插入式水份儀傳感器的製作方法

2023-05-30 01:12:16

專利名稱:插入式水份儀傳感器的製作方法
本發明屬於測量顆粒物如稻穀、麥子等的水份含量的一種插入式結構型水份儀傳感器。
現代種子研究，穀物的收購、保藏，醫用藥品如藥丸、藥片和某些化工原料等都需要測量或控制其水份含量(即溼度)，常常還需要同時測定其溫度。對於水份或溼度測試技術，國內外均相當重視，已有不少公司和廠家生產多種溼度計。現有的水份儀或溼度計在原理上。大致可分為兩大類結構型和物性型。
結構型水份儀是基於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。用一定結構的採樣容器並形成電極，量取或秤取一定量的待測物樣品，放入採樣容器，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溼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，數字顯示。用量盤採樣，採樣量小(約為15顆稻穀)，用簡單的螺紋夾緊方式將穀物等樣品夾緊，穀子常被碾碎，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。由於電阻法測量穀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，此外它的採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溼敏陶瓷、溼敏電解質或溼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製成的溼敏元件，按具體的測試對象和條件構成某種裝置進行水份或溼度測試。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型溼度計是屬於這一類的儀器，如圖8和圖9所示。由於物性型溼敏元件工作時需要經歷一個吸溼過程，所以這類儀器的測試時間較長，又因溼敏元件在工作時經常反覆去溼(清洗)和吸溼，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溼敏元件長期穩定性不足的限制。
本發明的任務是力圖實現一種使用方便、省時、採樣量大和測量穩定準確的水份儀傳感器。要求它能滿足現場測試的工作條件，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裡的穀物或其它顆粒狀待測物進行方便、快速採樣並獲得準確測量結果，使它不僅能廣泛應用於穀物打曬場、糧食收購站、糧庫或其它現場的水份(溼度)檢測，也能適用於實驗室研究工作的需要。
本發明的中心內容是裝有測力傳感器和測溫元件的杆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，在緊靠頭部後面有一個採樣杯，在採樣杯處裝有兩個電極板，另件(4)與尖頂頭部一起可前後伸縮運動而無轉動，在插入採樣前使另件(4)與採樣杯口接合，以阻止插入過程中被測物進入採樣杯，當尖頂頭部插入被測物並到達所測位置時，使另件(4)前伸，讓它與採樣杯口間有一定空隙，被測物即可方便地進入採樣杯，裝滿後再使另件(4)後縮，夾緊採樣杯內的被測物，其夾緊力大小用彈簧環粘貼上應變片所構成的測力傳感器測定，保證各次測量數據是在相同的夾緊力下取得。另件(4)的軸向位置可由手柄(20)上的標尺和拉杆(26)上的指示杆(28)來指示，便於判斷被測物在採樣杯內的裝填情況。另件(4)的前伸和後縮運動以及對採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)、絲杆(30)和螺母套筒(29)組成的運動施力裝置來實現。利用兩個極板間電阻的大小與被測物含水水量(溼度)大小的依賴關係，把該電阻經測量電路轉換成電量(如電壓)輸出，進而顯示被測物的含水量(溼度值)。
為測定被測物的溫度和補償水份(溼度)測量中的溫度誤差，在靠近採樣杯後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溫度誤差補償。
本水份儀傳感器的基本特徵和優點是1.插入式，本傳感器尖頂頭部的採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穀物或其它顆粒物直接採樣測試，也可象通常的水份儀那樣作定量(秤取或量取)採樣測試;2.內裝測力傳感器，採樣杯內穀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採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，由於對待測物僅施以軸向夾緊力而無扭轉轉動力，故被測物(稻穀等)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。
本發明的優點是既能避免物性型水份儀所固有的反應速度慢、穩定性差的缺點，又能克服現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採樣費時，採樣量小，測試結果較少代表性的缺點，還能進行溫度誤差補償。故採用本發明的傳感器測量顆粒物的水份能實現測量精度高，工作穩定，可靠性好，插入式採樣適於現場測試，操作簡便省時，採樣量大，測試結果有較好的代表性。
圖1，本發明的插入式水份儀傳感器結構裝配圖。比例0.75∶1圖2，圖1的A-A剖視圖，比例0.75∶1圖3，圖1的K向視圖，比例0.75∶1圖4，圓柱面電極採樣頭結構裝配圖，比例1∶1圖5，圖4的B-B剖視圖，比例1∶1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.為採樣盤，其中3.被測物樣品(如稻穀)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溼度計示意圖，圖中
