반사계 칩을 사용한 비접촉 유체 레벨 측정

유체 레벨 측정은 탱크 측면에 대해 공기 유전체 전송 라인을 배치하고 RF 임피던스를 감지하여 비금속 탱크의 벽을 통해 정확하게 측정할 수 있습니다. 이 기사는 반사계 장치가 설계를 단순화할 수 있는 방법을 보여주는 경험적 설계 예를 제공합니다.

기계적 부유물을 포함할 수 있는 기존의 유체 레벨 감지 방법과 비교할 때 반사계 기반 접근 방식은 다음과 같은 여러 이점을 제공합니다.

• 빠른 실시간 유체 레벨 측정
• 광범위한 전자 후처리가 가능해집니다.
• 비접촉식 설계(액체 오염 없음)
• 움직이는 부분 없음
• 최소 방사 RF 필드(원거리 필드 취소)
• 탱크에 내부 센서용 구멍 없음(누출 가능성 감소)
• 탱크에 전선이나 부품이 없기 때문에 본질적인 안전

유체 수준 측정 개요

그림 1은 인라인에 위치한 반사계가 있는 균형 및 종단 공기 유전체 전송 라인을 구동하는 RF 신호 소스로 구성된 전체 시스템의 블록 다이어그램을 보여줍니다.

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그림 1. 유체 레벨 측정 시스템 블록 다이어그램. (출처:Analog Devices)

작동 원리

공중에 매달린 전송 라인은 낮은 손실 도체와 고체 유전 물질의 부족으로 인해 정확한 특성 임피던스와 낮은 RF 손실을 위해 설계할 수 있습니다. E 및 H 벡터의 고전적인 플롯은 전기장과 자기장이 도체 주위에 집중되어 있고 그 크기가 거리에 따라 매우 빠르게 감소한다는 것을 보여줍니다. 여기서 거리는 전송선 구조 자체의 크기와 간격에 따라 측정됩니다. 유체 탱크 벽 및 내부 유체와 같은 근처의 유전 물질은 전송 라인의 전기적 특성[1]을 변경하며, 이는 Analog Devices의 ADL5920과 같은 반사계로 요약해서 측정할 수 있습니다.

상세 설명

특정 특성 임피던스 Z_O용으로 설계된 공기 유전체, 저손실 전송 라인의 경우를 고려하십시오. 공기 중의. 전송 라인의 근거리 필드에 있는 유체와 같은 추가 유전 물질은 다음을 수행합니다.

• 전송 라인의 특성 임피던스 낮추기,
• 전파 속도를 줄여 라인의 유효 전기 길이를 늘리고
• 선의 감쇠를 증가시킵니다.

이 세 가지 효과 모두를 결합하여 반사계 장치 또는 기기로 직접 측정할 수 있는 반사 손실을 줄일 수 있습니다. 신중한 설계와 보정을 통해 반사 손실은 유체 레벨과 상관 관계가 있습니다.

분석을 단순화하기 위해 임피던스가 Z_O로 설정된 그림 1의 공기 유전체 전송 라인을 고려하십시오. 탱크에 라인을 연결하기 전에. 줄이 Z_O로 끝나기 때문에 , 이론적으로 반사 에너지가 없으며 반사 손실은 무한합니다.

전송 라인이 탱크 측면에 부착된 후 하나의 전송 라인은 이제 직렬 구성으로 계단식으로 연결된 두 개의 개별 전송 라인처럼 작동합니다.

• 유체 수위 이상에서 전송 라인은 탱크 벽을 제외하고 공기 유전체입니다. 전송 라인 임피던스 Z_OA 공기 유전 값 Z_O에서 약간 변경됨 . 전송선로의 전파 속도도 마찬가지입니다.
• 유체 레벨 아래에서 전송 라인 임피던스 Z_OF Z_OA에 비해 낮아짐 . 전기 길이는 감쇠와 마찬가지로 효과적으로 증가하는데, 이는 모두 전송 라인의 근거리 필드에 존재하는 추가 유전체로 인해 발생합니다.

