, når betraktet fra én flate på sensorhuset til den motstående flaten, består av en første kapasitiv sensorelektrode, en felles referanseelektrode, og en andre kapasitiv sensorelektrode.

Alternativt kan sensorelektrodene, når betraktet fra én flate på sensorhuset til den motstående flaten, bestå av en første kapasitiv sensorelektrode, en første motfase- eller skjermelektrode, en felles referanseelektrode, en andre motfase- eller skjermelektrode, og en andre kapasitiv sensorelektrode.

Det er i en utførelsesform foretrukket at motfase- eller skjermelektroden/elektrodene har et større overflateareal enn de kapasitive sensorelektrodene.

Som ytterligere alternativ kan sensorelektrodene, når betraktet fra én flate på sensorhuset til den motstående flaten, bestå av en kapasitiv sensorelektrode som omgis i det samme plan av en ringformet motfase eller skjermelektrode, og en felles referanseelektrode.

Det er som en annen løsning mulig å la sensorelektrodene, når betraktet fra én flate på sensorhuset til den motstående flaten, bestå av en første kapasitiv sensorelektrode som omgis i det samme planet av en første ringformet motfase- eller skjermelektrode, en felles referanseelektrode, og en andre kapasitiv sensorelektrode som omgis i det samme planet av en andre ringformet motfase- eller skjermelektrode, idet referanseelektroden er felles for nevnte første og andre kapasitive sensorelektroder og plassert midtveis mellom disse.

Motfase- eller skjermelektroden kan være laget i form av en ring som har en innvendig diameter som er større enn diameteren til den kapasitive elektroden og en utvendig diameter som er mindre enn diameteren til åpningen i huset.

Med fordel kan sensorelektrodene være plateformet med en kjeglesnittformet eller polygonformet kontur.

Videre kan sensorhuset sett i tverrsnitt, ha en aerodynamisk form.

Anordningen vi) være egnet for måling av et medium som består av en fluid eller flere fluider i en blanding, for eksempel væske; gass; en blanding av væske samt gass eller luft; væske og/eller gass som inneholder partikler, for eksempel sand.

Det er også mulig å tenke seg at nevnte medium som skal måles består av pulver eller en pulversammensetning, og at nevnte medium strømmer sammen med et fluid, for eksempel luft.

Det er videre mulig å la sensorhuset danne en referanseelektrode eller en motelektrode.

I en spesiell utførelsesform vil den nevnte felles referanseelektrode være innrettet til å kobles til et samme potensial som det før nevnte hus.

Nevnte målemedium kan eksempelvis bestå av én fluid eller flere fluider i blanding, der fluid i denne sammenheng er å forstå i sitt videste begrep, herunder f.eks. væske, gass, blanding av væske samt gass eller luft, væske og/ eller gass med partikler (f.eks. sand), eller bestå av f.eks. pulver eller pulversammensetning, eventuelt i tilknytning til et fluid, slik som f.eks. luft.

Oppfinnelsen skal nå nærmere forklares under henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 - Fig. 4 viser fire alternative utførelsesformer av anordningen, ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 viser en foretrukket anvendelse av anordningen i forbindelse med eksempelvis en rørledning.

Fig. 6 viser anordningen sett i perspektiv.

Fig. 7 viser et foretrukket, men ikke nødvendigvis begrensende koblingsskjema for elektrisk utstyr forbundet med elektrodene i tilknytning til én av utførelsesformene. Fig. 8 viser som eksempel kapasitive felt som oppstår i forbindelse med anordningen.

Fig. 9a og 9b viser en femte utførelsesform av anordningen, ifølge oppfinnelsen.

Fig. 10 viser en sjette utførelsesform av anordningen, ifølge oppfinnelsen.

I sin enkleste form kan anordningen bestå av en enkelt elektrode 1 som er innstøpt i et glasskeramisk materiale 2 i sensorens hus 3. En ledningsforbindelse 4 fører til utsiden av sensorens hus 3 via en kanal 5. Sensorens hus har en ledningsforbindelse 6. Sensorens hus 3 vil således i dette tilfellet opptre som en referanseelektrode.

I den utførelse som er vist på fig. 2 foreligger det to kapasitive elektroder 7, 8 som er innstøpt i glasskeramisk materiale 2, og ledninger 9, 10 fører fra elektrodene 7, 8 via en ledningskanal 11 til utsiden av huset 3. Også her vil huset 3 danne en referanse eller motelektrode til elektrodene 7, 8.

