一种用于磁翻柱液位计中的新型容栅传感器的仿真研究与数值分析

　　1前言

　　磁翻柱液位计具有高密封，防泄漏，可靠性好等优点，既可以直观的显示液位高度，又可以实现4～20mA 电信号远传，得到广泛的应用。它普遍采用干簧管来检测浮子的位置如图1(a)所示常常根据干簧管的闭合使得测量的阻值变化，从而将物理信号转换为电信号，由于干簧管只能工作在120以下的工作环境中，因此在高温环境下，干簧管磁翻柱液位计不能实现电信号的转换。为了能在高温下仍对液位状况实现远距离指示、检测、记录与控制，作者在原来的磁翻柱液位计基础上进行了改进，并提出了一种新型的容栅传感器，其结构如图 1(b)所示，它既具有干簧管磁翻柱液位计的优点，又能满足高温下电信号的远传。

　　磁翻柱液位计中的容栅传感器，如图2 所示。容栅传感器由N个圆柱型的磁翻柱和绝缘板上的N对电极组成，每对电极又由在同一平面上嵌付在绝缘板上的一个激励电极a和一个接收电极b组成。并且每对电极正对一个可翻转的侧表面一半镀铜的圆柱形磁翻柱，每一个磁翻柱内部含有一个磁铁。当液位上升到某个高度时，测量筒内的浮漂也跟着上升到某个位置，在上升的过程中，由于磁场作用，使得磁柱随着浮漂的上升而翻转180度，即液位以下的磁柱为镀铜一面正对电极，可以等效成两个电容串联，液位以上的磁柱为无镀铜一面正对电极，可以等效为一个中间充有陶瓷介质的电容，从而与电极产生两个不同的电容值，它们的电容等效图如图 3 所示。在激励电极上加高频正弦激励电压，通过电容检测电路检测电极的电容量，并输出与传感器电容值成正比的电压信号，从而区分磁翻柱是否翻转，设已翻转磁柱数目为 m，则液位高度为h=m(d+c), 其中d为磁翻柱横截面圆的直径，c为磁柱之间的间隙，由于d、c均是常量(由磁翻柱液位计的尺寸决定)，因此只要求出 m 值即可求得液位高度 h。

　　为了测量出准确的 m 值，研制了一种新型的容栅传感器，它的特殊性如下：(1) 发射极板和接收极板均是定极板，且始终固定在同一平面上。(2) 极板之间电容值的变化是通过改变总电容的组成而实现的。(3)电容值的变化受控于磁翻柱液位计测量筒内磁浮子的浮动。由于电容极板直接影响了测量的准确性，因此需要对电容极板进行建模研究，并设计出最优的形状和结构参数。

　　2 基于Hybrid-Trefftz方法的有限元模型

　　如图4所示为单对电极与磁翻柱的Hybrid-Trefftz有限元模型。并对其作如下假设：

　　(1) 基于电磁场理论，设敏感场为似稳场，即对场域施加激励电流，认为各处电场同时发生变化，忽略电流传输时间;