电容式液位传感器（Capacitive Level Sensor）是通过检测电容器电容值的变化来测量液位高度的装置。其核心原理是利用液体介质与空气（或其他介质）的介电常数差异，改变电容器的电容量，进而转换为液位信号。以下是详细工作原理：

1. 基本结构

电容式液位传感器通常由以下部分组成：

  • 探测电极：金属棒或金属管，作为电容器的一个极板。

  • 参考电极：容器壁或另一根金属棒（双电极式），作为电容器的另一个极板。

  • 绝缘层：电极表面可能覆盖绝缘材料（如PTFE），防止直接导电（适用于导电液体）。

  • 测量电路：将电容变化转换为电信号（如电压、电流或数字信号）。

2. 工作原理

(1) 电容的形成

  • 当电极浸入液体中时，电极与液体/空气之间形成电容器，其电容量公式为：

    �=2��0��ℎln⁡(�/�)

    • �：电容量

    • �0：真空介电常数

    • ��：介质（液体或空气）的相对介电常数

    • ℎ：电极浸入液体的高度

    • �,�：电极与容器壁的几何尺寸（如直径、间距）

(2) 液位变化引起的电容变化

  • 液体介电常数（�liquid）通常远大于空气（�air≈1）。

  • 当液位上升时，电极被液体覆盖的部分增加，整体电容增大（因液体部分贡献更高的介电常数）。

  • 测量电路通过检测电容变化量（Δ�）即可推算出液位高度。

3. 导电 vs. 非导电液体的区别

(1) 非导电液体（如油、纯水）

  • 直接测量：液体作为电介质，电极与容器壁（或另一电极）构成电容器。

  • 电容变化与液位高度呈线性关系（Δ�∝ℎ）。

(2) 导电液体（如酸、碱、盐水）

  • 绝缘层保护：电极表面需覆盖绝缘层（如PTFE），否则液体会短路电极。

  • 等效电容：绝缘层与导电液体形成固定电容，液位变化仅改变电容的有效面积，仍可线性测量。

4. 信号处理与输出

  • 测量电路：通常采用振荡电路、桥式电路或专用IC（如电容数字转换器），将电容变化转换为标准信号（4～20mA、0～10V、RS485等）。

  • 温度补偿：介电常数可能受温度影响，需通过算法或硬件补偿。

5. 特点与优缺点

优点：

  • 无活动部件，结构简单，可靠性高。

  • 适用于高压、高温、腐蚀性液体（选耐腐蚀电极和绝缘层）。

  • 可测量粘稠、悬浮颗粒介质（如泥浆、油类）。

缺点：

  • 需校准介电常数（不同液体需重新标定）。

  • 易受泡沫、沉积物影响（需定期清洁电极）。

  • 对安装位置敏感（容器形状需规则）。

6. 典型应用

  • 化工储罐：强酸、碱液位监测（需绝缘层）。

  • 食品行业：食用油、饮料液位测量。

  • 燃油箱：汽车、飞机油箱液位检测。

  • 制药：高纯度液体（如酒精）的卫生级测量。

示意图

[电极] → 绝缘层（导电液体需覆盖）
|
|←空气（ε≈1）→|
|←液体（ε≫1）→|
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[容器壁或参考电极]

通过检测电极与参考电极之间的电容变化，即可精确计算出液位高度。