Kontaktlose Flüssigkeitsstandmessung mit einem Reflektometer-Chip

Flüssigkeitsstandmessungen können durch die Wand eines nichtmetallischen Tanks genau gemessen werden, indem eine Luft-Dielektrikum-Übertragungsleitung gegen die Seite des Tanks gelegt und die HF-Impedanz gemessen wird. Dieser Artikel enthält ein empirisches Designbeispiel, das veranschaulicht, wie ein Reflektometer das Design vereinfachen kann.

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Flüssigkeitsstandsmessung, die mechanische Schwimmer beinhalten können, bietet ein reflektometerbasierter Ansatz mehrere Vorteile, darunter:

• Schnelle Flüssigkeitsstandmessungen in Echtzeit
• Umfangreiche elektronische Nachbearbeitung wird möglich
• Kontaktloses Design (keine Verunreinigung der Flüssigkeit)
• Keine beweglichen Teile
• Minimal abgestrahltes HF-Feld (Fernfeld-Auslöschung)
• Keine Löcher im Tank für einen internen Sensor (verringert die Möglichkeit von Lecks)
• Eigensicherheit, da keine elektrischen Leitungen oder Teile im Tank vorhanden sind

Übersicht über die Füllstandsmessung

Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild des Gesamtsystems, bestehend aus einer HF-Signalquelle, die eine symmetrische und abgeschlossene Luft-Dielektrikum-Übertragungsleitung mit einem inline angeordneten Reflektometer antreibt.

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Abbildung 1. Blockschaltbild des Füllstandsmesssystems. (Quelle:Analog Devices)

Funktionsprinzip

In Luft aufgehängte Übertragungsleitungen können aufgrund der verlustarmen Leiter und des Fehlens von festem dielektrischem Material für eine präzise charakteristische Impedanz und geringen HF-Verlust ausgelegt werden. Klassische Diagramme von E- und H-Vektoren zeigen, dass die elektrischen und magnetischen Felder um die Leiter herum konzentriert sind und ihre Stärke mit der Entfernung ziemlich schnell abnimmt, wobei die Entfernung relativ zur Größe und zum Abstand der Übertragungsleitungsstruktur selbst gemessen wird. Jedes in der Nähe befindliche dielektrische Material wie eine Flüssigkeitstankwand und die Flüssigkeit darin verändern die elektrischen Eigenschaften der Übertragungsleitung[1], die zusammenfassend mit einem Reflektometer wie dem ADL5920 von Analog Devices gemessen werden können.

Detaillierte Beschreibung

Betrachten Sie den Fall einer luftdielektrischen, verlustarmen Übertragungsleitung, die für eine bestimmte charakteristische Impedanz Z_O . ausgelegt ist in der Luft. Jede hinzugefügte dielektrische Substanz wie eine Flüssigkeit im Nahfeld der Übertragungsleitung wird:

• Senken Sie die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung,
• Verringern Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit, wodurch die effektive elektrische Länge der Leitung erhöht wird, und
• Dämpfung der Leitung erhöhen.

Alle drei dieser Effekte können kombiniert werden, um eine Verringerung der Rückflussdämpfung zu erzeugen, die mit einem Reflektometergerät oder -instrument direkt messbar ist. Bei sorgfältiger Konstruktion und Kalibrierung kann die Rückflussdämpfung mit dem Flüssigkeitsstand korreliert werden.

Um die Analyse zu vereinfachen, betrachten Sie die luft-dielektrische Übertragungsleitung von Abbildung 1 mit einer Impedanz gleich Z_O bevor Sie die Leitung am Tank anbringen. Weil die Zeile mit Z_O . endet , theoretisch gibt es keine reflektierte Energie und die Rückflussdämpfung ist unendlich.

Nachdem die Übertragungsleitung an der Seite eines Panzers befestigt wurde, verhält sich die einstige Übertragungsleitung nun wie zwei separate Übertragungsleitungen, die in einer Reihenschaltung kaskadiert sind:

• Über dem Flüssigkeitsspiegel ist die Übertragungsleitung Luftdielektrikum, mit Ausnahme der Tankwand Impedanz der Übertragungsleitung Z_OA wenig verändert von seinem Luft-Dielektrizitätswert, Z_O . Das gleiche gilt für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Übertragungsleitung.
• Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels beträgt die Impedanz der Übertragungsleitung Z_OF wird niedriger im Vergleich zu Z_OA . Die elektrische Länge nimmt ebenso wie die Dämpfung effektiv zu, alles aufgrund des zusätzlichen dielektrischen Materials, das im Nahfeld der Übertragungsleitung vorhanden ist.

