利用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測液位

摘要：輸液和輸血等程序要求監(jiān)控液體的確切數(shù)量，因此這些應(yīng)用需要采用精確、易于實施的方法來實現(xiàn)液位的檢測。 本文描述24位電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和液位檢測技術(shù)，可通過測量電容對液位進(jìn)行高性能檢測。

1 電容測量基礎(chǔ)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(shù) ;

　　● ε_O是自由空間的介電常數(shù)(ε_O≈ 8.854 × 10^-12 F m^-1) 。

2 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)

　　單通道AD7745和雙通道AD7746均為高分辨率Σ-Δ型電容-數(shù)字轉(zhuǎn)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位無失碼)、高線性度(±0.01%)和高精度(出廠校準(zhǔn)至±4 fF)，非常適合檢測液位、位置、壓力和其他物理參數(shù)。

　　這些器件具有完整的功能，電容輸入端集成多路復(fù)用器、激勵源、用于電容DAC，溫度傳感器、基準(zhǔn)電壓源、時鐘發(fā)生器、控制和校準(zhǔn)邏輯、I²C兼容型串行接口以及高精度轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，該內(nèi)核集成二階Σ-Δ型電荷平衡調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器。 轉(zhuǎn)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(diào)制器輸入端之間。 轉(zhuǎn)換期間在Cx上施加方波激勵信號。 調(diào)制器會不間斷地對流過Cx的電荷進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為0和1的流。調(diào)制器輸出1的密度經(jīng)數(shù)字濾波器處理，確定電容值。 濾波器輸出通過校準(zhǔn)系數(shù)縮放調(diào)節(jié)。 然后，外部主機便可通過串行接口讀取最終值。

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

3 電容式液位檢測技術(shù)

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

　　由于ε_R(水) >> ε_R(空氣)，傳感器電容可由浸沒部分的電容近似表示。 因此，液位為C₁/C₂：

　　其中：

　　● Level是浸入液體的長度;

　　● Ref是基準(zhǔn)傳感器的長度。