通過將空氣電介質(zhì)傳輸線放置在儲罐側(cè)面并感測 RF 阻抗，可以通過非金屬儲罐壁準(zhǔn)確測量液位測量值。本文提供了一個經(jīng)驗(yàn)設(shè)計示例，說明了反射計設(shè)備如何簡化設(shè)計。

與可能涉及機(jī)械浮子的傳統(tǒng)液位傳感方法相比，基于反射計的方法具有多種優(yōu)勢，包括：

• 快速、實(shí)時的液位測量
• 廣泛的電子后處理成為可能
• 非接觸式設(shè)計（液體無污染）
• 無移動部件
• 輻射射頻場（遠(yuǎn)場抵消）
• 水箱中沒有用于內(nèi)部傳感器的孔（減少泄漏的可能性）
• 由于罐內(nèi)沒有電線或零件，因此具有本質(zhì)安全性

圖 1 顯示了整個系統(tǒng)的框圖，包括一個 RF 信號源，該信號源驅(qū)動一個平衡且端接的空氣電介質(zhì)傳輸線，并帶有一個在線反射計。

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圖 1. 液位測量系統(tǒng)框圖。（ Devices）

考慮為空氣中的特定特性阻抗 Z O設(shè)計的空氣電介質(zhì)、低損耗傳輸線的情況。傳輸線近場中任何添加的介電物質(zhì)（例如流體）將：

• 降低傳輸線的特性阻抗，
• 降低傳播速度，從而增加線路的有效電氣長度，以及
• 增加線路的衰減。

所有這三種效應(yīng)可以結(jié)合起來減少回波損耗，這可以用反射計設(shè)備或儀器直接測量。通過仔細(xì)的設(shè)計和校準(zhǔn)，回波損耗可以與液位相關(guān)聯(lián)。

為了簡化分析，考慮圖 1 中的空氣電介質(zhì)傳輸線，在將線連接到儲罐之前將阻抗設(shè)置為 Z O。因?yàn)榫€路以 Z O終止，理論上沒有反射能量，回波損耗為無窮大。

將傳輸線固定到儲罐側(cè)面后，一條傳輸線現(xiàn)在表現(xiàn)為兩條獨(dú)立的傳輸線，以串聯(lián)配置級聯(lián)：

• 在液面以上，傳輸線是空氣電介質(zhì)，除了罐壁傳輸線阻抗 Z OA與其空氣電介質(zhì)值 Z O相比變化很小。傳輸線傳播速度也是如此。
• 在液位以下，傳輸線阻抗 Z OF與 Z OA相比變得更低。電氣長度有效增加，衰減也會增加，這都是因?yàn)閭鬏斁€近場中存在額外的介電材料。

傳輸線遠(yuǎn)端的終端Z O的阻抗在傳輸線源端的反射計測量時會發(fā)生變化。轉(zhuǎn)換以圖形方式描述，大致如圖 2 所示。由于 Z OF低于 Z O，因此創(chuàng)建了順時針史密斯圓圖旋轉(zhuǎn)，如箭頭所示。

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圖 2. 傳輸線輸入阻抗的擴(kuò)展、歸一化史密斯圓圖表示。跡線端點(diǎn)描述了液位如何轉(zhuǎn)化為回波損耗測量。（ Devices）

當(dāng)傳輸線阻抗與線路末端的電阻終端匹配時，不應(yīng)有由于傳輸線引起的阻抗變換。這種情況對應(yīng)于史密斯圓圖的中心，圖 2，顯示了 1 + j0 Ω 的歸一化阻抗。在將傳輸線連接到儲罐之前，回波損耗應(yīng)至少為 26 dB 。

隨著儲罐中液位的升高，傳輸線阻抗會降低，這是由于流體在電介質(zhì)傳輸過程中取代了一部分空氣。以前為 Z OA的傳輸線阻抗現(xiàn)在變?yōu)?Z OF。因此，史密斯圓圖上的旋轉(zhuǎn)中心向下移動。同時，史密斯圓圖旋轉(zhuǎn)量增加，因?yàn)閭鬏斁€的有效電長度增加。圖 2 中的跡線 2 和跡線 3 對此進(jìn)行了描述。因此，反射計測量線路發(fā)生器端的回波損耗降低。

