电容式液位传感器及测量原理

d A C ε=
电容式液位传感器及测量原理
1引言 (1)
2电容式液位传感器的结构与测量原理 (1)
2.1电容式液位传感器的结构 (1)
2.2电容式液位传感器的工作原理 (3)
3电容式液位传感器的特点 (6)
1引言
电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。

电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。

电容式传感器具有以下几个特点：
1）机构简单，体积小，分辨力高；
2）可实非接触式测量；
3）动态效应好。

电容式传感器的固有频率很高，因此动态效应时间短，且其介质耗损小，可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；
4）温度稳定性好。

它本身发热量极小；
5）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作
6）电容量小，功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界抗干扰产生不稳定现象。

2电容式液位传感器的结构与测量原理
2.1电容式液位传感器的结构
电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。

这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。

电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：
（1）
公式中 ——电容极板间介质的介电常数；
A ——两平行板所覆盖的面积；
d ——两平行板之间的距离。

因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。

是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。

特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。

其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。

电容式液位传感器的电极结构如图1所示。

图1（a）适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形，容器壁为一极，沿轴线插入裸金属棒作为另一极电极，其间构成的电容C X与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作为电极。

图1 电容式液位传感器的电极结构
图1（b）适用于非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，液体为绝缘性的，这时在棒状电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外液位相同。

中央圆棒及与之同轴的套筒构成两个电极，其
⎪⎭⎫ ⎝⎛H =d D C ln 2122πε()⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d D H H C ln 21011πε()()[]1120112101ln 2ln 2ln 2H -+H ⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H ε
εεππεπεd D d D H d D 21C C C X +=间电容和容器形状无关，只取决于液位，这种结构的物位传感器最适合于液位测量，对于粉粒测量容易产生滞留物在极间。

图1（c ）用于导电性液体，其形状和位置和图1（a ）一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容C X 是由绝缘材料的介电常数和待测液位高度决定的，与液体的介电常数无关，导电液体使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，液位升降相当于电极面积改变。

2.2电容式液位传感器的工作原理
导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量，属于面积变化型电容传感器。

以图1（a ）为例 设导电容器直径为D ，中央电极直径为d ，上部空气的介电常数为ε1，下部液体的介电常数为ε2,电极总长为H 0，浸没在液体中的长度为H1，则根据同心圆筒状电容的公式可写出空气部分的电容数学模型为：
（2）
液体部分的电容为：
（3）
如果忽略杂散电容及端部的边界效应后，则两电极间的总电容为：
=
(
)⎪⎭⎫ ⎝⎛-=K d D ln 122εεπ()101120ln 2H C d D C K +=H -⎪⎭⎫ ⎝⎛+εεπ()⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H =11033ln 2D
D C πε()⎪⎭
⎫ ⎝⎛H -H =
d D C 1101ln 22πε
= (4)
其中：X C 表示被测电容；
0C 为初始电容，液体为零时测出的电容，这个电容可以在初始标定时消
除；
1H 表示被测液位的高度; 表示传感器的灵敏度； 电极包有绝缘层后，若与容器同心安装，则如图2所示，其中图2（a ）为结构图，图2（b ）为等效电路图。

设电极绝缘层的直径为D 1，容器直径为D ，电极直径为d ，各电容值的介电常数见图示：其中，电极绝缘层电介质的介电常数为1ε，液体电介质的介电常数为2ε 空气电介质的介电常数为3ε。

等效电路中的 C1表示与液位无关的杂散电容 ，C2表示空气部分的电极绝缘层为电介质的电容，其值为：
(5)
C 3 表示在空气介质的电介质的电容，其值为：
(6) 图2 带有绝缘层的电极图及相应的等效
10111111113110311'ln ln 3ln ln 2ln ln 22H +=H ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H +=K C D D d D D D D D d D D D C C X εεπεεεεπε()1
101121131113211311032545432321ln ln 1ln ln ln 2ln ln 212H K C d D D D d D D D D D d D D D C C C C C C C C C C C X +=H ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H +=++++=εεεεεεπεεεεπε⎪⎭
⎫ ⎝⎛H =1125ln 2D D C πε⎪⎭
⎫ ⎝⎛H =d D C 1114ln 2πε
C 4 表示液体中电极绝缘层为电介质的电容，其值为：
(7)
5C 表示被测液体为电介质的电容，其值为：
(8)
由图2（b ）可知，2C 与 3C 是串联关系，4C 与5C 也是串联关系，将这两个串联电路又与1C 并联,故得：
(9)
对于确定的介质而言，式中的C 0为前两项的常数和，可以看作不变的初始电容，而第三项可看作是灵敏度K 1与H 1之积，当容器中的液体为导电介质时，C 5=0，则：
（10）
由以上分析可得,测量两种液体间的界位时，果均为不导电液体，采用裸露电极。

若其中有一种为导电液体，就必须用包绝缘层的电极，式（3）和（8）都是测量不导电的液位值，其灵敏度与两种介电常数的差成正比，因此，当两种液体的密度相同，而介电常数相差很大时，采用电容法则更有价值。

具有粘性的导电介质的液体即使采用绝缘层的电极，会产生挂料现象，使测量误差较大，不能得到意的真实液位的测量结果。

3电容式液位传感器的特点
电容式液位传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它具有许多突出的优点：结构简单、动态响应好、灵敏度高、分辨率高、体积小、高频特性好，并能在高温辐射和强烈振动等恶劣环境下工作等所以它被广泛应用于液位振动压力和几何量测量中。

本次设计中所用的电容式液位传感器是采用测量电容变化的原理来测量液面的高低的。

它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。

两电极间的介质即为液体及其上面的气体。

由于液体的介电常数1ε和液面上的介电常数2ε不同，比如：21εε>
，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。

反之，当液位下降，ε值减小，电容量也减小。

所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。

电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有1ε和2ε的恒定才能保证液位测量准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。

电容式液位传感器电容值以及电容变化值都十分微小，电容传感器的电容值一般为pF 级，为了测量如此小的电容，必须借助专门设计的测量电路检出这一微小电容增量，将这检测出的电容值的变化转换为正比于电容值的频率、电压或电流的变化，本设计中是将其转化为电压值的变化。

根据测量要求、测量对象等不同，所采用的测量电路也有所不同，通常有环形二极管电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T 型交流电桥、脉宽
调制电路等几种。