基于电场成像器件MC33794实现液体距离测量系统的应用方案

作者：Ron DeLong，Brian Thorsen，Grek Richmond

电场成像器件IC（MC33794）

如今，设计工程师在需要非接触探测和三维（3D）电场成像的嵌入式系统中使用MC33794，可减少系统所需器件和成本。这款IC支持微控制器及多达9个简单的电极。这些电极均可独立使用，以提供在微弱电场中的物体尺寸和位置等信息。

下文描述了利用此技术如何无干扰地测定液体高度。

水的检测

电场成像技术非常适合于非导电容器内液体高度的测定。测定工作可以在容器外完成，而且测量时无需内部或接地结构。这种方法可以测量任何介电常数的导电液体，或者介电常数比一般值大很多的非导电液体。

水的测定可以通过放置于容器外的电极来完成。水存在与不存在的灵敏度是由透过水的电场强度和未透过水的电场所决定的。简单地说，两块电极可以放置于容器的两边，电场会穿过这个中间区域，探测到是水还是空气。这个区域的电流量是由多少电场流经水和多少沒有决定。

这种简单方法的问题是：随着电极之间距离增大，电场的强度（V/m）会随之减小，最终的结果是电流变小。随着穿透容器距离的增加，灵敏度也开始下降。

另一种方法是测量放置于容器外的两相邻电极之间的弥散场。在某些情况下，这种方法要比容器两侧电极测量的方法更有效。

测量实验

我们决定使用 Motorola的MC33794电场成像器件评估套件研究这种方法。图1为实验设备的示意图。使用粘性铜带作为电极，可以在铜带上直接焊接，然后作为带子绕在试管上。试管为本地塑料供应厂提供的透明聚氯乙烯管（PVC）。评估模块的EFLD程序和模块本身使实际建立电场测量系统非常容易。

图1 电场水层检测设备图

首先使用自来水，加水到不同的高度，从屏幕上读出电极的输出数值。如果铜带相隔2英寸放置，结果会产生一条水平面和铜带的关系曲线。如果铜带相隔减少为1英寸和1/4英寸，则会相应得到不同的曲线。

如果向水中加入盐，增加其导电性，同样会得到不同的曲线。上部电极的测量曲线如图2所示。

图2 读数和水高度的关系曲线

测量过程的实现

MC33794芯片内部是一个正弦波发生器，它的频率可以通过一个连接在IC引脚上的电阻加以调整。使用时，它的频率通常被调整在 120～130kHz的ISM波段范围之内。这个5V p-p信号通过IC内部的22kΩ电阻，然后再通过一个模拟开关后，被反馈到一个电极引脚上。由于内部电阻上电压的回落，该引脚上信号的幅度就会随引脚输出电流而降低。IC内的探测器将这个交流电压转化成直流电平。在评估模块中，模块控制单片机的8位AD转换器将这个模拟信号转换成8位的数字。当计算机发出请求后，这个带有RS232 IC的单片机就通过COM口把测得的数值返回给计算机。EFLD程序把这个值转换为0～255之间的十进制数，并显示在屏幕上。同时，还能产生与液体高度相关的模拟条状图。

在一次测量中，只选择一个单独的电极引脚。所有其它的电极引脚都通过IC内部开关连接到IC的地线引脚上。从电极引脚流出的电流必须经过一个完整的回路后，回到IC的地线引脚上。可以利用连接到地线引脚上的目标或者是通过其它的电极来完成这个工作。IC的地线引脚需要连接到地线层上，连接到这个引脚的路径并不要求是直流路径。但是，这个路径必须能够在120kHz的操作频率下传送电流。在整个电源主体部分中，通常都可以发现一条从电源供给端到地线的回路。其重点是任何一个通過IC的交流回路都能提供电流并改变读数。所以要做的一个很重要的事情就是要减小这种“杂乱”的路径，而尽可能获得由你所要测量的目标物所带来的较高百分比的测量值变化。在我们的测试设置中，提供给从电极引脚流出电流的最近返回路径是将其连接到临近的电极上得到的。

我们之所以能够“看到”管子内部的液体是由于两个电极之间存在着弥散边缘电场。如图3所示，表示了两个导体之间端到端的直接电力线和电极之间的一对弥散电场电力线。该图还表明了为什么我们希望通过远离两个电极来获得更大的测量值结果。可以在图2中看到实际的测量值。与圆柱内水面的上升相对应，在电极间距为2英寸时，得到测量值的变化总量为18，而在电极间距为1/4英寸时，得到的总量为15。

图3 边缘电场与电极间距的影响

对实验结果的分析

可以看到图2中铜带间隔为 1/4英寸所对应的曲线要比相距2英寸所对应的曲线低。这是因为电极相距越近，电极间的固有电容就越大。这意味电极的负载越高所得读数越低。在水面上升并超过电极的过程中，如果铜带间隔越小，曲线的变化率越大。

当水面高度位于两个电极之间时，水柱的变化和曲线变化有较好的线性关系。这意味着可以在水柱周围放置多个电极，通过观察哪些电极测得的值在某一参考值之下来定出水面的位置;如需更加准确地算出液面的位置可以采用线性内插法。

当水中加盐时，对曲线整体形状变化很小，仅向左平移。在离电极稍远处，曲线的变化已经很大了。在盐水到达电极高度之后，曲线几乎保持不变。这样的结果主要是由于加盐后液体导电能力增加引起的。当我们改用石油（介电常数＝2.1）来做实验时，液面上升引起边缘电场的变化不足以被探测器探测到， 至少一个8位的AD变换数值分析器不能探测出来。

一个更好的用于探测低介电常数和低导电率液体的方法是：让尽量多的电场都通过被测液体。要获得最大灵敏度通常要求电极浸入液体中，但是电极与液体的接触通常是应该避免的。直流电或直流电引发的化学反应都会使读数产生错误。如果电极与液体的直接接触不可避免，可以在电极和IC之间串接一个10nF的电容来消除直流影响，如图4所示。

图4 串接10nF电容消除直流影响

针对不同液体的测量可能采用不同的电极，电极的电容应控制在50pF左右。包括IC引脚，印刷线路板，引线和其它杂散电容在内的整个系统总电容必须严格控制在100pF之下，最好能保持在75pF以下。这个电容值能使系统与MC33794芯片很好地匹配。在测量距离大时应使用大电极，距离小时用小电极。

采用MC33794和简单的电极，加上一个MCU就能使设计者轻松地进行3D 成像和检测。除了测量液面高度外，系统还能够检测有无液体溢出或者测量湿度。比如，可以用于控制火炉在液体沸腾时自动降低功率或者关闭。

组件信息

◇ 最佳工作频率为120kHz使用纯正的可调正弦波发生器;

◇ 多达9个测量电极和2个参考电容;

◇ 屏蔽驱动可減低较长同轴电缆上的电容影响;

◇ 带触摸指示灯驱动;

◇ 有上电复位、内置看门狗、电源和ISO9141物理层通信接口等支持MCU的信号。

上面的实验是Motorola MC33794评估模块的应用实例。该模块包括一个已有程序的MCU和在测量中必须使用的软件。利用KIT33794DWB开发工具包可以帮助开发者缩短研发周期。该开发工具包包括：技术文档、软件光盘、MC33794芯片、Motorola 68HC908GY4单片机、辅助器件和 RS232串行驱动芯片。

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