устройство для измерения и контроля диэлектрической проницаемости диэлектрических сред

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диэлектрической постоянной диэлектрических сред, включающее элементы в виде блока индикации, измерительного электронного блока, датчика, органы управления, отличающееся тем, что элементы устройства механически и электрически взаимосвязаны между собой и представляют собой моноблок, в котором блок индикации и измерительный электронный блок смонтированы в одном корпусе, датчик представляет собой цилиндрический пластинчатый конденсатор, который включает цилиндрический корпус, имеющий в основании отверстие для поступления измеряемой среды, а на боковой поверхности, в верхней части, сквозные отверстия для выхода воздуха, внутри корпуса датчика установлены с зазором цилиндрический стакан и цилиндрическая стойка, имеющая в нижней части, с внутренней стороны, фигурную поверхность, а в верхней части, с наружной стороны - упор, при этом датчик содержит кольцо, имеющее в верхней части форму цилиндра, а в нижней - форму усеченного конуса, и которое установлено между корпусом датчика и цилиндрической стойкой на уровне сквозных отверстий, а нижним основанием установлено на упоре цилиндрической стойки, при этом датчик включает центральный трехступенчатый стержень, установленный с зазором со стойкой, соединенный в нижней части с цилиндрическим стаканом и имеющий по высоте разные диаметры, образующие в верхней части стержня упор, изолирующую втулку, смонтированную в верхней части корпуса и установленную на упоре стержня.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упор цилиндрической стойки образован разницей ее наружных диаметров.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцо нижним основанием установлено на упоре цилиндрической стойки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцо выполнено из диэлектрика.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центральный стержень соединен со стаканом посредством крестовины.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между нижней частью стержня и внутренней фигурной поверхностью стойки имеются пустоты.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр средней части стержня в 1,0-1,5 раза больше диаметра верхней его части и в 2,0-2,5 раза больше диаметра нижней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в промышленности для измерения и контроля диэлектрической проницаемости (постоянной) жидких и газообразных диэлектрических сред, например на нефтеперерабатывающих заводах, нефтебазах, а также в системах оперативного измерения и контроля, в частности в полевых условиях (как экспресс-метод), в розничной торговле нефтепродуктами, на автозаправочных станциях, индивидуально автолюбителями и в разного рода технологических процессах.

Известно измерительное устройство для исследования диэлектрических параметров жидких и твердых образцов, содержащее ступенчатый коаксиальный переход, соединенный с полым коротко замыкающим элементом, подключенным к источнику термостабилизирующей жидкости, высокочастотный разъем, изолирующую шайбу и штуцера (авторское свидетельство СССР, №1698831 А1, МПК: G 01 R 27/26, 31.10.1989 г.).

Известно переносное устройство для контроля качества горючего, содержащее сливной шланг, на одном конце которого установлен наконечник для подсоединения к топливному баку машины и отборки пробы горючего, прозрачный корпус, штуцер, установленный на другом конце сливного шланга и подсоединенный к впускному крану, расположенному на нижней крышке прозрачного корпуса, три сообщающиеся друг с другом камеры, смонтированные внутри прозрачного корпуса, в первой из которых расположен нефтеденсиметр, во второй - ареометр, а третья камера является смотровой (свидетельство на полезную модель №0003827, G 01 R 33/22, 9/14, 23.08.95).

Известно устройство для измерения технических характеристик (включая и измерение параметра диэлектрической постоянной) диэлектрических сред, например жидкого топлива в рабочей емкости, содержащее источник и приемник излучения, оптически сопряженные с ними отражательные призмы с зазором между ними, две расположенные рядом полые трубки, к концам одной из которых прикреплены отражательные призмы, а концы другой трубки сопряжены с источником и приемником излучения, кроме того, устройство содержит индикатор и экран с калиброванными отверстиями, соответствующими максимумам пропускания эталонных марок топлива (свидетельство на полезную модель №0006630, G 01 N 33/22 от 16.05.98).