I utførelsen vist på fig. 3 er det tilveiebrakt to kapasitive elektroder 12, 13 og mellom disse en referanseelektrode 14 som fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, ligger på samme potensiale som huset 3. Også i dette tilfellet er elektrodene 12-14 innstøpt i et glasskeramisk materiale 2 i en åpning i huset 3.

Elektrodene 12-14 er forbundet med utsiden av huset 3 via respektive ledninger 15, 16, 17, som løper gjennom en kanal 18 i huset 3.

I den fjerde utførelsesformen vist på fig. 4 har sensoren i alt 5 elektroder anbrakt i åpningen 19 i huset 3. Også i dette tilfellet er samtlige elektroder innstøpt i åpningen i et glasskeramisk materiale og også her vil det glasskeramiske materialet 2 flukte med motstående overflater 3', 3" på huset 3. Sett fra venstre mot høyre på fig. 4, dvs. i retning fra flaten 3<*> til flaten 3", foreligger det en første kapasitiv sensorelektrode 20, en første motfase- eller skjermelektrode (såkalt "Guard" elektrode) 21, en felles referanseelektrode 22, en andre motfase- eller skjermelektrode 23 og en andre kapasitiv sensorelektrode 24. Motfase/ skjermelektrodene 21,24 vil i realitet danne en form for skjerm eller referanseplattform for de kapasitive elektroder, og huset 3 vil danne en motelektrode. De respektive elektroder 20-24 er forbundet med utsiden av sensorens hus 3 via respektive ledninger 25-29 som løper gjennom en kanal 30 i huset 3.

På fig. 6 er sensoren vist i perspektiv, slik den i realitet vil se ut for samtlige av de utførelsesformer som er vist på figurene 1-4. På fig. 5 er sensoren rent skjematisk plassert i en rørledning, og der de motstående flater 3', 3" er i alt vesentlig parallelle med strømningsretningen for det medium som strømmer gjennom rørledningen 31.

På fig. 7 er vist et typisk, men ikke nødvendigvis begrensende utførelseseksempel for de kretser som vil kunne styre elektrodene 20-24 i det tilfellet at det foreligger i alt 5 elektroder. Henvisningstallene 32 og 33 angir henholdsvis en første og en andre oscillator som er forbundet med første og andre kapasitive elektrode 20, 24. Hen-visningstallene 34 og 35 angir motfase-/skjermdirverelektronikk for å drive elektrodene 21,23 i motfase til elektrodene 20,24 for derved å oppnå en effektiv skjerming og skape en platt-form eller basis for elektrodene 20 og 24. Derved oppnås også at deteksjonsfeltet skyves lenger ut i mediet. Elektroden 22 er i likhet med huset 3 forbundet med jord. Henvisningstallet 36 angir en signaldrivkrets knyttet til oscillatorene 32 og 33 for å detektere signalvariasjoner og derved gi et uttrykk for egenskaper hos det medium som strømmer forbi sensoren.

Ved at sensoren i realitet er tosidig oppnås en økt følsomhet i forhold til det som er tidligere kjent i forbindelse med kapasitive sensorer som tradisjonelt kun er lagt i eksempelvis rørledningens vegg.

Sensorens elektroder er fortrinnsvis plateformede, og kan eventuelt gis en kjeglesnitt-kontur eller polygonkontur, fortrinnsvis overensstemmende med utformingen av åpningen 19 i huset 3. Det vil også være fordelaktig, for å skape minst mulig turbulens, at sensorens hus gis en, så langt mulig aerodynamisk form. Dette er så vidt antydet på fig. 5. Elektrodene 21,23 kan i en alternativ utførelse være ringformet med indre diameter mindre enn den respektive, hosstående, kapasitive elektrodens diameter, og med ytre diameter større en den kapasitive elektrodens diameter.

På fig. 8 er for enkelhets skyld elektrodene ikke inntegnet, men det vil sees at, særlig med den utførelsesform som er vist på fig. 4, oppnås det et kapasitivt felt CF som strekker seg fra én side 3' av sensorens hus til motsatt side 3", slik det er antydet på fig. 8.

Det er vesentlig å bemerke at ved bruk av det glasskeramiske materialet 2, vil avstanden mellom elektrodene, dersom det er to eller flere elektroder, være fast og derfor være uavhengig av trykk og temperatur.

Elektrodene 21 og 23, slik som vist i tilknytning til fig. 4 og fig. 7 forhindrer at sensorelektrodene 20 og 24 påvirkes av hverandre og vil dessuten tilveiebringe en fast kapasi-tet som er liten i forhold til målekapasiteten som tilveiebringes av sensorelektrodene 20 og 24. Elektrodene 21 og 23 kan hensiktsmessig være koblet til en ekstra skjerm i en målekabel (ikke vist) og videre til tilhørende elektroniske utstyr 34,35 som vist på fig. 7.

