Бесконтактное измерение уровня жидкости с помощью чипа рефлектометра

Измерения уровня жидкости можно точно измерить через стенку неметаллического резервуара, поместив линию передачи воздух-диэлектрик вплотную к стенке резервуара и измерив РЧ-сопротивление. В этой статье приводится эмпирический пример конструкции, иллюстрирующий, как устройство рефлектометра может упростить конструкцию.

По сравнению с традиционными методами измерения уровня жидкости, которые могут включать механические поплавки, подход на основе рефлектометра предлагает несколько преимуществ, в том числе:

• Быстрые измерения уровня жидкости в режиме реального времени.
• Возможна обширная электронная постобработка.
• Бесконтактный дизайн (без загрязнения жидкости)
• Нет движущихся частей.
• Минимальное излучаемое РЧ-поле (подавление дальнего поля)
• В резервуаре нет отверстий для внутреннего датчика (снижает вероятность утечек).
• Искробезопасность благодаря отсутствию электрических проводов или деталей в резервуаре.

Обзор измерения уровня жидкости

На рисунке 1 показана блок-схема всей системы, состоящей из источника радиочастотного сигнала, управляющего сбалансированной и оконечной линией передачи воздух-диэлектрик с встроенным рефлектометром.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 1. Структурная схема системы измерения уровня жидкости. (Источник:Analog Devices)

Принцип работы

Линии передачи, подвешенные в воздухе, могут быть спроектированы с учетом точного характеристического импеданса и низких потерь радиочастоты благодаря низким потерям в проводниках и отсутствию твердого диэлектрического материала. Классические графики векторов E и H показывают, что электрическое и магнитное поля сосредоточены вокруг проводников, и их величина довольно быстро спадает с расстоянием, где расстояние измеряется относительно размера и расстояния самой структуры линии передачи. Любой близлежащий диэлектрический материал, такой как стенка резервуара для жидкости и жидкость внутри него, изменяет электрические характеристики линии передачи [1], которые можно быстро измерить с помощью рефлектометра, такого как ADL5920 от Analog Devices.

Подробное описание

Рассмотрим случай линии передачи с воздушным диэлектриком и малыми потерями, рассчитанной на конкретное характеристическое сопротивление Z _O . в воздухе. Любое добавленное диэлектрическое вещество, такое как жидкость, в ближнем поле линии передачи:

• Уменьшите характеристическое сопротивление линии передачи.
• Уменьшить скорость распространения, тем самым увеличив эффективную электрическую длину линии, и
• Увеличьте затухание линии.

Все три этих эффекта можно объединить, чтобы уменьшить возвратные потери, которые можно напрямую измерить с помощью рефлектометра или прибора. При тщательном проектировании и калибровке возвратные потери могут быть связаны с уровнем жидкости.

Чтобы упростить анализ, рассмотрим линию передачи воздух-диэлектрик на Рисунке 1 с полным сопротивлением, равным Z _O . перед присоединением лески к резервуару. Поскольку линия заканчивается Z _O , теоретически отраженная энергия отсутствует, а обратные потери бесконечны.

После того, как линия передачи прикреплена к стороне резервуара, то, что было одной линией передачи, теперь ведет себя как две отдельные линии передачи, соединенные каскадом в последовательной конфигурации:

• Выше уровня жидкости линия передачи является воздушным диэлектриком, за исключением стенки резервуара. Полное сопротивление линии передачи Z _OA мало изменяется по сравнению с его значением диэлектрической проницаемости для воздуха, Z _O . То же самое верно и для скорости распространения в линии передачи.
• Ниже уровня жидкости сопротивление линии передачи Z _OF становится ниже по сравнению с Z _OA . Электрическая длина эффективно увеличивается, как и затухание, все из-за дополнительного диэлектрического материала, присутствующего в ближнем поле линии передачи.

Полное сопротивление оконечной нагрузки Z _O на дальнем конце линии передачи будет преобразован при измерении рефлектометром на исходном конце линии передачи. Преобразование изображено графически, примерно так, как показано на рисунке 2. Поскольку Z _OF ниже Z _O , создается поворот диаграммы Смита по часовой стрелке, как показано стрелками.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 2. Расширенная нормализованная диаграмма Смита, представляющая входное сопротивление линии передачи. Конечные точки трассировки показывают, как уровень жидкости преобразуется в измерение обратных потерь. (Источник:Analog Devices)

Когда полное сопротивление линии передачи точно согласовано с резистивной нагрузкой на конце линии, не должно быть преобразования импеданса из-за линии передачи. Это условие соответствует центру диаграммы Смита, рис. 2, которая показывает нормированный импеданс 1 + j0 Ом. Обратные потери должны быть не менее 26 дБ до линия передачи прикреплена к резервуару.

