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          洗滌節(jié)水新方案—高精度表壓液位傳感器

          作者: 時(shí)間:2023-06-13 來(lái)源:納芯微 收藏

          液位檢測(cè)是許多家用電器功能的重要組成部分,例如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)都需要通過(guò)控制液位來(lái)實(shí)現(xiàn)多水位的洗滌方式,以達(dá)到節(jié)水目的;熱水器需要在液位過(guò)低時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水,防止干燒;咖啡機(jī)、啤酒機(jī)也需要檢測(cè)液位來(lái)控制流量和出水量。因此,精準(zhǔn)的液位檢測(cè)是幫助實(shí)現(xiàn)家用電器相關(guān)功能的重要前提和保證。電子推出的NSPGD1是一款經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的表壓液位,可滿足家用電器液位高度精確測(cè)量需求,使家用電器更加智能。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202306/447613.htm

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          NSPGD1直擊應(yīng)用痛點(diǎn)

          傳統(tǒng)的液位測(cè)量采用機(jī)械測(cè)量與光電測(cè)量等方式,通常只能簡(jiǎn)單測(cè)量液體有無(wú)或粗略測(cè)量液位的高低,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的穩(wěn)定測(cè)量。而集成式MEMS壓力內(nèi)置信號(hào)調(diào)理芯片,集溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償于一體,可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)液位測(cè)量精度不高的缺陷。

          NSPGD1是針對(duì)家用電器市場(chǎng)推出的經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的表壓系列產(chǎn)品。它采用高性能信號(hào)調(diào)理芯片對(duì)MEMS壓阻芯體輸出進(jìn)行溫度和壓力校準(zhǔn)和補(bǔ)償,在保證性能和可靠性的同時(shí)對(duì)封裝進(jìn)行了集成,易于使用。

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          NSPGD1與傳統(tǒng)電子水位儀的比較

          歸納起來(lái),NSPGD1具有四大優(yōu)勢(shì):

          一是與傳統(tǒng)機(jī)械式水位測(cè)量方案相比,MEMS壓力傳感器芯片具有高輸出精度(全溫區(qū)綜合精度達(dá)1%)、高線性度和高集成度特點(diǎn),無(wú)需過(guò)多的外圍器件,有助于降低整體方案尺寸、電路復(fù)雜性和成本,增加設(shè)計(jì)的靈活性。特有的頻率輸出模式和5.45mm直徑氣嘴便于無(wú)縫替代傳統(tǒng)機(jī)械式洗衣機(jī)水位傳感器,是洗衣機(jī)水位監(jiān)測(cè)功能升級(jí)換代的理想選擇。

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          NSPGD1替代的器件

          二是NSPGD1采用高性能、高可靠性MEMS壓阻技術(shù),可無(wú)縫實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代,且在同類產(chǎn)品中輸出精度更高,功耗更低,工作溫度范圍更廣,還具有更強(qiáng)的耐爆破壓力能力。相對(duì)于市面上已有產(chǎn)品,NSPGD1具有更寬的溫度范圍、更低的工作電流、更為豐富的封裝形式,且成本更優(yōu),性價(jià)比更高。

          三是NSPGD1拓展了納芯微壓力傳感器系列產(chǎn)品組合,能夠滿足細(xì)分領(lǐng)域中小量程(0~2kPa)的壓力檢測(cè)需求。

          四是納芯微作為國(guó)產(chǎn)芯片提供商,能夠更好地保證交付,降低客戶供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。

          NSPGD1系列集成壓力傳感器可選量程為-10kPa~10kPa(量程可定制),采用帶氣嘴的DIP8封裝形式,方便客戶焊接和使用。

          適合壓力敏感元件結(jié)構(gòu)材料兼容的非腐蝕性氣體表壓檢測(cè)適用于非接觸式液位檢測(cè)等應(yīng)用,也適用于工業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。該系列支持模擬輸出/I2C數(shù)字輸出以及特有的頻率輸出功能,應(yīng)用更加靈活。

          NSPGD1輸出壓力值與液位高度呈線性關(guān)系,可實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出,且無(wú)累積誤差,對(duì)滴、漏及水流損失進(jìn)行精確測(cè)量,直接替代傳統(tǒng)機(jī)械式液位傳感器,且在直徑確定的系統(tǒng)中可替代轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量流量與體積。其外圍接口電路簡(jiǎn)單,多種數(shù)據(jù)輸出形式可選,方便應(yīng)用。

          NSPGD1的特性及其應(yīng)用

          NSPGD1系列集成壓力傳感器具有以下產(chǎn)品特性:

          ●   高精度低功耗:高度線性,穩(wěn)定性好,無(wú)需校準(zhǔn),100%溫度補(bǔ)償,器件一致性更好的,常溫下輸出精度優(yōu)于±1%F.S.,0℃~70℃全溫范圍內(nèi)精度優(yōu)于±1.5%F.S.,且工作電流小于3mA

