利用反射计芯片进行非接触式液位测量

利用反射计芯片进行非接触式液位测量

Contactless fluid-level measurement using a reflectometer chip

通过将空气介质传输线靠在非金属罐的侧面并感应射频阻抗，可以通过非金属罐壁精确测量液位。本文提供了一个经验设计实例，说明反射计装置如何简化设计。             

与可能涉及机械浮子的传统液位传感方法相比，基于反射计的方法有几个优点，包括：             

快速、实时的液位测量             

广泛的电子后处理成为可能             

非接触式设计（无液体污染）             

无活动部件             

最小远场辐射抵消             

油箱中没有内部传感器孔（减少泄漏的可能性）             

本质安全，因为油箱中没有电线或零件             

液位测量概述             

图1显示了整个系统的框图，包括一个射频信号源，它驱动一个平衡的端接空气介质传输线，反射计位于内联。

图1.  液位测量系统框图。             

工作原理             

悬浮在空气中的传输线可以设计成精确的特性阻抗和低射频损耗，这是由于低损耗导体和缺乏固体介质材料造成的。经典的E和H矢量图表明，电场和磁场集中在导体周围，它们的大小随距离迅速衰减，其中距离是相对于传输线结构本身的尺寸和间距来测量的。任何附近的电介质材料，如储液罐壁和其中的液体都会改变传输线的电气特性[1]，这可以用ADL5920等模拟设备的反射计进行测量。             

详细说明             

考虑空气介质、低损耗传输线的情况，该线是为空气中的特定特性阻抗ZO而设计的。任何添加的电介质物质（如传输线近场中的流体）将：             

降低传输线的特性阻抗，             

降低传播速度，从而增加线路的有效电长度，以及             

增加线路的衰减。              

所有这三种效应结合起来可以减少回波损耗，这可以用反射计设备或仪器直接测量。通过仔细的设计和校准，回流损失可以与液位相关。             

为了简化分析，考虑图1中的空气介质传输线，在将线路连接到油箱之前，阻抗设置为ZO。由于该线以ZO结束，理论上没有反射能量，回波损耗是无穷大的。             

在将传输线连接到油箱侧面后，原来的一条传输线现在表现为两条独立的传输线，串联配置：             

在液面以上，传输线为空气介质，除了罐壁外，传输线阻抗ZOA与其空气介电值ZO变化不大。传输线的传播速度也是如此。             

在液面以下，传输线阻抗ZOF比ZOA低。电长度有效地增加了，衰减也增加了，这都是因为传输线的近场中存在额外的介电材料。             

当用传输线源端的反射计测量时，传输线远端终端ZO的阻抗将被转换。转换以图形方式描述，大致如图2所示。因为ZOF低于ZO，所以创建了一个顺时针的史密斯图表旋转，如箭头所示。

图2.  传输线输入阻抗的扩展、标准化史密斯图表示法。跟踪端点描述了液位如何转化为回流损失测量。

当传输线阻抗与线路末端的电阻终端精确匹配时，不得因传输线而发生阻抗变化。这种情况对应于史密斯图的中心，图2显示了1+j0Ω的标准化阻抗。在传输线连接到油箱之前，回波损耗应至少为26 dB。             

在将传输线连接到空罐后，槽壁材料将为传输线提供一些额外的介电材料，从而降低线路对ZOA的阻抗，并略微增加传输线的有效电长度，记录道1，如图2所示。回波损耗在大约20分贝时仍然可以很好地测量。             

当油箱中的液位升高时，由于介质传输时流体置换了一部分空气，传输线阻抗降低。传输线阻抗原来是ZOA，现在变成了ZOF。因此，史密斯图上的旋转中心会降低。同时，由于传输线的有效电长度增加，史密斯图旋转的量也增加了。图2中的跟踪2和跟踪3对此进行了描述。因此，反射计在线路的发电机端测量降低的回波损耗。             

