一种经济高效的低功耗液位测量数据采集系统（DAS）案例

液位测量在工业和商业过程中都有许多应用。从在家中储罐中的水位检测到监视工业上明渠的燃料流，其使用一直在提供安全可靠的系统。也许，液位测量最简单但最重要的应用是在洪水检测系统中，在天气不好的情况下，可以使社区免受洪水的危害。

该参考设计描述了一种非接触式测量方法，用于测量和分配大多数工业液体，它利用数据采集系统（DAS）以及补偿的硅压力传感器和高精度的delta-sigma模数转换器（ADC） 。本文档对于设计各种必须测量和分配工业液体的精密传感和便携式应用的人员很有用。

该参考设计是补偿硅压力传感器应用系列中的第二篇。第一个参考设计5319“液位控制和输送系统使用补偿式硅压力传感器和精密Delta-Sigma ADC，第1部分”描述了测量压力，现代硅压力传感器和低成本的历史。温度补偿压力传感器的解决方案。（飞思卡尔半导体推出的流行且经济高效的MPX2010系列硅压阻式压力传感器可在0°C至+ 85°C的范围内提供温度补偿，并且在此设计中具有特色。）第1部分介绍了如何改进这些处理器在进行有关使用现代压力传感器和delta-sigma ADC来测量水位的案例研究之前，先与delta-sigma ADC一起使用。

在本文档的第2部分中，第1部分中描述的系统用于非接触式测量方法中，用于大多数工业液体的测量和分配。在这里，我们讨论了解决大电流电磁阀和泵控制的方法，而又不会损害基于高精度delta-sigma ADC的DAS。与第1部分相同，该参考设计提出了系统算法，分析噪声并提供了校准思路，以提高系统性能，同时降低复杂性和成本。

系统设计

此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，该储存器由一个垂直的塑料注水管组成，该管的侧面有100mL的测量标记。细的内部测量管位于受控容器的内部，并直接连接到传感器的正压端口，而参考压力端口则暴露于大气压下。

直接连接到压力传感器的小型DAS印刷电路板（PCB）提供了对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，然后将规定量的液体输送到受控容器。DAS还向水泵提供控制信号。

外部主储液罐可为补充受控储液罐所需的液体提供较大的存储容量。确保压力稳定。每当受控液体储存器的液位下降到定义的标记以下时，水泵就会打开。该动作使受控容器中的液体高度保持恒定。

在此参考设计中，施加在传感器正压端口上的压力由捕获在测量管中的空气传递，从而在储液罐中的液体和传感器之间提供了屏障。这种设计使得在具有化学侵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。

系统的基本操作

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部的压力以及液体推动内部的空气确定。如第1部分所述，压力与大容器中的液体高度成正比。空气滞留在内胎内部，从而在其中形成压力。液体上升的越多，产生的压力就越大。

该系统可以很好地读取大型容器中存在的液体的高度。对于固定直径的外部容器，可以使用一个简单的公式来计算总体积：π×半径×半径×H。

校准和计算

在当前的设计示例中，液体位于两个同心圆柱壁内。可以使用基于两点校准的线性函数来计算点胶量，如图2所示。

基于两点校准和图2，在公式7中定义了线性函数公式：
Δy= KCAL±Δx

其中：
Δy– ADC是分配Δx体积的液体所需的代码；
KCAL是通过公式8计算得出的校准系数（见图2）。

所以：

KCAL =（y2 – y1）/（x2 – x1）

当两点校准可用时，该计算方法将有效工作。它使体积分布与特定的液体密度无关。

结论

新型MEMS温度补偿型硅压力传感器的价格和封装尺寸正在下降。这使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。这些应用需要诸如MAX11206之类的低噪声delta-sigma ADC直接与安装在PCB上的硅压力传感器接口。通过简单的补偿方案，此方法可轻松提高这些压力传感器的绝对精度。

在该参考设计中，MAX11206直接与新型硅压力传感器（如MPXM2010）接口，而无需额外的仪表放大器或专用电流源。减少了热误差，这使设计人员可以实施简单的线性算法，从而降低系统复杂性和成本。硅压力传感器和ADC创建了高性能，经济高效，低功耗的液位控制和输送系统，非常适合于精密感测和便携式应用。

编辑：hfy