ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к измерению неэлектрических величин электрическими методами, и предназначена для измерения и контроля толщины слоя жидкости.
Известен емкостный датчик по патенту US №2012/0013354, содержащий два расположенных в одной плоскости металлических электрода, выполненных в виде центрального диска, образующего первый электрод и концентрически расположенного с заданным зазором вокруг диска внешнего кольца, образующего второй электрод, измеритель емкости, процессор и дисплей, предназначенный для неразрушающих измерений толщины слоя диэлектрических жидкостей.
Недостатком емкостного датчика является нелокальный, усредняющий по площади центрального электрода с заданным зазором характер измерений толщины слоя жидкости.
Наиболее близким к заявляемому устройству, принятый в качестве прототипа, является емкостный датчик, описание которого приведено в статье (J.Z. Chen, A.A. Darhuber, S.M. Troian, S. Wagner. Capacitive sensing of droplets for microfluidic devices based on thermocapillary actuation // Lab on a Chip 2004, v. 4, pp. 473-480), содержащий два находящихся в одной плоскости металлических электрода, образующих конденсатор. Электроды нанесены на диэлектрическую, выполненную из стекла подложку, которая установлена на выполненном из латуни основании. Измерительная поверхность электродов покрыта тонким защитным диэлектрическим слоем из оксида кремния. Сбоку проводящего основания, см. фиг. 2 на странице 475 статьи, установлен заземляющий электрод.
Недостатком известного емкостного датчика является протяженный характер измеряющих электродов по крайней мере в одном направлении, что приводит к большому пространственному усреднению при измерениях толщины слоя жидкости, а значит к увеличенной погрешности измерений при изменяющихся по толщине слоях жидкости, например при возникновении волн на поверхности слоя жидкости;
кроме того, расположение электрода заземления сбоку проводящего основания, несимметрично относительно измеряющих электродов и на разных расстояниях от них, делает измерения емкости электродов, а значит и локальной толщины слоя жидкости над каждым из электродов неодинаковыми из-за разных вкладов длины проводящего материала основания в электрическую емкость дальнего и ближнего измеряющих электродов к электроду заземления.
Технической задачей настоящей полезной модели является повышение точности определения толщины слоя жидкости.
Техническая задача решается за счет того, что емкостный датчик определения толщины слоя жидкости, содержащий основание из проводящего материала с подсоединенным к нему заземляющим электродом, на измеряющей поверхности основания в слое диэлектрика на одинаковом расстоянии от вертикальной оси основания установлены измеряющие электроды, торцевые поверхности которых покрыты защитной пленкой диэлектрика, при этом все электроды подключены к электронному коммутатору, соединяющему их с измеряющей электронной схемой, причем заземляющий электрод расположен на основании между измеряющими электродами на одинаковом расстоянии от каждого из них, диаметр измеряющих электродов определяют по уравнению
где: d - диаметр измеряющих электродов, м,
Δa - расстояние между измеряющими электродами емкостного датчика м;
- параметр чувствительность емкостного датчика, включая электронный коммутатор и измеряющую электронную схему, пФ/м;
Σ
δC - полная погрешность измерений электрической емкости датчика, пФ;
а расстояние между измеряющими электродами определяют по уравнению
где: δ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;
2
g - ускорение силы тяжести земного притяжения, 9.8 м/сек;
L
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
vp
3
ρ - плотность пара над жидкостью, кг/м.
На фиг. 1 представлен предлагаемый емкостный датчик;
На фиг. 2 представлен предлагаемый емкостный датчик, вид снизу;
На фиг. 3 показано сечение предлагаемого емкостного датчика;
На фиг. 4 представлены результаты калибровки (градуировки) предлагаемого емкостного датчика для измерения емкости между измеряющими электродами, для случаев «затопленного» датчик - 1, и «сухого» датчика - 2.
«Затопленный» емкостный датчик - случай, когда измеряющая поверхность датчика погружена в жидкость, и увеличивающаяся толщина слоя жидкости увеличивает электрическую емкость датчика.
«Сухой» емкостный датчик - случай, когда измеряющая поверхность датчика находится над поверхностью жидкости, и если толщина слоя жидкости увеличивается, приближаясь к измеряющей поверхности датчика, то электрическая емкость датчика тоже увеличивается.
