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液位控制和输送系统使用高精准高分辨率补偿硅压力传感器

时间:2019-03-06 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
该参考设计描述了一种用于测量和分配大多数工业液体的非接触式测量方法,利用数据采集系统(DAS)以及补偿硅压力传感器和高精度Δ-Σ模数转换器(ADC) 。本文档适用于那些设计必须测量和分配工业液体的各种精密传感和便携式应用的人。
 
该参考设计是补偿硅压力传感器应用系列中的第二个。第一个参考设计5319,“ 液位控制和输送系统使用补偿硅压力传感器和精密Δ-ΣADC,第1部分 ”,描述了测量压力的历史,现代硅压力传感器和低成本温度补偿压力传感器的解决方案。(飞思卡尔®广受欢迎且经济实惠的MPX2010系列硅压阻式压力传感器 半导体提供0°C至+ 85°C范围内的温度补偿,并在此设计中具有特色。)第1部分介绍了如何使用delta-sigma ADC改进这些处理器,然后再开始使用a-a现代压力传感器和delta-sigma ADC测量水位。
在本文件第2部分中,第1部分中描述的系统用于非接触式测量方法,用于测量和分配大多数工业液体。在这里,我们讨论解决高电流电磁阀和泵控制的方法,而不会危及高精度delta-sigma ADC-based DAS。与第1部分一样,该参考设计提出了系统算法,分析噪声,并提供校准思路,以提高系统性能,同时降低复杂性和成本。

系统设计
该参考设计的开发系统的简化图如图1所示。该系统具有一个受控液体储存器,由一个垂直的塑料充水管组成,侧面有100mL测量标记。薄的内部测量管位于受控储液器内部,并直接连接到传感器的正压端口,而参考压力端口暴露在大气压力下。
直接连接到压力传感器的小型DAS印刷电路板(PCB)提供液位测量的动态控制。它从基于PC的控制和分配GUI生成控制信号,以激活阀驱动器PCB和泵驱动器PCB,然后将规定体积的液体输送到受控容器。DAS还向水泵提供控制信号。
外部主液体储存器为补充受控液体储存器所需的液体提供大的储存容量。它确保稳定的压力。只要受控液体储液器的液位低于规定的标记,水泵就会打开。该动作在受控储存器中保持恒定的液体高度。
在该参考设计中,施加到传感器的正压端口的压力通过捕获在测量管中的空气传递,从而在储存器中的液体和传感器之间提供屏障。这种设计使得在具有化学腐蚀性或腐蚀性液体的工业应用中使用具有成本效益的通用压力传感器成为可能。
 
基本系统操作
该系统(图1)通过测量液体的高度来测量体积,液体的高度本身由密封管内的压力决定,液体将液体推入其中。如第1部分所述,压力与大容器中液体的高度成正比。空气被困在内管内,从而导致压力在那里形成。液体上升越高,压力越大。
该系统可以非:玫囟寥〈笕萜髦写嬖诘囊禾甯叨。对于固定直径的外容器,可以使用简单的等式计算总体积:π ×半径×半径×H.

图1.受控液体储罐底部的水柱产生的静水压力使用测量管中的截留空气在传感器上产生相同的压力。
 
在其输出端,压力传感器产生的压力等效电压由MAX11206 ADC测量和数字化,由集成的MAXQ622微控制器处理,最后通过USB电缆发送到PC。然后,基于PC的控制和分配GUI向DAS发送递送请求,其激活阀驱动器PCB以递送由软件预定义的一定量的液体。DAS还向泵驱动器PCB提供控制信号以打开/关闭,从而保持恒定的液体高度。

精度和分辨率
对于这样的系统,如果我们想要按重量分配,我们必须考虑液体的密度。通常,液体密度¹随温度的变化而变化。例如,水的密度2在0°C和+ 4°C的熔点之间增加,在+ 4°C时达到标准值999.972(实际上为1000)kg /m³。在室温+ 22℃下,水的密度为997.774kg / m 3。本文中的所有测量均在室温约+ 22°C,±3°C下进行,其中水密度在±0.1%左右变化。请注意,这低于本文中引用的DAS的目标精度。对于10kPa的典型MPX2010满量程范围,水高度相当于1.022m。(参见本文第1部分。)
我们首先计算当施加此传感器的最大压力P FS - 10kPa 时,我们从压力传感器看到的满量程电压摆幅。请注意,10kPa转换为1米的水高。
V FS = V FST ±(V DD / V PST) (等式1)

其中:
V FS在被V DD激励时是满量程电压摆幅; 
V PST是典型的激励电压; 
V FST是V PST激励时的满量程传感器电压摆幅; 
V DD是激励电压。
 
由于我们激励这个压力传感器的V DD为3.3V而不是10V 的典型V PST,我们只能看到V FS = 8.25mV而不是V FST = 25mV 的摆幅。
V FS = 25mV±(3.3 / 10)= 8.25mV(3.3V时的满量程跨度) (等式2)
根据公式2,我们知道我们需要多大的ADC范围:8.25mV,可测量高达1000mm的水位。请注意,在此设置中,ADC确实具有3.3V的范围。事实上,我们并没有使用1000mm的全系列传感器。我们只能达到480毫米的高度,这意味着压力范围大约是最大范围10kPa的一半。为了简单起见,我们只乘以0.48以获得新的满量程电压摆幅。
本设计中使用 的MAX11206是一款20位Δ-ΣADC,适用于需要宽动态范围的低功耗应用。它具有极低的输入参考RMS噪声,在10sps时为570nV。我们知道无噪声分辨率(NFR)约为6.6 x RMS噪声。在这种情况下,NFR为3.762μV。(这有时也称为无闪烁代码。)通过将输入参考无噪声位大小所使用的ADC范围除以下,可以找到该范围内存在的无噪声代码:
 

