使用反射计芯片的非接触式液位测量
通过将空气电介质传输线靠在储罐的侧面并感测射频阻抗，可以穿过非金属储罐的壁准确测量液位测量值。本文提供了一个经验设计示例，说明了反射计设备如何简化设计。
与可能涉及机械浮子的传统液位传感方法相比，基于反射计的方法具有多种优势，包括：
- 快速、实时的液位测量
- 广泛的电子后处理成为可能
- 非接触式设计（不会污染液体）
- 没有活动部件
- 最小辐射射频场（远场抵消）
- 水箱上没有用于内部传感器的孔（减少泄漏的可能性）
- 本质安全，因为罐中没有电线或零件
液位测量概述
图 1 显示了整个系统的框图，由一个射频信号源驱动平衡和端接空气介质传输线，反射计位于内嵌。
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图 1. 液位测量系统框图。 （来源：Analog Devices）
工作原理
由于低损耗导体和缺乏固体介电材料，悬浮在空气中的传输线可以设计为具有精确的特性阻抗和低射频损耗。 E 和 H 向量的经典图显示电场和磁场集中在导体周围，并且它们的大小随距离衰减非常快，其中距离是相对于传输线结构本身的尺寸和间距来测量的。任何附近的介电材料（例如流体罐壁和其中的流体）都会改变传输线的电气特性 [1]，可以使用反射计（例如 ADI 公司的 ADL5920）进行简要测量。
详细说明
考虑为空气中的特定特性阻抗 ZO 设计的空气介电、低损耗传输线的情况。传输线近场中任何添加的介电物质（例如流体）将：
- 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气长度，以及
- 增加线路的衰减。
所有这三种效应结合起来可以减少回波损耗，这可以通过反射计设备或仪器直接测量。通过精心设计和校准，回波损耗可以与液位相关联。
为简化分析，请考虑图 1 中阻抗设置为 ZO 的空气介质传输线，然后再将该线连接到储罐。由于线路以ZO终止，理论上没有反射能量，回波损耗无穷大。
将传输线固定到坦克的侧面后，原来的一条传输线现在表现为两条独立的传输线，以串联配置级联：
- 在液位以上，传输线是空气介电的，除了罐壁传输线阻抗 ZOA 与其空气介电值 ZO 几乎没有变化。传输线传播速度也是如此。
- 在液位以下，传输线阻抗 ZOF 与 ZOA 相比变得更低。电长度有效地增加，衰减也是如此，这一切都是因为传输线的近场中存在额外的介电材料。
当传输线源端的反射计测量时，传输线远端的终端 ZO 的阻抗将发生变化。转换以图形方式描述，大致如图 2 所示。由于 ZOF 低于 ZO，因此创建了顺时针史密斯圆图旋转，如箭头所示。
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图 2. 传输线输入阻抗的扩展、归一化史密斯圆图表示。轨迹端点描述了液位如何转化为回波损耗测量。 （来源：Analog Devices）
当传输线阻抗与线路末端的电阻终端精确匹配时，不应因传输线而产生阻抗变换。这种情况对应于史密斯圆图的中心，图 2，显示了 1 + j0 Ω 的归一化阻抗。回波损耗应至少为 26 dB 之前 传输线附在油箱上。
将传输线连接到空罐后，罐壁材料会为传输线贡献一些额外的介电材料，从而降低线对 ZOA 的阻抗，并略微增加传输线的有效电气长度，迹线 1 ，如图 2 所示。回波损耗在大约 20 dB 时仍应测量得相当好。
随着罐中液位的升高，由于流体取代了部分空气作为电介质传输，传输线阻抗会降低。原来是 ZOA 的传输线阻抗现在变成了 ZOF。因此，史密斯圆图上的旋转中心向下移动。同时，史密斯圆图旋转量增加，因为传输线的有效电气长度增加。这由图 2 中的迹线 2 和迹线 3 描述。因此，反射计测量到线路发电机端的回波损耗降低。
由于反射计测量的是反射幅度，而不是相位，因此阻抗变换应限制在史密斯圆图的下半部分，其中电抗分量为负。否则，阻抗会被转换回史密斯圆图的中心，导致幅度测量模糊。这意味着连接到满罐的传输线的电气长度应为 90° 或更小。如果电气长度超过90°，测得的回波损耗将出现折返。
