[参考译文] FDC2114：测量水和盐水

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https://e2e.ti.com/support/sensors-group/sensors/f/sensors-forum/656021/fdc2114-measuring-water-and-salt-water

器件型号：FDC2114
主题中讨论的其他器件：FDC2214、 FDC1004、 TIDA-00317

您好！

我希望开发一个电容式液位传感器、用于测量含各种盐量和可能的其他成分的水。由于 LC 谐振器架构、我选择了 FDC2214而不是 FDC1004、它能够在 MHz 范围内进行采样、这应允许测量导电液体。我已经使用蒸馏水进行了早期测试、尝试在容器底部开发一个参考传感器来监测液体的介电常数、因为它可能会随着时间的推移而改变成分。测试结果如下所示：

该传感器由两个平行板组成、每个板约20mm x 10mm、位于双面 PCB 上、背面接地。传感器面向容器、第二 步后、传感器前面的区域充满水(电容增加)。电容的每一阶跃增加表示将一致的液体沉积在容器中。因此、在这一点之后、传感器电容的变化应与介电常数的变化相关联、以调整电平方程、如 TIDU736A 中所示。

但是、正如您看到的、随着容器中液体的总体积的增加、电容会继续增大。我很难理解为什么会发生这种情况、因为 FDC2214应该能够更好地处理导电液体。此外、在 TIDU736A 中、FDC1004用于测试水、这与我们的测试用的液体(蒸馏水)相同。然而、尽管水位较高、参考液体(RL)传感器值也不会根据 TI 应用手册中的结果发生变化。

请告诉我、如果有人能在尝试弄清问题所在方面提供任何帮助、这是我们尝试使用的第三个电容传感器。此外、我们使用的是 FDC2214评估板、所用通道的传感器频率为4.005 - 4.001 MHz

8 年多前

0 admin 8 年多前

TI__Guru**** 2589300 points

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您好！

感谢您发布问题和原始数据。让我看看我是否正确理解了问题。您使用的参考液体(RL)传感器与 TIDU736A 的 RL 传感器类似、完全浸没在液体内部、但即使完全浸没后、如果向容器中添加更多的水、其电容也会继续增大。是这样吗？

如果是这种情况、那么我将再次检查以下项目：

RL 传感器和边缘射野未完全浸入水中：
- 电容式传感器具有边缘场、因此、由于所有传感器金属都位于液体表面以下、因此由于边缘场线未完全浸没、因此它仍然可以继续改变电容、因为它会变得更满。这就是为什么容器底部附近的区域比容器更满时具有略非线性响应的原因。您可以在第7页 TIDU736文档的图3中稍微看到这种影响。比较难看到、因为与您的图相比、比例缩小了。您可以通过后处理来解决此问题、也可以对 RL 传感器使用稍小的高度传感器。
容器内液体的均匀性：

- 如果您使用的是其他成分、例如盐或其他可能灌入容器底部的成分、则添加更多液体意味着您正在更改 RL 传感器附近的液体的介电常数。您可以通过确保溶液搅拌或摇匀、然后再倒入水箱中进行仔细检查。
液体的温度：
- 可能是瓶子内液体的温度与容器内的温度不同、您会看到温度缓慢地改变电介质、尤其是波形的尾端。您可以通过将水箱完全灌入一个水槽中、然后长时间观察原始代码来再次检查这一点。

此外、作为性能提升、我看到 RL 传感器的电容变化在初始覆铜上仅为100fF 左右。这可能是由于容器背面的接地覆铜造成的。如果您可以进行电路板迭代、则应考虑增加电路板厚度、以增加传感器与接地层之间的间隔。此外、还应考虑使用网格接地模式而不是实心接地覆铜。这将减少传感器和接地之间产生的电容量、从而提高您的灵敏度。最后、我将自己仔细检查您的 LC 振荡电路值。使用较小的电容器将有助于提高信号的灵敏度。

