Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Metalwork
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych

ghost666 08 Kwi 2014 00:14 3729 0
  • Wstęp

    W elektronicznych analizatorach krwi, systemach diagnostyki in-vitro czy w innych, podobnych aplikacjach analityki chemicznej ciecze muszą być przemieszczane z jednego pojemnika do drugiego. Mogą to być badane próbki jak i substraty potrzebne do procesu jej badania. Te skomplikowane systemy laboratoryjne bardzo często optymalizowane są pod kątem wydajności badania, co oznacza iż chce się zbadać możliwie dużo próbek w możliwie krótkim czasie. Oznacza to iż krytyczne jest zminimalizowanie czasu poświęcanego na analizę pojedynczej próbki. W celu poprawy efektywności analizy próbki muszą być pobierane bardzo szybko, co oznacza iż konieczne jest precyzyjne lokalizowanie próbnika w odniesieniu do powierzchni analizowanej cieczy. W poniższym artykule opisany zostanie nowatorski sposób wykorzystania cyfrowego układu pozwalającego na digitalizację wartości pojemności (CDC, ang. Capacitance-to-Digital Concerter) do oszacowania odległości próbnika od powierzchni cieczy z dużą dokładnością.

    Technologia konwerterów pojemności na wartość cyfrową

    Zasadniczo, jeśli spojrzeć na podstawy ich działania, przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) typu sigma-delta (Σ-Δ) wykorzystują bardzo prosty układ oparty o ładowanie kondensatora znanym napięciem - napięciem odniesienia przetwornika - oraz nieznanym napięciem, będącym napięciem wejściowym przetwornika. Balansowanie ładunkiem zgromadzonym w kondensatorze pozwala na wyznaczenie napięcia wejściowego. Układy CDC oparty jest o podobną zasadę co ADC sigma-delta, jednakże tutaj nieznaną wartością jest pojemność kondensatora, a nie napięcie wejściowe. Uproszczony schemat takiego układu zaprezentowano poniżej. Konwerter CDC zachowuje się tak samo jak przetwornik analogowo-cyfrowy, zachowując jego rozdzielczość i liniowość.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Zintegrowane układu CDC implementowane są na dwa sposoby. Układy takie jak jednokanałowy AD7745 czy dwukanałowy AD7736 produkcji firmy Analog Devices, to 24 bitowe przetworniki CDC pracujące z jedną elektrodą kondensatora podłączoną do wyjścia napięcia wzbudzającego z kolei drugą podłączoną do wejścia układu CDC. Z kolei jednoelektrodowe układy takie jak AD7747 (24 bitowy CDC wyposażony w termometr) czy AD7147 (16 bitowy CDC z wbudowanym programowalnym kontrolerem CapTouch™) przykładają do tej samej elektrody kondensatora napięcie wzbudzające z której dokonywany jest odczyt jej wartości. W przypadku tego pomiaru druga elektroda znajduje się na potencjale masy - może nią być rzeczywista elektroda, ale może to być też na przykład palec użytkownika w przypadku pojemnościowych ekranów dotykowych. Każdy z opisywanych rodzajów układów CDC wykorzystany może być do pomiaru poziomu lustra cieczy.





    Kondensator

    W swojej najbardziej uproszczonej formie, kondensator opisać można jako dielektryk znajdujący się pomiędzy dwoma równoległymi płytkami z przewodzącego materiału. Pojemność takiego układu zależy od powierzchni okładek, ich odległości od siebie oraz stałej dielektrycznej materiału znajdującego się pomiędzy nimi. Korzystając z tych wartości zależności możemy dowolny z parametrów nietypowego kondensatora poprzez pomiar wartości pojemności. Metoda ta stosowana jest do pomiaru pozycji sensora (jednej z okładek) względem np. powierzchni cieczy (będącej drugą okładką kondensatora).

