电容式液位传感器及测量原理.doc

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。 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 CX 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CX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。 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H0，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： = = (4) 其中：表示被测电容； 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； 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D1，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，液体电介质的介电常数为 空气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为电介质的电容，其值为： (5) C3 表示在空气介质的电介质的电容，其值为：