Resumen: Este diseño de referencia describe una solución rentable, de bajo consumo de líquido de medición de nivel de adquisición de datos (DAS), que utiliza un sensor de presión de silicio compensada y un ADC de alta precisión delta-sigma. El documento explica cómo implementar un diseño que mide y distribuye la mayoría de líquidos industriales que utilizan un método de medición sin contacto. También sugiere algoritmos del sistema, proporciona el análisis de ruido, y describe las ideas de calibración para mejorar el rendimiento del sistema mientras reduce la complejidad y el coste.
Una versión similar de este artículo apareció en Embedded , 7 de enero de 2013.
Introducción
Este diseño de referencia describe un método de medición sin contacto para la medición y distribución de la mayoría de líquidos industriales, utilizando un sistema de adquisición de datos (DAS) junto con un sensor de silicio con compensación de presión y una alta precisión delta-sigma convertidor analógico-a-digital (ADC) .Este documento es útil para aquellos diseñar una amplia variedad de precisión de detección y aplicaciones portátiles que debe medir y distribuir líquidos industriales.
Este diseño de referencia es el segundo de una serie de aplicaciones de sensores de silicio compensados presión. La primera referencia de diseño de 5319, " de nivel de líquido de Control y Sistema de Entrega utiliza un sensor de silicio de presión compensada y Precisión Delta-Sigma ADC, Parte 1 ", describe la historia de la medición de la presión, el sensor de presión de silicio moderno, y el bajo costo- solución de compensación de la temperatura sensores de presión. (La serie popular y rentable MPX2010 silicio sensor de presión piezoresistivo de Freescale ® Semiconductor proporciona compensación de temperatura en el rango de 0 ° C a +85 ° C, y se ofrece en este diseño.) Parte 1 explica cómo estos procesadores puede mejorar con delta-sigma ADC antes de lanzarse a un estudio de caso sobre el uso de un sensor de presión moderna y un ADC delta-sigma para medir el nivel del agua.
En este documento, la Parte 2, el sistema descrito en la Parte 1 se utiliza en un método de medición sin contacto para la medición y distribución de la mayoría de líquidos industriales. Aquí hablamos de la manera de resolver alta corriente válvula solenoide y controles de la bomba sin comprometer la alta precisión delta-sigma ADC basado DAS. Al igual que en la Parte 1, este diseño de referencia sugiere algoritmos del sistema, analiza el ruido, calibración y ofrece ideas para mejorar el rendimiento del sistema al tiempo que reduce la complejidad y el costo.
Diseño de Sistemas
Un diagrama simplificado del sistema de desarrollo de este diseño de referencia se muestra en la figura 1 . Este sistema incluye un depósito controlado de líquidos provisto de una vertical de plástico lleno de agua del tubo con marcas de medición de 100 ml en el lateral. El tubo delgado medición interior está situado dentro del depósito controlado, y se conecta directamente al puerto del sensor de presión positiva, mientras que el puerto de presión de referencia está expuesto a la presión atmosférica.
Un pequeño DAS placa de circuito impreso (PCB) directamente unido al sensor de presión proporciona control dinámico de nivel de líquido mediciones. Se genera señales de control desde el control basada en PC y dispensar GUI para activar la válvula de PCB de controlador y la bomba PCB-conductor, a continuación, para entregar un volumen prescrito de que el líquido del recipiente controlada. El DAS también proporciona una señal de control a la bomba de agua.
El depósito externo, líquido principal proporciona gran capacidad de almacenamiento para el líquido necesaria para reponer el depósito controlado-líquido. Garantiza una presión constante. La bomba de agua se enciende cuando el nivel en el depósito controlado de líquido desciende por debajo de una marca definida. Esta acción mantiene una altura de líquido constante en el depósito controlado.
En este diseño de referencia, la presión aplicada al puerto del sensor de presión positiva es transferida por el aire atrapado en el tubo de medición, proporcionando de ese modo una barrera entre el líquido en el depósito y el sensor. Este diseño hace que sea posible utilizar un sensor rentable presión genérico en aplicaciones industriales con líquidos químicamente agresivos o corrosivos.
