液位測量系統(tǒng)使用補償硅壓力傳感器和Δ-Σ ADC-第2部分

此參考設(shè)計描述了一種非接觸式測量方法，該方法利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS）、補償硅壓力傳感器和高精度 Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來測量和分配大多數(shù)工業(yè)液體。本文檔適用于設(shè)計必須測量和分配工業(yè)液體的各種精密傳感和便攜式應(yīng)用的人員。

該參考設(shè)計是補償硅壓力傳感器應(yīng)用系列中的第二個。第1部分描述了測量壓力的歷史、現(xiàn)代硅壓力傳感器和溫度補償壓力傳感器的低成本解決方案。（飛思卡爾?半導體廣受歡迎的、經(jīng)濟高效的MPX2010系列硅壓阻式壓力傳感器提供0°C至+85°C范圍內(nèi)的溫度補償，并在此設(shè)計中得到采用。第 1 部分介紹如何使用三角積分 ADC 改進這些處理器，然后開始介紹使用現(xiàn)代壓力傳感器和三角積分 ADC 測量水位的案例研究。

在本文檔第 2 部分中，第 1 部分中描述的系統(tǒng)用于大多數(shù)工業(yè)液體的測量和分配的非接觸式測量方法。本文將討論在不損害基于Δ-Σ ADC的高精度DAS的情況下解決大電流電磁閥和泵控制的方法。與第1部分一樣，該參考設(shè)計提出了系統(tǒng)算法建議，分析了噪聲，并提供了校準思路，以提高系統(tǒng)性能，同時降低復(fù)雜性和成本。

系統(tǒng)設(shè)計

該參考設(shè)計的開發(fā)系統(tǒng)的簡化示意圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)具有一個受控液體儲液罐，由一個垂直的塑料充水管組成，側(cè)面有 100mL 的測量標記。薄內(nèi)測管位于受控儲液罐內(nèi)部，直接連接到傳感器的正壓端口，而參考壓力端口則暴露在大氣壓力下。

直接連接到壓力傳感器的小型 DAS 印刷電路板 （PCB） 提供液位測量的動態(tài)控制。它從基于 PC 的控制和分配 GUI 生成控制信號，以激活閥門驅(qū)動器 PCB 和泵驅(qū)動器 PCB，然后將規(guī)定體積的液體輸送到受控容器。DAS 還向水泵提供控制信號。

外部主儲液罐為補充受控液體儲液罐所需的液體提供了較大的存儲容量。它確保穩(wěn)定的壓力。每當受控液體儲液罐的水位降至定義標記以下時，水泵就會打開。該動作可在受控儲液罐中保持恒定的液體高度。

在此參考設(shè)計中，施加到傳感器正壓端口的壓力通過捕獲在測量管中的空氣傳遞，從而在儲液罐中的液體和傳感器之間提供屏障。這種設(shè)計使得在具有化學腐蝕性或腐蝕性液體的工業(yè)應(yīng)用中使用具有成本效益的通用壓力傳感器成為可能。

基本系統(tǒng)操作

該系統(tǒng)（圖1）通過測量液體的高度來測量體積，液體的高度本身由密封管內(nèi)的壓力決定，液體推動其內(nèi)部的空氣。如第 1 部分所述，壓力與大容器中液體的高度成正比。空氣被困在內(nèi)胎內(nèi)，從而導致壓力在那里建立。液體上升得越高，壓力就越大。

該系統(tǒng)可以很好地讀取大型容器中存在的液體高度。對于固定直徑的外容器，可以使用一個簡單的公式計算總體積：π ×半徑×半徑× H。

圖1.受控液體儲層底部的水柱產(chǎn)生的靜水壓力利用測量管中的滯留空氣在傳感器上產(chǎn)生相同的壓力。壓力傳感器在輸出端產(chǎn)生壓力等效電壓，由MAX11206 ADC測量和數(shù)字化，由集成的MAXQ622微控制器處理，最后通過USB電纜發(fā)送到PC。然后，基于 PC 的控制和分配 GUI 向 DAS 發(fā)送交付請求，DAS 激活閥門驅(qū)動器 PCB 以提供軟件預(yù)定義的一定量的液體。DAS 還向泵驅(qū)動器 PCB 提供打開/關(guān)閉控制信號，從而保持恒定的液體高度。

