用等电位传输技术提高电容式液位计测量精度

　　1　电容式液位计测量原理

　　在电容的两极板间充入不同介质时,电容量的大小有所不同。因此可以通过测量电容的变化来检测电容极板间所充入的介质的液位、料位。一个同轴结构的电容器(如图1)的电容量C为:

　　图2所示是典型的电容液位传感器,当被测液体是导电介质时,随液位变化的电容量C为:

　　这种传统的电容液位计具有成本低廉和结构简单等优点,因此得到了广泛的应用,但是其最大缺点是测量误差较大,对测量精度要求较高的场合很难满足要求。产生误差的原因主要有两部分,即固有电容C0中的引线电容受温度影响带来的误差和内电极挂料造成的误差。为提高测量精度,最近美国生产的电容液位计利用等电位传输技术,较好地克服了这两项误差。

　　2　等电位技术原理

　　为克服引线电容的影响,新型液位计的信号馈线采用双层屏蔽电缆,而且这种5层的双屏蔽结构一直延伸到传感器内部(见图3)。外屏蔽层与罐体相连并接大地,作为外电极,内屏蔽层由等电位驱动放大器驱动,使其与内电极保持等电位。驱动放大器采用射极跟随器,输入

　　与输出信号等电位、等相位、同频率但相互绝缘,这样内屏蔽层与内电极之间就不会有电流通过。虽然两者之间在物理上存在电容,但因电流为零其电学等效电容为零,因此引线电缆的温度效应和引线长短就不会对测量结果造成影响。内外屏蔽层之间电容中的电流由等电位驱动放大器提供,不参加被测回路,从而解决了电缆的影响。图4是测量电路原理图,图中信号源采用100kHz的正弦信号,桥路电容用于平衡系统的固有电容,当液位改变时被测等效电容也随着变化,测量电路根据交流电桥的输出大小测量出液位的高低。

　　3　消除挂料引起的误差

　　当传感器垂直安装测量强导电介质时,由于表面张力的作用在液位变化时会在内电极上产生挂料(见图5),传感器纵向挂料将造成较大的测量误差。由于挂料层很薄,其导电性要远小于正常液位部分,从电学角度看挂料部分等效于一段由分布电容和分布电阻组成的仿真线。根据理论分析,当挂料无限长时,等效的挂料电阻和挂料电容大小相等。液位的等效阻抗如图6,所以只要测量出挂料电阻的大小,对总被测电容作简单的修正就能消除因挂料引起的测量误差。

　　作者：富乃成　黄文锋(中国计量科学院　北京　100013)