双向射频检测器（例如 ADL5920）可以沿特征阻抗 ZO =50 Ω 的射频传输线以 dBm 为单位测量入射和反射功率。减去这两个读数直接测量以 dB 为单位的回波损耗。简单来说，回波损耗发生在射频源连接到负载时。一些功率将转移到负载，其余的将反射回源。这两个功率电平之间的差异是回波损耗。它本质上是衡量负载与源匹配程度的指标。
巴伦的目的
巴伦用于以相等但极性相反的交流电压驱动每个导体，因此有两个主要目的：
- 减少与传输之间的杂散 RF 耦合这对于监管排放和敏感性合规性非常重要。任一方向的远场 EMI 都会通过消除来降低。
- Transforming 更高的阻抗意味着更宽的传输线元件间距，这意味着更深的电场渗透到容器中。结果是回波损耗相对于液位的变化更大，这意味着液位测量更加灵敏。
巴伦的设计应在带通滤波器的整个通带范围内提供良好的共模抑制比 (CMRR)。
是否需要带通滤波器？
当杂散 RF 可能耦合到传输线时，建议使用图 1 中的可选带通滤波器。带通滤波器将非常有助于减少或消除来自 Wi-Fi、蜂窝和 PCS 服务、陆地移动无线电以及与所需源不在同一频段的所有其他外部信号的干扰。
为获得最佳结果，建议带通滤波器设计具有低插入损耗，回波损耗与回波损耗测量相匹配；也就是说，如果可能，大约 30 dB 或更好。
基本设计程序
设计流程大致如下：
- 根据传输长度选择工作频率 通常，传输线长度与油箱高度大致相同或略长。应选择工作频率，使得传输线长度通常为空气中射频波长的十分之一到四分之一。图 3 说明了这个大致的频率范围。较低的频率将提供最佳的回波损耗与液位的线性关系，而较高的频率将提供更大范围的回波损耗信号，但线性度可能不那么好，并且可能会发生测量折返（图 2）。如果需要符合辐射发射要求，则可以从适用的 ISM 频率列表[2] 中选择频率。
- 为所选频率或频段设计或选择巴伦。巴伦可以是基于集总元件的 LC 或变压器。巴伦在平衡端端接时应表现出出色的回波损耗。
- 计算传输的导体宽度和间距尺寸 传输线阻抗计算器（例如任意传输线计算器 (ATLC)）可用于此目的[3]。
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图 3. 推荐的工作频率与传输线长度的关系。 （来源：Analog Devices）
一个简单的设计示例
出于演示目的，设计了用于汽车挡风玻璃清洗器罐的液位监测器。测试装置在两个相同的水箱之间移动水，其中一个水箱附有传输线，用于液位测量。
按照之前的大纲：
- 因为储罐高度约为 6" (15 m)，所以目标 RF 激励大约为 300 MHz（见图 3）。
- 接下来，针对该频率范围设计和构建了一个 LC 巴伦。需要对 ZO 进行轻微的升压阻抗变换，以增加对液位变化的敏感度 [4]（见图 4）。在连接传输线之前，使用网络分析仪或反射计来验证单端端口上大约 30 dB 或更好的回波损耗，固定电阻终端直接连接到巴伦。
- 设计并制造了一条平行传输线，其 ZO 等于之前使用的电阻值。传输线连接在电路中，电阻终端移动到线的末端。请参见图 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良好 - 大约为 25 dB 或更好。
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图 4. 用于液位传感示例的巴伦和传输线。 （来源：Analog Devices）
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图 5. 分立巴伦和端接传输线，在固定到油箱之前。 （来源：Analog Devices）
现在可以将传输线连接到储罐的侧面，如图 6 所示。由于储罐壁材料作为附加介电层的失谐效应，当将其固定到空储罐时，观察到回波损耗略有下降是正常的。传输线。
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图 6. 示例设计显示了固定在储罐侧面的传输线。（来源：Analog Devices）
示例测试结果
图 7 显示了一个完整的测试设置。传输线固定在储罐的侧面，储罐具有以受控方式填充和排放的装置。可以使用 ADI 公司的 DC2847A 等评估套件轻松读取反射计测量结果。该评估套件包括一个混合信号 MCU，用于读取正向和反射检测器模拟电压。 PC 软件将自动加载并以图形格式显示结果与时间的关系。回波损耗很容易计算为前向和反射功率测量值之间的差异。图 7 显示了设计实例的完整测试设置。
