使用電容式數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行液位檢測

輸液和輸血等程序需要監(jiān)測精確量的液體，因此需要一種準確、易于實施的液位檢測方法。本文介紹可實現(xiàn)液位高性能電容式檢測的24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器和液位檢測技術(shù)。

電容測量基礎(chǔ)知識

電容是物體儲存電荷的能力。電容 C 由下式給出

其中

Q

是電容器上的電荷，

V

是電容器兩端的電壓。

在圖1所示的電容器中，兩個面積

為A

的平行金屬板相隔距離d。電容

C

為

哪里

C 是以法拉為單位的電容

A 是兩個板塊的重疊面積 = a × b

d 是兩個板之間的距離

εR是相對靜態(tài)介電常數(shù)

εO是自由空間的介電常數(shù) （εO≈ 8.854 × 10?12F m?1)

圖1.兩個平行板的電容。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （CDC）

單通道AD7745和雙通道AD7746高分辨率Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可測量直接連接到其輸入端的電容。它們具有固有的高分辨率（21 位有效分辨率，24 位無失碼）、高線性度 （±0.01%） 和高精度（±4 fF 工廠校準），是檢測液位、位置、壓力和其他物理參數(shù)的理想選擇。

功能齊全，它們集成了多路復用器、激勵源、用于容性輸入的開關(guān)電容DAC、溫度傳感器、基準電壓源、時鐘發(fā)生器、控制和校準邏輯、I2C兼容串行接口和高精度轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，其中包括二階Σ-Δ電荷平衡調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器。該轉(zhuǎn)換器用作電容輸入的CDC和電壓輸入的ADC。

測得電容，Cx，連接在激勵源和Σ-Δ調(diào)制器輸入之間。將方波激勵信號施加到Cx在轉(zhuǎn)換過程中。調(diào)制器連續(xù)對通過C的電荷進行采樣x并將其轉(zhuǎn)換為 0 和 1 的流。數(shù)字濾波器處理調(diào)制器輸出以確定電容，電容由1s的密度表示。濾波器輸出按校準系數(shù)縮放。然后，外部主機可以通過串行接口讀取最終結(jié)果。

圖2所示的四種配置展示了CDC如何在單端、差分、接地和浮動傳感器應(yīng)用中檢測電容。

圖2.適用于單端、差分、接地和浮動傳感器應(yīng)用的配置。

電容式液位檢測技術(shù)

監(jiān)測液位的一種簡單技術(shù)是將平行板電容器浸入液體中，如圖3所示。隨著液位的變化，板之間的介電材料量發(fā)生變化，從而導致電容也發(fā)生變化。第二對電容式傳感器（顯示為C2） 用作參考。

圖3.電容式液位檢測。

由于εR（水）>> εR（空氣），傳感器的電容可以用浸沒部分的電容近似。因此，液體的液位可以計算為 C1/C2:

哪里

液位是浸沒在液體中的長度

Ref 是參考傳感器的長度

電容式液位傳感系統(tǒng)硬件

24位AD7746具有兩個電容測量通道，非常適合電平檢測應(yīng)用。圖 4 顯示了系統(tǒng)框圖。傳感器和基準電容轉(zhuǎn)換為數(shù)字電容，數(shù)據(jù)通過I2主機 PC 或微控制器的 C 端口。

圖4.電容式液位傳感系統(tǒng)。

PCB設(shè)計對于精確測量至關(guān)重要。圖 5 顯示了傳感器板和 CDC 連接。為了保持精度，AD7746安裝在PCB的頂面上，盡可能靠近4層PCB內(nèi)部的兩塊金屬板。接地層暴露在PCB的背面。兩個輸入通道都在應(yīng)用中使用。傳感器板如圖6所示。

圖5.傳感器板和 CDC 連接。

圖6.頂部和底部PCB的圖片。

傳感器板設(shè)計使用兩個共面金屬板而不是兩個平行板。對于PCB上的平行板，電介質(zhì)由PCB材料，空氣和液體形成。相比之下，內(nèi)部共面層不必直接接觸液體。對于共面板，每條軌道長度的近似電容為

哪里

d 是兩條平行軌道的中點之間的距離

l 是軌道的長度

w 是每個軌道的寬度（假設(shè)它們相同）

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）

對于 d/h >> 1;εR（eff）≈ 1

對于 d/h ≈ 1;εR（eff）= (1 + εR)/2

根據(jù)這個公式，測得的電容與浸入水中的長度成正比，因為共面?zhèn)鞲衅髅織l軌道長度的近似電容保持不變。使用 LabVIEW 軟件 執(zhí)行 系統(tǒng) 校準 有助 于 實現(xiàn) 更高 的 精度。?

LabVIEW 軟件

在 PC 上運行 的 LabVIEW 程序 通過 我 從 CDC 檢索 數(shù)據(jù)2C 串行接口。圖 7 顯示了 PC 顯示器上的圖形用戶界面 （GUI）。當液位演示系統(tǒng)打開時，將顯示實時液位數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度和電源電壓。

圖7.PC 顯示器上顯示的系統(tǒng) GUI。

液位推導為

LabVIEW 程序 包括 基本 校準 和 高級 校準， 以 實現(xiàn) 更 準確 的 測量。干（基本）校準用于確定C1干和 C2干.增益和失調(diào)可以從0“和4”校準得出，因為每次校準確定一個具有兩個一階未知數(shù)的方程。在校準和測量過程中，基準電容器必須浸入液體中。

結(jié)論

本文介紹了電容式液位傳感演示系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