종단 Z_O의 임피던스 전송 라인의 소스 끝에서 반사계로 측정할 때 전송 라인의 맨 끝에서 변환됩니다. 변환은 대략 그림 2와 같이 그래픽으로 표시됩니다. Z_OF Z_O보다 낮습니다. , 화살표로 표시된 것처럼 시계 방향 스미스 차트 회전이 생성됩니다.

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그림 2. 전송 라인 입력 임피던스의 확장되고 정규화된 스미스 차트 표현. 추적 끝점은 유체 레벨이 반사 손실 측정으로 변환되는 방식을 나타냅니다. (출처:Analog Devices)

전송 선로 임피던스가 선로 끝의 저항 종단과 정확히 일치할 때 전송 선로로 인한 임피던스 변환이 없어야 합니다. 이 조건은 1 + j0 Ω의 정규화된 임피던스를 보여주는 스미스 차트(그림 2)의 중앙에 해당합니다. 반사 손실은 전 최소 26dB이어야 합니다. 전송 라인이 탱크에 부착되어 있습니다.

전송 라인을 빈 탱크에 부착한 후 탱크의 벽 재료는 전송 라인에 약간의 추가 유전체 재료를 제공하여 라인의 임피던스를 Z_OA로 낮춥니다. , 그리고 그림 2에 예시된 것처럼 전송 라인, Trace 1의 유효 전기 길이가 약간 증가합니다. 반사 손실은 여전히 ​​약 20dB에서 꽤 잘 측정되어야 합니다.

탱크의 유체 레벨이 상승함에 따라 유전체 전송으로 공기의 일부를 대체하는 유체로 인해 전송 라인 임피던스가 감소합니다. Z_OA 전송선 임피던스 이제 Z_OF가 됩니다. . 따라서 스미스 차트의 회전 중심은 아래로 이동합니다. 동시에 전송선로의 유효 전기 길이가 증가하기 때문에 스미스 차트 회전량이 증가합니다. 이는 그림 2의 Trace 2 및 Trace 3으로 표시됩니다. 결과적으로 반사계는 라인의 생성기 끝에서 감소된 반사 손실을 측정합니다.

반사계는 위상이 아닌 반사 크기를 측정하기 때문에 임피던스 변환은 무효 성분이 음수인 스미스 차트의 아래쪽 절반으로 제한되어야 합니다. 그렇지 않으면 임피던스가 스미스 차트의 중심으로 다시 변환되어 크기 측정이 모호해집니다. 즉, Full Tank에 연결된 송전선로의 전기적 길이는 90° 이하여야 합니다. 전기적 길이가 90°를 초과하면 측정된 반사 손실이 폴드백으로 나타납니다.

ADL5920과 같은 양방향 RF 검출기는 특성 임피던스 Z_O의 RF 전송 라인을 따라 입사 및 반사 전력을 dBm 단위로 측정할 수 있습니다. =50Ω 이 두 판독값을 빼면 반사 손실이 dB 단위로 직접 측정됩니다. 간단히 말해서 반사 손실은 RF 소스가 부하에 연결될 때 발생합니다. 전력의 일부는 부하로 전달되고 나머지는 소스로 다시 반사됩니다. 이 두 전력 수준의 차이가 반사 손실입니다. 이는 본질적으로 부하가 소스와 얼마나 잘 일치하는지를 측정하는 것입니다.

발룬의 목적

발룬은 동일하지만 반대 극성의 AC 전압으로 각 도체를 구동하는 역할을 하므로 두 가지 주요 목적을 수행합니다.

• 전송과 주고받는 표유 RF 커플링 감소 이는 규제 방출 및 민감도 준수에 중요합니다. 취소하면 양방향 원거리 EMI가 줄어듭니다.
• 변환 임피던스가 높다는 것은 전송선 요소의 간격이 넓어짐을 의미하며, 이는 컨테이너에 더 깊은 전기장 침투를 의미합니다. 그 결과 유체 레벨에 비해 반사 손실이 더 많이 변화하므로 유체 레벨 측정이 더 민감해집니다.

