電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器有助于診斷系統(tǒng)中的液位檢測(cè)

在血液分析儀、體外診斷系統(tǒng)和許多其他化學(xué)分析應(yīng)用中，液體必須從一個(gè)容器移動(dòng)到另一個(gè)容器，以從比色皿中抽吸樣品或從瓶子中吸出試劑。這些基于實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)將經(jīng)常處理大量樣品，因此最大限度地減少處理時(shí)間至關(guān)重要。為了提高效率，用于抽吸的探頭必須高速移動(dòng)，因此必須準(zhǔn)確確定探頭相對(duì)于被抽取流體表面的位置。本文演示了一種新型的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）來(lái)高度自信地執(zhí)行此功能。

疾病預(yù)防控制中心 技術(shù)

在基本層面上，Σ-Δ型ADC利用一個(gè)簡(jiǎn)單的電荷平衡電路，在固定的片內(nèi)輸入電容上施加一個(gè)已知的基準(zhǔn)電壓和一個(gè)未知的輸入電壓。電荷平衡確定未知輸入電壓。基于Σ-Δ的CDC的不同之處在于未知值是輸入電容。向輸入施加已知激勵(lì)電壓，電荷平衡檢測(cè)未知電容的變化，如圖1所示。CDC保留ADC的分辨率和線(xiàn)性度。

圖1.基本 CDC 體系結(jié)構(gòu)。

綜合疾病預(yù)防控制中心以?xún)煞N方式實(shí)施。單通道AD7745和雙通道AD7746 24位CDC采用一個(gè)電容電極連接到激勵(lì)輸出，另一個(gè)連接到CDC輸入。單電極器件，例如帶溫度傳感器的24位CDCAD7747或16位CapTouchAD7147 ?可編程控制器，施加激勵(lì)并讀取同一電極上的電容。另一個(gè)接地的電極可以是實(shí)際電極，也可以是觸摸屏應(yīng)用中的用戶(hù)手指。任何一種類(lèi)型的CDC都可用于液位檢測(cè)。

電容器

在最簡(jiǎn)單的形式中，電容器可以描述為兩個(gè)平行板之間的介電材料。電容值隨極板面積、極板之間的距離和介電常數(shù)而變化。通過(guò)利用這些變量，我們可以測(cè)量異常電容器的變化值，以確定探頭相對(duì)于流體表面的位置。

在此應(yīng)用中，電容器由位于比色皿和移動(dòng)探頭下方的導(dǎo)電板組成，如圖2所示。激勵(lì)信號(hào)施加到一個(gè)電極，另一個(gè)連接到CDC輸入。無(wú)論哪個(gè)電極連接到激勵(lì)信號(hào)，哪個(gè)電極連接到CDC輸入，測(cè)得的電容都是相同的。電容器的絕對(duì)值取決于極板和探頭的外形尺寸、電介質(zhì)的組成、探頭到極板的距離以及其他環(huán)境因素。請(qǐng)注意，電介質(zhì)包括空氣、比色皿和其中包含的流體。當(dāng)探頭接近板時(shí)，更重要的是當(dāng)它接近流體表面時(shí)，這種介電混合物利用了這種介電混合物的變化性質(zhì)。

圖2.液位傳感系統(tǒng)圖。

圖3顯示了探頭接近干比色皿時(shí)電容的增加。通過(guò)觀察，變化是冪級(jí)數(shù)函數(shù)（二次函數(shù)），但系數(shù)在流體存在時(shí)會(huì)發(fā)生變化。流體的介電常數(shù)比空氣大得多，因此隨著流體占電介質(zhì)的百分比更高，電容增加得更快。

圖3.使用干比色皿進(jìn)行電容測(cè)量。

當(dāng)探頭非常接近流體表面時(shí)，測(cè)得的電容值會(huì)加速，如圖4所示。這種較大的變化可用于確定與流體表面的接近程度。

圖4.使用填充比色皿進(jìn)行電容測(cè)量。

規(guī)范化數(shù)據(jù)

