电容式液位计的工作原理及应用

电容式液位计是根据电容的变化来测量液位高度的液位仪表，它主要是由电容液位传感和检测电容的电路组成。它的传感部件结构简单、动态响应快，且能够连续及时地反映液位的变化。电容式液位计的形式很多，有平级板式、同心圆柱式等，应用比较广泛。它对被测介质本身性质的要求不是很严格，既能测量导电介质和非导电介质，也可以测量倾斜晃动及高速运动的容器的液位，因此在液位测量中的地位比较重要。

1.检测原理

在液位的测量中，通常采用同心圆柱式电容器，如图3-98所示。

同心圆柱式电容器的电容量为

式中，D、d分别为外电极内径和内电极外径（m）；ε为极板间介质介电常数（F/m）；L为极板相互重叠的长度（m）。

图3-98 电容器

1—内电极 2—外电极

由上式可知，改变D、d、ε、L其中任意一个参数时，电容量C₀都会变化。但在实际液位测量中，D和d通常是不变的，电容量与电极长度和介电常数的乘积成正比。由液位变化引起的等效介电常数变化，使电容量变化，根据电容量变化来计算液位高度，就是电容式液位计的测量原理。

2.导电液体的液位测量

图3-99 导电液体液位测量示意图

1—内电极 2—绝缘套

因为圆筒形电极会被导电液体短路，所以对于导电液体的液位测量，一般用绝缘物覆盖作为中间电极。内电极材质一般用纯铜或不锈钢，外套绝缘层材质为聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷，电容器的外电极由导电液体和容器壁构成，其结构如图3-99所示。

当容器内没有液体时，液位H=0，内电极和容器壁组成电容器，绝缘层和空气为介电层，此时电容量为

当液面的高度为H时，有液体部分由内电极和导电液体构成电容器，绝缘套为介电层。此时整个电容相当于有液体部分和无液体部分并联的两个电容，因此电容量为

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式中，ε₁、ε₂分别是分别为气体介质和绝缘套组成的介电层的介电常数和绝缘套的介电常数；L为电极和容器的覆盖长度；d、D和D₀分别为内电极、绝缘套的外径和容器的内径。将（3-133）式减去（3-132）式可得液面高度为H时的电容变化量，即

若D₀＞＞d、ε₁＜＜ε₂时，上式可简化为

由上式可以看出，电容变化量与液位高度成正比，如果测得电容变化量，就可以知道液位H的值。因此准确地检测出电容的变化量是测量的关键。

对于黏度比较大的液体介质，当液位变化时，液体会附着在内电极绝缘套管表面，较易形成虚假液位，因此应尽量内电极表面光滑，以免造成测量误差。

图3-100 非导电液体液位测量示意图

1—内电极 2—绝缘套 3—绝缘材料 4—流通孔或槽

3.非导电液体的液位测量

非导电液体电容式液位计与导电液体电容式液位计不同的是前者有专门的外电极。它有内外两个圆筒电极，并且用绝缘材料绝缘固定两电极，外电极上均匀开设有许多孔或槽，以便被测液体自由流动，使电极内外液位相同，其结构如图3-100所示。

当被测液位H=0时，电容器的电容量为

当被测液体的液位变为H时，电容器的电容量为

上两式中ε、ε₀分别为被测液体和气体的介电常数。将式（3-137）减去式（3-136）得

由（3-138）式可以看出，非导电液体电容式液位计与导电液体电容式液位计的测量原理相同。当ε-ε₀越大，D和d比值越接近，灵敏度越高。