Operación Básica del Sistema
Este sistema (Figura 1) mide el volumen mediante la medición de la altura del líquido, que está determinado por la presión dentro del tubo sellado con líquido empujando el aire dentro de él. Como se discutió en la Parte 1, la presión es directamente proporcional a la altura del líquido en el recipiente grande. El aire queda atrapado dentro del tubo interior, haciendo así que la presión se acumule allí. Las subidas más elevadas, el líquido, más la presión aumenta.
El sistema produce una lectura muy bueno de la altura del líquido presente en el recipiente grande. Con un recipiente exterior de diámetro fijo, el volumen total se puede calcular mediante el uso de una simple ecuación: π × × × radio radio H.
Figura 1. La presión hidrostática producida por la columna de agua en la parte inferior del depósito controlado-líquido utiliza el aire atrapado en el tubo de medición para producir la misma cantidad de presión en el sensor. En su salida, el sensor de presión produce una tensión equivalente de presión que se mide y digitalizadas por el ADC MAX11206, procesada por el microcontrolador integrado MAXQ622, y finalmente se envía a un PC cuando el cable USB. El control basado en PC y dispensar GUI a continuación, envía una solicitud de entrega de la DAS que activa la válvula de PCB-conductor para suministrar una cierta cantidad del líquido predefinida por el software. El DAS también proporciona señales de control a la bomba de PCB de controlador para encender / apagar para una altura de líquido se mantiene constante.
Precisión y Resolución
Para que un sistema de este tipo, hay que tener en cuenta la densidad del líquido, si queremos prescindir en peso. En general, la densidad, líquido ¹ varía con los cambios de temperatura. Por ejemplo, la densidad del agua ² aumentos entre su punto de fusión a 0 ° C y +4 º C, llegando a un valor estándar de 999.972 (prácticamente 1000) kg / m³ a +4 º C. A temperatura ambiente, 22 ° C, la densidad del agua es 997.774kg / m³. Todas las medidas en este artículo se realizaron a temperatura ambiente alrededor de 22 º C ± 3 ° C, donde la densidad del agua varía alrededor de ± 0,1%. Tenga en cuenta que esta es inferior a la precisión dirigida para el DAS se hace referencia en este artículo. Para un típico MPX2010 a gran escala amplia de 10 kPa, el equivalente a la altura del agua es 1.022m. (Vea la Parte 1 de este artículo.)
Comenzamos calculando la oscilación de tensión a gran escala que vemos en el sensor de presión cuando la presión máxima para este sensor, P FS - 10 kPa, se aplica. Tenga en cuenta que 10 kPa se traduce en una altura de agua de 1 metro.
V FS = V FST ± (V DD / V PST )
(Ec. 1)
Donde:
V FS es a gran escala oscilación de voltaje cuando es excitado por V DD ,
V PST es el voltaje de excitación típica;
V FST es a gran escala oscilación de voltaje de sensor cuando es excitado por V PST ,
V DD es el voltaje de excitación.
Ya que son muy interesantes este sensor de presión con una V DD de 3,3 V en lugar de la típica V PST de 10V, sólo vemos una variación de V FS = 8.25mV en lugar de V FST = 25mV.
V FS = 25mV ± (3.3/10) = 8.25mV (a gran escala palmo a 3.3V)
(Ec. 2)
De la ecuación 2 podemos saber qué parte de la gama de ADC se requiere: 8.25mV a la altura del nivel de agua de 1000 mm. Tenga en cuenta que en esta configuración el ADC tiene una gama de 3.3V. De hecho, no estamos utilizando toda la gama de 1000mm para este sensor. Sólo vamos a la altura de 480 mm, lo que se traduce en una presión de aproximadamente la mitad de la distancia máxima de 10 kPa. Para hacerlo simple, sólo se multiplica por 0,48 para obtener la nueva escala completa oscilación de voltaje.
El MAX11206 utiliza en este diseño es un 20-bit delta-sigma adecuado para aplicaciones de baja potencia que requieren una amplia ADC rango dinámico . Tiene un muy bajos insumos que se refiere RMS de ruido 570nV en 10sps. Sabemos que la solución libre de ruido (NFR) es de aproximadamente 6,6 x ruido RMS. En este caso, NFR es 3.762μV. (. Esto también es llamado a veces el código libre de parpadeo) Los códigos libres de ruido presentes en el intervalo puede encontrarse dividiendo el rango de ADC usado por la entrada-referido libre de ruido tamaño bits:
Donde H FS es la resolución de la medición de la altura.
