Medição de nível de fluido sem contato usando um chip refletômetro

As medições de nível de fluido podem ser medidas com precisão através da parede de um tanque não metálico, colocando uma linha de transmissão dielétrica de ar contra a lateral do tanque e detectando a impedância de RF. Este artigo fornece um exemplo de design empírico que ilustra como um dispositivo refletômetro pode simplificar o design.

Em comparação com os métodos tradicionais de detecção de nível de fluido que podem envolver flutuadores mecânicos, uma abordagem baseada em refletômetro oferece vários benefícios, incluindo:

• Medições de nível de fluido rápidas em tempo real
• Pós-processamento eletrônico extensivo torna-se possível
• Design sem contato (sem contaminação do líquido)
• Sem peças móveis
• Campo RF irradiado mínimo (cancelamentos de campo distante)
• Sem orifícios no tanque para um sensor interno (reduza a possibilidade de vazamentos)
• Segurança intrínseca, devido à ausência de fios elétricos ou peças no tanque

Visão geral da medição de nível de fluido

A Figura 1 mostra um diagrama de blocos do sistema geral, que consiste em uma fonte de sinal de RF conduzindo uma linha de transmissão dielétrica de ar equilibrada e terminada com um refletômetro localizado em linha.

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Figura 1. Diagrama de blocos do sistema de medição de nível de fluido. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Princípio de Operação

As linhas de transmissão suspensas no ar podem ser projetadas para uma impedância característica precisa e baixa perda de RF como resultado de condutores de baixa perda e falta de material dielétrico sólido. Os gráficos clássicos dos vetores E e H mostram que os campos elétricos e magnéticos estão concentrados ao redor dos condutores e sua magnitude decai rapidamente com a distância, onde a distância é medida em relação ao tamanho e espaçamento da própria estrutura da linha de transmissão. Qualquer material dielétrico próximo, como uma parede de tanque de fluido e o fluido dentro, alterará as características elétricas da linha de transmissão [1], que podem ser medidas sumariamente com um refletômetro como o ADL5920 de Dispositivos Analógicos.

Descrição detalhada

Considere o caso de uma linha de transmissão de baixa perda de dielétrico de ar projetada para uma impedância característica específica Z _O no ar. Qualquer substância dielétrica adicionada, como um fluido no campo próximo da linha de transmissão:

• Diminua a impedância característica da linha de transmissão,
• Reduza a velocidade de propagação, aumentando assim o comprimento elétrico efetivo da linha, e
• Aumente a atenuação da linha.

Todos os três efeitos podem se combinar para criar uma redução na perda de retorno, que é diretamente mensurável com um dispositivo ou instrumento refletômetro. Com projeto e calibração cuidadosos, a perda de retorno pode ser correlacionada ao nível de fluido.

Para simplificar a análise, considere a linha de transmissão dielétrica de ar da Figura 1 com impedância definida igual a Z _O antes de conectar a linha ao tanque. Porque a linha é terminada com Z _O , teoricamente, não há energia refletida e a perda de retorno é infinita.

Depois que a linha de transmissão é fixada na lateral de um tanque, o que era uma linha de transmissão agora se comporta como duas linhas de transmissão separadas, em cascata em uma configuração em série:

• Acima do nível do fluido, a linha de transmissão é dielétrica de ar, exceto para a parede do tanque. Impedância da linha de transmissão Z _OA mudou pouco em relação ao seu valor dielétrico do ar, Z _O . O mesmo é verdadeiro para a velocidade de propagação da linha de transmissão.
• Abaixo do nível do fluido, a impedância da linha de transmissão Z _OF torna-se menor em comparação com Z _OA . O comprimento elétrico aumenta efetivamente, assim como a atenuação, tudo por causa do material dielétrico extra presente no campo próximo da linha de transmissão.

A impedância da terminação Z _O na extremidade da linha de transmissão será transformada quando medida pelo refletômetro na extremidade da fonte da linha de transmissão. A transformação é representada graficamente, aproximadamente conforme mostrado na Figura 2. Porque Z _OF é menor que Z _O , uma rotação de gráfico de Smith no sentido horário é criada, conforme mostrado pelas setas.

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Figura 2. Representação do gráfico de Smith expandido e normalizado da impedância de entrada da linha de transmissão. Os pontos finais de rastreamento descrevem como o nível de fluido se traduz em uma medição de perda de retorno. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Quando a impedância da linha de transmissão é precisamente combinada com a terminação resistiva no final da linha, não deve haver nenhuma transformação de impedância devido à linha de transmissão. Essa condição corresponde ao centro do gráfico de Smith, Figura 2, que mostra uma impedância normalizada de 1 + j0 Ω. A perda de retorno deve ser de pelo menos 26 dB antes a linha de transmissão é acoplada ao tanque.

