Pengukuran level cairan tanpa kontak menggunakan chip reflectometer

Pengukuran level fluida dapat diukur secara akurat melalui dinding tangki nonlogam dengan menempatkan saluran transmisi udara-dielektrik pada sisi tangki dan merasakan impedansi RF. Artikel ini memberikan contoh desain empiris yang menggambarkan bagaimana perangkat reflektometer dapat menyederhanakan desain.

Dibandingkan dengan metode tradisional penginderaan ketinggian cairan yang mungkin melibatkan pelampung mekanis, pendekatan berbasis reflektometer menawarkan beberapa manfaat, termasuk:

• Pengukuran level cairan real-time yang cepat
• Pemrosesan pasca elektronik yang ekstensif menjadi mungkin
• Desain tanpa kontak (tidak ada kontaminasi cairan)
• Tidak ada bagian yang bergerak
• Medan RF terpancar minimal (medan jauh dibatalkan)
• Tidak ada lubang di tangki untuk sensor internal (mengurangi kemungkinan kebocoran)
• Keamanan intrinsik, karena tidak ada kabel listrik atau suku cadang di dalam tangki

Ikhtisar Pengukuran Tingkat Fluida

Gambar 1 menunjukkan diagram blok dari sistem keseluruhan, yang terdiri dari sumber sinyal RF yang menggerakkan saluran transmisi dielektrik udara yang seimbang dan diakhiri dengan reflektorometer yang terletak sejajar.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 1. Diagram blok sistem pengukuran level fluida. (Sumber:Perangkat Analog)

Prinsip Operasi

Saluran transmisi yang tersuspensi di udara dapat dirancang untuk impedansi karakteristik yang tepat dan kehilangan RF yang rendah sebagai akibat dari konduktor dengan rugi yang rendah dan kurangnya bahan dielektrik padat. Plot klasik vektor E dan H menunjukkan bahwa medan listrik dan magnet terkonsentrasi di sekitar konduktor, dan besarnya meluruh cukup cepat dengan jarak, di mana jarak diukur relatif terhadap ukuran dan jarak dari struktur saluran transmisi itu sendiri. Bahan dielektrik terdekat seperti dinding tangki cairan dan cairan di dalamnya akan mengubah karakteristik listrik saluran transmisi[1], yang dapat diukur dengan reflektometer seperti ADL5920 dari Perangkat Analog.

Deskripsi Detail

Pertimbangkan kasus saluran transmisi udara-dielektrik, rugi-rugi rendah yang dirancang untuk impedansi karakteristik tertentu Z_O di udara. Setiap zat dielektrik yang ditambahkan seperti cairan di medan dekat saluran transmisi akan:

• Turunkan impedansi karakteristik saluran transmisi,
• Mengurangi kecepatan rambat, sehingga meningkatkan panjang listrik efektif saluran, dan
• Meningkatkan redaman garis.

Ketiga efek ini dapat digabungkan untuk menciptakan pengurangan return loss, yang dapat diukur secara langsung dengan perangkat atau instrumen reflektor. Dengan desain dan kalibrasi yang cermat, return loss dapat dikorelasikan dengan level cairan.

Untuk menyederhanakan analisis, pertimbangkan saluran transmisi dielektrik udara pada Gambar 1 dengan impedansi disetel sama dengan Z_O sebelum memasang saluran ke tangki. Karena garis diakhiri dengan Z_O , secara teoritis, tidak ada energi yang dipantulkan, dan rugi-rugi yang kembali tidak terbatas.

Setelah saluran transmisi ditempelkan di sisi tangki, yang tadinya satu saluran transmisi sekarang berperilaku sebagai dua saluran transmisi terpisah, mengalir dalam konfigurasi seri:

• Di atas permukaan cairan, saluran transmisi adalah dielektrik udara, kecuali untuk dinding tangki Impedansi saluran transmisi Z_OA berubah sedikit dari nilai dielektrik udaranya, Z_O . Hal yang sama berlaku untuk kecepatan propagasi saluran transmisi.
• Di bawah level cairan, impedansi saluran transmisi Z_OF menjadi lebih rendah dibandingkan dengan Z_OA . Panjang listrik secara efektif meningkat, seperti halnya redaman, semua karena bahan dielektrik tambahan yang ada di medan dekat saluran transmisi.

