专利名称：用于测量湿度的电容电极结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及湿度的工业测量，尤其涉及一种用于测量在工业处理中加工的产品的湿度的装置。
背景技术：
用于测量湿度的设备是适于测量许多物质样本中存在的湿度的仪器，并且具有实际上在食品、化学和制药工业中使用的许多应用。存在不同种类的用于测量湿度的设备。例如W08903527说明了一种用于测量湿度的便携式电子仪器，包括电容探测器和对应的电路，该电路提供(meet)所探测的材料的介电常数以获得与湿度含量相对应的信号。探测器还包括提供所探测的材料温度的温度探测器和呈现适用于对所获得的湿度含量的信号提供温度补偿的电路。另一方面，US4736156说明了一种用于“在线地”(in-line)测量在管道或滑槽壁内移动的诸如“烟叶”的材料的介电常数或湿度百分数的设备。电容差被用作测量值。设备由具有四个电极的装置构成，其中，两个电极在管道或滑槽壁的外部并且两个电极连接在管道或滑槽壁内。两个内部电极通过开关分别连接至两个外部电极，以使得第一和第二电容在基于开关位置的电极装置的输出端子处露出。电极装置的输出端子连接至振荡器，振荡器产生表示与在电极装置的端子处所测量的电容成比例的振荡频率的输出信号。振荡器的输出信号连接至微处理器，微处理器用于计算当闭合开关时与电极装置电容的变化成比例的值。该值可以用于确定滑槽内的材料的介电常数或湿度百分数。申请人:首先注意到，在一些已知的装置中，在制造工艺期间不在线地进行湿度测量，而是通过采样和随后的测量。类似的方法非常复杂，它需要长时间测量并且由于由不正确的采样所导致的一些因素，测量可能不可靠。在这些情况下，申请人还观察到，采样不是非常代表生产中的产品，这是因为实验系统可能仅采样几克，并且在一些制造工艺中，不可能在特定的感兴趣的地点进行采样，例如在氮环境中的贮存室或干燥器中。申请人:还观察到，在在线地进行测量的已知的系统中，测量装置具有复杂的结构，使得材料难以在测量装置内流动，从而难以测量材料湿度。申请人:还观察到，在线地进行测量的系统仪表的复杂结构将防止它们在处理和/或制造工艺中容易地安装和集成。
发明内容
申请人:发现，上述问题可以通过以下装置来解决该装置用于测量以干燥的、液体或气体颗粒的形状或者以粉末的形状流动的材料的湿度，适于检测包括多个环的电容器的电容变化，其中，要测量水分百分数的材料在环中流动。
因此，在第一方面，本发明涉及一种装置，该装置用于测量在至少部分沿着轴(X-X)设置的至少一个管道中以干燥的、液体或气体颗粒的形状或者以粉末的形状流动的材料的湿度，其中，要测量湿度的材料经由管道流动，该装置包括:-至少一个电容器Cx，要测量湿度的材料在电容器Cx中流动，其特征在于电容器包括:-至少三个金属环，至少三个金属环同轴安装至轴X-X并且邻近管道的内壁，要测量湿度的材料经由管道流动；-至少一个介电兀件，具有:与温度变化基本成线性的介电常数，以及低于a =27X 10_6/°C的热膨胀系数。本发明在前述方面可以具有在下文所述的优选特性中的至少一个。优选地，至少一个介电元件包括至少一个介电材料的环，该环具有与所述至少三个金属环的尺寸基本上相对应的尺寸。便利地，金属环的径向内表面被设置为基本上与管道的内壁对齐，要测量湿度的材料经由管道流动。优选地，介电元件具有低的吸湿特性。
便利地，根据实施例，电容器Cx包括四个介电材料的环和插入在所述四个介电材料的环之间的三个金属环。此外，用于测量湿度的装置具有至少一个用于补偿至少一个介电元件的热膨胀的单元。优选地，补偿单元包括至少一个弹性部件和至少一个传感器，所述至少一个弹性部件和至少一个传感器设置在至少一个介电材料的环和用于支撑电容器的凸缘之间。为了提供正确的湿度在线测量，因为水的介电常数随着温度改变而改变，所以用于测量湿度的装置还包括至少一个温度探测器。优选地，温度探测器是RTD传感器。有利地，电容器接入在桥接电路中。