Depois de conectar a linha de transmissão a um tanque vazio, o material da parede do tanque contribuirá com algum material dielétrico extra para a linha de transmissão, diminuindo assim a impedância da linha para Z _OA , e aumentando ligeiramente o comprimento elétrico efetivo da linha de transmissão, Traço 1, conforme exemplificado na Figura 2. A perda de retorno ainda deve medir muito bem em aproximadamente 20 dB.

Conforme o nível do fluido sobe no tanque, a impedância da linha de transmissão torna-se reduzida devido ao fluido deslocando uma parte do ar como a transmissão dielétrica. Impedância da linha de transmissão que era Z _OA agora se torna Z _OF . Conseqüentemente, o centro de rotação no gráfico de Smith se move para baixo. Simultaneamente, a quantidade de rotação do gráfico de Smith aumenta, porque o comprimento elétrico efetivo da linha de transmissão está aumentando. Isso é representado pelo Traço 2 e Traço 3 na Figura 2. Consequentemente, o refletômetro mede a perda de retorno reduzida na extremidade do gerador da linha.

Como o refletômetro mede a magnitude da reflexão, não a fase, a transformação da impedância deve ser restrita à metade inferior do gráfico de Smith, onde o componente reativo é negativo. Caso contrário, a impedância está sendo transformada de volta para o centro do gráfico de Smith, causando uma ambigüidade de medição de magnitude. Isso significa que o comprimento elétrico da linha de transmissão conectada a um tanque cheio deve ser de 90 ° ou menos. Se o comprimento elétrico exceder 90 °, a perda de retorno medida parecerá retroceder.

Um detector de RF bidirecional como o ADL5920 pode medir a potência incidente e refletida em unidades de dBm, ao longo de uma linha de transmissão de RF de impedância característica Z _O =50 Ω. Subtraindo essas duas leituras mede diretamente a perda de retorno em dB. A perda de retorno, em termos simples, ocorre quando uma fonte de RF é conectada a uma carga. Parte da energia será transferida para a carga e o restante será refletido de volta para a fonte. A diferença entre esses dois níveis de potência é a perda de retorno. É essencialmente uma medida de quão bem combinada a carga é para a fonte.

Objetivo do Balun

O balun serve para conduzir cada condutor com tensão CA de polaridade igual, mas oposta, e, portanto, serve a dois propósitos principais:

• Reduzindo o acoplamento de RF parasita de e para a transmissão Isso é importante para emissões regulatórias e conformidade de suscetibilidade. O EMI de campo distante em qualquer direção é reduzido pelo cancelamento.
• Transformando Impedância mais alta significa maior espaçamento dos elementos da linha de transmissão, o que significa maior penetração do campo elétrico no contêiner. O resultado é mais mudança na perda de retorno vs. nível de fluido, o que significa uma medição de nível de fluido mais sensível.

O balun deve ser projetado para fornecer uma boa taxa de rejeição de modo comum (CMRR) em toda a banda de passagem do filtro de passagem de banda.

É necessário um filtro passa-banda?

O filtro passa-banda opcional da Figura 1 é recomendado sempre que RF disperso puder se acoplar na linha de transmissão. Um filtro passa-banda será muito útil para reduzir ou eliminar a interferência de serviços de Wi-Fi, celular e PCS, rádio móvel terrestre e todos os outros sinais externos que não estão na mesma banda de frequência que a fonte desejada.

Para obter melhores resultados, é recomendado que o projeto do filtro passa-banda apresente baixa perda de inserção, com perda de retorno proporcional à da medição de perda de retorno; ou seja, aproximadamente 30 dB ou melhor, se possível.