Die Impedanz des Abschlusses Z_O am entfernten Ende der Übertragungsleitung wird umgewandelt, wenn das Reflektometer am Quellenende der Übertragungsleitung gemessen wird. Die Transformation wird grafisch dargestellt, etwa wie in Abbildung 2 dargestellt. Da Z_OF kleiner als Z_O . ist , wird eine Smith-Chart-Rotation im Uhrzeigersinn erzeugt, wie durch die Pfeile gezeigt.

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Abbildung 2. Erweiterte, normalisierte Smith-Diagramm-Darstellung der Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung. Trace-Endpunkte zeigen, wie sich der Flüssigkeitsstand in eine Messung der Rückflussdämpfung übersetzt. (Quelle:Analog Devices)

Wenn die Impedanz der Übertragungsleitung genau an den ohmschen Abschluss am Ende der Leitung angepasst ist, darf es aufgrund der Übertragungsleitung zu keiner Impedanztransformation kommen. Diese Bedingung entspricht der Mitte des Smith-Diagramms, Bild 2, das eine normierte Impedanz von 1 + j0 Ω zeigt. Die Rückflussdämpfung sollte vor mindestens 26 dB betragen die Übertragungsleitung ist am Tank befestigt.

Nach dem Anbringen der Übertragungsleitung an einem leeren Tank trägt das Wandmaterial des Tanks etwas zusätzliches dielektrisches Material zur Übertragungsleitung bei, wodurch die Impedanz der Leitung auf Z_OA . gesenkt wird , und leicht zunehmende effektive elektrische Länge der Übertragungsleitung, Spur 1, wie in Abbildung 2 veranschaulicht. Die Rückflussdämpfung sollte bei ungefähr 20 dB immer noch recht gut messen.

Wenn der Flüssigkeitspegel im Tank ansteigt, wird die Impedanz der Übertragungsleitung verringert, da das Fluid einen Teil der Luft als dielektrische Übertragung verdrängt. Die Impedanz der Übertragungsleitung betrug Z_OA wird jetzt Z_OF . Daher bewegt sich das Rotationszentrum auf dem Smith-Chart nach unten. Gleichzeitig nimmt der Umfang der Smith-Diagramm-Rotation zu, da die effektive elektrische Länge der Übertragungsleitung zunimmt. Dies wird durch Trace 2 und Trace 3 in Abbildung 2 dargestellt. Folglich misst das Reflektometer eine reduzierte Rückflussdämpfung am Generatorende der Leitung.

Da das Reflektometer die Reflexionsgröße und nicht die Phase misst, sollte die Impedanztransformation auf die untere Hälfte des Smith-Diagramms beschränkt werden, wo die reaktive Komponente negativ ist. Andernfalls wird die Impedanz zurück in Richtung der Mitte des Smith-Diagramms transformiert, was zu einer Mehrdeutigkeit der Größenmessung führt. Dies bedeutet, dass die elektrische Länge der an einen vollen Tank angeschlossenen Übertragungsleitung 90° oder weniger betragen sollte. Wenn die elektrische Länge 90° überschreitet, scheint sich die gemessene Rückflussdämpfung zurückzuziehen.

Ein bidirektionaler HF-Detektor wie der ADL5920 kann sowohl einfallende als auch reflektierte Leistung in dBm-Einheiten entlang einer HF-Übertragungsleitung mit charakteristischer Impedanz Z_O . messen =50 . Die Subtraktion dieser beiden Messwerte misst direkt die Rückflussdämpfung in dB. Einfach ausgedrückt tritt die Rückflussdämpfung auf, wenn eine HF-Quelle an eine Last angeschlossen wird. Ein Teil der Leistung wird an die Last übertragen und der Rest wird zurück zur Quelle reflektiert. Der Unterschied zwischen diesen beiden Leistungsstufen ist die Rückflussdämpfung. Es ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie gut die Last an die Quelle angepasst ist.

Zweck des Balun

Der Balun dient dazu, jeden Leiter mit einer Wechselspannung gleicher, aber entgegengesetzter Polarität zu treiben, und dient somit zwei Hauptzwecken:

• Verringern von HF-Streukopplungen zu und von der Übertragung Dies ist wichtig für die Einhaltung gesetzlicher Emissionen und Anfälligkeit. Fernfeld-EMI in beide Richtungen wird durch Aufhebung reduziert.
• Transformieren Eine höhere Impedanz bedeutet einen größeren Abstand der Übertragungsleitungselemente, was ein tieferes Eindringen des elektrischen Felds in den Behälter bedeutet. Das Ergebnis ist eine stärkere Änderung der Rückflussdämpfung gegenüber dem Flüssigkeitsstand, was eine empfindlichere Flüssigkeitsstandmessung bedeutet.

