專利名稱:插入式水分儀傳感器的制作方法
本實用新型屬于測量顆粒物如稻谷、麥子等的水份含量的一種插入式結構型水份儀傳感器。
現(xiàn)代種子研究，谷物的收購、保藏，醫(yī)用藥品如藥丸、藥片和某些化工原料等都需要測量或控制其水份含量(即濕度)，常常還需要同時測定其溫度。對于水份或濕度測試技術，國內外均相當重視，已有不少公司和廠家生產多種濕度計?，F(xiàn)有的水份儀或濕度計在原理上，大致可分為兩大類結構型和物性型。
結構型水份儀是基于待測物的電阻率或電容率隨其水份含量變化而變化的原理工作的。用一定結構的采樣容器並形成電極，量取或秤取一定量的待測物樣品，放入采樣容器，把電極間的電阻或電容經電路轉換獲得電壓輸出，用百分比含水量或相對濕度的形式進行顯示達到測量的目的。典型的結構型電阻法測量的水份儀目前要算是日本“Kett Electric Laboratory”生產的“Riceter Model L”型，如圖7所示。它是小型臺式裝置，數(shù)字顯示。用量盤采樣，采樣量小(約為15顆稻谷)，用簡單的螺紋夾緊方式將谷物等樣品夾緊，谷子常被碾碎，碾碎程度無法控制，又無測力裝置，夾緊力大小完全憑操作者的經驗而定。由于電阻法測量谷物等的水份受極板間壓力大小的影響較大，因而它的測量準確度受人為因素的影響較大，此外它的采樣量小也使測試結果的代表性顯得不足。
物性型水份儀是利用某些材料如濕敏陶瓷、濕敏電解質或濕敏高分子材料等的物理性質(如電阻率)隨其本身含水量變化而變化的特性所制成的濕敏元件，按具體的測試對象和條件構成某種裝置進行水份或濕度測試。丹麥農民電子化有限公司(Farmer Tronic A／S)的大米自動測量器(Ricematic)和瑞士Novasina公司的Sword Probe SS型濕度計是屬于這一類的儀器，如圖8和圖9所示。由于物性型濕敏元件工作時需要經歷一個吸濕過程，所以這類儀器的測試時間較長，又因濕敏元件在工作時經常反復去濕(清洗)和吸濕，傳感器的使用壽命不如結構型的好，此外儀器的測量精度受濕敏元件長期穩(wěn)定性不足的限制。
本實用新型的任務是力圖實現(xiàn)一種使用方便、省時、采樣量大和測量穩(wěn)定準確的水份儀傳感器。要求它能滿足現(xiàn)場測試的工作條件，能夠直接對倉庫貯藏的、盛在籮框中的、麻袋內的或別的容器里的谷物或其它顆粒狀待測物進行方便、快速采樣並獲得準確測量結果，使它不僅能廣泛應用于谷物打曬場、糧食收購站、糧庫或其它現(xiàn)場的水份(濕度)檢測，也能適用于實驗室研究工作的需要。
本實用新型的中心內容是裝有測力傳感器和測溫元件的桿件結構型插入式水份儀傳感器。具有一個尖頂頭部，以便插入待測物，在緊靠頭部后面有一個采樣杯，在采樣杯處裝有兩個電極板，另件(4)與尖頂頭部一起可前后伸縮運動而無轉動，在插入采樣前使另件(4)與采樣杯口接合，以阻止插入過程中被測物進入采樣杯，當尖頂頭部插入被測物並到達所測位置時，使另件(4)前伸，讓它與采樣杯口間有一定空隙，被測物即可方便地進入采樣杯，裝滿后再使另件(4)后縮，夾緊采樣杯內的被測物，其夾緊力大小用彈簧環(huán)粘貼上應變片所構成的測力傳感器測定，保證各次測量數(shù)據(jù)是在相同的夾緊力下取得。另件(4)的軸向位置可由手柄(20)上的標尺和拉桿(26)上的指示桿(28)來指示，便于判斷被測物在采樣杯內的裝填情況。另件(4)的前伸和后縮運動以及對采樣杯內被測物的夾緊力系通過由手柄(20)、手輪(35)、鍵(34)、軸套(33)、絲桿(30)和螺母套筒(29)組成的運動施力裝置來實現(xiàn)。利用兩個極板間電阻的大小與被測物含水水量(濕度)大小的依賴關系，把該電阻經測量電路轉換成電量(如電電壓)輸出，進而顯示被測物的含水量(濕度值)。