Som angitt på fig. 8 vil målefeltet gå fra en sensorelektrode gjennom det glasskeramiske materialet, deretter gjennom målemediet, deretter gjennom det glasskeramiske materialet og til den andre sensorelektroden.

Slik det er vist på fig. 4 og 7, kan motfaseelektrodene fortrinnsvis ha en større diameter enn sensorelektrodene 20,24 og vil derved bevirke at målefeltet når lenger ut i målemediet enn uten bruk av slike elektroder 21, 23.

Dersom det kun brukes én elektrode, slik som vist på fig. 1, uten bruk av elektrodene 21,23 og 22, vil målefeltet bli mellom sensorens hus som er eksponert mot målemediet og sensorelektroden 1 som ligger isolert i det glasskeramiske materialet 2. Ved å an-vende en slik tosidig elektrode, der begge sider utsettes for målemediet, vil kapasiteten som tilveiebringes ved sensoren i realitet bli stor med et målefelt som ligger helt inntil sensorens hus 3.

Ved den løsning som fremgår av enten fig. 2 eller fig. 3, der det foreligger to sensorelektroder 7,8; 12,13 vil disse også, slik det er vist, begge ligge isolert i det glasskeramiske materialet 2, og feltet vil gå mellom begge sider av sensoren, slik det er vist og beskrevet i tilknytning til fig. 8.

På fig. 9a og 9b er vist en utførelsesform som avviker noe fra det som er vist på de foregående figurer. Sensorens hus er her angitt med henvisningstallet 37 og har en gjenom-gående åpning 37' der sensoren elektroder 38,39 og 40 er anbrakt og der åpningen er fylt med et glasskeramisk materiale 41 som omgir og holder elektrodene innbyrdes fast avstand. Sensorens elektroder, sett i retning fra én flate 37" på sensorhuset til motsatt flate 37"' utgjøres av en kapasitiv sensorelektrode 38 som omgis i samme plan av en ringformet motfase- eller skjermelektrode 39. Disse to elektroder har en felles referanseelektrode 40. Selve huset kan ha et jordpotensiale eller et potensiale felles med referanseelektroden. Motfase- eller skjermelektroden, såkalt "guard"-elektrode bidrar til at hovedfeltet fra den kapasitive elektroden skyves lenger ut i målemediet, hvorved også sensorens følsomhet økes.

En alternativ utførelse av den som er vist på fig. 9 fremgår av fig. 10. Sensorens hus er her betegnet med 42 og har en gjennomgående åpning 42', der sensorens elektroder 43 - 47 og der åpningen er fylt med et glasskeramisk materiale 48 som omgir og holder elektrodene innbyrdes fast avstand. Sensorens elektroder, sett i retning fra én flate 42" på sensorhuset til motsatt flate 42"' utgjøres av en kapasitiv sensorelektrode 43 som omgis i samme plan av en ringformet motfase- eller skjermelektrode 44. Disse to elektroder har en felles referanselektrode 45. En andre kapasitiv sensorelektrode 46 som omgis i samme plan av en andre ringformet motfase- eller skjermelektrode 47 er anbrakt i avstand fra referanseelektroden 45, men referanselektroden 45 vil være felles for elektrodene 43,44 og 46,47. Selve huset 42 kan ha et jordpotensiale eller et potensiale felles med referanselektroden. Også her vil motfase- eller skjermelektrodene 44,47, såkalte "guard"-elektroder, bidra til at hovedfeltet fra den respektive, hosstående kapasitive elektroden 43, henholdsvis 46 skyves lenger ut i målemediet, hvorved også sensorens følsomhet økes. Fordelen med den utførelsesform som er vist på fig. 10 er at sensoren her, i forhold til utførelsen vist på fig. 9 får en vesentlig større følsomhet på grunn av tosidig deteksjonsmulighet.

Claims (19)

1. Anordning ved en kapasitiv sensor for å måle egenskaper hos et medium som skal måles, når dette medium omgir og strømmer forbi sensoren, der sensoren har et hus (3;

37; 42) av metall med en åpning (19; 37'; 42') i huset utformet til å romme en eller flere elektroder (1; 7,8; 12-14; 20-24; 38-40; 43-47), idet nevnte elektrode eller elektroder er elektrisk isolert fra nevnte medium som skal måles, ved hjelp av et glasskeramisk materiale (2; 41; 48) som er anordnet til å flukte med den ytre overflaten på sensorhuset (3; 37; 42), karakterisert ved- at nevnte åpning (19; 37'; 42') i huset er plassert på tvers relativt til strømmen av nevnte medium som skal måles, og strekker seg mellom to motstående flater (3', 3"; 37", 37"'; 42", 42'") på sensorhuset.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved- at åpningen (19; 37'; 42') i sensorhuset (3; 37; 42) er i stand til å romme minst én kapasitiv elektrode (1; 7, 8; 12-14; 20-24; 38-40; 43-47).

