电容式料位传感器

基本结构与工作原理

电容式料位传感器由罐壁和安装在罐顶部的测定电极构成。罐壁作为电容的一个极板，插入罐内的测定电极作为另一个极板，两者之间的空间填充空气和被测物料，形成以空气和物料为介质的电容器。

当罐内没有物料时，极板间介质为空气，介电常数为 ${\epsilon }_0$。当罐内放入被测物料后，物料占据罐内一定高度 $h$，由于物料的相对介电常数 ${\epsilon }_r$（无量纲）通常大于空气的相对介电常数（近似为 $1$），极板间等效相对介电常数增大，电容量随之增大。物料高度 $h$ 越大，物料占据的极板间空间越多，电容量变化量越大。

电容量的构成与变化关系

设罐内物料高度为 $h$，罐直径为 $D$，测定电极直径为 $d$。极板间空间可分为两部分：

• 物料占据的部分，高度为 $h$，介质为物料，相对介电常数为 ${\epsilon }_r$；
• 物料上方空气占据的部分，介质为空气，相对介电常数为 $1$（近似）。

两部分可视为并联的电容分量。物料部分的电容与 $h$ 成正比，空气部分的电容与剩余高度成正比。总电容量随 $h$ 增大而单调增大，且变化量与 $h$ 成比例。因此，通过检测电容量变化即可测定物料高度。

符号与单位

• $h$：物料在罐内的高度，单位 m；
• $D$：罐直径，单位 m；
• $d$：测定电极直径，单位 m；
• ${\epsilon }_0$：空气（真空）介电常数，单位 F/m；
• ${\epsilon }_r$：物料的相对介电常数，无量纲；
• $C$：传感器电容量，单位 F。

适用范围与条件

该方法适用于被测物料的介电常数与空气有明显差异、且物料不导电或弱导电的场合。若物料导电，极板间可能形成导电通路，等效电容模型不再成立。测量结果受物料介电常数稳定性影响，物料成分或湿度变化会改变 ${\epsilon }_r$，从而引入误差。

电容或读出幅值与被测量的线性关系，须在给定结构、固定其他几何和介电参数及规定的小变化或均匀介质条件下成立；电压正比于电容不自动意味着电压正比于任意厚度、距离或料位。