電容傳感器對(duì)非導(dǎo)電液位的測(cè)量探討

黃惠思

摘 要：電容式物位傳感器，是利用被測(cè)介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。在教學(xué)過(guò)程中，教師要讓學(xué)生了解電容傳感器的工作原理和對(duì)非導(dǎo)電液體液位的測(cè)量，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：電容傳感器；液位；測(cè)量；能力培養(yǎng)

電容式物位傳感器是利用被測(cè)介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。具有可靠性高、安裝方便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用冶金、采礦等部門(mén)作料位控制，是應(yīng)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(gè)面對(duì)面放置的金屬板構(gòu)成一個(gè)平板電容器，若不考慮電容的邊緣效應(yīng)，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(chēng)為極距；ε ——極板間物質(zhì)介電常數(shù)。分析得出結(jié)論：當(dāng)A、d、ε中的某一項(xiàng)發(fā)生變化，就改變了電容量C。即電容量C是A、d、ε的函數(shù)，固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數(shù)式。

①變間隙型電容傳感器。被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)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(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)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(shù)式，如圖3。參見(jiàn)表1：幾種常見(jiàn)物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

二、電容式物位計(jì)的工作原理

電容式物位計(jì)由電容式物位傳感器和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路兩部分構(gòu)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(zhuǎn)換為電量的變化，然后再測(cè)量電量，最后通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路顯示出物位的數(shù)值。

三、電容式物位傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電容式物位傳感器由兩個(gè)導(dǎo)體電極（通常把被測(cè)物的容器壁作為一個(gè)電極）構(gòu)成，由于電極間是介質(zhì)（氣體、流體或固體）而引起初始電容的改變，因此可以測(cè)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(zhì)的限制。電容式物位傳感器一般采用微機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整靈敏度，并且具有自診斷的功能，還能夠檢測(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和高可靠性的信息傳遞功能。由于電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，過(guò)載能力強(qiáng)，因此是一種用途廣泛，很具發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?/p>

四、 電容式物位傳感器的測(cè)量電路

（1）脈沖寬度調(diào)制電路。這種電路的頻率輸出為數(shù)字信號(hào)的輸出，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)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(bǔ)償。

（2）變壓器交流電橋電路 。這種電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，比較適合做精密電容的測(cè)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(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜。這種電路沒(méi)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(yīng)用——非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量

此電路，采用了自動(dòng)電橋平衡電路。

①當(dāng)油箱中沒(méi)有油時(shí)，電容傳感器的電容量為Cx =Cx 0，調(diào)節(jié)可調(diào)電容C0，使C0=Cx 0。由于R4=R3，并使電位器RP的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)，即可調(diào)電阻RP的阻值為0。此時(shí)，電橋滿足Cx /C0=R4/R3的平衡條件，電橋輸出U0=0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ為零。如圖4（因篇幅所限，圖略。）

②當(dāng)往油箱中注油時(shí)，液位上升為Cx=Cx0+？駐Cx，而？駐Cx與液位h成正比，此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)可調(diào)電阻RP的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP阻值增大，d、c兩點(diǎn)的電阻也隨之增大。當(dāng)可調(diào)電阻RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又處于平衡狀態(tài)，輸出電壓Uo=0。于是電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針則停在轉(zhuǎn)角為θm處。

③由于油表的指針及可變電阻RP的滑動(dòng)臂同時(shí)被電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，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(dāng)油位下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)可調(diào)電阻RP的滑動(dòng)臂向0點(diǎn)移動(dòng)，RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，輸出電壓Uo為零。于是電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在與液位高度相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。

⑤從以上分析得到涉及“閉環(huán)控制”的結(jié)論：放大器的非線性及溫漂對(duì)測(cè)量精度影響不大。

總之，在教學(xué)過(guò)程中，教師要讓學(xué)生了解電容傳感器的工作原理和對(duì)非導(dǎo)電液體液位的測(cè)量，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。

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（廣東省梅州農(nóng)業(yè)學(xué)校）