Contactloze vloeistofniveaumeting met een reflectometerchip

Vloeistofniveaumetingen kunnen nauwkeurig worden gemeten door de wand van een niet-metalen tank door een lucht-diëlektrische transmissielijn tegen de zijkant van de tank te plaatsen en de RF-impedantie te meten. Dit artikel geeft een empirisch ontwerpvoorbeeld dat illustreert hoe een reflectometer het ontwerp kan vereenvoudigen.

Vergeleken met traditionele methoden voor het meten van vloeistofniveaus waarbij mechanische vlotters betrokken kunnen zijn, biedt een op reflectometers gebaseerde benadering verschillende voordelen, waaronder:

• Snelle, realtime vloeistofniveaumetingen
• Uitgebreide elektronische nabewerking wordt mogelijk
• Contactloos ontwerp (geen vervuiling van de vloeistof)
• Geen bewegende delen
• Minimaal uitgestraald RF-veld (verre veld annuleert)
• Geen gaten in de tank voor een interne sensor (minder kans op lekken)
• Intrinsieke veiligheid, omdat er geen elektrische draden of onderdelen in de tank zitten

Overzicht vloeistofniveaumeting

Afbeelding 1 toont een blokschema van het totale systeem, bestaande uit een RF-signaalbron die een gebalanceerde en afgesloten lucht-diëlektrische transmissielijn aanstuurt met een reflectometer inline.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1. Blokschema vloeistofniveaumeetsysteem. (Bron:Analoge apparaten)

Werkingsprincipe

Transmissielijnen die in lucht zijn opgehangen, kunnen worden ontworpen voor nauwkeurige karakteristieke impedantie en een laag RF-verlies als gevolg van geleiders met laag verlies en het ontbreken van vast diëlektrisch materiaal. Klassieke grafieken van E- en H-vectoren laten zien dat de elektrische en magnetische velden geconcentreerd zijn rond de geleiders, en hun grootte neemt vrij snel af met de afstand, waarbij de afstand wordt gemeten ten opzichte van de grootte en afstand van de transmissielijnstructuur zelf. Elk diëlektrisch materiaal in de buurt, zoals een vloeistoftankwand en de vloeistof erin, zal de elektrische eigenschappen van de transmissielijn veranderen [1], die in het kort kunnen worden gemeten met een reflectometer zoals de ADL5920 van Analog Devices.

Gedetailleerde beschrijving

Beschouw het geval van een lucht-diëlektrische transmissielijn met laag verlies die is ontworpen voor een specifieke karakteristieke impedantie Z_O in de lucht. Elke toegevoegde diëlektrische substantie zoals een vloeistof in het nabije veld van de transmissielijn zal:

• Verlaag de karakteristieke impedantie van de transmissielijn,
• Verminder de voortplantingssnelheid, waardoor de effectieve elektrische lengte van de lijn wordt vergroot, en
• Verhoog de demping van de lijn.

Alle drie deze effecten kunnen worden gecombineerd om een ​​vermindering van retourverlies te creëren, wat direct meetbaar is met een reflectometerapparaat of -instrument. Met zorgvuldig ontwerp en kalibratie kan retourverlies worden gecorreleerd aan het vloeistofpeil.

Beschouw, om de analyse te vereenvoudigen, de lucht-diëlektrische transmissielijn van figuur 1 met een impedantie die gelijk is aan Z_O voordat u de lijn aan de tank bevestigt. Omdat de regel wordt afgesloten met Z_O , theoretisch is er geen gereflecteerde energie en het retourverlies is oneindig.

Nadat de transmissielijn aan de zijkant van een tank is bevestigd, gedraagt ​​​​de ene transmissielijn zich nu als twee afzonderlijke transmissielijnen, in een serieconfiguratie gecascadeerd:

• Boven het vloeistofniveau is de transmissielijn luchtdiëlektrisch, behalve de tankwand Transmissielijnimpedantie Z_OA verandert weinig van zijn luchtdiëlektrische waarde, Z_O . Hetzelfde geldt voor de voortplantingssnelheid van de transmissielijn.
• Onder het vloeistofniveau, de transmissielijnimpedantie Z_OF wordt lager in vergelijking met Z_OA . De elektrische lengte neemt effectief toe, evenals de verzwakking, allemaal vanwege het extra diëlektrische materiaal dat aanwezig is in het nabije veld van de transmissielijn.

