【世说设计】7大优势PK传统方案，液位测量设计还能再简化~

• 能够快速、实时测量液位
• 支持实施广泛的电子后处理
• 非接触式设计（不会污染液体）
• 无活动零件
• 最小的RF辐射场（远场抵消）
• 无需在水箱上开孔，用于安装外部传感器（降低泄漏风险）
• 由于水箱上没有电线或零件，可以更加安全

详细说明

• 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长度；以及
• 增加线路衰减。

• 在液位以上，传输线以空气为介质，水箱壁材料除外。传输线的阻抗Z_OA与空气介电值Z_O相比，变化不大。传输线的传播速度也是如此。
• 在液位以下，传输线阻抗Z_OF比Z_OA低。因为传输线的近场中存在额外的介电材料，所以电长度有效增加，衰减也一样。

简单来说，就是当RF源连接至负载时，一些功率会转化为负载，余下的功率则反射回源。两种功率电平之间的差值就是回波损耗。这一般用于衡量负载与源之间的匹配程度。

巴伦用于驱动电压相等，但极性相反的导体，所以主要有两大作用：

• 降低传输线输入/输出的杂散RF。这对控制合规的EMI非常重要。各个方向的远场EMI也因为抵消而降低。

• 转变阻抗。更高的阻抗意味着传输线元件之间的间隔更大，这也意味着电场会更深入地穿透容器。其结果是，回波损耗和液位之间呈现更大变化，这意味着液位测量更加敏感。

巴伦应该在带通滤波器的整个带通频段内提供出色的共模抑制比(CMRR)。

在杂散RF可能耦合至传输线的位置，推荐使用可选带通滤波器。带通滤波器有助于降低或消除Wi-Fi、蜂窝、PCS服务、陆地移动无线电和所有其他与所需源不处于同一频段的外部信号带来的干扰。

为了实现最佳效果，建议带通滤波器设计采用低插入损耗，且回波损耗与回波损耗的测量值相当；即，约为30 dB或更优化。

设计步骤大致如下：

• 根据传输线的长度选择工作频率。一般来说，传输线的长度约与水箱高度相当，或稍长一点。在选择工作频率时，应确保传输线的长度一般为空气中的RF波长的1/10至1/4。在更低频率下，会实现更出色的回波损耗线性度和液位，在更高频率下，会实现更大的回波损耗信号范围，但是线性度可能不佳，且会出现测量折返。如果需要电磁辐射合规，可以从适用ISM频率列表中选择频率。

• 根据所选的频率或频段设计或选择巴伦。巴伦可以以集总元件LC或变压器为基础。巴伦在与平衡端L连接时，应具备出色的回波损耗。

• 计算导体宽度，以及传输线的间隔尺寸。计算时，可以使用传输线阻抗计算器，例如任意传输线计算器(ATLC)。

• 因为水箱高度约为6英寸（0.15米），那么约300 MHz目标RF激励是合理的。
• 接下来，根据这个频率范围设计和构建LC巴伦。需要对Z_O进行轻微的升压阻抗转变，以提高对液位变化的灵敏度。采用网络分析仪或反射计来验证单端端口上的回波损耗是否约为30 dB或更出色，其中固定电阻终端在连接至传输线之前，先直接连接至巴伦。
• 我们设计和构建并行传输线，其中Z_O 等于之前使用的电阻值。传输线在电路中连接，电阻终端则移动至线路末端。再次使用网络分析仪或反射计来验证回波损耗是否保持出色水平——约为25 dB或更出色。

现在，传输线可能连接至水箱侧面。连接到空水箱时，回波损耗稍微降低是正常现象，这是因为作为传输线附加介电层的水箱壁材料具有失谐效应。

在完整的测试设置，传输线连接至水箱侧面，且水箱具备相关配置，可以管控注入和排出的水量。

ADI评估套件DC2847A用于轻松读取ADL5920反射计的测量结果。这个评估套件包含一个混合信号处理器MCU，用于读取正向和反射检波器的模拟电压。PC软件会自动加载和显示结果（以图表和时间形式）。回波损耗的计算非常简单：正向和反向功率测量值的差值。