因为反射计测量的是反射幅度，而不是相位，所以阻抗变换应限制在史密斯图的下半部分，那里的无功分量为负。否则，阻抗将被转换回史密斯图的中心，造成幅度测量的模糊性。这意味着连接到满油箱的传输线的电气长度应为90°或更小。如果电长度超过90°，测量的回波损耗将显示为向后折叠。             

ADL5920这样的双向射频检测器可以沿着特性阻抗为ZO=50Ω的RF传输线以dBm为单位测量入射和反射功率。减去这两个读数可以直接测量回波损耗（dB）。简单地说，当射频源连接到负载时，会发生回波损耗。一部分能量将传递给负载，其余部分将反射回电源。这两个功率级之间的差别是回波损耗。它本质上是衡量负载与源的匹配程度。

balun的目的              

balun用于以相等但相反极性的交流电压驱动每个导体，因此有两个主要用途：             

减少传输之间的杂散射频耦合这对于监管发射和敏感度合规非常重要。任何方向的远场EMI都可以通过消除来降低。             

转换高阻抗意味着传输线元件的间距变宽，这意味着更深的电场穿透容器。其结果是回流损失与液位的变化更大，这意味着更灵敏的液位测量。             

balun的设计应能在带通滤波器的整个通带上提供良好的共模抑制比（CMRR）。             

需要带通滤波器吗？             

当杂散射频可以耦合到传输线时，建议使用图1中的可选带通滤波器。带通滤波器将非常有助于减少或消除来自Wi-Fi、蜂窝和PCS服务、陆地移动无线电以及与所需源不在同一频带内的所有其他外部信号的干扰。             

为获得最佳结果，建议带通滤波器设计具有低插入损耗，回波损耗与回波损耗测量值相当；即，如果可能，大约为30 dB或更好。             

基本设计程序             

设计程序大纲大致如下：             

通常根据传输长度选择一个工作频率，传输线的长度将与油箱高度大致相同或稍长。工作频率的选择应确保传输线长度通常为空气中射频波长的十分之一至四分之一。图3说明了这个近似的频率范围。较低的频率将使回流损失与液位之间的线性关系最佳，而较高的频率将提供更大范围的回波损失信号，但线性可能不太好，可能会出现测量回退（图2）。如果要求辐射发射符合性，可从适用ISM频率列表中选择频率[2]。             

为所选频率或频段设计或选择一个balun。balun可以是集总元件LC或基于变压器。当在平衡端终止时，巴伦应表现出良好的回波损耗。             

计算传输线的导体宽度和间距尺寸传输线阻抗计算器（如任意传输线计算器（ATLC））可用于此目的[3]。

图3.  建议工作频率与传输线长度。             

一个简单的设计示例             

为便于演示，设计了一种用于汽车挡风玻璃清洗液罐的液位监测仪。测试装置在两个相同的水箱之间移动水，其中一个水箱连接有传输线，用于液位测量。             

根据前面的大纲：             

由于油箱高度约为6〃（15 m），因此目标射频激励约为300 MHz是合适的（见图3）。             

接下来，我们针对这个频率范围设计并构造了一个LC-balun。为了提高对液位变化的敏感性[4]（见图4），需要对ZO进行轻微的升压阻抗变换。在连接传输线之前，使用网络分析仪或反射计验证单端端口上大约30 dB或更好的回波损耗，固定电阻终端直接连接到balun。              

设计并制作了一条ZO等于先前使用电阻值的并联传输线。传输线连接在电路中，电阻器终端移动到线路末端。见图4和图5。再次使用网络分析仪或反射计来验证回波损耗是否保持在25 dB或更高的水平。