          ●   多種輸出方式:支持模擬比例輸出/數(shù)字I2C輸出/頻率輸出三種輸出方式,適用于多種應(yīng)用需求,簡(jiǎn)單便利,可移植性好。

          ●   氣嘴型封裝方式:標(biāo)準(zhǔn)型帶氣嘴DIP8封裝(10.4mm×10.4mm),支持正面進(jìn)氣,不易堵塞,芯片內(nèi)部防水防潮處理,具有較高可靠性與應(yīng)力消除特性。

          ●   壓力量程可定制:-10kPa~+10kPa內(nèi)量程可定制,最低量程可至2kPa,支持多種壓力應(yīng)用場(chǎng)景,靈活性高。

          NSPGD1系列集成壓力傳感器主要用于液位高度精確測(cè)量,它是一款基于硅的壓阻效應(yīng),并采用先進(jìn)的MEMS微加工工藝制造的帶氣嘴集成式表壓傳感器,氣嘴封裝結(jié)構(gòu)特別適合洗衣機(jī)、凈水器、洗碗機(jī)等家電用品的液位檢測(cè),也可用于按摩椅、智能血壓計(jì)、制氧機(jī)、呼吸機(jī)、制氧機(jī)、麻醉儀、生物安全柜等醫(yī)療電子設(shè)備,在壓力開(kāi)關(guān)、負(fù)壓真空檢測(cè)、氣體壓力檢測(cè)等工業(yè)工業(yè)控制以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的壓力檢測(cè)應(yīng)用中也有用武之地。

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          NSPGD1功能框圖(I2C輸出)

          基于NSPGD1壓力傳感器的液位檢測(cè)設(shè)計(jì)方案

          NSPGD1以MEMS壓阻表壓壓力芯體作為壓力敏感元件,該元件會(huì)輸出一個(gè)與環(huán)境壓力呈正比例關(guān)系的原始信號(hào)輸出。由內(nèi)置的調(diào)理芯片驅(qū)動(dòng)該敏感元件,并對(duì)其原始信號(hào)進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償、線性度補(bǔ)償,之后輸出一個(gè)與施加壓力呈線性關(guān)系的電壓信號(hào)。

          NSPGD1系列支持模擬輸出/數(shù)字輸出(I2C)以及特有的頻率輸出功能。

          NSPGD1模擬輸出形式

          以比例輸出模式為例(輸出電壓值為電源電壓的百分比),該系列模擬輸出型芯片針對(duì)0kPa~6kPa量程范圍,Pmax為6kPa(輸出90%VDD),Pmin為0kPa(輸出10%VDD),其典型傳遞函數(shù)為:

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          其中:

          Vout是輸出電壓,單位V;

          VDD是輸入電壓,單位V;

          Ptest是待測(cè)壓力,單位kPa。

          下表是典型壓力值與輸出電壓的對(duì)照。

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          典型輸入輸出圖

          NSPGD1頻率輸出形式

          該系列頻率輸出型芯片針對(duì)0kPa~6kPa量程范圍,Pmax為6kPa(輸出90%FS),Pmin為0kPa(輸出10%FS),其典型傳遞函數(shù)為:

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          其中:

          FREQ是輸出頻率,單位KHz;

          FS是頻率輸出滿量程值,單位KHz;芯片可配置最大頻率至250KHz;

          Ptest是待測(cè)壓力,單位kPa;

          NSPGD1 數(shù)字(I2C)輸出形式

          該系列數(shù)字(I2C)輸出型芯片針對(duì)0kPa~6kPa量程范圍,其典型傳遞函數(shù)為:

          17.png

          其中:

          Pdata為I2C采集的值;

          數(shù)字(I2C)輸出數(shù)據(jù)具體處理步驟如下:

          給芯片上電;

          1.  I2C將0x30寄存器寫(xiě)為0x0A;

          2.  等待3ms;

          3.  I2C連續(xù)讀取0x06、0x07、0x08寄存器值,假設(shè)讀出來(lái)的寄存器值分別為data1、data2、data3;

          按照如下步驟將0x06(data1)、0x07(data2)、0x08(data3)的寄存器值轉(zhuǎn)換為Pdata

          1.  D1=data1*65536+data2*256+data3;

          2.  若D1>8388607,則Pdata=D1-16777215;

          3.  若D1≤8388607,則Pdata=D1;

          舉例說(shuō)明:

          若0x06、0x07、0x08寄存器的值分別為0x15、0x55、0x56,按照上述步驟,D1=1398102,該D1值小于8388607,則Pdata=1398102,P(Pa)= 500,最終得到壓力值為500Pa;

          本文中液位檢測(cè)設(shè)計(jì)方案是基于I2C數(shù)字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器。如果想基于NSPGD1實(shí)現(xiàn)模擬量或頻率輸出模式,可以聯(lián)系納芯微。

