RU2013769C1

RU2013769C1 - Capacitive transducer

Info

Publication number: RU2013769C1
Application number: SU914930126A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Серов; В.В. Кокорин; Р.Л. Лотфуллин; А.Г. Евстратов; Н.Б. Дубровцев
Original assignee: Акционерное общество "КамАЗ"
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: transducer has metering flow and compensation chambers each accommodating capacitors, and auxiliary chamber. All the three chambers are placed in stiff heat conducting housing. Metering chamber inlet is located at its bottom and its outlet, on its top. Auxiliary chamber is separated from other chambers by means of stiff heat-conducting walls and communicates on its top with metering chamber and at its bottom, with compensation chamber. Auxiliary chamber volume is not less that liquid volume variation value in compensation chamber within working temperature range. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованиям и анализу материалов путем определения их физических или химических свойств, и предназначено для оперативного измерения объемного содержания газа в движущейся по трубопроводу двухфазной газожидкостной смеси. Может найти применение в химической промышленности, машиностроении, в частности в стендовых испытаниях при исследовании систем смазки двигателей. The invention relates to measuring technique, namely to research and analysis of materials by determining their physical or chemical properties, and is intended for the operational measurement of the volumetric gas content in a two-phase gas-liquid mixture moving through a pipeline. It can find application in the chemical industry, mechanical engineering, in particular in bench tests in the study of engine lubrication systems.

Известен емкостный датчик [1] , содержащий корпус с проточной частью, в которой размещены элементы электрического конденсатора, изолированные от корпуса и выполненные в виде концентрических цилиндров, соединенных с помощью крестообразных оснований с выводами электрических разъемов. Датчик содержит корректирующий емкостный преобразователь для устранения дестабилизирующих факторов (температуры и давления), который расположен внутри электродов измерительного конденсатора и снабжен гофрами и трубками для эталонной жидкости. Known capacitive sensor [1], comprising a housing with a flowing part, in which there are elements of an electric capacitor isolated from the housing and made in the form of concentric cylinders connected via crosswise bases with the terminals of the electrical connectors. The sensor contains a corrective capacitive transducer to eliminate destabilizing factors (temperature and pressure), which is located inside the electrodes of the measuring capacitor and is equipped with corrugations and tubes for the reference liquid.

Недостатком аналога является неточная компенсация измерения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне давлений и температуре, так как компенсирующая емкость связана с диэлектрической проницаемостью масштабным коэффициентом, не равным масштабному коэффициенту измерительной емкости. Кроме того, конструкция гофра не гарантирует равенство давлений внутри измерительной и компенсирующей камер, а при давлениях, значительно отличающихся от нормального (5-10 атм), и в крайних точках рабочего диапазона температур (-20^оС, + 180^оС) искривления стенки гофра непредсказуемым образом изменят величину компенсирующей емкости, что приведет к увеличению погрешности измерения.The disadvantage of the analogue is inaccurate compensation for measuring the dielectric constant in a wide range of pressures and temperatures, since the compensating capacitance is related to the dielectric constant by a scale factor that is not equal to the scale factor of the measuring capacity. In addition, the design of the corrugation does not guarantee the equality of pressure inside the measuring and compensating chambers, but at pressures significantly different from the normal (5-10 atm), and at the extreme points of the working temperature range (-20 ^о С, + 180 ^о С) wall curvature the corrugation will unpredictably change the value of the compensating capacity, which will lead to an increase in the measurement error.

Более точное измерение концентрации обеспечивает устройство, выбранное за прототип [2] . A more accurate measurement of the concentration provides the device selected for the prototype [2].

Известный емкостный датчик содержит измерительную проточную и компенсационную камеры с размещенными внутри каждой электрическими конденсаторами, а также дополнительную камеру. Дополнительная проточная камера установлена со стороны компенсационной, отделена от нее гибкой гофрированной перегородкой-мембраной и соединена по входу и выходу с измерительной камерой. Known capacitive sensor contains a measuring flow and compensation chambers with electric capacitors located inside each, as well as an additional chamber. An additional flow chamber is installed on the compensation side, separated from it by a flexible corrugated membrane partition and connected at the input and output to the measuring chamber.

При повышении температуры от -20^оС до +180^оС объем моторного масла возрастет на 20-40% , что неизбежно приведет к разрыву перегородки компенсационной камеры или к ее деформации, что повлияет на показания прибора, так как перегородка находится в зоне электрического поля компенсационного конденсатора.By raising the temperature from -20 ^C to +180 ^C. motor oil volume will increase by 20-40%, which will inevitably lead to rupture the partition compensation chamber or to its deformation which could affect the readings since the baffle is in the zone of the electric field compensation capacitor.

