專利名稱：用于測(cè)量濕度的電容電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濕度的工業(yè)測(cè)量，尤其涉及一種用于測(cè)量在工業(yè)處理中加工的產(chǎn)品的濕度的裝置。
背景技術(shù)：
用于測(cè)量濕度的設(shè)備是適于測(cè)量許多物質(zhì)樣本中存在的濕度的儀器，并且具有實(shí)際上在食品、化學(xué)和制藥工業(yè)中使用的許多應(yīng)用。存在不同種類的用于測(cè)量濕度的設(shè)備。例如W08903527說明了一種用于測(cè)量濕度的便攜式電子儀器，包括電容探測(cè)器和對(duì)應(yīng)的電路，該電路提供(meet)所探測(cè)的材料的介電常數(shù)以獲得與濕度含量相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。探測(cè)器還包括提供所探測(cè)的材料溫度的溫度探測(cè)器和呈現(xiàn)適用于對(duì)所獲得的濕度含量的信號(hào)提供溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?。另一方面，US4736156說明了一種用于“在線地”(in-line)測(cè)量在管道或滑槽壁內(nèi)移動(dòng)的諸如“煙葉”的材料的介電常數(shù)或濕度百分?jǐn)?shù)的設(shè)備。電容差被用作測(cè)量值。設(shè)備由具有四個(gè)電極的裝置構(gòu)成，其中，兩個(gè)電極在管道或滑槽壁的外部并且兩個(gè)電極連接在管道或滑槽壁內(nèi)。兩個(gè)內(nèi)部電極通過開關(guān)分別連接至兩個(gè)外部電極，以使得第一和第二電容在基于開關(guān)位置的電極裝置的輸出端子處露出。電極裝置的輸出端子連接至振蕩器，振蕩器產(chǎn)生表示與在電極裝置的端子處所測(cè)量的電容成比例的振蕩頻率的輸出信號(hào)。振蕩器的輸出信號(hào)連接至微處理器，微處理器用于計(jì)算當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)與電極裝置電容的變化成比例的值。該值可以用于確定滑槽內(nèi)的材料的介電常數(shù)或濕度百分?jǐn)?shù)。申請(qǐng)人:首先注意到，在一些已知的裝置中，在制造工藝期間不在線地進(jìn)行濕度測(cè)量，而是通過采樣和隨后的測(cè)量。類似的方法非常復(fù)雜，它需要長時(shí)間測(cè)量并且由于由不正確的采樣所導(dǎo)致的一些因素，測(cè)量可能不可靠。在這些情況下，申請(qǐng)人還觀察到，采樣不是非常代表生產(chǎn)中的產(chǎn)品，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)系統(tǒng)可能僅采樣幾克，并且在一些制造工藝中，不可能在特定的感興趣的地點(diǎn)進(jìn)行采樣，例如在氮環(huán)境中的貯存室或干燥器中。申請(qǐng)人:還觀察到，在在線地進(jìn)行測(cè)量的已知的系統(tǒng)中，測(cè)量裝置具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得材料難以在測(cè)量裝置內(nèi)流動(dòng)，從而難以測(cè)量材料濕度。申請(qǐng)人:還觀察到，在線地進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)儀表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)將防止它們?cè)谔幚砗?或制造工藝中容易地安裝和集成。

發(fā)明內(nèi)容
申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)，上述問題可以通過以下裝置來解決該裝置用于測(cè)量以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀或者以粉末的形狀流動(dòng)的材料的濕度，適于檢測(cè)包括多個(gè)環(huán)的電容器的電容變化，其中，要測(cè)量水分百分?jǐn)?shù)的材料在環(huán)中流動(dòng)。
