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利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位

發(fā)布時(shí)間:2020-05-20 來源:Jiayuan Wang 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】輸液和輸血等程序要求監(jiān)控液體的確切數(shù)量,因此這些應(yīng)用需要采用精確、易于實(shí)施的方法來實(shí)現(xiàn)液位的檢測。本文描述24位電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和液位檢測技術(shù),可通過測量電容對液位進(jìn)行高性能檢測。
 
電容測量基礎(chǔ)知識
 
電容是物體存儲電荷的能力。電容C定義如下:C定義如下:
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
 
其中,Q是電容上的電荷,V是電容上的電壓。
 
在圖1所示電容中,兩個(gè)面積為A的平行金屬板間距為d。電容C為:
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
 
其中
 
C是電容,單位為F
A是兩塊板的重疊面積, A = a × b
d是兩塊板之間的距離
εR是相對介電常數(shù)
εO是自由空間的介電常(εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖1. 兩塊平行板的電容
 
電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)
 
單通道AD7745和雙通道AD7746均為高分辨率Σ-Δ型電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器,可測量直接連接輸入端的電容。這些器件具有高分辨率(21位有效分辨率和24位無失碼)、高線性度(±0.01%)和高精度(出廠校準(zhǔn)至±4 fF),非常適合檢測液位、位置、壓力和其他物理參數(shù)。
 
這些器件具有完整的功能,電容輸入端集成多路復(fù)用器、激勵源、用于電容DAC,溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、控制和校準(zhǔn)邏輯、I2C兼容型串行接口以及高精度轉(zhuǎn)換器內(nèi)核,該內(nèi)核集成二階Σ-Δ型電荷平衡調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器。轉(zhuǎn)換器用作電容輸入的CDC和電壓輸入的ADC。
 
所測電容Cx連接在激勵源和Σ-Δ型調(diào)制器輸入端之間。轉(zhuǎn)換期間在Cx上施加方波激勵信號。調(diào)制器會不間斷地對流過Cx的電荷進(jìn)行采樣,并將其轉(zhuǎn)換為0和1的流。調(diào)制器輸出1的密度經(jīng)數(shù)字濾波器處理,確定電容值。濾波器輸出通過校準(zhǔn)系數(shù)縮放調(diào)節(jié)。然后,外部主機(jī)便可通過串行接口讀取最終值。
 
圖2中的四個(gè)配置顯示了單端、差分、接地和浮動式傳感器應(yīng)用中CDC如何檢測電容。
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖2. 單端、差分、接地和浮動傳感器應(yīng)用中的配置
 
電容式液位檢測技術(shù)
 
一種簡單的液位監(jiān)控技術(shù)是將平行板電容器浸入液體中,如圖3所示。隨著液位變化,板之間的電介質(zhì)材料數(shù)量發(fā)生改變,導(dǎo)致電容也隨之改變。同時(shí)第二對電容傳感器(圖中為C2)用作基準(zhǔn)。
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖3. 電容式液位檢測
 
由于εR(水) >> εR(空氣),傳感器電容可由浸沒部分的電容近似表示。因此,液位為 C1/C2:
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
 
其中
 
● Level是浸入液體的長度
● Ref是基準(zhǔn)傳感器的長度
 
電容式液位檢測系統(tǒng)硬件
 
24位AD7746具有兩條電容測量通道,非常適合液位檢測應(yīng)用。圖4顯示了系統(tǒng)功能框圖。傳感器和基準(zhǔn)電容信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,數(shù)據(jù)通過I2C端口傳輸至主機(jī)PC或微控制器。
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖4. 電容式液位檢測系統(tǒng)
 
要實(shí)現(xiàn)精確測量,PCB設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。圖5顯示了傳感器板和CDC連接。為了保證精度,AD7746安裝在4層PCB表面盡可能靠近傳感器的地方。接地層暴露在PCB背面。該應(yīng)用使用了轉(zhuǎn)換器全部的兩個(gè)輸入通道。傳感器板如圖6所示。
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖5. 傳感器板和CDC連接
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖6. PCB正面和反面照片
 
傳感器板設(shè)計(jì)為在一塊PCB上的兩個(gè)共面金屬板,而非兩個(gè)平行板。共面極板在4層PCB內(nèi)無需直接接觸液體。共面極板電容的電介質(zhì)由PCB材料、空氣和液體組成,軌道每一單位長度的電容值約為:
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
 
其中
 
● d是兩個(gè)平行軌道中點(diǎn)之間的距離
● l是軌道長度
● w是每一條軌道的寬度(假定寬度相等)
● t是軌道的厚度
● 有效εR由d與h的比值決定(h是PCB板的厚度)
● 若d/h >> 1; 則εR(eff) ≈ 1
● 若d/h ≈ 1; 則εR(eff) = (1 + εR)/2
 
就該等式而言,測得的電容值與浸入液體的長度成比例,而共面?zhèn)鞲衅髅恳粏挝卉壍篱L度的電容近似值不變。使用LabVIEW®軟件執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)有助于實(shí)現(xiàn)更高的精度。
 
LabVIEW軟件
 
PC上運(yùn)行的LabVIEW程序通過I2C串行接口獲取CDC數(shù)據(jù)。圖7是PC監(jiān)視器上顯示的圖形用戶界面(GUI)。啟動液面演示系統(tǒng)后,會實(shí)時(shí)顯示液面數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度和電源電壓。
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
圖7. PC監(jiān)視器上顯示的系統(tǒng)GUI
 
液面推導(dǎo)公式為:
 
利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位
 
LabVIEW程序包括基本校準(zhǔn)和高級校準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)更精確的測量。在浸入液體時(shí)進(jìn)行干(基本)校準(zhǔn)用來確定體中。 C1DRY和C2DRY。濕(高級)校準(zhǔn)則用來確定一階方程中增益和失調(diào)兩個(gè)未知量,通過在液位0英寸和4英寸先后進(jìn)行校準(zhǔn)測量可以得到兩個(gè)方程聯(lián)立推導(dǎo)出增益和失調(diào)。濕校準(zhǔn)和測量過程中,基準(zhǔn)電容必須完全浸入液體中。
 
結(jié)論
 
本文介紹了電容式液位檢測演示系統(tǒng)。
 
參考電路
 
AD7746評估套件
 
AD7746評估板技術(shù)文檔
 
Jia, Ning. “醫(yī)療保健應(yīng)用中的ADI電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)” Analog Dialogue, 模擬對話,第46卷第2期,2012年。
 
Scarlett, Jim. “電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器為診斷系統(tǒng)中的電平檢測提供方便” Analog Dialogue,模擬對話,第48卷第2期,2014年。
 
Walker, Charles S. 電容、電感和串?dāng)_分析, Artech House, 1990, ISBN: 978-0890063927.
 
 
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