因?yàn)榉瓷溆嫓y量的是反射幅度，而不是相位，所以阻抗變換應(yīng)該被限制在史密斯圓圖的下半部分，那里的電抗分量是負(fù)的。否則，阻抗將被轉(zhuǎn)換回史密斯圓圖的中心，從而導(dǎo)致幅度測量不明確。這意味著連接到滿罐的傳輸線的電氣長度應(yīng)為 90° 或更短。如果電氣長度超過 90°，則測得的回波損耗會出現(xiàn)折返。

• 減少進(jìn)出傳輸?shù)碾s散 RF 耦合 這對于法規(guī)排放和敏感性合規(guī)性非常重要。任一方向的遠(yuǎn)場 EMI 都可以通過抵消來降低。
• 轉(zhuǎn)換 更高的阻抗意味著傳輸線元件的間距更寬，這意味著更深的電場滲透到容器中。結(jié)果是回波損耗與液位的變化更大，這意味著液位測量更靈敏。

  巴倫應(yīng)設(shè)計為在帶通濾波器的整個通帶內(nèi)提供良好的共模抑制比 (CMRR)。

  是否需要帶通濾波器？

   當(dāng)雜散 RF 可能耦合到傳輸線時，建議使用圖 1 的可選帶通濾波器。帶通濾波器對于減少或消除來自 Wi-Fi、蜂窩和 PCS 服務(wù)、陸地移動無線電以及與所需源不在同一頻段的所有其他外部信號的干擾非常有幫助。

為獲得結(jié)果，建議帶通濾波器設(shè)計具有低插入損耗，回波損耗與回波損耗測量相當(dāng)；也就是說，大約 30 dB 或更好（如果可能）。

    基本設(shè)計程序

   設(shè)計流程大綱大致如下：

• 根據(jù)傳輸長度選擇工作頻率 通常情況下，傳輸線長度與儲罐高度大致相同或略長。應(yīng)選擇工作頻率，使傳輸線長度通常為空氣中 RF 波長的十分之一到四分之一。圖 3 說明了這個近似的頻率范圍。較低的頻率將提供的回波損耗與液位線性關(guān)系，而較高的頻率將提供更大范圍的回波損耗信號，但線性度可能不那么好，并且可能會發(fā)生測量折返（圖 2）。如果需要輻射發(fā)射合規(guī)性，則可以從適用的 ISM 頻率列表中選擇頻率 [2]。
• 為所選頻率或頻帶設(shè)計或選擇巴倫。巴倫可以是集總元件 LC 或基于變壓器的。當(dāng)在平衡端端接時，巴倫應(yīng)該表現(xiàn)出出色的回波損耗。
• 計算傳輸?shù)膶?dǎo)體寬度和間距尺寸 傳輸線阻抗計算器（例如任意傳輸線計算器 (ATLC)）可用于此目的 [3]。

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圖 3. 推薦工作頻率與傳輸線長度的關(guān)系。（ Devices）

出于演示目的，設(shè)計了一種用于汽車擋風(fēng)玻璃清洗器水箱的液位監(jiān)測器。測試裝置在兩個相同的水箱之間移動水，其中一個水箱連接有傳輸線，用于液位測量。

• 設(shè)計并制造了一條平行傳輸線，其 Z O等于先前使用的電阻值。傳輸線在電路中連接，電阻終端移動到線路的末端。請參見圖 4 和圖 5。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計再次用于驗(yàn)證回波損耗是否保持良好狀態(tài)——大約 25 dB 或更好。

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圖 4. 用于液位傳感示例的巴倫和傳輸線。（ Devices）

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圖 5. 分立式巴倫和端接傳輸線，在固定到水箱之前。（ Devices）

現(xiàn)在，傳輸線可以連接到水箱的側(cè)面，如圖 6 所示。由于水箱壁材料作為附加介電層的失諧效應(yīng)，在連接到空水箱時觀察到回波損耗略有下降是正常的傳輸線。

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圖 6. 顯示固定在儲罐側(cè)面的傳輸線的示例設(shè)計。（ Devices）

圖 7 顯示了完整的測試設(shè)置。傳輸線固定在水箱的側(cè)面，水箱可以以受控方式進(jìn)行填充和排放。Analog Devices 的DC2847A等評估套件可用于輕松讀取反射計測量結(jié)果。該評估套件包括一個混合信號 MCU，用于讀取正向和反射檢測器模擬電壓。PC 軟件將自動加載并以圖形格式隨時間顯示結(jié)果。回波損耗很容易計算為正向和反射功率測量值之間的差異。圖 7 顯示了設(shè)計示例的完整測試設(shè)置。