因此，在第一方面，本發(fā)明涉及一種裝置，該裝置用于測(cè)量在至少部分沿著軸(X-X)設(shè)置的至少一個(gè)管道中以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀或者以粉末的形狀流動(dòng)的材料的濕度，其中，要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由管道流動(dòng)，該裝置包括:-至少一個(gè)電容器Cx，要測(cè)量濕度的材料在電容器Cx中流動(dòng)，其特征在于電容器包括:-至少三個(gè)金屬環(huán)，至少三個(gè)金屬環(huán)同軸安裝至軸X-X并且鄰近管道的內(nèi)壁，要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由管道流動(dòng)；-至少一個(gè)介電兀件，具有:與溫度變化基本成線性的介電常數(shù)，以及低于a =27X 10_6/°C的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明在前述方面可以具有在下文所述的優(yōu)選特性中的至少一個(gè)。優(yōu)選地，至少一個(gè)介電元件包括至少一個(gè)介電材料的環(huán)，該環(huán)具有與所述至少三個(gè)金屬環(huán)的尺寸基本上相對(duì)應(yīng)的尺寸。便利地，金屬環(huán)的徑向內(nèi)表面被設(shè)置為基本上與管道的內(nèi)壁對(duì)齊，要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由管道流動(dòng)。優(yōu)選地，介電元件具有低的吸濕特性。

便利地，根據(jù)實(shí)施例，電容器Cx包括四個(gè)介電材料的環(huán)和插入在所述四個(gè)介電材料的環(huán)之間的三個(gè)金屬環(huán)。此外，用于測(cè)量濕度的裝置具有至少一個(gè)用于補(bǔ)償至少一個(gè)介電元件的熱膨脹的單元。優(yōu)選地，補(bǔ)償單元包括至少一個(gè)彈性部件和至少一個(gè)傳感器，所述至少一個(gè)彈性部件和至少一個(gè)傳感器設(shè)置在至少一個(gè)介電材料的環(huán)和用于支撐電容器的凸緣之間。為了提供正確的濕度在線測(cè)量，因?yàn)樗慕殡姵?shù)隨著溫度改變而改變，所以用于測(cè)量濕度的裝置還包括至少一個(gè)溫度探測(cè)器。優(yōu)選地，溫度探測(cè)器是RTD傳感器。有利地，電容器接入在橋接電路中。便利地，橋接電路包括并聯(lián)的至少第一電源線和第二電源線，第一線包括至少兩個(gè)電阻(R1，R2)，以及所述第二線包括至少一個(gè)基準(zhǔn)電阻(Rx)和至少所述電容器(Cx)。優(yōu)選地，橋接電路連接至振蕩器，振蕩器適于將確定的可變正弦信號(hào)施加至橋接電路以測(cè)量電容器電容的變化。便利地，介電元件基本上以PTFE實(shí)現(xiàn)。可替換地，介電元件基本上以陶瓷材料實(shí)現(xiàn)。另外，電容器Cx的內(nèi)壁是密封的。這使得該裝置也能夠在氮環(huán)境中工作。根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀或者以粉末的形狀流動(dòng)的材料的濕度的裝置的一些優(yōu)選實(shí)施例(但非唯一的)的詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


以下將參考附圖進(jìn)行說明，附圖僅為了示出的目的，并且是非限制性的，其中:-圖1是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的第一實(shí)施例的示意透視圖；-圖2是圖1的裝置的示意部分分解圖；-圖3是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的橋接電路的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；以及-圖4是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的補(bǔ)償單元的示意部分截面圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1-2，根據(jù) 本發(fā)明的裝置由數(shù)字I表示，用于在線測(cè)量材料以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀流動(dòng)，或以粉末狀流動(dòng)的過程中的濕度。裝置I適于位于至少部分沿著軸(X-X)設(shè)置的至少一個(gè)管道(在圖中未示出)中，其中要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由該管道流動(dòng)。圖1和2所示的實(shí)施例中的裝置I設(shè)置有至少一個(gè)電容器Cx，包括:-至少三個(gè)金屬環(huán)3，每個(gè)金屬環(huán)設(shè)置有各自的用于電連接的端子4;以及-至少一個(gè)介電元件5。在圖中所示的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)介電元件5由介電材料的環(huán)6表示，環(huán)6基本具有與金屬環(huán)3相同的形狀和尺寸，環(huán)6插入在三個(gè)金屬環(huán)之間。