設(shè)計(jì)用于醫(yī)療和工業(yè)控制過(guò)程的液位控制與輸送系統(tǒng)

盡管磁翻板液位計(jì)傳感器對(duì)溫度敏感，但許多現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程以及商業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用不需要擴(kuò)展的溫度范圍。此外，這些應(yīng)用中的一些應(yīng)用在溫度范圍非常有限的空調(diào)環(huán)境中運(yùn)行。溫度補(bǔ)償硅磁翻板液位計(jì)傳感器非常適合這些應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)诃h(huán)境溫度變化時(shí)保持其額定值更好。
本文介紹了一種基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）的經(jīng)濟(jì)高效的低功耗液位控制和傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用補(bǔ)償硅磁翻板液位計(jì)傳感器和高精度Δ-ΣADC。該參考設(shè)計(jì)適用于各種精密傳感和便攜式應(yīng)用，這些應(yīng)用必須使用非接觸式測(cè)量方法測(cè)量和分配工業(yè)液體。該系統(tǒng)使用補(bǔ)償硅磁翻板液位計(jì)傳感器來(lái)測(cè)量和分配大多數(shù)工業(yè)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(huì)危及基于ADC的高精度delta-sigma DAS。它還提供系統(tǒng)算法，分析噪聲，并提供校準(zhǔn)思路，以提高系統(tǒng)性能，同時(shí)降低復(fù)雜性和成本。這里描述的設(shè)計(jì)利用了飛思卡爾半導(dǎo)體的MPX2010系列硅壓阻式磁翻板液位計(jì)傳感器，MAX11206 ADC和MAXQ622微控制器，

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該參考設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是一個(gè)受控液體儲(chǔ)存器，由一個(gè)立式塑料充水管組成，側(cè)面裝有100毫升測(cè)量標(biāo)記。薄的內(nèi)部測(cè)量管位于受控儲(chǔ)液器內(nèi)部并直接連接到傳感器的正壓端口，而參考?jí)毫Χ丝诒┞对诖髿鈮毫ο隆?br /> 直接連接到磁翻板液位計(jì)傳感器的小型DAS PCB可提供液位測(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)。
外部主液體儲(chǔ)存器為補(bǔ)充受控液體儲(chǔ)存器所需的液體提供大的存儲(chǔ)容量。它確保穩(wěn)定的壓力。只要受控液體儲(chǔ)液器的液位下降到規(guī)定標(biāo)記以下，水泵就會(huì)打開(kāi)。該動(dòng)作在受控儲(chǔ)存器中保持恒定的液體高度。
在該參考設(shè)計(jì)中，施加到傳感器的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)存器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磁翻板液位計(jì)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，液體的高度由密封管內(nèi)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(nèi)管內(nèi)，從而導(dǎo)致壓力在那里形成。液體上升越高，壓力越大。
該系統(tǒng)可以非常好地讀取大容器中存在的液體高度。對(duì)于固定直徑的外容器，可以使用簡(jiǎn)單的等式計(jì)算總體積：π×半徑×半徑×H.

圖1
由受控儲(chǔ)液器底部的水柱產(chǎn)生的靜水壓力使用測(cè)量管中的截留空氣在傳感器上產(chǎn)生相同的壓力。在其輸出端，磁翻板液位計(jì)傳感器產(chǎn)生的壓力等效電壓由MAX11206 ADC測(cè)量和數(shù)字化，由集成的MAXQ622微控制器處理，較后通過(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)送遞送請(qǐng)求，其激活閥驅(qū)動(dòng)器PCB以遞送由軟件預(yù)定義的一定量的液體。DAS還向泵驅(qū)動(dòng)器PCB提供控制信號(hào)以打開(kāi)/關(guān)閉，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(diǎn)之間增加，在+ 4°C時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值999.972（實(shí)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(cè)量均在室溫約+ 22°C，±3°C下進(jìn)行，其中水密度在±0.1％左右變化。請(qǐng)注意，這低于本文中引用的DAS的目標(biāo)精度。對(duì)于10kPa的典型MPX2010滿量程范圍，水高度相當(dāng)于1.022m。
我們首先計(jì)算當(dāng)傳感器的較大壓力PFS - 10kPa應(yīng)用時(shí)，我們將從磁翻板液位計(jì)傳感器看到的滿刻度電壓擺幅。請(qǐng)注意，10kPa轉(zhuǎn)換為1米的水高。
VFS = VFST×（VDD / VPST）
其中：
VFS：VDD
VPST 激勵(lì)時(shí)的滿量程電壓擺幅：典型激勵(lì)電壓
VFST：VPST 激勵(lì)時(shí)滿量程傳感器電壓擺幅
VDD：激勵(lì)電壓
公式1
由于我們激勵(lì)這個(gè)磁翻板液位計(jì)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(shí)的滿量程跨度）
公式2
根據(jù)這個(gè)等式，我們知道我們需要多少ADC的范圍：8.25mv可以測(cè)量高達(dá)1000mm的水位。請(qǐng)注意，在此設(shè)置中，ADC確實(shí)具有3.3V的范圍。事實(shí)上，我們并沒(méi)有使用1000mm的全系列傳感器。我們只能達(dá)到480mm的高度，這將轉(zhuǎn)化為大約10kPa較大范圍的一半的壓力范圍。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將乘以0.48以獲得新的滿量程電壓擺幅。

