一種經(jīng)濟(jì)高效的低功耗液位測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）案例

液位測量在工業(yè)和商業(yè)過程中都有許多應(yīng)用。從在家中儲罐中的水位檢測到監(jiān)視工業(yè)上明渠的燃料流，其使用一直在提供安全可靠的系統(tǒng)。也許，液位測量最簡單但最重要的應(yīng)用是在洪水檢測系統(tǒng)中，在天氣不好的情況下，可以使社區(qū)免受洪水的危害。

該參考設(shè)計描述了一種非接觸式測量方法，用于測量和分配大多數(shù)工業(yè)液體，它利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）以及補(bǔ)償?shù)墓?a target="_blank">壓力傳感器和高精度的delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 。本文檔對于設(shè)計各種必須測量和分配工業(yè)液體的精密傳感和便攜式應(yīng)用的人員很有用。

該參考設(shè)計是補(bǔ)償硅壓力傳感器應(yīng)用系列中的第二篇。第一個參考設(shè)計5319“液位控制和輸送系統(tǒng)使用補(bǔ)償式硅壓力傳感器和精密Delta-Sigma ADC，第1部分”描述了測量壓力，現(xiàn)代硅壓力傳感器和低成本的歷史。溫度補(bǔ)償壓力傳感器的解決方案。（飛思卡爾半導(dǎo)體推出的流行且經(jīng)濟(jì)高效的MPX2010系列硅壓阻式壓力傳感器可在0°C至+ 85°C的范圍內(nèi)提供溫度補(bǔ)償，并且在此設(shè)計中具有特色。）第1部分介紹了如何改進(jìn)這些處理器在進(jìn)行有關(guān)使用現(xiàn)代壓力傳感器和delta-sigma ADC來測量水位的案例研究之前，先與delta-sigma ADC一起使用。

在本文檔的第2部分中，第1部分中描述的系統(tǒng)用于非接觸式測量方法中，用于大多數(shù)工業(yè)液體的測量和分配。在這里，我們討論了解決大電流電磁閥和泵控制的方法，而又不會損害基于高精度delta-sigma ADC的DAS。與第1部分相同，該參考設(shè)計提出了系統(tǒng)算法，分析噪聲并提供了校準(zhǔn)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

此參考設(shè)計的開發(fā)系統(tǒng)的簡化圖如圖1所示。該系統(tǒng)具有一個受控液體儲存器，該儲存器由一個垂直的塑料注水管組成，該管的側(cè)面有100mL的測量標(biāo)記。細(xì)的內(nèi)部測量管位于受控容器的內(nèi)部，并直接連接到傳感器的正壓端口，而參考壓力端口則暴露于大氣壓下。

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

外部主儲液罐可為補(bǔ)充受控儲液罐所需的液體提供較大的存儲容量。確保壓力穩(wěn)定。每當(dāng)受控液體儲存器的液位下降到定義的標(biāo)記以下時，水泵就會打開。該動作使受控容器中的液體高度保持恒定。

在此參考設(shè)計中，施加在傳感器正壓端口上的壓力由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了屏障。這種設(shè)計使得在具有化學(xué)侵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。

系統(tǒng)的基本操作

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)部的壓力以及液體推動內(nèi)部的空氣確定。如第1部分所述，壓力與大容器中的液體高度成正比?？諝鉁粼趦?nèi)胎內(nèi)部，從而在其中形成壓力。液體上升的越多，產(chǎn)生的壓力就越大。

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

校準(zhǔn)和計算

在當(dāng)前的設(shè)計示例中，液體位于兩個同心圓柱壁內(nèi)?？梢允褂没趦牲c(diǎn)校準(zhǔn)的線性函數(shù)來計算點(diǎn)膠量，如圖2所示。

基于兩點(diǎn)校準(zhǔn)和圖2，在公式7中定義了線性函數(shù)公式：
Δy= KCAL±Δx

其中：
Δy– ADC是分配Δx體積的液體所需的代碼；
KCAL是通過公式8計算得出的校準(zhǔn)系數(shù)（見圖2）。

所以：

KCAL =（y2 – y1）/（x2 – x1）

當(dāng)兩點(diǎn)校準(zhǔn)可用時，該計算方法將有效工作。它使體積分布與特定的液體密度無關(guān)。

結(jié)論

新型MEMS溫度補(bǔ)償型硅壓力傳感器的價格和封裝尺寸正在下降。這使它們對于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)用需要諸如MAX11206之類的低噪聲delta-sigma ADC直接與安裝在PCB上的硅壓力傳感器接口。通過簡單的補(bǔ)償方案，此方法可輕松提高這些壓力傳感器的絕對精度。

在該參考設(shè)計中，MAX11206直接與新型硅壓力傳感器（如MPXM2010）接口，而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，這使設(shè)計人員可以實施簡單的線性算法，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。硅壓力傳感器和ADC創(chuàng)建了高性能，經(jīng)濟(jì)高效，低功耗的液位控制和輸送系統(tǒng)，非常適合于精密感測和便攜式應(yīng)用。

編輯：hfy