使用反射計(jì)芯片進(jìn)行非接觸式液位測(cè)量

通過(guò)將空氣介質(zhì)傳輸線放在罐的側(cè)面并檢測(cè)RF阻抗，可以穿過(guò)非金屬罐的壁精確測(cè)量液位測(cè)量。本文提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)示例，說(shuō)明ADI公司ADL5920等反射計(jì)器件如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

與可能涉及機(jī)械浮子的傳統(tǒng)液位傳感方法相比，基于反射計(jì)的解決方案具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括：

快速、實(shí)時(shí)的液位測(cè)量

廣泛的電子后處理成為可能

非接觸式設(shè)計(jì)（無(wú)液體污染）

無(wú)移動(dòng)部件

最小輻射射頻場(chǎng)（遠(yuǎn)場(chǎng)取消）

水箱上沒(méi)有用于內(nèi)部傳感器的孔（減少泄漏的可能性）

本質(zhì)安全，因?yàn)橛拖渲袥](méi)有電線或部件

液位測(cè)量概述

圖1顯示了整個(gè)系統(tǒng)的框圖，由驅(qū)動(dòng)平衡端接空氣介質(zhì)傳輸線的RF信號(hào)源和在線反射計(jì)組成。

圖1.液位測(cè)量系統(tǒng)框圖。

工作原理

由于低損耗導(dǎo)體和缺乏固體介電材料，可以設(shè)計(jì)懸浮在空氣中的傳輸線，以實(shí)現(xiàn)精確的特性阻抗和低射頻損耗。E和H矢量的經(jīng)典圖顯示，電場(chǎng)和磁場(chǎng)集中在導(dǎo)體周圍，它們的幅度隨距離衰減得相當(dāng)快，其中距離是相對(duì)于傳輸線結(jié)構(gòu)本身的大小和間距測(cè)量的。任何附近的介電材料，如流體罐壁和內(nèi)部的流體都會(huì)改變傳輸線的電氣特性，1可以使用ADL5920等反射計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要測(cè)量。

詳細(xì)說(shuō)明

考慮為特定特性阻抗Z設(shè)計(jì)的空氣介電、低損耗傳輸線的情況O在空氣中。任何添加的介電物質(zhì)，例如傳輸線近場(chǎng)中的流體，都將：

降低傳輸線的特性阻抗，

降低傳播速度，從而增加線路的有效電氣長(zhǎng)度，以及

增加線路的衰減。

所有這三種效應(yīng)可以結(jié)合起來(lái)減少回波損耗，這可以通過(guò)反射計(jì)設(shè)備或儀器直接測(cè)量。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)，回波損耗可以與液位相關(guān)聯(lián)。

為了簡(jiǎn)化分析，請(qǐng)考慮圖1中的空氣介質(zhì)傳輸線，阻抗設(shè)置為等于ZO在將管線連接到水箱之前。因?yàn)樵撔幸?Z 終止O理論上，沒(méi)有反射能量，回波損耗是無(wú)限的。

將傳輸線固定在儲(chǔ)罐側(cè)面后，原來(lái)的一條傳輸線現(xiàn)在表現(xiàn)為兩條獨(dú)立的傳輸線，以串聯(lián)配置級(jí)聯(lián)：

在液位以上，傳輸線是空氣電介質(zhì)，但罐壁材料除外。傳輸線阻抗 Z辦公電與其空氣介電值Z變化不大O.傳輸線傳播速度也是如此。

液位以下，傳輸線阻抗Z之與 Z 相比變得更低辦公電.電氣長(zhǎng)度和衰減都會(huì)有效增加，這都是由于傳輸線近場(chǎng)中存在額外的介電材料。

端接Z的阻抗O在傳輸線的遠(yuǎn)端，當(dāng)由傳輸線源端的反射計(jì)測(cè)量時(shí)，將進(jìn)行變換。轉(zhuǎn)換以圖形方式描述，如圖 2 所示。因?yàn)閆之低于 ZO，將創(chuàng)建順時(shí)針史密斯圖旋轉(zhuǎn)，如箭頭所示。

