利用反射計(jì)芯片進(jìn)行非接觸式液位測(cè)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(cè)量液位。本文提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例，說明反射計(jì)裝置如何簡(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)的方法有幾個(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)（無液體污染）

無活動(dòng)部件

最小遠(yuǎn)場(chǎng)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?yàn)橛拖渲袥]有電線或零件

液位測(cè)量概述

圖1顯示了整個(gè)系統(tǒng)的框圖，包括一個(gè)射頻信號(hào)源，它驅(qū)動(dòng)一個(gè)平衡的端接空氣介質(zhì)傳輸線，反射計(jì)位于內(nèi)聯(lián)。

圖1. 液位測(cè)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(jì)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(duì)于傳輸線結(jié)構(gòu)本身的尺寸和間距來測(cè)量的。任何附近的電介質(zhì)材料，如儲(chǔ)液罐壁和其中的液體都會(huì)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(jì)進(jìn)行測(cè)量。

詳細(xì)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(jì)的。任何添加的電介質(zhì)物質(zhì)（如傳輸線近場(chǎng)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(zhǎng)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(jì)設(shè)備或儀器直接測(cè)量。通過仔細(xì)的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)，回流損失可以與液位相關(guān)。

為了簡(jiǎn)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(dú)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(zhǎng)度有效地增加了，衰減也增加了，這都是因?yàn)閭鬏斁€的近場(chǎng)中存在額外的介電材料。

當(dāng)用傳輸線源端的反射計(jì)測(cè)量時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)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?yàn)閆OF低于ZO，所以創(chuàng)建了一個(gè)順時(shí)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(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)化史密斯圖表示法。跟蹤端點(diǎn)描述了液位如何轉(zhuǎn)化為回流損失測(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)，不得因傳輸線而發(fā)生阻抗變化。這種情況對(duì)應(yīng)于史密斯圖的中心，圖2顯示了1+j0Ω的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)ZOA的阻抗，并略微增加傳輸線的有效電長(zhǎng)度，記錄道1，如圖2所示。回波損耗在大約20分貝時(shí)仍然可以很好地測(cè)量。

當(dāng)油箱中的液位升高時(shí)，由于介質(zhì)傳輸時(shí)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(huì)降低。同時(shí)，由于傳輸線的有效電長(zhǎng)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(duì)此進(jìn)行了描述。因此，反射計(jì)在線路的發(fā)電機(jī)端測(cè)量降低的回波損耗。

因?yàn)榉瓷溆?jì)測(cè)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(fù)。否則，阻抗將被轉(zhuǎn)換回史密斯圖的中心，造成幅度測(cè)量的模糊性。這意味著連接到滿油箱的傳輸線的電氣長(zhǎng)度應(yīng)為90°或更小。如果電長(zhǎng)度超過90°，測(cè)量的回波損耗將顯示為向后折疊。

ADL5920這樣的雙向射頻檢測(cè)器可以沿著特性阻抗為ZO=50Ω的RF傳輸線以dBm為單位測(cè)量入射和反射功率。減去這兩個(gè)讀數(shù)可以直接測(cè)量回波損耗（dB）。簡(jiǎn)單地說，當(dāng)射頻源連接到負(fù)載時(shí)，會(huì)發(fā)生回波損耗。一部分能量將傳遞給負(fù)載，其余部分將反射回電源。這兩個(gè)功率級(jí)之間的差別是回波損耗。它本質(zhì)上是衡量負(fù)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(dòng)每個(gè)導(dǎo)體，因此有兩個(gè)主要用途：

減少傳輸之間的雜散射頻耦合這對(duì)于監(jiān)管發(fā)射和敏感度合規(guī)非常重要。任何方向的遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)量。

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

需要帶通濾波器嗎？

當(dāng)雜散射頻可以耦合到傳輸線時(shí)，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(dòng)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(hào)的干擾。

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)量值相當(dāng)；即，如果可能，大約為30 dB或更好。