Все вышеуказанные устройства имеют общие существенные недостатки, основными из которых являются влияние наводок на их работу, а также то, что при использовании приборов, работающих с СВЧ излучением, имеет место искажение в измерении параметров, в частности уменьшение точности их измерения, связанные с влиянием излучения на свойства исследуемых диэлектрических сред, причем получаемые в результате измерения показатели параметров и показатели погрешностей нестабильны во времени. К тому же, в основном все эти устройства крупногабаритные и, как показала практика, применение их ограничено.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству и принятым в качестве прототипа, является известное устройство для измерения диэлектрической постоянной диэлектрических сред, которое описано в способе бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества, защищенном патентом РФ №2115935 С1, G 01 R 27/26, G 01 F 23/26, приоритет: 16.04.1992 г.

Известное устройство для измерения диэлектрической постоянной диэлектрических сред содержит датчик, измерительное электронное средство и блок индикации, средства управления, при этом датчик включает две параллельные перекрывающиеся проводящие пластины, электрически изолированные друг от друга, на которые подается переменное напряжение высокой частоты. Датчик работает по принципу конденсатора.

Указанному устройству присущи все недостатки вышеуказанных аналогов. Кроме того, недостатками указанного устройства также являются невозможность измерения диэлектрической проницаемости газообразных сред; оно работает только в стационарном режиме (оно непереносное) и использовать его в экспресс-анализах не представляется возможным; практически устройство используют только для измерения, что же касается контроля указанного параметра, то этот процесс технически осуществить невозможно, поскольку оно не имеет высокую точность измерения, к тому же оно работает только в стационарном режиме.

Основными задачами заявленного технического решения устройства для измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических сред являются:

- достижение высокой степени точности измерений на оптимально низкой частоте излучения;

- снижение уровня наводок;

- достижение стабильности и улучшение качества выходных сигналов с возможностью осуществления не только измерения диэлектрической постоянной, но и ее контроля;

- возможность использования устройства для широкого диапазона диэлектрических сред, а именно для жидких и газообразных сред.

Другие задачи заявленного изобретения: сделать устройство комплексным, малогабаритным (“карманным”), что даст возможность использовать его оперативно (в экспресс-анализах) в полевых условиях, кроме того, задачами являются простота технического исполнения, доступность товара для широкого круга потребителей и достижение достаточно высокого дизайнерского решения.

Сущность заявленного устройства.

Устройство для измерения диэлектрической постоянной диэлектрических сред выполнено в виде моноблока, содержащего блок индикации 1 (фиг.1, 3, 4), измерительный электронный блок 2 (фиг.1, 4), смонтированные в одном корпусе 3, датчик 4, органы управления, включающие выключатель питания 5, переключатель рода работ (тумблер) 6 и регулятор для калибровки показателей диэлектрической проницаемости разных проб нефтепродуктов 7, при этом датчик 4 представляет собой цилиндрический пластинчатый конденсатор, который включает цилиндрический корпус 8, имеющий в основании отверстие 9 для поступления измеряемой среды и сквозные отверстия 10 для выхода воздуха на боковой поверхности, в верхней его части, внутри которого установлены с зазором цилиндрический стакан 11 и цилиндрическая стойка 12, имеющая в нижней части, с внутренней стороны, фигурную поверхность, а в верхней части, с наружной стороны, - упор 13, образованный разницей наружных диаметров стойки 12, при этом датчик содержит кольцо 14 из диэлектрика, имеющее в верхней части форму цилиндра, а в нижней - форму усеченного конуса и которое установлено нижним основанием на упоре 13 и на уровне сквозных отверстий 10 корпуса 8, центральный трехступенчатый стержень 15, имеющий по высоте разные диаметры, образующие в верхней части стержня упор 16 и соединенный с цилиндрическим стаканом 11 посредством крестовины 17. Датчик также содержит изолирующую втулку 18, установленную в верхней части корпуса и опирающуюся нижней частью на упор 16 стержня 15. Средняя часть стержня 15 установлена с зазором по отношению к стойке 12, а между его нижней частью и нижней частью стойки 12 имеются пустоты. К тому же диаметр средней части стержня 15 в 1,5 раза больше диаметра верхней его части и в 2 раза больше диаметра нижней.

Все композиционные элементы заявленного устройства конструктивно (механически и электрически), технологически и функционально связаны между собой.

Заявленное устройство иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 представлен общий вид устройства, вид спереди (фото после его сканирования); на фиг.2 представлена блок-схема устройства; на фиг.3 - датчик устройства в соответствии с изобретением, в разрезе и на фиг.4 - датчик устройства в соответствии с изобретением, вид снизу (фото после сканирования).

