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摘 要：液位测量系统广泛的应用于生产生活中，常用的测量方法也有很多，如浮球液位计、雷达液位计等。有些测量方法测量精度较高，耐腐蚀性强，但价格昂贵，受容器几何结构和材料特性影响较大，并且容易受电磁波干扰。除此以外，在工业领域，也有气泡法测量液位。将电容器原理和多谐振荡电路相结合而成的基于电容器原理的液位测量方法可准确有效地进行液位测量，具有应用广泛等优点。
关键词：电容器原理；液位测量；多谐振荡电路
一、测量原理及方法
该装置主要分为电容式传感器、多谐振荡电路两个部分[1]。其中电容式传感器将液位高度转换为电容的测量，多谐振荡电路又将电容转化为频率的测量，进而可以间接测量出被测液体的高度。
二、液位测量系统设计
电容式液位传感器用两个半径不同的圆筒形极板构成，由同高度的不锈钢管与不锈钢管芯各1根，555定时器，示波器1台，电阻若干，二极管，电压源，刻度尺，导线若干组成。具体装置如图一所示。
向极板间倒入一定量的被测溶液，则极板间共有两种介质，分别为空气和被测溶液。当传感器内充满单一介质时，电容器的电容值为：，其中L为不锈钢管和不锈钢芯的长度（m），ε为极板间介质的介电常数，R1是内圆桶形极板的外半径[2]，R2是外圆桶形极板的外半径。假设气体的介电常数为ε0，待测液体相对于气体的介电常数为ε1，被测液位高度为H，液体部分电容量为C1，气体部分电容量为C2，则：
所以此时的电容：
（1）
由此公式（1）可看出，在其他参数为定值的情况下，传感器电容的变化只与与液位高度H有关。
多谐振荡电路部分：多谐震荡电路如图二所示，其中Vcc为5V直流电源，Cx为被测电容，即图二所示装置。
接通电源后，Cx被充电，2管脚电压上升，当上升到2/3Vcc时，即输入达到高电频时，触发器被复位，同时555芯片内部放电三极管导通，此时U0为低电平。之后，Cx通过R2和放电三极管放电，使2管脚电压下降。当UA下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，U0翻转为高电平。CX放电所需的时间tPL=R2CXln2。
当放电结束后，放点三极管截止，Vcc通过R1、R2向Cx充电，2管脚电压由1/3Vcc上升到2/3Vcc，所需时间为tPH=（R1+R2）CXln2。
当2管脚上升到?Vcc时，触发器翻转，在输出端得到一个周期性的方波，其频率为，结合以上公式可得，整理得：
（2）
由上式可知，当电路设计完成后，振荡器输出f随CX的变化而改变。因而用示波器测出3管脚的输出频率即可由公式（2）计算得到被测电容的大小。之后将所计算得到的电容的大小带入公式（1）中，即可计算出液体的高度。
三、该装置的特点
通过该装置，利用电容器的方法将非电量的物理参数（液位高度）转化成电量（频率）进行测量，并对公式及电路进行了进一步校准，装置简单，可以测量不透明装置的液位高度，具有很强的实用性。
传统的液位测量系统，如浮球液位计是一种依靠浮力原理测量液位的方法，但是其测量精度低，安装受容器形状结构的限制也比较大，并且不适合用于腐蚀性强，有危险的介质。浮子式液位测量装置出现时期较早，基本测量原理是利用能够随液面漂浮的浮子、浮桶作为敏感器件，随液位变化通过装置带动变送器，比如可变电阻、电感线圈或者线性霍尔元件[3]。还有雷达液位计也是一種传统的液位测量方法，该测量方法虽然测量精度较高，耐腐蚀性强，但是其价格昂贵，受容器几何结构和材料特性影响较大，并且容易受电磁波干扰。除此以外，在工业领域，也有气泡法测量液位，气泡法是通过气源从容器底部向介质内充气，供气系统内的吹气压力只有与容器底部的液体静压平衡时，气体才会从气管内进入容器形成气泡，这种测量方法的维护费用较高并且精确度低。差压式液位计，有气相和液位两个取压口，气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力，这种测量方法成本高且精确度较低。
参考文献：
[1]崔天刚，张志伟，于慧彬，漆随平.电容式雨量传感器信号处理电路的设计.仪表技术与传感器.2015，2（2）：11-13.
[2]招惠玲，周美娟，胡远忠.电容式液位测量系统的设计.传感器技术.2004，23（3）：40-42.