De impedantie van de afsluiting Z_O aan het uiteinde van de transmissielijn zal worden getransformeerd wanneer gemeten door de reflectometer aan het bronuiteinde van de transmissielijn. De transformatie wordt grafisch weergegeven, ongeveer zoals weergegeven in figuur 2. Omdat Z_OF is lager dan Z_O , wordt een Smith-kaartrotatie met de klok mee gemaakt, zoals aangegeven door de pijlen.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2. Uitgebreide, genormaliseerde Smith-diagramweergave van de ingangsimpedantie van de transmissielijn. Trace-eindpunten geven weer hoe het vloeistofniveau zich vertaalt naar een meting van retourverlies. (Bron:Analoge apparaten)

Wanneer de transmissielijnimpedantie precies is afgestemd op de resistieve afsluiting aan het einde van de lijn, zal er geen impedantietransformatie zijn vanwege de transmissielijn. Deze toestand komt overeen met het midden van de Smith-grafiek, figuur 2, die een genormaliseerde impedantie van 1 + j0 laat zien. Retourverlies moet minimaal 26 dB zijn voor de transmissielijn is bevestigd aan de tank.

Nadat de transmissielijn aan een lege tank is bevestigd, zal het wandmateriaal van de tank wat extra diëlektrisch materiaal aan de transmissielijn bijdragen, waardoor de impedantie van de lijn wordt verlaagd tot Z_OA , en licht toenemende effectieve elektrische lengte van de transmissielijn, Trace 1, zoals geïllustreerd in figuur 2. Retourverlies zou nog steeds redelijk goed moeten meten bij ongeveer 20 dB.

Naarmate het vloeistofniveau in de tank stijgt, wordt de impedantie van de transmissielijn verminderd doordat vloeistof een deel van de lucht verdringt als diëlektrische transmissie. Transmissielijnimpedantie die Z_OA . was wordt nu Z_OF . Daarom wordt het rotatiecentrum op de Smith-grafiek lager. Tegelijkertijd neemt de hoeveelheid Smith-kaartrotatie toe, omdat de effectieve elektrische lengte van de transmissielijn toeneemt. Dit wordt weergegeven door Trace 2 en Trace 3 in figuur 2. Bijgevolg meet de reflectometer een verminderd retourverlies aan het generatoreinde van de lijn.

Omdat de reflectometer de reflectiegrootte meet en niet de fase, moet de impedantietransformatie worden beperkt tot de onderste helft van de Smith-grafiek waar de reactieve component negatief is. Anders wordt de impedantie terug getransformeerd naar het midden van de Smith-kaart, wat een ambiguïteit van de magnitudemeting veroorzaakt. Dit betekent dat de elektrische lengte van de transmissielijn die aan een volle tank is bevestigd 90 ° of minder moet zijn. Als de elektrische lengte groter is dan 90°, lijkt het gemeten retourverlies terug te vouwen.

Een bidirectionele RF-detector zoals de ADL5920 kan zowel invallend als gereflecteerd vermogen meten in eenheden van dBm, langs een RF-transmissielijn met karakteristieke impedantie Z_O =50 . Door deze twee meetwaarden af ​​te trekken, wordt het retourverlies in dB direct gemeten. Retourverlies, in eenvoudige bewoordingen, treedt op wanneer een RF-bron is aangesloten op een belasting. Een deel van het vermogen wordt overgedragen naar de belasting en de rest wordt teruggekaatst naar de bron. Het verschil tussen deze twee vermogensniveaus is het retourverlies. Het is in wezen een maatstaf voor hoe goed de belasting is afgestemd op de bron.

