Contactloze vloeistofniveausensing met een reflectometer-chip

Vloeistofniveaus meten zonder gaten te boren is mogelijk door een lucht-dielectrische transmissielijn aan de buitentank te klemmen en de verandering in RF-impedantie te detecteren met een reflectometer-chip. Deze gids wandelt door een empirisch ontwerpvoorbeeld dat demonstreert hoe een single-chip reflectometer, zoals Analog Devices' ADL5920, het proces kan vereenvoudigen.

Vergeleken met conventionele drijfstof-gebaseerde sensoren, biedt een reflectometer-gebaseerd systeem:

• Real-time, high-speed metingen
• Uitgebreide digitale post-verwerking
• Contactloze werking – geen vloeistofcontaminatie
• Geen bewegende delen, wat betrouwbaarheid verhoogt
• Minimale gestraalde RF – far-field cancellatie
• Lek-vrij ontwerp – geen penetraties in de tankwand
• Intrinsieke veiligheid – geen elektrische componenten binnenin de tank

Overzicht vloeistofniveaumeting

Het systeemblokdiagram in Figuur 1 toont een RF-bron die een gebalanceerde, 50-Ω getermineerde lucht-dielectrische lijn met een inline reflectometer aandrijft.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1. Vloeistofniveaumetingsysteem blokdiagram. (Bron: Analog Devices)

Werkingsprincipe

Lucht-dielectrische lijnen vertonen lage verliezen en een goed gedefinieerde karakteristieke impedantie (Z₀). Wanneer een dielectrisch materiaal – zoals de tankwand of de vloeistof erin – de lijn benadert, verschuiven de impedantie, voortplantingssnelheid en demping. Een reflectometer meet de resulterende return loss, wat gecorreleerd kan worden aan vloeistofniveau. Belangrijke effecten omvatten:

• Lagere karakteristieke impedantie
• Gereduceerde voortplantingssnelheid, vergroting van effectieve elektrische lengte
• Hogere demping

Wanneer de lijn voor het eerst aan de tank bevestigd wordt, verlaagt het near-field dielectrisch van de tankwand de impedantie lichtjes naar Z_OA en vergroot de elektrische lengte (Trace 1 in Figuur 2). Naarmate de tank volloopt met vloeistof, daalt de impedantie verder naar Z_OF, wat de Smith-chart trace met de klok mee laat draaien (Trace 2 en Trace 3) en de return loss aan de bron-kant reduceert.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2. Smith-chart weergave van transmissielijn input impedantie. Trace-eindpunten tonen hoe vloeistofniveau vertaalt naar return loss. (Bron: Analog Devices)

Om ambiguïteit te vermijden, moet de elektrische lengte van de lijn ≤90° zijn; anders lijkt de return loss terug te vouwen.

Balun-rol

De balun drijft de lijn met gelijke maar tegenovergestelde AC-spanningen, wat twee hoofdvoordelen biedt:

• Onderdrukt verveling RF-koppeling, verbetering EMI-naleving
• Transformeert hogere impedantie, verbreedt geleiderafstand en verdiept het elektrische veld voor grotere gevoeligheid

De balun moet een hoge common-mode rejection ratio leveren over het werkingsband.

Bandpasfilter

Wanneer vervelende RF in de lijn kan koppelen, wordt een bandpasfilter (zie Figuur 1) aanbevolen. Het moet een lage insertieverlies en return loss beter dan ~30 dB hebben.

