利用反射計芯片進行非接觸式液位測量

Contactless fluid-level measurement using a reflectometer chip

通過將空氣介質(zhì)傳輸線靠在非金屬罐的側(cè)面并感應(yīng)射頻阻抗，可以通過非金屬罐壁精確測量液位。本文提供了一個經(jīng)驗設(shè)計實例，說明反射計裝置如何簡化設(shè)計。

與可能涉及機械浮子的傳統(tǒng)液位傳感方法相比，基于反射計的方法有幾個優(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）

無活動部件

最小遠場輻射抵消

油箱中沒有內(nèi)部傳感器孔（減少泄漏的可能性）

本質(zhì)安全，因為油箱中沒有電線或零件

液位測量概述

圖1顯示了整個系統(tǒng)的框圖，包括一個射頻信號源，它驅(qū)動一個平衡的端接空氣介質(zhì)傳輸線，反射計位于內(nèi)聯(lián)。

圖1. 液位測量系統(tǒng)框圖。

工作原理

懸浮在空氣中的傳輸線可以設(shè)計成精確的特性阻抗和低射頻損耗，這是由于低損耗導(dǎo)體和缺乏固體介質(zhì)材料造成的。經(jīng)典的E和H矢量圖表明，電場和磁場集中在導(dǎo)體周圍，它們的大小隨距離迅速衰減，其中距離是相對于傳輸線結(jié)構(gòu)本身的尺寸和間距來測量的。任何附近的電介質(zhì)材料，如儲液罐壁和其中的液體都會改變傳輸線的電氣特性[1]，這可以用ADL5920等模擬設(shè)備的反射計進行測量。

詳細說明

考慮空氣介質(zhì)、低損耗傳輸線的情況，該線是為空氣中的特定特性阻抗ZO而設(shè)計的。任何添加的電介質(zhì)物質(zhì)（如傳輸線近場中的流體）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長度，以及

增加線路的衰減。

所有這三種效應(yīng)結(jié)合起來可以減少回波損耗，這可以用反射計設(shè)備或儀器直接測量。通過仔細的設(shè)計和校準，回流損失可以與液位相關(guān)。

為了簡化分析，考慮圖1中的空氣介質(zhì)傳輸線，在將線路連接到油箱之前，阻抗設(shè)置為ZO。由于該線以ZO結(jié)束，理論上沒有反射能量，回波損耗是無窮大的。

在將傳輸線連接到油箱側(cè)面后，原來的一條傳輸線現(xiàn)在表現(xiàn)為兩條獨立的傳輸線，串聯(lián)配置：

在液面以上，傳輸線為空氣介質(zhì)，除了罐壁外，傳輸線阻抗ZOA與其空氣介電值ZO變化不大。傳輸線的傳播速度也是如此。

在液面以下，傳輸線阻抗ZOF比ZOA低。電長度有效地增加了，衰減也增加了，這都是因為傳輸線的近場中存在額外的介電材料。

當用傳輸線源端的反射計測量時，傳輸線遠端終端ZO的阻抗將被轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換以圖形方式描述，大致如圖2所示。因為ZOF低于ZO，所以創(chuàng)建了一個順時針的史密斯圖表旋轉(zhuǎn)，如箭頭所示。

圖2. 傳輸線輸入阻抗的擴展、標準化史密斯圖表示法。跟蹤端點描述了液位如何轉(zhuǎn)化為回流損失測量。

當傳輸線阻抗與線路末端的電阻終端精確匹配時，不得因傳輸線而發(fā)生阻抗變化。這種情況對應(yīng)于史密斯圖的中心，圖2顯示了1+j0Ω的標準化阻抗。在傳輸線連接到油箱之前，回波損耗應(yīng)至少為26 dB。

在將傳輸線連接到空罐后，槽壁材料將為傳輸線提供一些額外的介電材料，從而降低線路對ZOA的阻抗，并略微增加傳輸線的有效電長度，記錄道1，如圖2所示。回波損耗在大約20分貝時仍然可以很好地測量。

當油箱中的液位升高時，由于介質(zhì)傳輸時流體置換了一部分空氣，傳輸線阻抗降低。傳輸線阻抗原來是ZOA，現(xiàn)在變成了ZOF。因此，史密斯圖上的旋轉(zhuǎn)中心會降低。同時，由于傳輸線的有效電長度增加，史密斯圖旋轉(zhuǎn)的量也增加了。圖2中的跟蹤2和跟蹤3對此進行了描述。因此，反射計在線路的發(fā)電機端測量降低的回波損耗。

