【導讀】輸液和輸血等程序要求監控液體的確切數量，因此這些應用需要采用精確、易于實施的方法來實現液位的檢測。本文描述24位電容-數字轉換器和液位檢測技術，可通過測量電容對液位進行高性能檢測。
電容測量基礎知識
電容是物體存儲電荷的能力。電容C定義如下：C定義如下：
其中，Q是電容上的電荷，V是電容上的電壓。
在圖1所示電容中，兩個面積為A的平行金屬板間距為d。電容C為：
其中
C是電容，單位為F
A是兩塊板的重疊面積, A = a × b
d是兩塊板之間的距離
εR是相對介電常數
εO是自由空間的介電常(εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)
圖1. 兩塊平行板的電容
電容數字轉換器(CDC)
單通道AD7745和雙通道AD7746均為高分辨率Σ-Δ型電容-數字轉換器，可測量直接連接輸入端的電容。這些器件具有高分辨率（21位有效分辨率和24位無失碼）、高線性度(±0.01%)和高精度（出廠校準至±4 fF），非常適合檢測液位、位置、壓力和其他物理參數。
這些器件具有完整的功能，電容輸入端集成多路復用器、激勵源、用于電容DAC,溫度傳感器、基準電壓源、時鐘發生器、控制和校準邏輯、I2C兼容型串行接口以及高精度轉換器內核，該內核集成二階Σ-Δ型電荷平衡調制器和三階數字濾波器。轉換器用作電容輸入的CDC和電壓輸入的ADC。
所測電容Cx連接在激勵源和Σ-Δ型調制器輸入端之間。轉換期間在Cx上施加方波激勵信號。調制器會不間斷地對流過Cx的電荷進行采樣，并將其轉換為0和1的流。調制器輸出1的密度經數字濾波器處理，確定電容值。濾波器輸出通過校準系數縮放調節。然后，外部主機便可通過串行接口讀取最終值。
圖2中的四個配置顯示了單端、差分、接地和浮動式傳感器應用中CDC如何檢測電容。
圖2. 單端、差分、接地和浮動傳感器應用中的配置
電容式液位檢測技術
一種簡單的液位監控技術是將平行板電容器浸入液體中，如圖3所示。隨著液位變化，板之間的電介質材料數量發生改變，導致電容也隨之改變。同時第二對電容傳感器（圖中為C2）用作基準。
圖3. 電容式液位檢測
由于εR(水) >> εR(空氣),傳感器電容可由浸沒部分的電容近似表示。因此，液位為 C1/C2:
其中
● Level是浸入液體的長度
● Ref是基準傳感器的長度
電容式液位檢測系統硬件
24位AD7746具有兩條電容測量通道，非常適合液位檢測應用。圖4顯示了系統功能框圖。傳感器和基準電容信號轉換為數字信號，數據通過I2C端口傳輸至主機PC或微控制器。
圖4. 電容式液位檢測系統
要實現精確測量，PCB設計很關鍵。圖5顯示了傳感器板和CDC連接。為了保證精度，AD7746安裝在4層PCB表面盡可能靠近傳感器的地方。接地層暴露在PCB背面。該應用使用了轉換器全部的兩個輸入通道。傳感器板如圖6所示。
圖5. 傳感器板和CDC連接
圖6. PCB正面和反面照片
傳感器板設計為在一塊PCB上的兩個共面金屬板，而非兩個平行板。共面極板在4層PCB內無需直接接觸液體。共面極板電容的電介質由PCB材料、空氣和液體組成，軌道每一單位長度的電容值約為：
其中
● d是兩個平行軌道中點之間的距離
● l是軌道長度
● w是每一條軌道的寬度（假定寬度相等）
● t是軌道的厚度
● 有效εR由d與h的比值決定（h是PCB板的厚度）
● 若d/h >> 1; 則εR(eff) ≈ 1
● 若d/h ≈ 1; 則εR(eff) = (1 + εR)/2
就該等式而言，測得的電容值與浸入液體的長度成比例，而共面傳感器每一單位軌道長度的電容近似值不變。使用LabVIEW®軟件執行系統校準有助于實現更高的精度。
LabVIEW軟件
PC上運行的LabVIEW程序通過I2C串行接口獲取CDC數據。圖7是PC監視器上顯示的圖形用戶界面(GUI)。啟動液面演示系統后，會實時顯示液面數據、環境溫度和電源電壓。
圖7. PC監視器上顯示的系統GUI
液面推導公式為：
LabVIEW程序包括基本校準和高級校準，可實現更精確的測量。在浸入液體時進行干（基本）校準用來確定體中。 C1DRY和C2DRY。濕(高級)校準則用來確定一階方程中增益和失調兩個未知量，通過在液位0英寸和4英寸先后進行校準測量可以得到兩個方程聯立推導出增益和失調。濕校準和測量過程中，基準電容必須完全浸入液體中。
結論
本文介紹了電容式液位檢測演示系統。
參考電路
AD7746評估套件
AD7746評估板技術文檔
Jia, Ning. “醫療保健應用中的ADI電容數字轉換器技術” Analog Dialogue, 模擬對話，第46卷第2期，2012年。
Scarlett, Jim. “電容數字轉換器為診斷系統中的電平檢測提供方便” Analog Dialogue,模擬對話，第48卷第2期，2014年。
Walker, Charles S. 電容、電感和串擾分析, Artech House, 1990, ISBN: 978-0890063927.