為測定被測物的溫度和補償水份(濕度)測量中的溫度誤差，在靠近采樣杯后面的地方安裝一個測溫熱敏電阻器，通過測量電路獲得電量輸出以顯示被測物所處溫度並實現(xiàn)溫度誤差補償。
本水份儀傳感器的基本特征和優(yōu)點是1.插入式，本傳感器尖頂頭部的采樣杯可插入倉庫貯藏的、麻袋包裝的或盛在籮框等容器內的谷物或其它顆粒物直接采樣測試，也可象通常的水份儀那樣作定量((秤取或量取)采樣測試；2.內裝測力傳感器，采樣杯內谷物所受的夾緊力由測力傳感器測定，能保證在一定的夾緊力下讀取采樣杯內被測物的水份值，故消除了因極板與被測物之間接觸力的不確定性引起的測量誤差，並且，由于對待測物僅施以軸向夾緊力而無扭轉轉動力，故被測物(稻谷等)不易壓碎，這也提高了測量的準確性；3.內裝測溫熱敏電阻，測量被測物的溫度並實現(xiàn)水份測量中的溫度誤差的自動補償。所以本水份儀傳感器同時又是一個插入式溫度計。
本實用新型的優(yōu)點是既能避免物性型水份儀所固有的反應速度慢。穩(wěn)定性差的缺點，又能克服現(xiàn)有結構型電阻式水份儀因夾緊力不均而引起的測量誤差以及定量采樣費時，采樣量小，測試結果較少代表性的缺點，還能進行溫度誤差補償。故采用本實用新型的傳感器測量顆粒物的水份能實現(xiàn)測量精度高，工作穩(wěn)定，可靠性好，插入式采樣適于現(xiàn)場測試，操作簡便省時，采樣量大，測試結果有較好的代表性。
圖1，本實用新型的插入式水份儀傳感器結構裝配圖。
比例0.751圖2，圖1的A－A剖視圖，比例0.751圖3，圖1的K向視圖，比例0.751圖4，圓柱面電極采樣頭結構裝配圖，比例11圖5，圖4的B－B剖視圖，比例11圖6，水份儀傳感器測量電路方框圖。
圖中1.傳感器，2.選擇器，3.跟隨器，4.放大器，5.放大器，6.溫度測量電路，7.放大器，8.應變測量電橋，9.放大器，10.A／D轉換及液晶顯示器，11.輔助電源。
RT與被測物水份有關的水份儀傳感器輸出電阻值。
Rt與被測物溫度有關的熱敏電阻值。
RF與被測物夾緊力有關的應變片電阻值。
圖7，日本產Riceter Model L型水份儀外形圖。
圖中1.顯示器，2.對被測物的螺紋夾緊裝置，3.4.5.為采樣盤，其中3.被測物樣品(如稻谷)放置均勻一層，恰到好處，滿足測量要求，4.被測物沒有放滿，5.被測物放置太多，6.測試腔，7.操作按鍵。
圖8，丹麥產大米自動測量器(Ricematic)示意圖圖9，瑞士產Sword Probe SS濕度計示意圖，圖中
1.Sword Probe SS型濕度計探頭，2.測試附件。
圖10，傳感器輸出電阻與稻谷的百分比含水量的關系曲線。
實施例一本實用新型方案的一個實施例如圖1所示。它由三個部分組成，即采樣頭，測力傳感器和操作手柄及運動施力裝置。具體說明如下1.采樣頭。它包括另件(1)至(15)及(43)至(45)。金屬另件(4)，(7)，絕緣襯套(5)及拉桿(14)上的絕緣軸套(6)構成圓環(huán)形采樣杯及兩個平板電極，即靜電極極板平面(a)和動電極極板平面(c)。動極板(4)前方的圓錐形尖頂另件(1)是為插入式工作要求設計的，可方便地插入麻袋、籮框等被測物盛放容器內。