          下圖是本文采用I2C串行總線通信的應(yīng)用電路圖。I2C串總線一般有兩根信號(hào)線,一根是雙向數(shù)據(jù)線SDA,另一根是時(shí)鐘線SCL,均通過(guò)4.7K上拉電阻上拉到VDD,GND與VDD有0.1μF濾波電容。

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          NSPGD1 I2C輸出型應(yīng)用電路圖

          參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)

          NSPGD1參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)如下圖所示,NSPGD1傳感器通過(guò)氣管連接至水箱底部,水箱內(nèi)水位升高或降低的高度將等比例對(duì)應(yīng)液體壓強(qiáng)變化。利用NSPGD1高精度傳感器可以實(shí)時(shí)獲取水箱內(nèi)液體高度,進(jìn)而根據(jù)不同家用電器的控制邏輯,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)給或輸送水量。

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          NSPGD1參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)

          傳感器數(shù)據(jù)處理

          本文中液位檢測(cè)設(shè)計(jì)方案是基于I2C數(shù)字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器,傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)與液位高度的計(jì)算方法如下:

          方法一:壓力對(duì)應(yīng)高度換算:

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          其中:P_f為液體在液桶底面產(chǎn)生的壓強(qiáng);ρ為液體密度,假設(shè)液桶中為水,則水的密度ρ為1.0*10^3kg/m^3;g為重力加速度9.8m/s;h為液體高度,則液體高度h可由下式得到:

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          傳感器量程0kPa~6kPa,則對(duì)應(yīng)可測(cè)量液體高度h范圍為:0~0.612.24m;考慮到實(shí)際氣管安裝在液桶底部,蓄水后,有一部分水會(huì)進(jìn)入氣管內(nèi),這部分水在氣管內(nèi)形成一定壓力,導(dǎo)致零點(diǎn)整體漂移,因此,實(shí)際使用時(shí)需要對(duì)0點(diǎn)壓力進(jìn)行補(bǔ)償。由于氣管內(nèi)徑及安裝位置的不同,具體offset值需實(shí)際測(cè)試得到:

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          方法二:直接標(biāo)定換算:

          通過(guò)直接測(cè)量標(biāo)定容器液位高度h與傳感器Pdata關(guān)系,得到實(shí)際高度h與Pdata傳遞函數(shù),通過(guò)Pdata計(jì)算得到液位高度,從而避免了中間壓力換算引入的誤差。

          NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測(cè)試

          NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測(cè)試如下表所示。

          NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測(cè)試

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          從上表設(shè)置水位高度為50mm、200mm、400mm、300mm的4個(gè)測(cè)試點(diǎn),通過(guò)測(cè)試得到下表的NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測(cè)試結(jié)果:

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          從上表可以看出,NSPGD1的測(cè)量結(jié)果要比水流量計(jì)計(jì)算得到的結(jié)果精度高,四個(gè)測(cè)試點(diǎn)中:50mm處測(cè)量誤差最大為-1.96%(絕對(duì)誤差1mm),但此時(shí)水位較低,誤差所占此時(shí)水位高度比重大;在全量程中,基于對(duì)液體壓力實(shí)時(shí)的測(cè)量,NSPGD1的測(cè)量結(jié)果誤差不會(huì)累積,數(shù)據(jù)比較均衡,液位高度誤差為1~2mm;流量計(jì)在運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)后由于脈沖累積誤差導(dǎo)致誤差變大測(cè)量誤差最大2.68%,絕對(duì)誤差達(dá)到10mm。

          NSPGD1單個(gè)傳感器測(cè)量精度0.5%,但由于整個(gè)DEMO系統(tǒng)誤差包含亞克力液桶刻度不均勻、氣管連接不可靠、人眼觀察、液體流動(dòng)引起振動(dòng)等因素而引入的系統(tǒng)誤差,因此,實(shí)際應(yīng)用中液位高度誤差可通過(guò)合理布置安裝及算法補(bǔ)償?shù)玫娇刂啤?/p>

          結(jié)論

          基于NSPGD1的液位檢測(cè)方案外圍器件少、精度高、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的無(wú)接觸測(cè)量,且測(cè)量結(jié)果無(wú)累積誤差。NSPGD1是可根據(jù)不同客戶需求定制不同量程范圍傳感器,有助于滿足不同家用電器液位高度測(cè)量需求。

          針對(duì)客戶的進(jìn)一步需求,納芯微也在開(kāi)發(fā)更大壓力量程的產(chǎn)品,目前工程樣品階段的帶氣嘴表壓集成傳感器已達(dá)到-100kPa~200kPa,應(yīng)用于余壓檢測(cè)的雙氣嘴微差壓集成傳感器也將陸續(xù)推出。

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