便利地，桥接电路包括并联的至少第一电源线和第二电源线，第一线包括至少两个电阻(R1，R2)，以及所述第二线包括至少一个基准电阻(Rx)和至少所述电容器(Cx)。优选地，桥接电路连接至振荡器，振荡器适于将确定的可变正弦信号施加至桥接电路以测量电容器电容的变化。便利地，介电元件基本上以PTFE实现。可替换地，介电元件基本上以陶瓷材料实现。另外，电容器Cx的内壁是密封的。这使得该装置也能够在氮环境中工作。根据本发明的用于测量以干燥的、液体或气体颗粒的形状或者以粉末的形状流动的材料的湿度的装置的一些优选实施例(但非唯一的)的详细描述，本发明的进一步的特征和优点将更加明显。
以下将参考附图进行说明，附图仅为了示出的目的，并且是非限制性的，其中:-图1是根据本发明的测量装置的第一实施例的示意透视图；-图2是图1的装置的示意部分分解图；-图3是根据本发明的测量装置的桥接电路的一个实施例的示意图；以及-图4是根据本发明的测量装置的补偿单元的示意部分截面图。
具体实施例方式参考图1-2，根据 本发明的装置由数字I表示，用于在线测量材料以干燥的、液体或气体颗粒的形状流动，或以粉末状流动的过程中的湿度。装置I适于位于至少部分沿着轴(X-X)设置的至少一个管道(在图中未示出)中，其中要测量湿度的材料经由该管道流动。图1和2所示的实施例中的装置I设置有至少一个电容器Cx，包括:-至少三个金属环3，每个金属环设置有各自的用于电连接的端子4;以及-至少一个介电元件5。在图中所示的实施例中，所述至少一个介电元件5由介电材料的环6表示，环6基本具有与金属环3相同的形状和尺寸，环6插入在三个金属环之间。根据本发明的优势方面，为了使电容器Cx的电容尽可能地恒定而与流进管道中的湿度无关，构成介电元件5的介电材料具有随着温度改变基本线性地改变的介电常数，并且介电材料随着温度改变具有低的热膨胀。优选地，构成介电元件5的介电材料具有低于a =27X 10_6/°C的线性热膨胀系数。优选地，构成介电元件5的介电材料的介电常数大于或等于I。另外，构成介电元件5的介电材料具有低吸湿特性和低孔隙度。 优选地,构成介电元件5的介电材料具有小于70nm的孔隙,优选地小于30nm,例如等于20nm,可能趋于O。另外，电容器Cx的内壁是密封的。介电元件5可以基本上以陶瓷材料或PTFE实现。申请人:发现上述材料具有线性或简单的多项式性能，从而仅需要由软件做小的校正来保持用于测量湿度的电容器装置的电容的计算值。申请人:还发现针对低于50°C的加工温度，推荐使用PTFE，而针对高于50°C的加工温度，优选使用陶瓷材料。为了允许测量材料湿度，优选经由管道流动的材料是颗粒的形状，装置I的金属环3是具有基本圆周截面的与轴X-X同轴安装的环。可替换地，金属环3可以具有不同的截面，可以是正方形、椭圆形和/或星形，这没有超出本发明的保护范围。同一装置的金属环3优选具有相同的形状和尺寸。类似地，如上述所提到的，介电元件5由设置有上述特性的介电材料的环6构成，环也具有基本圆形的截面，并且环的直径与金属环3的直径基本相对应。具体地，在图中所示的实施例中，金属环3由闭合来形成环的金属薄片构成。优选地,金属薄片的高度h为3mm 25mm,包括端点。
另外，金属薄片的厚度s可以为O. 7mm 5mm,包括端点。为了覆盖金属环3，各介电环具有环形内座7，适于容纳至少部分金属环3。在X-X方向上相邻的两个介电材料的环6的环形座7基本完全容纳金属环3。有利地，为了使测量装置I适于不同的管道，根据本发明的装置I具有允许添加金属环3和介电材料的环6的模块化结构。为了这个目的，每个介电材料的环6在轴方向X-X上具有基本环形的上部平面8和第二下部平面9，下部平面9具有与上部平面8基本上相对应的形状和尺寸，并且在轴方向X-X上与上部平面8相隔的测量值等于介电材料3的环6的高度。在组装的测量装置I中，各介电材料的环6的上部平面8邻接至沿轴方向X-X相邻的介电材料的环6的下部平面9。有利地，装置安装在要测量湿度的材料在其中流动的管道中，使得所述至少三个金属环3邻近管道的内壁。