Wprowadzenie
Procedury medyczne, takie jak infuzje czy transfuzje, wymagają precyzyjnego odmierzania objętości płynów, co wymaga zastosowania dokładnych i łatwych do implementacji systemów pomiaru poziomu cieczy w zbiornikach. Poniższy artykuł opisuje, w jaki sposób wykorzystać można 24-bitowy konwerter napięcia na wartość cyfrową (CDC) do realizacji tego zadania dzięki wysokiej precyzji techniki pojemnościowego pomiaru poziomu cieczy.
Podstawy pomiaru pojemności
Pojemność elektryczna to własność materiału czy układu do przechowywania ładunku elektrycznego. Wartość pojemności C opisuje się zależnością:
gdzie Q to zgromadzony na kondensatorze ładunek, a V to różnica potencjałów (napięcie) pomiędzy jego okładkami.
W kondensatorze pokazanym na rysunku pierwszym, dwie równoległe metalowe płytki o powierzchni A oddalone od siebie o odległość równą d. Pojemność C takiego kondensatora opisana jest zależnością:
gdzie:
C to pojemność wyrażona w Faradach
A to powierzchnia wspólna obu płytek, wyrażona w tym przypadku jako = a × b
d to odległość pomiędzy dwoma płytkami
εR to relatywna, statyczna stała dielektryczna ośrodka pomiędzy okładkami
εO to stałą dielektryczna próżnic (εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)
Konwerter pojemność na wartość cyfrową (CDC)
Jednokanałowy układ AD7745 oraz dwukanałowy AD7746, to precyzyjne konwertery Σ-Δ pojemność na wartość cyfrową, digitalizujące wartość pojemności z wysoką rozdzielczością (efektywnie 21 bitów), liniowością (±0.01%) oraz dokładnością (±4 fF przy kalibracji fabrycznej). Układy tego rodzaju są idealne do aplikacji w zakresie pomiarów poziomu cieczy, położenia, ciśnienia i innych.
Opisywane układy posiadają komplet funkcji wymaganych do pracy, wbudowany multiplekser, źródło wzbudzenia pojemności, przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) oraz elementy takie jak sensor temperatury, stabilizator napięcia odniesienia, generator zegarowy oraz cyfrowe układy kontrolne i kalibracyjne, wyposażone w prosty interfejs I²C. Układy te wyposażone są w wysokiej precyzji układ do konwersji zebranych wartości na wartość pojemności, który wbudowany ma modulator sigma-delta drugiego rzędu do balansowania ładunku oraz filtr cyfrowy trzeciego rzędu. Opisane układy scalone wykorzystywać można jako układy CDC, do pomiaru wartości pojemności oraz klasyczne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), jeśli na wejście poda się napięcie.
Mierzoną pojemność Cx podłącza się do układu pomiędzy źródło sygnału wzbudzenia oraz wejście modulatora sigma-delta. Przebieg prostokątny generowany przez układ, podawany jest na badany element. Modulator w sposób ciągły próbkuje wartość ładunku, przechodzącego przez pojemność Cx i konwertuje na strumień zer i jedynek. Filtr cyfrowy, przez który przechodzi strumień danych, obrabia je w sposób, pozwalający na wyznaczenie wartości pojemności Cx będącej proporcjonalną do gęstości jedynek w strumieniu cyfrowym. Następnie wyjście z filtra jest przeskalowywane przez współczynniki kalibracyjne zapisane w układzie i może zostać odczytane poprzez interfejs szeregowy układu.
Badana pojemność może być podłączona do układu na cztery sposoby. Rysunek pokazany poniżej prezentuje podłączenia asymetryczne (single-ended), różnicowe (differential), uziemione do potencjału masy (grounded) i z potencjałem pływającym (floating).
Rys.2. Konfiguracja połączenia układu do sensora asymetrycznego, różnicowego, na potencjale masy i z pływającym potencjałem.
Techniki pojemnościowego pomiaru poziomu cieczy
Prostą techniką pozwalającą na monitorowanie poziomu cieczy w zbiorniku jest zanurzenie weń kondensatora z równoległymi okładkami, jak pokazano to na rysunku trzecim. Wraz ze zmianą poziomu cieczy w zbiorniku, zmienia się ilość materiału dielektrycznego pomiędzy okładkami kondensatora, co powoduje zmianę jego pojemności. Dodatkowo używa się drugiej pary okładek (kondensator C2) jako wartości odniesienia.
