Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Texa PolandTexa Poland
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy

ghost666 21 Maj 2020 14:09 1530 0
  • Poziom płynu w zbiorniku, wykonanym z nieprzewodzącego materiału, można dokładnie zmierzyć, umieszczając powietrzno-dielektryczną linię transmisyjną naprzeciwko zbiornika i mierząc jej impedancję. W poniższym artykule przedstawimy empiryczny przykład projektu, który ilustruje, w jaki sposób reflektometr, taki jak na przykład układ ADL5920 formy Analog Devices, może pozwolić na uproszczenie projektu systemu RF.

    W porównaniu z tradycyjnymi metodami pomiaru poziomu cieczy, które mogą wykorzystywać mechaniczne pływaki itp, rozwiązanie oparte na reflektometrze oferuje kilka istotnych korzyści, w tym:
    * Szybkie pomiary poziomu płynu w czasie rzeczywistym,
    * Możliwość obszernego elektronicznego przetwarzania uzyskiwanych danych,
    * W pełni bezdotykową konstrukcję, która nie wprowadza zanieczyszczeń do cieczy,
    * System bez ruchomych elementów,
    * Minimalne pole elektromagnetyczne, emitowane z linii długiej,
    * Brak konieczności wykonywania otworów w zbiorniku, dzięki czemu eliminuje się konieczność ich uszczelniania,
    * Iskrobezpieczeństwo - nie ma przewodów elektrycznych ani innych części pod napięciem w zbiorniku.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.1. Schemat blokowy układu pomiaru
    poziomu płynu.
    Omówienie zasady pomiaru poziomu płynu

    Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy całego układu, składającego się ze źródła sygnału RF sterujące zrównoważoną i zaterminowaną powietrzno-dielektryczną linią długą z szeregowo umieszczonym reflektometrem.

    Zasada działania

    Linie transmisyjne zawieszone w powietrzu można zaprojektować z myślą o osiągnięciu precyzyjnej impedancji charakterystycznej i niskich strat dla sygnału RF, dzięki wykorzystaniu przewodników o niskiej stratności i dzięki braku stałego materiału dielektrycznego. Klasyczne wykresy wektorów E i H pokazują, że pola elektryczne i magnetyczne skupiają się wokół przewodników, a ich wielkość maleje dość szybko, wraz z odległością, przy czym odległość jest mierzona w stosunku do wielkości i odstępu w samej strukturze linii długiej. Każdy znajdujący się w pobliżu materiał dielektryczny, taki jak ścianka zbiornika płynu i płyn w nim, zmieni właściwości elektryczne linii, które można mierzyć ba przykład za pomocą reflektometru (np. w postaci układu scalonego ADL5920).

    Szczegółowy opis projektu

    Rozważmy przypadek linii długiej z dielektrykiem powietrznym o niskiej stratności, zaprojektowanej dla określonej impedancji charakterystycznej równej ZO w powietrzu. Każda dodana substancja dielektryczna, taka jak płyn w pobliżu pola linii przesyłowej, powodować może:

    * Redukcję impedancji charakterystycznej linii przesyłowej
    * Zmniejszenie prędkość propagacji, zwiększając w ten sposób efektywną długość elektryczną linii,
    * Zwiększenie tłumienia linii.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.2. Rozszerzona, znormalizowana
    reprezentacja wykresu Smitha
    impedancji wejściowej linii
    transmisyjnej. Punkty końcowe
    pokazują, w jaki sposób poziom płynu
    przekłada się na poziom strat odbicia.
    Wszystkie trzy z tych efektów można połączyć, aby zmniejszyć straty odbiciowe, które można bezpośrednio zmierzyć za pomocą odpowiedniego urządzenia lub przyrządu - reflektometru. Dzięki starannemu zaprojektowaniu i kalibracji systemu, straty odbicia można skorelować z poziomem płynu.

    Aby uprościć analizę, rozważmy podłączenie dielektrycznej linii powietrznej z rysunku 1 z impedancją równą ZO przed przyklejeniem linii do ściany zbiornika. Ponieważ linia ta jest zakończona terminatorem o impedancji ZO, teoretycznie nie ma w niej odbicia fali, a straty przy odbiciu są nieskończone. Po przymocowaniu linii transmisyjnej z boku zbiornika, zachowuje się ona teraz jak dwie oddzielne linie długie, połączone szeregowo:

    * Powyżej poziomu płynu linia transmisyjna jako dielektryk ma tylko powietrze (pomijając ścianę zbiornika). Impedancja linii transmisyjnej (ZOA) zmienia się nieznacznie w stosunku do jej wartości dielektrycznej dla samego powietrza, ZO. To samo dotyczy prędkości propagacji fal w linii.
    * Poniżej poziomu płynu impedancja linii przesyłowej (ZOF) staje się niższa w porównaniu do ZOA z powodu obecności cieczy. Długość elektryczna istotnie rośnie, podobnie zwiększa się tłumienie - wszystko z powodu dodatkowego materiału dielektrycznego obecnego w bliskim polu linii długiej.