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved- at åpningen (19; 37'; 42') i sensorhuset (3; 37; 42) er i stand til å romme minst to elektroder (7,8; 12-14; 20-24; 38-40; 43-47) som er elektrisk isolert fra hverandre med en fast innbyrdes avstand.

4. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved- at nevnte minst éne elektrode er elektrisk isolert fra nevnte hus ved hjelp av nevnte glasskeramiske materiale (2; 41; 48).

5. Anordning som angitt krav 3, karakterisert ved- at nevnte minst to elektroder er elektrisk isolert fra hverandre og fra nevnte hus ved hjelp av nevnte glasskeramiske materiale (2; 41; 48).

6. Anordning som angitt i krav 3 eller 5, karakterisert ved- at sensorelektrodene, når betraktet fra én flate (3') på sensorhuset til den motstående flaten (3"), består av en første kapasitiv sensorelektrode (12), en felles referanseelektrode (14), og en andre kapasitiv sensorelektrode (13).

7. Anordning som angitt i krav 3 eller 5, karakterisert ved- at sensorelektrodene, når betraktet fra én flate (3') på sensorhuset til den motstående flaten (3"), består av en første kapasitiv sensorelektrode (20), en første motfase- eller skjermelektrode (21), en felles referanseelektrode (22), en andre motfase- eller skjermelektrode (23), og en andre kapasitiv sensorelektrode (24).

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved- at motfase- eller skjermelektroden/elektrodene har et større overflateareal enn de kapasitive sensorelektrodene.

9. Anordning som angitt i krav 3 eller 5, karakterisert ved- at sensorelektrodene, når betraktet fra én flate (37") på sensorhuset til den motstående flaten (37"'), består av a) en kapasitiv sensorelektrode (38) som omgis i det samme plan av en ringformet motfase- eller skjermelektrode (39), og b) en felles referanseelektrode (40).

10. Anordning som angitt i krav 3 eller 5, karakterisert ved- at sensorelektrodene, når betraktet fra én flate (42") på sensorhuset til den motstående flaten (42"'), består av a) en første kapasitiv sensorelektrode (43) som omgis i det samme planet av en første ringformet motfase- eller skjermelektrode (44), b) en felles referanseelektrode (45), og c) en andre kapasitiv sensorelektrode (46) som omgis i det samme planet av en andre ringformet motfase- eller skjermelektrode (47), idet referanseelektroden (45) er felles for nevnte første og andre kapasitive sensorelektroder (43,46) og plassert midtveis mellom disse.

11. Anordning som angitt i ett eller flere av kravene 9 eller 10, karakterisert ved- at motfase- eller skjermelektroden er laget i form av en ring (39;44;47) som har en innvendig diameter som er større enn diameteren til den kapasitive elektroden og en utvendig diameter som er mindre enn diameteren til åpningen (37', 42') i huset.

12. Anordning som angitt i ett eller flere av de foregående krav, karak terisert ved - at sensorelektroden(e) er plateformet med en kjeglesnittformet eller polygonformet kontur.

13. Anordning som angitt i ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved- at sensorhuset, sett i tverrsnitt har en aerodynamisk form.

14. Anordning som angitt i ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved- at nevnte medium som skal måles, består av en fluid eller flere fluider i en blanding, for eksempel væske, gass, en blanding av væske samt gass eller luft, væske og/eller gass som inneholder partikler, for eksempel sand.

15. Anordning som angitt i ett eller flere av de foregående krav 1-13, karakterisert ved- at nevnte medium som skal måles består av pulver eller en pulversammensetning.

16. Anordning som angitt i krav 15, karakterisert ved- at nevnte medium strømmer sammen med et fluid, for eksempel luft.

17. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 1, 2,4,14, 15 og 16, karakterisert ved- at sensorhuset (3) danner en referanseelektrode.

18. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav 1,3 og 5-16, karakterisert ved- at sensorhuset (3) danner en referanseelektrode eller motelektrode.

19. Anordning som angitt i krav 6, 7, 9 eller 10, karakterisert ved - at nevnte felles referanseelektrode (14; 22; 40; 45) er innrettet til å kobles til et samme potensial som det før nevnte hus.