使用反射计芯片实施非接触式液位测量

Bruce Hemp，高级应用工程师

可以通过将空气介质传输线贴在非金属水箱外壁来检测RF阻抗，以准确测量其液位。本文提供一个经验设计示例，显示反 射计器件（例如ADI公司的ADL5920）如何帮助简化设计。

与传统式机械浮子液位检测方法相比，基于反射计的解决方案 具备多种优势，包括：

► 能够快速、实时测量液位
► 支持实施广泛的电子后处理
► 非接触式设计（不会污染液体）
► 无活动零件
► 最小的RF辐射场（远场抵消）
► 无需在水箱上开孔，用于安装外部传感器（降低泄漏风险）
► 由于水箱上没有电线或零件，可以更加安全

液位测量概述

图1所示为整个系统的方框图，包括用于驱动平衡式和端接式空 气介质传输线的RF信号源，线路中包含反射计。

工作原理

悬浮在空气中的传输线可用于准确测量阻抗特性和降低RF损 耗，这是因为它使用低损耗导体，且不使用固体介质材料。经 典的E和H矢量图表明，电场和磁场集中在导体周围，它们的大 小随距离增加而迅速减小，距离则相对于传输线结构本身的大 小和间距来测量。附近的介电材料（例如水箱壁和水箱内的液 体）会改变传输线的电气特性1，可由反射计（例如ADL5920）简 略测量。

详细说明

考虑设计用于确定空气中的特定特性阻抗ZO 的空气介质低损耗 传输线。增加的任何介电物质，例如传输线近场中的液体，都会：

► 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长度；以及
► 增加线路衰减。

图1. 液位测量系统方框图。

这三种效应结合在一起，可以降低回波损耗，回波损耗可使用 反射计器件或仪器直接测量。通过仔细设计和校准，可以将回 波损耗与液位关联起来。

为了简化分析，在将传输线连接至水箱之前，考虑将图1中的空 气介质传输线的阻抗设置为等于ZO。因为线路与ZO端接，所以从理论来说，线路中没有反射能，所以回波损耗是无限的。

将传输线贴装到水箱侧面之后，以前的一条传输线现在会变成 两条独立的传输线，以串联形式级联：

► 在液位以上，传输线以空气为介质，水箱壁材料除外。传输 线的阻抗ZOA 与空气介电值ZO相比，变化不大。传输线的传播 速度也是如此。

► 在液位以下，传输线阻抗ZOF 比ZOA低。因为传输线的近场中存 在额外的介电材料，所以电长度有效增加，衰减也一样。

在由传输线源端的反射计测量时，传输线远端的端接ZO 的阻抗会发生转变。转变以图形化的方式描述，大约如图2所示。由于 Z_OF低于Z_O，所以史密斯图按顺时针方向旋转，方向如箭头所示。

图2. 扩展的标准史密斯图，表示传输线的输入阻抗。线路端点表述液位 如何转化成回波损耗测量值。

当传输线阻抗与线路末端的电阻端部精确匹配时，传输线不会 导致阻抗转变。这种情况与图2所示的史密斯图的中心对应，该 图显示标准化阻抗为1 + j0 Ω。在将传输线连接至水箱之前，回波损耗应至少为26 dB。

将传输线连接到空水箱之后，水箱壁的材料会使传输线的介电 材料增加，令线路的阻抗降低到ZOA，并稍微增长传输线Trace 1的 有效电长度，具体如图2所示。回波损耗的测量值几乎保持不变，约为20 dB。

随着水箱中的水位上涨，传输线的阻抗下降，这是因为液体占 据了原先用作传输介质的部分空气。传输线的阻抗原先为ZOA， 现在变成ZOF 。所以，史密斯图转动的中心点降低。与此同时，  因为传输线的有效电长度增加，史密斯图转动的量增加。具体 由图2中的Trace 2和Trace 3表示。所以，反射计测量到，射频发生 器端的回波损耗降低。

因为ADL5920测量的是反射幅度大小，而不是相位，所以阻抗转 变应该限制在史密斯图的下半部分，在这个位置，无功分量为 负。否则，阻抗被传回史密斯图的中心，导致测量值不准确。 这意味着，连接到整个水箱的传输线的电长度应为90°或小于90°。 如果电长度超过90°,  测量的回波损耗会出现折返。