    W opisywanej aplikacji kondensator którego pojemność będzie badana wykonany jest z przewodzącej płytki znajdującej się pod kuwetką z cieczą oraz z poruszającego się próbnika. Schematycznie narysowano to na poniższym rysunku. Zmierzona pojemność jest taka sama niezależnie która z okładek zostanie podłączona do napięcia wzbudzającego, a która do wejścia konwertera CDC. Wartość bezwzględna pojemności kondensatora zależna jest od współczynników opisujących geometrię układu - powierzchnię okładek, ich odległość - oraz od efektywnego współczynnika dielektrycznego tego co znajduje się pomiędzy okładkami. W omawianym przypadku na stałą dielektryczną zawartości tej przestrzeni składają się stałe dielektryczne powietrza, kuwetki pomiarowej oraz jej zawartości. Opisywana w artykule metoda pomiarowa wykorzystuje zmieniającą się, wraz z odległością okładek od siebie, stałą dielektryczna mieszanki wraz z przybliżaniem próbnika do powierzchni cieczy do badania.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Poniższy wykres obrazuje wartość zmierzonej pojemności w funkcji odległości pomiędzy próbnikiem a pustą kuwetką. Jak widać zmiana pojemności jest opisana zależnością którą matematycznie można zapisać z wykorzystaniem szeregu potęgowego (kwadratowego). Jego współczynniki ulegną diametralnej zmianie w obecności cieczy w kuwecie. Generalnie ciecze mają znacznie wyższą stałą dielektryczną niż powietrze zatem pojemność wzrastać będzie znacznie szybciej z uwagi na fakt iż ciecz w kuwecie, wraz ze zbliżaniem się próbnika, stanowić będzie coraz większą część przestrzeni pomiędzy okładkami.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Wraz z przybliżaniem sondy do powierzchni cieczy zmierzona pojemność zaczyna zwiększać się coraz szybciej, jak zaprezentowano na poniższym wykresie. Duża zmiana wartości pojemności może być wskaźnikiem przybliżania się do powierzchni cieczy na niewielkie odległości.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Normalizacja danych

    Ocena poziomu cieczy może zostać dokonana w sposób bardziej pewny jeśli znormalizujemy dane wejściowe. Jeśli położenie próbnika względem jakiegoś punktu odniesienia jest dokładnie znane możemy scharakteryzować nasz system w różnych położeniach bez obecności cieczy w kuwecie. Gdy teraz do kuwety wlejemy ciecz dane pomiarowe można znormalizować poprzez odjęcie danych zebranych "na sucho", tak jak zaprezentowano to poniżej

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Poza czynnikami środowiskowymi, takimi jak temperatura i wilgotność normalizacja usuwa z systemu pomiarowego czynniki systemowe takie jak wielkość i kształt okładek, odległość próbnika od okładki z nim związanej czy też współczynnika dielektrycznego powietrza i kuwetki. Po normalizacji dane które otrzymaliśmy reprezentują sobą tylko zmiany wprowadzone na skutek dodania cieczy do mieszanki dielektrycznej pomiędzy okładkami. Dzięki temu zabiegowi kontrola nad zbliżaniem próbnika do cieczy staje się łatwiejsza i bardziej powtarzalna.

    Znormalizowane dane jednakże nie mogą być wykorzystane w każdym przypadku. Obecny w układzie system kontroli ruchu próbnika może nie być dostatecznie precyzyjny aby zdeterminować aktualną pozycję z dostatecznie dużą precyzją. Na przykład może to być wynikiem zbyt wolnej komunikacji systemu kontroli posuwu próbnika względem prędkości komunikacji z układem CDC. Jakkolwiek pomimo tego zaprezentowana w tym artykule metodologia nadal będzie poprawna, mimo braku dostępu do danych w formie znormalizowanej.

    Wykorzystanie nachylenia i nieciągłości

    Jak zaprezentowano powyżej prędkość zmiany mierzonej pojemności zwiększa się wraz z przybliżaniem się do powierzchni cieczy, jednakże informacja ta nie może być w prosty i bezpośredni sposób wykorzystana do kontroli prędkości opuszczania próbnika podczas zbliżania się do powierzchni cieczy w kuwetce. Jeśli w kuwetce znajdzie się mniej cieczy to bezwzględna wartość pojemności będzie większa niż w przypadku gdyby cieczy było więcej. Gdy używamy znormalizowanych danych odwrotność także jest prawdziwa. Przez to trudniej oszacować jaki powinien być próg przy którym najlepiej zmniejszyć prędkość opuszczania próbnika.

