基于電場(chǎng)成像器件MC33794實(shí)現(xiàn)液體距離測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：Ron DeLong，Brian Thorsen，Grek Richmond

電場(chǎng)成像器件IC（MC33794）

如今，設(shè)計(jì)工程師在需要非接觸探測(cè)和三維（3D）電場(chǎng)成像的嵌入式系統(tǒng)中使用MC33794，可減少系統(tǒng)所需器件和成本。這款I(lǐng)C支持微控制器及多達(dá)9個(gè)簡(jiǎn)單的電極。這些電極均可獨(dú)立使用，以提供在微弱電場(chǎng)中的物體尺寸和位置等信息。

下文描述了利用此技術(shù)如何無(wú)干擾地測(cè)定液體高度。

水的檢測(cè)

電場(chǎng)成像技術(shù)非常適合于非導(dǎo)電容器內(nèi)液體高度的測(cè)定。測(cè)定工作可以在容器外完成，而且測(cè)量時(shí)無(wú)需內(nèi)部或接地結(jié)構(gòu)。這種方法可以測(cè)量任何介電常數(shù)的導(dǎo)電液體，或者介電常數(shù)比一般值大很多的非導(dǎo)電液體。

水的測(cè)定可以通過(guò)放置于容器外的電極來(lái)完成。水存在與不存在的靈敏度是由透過(guò)水的電場(chǎng)強(qiáng)度和未透過(guò)水的電場(chǎng)所決定的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，兩塊電極可以放置于容器的兩邊，電場(chǎng)會(huì)穿過(guò)這個(gè)中間區(qū)域，探測(cè)到是水還是空氣。這個(gè)區(qū)域的電流量是由多少電場(chǎng)流經(jīng)水和多少?zèng)]有決定。

這種簡(jiǎn)單方法的問(wèn)題是：隨著電極之間距離增大，電場(chǎng)的強(qiáng)度（V/m）會(huì)隨之減小，最終的結(jié)果是電流變小。隨著穿透容器距離的增加，靈敏度也開始下降。

另一種方法是測(cè)量放置于容器外的兩相鄰電極之間的彌散場(chǎng)。在某些情況下，這種方法要比容器兩側(cè)電極測(cè)量的方法更有效。

測(cè)量實(shí)驗(yàn)

我們決定使用 Motorola的MC33794電場(chǎng)成像器件評(píng)估套件研究這種方法。圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖。使用粘性銅帶作為電極，可以在銅帶上直接焊接，然后作為帶子繞在試管上。試管為本地塑料供應(yīng)廠提供的透明聚氯乙烯管（PVC）。評(píng)估模塊的EFLD程序和模塊本身使實(shí)際建立電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)非常容易。

圖1 電場(chǎng)水層檢測(cè)設(shè)備圖

首先使用自來(lái)水，加水到不同的高度，從屏幕上讀出電極的輸出數(shù)值。如果銅帶相隔2英寸放置，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一條水平面和銅帶的關(guān)系曲線。如果銅帶相隔減少為1英寸和1/4英寸，則會(huì)相應(yīng)得到不同的曲線。

如果向水中加入鹽，增加其導(dǎo)電性，同樣會(huì)得到不同的曲線。上部電極的測(cè)量曲線如圖2所示。

圖2 讀數(shù)和水高度的關(guān)系曲線

測(cè)量過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

MC33794芯片內(nèi)部是一個(gè)正弦波發(fā)生器，它的頻率可以通過(guò)一個(gè)連接在IC引腳上的電阻加以調(diào)整。使用時(shí)，它的頻率通常被調(diào)整在 120～130kHz的ISM波段范圍之內(nèi)。這個(gè)5V p-p信號(hào)通過(guò)IC內(nèi)部的22kΩ電阻，然后再通過(guò)一個(gè)模擬開關(guān)后，被反饋到一個(gè)電極引腳上。由于內(nèi)部電阻上電壓的回落，該引腳上信號(hào)的幅度就會(huì)隨引腳輸出電流而降低。IC內(nèi)的探測(cè)器將這個(gè)交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電平。在評(píng)估模塊中，模塊控制單片機(jī)的8位AD轉(zhuǎn)換器將這個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出請(qǐng)求后，這個(gè)帶有RS232 IC的單片機(jī)就通過(guò)COM口把測(cè)得的數(shù)值返回給計(jì)算機(jī)。EFLD程序把這個(gè)值轉(zhuǎn)換為0～255之間的十進(jìn)制數(shù)，并顯示在屏幕上。同時(shí)，還能產(chǎn)生與液體高度相關(guān)的模擬條狀圖。

在一次測(cè)量中，只選擇一個(gè)單獨(dú)的電極引腳。所有其它的電極引腳都通過(guò)IC內(nèi)部開關(guān)連接到IC的地線引腳上。從電極引腳流出的電流必須經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的回路后，回到IC的地線引腳上?？梢岳眠B接到地線引腳上的目標(biāo)或者是通過(guò)其它的電極來(lái)完成這個(gè)工作。IC的地線引腳需要連接到地線層上，連接到這個(gè)引腳的路徑并不要求是直流路徑。但是，這個(gè)路徑必須能夠在120kHz的操作頻率下傳送電流。在整個(gè)電源主體部分中，通常都可以發(fā)現(xiàn)一條從電源供給端到地線的回路。其重點(diǎn)是任何一個(gè)通過(guò)IC的交流回路都能提供電流并改變讀數(shù)。所以要做的一個(gè)很重要的事情就是要減小這種“雜亂”的路徑，而盡可能獲得由你所要測(cè)量的目標(biāo)物所帶來(lái)的較高百分比的測(cè)量值變化。在我們的測(cè)試設(shè)置中，提供給從電極引腳流出電流的最近返回路徑是將其連接到臨近的電極上得到的。