请告诉我这些建议是否有任何帮助。

谢谢！

Luke Lapointe

0 admin 8 年多前

TI__Guru**** 2589300 points

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您好、Luke、

感谢您深思熟虑和全面的反馈。在过去几天里、我运行了各种测试、结果好坏参半。我们移除了传感器 PCB 背面的接地层、这使我们能够实现四倍的信号、因此我们很高兴知道、至少应该能够使用设计良好的接地屏蔽来使信号加倍。感谢您的注意、我们还将研究使用较小的电容器。

遗憾的是、我们在参考传感器读数中仍然看到相同的误差。在饱和点和最终体积之间、电容值持续增加高达20%(范围的20%)。最终体积通常是饱和体积的三倍、也是传感器高度的三倍。我们在所有测试中都使用了蒸馏水、以匹配在 TIDU736A 中进行的测试。我们确信液体不会改变、温度也保持一致、因为我们在短时间内连续进行多次测试。但这些都是好的建议。

我们今天使用分级玻璃气缸而不是系统中使用的聚丙烯容器进行了测试、我们观察到了同样的结果。我在下面的玻璃刻度缸中附上了使用蒸馏水进行测试的图表、其中第一步表示传感器饱和(+约10%有助于补偿边缘效应)、最后一步表示传感器高度为4倍的水。

由于20%的误差保持一致、即使在信号增加的情况下、它似乎是由一些基本因素导致的。我的第一个想法是、TIDU736A 中的测试可能已经使用异相方法补偿了这种现象。在我们继续讨论这一点时、我们认为这些变化可能是由于板和水之间的并联电容引起的、并通过 OOP 屏蔽技术进行补偿。我们昨天进行了一次测试、在其他情况下、我们将水接地、条件与前一张图完全相同。我上传了数据图：

您可以看到、通过将半导电液体接地来减少增加量。与我们在蒸馏水未接地时看到的10%的增加相比、误差为4.5%。我们认为、将液体接地可能会降低在每个单独的板之间建立电容的能力、从而有效地消除与传感器并联的电容。

最后一点、我们注意到当我们测试机油时、没有超过饱和的增加(我相信第二个小步进来自传感器上方的边缘磁场、正如您之前提到的)。请参阅下图：

这支持我们的理论、即电容增加与液体的导电性有关、尤其是液体在两个板之间存储电容的能力。我们将使用 FDC1004进行测试、以在我们的设置中开发相位差屏蔽方法、看看我们是否可以更好地复制 TIDU736A 的结果、并希望消除并联电容效应。我们感谢您的帮助、并向我们指明了正确的方向。如果我们使用 OOP 技术来解决此问题、我会再发送一份说明；这可能是其他客户将来遇到的问题。您也可以随意评论任何结果。

再次感谢、

Steve

0 admin 8 年多前

TI__Guru**** 2589300 points

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您好、Steve、

感谢您的反馈、我们期待收到新结果。我想需要考虑的另一件事是：

RL 的路由：
- 如果 RL 传感器的布线到达容器顶部、则布线本身将像传感器一样工作、即使超出 RL 传感器的高度也能感应到液体高度。这就是为什么在 TIDA-00317上、我们在柔性 PCB 上进行布线、其中布线全部布线布置到容器底部、这样它们就不会在返回器件的过程中"看到"液体。如果您确实遇到了电子器件位于容器顶部的情况、或者您必须将传感器迹线布置在液体上、则我们建议在接地层之间布设迹线、以便接地屏蔽来自液体的迹线并保持电容变得更加恒定。

有趣的是、如果您不接地液体、您的轮廓会发生变化。正如您所指出的、FDC1004的优势是能够使传感器异相、从而使液体保持恒定的电势。如果这是问题原因、FDC1004解决方案应解决此问题。

让我们知道情况如何。

谢谢！

Luke

传感器（参考译文帖）

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[参考译文] FDC2114：测量水和盐水