液位測(cè)量系統(tǒng)使用補(bǔ)償硅壓力傳感器和Δ-Σ ADC-第2部分

此參考設(shè)計(jì)描述了一種非接觸式測(cè)量方法，該方法利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS）、補(bǔ)償硅壓力傳感器和高精度 Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來(lái)測(cè)量和分配大多數(shù)工業(yè)液體。本文檔適用于設(shè)計(jì)必須測(cè)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(jì)是補(bǔ)償硅壓力傳感器應(yīng)用系列中的第二個(gè)。第1部分描述了測(cè)量壓力的歷史、現(xiàn)代硅壓力傳感器和溫度補(bǔ)償壓力傳感器的低成本解決方案。（飛思卡爾?半導(dǎo)體廣受歡迎的、經(jīng)濟(jì)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(bǔ)償，并在此設(shè)計(jì)中得到采用。第 1 部分介紹如何使用三角積分 ADC 改進(jìn)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(cè)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(cè)量和分配的非接觸式測(cè)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(jì)提出了系統(tǒng)算法建議，分析了噪聲，并提供了校準(zhǔn)思路，以提高系統(tǒng)性能，同時(shí)降低復(fù)雜性和成本。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該參考設(shè)計(jì)的開發(fā)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)具有一個(gè)受控液體儲(chǔ)液罐，由一個(gè)垂直的塑料充水管組成，側(cè)面有 100mL 的測(cè)量標(biāo)記。薄內(nèi)測(cè)管位于受控儲(chǔ)液罐內(nèi)部，直接連接到傳感器的正壓端口，而參考?jí)毫Χ丝趧t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(cè)量的動(dòng)態(tài)控制。它從基于 PC 的控制和分配 GUI 生成控制信號(hào)，以激活閥門驅(qū)動(dòng)器 PCB 和泵驅(qū)動(dòng)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(hào)。

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

在此參考設(shè)計(jì)中，施加到傳感器正壓端口的壓力通過(guò)捕獲在測(cè)量管中的空氣傳遞，從而在儲(chǔ)液罐中的液體和傳感器之間提供屏障。這種設(shè)計(jì)使得在具有化學(xué)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(guò)測(cè)量液體的高度來(lái)測(cè)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(dòng)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(dǎo)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(duì)于固定直徑的外容器，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算總體積：π ×半徑×半徑× H。

圖1.受控液體儲(chǔ)層底部的水柱產(chǎn)生的靜水壓力利用測(cè)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(cè)量和數(shù)字化，由集成的MAXQ622微控制器處理，最后通過(guò)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(qǐng)求，DAS 激活閥門驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 PCB 提供打開/關(guān)閉控制信號(hào)，從而保持恒定的液體高度。

精度和分辨率

對(duì)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(lái)說(shuō)，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(diǎn)之間增加，在+999°C時(shí)達(dá)到972.1000（實(shí)際上為4）kg/m3的標(biāo)準(zhǔn)值。 在室溫+22°C下，水的密度為997.774kg/m3。本文中的所有測(cè)量都是在+22°C，±3°C左右的室溫下進(jìn)行的，其中水密度變化約為±0.1%。請(qǐng)注意，這低于本文中引用的 DAS 的目標(biāo)精度。對(duì)于 2010kPa 的典型 MPX10 滿量程范圍，水高度當(dāng)量為 1.022m。（請(qǐng)參閱本文的第 1 部分。

我們首先計(jì)算施加該傳感器的最大壓力PFS - 10kPa時(shí)從壓力傳感器看到的滿量程電壓擺幅。請(qǐng)注意，10kPa 相當(dāng)于 1 米的水高。

VFS = VFST ± (VDD/VPST) (Equation 1)

其中

VFS在VDD激勵(lì)時(shí)是滿量程電壓擺幅;
VPST是典型的激勵(lì)電壓;
VFST是VPST激勵(lì)時(shí)的滿量程傳感器電壓擺幅;
VDD是激勵(lì)電壓。
由于我們用3.3V的VDD而不是典型的10V的VPST來(lái)激勵(lì)這個(gè)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(shí)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(cè)量高達(dá)1000mm水位的水。請(qǐng)注意，在此設(shè)置中，ADC的電壓范圍為3.3V。實(shí)際上，我們并沒(méi)有為該傳感器使用全系列的1000mm。我們只達(dá)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(jiǎn)單起見(jiàn)，我們僅乘以 0.48 即可獲得新的滿量程電壓擺幅。

本設(shè)計(jì)中使用的MAX11206為20位Δ-Σ型ADC，適用于要求寬動(dòng)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(shí)為10nV）。我們知道無(wú)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(shí)也稱為無(wú)閃爍代碼。該范圍內(nèi)的無(wú)噪聲代碼可以通過(guò)除以折合到輸入端的無(wú)噪聲位大小的ADC范圍來(lái)找到：

等式3

其中HFS是高度的測(cè)量分辨率。

估計(jì)的滿量程分辨率為 ±0.075%，足以實(shí)現(xiàn) DAS 在此參考設(shè)計(jì)中 ±1% 的目標(biāo)精度。這證明ADC可以直接與新的補(bǔ)償硅壓力傳感器連接，而無(wú)需額外的儀表放大器。

