利用電容-數字轉換器檢測液位

摘要：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、易于實(shí)施的方法來(lái)實(shí)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(shù)，可通過(guò)測量電容對液位進(jìn)行高性能檢測。

1 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：

　　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(gè)面積為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是兩塊板的重疊面積，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數(ε_O≈ 8.854 × 10^-12 F m^-1) 。

2 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(wú)失碼)、高線(xiàn)性度(±0.01%)和高精度(出廠(chǎng)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復用器、激勵源、用于電容DAC，溫度傳感器、基準電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、控制和校準邏輯、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型電荷平衡調制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型調制器輸入端之間。 轉換期間在Cx上施加方波激勵信號。 調制器會(huì )不間斷地對流過(guò)Cx的電荷進(jìn)行采樣，并將其轉換為0和1的流。調制器輸出1的密度經(jīng)數字濾波器處理，確定電容值。 濾波器輸出通過(guò)校準系數縮放調節。 然后，外部主機便可通過(guò)串行接口讀取最終值。

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

3 電容式液位檢測技術(shù)

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

　　由于ε_R(水) >> ε_R(空氣)，傳感器電容可由浸沒(méi)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(cháng)度;

　　● Ref是基準傳感器的長(cháng)度。