使用反射计芯片进行无接触流体级测量

[导读]流体级测量可通过非金属罐壁精确测量,方法是将空气-电传输线路置于罐侧,并感知射频阻抗。本文提供了一个实证设计实例,说明反射计装置如何简化设计。

流体级测量可通过非金属罐壁精确测量,方法是将空气-电传输线路置于罐侧,并感知射频阻抗。本文提供了一个实证设计实例,说明反射计装置如何简化设计。

与可能涉及机械浮筒的传统流体级传感方法相比,基于反射计的方法提供了若干好处,包括:

· 快速、实时流体级测量

· 广泛的电子后处理成为可能

· 无接触设计(无液体污染)

· 无移动部件

· 最小辐射射频场(远场取消)

· 内部传感器的水箱无孔(减少泄漏的可能性)

· 内部安全,由于水箱中没有电线或零部件

流体级测量概览

图1显示了一个整体系统的框图,该系统由一个射频信号源组成,该信号源驱动平衡和终止的空气----电传输线,其反射计位于线路内。

图1流体级测量系统框图。

操作原则

由于导体损耗率低和缺乏固体介质材料,可设计出高精度特性阻抗和低射频损耗的空气中悬浮传输线。经典的E和H矢量图表明,电场和磁场集中在导体周围,它们的大小随距离的减少而下降得很快,而距离是根据输电线路结构本身的大小和间距来测量的。任何邻近的介质材料,如液体罐壁和内流体,都会改变输电线路的电气特性,可以用反射计如 ADL5920 从模拟装置。

详细说明

考虑为特定特性阻抗Z设计的空气、电、低损耗输电线路的情况 O 在空中。任何添加的介质物质,例如在输电线路近场的流体,将:

· 降低输电线路的特性阻抗,

· 降低传播速度,从而增加线路的有效电气长度;

· 增加线路的衰减。

所有这三种效果结合起来可以减少回报损失,这是直接可测量的反射器设备或仪器。经过仔细的设计和校准,返回损失可以与流体水平相关.

为了简化分析,考虑图1的空气电传输线路,阻抗设置等于Z O 把绳子系在水箱上。因为这条线路是用Z终止的 O ,理论上,没有反射能量,回报损失是无限的。

在输电线路被固定在水箱的侧面之后,原来的一条输电线路现在变成了两条独立的输电线路,以系列的形式级联:

· 在液位以上,传输线为空气介质,但水箱壁传输线阻抗Z除外 OA 与它的空气介质值Z相比变化很小 O .传输线路的传播速度也是如此。

· 在液体水平以下,输电线路阻抗Z 属于…的比Z低 OA .电气长度的有效增加,与衰减一样,都是由于在输电线路的近场存在着额外的介质材料。

终止Z的阻抗 O 当用反射计在传输线路的源端测量时,传输线路的远端将发生变换。图2以图形方式描述了转换,大致如图2所示。因为Z 属于…的比z低 O ,创建一个顺时针旋转的史密斯图表,如箭头所示。

图2扩展,标准化史密斯图表示输电线路输入阻抗。跟踪端点描述流体水平如何转换为返回损失的测量。

当传输线路阻抗与线路端的电阻端精确匹配时,传输线路不发生阻抗变换。这个条件对应于史密斯图2的中心,图2显示1+J0的标准化阻抗。返回损失至少应为26分贝在输电线路连接在水箱上.

在将输电线路连接到空水箱后,水箱壁材料将为输电线路提供一些额外的介电材料,从而降低输电线路的阻抗为Z OA ,并略微增加输电线路的有效电气长度,跟踪1,如图2所示。返回损失仍应很好地衡量在大约20分贝.