通過(guò)歸一化數(shù)據(jù)，可以更加可靠地確定液位。如果準(zhǔn)確地知道探頭相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位置，則可以在沒(méi)有流體存在的情況下在各個(gè)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行表征。一旦對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了表征，就可以通過(guò)從接近數(shù)據(jù)中減去干數(shù)據(jù)來(lái)歸一化接近流體表面時(shí)收集的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5.歸一化電容測(cè)量。

排除溫度、濕度和其他環(huán)境變化，歸一化消除了電容測(cè)量的系統(tǒng)因素。電極尺寸、從探頭到板的距離以及空氣和比色皿的介電效應(yīng)從測(cè)量中去除。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)代表了向介電混合物中添加流體的效果，使方法的控制更容易、更一致。

但是，不能始終使用規(guī)范化數(shù)據(jù)。例如，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可能不夠精確，無(wú)法準(zhǔn)確確定位置，或者與電機(jī)控制器的通信鏈路相對(duì)于CDC的輸出速率可能相對(duì)較慢。即使沒(méi)有規(guī)范化數(shù)據(jù)，所描述的方法仍然有效。

使用斜率和不連續(xù)性

如圖所示，當(dāng)探頭接近流體表面時(shí)，測(cè)量的電容會(huì)加速，但當(dāng)探頭接近表面時(shí)，該信息不能輕易用于控制探頭速度。當(dāng)填充水平較低時(shí)，原始電容將大于容器具有較高填充水平時(shí)。使用規(guī)范化數(shù)據(jù)時(shí)，情況正好相反。這使得找到可能在最佳時(shí)間觸發(fā)以更改探測(cè)速度的閾值變得更加困難。

可以使用斜率或電容變化率與位置變化率來(lái)代替絕對(duì)電容。當(dāng)以恒定速度移動(dòng)探頭時(shí)，可以通過(guò)減去下一個(gè)電容讀數(shù)來(lái)近似斜率。如圖6所示，斜率數(shù)據(jù)的行為方式與原始電容數(shù)據(jù)相同。

圖6.使用歸一化電容的斜率數(shù)據(jù)。

對(duì)于不同的填充水平，原始或歸一化電容讀數(shù)的斜率比讀數(shù)本身更加一致，并且無(wú)論填充水平如何，找到始終如一的斜率閾值都相對(duì)簡(jiǎn)單。斜率數(shù)據(jù)比電容數(shù)據(jù)噪聲稍大，因此求平均值很有幫助。當(dāng)計(jì)算出的斜率值高于噪聲時(shí)，探頭非常靠近流體表面。此技術(shù)可以創(chuàng)建非常強(qiáng)大的方法配置文件。

到目前為止提供的數(shù)據(jù)顯示了探頭接近流體表面時(shí)系統(tǒng)的行為，但是一旦探頭與流體接觸，這種方法的一個(gè)關(guān)鍵特征就會(huì)變得清晰。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的不連續(xù)性，如圖 7 所示。這不是電容曲線(xiàn)正常加速度的一部分，如接觸后數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。此時(shí)的電容讀數(shù)是接觸前讀數(shù)的兩倍以上。此關(guān)系可能因系統(tǒng)配置而異，但穩(wěn)定且一致。不連續(xù)性的大小使得相對(duì)容易找到一個(gè)電容閾值，該閾值將可靠地指示流體表面的穿透。此應(yīng)用的目的是將探頭插入流體中已知的小距離，因此這種行為很重要。

圖7.流體表面不連續(xù)。

為了最大限度地提高吞吐量，應(yīng)以最高的實(shí)際速度移動(dòng)探頭，同時(shí)盡量減少因?qū)⑻筋^驅(qū)動(dòng)得太遠(yuǎn)而造成損壞的危險(xiǎn)?？赡軣o(wú)法使用高精度電機(jī)控制系統(tǒng)，因此即使不知道精確的探頭位置，解決方案也必須正常工作。到目前為止描述的測(cè)量允許以高置信度完成此操作。