После присоединения линии передачи к пустому резервуару материал стенок резервуара будет вносить дополнительный диэлектрический материал в линию передачи, тем самым снижая полное сопротивление линии до Z _OA и немного увеличивая эффективную электрическую длину линии передачи, трассу 1, как показано на рисунке 2. Обратные потери все равно должны быть достаточно хорошо измерены на уровне примерно 20 дБ.

Когда уровень жидкости в резервуаре повышается, сопротивление линии передачи уменьшается из-за вытеснения жидкостью части воздуха в качестве диэлектрической передачи. Импеданс линии передачи, равный Z _OA теперь становится Z _OF . Следовательно, центр вращения на диаграмме Смита перемещается ниже. Одновременно увеличивается количество вращений диаграммы Смита, потому что эффективная электрическая длина линии передачи увеличивается. Это изображено на кривых 2 и 3 на рисунке 2. Следовательно, рефлектометр измеряет уменьшенные возвратные потери на стороне генератора в линии.

Поскольку рефлектометр измеряет величину отражения, а не фазу, преобразование импеданса должно быть ограничено нижней половиной диаграммы Смита, где реактивная составляющая отрицательна. В противном случае импеданс преобразуется обратно к центру диаграммы Смита, вызывая неоднозначность измерения величины. Это означает, что электрическая длина линии передачи, подключенной к полному резервуару, должна составлять 90 ° или меньше. Если электрическая длина превышает 90 °, измеренные возвратные потери будут уменьшаться.

Двунаправленный радиочастотный детектор, такой как ADL5920, может измерять как падающую, так и отраженную мощность в единицах дБмВт вдоль линии передачи радиочастот с характеристическим сопротивлением Z _O =50 Ом. Вычитание этих двух значений напрямую измеряет возвратные потери в дБ. Проще говоря, возвратные потери возникают, когда источник ВЧ подключен к нагрузке. Часть мощности будет передана нагрузке, а оставшаяся часть будет отражена обратно к источнику. Разница между этими двумя уровнями мощности - это возвратные потери. По сути, это показатель того, насколько нагрузка соответствует источнику.

Назначение балуна

Балун служит для подачи на каждый провод переменного напряжения равной, но противоположной полярности, и, таким образом, служит двум основным целям:

• Уменьшение паразитной радиочастотной связи с передачей и от нее. Это важно для соблюдения нормативных требований в отношении излучения и восприимчивости. EMI в дальнем поле в любом направлении уменьшается за счет отмены.
• Преобразование Более высокий импеданс означает большее расстояние между элементами линии передачи, что означает более глубокое проникновение электрического поля в контейнер. В результате наблюдается большее изменение обратных потерь в зависимости от уровня жидкости, что означает более точное измерение уровня жидкости.

Балун должен быть спроектирован так, чтобы обеспечивать хороший коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) по всей полосе пропускания полосового фильтра.

Необходим ли полосовой фильтр?

Дополнительный полосовой фильтр, показанный на Рисунке 1, рекомендуется всякий раз, когда паразитные радиочастоты могут проникать в линию передачи. Полосовой фильтр будет очень полезен для уменьшения или устранения помех от Wi-Fi, сотовой связи и услуг PCS, наземной мобильной радиосвязи и всех других внешних сигналов, которые не находятся в той же полосе частот, что и желаемый источник.

Для достижения наилучших результатов рекомендуется, чтобы конструкция полосового фильтра обеспечивала низкие вносимые потери с обратными потерями, соизмеримыми с потерями при измерении обратных потерь; то есть примерно 30 дБ или лучше, если это возможно.

Базовая процедура проектирования

Схема процедуры проектирования выглядит примерно так:

• Выберите рабочую частоту в зависимости от длины передачи. Обычно длина линии передачи будет примерно равна высоте резервуара или немного больше. Рабочую частоту следует выбирать так, чтобы длина линии передачи обычно составляла от одной десятой до одной четвертой длины радиочастотной волны в воздухе. Рисунок 3 иллюстрирует этот приблизительный частотный диапазон. Более низкая частота даст лучшую линейность обратных потерь в зависимости от уровня жидкости, в то время как более высокая частота даст больший диапазон сигналов обратных потерь, но линейность может быть не такой хорошей, и может произойти обратное измерение (рисунок 2). Если требуется соответствие излучаемым излучениям, частота может быть выбрана из списка применимых частот ISM [2].
• Разработайте или выберите балун для выбранной частоты или диапазона частот. Балун может быть на основе LC с сосредоточенными элементами или трансформатора. Балун должен демонстрировать отличные возвратные потери при подключении к уравновешенному концу.
• Рассчитайте ширину проводника и расстояние между линиями передачи. Для этой цели полезен калькулятор импеданса линии передачи, например вычислитель произвольной линии передачи (ATLC) [3].

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 3. Зависимость рекомендованной рабочей частоты от длины линии передачи. (Источник:Analog Devices)

Пример простого дизайна

В демонстрационных целях был разработан датчик уровня жидкости для бачка омывателя лобового стекла. В испытательной установке вода перемещается между двумя одинаковыми резервуарами, к одному из которых должна быть подключена линия передачи, для измерения уровня жидкости.

В соответствии с предыдущим планом:

• Поскольку высота резервуара составляет приблизительно 6 дюймов (15 м), целевое РЧ-возбуждение составляет около 300 МГц (см. рисунок 3).
• Затем для этого диапазона частот спроектирован и изготовлен балун LC. Небольшое повышение импеданса до Z _O желательно повысить чувствительность к изменению уровня жидкости [4] (см. рисунок 4). Анализатор цепей или рефлектометр используется для проверки возвратных потерь приблизительно 30 дБ или выше на несимметричном порте с фиксированной резистивной нагрузкой, подключенной непосредственно к балуну, перед подключением линии передачи.
• Параллельная линия передачи разработана и изготовлена ​​с Z _O равно значению резистора, которое использовалось ранее. Линия передачи подключается внутри цепи, и оконечное сопротивление резистора перемещается к концу линии. См. Рисунок 4 и рисунок 5. Анализатор цепей или рефлектометр снова используется для проверки того, что обратные потери остаются хорошими - примерно 25 дБ или лучше.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 4. Балун и трансмиссионная линия, используемые для примера измерения уровня жидкости. (Источник:Analog Devices)

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 5. Дискретный балун и оконечная линия передачи перед прикреплением к резервуару. (Источник:Analog Devices)

Теперь линия передачи может быть прикреплена к боковой стороне резервуара, как показано на Рисунке 6. Это нормально - наблюдать небольшое снижение обратных потерь при присоединении к пустому резервуару из-за эффекта расстройки материала стенок резервуара в качестве дополнительного диэлектрического слоя на ЛЭП.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 6. Пример конструкции, показывающий линию передачи, прикрепленную к боковой стороне резервуара. (Источник:Analog Devices)

Пример результатов теста

На рисунке 7 показана полная испытательная установка. Линия передачи прикреплена к стороне резервуара, и резервуар имеет приспособления для контролируемого наполнения и опорожнения. Оценочный комплект, такой как DC2847A от Analog Devices, можно использовать для удобного считывания результатов измерений рефлектометром. Этот оценочный комплект включает микроконтроллер смешанных сигналов для считывания аналоговых напряжений прямого и отраженного детекторов. Программное обеспечение ПК автоматически загрузит и отобразит результаты в графическом формате в зависимости от времени. Обратные потери легко вычислить как разницу между измерениями прямой и отраженной мощности. На рисунке 7 показана полная схема тестирования для примера конструкции.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 7. Полная настройка теста для примера конструкции. (Источник:Analog Devices)

В этом примере конструкции условия уровня жидкости устанавливаются путем активации насоса на одном из двух резервуаров. При работающем насосе массовый расход относительно постоянен, поэтому в идеале уровень жидкости в резервуаре линейно возрастает во времени. На практике поперечное сечение резервуара не полностью соответствует сверху донизу.

На Рисунке 8 показаны результаты теста при повышении уровня жидкости от полного до пустого. По мере того, как жидкость откачивается из резервуара, поступательная мощность остается постоянной, в то время как отраженная мощность падает относительно линейно.

При t =33 секунды происходит видимое изменение наклона. Считается, что это связано с конструкцией танка. Площадь поперечного сечения бака уменьшена на нижнем конце бака, как показано на Рисунке 7, чтобы освободить место для двигателя насоса. Это приводит к нелинейности измерения, которую при необходимости можно легко исправить в программном обеспечении системы.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 8. Пример результатов теста в зависимости от уровня жидкости. Измерение уровня жидкости является линейным и монотонным, за исключением конструкции резервуара, как указано в тексте. (Источник:Analog Devices)

Калибровка

Для достижения наилучшей точности требуется калибровка рефлектометра. Калибровка позволит скорректировать производственные вариации RF-детекторов в рефлектометре, а именно наклон и точку пересечения. Оценочный комплект DC2847A поддерживает индивидуальную калибровку, как показано на рисунке 8.

На более высоком уровне зависимость уровня жидкости от обратных потерь также требует калибровки. Это может быть связано со следующими источниками неопределенности:

• Изготовление вариаций расстояния между линией электропередачи и стенкой резервуара.
• Изменение толщины стенок резервуара.
• Диэлектрические свойства жидкости и / или стенок резервуара могут изменяться в зависимости от температуры.

Могут существовать систематические нелинейности, например изменение наклона, наблюдаемое на рисунке 8. Если используется линейная интерполяция, в этом случае становится необходимой калибровка по трем или более точкам.

Все калибровочные коэффициенты обычно хранятся в энергонезависимой памяти системы, которая может быть неиспользуемым пространством кода во встроенном процессоре или в выделенном устройстве энергонезависимой памяти.

Ограничения измерения уровня жидкости

Направленность любого рефлектометра - ключевая характеристика. Пренебрегая потерями в балуне, когда линия передачи точно оканчивается собственным Z _O , отраженная мощность стремится к нулю, и рефлектометр измеряет свою собственную характеристику направленности. Чем выше спецификация направленности, тем лучше способность рефлектометра точно разделять величины падающих и отраженных волн.

Для ADL5920 направленность указана как типичная 20 дБ на частоте 1 ГГц с увеличением примерно до 43 дБ на частоте 100 МГц или ниже. Благодаря этому ADL5920 хорошо подходит для измерения уровня жидкости при высоте резервуара около 30 мм или выше (см. Рисунок 3).

Расширения приложений

Для некоторых приложений базовый принцип бесконтактного измерения уровня жидкости может быть расширен несколькими способами. Например:

• Измерение может выполняться при малом рабочем цикле для экономии энергии.
• Если уровень жидкости поддерживается постоянным, измерение обратных потерь может коррелировать с другим интересующим свойством жидкости; например, вязкость или pH.
• Каждое приложение уникально. Например, есть некоторые методы, которые могут обеспечить лучшую точность на верхнем конце шкалы, чем на нижнем, или наоборот, в зависимости от приложения.
• Если резервуар металлический, линия передачи должна проходить внутрь. В зависимости от области применения линия передачи может быть затоплена.
• Измерения на нескольких уровнях мощности РЧ могут помочь определить, являются ли внешние РЧ помехи причиной ошибки. Многие одночиповые устройства с ФАПЧ поддерживают эту функцию, которая становится проверкой надежности системы или самопроверкой.
• Датчики линии передачи на двух или четырех сторонах резервуара могут компенсировать наклон контейнера по одной или двум осям,
• Если целью является измерение порогового уровня жидкости, хорошим решением могут быть одна или несколько более коротких линий передачи, работающих с более высокой частотой.

Заключение

Разработка однокристального рефлектометра, такого как ADL5920, приносит с собой новые типы приложений, такие как приборы для измерения уровня жидкости. Исключение движущихся частей, таких как механический поплавок, который использовался в течение многих лет, приведет к огромному повышению надежности. Также возможен мониторинг уровня масла и топлива, что открывает множество новых промышленных и автомобильных приложений.

Сноски

1 Присутствие жидкости влияет на полное сопротивление линии передачи, потери и скорость распространения.

2 Промышленные, научные и медицинские частоты. Посетите en.wikipedia.org/wiki/ISM_band . .

3 ATLC:вычислитель произвольной линии передачи (для линий передачи и направленных ответвителей). Посетите atlc.sourceforge.net .

4 Слишком большое увеличение импеданса затруднит проектирование линии передачи, и потери в линии передачи могут стать чрезмерными.

Благодарности

Автор благодарит Мишеля Кувенховена, Джеймса Вонга, Брюса Нгуена и Джона Чанга. Эта статья была бы невозможна без их руководства и помощи.