Общий вид устройства для измерения и контроля диэлектрической проницаемости диэлектрических сред представлен на фиг.1, его вид спереди. Устройство представляет собой моноблок, включающий последовательно блок индикации (цифровой индикатор, показывающий значение измеряемого параметра) 1, измерительный электронный блок (ИЭБ) 2, смонтированные в корпусе 3, и датчик 4. Корпус 3 выполнен в форме плоского вытянутого параллелепипеда.

Кроме того, устройство (фиг.1) имеет органы управления, включающие выключатель питания 5, переключатель рода работ (тумблер) 6 и регулятор 7 для калибровки показателей диэлектрической проницаемости (постоянной) разных проб нефтепродуктов.

Дизайнерское решение устройства выполнено таким образом, что оно удобно в обслуживании и в эксплуатации, в частности корпус 3 имеет “мягкое”, округлое выполнение с закругленными ребрами и углами, а на его боковых поверхностях выполнены ребра жесткости, позволяющие удобно держать прибор в руке при его использовании.

На фиг.2 представлена блок-схема заявленного устройства. Блок схема включает следующие блоки: блок индикации (поз.1), измерительный электронный блок (ИЭБ) (поз. 2) и датчик (поз. 4). В свою очередь, ИЭБ включает схему масштабирования и регулировок; прецизионный кварцевый генератор; схему обработки входного сигнала; входной двунаправленный дифференциальный усилитель и блок коммутации. Блок-схема устройства и схема ИЭБ с ее элементами представлены только для пояснения заявленного устройства.

Датчик 4 (фиг.3) заявленного устройства содержит цилиндрический корпус 8 с отверстием 9 в основании и сквозными отверстиями 10 в верхней части, смонтированные внутри корпуса цилиндрический стакан 11, цилиндрическая стойка 12 с упором 13, кольцо 14, контактирующее с корпусом 8 и с упором 13 стойки 12, центральный стержень 15 с упором 16, крестовина 17 и втулка 18.

Устройство работает следующим образом.

Заявленный прибор электронный, автоматизированный, предназначен для измерения и контроля прямым экспресс-методом комплексного соответствия состава фракций измеряемых нефтепродуктов, вязкостью до 10 сантистоксов, его контрольному образцу по диэлектрической проницаемости. Прибор позволяет контролировать нефтепродукты (бензины любой марки, дизельное топливо и другие углеводородные продукты) на соответствие (идентичность) эталонному образцу, по диэлектрической проницаемости тестированных нефтепродуктов, например “ГЕПТАН”. Численные значения измеряемых величин считываются непосредственно на табло прибора (цифрового индикатора) в условных единицах.

Перед измерением проводят следующее. Включают блок питания прибора в сеть (220 В). На передней панели корпуса 3 (фиг.1) выключатель питания 5 переключают на включение (положение: “ВКЛ”). Тумблер 6 (переключатель рода работ) переключить на “КОНТРОЛЬ”. Далее, держа прибор в руке, датчик 4 прибора опускают в емкость вместимостью до 250 мл. В последнюю наливают эталонный нефтепродукт “ГЕПТАН” до уровня сквозных отверстий 10 датчика 4. Жидкость в прибор поступает через отверстие 9 цилиндрического корпуса 8 и заполняет все зазоры и пустоты прибора, имеющиеся между цилиндрическим корпусом 8 и цилиндрическим стаканом 11, между корпусом 8 и кольцом 14, между цилиндрическим стаканом 11 и стойкой 12, зазор и пустоты между цилиндрической стойкой 12 и стержнем 15.

После чего, не удаляя полностью датчик 4 из жидкости, производят медленные движения прибором вверх и вниз. Этим самым прибор промывают и из него удаляются воздушные пузырьки, которые могут влиять на показатели измерения. Далее прибор вынимают и удаляют с датчика остатки жидкости.

Жидкость в емкости повторно используют для промывки датчика при последующей калибровке прибора.