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图 7. 设计示例的完整测试设置。（来源：Analog Devices）
在此设计示例中，通过激活两个储罐之一上的泵来建立液位条件。当泵运行时，质量流量相对恒定，因此理想情况下，罐中的液位随时间线性上升。在实践中，储罐横截面从上到下并不完全一致。
图 8 显示了液位从满到空时的测试结果。当流体被泵出油箱时，前向功率保持恒定，而反射功率则相对线性下降。
在 t =33 秒时，斜率发生明显变化。这被认为是由于坦克的设计。如图 7 所示，水箱下端的水箱截面积减小，以便为泵电机创造空间。这引入了测量非线性，必要时可以在系统固件中轻松校正。
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图 8. 示例测试结果与液位。液位测量是线性和单调的，但文中提到的储罐设计除外。（来源：Analog Devices）
校准
为了获得最佳精度，需要对反射计进行校准。校准将校正反射计内 RF 检测器的制造偏差 - 即斜率和截距。 DC2847A 评估套件支持单独校准，如图 8 所示。
在更高的水平上，液位与回波损耗也需要校准。这可能是由于以下不确定性来源：
- 传输线与罐壁之间距离的制造偏差。
- 罐壁厚度的变化。
- 流体和/或罐壁介电特性可能会随温度而变化。
可能存在系统非线性，例如图 8 中观察到的斜率变化。如果使用线性插值，则在这种情况下需要进行三点或更多点校准。
所有校准系数通常都存储在系统的非易失性存储器中，该存储器可以是嵌入式处理器应用程序中未使用的代码空间，也可以是专用的非易失性存储设备。
液位测量限制
任何反射计的方向性都是一个关键规格。忽略巴伦损耗，当传输线与其自身的 ZO 精确端接时，反射功率变为零，反射计测量其自身的方向性规格。方向性规格越高，反射计准确分离入射波和反射波的幅度的能力就越好。
对于 ADL5920，方向性在 1 GHz 下的典型值为 20 dB，在 100 MHz 或更低时增加到大约 43 dB 的典型值。这使得 ADL5920 非常适合罐高约 30 毫米或更高的液位测量（见图 3）。
应用扩展
对于某些应用，基本的非接触式液位测量原理可以通过多种方式进行扩展。例如：
- 可以在低占空比下进行测量以节省电力。
- 如果液位保持恒定，回波损耗测量可能与另一个感兴趣的流体特性相关；例如，粘度或 pH 值。
- 每个应用程序都是独一无二的。例如，有一些技术可能会在秤的顶端提供比底端更高的准确度，反之亦然，具体取决于应用。
- 如果水箱是金属的，传输线将需要进入根据应用，传输线可能会被淹没。
- 在多个射频功率级别进行测量有助于确定外部射频干扰是否是导致错误的原因。许多单芯片 PLL 设备都支持此功能，这成为对系统的信心测试或自检。
- 位于储罐两侧或四侧的传输线传感器可以补偿容器沿一个轴或两个轴的倾斜，
- 如果以测量液位阈值为目标，一条或多条以更高频率运行的较短传输线可能是一个不错的解决方案。
结论
ADL5920 等单芯片反射计设备的开发带来了新型应用，例如液位仪表。消除移动部件，例如已使用多年的机械浮子，将大大提高可靠性。还可以进行油位和燃油液位监测，从而开辟许多新的工业和汽车应用。
脚注
1 流体的存在影响传输线阻抗、损耗和传播速度。
2 工业、科学和医疗频率。访问 en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .
3 ATLC：任意传输线计算器（用于传输线和定向耦合器）。访问 atlc.sourceforge.net .
4 阻抗升压过大会使传输线难以设计，传输线损耗可能过大。
致谢
作者要感谢 Michiel Kouwenhoven、James Wong、Bruce Nguyen 和 John Chung。没有他们的指导和帮助，这篇文章是不可能完成的。
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