使用反射计芯片进行非接触式液位测量

通过将空气电介质传输线放置在储罐侧面并感测 RF 阻抗，可以通过非金属储罐壁准确测量液位测量值。本文提供了一个经验设计示例，说明了反射计设备如何简化设计。

与可能涉及机械浮子的传统液位传感方法相比，基于反射计的方法具有多种优势，包括：

• 快速、实时的液位测量
• 广泛的电子后处理成为可能
• 非接触式设计（液体无污染）
• 无移动部件
• 辐射射频场（远场抵消）
• 水箱中没有用于内部传感器的孔（减少泄漏的可能性）
• 由于罐内没有电线或零件，因此具有本质安全性

图 1 显示了整个系统的框图，包括一个 RF 信号源，该信号源驱动一个平衡且端接的空气电介质传输线，并带有一个在线反射计。

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图 1. 液位测量系统框图。（ Devices）

考虑为空气中的特定特性阻抗 Z O设计的空气电介质、低损耗传输线的情况。传输线近场中任何添加的介电物质（例如流体）将：

• 降低传输线的特性阻抗，
• 降低传播速度，从而增加线路的有效电气长度，以及
• 增加线路的衰减。

所有这三种效应可以结合起来减少回波损耗，这可以用反射计设备或仪器直接测量。通过仔细的设计和校准，回波损耗可以与液位相关联。

为了简化分析，考虑图 1 中的空气电介质传输线，在将线连接到储罐之前将阻抗设置为 Z O。因为线路以 Z O终止，理论上没有反射能量，回波损耗为无穷大。

将传输线固定到储罐侧面后，一条传输线现在表现为两条独立的传输线，以串联配置级联：

• 在液面以上，传输线是空气电介质，除了罐壁传输线阻抗 Z OA与其空气电介质值 Z O相比变化很小。传输线传播速度也是如此。
• 在液位以下，传输线阻抗 Z OF与 Z OA相比变得更低。电气长度有效增加，衰减也会增加，这都是因为传输线近场中存在额外的介电材料。

传输线远端的终端Z O的阻抗在传输线源端的反射计测量时会发生变化。转换以图形方式描述，大致如图 2 所示。由于 Z OF低于 Z O，因此创建了顺时针史密斯圆图旋转，如箭头所示。

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图 2. 传输线输入阻抗的扩展、归一化史密斯圆图表示。迹线端点描述了液位如何转化为回波损耗测量。（ Devices）

当传输线阻抗与线路末端的电阻终端匹配时，不应有由于传输线引起的阻抗变换。这种情况对应于史密斯圆图的中心，图 2，显示了 1 + j0 Ω 的归一化阻抗。在将传输线连接到储罐之前，回波损耗应至少为 26 dB 。

随着储罐中液位的升高，传输线阻抗会降低，这是由于流体在电介质传输过程中取代了一部分空气。以前为 Z OA的传输线阻抗现在变为 Z OF。因此，史密斯圆图上的旋转中心向下移动。同时，史密斯圆图旋转量增加，因为传输线的有效电长度增加。图 2 中的迹线 2 和迹线 3 对此进行了描述。因此，反射计测量线路发生器端的回波损耗降低。

因为反射计测量的是反射幅度，而不是相位，所以阻抗变换应该被限制在史密斯圆图的下半部分，那里的电抗分量是负的。否则，阻抗将被转换回史密斯圆图的中心，从而导致幅度测量不明确。这意味着连接到满罐的传输线的电气长度应为 90° 或更短。如果电气长度超过 90°，则测得的回波损耗会出现折返。

• 减少进出传输的杂散 RF 耦合 这对于法规排放和敏感性合规性非常重要。任一方向的远场 EMI 都可以通过抵消来降低。
• 转换 更高的阻抗意味着传输线元件的间距更宽，这意味着更深的电场渗透到容器中。结果是回波损耗与液位的变化更大，这意味着液位测量更灵敏。

  巴伦应设计为在带通滤波器的整个通带内提供良好的共模抑制比 (CMRR)。

  是否需要带通滤波器？

   当杂散 RF 可能耦合到传输线时，建议使用图 1 的可选带通滤波器。带通滤波器对于减少或消除来自 Wi-Fi、蜂窝和 PCS 服务、陆地移动无线电以及与所需源不在同一频段的所有其他外部信号的干扰非常有帮助。

为获得结果，建议带通滤波器设计具有低插入损耗，回波损耗与回波损耗测量相当；也就是说，大约 30 dB 或更好（如果可能）。

    基本设计程序

   设计流程大纲大致如下：

• 根据传输长度选择工作频率 通常情况下，传输线长度与储罐高度大致相同或略长。应选择工作频率，使传输线长度通常为空气中 RF 波长的十分之一到四分之一。图 3 说明了这个近似的频率范围。较低的频率将提供的回波损耗与液位线性关系，而较高的频率将提供更大范围的回波损耗信号，但线性度可能不那么好，并且可能会发生测量折返（图 2）。如果需要辐射发射合规性，则可以从适用的 ISM 频率列表中选择频率 [2]。
• 为所选频率或频带设计或选择巴伦。巴伦可以是集总元件 LC 或基于变压器的。当在平衡端端接时，巴伦应该表现出出色的回波损耗。
• 计算传输的导体宽度和间距尺寸 传输线阻抗计算器（例如任意传输线计算器 (ATLC)）可用于此目的 [3]。