Procedimento de Projeto Básico

O esboço do procedimento de design é aproximadamente o seguinte:

• Escolha uma frequência de operação com base no comprimento da transmissão Normalmente, o comprimento da linha de transmissão será quase igual à altura do tanque ou um pouco maior. A frequência operacional deve ser escolhida de forma que o comprimento da linha de transmissão seja normalmente de um décimo a um quarto do comprimento de onda de RF no ar. A Figura 3 ilustra essa faixa de frequência aproximada. Uma frequência mais baixa fornecerá a melhor linearidade de perda de retorno vs. nível de fluido, enquanto uma frequência mais alta fornecerá uma gama maior de sinais de perda de retorno, mas a linearidade pode não ser tão boa e pode ocorrer retrocesso de medição (Figura 2). Se a conformidade com as emissões irradiadas for necessária, a frequência pode ser escolhida na lista de frequências ISM aplicáveis ​​[2].
• Projete ou escolha um balun para a frequência ou banda de frequência escolhida. O balun pode ser um LC de elemento concentrado ou baseado em transformador. O balun deve exibir excelente perda de retorno quando finalizado na extremidade equilibrada.
• Calcular a largura do condutor e as dimensões do espaçamento da transmissão. Uma calculadora de impedância de linha de transmissão, como uma calculadora de linha de transmissão arbitrária (ATLC), é útil para este propósito [3].

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Figura 3. Frequência de operação recomendada vs. comprimento da linha de transmissão. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Um exemplo de design simples

Para fins de demonstração, um monitor de nível de fluido para um tanque lavador de pára-brisa automotivo foi desenvolvido. A configuração de teste move a água entre dois tanques idênticos, um dos quais deve ter uma linha de transmissão conectada, para medição do nível de fluido.

De acordo com o esboço anterior:

• Como a altura do tanque é de aproximadamente 6 ″ (15 m), uma excitação de RF alvo de cerca de 300 MHz é apropriada (consulte a Figura 3).
• Em seguida, um balun LC é projetado e construído para esta faixa de frequência. Uma ligeira transformação de impedância de aumento para Z _O é desejado para aumentar a sensibilidade à variação do nível de fluido [4] (ver Figura 4). Um analisador de rede ou refletômetro é usado para verificar aproximadamente 30 dB ou melhor perda de retorno na porta de terminação única, com a terminação resistiva fixa conectada diretamente ao balun, antes de conectar a linha de transmissão.
• Uma linha de transmissão paralela é projetada e fabricada com Z _O igual ao valor do resistor usado anteriormente. A linha de transmissão é conectada no circuito e a terminação do resistor se move para o fim da linha. Consulte a Figura 4 e a Figura 5. O analisador de rede ou refletômetro é novamente usado para verificar se a perda de retorno permanece boa — aproximadamente 25 dB ou melhor.

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Figura 4. Balun e linha de transmissão usada para exemplo de detecção de nível de fluido. (Fonte:Dispositivos analógicos)

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Figura 5. Balun discreto e linha de transmissão terminada, antes da fixação no tanque. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Agora a linha de transmissão pode ser conectada à lateral do tanque, conforme mostrado na Figura 6. É normal observar a perda de retorno cair ligeiramente quando fixada em um tanque vazio devido ao efeito de dessintonização do material da parede do tanque como uma camada dielétrica adicional sobre a linha de transmissão.

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Figura 6. Exemplo de desenho mostrando a linha de transmissão fixada na lateral do tanque. (Fonte:Analog Devices)

Exemplo de resultados de teste

A Figura 7 mostra uma configuração de teste completa. A linha de transmissão é fixada na lateral de um tanque, e o tanque pode ser enchido e drenado de maneira controlada. Um kit de avaliação como o DC2847A da Analog Devices pode ser usado para ler facilmente os resultados das medições do refletômetro. Este kit de avaliação inclui um MCU de sinal misto para ler as tensões analógicas do detector direto e refletido. O software para PC carregará automaticamente e exibirá os resultados em formato gráfico em função do tempo. A perda de retorno é facilmente calculada como a diferença entre as medições de potência direta e refletida. A Figura 7 mostra a configuração de teste completa para o exemplo de design.

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Figura 7. Conclua a configuração do teste para o exemplo de design. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Neste exemplo de projeto, as condições de nível de fluido são estabelecidas ativando uma bomba em um dos dois tanques. A taxa de fluxo de massa é relativamente constante quando uma bomba está funcionando, portanto, de maneira ideal, o nível de fluido no tanque aumenta linearmente em relação ao tempo. Na prática, a seção transversal do tanque não é totalmente consistente de cima para baixo.

A Figura 8 mostra os resultados do teste conforme o nível do fluido vai de cheio para vazio. Conforme o fluido é bombeado para fora do tanque, a potência direta se mantém constante, enquanto a potência refletida cai relativamente linearmente.

Em t =33 segundos, ocorre uma mudança visível na inclinação. Acredita-se que isso seja devido ao design do tanque. A área da seção transversal do tanque é reduzida na extremidade inferior do tanque, como pode ser visto na Figura 7, para criar espaço para o motor da bomba. Isso introduz uma não linearidade de medição que pode ser facilmente corrigida no firmware do sistema, se necessário.