因為反射計測量的是反射幅度，而不是相位，所以阻抗變換應(yīng)限制在史密斯圖的下半部分，那里的無功分量為負。否則，阻抗將被轉(zhuǎn)換回史密斯圖的中心，造成幅度測量的模糊性。這意味著連接到滿油箱的傳輸線的電氣長度應(yīng)為90°或更小。如果電長度超過90°，測量的回波損耗將顯示為向后折疊。

ADL5920這樣的雙向射頻檢測器可以沿著特性阻抗為ZO=50Ω的RF傳輸線以dBm為單位測量入射和反射功率。減去這兩個讀數(shù)可以直接測量回波損耗（dB）。簡單地說，當射頻源連接到負載時，會發(fā)生回波損耗。一部分能量將傳遞給負載，其余部分將反射回電源。這兩個功率級之間的差別是回波損耗。它本質(zhì)上是衡量負載與源的匹配程度。

balun的目的

balun用于以相等但相反極性的交流電壓驅(qū)動每個導(dǎo)體，因此有兩個主要用途：

減少傳輸之間的雜散射頻耦合這對于監(jiān)管發(fā)射和敏感度合規(guī)非常重要。任何方向的遠場EMI都可以通過消除來降低。

轉(zhuǎn)換高阻抗意味著傳輸線元件的間距變寬，這意味著更深的電場穿透容器。其結(jié)果是回流損失與液位的變化更大，這意味著更靈敏的液位測量。

balun的設(shè)計應(yīng)能在帶通濾波器的整個通帶上提供良好的共模抑制比（CMRR）。

需要帶通濾波器嗎？

當雜散射頻可以耦合到傳輸線時，建議使用圖1中的可選帶通濾波器。帶通濾波器將非常有助于減少或消除來自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帶內(nèi)的所有其他外部信號的干擾。

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值相當；即，如果可能，大約為30 dB或更好。

基本設(shè)計程序

設(shè)計程序大綱大致如下：

通常根據(jù)傳輸長度選擇一個工作頻率，傳輸線的長度將與油箱高度大致相同或稍長。工作頻率的選擇應(yīng)確保傳輸線長度通常為空氣中射頻波長的十分之一至四分之一。圖3說明了這個近似的頻率范圍。較低的頻率將使回流損失與液位之間的線性關(guān)系最佳，而較高的頻率將提供更大范圍的回波損失信號，但線性可能不太好，可能會出現(xiàn)測量回退（圖2）。如果要求輻射發(fā)射符合性，可從適用ISM頻率列表中選擇頻率[2]。

為所選頻率或頻段設(shè)計或選擇一個balun。balun可以是集總元件LC或基于變壓器。當在平衡端終止時，巴倫應(yīng)表現(xiàn)出良好的回波損耗。

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. 建議工作頻率與傳輸線長度。

一個簡單的設(shè)計示例

為便于演示，設(shè)計了一種用于汽車擋風(fēng)玻璃清洗液罐的液位監(jiān)測儀。測試裝置在兩個相同的水箱之間移動水，其中一個水箱連接有傳輸線，用于液位測量。

根據(jù)前面的大綱：

由于油箱高度約為6〃（15 m），因此目標射頻激勵約為300 MHz是合適的（見圖3）。

接下來，我們針對這個頻率范圍設(shè)計并構(gòu)造了一個LC-balun。為了提高對液位變化的敏感性[4]（見圖4），需要對ZO進行輕微的升壓阻抗變換。在連接傳輸線之前，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計驗證單端端口上大約30 dB或更好的回波損耗，固定電阻終端直接連接到balun。

設(shè)計并制作了一條ZO等于先前使用電阻值的并聯(lián)傳輸線。傳輸線連接在電路中，電阻器終端移動到線路末端。見圖4和圖5。再次使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計來驗證回波損耗是否保持在25 dB或更高的水平。

圖4. Balun和變速器管路用于液位傳感示例。

圖5. 在連接到油箱之前，分離巴倫和終端傳輸線。

現(xiàn)在可以將傳輸線連接到油箱的側(cè)面，如圖6所示。由于作為傳輸線上附加介質(zhì)層的槽壁材料的失諧效應(yīng)，當連接到空槽時，可以觀察到輕微的回波損耗下降。

