電容式液位傳感器及測量原理1引言12電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理12.1電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)12.2電容式液位傳感器的工作原理33電容式液位傳感器的特點(diǎn)61引言電容式傳感器利用了非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化來實(shí)現(xiàn)對物理量的測量。電容式傳感器廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量，并正逐步擴(kuò)大到壓力、差壓、液面（料位）、成分含量等方面的測量。電容式傳感器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）機(jī)構(gòu)簡單，體積小，分辨力高；2）可實(shí)非接觸式測量；3）動(dòng)態(tài)效應(yīng)好。電容式傳感器的固有頻率很高，因此動(dòng)態(tài)效應(yīng)時(shí)間短，且其介質(zhì)耗損小，可使用較高的工作頻率，可用于測量高速變化的參數(shù)；4）溫度穩(wěn)定性好。它本身發(fā)熱量極小；5）能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作6）電容量小，功率小，輸出阻抗高，因此，負(fù)載能力差，易受外界抗干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。電容式傳感器是把被測的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容量變化的一種傳感器。這些被測量是用于改變組成電容器的可變參數(shù)而實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器的基本工作原理可以用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個(gè)極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時(shí)，其電容量為：（1）公式中 —— 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A ——兩平行板所覆蓋的面積；d ——兩平行板之間的距離。

因此只要改變其中的一個(gè)參數(shù)，就會(huì)引起電容量的變化，根據(jù)這一電容結(jié)構(gòu)關(guān)系可構(gòu)成變極距電容傳感器，變面積型電容傳感器和變介質(zhì)型傳感器、用于測量液位的電容式傳感器。是利用容器中的物料為恒定的介電常數(shù)時(shí)，極間電容正比于液位的原理而構(gòu)成的，并應(yīng)用電子學(xué)方法測量電容值，從而探測液面位置信息。特點(diǎn)是液位測量只與電容結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物料的密度無關(guān) 根據(jù)這一特點(diǎn)，可采用圓筒形結(jié)構(gòu)構(gòu)成變面積型的液位傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)的探頭是由這兩個(gè)電極極板構(gòu)成，通過氣、液或料相介質(zhì)的高度不同引起極間電容改變來探測物面位置的。其結(jié)構(gòu)十分簡單輕巧，便于安裝、維護(hù)與使用。 電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）適用于導(dǎo)電容器中的絕緣液體的液位測量，且容器為立式圓筒形，容器壁為一極，沿軸線插入裸金屬棒作為另一極電極，其間構(gòu)成的電容 CX 與液位成比例，也可懸掛帶重錘的軟導(dǎo)線作為電極。圖1 電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)圖1（b）適用于非金屬容器，或雖為金屬容器但非立式圓筒形，液體為絕緣性的，這時(shí)在棒狀電極周圍用絕緣支架套裝金屬筒，筒上下開口，或整體上均勻分布多個(gè)孔，使內(nèi)外液位相同。中央圓棒及與之同軸的套筒構(gòu)成兩個(gè)電極，其間電容和容器形狀無關(guān)，只取決于液位，這種結(jié)構(gòu)的物位傳感器最適合于液位測量，對于粉粒測量容易產(chǎn)生滯留物在極間。

圖1（c）用于導(dǎo)電性液體，其形狀和位置和圖1（a）一樣，但中央圓棒電極上包有絕緣材料，電容CX是由絕緣材料的介電常數(shù)和待測液位高度決定的，與液體的介電常數(shù)無關(guān)，導(dǎo)電液體使筒壁與中央電極間的距離縮短為絕緣層的厚度，液位升降相當(dāng)于電極面積改變。導(dǎo)電液體電容式傳感器主要利用傳感器兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量，屬于面積變化型電容傳感器。以圖1（a）為例 設(shè)導(dǎo)電容器直徑為D電容式傳感器，中央電極直徑為d，上部空氣的介電常數(shù)為ε1，下部液體的介電常數(shù)為ε2,電極總長為H0，浸沒在液體中的長度為H1，則根據(jù)同心圓筒狀電容的公式可寫出空氣部分的電容數(shù)學(xué)模型為：（2）液體部分的電容為：（3）如果忽略雜散電容及端部的邊界效應(yīng)后，則兩電極間的總電容為：==(4)其中：表示被測電容；為初始電容，液體為零時(shí)測出的電容，這個(gè)電容可以在初始標(biāo)定時(shí)消除；表示被測液位的高度;表示傳感器的靈敏度；電極包有絕緣層后，若與容器同心安裝電容式傳感器，則如圖2所示，其中圖2（a）為結(jié)構(gòu)圖，圖2（b）為等效電路圖。 設(shè)電極絕緣層的直徑為D1，容器直徑為D，電極直徑為d，各電容值的介電常數(shù)見圖示：其中，電極絕緣層電介質(zhì)的介電常數(shù)為，液體電介質(zhì)的介電常數(shù)為 空氣電介質(zhì)的介電常數(shù)為。