我們之所以能夠“看到”管子內(nèi)部的液體是由于兩個(gè)電極之間存在著彌散邊緣電場(chǎng)。如圖3所示，表示了兩個(gè)導(dǎo)體之間端到端的直接電力線和電極之間的一對(duì)彌散電場(chǎng)電力線。該圖還表明了為什么我們希望通過(guò)遠(yuǎn)離兩個(gè)電極來(lái)獲得更大的測(cè)量值結(jié)果。可以在圖2中看到實(shí)際的測(cè)量值。與圓柱內(nèi)水面的上升相對(duì)應(yīng)，在電極間距為2英寸時(shí)，得到測(cè)量值的變化總量為18，而在電極間距為1/4英寸時(shí)，得到的總量為15。

圖3 邊緣電場(chǎng)與電極間距的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

可以看到圖2中銅帶間隔為 1/4英寸所對(duì)應(yīng)的曲線要比相距2英寸所對(duì)應(yīng)的曲線低。這是因?yàn)殡姌O相距越近，電極間的固有電容就越大。這意味電極的負(fù)載越高所得讀數(shù)越低。在水面上升并超過(guò)電極的過(guò)程中，如果銅帶間隔越小，曲線的變化率越大。

當(dāng)水面高度位于兩個(gè)電極之間時(shí)，水柱的變化和曲線變化有較好的線性關(guān)系。這意味著可以在水柱周圍放置多個(gè)電極，通過(guò)觀察哪些電極測(cè)得的值在某一參考值之下來(lái)定出水面的位置;如需更加準(zhǔn)確地算出液面的位置可以采用線性內(nèi)插法。

當(dāng)水中加鹽時(shí)，對(duì)曲線整體形狀變化很小，僅向左平移。在離電極稍遠(yuǎn)處，曲線的變化已經(jīng)很大了。在鹽水到達(dá)電極高度之后，曲線幾乎保持不變。這樣的結(jié)果主要是由于加鹽后液體導(dǎo)電能力增加引起的。當(dāng)我們改用石油（介電常數(shù)＝2.1）來(lái)做實(shí)驗(yàn)時(shí)，液面上升引起邊緣電場(chǎng)的變化不足以被探測(cè)器探測(cè)到， 至少一個(gè)8位的AD變換數(shù)值分析器不能探測(cè)出來(lái)。

一個(gè)更好的用于探測(cè)低介電常數(shù)和低導(dǎo)電率液體的方法是：讓盡量多的電場(chǎng)都通過(guò)被測(cè)液體。要獲得最大靈敏度通常要求電極浸入液體中，但是電極與液體的接觸通常是應(yīng)該避免的。直流電或直流電引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)都會(huì)使讀數(shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。如果電極與液體的直接接觸不可避免，可以在電極和IC之間串接一個(gè)10nF的電容來(lái)消除直流影響，如圖4所示。

圖4 串接10nF電容消除直流影響

針對(duì)不同液體的測(cè)量可能采用不同的電極，電極的電容應(yīng)控制在50pF左右。包括IC引腳，印刷線路板，引線和其它雜散電容在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)總電容必須嚴(yán)格控制在100pF之下，最好能保持在75pF以下。這個(gè)電容值能使系統(tǒng)與MC33794芯片很好地匹配。在測(cè)量距離大時(shí)應(yīng)使用大電極，距離小時(shí)用小電極。

采用MC33794和簡(jiǎn)單的電極，加上一個(gè)MCU就能使設(shè)計(jì)者輕松地進(jìn)行3D 成像和檢測(cè)。除了測(cè)量液面高度外，系統(tǒng)還能夠檢測(cè)有無(wú)液體溢出或者測(cè)量濕度。比如，可以用于控制火爐在液體沸騰時(shí)自動(dòng)降低功率或者關(guān)閉。

組件信息

◇ 最佳工作頻率為120kHz使用純正的可調(diào)正弦波發(fā)生器;

◇ 多達(dá)9個(gè)測(cè)量電極和2個(gè)參考電容;

◇ 屏蔽驅(qū)動(dòng)可減低較長(zhǎng)同軸電纜上的電容影響;

◇ 帶觸摸指示燈驅(qū)動(dòng);

◇ 有上電復(fù)位、內(nèi)置看門狗、電源和ISO9141物理層通信接口等支持MCU的信號(hào)。

上面的實(shí)驗(yàn)是Motorola MC33794評(píng)估模塊的應(yīng)用實(shí)例。該模塊包括一個(gè)已有程序的MCU和在測(cè)量中必須使用的軟件。利用KIT33794DWB開發(fā)工具包可以幫助開發(fā)者縮短研發(fā)周期。該開發(fā)工具包包括：技術(shù)文檔、軟件光盤、MC33794芯片、Motorola 68HC908GY4單片機(jī)、輔助器件和 RS232串行驅(qū)動(dòng)芯片。

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