使用反射計(jì)芯片進(jìn)行無(wú)接觸流體級(jí)測(cè)量

流體級(jí)測(cè)量可通過(guò)非金屬罐壁精確測(cè)量,方法是將空氣-電傳輸線路置于罐側(cè),并感知射頻阻抗。本文提供了一個(gè)實(shí)證設(shè)計(jì)實(shí)例,說(shuō)明反射計(jì)裝置如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

與可能涉及機(jī)械浮筒的傳統(tǒng)流體級(jí)傳感方法相比,基于反射計(jì)的方法提供了若干好處,包括:

· 快速、實(shí)時(shí)流體級(jí)測(cè)量

· 廣泛的電子后處理成為可能

· 無(wú)接觸設(shè)計(jì)(無(wú)液體污染)

· 無(wú)移動(dòng)部件

· 最小輻射射頻場(chǎng)(遠(yuǎn)場(chǎng)取消)

· 內(nèi)部傳感器的水箱無(wú)孔(減少泄漏的可能性)

· 內(nèi)部安全,由于水箱中沒(méi)有電線或零部件

流體級(jí)測(cè)量概覽

圖1顯示了一個(gè)整體系統(tǒng)的框圖,該系統(tǒng)由一個(gè)射頻信號(hào)源組成,該信號(hào)源驅(qū)動(dòng)平衡和終止的空氣----電傳輸線,其反射計(jì)位于線路內(nèi)。

圖1流體級(jí)測(cè)量系統(tǒng)框圖。

操作原則

由于導(dǎo)體損耗率低和缺乏固體介質(zhì)材料,可設(shè)計(jì)出高精度特性阻抗和低射頻損耗的空氣中懸浮傳輸線。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)?它們的大小隨距離的減少而下降得很快,而距離是根據(jù)輸電線路結(jié)構(gòu)本身的大小和間距來(lái)測(cè)量的。任何鄰近的介質(zhì)材料,如液體罐壁和內(nèi)流體,都會(huì)改變輸電線路的電氣特性,可以用反射計(jì)如?ADL5920 從模擬裝置。

詳細(xì)說(shuō)明

考慮為特定特性阻抗Z設(shè)計(jì)的空氣、電、低損耗輸電線路的情況 O 在空中。任何添加的介質(zhì)物質(zhì),例如在輸電線路近場(chǎng)的流體,將:

· 降低輸電線路的特性阻抗,

· 降低傳播速度,從而增加線路的有效電氣長(zhǎng)度;

· 增加線路的衰減。

所有這三種效果結(jié)合起來(lái)可以減少回報(bào)損失,這是直接可測(cè)量的反射器設(shè)備或儀器。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn),返回?fù)p失可以與流體水平相關(guān).

為了簡(jiǎn)化分析,考慮圖1的空氣電傳輸線路,阻抗設(shè)置等于Z O 把繩子系在水箱上。因?yàn)檫@條線路是用Z終止的 O ,理論上,沒(méi)有反射能量,回報(bào)損失是無(wú)限的。

在輸電線路被固定在水箱的側(cè)面之后,原來(lái)的一條輸電線路現(xiàn)在變成了兩條獨(dú)立的輸電線路,以系列的形式級(jí)聯(lián):

· 在液位以上,傳輸線為空氣介質(zhì),但水箱壁傳輸線阻抗Z除外 OA 與它的空氣介質(zhì)值Z相比變化很小 O .傳輸線路的傳播速度也是如此。

· 在液體水平以下,輸電線路阻抗Z 屬于…的 比Z低 OA .電氣長(zhǎng)度的有效增加,與衰減一樣,都是由于在輸電線路的近場(chǎng)存在著額外的介質(zhì)材料。

終止Z的阻抗 O 當(dāng)用反射計(jì)在傳輸線路的源端測(cè)量時(shí),傳輸線路的遠(yuǎn)端將發(fā)生變換。圖2以圖形方式描述了轉(zhuǎn)換,大致如圖2所示。因?yàn)閆 屬于…的 比z低 O ,創(chuàng)建一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的史密斯圖表,如箭頭所示。

圖2擴(kuò)展,標(biāo)準(zhǔn)化史密斯圖表示輸電線路輸入阻抗。跟蹤端點(diǎn)描述流體水平如何轉(zhuǎn)換為返回?fù)p失的測(cè)量。

當(dāng)傳輸線路阻抗與線路端的電阻端精確匹配時(shí),傳輸線路不發(fā)生阻抗變換。這個(gè)條件對(duì)應(yīng)于史密斯圖2的中心,圖2顯示1+J0的標(biāo)準(zhǔn)化阻抗。返回?fù)p失至少應(yīng)為26分貝 在輸電線路連接在水箱上.