    Zamiast bezwzględnej wartości pojemności skorzystać można z nachylenia krzywej to jest prędkości zmiany pojemności w funkcji zmiany położenia próbnika. Podczas opuszczania go z stałą prędkością nachylenie krzywej może być bez problemu oszacowane poprzez odejmowanie jednej wartości pojemności od kolejnej zebranej wartości (efektywnie w ten sposób wyznacza się, w bardzo prosty sposób, różniczkę tej zależności - przyp. tłum.). Jak zaprezentowano na poniższym wykresie wartość nachylenia krzywej zachowuje się podobnie jak sama wartość pojemności w funkcji odległości.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Nachylenie krzywej, wyznaczone numerycznie, na podstawie surowych lub znormalizowanych danych zapewnia znacznie bardziej spójny estymator położenia próbnika niż sama wartość pojemności. W takim przypadku łatwiej jest ustalić próg nachylenia przy którym zwolnić lub zatrzymać należy próbnik. Próg taki funkcjonować będzie niezależnie od poziomu cieczy w kuwecie etc. Pamiętać należy iż krzywa nachylenia charakteryzować się będzie wyższym szumem niż wartość bezwzględna pojemności. Gdy poziom nachylenia wzrośnie powyżej poziomu szumu w układzie oznacza to iż sonda zbliżyła się do powierzchni cieczy na bardzo niedużą odległość. Opisana technika może służyć do bardzo precyzyjnego wyznaczania profilu zbliżania próbnika do badanego materiału.

    Dane zaprezentowane powyżej pokazują zachowanie układu podczas opuszczania próbnika nad poziom cieczy w kuwecie, jednakże kluczowa cecha układu uwidacznia się w momencie gdy próbnik dotknie cieczy. W momencie jego kontaktu z badaną cieczą w kuwecie na charakterystyce pojemności pojawia się ogromna nieciągłość, nie będąca wynikiem wzrostu pojemności z pewnym nachyleniem, jak dla fragmentu krzywej podczas zbliżania próbnika do powierzchni cieczy. Nieciągłość ta zaprezentowana jest na wykresie poniżej, pokazujący zmierzoną pojemność po kontakcie próbnika z cieczą. Odczyt w tym punkcie jest ponad dwukrotnie większy niż w poprzednim punkcie. Dokładna wartość pojemności może różnić się w zależności od konfiguracji naszego systemu jednakże sama zależność jest spójna i stabilna dla wszystkich układów. Dzięki amplitudzie zmian bardzo łatwo jest wykryć przedstawioną sytuację co pozwala na wyznaczenie precyzyjnego progu mówiącego o kontakcie próbnika z cieczą. Celem przedstawionego układu jest włożenie próbnika do cieczy na pewną niewielką, dobrze znaną odległość do badanej cieczy, zatem opisane powyżej zachowanie jest bardzo istotne.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    W celu zmaksymalizowania przepustowości układu pomiarowego próbnik powinien być przemieszczany z możliwie wysoką prędkością przy jednoczesnym zminimalizowaniu ryzyka uszkodzenia układu poprzez zbyt dalekie przesunięcie. Precyzyjny system kontroli położenia może nie być dostępnym rozwiązaniem, zatem proponowany układ musi funkcjonować nawet jeśli niemożliwym jest odczyt położenia próbnika z systemu napędowego z dostateczną precyzją. Zaprezentowana powyżej metoda pomiarowa pozwala na dokonanie tego z dużą dokładności.

    Metoda

    Zaprezentowany poniżej schemat blokowy opisuje metodykę prowadzenia pomiaru i kontroli zbliżania próbnika do badanej cieczy.

    Próbnik porusza się z możliwie dużą prędkością do czasu gdy znajdzie się on bardzo blisko powierzchni cieczy. Zależnie od dostępnej mocy obliczeniowej i precyzji dostępnych informacji o bezwzględnej pozycji próbnika a także od wykonania (bądź nie) wcześniejszej kalibracji systemu, dokonuje się oceny lub wyliczenia pozycji względem lustra cieczy. Dokonuje się tego poprzez dopasowanie szeregu potęgowego lub wykorzystując próg pojemności lub nachylenia krzywej pojemności w funkcji położenia. Uśrednianie danych, podobnie jak ich wcześniejsza normalizacja danymi zebranymi z systemu podczas kalibracji, pozwala na zwiększenie precyzji działania systemu.