Der Balun sollte so ausgelegt sein, dass er über das gesamte Durchlassband des Bandpassfilters ein gutes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) bietet.

Ist ein Bandpassfilter notwendig?

Der optionale Bandpassfilter von Abbildung 1 wird immer dann empfohlen, wenn Streu-HF in die Übertragungsleitung einkoppeln könnte. Ein Bandpassfilter ist sehr hilfreich, um Interferenzen von Wi-Fi-, Mobilfunk- und PCS-Diensten, Landmobilfunk und allen anderen externen Signalen zu reduzieren oder zu beseitigen, die nicht im gleichen Frequenzband wie die gewünschte Quelle liegen.

Für beste Ergebnisse wird empfohlen, dass das Design des Bandpassfilters eine geringe Einfügedämpfung aufweist, wobei die Rückflussdämpfung der der Rückflussdämpfungsmessung entspricht; das heißt, wenn möglich, ungefähr 30 dB oder besser.

Grundlegendes Designverfahren

Der Entwurf des Entwurfsverfahrens sieht ungefähr wie folgt aus:

• Wählen Sie eine Betriebsfrequenz basierend auf der Länge der Übertragung Normalerweise entspricht die Länge der Übertragungsleitung ungefähr der Tankhöhe oder ist etwas länger. Die Betriebsfrequenz sollte so gewählt werden, dass die Länge der Übertragungsleitung typischerweise ein Zehntel bis ein Viertel der HF-Wellenlänge in der Luft beträgt. Abbildung 3 veranschaulicht diesen ungefähren Frequenzbereich. Eine niedrigere Frequenz ergibt die beste Linearität der Rückflussdämpfung gegenüber dem Flüssigkeitsstand, während eine höhere Frequenz einen größeren Bereich von Rückflussdämpfungssignalen ergibt, aber die Linearität ist möglicherweise nicht so gut und es kann zu einem Mess-Foldback kommen (Abbildung 2). Wenn die Einhaltung der Strahlungsemissionen erforderlich ist, kann die Frequenz aus der Liste der anwendbaren ISM-Frequenzen[2] ausgewählt werden.
• Entwerfen oder wählen Sie einen Balun für die gewählte Frequenz oder das Frequenzband. Der Balun kann ein konzentriertes Element LC oder ein Transformator sein. Der Balun sollte eine ausgezeichnete Rückflussdämpfung aufweisen, wenn er am symmetrischen Ende abgeschlossen ist.
• Berechnen der Leiterbreite und des Abstands der Übertragung Ein Übertragungsleitungsimpedanzrechner wie ein Arbiträrübertragungsleitungsrechner (ATLC) ist für diesen Zweck nützlich[3].

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Abbildung 3. Empfohlene Betriebsfrequenz im Vergleich zur Länge der Übertragungsleitung. (Quelle:Analog Devices)

Ein einfaches Designbeispiel

Zu Demonstrationszwecken wurde eine Flüssigkeitsstandsüberwachung für einen Autoscheibenwaschbehälter entwickelt. Der Testaufbau bewegt Wasser zwischen zwei identischen Tanks, von denen einer eine Übertragungsleitung haben soll, um den Füllstand zu messen.

In Übereinstimmung mit der vorherigen Gliederung:

• Da die Tankhöhe ungefähr 15 m beträgt, ist eine Ziel-HF-Anregung von ungefähr 300 MHz angemessen (siehe Abbildung 3).
• Als nächstes wird ein LC-Balun für diesen Frequenzbereich entwickelt und konstruiert. Eine leichte Step-up-Impedanztransformation zu Z_O ist erwünscht, um die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Flüssigkeitsstands zu erhöhen[4] (siehe Abbildung 4). Ein Netzwerkanalysator oder Reflektometer wird verwendet, um eine Rückflussdämpfung von ungefähr 30 dB oder besser am Single-Ended-Port zu überprüfen, wobei der feste Widerstandsabschluss direkt mit dem Balun verbunden ist, bevor die Übertragungsleitung angeschlossen wird.
• Eine parallele Übertragungsleitung wird mit Z_O . entworfen und hergestellt gleich dem zuvor verwendeten Widerstandswert. Die Übertragungsleitung ist im Schaltkreis angeschlossen, und der Widerstandsabschluss bewegt sich zum Ende der Leitung. Siehe Abbildung 4 und Abbildung 5. Der Netzwerkanalysator oder das Reflektometer wird erneut verwendet, um zu überprüfen, ob die Rückflussdämpfung gut bleibt – ungefähr 25 dB oder besser.