在將輸電線路連接到空水箱后,水箱壁材料將為輸電線路提供一些額外的介電材料,從而降低輸電線路的阻抗為Z OA ,并略微增加輸電線路的有效電氣長(zhǎng)度,跟蹤1,如圖2所示。返回?fù)p失仍應(yīng)很好地衡量在大約20分貝.

當(dāng)液位上升時(shí),由于流體取代一部分空氣作為介質(zhì)傳輸,傳輸線阻抗降低。傳輸線路阻抗是Z OA 現(xiàn)在變成Z 屬于 .因此,史密斯圖表上的旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)更低.同時(shí),史密斯圖表旋轉(zhuǎn)量增加,因?yàn)檩旊娋€路的有效電氣長(zhǎng)度增加。圖2中的跟蹤2和跟蹤3描述了這一點(diǎn)。因此,反射計(jì)的測(cè)量減少了發(fā)電機(jī)端的收益損失。

由于反射計(jì)測(cè)量的是反射幅度,而不是相位,所以阻抗變換應(yīng)該限制在史密斯圖表的下半部分,即反應(yīng)分量為負(fù)。否則,阻抗被轉(zhuǎn)換回到史密斯圖表的中心,造成一個(gè)大小測(cè)量的歧義。這意味著連接在整個(gè)水箱上的輸電線路的電氣長(zhǎng)度應(yīng)為90°或更小。如果電氣長(zhǎng)度超過(guò)90°,所測(cè)量的返回?fù)p失就會(huì)出現(xiàn)折疊。

一種雙向射頻檢測(cè)器,如Adl5920,可以沿特性阻抗Z的射頻傳輸線,測(cè)量DBM單元中的入射功率和反射功率。 O =50。減去這兩個(gè)讀數(shù)直接衡量在db中的回報(bào)損失。簡(jiǎn)單地說(shuō),當(dāng)射頻源連接到負(fù)載時(shí),會(huì)發(fā)生返回?fù)p失。部分功率將轉(zhuǎn)移到負(fù)載,其余的將被反射回源。這兩個(gè)功率級(jí)的區(qū)別在于回報(bào)損失。這基本上是一個(gè)衡量負(fù)載對(duì)源的匹配程度的尺度。

巴倫語(yǔ)的目的

巴倫可以用相等的極性交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)每一個(gè)導(dǎo)體,因此有兩個(gè)主要目的:

· 減少雜散射頻耦合和從傳輸這是重要的監(jiān)管排放和敏感性遵守。無(wú)論朝哪個(gè)方向,遠(yuǎn)場(chǎng)EMI都會(huì)因取消而減小。

· 轉(zhuǎn)換更高的阻抗意味著輸電線路元件更寬的間距,這意味著更深的電場(chǎng)滲透到容器。結(jié)果是收益損失相對(duì)于收益損失的變化更大。流體水平,這意味著一個(gè)更敏感的流體水平測(cè)量。

該不平衡設(shè)計(jì)應(yīng)提供良好的共模排斥比(CMRS)在整個(gè)通過(guò)帶通濾波器。

是否需要帶通濾波器?

每當(dāng)雜散射頻可以連接到輸電線路時(shí),建議使用圖1中的可選帶通濾波器。帶通濾波器將非常有助于減少或消除來(lái)自Wi-Fi、手機(jī)和個(gè)人電腦服務(wù)、陸地移動(dòng)無(wú)線電和所有其他外部信號(hào)的干擾,這些信號(hào)與所需的信號(hào)源不同。

為了取得最佳結(jié)果,建議帶通濾波器設(shè)計(jì)采用低插入損失,返回?fù)p失與返回?fù)p失測(cè)量的損失相稱,即大約30分貝或更好的可能性。

基本設(shè)計(jì)程序

設(shè)計(jì)程序大綱大致如下:

· 根據(jù)正常傳輸?shù)拈L(zhǎng)度選擇一個(gè)工作頻率,傳輸線路長(zhǎng)度將與水箱高度相同或稍長(zhǎng)。應(yīng)選擇傳輸線路長(zhǎng)度一般為空氣中射頻波長(zhǎng)的十分之一至四分之一的工作頻率。圖3說(shuō)明了這個(gè)近似頻率范圍。一個(gè)較低的頻率將提供最好的線性回報(bào)損失。流體水平,雖然較高的頻率會(huì)提供更大范圍的返回?fù)p失信號(hào),但線性度可能沒(méi)有那么好,并且測(cè)量可能出現(xiàn)折回(圖2)。如果要求遵守輻射排放,可從適用的ISM頻率清單中選擇頻率。

· 為選擇的頻率或頻帶設(shè)計(jì)或選擇一個(gè)巴倫。該巴倫可以是基于塊或變壓器的LC。當(dāng)平衡端終止時(shí),巴倫應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的回報(bào)損失。

· 計(jì)算輸電線路阻抗計(jì)算器(如任意輸電線路計(jì)算器)的導(dǎo)體寬度和間距尺寸在這方面是有用的。

圖3建議的操作頻率輸電線路長(zhǎng)度。

一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)例子

為了演示的目的,設(shè)計(jì)了一個(gè)汽車(chē)擋風(fēng)玻璃清洗槽流體級(jí)監(jiān)測(cè)器。測(cè)試裝置將水移動(dòng)到兩個(gè)相同的水箱之間,其中之一是安裝一條輸電線路,用于流體水平測(cè)量。

根據(jù)先前的大綱:

· 由于坦克高度大約為6英寸(15米),所以適當(dāng)?shù)淖龇ㄊ菍⒛繕?biāo)射頻激發(fā)到300兆赫(見(jiàn)圖3)。

· 其次,針對(duì)此頻率范圍設(shè)計(jì)并構(gòu)造了一個(gè)LC巴倫。稍微加強(qiáng)阻抗變換為Z O 提高對(duì)流體水平變化的敏感性(見(jiàn)圖4)。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計(jì)用于驗(yàn)證大約30分貝或更好的返回?fù)p失的單端端口,固定電阻終止直接連接到巴倫,之前連接傳輸線。

· 用Z設(shè)計(jì)并制作了一條平行輸電線路。 O 等于先前使用的電阻值。傳輸線路連接在電路中,電阻端移動(dòng)到線路的末端。見(jiàn)圖4和圖5。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計(jì)再次用于驗(yàn)證返回?fù)p失保持良好--大約25分貝或更好。

圖4液位傳感用的巴倫和傳動(dòng)線。

圖5離散巴倫和終止輸電線路,在安裝到水箱之前。

現(xiàn)在,輸電線路可以連接到水箱的側(cè)面,如圖6所示。由于罐壁材料作為傳輸線上的額外介質(zhì)層而產(chǎn)生的失諧效應(yīng),在空罐上附著時(shí),稍微觀察返回?fù)p失下降是正常的。

圖6展示安裝在水箱側(cè)面的輸電線路的示例設(shè)計(jì)。

示例測(cè)試結(jié)果

圖7顯示了完整的測(cè)試設(shè)置。輸電線路被固定在水箱的側(cè)面,而水箱有以一種控制的方式填充和排放的規(guī)定。一套評(píng)估工具像?DC2847A 從模擬裝置可以使用容易讀取的反射計(jì)測(cè)量結(jié)果。該評(píng)估包包括一個(gè)混合信號(hào)單片機(jī)讀取前向和反射探測(cè)器模擬電壓。PC軟件將自動(dòng)加載和顯示結(jié)果的圖形化格式.時(shí)間。返回?fù)p失很容易計(jì)算為正向功率和反射功率測(cè)量之間的差額.圖7顯示了設(shè)計(jì)示例的完整測(cè)試設(shè)置。

圖7完成設(shè)計(jì)示例的測(cè)試設(shè)置

在本設(shè)計(jì)示例中,通過(guò)激活兩個(gè)水箱中的一個(gè)水箱上的泵來(lái)建立流體水平條件。當(dāng)泵運(yùn)行時(shí),質(zhì)量流量是相對(duì)恒定的,因此理想的情況下,水箱斜道中的流體水平隨時(shí)間呈線性。在實(shí)際操作中,水箱截面并非自上而下完全一致。

圖8顯示了測(cè)試結(jié)果,因?yàn)榱黧w水平從滿到空。當(dāng)流體被泵出水箱時(shí),向前功率保持恒定,而反射功率相對(duì)線性下降。