校準(zhǔn)和計(jì)算

在當(dāng)前的設(shè)計(jì)示例中，液體位于兩個(gè)同心圓柱壁內(nèi)。點(diǎn)膠體積可以使用基于兩點(diǎn)校準(zhǔn)的線性函數(shù)計(jì)算，如圖2所示。

圖2.在此設(shè)計(jì)示例中，校準(zhǔn)程序基于在體積 x2 = 3L 和 x1 = 1.5L 處選擇的點(diǎn)。之所以選擇此校準(zhǔn)范圍，是因?yàn)?a target="_blank">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(diǎn)校準(zhǔn)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(jì)算的校準(zhǔn)系數(shù)（見(jiàn)圖2）。

因此：

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

當(dāng)兩點(diǎn)校準(zhǔn)可用時(shí)，這種計(jì)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(wú)關(guān)。

電子設(shè)計(jì)

圖 3 是壓力測(cè)量和控制 DAS PCB 的簡(jiǎn)化框圖。

圖3.該圖顯示了壓力測(cè)量和控制 DAS PCB 的實(shí)現(xiàn)，該 PCB 使用比率法直接連接到補(bǔ)償硅壓力傳感器。這種設(shè)計(jì)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(diǎn)膠 GUI 軟件，并為相同的閥驅(qū)動(dòng) PCB 和泵驅(qū)動(dòng)器 PCB 生成控制信號(hào)。這種方法產(chǎn)生了一個(gè)全自動(dòng)的交付系統(tǒng)。

圖4顯示了閥門和泵驅(qū)動(dòng)器PCB的原理圖。

圖4.原理圖顯示了光隔離驅(qū)動(dòng)器PCB的實(shí)現(xiàn)方式。來(lái)自 DAS PCB 的控制信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)單的兩線制電纜傳輸?shù)津?qū)動(dòng)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(dòng)。光耦合器 U5 是 DAS PCB 對(duì)來(lái)自大功率驅(qū)動(dòng)器 PCB 的任何干擾進(jìn)行高精度控制的經(jīng)濟(jì)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(guò)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(jì)算要分配的體積的代碼

在初始化過(guò)程中，MAX11200 ADC進(jìn)行自校準(zhǔn)過(guò)程，使能輸入信號(hào)緩沖器，并禁用系統(tǒng)增益校準(zhǔn)和系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)。采樣率的選擇對(duì)于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的壓力測(cè)量非常重要。該 DAS 允許相當(dāng)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(shí)鐘為2.4576MHz，適用于1sps、2.5sps、5sps、10sps和15sps的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于50Hz線路頻率抑制，推薦的外部時(shí)鐘為2.048MHz，這對(duì)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(hào)緩沖器將輸入阻抗增加到高兆歐范圍。這提高了測(cè)量精度，因?yàn)樗鼘?shí)際上消除了輸入動(dòng)態(tài)電流的分流效應(yīng)。

該軟件實(shí)現(xiàn)基于公式3和4的算法。原始測(cè)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(jí)操作

系統(tǒng)實(shí)施

圖 6 顯示了圖 1 中開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

圖6.該系統(tǒng)具有一個(gè)受控液體儲(chǔ)液罐，在管的側(cè)面配備了100mL的測(cè)量標(biāo)記。細(xì)測(cè)量管位于主儲(chǔ)液罐內(nèi)，直接連接到傳感器的正壓端口?？刂?DAS PCB 直接連接到壓力傳感器上，允許動(dòng)態(tài)測(cè)量液位。來(lái)自基于 PC 的控制和分配 GUI 的控制信號(hào)激活閥門驅(qū)動(dòng)器 PCB 和泵驅(qū)動(dòng)器 PCB，以便它們將規(guī)定量的液體輸送到接收液體容器。控制和分配 GUI 還向水泵提供控制信號(hào)。主儲(chǔ)液器儲(chǔ)存補(bǔ)充和維持受控儲(chǔ)液罐所需的液體。當(dāng)受控液體儲(chǔ)液罐中的液位降至三升以下時(shí)，水泵打開，從而保持三升的恒定液體高度。

為了測(cè)試系統(tǒng)，將校準(zhǔn)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(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于±500%的精度。

結(jié)論

新型MEMS溫度補(bǔ)償硅壓力傳感器的價(jià)格和封裝尺寸正在下降。這使得它們對(duì)必須使用非接觸式測(cè)量方法測(cè)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(guò)簡(jiǎn)單的補(bǔ)償方案，這種方法很容易提高這些壓力傳感器的絕對(duì)精度。

在該參考設(shè)計(jì)中，MAX11206直接與MPXM2010等新型硅壓力傳感器連接，無(wú)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(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)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(gè)高性能、高性價(jià)比、低功耗的液位控制和輸送系統(tǒng)，非常適合精密檢測(cè)和便攜式應(yīng)用。

審核編輯：郭婷