Емкостный датчик определения толщины слоя жидкости содержит основание из проводящего материала 1 со сквозными отверстиями, в которых установлены выполненные из диэлектрического материала вставки 2, например металлостеклянные спаи. В центре каждой вставки 2 размещены измеряющие электроды 3. Кроме того, к обратной стороне поверхности основания 1 присоединен заземляющий электрод 4 между измеряющими электродами на одинаковом расстоянии от каждого из них. Торцевая поверхность измеряющих электродов 3, вставок 2 и основания 1 емкостного датчика покрыта тонким изолирующим диэлектрическим слоем 5.
Расстояние между измеряющими электродами емкостного датчика должно быть таким, чтобы точно измерять толщину слоя жидкости даже при наличии волн на поверхности жидкости.
Длину волн на поверхности слоя жидкости определяют с помощью капиллярной постоянной жидкостей (Ландау Л.Д., Лифшиц И.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. М. Наука, 1986. с. 336). Капиллярная постоянная жидкости с учетом влияния окружающего пара определяется следующим образом
где: ℓ - капиллярная постоянная, близкая к минимальной длине поверхностных капиллярных волн, м;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;
2
g - ускорение силы тяжести земного притяжения, 9.8 м/сек;
L
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
ур
3
ρ - плотность пара над жидкостью, кг/м;
Для повышения точности измерения толщины слоя жидкости, расстояние между измеряющими электродами емкостного датчика должно быть меньше характерного размера поверхностных капиллярных волн. Длина поверхностных капиллярных волн может быть как больше капиллярной постоянной, так и меньше ее, поэтому в качестве универсального параметра выбирают капиллярную постоянную.
Первое условие, ограничивающее расстояние между измеряющими электродами сверху, и обеспечивающее максимальную точность и информативность измерений толщины жидкостного слоя емкостным датчиком, выглядит следующим образом
где: Δa - расстояние между измеряющими электродами емкостного датчика м;
λ - характерная длина капиллярных волн, возникающих при течении жидкостных пленок конденсата внутри тепловой трубы, м;
Второе условие, ограничивающее расстояние между измеряющими электродами емкостного датчика снизу, определяется чувствительностью измеряющей электронной схемы.
Расстояние между измеряющими электродами емкостного датчика должно быть больше характерной длины (пороговой длины), определяемой параметром чувствительности и погрешностью измерения емкости датчика с помощью измеряющей электронной схемы.
Параметр чувствительности датчика совместно с измеряющей электронной схемой определяют по результатам градуировки (калибровки) емкостного датчика.
h
Градуировка заключается в экспериментальном определение емкости датчика C, пФ, в зависимости от толщины слоя жидкости над ним, м.
По результатам градуировки вычисляют параметр чувствительности датчика по уравнению
где: A - параметр чувствительности емкостного датчика, пФ/м;
h
C - емкость датчика вместе со слоем жидкости, пФ;
h - толщина слоя жидкости над датчиком, м.
Σ
Погрешность измерений емкости датчика δC определяют как квадратный корень из суммы квадратов погрешностей измерений емкости датчика с помощью электронного коммутатора и измеряющей электронной схемы и погрешности калибровки емкостного датчика по уравнению
Σ
где: δC - полная погрешность измерений электрической емкости датчика, pF;
0
δC - погрешность измерений электрической емкости датчика, вносимая собственно емкостным датчиком, электронным коммутатором и измеряющей электронной схемой, pF;
h
δC - погрешность калибровки емкостного датчика, pF;
Погрешность измерения емкости емкостного датчика определяют инструментальной погрешностью измерительного устройства, состоящего из электронного коммутатора и измеряющей электронной схемы.
Погрешность калибровки емкостного датчика определяют следующим образом с помощью уравнения
где: δh - абсолютная погрешность определения толщины слоя жидкости, м;
h - измеряемая толщина слоя жидкости, м;
ε - диэлектрическая проницаемость жидкости;
T - температура слоя жидкости, К;
δT - погрешность измерения температуры слоя жидкости, К;
Проведенный анализ погрешностей измерений позволяет определить точность полученных результатов. Систематическая среднеквадратичная погрешность измерения толщины слоя жидкости с помощью заявляемого емкостного датчика не превышает ~3%.
