Faktory ovlivňující kapacitu a její měření
Faktory ovlivňující
Vzhledem k tomu, že se dielektrická konstanta mění s teplotou, kapacitní senzory jsou velmi citlivé na změny okolních podmínek, jako je teplota a vlhkost; na jejich výkon mají nejvýznamnější vliv kolísání teploty během měření.
Kromě toho může na kapacitní snímače hladiny působit řada vnějších faktorů v důsledku okrajových jevů.
Lidské tělo samo o sobě způsobuje značnou parazitní kapacitu, která může rušit měření. Kapacitní snímače hladiny vykazují nelineární chování v důsledku okrajových efektů.
KSLV605 – jak vylepšit (řešení)
Abychom se těmto ovlivňujícím faktorům vyhnuli, navrhli jsme KSLV605 kapacitní snímač hladiny.
Jak se vyhnout vlivům teploty
V aplikacích pro snímání hladiny kapaliny je teplotní kompenzace složitější, protože nelze předpokládat, že snímač není ponořen v kapalině; může být ponořen do jakékoli výšky a po libovolně dlouhou dobu.
Musíme proto kolísání teploty kompenzovat pomocí algoritmů a optimalizovaných konstrukcí senzorů.
Tento přístup minimalizuje vliv teplotního posunu, který ovlivňuje řadu parametrů v systému pro měření hladiny kapaliny. Prvním z nich je měřená kapacita.
Drift ovlivňuje i další parametry systému, jako je integrační kondenzátor a proud spotřebovávaný kapacitním snímacím modulem.
V důsledku těchto odchylek se v závislosti na teplotě zvyšuje nebo snižuje i hrubá hodnota (obr. 2.1). Kapacitní snímací obvod převádí naměřenou kapacitu na digitální hodnotu, která se označuje jako hrubá hodnota.
Na ose X je teplota, na ose Y je počet nezpracovaných dat
Tento problém lze vyřešit dvěma způsoby:
1: Opraveno teplotní kompenzace kondenzátor
Kondenzátor pro teplotní kompenzaci je snímač, který má podobné vlastnosti jako ostatní snímače používané k měření hladiny kapaliny.
Není však v přímém kontaktu s kapalinou. Jinými slovy, hladina kapaliny nesmí mít na tento snímač žádný vliv. Hodnota tohoto kondenzátoru se používá jako referenční hodnota pro samotné snímače.
Jelikož má teplotní kompenzační snímač a vlastní snímač stejné charakteristiky, bude vliv teploty na oba snímače stejný.
Tímto způsobem lze vliv teploty na snímače hladiny kapaliny eliminovat tím, že se jako referenční zdroj použije snímač s teplotní kompenzací.
Je třeba poznamenat, že teplotní kompenzace snímače hladiny kapaliny pomocí teplotního kompenzačního snímače musí být provedena jak v případě, že je nádrž prázdná, tak i v případě, že je v ní kapalina.
V případě, že nejsou známy permitivita a teplota, lze místo referenční kapacity použít referenční snímač.
Obrázek 2.2 znázorňuje příklad nádoby se dvěma snímačovými deskami a referenčním snímačem na dně. Cílem je zajistit, aby referenční snímač měřil hladinu kapaliny i při nízké úrovni naplnění. Tato konfigurace poskytuje poměrová měření. To znamená, že poměr mezi hladinovým snímačem a referenčním snímačem bude vždy stejný, nezávisle na vlastnostech materiálu nebo teplotě.
V této konfiguraci budou oba parametry ovlivňovat oba senzory, a proto se jejich vliv mezi nimi vyváží.
2: Softwarový algoritmus na výchozí úrovni
Softwarové algoritmy pro detekci dotyku prstu pomocí kapacitního snímání zahrnují referenční hodnotu, která představuje filtrovanou verzi surového počtu impulzů. Tato referenční hodnota sleduje pomalé změny surového počtu impulzů způsobené okolním prostředím a obvykle se nazývá základní linie.
Základní linie slouží k detekci přítomnosti prstu při snímání dotyku. Při snímání hladiny kapaliny lze základní linii využít ke sledování změn v hrubém počtu impulzů. Teplotní drift je často pomalý, a proto je i jeho vliv na hrubý počet impulzů pomalý.
V takových případech lze při volbě vhodných hodnot parametrů aktualizace referenční křivky tuto křivku použít ke kompenzaci teplotních výkyvů v surových počtech.
Pokud je vliv teploty na počet surových signálů velmi rychlý, je třeba místo toho použít kondenzátor pro teplotní kompenzaci.
Vedlejším jevem souvisejícím s teplotou je kondenzace. Kapalina, jejíž teplota je výrazně nižší než teplota okolního vzduchu, může způsobit tvorbu kondenzátu na povrchu snímače. Kondenzát může vést ke zvýšení kapacity, což následně způsobuje větší odchylku.
Kondenzaci během zkoušek při nízkých teplotách lze omezit izolací povrchu snímače.
Dalším řešením je vytvoření malé izolační vzduchové mezery mezi nádobou s kapalinou a substrátem snímače. Pro dosažení optimálního výkonu by tato vzduchová mezera neměla být větší než 3 mm.
Jak se vyhnout okrajovým efektům
Lidské tělo samo o sobě může způsobit vznik mnoha parazitních kapacit, a tím narušit měření.
Vysoký obsah vody v lidském těle způsobuje rozdíly napětí mezi snímačovými deskami, a tím ovlivňuje měření.
Tato dodatečná parazitní kapacita bude změřena a způsobí zkreslení vztahu mezi úrovní výplně a napětím, jak je patrné ze simulace na obrázku 2.4.
Jedním ze způsobů, jak omezit vnější rušivé vlivy, je vytvoření stínění kolem snímače hladiny, jak je znázorněno na obrázku 13.
Další vodivá nádoba, která není připojena k uzemnění snímače, slouží jako stínění proti parazitním kapacitám pocházejícím z vnějšího prostředí.
Je důležité zajistit, aby zemnění snímače a nádoba byly vzájemně izolovány, a tím zajistit izolaci měřicího systému od zemnění okolí.
První část se zaměřuje na princip fungování, oblasti použití a výhody tohoto senzoru;
