Os instrumentos de nível capacitivo medem a capacitância elétrica de uma haste condutora inserida verticalmente em um vaso de processo. À medida que o nível do processo aumenta, a capacitância aumenta entre a haste e as paredes da embarcação, fazendo com que o instrumento emita um sinal maior. O princípio básico por trás dos instrumentos de nível capacitivo é a equação da capacitância:
Onde,
C = Capacitância
∈ = Permissividade do material dielétrico (isolante) entre as placas
A = Área de sobreposição das placas
d = Placas de separação de distância
A quantidade de capacitância exibida entre uma haste de metal inserida no vaso e as paredes de metal desse vaso variará apenas com as alterações de permissividade (∈), área (A) ou distância (d). Como A é constante (a área da superfície interna da embarcação é fixa, assim como a área da haste depois de instalada), somente alterações em ǫ ou d podem afetar a capacitância da sonda.
As sondas de nível capacitivo são fornecidas em duas variedades básicas: uma para líquidos condutores e outra para líquidos não condutores. Se o líquido no recipiente for condutor, ele não poderá ser usado como meio dielétrico (isolante) de um capacitor. Conseqüentemente, as sondas de nível capacitivo projetadas para líquidos condutores são revestidas com plástico ou alguma outra substância dielétrica, de modo que a sonda de metal forma uma placa do capacitor e o líquido condutor forma a outra:
Nesse estilo de sonda de nível capacitivo, as variáveis são permissividade (∈) e distância (d), uma vez que um nível de líquido crescente desloca o gás de baixa permissividade e atua essencialmente para aproximar eletricamente a parede do vaso da sonda. Isso significa que a capacitância total será maior quando a embarcação estiver cheia (∈ é maior e a distância efetiva d é mínima) e menos quando a embarcação estiver vazia (∈ do gás está em vigor e a uma distância muito maior).
Se o líquido não for condutor, poderá ser utilizado como o dielétrico, com a parede metálica do recipiente de armazenamento formando a segunda placa do capacitor. A sonda é apenas um cabo ou haste de metal:
Nesse estilo de sonda de nível capacitivo, a única variável que afeta a capacitância da sonda é a permissividade (∈), desde que o líquido tenha uma permissividade substancialmente maior do que o espaço de ar acima do líquido. Isso significa que a capacitância total será maior quando o tanque/sonda estiver cheio (a permissividade média ∈ é máxima) e menos quando o tanque/vaso estiver vazia. A distância (d) é constante com um líquido de processo não condutor, sendo o raio do vaso (assumindo que a sonda esteja montada no centro).
A permissividade da substância do processo é uma variável crítica no estilo não condutor da sonda de nível de capacitância e, portanto, uma boa precisão pode ser obtida com esse tipo de instrumento somente se a permissividade do material do processo for conhecida com precisão.
Uma maneira inteligente de garantir uma boa precisão de medição de nível quando a permissividade do material não é estável ao longo do tempo é equipar o instrumento com uma sonda de compensação especial (às vezes chamada sonda de composição) abaixo do ponto LRV no tanque que sempre estará submersa.
Como essa sonda compensadora está sempre imersa e sempre experimenta as mesmas dimensões A e d, sua capacitância é puramente uma função da permissividade da substância (∈). Isso fornece ao instrumento uma maneira de medir continuamente a permissividade do material, que ele usa para calcular o nível desse material no tanque com base na capacitância da sonda principal.
A inclusão de uma sonda de compensação para medir e compensar mudanças na permissividade é análoga à inclusão de um terceiro transmissor de pressão em um sistema especialista em tanque hidrostático para medir e compensar continuamente a densidade. É uma maneira de corrigir alterações na única variável do sistema que não está relacionada a alterações no nível.
Instrumentos de nível capacitivo podem ser usados para medir o nível de sólidos (pós e grânulos) além de líquidos. Nessas aplicações, o material em questão é quase sempre não condutor e, portanto, a permissividade da substância se torna um fator na precisão da medição. Isso pode ser problemático, pois as variações do teor de umidade no sólido podem afetar muito a permissividade, assim como as variações no tamanho dos grânulos. As sondas de compensação também podem não ser muito úteis, porque sua localização (na parte inferior do vaso) pode não as expor ao mesmo grau de granularidade do material e teor de umidade experimentado pela sonda principal.
Instrumentos de nível capacitivo são geralmente encontrados em aplicações em que a precisão não é importante. Esses instrumentos tendem a sofrer erros decorrentes de alterações na permissividade da substância do processo, alterações na permissividade do espaço de vapor do processo e erros causados pela capacitância perdida nos cabos das sondas.