La estimación de la escala completa resolución de ± 0,075% es más que suficiente para lograr una precisión del DAS objetivo de ± 1% en este diseño de referencia. Esto demuestra que el ADC puede interactuar directamente con un nuevo sensor de presión de silicio compensados sin amplificadores de instrumentación adicionales.
Calibración y Cálculo
En el ejemplo de diseño actual, el líquido se encuentra en el interior dos paredes cilíndricas concéntricas. El volumen de dispensación se puede calcular utilizando un lineal función basada en la calibración de dos puntos, como se muestra en la Figura 2 .
Figura 2. En este ejemplo de diseño, el procedimiento de calibración se basa en los puntos seleccionados a un volumen x 2 = 3L y x 1 = 1.5L. Este rango de calibración se eligió porque el sistema de control mantiene una altura constante de líquido alrededor de x 2 = 3L y dispensar el único máxima es de 1,5 l. y 2 yy 1representan los códigos correspondientes ADC.
Basada en la calibración de dos puntos y en la Figura 2, una fórmula de la función lineal se define en la Ecuación 7:
Dy = K CAL ± Dx
(Ec. 3)
Donde:
Dy - ADC es el código necesario para la dispensación de volumen Dx de líquido;
K CAL es el coeficiente de calibración calculado por la ecuación 8 (ver Figura 2).
Por lo tanto:
K CAL = (y 2 - y 1 ) / (x 2 - x 1 )
(Ec. 4)
Este método de cálculo funciona de manera eficiente cuando dos puntos de calibración está disponible, sino que hace que la distribución de volumen independiente de la densidad del líquido específico.
Electronica
La Figura 3 es un diagrama de bloques simplificado de la medición de la presión y el control DAS PCB.
Figura 3. El diagrama muestra la aplicación de la medición de la presión y el control DAS PCB con interfaz directa con el sensor de presión compensada silicio utilizando un enfoque proporcional. Este diseño permite el uso de la fuente de alimentación analógica como referencia. El PCB DAS también proporciona una interfaz basada en USB con el control basado en PC y prescindir de software GUI, y genera señales de control a la válvula de accionamiento idéntico PCB y PCB bomba-conductor. Este enfoque produce un sistema de suministro totalmente automatizado.
La Figura 4 muestra un esquema de los PCBs de válvula y de la bomba-conductor.
Figura 4. Esquema se muestra la implementación del controlador de aislamiento óptico PCB. Las señales de control de la PCB DAS se transfieren al controlador PCB a través de un simple cable de dos hilos y aplicada directamente a la optoacoplador U5. La salida de U5 fototransistor Q1 MOSFET de potencia activa y proporciona la unidad de alta corriente necesaria para operar la válvula o la bomba. Optoacoplador U5 es el medio para el aislamiento galvánico rentable para la alta precisión de control de la PCB DAS sobre cualquier interferencia procedente de los PCB del controlador de alta potencia.
El procesamiento de los datos
El firmware en el MAXQ622 microcontrolador (Figura 3) proporciona los datos de lectura de capacidad para el software a través de USB. El software GUI gestiona las siguientes funciones principales que se trazó en la Figura 5 :
- Inicializa el MAX11200 ADC
- Recopila y procesa los datos de la salida de ADC
- Calcula el código para el volumen a dispensar usando las Ecuaciones 3 y 4
Durante la inicialización, el ADC MAX11200 pasa por el proceso de auto-calibración, permite a los buffers de entrada de señal y el sistema desactiva la calibración de ganancia y el sistema de compensación de calibración. La selección de la velocidad de muestreo es muy importante para la medición de presión en aplicaciones industriales y médicas. El DAS permite la adquisición de datos razonablemente rápida con excelente (100 dB o mejor) powerline rechazo 50Hz/60Hz.El reloj externo recomendada para 60Hz frecuencia de línea es 2.4576MHz rechazo, que es efectivo para tasas de datos de 1sps, 2.5sps, 5sps, 10sps y 15sps.Para 50Hz frecuencia de línea rechazo, el reloj externo recomendada es de 2.048MHz, que es efectivo para tasas de datos de 0.83sps, 2.08sps, 4.17sps, 8.33sps y 12.5sps. Buffer de entrada de señal aumentar la entrada de impedancia a la gama alta megaohmios. Esto mejora la precisión de la medida, ya que prácticamente elimina el efecto de la derivación de la corriente de entrada dinámica.
