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利用電容-數字轉換器檢測液位

發布時間：2020-05-20 來源：Jiayuan Wang 責任編輯：wenwei

【導讀】輸液和輸血等程序要求監控液體的確切數量，因此這些應用需要采用精確、易於實施的方法來實現液位的檢測。本文描述24位電容-數字轉換器和液位檢測技術，可通過測量電容對液位進行高性能檢測。

電容測量基礎知識

電容是物體存儲電荷的能力。電容C定義如下：C定義如下：

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，兩個麵積為A的平行金屬板間距為d。電容C為：

其中

C是電容，單位為F

A是兩塊板的重疊麵積, A = a × b

d是兩塊板之間的距離

ε_R是相對介電常數

ε_O是自由空間的介電常(ε_O ≈ 8.854 × 10⁻¹² F m⁻¹)

圖1. 兩塊平行板的電容

電容數字轉換器(CDC)

單通道AD7745和雙通道AD7746均為高分辨率Σ-Δ型電容-數字轉換器，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（出廠校準至±4 fF），非常適合檢測液位、位置、壓力和其他物理參數。

這些器件具有完整的功能，電容輸入端集成多路複用器、激勵源、用於電容DAC,溫度傳感器、基準電壓源、時鍾發生器、控製和校準邏輯、I2C兼容型串行接口以及高精度轉換器內核，該內核集成二階Σ-Δ型電荷平衡調製器和三階數字濾波器。轉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型調製器輸入端之間。轉換期間在Cx上施加方波激勵信號。調製器會不間斷地對流過Cx的電荷進行采樣，並將其轉換為0和1的流。調製器輸出1的密度經數字濾波器處理，確定電容值。濾波器輸出通過校準係數縮放調節。然後，外部主機便可通過串行接口讀取最終值。

圖2中的四個配置顯示了單端、差分、接地和浮動式傳感器應用中CDC如何檢測電容。

圖2. 單端、差分、接地和浮動傳感器應用中的配置

電容式液位檢測技術

一種簡單的液位監控技術是將平行板電容器浸入液體中，如圖3所示。隨著液位變化，板之間的電介質材料數量發生改變，導致電容也隨之改變。同時第二對電容傳感器（圖中為C₂）用作基準。

圖3. 電容式液位檢測

由於ε_R(水) >> ε_R(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:

其中

● Level是浸入液體的長度

● Ref是基準傳感器的長度

電容式液位檢測係統硬件

24位AD7746具有兩條電容測量通道，非常適合液位檢測應用。圖4顯示了係統功能框圖。傳感器和基準電容信號轉換為數字信號，數據通過I2C端口傳輸至主機PC或微控製器。

圖4. 電容式液位檢測係統

要實現精確測量，PCB設計很關鍵。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表麵盡可能靠近傳感器的地方。接地層暴露在PCB背麵。該應用使用了轉換器全部的兩個輸入通道。傳感器板如圖6所示。

圖5. 傳感器板和CDC連接

圖6. PCB正麵和反麵照片

傳感器板設計為在一塊PCB上的兩個共麵金屬板，而非兩個平行板。共麵極板在4層PCB內無需直接接觸液體。共麵極板電容的電介質由PCB材料、空氣和液體組成，軌道每一單位長度的電容值約為：

其中

● d是兩個平行軌道中點之間的距離

● 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ε_R(eff) ≈ 1

● 若d/h ≈ 1; 則ε_R(eff) = (1 + ε_R)/2

就該等式而言，測得的電容值與浸入液體的長度成比例，而共麵傳感器每一單位軌道長度的電容近似值不變。使用LabVIEW®軟件執行係統校準有助於實現更高的精度。

LabVIEW軟件

PC上運行的LabVIEW程序通過I2C串行接口獲取CDC數據。圖7是PC監視器上顯示的圖形用戶界麵(GUI)。啟動液麵演示係統後，會實時顯示液麵數據、環境溫度和電源電壓。

圖7. PC監視器上顯示的係統GUI

液麵推導公式為：

LabVIEW程序包括基本校準和高級校準，可實現更精確的測量。在浸入液體時進行幹（基本）校準用來確定體中。 C_1DRY和C_2DRY。濕(高級)校準則用來確定一階方程中增益和失調兩個未知量，通過在液位0英寸和4英寸先後進行校準測量可以得到兩個方程聯立推導出增益和失調。濕校準和測量過程中，基準電容必須完全浸入液體中。

結論

本文介紹了電容式液位檢測演示係統。

參考電路

AD7746評估套件

AD7746評估板技術文檔

Jia, Ning. “醫療保健應用中的ADI電容數字轉換器技術” Analog Dialogue, 模擬對話，第46卷第2期，2012年。

Scarlett, Jim. “電容數字轉換器為診斷係統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、電感和串擾分析, Artech House, 1990, ISBN: 978-0890063927.