Doel van de Balun

De balun dient om elke geleider aan te drijven met wisselspanning van gelijke maar tegengestelde polariteit, en dient dus twee primaire doelen:

• Het verminderen van verdwaalde RF-koppeling van en naar de transmissie Dit is belangrijk voor naleving van de regelgeving voor emissies en gevoeligheid. Far-field EMI in beide richtingen wordt verminderd door annulering.
• Transformeren Hogere impedantie betekent een grotere afstand tussen de transmissielijnelementen, wat een diepere penetratie van het elektrische veld in de container betekent. Het resultaat is meer verandering in retourverlies versus vloeistofniveau, wat een gevoeligere vloeistofniveaumeting betekent.

De balun moet worden ontworpen om een ​​goede common-mode onderdrukkingsverhouding (CMRR) te bieden over de gehele doorlaatband van het banddoorlaatfilter.

Is een banddoorlaatfilter nodig?

Het optionele banddoorlaatfilter van figuur 1 wordt aanbevolen wanneer verdwaalde RF in de transmissielijn kan worden gekoppeld. Een banddoorlaatfilter is erg handig voor het verminderen of elimineren van interferentie van wifi-, mobiele en PCS-services, landmobiele radio en alle andere externe signalen die zich niet in dezelfde frequentieband bevinden als de gewenste bron.

Voor de beste resultaten wordt aanbevolen dat het ontwerp van het banddoorlaatfilter een laag invoegverlies heeft, waarbij het retourverlies evenredig is met dat van de meting van het retourverlies; dat wil zeggen, ongeveer 30 dB of beter indien mogelijk.

Basis ontwerpprocedure

De opzet van de ontwerpprocedure is ongeveer als volgt:

• Kies een werkfrequentie op basis van de lengte van de transmissie Normaal gesproken is de lengte van de transmissielijn ongeveer gelijk aan de tankhoogte of iets langer. De werkfrequentie moet zo worden gekozen dat de lengte van de transmissielijn typisch een tiende tot een vierde van de RF-golflengte in de lucht is. Figuur 3 illustreert dit geschatte frequentiebereik. Een lagere frequentie geeft de beste lineariteit van retourverlies versus vloeistofniveau, terwijl een hogere frequentie een groter bereik aan retourverliessignalen geeft, maar de lineariteit is mogelijk niet zo goed en er kan een terugslag van de meting optreden (Figuur 2). Als naleving van uitgestraalde emissies vereist is, kan de frequentie worden gekozen uit de lijst met toepasselijke ISM-frequenties [2].
• Ontwerp of kies een balun voor de gekozen frequentie of frequentieband. De balun kan een LC- of transformatorgebaseerd element zijn. De balun zou een uitstekend rendementsverlies moeten vertonen wanneer deze aan het gebalanceerde einde wordt beëindigd.
• Bereken de geleiderbreedte en afstandsafmetingen van de transmissie. Hiervoor is een transmissielijnimpedantiecalculator zoals een willekeurige transmissielijncalculator (ATLC) handig[3].

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3. Aanbevolen werkfrequentie vs. transmissielijnlengte. (Bron:Analoge apparaten)

Een eenvoudig ontwerpvoorbeeld

Voor demonstratiedoeleinden werd een vloeistofniveaumonitor ontworpen voor een ruitensproeiertank voor auto's. De testopstelling verplaatst water tussen twee identieke tanks, waarvan er één een transmissielijn moet hebben, voor vloeistofniveaumeting.

In overeenstemming met de vorige opzet:

• Omdat de tankhoogte ongeveer 15 m is, is een doel-RF-excitatie van ongeveer 300 MHz geschikt (zie afbeelding 3).
• Vervolgens wordt een LC balun ontworpen en gebouwd voor dit frequentiebereik. Een lichte step-up impedantietransformatie naar Z_O is gewenst om de gevoeligheid voor de variatie in vloeistofniveau te vergroten [4] (zie figuur 4). Een netwerkanalysator of reflectometer wordt gebruikt om een ​​retourverlies van ongeveer 30 dB of beter op de enkelzijdige poort te verifiëren, waarbij de vaste resistieve afsluiting rechtstreeks op de balun is aangesloten, voordat de transmissielijn wordt aangesloten.
• Een parallelle transmissielijn is ontworpen en gefabriceerd met Z_O gelijk aan de eerder gebruikte weerstandswaarde. De transmissielijn is in het circuit aangesloten en de weerstandsafsluiting gaat naar het einde van de lijn. Zie Afbeelding 4 en Afbeelding 5. De netwerkanalysator of reflectometer wordt opnieuw gebruikt om te controleren of het retourverlies goed blijft - ongeveer 25 dB of beter.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4. Balun en transmissielijn gebruikt voor bijvoorbeeld vloeistofniveaumeting. (Bron:Analoge apparaten)

