電容傳感器對非導電液位的測量探討

黃惠思

摘 要：電容式物位傳感器，是利用被測介質面的變化引起電容變化的一種變介質型電容傳感器。在教學過程中，教師要讓學生了解電容傳感器的工作原理和對非導電液體液位的測量，提高學生綜合應用能力。

關鍵詞：電容傳感器；液位；測量；能力培養

電容式物位傳感器是利用被測介質面的變化引起電容變化的一種變介質型電容傳感器。具有可靠性高、安裝方便等特點，可廣泛應用冶金、采礦等部門作料位控制，是應用最廣的一種物位傳感器。

一、電容式傳感器的工作原理

兩個面對面放置的金屬板構成一個平板電容器，若不考慮電容的邊緣效應，其電容量為C=■。式中：A——兩極板相互遮蓋的有效面積；d——兩極板間的距離，也稱為極距；ε ——極板間物質介電常數。分析得出結論：當A、d、ε中的某一項發生變化，就改變了電容量C。即電容量C是A、d、ε的函數，固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數式。

①變間隙型電容傳感器。被測量通過動極板移動引起兩極板有效距離改變，從而得到電容量的變化，如圖1. ②變面積式電容傳感器。被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化，如圖2. ③變介電常數式，如圖3。參見表1：幾種常見物質的相對介電常數。

二、電容式物位計的工作原理

電容式物位計由電容式物位傳感器和測量轉換電路兩部分構成。其基本工作原理是電容式物位傳感器先把物體的位置變化轉換為電量的變化，然后再測量電量，最后通過測量轉換電路顯示出物位的數值。

三、電容式物位傳感器的結構特點

電容式物位傳感器由兩個導體電極（通常把被測物的容器壁作為一個電極）構成，由于電極間是介質（氣體、流體或固體）而引起初始電容的改變，因此可以測量物料的物位。它的敏感元件有三種，線狀、棒狀和板狀，最常用的為棒狀。它工作溫度、壓力受中間介質的限制。電容式物位傳感器一般采用微機控制，能夠實現自動調整靈敏度，并且具有自診斷的功能，還能夠檢測一些敏感元件的破損和絕緣程度的降低以及電纜和電路的故障等等，并可實現自動報警和高可靠性的信息傳遞功能。由于電容傳感器結構簡單，靈敏度高，過載能力強，因此是一種用途廣泛，很具發展潛力的傳感器。

四、 電容式物位傳感器的測量電路

（1）脈沖寬度調制電路。這種電路的頻率輸出為數字信號的輸出，不需要模數轉換；靈敏度比較高；輸出能消除溫度和電纜電容的影響。但其輸出非線性大，需誤差補償。

（2）變壓器交流電橋電路 。這種電路靈敏度和穩定性較高，比較適合做精密電容的測量；但電橋輸出電壓幅值比較小，輸出的阻抗高，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作，而且電路不具備自動平衡措施，構成較復雜。這種電路沒有消除雜散電容的影響，因此要采取屏蔽等措施，但效果不一定理想。

五、電容傳感器的應用——非導電介質的液位測量

此電路，采用了自動電橋平衡電路。

①當油箱中沒有油時，電容傳感器的電容量為Cx =Cx 0，調節可調電容C0，使C0=Cx 0。由于R4=R3，并使電位器RP的滑動臂位于0點，即可調電阻RP的阻值為0。此時，電橋滿足Cx /C0=R4/R3的平衡條件，電橋輸出U0=0，電動機不轉動，油量表指針偏轉角θ為零。如圖4（因篇幅所限，圖略。）

②當往油箱中注油時，液位上升為Cx=Cx0+？駐Cx，而？駐Cx與液位h成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經放大后驅動電動機，電動機正轉，帶動指針順時針偏轉，同時帶動可調電阻RP的滑動臂向c點移動，從而使RP阻值增大，d、c兩點的電阻也隨之增大。當可調電阻RP阻值達到一定值時，電橋又處于平衡狀態，輸出電壓Uo=0。于是電動機停轉，指針則停在轉角為θm處。

③由于油表的指針及可變電阻RP的滑動臂同時被電動機帶動，所以，θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又與液位高度h成正比，因此可直接讀得液位高度h。

④當油位下降時，電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減?。瑫r帶動可調電阻RP的滑動臂向0點移動，RP阻值減小。當RP阻值達到一定值時，電橋達到平衡狀態，輸出電壓Uo為零。于是電動機停轉，指針停留在與液位高度相對應的轉角θ處。

⑤從以上分析得到涉及“閉環控制”的結論：放大器的非線性及溫漂對測量精度影響不大。

總之，在教學過程中，教師要讓學生了解電容傳感器的工作原理和對非導電液體液位的測量，提高學生綜合應用能力。

參考文獻：

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（廣東省梅州農業學校）