当液位上升时,由于流体取代一部分空气作为介质传输,传输线阻抗降低。传输线路阻抗是Z OA 现在变成Z 属于 .因此,史密斯图表上的旋转中心移动更低.同时,史密斯图表旋转量增加,因为输电线路的有效电气长度增加。图2中的跟踪2和跟踪3描述了这一点。因此,反射计的测量减少了发电机端的收益损失。

由于反射计测量的是反射幅度,而不是相位,所以阻抗变换应该限制在史密斯图表的下半部分,即反应分量为负。否则,阻抗被转换回到史密斯图表的中心,造成一个大小测量的歧义。这意味着连接在整个水箱上的输电线路的电气长度应为90°或更小。如果电气长度超过90°,所测量的返回损失就会出现折叠。

一种双向射频检测器,如Adl5920,可以沿特性阻抗Z的射频传输线,测量DBM单元中的入射功率和反射功率。 O =50。减去这两个读数直接衡量在db中的回报损失。简单地说,当射频源连接到负载时,会发生返回损失。部分功率将转移到负载,其余的将被反射回源。这两个功率级的区别在于回报损失。这基本上是一个衡量负载对源的匹配程度的尺度。

巴伦语的目的

巴伦可以用相等的极性交流电压来驱动每一个导体,因此有两个主要目的:

· 减少杂散射频耦合和从传输这是重要的监管排放和敏感性遵守。无论朝哪个方向,远场EMI都会因取消而减小。

· 转换更高的阻抗意味着输电线路元件更宽的间距,这意味着更深的电场渗透到容器。结果是收益损失相对于收益损失的变化更大。流体水平,这意味着一个更敏感的流体水平测量。

该不平衡设计应提供良好的共模排斥比(CMRS)在整个通过带通滤波器。

是否需要带通滤波器?

每当杂散射频可以连接到输电线路时,建议使用图1中的可选带通滤波器。带通滤波器将非常有助于减少或消除来自Wi-Fi、手机和个人电脑服务、陆地移动无线电和所有其他外部信号的干扰,这些信号与所需的信号源不同。

为了取得最佳结果,建议带通滤波器设计采用低插入损失,返回损失与返回损失测量的损失相称,即大约30分贝或更好的可能性。

基本设计程序

设计程序大纲大致如下:

· 根据正常传输的长度选择一个工作频率,传输线路长度将与水箱高度相同或稍长。应选择传输线路长度一般为空气中射频波长的十分之一至四分之一的工作频率。图3说明了这个近似频率范围。一个较低的频率将提供最好的线性回报损失。流体水平,虽然较高的频率会提供更大范围的返回损失信号,但线性度可能没有那么好,并且测量可能出现折回(图2)。如果要求遵守辐射排放,可从适用的ISM频率清单中选择频率。

· 为选择的频率或频带设计或选择一个巴伦。该巴伦可以是基于块或变压器的LC。当平衡端终止时,巴伦应表现出优异的回报损失。

· 计算输电线路阻抗计算器(如任意输电线路计算器)的导体宽度和间距尺寸在这方面是有用的。

图3建议的操作频率输电线路长度。

一个简单的设计例子

为了演示的目的,设计了一个汽车挡风玻璃清洗槽流体级监测器。测试装置将水移动到两个相同的水箱之间,其中之一是安装一条输电线路,用于流体水平测量。

根据先前的大纲:

· 由于坦克高度大约为6英寸(15米),所以适当的做法是将目标射频激发到300兆赫(见图3)。

· 其次,针对此频率范围设计并构造了一个LC巴伦。稍微加强阻抗变换为Z O 提高对流体水平变化的敏感性(见图4)。网络分析仪或反射计用于验证大约30分贝或更好的返回损失的单端端口,固定电阻终止直接连接到巴伦,之前连接传输线。

· 用Z设计并制作了一条平行输电线路。 O 等于先前使用的电阻值。传输线路连接在电路中,电阻端移动到线路的末端。见图4和图5。网络分析仪或反射计再次用于验证返回损失保持良好--大约25分贝或更好。

图4液位传感用的巴伦和传动线。

图5离散巴伦和终止输电线路,在安装到水箱之前。

现在,输电线路可以连接到水箱的侧面,如图6所示。由于罐壁材料作为传输线上的额外介质层而产生的失谐效应,在空罐上附着时,稍微观察返回损失下降是正常的。

图6展示安装在水箱侧面的输电线路的示例设计。

示例测试结果

图7显示了完整的测试设置。输电线路被固定在水箱的侧面,而水箱有以一种控制的方式填充和排放的规定。一套评估工具像 DC2847A 从模拟装置可以使用容易读取的反射计测量结果。该评估包包括一个混合信号单片机读取前向和反射探测器模拟电压。PC软件将自动加载和显示结果的图形化格式.时间。返回损失很容易计算为正向功率和反射功率测量之间的差额.图7显示了设计示例的完整测试设置。