利用電容式原理測量液位

袁明昱 秦慧嫻 郭晨晨

摘要 本文介紹一種基于電容式原理的液位測量方法，依靠測量傳感器中介質(zhì)的變化，獲取液位的高度。整個實驗分為兩個部分，首先利用電容式傳感器將待測液位的高度轉換為電容的大小，再利用振蕩電路將電容的測量轉換為頻率的測量，從而間接的測量液位高度。該方法由于原理簡單、使用安全、成本低以及使用壽命長等優(yōu)點被廣泛使用。

【關鍵詞】電容式傳感器 液位測量

1 測量原理

該實驗主要分為電容式傳感器、多諧振蕩電路兩個部分。其中電容式傳感器將液位高度轉換為電容的測量，多諧振蕩電路又將電容轉化為頻率的測量，利用示波器讀出頻率的大小，從而間接測量出液位的高度。

1.1 電容式傳感器

電容式液位傳感器用兩個半徑不同的圓筒形極板構成，具體裝置如圖1所示。

向極板間倒入一定量的被測溶液，則極板間共有兩種介質(zhì)，分別為空氣和被測溶液。當傳感器內(nèi)充滿單一介質(zhì)時，電容器的電容值為：

其中L為不銹鋼管和不銹鋼芯的長度（m），ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，R1是內(nèi)圓桶形極板的外半徑，R2是外圓桶形極板的外半徑。假設氣體的介電常數(shù)為ε0，待測液體相對于氣體的介電常數(shù)為ε1，被測液位高度為H，液體部分電容量為C1，氣體部分電容量為C2，則

由此公式（4）可看出，在其他參數(shù)為定值的情況下，傳感器電容的變化只與與液位高度H有關。

1.2 多諧振蕩電路

多諧震蕩電路如圖2所示，其中Vcc為5V直流電源，Cx為被測電容，即圖2所示裝置。

接通電源后，Cx被充電，2管腳電壓上升，當上升到2/3Vce時，即輸入達到高電頻時，觸發(fā)器被復位，同時555芯片內(nèi)部放電三極管導通，此時Uo為低電平。之后，Cx通過R2和放電三極管放電，使2管腳電壓下降。當UA下降到1/3Vce時，觸發(fā)器又被置位，Uo翻轉為高電平Cx放電所需的時間為

t PL=R2Cx In2

當放電結束后，放點三極管截止，Vcc通過Rl、R2向cx充電，2管腳電壓由l/3Vcc上升到2/3Vce，所需時間為

tPH=（R1+R2）Cxln2

當2管腳上升到2/3Vce時，觸發(fā)器翻轉，在輸出端得到一個周期性的方波，其頻率為

由上式可知，當電路設計完成后，振蕩器輸出f隨Cx的變化而改變。因而用示波器測出3管腳的輸出頻率即可由公式（5）計算得到被測電容的大小。之后將所計算得到的電容的大小帶入公式（4）中，即可計算出液體的高度。

2 實驗儀器與裝置

如圖3所示，左圖為內(nèi)半徑7.5cm，外半徑1Ocm，高20cm的雙層同心圓鐵桶，右圖為多諧振蕩電路。

3 數(shù)據(jù)測量與分析

在同一實驗室不同時間依此定量改變液位的高度，用示波器觀察輸出方波的頻率，通過公式計算出對應的電容值，并記錄數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如表1。為方便分析數(shù)據(jù)并得出結論，繪制了如圖4所示坐標圖，橫坐標為液位高度，縱坐標為對應的電容值，根據(jù)該曲線發(fā)現(xiàn)每次實驗的圖線雖然線性，但并不重合，即實驗的重復性較差。估計發(fā)生此現(xiàn)象的原因主要是不同實驗情況下的溫度不同，對液體介電常數(shù)的大小以及電路有影響。為證明假設，我們進行了大量重復性實驗，并記錄不同時刻的溫度值，發(fā)現(xiàn)在溫度相同的情況下實驗曲線基本擬合，而溫度不同時則產(chǎn)生如圖4所示的平行曲線。證明猜想正確。

4 實驗總結

由實驗數(shù)據(jù)及圖像可以知道，液位高度與電容的大小存在著良好的線性，證明實驗的可行性。相比傳統(tǒng)的液位測量方法，基于電容器原理的液位測量方法具有如下特點：

（1）物理背景較為新穎，利用電量對非電量進行測定。

（2）液位測量系統(tǒng)原理簡單，方法安全，成本低。

（3）電容式傳感器的使用壽命較長。

（4）可對導電或非導電液體均可進行實時測量。

（5）便于測量不透明容器內(nèi)的液體高度。

但在測量過程中可以發(fā)現(xiàn)，實驗的重復性較差，即實驗的測量受溫度影響較大。為彌補這一缺點，可以通過對實驗進行溫度補償?shù)姆椒▽嶒炦M行改進。

基于以上特點，相信未來電容式傳感器在液位測量方向?qū)⒂懈訌V泛的實用性與精確性。

參考文獻

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