Jako że εR(woda) >> εR(powietrze), pojemność sensora może być przybliżana jako pojemność zanurzonego w cieczy fragmentu sensora, co pozwala na wyznaczenie poziomu cieczy w zbiorniku z prostego stosunku pojemności C1 do C2 (C1/C2).
gdzie:
Level to długość zanurzonego w cieczy fragmentu sensora
Ref to długość sensora (kondensatora) odniesienia (C2)
Sprzętowa strona systemu do pojemnościowego pomiaru poziomu cieczy
Przy swoich dwóch kanałach pomiarowych, 24-bitowy AD7746 jest idealnie dopasowany do tego rodzaju aplikacji. Rysunek czwarty, pokazany poniżej, prezentuje schemat blokowy proponowanego układu pomiarowego. Pojemność sensora oraz kondensatora odniesienia jest digitalizowana przez układ AD7746, a dane w postaci cyfrowej przesyłane są dalej, do komputera lub mikrokontrolera poprzez interfejs I²C.
Aby uzyskać dokładne pomiary, istotny jest odpowiedni projekt płytki drukowanej. Rysunek piąty pokazuje płytkę drukowaną sensora oraz podłączenie układu CDC do poszczególnych elektrod na PCB. Aby osiągnąć możliwie wysoką precyzję pomiaru, przetwornik AD77r6 zamontowany jest bezpośrednio na wierzchniej stronie płytki sensora tak, aby połączenia pomiędzy okładkami obu kondensatorów a konwerterem były możliwie krótki. Płytkę drukowaną zrealizowano na czterech warstwach miedzi. Wylewka masy jest odsłonięta na tylnej stronie PCB. Wykorzystano w tej aplikacji oba kanały pomiarowe układu. Rysunek szósty pokazuje jak wygląda rzeczywista realizacja pokazanego poniżej projektu.
Rys.5. Widok płytki drukowanej sensora i sposób połączenia poszczególnych pól do układów pomiarowych.
Rys.6. Zdjęcie (od góry i od dołu) płytki drukowanej sensora wraz z elementami układu pomiarowego.
Płytka sensora została zaprojektowana jako dwie metalowe okładki leżące w tej samej płaszczyźnie. Przy takim ułożeniu okładek kondensatora dielektrykiem jest materiał PCB, powietrze oraz ciecz w zbiorniku. Komplanarne okładki znajdujące się wewnątrz PCB nie muszą dotykać bezpośrednio cieczy, pojemność takiego kondensatora (na jednostkę długości bieżącej sensora) można przybliżyć jako:
gdzie
d to odległość pomiędzy środkami równoległych ścieżek
l to długość ścieżek
w to szerokość ścieżek (zakładając, że obie są tej samej szerokości)
t to grubość ścieżki
efektywna przenikalność εR jest oszacowana na podstawie stosunku d do hm gdzie h to grubość płytki drukowanej:
dla d/h >> 1; εR(eff) ≈ 1
dla d/h ≈ 1; εR(eff) = (1 + εR)/2
Jak wynika z tego równania zmierzona pojemność jest proporcjonalna do długości ścieżki zanurzonej w cieczy, jako że przybliżona pojemność jest proporcjonalna do długości zanurzonej w cieczy. Po zrealizowaniu procedury kalibracyjnej układu, wykorzystując do tego oprogramowanie stworzone w LabVIEW® można osiągnąć wyższą precyzję pomiaru poziomu cieczy.
Oprogramowanie LabVIEW
Oprogramowanie stworzone z wykorzystaniem środowiska LabVIEW pozwala na komputerze PC odbierać dane z układu CDC poprzez interfejs I²C. Rysunek siódmy pokazuje, jak prezentuje się na komputerze interfejs graficzny tego programu. W czasie, gdy system jest włączony, poziom cieczy prezentowany jest w czasie rzeczywistym, pokazywane są także dane dotyczące temperatury i napięcia zasilania układu AD7746.
Poziom cieczy określany jest jako:
Program stworzony w LabVIEW pozwala na podstawową i zaawansowaną kalibrację systemu, umożliwiającą osiągnięcie większej precyzji pomiaru. Podstawowa, sucha kalibracja pozwala na wyznaczenie parametrów C1DRY oraz C2DRY. Wzmocnienie o offsetu pomiaru mogą być wyznaczone na podstawie kalibracji na poziomie 0" i 4" cieczy, dzięki rozwiązaniu prostego równania z dwoma niewiadomymi. Kondensator odniesienia musi być zanurzony w cieczy cały czas podczas kalibracji i pomiaru poziomu cieczy w zbiorniku.
Podsumowanie
Powyższy artykuł prezentuje, w jaki sposób zaprojektować system do pojemnościowego pomiaru poziomu cieczy w zbiorniku oraz pokazuje przykładową realizację tego systemu.
Źródło:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/49-04/capacitive_sensing.html
Fajne? Ranking DIY