Impedansi pemutusan Z_O di ujung saluran transmisi akan ditransformasikan ketika diukur dengan reflektometer di ujung sumber saluran transmisi. Transformasi tersebut digambarkan secara grafis, kira-kira seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Karena Z_OF lebih rendah dari Z_O , rotasi diagram Smith searah jarum jam dibuat, seperti yang ditunjukkan oleh panah.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 2. Representasi diagram Smith yang diperluas dan dinormalisasi dari impedansi input saluran transmisi. Titik akhir jejak menggambarkan bagaimana tingkat cairan diterjemahkan ke pengukuran kehilangan kembali. (Sumber:Perangkat Analog)

Ketika impedansi saluran transmisi secara tepat sesuai dengan terminasi resistif di ujung saluran, tidak akan ada transformasi impedansi karena saluran transmisi. Kondisi ini sesuai dengan pusat diagram Smith, Gambar 2, yang menunjukkan impedansi normal 1 + j0 . Return loss harus minimal 26 dB sebelum saluran transmisi terpasang ke tangki.

Setelah memasang saluran transmisi ke tangki kosong, bahan dinding tangki akan menyumbangkan beberapa bahan dielektrik tambahan ke saluran transmisi, sehingga menurunkan impedansi saluran ke Z_OA , dan sedikit meningkatkan panjang efektif saluran transmisi, Trace 1, seperti yang dicontohkan pada Gambar 2. Rugi balik masih harus mengukur cukup baik di sekitar 20 dB.

Saat level cairan naik di tangki, impedansi saluran transmisi menjadi berkurang karena cairan menggantikan sebagian udara sebagai transmisi dielektrik. Impedansi saluran transmisi yang Z_OA sekarang menjadi Z_OF . Oleh karena itu, pusat rotasi pada grafik Smith bergerak lebih rendah. Secara bersamaan, jumlah rotasi Smith chart meningkat, karena panjang listrik efektif saluran transmisi meningkat. Hal ini digambarkan oleh Trace 2 dan Trace 3 pada Gambar 2. Akibatnya, reflectometer mengukur pengurangan return loss di ujung generator baris.

Karena reflektor mengukur besarnya refleksi, bukan fase, transformasi impedansi harus dibatasi ke bagian bawah diagram Smith di mana komponen reaktifnya negatif. Jika tidak, impedansi ditransformasikan kembali ke pusat diagram Smith, menyebabkan ambiguitas pengukuran besaran. Ini berarti panjang listrik dari saluran transmisi yang terpasang ke tangki penuh harus 90° atau kurang. Jika panjang listrik melebihi 90°, kerugian pengembalian yang terukur akan terlihat seperti foldback.

Detektor RF dua arah seperti ADL5920 dapat mengukur daya datang dan daya pantul dalam satuan dBm, di sepanjang saluran transmisi RF dengan impedansi karakteristik Z_O =50 . Mengurangi dua pembacaan ini secara langsung mengukur kerugian pengembalian dalam dB. Return loss, secara sederhana, terjadi ketika sumber RF terhubung ke beban. Sebagian daya akan ditransfer ke beban, dan sisanya akan dipantulkan kembali ke sumbernya. Perbedaan antara kedua level daya ini adalah return loss. Ini pada dasarnya adalah ukuran seberapa cocok beban dengan sumbernya.