1.Sword Probe SS型溼度計探頭，2.測試附件。
圖10，傳感器輸出電阻與稻穀的百分比含水量的關係曲線。
實施例一本發明方案的一個實施例如圖1所示。它由三個部分組成，即採樣頭，測力傳感器和操作手柄及運動施力裝置。具體說明如下1.採樣頭。它包括另件(1)至(15)及(43)至(45)。金屬另件(4)，(7)，絕緣襯套(5)及拉杆(14)上的絕緣軸套(6)構成圓環形採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)與拉杆(14)及絕緣軸套(6)連在一起。拉杆(26)和拉杆(14)用絕緣墊套(16)、絕緣墊圈(41)、螺母(42)分別與彈簧環(18)電氣絕緣而機械固定，這樣通過操作拉杆的軸向前後運動(在後面另作介紹)就帶動了動極板作軸向前伸或後縮。拉杆(14)上的凹槽和螺釘(11)是為限制拉杆(14)的轉動而設置的，其相互關係可由圖2清楚看到。一組引線(43)，其中一條經焊接片(15)、拉杆(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形採樣杯和動、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。
在插入採樣前，操作拉杆，先使動極板後縮，讓動極板平面(c)與採樣杯口平面(b)接合或進入採樣杯內，另件(4)的外徑和另件(5)的內徑為鬆動配合，這樣在插入過程中，待測物(如穀物等)就不會進入採樣杯內。在採樣頭插入到要求的被測位置時，為要採樣，使動極板前伸，讓其與採樣杯口間有一定空隙，此時再將插杆向前稍稍一推，被測物即刻盛滿採樣杯內。然後再操作拉杆，使動極板後縮，進而將採樣杯內所採樣品(被測穀物等)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溼度為單位進行顯示。
這種採樣頭結構也可用作定量採樣(用量具取或用天平稱取樣品)測試。採樣杯容積為4.8ml，一次採樣可容納稻穀約150顆。
在採樣頭中的另件(7)上緊靠靜極板平面(a)後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。穀物等貯藏溫度和溼度不適當，就會導至變質，所以測量並控制貯藏穀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水份測量中的溫度誤差的補償，因為穀物等在所含水份相同的情況下，由於所處溫度的不同，其電阻值也不同。因此本裝置實際上是一個溼度、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、靜極板對採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採樣杯內的松密度，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，在拉杆(14)和(26)之間設置了由彈簧環(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，兩拉杆與彈簧環是通過絕緣軸套(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，測量時就能在規定的夾緊力下讀數，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)固定於它的前端(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後縮運動和為動、靜極板對採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)帶動絲杆(30)和軸套(33)一起旋轉。絲杆和軸套用螺釘(36)固定，因為軸套(33)的前後軸向位置被用螺釘(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，也即絲杆只能隨手輪(35)轉動而無軸向移動。
與絲杆相配的螺母套筒(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)與拉杆(26)固定連接，拉杆(26)與用螺釘(38)固定在手柄內的軸襯套(25)滑動配合。拉杆(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，使拉杆(26)也即使螺母套筒(29)只能作軸向移動而無轉動。
如上所述，絲杆的旋轉運動帶動了螺母套筒作軸向運動，也即使拉杆作軸向運動。這樣就達到用轉動手輪來實現動極板的前伸後縮。絲杆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)後縮，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杆(26)固定在一起的指示杆(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杆(28)處在標尺「0」位時，動極板平面(c)與採樣杯口平面(b)重合。
在用上述方法採樣之後，順時針旋轉手輪，動極板後縮，進而，動、靜極板對採樣杯內的被測物軸向地夾緊，手輪繼續順轉，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據。由於絲杆和螺母的自鎖作用，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，手輪繼續逆轉，動極板逐漸前伸，一旦插杆從被測物中拔出，採樣杯中的被測物就自動倒出。這樣就完成了一次採樣測試。
