利用电容传感器对位移或介电常数进行的动态和非接触测量制造技术

一种动态地和非接触地测量导电体相对电容传感器位移的方法，电容传感器由两片平行的导电极板构成，重叠设置，且相互电绝缘，并被加以一个具有预定电压值的高频信号，电容传感器与检测电流值的部件相连。本发明专利技术还公开了一种动态地和非接触地测量导电部分和上述电容传感器之间电介质的介电常数的方法。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动态地和非接触地测量接地导电体相对电容传感器位移的方法，以及动态地和非接触地测量接地导电部分与电容传感器之间电介质的介电常数的方法。本专利技术特别涉及一种动态地和非接触地测量位移的方法，它非常适用于以相对简化的方式持久地测量旋转机械轴的轴向位移，或者测量罐中的液面，还特别涉及一种动态地和非接触地测量电介质的介电常数的方法，它也非常适用于以相对简化的方式测量罐中的液面，或连续监测流经管道的物质可能发生的组分变化。授予HYDRO-QUEBEC的美国专利NO.4，675，670描述了一种动态地和非接触地测量距离的装置和方法，该距离将可能是导体也可能不是的第一部分的表面与第二导电部分的表面隔开，第二导电部分与第一部分相距很近并接地，例如发电机的定子和转子，该装置和方法能够持久使用，不会产生显著的变化或过分的积累现象，即使存在强磁场或温度变化大的情况下，也能保证精度和可靠性。上述装置包括一个由两块平行导电极板构成的传感器，这两块极板重叠放置且相互绝缘，并被加以一个5V至100V之间的预定电压下的频率为100KHz至10MHz的高频信号，还与一个检测电流值的部件相连，该部件本身又与一个对检测到的电流值进行处理的部件如计算机相连。传感器在其使用期间构成一个具有接地导电部分的电容器，电容量由下面已知的公式确定C＝ (KAr)/(D) (1)其中K＝εoεr，εo为真空介电常数(8.854PF/m)，εr为离导电部分最近的传感器极板表面和导电部分之间的电介质的相对介电常数;Ar为传感器极板上与导电部分重合面的面积;以及D为离导电部分最近的传感器极板表面和导电部分之间的距离。当向如此形成的电容器施加一个高频信号时，在传感器极板中就感应出一个可测量的电流，其强度由下面的等式确定i＝ωCV (2)其中ω＝2πf，f为所加信号的频率;V为离导电部分最近的传感器极板表面和导电部分之间的电压差;以及C为上述电容量。等式(1)表示介电常数值K和重合面的面积Ar为常量时，电容量C以及由此产生的公式(2)中的电流i，根据传感器和导电部分隔开的距离D的倒数变化，这就使得用上述方法动态地和非接触地测量离导电部分最近的电容传感器极板和导电部分之间的距离成为可能。可以很容易地看出，该装置能够类似地用于测量公式(1)中的其它可变参数，例如介电常数K或重合面的面积，只要余下的参数固定不变就行了。因此，本专利技术的第一个目的是提出一种利用上述装置动态地和非接触地测量接地导电体相对电容传感器位移的新方法，第一种方法包括以下步骤(a)以一个固定的间距将电容传感器靠近导电体设置，电容传感器的极板与导电体延伸的平面平行，于是上述平面中的导电体的位移改变了重叠放置的导电体和电容传感器形成的重合面的面积;(b)检测在电容传感器中由高频信号感应出的电流，该电流值的变化与重合面的面积变化成正比关系;以及(c)根据电流值确定导电体相对电容传感器的位移量。该方法不限于在涡轮机或储液罐中应用，因为它允许测量任何导电体相对传感器的位移，只要传感器上的导电体的重合面在位移时变化就可以了。本专利技术的第二个目的是提供一种还是利用上述装置，来动态地和非接触地测量接地导电部分与电容传感器之间电介质的介电常数的新方法，第二方法包括以下步骤(a)以一个固定的间距将电容传感器靠近导电部分设置，从而其介电常数有待测量的电介质位于导电部分和电容传感器之间;(b)检测在电容传感器中由高频信号感应出的电流，该检测到的电流的变化与电介质的介电常数的变化成正比关系;以及(c)根据电流值确定导电部分和电容传感器之间电介质的介电常数。再说一遍，该方法不仅仅限于在储液罐中或在检测管道中流动物质组分的变化中应用，因为它允许测量电容传感器和任何被测导电部分之间电介质的介电常数。通过以下参照附图对可能的实施例所作的非限制性的描述，本专利技术及其各种优点将更易于理解。附图说明图1是本专利技术方法的原理图;图2表示本专利技术的测量位移的第一种方法，其中导电体大于电容传感器;图3是根据图2的本专利技术的一个实施例的被测电流值的特性曲线;图4a表示测量蒸汽涡轮机和交流发电机之间连接件位移的本专利技术的第一种方法;图4b是图4a所示连接件的详细侧视图;图4c是图4a所示连接件的详细顶视图;图5表示采用几个传感器测量位移的本专利技术的第一种方法;图6a表示测量导电罐中导电的或强极化液体液面的本专利技术的第一种方法;图6b表示测量用电绝缘材料制成的储液罐中导电的或强极化液体液面的本专利技术的第一种方法;图6c表示测量导电罐中非导电液体液面的本专利技术的第二种方法;图6d表示测量用电绝缘材料制成的储液罐中非导电液体液面的本专利技术的第二种方法;图7表示检测管道中流动的油中含水量的本专利技术的第二种方法;图8表示本专利技术的结构中使用的测量、检测和校准电路图;图9表示采用本专利技术的方法的装置的主要功能框图。现在参照附图1，从中可以看出，用于实现本专利技术方法的装置1包括至少一个电容传感器3，它由两片导电的、重叠的、并由一个适当的绝缘体9进行相互电绝缘的极板5和7组成，一个电源和检测部件11，用来向每个传感器的两片极板5和7施加同样电压的相同的高频信号，以及检测极板7中由高频信号感应出的电流值，还包括将每个传感器的极板5和7连接到部件11上的电缆13，部件11产生一个与被测电流有关的电信号S，它可被送至数据处理装置，例如计算机，以便根据本专利技术的方法进行测量。为了避免可能出现的寄生噪声、反射阻抗或绝缘问题，送到传感器的极板5和7的高频信号最好频率在100KHz至10MHz之间，峰峰值电压在5V至100V之间。通过选择极板5和7的最佳尺寸以及将它们隔开的最佳距离，也可以减小寄生噪声的影响。考虑到由于电容传感器3的结构和物理参数，处理装置是非线性的，因此事先要进行校准，以便精确地转换与参数有关的被测电流，实现用本专利技术的方法测量的目的。在本专利技术的第一个方法(动态地和非接触地测量位移的方法)中，电容传感器3通过适当的手段以固定的距离D靠近导电体15设置，以便使它的极板5和7与导电体延伸的平面平行。在该平面中，导电体15和电容传感器3的共同的表面构成重合面17。根据本方法，基本一点是重合面17的面积在导电体15相对电容传感器3位移时发生变化，这是由于被测电流的变化与该面积的变化成正比关系，该被测电流使精确测量位移的目的得以实现。图2表示本专利技术的第一种方法(测量位移的方法)的使用，其中导电体15大于电容传感器3，传感器3是矩形。虽然这种形状不是必需的，但是在本方法的这种使用过程中它呈现了某些具有特殊意义的性质，如图3所示。图3表示图2中的实施例的导电体15沿箭头方向相对电容传感器3的位移和部件11产生的电信号S之间的线性关系。该特性基于这样一个事实重合面17的面积相对于所述位移量的增加而线性地增大。虽然当导电体15的边缘27越过电容传感器3的边缘29时曲线21的两端出现弯曲(23和25)，但曲线21的主要部分仍是线性的。如图4a所示，本专利技术的第一种方法(测量位移的方法)可用来测量连接蒸汽涡轮机33和交流发电机35的旋转轴31的伸长情况。连接件37作为导电体，故必须事先接地。如放大图4b和4c所示，传感器3与连接件37平行，且与之相隔一个固定的距离D′，以便测量由虚线41本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态地和非接触地测量接地导电体相对电容传感器位移的方法，电容传感器由两片平行的导电极板构成，重叠放置，且相互电绝缘，并被加以一个从信号发生器发出的具有预定电压值的高频信号，所说的电容传感器与一个检测电流值的部件相连，所说的方法包括以下步骤：（ａ）以一个固定间距将所说的电容传感器靠近所说的导电体设置，所说的极板与所说的导电体延伸的平面平行，于是所说平面中的导电体的位移改变了重叠放置的所说导电体和电容传感器形成的重合面的面积；（ｂ）检测在所说电容传感器中由所说高频信号感应出的电流，该电流值的变化与所说重合面的面积变化成正比关系；以及（ｃ）根据所说的电流值确定所说导电体相对所说电容传感器的位移量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马修斯克卢迪艾，西尔万瑟瓦尔，让马克布尔格瓦，费郎西斯拉龙德，
申请(专利权)人：海德罗格伯，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]