使用反射计芯片进行非接触式液位测量

通过将空气介质传输线放在罐的侧面并检测RF阻抗，可以穿过非金属罐的壁精确测量液位测量。本文提供了一个经验设计示例，说明ADI公司ADL5920等反射计器件如何简化设计。

与可能涉及机械浮子的传统液位传感方法相比，基于反射计的解决方案具有以下几个优点，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（无液体污染）

无移动部件

最小辐射射频场（远场取消）

水箱上没有用于内部传感器的孔（减少泄漏的可能性）

本质安全，因为油箱中没有电线或部件

液位测量概述

图1显示了整个系统的框图，由驱动平衡端接空气介质传输线的RF信号源和在线反射计组成。

图1.液位测量系统框图。

工作原理

由于低损耗导体和缺乏固体介电材料，可以设计悬浮在空气中的传输线，以实现精确的特性阻抗和低射频损耗。E和H矢量的经典图显示，电场和磁场集中在导体周围，它们的幅度随距离衰减得相当快，其中距离是相对于传输线结构本身的大小和间距测量的。任何附近的介电材料，如流体罐壁和内部的流体都会改变传输线的电气特性，1可以使用ADL5920等反射计进行简要测量。

详细说明

考虑为特定特性阻抗Z设计的空气介电、低损耗传输线的情况O在空气中。任何添加的介电物质，例如传输线近场中的流体，都将：

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，这可以通过反射计设备或仪器直接测量。通过精心设计和校准，回波损耗可以与液位相关联。

为了简化分析，请考虑图1中的空气介质传输线，阻抗设置为等于ZO在将管线连接到水箱之前。因为该行以 Z 终止O理论上，没有反射能量，回波损耗是无限的。

将传输线固定在储罐侧面后，原来的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：

在液位以上，传输线是空气电介质，但罐壁材料除外。传输线阻抗 Z办公电与其空气介电值Z变化不大O.传输线传播速度也是如此。

液位以下，传输线阻抗Z之与 Z 相比变得更低办公电.电气长度和衰减都会有效增加，这都是由于传输线近场中存在额外的介电材料。

端接Z的阻抗O在传输线的远端，当由传输线源端的反射计测量时，将进行变换。转换以图形方式描述，如图 2 所示。因为Z之低于 ZO，将创建顺时针史密斯图旋转，如箭头所示。

图2.传输线输入阻抗的扩展、归一化史密斯图表示。迹线端点描述了液位如何转换为回波损耗测量。

当传输线阻抗与线路末端的电阻终端精确匹配时，不应因传输线而发生阻抗变换。此条件对应于史密斯图的中心，图2显示了1+j0 Ω的归一化阻抗。在传输线连接到谐振箱之前，回波损耗应至少为26 dB。

将传输线连接到空罐后，罐的壁材料会为传输线贡献一些额外的介电材料，从而将线路的阻抗降低到Z办公电，并略微增加传输线的有效电气长度，迹线1，如图2所示。回波损耗在大约20 dB时仍应测量得相当好。

随着油箱中液位的升高，由于流体在电介质传输中置换了一部分空气，传输线阻抗会降低。传输线阻抗为 Z办公电现在变成 Z之.因此，史密斯图上的旋转中心移得更低。同时，史密斯图旋转的量增加，因为传输线的有效电长度正在增加。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端的回波损耗降低。

由于ADL5920测量的是反射幅度，而不是相位，因此阻抗变换应限制在史密斯图的下半部分，其中电抗分量为负。否则，阻抗将转换回史密斯图的中心，从而导致幅度测量模糊。这意味着连接到满罐的传输线的电气长度应为 90° 或更小。如果电气长度超过90°，测得的回波损耗将显示为折返。

ADL5920等双向RF检波器可以沿特性阻抗Z的RF传输线测量入射功率和反射功率，单位为dBm。O= 50 Ω.ADL5920还能够减去这两个读数，直接测量以dB为单位的回波损耗。

什么是回波损耗？

简单地说，当RF源连接到负载时，一些功率将传输到负载，其余的将反射回源。这两个功率电平之间的差异是回波损耗。它本质上是负载与源匹配程度的度量。

巴伦的目的

巴伦用于以相等但极性相反的交流电压驱动每个导体，因此有两个主要目的：

减少传输线之间的杂散RF耦合。这对于监管排放和敏感性合规性非常重要。任一方向的远场EMI都可以通过消除来降低。

变换阻抗。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穿透容器。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。

巴伦的设计应能够在带通滤波器的整个通带上提供良好的共模抑制比（CMRR）。

是否需要带通滤波器？

每当杂散RF可能耦合到传输线时，建议使用图1所示的可选带通滤波器。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。

为获得最佳结果，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称;也就是说，如果可能的话，大约 30 dB 或更好。