方法

圖8所示的流程圖概述了用于處理流體的技術(shù)。

探頭以盡可能高的速度移動(dòng)，直到它非常接近流體表面。根據(jù)位置信息、可用的計(jì)算能力以及提前表征系統(tǒng)的能力，該點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算的功率級(jí)數(shù)、電容閾值或電容曲線(xiàn)的斜率來(lái)確定，如此處所示。對(duì)數(shù)據(jù)求平均值可以使確定更加可靠。歸一化電容數(shù)據(jù)也有助于使系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

當(dāng)探頭足夠接近表面時(shí)，探頭的速度會(huì)大大降低，以便最終接近流體表面。為了最大限度地提高效率，該點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近表面，但在穿透流體表面之前必須降低接近速度，以確保在探頭停止之前很好地控制穿透的距離。

與流體表面的接觸由此時(shí)發(fā)生的不連續(xù)性決定，使用電容值（如此處所示）或電容曲線(xiàn)的斜率。平均可以降低噪聲，但如果沒(méi)有它，可以可靠地檢測(cè)到大偏移。電容數(shù)據(jù)的歸一化可以提高魯棒性，但影響不如接近階段那么大。

然后可以將探頭驅(qū)動(dòng)到表面以下預(yù)定距離。當(dāng)有精確的電機(jī)控制可用時(shí)，這很簡(jiǎn)單。如果沒(méi)有，則可以進(jìn)行速度估計(jì)，并且可以將探頭移動(dòng)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。

圖8.簡(jiǎn)化的控制流程。

一旦流體被穿透，電容讀數(shù)有兩個(gè)有趣的特性。首先，當(dāng)探頭在流體中移動(dòng)時(shí)，測(cè)量值的變化相對(duì)較小。人們?cè)Ｍ恢碌淖兓士赡苡兄诖_定穿透深度，但沒(méi)有觀察到這一點(diǎn)。其次，對(duì)于不同水平的流體，測(cè)量值變化很小，如圖9所示。用一個(gè)完整的容器或一個(gè)幾乎空的容器穿透表面后測(cè)量的電容基本上是相同的。

圖9.電容與液位的關(guān)系

但是，歸一化數(shù)據(jù)顯示存在差異。隨著液位的降低，歸一化電容值變小。這對(duì)于確定在沒(méi)有可靠位置數(shù)據(jù)的情況下液位是否變低可能很有用。

一旦流體表面被穿透，探頭停止的速度取決于幾個(gè)因素，包括電機(jī)控制系統(tǒng)本身，但經(jīng)過(guò)深思熟慮的方法配置文件可以確保嚴(yán)格控制探頭穿透，同時(shí)最大限度地提高探頭速度。在實(shí)驗(yàn)室中，以最大速度在電容讀數(shù)之間移動(dòng)約0.45毫米的探頭可以在穿透表面的0.25毫米內(nèi)停止。隨著采樣速率的提高，在樣品之間移動(dòng)約0.085 mm的探頭可以在流體表面的0.05 mm范圍內(nèi)停止。在這兩種情況下，探頭都以最大速度運(yùn)行，直到距離流體表面約1毫米至3毫米，從而實(shí)現(xiàn)最大的效率和吞吐量。

結(jié)論

這種非傳統(tǒng)用途的集成電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠的電平檢測(cè)解決方案。使用電容和斜率測(cè)量的接近曲線(xiàn)控制探頭運(yùn)動(dòng)。替代實(shí)現(xiàn)允許更大的魯棒性或提供額外的信息。該解決方案在表面穿透后能夠非常快速地可靠地停止探頭，同時(shí)仍然允許最大的探頭速度，直到最后一刻。本文僅觸及了使用CDC技術(shù)進(jìn)行液位檢測(cè)的表面。熟練的工程師可以使用此處表達(dá)的想法作為針對(duì)特定情況量身定制的改進(jìn)解決方案的起點(diǎn)。

審核編輯：郭婷