klik voor grotere afbeelding

Figuur 5. Discrete balun en afgesloten transmissielijn, voordat ze aan de tank worden bevestigd. (Bron:Analoge apparaten)

Nu kan de transmissielijn aan de zijkant van de tank worden bevestigd, zoals weergegeven in figuur 6. Het is normaal dat het retourverlies iets daalt wanneer deze op een lege tank wordt bevestigd vanwege het ontstemde effect van het tankwandmateriaal als een extra diëlektrische laag op de transmissielijn.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 6. Voorbeeldontwerp met de transmissielijn die aan de zijkant van de tank is bevestigd. (Bron:Analog Devices)

Voorbeeld testresultaten

Figuur 7 toont een complete testopstelling. De transmissieleiding is bevestigd aan de zijkant van een tank en de tank is voorzien van een voorziening voor gecontroleerd vullen en leeglopen. Een evaluatiekit zoals de DC2847A van Analog Devices kan worden gebruikt om de meetresultaten van de reflectometer gemakkelijk af te lezen. Deze evaluatiekit bevat een MCU met gemengd signaal om de analoge spanningen van de voorwaartse en gereflecteerde detector te lezen. PC-software zal automatisch de resultaten laden en weergeven in grafisch formaat versus tijd. Retourverlies kan eenvoudig worden berekend als het verschil tussen voorwaartse en gereflecteerde vermogensmetingen. Afbeelding 7 toont de volledige testopstelling voor het ontwerpvoorbeeld.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 7. Volledige testopstelling voor het ontwerpvoorbeeld. (Bron:Analog Devices)

In dit ontwerpvoorbeeld worden omstandigheden voor het vloeistofniveau bepaald door een pomp op een van de twee tanks te activeren. Het massadebiet is relatief constant wanneer een pomp draait, dus idealiter stijgt het vloeistofniveau in de tank lineair met de tijd. In de praktijk is de tankdoorsnede niet helemaal consistent van boven naar beneden.

Afbeelding 8 toont de testresultaten terwijl het vloeistofpeil van vol naar leeg gaat. Terwijl vloeistof uit de tank wordt gepompt, blijft het voorwaartse vermogen constant, terwijl het gereflecteerde vermogen relatief lineair daalt.

Op t =33 seconden treedt een zichtbare verandering in helling op. Aangenomen wordt dat dit te wijten is aan het ontwerp van de tank. Het dwarsdoorsnede-oppervlak van de tank is verkleind aan het onderste uiteinde van de tank, zoals te zien is in figuur 7, om ruimte te creëren voor de pompmotor. Dit introduceert een niet-lineariteit van de meting die indien nodig gemakkelijk in de systeemfirmware kan worden gecorrigeerd.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 8. Voorbeeld testresultaten vs. vloeistofniveau. Vloeistofniveaumeting is lineair en monotoon, met uitzondering van het tankontwerp zoals vermeld in de tekst. (Bron:Analog Devices)

Kalibratie

Voor de beste nauwkeurigheid is kalibratie van de reflectometer vereist. Kalibratie corrigeert de fabricagevariatie van de RF-detectoren in de reflectometer, namelijk helling en intercept. De DC2847A evaluatiekit ondersteunt individuele kalibratie, zoals te zien is in Afbeelding 8.

Op een hoger niveau moet het vloeistofniveau vs. retourverlies ook worden gekalibreerd. Dit kan te wijten zijn aan de volgende bronnen van onzekerheid:

• Fabrieksvariatie van de afstand tussen transmissielijn en tankwand.
• Variatie in tankwanddikte.
• Diëlektrische eigenschappen van vloeistof en/of tankwand kunnen variëren ten opzichte van de temperatuur.