El software implementa algoritmos basados en las ecuaciones 3 y 4. Los datos brutos de medición se procesa dentro de la PC.
Figura 5. Tabla resume las acciones de nivel superior del firmware del DAS y el software.
Sistema de Ejecución
La Figura 6 muestra la implementación del sistema de desarrollo en la figura 1.
Figura 6. Este sistema incluye un depósito controlado-líquido equipado con marcas de medición de 100 ml en el lado del tubo. El tubo de medición fina se encuentra en el interior del depósito de líquido principal y se conecta directamente al puerto del sensor de presión positiva. El control DAS PCB se conecta directamente al sensor de presión y permite la medición dinámica del nivel de líquido. Señales de control desde el control basada en PC y dispensar GUI activar tanto la válvula de PCB-conductor y la PCB de la bomba-conductor por lo que ofrecen una cantidad prescrita del líquido en el recipiente de recepción de líquido. El control y dispensar GUI proporciona también una señal de control a la bomba de agua. El depósito de líquido principal almacena el líquido necesario para reponer y mantener el depósito controlado-líquido. La bomba de agua se enciende cuando el nivel en el depósito controlado de líquido desciende por debajo de tres litros y, por lo tanto, mantiene una altura constante del líquido de tres litros.
Para probar el sistema, el recipiente calibrado de recepción de líquido se llenó repetidamente hasta el nivel de 500 ml con 1 ml (0,2%) líquido. Tabla 1 enumera las mediciones de salida resultantes de código.
| Tabla 1. Las mediciones de salida de código para recibir buques rellena de líquido al nivel de 500 ml | ||||
| Dispensar Volumen (mL) | Número de lecturas | Código con dispensador completo | Código Después de 500 ml dosificado | Diferencia (mL) |
| 500 | 1 | 545 | 443 | 102 |
| 500 | 2 | 545 | 443 | 102 |
| 500 | 3 | 545 | 443 | 102 |
| 500 | 4 | 545 | 443 | 102 |
| 500 | 5 | 545 | 443 | 102 |
.
Conclusión
Nueva MEMS con compensación de temperatura sensores de presión de silicio están bajando de precio y tamaño del paquete. Esto los hace atractivos para una amplia variedad de sensores de precisión y aplicaciones portátiles que debe medir y distribuir líquidos industriales que utilizan un enfoque de medición sin contacto.Estas aplicaciones requieren un bajo nivel de ruido delta-sigma ADC como el MAX11206 para conectar directamente a los PCB montados sensores de presión de silicio. Con los sistemas de indemnización simples, este enfoque fácilmente aumenta la precisión absoluta de estos sensores de presión.
En este diseño de referencia, los MAX11206 interactúa directamente con los nuevos sensores de silicio de presión como el MPXM2010 sin necesidad de amplificadores adicionales dedicados instrumentos o fuentes de corriente. Errores térmicos se reduce, lo que permite a los diseñadores para implementar algoritmos lineales simples, que reducen la complejidad y coste del sistema. Los sensores de presión de silicio y el ADC crear un alto rendimiento, rentable y de bajo consumo de nivel de líquido de control y el sistema de entrega, que es excelente para la detección de precisión y aplicaciones portátiles.
Referencias
- Para una discusión básica de densidad, ver http://en.wikipedia.org/wiki/Density .
- Para un análisis básico de agua, ver http://en.wikipedia.org/wiki/Water .
Para leer más
Nota de aplicación 871, " Desmitificando Sensores de Presión piezorresistivos ".
Nota de aplicación 840, " Diagnóstico del circuito MAX1455 Boost Clip ".
Nota de aplicación 3775, " Consideraciones sobre el diseño de un sensor de bajo costo y una interfaz / D ".
Nota de aplicación 5319, " por líquido Sistema de Medición de Nivel Utiliza un sensor de presión compensada y precisión Delta-Sigma ADC, Parte 1 ".
Freescale Semiconductor, " 10 kPa On-Chip temperatura compensada y calibrada Sensores de presión de silicio "(PDF).
μMAX es una marca registrada de Maxim Integrated Products, Inc. Freescale es una marca registrada y marca de servicio registrada de Freescale Semiconductor, Inc. MaxQ es una marca registrada de Maxim Integrated Products, Inc. OMRON es una marca registrada de OMRON Corporation.
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