56192 Opublikowano: 25.X.1968 KI. 421, 9/51 MKP GOln "czytelnia" JpS|£ Portowego Falskiej tatnm^ 'V Lb ^' Wspóltwórcy wynalazku: dr inz. Slawoj Gwiazdowski, mgr inz. Woj¬ ciech Wlodarski Wlasciciel patentu: Politechnika Warszawska (Katedra Elektrotechniki Teoretycznej „A"), Warszawa (Polska) Czujnik pojemnosciowy do wilgotnosciomierzy Przedmiotem wynalazku jest elektryczny czuj¬ nik pojemnosciowy wilgotnosciomierzy substancji sypkich.W znanych dotychczas róznego ksztaltu czujni¬ kach pojemnosciowych sposób ulozenia sie syp¬ kiego wsadu zalezal od sposobu napelniania czuj¬ nika. Wsad mógl ulozyc sie mniej lub bardziej scisle, co wplywalo na pojemnosc elektryczna czujnika i powodowalo rózne wskazania przy ko¬ lejnych pomiarach wilgotnosci tej samej prób¬ ki. Azeby zmniejszyc wplyw przypadkowego ulo¬ zenia sie wsadu sypkiego, na wynik pomiaru, róz¬ ne firmy dawaly zlozone instrukcje sposobu na¬ pelnienia czujnika, jak na przyklad: odwazona ilosc wsadu zalecono podzielic na piec równych czesci i wsypywac kolejno do czujnika, a po wsy¬ paniu kazdej czesci dwa razy lekko uderzyc w obudowe czujnika, celem równomiernego uloze¬ nia wsadu. Ten sposób napelniania czujnika po¬ prawia troche powtarzalnosc pomiarów, ale nie eliminuje calkowicie uchybów pomiarów spowo¬ dowanych róznym ulozeniem sie sypkiego wsadu, gdyz ulozenie to zalezy od sily, sposobu i punktu uderzenia w czujnik, zwlaszcza gdy uderzenia te wykonuja rózne osoby. Sposób ten jest równiez bardzo pracochlonny.Powyzsze wady usuwa czujnik pojemnosciowy z drgajacym dnem w postaci membrany. Drgania membrany powoduja jednakowe ulozenie sie wsa¬ du, niezalezne od sposobu napelniania czujnika. 15 20 25 30 Wada jego jest zmniejszona trwalosc czujnika, gdyz wprowadzony do czujnika gruboziarnisty wsad stykajac sie z drgajaca membrana powoduje jej zuzycie. Tego typu czujnik nadaje sie zatem do pomiaru wilgotnosci lekkich substancji drob¬ noziarnistych.Celem wynalazku jest zwiekszenie trwalosci czujnika przy zapewnieniu jednakowego uklada¬ nia sie wsadu, niezaleznie od sposobu napelniania czujnika. Rozwiazano to przez zastosowanie czuj¬ nika wstrzasanego mechanicznie nie posiadajacego cienkosciennej membrany.Czujnik pojemnosciowy wedlug wynalazku jest wyposazony w znany wibrator elektromagnetycz¬ ny stosowany na przyklad w dzwonkach elek¬ trycznych. Uderzenia paleczki wibratora w czuj¬ nik wywoluja drgania o scisle okreslonej ampli¬ tudzie, dzieki temu uzyskuje sie znacznie lepsza powtarzalnosc pomiarów niz w dotychczas stoso¬ wanych czujnikach pojemnosciowych nie wypo¬ sazonych w urzadzenia wstrzasajace wsad i lep¬ sza trwalosc niz w czujnikach z dnem w postaci "drgajacej membrany.Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest przy¬ kladowo na rysunku, ,na którym fig. 1 i 2 przed¬ stawiaja w dwu rzutach czujnik w postaci wal¬ cowego naczynia, fig. 3 i 4 — czujnik w postaci prostopadlosciennego naczynia, a fig. 5 i 6 od¬ miane czujnika wedlug fig. 3 i 4.Na fig. 1 i 2 przedstawiony jest czujnik pojem- 56 1923 56192 4 nosciówy do wilgotnosciomierzy w postaci walco¬ wego naczynia otwartego od góry z cylindrycz¬ nymi wspólosiowymi elektrodami, tworzacymi elektryczny kondensator cylindryczny i dnem wy¬ konanym z materialu izolacyjnego, wyposazony w wibratory elektromagnetyczne uderzajace palecz¬ kami w cylindryczna elektrode zewnetrzna.Na fig. 3—6 pokazano odmiany czujników w postaci prostopadlosciennych naczyn otwartych ^fd g^ry z plaskimi elektrodami tworzacymi elek¬ tryczny kondensator plaski i stanowiacymi dwie scianki naczynia oraz z pozostalymi sciankami wykonanymi z materialu izolacyjnego, wyposazo¬ ne w wibratory elektromagnetyczne, przy czym odmiana czujnika pokazana na fig. 3 i 4 posiada wibrator