【世說設(shè)計】7大優(yōu)勢PK傳統(tǒng)方案，液位測量設(shè)計還能再簡化~

• 能夠快速、實時測量液位
• 支持實施廣泛的電子后處理
• 非接觸式設(shè)計（不會污染液體）
• 無活動零件
• 最小的RF輻射場（遠(yuǎn)場抵消）
• 無需在水箱上開孔，用于安裝外部傳感器（降低泄漏風(fēng)險）
• 由于水箱上沒有電線或零件，可以更加安全

詳細(xì)說明

• 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度；以及
• 增加線路衰減。

• 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Z_OA與空氣介電值Z_O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Z_OF比Z_OA低。因為傳輸線的近場中存在額外的介電材料，所以電長度有效增加，衰減也一樣。

簡單來說，就是當(dāng)RF源連接至負(fù)載時，一些功率會轉(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。

巴倫用于驅(qū)動電壓相等，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。這對控制合規(guī)的EMI非常重要。各個方向的遠(yuǎn)場EMI也因為抵消而降低。

• 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，這也意味著電場會更深入地穿透容器。其結(jié)果是，回波損耗和液位之間呈現(xiàn)更大變化，這意味著液位測量更加敏感。

巴倫應(yīng)該在帶通濾波器的整個帶通頻段內(nèi)提供出色的共模抑制比(CMRR)。

在雜散RF可能耦合至傳輸線的位置，推薦使用可選帶通濾波器。帶通濾波器有助于降低或消除Wi-Fi、蜂窩、PCS服務(wù)、陸地移動無線電和所有其他與所需源不處于同一頻段的外部信號帶來的干擾。

為了實現(xiàn)最佳效果，建議帶通濾波器設(shè)計采用低插入損耗，且回波損耗與回波損耗的測量值相當(dāng)；即，約為30 dB或更優(yōu)化。

設(shè)計步驟大致如下：

• 根據(jù)傳輸線的長度選擇工作頻率。一般來說，傳輸線的長度約與水箱高度相當(dāng)，或稍長一點。在選擇工作頻率時，應(yīng)確保傳輸線的長度一般為空氣中的RF波長的1/10至1/4。在更低頻率下，會實現(xiàn)更出色的回波損耗線性度和液位，在更高頻率下，會實現(xiàn)更大的回波損耗信號范圍，但是線性度可能不佳，且會出現(xiàn)測量折返。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，應(yīng)具備出色的回波損耗。

• 計算導(dǎo)體寬度，以及傳輸線的間隔尺寸。計算時，可以使用傳輸線阻抗計算器，例如任意傳輸線計算器(ATLC)。

• 因為水箱高度約為6英寸（0.15米），那么約300 MHz目標(biāo)RF激勵是合理的。
• 接下來，根據(jù)這個頻率范圍設(shè)計和構(gòu)建LC巴倫。需要對Z_O進(jìn)行輕微的升壓阻抗轉(zhuǎn)變，以提高對液位變化的靈敏度。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計來驗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。
• 我們設(shè)計和構(gòu)建并行傳輸線，其中Z_O 等于之前使用的電阻值。傳輸線在電路中連接，電阻終端則移動至線路末端。再次使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計來驗證回波損耗是否保持出色水平——約為25 dB或更出色。

現(xiàn)在，傳輸線可能連接至水箱側(cè)面。連接到空水箱時，回波損耗稍微降低是正?，F(xiàn)象，這是因為作為傳輸線附加介電層的水箱壁材料具有失諧效應(yīng)。

在完整的測試設(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評估套件DC2847A用于輕松讀取ADL5920反射計的測量結(jié)果。這個評估套件包含一個混合信號處理器MCU，用于讀取正向和反射檢波器的模擬電壓。PC軟件會自動加載和顯示結(jié)果（以圖表和時間形式）?；夭〒p耗的計算非常簡單：正向和反向功率測量值的差值。

在這個設(shè)計示例中，通過激活兩個水箱其中一個的泵來確定液位水平。當(dāng)泵運行時，質(zhì)量流量是相對恒定的，所以，理想情況是水箱中的水位相對于時間線性上升。實際上，水箱從頂部到底部的橫截面并不完全相同。

從水箱中抽出液體時，正向功率保持恒定，反射功率呈線性降低。

t = 33秒時，坡度發(fā)生明顯變化。究其原因，應(yīng)該是水箱設(shè)計造成的。水箱底部的橫截面面積會減小，以為泵電機留出空間。這導(dǎo)致測量結(jié)果呈現(xiàn)非線性，必要時，可在系統(tǒng)固件中輕松糾正。

為了實現(xiàn)最高精度，必須對反射計實施校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以校正反射計內(nèi)部的RF檢波器的制造差異性——即斜率和截距。DC2847A評估套件支持單獨校準(zhǔn)。

在更高水平下，也需要對液位和回波損耗實施校準(zhǔn)。這可能是因為下列不確定性來源造成：

• 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隨溫度而變化。

可能存在系統(tǒng)非線性問題，例如斜率變化。如果使用線性插值，那么在這種情況下，需要使用三點及以上的點校準(zhǔn)。

所有校準(zhǔn)系數(shù)通常存儲在系統(tǒng)的非易失性存儲器中，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器設(shè)備。

任何反射計的指向性都是一個關(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，反射功率降低至零，反射計會測量其自身的指向性指標(biāo)。指向性指標(biāo)越高，反射計就越能夠準(zhǔn)確地區(qū)分入射波和反射波的大小。

對于ADL5920，指向性在1 GHz時一般為20 dB，在100 MHz或更低時達(dá)到會增長為約43 dB。這使得ADL5920非常適合用于在水箱高度約30mm或更高時，測量液位水平。

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量原則。例如：

• 測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，回波損耗測量可與另一個相關(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RF功率電平的測量值來確定外部RF干擾是否會導(dǎo)致誤差。許多單芯片PLL器件都支持此功能，使其成為測試系統(tǒng)可靠性，或自我測試可靠性的測試。

• 水箱兩面或四面上的傳輸線傳感器可以分別補償箱體沿一軸或兩軸的傾斜度。

• 如果是用于測量液位閾值，則使用一根或多根較短的傳輸線在較高頻率下運行會是不錯的解決方案

開發(fā)ADL5920之類的單芯片反射計器件促生了新的應(yīng)用類型，例如液位儀器儀表。取消活動零件（例如使用多年的機械浮子）可以大幅提高可靠性。油位監(jiān)測也成為可能，推動產(chǎn)生了許多新工業(yè)和汽車應(yīng)用。

ADL5920

• 寬帶匹配 9 kHz 至 7 GHz 運行
• 正向和反向功率以及回波損耗測量
• 輸入范圍為 49 dB ±1.0 dB，最低輸入電平為 ?19 dBm，1 GHz 時 ±1.0 dB
• dB 線性 rms（波峰因數(shù)敏感）輸出
• 插入損耗：1 GHz 時 1.1 dB，6 GHz 時 1.9 dB
• 輸入和輸出回波損耗和 VSWR
  
• 1 GHz：22 dB/1.16:1
• 3 GHz：14 dB/1.5:1
• 6 GHz：12 dB/1.7:1
• 輸出 IP3：1 GHz 時為 70.5 dBm
• 方向性
  
• 1 GHz 時為 20 dB
• 3 GHz 時為 13 dB
• 6 GHz 時為 5 dB
• 最大輸入功率
  
• 開路或短路端電極為 30 dBm
• 匹配端電極為 33 dBm