双向RF检波器（例如ADL5920）可以测量入射功率和反射功率（单 位：dBm），且传输线的特性阻抗ZO  = 50 Ω 。ADL5920也可以减去这 两个读数，直接测量回波损耗(dB)。

何为回波损耗？

简单来说，就是当RF源连接至负载时，  一些功率会转化为负 载，余下的功率则反射回源。两种功率电平之间的差值就是回 波损耗。这一般用于衡量负载与源之间的匹配程度。

巴伦的用途

巴伦用于驱动电压相等，但极性相反的导体，所以主要有两大 作用：

► 降低传输线输入/输出的杂散RF。这对控制合规的EMI非常重 要。各个方向的远场EMI也因为抵消而降低。
► 转变阻抗。更高的阻抗意味着传输线元件之间的间隔更大，  这也意味着电场会更深入地穿透容器。其结果是，回波损耗 和液位之间呈现更大变化，这意味着液位测量更加敏感。

巴伦应该在带通滤波器的整个带通频段内提供出色的共模抑制 比(CMRR)。

有必要采用带通滤波器吗？

在杂散RF可能耦合至传输线的位置，推荐使用图1所示的可选 带通滤波器。带通滤波器有助于降低或消除Wi-Fi、蜂窝、 PCS服 务、陆地移动无线电和所有其他与所需源不处于同一频段的外 部信号带来的干扰。

为了实现最佳效果，建议带通滤波器设计采用低插入损耗，且回波损耗与回波损耗的测量值相当；即，约为30 dB或更优化。

基本的设计步骤

设计步骤大致如下：

►　根据传输线的长度选择工作频率。 一般来说，传输线的长度 约与水箱高度相当，或稍长一点。在选择工作频率时，应确保传输线的长度一般为空气中的RF波长的1/10至1/4。图3所示为 大致的频率范围。在更低频率下，会实现更出色的回波损耗 线性度和液位，在更高频率下，会实现更大的回波损耗信号 范围，但是线性度可能不佳，且会出现测量折返（图2）。如 果需要电磁辐射合规，可以从适用ISM频率列表中选择频率。2

►　根据所选的频率或频段设计或选择巴伦。巴伦可以以集总元 件LC或变压器为基础。巴伦在与平衡端L连接时，应具备出色 的回波损耗。

►　计算导体宽度，以及传输线的间隔尺寸。计算时，可以使用 传输线阻抗计算器，例如任意传输线计算器(ATLC) 。3

图3. 推荐的工作频率与传输线长度。

简单的设计示例

为了进行展示，设计了一种适用于汽车挡风玻璃清洗水箱的液 位监测器。该测试设置让水在两个完全相同的水箱之间流动，  一个水箱连接传输线，用于测量液位。

根据之前的计划：

►　 因为水箱高度约为6英寸（0.15米），那么约300 MHz目标RF激励 是合理的（参见图3）。

►　接下来，根据这个频率范围设计和构建LC巴伦。需要对Zo进 行轻微的升压阻抗转变，以提高对液位变化4 的灵敏度（参见 图4）。采用网络分析仪或反射计来验证单端端口上的回波 损耗是否约为30  dB或更出色，其中固定电阻终端在连接至传 输线之前，先直接连接至巴伦。

►　我们设计和构建并行传输线，其中ZO 等于之前使用的电阻 值。传输线在电路中连接，电阻终端则移动至线路末端。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出色水平——约为25 dB或更出色。

图4. 液位检测示例中使用的巴伦和传输线。

图5. 分立式巴伦和端接传输线，连接到水箱之前。

现在，传输线可能连接至水箱侧面，如图6所示。连接到空水箱时，回波损耗稍微降低是正常现象，这是因为作为传输线附加介电层的水箱壁材料具有失谐效应。

图6.示例设计显示连接到水箱侧面的传输线。

示例测试结果

图7显示完整的测试设置。传输线连接至水箱侧面，且水箱具备 相关配置，可以管控注入和排出的水量。

ADI公司的评估套件DC2847A用于轻松读取ADL5920反射计的测量结 果。这个评估套件包含一个混合信号处理器MCU，用于读取正向 和反射检波器的模拟电压。 PC软件会自动加载和显示结果（以 图表和时间形式）。回波损耗的计算非常简单：正向和反向功 率测量值的差值。图7显示设计示例的整个测试设置。

