可以通過將空氣介質(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)需在水箱上開孔，用于安裝外部傳感器（降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)）

● 由于水箱上沒有電線或零件，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)。

● 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。

 

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。

● 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)。

 

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)液位變化的靈敏度（參見圖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?，F(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

開發(fā)ADL5920之類的單芯片反射計(jì)器件促生了新的應(yīng)用類型，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)和汽車應(yīng)用。