    Impedancja terminacji (ZO) na drugim końcu linii transmisyjnej zostanie zmieniona, gdy będzie zmierzona reflektometrem na pierwszym końcu linii transmisyjnej. Transformacja ta jest przedstawiona graficznie (w przybliżeniu) na rysunku 2. Ponieważ ZOF jest niższe niż ZO, wykres Smitha obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak pokazano strzałkami.

    Gdy impedancja linii transmisyjnej jest dokładnie dopasowana do rezystancyjnego terminatora na końcu linii, transformacja impedancji przez impedancję linii nie następuje. Ten warunek odpowiada środkowi wykresu Smitha na rysunku 2, który pokazuje znormalizowaną impedancję 1 + j0 Ω. Strata na odbiciu powinna wynosić co najmniej 26 dB przed podłączeniem linii przesyłowej do zbiornika.

    Po przyklejeniu linii transmisyjnej do ściany pustego zbiornika, materiał ścianki zbiornika wniesie pewien dodatkowy materiał dielektryczny do linii długiej, obniżając w ten sposób jej impedancję do wartości ZOA i nieznacznie zwiększając efektywną długość elektryczną linii (czerwona strzałka na rysunku 2). Strata na odbiciu powinna nadal być całkiem wysoka i wynosić około 20 dB.

    Gdy poziom płynu w zbiorniku wzrasta, impedancja linii przesyłowej zmniejsza się z powodu przemieszczenia się płynu w górę i zastępowania części powietrza jako dielektryka linii. Impedancja linii przesyłowej, która była równa ZOA, zbliża się teraz do wartości ZOF. W związku z tym środek obrotu na wykresie Smitha przesuwa się niżej. Jednocześnie zwiększa się rotacja wykresu, ponieważ rośnie efektywna długość elektryczna linii transmisyjnej. Jest to przedstawione jako strzałka 2 i 3 (odpowiednio, żółta i czerwona) na rysunku 2. W rezultacie reflektometr mierzy niższą stratę odbicia na końcu linii.

    Ponieważ ADL5920 mierzy jedynie amplitudę odbicia, a nie jego fazę, transformacja impedancji powinna być ograniczona do dolnej połowy wykresu Smitha, gdzie składnik reaktywny jest ujemny. W przeciwnym razie impedancja jest przekształcana z powrotem w kierunku środka wykresu, powodując niejednoznaczność w pomiarze amplitudy. Oznacza to, że długość elektryczna linii przesyłowej przymocowanej do pełnego zbiornika powinna wynosić 90° lub mniej. Jeśli długość elektryczna przekroczy 90°, mierzone straty odbicia zaczną ponownie rosnąć.

    Dwukierunkowy detektor RF, taki jak ADL5920, może mierzyć zarówno moc wysyłaną, jak i odbijaną w jednostkach dBm, wzdłuż linii transmisyjnej RF o charakterystycznej impedancji ZO = 50 Ω. ADL5920 jest również w stanie odjąć od siebie te dwa odczyty, bezpośrednio mierząc stratę odbicia w dB.

    Co to są straty na odbiciu

    Mówiąc w dużym uproszczeniu, kiedy źródło RF jest podłączone do obciążenia, część mocy zostanie przekazana do obciążenia, a reszta zostanie odbita z powrotem w kierunku źródła. Różnica między tymi dwoma poziomami mocy to właśnie straty na odbiciu. Jest to w zasadzie miara tego, jak dobrze dopasowane jest obciążenie do źródła.

    Po co balun?

