Бесконтактное измерение уровня жидкости с рефлектометрическим чипом

Измерение уровня жидкости без бурения отверстий возможно путем зажима воздушно-диэлектрической линии передачи к внешней стороне бака и детектирования изменения RF импеданса с рефлектометрическим чипом. Это руководство проходит через эмпирический дизайн-пример, демонстрирующий, как одnochиповый рефлектометр, такой как Analog Devices ADL5920, может упростить процесс.

По сравнению с конвенциональными float-базированными сенсорами, рефлектометр-базированная система предлагает:

• Real-time, high-speed измерения
• Обширную цифровую пост-обработку
• Бесконтактную операцию — нет загрязнения жидкости
• Нет движущихся частей, повышая надежность
• Минимальное излучаемое RF — far-field cancellation
• Leak-free дизайн — нет проникновений в стенку бака
• Интринзическую безопасность — нет электрических компонентов внутри бака

Обзор измерения уровня жидкости

Блок-диаграмма системы на Рисунке 1 показывает RF источник, драйвящий сбалансированную, 50-Ом терминированную воздушно-диэлектрическую линию с инлайн-рефлектометром.

click for larger image

Рисунок 1. Блок-диаграмма системы измерения уровня жидкости. (Источник: Analog Devices)

Принцип операции

Воздушно-диэлектрические линии демонстрируют низкие потери и четко определенную характеристическую импедансность (Z₀). когда диэлектрический материал — такой как стенка бака или жидкость внутри — приближается к линии, импеданс, скорость распространения и аттенюация все сдвигаются. Рефлектометр измеряет результирующий return loss, который может быть коррелирован с уровнем жидкости. Ключевые эффекты включают:

• Ниже характеристический импеданс
• Сниженная скорость распространения, увеличивающая эффективную электрическую длину
• Выше аттенюация

Когда линия впервые прикреплена к баку, near-field диэлектрик стенки бака слегка снижает импеданс до Z_OA и увеличивает электрическую длину (Trace 1 на Рисунке 2). По мере наполнения бака жидкостью, импеданс падает дальше до Z_OF, вращая трейс на Smith chart по часовой стрелке (Trace 2 и Trace 3) и снижая return loss на конце источника.

click for larger image

Рисунок 2. Smith chart репрезентация входного импеданса линии передачи. Конечные точки трейсов показывают, как уровень жидкости транслируется в return loss. (Источник: Analog Devices)

Для избежания неоднозначности, электрическая длина линии должна быть ≤90°; иначе return loss кажется сворачивающимся обратно.

Роль балюна

Балюн драйвит линию равными, но противоположными AC напряжениями, предоставляя два главных преимущества:

• Подавляет stray RF coupling, улучшая ЭМС compliance
• Трансформирует более высокий импеданс, расширяя расстояние проводников и углубляя электрическое поле для большей чувствительности

Балюн должен доставлять высокий common-mode rejection ratio по рабочему диапазону.

Полосовой фильтр

Когда stray RF может каплингиться в линию, полосовой фильтр (см. Рисунок 1) рекомендуется. Он должен иметь низкие вставочные потери и return loss лучше ~30 дБ.

Базовая дизайн-процедура

1. Выберите рабочую частоту так, чтобы длина линии была 0.1–0.25 свободно-пространственной длины волны. Низкие частоты дают лучшую линейность; высокие частоты увеличивают return-loss диапазон, но рискуют fold-back. ISM band выборы доступны на Wikipedia: ISM band.
2. Спроектируйте или выберите балюн для выбранной частоты. Верифицируйте ~30 дБ return loss на single-ended порте с резистивной терминацией.
3. Используйте arbitrary transmission line calculator (ATLC) (ATLC) для вычисления ширины проводника и расстояния для целевого Z₀.

click for larger image

Рисунок 3. Рекомендуемая рабочая частота vs длина линии передачи. (Источник: Analog Devices)

Простой дизайн-пример

Мы построили уровень-сенсор для авто бака омывателя ветрового стекла (~15 см высота). Шаги дизайна:

1. Целевая частота ~300 МГц (см. Рисунок 3).
2. Спроектирован LC балюн с легким impedance step-up для усиления чувствительности; верифицировано ~30 дБ return loss.
3. Сфабрикована параллельная линия передачи, соответствующая Z₀ балюна; измерено ~25 дБ return loss с линией in-circuit.

click for larger image

Рисунок 4. Балюн и линия передачи, использованные для примера fluid level sensing. (Источник: Analog Devices)

click for larger image

Рисунок 5. Дискретный балюн и терминированная линия передачи перед прикреплением к баку. (Источник: Analog Devices)

После прикрепления линии к баку (Рисунок 6), наблюдалось легкое падение return loss из-за стенки бака, действующей как дополнительный диэлектрик.

click for larger image

Рисунок 6. Линия передачи прикреплена к стороне бака. (Источник: Analog Devices)

Пример тестовых результатов

Полный тестовый сетап показан на Рисунке 7. Оценочный кит DC2847A читает forward и reflected power (дБм) от ADL5920, автоматически вычисляя return loss и графически отображая результаты.

click for larger image

Рисунок 7. Полный тестовый сетап для дизайн-примера. (Источник: Analog Devices)

Во время накачки уровень бака рос линейно, и reflected power падал соответственно. На ~33 с появился смена наклона из-за конического дна бака — эффект, который может быть скорректирован в прошивке.

click for larger image

Рисунок 8. Тестовые результаты vs уровень жидкости. Линейные и монотонные, кроме нелинейности, индуцированной дизайном бака. (Источник: Analog Devices)

Калибровка

Два шага калибровки улучшают точность:

• Device calibration — корректирует вариации наклона и intercept в ADL5920. Кит DC2847A выполняет это автоматически.
• Fluid-level calibration — маппит return loss на уровень, учитывая мануфактурные толерансы, толщину стенки бака и диэлектрические изменения с температурой. Используйте минимум три калибровочные точки если нелинейность присутствует.

Калибровочные константы хранятся в невиолатильной памяти, либо внутри встроенного процессора, либо на выделенном EEPROM.

Ограничения измерения

Директивность рефлектометра определяет, насколько хорошо он разделяет инцидентные и отраженные волны. Для ADL5920, директивность ~20 дБ на 1 ГГц, улучшаясь до ~43 дБ на 100 МГц или ниже, делая его подходящим для баков ≥30 мм высоты.

Расширения приложения

Потенциальные расширения включают:

• Low-duty-cycle операция для экономии мощности
• Return-loss корреляция к вязкости или pH когда уровень константен
• Высокоточное измерение на верху или низу шкалы путем адаптации геометрии сенсора
• Металлические баки могут требовать погруженные линии передачи
• Множественные RF уровни мощности для self-test против внешних интерференций
• Multi-side линии передачи для компенсации наклона бака
• Короткие, высокочастотные линии для threshold detection

Заключение

Одночиповый рефлектометр ADL5920 открывает новый класс fluid-level сенсоров, устраняющих движущиеся части, снижающих риск загрязнения и предоставляющих высокую надежность для промышленных и авто приложений вроде мониторинга нефти и топлива.

Благодарности

Благодарности Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen и John Chung за их руководство.