流體級測量可通過非金屬罐壁精確測量,方法是將空氣-電傳輸線路置于罐側(cè),并感知射頻阻抗。本文提供了一個實證設(shè)計實例,說明反射計裝置如何簡化設(shè)計。
與可能涉及機(jī)械浮筒的傳統(tǒng)流體級傳感方法相比,基于反射計的方法提供了若干好處,包括:
· 快速、實時流體級測量
· 廣泛的電子后處理成為可能
· 無接觸設(shè)計(無液體污染)
· 無移動部件
· 最小輻射射頻場(遠(yuǎn)場取消)
· 內(nèi)部傳感器的水箱無孔(減少泄漏的可能性)
· 內(nèi)部安全,由于水箱中沒有電線或零部件
流體級測量概覽
圖1顯示了一個整體系統(tǒng)的框圖,該系統(tǒng)由一個射頻信號源組成,該信號源驅(qū)動平衡和終止的空氣----電傳輸線,其反射計位于線路內(nèi)。
圖1流體級測量系統(tǒng)框圖。
操作原則
由于導(dǎo)體損耗率低和缺乏固體介質(zhì)材料,可設(shè)計出高精度特性阻抗和低射頻損耗的空氣中懸浮傳輸線。經(jīng)典的E和H矢量圖表明,電場和磁場集中在導(dǎo)體周圍,它們的大小隨距離的減少而下降得很快,而距離是根據(jù)輸電線路結(jié)構(gòu)本身的大小和間距來測量的。任何鄰近的介質(zhì)材料,如液體罐壁和內(nèi)流體,都會改變輸電線路的電氣特性,可以用反射計如?ADL5920 從模擬裝置。
詳細(xì)說明
考慮為特定特性阻抗Z設(shè)計的空氣、電、低損耗輸電線路的情況 O 在空中。任何添加的介質(zhì)物質(zhì),例如在輸電線路近場的流體,將:
· 降低輸電線路的特性阻抗,
· 降低傳播速度,從而增加線路的有效電氣長度;
· 增加線路的衰減。
所有這三種效果結(jié)合起來可以減少回報損失,這是直接可測量的反射器設(shè)備或儀器。經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計和校準(zhǔn),返回?fù)p失可以與流體水平相關(guān).
為了簡化分析,考慮圖1的空氣電傳輸線路,阻抗設(shè)置等于Z O 把繩子系在水箱上。因為這條線路是用Z終止的 O ,理論上,沒有反射能量,回報損失是無限的。
在輸電線路被固定在水箱的側(cè)面之后,原來的一條輸電線路現(xiàn)在變成了兩條獨立的輸電線路,以系列的形式級聯(lián):
· 在液位以上,傳輸線為空氣介質(zhì),但水箱壁傳輸線阻抗Z除外 OA 與它的空氣介質(zhì)值Z相比變化很小 O .傳輸線路的傳播速度也是如此。
· 在液體水平以下,輸電線路阻抗Z 屬于…的 比Z低 OA .電氣長度的有效增加,與衰減一樣,都是由于在輸電線路的近場存在著額外的介質(zhì)材料。
終止Z的阻抗 O 當(dāng)用反射計在傳輸線路的源端測量時,傳輸線路的遠(yuǎn)端將發(fā)生變換。圖2以圖形方式描述了轉(zhuǎn)換,大致如圖2所示。因為Z 屬于…的 比z低 O ,創(chuàng)建一個順時針旋轉(zhuǎn)的史密斯圖表,如箭頭所示。
圖2擴(kuò)展,標(biāo)準(zhǔn)化史密斯圖表示輸電線路輸入阻抗。跟蹤端點描述流體水平如何轉(zhuǎn)換為返回?fù)p失的測量。
當(dāng)傳輸線路阻抗與線路端的電阻端精確匹配時,傳輸線路不發(fā)生阻抗變換。這個條件對應(yīng)于史密斯圖2的中心,圖2顯示1+J0的標(biāo)準(zhǔn)化阻抗。返回?fù)p失至少應(yīng)為26分貝 在輸電線路連接在水箱上.
在將輸電線路連接到空水箱后,水箱壁材料將為輸電線路提供一些額外的介電材料,從而降低輸電線路的阻抗為Z OA ,并略微增加輸電線路的有效電氣長度,跟蹤1,如圖2所示。返回?fù)p失仍應(yīng)很好地衡量在大約20分貝.