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)方面，為了使電容器Cx的電容盡可能地恒定而與流進(jìn)管道中的濕度無關(guān)，構(gòu)成介電元件5的介電材料具有隨著溫度改變基本線性地改變的介電常數(shù)，并且介電材料隨著溫度改變具有低的熱膨脹。優(yōu)選地，構(gòu)成介電元件5的介電材料具有低于a =27X 10_6/°C的線性熱膨脹系數(shù)。優(yōu)選地，構(gòu)成介電元件5的介電材料的介電常數(shù)大于或等于I。另外，構(gòu)成介電元件5的介電材料具有低吸濕特性和低孔隙度。 優(yōu)選地,構(gòu)成介電元件5的介電材料具有小于70nm的孔隙,優(yōu)選地小于30nm,例如等于20nm,可能趨于O。另外，電容器Cx的內(nèi)壁是密封的。介電元件5可以基本上以陶瓷材料或PTFE實(shí)現(xiàn)。申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)上述材料具有線性或簡單的多項(xiàng)式性能，從而僅需要由軟件做小的校正來保持用于測(cè)量濕度的電容器裝置的電容的計(jì)算值。申請(qǐng)人:還發(fā)現(xiàn)針對(duì)低于50°C的加工溫度，推薦使用PTFE，而針對(duì)高于50°C的加工溫度，優(yōu)選使用陶瓷材料。為了允許測(cè)量材料濕度，優(yōu)選經(jīng)由管道流動(dòng)的材料是顆粒的形狀，裝置I的金屬環(huán)3是具有基本圓周截面的與軸X-X同軸安裝的環(huán)?？商鎿Q地，金屬環(huán)3可以具有不同的截面，可以是正方形、橢圓形和/或星形，這沒有超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。同一裝置的金屬環(huán)3優(yōu)選具有相同的形狀和尺寸。類似地，如上述所提到的，介電元件5由設(shè)置有上述特性的介電材料的環(huán)6構(gòu)成，環(huán)也具有基本圓形的截面，并且環(huán)的直徑與金屬環(huán)3的直徑基本相對(duì)應(yīng)。具體地，在圖中所示的實(shí)施例中，金屬環(huán)3由閉合來形成環(huán)的金屬薄片構(gòu)成。優(yōu)選地,金屬薄片的高度h為3mm 25mm,包括端點(diǎn)。
另外，金屬薄片的厚度s可以為O. 7mm 5mm,包括端點(diǎn)。為了覆蓋金屬環(huán)3，各介電環(huán)具有環(huán)形內(nèi)座7，適于容納至少部分金屬環(huán)3。在X-X方向上相鄰的兩個(gè)介電材料的環(huán)6的環(huán)形座7基本完全容納金屬環(huán)3。有利地，為了使測(cè)量裝置I適于不同的管道，根據(jù)本發(fā)明的裝置I具有允許添加金屬環(huán)3和介電材料的環(huán)6的模塊化結(jié)構(gòu)。為了這個(gè)目的，每個(gè)介電材料的環(huán)6在軸方向X-X上具有基本環(huán)形的上部平面8和第二下部平面9，下部平面9具有與上部平面8基本上相對(duì)應(yīng)的形狀和尺寸，并且在軸方向X-X上與上部平面8相隔的測(cè)量值等于介電材料3的環(huán)6的高度。在組裝的測(cè)量裝置I中，各介電材料的環(huán)6的上部平面8鄰接至沿軸方向X-X相鄰的介電材料的環(huán)6的下部平面9。有利地，裝置安裝在要測(cè)量濕度的材料在其中流動(dòng)的管道中，使得所述至少三個(gè)金屬環(huán)3鄰近管道的內(nèi)壁。具體地，金屬環(huán)3的徑向內(nèi)表面11被設(shè)置為在軸方向X-X上基本上與管道(圖中未示出)的內(nèi)壁對(duì)齊。優(yōu)選地，金屬環(huán)3的徑向內(nèi)表面11被設(shè)置為在軸方向X-X上基本上與管道的內(nèi)壁對(duì)齊，以使得金屬環(huán)3的內(nèi)壁11和管道(圖中未示出)的內(nèi)壁基本上齊平。優(yōu)選地，介電材料的環(huán)6的徑向內(nèi)表面12也被設(shè)置為在軸方向X-X上基本上與管道(圖中未示出)的內(nèi)壁對(duì)齊。優(yōu)選地，金屬環(huán)3的徑向內(nèi)表面12被設(shè)置為在軸方向X-X上基本上與管道的內(nèi)壁對(duì)齊，以使得介電材料的環(huán)6的內(nèi)壁和管道的內(nèi)壁基本上齊平。在圖1和2所示的優(yōu)選實(shí)施例中，裝置I由五個(gè)金屬環(huán)3和六個(gè)介電材料的環(huán)6構(gòu)成，各金屬環(huán)3插在兩個(gè)金屬環(huán)3之間。