圖2.傳輸線輸入阻抗的擴(kuò)展、歸一化史密斯圖表示。跡線端點(diǎn)描述了液位如何轉(zhuǎn)換為回波損耗測(cè)量。

當(dāng)傳輸線阻抗與線路末端的電阻終端精確匹配時(shí)，不應(yīng)因傳輸線而發(fā)生阻抗變換。此條件對(duì)應(yīng)于史密斯圖的中心，圖2顯示了1+j0 Ω的歸一化阻抗。在傳輸線連接到諧振箱之前，回波損耗應(yīng)至少為26 dB。

將傳輸線連接到空罐后，罐的壁材料會(huì)為傳輸線貢獻(xiàn)一些額外的介電材料，從而將線路的阻抗降低到Z辦公電，并略微增加傳輸線的有效電氣長(zhǎng)度，跡線1，如圖2所示。回波損耗在大約20 dB時(shí)仍應(yīng)測(cè)量得相當(dāng)好。

隨著油箱中液位的升高，由于流體在電介質(zhì)傳輸中置換了一部分空氣，傳輸線阻抗會(huì)降低。傳輸線阻抗為 Z辦公電現(xiàn)在變成 Z之.因此，史密斯圖上的旋轉(zhuǎn)中心移得更低。同時(shí)，史密斯圖旋轉(zhuǎn)的量增加，因?yàn)閭鬏斁€的有效電長(zhǎng)度正在增加。圖 2 中的跡線 2 和跡線 3 對(duì)此進(jìn)行了描述。因此，反射計(jì)測(cè)量線路發(fā)生端的回波損耗降低。

由于ADL5920測(cè)量的是反射幅度，而不是相位，因此阻抗變換應(yīng)限制在史密斯圖的下半部分，其中電抗分量為負(fù)。否則，阻抗將轉(zhuǎn)換回史密斯圖的中心，從而導(dǎo)致幅度測(cè)量模糊。這意味著連接到滿罐的傳輸線的電氣長(zhǎng)度應(yīng)為 90° 或更小。如果電氣長(zhǎng)度超過(guò)90°，測(cè)得的回波損耗將顯示為折返。

ADL5920等雙向RF檢波器可以沿特性阻抗Z的RF傳輸線測(cè)量入射功率和反射功率，單位為dBm。O= 50 Ω.ADL5920還能夠減去這兩個(gè)讀數(shù)，直接測(cè)量以dB為單位的回波損耗。

什么是回波損耗？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)RF源連接到負(fù)載時(shí)，一些功率將傳輸?shù)截?fù)載，其余的將反射回源。這兩個(gè)功率電平之間的差異是回波損耗。它本質(zhì)上是負(fù)載與源匹配程度的度量。

巴倫的目的

巴倫用于以相等但極性相反的交流電壓驅(qū)動(dòng)每個(gè)導(dǎo)體，因此有兩個(gè)主要目的：

減少傳輸線之間的雜散RF耦合。這對(duì)于監(jiān)管排放和敏感性合規(guī)性非常重要。任一方向的遠(yuǎn)場(chǎng)EMI都可以通過(guò)消除來(lái)降低。

變換阻抗。更高的阻抗意味著傳輸線元件的間距更寬，這意味著更深的電場(chǎng)穿透容器。結(jié)果是回波損耗與液位的變化更大，這意味著液位測(cè)量更靈敏。

巴倫的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠在帶通濾波器的整個(gè)通帶上提供良好的共模抑制比（CMRR）。

是否需要帶通濾波器？

每當(dāng)雜散RF可能耦合到傳輸線時(shí)，建議使用圖1所示的可選帶通濾波器。帶通濾波器對(duì)于減少或消除來(lái)自Wi-Fi，蜂窩和PCS服務(wù)，陸地移動(dòng)無(wú)線電以及與所需源不在同一頻段的所有其他外部信號(hào)的干擾非常有幫助。

為獲得最佳結(jié)果，建議帶通濾波器設(shè)計(jì)具有低插入損耗，回波損耗與回波損耗測(cè)量相稱;也就是說(shuō)，如果可能的話，大約 30 dB 或更好。