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Figura 8. Exemplo de resultados de teste vs. nível de fluido. A medição do nível de fluido é linear e monotônica, com uma exceção devido ao design do tanque, conforme indicado no texto. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Calibração

Para melhor precisão, a calibração do refletômetro é necessária. A calibração corrigirá a variação de fabricação dos detectores de RF dentro do refletômetro - ou seja, inclinação e interceptação. O kit de avaliação DC2847A suporta calibração individual, conforme visto na Figura 8.

Em um nível superior, o nível de fluido vs. perda de retorno também precisa de calibração. Isso pode ser devido às seguintes fontes de incerteza:

• Variação de fabricação da distância entre a linha de transmissão e a parede do tanque.
• Variação na espessura da parede do tanque.
• As propriedades dielétricas do fluido e / ou da parede do tanque podem variar em relação à temperatura.

Podem existir não linearidades sistemáticas, por exemplo, a mudança na inclinação observada na Figura 8. Se a interpolação linear for usada, uma calibração de três ou mais pontos torna-se necessária neste caso.

Todos os coeficientes de calibração serão normalmente armazenados na memória não volátil do sistema, que pode ser um espaço de código não utilizado em um aplicativo de processador embutido ou um dispositivo de memória não volátil dedicado.

Limitações de medição de nível de fluido

A diretividade de qualquer refletômetro é uma especificação chave. Negligenciando as perdas de balun, quando a linha de transmissão é terminada precisamente com seu próprio Z _O , a potência refletida vai para zero e o refletômetro mede sua própria especificação de diretividade. Quanto mais alta a especificação de diretividade, melhor será a capacidade do refletômetro de separar com precisão as magnitudes das ondas incidentes e refletidas.

Para o ADL5920, a diretividade é especificada como 20 dB típico a 1 GHz, aumentando para aproximadamente 43 dB típico a 100 MHz ou menos. Isso torna o ADL5920 adequado para medições de nível de fluido em que a altura do tanque é cerca de 30 mm ou mais (consulte a Figura 3).

Extensões de aplicativo

Para algumas aplicações, o princípio básico de medição de nível de fluido sem contato pode ser estendido de várias maneiras. Por exemplo:

• A medição pode ser realizada em ciclo de serviço baixo para conservar energia.
• Se o nível de fluido for mantido constante, a medição de perda de retorno pode se correlacionar a outra propriedade de fluido de interesse; por exemplo, viscosidade ou pH.
• Cada aplicativo é único. Por exemplo, existem algumas técnicas que podem oferecer melhor precisão na extremidade superior da escala, em comparação com a extremidade inferior, ou vice-versa, dependendo da aplicação.
• Se o tanque for metálico, a linha de transmissão precisará ir para dentro do Dependendo da aplicação, a linha de transmissão pode ser submersa.
• Medições em mais de um nível de potência de RF podem ajudar a identificar se a interferência de RF externa é um erro contribuinte. Muitos dispositivos PLL de chip único suportam esse recurso, que se torna um teste de confiança para o sistema ou um autoteste.
• Sensores de linha de transmissão em dois ou quatro lados do tanque podem compensar a inclinação do contêiner ao longo de um eixo ou dois eixos,
• Se a meta é a medição do limite de nível de fluido, uma ou mais linhas de transmissão mais curtas operadas em frequência mais alta podem ser uma boa solução.

Conclusão

O desenvolvimento de um dispositivo refletômetro de chip único, como o ADL5920, traz consigo novos tipos de aplicações, como instrumentação de nível de fluido. A eliminação de peças móveis, como um flutuador mecânico usado há anos, resultará em um grande aumento de confiabilidade. O monitoramento do nível de óleo e combustível também pode ser possível, abrindo muitas novas aplicações industriais e automotivas.

Notas de rodapé

1 A presença de fluido afeta a impedância, perda e velocidade de propagação da linha de transmissão.

2 Frequências industriais, científicas e médicas. Visite en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .

3 ATLC:calculadora de linha de transmissão arbitrária (para linhas de transmissão e acopladores direcionais). Visite atlc.sourceforge.net .

4 Um aumento de impedância muito grande tornará a linha de transmissão difícil de projetar e as perdas na linha de transmissão podem se tornar excessivas.

Agradecimentos

O autor deseja agradecer a Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen e John Chung. Sem sua orientação e ajuda, este artigo não seria possível.