Емкостной измерительный комплекс компонентного состава диэлектрических и проводящих сред

Емкостной измерительный комплекс предназначен для проведения измерений комплексных характеристик различных растворов и сред, таких, как, например: уровень гемоглобина в крови, жирность и содержание белка в  молоке,  влажность и кислотность почвы и т.д. Измерительный комплекс  построен по принципу бесконтактного измерения параметров среды. Использование бесконтактного способа измерения является важнейшим качеством данного емкостного измерительного комплекса, так как, при бесконтактном способе измерения отсутствует прямое влияние измерительного преобразователя на среду измерения. Кроме того, применение бесконтактного способа измерения не приводит к временной остановке технологического процесса, необходимого для установки измерительных преобразователей, исключает необходимость технологических отверстий для взятия проб, исключает процесс взятия проб, обеспечивает непрерывный процесс измерения в реальном времени и т.д.

Прототипом емкостного измерительного комплекса является  емкостной датчик [1]. Нами был разработан специализированный измерительный генератор, важной особенностью которого является возможность проведения измерений сверхмалых емкостей  0,1пФ…1пФ с точностью, порядка, 0,1%. Уникальной характеристикой  измерительного комплекса с применением данного генератора, является то, что столь высокая точность измерения сохраняется в сильно «зашумленной», шунтирующей среде с проводимостью, порядка, 0…10-4См. При этом, измерительный комплекс имеет два информационных выхода: емкости и проводимости среды измерения, что позволяет проводить уникальные, выборочные измерения различных физических величин.

Устройство автогенераторного измерительного преобразователя (патент на полезную модель RU №94718 С01R17/00).

В качестве измерительной схемы выбран автогенераторный измерительный преобразователь (АИП) [2, 6] реализующий раздельное и независимое преобразование активной Сх и реактивной gx составляющих комплексного сопротивления контролируемого объекта Ои.

Принципиальной особенностью такой автоколебательной системы является реализация нелинейного звена в виде самобалансирующегося термисторного моста 4, где присутствует инерционный элемент- термистор 6. Это приводит к увеличению стабильности частоты автогенератора, поскольку установление частоты автоколебаний происходит за счет нелинейности термисторного моста, благодаря чему колебания лишены гармоник, и усилитель 2 работает в линейном режиме при всех изменениях амплитуды автоколебаний. Это происходит даже при шунтировании колебательного контура 1 сопротивлением, величина которого  намного меньше резонансного сопротивления контура.

Здесь емкостная ячейка 7 подключена  в самобалансирующийся мост параллельно термистору, а перед колебательным контуром установлен [2] истоковый повторитель 5, что обеспечивает развязку моста и колебательного контура, а также исключает необходимость введения в цепь обратной связи корректирующих RC при переходе частоты при проведении дисперсного анализа контролируемого объекта. При этом чувствительность пропорциональна квадрату резонансной частоты , и зависит от величины коэффициента передачи усилителя . При этом, стабилизация коэффициента передачи усилителя при его больших значениях (>>1) обеспечивает более высокие метрологические характеристики АИП в целом.

Пример разработанного емкостного датчика измерения диаметра жилы и толщины изоляции электрических проводов.

Особенностью применения емкостных измерительных ячеек является необходимость решения нескольких специфических задач.

  1. Значения электрической емкости первичных преобразователей очень малы. Измерение таких малых [6] емкостей (0,1÷1 пФ) с точностью (порядка 0,1%) затруднительно, а серийных приборов для подобных измерений — не выпускается. Это обусловлено тем, что, для обеспечения бесконтактности измерений колеблющихся при вытяжке протяженных нитей, измерительные электроды ячейки должны иметь расстояние между собой не менее 10мм. Поэтому, при измерении емкостей возникают дополнительные трудности, связанные с  обеспечения их помехозащищенности, особенно на высоких частотах, а так же, повышенные требованиям к температурной и геометрической стабильности.
  2. Особенностью является требование равномерности поля в рабочей зоне первичного преобразователя [5] не хуже 0,1…1,0%, что связано с неоднородной плотностью продуктов и механическими колебаниями протяженных изделий.
  3. Важной особенностью является шунтирования измерительного конденсатора при влажностях контролируемых объектов более 30%, поскольку вода значительно увеличивает проводимость при растворении в ней солей, кислот, щелочей, поэтому, диэлектрическая проницаемость e является в общем случае комплексной.

Ниже приведена коаксиальная конструкция:  а) идеальной модели, б) расчетной модели, в) реальной измерительной ячейки  диаметра токоведущей жилы, толщины и дефектов изоляции электрического провода.

Емкостная измерительная ячейка выполнена в виде плоскопараллельного конденсатора, где: 1, 5, 9, 10 – изоляция; 2 – охранный электрод; 3 — низкопотенциальный электрод; 4 – керамические прокладки; 6 – экран; 7 — высокопотенциальный электрод; 8 – рабочая зона первичного преобразователя; 9, 10 – изоляция; L – ширина охранной зоны; d – высота керамических прокладок

В настоящий момент ведутся научно-исследовательские работы, целью которых является расширение сфер применения измерительного комплекса в сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности.

 

  1. Шаруев Н.К., Алексенко Е.В., Калета Л.Е, Архипов А.И. Емкостное устройство для измерения диаметра диэлектрического волокна. Патент РФ №2006788, 30 января 1994г.
  2. Шаруев Н. К., Шаруев В. Н. «Автогенераторный измерительный преобразователь высокопотерного комплексного сопротивления емкостного датчика» по патенту на полезную модель RU №94718 С01R17/00 от27.05.2010, Бюл. №15.
  3. Шаруев Н.К., Эфендиев А.М., Шаруев В.Н., Евстафьев Д.П. «Промышленная установка для переработки органических отходов на биогумус и биогаз с системой управления на базе блока информационных технологий» по патенту на полезную модель RU 104286 от 04.06.2010 г.
  4. Шаруев Н.К., Джумангалиев Т.А., Шаруев А.Ю. «Микропроцессорный блок сбора и обработки информации сельскохозяйственных процессов» (статья), Материалы научно-практической конференции молодых ученых  Приволжского федерального  округа. Издательский  центр «Наука»,  статья, г.Саратов, 29-30  января 2007г.
  5. Г.П. Ерошенко, Н.К. Шаруев, Д.П. Евстафьев. «Методика обоснования идеализированной математической модели контроля влажности зерна диэлькометрическим методом.» Измерительная техника. – 2016, Вып. №12. — С. 58-60.
  6. Г.П Ерошенко, Н.К. Шаруев, В.Н. Шаруев, Д.П. Евстафьев «Особенности разработки электротехнических устройств контроля сельскохозяйственных продуктов» Измерительная техника -2018, Вып. №10, С. 61-65.