图4.  Balun和变速器管路用于液位传感示例。

图5.  在连接到油箱之前，分离巴伦和终端传输线。             

现在可以将传输线连接到油箱的侧面，如图6所示。由于作为传输线上附加介质层的槽壁材料的失谐效应，当连接到空槽时，可以观察到轻微的回波损耗下降。

图6.  示例设计显示了连接到油箱侧面的传输线

示例测试结果             

图7显示了一个完整的测试设置。传输线固定在油箱的侧面，并且油箱具有以受控方式加注和排放的装置。类似模拟设备的DC2847A这样的评估工具可用于轻松读取反射计测量结果。这个评估工具包括一个混合信号的MCU来读取正向和反射检测器的模拟电压。PC软件将自动加载和显示图形格式的结果与时间。回波损耗很容易计算为正向和反射功率测量之间的差值。图7显示了设计示例的完整测试设置。

图7.  完成设计示例的测试设置。             

在本设计示例中，通过激活两个油箱中的一个泵来建立液位条件。泵运行时，质量流量相对恒定，因此理想情况下，油箱中的液位随时间呈线性上升。在实践中，储罐横截面从上到下并不完全一致。             

图8显示了当液位从满到空时的测试结果。当液体被泵出油箱时，前向功率保持不变，而反射功率则相对线性下降。             

当t=33秒时，斜率发生明显变化。这被认为是由于油箱的设计。如图7所示，油箱下端的横截面积减小，以便为泵电机留出空间。这引入了测量非线性，如有必要，可在系统固件中轻松校正。

图8.  示例测试结果与液位对比。液位测量是线性的和单调的，除了文中提到的油箱设计引起的例外。             

校准             

为了获得最佳精度，需要对反射计进行校准。校准将校正反射计内射频探测器的制造变化，即斜率和截距。DC2847A评估套件支持单独校准，如图8所示。             

在较高的液位下，液位与回流损失也需要校准。这可能是由于以下不确定性来源：             

输电线路与罐壁距离的制造变化。             

罐壁厚度变化。              

流体和/或罐壁介电性能可能随温度而变化。             

可能存在系统非线性，例如图8中观察到的坡度变化。如果使用线性插值，则在这种情况下需要进行三点或更多点的校准。             

所有校准系数通常存储在系统的非易失性存储器中，该存储器可以是嵌入式处理器应用程序中未使用的代码空间，也可以是专用的非易失性存储器设备。

液位测量限制             

任何反射计的指向性都是一个关键规范。忽略巴伦损耗，当传输线以其自身的ZO精确终止时，反射功率为零，并且反射计测量其自身的方向性规范。方向性规格越高，反射计准确分离入射波和反射波幅度的能力就越好。             

对于ADL5920，方向性被指定为20dB（典型值为1GHz），在100MHz或更低频率下增加到大约43dB。这使得ADL5920非常适合于油箱高度约为30 mm或更高的液位测量（见图3）。             

应用程序扩展             

对于某些应用，基本的非接触式液位测量原理可以通过多种方式进行扩展。例如：             

可在低占空比下进行测量，以节省功率。              

如果液位保持恒定，则回流损失测量可能与另一种感兴趣的流体性质相关，例如粘度或pH值。             

每个应用程序都是唯一的。例如，根据应用的不同，有一些技术可能会在刻度的顶端提供更好的精度，而不是在底部，反之亦然。             

如果油箱是金属的，根据应用情况，传输线需要进入内部，传输线可能会被浸没。             

在多个射频功率电平下进行测量可以帮助确定外部射频干扰是否是一个促成误差。许多单芯片PLL设备都支持这一特性，这将成为对系统的信心测试，或者说是自测。             

油箱两侧或四周的传输线传感器可补偿集装箱沿一个轴或两个轴的倾斜，             

如果以液位阈值测量为目标，则一条或多条以较高频率运行的较短传输线可能是一个很好的解决方案。             

结论             

ADL5920等单片反射计设备的开发带来了新类型的应用，如液位仪表。消除运动部件，如使用多年的机械浮子，将大大提高可靠性。油和燃油液位监测也可能实现，这将开辟许多新的工业和汽车应用领域。