Sensoriamento de Nível de Fluido sem Contato com Chip Reflectômetro

Medir níveis de fluido sem furar furos é possível prendendo uma linha de transmissão dielétrica de ar ao exterior de um tanque e detectando a mudança na impedância RF com um chip reflectômetro. Este guia percorre um exemplo de design empírico demonstrando como um reflectômetro single-chip, como o ADL5920 da Analog Devices, pode simplificar o processo.

Comparado com sensores baseados em float convencionais, um sistema baseado em reflectômetro oferece:

• Medições em tempo real, alta velocidade
• Extensivo post-processing digital
• Operação sem contato — sem contaminação do líquido
• Sem partes móveis, aumentando confiabilidade
• Mínimo RF radiado — cancelamento far-field
• Design livre de vazamentos — sem penetrações na parede do tanque
• Segurança intrínseca — sem componentes elétricos dentro do tanque

Visão Geral de Medição de Nível de Fluido

O diagrama de blocos do sistema na Figura 1 mostra uma fonte RF alimentando uma linha balanceada, terminada em 50-Ω, dielétrica de ar com reflectômetro inline.

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Figura 1. Diagrama de blocos do sistema de medição de nível de fluido. (Fonte: Analog Devices)

Princípio de Operação

Linhas dielétricas de ar exibem baixa perda e impedância característica bem definida (Z₀). Quando um material dielétrico — como a parede do tanque ou o fluido dentro — aproxima-se da linha, a impedância, velocidade de propagação e atenuação todas mudam. Um reflectômetro mede o return loss resultante, que pode ser correlacionado ao nível de fluido. Efeitos-chave incluem:

• Impedância característica menor
• Velocidade de propagação reduzida, aumentando comprimento elétrico efetivo
• Atenuação maior

Quando a linha é primeiro anexada ao tanque, o dielétrico near-field da parede do tanque abaixa levemente a impedância para Z_OA e aumenta comprimento elétrico (Trace 1 na Figura 2). Conforme fluido enche o tanque, a impedância cai ainda mais para Z_OF, rotacionando o trace do Smith chart no sentido horário (Trace 2 e Trace 3) e reduzindo return loss na extremidade da fonte.

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Figura 2. Representação Smith chart da impedância de entrada da linha de transmissão. Endpoints do trace mostram como nível de fluido traduz para return loss. (Fonte: Analog Devices)

Para evitar ambiguidade, o comprimento elétrico da linha deve ser ≤90°; caso contrário, o return loss aparenta dobrar de volta.

Papel do Balun

O balun alimenta a linha com tensões AC iguais mas opostas, fornecendo dois benefícios principais:

• Suprime acoplamento RF stray, melhorando conformidade EMI
• Transforma impedância maior, alargando espaçamento de condutores e aprofundando campo elétrico para maior sensibilidade

O balun deve entregar alta common-mode rejection ratio através da banda de operação.

Filtro Passa-Banda

Quando RF stray pode acoplar na linha, um filtro passa-banda (veja Figura 1) é recomendado. Deve ter baixa insertion loss e return loss melhor que ~30 dB.

Procedimento Básico de Design

1. Escolha frequência de operação para que comprimento da linha seja 0.1-0.25 do comprimento de onda free-space. Frequências menores rendem melhor linearidade; frequências maiores aumentam range de return-loss mas arriscam fold-back. Seleções de banda ISM disponíveis em Wikipedia: ISM band.
2. Projete ou selecione balun para frequência escolhida. Verifique ~30 dB return loss em porta single-ended com terminação resistiva anexada.
3. Use calculadora de linha de transmissão arbitrária (ATLC) (ATLC) para computar largura e espaçamento de condutores para Z₀ alvo.

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Figura 3. Frequência operacional recomendada vs. comprimento de linha de transmissão. (Fonte: Analog Devices)

Exemplo de Design Simples

Construímos um sensor de nível para tanque de lavador de para-brisa automotivo (~15cm alto). Os passos de design foram:

1. Frequência alvo ~300 MHz (veja Figura 3).
2. Projetado balun LC com leve step-up de impedância para aumentar sensibilidade; verificado ~30 dB return loss.
3. Fabricada linha de transmissão paralela matchando Z₀ do balun; medido ~25 dB return loss com linha in-circuit.

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Figura 4. Balun e linha de transmissão usados para exemplo de sensoriamento de nível de fluido. (Fonte: Analog Devices)

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Figura 5. Balun discreto e linha de transmissão terminada antes de fixar ao tanque. (Fonte: Analog Devices)

Após anexar a linha ao tanque (Figura 6), leve queda no return loss foi observada devido à parede do tanque atuando como dielétrico extra.

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Figura 6. Linha de transmissão afixada ao lado do tanque. (Fonte: Analog Devices)

Resultados de Teste do Exemplo

O setup de teste completo é mostrado na Figura 7. Um kit de avaliação DC2847A lê potência forward e reflected (dBm) do ADL5920, computando automaticamente return loss e exibindo resultados graficamente.

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Figura 7. Setup de teste completo para o exemplo de design. (Fonte: Analog Devices)

Durante bombeamento, o nível do tanque subiu linearmente, e potência reflected caiu accordingly. A ~33s, mudança de slope apareceu devido ao fundo cônico do tanque — efeito que pode ser corrigido em firmware.

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Figura 8. Resultados de teste vs. nível de fluido. Linear e monótono, exceto por não-linearidade induzida por design do tanque. (Fonte: Analog Devices)

Calibração

Dois passos de calibração melhoram precisão:

• Calibração de dispositivo — corrige variações de slope e intercept no ADL5920. O kit DC2847A realiza isso automaticamente.
• Calibração de nível de fluido — mapeia return loss para nível, contabilizando tolerâncias de manufatura, espessura da parede do tanque e mudanças dielétricas com temperatura. Use pelo menos três pontos de calibração se não-linearidade presente.

Constantes de calibração são armazenadas em memória não-volátil, seja dentro de processador embarcado ou em EEPROM dedicada.

Limitações de Medição

A directividade do reflectômetro determina quão bem ele separa ondas incidentes e refletidas. Para o ADL5920, directividade é ~20 dB a 1 GHz, melhorando para ~43 dB a 100 MHz ou menor, tornando-o adequado para tanques ≥30mm de altura.

Extensões de Aplicação

Extensões potenciais incluem:

• Operação low-duty-cycle para economia de potência
• Correlação return-loss a viscosidade ou pH quando nível é constante
• Medição high-accuracy no topo ou base da escala customizando geometria do sensor
• Tanques metálicos podem requerer linhas de transmissão submersas
• Múltiplos níveis de potência RF para self-test contra interferência externa
• Linhas de transmissão multi-lado para compensar inclinação do tanque
• Linhas curtas, alta frequência para detecção de threshold

Conclusão

O reflectômetro single-chip ADL5920 abre nova classe de sensores de nível de fluido que eliminam partes móveis, reduzem risco de contaminação e fornecem alta confiabilidade para aplicações industriais e automotivas como monitoramento de óleo e combustível.

Agradecimentos

Agradecimentos a Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen e John Chung por sua orientação.