uderzajacy paleczka w plaska elektrode, a odmiana pokazana na fig. 5 i 6 posiada wibrator uderzajacy w scianke wykonana z materialu izo¬ lacyjnego.Czujnik z cylindrycznymi elektrodami pomia¬ rowymi wedlug wynalazku przedstawiony na fig. 1 i 2 sklada sie z elementów oznaczonych naste¬ pujacymi symbolami: 1 — cylindrycznej uziemio¬ nej elektrody pomiarowej zewnetrznej, 2 — cy¬ lindrycznej elektrody pomiarowej wewnetrznej, 3 — wibratora elektromagnetycznego, 4 — ramie¬ nia wibratora, 5 — paleczki lub plaskiej sprezyn¬ ki uderzajacej w czujnik, 6 — dna czujnika wy¬ konanego z dielektryka,. 7 — kolnierza elektrody pomiarowej zewnetrznej 1 wykonanego z dielek¬ tryka, 8 — zakonczenia elektrody pomiarowej wewnetrznej 2 wykonanego z dielektryka.Dwie odmiany czujnika z plaskimi elektrodami pomiarowymi wedlug wynalazku pokazane sa na fig. 3—6, na których oznaczono symbolami: I i. 2 — plaskie elektrody pomiarowe, 3 — wibrator elektromagnetyczny, 4 — ramie wibratora, 5 — paleczka lub plaska sprezynka uderzajaca w czujnik, 7 — kolnierz z dielektryka, 9 — boki i dno czujnika z materialu izolacyjnego.Urzadzenie pomiarowe, w którym zastosowano czujnik wedlug wynalazku sklada sie z dwu od¬ dzielnych czesci nie pokazanych na rysunku.Pierwsza czescia jest sam czujnik w ksztalcie po¬ jemnika otwartego od góry i wypelnianego bada- ina wilgotna substancja sypka. Druga czescia jest urzadzenie obejmujace znany uklad pomia¬ rowy pojemnosci elektrycznej, miernik wskazów¬ kowy, uklad zasilania urzadzenia pomiarowego i uklad zasilania wibratorów elektromagnetycznych.Czesc ta nie pokazana na rysunku posiada w obu¬ dowie otwór, przez który wprowadza sie czujnik w ksztalcie naczynia, po jego uprzednim napel¬ nieniu badana substancja. Wewnatrz obudowy do której wprowadza sie czujnik znajduja sie wibra¬ tory elektromagnetyczne uderzajace w scianki czujnika i styki laczace uklad pomiarowy pojem¬ nosci z elektrodami czujnika.Odmiana wyzej opisanego rozwiazania jest urza¬ dzenie nie pokazane na rysunku, w którym czuj¬ nik w ksztalcie pojemnika otwartego od góry i wypelnianego badana substancja jest polaczony z pozostala czescia pomiarowa z# pomopa kat)la wielozylowego. W odmianie tej do pojemnika be¬ dacego elektrycznym czujnikiem pojemnosciowym sa przymocowane wibratory elektromagnetyczne.Wibrator elektromagnetyczny 3 powoduje drga¬ nia ramienia 4 zakonczonego paleczka 5 lub plas- s ka sprezyna uderzajaca" w czujnik. Celem zmniej¬ szenia halasu i odizolowania elektrycznego mie¬ dzy elektroda pomiarowa 1 czujnika i obwodem elektrycznym wibratora, paleczka 5 jest wykona¬ na z dielektryka, najkorzystniej z polietylenu. W io przypadku pomiarów wilgotnosci materialów o duzym ciezarze wlasciwym, celem prawidlowego ulozenia sie wsadu w czujniku jest wymagana znaczna energia drgan dostarczanych czujnikowi przez wibrator elektromagnetyczny. Wymaga tego 15 zastosowanie paleczki o dostatecznie duzej ma¬ sie wykonanej z twardego materialu, najkorzyst¬ niej z niekorodujacego i nieplastycznego metalu.W przypadku pomiarów wilgotnosci materialów (\ malym ciezarze wlasciwym, jak na przyklad 20 suszu, celem prawidlowego ulozenia wsadu wy¬ starcza mala energia drgan. Wówczas paleczka 5 moze byc zastapiona plaska sprezynka uderzajaca w czujnik. Paleczka metalowa lub sprezynka ude¬ rzajaca w elektrode czujnika, jak to pokazano na 25 fig. 1—4 powinna byc odizolowana od elektrycz¬ nego obwodu wibratora, azeby prad zasilajacy wibrator elektromagnetyczny nie zaklócal pomia¬ ru pojemnosci czujnika. Energie i czestotliwosc uderzen paleczki w czujnik mozna regulowac i 30 stabilizowac regulujac i stabilizujac w znany spo¬ sób drgania wibratora elektromagnetycznego.W celu wykonania pomiaru wilgotnosci substan¬ cji sypkiej wprowadza sie w obszar miedzy elek¬ trody 1 i 2 odmierzona ilosc. badanej substancji. 