电容式的液位计是什么原理

电容式液位计是工业中非常常用的一种液位测量方法。其核心原理是 “将被测液位的变化，转化为电容器电容值的变化”。

一、核心工作原理：电容器

首先，回忆一下物理学中平行板电容器的公式：

$$C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{d}$$

• C： 电容量

• ${\epsilon }_0$： 真空介电常数（固定值）

• ${\epsilon }_r$： 相对介电常数（关键变量）

• A： 极板正对面积

• d： 极板间距离

从这个公式可以看出，要改变电容 C，有三种方式：

1. 改变介电常数 ${\epsilon }_r$（介质变化）

2. 改变极板正对面积 A

3. 改变极板距离 d

电容式液位计主要利用第1种方式，部分类型结合第2种方式。

二、主要测量类型

根据传感器结构和测量方式，主要分为两类：

1. 开关量/点式电容液位计

• 用途： 检测某个固定点是否有液位（如高位报警、低位报警）。

• 原理： 探头本身作为一个电极，容器壁（金属）作为另一个电极，形成电容器。当液体（介质）没接触到探头时，两电极间的介质是空气（或气相介质）；当液位上升浸没探头时，两电极间的介质变为液体。由于液体的介电常数 ${\epsilon }_r$ 通常远大于空气（空气 ${\epsilon }_r\approx 1$），电容值会突然增大。电路检测到这个电容跃变，即输出开关信号。

2. 连续量电容液位计

用于连续测量液位高度。根据结构不同，有两种实现方式：

a) 杆式/同轴式电容液位计

• 结构： 一根金属棒（内电极）与一个同心的金属套管（外电极）构成，中间有绝缘层。这相当于一个圆柱形电容器。

• 原理：

  • 当液位为零时，内外电极间的介质全是气相（空气/蒸汽），电容值为 C0。

  • 当液位逐渐上升时，液位以下的部分，介质变为液体；液位以上的部分，介质仍是气体。

  • 液体的 ${\epsilon }_r$ 远大于气体，所以随着液位升高，被液体介质填充的面积比例增加，总电容值 C 线性增加。

  • 通过测量电容值的变化量 $\mathrm{\Delta }C$，即可换算出液位高度 $H$。

b) 缆式/绳索式电容液位计

• 结构： 一根柔软的绝缘电缆（中心是金属导线作为内电极），外部包裹绝缘层和金属编织层（作为外电极），最外层是绝缘护套。测量时，将其垂直悬挂于容器中。

• 原理： 与杆式完全相同，只是将刚性金属杆换成了柔性电缆。总电容值与液位高度成正比。适用于深井、大型储罐等场合。

三、用于液氮液位测量的特殊考虑

当电容式液位计用于测量液氮时，需要特别注意以下几点：

1. 介电常数是关键：

   • 液氮（LN2） 的介电常数 ${\epsilon }_r\approx 1.4$。

   • 气态氮（GN2） 的介电常数 ${\epsilon }_r\approx 1.0$。

   • 两者差异 $\mathrm{\Delta }{\epsilon }_r=0.4$，这个差值相对较小（例如，水的 ${\epsilon }_r\approx 80$）。这意味着电容的变化量 $\mathrm{\Delta }C$ 也较小，对测量电路的灵敏度和抗干扰能力要求极高。

2. 低温适应性：

   • 所有材料（电极、绝缘层、护套、封装胶）必须能耐受 -196℃ 的极低温，不发生脆裂、收缩或性能剧变。

   • 绝缘材料在低温下的介电性能必须稳定。

3. 沸腾与扰动的影响：

   • 液氮剧烈沸腾会在传感器表面形成气泡，可能造成电容值的瞬间跳变，导致测量值波动。通常需要软件滤波或选择对扰动不敏感的同轴结构。

4. 校准（标定）：

   • 必须在实际工况（温度、压力）下，进行 “空罐”（全气相）和 “满罐”（全液相）两点标定，以确定电容与液位的线性关系。

四、与铂电阻法的对比

总结

电容式液位计通过感知液/气相介电常数的差异来工作，将液位高度的变化线性地转换为电容值的变化。在测量液氮时，它是一种响应快速、耐压性好的可靠方案，尤其适合需要连续、实时监控的场合。但其成功应用高度依赖于针对低温优化的传感器设计和高精度的信号处理电路。