Resumen: Este diseño de referencia proporciona una idea de diseño para un Sistema de Adquisición de Datos de Medición de Nivel de Líquido (DAS) rentable y de baja potencia que utiliza un sensor de presión de silicio compensado y un ADC delta-sigma de precisión. Este documento describe cómo seleccionar un sensor de presión de silicio compensado, proponer un algoritmo de sistema y proporcionar análisis de ruido. También discutimos ideas de calibración para mejorar el rendimiento del sistema mientras se reduce la complejidad y el costo.
Diseño de referencia: el sistema de medición del nivel de líquido utiliza un sensor de presión de silicio calibrado y un ADC Delta-Sigma de precisión
Resumen: Este diseño de referencia proporciona una idea de diseño para un Sistema de Adquisición de Datos de Medición de Nivel de Líquido (DAS) rentable y de baja potencia que utiliza un sensor de presión de silicio compensado y un ADC delta-sigma de precisión. Este documento describe cómo seleccionar un sensor de presión de silicio compensado, proponer un algoritmo de sistema y proporcionar análisis de ruido. También discutimos ideas de calibración para mejorar el rendimiento del sistema mientras se reduce la complejidad y el costo.
Una versión similar de este artículo apareció en EE Times el 19 de junio de 2012.
prólogo
Este diseño de referencia describe las diferencias entre los sensores de presión de última generación y destaca los beneficios de los avances recientes en sensores de presión de silicio con compensación de temperatura microelectromecánicos (MEMS). Disponibles hoy en una variedad de paquetes a precios asequibles, estos sensores son atractivos para una variedad de aplicaciones de detección de precisión, incluida la medición del nivel de líquido.
A continuación, este documento describe un sistema de adquisición de datos de medición (DAS) de nivel de líquido rentable y de baja potencia que utiliza un sensor de presión de silicio compensado y un ADC delta-sigma de precisión. Este artículo describe cómo seleccionar un sensor de presión de silicio compensado. Proponemos algoritmos del sistema, analizamos el ruido y brindamos ideas de calibración para mejorar el rendimiento del sistema y reducir la complejidad y el costo.
Medición de la presión – Mirando hacia atrás
Se puede argumentar que la medición moderna de la presión comenzó con el barómetro de mercurio, inventado por el físico italiano Evangelista Torricelli en 1643. Torricelli llenó un tubo de vidrio de un metro de largo con mercurio, cerró un extremo herméticamente y colocó el extremo abierto verticalmente en un recipiente lleno de mercurio. La columna de mercurio descendió a unos 760 mm, dejando un espacio vacío por encima de esa altura. La unidad de presión Torr, llamada así en honor a su inventor, tiene una relación de 1 a 760 atmósferas estándar. La presión arterial2 se mide en Torr (milímetros de mercurio) en la mayor parte del mundo.
Las unidades de presión actuales incluyen Pa (Pascal), definido por System International (SI) como la unidad de presión primaria (Pa = N/m²). Una unidad común de medida de presión en los Estados Unidos es el “bar”, que mide libras por pulgada cuadrada (PSI). Convertir varias unidades de presión en unidades estándar es una tarea muy tediosa por razones históricas y técnicas. Sin embargo, las tablas de conversión gratuitas ampliamente disponibles o los convertidores de unidades gratuitos en línea facilitan esta tarea a los ingenieros.
Hay dos categorías principales de sensores de presión clasificados por el tipo de medición.
- 1. Un sensor de presión absoluta que mide la presión relativa a la presión de vacío total. Un ejemplo de un sensor de presión absoluta es el barómetro de mercurio (Hg) que se muestra en la Figura 1.
- 2. Un sensor de presión diferencial que mide la diferencia entre dos o más presiones introducidas como entradas a la unidad sensora. Un ejemplo de aplicación de un sensor de este tipo es un medidor de flujo de presión diferencial (Figura 2), donde los cambios en la velocidad del fluido provocan cambios en la presión, creando una diferencia de presión ΔP = P1 – P2.
Un sensor de presión manométrica es otro tipo de sensor de presión diferencial configurado para medir la presión relativa a la presión atmosférica. Un ejemplo de este sensor es un indicador de presión de neumáticos común. Cuando un indicador de presión de neumáticos muestra cero, en realidad muestra la presión atmosférica en un lugar en particular.
Presentamos los últimos sensores de presión
Se requieren mediciones de presión precisas de ±1% a ±0,1% o mejores en un amplio rango dinámico a un costo razonable y, a menudo, con un consumo de energía muy bajo para muchas aplicaciones industriales, comerciales y médicas. El desarrollo de sensores de presión de silicio fue la respuesta a estos desafíos.
La era de los sensores modernos comenzó en el Centro de Investigación Honeywell en 1967, cuando Art R. Zias y John Egan presentaron una patente para un diafragma de silicio con bordes restringidos.
Desde mediados de la década de 1990, los sensores de presión piezorresistivos basados en silicio conocidos como MEMS se han fabricado de manera rentable en grandes volúmenes y, como resultado, se han convertido en los sensores de presión más populares. Los dispositivos MEMS funcionan en un rango de presión de 100 mbar a 1500 bar en modo absoluto, diferencial y manométrico.
Los sensores de presión piezorresistivos basados en silicio ofrecen una sensibilidad significativamente mayor que las galgas extensométricas estándar. Tienen buena linealidad a temperatura constante e histéresis aceptable hasta el límite de ruptura. Estos sensores también tienen algunos inconvenientes debido a su naturaleza de “silicio”. Una fuerte dependencia no lineal de la señal de escala completa de la temperatura, un gran desplazamiento inicial y una gran desviación del desplazamiento con la temperatura.