    Balun, a ściślej mówiąc symetryzator, służy do zasilania konwersji sygnału z linii niesymetrycznej na symetryczną i odwrotnie. Służy dwóm podstawowym celom:

    * Sprzęganie zakłóceń RF do i z linii transmisyjnej. Jest to ważne dla zgodności z przepisami dotyczącymi emisji i podatności elektromagnetycznej. Interferencje elektromagnetyczne dalekiego pola są w ten sposób istotnie redukowane – sygnał symetryczny emitując w fazie i przeciwfazie, skutecznie wygasza tą emisję.
    * Transformacja impedancji. Wyższa impedancja oznacza większy odstęp elementów linii przesyłowej, co oznacza głębszą penetrację pola elektrycznego do pojemnika. Rezultatem jest większa zmiana straty powrotnej w funkcji poziomu płynu, co oznacza bardziej czuły pomiar poziomu cieczy w zbiorniku.

    Balun powinien być zaprojektowany tak, aby zapewniał dobry współczynnik odrzucenia sygnałów współbieżnych (CMRR) w całym paśmie przepustowym filtra pasmowo-przepustowego.

    Czy konieczny jest filtr pasmowo-przepustowy?

    Opcjonalny filtr pasmowo-przepustowy z rysunku 1 jest zalecany za każdym razem, gdy zbłąkane sygnały RF mogą sprzęgać się z linią transmisyjną. Filtr pasmowo-przepustowy będzie bardzo pomocny w zmniejszaniu lub eliminowaniu tych zakłóceń, które pochodzą najczęściej z sygnałów Wi-Fi, telefonii komórkowej, PCS, radia i innych. Z uwagi na zapełnienie pasma, na większości częstotliwości występować będą jakieś zakłócenia w pasie RF lub ich harmoniczne.

    W celu uzyskania możliwie najlepszych rezultatów zaleca się, aby skonstruowanie filtra pasmowo-przepustowego, który charakteryzowałby się niską tłumiennością i bardzo niskimi stratami na odbiciu, najlepiej co najmniej 30 dB mniejszymi, niż straty na odbiciu w zasadniczej części układu.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.3. Zależność pomiędzy
    rekomendowaną częstotliwością
    pracy a długością linii przesyłowej.
    Podstawy projektowania układu

    Procedura projektowania tego rodzaju układu jest w przybliżeniu następująca:

    1. Wybierz częstotliwość roboczą na podstawie długości linii transmisyjnej. Zwykle długość linii będzie mniej więcej taka sama jak wysokość zbiornika lub nieco większa. Częstotliwość robocza powinna być tak dobrana, aby długość linii przesyłowej wynosiła zwykle jedną dziesiątą do jednej czwartej długości fali RF w powietrzu. Rysunek 3 ilustruje ten zakres częstotliwości wizualnie. Niższa częstotliwość pracy zapewni najlepszą liniowość strat na odbiciu w funkcji poziomu cieczy w zbiorniku, podczas gdy wyższa częstotliwość da większy zakres sygnałów strat odbicia, ale liniowość może nie być tak dobra, i może wystąpić nieliniowość pomiaru, związana z przejściem do innej ćwiartki wykresu Smitha (patrz rysunek 2 i opis powyżej). Jeżeli wymagana jest zgodność EMI emisji zakłóceń promieniowanych, częstotliwość można wybrać z listy dostępnych „wolnych” pasm ISM, co zagwarantuje, że system nie będzie zakłócał innych urządzeń znajdujących się w otoczeniu.
    2. Zaprojektuj lub wybierz balun dla wybranej częstotliwości lub pasma częstotliwości. Balun może być oparty na układzie LC lub na transformatorze. Balun powinien wykazywać bardzo niskie straty na odbiciu, gdy zostanie do niego podłączona linia przesyłowa na wyjściu symetrycznym.
    3. Oblicz szerokość przewodu i wymiary odstępu dla linii transmisyjnej. Do tego celu przydatny jest kalkulator impedancji linii przesyłowej. W sieci jest dostępnych wiele tego rodzaju narzędzi.

    Przykład prostego projektu

    Dla celów demonstracyjnych opracowano prosty monitor poziomu płynu w samochodowym zbiorniku płynu do spryskiwaczy. Zestaw testowy pompuje wodę pomiędzy dwoma identycznymi zbiornikami, z których jeden wyposażony jest w przyklejoną linię długą dedykowaną do pomiaru poziomu cieczy.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.4. Balun i linia długa zastosowane
    w przykładzie do pomiaru poziomu płynu.
    Zgodnie z poprzednim konspektem:

    Ponieważ wysokość zbiornika wynosi około 15 cm), odpowiednie jest wzbudzenie linii transmisyjnej sygnałem RF o częstotliwości około 300 MHz (patrz rysunek 3). Następnie zaprojektować i zbudować można odpowiedni balun LC dla tego zakresu częstotliwości. Pożądana jest niewielka zmiana impedancji do ZO, aby zwiększyć czułość na zmiany poziomu płynu (patrz rysunek 4). Analizator sieciowy lub reflektometr służy do weryfikacji wynoszącej około 30 dB lub więcej straty na odbiciu na pojedynczym porcie, przy podłączeniu rezystancyjnego terminatora bezpośrednio do wyjścia baluna, jeszcze przed podpięciem linii długiej do układu.