Tujuan Balun

Balun berfungsi untuk menggerakkan setiap konduktor dengan tegangan ac polaritas yang sama tetapi berlawanan, dan dengan demikian melayani dua tujuan utama:

• Mengurangi sambungan RF liar ke dan dari transmisi Hal ini penting untuk emisi peraturan dan kepatuhan terhadap kerentanan. EMI medan jauh di kedua arah dikurangi dengan pembatalan.
• Transformasi Impedansi yang lebih tinggi berarti jarak yang lebih luas dari elemen saluran transmisi, yang berarti penetrasi medan listrik yang lebih dalam ke dalam wadah. Hasilnya adalah lebih banyak perubahan pada return loss vs. fluid level, yang berarti pengukuran fluid level yang lebih sensitif.

Balun harus dirancang untuk memberikan rasio penolakan mode umum (CMRR) yang baik di seluruh band pass filter band-pass.

Apakah Filter Band-Pass Diperlukan?

Filter band-pass opsional pada Gambar 1 direkomendasikan setiap kali RF liar dapat digabungkan ke saluran transmisi. Filter band-pass akan sangat membantu untuk mengurangi atau menghilangkan interferensi dari layanan Wi-Fi, seluler, dan PCS, radio seluler darat, dan semua sinyal luar lainnya yang tidak berada dalam pita frekuensi yang sama dengan sumber yang diinginkan.

Untuk hasil terbaik, disarankan agar desain filter band-pass memiliki insertion loss yang rendah, dengan return loss yang sepadan dengan pengukuran return loss; yaitu, sekitar 30 dB atau lebih baik jika memungkinkan.

Prosedur Desain Dasar

Garis besar prosedur desain kira-kira sebagai berikut:

• Pilih frekuensi operasi berdasarkan panjang transmisi Biasanya, panjang saluran transmisi hampir sama dengan tinggi tangki atau sedikit lebih panjang. Frekuensi operasi harus dipilih sedemikian rupa sehingga panjang saluran transmisi biasanya sepersepuluh hingga seperempat panjang gelombang RF di udara. Gambar 3 mengilustrasikan perkiraan rentang frekuensi ini. Frekuensi yang lebih rendah akan memberikan linearitas terbaik dari return loss vs fluid level, sedangkan frekuensi yang lebih tinggi akan memberikan rentang sinyal return loss yang lebih besar, tetapi linearitas mungkin tidak sebaik, dan pengukuran foldback dapat terjadi (Gambar 2). Jika kepatuhan emisi terpancar diperlukan, frekuensi dapat dipilih dari daftar frekuensi ISM yang berlaku [2].
• Desain atau pilih balun untuk frekuensi atau pita frekuensi yang dipilih. Balun dapat berupa elemen LC atau berbasis transformator. Balun harus menunjukkan kerugian pengembalian yang sangat baik ketika diakhiri pada akhir yang seimbang.
• Hitung lebar konduktor dan dimensi jarak dari transmisi Kalkulator impedansi saluran transmisi seperti kalkulator saluran transmisi sewenang-wenang (ATLC) berguna untuk tujuan ini[3].

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 3. Frekuensi operasi yang direkomendasikan vs. panjang saluran transmisi. (Sumber:Perangkat Analog)

Contoh Desain Sederhana

Untuk tujuan demonstrasi, monitor tingkat cairan untuk tangki pencuci kaca depan otomotif telah dirancang. Pengaturan pengujian memindahkan air di antara dua tangki yang identik, salah satunya adalah memiliki saluran transmisi yang terpasang, untuk pengukuran ketinggian cairan.