발룬은 대역 통과 필터의 전체 통과 대역에서 우수한 CMRR(공통 모드 제거비)을 제공하도록 설계되어야 합니다.

대역 통과 필터가 필요한가요?

표 1의 선택적 대역 통과 필터는 표유 RF가 전송 라인에 결합될 수 있을 때마다 권장됩니다. 대역 통과 필터는 Wi-Fi, 셀룰러 및 PCS 서비스, 지상 모바일 라디오 및 원하는 소스와 동일한 주파수 대역에 있지 않은 기타 모든 외부 신호의 간섭을 줄이거나 제거하는 데 매우 유용합니다.

최상의 결과를 얻으려면 반사 손실 측정에 상응하는 반사 손실과 함께 낮은 삽입 손실을 특징으로 하는 대역 통과 필터 설계가 권장됩니다. 즉, 가능한 경우 약 30dB 이상입니다.

기본 설계 절차

설계 절차 개요는 대략 다음과 같습니다.

• 전송 길이에 따라 작동 주파수 선택 일반적으로 전송 라인 길이는 탱크 높이와 거의 같거나 약간 더 길 것입니다. 전송 라인 길이가 일반적으로 공기 중 RF 파장의 1/10에서 1/4이 되도록 작동 주파수를 선택해야 합니다. 그림 3은 이 대략적인 주파수 범위를 보여줍니다. 주파수가 낮을수록 반사 손실 대 유체 레벨의 선형성이 가장 좋은 반면 주파수가 높을수록 반사 손실 신호의 범위가 더 넓어지지만 선형성이 좋지 않을 수 있으며 측정 폴드백이 발생할 수 있습니다(그림 2). 복사 방출 규정 준수가 필요한 경우 해당 ISM 주파수 목록에서 주파수를 선택할 수 있습니다[2].
• 선택한 주파수 또는 주파수 대역에 대한 발룬을 설계하거나 선택합니다. 발룬은 집중 소자 LC 또는 변압기 기반일 수 있습니다. 발룬은 균형 잡힌 끝에서 종료될 때 우수한 반사 손실을 보여야 합니다.
• 전송의 도체 폭 및 간격 치수 계산 ATLC(임의 전송 라인 계산기)와 같은 전송 라인 임피던스 계산기는 이 목적에 유용합니다[3].

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그림 3. 권장 작동 주파수 대 전송선 길이. (출처:Analog Devices)

간단한 디자인의 예

시연을 위해 자동차 앞유리 세척 탱크용 유체 레벨 모니터가 고안되었습니다. 테스트 설정은 유체 레벨 측정을 위해 두 개의 동일한 탱크 사이에서 물을 이동하며 그 중 하나는 전송 라인을 연결하는 것입니다.

이전 개요에 따라:

• 탱크 높이가 약 6인치(15m)이므로 약 300MHz의 타겟 RF 여기가 적절합니다(그림 3 참조).
• 다음으로 LC 발룬은 이 주파수 범위에 맞게 설계 및 구성됩니다. Z_O로의 약간의 스텝업 임피던스 변환 유체 수위 변화[4]에 대한 감도를 높이는 것이 바람직합니다(그림 4 참조). 네트워크 분석기 또는 반사계는 전송 라인을 연결하기 전에 발룬에 직접 연결된 고정 저항 종단과 함께 단일 종단 포트에서 약 30dB 이상의 반사 손실을 확인하는 데 사용됩니다.
• 병렬 전송 라인은 Z_O로 설계 및 제작됩니다. 이전에 사용된 저항 값과 동일합니다. 전송 라인은 회로 내에서 연결되고 저항 종단은 라인 끝으로 이동합니다. 그림 4 및 그림 5를 참조하십시오. 네트워크 분석기 또는 반사계는 반사 손실이 약 25dB 이상으로 양호하게 유지되는지 확인하는 데 다시 사용됩니다.

