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任务三： 固体或液体的物位测量 3.1 概述 3.2 电容式传感器的工作原理、测量电路 3.3 电容式传感器用于固体或液体的物位测量 3.1 概述 物位测量： 液位—气体和液体间的分界面。 界位—两种不同液体间的接触面；液体与固体间的 接触面。 料位—气体与固体颗粒或粉末的分界面。 物位测量的目的在于要正确的测知容器或设备中存储物 质的容量或质量。这不仅是物料消耗或产量计量的参数，也 是保证连续生产和设备安全的重要参数。 测量液位、界位或料位的仪表称为物位测量仪表又称物 位计，进而又分：液位计、界位计和料位计。这些仪表由于 其测量的对象不同，且应用的工况亦不同，因此其原理、结 构和使用方法亦不相同。本任务仅对常用的电容式传感器及 测量仪表进行介绍。 玻璃管液位计 浮标液位计 浮筒液位计 法兰式物位计 电容式物位计 γ射线料位计 超声波物位计 雷达物位计 磁致伸缩物位计 光纤物位计 重锤物位计 3.2 电容式传感器的工作原理、测量电路 3.2.1 电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如 果不考虑边缘效应，其电容量为 C S d 当被测参数变化使得S、 d或ε发生变化时， 电容 量C也随之变化。 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个 参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通 过测量电路就可转换为电量输出。 电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介 电常数型三种。 1 2 (a) (g) (b) (h) (c) (i) (d) (e) (j) 电容式传感元件的各种结构形式 ( k) (f) (l) 1、 S d r 图3.1 变间隙式电容式传感器 当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，由式（3-1）可 知其初始电容量C0为 C0 0 r S d0 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了 ΔC 0 r S C0 C C0 C d0 d 1 d d0 在式中，若Δd/d0<<1时，则展成级数： d d 2 d 3 d C C0 1 C0 1 d d d d 0 0 0 0 此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只 有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。 另外，在d0 较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增 大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿 或短路。 为此，极板间可采用高介 dg 料膜等）作介质, 如图 所示， g 0 此时电容C变为 C C C1 C2 S dg 0 g S 0 S d0 dg d0 0 g 0 C1 C2 0 g S 0 S=7； 式中：εg——云母的相对介电常数，ε g d d g 0 ε ——空气的介电常数，ε =1； 0 d0 电常数的材料（云母、 塑 0 放置云母片的电容器 0 g S 0 S 0 g S S d ——空气隙厚度； 0 0 g Sd0 0 Sdg g d 0 d g d 0 d g dg——云母片的厚度。 0 0 g 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不 小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片， 极板间起始距离可大大减小。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20~100pF之间， 极板间距离在25~200μm 的范围内。最大 位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。 0 d1 0 C1 d2 差动形式的电容传感器 C2 图3.2 差动平板式电容传感器结构图 S ——把电容位移传感器连接成差动形式，当中间活动极板 移动时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化 为两者的代数和。这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附 近工作的线性度也得到了改善。 0 d0 动极板上移时： 0 d1 d1 d 2 d 0 , C 0 S C1 d2 初始位置时， C2 d1 d 0 d , d 2 d 0 d d C1 C 0 C C 01 d 0 d d0 S S 1 d C 2 C 0 C C 01 d 0 d d0 1 S 0 d d 2 d 3 C1 C 0 1 ...... d 0 d 0 d 0 d d 2 d 3 C 2 C 0 1 ...... d 0 d 0 d 0 3 d d .......] C C1 C2 C0 [2 2 d0 d0 d1 当d / d 0 1时， C1 d2 0 C2 S 2 3 d d C d .......] 2 [1 C0 d0 d0 d0 C d 2 C0 d0 C0 C S K 2 2 2 d d0 d0 非线性误差为： d d 0 0 d1 0 C1 d2 双板式差动电容器 C2 3 2 100% d 100% d0 d d 0 线性度得到改善 S 2、 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变， a 从而得到电容量的变化。 b d S x x a d b 2、 S x 当动极板相对于定极板沿长度方 向平移Δx时，则电容变化量为 C C C0 0 r x b d x 式中C0=ε0εr ba/d C x C0 a 这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈 线性关系。 右图是电容式角位移传感器 原理图。当动极板有一个角位移θ 时，与定极板间的有效覆盖面积 就发生改变，从而改变了两极板 间的电容量。当θ=0时，则 C0 0 r S0 d0 式中： εr——介质相对介电常数； d0——两极板间距离； S0——两极板间初始覆盖面积。 ¶¯¼«°å ¶¨¼« °å 电容式角位移传感器原理图 当θ≠0时， ¶¯¼«°å 0 r S0 1 C C0 C0 d0 ¶¨¼« °å 从上式可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。 D d 3、 此时变换器电容值为： H h 21h 2 1 ( H h) C D D 1n 1n d d 电容式液位变换器结构原理图 2H 2h( 1 ) 2h( 1 ) C0 D D D 1n 1n 1n d d d 2H 式中： C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, C 即0 D 1n d 可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 1 L0 L r2 r1 d0 变介质型电容传感器有较多的结构形式，上图是一种 常用的结构形式。 图中两平行电极固定不动，极距为d0 ，相对介电常 数为 εr2 的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两 种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C C C1 C2 0b0 r1 ( L0 L) r 2 L d0 L0 L r2 r1 d0 若电介质 εr1=1, 当 L=0时，传感器初始电容 C0=ε0εrL0b0/d0 。 当被测介质 εr2 进入极板间L深度后， 引起电容相对变化量为 C C C0 ( r 2 1) L C0 C0 L0 可见，电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。 表： 电介质材料的相对介电常数 3.1.2、电容式传感器的测量电路 Cx 1、 由于运算放大器的放大倍数 非常大，而且输入阻抗Zi 很高, 运算放大器的这一特点可以作为 电容式传感器的比较理想的测量 电路。 C0 E I0 Ix -A I USC Cx为传感器，C0为固定电容。 当运算放大器输入阻抗很高、增 Cx 益很大时，可认为运算放大器输 C0 入电流为零，根据克希霍夫定律， 有： I0 E jC 0 Ix U SC jC x I0 I x E I0 U SC Ix -A I C0 E Cx USC U SC C0 E Cx Cx 如果传感器是一只平行板电容， 则： S Cx d C0 d U SC E S C0 E I0 Ix -A I USC 上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出 的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。 2、 电桥电路 电桥电路是电容式传感器最基本的一种测量电路。 图中C1、C2是差动电容式传感器的 两个电容，另两个臂可以是电阻、 电感或电容，也可以是变压器的两 个次级线圈。 这种电桥的灵敏度和稳定性较高， 且寄生电容影响小，简化了电路屏 蔽和接地，适合于高频工作，已广 泛应用 Z1 C1 Z2 C2 U~ ~Uo 2、 电桥电路 电桥电路是电容式传感器最基本的一种测量电路。 右图另外两个臂为变压器次级 线圈，使用元件少， 桥路电阻小，应用较多。 U C1 C0 C U0 C2 C0 C U 图中C1、C2为差动电容传 U C1 C0 C 感器的电容。变压器次级 的中点接地作为输出电压 U0 C2 C0 C U0的零点。当负载阻抗无 穷大时，电桥的输出电压 U 为： U 0 2U Z2 Z Z1 U 2 U Z1 Z 2 Z1 Z 2 1 1 1 J C2 1 J C1 U C2 C1 U C1 C2 U 1 1 1 J C1 1 J C2 C1 C2 C1 C2 由于电桥输出电压 与电源电压成比例， 因此要求电源电压 波动极小，需采用 稳幅、稳频等措施。 电桥测量电路 在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工 作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大； 接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小， 所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。 3、 把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导 致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。 Cx L Õñµ´Æ÷ CxµçÈݱ任Æ÷ f u ÏÞ·ù·Å´óÆ÷ f u ¼øƵÆ÷ Cx L Õñµ´Æ÷ f u ÏÞ·ù·Å´óÆ÷ f u ¼øƵÆ÷ CxµçÈݱ任Æ÷ 可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时 系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的 变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记 录仪记录下来。如图5-11所示。 图中调频振荡器的振荡频率为 f 1 2 LC f 1 2 LC 式中： C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为 振荡回路固有电容, C2为传感器引线分布电容, Cx=C0±ΔC 为传感器的电容。 Cx L Õñµ´Æ÷ f u ÏÞ·ù·Å´óÆ÷ f CxµçÈݱ任Æ÷ 调频式测量电路原理框图 u ¼øƵÆ÷ 当被测信号为0时，ΔC=0，则C=C1+C2+C0 ，所以振荡器有 一个固有频率f0, 其表示式为 1 f0 2 (C1 C2 C0 ) L 当被测信号不为0时，ΔC≠0， 振荡器频率有相应变化， 此时频 率为 1 f f 0 f 2 (C1 C2 C0 C ) L 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度， 可 以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易 于用数字仪器测量， 并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可以发送、 接收， 以达到遥测遥控的目的。 4、 脉冲宽度调制电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电 容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流 信号。 