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一、电容式液位传感器及测量原理 1 引言 12 电容式液位传感器的结构及测量原理 12.1 电容式液位传感器的结构 12.2 电容式液位传感器的工作原理 33 电容式液位传感器的特点 61 引言非电能改变电容来实现物理量的测量。 电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并逐渐扩展到压力、差压、液位（料位）、元件含量的测量。 电容式传感器具有以下特点： 1）机构简单、体积小、分辨率高； 2）真正的非接触式测量； 3）动态效果好。 电容式传感器的固有频率很高，因此动态作用时间短，介质损耗小，可以使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数； 4) 良好的温度稳定性。它自己发送

2、发热量极小； 5）可在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。 6）电容小，功率小，输出阻抗高。 因此负载能力差，容易因外部抗干扰而不稳定。 2 电容式液位传感器的结构及测量原理 2.1 电容式液位传感器的结构 电容式传感器是一种将被测非电能转化为自身电容变化的传感器。 这些被测量用于转换构成电容器的可变参数。 电容传感器的基本工作原理可以用最常见的平行板电容器来说明。 两块相互平行的金属板，在不考虑边缘效应（两块板边缘电力线分布不均引起电容变化）时，电容为： (1) 电容器板之间的介质式中的介电常数； a 两个平行板覆盖的区域； d 两个平行板之间的距离。所以只要改变

3. 一个参数会引起电容的变化。 根据这种电容结构关系，可以构成可变极距电容传感器、可变面积电容传感器、可变介质传感器和液位测量电容传感器。 它是利用容器内物质介电常数恒定时，极间电容与液位成正比的原理，利用电子方法测量电容值，从而检测液位的位置信息而组成的。 . 特点是液位测量只与电容结构有关，与物料密度无关。 根据这一特点，可以采用圆柱形结构构成变截面液位传感器。 这种传感器结构的探头就是由这两块电极板组成的。 组成，通过气体、液体或物相介质的高低差引起的电极间电容的变化来检测物体表面的位置。 其结构非常简单轻便，易于安装、维护和使用。 电容式液位传感器的电极结构如图1所示。图1(a)适用于导电容器中绝缘液体的液位测量

4、测量，容器为立式圆柱体，容器壁为一极，沿轴线插入一根裸露的金属棒作为另一极电极，它们之间形成的电容cx与液位成正比，软带有重物的锤子也可以悬挂电线作为电极。 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，或金属容器但不适用于立式圆柱体，液体是绝缘的电容液位计工作原理，在杆状电极周围使用绝缘支架金属圆柱体有上部下开口，或多个孔，整体均匀分布，使内外液面相同。 中心圆杆和同轴套管形成两个电极。 它们之间的电容与容器的形状无关，只与液位有关。 这种结构的液位传感器最适用于液位测量，粉体测量容易产生滞留。 东西在两极之间。图1(c)用于导电液体，其形状和位置与图1(a)相同，只是中间的棒状电极被绝缘材料覆盖，电容cx由绝缘材料

5、电常数由被测液面的高度决定电容液位计工作原理，与液体的介电常数无关。 导电液体使筒壁与中心电极之间的距离缩短到绝缘层的厚度，液面的升降就相当于电极面积的变化。 2.2电容式液位传感器工作原理 导电液体电容传感器主要是利用传感器两个电极的覆盖面积随着被测液体液位的变化而变化，从而引起电容变化的关系用于测量液位，属于面变电容传感器。以图1(a)为例，设导电容器的直径为d，中心电极的直径为d，上部电极的介电常数空气部分为1，液体下部的介电常数为2，电极的总长度为h0，浸没在液体中的长度为h1，则根据同心圆柱电容的公式，空气部分电容的数学模型可以写为： (2) 液体部分的电容为： (3) 如果忽略杂散电容和末端边界效应，则tw o 电极之间的总电容

6. 即： = = (4) 其中：表示被测电容； 为初始电容，液体为零时测得的电容，初始校准时可消除该电容； 指示被测液位的高度； 表示传感器的灵敏度； 电极包上绝缘层后，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. 图2 带绝缘层的电极图及对应的等效电路图 假设电极绝缘层的直径为d1，容器的直径为d，电极的直径为d，各电容值的介电常数为图：其中，电极绝缘层电介质的介电常数为 ，液体电介质的介电常数为 。 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作为电介质的电容，其值为： (5)c3表示空气介质中的电介质，其值为：

7. (6) c4 表示电极绝缘层在液体中作为电介质的电容，其值是： (7) 表示被测液体作为电介质的电容，其值是： (8) 从图2(b)，可见and是串联关系，and也是串联关系，两个串联电路是and并联的，所以： (9) 对于一定的介质，式中的c0为前两项的常数和，可以看作是常数初始电容，第三项可以看作是灵敏度k1和h1的乘积，当容器中的液体是导电介质时，c5=0，那么： (10) 由上面的分析，可以测量两种液体之间的边界 当结果都是不导电液体时，使用裸电极。如果其中一种是导电液体，则必须使用带绝缘层的电极用过的。 式（3）和（8）都是测量不导电液位值，它们的灵敏度正比于两个介电常数之差。 因此，当两种液体密度相同但介电常数不同时

8. 很大的时候用电容定律比较有价值。 即使对带有粘性导电介质的液体使用绝缘层的电极，也会出现挂料现象，使测量误差较大，得不到理想的真实液位测量结果。 3 电容式液位传感器的特点 电容式液位传感器是一种将非电量的变化转化为电容变化的传感器。 它具有许多突出优点：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、能在高温辐射、强振动等恶劣环境下工作，因此被广泛应用。用于液位振动压力和几何测量。 本设计采用的电容式液位传感器是利用测量电容变化的原理来测量液位的高度。 它是一根金属棒插入液体容器中，金属棒作为电容器的一极，容器壁作为电容器的另一极。 两个电极之间的介质是液体，其上方是气体。由于液体

9、电极的介电常数与液面的介电常数不同。 例如，当液面升高时，两个电极之间的总介电常数值相应增加，从而增加电容。 反之，当液面下降时，数值减小，电容也减小。 因此，可以通过两个电极之间电容的变化来测量液位的高低。 电容式液位计的灵敏度主要取决于两者的介电常数之差。 而且，只有常数和才能保证液位测量的准确性。 由于被测介质是导电的，金属棒电极上覆盖着一层绝缘层。 电容式液位传感器的电容值和电容变化值很小。 电容式传感器的电容值一般为pf级。 将检测到的电容值的变化转换为与电容值成正比的频率、电压或电流的变化。 在本设计中，将其转化为电压值的变化。根据不同的测量要求和测量对象，采用的测量电路也不同，通常有环形二极管电路、调频电路、运算放大电路、二极管双- t 交流电桥、脉宽调制电路等。