[發明專利]一種電容式傳感器測量含水率的方法

在審

• 申請號: 201910375223.9
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN110057876A
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 吳雪宇;王中華;王冬雪;王睿;徐博
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業) 37240
• 代理人: 李茜

本發明涉及一種電容式傳感器測量含水率的方法，該方法基于同軸電容器電容量計算方法，抽象出極板間不同介質電容、并聯的物理模型，構建電容值隨含水率變化的數學模型并進行試驗校正。該方法考慮了傳統套有介質套的同軸電容器在高含水率區域靈敏度降低的問題，采用了在介質套外套有導體套的方法，形成電場平衡的懸浮導體套，可以在調節導體套的尺寸大小前提下，采取適用于高含水率區域和低含水率區域的測量方法，靈敏度提高，準確高效，快速方便，具有廣闊的應用前景，為我國電容測量技術發展奠定了良好的基礎。

技術領域

本發明涉及測控系統與診斷技術領域，尤其涉及一種懸浮導體套的電容式傳感器測量含水率的方法。

背景技術

目前，測量物質中函數率的方法主要有：蒸餾法、電微波法、電導法、電容法、射頻法、氣相色譜法、紅外吸收法、熱中子法、等離子濃度法、卡爾·費休（KralFischer）法等。

但是蒸餾法由于是離線采樣測量，取樣少，且操作復雜，周期長，已經不能適應目前的工業自動化的要求。微波法雖然測量精度高，用于在線測量，測量范圍廣，但是其價格昂貴。電導法，也稱作電阻法，該方法精度較低，僅適用于測量電導率受含水率影響較大的物質。氣相色譜法，測量速度慢，精度低并且操作復雜。熱中子法僅適用于固體物質的水分測量。

發明內容

本發明為了克服以上技術的不足,提供了一種電容式傳感器測量含水率的方法以及電容值隨含水率變化的數學模型。

傳統同軸電容器套有絕緣介質套的電容計算值為：

式中：——內導體外半徑；

——外導體內半徑；

——介質套外半徑；

——介質套材料的相對介電常數；

——被測物質的相對介電常數；

——真空介電常數；

l——電容器深度；

為了克服同軸電容器在高含水區對含水率靈敏度減小，增加懸浮導體套的方法來解決；

增加有懸浮導體套后的電容計算值為：

式中：——導體套的外半徑

——介質套外半徑，其值與導體套內半徑相同

取導體套對敏感探頭靈敏度影響的系數為k，

當, ,被測物質體積不變，得到（取此時），隨的增大而增大，更適合于高含水率區域；當，被測物質體積減小，得到（取此時），隨增大而減小，更適合于低含水率下使用。故可以在高含水率區域增加靈敏度。

本電容式傳感器測量植物含水率的方法，包括如下步驟。

第一步

抽象出不同介質電容并聯的物理模型。圖1為并聯電容的理論等效電容示意圖。三種不同的物質構成不同介質電容的并聯：

其中，為理論等效電容。由公式改寫得：

式中：——不含水的該物質的等效高度，

——水的等效高度，

H——同軸電容傳感器的高度。

第二步

構建理論等效電容隨含水率變化的數學模型。通常某物質中的含水率定義為：

若以小數表示，則有：