動極板通過螺母(2)，彈簧墊片(3)與拉桿(14)及絕緣軸套(6)連在一起。拉桿(26)和拉桿(14)用絕緣墊套(16)、絕緣墊圈(41)、螺母(42)分別與彈簧環(huán)(18)電氣絕緣而機械固定，這樣通過操作拉桿的軸向前后運動(在后面另作介紹)就帶動了動極板作軸向前伸或后縮。拉桿(14)上的凹槽和螺釘(11)是為限制拉桿(14)的轉動而設置的，其相互關系可由圖2清楚看到。一組引線(43)，其中一條經焊接片(15)、拉桿(14)與動極板(4)電氣地相連，作為動極板引出線；另一條經螺釘(44)與另件(7)電氣連接，為靜極板引出線。上述引線方法方便可靠。絕緣套筒(5)，絕緣軸套(6)和絕緣軸座(45)是用來電氣隔離另件(7)和(4)以及(7)和(14)的，由此也就形成了圓環(huán)形采樣杯和動、靜兩個極板平面(c)和(a)。絕緣套筒(8)與絕緣長管另件(10)相壓配，另件(7)和(45)相壓配，再用兩個螺釘把它們固定一起，見圖2，另件(10)用工程膠木加工而成，長434mm。
在插入采樣前，操作拉桿，先使動極板后縮，讓動極板平面(c)與采樣杯口平面(b)接合或進入采樣杯內，另件(4)的外徑和另件(5)的內徑為松動配合，這樣在插入過程中，待測物(如谷物等)就不會進入采樣杯內。在采樣頭插入到要求的被測位置時，為要采樣，使動極板前伸，讓其與采樣杯口間有一定空隙，此時再將插桿向前稍稍一推，被測物即刻盛滿采樣杯內。然后再操作拉桿，使動極板后縮，進而將采樣杯內所采樣品(被測谷物等)夾緊。該軸向夾緊力的大小由測力傳感器測定。在一定的夾緊力下，動、靜兩極板間的電阻即水份儀傳感器的輸出電阻的大小就相應地反映了被測物所含水份的多少。電極引線(43)接入測量電路，動、靜極板間的電阻便可轉換成電量(如電壓)輸出，測試結果用百分比含水量或相對濕度為單位進行顯示。
這種采樣頭結構也可用作定量采樣(用量具取或用天平稱取樣品)測試。采樣杯容積為4.8ml，一次采樣可容納稻谷約150顆。
在采樣頭中的另件(7)上緊靠靜極板平面(a)后面安裝著一個測溫熱敏電阻(9)，其徑向位置如圖2所示。由圖可見，實際上有兩個可裝熱敏電阻的深孔，這是為某些電路工作需要兩個熱敏電阻而設置的。螺釘(12)用以固定熱敏電阻的一條或一組引出線(13)。安裝熱敏電阻是為了在測量水份的同時對被測物作溫度測量。谷物等貯藏溫度和濕度不適當，就會導至變質，所以測量並控制貯藏谷物等的溫度也顯得十分重要。測量溫度的另一個目的是實現(xiàn)水份測量中的溫度誤差的補償，因為谷物等在所含水份相同的情況下，由于所處溫度的不同，其電阻值也不同。因此本裝置實際上是一個濕度、溫度傳感器，也可單獨作為插入式溫度計使用。
2.測力傳感器。動、靜極板對采樣杯內被測物的夾緊力的大小，影響極板與被測物的接觸電阻及被測物在采樣杯內的松密度，從而影響所測電阻的大小，即直接影響水份測量的精確性。為此，在拉桿(14)和(26)之間設置了由彈簧環(huán)(18)和粘貼在它上面的一組應變片(17)組成的測力傳感器。前面已經提到，兩拉桿與彈簧環(huán)是通過絕緣軸套(16)，絕緣墊圈(41)及螺母(42)電氣絕緣連接固定的。其中(19)是應變片的引出線，它與外部測量電路相連，通過電路轉換，彈簧環(huán)的受力即動、靜極板間的夾緊力的大小就可用輸出電壓的大小來顯示。這樣，測量時就能在規(guī)定的夾緊力下讀數(shù)，從而避免了因操作人員施力不均所造成的測量誤差。