Basisonteerprocedure

1. Kies een werkende frequentie zodat de lijnlengte 0,1–0,25 is van de vrije-ruimte golflengte. Lagere frequenties leveren betere lineariteit; hogere frequenties verhogen return-loss bereik maar riskeer fold-back. ISM-band selecties beschikbaar op Wikipedia: ISM band.
2. Ontwerp of selecteer een balun voor de gekozen frequentie. Verifieer ~30 dB return loss op een single-ended poort met de resistieve terminatie bevestigd.
3. Gebruik een arbitrary transmission line calculator (ATLC) (ATLC) om geleiderbreedte en -afstand te berekenen voor de doel Z₀.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3. Aanbevolen werkende frequentie vs. transmissielijn lengte. (Bron: Analog Devices)

Een simpel ontwerpvoorbeeld

We bouwden een niveausensor voor een autowindshield-was-tank (~15 cm hoog). De ontwerpstappen waren:

1. Doelfrequentie ~300 MHz (zie Figuur 3).
2. Ontworpen een LC-balun met een lichte impedantie stap-up voor verbeterde gevoeligheid; geverifieerd ~30 dB return loss.
0 matcht; gemeten ~25 dB return loss met de lijn in-circuit.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4. Balun en transmissielijn gebruikt voor vloeistofniveausensing voorbeeld. (Bron: Analog Devices)

klik voor grotere afbeelding

Figuur 5. Discrete balun en getermineerde transmissielijn voor bevestiging aan de tank. (Bron: Analog Devices)

Na bevestiging van de lijn aan de tank (Figuur 6), werd een lichte daling in return loss waargenomen door de tankwand die fungeert als extra dielectrisch.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 6. Transmissielijn bevestigd aan de tankzijde. (Bron: Analog Devices)

Voorbeeld testresultaten

De volledige testsetup wordt getoond in Figuur 7. Een DC2847A evaluatiekit leest forward en reflected power (dBm) van de ADL5920, berekent automatisch return loss en toont de resultaten grafisch.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 7. Complete testsetup voor het ontwerpvoorbeeld. (Bron: Analog Devices)

Tijdens pompen steeg het tankniveau lineair, en reflected power daalde accordingly. Op ~33 s verscheen een hellingsverandering door de getapte bodem van de tank – een effect dat in firmware gecorrigeerd kan worden.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 8. Testresultaten vs. vloeistofniveau. Lineair en monotoon, behalve voor tank-ontwerp geïnduceerde non-lineariteit. (Bron: Analog Devices)

Kalibratie

Twee kalibratieschreden verbeteren nauwkeurigheid:

• Apparaatkalibratie – corrigeert voor helling en intercept variaties in de ADL5920. De DC2847A kit voert dit automatisch uit.
• Vloeistofniveau-kalibratie – map return loss naar niveau, rekening houdend met productietoleranties, tankwanddikte en dielectrische veranderingen met temperatuur. Gebruik minstens drie kalibratiepunten als non-lineariteit aanwezig is.

Kalibratieconstanten worden opgeslagen in non-volatile memory, ofwel binnen een ingesloten processor of op een dedicate EEPROM.

Meetbeperkingen

De reflectometer's directiviteit bepaalt hoe goed het incident en gereflecteerde golven scheidt. Voor de ADL5920 is directiviteit ~20 dB bij 1 GHz, verbeterend tot ~43 dB bij 100 MHz of lager, wat het geschikt maakt voor tanks ≥30 mm hoog.

Toepassingsuitbreidingen

Potentiële uitbreidingen omvatten:

• Low-duty-cycle werking voor stroombesparing
• Return-loss correlatie met viscositeit of pH wanneer niveau constant is
• Hoog-nauwkeurige meting aan de boven- of onderkant van de schaal door sensorgeometrie aan te passen
• Metallische tanks kunnen gedompelde transmissielijnen vereisen
• Meerdere RF-vermogensniveaus voor self-test tegen externe interferentie
• Multi-zijde transmissielijnen om tank-kanteling te compenseren
• Korte, hoge-frequente lijnen voor drempeldetectie

Conclusie

De ADL5920's single-chip reflectometer opent een nieuwe klasse vloeistofniveausensoren die bewegende delen elimineren, contaminatierisico reduceren en hoge betrouwbaarheid bieden voor industriële en automobiele toepassingen zoals olie- en brandstofmonitoring.

Erkenningen

Dank aan Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen, en John Chung voor hun begeleiding.