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그림 4. 유체 레벨 감지에 사용되는 발룬 및 전송 라인의 예. (출처:Analog Devices)

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그림 5. 탱크에 부착하기 전의 개별 발룬과 종단 전송 라인. (출처:Analog Devices)

이제 그림 6과 같이 전송 라인을 탱크 측면에 부착할 수 있습니다. 탱크 벽 재료의 추가 유전체 층으로 인한 디튜닝 효과로 인해 빈 탱크에 부착할 때 반사 손실이 약간 떨어지는 것을 관찰하는 것이 정상입니다. 전송 라인.

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그림 6. 탱크 측면에 부착된 전송 라인을 보여주는 예시 디자인(출처:Analog Devices)

예시 테스트 결과

그림 7은 전체 테스트 설정을 보여줍니다. 전송 라인은 탱크 측면에 부착되어 있으며 탱크에는 통제된 방식으로 채우고 배출할 수 있는 설비가 있습니다. Analog Devices의 DC2847A와 같은 평가 키트를 사용하여 반사계 측정 결과를 쉽게 읽을 수 있습니다. 이 평가 키트에는 순방향 및 반사 검출기 아날로그 전압을 읽기 위한 혼합 신호 MCU가 포함되어 있습니다. PC 소프트웨어는 시간에 따른 그래픽 형식으로 결과를 자동으로 로드하고 표시합니다. 반사 손실은 순방향 전력 측정과 반사 전력 측정 간의 차이로 쉽게 계산됩니다. 그림 7은 설계 예제의 전체 테스트 설정을 보여줍니다.

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그림 7. 설계 예제의 전체 테스트 설정(출처:Analog Devices)

이 설계 예에서는 두 탱크 중 하나에서 펌프를 활성화하여 유체 수위 조건을 설정합니다. 질량 유량은 펌프가 작동 중일 때 상대적으로 일정하므로 탱크의 유체 수위는 시간에 따라 선형적으로 증가하는 것이 이상적입니다. 실제로 탱크 단면은 위에서 아래로 완전히 일치하지 않습니다.

그림 8은 유체 레벨이 가득 차서 비어 있을 때의 테스트 결과를 보여줍니다. 유체가 탱크 밖으로 펌핑됨에 따라 전방 전력은 일정하게 유지되는 반면 반사 전력은 상대적으로 선형으로 떨어집니다.

t =33초에서 기울기의 눈에 띄는 변화가 발생합니다. 이것은 탱크의 디자인 때문인 것으로 생각됩니다. 탱크의 단면적은 그림 7과 같이 탱크 하단에서 감소하여 펌프 모터를 위한 공간을 만듭니다. 이것은 필요한 경우 시스템 펌웨어에서 쉽게 수정할 수 있는 측정 비선형성을 도입합니다.

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그림 8. 예제 테스트 결과 대 유체 레벨. 유체 레벨 측정은 텍스트에 언급된 탱크 설계로 인한 예외를 제외하고 선형 및 단조입니다.(출처:Analog Devices)

보정

최고의 정확도를 위해 반사계 보정이 필요합니다. 보정은 반사계 내 RF 검출기의 제조 변동, 즉 기울기 및 절편을 수정합니다. DC2847A 평가 키트는 그림 8과 같이 개별 교정을 지원합니다.

더 높은 수준에서 유체 수준 대 반사 손실도 보정이 필요합니다. 이는 다음과 같은 불확실성의 원인일 수 있습니다.

• 전송 라인과 탱크 벽 사이의 거리 편차를 제조합니다.
• 탱크 벽 두께의 변화.
• 유체 및/또는 탱크 벽의 유전 특성은 온도에 따라 다를 수 있습니다.