3.操作手柄及運動施力裝置。手柄(20)、另件(31)和手輪(35)是工作時操作手柄的主體。絕緣長管(10)經螺釘(21)和金屬襯套(22)固定于它的前端(左側)，襯套(22)僅起加固作用。手柄內設置著為動極板提供前伸后縮運動和為動、靜極板對采樣杯內被測物提供夾緊力的運動施力裝置。其動作原理如下手輪(35)的旋轉通過鍵(34)帶動絲桿(30)和軸套(33)一起旋轉。絲桿和軸套用銷釘(36)固定，因為軸套(33)的前后軸向位置被用螺釘(32)固定在一起的手柄(20)和另件(31)所限制，故軸套(33)無法作軸向移動，也即絲桿只能隨手輪(35)轉動而無軸向移動。
與絲桿相配的螺母套筒(29)的外徑與手柄(20)的內徑為滑動配合，它的前方(左側)通過兩個螺釘(27)與拉桿(26)固定連接，拉桿(26)與用螺釘(38)固定在手柄內的軸襯套(25)滑動配合。拉桿(26)上的局部平面與用螺釘(23)固定在手柄內的壓片(24)的共同作用，使拉桿(26)也即使螺母套筒(29)只能作軸向移動而無轉動。
如上所述，絲桿的旋轉運動帶動了螺母套筒作軸向運動，也即使拉桿作軸向運動。這樣就達到用轉動手輪來實現(xiàn)動極板的前伸后縮。絲桿和螺母套筒為右旋螺紋，所以手輪(35)順時針轉動時，動極板(4)后縮，反之，手輪逆時針轉時，動極板前伸。動極板所處位置可由與螺母套筒及拉桿(26)固定在一起的指示桿(28)和手柄上的標尺來顯示，如圖3所示。裝配時應滿足當指示桿(28)處在標尺“0”位時，動極板平面(c)與采樣杯口平面(b)重合。
在用上述方法采樣之后，順時針旋轉手輪，動極板后縮，進而，動、靜極板對采樣杯內的被測物軸向地夾緊，手輪繼續(xù)順轉，夾緊力逐漸增大。在測力傳感器指示的夾緊力達到要求值時，停止順轉手輪，讀出被測物的電阻值或相應的含水量數(shù)據(jù)。由于絲桿和螺母的自鎖作用，上述指示的夾緊力是保持不變的。只有當逆時針旋轉手輪時，才能釋放夾緊力，手輪繼續(xù)逆轉，動極板逐漸前伸，一旦插桿從被測物中拔出，采樣杯中的被測物就自動倒出。這樣就完成了一次采樣測試。
圖1中，引出電纜(39)內包含著動、靜電極，熱敏電阻和應變片的全部引出線。(37)為十芯電纜插頭。另件(40)是橡皮墊圈，用以把電纜(39)固定在手柄(20)上。
本水份儀傳感器最大外徑為35mm，指示桿(28)處在標尺“0”位時的總長度為617mm，電纜長度為3m。
圖6為適用于本水份儀傳感器的測試電路方框圖。用本水份儀傳感器對稻谷進行測量，其水份含量與傳感器輸出電阻的關系如圖10所示，可見兩者粗略接近對數(shù)特性。
實施例二本實用新型方案的另一個實施例，見圖4，它是實施例一的變型，主要差別是在采樣頭中不用平極電極而用圓柱面電極。在這一實施例中，用金屬另件(49)的內圓柱面(d)和金屬圓筒(50)的外圓柱面(e)組成一對電極，兩者均固定不動。兩電極間的圓環(huán)形空間即為采樣杯。兩條電極引線(46)分別與另件(49)和(50)電氣相連。熱敏電阻裝在另件(49)內靠近采樣杯的地方。絕緣套筒(8)和絕緣長管(10)相壓配。另件(49)與絕緣另件(47)壓配后，用螺釘與另件(10)及(8)固定，如圖5所示。螺釘(11)和拉桿(14)上的凹槽是為限制拉桿(14)的轉動而設置的。如圖所示，此方案中拉桿(14)的左面一段，即拉桿(14)處在采樣杯內的一段的直徑比實施例一中拉桿的相應一段的直徑小2mm，而長度增加15mm。螺釘(12)用來把熱敏電阻的引出線(13)機械地固定在另件(47)上。與實施例一樣，視電路工作需要，可同時安裝兩個熱敏電阻器。絕緣墊套(48)是用以形成采樣杯的底部平面。同時也起到遮蓋保護熱敏電阻器和電極引出線的作用。金屬圓筒(50)與絕緣另件(47)為滑配合，兩者用螺釘(51)固定。
