리플렉토미터 칩으로 비접촉 유체 레벨 감지하기

공기 유전체 전송 라인을 탱크 외부에 클램프하고 리플렉토미터 칩으로 RF 임피던스 변화를 감지하여 구멍을 뚫지 않고 유체 레벨을 측정할 수 있습니다. 이 가이드는 Analog Devices의 ADL5920 같은 단일 칩 리플렉토미터가 어떻게 프로세스를 단순화할 수 있는지 보여주는 경험적 설계 예제를 안내합니다.

기존 플로트 기반 센서와 비교할 때 리플렉토미터 기반 시스템은 다음을 제공합니다:

• 실시간, 고속 측정
• 광범위한 디지털 후처리
• 비접촉 동작 – 액체 오염 없음
• 이동 부품 없음, 신뢰성 향상
• 최소 복사 RF – 원거리 상쇄
• 누수 없는 설계 – 탱크 벽에 관통 구멍 없음
• 본질적 안전 – 탱크 내부에 전기 구성요소 없음

유체 레벨 측정 개요

그림 1의 시스템 블록 다이어그램은 인라인 리플렉토미터와 함께 50Ω 종단된 균형 잡힌 공기 유전체 라인을 구동하는 RF 소스를 보여줍니다.

클릭하면 확대 이미지

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

동작 원리

공기 유전체 라인은 낮은 손실과 잘 정의된 특성 임피던스(Z₀)를 가집니다. 탱크 벽이나 내부 유체 같은 유전체 물질이 라인에 접근하면 임피던스, 전파 속도, 감쇠가 모두 변합니다. 리플렉토미터는 결과적인 반사 손실을 측정하며, 이는 유체 레벨과 상관관계가 있습니다. 주요 효과는 다음과 같습니다:

• 낮아진 특성 임피던스
• 감소된 전파 속도, 유효 전기적 길이 증가
• 높아진 감쇠

라인이 처음 탱크에 부착되면 탱크 벽의 근거리 유전체가 임피던스를 Z_OA로 약간 낮추고 전기적 길이를 증가시킵니다(그림 2의 Trace 1). 유체가 탱크를 채우면 임피던스가 Z_OF로 더 떨어지며, 스미스 차트 트레이스를 시계 방향으로 회전시킵니다(Trace 2, Trace 3) 그리고 소스 끝에서 반사 손실을 감소시킵니다.

클릭하면 확대 이미지

그림 2. 전송 라인 입력 임피던스의 스미스 차트 표현. 트레이스 종점이 유체 레벨이 반사 손실로 어떻게 변환되는지 보여줍니다. (출처: Analog Devices)

애매함을 피하기 위해 라인의 전기적 길이는 ≤90°여야 합니다. 그렇지 않으면 반사 손실이 폴드백되는 것처럼 보입니다.

밸런의 역할

밸런은 동일하지만 반대되는 AC 전압으로 라인을 구동하여 두 가지 주요 이점을 제공합니다:

• 유도 RF 결합 억제, EMI 준수 향상
• 더 높은 임피던스 변환, 도체 간격 확대와 전기장 심화로 감도 증대

밸런은 동작 대역에서 높은 공통 모드 제거 비율을 제공해야 합니다.

대역통과 필터

유도 RF가 라인에 결합될 수 있을 때 대역통과 필터(그림 1 참조)가 권장됩니다. 삽입 손실이 낮고 ~30dB 이상의 반사 손실을 가져야 합니다.

기본 설계 절차

1. 라인 길이가 자유 공간 파장의 0.1-0.25가 되도록 동작 주파수 선택. 낮은 주파수는 더 나은 선형성 제공, 높은 주파수는 반사 손실 범위 증가하지만 폴드백 위험. ISM 대역 선택은 위키피디아: ISM 대역에서 확인 가능.
2. 선택한 주파수에 맞는 밸런 설계 또는 선택. 저항 종단 부착 시 단일 종단 포트에서 ~30dB 반사 손실 검증.
3. 임의 전송 라인 계산기(ATLC) (ATLC)를 사용하여 목표 Z₀에 대한 도체 폭과 간격 계산.