當(dāng)液位上升時,由于流體取代一部分空氣作為介質(zhì)傳輸,傳輸線阻抗降低。傳輸線路阻抗是Z OA 現(xiàn)在變成Z 屬于 .因此,史密斯圖表上的旋轉(zhuǎn)中心移動更低.同時,史密斯圖表旋轉(zhuǎn)量增加,因為輸電線路的有效電氣長度增加。圖2中的跟蹤2和跟蹤3描述了這一點。因此,反射計的測量減少了發(fā)電機(jī)端的收益損失。
由于反射計測量的是反射幅度,而不是相位,所以阻抗變換應(yīng)該限制在史密斯圖表的下半部分,即反應(yīng)分量為負(fù)。否則,阻抗被轉(zhuǎn)換回到史密斯圖表的中心,造成一個大小測量的歧義。這意味著連接在整個水箱上的輸電線路的電氣長度應(yīng)為90°或更小。如果電氣長度超過90°,所測量的返回?fù)p失就會出現(xiàn)折疊。
一種雙向射頻檢測器,如Adl5920,可以沿特性阻抗Z的射頻傳輸線,測量DBM單元中的入射功率和反射功率。 O =50。減去這兩個讀數(shù)直接衡量在db中的回報損失。簡單地說,當(dāng)射頻源連接到負(fù)載時,會發(fā)生返回?fù)p失。部分功率將轉(zhuǎn)移到負(fù)載,其余的將被反射回源。這兩個功率級的區(qū)別在于回報損失。這基本上是一個衡量負(fù)載對源的匹配程度的尺度。
巴倫語的目的
巴倫可以用相等的極性交流電壓來驅(qū)動每一個導(dǎo)體,因此有兩個主要目的:
· 減少雜散射頻耦合和從傳輸這是重要的監(jiān)管排放和敏感性遵守。無論朝哪個方向,遠(yuǎn)場EMI都會因取消而減小。
· 轉(zhuǎn)換更高的阻抗意味著輸電線路元件更寬的間距,這意味著更深的電場滲透到容器。結(jié)果是收益損失相對于收益損失的變化更大。流體水平,這意味著一個更敏感的流體水平測量。
該不平衡設(shè)計應(yīng)提供良好的共模排斥比(CMRS)在整個通過帶通濾波器。
是否需要帶通濾波器?
每當(dāng)雜散射頻可以連接到輸電線路時,建議使用圖1中的可選帶通濾波器。帶通濾波器將非常有助于減少或消除來自Wi-Fi、手機(jī)和個人電腦服務(wù)、陸地移動無線電和所有其他外部信號的干擾,這些信號與所需的信號源不同。
為了取得最佳結(jié)果,建議帶通濾波器設(shè)計采用低插入損失,返回?fù)p失與返回?fù)p失測量的損失相稱,即大約30分貝或更好的可能性。
基本設(shè)計程序
設(shè)計程序大綱大致如下:
· 根據(jù)正常傳輸?shù)拈L度選擇一個工作頻率,傳輸線路長度將與水箱高度相同或稍長。應(yīng)選擇傳輸線路長度一般為空氣中射頻波長的十分之一至四分之一的工作頻率。圖3說明了這個近似頻率范圍。一個較低的頻率將提供最好的線性回報損失。流體水平,雖然較高的頻率會提供更大范圍的返回?fù)p失信號,但線性度可能沒有那么好,并且測量可能出現(xiàn)折回(圖2)。如果要求遵守輻射排放,可從適用的ISM頻率清單中選擇頻率。
· 為選擇的頻率或頻帶設(shè)計或選擇一個巴倫。該巴倫可以是基于塊或變壓器的LC。當(dāng)平衡端終止時,巴倫應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的回報損失。
· 計算輸電線路阻抗計算器(如任意輸電線路計算器)的導(dǎo)體寬度和間距尺寸在這方面是有用的。
圖3建議的操作頻率輸電線路長度。
一個簡單的設(shè)計例子
為了演示的目的,設(shè)計了一個汽車擋風(fēng)玻璃清洗槽流體級監(jiān)測器。測試裝置將水移動到兩個相同的水箱之間,其中之一是安裝一條輸電線路,用于流體水平測量。
根據(jù)先前的大綱:
· 由于坦克高度大約為6英寸(15米),所以適當(dāng)?shù)淖龇ㄊ菍⒛繕?biāo)射頻激發(fā)到300兆赫(見圖3)。
· 其次,針對此頻率范圍設(shè)計并構(gòu)造了一個LC巴倫。稍微加強(qiáng)阻抗變換為Z O 提高對流體水平變化的敏感性(見圖4)。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計用于驗證大約30分貝或更好的返回?fù)p失的單端端口,固定電阻終止直接連接到巴倫,之前連接傳輸線。
· 用Z設(shè)計并制作了一條平行輸電線路。 O 等于先前使用的電阻值。傳輸線路連接在電路中,電阻端移動到線路的末端。見圖4和圖5。網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計再次用于驗證返回?fù)p失保持良好--大約25分貝或更好。
圖4液位傳感用的巴倫和傳動線。
圖5離散巴倫和終止輸電線路,在安裝到水箱之前。