Датчик 4 прибора опускают во вторую емкость, в которой налит “ГЕПТАН”, и повторно проводят процедуру опускания датчика в емкость и последующие его окунания. После чего датчик опускают в измеряемую жидкость и через 5-10 c переключатель 6 рода работ (тумблер) переключают на “ИЗМЕРЕНИЕ”. На табло индикатора 1 должны высветиться числа, близкие к 00.0. Если числа на табло будут отличаться от показателя 00.0, то следует регулятором 7 для калибровки показателя диэлектрической проницаемости установить на табло прибора 00.0. После чего наливают в чистую емкость измеряемую жидкость, например А76, и промывают датчик 4 этим бензином, как было сказано выше. Далее в чистую емкость наливают измеряемую жидкость и производят замер, при этом предварительно регулятор 7 переключают на “ИЗМЕРЕНИЕ”. Численные значения на табло, выраженные в условных единицах, являются значениями диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости.

Калибровку прибора следует осуществлять через 4-5 замеров бензинов. В случае засорения датчика его промывают ацетоном. Показатели диэлектрической проницаемости бензинов в условных единицах для разных бензинов должны быть в следующих пределах: А76-14-28; АИ92-30-42; АИ95-45-70; АИ98-75-110.

После окончания измерений выключатель питания 5 на панели корпуса 3 устанавливают на метке: “ОТК” и блок питания отключают от сети. Питание прибора: 9 В 5% (от батареи типа “Крона”). Потребляемый ток при напряжении 9 В 5мА, время технической подготовки, после включения прибора 3-5 c, время установления показаний 3-5 c, время непрерывной работы: круглосуточно (ограничено только емкостью батареи), погрешность измерений 0,5. Минимальный объем бензина, необходимого для проведения измерений, 150 мл. Частота звукового диапазона нормирована от 20 Гц - 20 кГц до 100-200 кГц. Уровень наводок снижается за счет применения низкой частоты. Датчик не является ни излучателем, ни приемником.

Заявленное устройство отличается простотой выполнения, оно малогабаритно и удобно в эксплуатации. Крестовина 17, втулка 18 и стержень 15 являются крепежными элементами, а упоры 13 и 16 - фиксирующими элементами кольца 14 из диэлектрика и втулки 18 соответственно.

Улучшается качество и достижение стабильных сигналов за счет выполнения устройства в виде моноблока, включающего блок индикации 1, измерительный электронный блок (ИЭБ) 2 и датчик 4, за счет конструктивного решения непосредственно датчика 4, работающего по принципу пластинчатого конденсатора, за счет наличия и конструктивного решения кольца из диэлектрического материала.

Электронная схема, работающая на частоте 800 Гц, подключена к датчику, дает точные и стабильные результаты измерения диэлектрической проницаемости без наводок от внешних источников помех. Шкала прибора является линейной с постоянным коэффициентом усиления и настроена так, что для основной массы измеряемых нефтепродуктов лежит в пределах от 0 до 100 у.е. Время измерения диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости равно 3-5 с; на табло цифрового индикатора высвечивается показатель, соответствующий суммарному значению фракционного состава измеряемого нефтепродукта. Соответствие качества (соответствие фракционных составов) нефтепродуктов определяют по равенству значений сигналов измеряемого и эталонного образца. Прибор чувствителен к смесям нефтепродуктов, например высокооктановых и низкооктановых бензинов, к различного рода присадкам, смешиваемым с автомобильными бензинами.

Заявленным устройством можно осуществлять и упрощенный индикаторный контроль диэлектрической проницаемости нефтепродуктов. Для чего при включенном приборе датчик 4 опускают в емкость, куда наливают контрольный нефтепродукт, например бензин А76, до уровня сквозных отверстий 10 прибора. Переключатель 6 ставят в положение “ИЗМЕРЕНИЕ”. Регулятором 7 устанавливают на табло цифрового индикатора 1 произвольное численное значение для контролируемого нефтепродукта, например 76,0 - для бензина А76, либо 92,0 - для бензина АИ92. Далее прибор переставляют в сравниваемую пробу и в результате замера на табло высвечивается числовой показатель. Совпадение замеренного числа с ранее установленным числом будет означать, что у сравниваемых нефтепродуктов идентичны фракционные составы по диэлектрической проницаемости.

Заявленный прибор может быть изготовлен из доступных в настоящее время материалов, например пластмасса, нержавеющая сталь, металлизированный пластик. Прибор позволяет как измерять показатель диэлектрической проницаемости, так и контролировать этот показатель. Экспериментальные опытные образцы прибора прошли испытания в метрологической лаборатории с положительными результатами.