C1 、 C2 为差动式传感 器的两个电容，若用 单组式，则其中一个 D1 + A1 - 为固定电容，其电容 值与传感器电容初始 Ur 值相等；A1 、A2 是两 个比较器， Ur 为其参 考电压。 -A 2 + S Q 双稳态 触发器 R M A R1 C 1 USC P B R2 C2 N Q D2 差动脉冲调宽电路 C1、C2为差动式传感器 A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。 A高 通过R1向C1充电 B低 UM电位上升 当UM U r时，Us为高 RS触发器真值表 R S Q 0 1 1 1 0 0 0 0 不变 1 1 不定 UN U r， UR 为低 A低 B高 如此循环反复，AB将输出方波 差 动 脉 冲 调 宽 电 路 各 点 电 压 波 形 图 uA U1 uA U1 0 t 0 t 0 t 0 uAB U1 t uB U1 uAB U1 t 0 -U1 UM Ur T1 t Ur Ur t 0 当C1=C2时 T1 t 0 UN T2 t 0 -U1 UM Ur 0 UN uB U1 T2 t 0 当C1>C2时 USC =UA- UB U AP U BP 当C1=C2时 当C1>C2时 T1 U1 T1 T2 UAP、UBP—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T2 U1 T1 T2 U1 U1 T1 R1C1 ln ; T2 R2C2 ln U1 U r U1 U r 设R1＝R2＝R，则: T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。 U1—触发器输出的高电位。 C1 C2 USC = U1 C1 C2 说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传 感器两电容差值成正比。 U1—触发器输出的高电位。 C1 C2 USC = U1 C1 C2 对于差动式变极距型电容传感器： USC d U1 d0 U1—触发器输出的高电位。 C1 C2 USC = U1 C1 C2 差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有 理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高， 不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等； 对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压， 对输出矩形波的纯度要求也不高。 3.2. 电容式传感器用于 固体或液体的物位测量 1、电容式液位计 电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原 理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导 电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及 高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连 续测量。 (1)安装形式 电容式液位计的安装形式因被测 介质性质不同而有差别. 右图为用来测量导电介质的单电极 电容液位计，它只用一根电极作为电容 器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外 套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘 层，而导电液体和容器壁构成电容器的 外电极。 1-内电极；2-绝缘套 (1)安装形式 右图为用于测量非导电介质的同 轴双层电极电容式液位计。内电 极和与之绝缘的同轴金属套组成 电容的两极，外电极上开有很多 流通孔使液体流入极板间。 1、2-内、外电极； 3-绝缘套； 4-流通孔 1、电容式液位计 以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它 特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测 量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与 容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导 电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容； 在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低。可取同轴 多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两 组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。 2、电容式料位计 (1) 非导电固体料位 内电极——不锈钢金属棒； 外电极——金属容器壁。 2 ( x 0 ) C H R ln r εx —固体介质介电常数； R—容器壁内径； 返回 2、电容式料位计 (2) 导电固体料位 内电极加绝缘套管， 原理同导电液位。 同理，可测导电和非导电以及两 介电常数不同的非导电液体界位。 返回 3、射频导纳物位计 射频导纳技术是一种能消除挂料影响、可靠准确、使用 更广的液位测量技术。 测电容 射频导纳：用高频电源测量系统导纳。 以导纳变化反映液位变化。 适用于导电高粘度介质物位测量。 物料横截面积>>挂料层横截面积 且具有导电性，则物料电阻可略。 物料作为电容一个 极板，物位以下电容 变化量仍可示为： 2 C H R ln r 测复数阻抗 排除挂料 1 Z R jwL jwC Y 1 Z 返回 挂料层电阻不能忽略。等效为： 由无穷多个无穷小的电容和电阻组成的传输线。 据电化学实验：导电挂料足够长，挂料和电极形成的以 绝缘层为介质的电容容抗XC挂与挂料电阻R数值相等。即 X C挂 1 R C 挂 测得电容为： Cx= ∆C + C挂 ∆C—真实物位的电容； C挂—导电挂料所表现的电容。 由射频导纳原理，导电挂料电阻R含挂料电容，测得C挂 则 ∆C= Cx-C挂 ，得∆ C可知H。 返回 适用于污水处理、纸浆、化学制剂、煤粉灰浆、原油等 测量。尤其适用于导电(电导率>100μs/cm) 的粘稠介质。 不受挂料、温度、压力、材料密 度、湿度、甚至物料化学特性变化 的影响。 介质温度范围：-185~800 ℃ 可耐压力：6.4MPa 精度：0.5级 返回