    Gdy próbnik zbliży się na niewielką odległość do powierzchni cieczy prędkość jego ruchu zostaje znacznie zmniejszona w celu wykonania finalnego ruchu. W celu zmaksymalizowania wydajności tej procedury odległość przy jakiej zatrzymany zostaje próbnik nad poziomem cieczy w kuwecie powinna być możliwie niewielka. Koniecznie jednakże przed zanurzeniem próbnika w cieczy zmniejszyć trzeba jego prędkość tak aby zachować wysoką precyzję pomiaru głębokości jego zanurzenia przed jego zatrzymaniem.

    Zanurzenie próbnika w badanej cieczy detekowane jest podstawie wystąpienia nieciągłości w krzywej pojemności w funkcji przemieszczenia lub nachylenia krzywej wartości pojemności w funkcji przemieszczenia próbnika. Uśrednianie wartości odczytanych z CDC umożliwia zmniejszenie poziomu szumów, jednakże z uwagi na skokowy charakter tej nieciągłości (i jej względną amplitudę) nie jest to konieczne. Normalizacja danych w tej fazie zanurzania próbnika także pozwala na poprawę dokładności, jednakże jej wpływ nie jest już tak wielki jak w fazie zbliżania próbnika do powierzchni cieczy

    Następnie próbnik zanurzany jest na zaprogramowaną głębokość. Jeśli mamy możliwość pomiaru tej odległości z użyciem kontroli pracy silników sytuacja jest dosyć prosta, jednakże jeśli nie to możliwa jest ocena prędkości ruchu z wykorzystaniem sensora pojemnościowego i następnie przemieszczanie próbnika przez określony czas.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Wartość pojemności odczytana z sensora charakteryzuje się dwoma ciekawymi cechami po zanurzeniu próbnika. Po pierwsze wartość pojemności zmienia się bardzo nieznacznie podczas zanurzania próbnika. Żywiono nadzieje iż stałe nachylenie tej zmiany pozwoli wykorzystać to do oceny głębokości zanurzenia, jednakże nic takiego nie jest obserwowane. Po drugie wartość pojemności po zanurzeniu próbnika bardzo nieznacznie zależy od poziomu cieczy w kuwecie. Dla pełnej i niemalże pustej kuwety wartość pojemności jest zasadniczo identyczna, co pokazano na poniższej ilustracji.

    Digitalizer wartości pojemności dla systemów diagnostycznych


    Znormalizowane dane pokazują jednakże pewną różnicę. Wraz z zmniejszaniem się poziomu cieczy w kuwecie znormalizowana wartość pojemności staje się mniejsza. Zależność ta może być użyteczna w sytuacji gdy precyzyjne dane o położeniu próbnika nie są dostępne.

    Jak szybko próbnik może być zatrzymany zależy od szeregu czynników, wliczając w to system kontroli silnika. Dobrze zaprojektowany system detekcji zbliżania się do powierzchni pozwala na zmaksymalizowanie prędkości zbliżania próbnika i jednoczesne precyzyjne monitorowanie jego położenia względem powierzchni cieczy. Pozwala to na zatrzymanie próbnika 0,25 mm nad powierzchnią cieczy dla ruchu z prędkością 0,45 mm / czas pomiędzy odczytami z konwertera CDC. Przy większej prędkości próbkowania (co 0,085 mm) możliwe jest jest zatrzymanie go około 0,05 mm od powierzchni cieczy. W obu przypadkach maksymalna prędkość utrzymywana jest do momentu osiągnięcia odległości 1..3 mm od cieczy i sukcesywne zwalnianie nad powierzchnią cieczy w kuwecie.

    Podsumowanie

    Nieklasyczny sposób wykorzystania układów CDC, zaprezentowany w powyższym artykule, pozwala na stworzenie prostego i niezawodnego systemu kontroli względnego położenia próbnika i badanej cieczy. Podejście bazujące na pomiarze wartości pojemności i nachylenia jej zmiany w czasie ruchu próbnika pozwala na precyzyjną kontrolę jego ruchu. Dodatkowo metoda ta pozwala na dostarczenie szerszych informacji na temat sytuacji próbnika w tym na precyzyjną detekcję jego kontaktu z cieczą. Dzięki temu możliwy jest ruch próbnika z możliwie dużą prędkością przy jednoczesnym zachowaniu precyzyjnej kontroli nad głębokością jego zanurzenia w badanym preparacie.
    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-04/level_sensing.html


    Fajne! Ranking DIY
  • Metalwork