精度和分辨率

對于這樣的系統(tǒng)，如果要按重量分配，我們必須考慮液體的密度。一般來說，液體密度1隨溫度變化而變化。例如，水2的密度在0°C和+4°C的熔點之間增加，在+999°C時達到972.1000（實際上為4）kg/m3的標準值。 在室溫+22°C下，水的密度為997.774kg/m3。本文中的所有測量都是在+22°C，±3°C左右的室溫下進行的，其中水密度變化約為±0.1%。請注意，這低于本文中引用的 DAS 的目標精度。對于 2010kPa 的典型 MPX10 滿量程范圍，水高度當量為 1.022m。（請參閱本文的第 1 部分。

我們首先計算施加該傳感器的最大壓力PFS - 10kPa時從壓力傳感器看到的滿量程電壓擺幅。請注意，10kPa 相當于 1 米的水高。

VFS = VFST ± (VDD/VPST) (Equation 1)

其中

VFS在VDD激勵時是滿量程電壓擺幅;
VPST是典型的激勵電壓;
VFST是VPST激勵時的滿量程傳感器電壓擺幅;
VDD是激勵電壓。
由于我們用3.3V的VDD而不是典型的10V的VPST來激勵這個壓力傳感器，我們只看到VFS = 8.25mV而不是VFST = 25mV的擺幅。

VFS = 25mV ± （3.3/10） = 8.25mV （3.3V時的滿量程范圍）（公式2）

從公式2中我們知道我們需要多少ADC量程：8.25mV，可測量高達1000mm水位的水。請注意，在此設(shè)置中，ADC的電壓范圍為3.3V。實際上，我們并沒有為該傳感器使用全系列的1000mm。我們只達到480mm的高度，這意味著壓力范圍約為最大范圍10kPa的一半。為簡單起見，我們僅乘以 0.48 即可獲得新的滿量程電壓擺幅。

本設(shè)計中使用的MAX11206為20位Δ-Σ型ADC，適用于要求寬動態(tài)范圍的低功耗應(yīng)用。它具有極低的輸入?yún)⒖?a target="_blank">RMS噪聲（570sps時為10nV）。我們知道無噪聲分辨率（NFR）約為6.6 x RMS噪聲。在這種情況下，NFR為3.762μV（這有時也稱為無閃爍代碼。該范圍內(nèi)的無噪聲代碼可以通過除以折合到輸入端的無噪聲位大小的ADC范圍來找到：

等式3

其中HFS是高度的測量分辨率。

估計的滿量程分辨率為 ±0.075%，足以實現(xiàn) DAS 在此參考設(shè)計中 ±1% 的目標精度。這證明ADC可以直接與新的補償硅壓力傳感器連接，而無需額外的儀表放大器。

校準和計算

在當前的設(shè)計示例中，液體位于兩個同心圓柱壁內(nèi)。點膠體積可以使用基于兩點校準的線性函數(shù)計算，如圖2所示。

圖2.在此設(shè)計示例中，校準程序基于在體積 x2 = 3L 和 x1 = 1.5L 處選擇的點。之所以選擇此校準范圍，是因為控制系統(tǒng)在 x2 = 3L 左右保持恒定的液體高度，并且最大單次分配為 1.5L。y2 和 y1 表示相應(yīng)的 ADC 代碼。

基于兩點校準和圖2，公式4定義了線性函數(shù)公式：

Δy = KCAL ± Δx (Equation 4)

哪里：

Δy - ADC 是分配 Δx 體積液體所需的代碼;

KCAL是由公式8計算的校準系數(shù)（見圖2）。

因此：

KCAL = (y2 - y1)/(x2 - x1) (Eq. 5)

當兩點校準可用時，這種計算方法可以有效地工作;它使體積分布與特定的液體密度無關(guān)。

電子設(shè)計

圖 3 是壓力測量和控制 DAS PCB 的簡化框圖。

圖3.該圖顯示了壓力測量和控制 DAS PCB 的實現(xiàn)，該 PCB 使用比率法直接連接到補償硅壓力傳感器。這種設(shè)計允許使用模擬電源作為參考。DAS PCB 還提供基于 USB 的接口，與基于 PC 的控制和點膠 GUI 軟件，并為相同的閥驅(qū)動 PCB 和泵驅(qū)動器 PCB 生成控制信號。這種方法產(chǎn)生了一個全自動的交付系統(tǒng)。