現(xiàn)在,輸電線路可以連接到水箱的側(cè)面,如圖6所示。由于罐壁材料作為傳輸線上的額外介質(zhì)層而產(chǎn)生的失諧效應(yīng),在空罐上附著時,稍微觀察返回?fù)p失下降是正常的。
圖6展示安裝在水箱側(cè)面的輸電線路的示例設(shè)計。
示例測試結(jié)果
圖7顯示了完整的測試設(shè)置。輸電線路被固定在水箱的側(cè)面,而水箱有以一種控制的方式填充和排放的規(guī)定。一套評估工具像?DC2847A 從模擬裝置可以使用容易讀取的反射計測量結(jié)果。該評估包包括一個混合信號單片機(jī)讀取前向和反射探測器模擬電壓。PC軟件將自動加載和顯示結(jié)果的圖形化格式.時間。返回?fù)p失很容易計算為正向功率和反射功率測量之間的差額.圖7顯示了設(shè)計示例的完整測試設(shè)置。
圖7完成設(shè)計示例的測試設(shè)置
在本設(shè)計示例中,通過激活兩個水箱中的一個水箱上的泵來建立流體水平條件。當(dāng)泵運行時,質(zhì)量流量是相對恒定的,因此理想的情況下,水箱斜道中的流體水平隨時間呈線性。在實際操作中,水箱截面并非自上而下完全一致。
圖8顯示了測試結(jié)果,因為流體水平從滿到空。當(dāng)流體被泵出水箱時,向前功率保持恒定,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,油箱的橫截面面積在油箱的下端減小,以為泵電機(jī)創(chuàng)造空間。介紹了一種可在系統(tǒng)固件中容易修正的測量非線性。
圖8示例測試結(jié)果與。液體水平。流體級測量是線性和單調(diào)的,但由于坦克設(shè)計的例外,如本文所述。
校準(zhǔn)
為了達(dá)到最佳的精度,需要對反射計進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將糾正反射計內(nèi)射頻探測器的制造變化--即斜率和攔截量。DC2847A評價工具包支持個體校準(zhǔn),如圖8所示。
在更高的層次,液體水平相對于。回報損失也需要校準(zhǔn)。這可能是由于以下不確定因素造成的:
· 輸電線路與水箱壁距離的制造變化。
· 罐壁厚度的變化。
· 流體和/或罐壁介電性能可能不同于。體溫。
有系統(tǒng)的非線性可能存在,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或更多點的校準(zhǔn)。
所有校準(zhǔn)系數(shù)通常都存儲在系統(tǒng)的非易失性內(nèi)存中,這可能是嵌入式處理器應(yīng)用程序或?qū)Ｓ玫姆且资詢?nèi)存設(shè)備中未使用的代碼空間。
流體級測量限制
任何反射計的方向性是一個關(guān)鍵的規(guī)格。忽略巴倫損失,當(dāng)輸電線路用自己的Z精確終止時 O ,反射功率為零,反射計測量自己的方向性規(guī)格。方向性規(guī)范越高,反射計就越有能力精確地分離入射波和反射波的大小。
對于Adl5920,方向性被指定為在1千兆赫處典型的20分貝,在100兆赫或更低處增加到典型的大約43分貝。這使得Adl5920非常適合于液體水平測量,在那里,坦克高度大約30毫米或以上(見圖3)。
申請擴(kuò)展
對于某些應(yīng)用,基本的非接觸式流體級測量原理可以通過多種方式擴(kuò)展。例如:
· 測量可以在低工作周期進(jìn)行,以節(jié)約電力.
· 如果流體水平保持恒定,返回?fù)p失的測量可能與其他利益流體性質(zhì)相關(guān),例如粘度或PH值。
· 每個應(yīng)用程序都是唯一的。例如,有些技術(shù)可以在尺度的頂端提供更好的精確度,與底部相比,或者相反,這取決于應(yīng)用程序。
· 如果水箱是金屬的,輸電線路將需要進(jìn)入到根據(jù)應(yīng)用,輸電線路可以被淹沒。
· 在多個射頻功率級的測量可以幫助識別外部射頻干擾是否是一個導(dǎo)致錯誤。許多單片機(jī)PLL設(shè)備支持這個功能,它成為系統(tǒng)的信任測試,或自我測試。
· 水箱兩側(cè)或兩側(cè)的傳輸線傳感器可以補償容器沿一個或兩個軸傾斜,
· 如果流體級閾值測量是目標(biāo),一個或多個較短的傳輸線路在較高頻率運行可以是一個好的解決方案。
結(jié)論
像Adl5920這樣的單片機(jī)反射計裝置的發(fā)展帶來了新型的應(yīng)用,比如流體級儀器。消除移動部件,例如多年來一直使用的機(jī)械浮子,將會大大提高可靠性。油和燃料水平的監(jiān)測也可能是可行的,這打開了許多新的工業(yè)和汽車應(yīng)用。
下載文檔