[3]侯亚宾.电容式油位测量系统的设计与实验研究.南京理工大学硕士学位论文.2016.01.
作者简介：秦慧娴（1997—），女，本科在读，主要研究方向：电子信息科学与技术。
关键词：电容器原理；液位测量；多谐振荡电路
一、测量原理及方法
该装置主要分为电容式传感器、多谐振荡电路两个部分[1]。其中电容式传感器将液位高度转换为电容的测量，多谐振荡电路又将电容转化为频率的测量，进而可以间接测量出被测液体的高度。
二、液位测量系统设计
电容式液位传感器用两个半径不同的圆筒形极板构成，由同高度的不锈钢管与不锈钢管芯各1根，555定时器，示波器1台，电阻若干，二极管，电压源，刻度尺，导线若干组成。具体装置如图一所示。
向极板间倒入一定量的被测溶液，则极板间共有两种介质，分别为空气和被测溶液。当传感器内充满单一介质时，电容器的电容值为：，其中L为不锈钢管和不锈钢芯的长度（m），ε为极板间介质的介电常数，R1是内圆桶形极板的外半径[2]，R2是外圆桶形极板的外半径。假设气体的介电常数为ε0，待测液体相对于气体的介电常数为ε1，被测液位高度为H，液体部分电容量为C1，气体部分电容量为C2，则：
所以此时的电容：
（1）
由此公式（1）可看出，在其他参数为定值的情况下，传感器电容的变化只与与液位高度H有关。
多谐振荡电路部分：多谐震荡电路如图二所示，其中Vcc为5V直流电源，Cx为被测电容，即图二所示装置。
接通电源后，Cx被充电，2管脚电压上升，当上升到2/3Vcc时，即输入达到高电频时，触发器被复位，同时555芯片内部放电三极管导通，此时U0为低电平。之后，Cx通过R2和放电三极管放电，使2管脚电压下降。当UA下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，U0翻转为高电平。CX放电所需的时间tPL=R2CXln2。
当放电结束后，放点三极管截止，Vcc通过R1、R2向Cx充电，2管脚电压由1/3Vcc上升到2/3Vcc，所需时间为tPH=（R1+R2）CXln2。
当2管脚上升到?Vcc时，触发器翻转，在输出端得到一个周期性的方波，其频率为，结合以上公式可得，整理得：
（2）
由上式可知，当电路设计完成后，振荡器输出f随CX的变化而改变。因而用示波器测出3管脚的输出频率即可由公式（2）计算得到被测电容的大小。之后将所计算得到的电容的大小带入公式（1）中，即可计算出液体的高度。
三、该装置的特点
通过该装置，利用电容器的方法将非电量的物理参数（液位高度）转化成电量（频率）进行测量，并对公式及电路进行了进一步校准，装置简单，可以测量不透明装置的液位高度，具有很强的实用性。
传统的液位测量系统，如浮球液位计是一种依靠浮力原理测量液位的方法，但是其测量精度低，安装受容器形状结构的限制也比较大，并且不适合用于腐蚀性强，有危险的介质。浮子式液位测量装置出现时期较早，基本测量原理是利用能够随液面漂浮的浮子、浮桶作为敏感器件，随液位变化通过装置带动变送器，比如可变电阻、电感线圈或者线性霍尔元件[3]。还有雷达液位计也是一種传统的液位测量方法，该测量方法虽然测量精度较高，耐腐蚀性强，但是其价格昂贵，受容器几何结构和材料特性影响较大，并且容易受电磁波干扰。除此以外，在工业领域，也有气泡法测量液位，气泡法是通过气源从容器底部向介质内充气，供气系统内的吹气压力只有与容器底部的液体静压平衡时，气体才会从气管内进入容器形成气泡，这种测量方法的维护费用较高并且精确度低。差压式液位计，有气相和液位两个取压口，气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力，这种测量方法成本高且精确度较低。
参考文献：
[1]崔天刚，张志伟，于慧彬，漆随平.电容式雨量传感器信号处理电路的设计.仪表技术与传感器.2015，2（2）：11-13.
[2]招惠玲，周美娟，胡远忠.电容式液位测量系统的设计.传感器技术.2004，23（3）：40-42.
[3]侯亚宾.电容式油位测量系统的设计与实验研究.南京理工大学硕士学位论文.2016.01.
作者简介：秦慧娴（1997—），女，本科在读，主要研究方向：电子信息科学与技术。