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Abbildung 4. Balun und Übertragungsleitung für ein Beispiel für die Flüssigkeitsstandsmessung. (Quelle:Analog Devices)

 

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Abbildung 5. Diskreter Balun und abgeschlossene Übertragungsleitung vor dem Anbringen am Tank. (Quelle:Analog Devices)

Jetzt kann die Übertragungsleitung an der Seite des Tanks befestigt werden, wie in Abbildung 6 gezeigt. Es ist normal, dass die Rückflussdämpfung bei der Befestigung an einem leeren Tank aufgrund der Verstimmungswirkung des Tankwandmaterials als zusätzliche dielektrische Schicht leicht sinkt die Übertragungsleitung.

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Abbildung 6. Beispieldesign, das die seitlich am Tank angebrachte Übertragungsleitung zeigt. (Quelle:Analog Devices)

Beispieltestergebnisse

Abbildung 7 zeigt einen vollständigen Testaufbau. Die Übertragungsleitung ist an der Seite eines Tanks angebracht und der Tank verfügt über eine Möglichkeit zum kontrollierten Befüllen und Entleeren. Ein Evaluierungskit wie das DC2847A von Analog Devices kann verwendet werden, um die Messergebnisse von Reflektometern einfach abzulesen. Dieses Evaluierungskit enthält eine Mixed-Signal-MCU zum Lesen der Vorwärts- und der reflektierten Analogspannungen des Detektors. Die PC-Software lädt die Ergebnisse automatisch und zeigt sie im grafischen Format gegenüber der Zeit an. Die Rückflussdämpfung lässt sich leicht als Differenz zwischen Vorwärts- und Reflexionsleistungsmessungen berechnen. Abbildung 7 zeigt den kompletten Testaufbau für das Designbeispiel.

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Abbildung 7. Vollständiger Testaufbau für das Designbeispiel.(Quelle:Analog Devices)

In diesem Konstruktionsbeispiel werden Füllstandsverhältnisse durch Ansteuern einer Pumpe an einem der beiden Tanks hergestellt. Der Massendurchfluss ist bei laufender Pumpe relativ konstant, so dass der Flüssigkeitsstand im Tank idealerweise zeitlich linear ansteigt. In der Praxis ist der Tankquerschnitt von oben nach unten nicht vollständig konsistent.

Abbildung 8 zeigt die Testergebnisse, wenn der Flüssigkeitsstand von voll auf leer steigt. Wenn Flüssigkeit aus dem Tank gepumpt wird, bleibt die Vorwärtsleistung konstant, während die reflektierte Leistung relativ linear abfällt.

Bei t =33 Sekunden tritt eine sichtbare Änderung der Steigung auf. Es wird angenommen, dass dies auf die Konstruktion des Tanks zurückzuführen ist. Die Querschnittsfläche des Tanks ist am unteren Ende des Tanks, wie in Abbildung 7 zu sehen, reduziert, um Platz für den Pumpenmotor zu schaffen. Dies führt zu einer Nichtlinearität der Messung, die bei Bedarf in der Systemfirmware leicht korrigiert werden könnte.

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Abbildung 8. Beispieltestergebnisse vs. Flüssigkeitsstand. Die Füllstandsmessung ist linear und monoton, mit einer Ausnahme aufgrund der Tankkonstruktion, wie im Text angegeben. (Quelle:Analog Devices)

Kalibrierung

Für beste Genauigkeit ist eine Reflektometerkalibrierung erforderlich. Die Kalibrierung korrigiert die Herstellungsabweichung der HF-Detektoren innerhalb des Reflektometers – nämlich Steigung und Schnittpunkt. Das Evaluierungskit DC2847A unterstützt die individuelle Kalibrierung, wie in Abbildung 8 gezeigt.

Auf einem höheren Niveau muss auch der Flüssigkeitsstand vs. Rückflussdämpfung kalibriert werden. Dies kann auf die folgenden Unsicherheitsquellen zurückzuführen sein:

• Fertigungsvariation des Abstands zwischen Übertragungsleitung und Tankwand.
• Schwankung der Tankwanddicke.
• Die dielektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit und/oder der Tankwand können in Abhängigkeit von der Temperatur variieren.