Sesuai dengan garis besar sebelumnya:

• Karena ketinggian tangki kira-kira 6″ (15 m), eksitasi RF target sekitar 300 MHz sesuai (lihat Gambar 3).
• Selanjutnya, balun LC dirancang dan dibangun untuk rentang frekuensi ini. Transformasi impedansi peningkatan kecil ke Z_O diinginkan untuk meningkatkan sensitivitas terhadap variasi level fluida [4] (lihat Gambar 4). Penganalisis jaringan atau reflectometer digunakan untuk memverifikasi sekitar 30 dB atau lebih baik kembalinya kerugian pada port ujung tunggal, dengan pemutusan resistif tetap terhubung langsung ke balun, sebelum menghubungkan saluran transmisi.
• Saluran transmisi paralel dirancang dan dibuat dengan Z_O sama dengan nilai resistor yang digunakan sebelumnya. Saluran transmisi terhubung dalam rangkaian, dan pemutusan resistor bergerak ke ujung saluran. Lihat Gambar 4 dan Gambar 5. Penganalisis jaringan atau reflectometer kembali digunakan untuk memverifikasi bahwa return loss tetap baik—sekitar 25 dB atau lebih baik.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 4. Balun dan saluran transmisi yang digunakan untuk contoh penginderaan ketinggian cairan. (Sumber:Perangkat Analog)

 

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 5. Diskrit balun dan saluran transmisi terminasi, sebelum dipasang ke tangki. (Sumber:Perangkat Analog)

Sekarang saluran transmisi dapat dipasang ke sisi tangki, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Itu normal untuk mengamati penurunan return loss sedikit ketika ditempelkan ke tangki kosong karena efek detuning dari bahan dinding tangki sebagai lapisan dielektrik tambahan pada saluran transmisi.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 6. Contoh desain yang menunjukkan saluran transmisi yang dipasang di sisi tangki. (Sumber:Analog Devices)

Contoh Hasil Pengujian

Gambar 7 menunjukkan pengaturan pengujian yang lengkap. Saluran transmisi ditempelkan di sisi tangki, dan tangki memiliki perlengkapan untuk pengisian dan pengurasan secara terkendali. Kit evaluasi seperti DC2847A dari Analog Devices dapat digunakan untuk membaca hasil pengukuran reflectometer dengan mudah. Kit evaluasi ini mencakup MCU sinyal campuran untuk membaca tegangan analog detektor maju dan terpantul. Perangkat lunak PC akan secara otomatis memuat dan menampilkan hasil dalam format grafik vs. waktu. Return loss mudah dihitung sebagai perbedaan antara pengukuran daya maju dan yang dipantulkan. Gambar 7 menunjukkan pengaturan pengujian lengkap untuk contoh desain.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 7. Selesaikan pengaturan pengujian untuk contoh desain.(Sumber:Perangkat Analog)

Dalam contoh desain ini, kondisi level fluida ditetapkan dengan mengaktifkan pompa pada salah satu dari dua tangki. Laju aliran massa relatif konstan ketika pompa sedang berjalan, jadi idealnya level fluida di dalam tangki naik secara linier terhadap waktu. Dalam praktiknya, penampang tangki tidak sepenuhnya konsisten dari atas ke bawah.

Gambar 8 menunjukkan hasil pengujian saat ketinggian cairan berubah dari penuh ke kosong. Saat cairan dipompa keluar dari tangki, daya ke depan tetap konstan, sementara daya pantul turun secara relatif linier.

Pada t =33 detik, terjadi perubahan kemiringan yang terlihat. Hal ini diyakini karena desain tangki. Luas penampang tangki dikurangi di ujung bawah tangki, seperti terlihat pada Gambar 7, untuk menciptakan ruang bagi motor pompa. Ini memperkenalkan nonlinier pengukuran yang dapat dengan mudah dikoreksi dalam firmware sistem jika perlu.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 8. Contoh hasil tes vs. ketinggian cairan. Pengukuran ketinggian cairan bersifat linier dan monoton, dengan pengecualian karena desain tangki seperti yang tercantum dalam teks. (Sumber:Perangkat Analog)

Kalibrasi

Untuk akurasi terbaik, kalibrasi reflectometer diperlukan. Kalibrasi akan mengoreksi variasi pembuatan detektor RF dalam reflektometer—yaitu kemiringan dan intersep. Kit evaluasi DC2847A mendukung kalibrasi individual, seperti terlihat pada Gambar 8.