Кроме этого, передающаяся на датчик вибрация двигателя при совпадении частоты вибрации или ее гармоник с частотой собственных колебаний мембраны приведет к погрешности измерений. In addition, the engine vibration transmitted to the sensor when the vibration frequency or its harmonics coincides with the natural frequency of the membrane oscillations will lead to measurement errors.

Включение же двигателя без заполнения жидкостью компенсационной камеры приведет к сжатию компенсационной камеры находящимся под давлением маслом и разрыву гофра. Turning on the engine without filling the compensation chamber with liquid will compress the compensation chamber under pressure with oil and rupture the corrugation.

Таким образом, недостатком прототипа является неточность и ненадежность датчика в широком диапазоне температур и давлений и при воздействии вибрации. Thus, the disadvantage of the prototype is the inaccuracy and unreliability of the sensor in a wide range of temperatures and pressures and when exposed to vibration.

Целью изобретения является повышение точности и надежности датчика в широком диапазоне температур и давлений и при воздействии вибрации. The aim of the invention is to improve the accuracy and reliability of the sensor in a wide range of temperatures and pressures and when exposed to vibration.

Цель достигается тем, что в емкостном датчике, содержащем измерительную проточную и компенсационную непроточную камеры с размещенными внутри каждой из них электрическими конденсаторами, а также дополнительную проточную камеру, вход измерительной камеры расположен в ее нижней части, а выход - в верхней, дополнительная камера отделена от других жесткими теплопроводными стенками, в верхней своей части она соединена с измерительной камерой, а в нижней - с компенсационной, при этом объем дополнительной камеры превышает максимальную величину изменения объема жидкости в компенсационной камере в заданном диапазоне рабочих температур. The goal is achieved in that in a capacitive sensor containing a measuring flow and compensation non-flow chambers with electric capacitors located inside each of them, as well as an additional flow chamber, the input of the measuring chamber is located in its lower part, and the output in the upper part, the additional chamber is separated from others with rigid heat-conducting walls, in its upper part it is connected to the measuring chamber, and in the lower part to the compensation chamber, while the volume of the additional chamber exceeds the maximum value changing the volume of fluid in the compensation chamber in a predetermined operating temperature range.

Теплопроводные стенки обеспечивают равенство температур измерительного и компенсационного конденсаторов. Кроме того, конструкция датчика не содержит элементов, воздействие на которые температуры, давления и вибрации привело бы к нестабильности параметров датчика. Thermal conductive walls ensure equal temperatures of the measuring and compensation capacitors. In addition, the design of the sensor does not contain elements, the impact on which of temperature, pressure and vibration would lead to instability of the sensor parameters.

Предложенное соединение камер через дополнительную буферную камеру, объем которой должен быть не менее величины изменения объема жидкости в компенсационной камере в диапазоне рабочих температур, уравнивает давление в измерительной и компенсационной камерах. The proposed connection of the chambers through an additional buffer chamber, the volume of which must be not less than the magnitude of the change in the volume of liquid in the compensation chamber in the range of operating temperatures, equalizes the pressure in the measuring and compensation chambers.

Расположение соединения измерительной и дополнительной камер в верхней части дополнительной камеры позволяет газу, скопившемуся в ней после отстоя, выталкиваться из нее при разогреве жидкости, не попадая в компенсационную камеру. Расположение соединения компенсационной и дополнительной камер в нижней их части обеспечивает при охлаждении втягивание в компенсационную камеру жидкости из нижней части дополнительной камеры, где нет газа. The location of the connection of the measuring and additional chambers in the upper part of the additional chamber allows the gas accumulated in it after sludge to be expelled from it when the liquid is heated, without falling into the compensation chamber. The location of the connection of the compensation and additional chambers in their lower part ensures that when cooling, the liquid is drawn into the compensation chamber from the lower part of the additional chamber, where there is no gas.

Равенство температур и давлений в камерах, а также конструктивная идентичность измерительного и компенсационного конденсаторов позволяют измерять объемное газосодержание в потоках газожидкостных смесей с повышенной точностью. Equal temperatures and pressures in the chambers, as well as the structural identity of the measuring and compensation capacitors, make it possible to measure the volumetric gas content in the flows of gas-liquid mixtures with increased accuracy.

На чертеже схематично изображен емкостный датчик. The drawing schematically shows a capacitive sensor.