클릭하면 확대 이미지

그림 3. 권장 동작 주파수 vs 전송 라인 길이. (출처: Analog Devices)

간단한 설계 예제

자동차 워셔액 탱크(약 15cm 높이)용 레벨 센서를 구축했습니다. 설계 단계는 다음과 같습니다:

1. 목표 주파수 ~300MHz (그림 3 참조).
2. 감도 향상을 위해 약간의 임피던스 스텝업이 있는 LC 밸런 설계; ~30dB 반사 손실 검증.
3. 밸런의 Z₀에 맞는 평행 전송 라인 제작; 라인 인-서킷 시 ~25dB 반사 손실 측정.

클릭하면 확대 이미지

그림 4. 유체 레벨 감지 예제에 사용된 밸런과 전송 라인. (출처: Analog Devices)

클릭하면 확대 이미지

그림 5. 탱크 부착 전 개별 밸런과 종단된 전송 라인. (출처: Analog Devices)

라인을 탱크에 부착한 후(그림 6), 탱크 벽이 추가 유전체로 작용하여 반사 손실이 약간 떨어지는 것이 관찰되었습니다.

클릭하면 확대 이미지

그림 6. 탱크 측면에 부착된 전송 라인. (출처: Analog Devices)

예제 테스트 결과

그림 7에 전체 테스트 설정이 나와 있습니다. DC2847A 평가 키트가 ADL5920에서 순방향 및 반사 전력(dBm)을 읽고, 자동으로 반사 손실을 계산하여 그래픽으로 표시합니다.

클릭하면 확대 이미지

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

펌핑 중 탱크 레벨이 선형적으로 상승했고 반사 전력은 그에 따라 감소했습니다. ~33초에 탱크의 테이퍼진 바닥으로 인한 기울기 변화가 나타났습니다. 이는 펌웨어에서 보정 가능합니다.

클릭하면 확대 이미지

그림 8. 유체 레벨 대비 테스트 결과. 탱크 설계 유도 비선형성 제외하고 선형적이고 단조로움. (출처: Analog Devices)

보정

두 단계 보정으로 정확도 향상:

• 디바이스 보정 – ADL5920의 기울기와 절편 변동 보정. DC2847A 키트가 자동 수행.
• 유체 레벨 보정 – 제조 공차, 탱크 벽 두께, 온도에 따른 유전체 변화를 고려하여 반사 손실을 레벨에 매핑. 비선형성 존재 시 최소 3개 보정 포인트 사용.

보정 상수는 임베디드 프로세서 내부나 전용 EEPROM의 비휘발성 메모리에 저장됩니다.

측정 한계

리플렉토미터의 직접성은 입사파와 반사파를 얼마나 잘 분리하는지 결정합니다. ADL5920의 경우 1GHz에서 ~20dB, 100MHz 이하에서 ~43dB로 향상되어 30mm 이상 탱크에 적합합니다.

애플리케이션 확장

잠재적 확장에는:

• 전력 절약을 위한 저듀티사이클 동작
• 레벨이 일정할 때 점도나 pH와 반사 손실 상관관계
• 센서 지오메트리 맞춤으로 스케일 상단 또는 하단의 고정밀 측정
• 금속 탱크는 침수된 전송 라인 필요할 수 있음
• 외부 간섭에 대한 자가 테스트용 다중 RF 전력 레벨
• 탱크 기울기 보상용 다면 전송 라인
• 임계값 감지용 짧고 고주파 라인

결론

ADL5920의 단일 칩 리플렉토미터는 이동 부품을 제거하고 오염 위험을 줄이며 오일 및 연료 모니터링 같은 산업 및 자동차 애플리케이션에 높은 신뢰성을 제공하는 새로운 유체 레벨 센서 클래스를 엽니다.

감사의 말

Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen, John Chung의 지도에 감사드립니다.