本設(shè)計(jì)中使用的MAX11206是一款20位Δ-ΣADC，適用于需要寬動(dòng)態(tài)范圍的低功耗應(yīng)用。它具有極低的輸入?yún)⒖糝MS噪聲，在10sps時(shí)為570nV。我們知道無(wú)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(shí)也稱(chēng)為無(wú)閃爍代碼。）通過(guò)將輸入?yún)⒖紵o(wú)噪聲位大小所使用的ADC范圍除以下，可以找到該范圍內(nèi)存在的無(wú)噪聲代碼：

公式3

在此參考設(shè)計(jì)中，估計(jì)的滿量程分辨率為±0.056％足以使DAS的目標(biāo)精度達(dá)到±1％。這證明ADC可以直接與新的補(bǔ)償硅磁翻板液位計(jì)傳感器連接，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)實(shí)例中，液體位于兩個(gè)同心圓柱形壁內(nèi)�？梢允褂没�于兩點(diǎn)校準(zhǔn)的線性函數(shù)計(jì)算分配量，如圖2所示。

圖2：分配量的計(jì)算
在該設(shè)計(jì)示例中，校準(zhǔn)過(guò)程基于在體積X2 = 3L和X1 = 1.5L處選擇的點(diǎn)。選擇該校準(zhǔn)范圍是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)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(yīng)地表示ADC代碼。
從兩點(diǎn)校準(zhǔn)和圖2中，線性函數(shù)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(zhǔn)系數(shù)由公式5計(jì)算（見(jiàn)圖2）。
因此：
KCAL =（Y2-Y1）/（X2-X1）
公式5
當(dāng)兩點(diǎn)校準(zhǔn)可用時(shí)，該計(jì)算方法有效; 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：壓力測(cè)量和控制DAS PCB的簡(jiǎn)化框圖
圖3顯示了壓力測(cè)量和控制DAS PCB的實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)CB與補(bǔ)償?shù)墓璐欧�板液位�?jì)傳感器直接接口，采用比率法。該設(shè)計(jì)允許使用模擬電源作為參考。DAS PCB還提供基于USB的接口和基于PC的控制和分配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)。該方法產(chǎn)生完全自動(dòng)化的遞送系統(tǒng)。

圖4：閥門(mén)和泵驅(qū)動(dòng)器PCB的示意圖
原理圖顯示了光隔離驅(qū)動(dòng)器PCB的實(shí)現(xiàn)。來(lái)自DAS PCB的控制信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)單的雙線電纜傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器PCB，并直接應(yīng)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(mén)或泵所需的高電流驅(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的任何干擾的高精度控制的經(jīng)濟(jì)有效的電流隔離手段。

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
收集并處理ADC的輸出數(shù)據(jù)
使用等式4和5計(jì)算要分配的體積的代碼

初始化期間，MAX11200 ADC經(jīng)過(guò)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)偏移校準(zhǔn)。

選擇采樣率對(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允許合理快速的數(shù)據(jù)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(shí)鐘為2.4576MHz，對(duì)數(shù)據(jù)速率為1,2.5,5,10和15sps有效。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0.83,2.08,4.17,8.33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)了基于等式4和5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：圖1所示的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)具有受控液體儲(chǔ)存器，在管的側(cè)面配有100mL測(cè)量標(biāo)記。薄測(cè)量管位于主液槽內(nèi)，并直接連接到傳感器的正壓端口�？刂艱AS PCB直接連接到磁翻板液位計(jì)傳感器，可以動(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)激活閥驅(qū)動(dòng)器PCB和泵驅(qū)動(dòng)器PCB，因此它們將規(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)。主液體儲(chǔ)存器儲(chǔ)存補(bǔ)充和維持受控液體儲(chǔ)存器所需的液體。當(dāng)受控液體儲(chǔ)液器中的液位低于3升時(shí)，水泵開(kāi)啟，因此，
為了測(cè)試該系統(tǒng)，將校準(zhǔn)的接收液體容器用1mL（0.2％）液體重復(fù)填充至500mL水平。表1列出了較終的輸出代碼測(cè)量值。

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

結(jié)論
新的MEMS溫度補(bǔ)償硅磁翻板液位計(jì)傳感器的價(jià)格和封裝尺寸正在下降。這使得它們對(duì)于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-ΣADC（如MAX11206）直接連接到安裝在PCB上的硅磁翻板液位計(jì)傳感器。通過(guò)簡(jiǎn)單的補(bǔ)償方案，這種方法可以輕松提高這些磁翻板液位計(jì)傳感器的絕對(duì)精度。

在此處介紹的參考設(shè)計(jì)中，MAX11206可直接連接新的硅磁翻板液位計(jì)傳感器，如MPXM2010，無(wú)需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ秒娏髟�。減少了熱誤差，這使設(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。硅磁翻板液位計(jì)傳感器和ADC創(chuàng)建了一個(gè)高性能，低成本，低功耗的液位控制和輸送系統(tǒng)，非常適合這些應(yīng)用。