圖6. 示例設(shè)計顯示了連接到油箱側(cè)面的傳輸線

示例測試結(jié)果

圖7顯示了一個完整的測試設(shè)置。傳輸線固定在油箱的側(cè)面，并且油箱具有以受控方式加注和排放的裝置。類似模擬設(shè)備的DC2847A這樣的評估工具可用于輕松讀取反射計測量結(jié)果。這個評估工具包括一個混合信號的MCU來讀取正向和反射檢測器的模擬電壓。PC軟件將自動加載和顯示圖形格式的結(jié)果與時間。回波損耗很容易計算為正向和反射功率測量之間的差值。圖7顯示了設(shè)計示例的完整測試設(shè)置。

圖7. 完成設(shè)計示例的測試設(shè)置。

在本設(shè)計示例中，通過激活兩個油箱中的一個泵來建立液位條件。泵運行時，質(zhì)量流量相對恒定，因此理想情況下，油箱中的液位隨時間呈線性上升。在實踐中，儲罐橫截面從上到下并不完全一致。

圖8顯示了當液位從滿到空時的測試結(jié)果。當液體被泵出油箱時，前向功率保持不變，而反射功率則相對線性下降。

當t=33秒時，斜率發(fā)生明顯變化。這被認為是由于油箱的設(shè)計。如圖7所示，油箱下端的橫截面積減小，以便為泵電機留出空間。這引入了測量非線性，如有必要，可在系統(tǒng)固件中輕松校正。

圖8. 示例測試結(jié)果與液位對比。液位測量是線性的和單調(diào)的，除了文中提到的油箱設(shè)計引起的例外。

校準

為了獲得最佳精度，需要對反射計進行校準。校準將校正反射計內(nèi)射頻探測器的制造變化，即斜率和截距。DC2847A評估套件支持單獨校準，如圖8所示。

在較高的液位下，液位與回流損失也需要校準。這可能是由于以下不確定性來源：

輸電線路與罐壁距離的制造變化。

罐壁厚度變化。

流體和/或罐壁介電性能可能隨溫度而變化。

可能存在系統(tǒng)非線性，例如圖8中觀察到的坡度變化。如果使用線性插值，則在這種情況下需要進行三點或更多點的校準。

所有校準系數(shù)通常存儲在系統(tǒng)的非易失性存儲器中，該存儲器可以是嵌入式處理器應(yīng)用程序中未使用的代碼空間，也可以是專用的非易失性存儲器設(shè)備。

液位測量限制

任何反射計的指向性都是一個關(guān)鍵規(guī)范。忽略巴倫損耗，當傳輸線以其自身的ZO精確終止時，反射功率為零，并且反射計測量其自身的方向性規(guī)范。方向性規(guī)格越高，反射計準確分離入射波和反射波幅度的能力就越好。

對于ADL5920，方向性被指定為20dB（典型值為1GHz），在100MHz或更低頻率下增加到大約43dB。這使得ADL5920非常適合于油箱高度約為30 mm或更高的液位測量（見圖3）。
應(yīng)用程序擴展

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行擴展。例如：

可在低占空比下進行測量，以節(jié)省功率。

如果液位保持恒定，則回流損失測量可能與另一種感興趣的流體性質(zhì)相關(guān)，例如粘度或pH值。

每個應(yīng)用程序都是唯一的。例如，根據(jù)應(yīng)用的不同，有一些技術(shù)可能會在刻度的頂端提供更好的精度，而不是在底部，反之亦然。

如果油箱是金屬的，根據(jù)應(yīng)用情況，傳輸線需要進入內(nèi)部，傳輸線可能會被浸沒。

在多個射頻功率電平下進行測量可以幫助確定外部射頻干擾是否是一個促成誤差。許多單芯片PLL設(shè)備都支持這一特性，這將成為對系統(tǒng)的信心測試，或者說是自測。

油箱兩側(cè)或四周的傳輸線傳感器可補償集裝箱沿一個軸或兩個軸的傾斜，

如果以液位閾值測量為目標，則一條或多條以較高頻率運行的較短傳輸線可能是一個很好的解決方案。

結(jié)論

ADL5920等單片反射計設(shè)備的開發(fā)帶來了新類型的應(yīng)用，如液位儀表。消除運動部件，如使用多年的機械浮子，將大大提高可靠性。油和燃油液位監(jiān)測也可能實現(xiàn)，這將開辟許多新的工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)域。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的利用反射计芯片进行非接触式液位测量的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。