    Równoległa linia transmisyjna jest zaprojektowana i wykonana z ZO równym poprzednio użytej wartości rezystora. Linia transmisyjna jest podłączona w obwodzie, a rezystor - terminator przesuwa się na jej koniec - patrz rysunek 4 i rysunek 5. Analizator sieciowy lub reflektometr jest ponownie używany do sprawdzenia, czy straty na odbiciu pozostają na dostatecznie wysokim poziomie – spodziewamy się tutaj około 25 dB lub więcej.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.5. Dyskretny balun i zakończona linia
    długa, przed przymocowaniem do zbiornika.
    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.6. Linia transmisyjna przymocowana
    do zbiornika, w którym mierzony
    jest poziom cieczy.
    Teraz linia długa może zostać przymocowana z boku zbiornika, jak pokazano na rysunku 6. Normalnie obserwuje się nieznaczny spadek strat odbicia po przymocowaniu jej do pustego zbiornika, ze względu na efekt odstrojenia linii przez materiał ścianki zbiornika jako dodatkową warstwę dielektryczną na linii transmisyjnej.

    Przykładowe wyniki testu

    Rysunek 7 pokazuje pełną konfigurację testu. Linia przesyłowa jest przymocowana z boku zbiornika, a zbiornik ma możliwość napełniania i opróżniania się w kontrolowany sposób.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.7. Przykładowa konfiguracja układu
    testowego dla systemu.
    Zestaw ewaluacyjny DC2847A od Analog Devices pozwala na łatwy odczytu wyników pomiarów reflektometru ADL5920. Zestaw ten zawiera w sobie mikrokontroler dla sygnałów mieszanych, zdolny do pomiaru napięć analogowych z detektora mocy transmitowanej i odbijanej. Oprogramowanie dla komputera PC automatycznie załaduje i wyświetli wyniki w funkcji czasu w formacie graficznym. Stratę na odbiciu można łatwo obliczyć jako różnicę między pomiarami mocy transmitowanej i odbijanej. Rysunek 7 pokazuje pełną konfigurację testową dla przykładu projektowego.

    W tym przykładzie poziom płynu ustala się, uruchamiając pompę w jednym z dwóch zbiorników. Masowe natężenie przepływu jest względnie stałe, gdy pompa pracuje jednostajnie, zatem poziom płynu w zbiorniku zmienia się liniowo w czasie. W praktyce, z uwagi na fakt, że pole powierzchni dna i dalszych części zbiornika nie jest takie samo, wprowadzone mogą być pewne nieliniowości wzrostu poziomu cieczy w czasie.

    Rysunek 8 pokazuje wyniki testu, gdy poziom płynu przechodzi z pełnego do pustego (w sposób w przybliżeniu liniowy). Gdy płyn jest wypompowywany ze zbiornika, moc wyjściowa utrzymuje się na stałym poziomie, a moc odbita spada względnie liniowo. W chwili t = 33 sekund następuje widoczna zmiana nachylenia krzywej, co tłumaczone jest konstrukcją zbiornika i zmianą kształtu – pole przekroju poprzecznego zbiornika jest zmniejszone na dole, jak pokazano na rysunku 7, aby stworzyć miejsce dla silnika pompy. Wprowadza to pewną nieliniowość do pomiaru, którą w razie potrzeby można łatwo skompensować w oprogramowaniu systemowym.

    Reflektometr do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy
    Rys.8. Przykładowe wyniki testu a poziom
    płynu. Pomiar poziomu płynu jest liniowy
    i monotoniczny, z wyjątkiem konstrukcji
    zbiornika, jak zaznaczono w tekście.
    Kalibrowanie

    Aby uzyskać możliwie najlepszą dokładność, wymagana jest kalibracja reflektometru. Kalibracja skoryguje zmiany produkcyjne w detektorach RF w reflektometrze, zmieniające nachylenie i punkt przecięcia. Zestaw ewaluacyjny DC2847A pozwala na indywidualną kalibrację, jak pokazano na rysunku 8.

