设计用于医疗和工业控制过程的液位控制与输送系统

尽管磁翻板液位计传感器对温度敏感，但许多现代工业过程以及商业和医疗应用不需要扩展的温度范围。此外，这些应用中的一些应用在温度范围非常有限的空调环境中运行。温度补偿硅磁翻板液位计传感器非常适合这些应用，因为它们在环境温度变化时保持其额定值更好。
本文介绍了一种基于数据采集系统（DAS）的经济高效的低功耗液位控制和传输系统，该系统使用补偿硅磁翻板液位计传感器和高精度Δ-ΣADC。该参考设计适用于各种精密传感和便携式应用，这些应用必须使用非接触式测量方法测量和分配工业液体。该系统使用补偿硅磁翻板液位计传感器来测量和分配大多数工业液体。
本文提供了解决高电流电磁阀和泵控制的想法，而不会危及基于ADC的高精度delta-sigma DAS。它还提供系统算法，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。这里描述的设计利用了飞思卡尔半导体的MPX2010系列硅压阻式磁翻板液位计传感器，MAX11206 ADC和MAXQ622微控制器，

系统设计
该参考设计的开发系统的简化框图如图1所示。该系统的特点是一个受控液体储存器，由一个立式塑料充水管组成，侧面装有100毫升测量标记。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。
直接连接到磁翻板液位计传感器的小型DAS PCB可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存储容量。它确保稳定的压力。只要受控液体储液器的液位下降到规定标记以下，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磁翻板液位计传感器成为可能。
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，液体的高度由密封管内的压力决定，液体将液体推入其中。如本系列文章第1部分所述，压力与大容器中的液体高度成正比。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。
该系统可以非常好地读取大容器中存在的液体高度。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
由受控储液器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，磁翻板液位计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，较后通过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[2]随温度的变化而变化。例如，水的密度[3]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 / m3。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。
我们首先计算当传感器的较大压力PFS - 10kPa应用时，我们将从磁翻板液位计传感器看到的满刻度电压摆幅。请注意，10kPa转换为1米的水高。
VFS = VFST×（VDD / VPST）
其中：
VFS：VDD
VPST 激励时的满量程电压摆幅：典型激励电压
VFST：VPST 激励时满量程传感器电压摆幅
VDD：激励电压
公式1
由于我们激励这个磁翻板液位计传感器的VDD为3.3V而不是10V的典型VPST，我们只能看到VFS = 8.25mV而不是VFST = 25mV的摆幅。
VFS = 25mV×（3.3 / 10）= 8.25mV（3.3V时的满量程跨度）
公式2
根据这个等式，我们知道我们需要多少ADC的范围：8.25mv可以测量高达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480mm的高度，这将转化为大约10kPa较大范围的一半的压力范围。为了简单起见，我们将乘以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×RMS噪声。在这种情况下，它将是2.86μV。（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：

公式3

在此参考设计中，估计的满量程分辨率为±0.056％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磁翻板液位计传感器连接，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量，如图2所示。

图2：分配量的计算
在该设计示例中，校准过程基于在体积X2 = 3L和X1 = 1.5L处选择的点。选择该校准范围是因为控制系统在X2 = 3L附近保持恒定的液体高度，并且较大单次分配为1.5L。Y2和Y1相应地表示ADC代码。
从两点校准和图2中，线性函数公式在公式4中定义：
ΔY= KCAL×ΔX
公式4
其中：
ΔY - ADC：分配ΔX体积液体所需的代码。
KCAL：校准系数由公式5计算（见图2）。
因此：
KCAL =（Y2-Y1）/（X2-X1）
公式5
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：压力测量和控制DAS PCB的简化框图
图3显示了压力测量和控制DAS PCB的实现，该PCB与补偿的硅磁翻板液位计传感器直接接口，采用比率法。该设计允许使用模拟电源作为参考。DAS PCB还提供基于USB的接口和基于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：阀门和泵驱动器PCB的示意图
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
MAXQ622微控制器中的固件（图3）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MAX11200 ADC
收集并处理ADC的输出数据
使用等式4和5计算要分配的体积的代码

初始化期间，MAX11200 ADC经过自校准过程，使能输入信号缓冲器，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）电源线50Hz / 60Hz抑制。推荐的60Hz线路频率抑制外部时钟为2.4576MHz，对数据速率为1,2.5,5,10和15sps有效。对于50Hz线路频率抑制，推荐的外部时钟为2.048MHz，这对于0.83,2.08,4.17,8.33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。这提高了测量精度，因为它实际上消除了输入动态电流的分流效应。
该软件实现了基于等式4和5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：图1所示的开发系统的实现
该系统具有受控液体储存器，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直接连接到磁翻板液位计传感器，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。当受控液体储液器中的液位低于3升时，水泵开启，因此，
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列出了较终的输出代码测量值。

表1：接收液体容器填充至500mL水平的输出代码测量
表1显示，基于MAX11206 ADC的DAS液位控制和输送系统在500mL分布下的精度优于±1％。

结论
新的MEMS温度补偿硅磁翻板液位计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上的硅磁翻板液位计传感器。通过简单的补偿方案，这种方法可以轻松提高这些磁翻板液位计传感器的绝对精度。

在此处介绍的参考设计中，MAX11206可直接连接新的硅磁翻板液位计传感器，如MPXM2010，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。硅磁翻板液位计传感器和ADC创建了一个高性能，低成本，低功耗的液位控制和输送系统，非常适合这些应用。