电容数字转换器有助于诊断系统中的液位检测
在血液分析仪、体外诊断系统和许多其他化学分析应用中，液体必须从一个容器移动到另一个容器，以从比色皿中抽吸样品或从瓶子中吸出试剂。这些基于实验室的系统将经常处理大量样品，因此最大限度地减少处理时间至关重要。为了提高效率，用于抽吸的探头必须高速移动，因此必须准确确定探头相对于被抽取流体表面的位置。本文演示了一种新型的电容数字转换器（CDC）来高度自信地执行此功能。
疾病预防控制中心 技术
在基本层面上，Σ-Δ型ADC利用一个简单的电荷平衡电路，在固定的片内输入电容上施加一个已知的基准电压和一个未知的输入电压。电荷平衡确定未知输入电压。基于Σ-Δ的CDC的不同之处在于未知值是输入电容。向输入施加已知激励电压，电荷平衡检测未知电容的变化，如图1所示。CDC保留ADC的分辨率和线性度。
图1.基本 CDC 体系结构。
综合疾病预防控制中心以两种方式实施。单通道AD7745和双通道AD7746 24位CDC采用一个电容电极连接到激励输出，另一个连接到CDC输入。单电极器件，例如带温度传感器的24位CDCAD7747或16位CapTouchAD7147 ™可编程控制器，施加激励并读取同一电极上的电容。另一个接地的电极可以是实际电极，也可以是触摸屏应用中的用户手指。任何一种类型的CDC都可用于液位检测。
在最简单的形式中，电容器可以描述为两个平行板之间的介电材料。电容值随极板面积、极板之间的距离和介电常数而变化。通过利用这些变量，我们可以测量异常电容器的变化值，以确定探头相对于流体表面的位置。
在此应用中，电容器由位于比色皿和移动探头下方的导电板组成，如图2所示。激励信号施加到一个电极，另一个连接到CDC输入。无论哪个电极连接到激励信号，哪个电极连接到CDC输入，测得的电容都是相同的。电容器的绝对值取决于极板和探头的外形尺寸、电介质的组成、探头到极板的距离以及其他环境因素。请注意，电介质包括空气、比色皿和其中包含的流体。当探头接近板时，更重要的是当它接近流体表面时，这种介电混合物利用了这种介电混合物的变化性质。
图2.液位传感系统图。
图3显示了探头接近干比色皿时电容的增加。通过观察，变化是幂级数函数（二次函数），但系数在流体存在时会发生变化。流体的介电常数比空气大得多，因此随着流体占电介质的百分比更高，电容增加得更快。
图3.使用干比色皿进行电容测量。
当探头非常接近流体表面时，测得的电容值会加速，如图4所示。这种较大的变化可用于确定与流体表面的接近程度。
图4.使用填充比色皿进行电容测量。
规范化数据
通过归一化数据，可以更加可靠地确定液位。如果准确地知道探头相对于某个参考点的位置，则可以在没有流体存在的情况下在各个点对系统进行表征。一旦对系统进行了表征，就可以通过从接近数据中减去干数据来归一化接近流体表面时收集的数据，如图5所示。
图5.归一化电容测量。
排除温度、湿度和其他环境变化，归一化消除了电容测量的系统因素。电极尺寸、从探头到板的距离以及空气和比色皿的介电效应从测量中去除。现在，数据代表了向介电混合物中添加流体的效果，使方法的控制更容易、更一致。
但是，不能始终使用规范化数据。例如，运动控制系统可能不够精确，无法准确确定位置，或者与电机控制器的通信链路相对于CDC的输出速率可能相对较慢。即使没有规范化数据，所描述的方法仍然有效。
使用斜率和不连续性
如图所示，当探头接近流体表面时，测量的电容会加速，但当探头接近表面时，该信息不能轻易用于控制探头速度。当填充水平较低时，原始电容将大于容器具有较高填充水平时。使用规范化数据时，情况正好相反。这使得找到可能在最佳时间触发以更改探测速度的阈值变得更加困难。
可以使用斜率或电容变化率与位置变化率来代替绝对电容。当以恒定速度移动探头时，可以通过减去下一个电容读数来近似斜率。如图6所示，斜率数据的行为方式与原始电容数据相同。