    Na wyższym poziomie poziom płynu w funkcji strat na odbiciu również wymaga kalibracji. Może to wynikać z szeregu źródeł niepewności, takich jak:

    * Zmienność produkcyjna odległości między linią przesyłową a ścianą zbiornika.
    * Różnice w grubości ścianek zbiornika.
    * Właściwości dielektryczne płynów i/lub ścian zbiorników, które mogą się zmieniać w zależności od temperatury.
    * Mogą występować systematyczne nieliniowości, na przykład zmiana nachylenia obserwowana na rysunku 8. Jeśli stosowana jest interpolacja liniowa, w tym przypadku konieczna jest kalibracja dla trzech lub więcej punktów w różnych przedziałach.

    Wszystkie współczynniki kalibracyjne są zazwyczaj przechowywane w nieulotnej pamięci systemu, która może być np. nieużywaną przestrzenią dla oprogramowania w aplikacji wbudowanego procesora lub w dedykowanym nieulotnym urządzeniu pamięci (np. pamięci EEPROM).

    Ograniczenia pomiaru poziomu płynu

    Kierunkowość każdego reflektometru jest kluczową specyfikacją tego rodzaju urządzenia. Pomijając straty na balunie, kiedy linia transmisyjna jest dokładnie zakończona własnym ZO, odbijana moc spada do zera, a reflektometr mierzy własną specyfikację kierunkowości. Im wyższa jest specyfikacja kierunkowości reflektometru, tym lepsza zdolność tego układu do dokładnego oddzielenia pomiaru mocy fal padających i fal odbitych.

    W przypadku ADL5920 kierunkowość jest specyfikowana jako 20 dB (typowo dla 1 GHz), wzrastając do około 43 dB (typowo dla 100 MHz lub niższej). To sprawia, że układ ADL5920 idealnie nadaje się do pomiarów poziomu płynu, gdy wysokość zbiornika wynosi około 30 mm lub więcej (patrz rysunek 3).

    Rozszerzenia aplikacji

    W przypadku niektórych aplikacji opisaną powyżej zasadę pomiaru poziomu płynu można rozszerzyć, na przykład:
    * Pomiar można wykonać w krótkim cyklu pracy (ustrój pomiarowy aktywny jest jedynie przez krótki okres, potem jest usypiany) w celu oszczędzania energii.
    * Jeżeli poziom płynu jest utrzymywany na stałym poziomie, pomiar strat powrotnych może korelować z inną interesującą właściwością płynu; na przykład lepkość lub pH.
    * Każda aplikacja jest wyjątkowa. Na przykład istnieją pewne techniki, które mogą oferować lepszą dokładność w górnej części skali, w porównaniu do dolnej, lub odwrotnie, w zależności od zastosowania.
    * Jeśli zbiornik jest metalowy, linia transmisyjna będzie musiała być umieszczona we wnętrzu zbiornika. W zależności od zastosowania i wykorzystanych materiałów, linię transmisyjną można nawet zanurzyć w cieczy.
    * Pomiary na więcej niż jednym poziomie mocy RF mogą pomóc określić, czy przyczyną zaobserwowanego błędu są np. zewnętrzne zakłócenia RF. Wiele jednoukładowych urządzeń PLL obsługuje tego rodzaju funkcję, co staje się testem pewności systemu lub autotestem.
    * Czujniki linii przesyłowej po dwóch lub czterech bokach zbiornika mogą kompensować przechylenie pojemnika odpowiednio wzdłuż jednej lub dwóch osi.
    * Jeśli celem jest pomiar progowy poziomu płynu, dobrym rozwiązaniem może być jedna lub więcej krótszych linii transmisyjnych pracujących z większą częstotliwością.

    Wniosek

    Wykorzystanie scalonego reflektometru, takiego jak ADL5920, oferuje możliwość konstruowania nowego rodzaju oprzyrządowania w aplikacjach takich, jak na przykład pomiar poziomu cieczy. Wyeliminowanie ruchomych części, takich jak mechaniczne pływaki, używane od lat, powoduje ogromny wzrost niezawodności systemu. Dodatkowo, z uwagi na brak jakichkolwiek elementów w zbiorniku, szczególnie tych pod napięciem, jest to idealne rozwiązanie do pomiaru poziomu cieczy żrących, agresywnych oraz łatwopalnych.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/contactless-fluid-level-measurement-using-a-reflectometer-chip.html

    Fajne! Ranking DIY
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9757 postów o ocenie 7934, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Texa PolandTexa Poland