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

Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych

ghost666 09 Kwi 2015 15:06 6846 5
  • Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych

    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:

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych


    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:

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych


    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)

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych




    Rys.1. Pojemność pomiędzy dwoma równoległymi płytkami.


    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).

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych
    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.

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych
    Rys.3. Pojemnościowy miernik poziomu cieczy w zbiorniku - zasada działania.


    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).

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych


    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.

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych
    Rys.4. System pojemnościowego pomiaru poziomu cieczy.


    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.

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych
    Rys.5. Widok płytki drukowanej sensora i sposób połączenia poszczególnych pól do układów pomiarowych.

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych
    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:

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych


    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.

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych
    Rys.7. Interfejs graficzny programu do pomiaru poziomu cieczy.


    Poziom cieczy określany jest jako:

    Pomiar poziomu cieczy z wykorzystaniem czujników pojemnościowych


    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
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Texa Poland
  • #2 09 Kwi 2015 19:02
    Tomekddd
    Poziom 23  

    Świetny artykuł, dokładnie czegoś takiego szukałem :D

    Mam zatem kilka pytań:
    1. Chciałbym wiedzieć co zrobić jeśli ciecz jest agresywna i nie ma możliwości umieścić czujnik wewnątrz zbiornika, a sam zbiornik jest z tworzywa sztucznego?
    2. Na pokazanych przykładach czujniki są w formie elektrod na PCB zatopionych w mierzonej cieczy, czy jest szansa żeby nalepić na bok zbiornika dwa paski przewodnika i tym mierzyć pojemność?
    3. Jak kształt zbiornika i elektrod ma się do pomiarów takimi naklejonymi elektrodami? Tzn. zbiornik w kształcie walca leżącego i prostopadle do poziomu naklejone elektrody pomiarowe.
    4. Co z zakłóceniami zewnętrznymi np. od pompy która jest w pobliżu zbiornika? Czy nie zmieniają faktycznej pojemności zmierzonej?

  • Texa Poland
  • #3 09 Kwi 2015 19:23
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Ciesze się że trafiłem :).

    Na pierwsze i drugie pytanie może odpowiedzieć Ci ten artykuł, sprzed 3 lat - http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/46-05/cdcs_in_healthcare.html Jeśli interesują Cię zagadnienia w nim ujęte to jutro może pojawić się po polsku w dziale Artykuły naszego portalu :).

    Pytanie trzecie jest dosyć proste, wystarczy się zastanowić :). Pomiar nie podaje nam objętości tylko wysokość cieczy w zbiorniku, przy czymkolwiek innym niż graniastosłup o znanej podstawie konieczne będą jakieś obliczenia. Nie sądzę aby kształt miał wpływ na samą wartość pojemności, o ile zbiornik jest o rząd wielkości (powiedzmy) większy od sensora.

    Na czwarte pytanie nie umiem Ci od ręki odpowiedzieć. Nie bez powodu ekranuje się aktywnie linie łączące sensor i układ CDC (tutaj https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=14510385#14510385 kilka słów o ekranowaniu).

    To tak na szybko :)

  • #4 09 Kwi 2015 22:48
    miszcz310
    Poziom 19  

    Tomekddd napisał:

    1. Chciałbym wiedzieć co zrobić jeśli ciecz jest agresywna i nie ma możliwości umieścić czujnik wewnątrz zbiornika, a sam zbiornik jest z tworzywa sztucznego?
    2. Na pokazanych przykładach czujniki są w formie elektrod na PCB zatopionych w mierzonej cieczy, czy jest szansa żeby nalepić na bok zbiornika dwa paski przewodnika i tym mierzyć pojemność?
    3. Jak kształt zbiornika i elektrod ma się do pomiarów takimi naklejonymi elektrodami? Tzn. zbiornik w kształcie walca leżącego i prostopadle do poziomu naklejone elektrody pomiarowe.
    4. Co z zakłóceniami zewnętrznymi np. od pompy która jest w pobliżu zbiornika? Czy nie zmieniają faktycznej pojemności zmierzonej?


    Ad. 1

    Jeżeli ciecz jest agresywna dla metalu można próbować zastosować elektrody grafitowe. Ważne jest by były wykonane z przewodnika. Można też próbować zastosować cienką folię, tylko wtedy moim zdaniem można mieć znaczny spadek czułości urządzenia (zależne od folii, jej grubości i cieczy działającej jako dielektryk), bo przenikaność elektryczna folii może zdominować przenikalność elektryczną układu folia-ciecz. Poza tym w artykule jest napisane, że ciecz nie ma kontaktu z metalem, bo tak jest zaprojektowana płytka.

    Ad. 2

    Na to pytanie można odpowiedzieć samemu po przestudiowaniu podręcznika z fizyki dla liceum. W tym zastosowaniu, by móc użyć podanych wzorów, trzeba zachować geometrię elektrod. To znaczy, muszą to być kondensatory płaskie, inaczej traci to sens, bo zmieniają się wzory. Można wyprowadzić wzory dla innych geometrii, ale to już zależy od konkretnego przypadku.

