使用反射計芯片進(jìn)行非接觸式液位測量

通過將空氣介質(zhì)傳輸線放在罐的側(cè)面并檢測RF阻抗，可以穿過非金屬罐的壁精確測量液位測量。本文提供了一個經(jīng)驗設(shè)計示例，說明ADI公司ADL5920等反射計器件如何簡化設(shè)計。

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

快速、實時的液位測量

廣泛的電子后處理成為可能

非接觸式設(shè)計（無液體污染）

無移動部件

最小輻射射頻場（遠(yuǎn)場取消）

水箱上沒有用于內(nèi)部傳感器的孔（減少泄漏的可能性）

本質(zhì)安全，因為油箱中沒有電線或部件

液位測量概述

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

圖1.液位測量系統(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)計懸浮在空氣中的傳輸線，以實現(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，電場和磁場集中在導(dǎo)體周圍，它們的幅度隨距離衰減得相當(dāng)快，其中距離是相對于傳輸線結(jié)構(gòu)本身的大小和間距測量的。任何附近的介電材料，如流體罐壁和內(nèi)部的流體都會改變傳輸線的電氣特性，1可以使用ADL5920等反射計進(jìn)行簡要測量。

詳細(xì)說明

考慮為特定特性阻抗Z設(shè)計的空氣介電、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)合起來減少回波損耗，這可以通過反射計設(shè)備或儀器直接測量。通過精心設(shè)計和校準(zhǔn)，回波損耗可以與液位相關(guān)聯(lián)。

為了簡化分析，請考慮圖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。因為該行以 Z 終止O理論上，沒有反射能量，回波損耗是無限的。

將傳輸線固定在儲罐側(cè)面后，原來的一條傳輸線現(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.電氣長度和衰減都會有效增加，這都是由于傳輸線近場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測量時，將進(jìn)行變換。轉(zhuǎn)換以圖形方式描述，如圖 2 所示。因為Z之低于 ZO，將創(chuàng)建順時針史密斯圖旋轉(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。跡線端點描述了液位如何轉(zhuǎn)換為回波損耗測量。

當(dāng)傳輸線阻抗與線路末端的電阻終端精確匹配時，不應(yīng)因傳輸線而發(fā)生阻抗變換。此條件對應(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度，跡線1，如圖2所示?；夭〒p耗在大約20 dB時仍應(yīng)測量得相當(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，史密斯圖旋轉(zhuǎn)的量增加，因為傳輸線的有效電長度正在增加。圖 2 中的跡線 2 和跡線 3 對此進(jìn)行了描述。因此，反射計測量線路發(fā)生端的回波損耗降低。

由于ADL5920測量的是反射幅度，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)致幅度測量模糊。這意味著連接到滿罐的傳輸線的電氣長度應(yīng)為 90° 或更小。如果電氣長度超過90°，測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還能夠減去這兩個讀數(shù)，直接測量以dB為單位的回波損耗。

什么是回波損耗？

簡單地說，當(dāng)RF源連接到負(fù)載時，一些功率將傳輸?shù)截?fù)載，其余的將反射回源。這兩個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)動每個導(dǎo)體，因此有兩個主要目的：

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

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，這意味著液位測量更靈敏。

巴倫的設(shè)計應(yīng)能夠在帶通濾波器的整個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，建議使用圖1所示的可選帶通濾波器。帶通濾波器對于減少或消除來自Wi-Fi，蜂窩和PCS服務(wù)，陸地移動無線電以及與所需源不在同一頻段的所有其他外部信號的干擾非常有幫助。

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

基本設(shè)計程序

設(shè)計過程大綱大致如下：

根據(jù)傳輸線的長度選擇工作頻率。通常，傳輸線長度將與油箱高度大致相同或略長。工作頻率的選擇應(yīng)使傳輸線長度通常為空氣中RF波長的十分之一至四分之一。圖3顯示了這個近似頻率范圍。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，但線性度可能不那么好，并且可能會發(fā)生測量折返（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應(yīng)表現(xiàn)出出色的回波損耗。

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

圖3.推薦工作頻率與傳輸線長度的關(guān)系。

一個簡單的設(shè)計示例

為了演示目的，設(shè)計了用于汽車擋風(fēng)玻璃清洗罐的液位監(jiān)測器。測試裝置在兩個相同的水箱之間移動水，其中一個水箱連接了傳輸線，以進(jìn)行液位測量。

根據(jù)之前的大綱：

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

接下來，針對該頻率范圍設(shè)計和構(gòu)建LC巴倫。輕微升壓阻抗變換至 ZO希望提高對液位變化的敏感性4（見圖4）。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計用于驗證單端端口上大約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，電阻端接移動到線路末端。請參見圖 4 和圖 5。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射儀再次用于驗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，觀察到回波損耗略有下降是正常的。

圖6.示例設(shè)計顯示固定在水箱側(cè)面的傳輸線。

示例測試結(jié)果

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

ADI公司的評估套件DC2847A用于輕松讀取ADL5920反射計測量結(jié)果。該評估套件包括一個混合信號MCU，用于讀取正向和反射檢波器模擬電壓。PC軟件將自動加載并以圖形格式顯示結(jié)果與時間的關(guān)系?；夭〒p耗很容易計算為正向和反射功率測量之間的差值。

在此設(shè)計示例中，通過激活兩個儲罐之一上的泵來建立液位條件。當(dāng)泵運(yùn)行時，質(zhì)量流量相對恒定，因此理想情況下，罐中的液位隨時間線性上升。實際上，儲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的測試結(jié)果。當(dāng)流體從油箱中泵出時，向前功率保持不變，而反射功率相對線性下降。

在 t = 33 秒時，斜率發(fā)生明顯變化。這被認(rèn)為是由于坦克的設(shè)計。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。這引入了測量非線性，必要時可以在系統(tǒng)固件中輕松校正。

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

校準(zhǔn)

為了獲得最佳精度，需要對反射計進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將校正反射計內(nèi)RF檢波器的制造變化，即斜率和截距。DC2847A評估套件支持單獨(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)行三點或更多點校準(zhǔn)。

所有校準(zhǔn)系數(shù)通常都存儲在系統(tǒng)的非易失性存儲器中，該存儲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器設(shè)備。

液位測量限制

任何反射計的方向性都是關(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O，反射功率變?yōu)榱悖瓷溆嫓y量自己的方向性規(guī)格。方向性規(guī)格越高，反射計準(zhǔn)確分離入射波和反射波幅度的能力就越好。

對于ADL5920，方向性在1 GHz時典型值為20 dB，在100 MHz或更低時增加到約43 dB（典型值）。這使得ADL5920非常適合儲罐高度約為30 mm或更高的液位測量（見圖3）。

應(yīng)用程序擴(kuò)展

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

測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，則回波損耗測量可能與另一個感興趣的流體屬性相關(guān);例如，粘度或 pH 值。

每個應(yīng)用程序都是獨(dú)一無二的。例如，與底端相比，有一些技術(shù)可能會在秤的頂端提供更好的精度，反之亦然，具體取決于應(yīng)用。

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

在多個RF功率電平下進(jìn)行測量有助于確定外部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)的置信度測試或自檢。

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

如果液位閾值測量是目標(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很好的解決方案。

結(jié)論

ADL5920等單芯片反射計器件的開發(fā)帶來了新的應(yīng)用類型，如液位儀表。消除運(yùn)動部件，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)測也是可能的，開辟了許多新的工業(yè)和汽車應(yīng)用。

審核編輯：郭婷