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

在血液分析儀、體外診斷系統(tǒng)和許多其他化學分析應用中，液體必須從一個容器移動到另一個容器，以從比色皿中抽吸樣品或從瓶子中吸出試劑。這些基于實驗室的系統(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，因此必須準確確定探頭相對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）來高度自信地執(zhí)行此功能。

疾病預防控制中心 技術(shù)

在基本層面上，Σ-Δ型ADC利用一個簡單的電荷平衡電路，在固定的片內(nèi)輸入電容上施加一個已知的基準電壓和一個未知的輸入電壓。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電壓，電荷平衡檢測未知電容的變化，如圖1所示。CDC保留ADC的分辨率和線性度。

圖1.基本 CDC 體系結(jié)構(gòu)。

綜合疾病預防控制中心以兩種方式實施。單通道AD7745和雙通道AD7746 24位CDC采用一個電容電極連接到激勵輸出，另一個連接到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，施加激勵并讀取同一電極上的電容。另一個接地的電極可以是實際電極，也可以是觸摸屏應用中的用戶手指。任何一種類型的CDC都可用于液位檢測。

電容器

在最簡單的形式中，電容器可以描述為兩個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。通過利用這些變量，我們可以測量異常電容器的變化值，以確定探頭相對于流體表面的位置。

在此應用中，電容器由位于比色皿和移動探頭下方的導電板組成，如圖2所示。激勵信號施加到一個電極，另一個連接到CDC輸入。無論哪個電極連接到激勵信號，哪個電極連接到CDC輸入，測得的電容都是相同的。電容器的絕對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。請注意，電介質(zhì)包括空氣、比色皿和其中包含的流體。當探頭接近板時，更重要的是當它接近流體表面時，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電容的增加。通過觀察，變化是冪級數(shù)函數(shù)（二次函數(shù)），但系數(shù)在流體存在時會發(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.使用干比色皿進行電容測量。

當探頭非常接近流體表面時，測得的電容值會加速，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.使用填充比色皿進行電容測量。

規(guī)范化數(shù)據(jù)

通過歸一化數(shù)據(jù)，可以更加可靠地確定液位。如果準確地知道探頭相對于某個參考點的位置，則可以在沒有流體存在的情況下在各個點對系統(tǒng)進行表征。一旦對系統(tǒng)進行了表征，就可以通過從接近數(shù)據(jù)中減去干數(shù)據(jù)來歸一化接近流體表面時收集的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5.歸一化電容測量。

排除溫度、濕度和其他環(huán)境變化，歸一化消除了電容測量的系統(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從測量中去除。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，運動控制系統(tǒng)可能不夠精確，無法準確確定位置，或者與電機控制器的通信鏈路相對于CDC的輸出速率可能相對較慢。即使沒有規(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，當探頭接近流體表面時，測量的電容會加速，但當探頭接近表面時，該信息不能輕易用于控制探頭速度。當填充水平較低時，原始電容將大于容器具有較高填充水平時。使用規(guī)范化數(shù)據(jù)時，情況正好相反。這使得找到可能在最佳時間觸發(fā)以更改探測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代替絕對電容。當以恒定速度移動探頭時，可以通過減去下一個電容讀數(shù)來近似斜率。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，并且無論填充水平如何，找到始終如一的斜率閾值都相對簡單。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。當計算出的斜率值高于噪聲時，探頭非?？拷黧w表面。此技術(shù)可以創(chuàng)建非常強大的方法配置文件。

到目前為止提供的數(shù)據(jù)顯示了探頭接近流體表面時系統(tǒng)的行為，但是一旦探頭與流體接觸，這種方法的一個關(guān)鍵特征就會變得清晰。此時會出現(xiàn)很大的不連續(xù)性，如圖 7 所示。這不是電容曲線正常加速度的一部分，如接觸后數(shù)據(jù)點所示。此時的電容讀數(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)性的大小使得相對容易找到一個電容閾值，該閾值將可靠地指示流體表面的穿透。此應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，應以最高的實際速度移動探頭，同時盡量減少因?qū)⑻筋^驅(qū)動得太遠而造成損壞的危險?？赡軣o法使用高精度電機控制系統(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，直到它非常接近流體表面。根據(jù)位置信息、可用的計算能力以及提前表征系統(tǒng)的能力，該點可以通過計算的功率級數(shù)、電容閾值或電容曲線的斜率來確定，如此處所示。對數(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。

當探頭足夠接近表面時，探頭的速度會大大降低，以便最終接近流體表面。為了最大限度地提高效率，該點應盡可能靠近表面，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）或電容曲線的斜率。平均可以降低噪聲，但如果沒有它，可以可靠地檢測到大偏移。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)動到表面以下預定距離。當有精確的電機控制可用時，這很簡單。如果沒有，則可以進行速度估計，并且可以將探頭移動固定的時間長度。

圖8.簡化的控制流程。

一旦流體被穿透，電容讀數(shù)有兩個有趣的特性。首先，當探頭在流體中移動時，測量值的變化相對較小。人們曾希望一致的變化率可能有助于確定穿透深度，但沒有觀察到這一點。其次，對于不同水平的流體，測量值變化很小，如圖9所示。用一個完整的容器或一個幾乎空的容器穿透表面后測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。這對于確定在沒有可靠位置數(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因素，包括電機控制系統(tǒng)本身，但經(jīng)過深思熟慮的方法配置文件可以確保嚴格控制探頭穿透，同時最大限度地提高探頭速度。在實驗室中，以最大速度在電容讀數(shù)之間移動約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行，直到距離流體表面約1毫米至3毫米，從而實現(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)換器可實現(xiàn)簡單、可靠的電平檢測解決方案。使用電容和斜率測量的接近曲線控制探頭運動。替代實現(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)進行液位檢測的表面。熟練的工程師可以使用此處表達的想法作為針對特定情況量身定制的改進解決方案的起點。

審核編輯：郭婷