在t=33秒時(shí),斜率發(fā)生明顯變化。這被認(rèn)為是由于坦克的設(shè)計(jì).如圖7所示,油箱的橫截面面積在油箱的下端減小,以為泵電機(jī)創(chuàng)造空間。介紹了一種可在系統(tǒng)固件中容易修正的測(cè)量非線性。

圖8示例測(cè)試結(jié)果與。液體水平。流體級(jí)測(cè)量是線性和單調(diào)的,但由于坦克設(shè)計(jì)的例外,如本文所述。

校準(zhǔn)

為了達(dá)到最佳的精度,需要對(duì)反射計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將糾正反射計(jì)內(nèi)射頻探測(cè)器的制造變化--即斜率和攔截量。DC2847A評(píng)價(jià)工具包支持個(gè)體校準(zhǔn),如圖8所示。

在更高的層次,液體水平相對(duì)于?；貓?bào)損失也需要校準(zhǔn)。這可能是由于以下不確定因素造成的:

· 輸電線路與水箱壁距離的制造變化。

· 罐壁厚度的變化。

· 流體和/或罐壁介電性能可能不同于。體溫。

有系統(tǒng)的非線性可能存在,例如圖8中觀察到的斜率變化。如果使用線性插值,則在這種情況下需要三或更多點(diǎn)的校準(zhǔn)。

所有校準(zhǔn)系數(shù)通常都存儲(chǔ)在系統(tǒng)的非易失性內(nèi)存中,這可能是嵌入式處理器應(yīng)用程序或?qū)Ｓ玫姆且资詢?nèi)存設(shè)備中未使用的代碼空間。

流體級(jí)測(cè)量限制

任何反射計(jì)的方向性是一個(gè)關(guān)鍵的規(guī)格。忽略巴倫損失,當(dāng)輸電線路用自己的Z精確終止時(shí) O ,反射功率為零,反射計(jì)測(cè)量自己的方向性規(guī)格。方向性規(guī)范越高,反射計(jì)就越有能力精確地分離入射波和反射波的大小。

對(duì)于Adl5920,方向性被指定為在1千兆赫處典型的20分貝,在100兆赫或更低處增加到典型的大約43分貝。這使得Adl5920非常適合于液體水平測(cè)量,在那里,坦克高度大約30毫米或以上(見(jiàn)圖3)。

申請(qǐng)擴(kuò)展

對(duì)于某些應(yīng)用,基本的非接觸式流體級(jí)測(cè)量原理可以通過(guò)多種方式擴(kuò)展。例如:

· 測(cè)量可以在低工作周期進(jìn)行,以節(jié)約電力.

· 如果流體水平保持恒定,返回?fù)p失的測(cè)量可能與其他利益流體性質(zhì)相關(guān),例如粘度或PH值。

· 每個(gè)應(yīng)用程序都是唯一的。例如,有些技術(shù)可以在尺度的頂端提供更好的精確度,與底部相比,或者相反,這取決于應(yīng)用程序。

· 如果水箱是金屬的,輸電線路將需要進(jìn)入到根據(jù)應(yīng)用,輸電線路可以被淹沒(méi)。

· 在多個(gè)射頻功率級(jí)的測(cè)量可以幫助識(shí)別外部射頻干擾是否是一個(gè)導(dǎo)致錯(cuò)誤。許多單片機(jī)PLL設(shè)備支持這個(gè)功能,它成為系統(tǒng)的信任測(cè)試,或自我測(cè)試。

· 水箱兩側(cè)或兩側(cè)的傳輸線傳感器可以補(bǔ)償容器沿一個(gè)或兩個(gè)軸傾斜,

· 如果流體級(jí)閾值測(cè)量是目標(biāo),一個(gè)或多個(gè)較短的傳輸線路在較高頻率運(yùn)行可以是一個(gè)好的解決方案。

結(jié)論

像Adl5920這樣的單片機(jī)反射計(jì)裝置的發(fā)展帶來(lái)了新型的應(yīng)用,比如流體級(jí)儀器。消除移動(dòng)部件,例如多年來(lái)一直使用的機(jī)械浮子,將會(huì)大大提高可靠性。油和燃料水平的監(jiān)測(cè)也可能是可行的,這打開(kāi)了許多新的工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用。