    Ad. 3

    Geometria elektrod ma znaczenie, jak chcemy stosować te wzory i tą metodę jak pokazano. Jeżeli zastosujemy taką geometrię, to nie ma znaczenia kształt zbiornika, bo układ mierzy poziom cieczy od arbitralnie wybranego położenia.
    Cały myk w tej metodzie to wykorzystywanie tego, że wprowadzając pomiędzy okładki płaskiego kondensatora dielektryk zmieniamy jego pojemność (zwiększamy), kolejny myk to uznanie, że przenikalność elektryczna tej cieczy jest dużo większa niż powietrza. Dzięki temu możemy przybliżyć sumę pojemności kondensatorów połączych równolegle (z cieczą i bez cieczy) jako pojemność kondensatora tylko z cieczą. Następnie, ponieważ ciężko było by mierzyć ciągle przenikalność elektryczną cieczy wprowadzamy kolejny kondesator referecyjny, który ma znane wymiary i zawsze jest zanużony całkowicie w cieczy. Dzięki temu mamy punk odniesienia pomiędzy wysokością, a przenikalnością cieczy. Jeżeli sprytnie zauważymy, że skomplikowana w obliczeniach fizyka się skraca poprzez podzielenie przez siebie wartości pojemności, otrzymujemy ładną i zgrabną zależność, idealną do szybkiego wyliczenia interesującej nas wysokości cieczy.

    Zobacz jak wygląda prezentowany układ. Co prawda są to dwa "paski", ale w obliczeniach traktujemy je jako dwie blaszki równolegle do siebie.

    Co do kształu zbiornika, to nie ma on żadnego znaczenia, dla pomiaru wysokości cieczy. Może też być prawie takich samych rozmiarów co nasz układ pomiarowy. Liczy się tylko ciecz pomiędzy tymi okładkami. Jakbyć nawet ten sensor zamoczył tylko poprzez wprowadzenie cieczy na powierzchnię leżącego czujnika, tak by znajdował się pomiędzy okładkami kondensatora referecyjnego i w nawet kilku punktach kondensatora pomiarowego to dostaniesz sumę długości obszarów połączych cieczą elektrod. Kształt zbiornika ma tylko znaczenie, gdy chcemy znać objętość cieczy.

    W dalszej części mowa jest jeszcze o "suchej" kalibracji. Tutaj chodzi o ustalenie "offsetu" w całym układzie poprzez skalibrowanie pojemności w taki sposób, że brak cieczy = zerowa pojemność każdego z kondensatorów. Dzięki temu skalowanie staje się w teorii zupełnie liniowe z początkiem w zerze.

    Ad. 4

    Nie jestem pewien, ale to chyba zależy od ekranowania kabli ( pokazanych jest kilka metod pomiaru) i od samej metody pomiaru. Pierwszym problem o, którym pomyślałem, było że trzeba by stosować najpradopodobniej albo kable koncentryczne, albo umieszczać układ pomiarowy jak najbliżej naszych elektrod. Bo przecież kable wprowadzają jakąś pojemność. Nie ma to dużego znaczenia (bo można zrobić "suchą" kalibrację. Znaczenie ma by ta pojemność od kabli była stała.

    Ale się rozpisałem...

  • #5 15 Kwi 2015 08:03
    Czybyszew
    Poziom 20  

    Ciekawy rozwojowy projekt.
    Jednak ma pewne ograniczenie do zastosowań przemysłowych, gdyż
    nadaje się tylko do zbiorników otwartych.
    Przy zamkniętych naczyniach zmieniające się parametry atmosfery nad
    lustrem cieczy zaburzały by pomiar. W 90% takich zbiorników
    parametry takie jak temperatura i ciśnienie nie są stałe - ale to jeszcze
    można kompensować dokładając dodatkowe pomiary gorzej jest z
    oparami cieczy oraz kondensacją jej na elektrodach.

  • #6 16 Kwi 2015 16:01
    miszcz310
    Poziom 19  

    Czybyszew napisał:

    Jednak ma pewne ograniczenie do zastosowań przemysłowych, gdyż
    nadaje się tylko do zbiorników otwartych.


    Dlaczego?

    Czybyszew napisał:

    Przy zamkniętych naczyniach zmieniające się parametry atmosfery nad
    lustrem cieczy zaburzały by pomiar.


    No bez przesady. Oczywiście wszystko zależy od rodzaju cieczy i konkretnych warunków. Jednak zazwyczaj przenikalność elektryczna pary jest dużo mniejsza niż cieczy. Dodatkowo by mieć jakiś efekt na pojemność (duży, mierzalny) ciecz musi znaleźć się pomiędzy elektrodami i mieć z nimi kontakt. Skraplanie może zmienić linie pola elektrycznego i lokalnie zmienić pojemność, ale wydaje mi się, że jest to efekt pomijalny.

    Co do ciśnienia, to nie wiem o jakich ciśnieniach mówisz (może o rzędu mega pascali), ale przenikalność elektryczna jest dość stała, poza tym z referencyjnym kondensatorem zanużonym w tym samym ciśnieniu i temp. nie mają znaczenia zmiany tego parametru. Ważne jest by ta przenikalność była na tyle duża by pojemność obszaru nad powierzchnią można było zaniedbać.