基本設(shè)計(jì)程序

設(shè)計(jì)程序大綱大致如下：

通常根據(jù)傳輸長(zhǎng)度選擇一個(gè)工作頻率，傳輸線的長(zhǎng)度將與油箱高度大致相同或稍長(zhǎng)。工作頻率的選擇應(yīng)確保傳輸線長(zhǎng)度通常為空氣中射頻波長(zhǎng)的十分之一至四分之一。圖3說明了這個(gè)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(hào)，但線性可能不太好，可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)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(jì)或選擇一個(gè)balun。balun可以是集總元件LC或基于變壓器。當(dāng)在平衡端終止時(shí)，巴倫應(yīng)表現(xiàn)出良好的回波損耗。

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. 建議工作頻率與傳輸線長(zhǎng)度。

一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)示例

為便于演示，設(shè)計(jì)了一種用于汽車擋風(fēng)玻璃清洗液罐的液位監(jiān)測(cè)儀。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)水箱連接有傳輸線，用于液位測(cè)量。

根據(jù)前面的大綱：

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

接下來，我們針對(duì)這個(gè)頻率范圍設(shè)計(jì)并構(gòu)造了一個(gè)LC-balun。為了提高對(duì)液位變化的敏感性[4]（見圖4），需要對(duì)ZO進(jìn)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(jì)驗(yàn)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(jì)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(dòng)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(jì)來驗(yàn)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(dāng)連接到空槽時(shí)，可以觀察到輕微的回波損耗下降。

圖6. 示例設(shè)計(jì)顯示了連接到油箱側(cè)面的傳輸線

示例測(cè)試結(jié)果

圖7顯示了一個(gè)完整的測(cè)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(píng)估工具可用于輕松讀取反射計(jì)測(cè)量結(jié)果。這個(gè)評(píng)估工具包括一個(gè)混合信號(hào)的MCU來讀取正向和反射檢測(cè)器的模擬電壓。PC軟件將自動(dòng)加載和顯示圖形格式的結(jié)果與時(shí)間。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。圖7顯示了設(shè)計(jì)示例的完整測(cè)試設(shè)置。

圖7. 完成設(shè)計(jì)示例的測(cè)試設(shè)置。

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

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

當(dāng)t=33秒時(shí)，斜率發(fā)生明顯變化。這被認(rèn)為是由于油箱的設(shè)計(jì)。如圖7所示，油箱下端的橫截面積減小，以便為泵電機(jī)留出空間。這引入了測(cè)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(cè)試結(jié)果與液位對(duì)比。液位測(cè)量是線性的和單調(diào)的，除了文中提到的油箱設(shè)計(jì)引起的例外。

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)射頻探測(cè)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。

在較高的液位下，液位與回流損失也需要校準(zhǔn)。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(jìn)行三點(diǎn)或更多點(diǎn)的校準(zhǔn)。

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

液位測(cè)量限制

任何反射計(jì)的指向性都是一個(gè)關(guān)鍵規(guī)范。忽略巴倫損耗，當(dāng)傳輸線以其自身的ZO精確終止時(shí)，反射功率為零，并且反射計(jì)測(cè)量其自身的方向性規(guī)范。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(cè)量（見圖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)量原理可以通過多種方式進(jìn)行擴(kuò)展。例如：

可在低占空比下進(jìn)行測(cè)量，以節(jié)省功率。

如果液位保持恒定，則回流損失測(cè)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(gè)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(huì)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(jìn)入內(nèi)部，傳輸線可能會(huì)被浸沒。

在多個(gè)射頻功率電平下進(jìn)行測(cè)量可以幫助確定外部射頻干擾是否是一個(gè)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(duì)系統(tǒng)的信心測(cè)試，或者說是自測(cè)。

油箱兩側(cè)或四周的傳輸線傳感器可補(bǔ)償集裝箱沿一個(gè)軸或兩個(gè)軸的傾斜，

如果以液位閾值測(cè)量為目標(biāo)，則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等單片反射計(jì)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(yùn)動(dòng)部件，如使用多年的機(jī)械浮子，將大大提高可靠性。油和燃油液位監(jiān)測(cè)也可能實(shí)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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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