在这个设计示例中，通过激活两个水箱其中一个的泵来确定液位水平。当泵运行时，质量流量是相对恒定的，所以，理想情况是水箱中的水位相对于时间线性上升。实际上，水箱从顶部到底部的横截面并不完全相同。

从水箱中抽出液体时，正向功率保持恒定，反射功率呈线性降低。

t = 33秒时，坡度发生明显变化。究其原因，应该是水箱设计造成的。水箱底部的横截面面积会减小，以为泵电机留出空间。这导致测量结果呈现非线性，必要时，可在系统固件中轻松纠正。

为了实现最高精度，必须对反射计实施校准。校准可以校正反射计内部的RF检波器的制造差异性——即斜率和截距。DC2847A评估套件支持单独校准。

在更高水平下，也需要对液位和回波损耗实施校准。这可能是因为下列不确定性来源造成：

• 传输线和水箱壁之间的制造距离差异。

• 水箱壁的厚薄差异。

• 液体和/或水箱壁的介电性能会随温度而变化。

可能存在系统非线性问题，例如斜率变化。如果使用线性插值，那么在这种情况下，需要使用三点及以上的点校准。

所有校准系数通常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未使用的代码空间，或者是专用的非易失性存储器设备。

任何反射计的指向性都是一个关键指标。在不考虑巴伦损耗的情况下，当传输线与其自身的ZO准确端接时，反射功率降低至零，反射计会测量其自身的指向性指标。指向性指标越高，反射计就越能够准确地区分入射波和反射波的大小。

对于ADL5920，指向性在1 GHz时一般为20 dB，在100 MHz或更低时达到会增长为约43 dB。这使得ADL5920非常适合用于在水箱高度约30mm或更高时，测量液位水平。

在有些应用中，可以按几种方式扩展基本的非接触式液位测量原则。例如：

• 测量可能按低占空比执行，以节省功率。

• 如果液位保持恒定，回波损耗测量可与另一个相关的流体特性关联；例如，速度或pH值。

• 每种应用都是唯一的。例如，相比在最底部，有些技术在范围的最顶部能提供更出色的精度，反之亦然，具体由应用决定。

• 如果水箱采用金属材质，传输线需要通过水箱内部。根据具体应用，传输线可能需要浸入水中。

• 可以使用多个RF功率电平的测量值来确定外部RF干扰是否会导致误差。许多单芯片PLL器件都支持此功能，使其成为测试系统可靠性，或自我测试可靠性的测试。

• 水箱两面或四面上的传输线传感器可以分别补偿箱体沿一轴或两轴的倾斜度。

• 如果是用于测量液位阈值，则使用一根或多根较短的传输线在较高频率下运行会是不错的解决方案

开发ADL5920之类的单芯片反射计器件促生了新的应用类型，例如液位仪器仪表。取消活动零件（例如使用多年的机械浮子）可以大幅提高可靠性。油位监测也成为可能，推动产生了许多新工业和汽车应用。

ADL5920

• 宽带匹配 9 kHz 至 7 GHz 运行
• 正向和反向功率以及回波损耗测量
• 输入范围为 49 dB ±1.0 dB，最低输入电平为 −19 dBm，1 GHz 时 ±1.0 dB
• dB 线性 rms（波峰因数敏感）输出
• 插入损耗：1 GHz 时 1.1 dB，6 GHz 时 1.9 dB
• 输入和输出回波损耗和 VSWR
  
• 1 GHz：22 dB/1.16:1
• 3 GHz：14 dB/1.5:1
• 6 GHz：12 dB/1.7:1
• 输出 IP3：1 GHz 时为 70.5 dBm
• 方向性
  
• 1 GHz 时为 20 dB
• 3 GHz 时为 13 dB
• 6 GHz 时为 5 dB
• 最大输入功率
  
• 开路或短路端电极为 30 dBm
• 匹配端电极为 33 dBm