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图 3. 推荐工作频率与传输线长度的关系。（ Devices）

出于演示目的，设计了一种用于汽车挡风玻璃清洗器水箱的液位监测器。测试装置在两个相同的水箱之间移动水，其中一个水箱连接有传输线，用于液位测量。

• 设计并制造了一条平行传输线，其 Z O等于先前使用的电阻值。传输线在电路中连接，电阻终端移动到线路的末端。请参见图 4 和图 5。网络分析仪或反射计再次用于验证回波损耗是否保持良好状态——大约 25 dB 或更好。

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图 4. 用于液位传感示例的巴伦和传输线。（ Devices）

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图 5. 分立式巴伦和端接传输线，在固定到水箱之前。（ Devices）

现在，传输线可以连接到水箱的侧面，如图 6 所示。由于水箱壁材料作为附加介电层的失谐效应，在连接到空水箱时观察到回波损耗略有下降是正常的传输线。

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图 6. 显示固定在储罐侧面的传输线的示例设计。（ Devices）

图 7 显示了完整的测试设置。传输线固定在水箱的侧面，水箱可以以受控方式进行填充和排放。Analog Devices 的DC2847A等评估套件可用于轻松读取反射计测量结果。该评估套件包括一个混合信号 MCU，用于读取正向和反射检测器模拟电压。PC 软件将自动加载并以图形格式随时间显示结果。回波损耗很容易计算为正向和反射功率测量值之间的差异。图 7 显示了设计示例的完整测试设置。

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图 7. 设计示例的完整测试设置。（ Devices）

在此设计示例中，通过激活两个储罐之一上的泵来建立液位条件。当泵运行时，质量流量相对恒定，因此理想情况下，罐中的液位随时间呈线性上升。实际上，储罐横截面从上到下并不完全一致。

图 8 显示了液位从满到空时的测试结果。当流体从罐中泵出时，正向功率保持不变，而反射功率相对线性下降。

在 t = 33 秒时，斜率发生明显变化。这被认为是由于坦克的设计。如图 7 所示，水箱下端的横截面积减小，以便为泵电机创造空间。这引入了测量非线性，必要时可以在系统固件中轻松校正。

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图 8. 示例测试结果与液位。液位测量是线性和单调的，但文本中指出的罐设计除外。（ Devices）

为获得精度，需要进行反射计校准。校准将校正反射计内 RF 检测器的制造偏差，即斜率和截距。DC2847A 评估套件支持单独校准，如图 8 所示。

在更高的水平上，液位与回波损耗也需要校准。这可能是由于以下不确定性来源造成的：

• 传输线和罐壁之间的距离的制造变化。
• 罐壁厚度的变化。
• 流体和/或罐壁的介电特性可能随温度而变化。

系统非线性可能存在，例如，图 8 中观察到的斜率变化。如果使用线性插值，则在这种情况下需要三点或更多点校准。

所有校准系数通常都存储在系统的非易失性存储器中，这可能是嵌入式处理器应用程序中未使用的代码空间，或专用的非易失性存储设备。

任何反射计的方向性都是一个关键指标。忽略巴伦损耗，当传输线以其自身的 Z O端接时，反射功率变为零，并且反射计测量其自身的方向性规格。方向性规格越高，反射计准确分离入射波和反射波幅度的能力就越好。

对于 ADL5920，方向性指定为 1 GHz 时的典型值 20 dB，在 100 MHz 或更低时增加到典型值约 43 dB。这使得 ADL5920 非常适合储罐高度约为 30 mm 或更高的液位测量（见图 3）。

对于某些应用，基本的非接触式液位测量原理可以通过多种方式进行扩展。例如：

• 可以在低占空比下执行测量以节省电力。
• 如果液位保持不变，回波损耗测量可能与另一个感兴趣的流体特性相关；例如，粘度或 pH 值。
• 每个应用程序都是的。例如，与底端相比，有些技术可能会在秤的顶端提供更好的准确性，反之亦然，具体取决于应用程序。
• 如果储罐是金属的，传输线将需要进入内部，根据应用，传输线可能会被淹没。
• 在多个 RF 功率电平下进行测量有助于确定外部 RF 干扰是否是导致错误的原因。很多单片机PLL器件都支持这个特性，成为对系统的置信度测试，或者说是自检。
• 储罐两侧或四侧的传输线传感器可以补偿容器沿一个轴或两个轴的倾斜，
• 如果以液位阈值测量为目标，一条或多条以更高频率运行的较短传输线可能是一个很好的解决方案。

    结论

   ADL5920 等单芯片反射计器件的开发带来了新型应用，例如液位仪表。消除移动部件，例如已使用多年的机械浮子，将大大提高可靠性。油位和燃料液位监测也成为可能，开辟了许多新的工业和汽车应用。