具体地，金属环3的径向内表面11被设置为在轴方向X-X上基本上与管道(图中未示出)的内壁对齐。优选地，金属环3的径向内表面11被设置为在轴方向X-X上基本上与管道的内壁对齐，以使得金属环3的内壁11和管道(图中未示出)的内壁基本上齐平。优选地，介电材料的环6的径向内表面12也被设置为在轴方向X-X上基本上与管道(图中未示出)的内壁对齐。优选地，金属环3的径向内表面12被设置为在轴方向X-X上基本上与管道的内壁对齐，以使得介电材料的环6的内壁和管道的内壁基本上齐平。在图1和2所示的优选实施例中，装置I由五个金属环3和六个介电材料的环6构成，各金属环3插在两个金属环3之间。金属环3和介电材料的环6通过两个限制的环形凸缘14和便利的组装螺丝13来组装，在图中所示的实施例中有沿着环形周边有角度地间隔的两个组装螺丝13。为了补偿最终的热膨胀，用于测量湿度的装置I包括至少一个用于补偿热膨胀的单元15。优选地，装置I具有至少一个用于组装螺丝13的补偿单元15。在图3所示的实施例中，补偿单元15由至少一个弹性部件16和至少一个传感器17构成。以通过压缩来工作的螺旋弹簧18为代表的弹性部件16插入组装螺丝13的末端上，并且放置在至少介电材料的环6和环形凸缘14之间。传感器17提供来自控制处理器的信息，以根据所检测的热膨胀来校正从通过的要测量湿度的材料所检测到的介电常数。因为温度因介电常数随着温度改变而改变而在装置I的工作原理中非常重要，因而根据本发明的装置具有至少一个温度探测器(图中未示出)，该温度探测器适于检测处理温度并且将信号发送至控制处理器(未示出)，以用于校正介电常数并随后校正所检测到的湿度。优选地，温度探测器是市场上通常可得到的RTO传感器。根据第二个特别有优势的方面，电容器接入在桥接电路29中。
这种桥接电路29的例子示意性地在图4中表示，其中可以看出，桥接电路29具有并联的至少第一电源线20和第二电源线21。第一线20包括串联的至少两个电阻Rl、R2，而第二线包括串联至电容器Cx的至少一个基准电阻Rx。优选地，桥接电路29并联至示波器19，示波器19适于将确定的可变正弦信号施加至桥接电路29以测量电容器Cx的电容的变化。根据本发明的用于测量湿度的装置能够测量以干燥的、液体或气体颗粒的形状或者以粉末的形状在其内部流动的材料的电容器电容的相对于基准值的变化，具体地，在金属环3和介电材料的环6中流动的材料的电容器Cx的电容的相对于基准值的变化。基准值是由在装置中流动的相同的完全干燥的材料提供的电容值，并且是完全干燥的材料的介电常数的函数。在完成完全干燥的材料的第一测量之后，可以直接在线地进行湿度的测量，该湿度将是电容器Cx的电容变化的函数。电容器Cx的电容变化随着在电容器内部中流动的材料的介电常数相对于相同的完全干燥的材料的介电常数的值改变而改变。特别地，除了诸如例如材料温度和可能的热膨胀的其它考虑以外，介电常数随着在电容器Cx中流动的材料中包括的水偶极子的数量改变而改变。然后，通过电容器Cx的电容相对于基准值的变化和控制处理器(未示出)的适当处理，可以测量经由电容器本身流动的材料的湿度百分数。参考一些实施例对本发明进行了描述。在保留由权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，可以对这里详细描述的实施例作出各种修改。
权利要求
1.一种用于测量材料湿度的装置(1)，所述材料以干燥的、液体或气体颗粒的形状或者以粉末的形状在至少部分沿着轴(X-X)设置的至少一个管道中流动，其中，要测量湿度的材料经由所述管道流动，所述装置(I)包括: -至少一个电容器(Cx)，其中，要测量湿度的材料在所述电容器(Cx)中流动，其特征在于所述电容器(Cx)包括: -至少两个金属环(3)，所述至少两个金属环(3)同轴安装至所述轴(X-X)并且邻近要测量湿度的材料所流经的管道的内壁； -至少一个介电兀件(5)，具有: 与温度变化基本成线性的介电常数，以及 低于a=27X10_6/°C的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的用于测量湿度的装置(1)，其特征在于，所述至少一个介电元件(5)包括至少一个介电 材料的环(6)。