Es können systematische Nichtlinearitäten vorliegen, zum Beispiel die in Abbildung 8 beobachtete Änderung der Steigung. Wenn lineare Interpolation verwendet wird, wird in diesem Fall eine Drei- oder Mehrpunktkalibrierung erforderlich.

Alle Kalibrierungskoeffizienten werden normalerweise im nichtflüchtigen Speicher des Systems gespeichert, der ungenutzter Coderaum in einer eingebetteten Prozessoranwendung oder ein dedizierter nichtflüchtiger Speicher sein kann.

Einschränkungen bei der Füllstandsmessung

Die Richtwirkung jedes Reflektometers ist eine Schlüsselspezifikation. Vernachlässigung von Balun-Verlusten, wenn die Übertragungsleitung präzise mit ihrem eigenen Z_O . abgeschlossen wird , die reflektierte Leistung geht auf Null und das Reflektometer misst seine eigene Richtcharakteristik. Je höher die Richtwirkungsspezifikation, desto besser kann das Reflektometer die Größen einfallender und reflektierter Wellen genau trennen.

Für den ADL5920 ist die Richtwirkung mit 20 dB typisch bei 1 GHz spezifiziert und steigt auf ca. 43 dB typisch bei 100 MHz oder darunter an. Dadurch eignet sich ADL5920 gut für Füllstandsmessungen, bei denen die Tankhöhe etwa 30 mm oder mehr beträgt (siehe Abbildung 3).

Anwendungserweiterungen

Für einige Anwendungen kann das grundlegende Prinzip der berührungslosen Füllstandsmessung auf verschiedene Weise erweitert werden. Zum Beispiel:

• Die Messung kann bei niedrigem Tastverhältnis durchgeführt werden, um Strom zu sparen.
• Wenn der Flüssigkeitsstand konstant gehalten wird, kann die Messung der Rückflussdämpfung mit einer anderen interessierenden Flüssigkeitseigenschaft korrelieren; zum Beispiel Viskosität oder pH.
• Jede Anwendung ist einzigartig. Es gibt beispielsweise einige Techniken, die je nach Anwendung am oberen Ende der Skala eine bessere Genauigkeit als am unteren Ende bieten oder umgekehrt.
• Wenn der Tank aus Metall ist, muss die Übertragungsleitung in das Innere des Je nach Anwendung kann die Übertragungsleitung untergetaucht sein.
• Messungen bei mehr als einem HF-Leistungspegel können helfen, festzustellen, ob externe HF-Störungen ein beitragender Fehler sind. Viele Einzelchip-PLL-Geräte unterstützen diese Funktion, die zu einem Vertrauenstest für das System oder einem Selbsttest wird.
• Übertragungsliniensensoren an zwei oder vier Seiten des Tanks können die Containerneigung entlang einer oder zwei Achsen ausgleichen
• Wenn die Messung des Flüssigkeitsstandschwellenwerts das Ziel ist, können eine oder mehrere kürzere Übertragungsleitungen mit höherer Frequenz eine gute Lösung sein.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung eines Ein-Chip-Reflektometers wie des ADL5920 bringt neue Arten von Anwendungen mit sich, wie zum Beispiel die Füllstandsmesstechnik. Der Verzicht auf bewegliche Teile, wie zum Beispiel einen seit Jahren verwendeten mechanischen Schwimmer, führt zu einer enormen Erhöhung der Zuverlässigkeit. Möglicherweise ist auch eine Überwachung des Öl- und Kraftstoffstands möglich, wodurch viele neue Anwendungen in der Industrie und im Automobilbereich erschlossen werden.

Fußnoten

1 Das Vorhandensein von Flüssigkeit beeinflusst die Impedanz, den Verlust und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Übertragungsleitung.

2 Industrielle, wissenschaftliche und medizinische Frequenzen. Besuchen Sie en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .

3 ATLC:Rechner für beliebige Übertragungsleitungen (für Übertragungsleitungen und Richtkoppler). Besuchen Sie atlc.sourceforge.net .

4 Eine zu große Impedanzerhöhung erschwert das Design der Übertragungsleitung und die Übertragungsleitungsverluste können übermäßig werden.

Danksagungen

Der Autor möchte Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen und John Chung danken. Ohne ihre Anleitung und Hilfe wäre dieser Artikel nicht möglich.