其中H FS是高度的测量分辨率。

在此参考设计中,估计的满量程分辨率±0.075%足以使DAS的目标精度达到±1%。这证明ADC可以直接与新的补偿硅压力传感器连接,无需额外的仪表放大器。

校准和计算
在当前的设计实例中,液体位于两个同心圆柱形壁内。可以使用基于两点校准的线性函数计算分配体积,如图2所示。
 
图2.在此设计示例中,校准过程基于在体积x 2 = 3L和x 1 = 1.5L 处选择的点。
选择该校准范围是因为控制系统在x 2 = 3L 附近保持恒定的液体高度,并且最大单次分配为1.5L。y 2和y 1表示相应的ADC代码。

基于两点校准和图2,线性函数公式在公式7中定义:
Δy= K CAL ±Δx (等式3)
其中:
Δy - ADC是分配Δx体积液体所需的代码; 
K CAL是由公式8计算的校准系数(参见图2)。
因此:
K CAL =(y 2 - y 1)/(x 2 - x 1) (等式4)
当两点校准可用时,该计算方法有效; 它使体积分布与特定的液体密度无关。

电子设计
图3是压力测量和控制DAS PCB的简化框图。
图3.图表显示了压力测量和控制DAS PCB的实现,它采用比率法直接连接到补偿硅压力传感器。该设计允许使用模拟电源作为参考。
DAS PCB还提供基于USB的接口,基于PC的控制和分配GUI软件,并为相同的阀驱动PCB和泵驱动器PCB生成控制信号。该方法产生完全自动化的递送系统。

图4显示了阀门和泵驱动器PCB的原理图

图4.原理图显示了光隔离驱动器PCB的实现。来自DAS PCB的控制信号通过简单的双线电缆传输到驱动器PCB,并直接应用于光耦U5。
U5的光电晶体管输出激活功率MOSFET Q1,并提供操作阀门或泵所需的高电流驱动。光耦合器U5是DAS PCB对来自大功率驱动器PCB的任何干扰的高精度控制的经济有效的电流隔离手段。

处理数据
微控制器(图3)中 的固件通过USB为软件提供数据读取功能。GUI软件管理以下主要功能,如图5所示:
初始化Δ-Σ ADC
收集并处理ADC的输出数据
使用等式3和4计算要分配的体积的代码
初始化期间,Δ-Σ ADC经过自校准过程,启用输入信号缓冲器,并禁用系统增益校准和系统偏移校准。选择采样率对于工业和医疗应用中的压力测量非常重要。该DAS允许合理快速的数据采集,具有出色的(100dB或更高)电力线50Hz / 60Hz抑制。推荐的60Hz线路频率抑制外部时钟为2.4576MHz,对1sps,2.5sps,5sps,10sps和15sps的数据速率有效。对于50Hz线路频率抑制,推荐的外部时钟为2.048MHz,对于0.83sps,2.08sps,4.17sps,8.33sps和12.5sps的数据速率有效。输入信号缓冲器将输入阻抗增加到高兆欧范围。
该软件实现了基于等式3和4的算法。原始测量数据在PC内部处理
 

图5.图表概述了DAS固件和软件的顶级操作。
系统实施
图6显示了图1中开发系统的实现
图6.该系统具有一个控制液体储存器,在管的侧面配有100mL测量标记。

薄测量管位于主液槽内,并直接连接到传感器的正压端口。控制DAS PCB直接连接到压力传感器,可以动态测量液位。来自基于PC的控制和分配GUI的控制信号激活阀驱动器PCB和泵驱动器PCB,因此它们将规定量的液体输送到接收液体容器。控制和分配GUI还向水泵提供控制信号。主液体储存器储存补充和维持受控液体储存器所需的液体。
为了测试该系统,将校准的接收液体容器用1mL(0.2%)液体重复填充至500mL水平。表1列出了最终的输出代码测量值。
表1.接收填充至500mL液位的液体容器的输出代码测量

分配量(mL) 读数 使用完全分配器的代码 500mL 分配后的代码
500 1 545 443
500 2 545 443
500 3 545 443
500 4 545 443
500 5 545 443
表1显示,基于MAX11206 ADC的DAS液位控制和传输系统在500mL分布上的精度优于±1%。

结论
新的MEMS温度补偿硅压力传感器的价格和封装尺寸正在下降。这使得它们对于必须使用非接触式测量方法测量和分配工业液体的各种精密传感和便携式应用具有吸引力。这些应用需要低噪声Δ-ΣADC(如MAX11206)直接连接到安装在PCB上的硅压力传感器。通过简单的补偿方案,这种方法可以轻松提高这些压力传感器的绝对精度。
在此参考设计中,MAX11206直接与新型硅压力传感器(如MPXM2010)连接,无需额外的仪表放大器或专用电流源。减少了热误差,这使设计人员能够实现简单的线性算法,从而降低系统复杂性和成本。硅压力传感器和ADC创建了一个高性能,低成本,低功耗的液位控制和传输系统,非常适合精密传感和便携式应用。