利用电容-数字转换器检测液位

摘要：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。

1 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：

　　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：

　　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 ;

　　● ε_R是相对介电常数 ;

　　● ε_O是自由空间的介电常数(ε_O≈ 8.854 × 10^-12 F m^-1) 。

2 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。

3 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。

　　由于ε_R(水) >> ε_R(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：

　　其中：

　　● Level是浸入液体的长度;

　　● Ref是基准传感器的长度。

4 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。

　　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。

　　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：

　　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ε_R由d与h的比值决定(h是PCB板的厚度) ;

　　● 若d/h >> 1，则ε_R(eff)≈ 1;

　　● 若d/h ≈ 1，则ε_R(eff)= (1 + ε_R)/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。

5 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。

　　液面推导公式为：

　　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C_1DRY和C_2DRY。 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。

6 结论

　　本文介绍了电容式液位检测演示系统。

参考文献：

　　[1]AD7746评估套件

　　[2]AD7746评估板技术文档

　　[3]Ning Jia，医疗保健应用中的ADI电容数字转换器技术[J]。 模拟对话, 2012(46).2

　　[4]Jim Scarlett，电容数字转换器为诊断系统中的电平检测提供方便[J]。模拟对话，2014(48).2

　　[5]Charles S. Walker，电容、电感和串扰分析[J]。Artech House，1990，ISBN