基本設(shè)計(jì)程序

設(shè)計(jì)過(guò)程大綱大致如下：

根據(jù)傳輸線的長(zhǎng)度選擇工作頻率。通常，傳輸線長(zhǎng)度將與油箱高度大致相同或略長(zhǎng)。工作頻率的選擇應(yīng)使傳輸線長(zhǎng)度通常為空氣中RF波長(zhǎng)的十分之一至四分之一。圖3顯示了這個(gè)近似頻率范圍。較低的頻率將提供最佳的回波損耗與液位的線性度，而較高的頻率將提供更大范圍的回波損耗信號(hào)，但線性度可能不那么好，并且可能會(huì)發(fā)生測(cè)量折返（圖 2）。如果需要符合輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，可以從適用的ISM頻率列表中選擇頻率。2

為所選頻率或頻段設(shè)計(jì)或選擇巴倫。巴倫可以是集總元件LC或變壓器。巴倫在平衡端端接時(shí)應(yīng)表現(xiàn)出出色的回波損耗。

計(jì)算傳輸線的導(dǎo)體寬度和間距尺寸。傳輸線阻抗計(jì)算器（如任意傳輸線計(jì)算器 （ATLC）可用于此目的。3

圖3.推薦工作頻率與傳輸線長(zhǎng)度的關(guān)系。

一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)示例

為了演示目的，設(shè)計(jì)了用于汽車擋風(fēng)玻璃清洗罐的液位監(jiān)測(cè)器。測(cè)試裝置在兩個(gè)相同的水箱之間移動(dòng)水，其中一個(gè)水箱連接了傳輸線，以進(jìn)行液位測(cè)量。

根據(jù)之前的大綱：

由于儲(chǔ)罐高度約為 6“ （0.15 m），因此適合使用 300 MHz 的目標(biāo)射頻激勵(lì)（參見(jiàn)圖 3）。

接下來(lái)，針對(duì)該頻率范圍設(shè)計(jì)和構(gòu)建LC巴倫。輕微升壓阻抗變換至 ZO希望提高對(duì)液位變化的敏感性4（見(jiàn)圖4）。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計(jì)用于驗(yàn)證單端端口上大約30 dB或更好的回波損耗，在連接傳輸線之前，固定電阻端接直接連接到巴倫。

平行傳輸線采用ZO等于先前使用的電阻值。傳輸線在線連接，電阻端接移動(dòng)到線路末端。請(qǐng)參見(jiàn)圖 4 和圖 5。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射儀再次用于驗(yàn)證回波損耗是否保持良好——大約 25 dB 或更好。

圖4.用于液位傳感的巴倫和傳輸線示例。

圖5.離散巴倫和端接傳輸線，然后固定在油箱上。

現(xiàn)在傳輸線可以連接到水箱的側(cè)面，由于罐壁材料作為傳輸線上的額外介電層的失諧效應(yīng)，當(dāng)固定在空罐上時(shí)，觀察到回波損耗略有下降是正常的。

圖6.示例設(shè)計(jì)顯示固定在水箱側(cè)面的傳輸線。

示例測(cè)試結(jié)果

圖 7 顯示了完整的測(cè)試設(shè)置。傳輸線固定在儲(chǔ)罐的側(cè)面，并且儲(chǔ)罐具有以受控方式填充和排放的規(guī)定。

ADI公司的評(píng)估套件DC2847A用于輕松讀取ADL5920反射計(jì)測(cè)量結(jié)果。該評(píng)估套件包括一個(gè)混合信號(hào)MCU，用于讀取正向和反射檢波器模擬電壓。PC軟件將自動(dòng)加載并以圖形格式顯示結(jié)果與時(shí)間的關(guān)系。回波損耗很容易計(jì)算為正向和反射功率測(cè)量之間的差值。

在此設(shè)計(jì)示例中，通過(guò)激活兩個(gè)儲(chǔ)罐之一上的泵來(lái)建立液位條件。當(dāng)泵運(yùn)行時(shí)，質(zhì)量流量相對(duì)恒定，因此理想情況下，罐中的液位隨時(shí)間線性上升。實(shí)際上，儲(chǔ)罐橫截面從上到下并不完全一致。

