利用黄铜条,如何实现简易水位测量?

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液位测量数据是实现生产和过程控制的重要参数。现代化工业生产中会储存、运输、使用各种各样的液体原料和产成品,例如石油化工企业的油料和各种溶剂,制药、造纸企业生产使用的各种浆液和浆料,食品企业生产和储存的各种乳液和饮料、果汁等,都需要对其进行安全和完善的保存,因此这些液位数据可以说是保证企业能够正常稳定生产的基本要求。
   
早期,由于工业领域生产规模不大,液位测量主要采用机械测量方法,而后伴随着生产模式的变革,越来越多的自动化工业生产系统中需要进行实时液位监测。目前工业领域通用的液位计测量原理涉及到力学、热学、电学、光学等多方面,而按照接触方式来划分,可以分为接触式测量和非接触式测量。在前不久举办的 IMS2019 上,来自 ADI 的工程师就现场为大家展示了一种新型非接触式液位测量手段,其利用全集成式双向检波器 IC,将 
RF 传输线路作为传感器,可以沿着存储桶的一条边来轻松测量液位,实现了一款需要器件极少的工业应用。

 

ADI 在 IMS2019 期间展示新型液位测量系统
 

 

1. 如何实现简易水位测量?这套解决方案可以有
ADL5920 是一款超宽带双向检测器,可以在一个信号路径中同时测量正向和反向 rms 功率级别以及回波损耗。其将基于宽带定向耦合器与两个 RMS 响应检测器集成在一个 5 mm×5 mm 表贴封装中。相比于要在尺寸和带宽之间艰难取舍的传统分立式定向耦合器,该器件具有明显的优势,尤其是在 1 GHz 以下的频率。
 
使用 ADL5920 测量水位非常简单。测量时,会使用一根由黄铜条制成的双导体传感器,采用接地信号结构类型。本质上就是由一根 50 Ω硬线再加上空气,这条线的电阻会根据外部环境改变而改变,在确保传输线路的间隔和结构一样的情况下,有水时电阻会降低,再使用 ADL5920,在该传输线路顶部位置测量回波损耗,据此实施水位测量。

 

 

在给水箱里注水后可以看到,ADL5920 正在测量正向功率和反射功率,随着水位的升高,正向功率保持不变,反射功率逐渐升高,这是因为传输线路的特性在发生变化,这里显示的值表示这是非接触式测量。另外,由于器件采用端接设计,所以不会有大量杂散 RF 辐射到外面,即这是一个近场现象,而不是天线。

 


2. 功率测量的方法论——定向耦合器和 RF 检波器
在线 RF 功率和回波损耗测量通常利用定向耦合器和 RF 功率检波器来实现。如下图,双向耦合器用于无线电或测试测量应用中,以监测发射和反射的 RF 功率。有时也希望将 RF 功率监测嵌入电路中,一个很好的例子是将两个或更多信号源切换到发射路径(使用 RF 开关或外部电缆)。

 

测量 RF 信号链中的正向和反射功率
 

定向耦合器具有方向性这一重要特性,也就是它能区分入射和反射 RF 功率。当入射 RF 信号在通往负载的路程中经过正向路径耦合器时,耦合一小部分 RF 功率(通常是比入射信号低 10 dB 至 20 dB 的信号),输入 RF 检波器。当正向功率和反射功率均要测量时,须再使用一个耦合器,其方向与正向路径耦合器相反。两个检波器的输出电压信号将与正向和反向 RF 功率水平成比例。

 


采用定向耦合器和 RF 检波器的典型 RF 功率测量系统

 

表贴定向耦合器的基本问题是须在带宽和尺寸之间进行取舍。虽然频率覆盖范围为一个倍频程(即 FMAX 等于两倍 FMIN)的双向定向耦合器通常采用小至 6 mm2 的封装,但多倍频程表贴定向耦合器却要大得多。宽带连接器式定向耦合器具有多倍频程的频率覆盖范围,但显著大于表贴器件。

 

连接器式定向耦合器、表贴定向耦合器以及带定向桥和双 RMS 检测器的 ADL5920 集成 IC
 

 

3. 超小型&超宽带——专利定向桥助力实现“双超”
ADL5920 不是利用定向耦合器来检测正向和反射信号,而是采用一种专利的定向桥技术来实现宽带且紧凑的片内信号耦合。定向桥的概念基于惠斯登电桥,即在平衡时产生的差分电压为零。在惠斯登电桥中,两条支路之一中的一个电阻是可变的 (R2),而另外两个电阻(R1 和 R3)是固定不变的。总共有四个电阻——R1、R2、R3 和 Rx,其中 Rx 是未知电阻。如果 R1 = R3,那么当 R2 等于 Rx 时,VOUT = 0 V。当可变电阻具有合适的值,使得电桥左右两边的分压比相等,从而在产生 VOUT 的差分检测节点上产生 0 V 差分信号时,认为电桥处于平衡状态。

 

惠斯登电桥
 

下图显示了与 ADL5920 中使用类似的双向桥。对于 50Ω环境,单位电阻 R 等于 50Ω。由于这是一个对称网络,因此当 RS 和 RL 也等于 50Ω时,输入和输出电阻 RIN 和 ROUT 相同且接近 50Ω。当源阻抗和负载阻抗均为 50Ω时,内部网络的欧姆分析告诉我们,与 VREV 相比,VFWD 将相当大。在实际应用中,这对应于从信号源到负载的最大功率传输。这导致反射功率很小,进而导致 VREV 非常小。

 

简化双向桥电路图
 

下图显示了改变负载对正向功率测量的影响。将规定的功率水平施加于 RFIN 输入,RFOUT 上的负载回波损耗从 0 dB 变化到 20 dB。正如预期的那样,当回波损耗在 10 dB 到 20 dB 范围内时,功率测量精度非常好。但随着回波损耗降低到 10 dB 以下,功率测量误差开始增加。值得注意的是,回波损耗为 0 dB 时,误差仍在 1 dB 范围内。
 

测得的正向功率与施加的功率和负载的回波损耗之间的关系,在 1 GHz 下测量

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