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利用电容-数字转换器检测液位

发布时间:2020-05-20 来源:Jiayuan Wang 责任编辑:wenwei

【导读】输液和输血等程序要求监控液体的确切数量,因此这些应用需要采用精确、易于实施的方法来实现液位的检测。本文描述24位电容-数字转换器和液位检测技术,可通过测量电容对液位进行高性能检测。
 
电容测量基础知识
 
电容是物体存储电荷的能力。电容C定义如下:C定义如下:
 
利用电容-数字转换器检测液位
 
其中,Q是电容上的电荷,V是电容上的电压。
 
在图1所示电容中,两个面积为A的平行金属板间距为d。电容C为:
 
利用电容-数字转换器检测液位
 
其中
 
C是电容,单位为F
A是两块板的重叠面积, A = a × b
d是两块板之间的距离
εR是相对介电常数
εO是自由空间的介电常(εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)
 
利用电容-数字转换器检测液位
图1. 两块平行板的电容
 
电容数字转换器(CDC)
 
单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器,可测量直接连接输入端的电容。这些器件具有高分辨率(21位有效分辨率和24位无失码)、高线性度(±0.01%)和高精度(出厂校准至±4 fF),非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。
 
这些器件具有完整的功能,电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC,温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容型串行接口以及高精度转换器内核,该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。
 
所测电容Cx连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。转换期间在Cx上施加方波激励信号。调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样,并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理,确定电容值。滤波器输出通过校准系数缩放调节。然后,外部主机便可通过串行接口读取最终值。
 
图2中的四个配置显示了单端、差分、接地和浮动式传感器应用中CDC如何检测电容。
 
利用电容-数字转换器检测液位
图2. 单端、差分、接地和浮动传感器应用中的配置
 
电容式液位检测技术
 
一种简单的液位监控技术是将平行板电容器浸入液体中,如图3所示。随着液位变化,板之间的电介质材料数量发生改变,导致电容也随之改变。同时第二对电容传感器(图中为C2)用作基准。
 
利用电容-数字转换器检测液位
图3. 电容式液位检测
 
由于εR(水) >> εR(空气),传感器电容可由浸没部分的电容近似表示。因此,液位为 C1/C2:
 
利用电容-数字转换器检测液位
 
其中
 
● Level是浸入液体的长度
● Ref是基准传感器的长度
 
电容式液位检测系统硬件
 
24位AD7746具有两条电容测量通道,非常适合液位检测应用。图4显示了系统功能框图。传感器和基准电容信号转换为数字信号,数据通过I2C端口传输至主机PC或微控制器。
 
利用电容-数字转换器检测液位
图4. 电容式液位检测系统
 
要实现精确测量,PCB设计很关键。图5显示了传感器板和CDC连接。为了保证精度,AD7746安装在4层PCB表面尽可能靠近传感器的地方。接地层暴露在PCB背面。该应用使用了转换器全部的两个输入通道。传感器板如图6所示。
 
利用电容-数字转换器检测液位
图5. 传感器板和CDC连接
 
利用电容-数字转换器检测液位
图6. PCB正面和反面照片
 
传感器板设计为在一块PCB上的两个共面金属板,而非两个平行板。共面极板在4层PCB内无需直接接触液体。共面极板电容的电介质由PCB材料、空气和液体组成,轨道每一单位长度的电容值约为:
 
利用电容-数字转换器检测液位
 
其中
 
● d是两个平行轨道中点之间的距离
● l是轨道长度
● w是每一条轨道的宽度(假定宽度相等)
● t是轨道的厚度
● 有效εR由d与h的比值决定(h是PCB板的厚度)
● 若d/h >> 1; 则εR(eff) ≈ 1
● 若d/h ≈ 1; 则εR(eff) = (1 + εR)/2
 
就该等式而言,测得的电容值与浸入液体的长度成比例,而共面传感器每一单位轨道长度的电容近似值不变。使用LabVIEW®软件执行系统校准有助于实现更高的精度。
 
LabVIEW软件
 
PC上运行的LabVIEW程序通过I2C串行接口获取CDC数据。图7是PC监视器上显示的图形用户界面(GUI)。启动液面演示系统后,会实时显示液面数据、环境温度和电源电压。
 
利用电容-数字转换器检测液位
图7. PC监视器上显示的系统GUI
 
液面推导公式为:
 
利用电容-数字转换器检测液位
 
LabVIEW程序包括基本校准和高级校准,可实现更精确的测量。在浸入液体时进行干(基本)校准用来确定体中。 C1DRY和C2DRY。湿(高级)校准则用来确定一阶方程中增益和失调两个未知量,通过在液位0英寸和4英寸先后进行校准测量可以得到两个方程联立推导出增益和失调。湿校准和测量过程中,基准电容必须完全浸入液体中。
 
结论
 
本文介绍了电容式液位检测演示系统。
 
参考电路
 
AD7746评估套件
 
AD7746评估板技术文档
 
Jia, Ning. “医疗保健应用中的ADI电容数字转换器技术” Analog Dialogue, 模拟对话,第46卷第2期,2012年。
 
Scarlett, Jim. “电容数字转换器为诊断系统中的电平检测提供方便” Analog Dialogue,模拟对话,第48卷第2期,2014年。
 
Walker, Charles S. 电容、电感和串扰分析, Artech House, 1990, ISBN: 978-0890063927.
 
 
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