金屬環(huán)3和介電材料的環(huán)6通過兩個(gè)限制的環(huán)形凸緣14和便利的組裝螺絲13來組裝，在圖中所示的實(shí)施例中有沿著環(huán)形周邊有角度地間隔的兩個(gè)組裝螺絲13。為了補(bǔ)償最終的熱膨脹，用于測(cè)量濕度的裝置I包括至少一個(gè)用于補(bǔ)償熱膨脹的單元15。優(yōu)選地，裝置I具有至少一個(gè)用于組裝螺絲13的補(bǔ)償單元15。在圖3所示的實(shí)施例中，補(bǔ)償單元15由至少一個(gè)彈性部件16和至少一個(gè)傳感器17構(gòu)成。以通過壓縮來工作的螺旋彈簧18為代表的彈性部件16插入組裝螺絲13的末端上，并且放置在至少介電材料的環(huán)6和環(huán)形凸緣14之間。傳感器17提供來自控制處理器的信息，以根據(jù)所檢測(cè)的熱膨脹來校正從通過的要測(cè)量濕度的材料所檢測(cè)到的介電常數(shù)。因?yàn)闇囟纫蚪殡姵?shù)隨著溫度改變而改變而在裝置I的工作原理中非常重要，因而根據(jù)本發(fā)明的裝置具有至少一個(gè)溫度探測(cè)器(圖中未示出)，該溫度探測(cè)器適于檢測(cè)處理溫度并且將信號(hào)發(fā)送至控制處理器(未示出)，以用于校正介電常數(shù)并隨后校正所檢測(cè)到的濕度。優(yōu)選地，溫度探測(cè)器是市場(chǎng)上通?？傻玫降腞TO傳感器。根據(jù)第二個(gè)特別有優(yōu)勢(shì)的方面，電容器接入在橋接電路29中。
這種橋接電路29的例子示意性地在圖4中表示，其中可以看出，橋接電路29具有并聯(lián)的至少第一電源線20和第二電源線21。第一線20包括串聯(lián)的至少兩個(gè)電阻Rl、R2，而第二線包括串聯(lián)至電容器Cx的至少一個(gè)基準(zhǔn)電阻Rx。優(yōu)選地，橋接電路29并聯(lián)至示波器19，示波器19適于將確定的可變正弦信號(hào)施加至橋接電路29以測(cè)量電容器Cx的電容的變化。根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量濕度的裝置能夠測(cè)量以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀或者以粉末的形狀在其內(nèi)部流動(dòng)的材料的電容器電容的相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化，具體地，在金屬環(huán)3和介電材料的環(huán)6中流動(dòng)的材料的電容器Cx的電容的相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化?；鶞?zhǔn)值是由在裝置中流動(dòng)的相同的完全干燥的材料提供的電容值，并且是完全干燥的材料的介電常數(shù)的函數(shù)。在完成完全干燥的材料的第一測(cè)量之后，可以直接在線地進(jìn)行濕度的測(cè)量，該濕度將是電容器Cx的電容變化的函數(shù)。電容器Cx的電容變化隨著在電容器內(nèi)部中流動(dòng)的材料的介電常數(shù)相對(duì)于相同的完全干燥的材料的介電常數(shù)的值改變而改變。特別地，除了諸如例如材料溫度和可能的熱膨脹的其它考慮以外，介電常數(shù)隨著在電容器Cx中流動(dòng)的材料中包括的水偶極子的數(shù)量改變而改變。然后，通過電容器Cx的電容相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化和控制處理器(未示出)的適當(dāng)處理，可以測(cè)量經(jīng)由電容器本身流動(dòng)的材料的濕度百分?jǐn)?shù)。參考一些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。在保留由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這里詳細(xì)描述的實(shí)施例作出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量材料濕度的裝置(1)，所述材料以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀或者以粉末的形狀在至少部分沿著軸(X-X)設(shè)置的至少一個(gè)管道中流動(dòng)，其中，要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由所述管道流動(dòng)，所述裝置(I)包括: -至少一個(gè)電容器(Cx)，其中，要測(cè)量濕度的材料在所述電容器(Cx)中流動(dòng)，其特征在于所述電容器(Cx)包括: -至少兩個(gè)金屬環(huán)(3)，所述至少兩個(gè)金屬環(huán)(3)同軸安裝至所述軸(X-X)并且鄰近要測(cè)量濕度的材料所流經(jīng)的管道的內(nèi)壁； -至少一個(gè)介電兀件(5)，具有: 