3.根据权利要求2所述的用于测量湿度的装置(1)，其特征在于，电极的径向内表面被设置为基本上与所述至少一个管道的内壁对齐。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量湿度的装置(I)，其特征在于，所述装置(I)具有模块化结构。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量湿度的装置(1)，其特征在于，所述介电元件(5 )具有低的吸湿特性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量湿度的装置(1)，其特征在于，所述电容器(Cx)包括四个介电材料的环(6)和插入在所述四个介电材料的环(6)之间的三个金属环(3)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量湿度的装置(1)，其特征在于，包括至少一个用于补偿所述介电材料的热膨胀的单元(15 )。
8.根据权利要求7所述的用于测量湿度的装置(1)，其特征在于，所述补偿单元(15)包括至少一个弹性部件(16)和至少一个传感器(17)，所述至少一个弹性部件(16)和至少一个传感器(17)设置在至少一个介电材料的环(6)和用于支撑所述电容器(Cx)的凸缘之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，包括至少一个温度探测器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，所述电容器(Cx)接入在桥接电路(29)中。
11.根据权利要求10所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，所述桥接电路(29)包括并联的至少第一电源线(20)和第二电源线(21)，所述第一线(20)包括至少两个电阻(Rl，R2)，以及所述第二线(21)包括至少一个基准电阻(Rx)和至少所述电容器(Cx)。
12.根据权利要求10或11所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，所述桥接电路(29)连接至振荡器(19)，所述振荡器(19)适于将可变正弦信号施加至所述桥接电路(29)以测量所述电容器(Cx)的电容的变化。
13.根据权利要求1所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，所述至少一个介电元件基本上由PTFE构成。
14.根据权利要求1所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，所述介电元件(5)基本上由陶瓷材料构成。
15.根据权利 要求1所述的用于测量湿度的装置(100)，其特征在于，所述电容器(Cx)的内壁是密封的。
全文摘要
一种装置(1)，用于测量以干燥的、液体或气体颗粒的形状或者以粉末的形状在至少部分沿着轴(X-X)设置的至少一个管道中流动的材料的湿度，其中，要测量湿度的材料经由管道流动，装置(1)包括-至少一个电容器(Cx)，要测量湿度的材料在电容器(Cx)中流动，其特征在于电容器(Cx)包括-同轴安装至轴X-X并且邻近管道的内壁的至少两个金属环(3)，要测量湿度的材料经由管道流动；-至少一个介电元件(5)，具有与温度变化基本成线性的介电常数，以及低于α=27×10-6/℃的热膨胀系数。
文档编号G01N27/22GK103080734SQ201080068937
公开日2013年5月1日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者M·萨马丁尼 申请人:百瑞空气工程有限公司