Характерная длина, (пороговое значение длины), определяемая параметром чувствительности и погрешностью измерений емкости датчика, включающей электронный коммутатор и измеряющую электронную схему и калибровку емкостного датчика, оценивают с помощью уравнения
Второе условие, ограничивающее расстояние между электродами снизу, и обеспечивающее максимальную точность измерений толщины жидкостного слоя емкостным датчиком, выглядит следующим образом
Итоговое выражение для оценки расстояния между электродами емкостного датчика Δa записывают в окончательном виде
Диаметр измерительных электродов емкостного датчика d должен быть мал, меньше расстояния между электродами Δa, но больше характерной длины δh, определяемой параметром чувствительности датчика, его оценивают с помощью уравнения
Емкостный датчик работает следующим образом.
-9
После изготовления и покрытия диэлектрическим слоем измеряющей поверхности датчика, например слоем Эпилама типа Автокон-0.5 по ТУ 2229-008-27991970-95, толщиной слоя 3·10 м (3 нм), проводят его градуировку. Результат градуировки представляют в виде графической или табличной зависимости электрической емкости датчика от толщины слоя жидкости над ним.
На фиг. 4 приведены результаты градуировки (калибровки) заявляемого емкостного датчика при температуре T=20°C.
В качестве измеряющей электронной схемы был применен мост переменного тока Р-5083 классом точности 0.02 и абсолютной погрешностью измерения емкости ±0.01 pF. Толщину слоя рабочей жидкости при градуировке емкостного датчика измеряют независимым путем с помощью оснащенного капиллярным уровнемером микрометра типа МК-25 с погрешностью не более ±0.01 мм.
h
h
3
Максимальное значение параметра чувствительности заявляемого емкостного датчика в случае затопленного варианта dC/dh имеет место при малых толщинах измеряемого слоя жидкости, и достигает величины dC/dh~10 пФ/м.
h
Максимальное значение производной емкости заявляемого датчика по высоте слоя жидкости над датчиком, dC/dh, определяемое по уравнению (5), имеет место при малых значениях толщины слоя, где линии электрического поля, идущие из одного измеряющего электрода емкостного датчика в другой, пересекают тонкий слой жидкости под прямым углом 90°. При увеличении толщины слоя, линии поля становятся все более наклонными, и эффективная емкость слоя жидкости уменьшается.
Выбор оптимального расстояния между измеряющими электродами и диаметра измеряющих электродов емкостного датчика представляет собой основное условие для достижения поставленной цели повышения точности определения толщины слоя жидкости.
Измерение толщины слоя жидкости последовательно осуществляют измерениями емкости первого измеряющего электрода относительно симметрично установленного и обеспечивающего одинаковость вкладов электрического сопротивления проводящего основания заземляющего электрода, затем межэлектродной емкости первого и второго измеряющих электродов, затем емкости второго измеряющего электрода относительно заземляющего электрода и т.д.
При отличии температуры жидкости при проведении измерений от стандартной температуры калибровки T=20°C, для достижения максимальной точности определения толщины слоя жидкости учитывают зависимость диэлектрической проницаемости жидкости от температуры. Температуру жидкости измеряют с помощью термометра, подключенного к дополнительной электронной схеме.
-3
-2
-5
Σ
Расстояние между измеряющими электродами Δa изготовленного емкостного датчика, равно Δa=2 мм (2·10) м. При проверке согласно уравнению (10), учитывая, что суммарная погрешность измерений емкости заявляемого датчика δC~5·10 пФ, величину нижнего предела расстояния между измеряющими электродами, см. уравнение (9) получают равным 5·10 м, или 0.05 мм.
-3
Длина капиллярных волн для воды, принимаемая равной капиллярной постоянной, см. уравнение (3), составляет ℓ=3.9·10 м, и окончательную оценку величины расстояния между измеряющими электродами Δa получают из выражения
что полностью удовлетворяет требованиям уравнения (10).
-3
Диаметр электродов емкостного датчика d, равен d=0.5 мм (0.5·10 м). При проверке согласно (11) получают следующее уравнение
Уравнение (11) также выполняется.
Сопоставление результатов измерений толщины слоя жидкости, проведенных заявляемым емкостным датчиком и независимым капиллярным уровнемером, соединенным с микрометром типа МК-25 показали следующие результаты.
Различие значений толщины слоя жидкости, полученные заявляемым емкостным датчиком и капиллярным уровнемером, не превышает 3%, что является доказательством высокой точности измерений с помощью емкостного датчика.
Таким образом емкостный датчик с обоснованно выбранными диаметром измеряющих электродов и расстоянием между измеряющими электродами позволяет точно измерить толщину слоя жидкости, а также при необходимости гребни и впадины волн, их длину и частоту, что увеличивает точность определения толщины слоя жидкости.