图6.使用归一化电容的斜率数据。
对于不同的填充水平，原始或归一化电容读数的斜率比读数本身更加一致，并且无论填充水平如何，找到始终如一的斜率阈值都相对简单。斜率数据比电容数据噪声稍大，因此求平均值很有帮助。当计算出的斜率值高于噪声时，探头非常靠近流体表面。此技术可以创建非常强大的方法配置文件。
到目前为止提供的数据显示了探头接近流体表面时系统的行为，但是一旦探头与流体接触，这种方法的一个关键特征就会变得清晰。此时会出现很大的不连续性，如图 7 所示。这不是电容曲线正常加速度的一部分，如接触后数据点所示。此时的电容读数是接触前读数的两倍以上。此关系可能因系统配置而异，但稳定且一致。不连续性的大小使得相对容易找到一个电容阈值，该阈值将可靠地指示流体表面的穿透。此应用的目的是将探头插入流体中已知的小距离，因此这种行为很重要。
图7.流体表面不连续。
为了最大限度地提高吞吐量，应以最高的实际速度移动探头，同时尽量减少因将探头驱动得太远而造成损坏的危险。可能无法使用高精度电机控制系统，因此即使不知道精确的探头位置，解决方案也必须正常工作。到目前为止描述的测量允许以高置信度完成此操作。
方法
图8所示的流程图概述了用于处理流体的技术。
探头以尽可能高的速度移动，直到它非常接近流体表面。根据位置信息、可用的计算能力以及提前表征系统的能力，该点可以通过计算的功率级数、电容阈值或电容曲线的斜率来确定，如此处所示。对数据求平均值可以使确定更加可靠。归一化电容数据也有助于使系统更加稳健。
当探头足够接近表面时，探头的速度会大大降低，以便最终接近流体表面。为了最大限度地提高效率，该点应尽可能靠近表面，但在穿透流体表面之前必须降低接近速度，以确保在探头停止之前很好地控制穿透的距离。
与流体表面的接触由此时发生的不连续性决定，使用电容值（如此处所示）或电容曲线的斜率。平均可以降低噪声，但如果没有它，可以可靠地检测到大偏移。电容数据的归一化可以提高鲁棒性，但影响不如接近阶段那么大。
然后可以将探头驱动到表面以下预定距离。当有精确的电机控制可用时，这很简单。如果没有，则可以进行速度估计，并且可以将探头移动固定的时间长度。
图8.简化的控制流程。
一旦流体被穿透，电容读数有两个有趣的特性。首先，当探头在流体中移动时，测量值的变化相对较小。人们曾希望一致的变化率可能有助于确定穿透深度，但没有观察到这一点。其次，对于不同水平的流体，测量值变化很小，如图9所示。用一个完整的容器或一个几乎空的容器穿透表面后测量的电容基本上是相同的。
图9.电容与液位的关系
但是，归一化数据显示存在差异。随着液位的降低，归一化电容值变小。这对于确定在没有可靠位置数据的情况下液位是否变低可能很有用。
一旦流体表面被穿透，探头停止的速度取决于几个因素，包括电机控制系统本身，但经过深思熟虑的方法配置文件可以确保严格控制探头穿透，同时最大限度地提高探头速度。在实验室中，以最大速度在电容读数之间移动约0.45毫米的探头可以在穿透表面的0.25毫米内停止。随着采样速率的提高，在样品之间移动约0.085 mm的探头可以在流体表面的0.05 mm范围内停止。在这两种情况下，探头都以最大速度运行，直到距离流体表面约1毫米至3毫米，从而实现最大的效率和吞吐量。
结论
这种非传统用途的集成电容数字转换器可实现简单、可靠的电平检测解决方案。使用电容和斜率测量的接近曲线控制探头运动。替代实现允许更大的鲁棒性或提供额外的信息。该解决方案在表面穿透后能够非常快速地可靠地停止探头，同时仍然允许最大的探头速度，直到最后一刻。本文仅触及了使用CDC技术进行液位检测的表面。熟练的工程师可以使用此处表达的想法作为针对特定情况量身定制的改进解决方案的起点。
审核编辑：郭婷
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