利用电容-数字转换器检测液位

摘要：输液和输血等程序要求监控液体的确切数量，因此这些应用需要采用精确、易于实施的方法来实现液位的检测。 本文描述24位电容-数字转换器和液位检测技术，可通过测量电容对液位进行高性能检测。

1 电容测量基础知识

　　电容是物体存储电荷的能力。 电容C定义如下：

　　其中，Q是电容上的电荷，V是电容上的电压。

　　在图1所示电容中，两个面积为A的平行金属板间距为d。电容C为：

　　其中：

　　● C是电容，单位为F

　　● A是两块板的重叠面积，A = a × b ;

　　● d是两块板之间的距离 ;

　　● ε_R是相对介电常数 ;

　　● ε_O是自由空间的介电常数(ε_O≈ 8.854 × 10^-12 F m^-1) 。

2 电容数字转换器(CDC)

　　单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器，可测量直接连接输入端的电容。 这些器件具有高分辨率(21位有效分辨率和24位无失码)、高线性度(±0.01%)和高精度(出厂校准至±4 fF)，非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。

　　这些器件具有完整的功能，电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC，温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I²C兼容型串行接口以及高精度转换器内核，该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。 转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。

　　所测电容Cx连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。 转换期间在Cx上施加方波激励信号。 调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样，并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理，确定电容值。 滤波器输出通过校准系数缩放调节。 然后，外部主机便可通过串行接口读取最终值。

　　图2中的四个配置显示了单端、差分、接地和浮动式传感器应用中CDC如何检测电容。

3 电容式液位检测技术

　　一种简单的液位监控技术是将平行板电容器浸入液体中，如图3所示。随着液位变化，板之间的电介质材料数量发生改变，导致电容也随之改变。 同时第二对电容传感器(图中为C₂)用作基准。

　　由于ε_R(水) >> ε_R(空气)，传感器电容可由浸没部分的电容近似表示。 因此，液位为C₁/C₂：

　　其中：

　　● Level是浸入液体的长度;

　　● Ref是基准传感器的长度。