35 Ilosc ta powinna byc wystarczajaco duza, aby zajmowala przestrzen nie tylko miedzy elektroda¬ mi 1 i 2, lecz równiez miedzy czesciami 7 i 8.Nastepnie wlacza sie wibratory elektromagnetycz¬ ne, które wywolujac drgania powoduja takie sa- 40 me ukladanie sie wsadu przy kazdym pomiarze.Pomiary mozna prowadzic dwoma sposobami.Pierwszy sposób polega na wlaczeniu z wibrato¬ rów elektromagnetycznych na przeciag czasu wy¬ starczajacy do prawidlowego ulozenia sie wsadu 45 i wykonaniu pomiarów pojemnosci elektrycznej czujnika wraz ze wsadem po wylaczeniu wibrato¬ rów. Czas trwania drgan musi byc tym wiekszy, im wieksza jest gestosc wsadu i im mniejsza ener¬ gia drgan. Drugi sposób pomiaru polega na pro- 50 wadzeniu pomiaru pojemnosci elektrycznej czuj¬ nika w czasie pracy wibratorów elektromagnetycz¬ nych. Wówczas wynik pomiaru odczytuje sie po ustaleniu wskazania przyrzadu pomiarowego. v W odmianie czujnika z plaskimi elektrodami 55 pomiarowymi przedstawionej na fig. 3 i 4 pa¬ leczka 5 uderza w plaska elektrode pomiarowa 1 bedaca scianka czujnika, powodujac drgania wsa¬ du. Plaska scianka bardzo dobrze przenosi drga¬ nia powodujac szybkie ukladanie sie wsadu wpro- eo wadzonego do czujnika.. Wada jego jest mozli¬ wosc odksztalcenia sie elektrody 1 na skutek ude¬ rzen paleczki 5, co powoduje zmiany pojemnosci elektrycznej czujnika i wprowadza systematyczny uchyb pomiaru. Aby temu przeciwdzialac Elektro«- 65 da 1 musi byc wykonana z odpowiednio sztywne-5 56192 6 ;go materialu, aby nie odksztalcala sie pod wply¬ wem uderzen paleczki 5. Ta odmiana czujnika jest najbardziej przydatna do pomiarów wilgotnosci substancji o duzym ciezarze wlasciwym, wymaga¬ jacych silnych drgan do zadanego ulozenia sie wsadu, zapewniajacego powtarzalny pomiar wil¬ gotnosci.Odmiany czujnika pokazanego na fig. 3 i 4 wy¬ posazone sa w kilka paleczek uderzajacych w elektrode 1 oraz w elektrode. 2.W odmianie czujnika przedstawionej na fig. 5 i 6 paleczka 5 uderza w waska scianke 9 wyko¬ nana z dielektryka. Scianke 9 nalezy wykonac do¬ statecznie gruba, celem zapewnienia jej dostatecz¬ nej, wystarczajacej odpornosci na odksztalcenie wywolane przez uderzajaca w nia paleczke 5, co zapewnia stala pojemnosc poczatkowa (nie na¬ pelnionego) czujnika, dzieki czemu uzyskuje sie wieksza dokladnosc pomiarów niz przy uzyciu odmiany czujnika pokazanego na fig. 3 i 4. Jed¬ nak przenoszenie drgan przez waska i gruba scianke 9 czujnika jest gorsze niz przez. elektro¬ de 1 w odmianie czujnika z fig 3 i 4 przez co wydluza sie czas pomiaru. Odmiane czujnika przedstawiona na fig. 5 i 6 zaleca sie stosowac do pomiaru wilgotnosci substancji o malym cieza¬ rze wlasciwym, jak na przyklad wilgotnosci suszu.Odmiany czujnika pokazanego na fig. 5 i 6 wyposazone sa w kilka paleczek uderzajacych w jedna scianke 9 lub w przeciwlegle scianki 9.Odmiana czujnika z plaskimi elektrodami po¬ miarowymi przeznaczonego do pomiarów wilgot¬ nosci materialów o szczególnie duzym ciezarze wlasciwym wyposazona jest w paleczki uderzajace w obie plaskie-elektrody pomiarowe 1 i 2 i w obie przeciwlegle scianki 9 izolujace elektrody pomia¬ rowe.Wprawdzie zasada dzialania wibratora elektro¬ magnetycznego, stosowanego na przyklad w dzwonkach elektrycznych znana jest od dawna, to jednak zastosowanie tego wibratora do wywo¬ lywania wstrzasów wsadu czujnika pojemnoscio¬ wego do wilgotnosciomierza substancji sypkich zapewnia takie samo ukladanie sie odmierzonej ilosci wsadu w przestrzeni miedzy elektrodami pomiarowymi, dzieki czemu uzyskuje sie duza powtarzalnosc pomiarów i eliminuje sie uchyby pomiarów spowodowane róznymi sposobami wpro¬ wadzania wsadu do czujnika. PL