电容式液位传感器设计

目录第1章摘要 (2)第2章引言 (3)第3章电容式液位传感器结构与测量原理 (4)3.1电容式液位传感器的结构 (4)3.2电容式液位传感器的工作原理 (6)第4章测量电路设计 (9)4.1测量电路 (9)4.2整流电路 (13)4.3放大电路 (13)第5章误差分析 (14)5.1机械结构参数的影响 (14)5.2测量电路的影响 (15)第6章结论 (15)心得体会 (15)参考文献 (16)第1章摘要在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。

通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。

直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。

然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。

目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。

其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。

车用燃油油位的计量，从而向当今高精度、数字化、集成化、智能本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法，解决了传统电容测量与被测介质有关的技术难题。

它可以应用于动态液位测量，尤其是在被测液体本身介质常数和液位，随时间和环境等因素容易发生变化的场合，如化的科学技术全面发展更迈进了一步，对满足石油化工等液位检测领域的迫切需求具有重大的理论和应用价值，前景十分广阔。

消除电容式液位测量方法中介质介电常数的因素是关键，设计符合测量方法的电容极板，通过电容电压转换电路处理为直流电压信号，由数据采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现算法的设计。

其中电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和寄生电容的影响，同时要保证平板电容良好的绝缘性能和抗外界干扰性。

最后在整体设计和理论分析的基础之上，从硬件各部分进行具体的设计，包括硬件电路和各环节的信号量匹配等。

通过理论计算和数据分析，验证了此液位仪具有良好的性能，达到了要求的技术指标，同时指出了需要改进和完善的地方。

第2章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。

d A C ε=第3章 电容式液位传感器的结构与测量原理3.1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 ε—— 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。

⎪⎭⎫ ⎝⎛H =d D C ln 2122πε()⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d D H H C ln 21011πε()()[]1120112101ln 2ln 2ln 2H -+H ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H εεεππεπεd D d D H d D 21C C C X +=3.2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 (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表示空图2 带有绝缘层的电极图及相应的等效()1101121131113211311032545432321ln 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()⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H =11033ln 2DD C πε()⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H =d D C 1101ln 22πε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)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)10111111113110311'ln ln 3ln ln 2ln ln 22H +=H ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H +=K C DD d D D D D D d D D D C C X εεπεεεεπε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，不能得到满意的真实液位的测量结果。

第4章 测量电路设计4.1测量电路本设计采用二极管T 形网络（双T 电桥）如下图所示。

e D1R2R1R2EC1它是利用电容器充放电原理组成的电路。

其中e是高频电源，提供幅值电压为E的对称方波；C1和C2为差动电容传感器；D1和D2为两只理想二极管；R1和R2为固定电阻，且R1=R2；RL 为负载电阻（或后接仪器仪表的出入电阻）。

该电路的工作原理如下：当电源为正半周时，二极管D1导通而D2截止，其等效电路如图（b)所示。

此时电容C1很快充电至E ，电源e 经R1以电流I1向负载RL 供电；与此同时，电容C2经R2和RL 放电，放电电流I2(t)。

流经RL 的电流IL(t)是I1和I2(t)之和，他们的极性如图（b ）所示。

当电源e 为负半周时，二极管D2导通而D1截止，其等效电路如图（c)所示。

此时电容C1很快充电至E ，电源e 经R1以电流I1向负载RL 供电；与此同时，电容C2经R2和RL 放电，放电电流I2(t)。

流经RL 的电流IL(t)是I1和I2(t)之和，他们的极性如图（c ）所示。

利用电路分析可以求得电源e 的负半周内电路的输出为：)1()('/1--+=τt L L e R R E t I式中， 1)2(C R R R R R L L ++=1τ 为电容C1的放电时间常数。

同理，在电源e 的正半周期内电路的输出为)1()(/2--+=τt L L e R R E t I式中， 2)2(C R R R R R L L ++=2τ 为电容C2的放电时间常数。

由此可得输出电流的平均值为)()(21)]1()1[(1)]()('[1212121/0/k k L L t T t L L L L e C e C C C Rf R R R R T dt e e R R E T dt t I t I TI ----+--++=---+=-=-21⎰⎰ττ式中，f 为电源e 的频率；k1、k2为系数，)2()2(2211L L L LR R RfC R R k R R RfC R R k ++=++=输出电压的平均值为L L R I U =0适当选择电路中元件的参数以及电源频率f ，则上式中指数项所引起的误差可以小于1%。