在本實施例中，圓錐形尖頂頭部的另件(1)、(2)、(3)、(4)的結構形狀及尺寸與實施例一完全相同，所不同的是另件(4)改用絕緣材料制成，它不作為電極，而僅作為壓板，在拉桿后縮時，它對采樣杯內的被測物起壓緊作用。
本實施例的其余部分，即測力傳感器、操作手柄及運動施力裝置的結構、形狀和尺寸均與實施例一相同。插入采樣等操作過程也與實施例一完全一樣。
圓柱面電極及其相應的采樣杯結構也適用于電容法測量，構成電容測量法插入式水份儀傳感器。
權利要求
1.一種插入式水份儀傳感器，其特征是在尖頂頭部(1至4)后面有一個采樣杯，采樣杯處裝有兩個電極，靠近采樣杯后面是熱敏電阻器(9)，本傳感器中部是一個與拉桿(14)、(26)連接固定的彈簧環(huán)(18)和貼在它上面的一組應變片(17)構成的測定夾緊力大小的測力傳感器，零件(4)與頭部一起可作軸向前后伸縮運動，這種運動以及零件(4)后縮時對采樣杯內被測物的夾緊力是通過操作安裝在操作手柄內的、並具有一個操作手輪的運動施力裝置來實現(xiàn)的。
2.根據(jù)權利要求
1所述的傳感器，其特征是所述的兩個電極用平板電極即靜極板(a)及與零件(4)一起運動的動極板(c)組成。
3.根據(jù)權利要求
1所述的傳感器，其特征是所述的兩個電極用圓柱面電極(d)和(e)構成，兩者均固定不動，零件(4)用絕緣材料制成，不作電極，僅作活動壓板。
4.根據(jù)權利要求
1所述的傳感器，其特征是運動施力裝置中絲桿(30)由手輪(35)通過鍵(34)帶動旋轉，絲桿用銷釘(36)與軸套(33)固定，因軸套(33)的軸向位置受手柄(20)和零件(31)的限制，故絲桿(30)只能旋轉而無軸向移動。
5.根據(jù)權利要求
1所述的傳感器，其特征是螺母套筒(29)與拉桿(26)由螺釘(27)固定，由于拉桿(26)上的局部平面和壓片(24)的防轉作用，拉桿(26)和螺母套筒(29)只能作軸向移動而無轉動。
6.根據(jù)權利要求
1所述的傳感器，其特征是拉桿(14)上的凹槽與螺釘(11)的防轉作用，使拉桿(14)只能軸向移動而無轉動。
7.根據(jù)權利要求
1所述的傳感器，其特征是零件(4)的外徑與采樣杯的內徑為松動配合，使零件(4)能在采樣杯內軸向移動。
8.根據(jù)權利要求
1和7所述的傳感器，其特征是零件(4)前后移動的位置可由手柄(20)上的標尺和拉桿(26)上的指示桿(28)來指示。
專利摘要
本水分儀傳感器是采用電阻原理對被測顆粒物如稻谷、麥子等的水分作插入采樣測量的一種新型設計。它具有與常見結構型水分儀不同的三個特點1.插入式，插桿端部的采樣杯可插入被測物盛器內直接采樣測試；2.內裝測力傳感器，在一定的夾緊力下讀取采樣杯內被測物的水分值；3.內裝測溫元件，實現(xiàn)溫度測量及溫度誤差補償。本傳感器工作穩(wěn)定，可靠性好，測量精度高，采樣測試操作簡便、省時。
文檔編號G01N27/02GK87200289SQ87200289
公開日1987年12月2日 申請日期1987年1月13日
發(fā)明者凌保明 申請人:浙江大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan