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使用反射計(jì)芯片實(shí)施非接觸式液位測(cè)量
發(fā)布時(shí)間:2020-07-01 來(lái)源:Bruce Hemp 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】可以通過(guò)將空氣介質(zhì)傳輸線貼在非金屬水箱外壁來(lái)檢測(cè)RF阻抗,以準(zhǔn)確測(cè)量其液位。本文提供一個(gè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)示例,顯示反射計(jì)器件(例如ADI公司的ADL5920 )如何幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
與傳統(tǒng)式機(jī)械浮子液位檢測(cè)方法相比,基于反射計(jì)的解決方案具備多種優(yōu)勢(shì),包括:
● 能夠快速、實(shí)時(shí)測(cè)量液位
● 支持實(shí)施廣泛的電子后處理
● 非接觸式設(shè)計(jì)(不會(huì)污染液體)
● 無(wú)活動(dòng)零件
● 最小的RF輻射場(chǎng)(遠(yuǎn)場(chǎng)抵消)
● 無(wú)需在水箱上開(kāi)孔,用于安裝外部傳感器(降低泄漏風(fēng)險(xiǎn))
● 由于水箱上沒(méi)有電線或零件,可以更加安全
液位測(cè)量概述
圖1所示為整個(gè)系統(tǒng)的方框圖,包括用于驅(qū)動(dòng)平衡式和端接式空氣介質(zhì)傳輸線的RF信號(hào)源,線路中包含反射計(jì)。
圖1.液位測(cè)量系統(tǒng)方框圖。
工作原理
懸浮在空氣中的傳輸線可用于準(zhǔn)確測(cè)量阻抗特性和降低RF損耗,這是因?yàn)樗褂玫蛽p耗導(dǎo)體,且不使用固體介質(zhì)材料。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?chē)?,它們的大小隨距離增加而迅速減小,距離則相對(duì)于傳輸線結(jié)構(gòu)本身的大小和間距來(lái)測(cè)量。附近的介電材料(例如水箱壁和水箱內(nèi)的液體)會(huì)改變傳輸線的電氣特性1,可由反射計(jì)(例如ADL5920)簡(jiǎn)略測(cè)量。
詳細(xì)說(shuō)明
考慮設(shè)計(jì)用于確定空氣中的特定特性阻抗ZO的空氣介質(zhì)低損耗傳輸線。增加的任何介電物質(zhì),例如傳輸線近場(chǎng)中的液體,都會(huì):
● 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
● 增加線路衰減。
這三種效應(yīng)結(jié)合在一起,可以降低回波損耗,回波損耗可使用反射計(jì)器件或儀器直接測(cè)量。通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)和校準(zhǔn),可以將回波損耗與液位關(guān)聯(lián)起來(lái)。
為了簡(jiǎn)化分析,在將傳輸線連接至水箱之前,考慮將圖1中的空氣介質(zhì)傳輸線的阻抗設(shè)置為等于ZO 。因?yàn)榫€路與ZO端接,所以從理論來(lái)說(shuō),線路中沒(méi)有反射能,所以回波損耗是無(wú)限的。
將傳輸線貼裝到水箱側(cè)面之后,以前的一條傳輸線現(xiàn)在會(huì)變成兩條獨(dú)立的傳輸線,以串聯(lián)形式級(jí)聯(lián):
● 在液位以上,傳輸線以空氣為介質(zhì),水箱壁材料除外。傳輸線的阻抗ZOA與空氣介電值ZO相比,變化不大。傳輸線的傳播速度也是如此。
● 在液位以下,傳輸線阻抗ZOF比ZOA低。因?yàn)閭鬏斁€的近場(chǎng)中存在額外的介電材料,所以電長(zhǎng)度有效增加,衰減也一樣。
在由傳輸線源端的反射計(jì)測(cè)量時(shí),傳輸線遠(yuǎn)端的端接ZO的阻抗會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變以圖形化的方式描述,大約如圖2所示。由于ZOF低于ZO,所以史密斯圖按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),方向如箭頭所示。
圖2.擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)史密斯圖,表示傳輸線的輸入阻抗。線路端點(diǎn)表述液位如何轉(zhuǎn)化成回波損耗測(cè)量值。
當(dāng)傳輸線阻抗與線路末端的電阻端部精確匹配時(shí),傳輸線不會(huì)導(dǎo)致阻抗轉(zhuǎn)變。這種情況與圖2所示的史密斯圖的中心對(duì)應(yīng),該圖顯示標(biāo)準(zhǔn)化阻抗為1 + j0 Ω。在將傳輸線連接至水箱之前,回波損耗應(yīng)至少為26 dB。
將傳輸線連接到空水箱之后,水箱壁的材料會(huì)使傳輸線的介電材料增加,令線路的阻抗降低到ZOA,并稍微增長(zhǎng)傳輸線Trace 1的有效電長(zhǎng)度,具體如圖2所示?;夭〒p耗的測(cè)量值幾乎保持不變,約為20 dB。
隨著水箱中的水位上漲,傳輸線的阻抗下降,這是因?yàn)橐后w占據(jù)了原先用作傳輸介質(zhì)的部分空氣。傳輸線的阻抗原先為 ZOA,現(xiàn)在變成ZOF。所以,史密斯圖轉(zhuǎn)動(dòng)的中心點(diǎn)降低。與此同時(shí),因?yàn)閭鬏斁€的有效電長(zhǎng)度增加,史密斯圖轉(zhuǎn)動(dòng)的量增加。具體由圖2中的Trace 2和Trace 3表示。所以,反射計(jì)測(cè)量到,射頻發(fā)生器端的回波損耗降低。
因?yàn)锳DL5920測(cè)量的是反射幅度大小,而不是相位,所以阻抗轉(zhuǎn)變應(yīng)該限制在史密斯圖的下半部分,在這個(gè)位置,無(wú)功分量為負(fù)。否則,阻抗被傳回史密斯圖的中心,導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確。這意味著,連接到整個(gè)水箱的傳輸線的電長(zhǎng)度應(yīng)為90°或小于90°。如果電長(zhǎng)度超過(guò)90°,測(cè)量的回波損耗會(huì)出現(xiàn)折返。
雙向RF檢波器(例如ADL5920)可以測(cè)量入射功率和反射功率(單位:dBm),且傳輸線的特性阻抗ZO = 50 Ω。ADL5920也可以減去這兩個(gè)讀數(shù),直接測(cè)量回波損耗(dB)。
何為回波損耗?
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是當(dāng)RF源連接至負(fù)載時(shí),一些功率會(huì)轉(zhuǎn)化為負(fù)載,余下的功率則反射回源。兩種功率電平之間的差值就是回波損耗。這一般用于衡量負(fù)載與源之間的匹配程度。
巴倫的用途
巴倫用于驅(qū)動(dòng)電壓相等,但極性相反的導(dǎo)體,所以主要有兩大作用:
● 降低傳輸線輸入/輸出的雜散RF。這對(duì)控制合規(guī)的EMI非常重要。各個(gè)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)EMI也因?yàn)榈窒档汀?/div>
● 轉(zhuǎn)變阻抗。更高的阻抗意味著傳輸線元件之間的間隔更大,這也意味著電場(chǎng)會(huì)更深入地穿透容器。其結(jié)果是,回波損耗和液位之間呈現(xiàn)更大變化,這意味著液位測(cè)量更加敏感。
T巴倫應(yīng)該在帶通濾波器的整個(gè)帶通頻段內(nèi)提供出色的共模抑制比(CMRR)。
有必要采用帶通濾波器嗎?
在雜散RF可能耦合至傳輸線的位置,推薦使用圖1所示的可選帶通濾波器。帶通濾波器有助于降低或消除Wi-Fi、蜂窩、PCS服務(wù)、陸地移動(dòng)無(wú)線電和所有其他與所需源不處于同一頻段的外部信號(hào)帶來(lái)的干擾。
為了實(shí)現(xiàn)最佳效果,建議帶通濾波器設(shè)計(jì)采用低插入損耗,且回波損耗與回波損耗的測(cè)量值相當(dāng);即,約為30 dB或更優(yōu)化。
基本的設(shè)計(jì)步驟
設(shè)計(jì)步驟大致如下:
● 根據(jù)傳輸線的長(zhǎng)度選擇工作頻率。一般來(lái)說(shuō),傳輸線的長(zhǎng)度約與水箱高度相當(dāng),或稍長(zhǎng)一點(diǎn)。在選擇工作頻率時(shí),應(yīng)確保傳輸線的長(zhǎng)度一般為空氣中的RF波長(zhǎng)的1/10至1/4。圖3所示為大致的頻率范圍。在更低頻率下,會(huì)實(shí)現(xiàn)更出色的回波損耗線性度和液位,在更高頻率下,會(huì)實(shí)現(xiàn)更大的回波損耗信號(hào)范圍,但是線性度可能不佳,且會(huì)出現(xiàn)測(cè)量折返(圖2)。如果需要電磁輻射合規(guī),可以從適用ISM頻率列表中選擇頻率。2
● 根據(jù)所選的頻率或頻段設(shè)計(jì)或選擇巴倫。巴倫可以以集總元件LC或變壓器為基礎(chǔ)。巴倫在與平衡端L連接時(shí),應(yīng)具備出色的回波損耗。
● 計(jì)算導(dǎo)體寬度,以及傳輸線的間隔尺寸。計(jì)算時(shí),可以使用傳輸線阻抗計(jì)算器,例如任意傳輸線計(jì)算器(ATLC)。3
圖3.推薦的工作頻率與傳輸線長(zhǎng)度。
簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)示例
為了進(jìn)行展示,設(shè)計(jì)了一種適用于汽車(chē)擋風(fēng)玻璃清洗水箱的液位監(jiān)測(cè)器。該測(cè)試設(shè)置讓水在兩個(gè)完全相同的水箱之間流動(dòng),一個(gè)水箱連接傳輸線,用于測(cè)量液位。
根據(jù)之前的計(jì)劃:
● 因?yàn)樗涓叨燃s為6英寸(0.15米),那么約300 MHz目標(biāo)RF激勵(lì)是合理的(參見(jiàn)圖3)。
● 接下來(lái),根據(jù)這個(gè)頻率范圍設(shè)計(jì)和構(gòu)建LC巴倫。需要對(duì)ZO進(jìn)行輕微的升壓阻抗轉(zhuǎn)變,以提高對(duì)液位變化4 的靈敏度(參見(jiàn)圖4)。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計(jì)來(lái)驗(yàn)證單端端口上的回波損耗是否約為30 dB或更出色,其中固定電阻終端在連接至傳輸線之前,先直接連接至巴倫。
● 我們?cè)O(shè)計(jì)和構(gòu)建并行傳輸線,其中ZO 等于之前使用的電阻值。傳輸線在電路中連接,電阻終端則移動(dòng)至線路末端。參見(jiàn)圖4和圖5。再次使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計(jì)來(lái)驗(yàn)證回波損耗是否保持出色水平——約為25 dB或更出色。
圖4.液位檢測(cè)示例中使用的巴倫和傳輸線。
圖5.分立式巴倫和端接傳輸線,連接到水箱之前。
現(xiàn)在,傳輸線可能連接至水箱側(cè)面,如圖6所示。連接到空水箱時(shí),回波損耗稍微降低是正常現(xiàn)象,這是因?yàn)樽鳛閭鬏斁€附加介電層的水箱壁材料具有失諧效應(yīng)。
圖6.示例設(shè)計(jì)顯示連接到水箱側(cè)面的傳輸線。
示例測(cè)試結(jié)果
圖7顯示完整的測(cè)試設(shè)置。傳輸線連接至水箱側(cè)面,且水箱具備相關(guān)配置,可以管控注入和排出的水量。
ADI公司的評(píng)估套件DC2847A用于輕松讀取ADL5920反射計(jì)的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)評(píng)估套件包含一個(gè)混合信號(hào)處理器MCU,用于讀取正向和反射檢波器的模擬電壓。PC軟件會(huì)自動(dòng)加載和顯示結(jié)果(以圖表和時(shí)間形式)。回波損耗的計(jì)算非常簡(jiǎn)單:正向和反向功率測(cè)量值的差值。圖7顯示設(shè)計(jì)示例的整個(gè)測(cè)試設(shè)置。
圖7.設(shè)計(jì)示例的整個(gè)測(cè)試設(shè)置。
在這個(gè)設(shè)計(jì)示例中,通過(guò)激活兩個(gè)水箱其中一個(gè)的泵來(lái)確定液位水平。當(dāng)泵運(yùn)行時(shí),質(zhì)量流量是相對(duì)恒定的,所以,理想情況是水箱中的水位相對(duì)于時(shí)間線性上升。實(shí)際上,水箱從頂部到底部的橫截面并不完全相同。
圖8所示為液位從滿到空時(shí)的測(cè)試結(jié)果。從水箱中抽出液體時(shí),正向功率保持恒定,反射功率呈線性降低。
t = 33秒時(shí),坡度發(fā)生明顯變化。究其原因,應(yīng)該是水箱設(shè)計(jì)造成的。水箱底部的橫截面面積會(huì)減小,如圖7所示,以為泵電機(jī)留出空間。這導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)非線性,必要時(shí),可在系統(tǒng)固件中輕松糾正。
圖8.示例測(cè)試結(jié)果與液位。液位測(cè)量呈線性且無(wú)變化,但本文中所講述的水箱設(shè)計(jì)導(dǎo)致的意外情況除外。
校準(zhǔn)
為了實(shí)現(xiàn)最高精度,必須對(duì)反射計(jì)實(shí)施校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以校正反射計(jì)內(nèi)部的RF檢波器的制造差異性——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。
在更高水平下,也需要對(duì)液位和回波損耗實(shí)施校準(zhǔn)。這可能是因?yàn)橄铝胁淮_定性來(lái)源造成:
● 傳輸線和水箱壁之間的制造距離差異。
● 水箱壁的厚薄差異。
● 液體和/或水箱壁的介電性能會(huì)隨溫度而變化。
可能存在系統(tǒng)非線性問(wèn)題,例如,圖8中所示的斜率變化。如果使用線性插值,那么在這種情況下,需要使用三點(diǎn)及以上的點(diǎn)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,這可能是嵌入式處理器應(yīng)用未使用的代碼空間,或者是專(zhuān)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)鍵指標(biāo)。在不考慮巴倫損耗的情況下,當(dāng)傳輸線與其自身的ZO準(zhǔn)確端接時(shí),反射功率降低至零,反射計(jì)會(huì)測(cè)量其自身的指向性指標(biāo)。指向性指標(biāo)越高,反射計(jì)就越能夠準(zhǔn)確地區(qū)分入射波和反射波的大小。
對(duì)于ADL5920,指向性在1 GHz時(shí)一般為20 dB,在100 MHz或更低時(shí)達(dá)到會(huì)增長(zhǎng)為約43 dB。這使得ADL5920非常適合用于在水箱高度約30 mm或更高時(shí),測(cè)量液位水平(參見(jiàn)圖3)。
應(yīng)用擴(kuò)展
在有些應(yīng)用中,可以按幾種方式擴(kuò)展基本的非接觸式液位測(cè)量原則。例如:
● 測(cè)量可能按低占空比執(zhí)行,以節(jié)省功率。
● 如果液位保持恒定,回波損耗測(cè)量可與另一個(gè)相關(guān)的流體特性關(guān)聯(lián);例如,速度或pH值。
● 每種應(yīng)用都是唯一的。例如,相比在最底部,有些技術(shù)在范圍的最頂部能提供更出色的精度,反之亦然,具體由應(yīng)用決定。
● 如果水箱采用金屬材質(zhì),傳輸線需要通過(guò)水箱內(nèi)部。根據(jù)具體應(yīng)用,傳輸線可能需要浸入水中。
● 可以使用多個(gè)RF功率電平的測(cè)量值來(lái)確定外部RF干擾是否會(huì)導(dǎo)致誤差。許多單芯片PLL器件都支持此功能,使其成為測(cè)試系統(tǒng)可靠性,或自我測(cè)試可靠性的測(cè)試。
● 水箱兩面或四面上的傳輸線傳感器可以分別補(bǔ)償箱體沿一軸或兩軸的傾斜度。
● 如果是用于測(cè)量液位閾值,則使用一根或多根較短的傳輸線在較高頻率下運(yùn)行會(huì)是不錯(cuò)的解決方案
結(jié)論
開(kāi)發(fā)ADL5920之類(lèi)的單芯片反射計(jì)器件促生了新的應(yīng)用類(lèi)型,例如液位儀器儀表。取消活動(dòng)零件(例如使用多年的機(jī)械浮子)可以大幅提高可靠性。油位監(jiān)測(cè)也成為可能,推動(dòng)產(chǎn)生了許多新工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用。
腳注
1液體的存在會(huì)影響傳輸線的阻抗、損耗和傳播速度。
2工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻率。訪問(wèn)en.wikipedia.org/wiki/ISM_band.
3ATLC:任意傳輸線計(jì)算器(適用于傳輸線和定向耦合器)。訪問(wèn)atlc.sourceforge.net.
4阻抗設(shè)置過(guò)大,會(huì)增加傳輸線的設(shè)計(jì)難度,且使傳輸線損耗超過(guò)限制。
致謝
本文作者感謝Michiel Kouwenhoven、James Wong、Bruce Nguyen和John Chung。沒(méi)有他們的指導(dǎo)和幫助,本文可能難以問(wèn)世。
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