圖1.受控液體儲(chǔ)罐底部的水柱產(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，壓力傳感器產(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，最后通過(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/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¹隨溫度的變化而變化。例如，水的密度2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 / m 3。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。（參見本文第1部分。）

我們首先計(jì)算當(dāng)施加此傳感器的最大壓力P FS - 10kPa 時(shí)，我們從壓力傳感器看到的滿量程電壓擺幅。請(qǐng)注意，10kPa轉(zhuǎn)換為1米的水高。

V FS = V FST ±（V DD / V PST） （等式1）

其中：

V FS在被V DD激勵(lì)時(shí)是滿量程電壓擺幅; 

V PST是典型的激勵(lì)電壓; 

V FST是V PST激勵(lì)時(shí)的滿量程傳感器電壓擺幅; 

V DD是激勵(lì)電壓。
 

由于我們激勵(lì)這個(gè)壓力傳感器的V DD為3.3V而不是10V 的典型V PST，我們只能看到V FS = 8.25mV而不是V FST = 25mV 的擺幅。

V FS = 25mV±（3.3 / 10）= 8.25mV（3.3V時(shí)的滿量程跨度） （等式2）

根據(jù)公式2，我們知道我們需要多大的ADC范圍：8.25mV，可測(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480毫米的高度，這意味著壓力范圍大約是最大范圍10kPa的一半。為了簡(jiǎn)單起見，我們只乘以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 x RMS噪聲。在這種情況下，NFR為3.762μV。（這有時(shí)也稱為無(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：
 

其中H FS是高度的測(cè)量分辨率。

在此參考設(shè)計(jì)中，估計(jì)的滿量程分辨率±0.075％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)償硅壓力傳感器連接，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趦牲c(diǎn)校準(zhǔn)的線性函數(shù)計(jì)算分配體積，如圖2所示。
 

圖2.在此設(shè)計(jì)示例中，校準(zhǔn)過(guò)程基于在體積x 2 = 3L和x 1 = 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x 2 = 3L 附近保持恒定的液體高度，并且最大單次分配為1.5L。y 2和y 1表示相應(yīng)的ADC代碼。

基于兩點(diǎn)校準(zhǔn)和圖2，線性函數(shù)公式在公式7中定義：

Δy= K CAL ±Δx （等式3）

其中：

Δy - ADC是分配Δx體積液體所需的代碼; 

K CAL是由公式8計(jì)算的校準(zhǔn)系數(shù)（參見圖2）。

因此：

K CAL =（y 2 - y 1）/（x 2 - x 1） （等式4）

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是壓力測(cè)量和控制DAS PCB的簡(jiǎn)化框圖。

圖3.圖表顯示了壓力測(cè)量和控制DAS PCB的實(shí)現(xiàn)，它采用比率法直接連接到補(bǔ)償硅壓力傳感器。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，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顯示了閥門和泵驅(qū)動(dòng)器PCB的原理圖

圖4.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)

微控制器（圖3）中 的固件通過(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Δ-Σ ADC

收集并處理ADC的輸出數(shù)據(jù)

使用等式3和4計(jì)算要分配的體積的代碼

初始化期間，Δ-Σ ADC經(jīng)過(guò)自校準(zhǔn)過(guò)程，啟用輸入信號(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）電力線50Hz / 60Hz抑制。推薦的60Hz線路頻率抑制外部時(shí)鐘為2.4576MHz，對(duì)1sps，2.5sps，5sps，10sps和15sps的數(shù)據(jù)速率有效。對(duì)于50Hz線路頻率抑制，推薦的外部時(shí)鐘為2.048MHz，對(duì)于0.83sps，2.08sps，4.17sps，8.33sps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。

該軟件實(shí)現(xiàn)了基于等式3和4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顯示了圖1中開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

分配量（mL）	讀數(shù)	使用完全分配器的代碼	500mL 分配后的代碼
500	1	545	443
500	2	545	443
500	3	545	443
500	4	545	443
500	5	545	443