图7. 设计示例的整个测试设置。

在这个设计示例中，通过激活两个水箱其中一个的泵来确定液 位水平。当泵运行时，质量流量是相对恒定的，所以，理想情况是水箱中的水位相对于时间线性上升。实际上，水箱从顶部 到底部的横截面并不完全相同。

图8所示为液位从满到空时的测试结果。从水箱中抽出液体时， 正向功率保持恒定，反射功率呈线性降低。

t = 33秒时，坡度发生明显变化。究其原因，应该是水箱设计造成 的。水箱底部的横截面面积会减小，如图7所示，以为泵电机留 出空间。这导致测量结果呈现非线性，必要时，可在系统固件 中轻松纠正。

图8. 示例测试结果与液位。液位测量呈线性且无变化，但本文中所讲述 的水箱设计导致的意外情况除外。

校准

为了实现最高精度，必须对反射计实施校准。校准可以校正反 射计内部的RF检波器的制造差异性——即斜率和截距。 DC2847A 评估套件支持单独校准，如图8所示。

在更高水平下，也需要对液位和回波损耗实施校准。这可能是 因为下列不确定性来源造成：

►　传输线和水箱壁之间的制造距离差异。
►　水箱壁的厚薄差异。
►　液体和/或水箱壁的介电性能会随温度而变化。

可能存在系统非线性问题，例如，图8中所示的斜率变化。如果 使用线性插值，那么在这种情况下，需要使用三点及以上的点校准。

所有校准系数通常存储在系统的非易失性存储器中，这可能是 嵌入式处理器应用未使用的代码空间，或者是专用的非易失性 存储器设备。

液位测量限制

任何反射计的指向性都是一个关键指标。在不考虑巴伦损耗的 情况下，当传输线与其自身的ZO准确端接时，反射功率降低至 零，反射计会测量其自身的指向性指标。指向性指标越高，反 射计就越能够准确地区分入射波和反射波的大小。

对于ADL5920，指向性在1 GHz时一般为20 dB，在100 MHz或更低时达 到会增长为约43 dB。这使得ADL5920非常适合用于在水箱高度约 30 mm或更高时，测量液位水平（参见图3）。

应用扩展

在有些应用中，可以按几种方式扩展基本的非接触式液位测量 原则。例如：

►　测量可能按低占空比执行，以节省功率。
►　如果液位保持恒定，回波损耗测量可与另一个相关的流体特 性关联；例如，速度或pH值。►　每种应用都是唯一的。例如，相比在最底部，有些技术在范围 的最顶部能提供更出色的精度，反之亦然，具体由应用决定。
►　如果水箱采用金属材质，传输线需要通过水箱内部。根据具 体应用，传输线可能需要浸入水中。
►　可以使用多个RF功率电平的测量值来确定外部RF干扰是否会 导致误差。许多单芯片PLL器件都支持此功能，使其成为测试 系统可靠性，或自我测试可靠性的测试。
►　水箱两面或四面上的传输线传感器可以分别补偿箱体沿一轴 或两轴的倾斜度。
►　如果是用于测量液位阈值，则使用一根或多根较短的传输线 在较高频率下运行会是不错的解决方案。

结论

开发ADL5920之类的单芯片反射计器件促生了新的应用类型，例如液位仪器仪表。取消活动零件（例如使用多年的机械浮子）可以大幅提高可靠性。油位监测也成为可能，推动产生了许多新工业和汽车应用。

脚注

1 液体的存在会影响传输线的阻抗、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（适用于传输线和定向耦合器）。 访问atlc.sourceforge.net。
4 阻抗设置过大，会增加传输线的设计难度，且使传输线损耗超 过限制。

致谢

本文作者感谢Michiel  Kouwenhoven 、James Wong 、Bruce  Nguyen和John Chung。没有他们的指导和帮助，本文可能难以问世。 


作者简介

Bruce Hemp于1980年毕业于加州州立大学富尔顿分校，获工程学士学位。他曾从事各种系统、电路板级 和应用工程工作。2012年以来， Hemp一直担任ADI公司的高级应用工程师兼部门主管。联系方式：bruce hemp@analog.com。

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