與溫度變化基本成線性的介電常數(shù)，以及 低于a=27X10_6/°C的熱膨脹系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量濕度的裝置(1)，其特征在于，所述至少一個(gè)介電元件(5)包括至少一個(gè)介電 材料的環(huán)(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測(cè)量濕度的裝置(1)，其特征在于，電極的徑向內(nèi)表面被設(shè)置為基本上與所述至少一個(gè)管道的內(nèi)壁對(duì)齊。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量濕度的裝置(I)，其特征在于，所述裝置(I)具有模塊化結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量濕度的裝置(1)，其特征在于，所述介電元件(5 )具有低的吸濕特性。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量濕度的裝置(1)，其特征在于，所述電容器(Cx)包括四個(gè)介電材料的環(huán)(6)和插入在所述四個(gè)介電材料的環(huán)(6)之間的三個(gè)金屬環(huán)(3)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量濕度的裝置(1)，其特征在于，包括至少一個(gè)用于補(bǔ)償所述介電材料的熱膨脹的單元(15 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于測(cè)量濕度的裝置(1)，其特征在于，所述補(bǔ)償單元(15)包括至少一個(gè)彈性部件(16)和至少一個(gè)傳感器(17)，所述至少一個(gè)彈性部件(16)和至少一個(gè)傳感器(17)設(shè)置在至少一個(gè)介電材料的環(huán)(6)和用于支撐所述電容器(Cx)的凸緣之間。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，包括至少一個(gè)溫度探測(cè)器。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，所述電容器(Cx)接入在橋接電路(29)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，所述橋接電路(29)包括并聯(lián)的至少第一電源線(20)和第二電源線(21)，所述第一線(20)包括至少兩個(gè)電阻(Rl，R2)，以及所述第二線(21)包括至少一個(gè)基準(zhǔn)電阻(Rx)和至少所述電容器(Cx)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，所述橋接電路(29)連接至振蕩器(19)，所述振蕩器(19)適于將可變正弦信號(hào)施加至所述橋接電路(29)以測(cè)量所述電容器(Cx)的電容的變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，所述至少一個(gè)介電元件基本上由PTFE構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，所述介電元件(5)基本上由陶瓷材料構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利 要求1所述的用于測(cè)量濕度的裝置(100)，其特征在于，所述電容器(Cx)的內(nèi)壁是密封的。
全文摘要
一種裝置(1)，用于測(cè)量以干燥的、液體或氣體顆粒的形狀或者以粉末的形狀在至少部分沿著軸(X-X)設(shè)置的至少一個(gè)管道中流動(dòng)的材料的濕度，其中，要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由管道流動(dòng)，裝置(1)包括-至少一個(gè)電容器(Cx)，要測(cè)量濕度的材料在電容器(Cx)中流動(dòng)，其特征在于電容器(Cx)包括-同軸安裝至軸X-X并且鄰近管道的內(nèi)壁的至少兩個(gè)金屬環(huán)(3)，要測(cè)量濕度的材料經(jīng)由管道流動(dòng)；-至少一個(gè)介電元件(5)，具有與溫度變化基本成線性的介電常數(shù)，以及低于α=27×10-6/℃的熱膨脹系數(shù)。
文檔編號(hào)G01N27/22GK103080734SQ201080068937
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者M·薩馬丁尼 申請(qǐng)人:百瑞空氣工程有限公司