圖8顯示了液位從滿到空時(shí)的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)流體從油箱中泵出時(shí)，向前功率保持不變，而反射功率相對(duì)線性下降。

在 t = 33 秒時(shí)，斜率發(fā)生明顯變化。這被認(rèn)為是由于坦克的設(shè)計(jì)。如圖7所示，罐的橫截面積在罐的下端減小，為泵電機(jī)騰出空間。這引入了測(cè)量非線性，必要時(shí)可以在系統(tǒng)固件中輕松校正。

圖8.示例測(cè)試結(jié)果與液位的關(guān)系。液位測(cè)量是線性和單調(diào)的，但文中提到的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)除外。

校準(zhǔn)

為了獲得最佳精度，需要對(duì)反射計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將校正反射計(jì)內(nèi)RF檢波器的制造變化，即斜率和截距。DC2847A評(píng)估套件支持單獨(dú)校準(zhǔn)，如圖8所示。

在更高的水平上，液位與回波損耗的關(guān)系也需要校準(zhǔn)。這可能是由于以下不確定性來(lái)源：

傳輸線和罐壁之間距離的制造變化。

罐壁厚度的變化。

流體和/或罐壁介電特性可能隨溫度而變化。

可能存在系統(tǒng)非線性，例如，圖8中觀察到的斜率變化。如果使用線性插值，在這種情況下需要進(jìn)行三點(diǎn)或更多點(diǎn)校準(zhǔn)。

所有校準(zhǔn)系數(shù)通常都存儲(chǔ)在系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器可能是嵌入式處理器應(yīng)用中未使用的代碼空間，也可能是專用的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備。

液位測(cè)量限制

任何反射計(jì)的方向性都是關(guān)鍵規(guī)格。忽略巴倫損耗，當(dāng)傳輸線精確端接其自身的Z軸時(shí)O，反射功率變?yōu)榱?，反射?jì)測(cè)量自己的方向性規(guī)格。方向性規(guī)格越高，反射計(jì)準(zhǔn)確分離入射波和反射波幅度的能力就越好。

對(duì)于ADL5920，方向性在1 GHz時(shí)典型值為20 dB，在100 MHz或更低時(shí)增加到約43 dB（典型值）。這使得ADL5920非常適合儲(chǔ)罐高度約為30 mm或更高的液位測(cè)量（見(jiàn)圖3）。

應(yīng)用程序擴(kuò)展

對(duì)于某些應(yīng)用，基本的非接觸式液位測(cè)量原理可以通過(guò)多種方式進(jìn)行擴(kuò)展。例如：

測(cè)量可以在低占空比下進(jìn)行，以節(jié)省功率。

如果液位保持恒定，則回波損耗測(cè)量可能與另一個(gè)感興趣的流體屬性相關(guān);例如，粘度或 pH 值。

每個(gè)應(yīng)用程序都是獨(dú)一無(wú)二的。例如，與底端相比，有一些技術(shù)可能會(huì)在秤的頂端提供更好的精度，反之亦然，具體取決于應(yīng)用。

如果儲(chǔ)罐是金屬的，則傳輸線需要進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部。根據(jù)應(yīng)用的不同，傳輸線可能會(huì)被浸沒(méi)。

在多個(gè)RF功率電平下進(jìn)行測(cè)量有助于確定外部RF干擾是否是導(dǎo)致誤差。許多單芯片PLL器件支持此功能，這將成為系統(tǒng)的置信度測(cè)試或自檢。

儲(chǔ)罐兩側(cè)或四側(cè)的傳輸線傳感器可以分別補(bǔ)償容器沿一個(gè)軸或兩個(gè)軸的傾斜。

如果液位閾值測(cè)量是目標(biāo)，那么一條或多條以較高頻率運(yùn)行的較短傳輸線可能是一個(gè)很好的解決方案。

結(jié)論

ADL5920等單芯片反射計(jì)器件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的應(yīng)用類型，如液位儀表。消除運(yùn)動(dòng)部件，例如已經(jīng)使用多年的機(jī)械浮子，將大大提高可靠性。油位和燃油液位監(jiān)測(cè)也是可能的，開(kāi)辟了許多新的工業(yè)和汽車應(yīng)用。

審核編輯：郭婷