В цельнометаллическом корпусе 1 размещены три камеры: проточная измерительная 2, непроточная компенсационная 3 и дополнительная буферная 4. В камерах 2 и 3 находятся измерительный 5 и компенсационный 6 электрические конденсаторы. Один электрод каждого из конденсаторов соединен с заземленным корпусом, а другой выведен наружу через герметизирующий изолятор 7. Верхняя часть буферной камеры 4 соединена с измерительной камерой 2 сквозным каналом 8, а нижняя часть - с компенсационной камерой сквозным каналом 9. Измерительная камера 2 имеет входное отверстие 10, расположенное в нижней части ее, и выходное отверстие 11 в верхней части камеры для присоединения трубопровода газожидкостной смеси. Компенсационная камера имеет в верхней части отверстие 12 для заливки эталонной жидкости, в рабочем состоянии отверстие задраено пробкой. In the all-metal case 1 there are three chambers: flow measuring 2, non-compensating compensation 3 and additional buffer 4. In chambers 2 and 3 there are measuring 5 and compensation 6 electric capacitors. One electrode of each capacitor is connected to a grounded case, and the other is brought out through a sealing insulator 7. The upper part of the buffer chamber 4 is connected to the measuring chamber 2 through the channel 8, and the lower part is connected to the compensation chamber through the channel 9. The measuring chamber 2 has an inlet 10, located in the lower part of it, and an outlet opening 11 in the upper part of the chamber for connecting the gas-liquid mixture pipeline. The compensation chamber has an aperture 12 in the upper part for filling in the reference liquid; in the working state, the aperture is closed by a plug.

Устройство работает следующим образом. Проточная камера 2 включается в разрыв трубопровода, по которому во время измерения протекает исследуемая жидкость. Компенсационная камера 3 заполняется эталонной жидкостью, при этом, по закону сообщающихся сосудов, заполняется и буферная камера 4. После включения насоса газожидкостная смесь заполняет измерительную камеру 2 и емкостный датчик готов к измерениям. Сущность измерений состоит в определении величин емкостей конденсаторов 5 и 6. По величинам этих емкостей судят о концентрации газа в жидкости. The device operates as follows. The flow chamber 2 is included in the rupture of the pipeline through which the test fluid flows during measurement. The compensation chamber 3 is filled with a reference liquid, and, according to the law of communicating vessels, the buffer chamber 4 is also filled. After turning on the pump, the gas-liquid mixture fills the measuring chamber 2 and the capacitive sensor is ready for measurements. The essence of the measurements is to determine the capacitance values of the capacitors 5 and 6. The values of these capacities judge the concentration of gas in the liquid.

Гидравлическая связь камер 2 и 3 через каналы 8, буферную камеру 4 и канал 9 выравнивает статические давления внутри камер. Теплопроводные стенки корпуса 1 осуществляют термическую связь камер и выравнивают температуру в них. Минимальный объем буферной камеры определяется по формуле
V_B,min = α_т ˙ V_к ˙ Δ T, где Δ Т - диапазон рабочих температур датчика;
V_к - объем компенсационной камеры;
α_т - температурный коэффициент объемного расширения жидкости.The hydraulic connection of chambers 2 and 3 through channels 8, a buffer chamber 4 and channel 9 equalizes the static pressures inside the chambers. The heat-conducting walls of the housing 1 thermally couple the chambers and equalize the temperature in them. The minimum volume of the buffer chamber is determined by the formula
V _{B, min} = α _t ˙ V _to ˙ Δ T, where Δ T is the operating temperature range of the sensor;
V _to - the volume of the compensation chamber;
α _t - temperature coefficient of volume expansion of the liquid.

При объеме буферной камеры, меньшем V_B,min, эталонная жидкость при ее охлаждении сожмется на объем больший, чем объем буферной камеры. В результате в компенсационную камеру попадает проточная газосодержащая жидкость, что приведет к погрешности измерений.When the volume of the buffer chamber is less than V _{B, min} , the reference liquid during its cooling will be compressed by a volume larger than the volume of the buffer chamber. As a result, a flowing gas-containing liquid enters the compensation chamber, which will lead to measurement error.

Предложенная конструкция датчика благодаря выравниванию температур и давлений внутри камер обеспечивает точность и надежность измерений. The proposed design of the sensor due to the alignment of temperatures and pressures inside the chambers ensures the accuracy and reliability of measurements.

Claims

A CAPACITIVE SENSOR containing a measuring flow and compensation non-flow chambers with electric capacitors located inside each of them, as well as an additional flow chamber, characterized in that, in order to increase the accuracy and reliability of the sensor in a wide range of temperatures and pressures and when exposed to vibration, the measurement input the camera is located in its lower part, and the exit is in the upper one, the additional camera is separated from the others by rigid heat-conducting walls, in its upper part it is connected to the meter chamber, and in the bottom chamber with a compensation chamber, while the volume of the additional chamber exceeds the maximum value of the change in the volume of liquid in the compensation chamber in a given range of operating temperatures.