Er kunnen systematische niet-lineariteiten bestaan, bijvoorbeeld de verandering in helling waargenomen in figuur 8. Als lineaire interpolatie wordt gebruikt, is in dit geval een drie- of meerpuntskalibratie noodzakelijk.

Alle kalibratiecoëfficiënten worden doorgaans opgeslagen in het niet-vluchtige geheugen van het systeem, wat ongebruikte coderuimte kan zijn in een ingebedde processortoepassing, of een speciaal niet-vluchtig geheugenapparaat.

Beperkingen voor vloeistofniveaumeting

Directiviteit van elke reflectometer is een belangrijke specificatie. Balun-verliezen verwaarlozen, wanneer de transmissielijn precies wordt afgesloten met zijn eigen Z_O , gaat het gereflecteerde vermogen naar nul en de reflectometer meet zijn eigen gerichtheidsspecificatie. Hoe hoger de gerichtheidsspecificatie, hoe beter het vermogen van de reflectometer om de magnitudes van invallende en gereflecteerde golven nauwkeurig te scheiden.

Voor de ADL5920 wordt de richtingsgevoeligheid gespecificeerd als 20 dB typisch bij 1 GHz, oplopend tot ongeveer 43 dB typisch bij 100 MHz of lager. Dit maakt de ADL5920 zeer geschikt voor vloeistofniveaumetingen waarbij de tankhoogte ongeveer 30 mm of hoger is (zie afbeelding 3).

Applicatie-extensies

Voor sommige toepassingen kan het basisprincipe van contactloze vloeistofniveaumeting op verschillende manieren worden uitgebreid. Bijvoorbeeld:

• De meting kan worden uitgevoerd bij een lage inschakelduur om stroom te besparen.
• Als het vloeistofniveau constant wordt gehouden, kan de meting van het retourverlies correleren met een andere interessante vloeistofeigenschap; bijvoorbeeld viscositeit of pH.
• Elke toepassing is uniek. Er zijn bijvoorbeeld enkele technieken die een betere nauwkeurigheid kunnen bieden aan de bovenkant van de schaal, in vergelijking met de onderkant, of omgekeerd, afhankelijk van de toepassing.
• Als de tank van metaal is, moet de transmissielijn naar binnen gaan. Afhankelijk van de toepassing kan de transmissielijn ondergedompeld zijn.
• Metingen op meer dan één RF-vermogensniveau kunnen helpen bepalen of externe RF-interferentie een bijdragende fout is. Veel PLL-apparaten met één chip ondersteunen deze functie, wat een betrouwbaarheidstest voor het systeem of een zelftest wordt.
• Transmissielijnsensoren aan twee of vier zijden van de tank kunnen het kantelen van containers langs één of twee assen compenseren,
• Als meting van de vloeistofniveaudrempel het doel is, kunnen een of meer kortere transmissielijnen met een hogere frequentie een goede oplossing zijn.

Conclusie

De ontwikkeling van een reflectometer-apparaat met één chip, zoals de ADL5920, brengt nieuwe soorten toepassingen met zich mee, zoals instrumentatie op vloeistofniveau. Het elimineren van bewegende delen, zoals een mechanische vlotter die al jaren wordt gebruikt, zal resulteren in een enorme toename van de betrouwbaarheid. Bewaking van het olie- en brandstofniveau is misschien ook mogelijk, waardoor veel nieuwe industriële en automobieltoepassingen worden geopend.

Voetnoten

1 De aanwezigheid van vloeistof beïnvloedt de impedantie, het verlies en de voortplantingssnelheid van de transmissielijn.

2 Industriële, wetenschappelijke en medische frequenties. Bezoek en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .

3 ATLC:willekeurige transmissielijncalculator (voor transmissielijnen en directionele koppelaars). Bezoek atlc.sourceforge.net .

4 Een te grote impedantieverhoging maakt het ontwerpen van de transmissielijn moeilijk en de transmissielijnverliezen kunnen buitensporig worden.

Erkenningen

De auteur wil Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen en John Chung bedanken. Zonder hun begeleiding en hulp zou dit artikel niet mogelijk zijn.