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圖 7. 設(shè)計示例的完整測試設(shè)置。（ Devices）

在此設(shè)計示例中，通過激活兩個儲罐之一上的泵來建立液位條件。當(dāng)泵運(yùn)行時，質(zhì)量流量相對恒定，因此理想情況下，罐中的液位隨時間呈線性上升。實(shí)際上，儲罐橫截面從上到下并不完全一致。

圖 8 顯示了液位從滿到空時的測試結(jié)果。當(dāng)流體從罐中泵出時，正向功率保持不變，而反射功率相對線性下降。

在 t = 33 秒時，斜率發(fā)生明顯變化。這被認(rèn)為是由于坦克的設(shè)計。如圖 7 所示，水箱下端的橫截面積減小，以便為泵電機(jī)創(chuàng)造空間。這引入了測量非線性，必要時可以在系統(tǒng)固件中輕松校正。

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圖 8. 示例測試結(jié)果與液位。液位測量是線性和單調(diào)的，但文本中指出的罐設(shè)計除外。（ Devices）

為獲得精度，需要進(jìn)行反射計校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將校正反射計內(nèi) RF 檢測器的制造偏差，即斜率和截距。DC2847A 評估套件支持單獨(dú)校準(zhǔn)，如圖 8 所示。

在更高的水平上，液位與回波損耗也需要校準(zhǔn)。這可能是由于以下不確定性來源造成的：

• 傳輸線和罐壁之間的距離的制造變化。
• 罐壁厚度的變化。
• 流體和/或罐壁的介電特性可能隨溫度而變化。

系統(tǒng)非線性可能存在，例如，圖 8 中觀察到的斜率變化。如果使用線性插值，則在這種情況下需要三點(diǎn)或更多點(diǎn)校準(zhǔn)。

所有校準(zhǔn)系數(shù)通常都存儲在系統(tǒng)的非易失性存儲器中，這可能是嵌入式處理器應(yīng)用程序中未使用的代碼空間，或?qū)Ｓ玫姆且资源鎯υO(shè)備。

任何反射計的方向性都是一個關(guān)鍵指標(biāo)。忽略巴倫損耗，當(dāng)傳輸線以其自身的 Z O端接時，反射功率變?yōu)榱?，并且反射計測量其自身的方向性規(guī)格。方向性規(guī)格越高，反射計準(zhǔn)確分離入射波和反射波幅度的能力就越好。

對于 ADL5920，方向性指定為 1 GHz 時的典型值 20 dB，在 100 MHz 或更低時增加到典型值約 43 dB。這使得 ADL5920 非常適合儲罐高度約為 30 mm 或更高的液位測量（見圖 3）。

對于某些應(yīng)用，基本的非接觸式液位測量原理可以通過多種方式進(jìn)行擴(kuò)展。例如：

• 可以在低占空比下執(zhí)行測量以節(jié)省電力。
• 如果液位保持不變，回波損耗測量可能與另一個感興趣的流體特性相關(guān)；例如，粘度或 pH 值。
• 每個應(yīng)用程序都是的。例如，與底端相比，有些技術(shù)可能會在秤的頂端提供更好的準(zhǔn)確性，反之亦然，具體取決于應(yīng)用程序。
• 如果儲罐是金屬的，傳輸線將需要進(jìn)入內(nèi)部，根據(jù)應(yīng)用，傳輸線可能會被淹沒。
• 在多個 RF 功率電平下進(jìn)行測量有助于確定外部 RF 干擾是否是導(dǎo)致錯誤的原因。很多單片機(jī)PLL器件都支持這個特性，成為對系統(tǒng)的置信度測試，或者說是自檢。
• 儲罐兩側(cè)或四側(cè)的傳輸線傳感器可以補(bǔ)償容器沿一個軸或兩個軸的傾斜，
• 如果以液位閾值測量為目標(biāo)，一條或多條以更高頻率運(yùn)行的較短傳輸線可能是一個很好的解決方案。

    結(jié)論

   ADL5920 等單芯片反射計器件的開發(fā)帶來了新型應(yīng)用，例如液位儀表。消除移動部件，例如已使用多年的機(jī)械浮子，將大大提高可靠性。油位和燃料液位監(jiān)測也成為可能，開辟了許多新的工業(yè)和汽車應(yīng)用。