液位测量设计还能如何再简化？

【导读】可以通过将空气介质传输线贴在非金属水箱外壁来检测RF阻抗，以准确测量其液位。本文提供一个经验设计示例，显示反射计器件（例如ADI的ADL5920 ）如何帮助简化设计。

与传统式机械浮子液位检测方法相比，基于反射计的解决方案具备多种优势，包括：

●    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

01 液位测量概述

图1所示为整个系统的方框图，包括用于驱动平衡式和端接式空气介质传输线的RF信号源，线路中包含反射计。

图1.液位测量系统方框图。

02 工作原理

悬浮在空气中的传输线可用于准确测量阻抗特性和降低RF损耗，这是因为它使用低损耗导体，且不使用固体介质材料。经典的E和H矢量图表明，电场和磁场集中在导体周围，它们的大小随距离增加而迅速减小，距离则相对于传输线结构本身的大小和间距来测量。附近的介电材料（例如水箱壁和水箱内的液体）会改变传输线的电气特性，可由反射计（例如ADL5920）简略测量。

   ○ 详细说明

考虑设计用于确定空气中的特定特性阻抗ZO的空气介质低损耗传输线。增加的任何介电物质，例如传输线近场中的液体，都会：

●    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。

这三种效应结合在一起，可以降低回波损耗，回波损耗可使用反射计器件或仪器直接测量。通过仔细设计和校准，可以将回波损耗与液位关联起来。

为了简化分析，在将传输线连接至水箱之前，考虑将图1中的空气介质传输线的阻抗设置为等于ZO 。因为线路与ZO端接，所以从理论来说，线路中没有反射能，所以回波损耗是无限的。

将传输线贴装到水箱侧面之后，以前的一条传输线现在会变成两条独立的传输线，以串联形式级联：

●    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ZOA与空气介电值ZO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ZOF比ZOA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。

在由传输线源端的反射计测量时，传输线远端的端接ZO的阻抗会发生转变。转变以图形化的方式描述，大约如图2所示。由于ZOF低于ZO，所以史密斯图按顺时针方向旋转，方向如箭头所示。

图2.扩展的标准史密斯图，表示传输线的输入阻抗。线路端点表述液位如何转化成回波损耗测量值。

当传输线阻抗与线路末端的电阻端部精确匹配时，传输线不会导致阻抗转变。这种情况与图2所示的史密斯图的中心对应，该图显示标准化阻抗为1 + j0 Ω。在将传输线连接至水箱之前，回波损耗应至少为26 dB。

将传输线连接到空水箱之后，水箱壁的材料会使传输线的介电材料增加，令线路的阻抗降低到ZOA，并稍微增长传输线Trace 1的有效电长度，具体如图2所示。回波损耗的测量值几乎保持不变，约为20 dB。

随着水箱中的水位上涨，传输线的阻抗下降，这是因为液体占据了原先用作传输介质的部分空气。传输线的阻抗原先为 ZOA，现在变成ZOF。所以，史密斯图转动的中心点降低。与此同时，因为传输线的有效电长度增加，史密斯图转动的量增加。具体由图2中的Trace 2和Trace 3表示。所以，反射计测量到，射频发生器端的回波损耗降低。

因为ADL5920测量的是反射幅度大小，而不是相位，所以阻抗转变应该限制在史密斯图的下半部分，在这个位置，无功分量为负。否则，阻抗被传回史密斯图的中心，导致测量值不准确。这意味着，连接到整个水箱的传输线的电长度应为90°或小于90°。如果电长度超过90°,测量的回波损耗会出现折返。

双向RF检波器（例如ADL5920）可以测量入射功率和反射功率（单位：dBm），且传输线的特性阻抗ZO = 50 Ω。ADL5920也可以减去这两个读数，直接测量回波损耗(dB)。

03 何为回波损耗？

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。

04 巴伦的用途

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)。

05 有必要采用带通滤波器吗？

在杂散RF可能耦合至传输线的位置，推荐使用图1所示的可选带通滤波器。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。

06 基本的设计步骤

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。图3所示为大致的频率范围。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（图2）。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)。

图3.推荐的工作频率与传输线长度。

07 简单的设计示例

为了进行展示，设计了一种适用于汽车挡风玻璃清洗水箱的液位监测器。该测试设置让水在两个完全相同的水箱之间流动，一个水箱连接传输线，用于测量液位。

根据之前的计划：

●    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（参见图3）。

●    接下来，根据这个频率范围设计和构建LC巴伦。需要对ZO进行轻微的升压阻抗转变，以提高对液位变化的灵敏度（参见图4）。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ZO 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。参见图4和图5。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。

图4.液位检测示例中使用的巴伦和传输线。

图5.分立式巴伦和端接传输线，连接到水箱之前。

现在，传输线可能连接至水箱侧面，如图6所示。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。

图6.示例设计显示连接到水箱侧面的传输线。

08 示例测试结果

图7显示完整的测试设置。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。图7显示设计示例的整个测试设置。

图7.设计示例的整个测试设置。

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。

图8所示为液位从满到空时的测试结果。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，如图7所示，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。

图8.示例测试结果与液位。液位测量呈线性且无变化，但本文中所讲述的水箱设计导致的意外情况除外。

09 校准

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，如图8所示。

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，图8中所示的斜率变化。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。

10 液位测量限制

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30 mm或更高时，测量液位水平（参见图3）。

11 应用扩展

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

12 结论

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。

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