电容式液位探测模块常见问题总结

作为一种高效低成本的检测方法, 电容式液位探测广泛应用于检验科和实验室设备。在之前的系列文章中, 我们介绍了几种不同的液位探测方案及其应用场景, 目前绝大部分仪器厂商都是采用美国产的液位芯片来做方案, 但是在新冠疫情和得州暴风雪的双重打击下, 芯片供应链受到严重影响, 加上国际间的贸易限制和争端与日俱增, 越来越多的公司开始选择诸如PCS0902这样的基础器件+算法的液位模块, 以摆脱对进口专用芯片的过度依赖, 提高供应链的安全性和稳定性。在本次CACLP展会中, 不少工程师来展台交流咨询液位应用相关的问题, 我们发现其实很多问题都具有共通性, 因此本文仍然以PCS0902为例, 对电容式液位探测方法在应用过程遇到的常见问题进行汇总分析, 希望能帮助各位工程师少走弯路, 节省集成调试时间。

 

Q1: 应该选用什么样的加样针?

A1: 推荐使用层间电容较稳定,一致性较好的双层试剂针, 比如伊藤制作所的双层针, 如下图1。内层研磨光洁度不够, 或者层间绝缘不均匀, 均会导致电容测量值发生随机漂移, 当试剂针进行一次加样后悬停不动时, 这种漂移现象可通过PUSICAN软件实时监控波形来观察到。在精度要求不是很高的探测场景, 也可以采用单层钢针, 但是这种情况下需要特别注意Q2所述的机架安装方式。

 

通过PUSICAN工具可以很方便的对试剂针的品质进行判断, 首先断开同轴电缆与试剂针的连接, 直接使用同轴电缆的芯线接触液面, 我们将会从PUSICAN上得到如下图2左的波形; 然后连上试剂进行液面接触, 可能会得到类似下图2右的波形, 某些品质较差的针波形畸变很严重; 当针悬停不动时, 可以通过观察波形漂移的程度来判断双层针极间介质的稳定性。

 

Q2:机架结构和安装方式对液位探测的影响?

A2: 由于机架组件的分布电容, 以及机架上安装的电机, 电磁阀, 布线等带来的干扰, 很多工程师通常在第一次接上电容模块测试时就被杂乱不堪的数据波形迷糊了, 这也从侧面反映了机架结构和安装方式的重要性, 需要在设计阶段电子工程师和结构工程师之间的协调配合。一个典型的机架结构如下所示, 为了达到最佳探测效果, 首先加样臂和试剂针之间的连接部A应采用绝缘性较好且介电常数较为稳定的材料, 比如聚酰亚胺, 而POM就相对较差; 其次, 为了降低加样臂轴上的马达绕组干扰, 应将加样臂B和机架D均与24V GND连接, 如果PCS0902的5V供电是与24V隔离, 则最好将试管架下底板C与5V GND连接。

 

Q3: 是否可以使用TIP头?

A3: 通常来说一次性普通TIP头属于绝缘材料, 无法与PCS0902的同轴电缆芯线形成电极,因此不能使用。 但是可以使用导电性的TIP头, 比如碳素TIP头。

Q4: 加样针的接线有哪些注意事项?

A4: 对于双层针来说, 内层金属接PCS0902同轴电缆芯线, 外层金属接PCS0902同轴电缆屏蔽层, 注意外层金属不能接GND; 对于单层针, 只需要连接同轴电缆芯线即可。无论是使用哪种加样针, 都需要确保尽可能使用同轴屏蔽线连接到加样针的接线处。

 

Q5:液位探测模块对电源有什么特殊要求?

A5: 一般建议采用仪器上的MCU系统板VDC 5V电源(纹波≤20mV), 如果能够与马达使用的24V隔离, 将能取得更好的效果, 无论是哪种电源方案, 建议采用Q2所述的接地方式。电源的问题很容易通过拔掉同轴电缆后用PUSICAN工具迅速识别, 有些时候工程师采用开关电源测试时, 由于接地的原因, 即使尚未连接上探针或液路的情况下, 也可能会在PUSICAN上看到一个很混乱的波形,如下图左, 此时一旦换用纯净的电源(比如电池), 将会立即看到一个平直的对比波形, 如下图右。

 

Q6:如何减小后端液路对探测的影响?

A6: 当加样针的内壁与后端的系统水或清洗液联通时, 想要探测试管中的小液体就会变得非常困难, 这相当于在一个庞大的基数波动中求一个微小增量, 特别是当后端管路中是导电离子液时, 很容易出现饱和的情况。解决办法通常是在加样针与后端液路之间吸入空气柱作为隔离, 对于导电离子清洗液, 最好在靠近加样针的管路中安装隔离阀, 如下图1, 未做空气柱隔离时通过PUSICAN监控的波形比较混乱, 很容易看到溢出的情况, 如下图2。

 

Q7:在PUSICAN上观测到正弦波类型的干扰是什么原因?

A7: 这种问题通常出现在后端液路联通且仪器上功率设备开启的情况, PUSICAN软件观测的波形如下图, 此类型干扰波形一般是由以下三个原因造成: 一种是后端的导电溶液(离子液)与功率设备耦合, 另一种是非导电溶液(如纯净水)被大功率水泵等设备极化, 还有一种是电源端引入的。前两种的解决办法是改善功率设备的接地, 特别是机壳和管路连接部分的良好接地; 其次是增强功率设备与液路之间的材料绝缘性, 另外也需要按照Q6的方法增加空气柱和隔离阀阻断。第三种的解决办法可以参照Q5中所述。

 

Q8:如何在缓慢但是幅值较大的电容变化中检测一个微量的突变?

A8: 有些厂商的仪器在长期使用中会遇到这种情况, 即使加样臂没有运动, 观测到的电容波形仍然在缓慢的上升或下降, 以至于幅值超过设置的检测阈值, 造成液面探测误判, 如下图所示。解决方法是采用PCS0902的滑动窗模式, 可以通过合理的参数设置, 实现对图中红色圈内微小变化的可靠检测。

Q9:最小能检测到的电容变化量是多少?

A9: 使用滑动窗模式, PCS0902可以稳定检测到低至300fF的电容变化。在实际仪器运行过程中, 对应的最小液体量与溶液的介电常数, 机架和试管的分布电容, 以及液路的干扰情况等诸多因素相关。

 

Q10:现有的仪器设备有个无法消除的干扰源, 如何在不改动设备的情况下改善液面探测?

A10: 某些量产型设备一直深受此类问题的困扰, 设备不能再改动, 但是固有的干扰使得液面探测的误报率一直无法改善, 售后人员对此头疼不已。得益于PCS0902的基础器件+算法的实现方案, 我们可以采用软件的方式消除此类问题。首先通过PUSICAN工具实时抓取PCS0902工作中的原始数据, 然后对原始数据进行分析, 在算法中调整滤波器参数, 针对性的消除特定干扰源, 整个过程都不涉及到客户仪器上的硬件或软件变更。

 

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