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Aperçu texte


Capteur capacitif – Mesure de niveau

N.197

Présentation
Principe
La mesure du niveau d’un liquide contenu dans une cuve opaque peut être réalisée à l’aide
de capteurs capacitifs. Deux cas sont à envisager selon que le liquide est électriquement isolant
ou conducteur. Dans le cas d’un liquide isolant la variation de capacité est due au changement
de diélectrique dans le condensateur formé de deux conducteurs métalliques (voir figure 1).
Dans le cas d’un liquide conducteur, le condensateur est constitué d’un conducteur recouvert
d’une fine couche d’un matériau isolant (diélectrique) ; le liquide joue alors le rôle de la seconde
armature du condensateur (voir figure 2). La variation de capacité résulte alors du changement
de l’aire des armatures du condensateur.
métal

000isolant
111
métal111
000

métal
ǫair

air

liquide
h

isolant

e

C = C0 + αh

h

ǫliq

111
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000
111
air
000
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000
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000
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liquide
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111
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ondu teur
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000
111

e

e

F IGURE 1 – Mesure de niveau capacitive
pour un liquide isolant. En géométrie plane
α = 0 L( r −1)/e où L est la largeur de la
plaque ; en géométrie cylindrique
α=
2π 0 ( r −1)/ln((d+2e)/d) où d est le diamètre du
cylindre.

métal
ǫiso

C = βh

1111
0000
0000
1111
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0000
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0000
1111

e

F IGURE 2 – Mesure de niveau capacitive
pour un liquide conducteur. En géométrie
plane β = 0 r L/e où L est la largeur de
la plaque ; en géométrie cylindrique β =
2π 0 r/ln((d+2e)/d), si e d : β ' πd 0 r/e où d
est le diamètre du cylindre.

La capacité (C) varie linéairement avec la hauteur de liquide (h). La capacité C0 est la capacité du condensateur en l’absence de liquide. La pente (α ou β) dépend de la permittivité
du vide ( 0 ), de la constante diélectrique ( r ) du matériau isolant et de la géométrie (plane ou
cylindrique) du capteur.
Dans la pratique, la géométrie cylindrique est la plus simple à mettre en œuvre et permet
de minimiser les effets de bord. Pour les liquides isolants, une tige conductrice cylindrique
est introduite dans la cuve qui constitue souvent la seconde armature du condensateur. Pour
les liquides conducteurs, une tige conductrice et cylindrique, recouverte d’une couche d’un
matériau isolant, est introduite dans la cuve. Un second conducteur est plongé dans le liquide
(seconde armature du condensateur) pour permettre la mesure de capacité.
Enfin, dans le cas d’un liquide isolant, la capacité risque d’être très faible (e est grand) et les
effets de bords importants surtout si la cuve sert d’armature. Le capteur est alors utilisé comme
détecteur de niveau en “tout ou rien”. On détecte alors seulement une variation de capacité
quand la sonde plonge dans le liquide isolant. Le capteur n’a donc pas besoin d’être linéaire.

Comportement électrique de l’eau
On considère un condensateur formé de deux conducteurs de surface (S) séparés par une
épaisseur d’eau (eeau ) . Un tel condensateur est caractérisé par sa résistance Reau en parallèle
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