예를 들어 그림 8에서 관찰된 기울기의 변화와 같이 체계적인 비선형성이 존재할 수 있습니다. 선형 보간법을 사용하는 경우 이 경우 3개 이상의 포인트 보정이 필요합니다.

모든 보정 계수는 일반적으로 시스템의 비휘발성 메모리에 저장되며, 이는 임베디드 프로세서 애플리케이션에서 사용되지 않는 코드 공간이거나 전용 비휘발성 메모리 장치일 수 있습니다.

유체 수준 측정 제한

모든 반사계의 지향성은 핵심 사양입니다. 전송 라인이 자체 Z_O로 정확하게 종료되는 경우 발룬 손실 무시 , 반사 전력은 0이 되고 반사계는 자체 지향성 사양을 측정합니다. 지향성 사양이 높을수록 반사계가 입사파와 반사파의 크기를 정확하게 구분하는 능력이 향상됩니다.

ADL5920의 경우 지향성은 1GHz에서 일반적으로 20dB로 지정되며 100MHz 이하에서 일반적으로 약 43dB로 증가합니다. 따라서 ADL5920은 탱크 높이가 약 30mm 이상인 유체 레벨 측정에 매우 적합합니다(그림 3 참조).

응용 프로그램 확장

일부 애플리케이션의 경우 기본 비접촉 유체 레벨 측정 원리를 여러 가지 방식으로 확장할 수 있습니다. 예:

• 전력을 절약하기 위해 낮은 듀티 사이클에서 측정을 수행할 수 있습니다.
• 유체 수위가 일정하게 유지되면 반사 손실 측정이 관심 있는 다른 유체 속성과 상관 관계가 있을 수 있습니다. 예:점도 또는 pH.
• 각 응용 프로그램은 고유합니다. 예를 들어, 애플리케이션에 따라 스케일의 상단에서 하단에 비해 더 나은 정확도를 제공하거나 그 반대의 경우 더 나은 정확도를 제공할 수 있는 몇 가지 기술이 있습니다.
• 탱크가 금속성인 경우 전송선이 내부로 들어가야 합니다. 용도에 따라 전송선이 잠길 수 있습니다.
• 둘 이상의 RF 전력 수준에서 측정하면 외부 RF 간섭이 원인이 되는 오류인지 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 많은 단일 칩 PLL 장치가 이 기능을 지원하므로 시스템에 대한 신뢰도 테스트 또는 자체 테스트가 됩니다.
• 탱크의 2개 또는 4개 면에 있는 전송 라인 센서는 1축 또는 2축을 따라 컨테이너 기울기를 보정할 수 있습니다.
• 유체 레벨 임계값 측정이 목표라면 더 높은 주파수에서 작동하는 하나 이상의 더 짧은 전송 라인이 좋은 솔루션이 될 수 있습니다.

결론

ADL5920과 같은 단일 칩 반사계 장치의 개발은 유체 레벨 계측과 같은 새로운 유형의 애플리케이션을 제공합니다. 수년 동안 사용되어 온 기계적 플로트와 같은 움직이는 부품을 제거하면 신뢰성이 크게 향상됩니다. 오일 및 연료 수준 모니터링도 가능하여 많은 새로운 산업 및 자동차 응용 분야를 개척할 수 있습니다.

각주

1 유체의 존재는 전송 라인 임피던스, 손실 및 전파 속도에 영향을 미칩니다.

2 산업, 과학 및 의료 주파수. en.wikipedia.org/wiki/ISM_band 방문 .

3 ATLC:임의의 전송 라인 계산기(전송 라인 및 방향성 커플러용). atlc.sourceforge.net 방문 .

4 임피던스 승압이 너무 크면 전송 라인을 설계하기 어렵게 만들고 전송 라인 손실이 과도해질 수 있습니다.

감사

저자는 Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen 및 John Chung에게 감사를 전합니다. 그들의 지도와 도움이 없었다면 이 기사는 불가능했을 것입니다.