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，指示杆(28)處在標尺「0」位時的總長度為617mm，電纜長度為3m。
圖6為適用於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穀進行測量，其水份含量與傳感器輸出電阻的關係如圖10所示，可見兩者粗略接近對數特性。
實施例二本發明方案的另一個實施例，見圖4，它是實施例一的變型，主要差別是在採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。兩電極間的圓環形空間即為採樣杯。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)內靠近採樣杯的地方。絕緣套筒(8)和絕緣長管(10)相壓配。另件(49)與絕緣另件(47)壓配後，用螺釘與另件(10)及(8)固定，如圖5所示。螺釘(11)和拉杆(14)上的凹槽是為限制拉杆(14)的轉動而設置的。如圖所示，此方案中拉杆(14)的左面一段，即拉杆(14)處在採樣杯內的一段的直徑比實施例一中拉杆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)是用以形成採樣杯的底部平面。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)改用絕緣材料製成，它不作為電極，而僅作為壓板，在拉杆後縮時，它對採樣杯內的被測物起壓緊作用。
本實施例的其餘部分，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。插入採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採樣杯結構也適用於電容法測量，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，應用被測物所含水份與其電阻的關係特性，通過電路轉換獲得電壓輸出而顯示水份值，本發明的特徵是在尖頂頭部(1至4)後面有一個採樣杯，採樣杯處裝有兩個電極板，靠近採樣杯後面是熱敏電阻器(9)，用以測量被測物的溫度及補償水份測量中的溫度誤差，本傳感器中部為測力傳感器(17，18)，另件(4)與頭部一起可作軸向前後伸縮運動，當頭部插入被測物到達所測位置並完成採樣後，被測物盛滿了採樣杯，此時，使另件(4)後縮夾緊被測物，測力傳感器可測定夾緊力大小，以保證測量時被測物在一定的夾緊力下通過電極輸出的電參數(如電阻或電容)轉換成被測物的水份值，另件(4)與頭部的軸向前後伸縮運動及另件(4)後縮時對採樣杯內被測物的夾緊力是通過操作安裝在操作手柄內的運動施力裝置來實現的。
2.根據權利要求
1所述的傳感器，其特徵是兩塊電極板是由動極板(C)和靜極板(a)組成，動極板能沿軸向前後伸縮，使它能與採樣杯口(b)分離或接合，當尖頂頭部插入被測物並到達所測位置時，動極板前伸，使其與採樣杯口有一定空隙，被測物即可盛滿採樣杯，然後使動極板後縮，夾緊動、靜極板之間採樣杯內的被測物，使在對被測物作用一定的夾緊力下測定其水份值。
3.根據權利要求
1所述的傳感器，其特徵為兩塊電極板是由圓柱面(d)和(e)構成，兩者均固定不動，另件(4)用絕緣材料製成，不作電極板，僅用作活動壓板，它可沿軸向前後伸縮運動，在完成採樣後，使壓板後縮，壓緊採樣杯內的被測物，使在對被測物作用一定的夾緊力下測定其水份值。
4.根據權利要求
1所述的傳感器，其特徵是用一組應變片(17)貼在彈簧環(18)上構成測力傳感器，把它裝在拉杆(14)和拉杆(26)之間並分別與兩拉杆固定。
5.根據權利要求
1所述的傳感器，其特徵是運動施力裝置中絲杆(30)由手輪(35)通過鍵(34)帶動旋轉，絲杆用銷釘(36)與軸套(33)固定，因軸套(33)的軸向位置受手柄(20)和另件(31)的限制，故絲杆(30)只能旋轉而無軸向移動。
6.根據權利要求
1所述的傳感器，其特徵是螺母套筒(29)與拉杆(26)由螺釘(27)固定，由於拉杆(26)上的局部平面和壓片(24)的防轉作用，拉杆(26)和螺母套筒(29)只能作軸向移動而無轉動。
7.根據權利要求
1所述的傳感器，其特徵是拉杆(14)上的凹槽與螺釘(11)的防轉作用，使拉杆(14)只能軸向移動而無轉動。
8.根據權利要求
1、5、6、7所述的傳感器，其特徵是通過操作運動施力裝置，即通過手輪(35)的旋轉帶動拉杆使與尖頂頭部連在一起的另件(4)能軸向前後移動，另件(4)的外徑與採樣杯的內徑為鬆動配合，使另件(4)能在採樣杯內軸向移動，手輪、絲杆和螺母套筒、拉杆所組成的裝置也就是對採樣杯內被測物產生夾緊力的施力裝置。
9.根據權利要求
1和權利要求
6所述的傳感器，其特徵是另件(4)前後移動的位置可由手柄(20)上的標尺和拉杆(26)上的指示杆(28)來指示。
專利摘要
本水份儀傳感器是採用電阻原理對被測顆粒物如稻穀、麥子等的水份作插入採樣測量的一種新型設計。它具有與常見結構型水份儀不同的三個特點1.插入式，插杆端部的採樣杯可插入被測物盛器如麻袋、籮框內直接採樣測試；2.內裝測力傳感器，在一定的夾緊力下讀取採樣杯內被測物的水份值；3.內裝測溫元件，實現溫度測量及溫度誤差補償。本傳感器工作穩定，可靠性好，測量精度高，採樣測試操作簡便、省時。
文檔編號G01D5/12GK87100290SQ87100290
公開日1988年7月27日 申請日期1987年1月13日
發明者凌保明 申請人:浙江大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan