設計用于醫療和工業控制過程的液位控制與輸送系統

盡管磁翻板液位計傳感器對溫度敏感，但許多現代工業過程以及商業和醫療應用不需要擴展的溫度范圍。此外，這些應用中的一些應用在溫度范圍非常有限的空調環境中運行。溫度補償硅磁翻板液位計傳感器非常適合這些應用，因為它們在環境溫度變化時保持其額定值更好。
本文介紹了一種基于數據采集系統（DAS）的經濟高效的低功耗液位控制和傳輸系統，該系統使用補償硅磁翻板液位計傳感器和高精度Δ-ΣADC。該參考設計適用于各種精密傳感和便攜式應用，這些應用必須使用非接觸式測量方法測量和分配工業液體。該系統使用補償硅磁翻板液位計傳感器來測量和分配大多數工業液體。
本文提供了解決高電流電磁閥和泵控制的想法，而不會危及基于ADC的高精度delta-sigma DAS。它還提供系統算法，分析噪聲，并提供校準思路，以提高系統性能，同時降低復雜性和成本。這里描述的設計利用了飛思卡爾半導體的MPX2010系列硅壓阻式磁翻板液位計傳感器，MAX11206 ADC和MAXQ622微控制器，

系統設計
該參考設計的開發系統的簡化框圖如圖1所示。該系統的特點是一個受控液體儲存器，由一個立式塑料充水管組成，側面裝有100毫升測量標記。薄的內部測量管位于受控儲液器內部并直接連接到傳感器的正壓端口，而參考壓力端口暴露在大氣壓力下。
直接連接到磁翻板液位計傳感器的小型DAS PCB可提供液位測量的動態控制。它從基于PC的控制和分配GUI生成控制信號，以激活閥驅動器PCB和泵驅動器PCB，然后將規定體積的液體輸送到受控容器。DAS還向水泵提供控制信號。
外部主液體儲存器為補充受控液體儲存器所需的液體提供大的存儲容量。它確保穩定的壓力。只要受控液體儲液器的液位下降到規定標記以下，水泵就會打開。該動作在受控儲存器中保持恒定的液體高度。
在該參考設計中，施加到傳感器的正壓端口的壓力通過捕獲在測量管中的空氣傳遞，從而在儲存器中的液體和傳感器之間提供屏障。這種設計使得在具有化學腐蝕性或腐蝕性液體的工業應用中使用具有成本效益的通用磁翻板液位計傳感器成為可能。
基本系統操作
該系統（圖1）通過測量液體的高度來測量體積，液體的高度由密封管內的壓力決定，液體將液體推入其中。如本系列文章第1部分所述，壓力與大容器中的液體高度成正比。空氣被困在內管內，從而導致壓力在那里形成。液體上升越高，壓力越大。
該系統可以非常好地讀取大容器中存在的液體高度。對于固定直徑的外容器，可以使用簡單的等式計算總體積：π×半徑×半徑×H.

圖1
由受控儲液器底部的水柱產生的靜水壓力使用測量管中的截留空氣在傳感器上產生相同的壓力。在其輸出端，磁翻板液位計傳感器產生的壓力等效電壓由MAX11206 ADC測量和數字化，由集成的MAXQ622微控制器處理，較后通過USB電纜發送到PC。然后，基于PC的控制和分配GUI向DAS發送遞送請求，其激活閥驅動器PCB以遞送由軟件預定義的一定量的液體。DAS還向泵驅動器PCB提供控制信號以打開/關閉，從而保持恒定的液體高度。
精度和分辨率
對于這樣的系統，如果我們想要按重量分配，我們必須考慮液體的密度。通常，液體密度[2]隨溫度的變化而變化。例如，水的密度[3]在0°C和+ 4°C的熔點之間增加，在+ 4°C時達到標準值999.972（實際上為1000）kg / m3。在室溫+ 22℃下，水的密度為997.774kg / m3。本文中的所有測量均在室溫約+ 22°C，±3°C下進行，其中水密度在±0.1％左右變化。請注意，這低于本文中引用的DAS的目標精度。對于10kPa的典型MPX2010滿量程范圍，水高度相當于1.022m。
我們首先計算當傳感器的較大壓力PFS - 10kPa應用時，我們將從磁翻板液位計傳感器看到的滿刻度電壓擺幅。請注意，10kPa轉換為1米的水高。
VFS = VFST×（VDD / VPST）
其中：
VFS：VDD
VPST 激勵時的滿量程電壓擺幅：典型激勵電壓
VFST：VPST 激勵時滿量程傳感器電壓擺幅
VDD：激勵電壓
公式1
由于我們激勵這個磁翻板液位計傳感器的VDD為3.3V而不是10V的典型VPST，我們只能看到VFS = 8.25mV而不是VFST = 25mV的擺幅。
VFS = 25mV×（3.3 / 10）= 8.25mV（3.3V時的滿量程跨度）
公式2
根據這個等式，我們知道我們需要多少ADC的范圍：8.25mv可以測量高達1000mm的水位。請注意，在此設置中，ADC確實具有3.3V的范圍。事實上，我們并沒有使用1000mm的全系列傳感器。我們只能達到480mm的高度，這將轉化為大約10kPa較大范圍的一半的壓力范圍。為了簡單起見，我們將乘以0.48以獲得新的滿量程電壓擺幅。

本設計中使用的MAX11206是一款20位Δ-ΣADC，適用于需要寬動態范圍的低功耗應用。它具有極低的輸入參考RMS噪聲，在10sps時為570nV。我們知道無噪聲分辨率（NFR）約為6.6×RMS噪聲。在這種情況下，它將是2.86μV。（這有時也稱為無閃爍代碼。）通過將輸入參考無噪聲位大小所使用的ADC范圍除以下，可以找到該范圍內存在的無噪聲代碼：

公式3

在此參考設計中，估計的滿量程分辨率為±0.056％足以使DAS的目標精度達到±1％。這證明ADC可以直接與新的補償硅磁翻板液位計傳感器連接，無需額外的儀表放大器。

校準和計算
在當前的設計實例中，液體位于兩個同心圓柱形壁內。可以使用基于兩點校準的線性函數計算分配量，如圖2所示。

圖2：分配量的計算
在該設計示例中，校準過程基于在體積X2 = 3L和X1 = 1.5L處選擇的點。選擇該校準范圍是因為控制系統在X2 = 3L附近保持恒定的液體高度，并且較大單次分配為1.5L。Y2和Y1相應地表示ADC代碼。
從兩點校準和圖2中，線性函數公式在公式4中定義：
ΔY= KCAL×ΔX
公式4
其中：
ΔY - ADC：分配ΔX體積液體所需的代碼。
KCAL：校準系數由公式5計算（見圖2）。
因此：
KCAL =（Y2-Y1）/（X2-X1）
公式5
當兩點校準可用時，該計算方法有效; 它使體積分布與特定的液體密度無關。

電子設計

圖3：壓力測量和控制DAS PCB的簡化框圖
圖3顯示了壓力測量和控制DAS PCB的實現，該PCB與補償的硅磁翻板液位計傳感器直接接口，采用比率法。該設計允許使用模擬電源作為參考。DAS PCB還提供基于USB的接口和基于PC的控制和分配GUI軟件，并為相同的閥驅動PCB和泵驅動器PCB生成控制信號。該方法產生完全自動化的遞送系統。

圖4：閥門和泵驅動器PCB的示意圖
原理圖顯示了光隔離驅動器PCB的實現。來自DAS PCB的控制信號通過簡單的雙線電纜傳輸到驅動器PCB，并直接應用于光耦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高電流驅動。光耦合器U5是DAS PCB對來自大功率驅動器PCB的任何干擾的高精度控制的經濟有效的電流隔離手段。

處理數據
MAXQ622微控制器中的固件（圖3）通過USB為軟件提供數據讀取功能。GUI軟件管理以下主要功能，如圖5所示：
初始化MAX11200 ADC
收集并處理ADC的輸出數據
使用等式4和5計算要分配的體積的代碼

初始化期間，MAX11200 ADC經過自校準過程，使能輸入信號緩沖器，并禁用系統增益校準和系統偏移校準。

選擇采樣率對于工業和醫療應用中的壓力測量非常重要。該DAS允許合理快速的數據采集，具有出色的（100dB或更高）電源線50Hz / 60Hz抑制。推薦的60Hz線路頻率抑制外部時鐘為2.4576MHz，對數據速率為1,2.5,5,10和15sps有效。對于50Hz線路頻率抑制，推薦的外部時鐘為2.048MHz，這對于0.83,2.08,4.17,8.33和12.5sps的數據速率有效。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電流的分流效應。
該軟件實現了基于等式4和5的算法。原始測量數據在PC內部處理。

圖5.圖表概述了DAS固件和軟件的頂級操作

系統實施

圖6：圖1所示的開發系統的實現
該系統具有受控液體儲存器，在管的側面配有100mL測量標記。薄測量管位于主液槽內，并直接連接到傳感器的正壓端口。控制DAS PCB直接連接到磁翻板液位計傳感器，可以動態測量液位。來自基于PC的控制和分配GUI的控制信號激活閥驅動器PCB和泵驅動器PCB，因此它們將規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。主液體儲存器儲存補充和維持受控液體儲存器所需的液體。當受控液體儲液器中的液位低于3升時，水泵開啟，因此，
為了測試該系統，將校準的接收液體容器用1mL（0.2％）液體重復填充至500mL水平。表1列出了較終的輸出代碼測量值。

表1：接收液體容器填充至500mL水平的輸出代碼測量
表1顯示，基于MAX11206 ADC的DAS液位控制和輸送系統在500mL分布下的精度優于±1％。

結論
新的MEMS溫度補償硅磁翻板液位計傳感器的價格和封裝尺寸正在下降。這使得它們對于必須使用非接觸式測量方法測量和分配工業液體的各種精密傳感和便攜式應用具有吸引力。這些應用需要低噪聲Δ-ΣADC（如MAX11206）直接連接到安裝在PCB上的硅磁翻板液位計傳感器。通過簡單的補償方案，這種方法可以輕松提高這些磁翻板液位計傳感器的絕對精度。

在此處介紹的參考設計中，MAX11206可直接連接新的硅磁翻板液位計傳感器，如MPXM2010，無需額外的儀表放大器或專用電流源。減少了熱誤差，這使設計人員能夠實現簡單的線性算法，從而降低系統復雜性和成本。硅磁翻板液位計傳感器和ADC創建了一個高性能，低成本，低功耗的液位控制和輸送系統，非常適合這些應用。