基本设计程序

设计过程大纲大致如下：

根据传输线的长度选择工作频率。通常，传输线长度将与油箱高度大致相同或略长。工作频率的选择应使传输线长度通常为空气中RF波长的十分之一至四分之一。图3显示了这个近似频率范围。较低的频率将提供最佳的回波损耗与液位的线性度，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）。如果需要符合辐射发射标准，可以从适用的ISM频率列表中选择频率。2

为所选频率或频段设计或选择巴伦。巴伦可以是集总元件LC或变压器。巴伦在平衡端端接时应表现出出色的回波损耗。

计算传输线的导体宽度和间距尺寸。传输线阻抗计算器（如任意传输线计算器 （ATLC）可用于此目的。3

图3.推荐工作频率与传输线长度的关系。

一个简单的设计示例

为了演示目的，设计了用于汽车挡风玻璃清洗罐的液位监测器。测试装置在两个相同的水箱之间移动水，其中一个水箱连接了传输线，以进行液位测量。

根据之前的大纲：

由于储罐高度约为 6“ （0.15 m），因此适合使用 300 MHz 的目标射频激励（参见图 3）。

接下来，针对该频率范围设计和构建LC巴伦。轻微升压阻抗变换至 ZO希望提高对液位变化的敏感性4（见图4）。网络分析仪或反射计用于验证单端端口上大约30 dB或更好的回波损耗，在连接传输线之前，固定电阻端接直接连接到巴伦。

平行传输线采用ZO等于先前使用的电阻值。传输线在线连接，电阻端接移动到线路末端。请参见图 4 和图 5。网络分析仪或反射仪再次用于验证回波损耗是否保持良好——大约 25 dB 或更好。

图4.用于液位传感的巴伦和传输线示例。

图5.离散巴伦和端接传输线，然后固定在油箱上。

现在传输线可以连接到水箱的侧面，由于罐壁材料作为传输线上的额外介电层的失谐效应，当固定在空罐上时，观察到回波损耗略有下降是正常的。

图6.示例设计显示固定在水箱侧面的传输线。

示例测试结果

图 7 显示了完整的测试设置。传输线固定在储罐的侧面，并且储罐具有以受控方式填充和排放的规定。

ADI公司的评估套件DC2847A用于轻松读取ADL5920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波器模拟电压。PC软件将自动加载并以图形格式显示结果与时间的关系。回波损耗很容易计算为正向和反射功率测量之间的差值。

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。当流体从油箱中泵出时，向前功率保持不变，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，罐的横截面积在罐的下端减小，为泵电机腾出空间。这引入了测量非线性，必要时可以在系统固件中轻松校正。

图8.示例测试结果与液位的关系。液位测量是线性和单调的，但文中提到的储罐设计除外。

校准

为了获得最佳精度，需要对反射计进行校准。校准将校正反射计内RF检波器的制造变化，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，液位与回波损耗的关系也需要校准。这可能是由于以下不确定性来源：

传输线和罐壁之间距离的制造变化。

罐壁厚度的变化。

流体和/或罐壁介电特性可能随温度而变化。

可能存在系统非线性，例如，图8中观察到的斜率变化。如果使用线性插值，在这种情况下需要进行三点或更多点校准。

所有校准系数通常都存储在系统的非易失性存储器中，该存储器可能是嵌入式处理器应用中未使用的代码空间，也可能是专用的非易失性存储器设备。

液位测量限制

任何反射计的方向性都是关键规格。忽略巴伦损耗，当传输线精确端接其自身的Z轴时O，反射功率变为零，反射计测量自己的方向性规格。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，方向性在1 GHz时典型值为20 dB，在100 MHz或更低时增加到约43 dB（典型值）。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）。

应用程序扩展

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：

测量可以在低占空比下进行，以节省功率。

如果液位保持恒定，则回波损耗测量可能与另一个感兴趣的流体属性相关;例如，粘度或 pH 值。

每个应用程序都是独一无二的。例如，与底端相比，有一些技术可能会在秤的顶端提供更好的精度，反之亦然，具体取决于应用。

如果储罐是金属的，则传输线需要进入储罐内部。根据应用的不同，传输线可能会被浸没。

在多个RF功率电平下进行测量有助于确定外部RF干扰是否是导致误差。许多单芯片PLL器件支持此功能，这将成为系统的置信度测试或自检。

储罐两侧或四侧的传输线传感器可以分别补偿容器沿一个轴或两个轴的倾斜。

如果液位阈值测量是目标，那么一条或多条以较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的应用类型，如液位仪表。消除运动部件，例如已经使用多年的机械浮子，将大大提高可靠性。油位和燃油液位监测也是可能的，开辟了许多新的工业和汽车应用。

审核编辑：郭婷