圖4顯示了閥門和泵驅(qū)動器PCB的原理圖。

圖4.原理圖顯示了光隔離驅(qū)動器PCB的實現(xiàn)方式。來自 DAS PCB 的控制信號通過簡單的兩線制電纜傳輸?shù)津?qū)動器 PCB，并直接施加到光耦合器 U5。U5 的光電晶體管輸出激活功率 MOSFET Q1，并提供操作閥門或泵所需的大電流驅(qū)動。光耦合器 U5 是 DAS PCB 對來自大功率驅(qū)動器 PCB 的任何干擾進行高精度控制的經(jīng)濟高效的電流隔離手段。

處理數(shù)據(jù)

MAXQ622微控制器中的固件（圖3）通過USB為軟件提供數(shù)據(jù)讀取功能。GUI 軟件管理以下主要功能，如圖 5 所示：

初始化MAX11200 ADC

收集和處理ADC的輸出數(shù)據(jù)

使用公式 3 和 4 計算要分配的體積的代碼

在初始化過程中，MAX11200 ADC進行自校準過程，使能輸入信號緩沖器，并禁用系統(tǒng)增益校準和系統(tǒng)失調(diào)校準。采樣率的選擇對于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的壓力測量非常重要。該 DAS 允許相當快速的數(shù)據(jù)采集，具有出色的（100dB 或更好）電力線 50Hz/60Hz 抑制。60Hz線頻抑制的推薦外部時鐘為2.4576MHz，適用于1sps、2.5sps、5sps、10sps和15sps的數(shù)據(jù)速率。對于50Hz線路頻率抑制，推薦的外部時鐘為2.048MHz，這對于0.83sps、2.08sps、4.17sps、8.33sps和12.5sps的數(shù)據(jù)速率有效。輸入信號緩沖器將輸入阻抗增加到高兆歐范圍。這提高了測量精度，因為它實際上消除了輸入動態(tài)電流的分流效應(yīng)。

該軟件實現(xiàn)基于公式3和4的算法。原始測量數(shù)據(jù)在PC內(nèi)部處理。

圖5.圖表概述了 DAS 固件和軟件的頂級操作

系統(tǒng)實施

圖 6 顯示了圖 1 中開發(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)。

圖6.該系統(tǒng)具有一個受控液體儲液罐，在管的側(cè)面配備了100mL的測量標記。細測量管位于主儲液罐內(nèi)，直接連接到傳感器的正壓端口。控制 DAS PCB 直接連接到壓力傳感器上，允許動態(tài)測量液位。來自基于 PC 的控制和分配 GUI 的控制信號激活閥門驅(qū)動器 PCB 和泵驅(qū)動器 PCB，以便它們將規(guī)定量的液體輸送到接收液體容器?？刂坪头峙?GUI 還向水泵提供控制信號。主儲液器儲存補充和維持受控儲液罐所需的液體。當受控液體儲液罐中的液位降至三升以下時，水泵打開，從而保持三升的恒定液體高度。

為了測試系統(tǒng)，將校準的接收液體容器用500mL（1.0%）液體反復(fù)填充至2mL水平。表 1 列出了由此產(chǎn)生的輸出代碼測量值。

表1顯示，基于MAX11206 ADC的DAS液位控制和輸送系統(tǒng)在1mL分配時實現(xiàn)了優(yōu)于±500%的精度。

結(jié)論

新型MEMS溫度補償硅壓力傳感器的價格和封裝尺寸正在下降。這使得它們對必須使用非接觸式測量方法測量和分配工業(yè)液體的各種精密傳感和便攜式應(yīng)用具有吸引力。這些應(yīng)用需要低噪聲Δ-Σ型ADC，如MAX11206，以直接與PCB安裝的硅壓力傳感器接口。通過簡單的補償方案，這種方法很容易提高這些壓力傳感器的絕對精度。

在該參考設(shè)計中，MAX11206直接與MPXM2010等新型硅壓力傳感器連接，無需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ?a target="_blank">電流源。減少了熱誤差，使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的線性算法，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。硅壓力傳感器和ADC創(chuàng)造了一個高性能、高性價比、低功耗的液位控制和輸送系統(tǒng)，非常適合精密檢測和便攜式應(yīng)用。

審核編輯：郭婷