Pada level yang lebih tinggi, level cairan vs. return loss juga membutuhkan kalibrasi. Hal ini dapat disebabkan oleh sumber ketidakpastian berikut:

• Membuat variasi jarak antara saluran transmisi dan dinding tangki.
• Variasi ketebalan dinding tangki.
• Sifat dielektrik fluida dan/atau dinding tangki dapat bervariasi vs. suhu.

Nonlinier sistematis mungkin ada, misalnya, perubahan kemiringan yang diamati pada Gambar 8. Jika interpolasi linier digunakan, kalibrasi tiga titik atau lebih diperlukan dalam kasus ini.

Semua koefisien kalibrasi biasanya akan disimpan dalam memori nonvolatil sistem, yang dapat berupa ruang kode yang tidak digunakan dalam aplikasi prosesor tertanam, atau perangkat memori nonvolatil khusus.

Batasan Pengukuran Tingkat Cairan

Directivity dari setiap reflectometer adalah spesifikasi kunci. Mengabaikan rugi-rugi balun, ketika saluran transmisi secara tepat diterminasi dengan Z_O .nya sendiri , daya pantul menjadi nol, dan reflektor mengukur spesifikasi directivity-nya sendiri. Semakin tinggi spesifikasi directivity, semakin baik kemampuan reflektometer untuk secara akurat memisahkan besaran gelombang datang dan gelombang pantul.

Untuk ADL5920, directivity ditetapkan sebagai 20 dB tipikal pada 1 GHz, meningkat menjadi sekitar 43 dB tipikal pada 100 MHz atau lebih rendah. Hal ini membuat ADL5920 sangat cocok untuk pengukuran ketinggian cairan di mana tinggi tangki sekitar 30 mm atau lebih tinggi (lihat Gambar 3).

Ekstensi Aplikasi

Untuk beberapa aplikasi, prinsip dasar pengukuran tingkat cairan nirkontak dapat diperluas dalam beberapa cara. Misalnya:

• Pengukuran dapat dilakukan pada siklus kerja rendah untuk menghemat daya.
• Jika level fluida dipertahankan konstan, pengukuran return loss mungkin berkorelasi dengan properti fluid lain yang menarik; misalnya, viskositas atau pH.
• Setiap aplikasi unik. Misalnya, ada beberapa teknik yang mungkin menawarkan akurasi yang lebih baik di ujung atas skala, dibandingkan dengan ujung bawah, atau sebaliknya, tergantung pada aplikasinya.
• Jika tangki terbuat dari logam, saluran transmisi harus masuk ke dalam. Tergantung pada aplikasinya, saluran transmisi mungkin terendam.
• Pengukuran pada lebih dari satu tingkat daya RF dapat membantu mengidentifikasi apakah gangguan RF eksternal merupakan penyebab kesalahan. Banyak perangkat PLL chip tunggal mendukung fitur ini, yang menjadi pengujian kepercayaan untuk sistem, atau pengujian mandiri.
• Sensor saluran transmisi pada dua atau empat sisi tangki dapat mengimbangi kemiringan wadah di sepanjang satu atau dua sumbu,
• Jika pengukuran ambang batas ketinggian cairan adalah tujuannya, satu atau lebih saluran transmisi yang lebih pendek yang dioperasikan pada frekuensi yang lebih tinggi dapat menjadi solusi yang baik.

Kesimpulan

Pengembangan perangkat reflektometer chip tunggal seperti ADL5920 membawa serta jenis aplikasi baru, seperti instrumentasi level fluida. Menghilangkan bagian yang bergerak, seperti pelampung mekanis yang telah digunakan selama bertahun-tahun, akan menghasilkan peningkatan keandalan yang sangat besar. Pemantauan level oli dan bahan bakar juga dimungkinkan, membuka banyak aplikasi industri dan otomotif baru.

Catatan kaki

1 Adanya fluida mempengaruhi impedansi saluran transmisi, rugi-rugi, dan kecepatan rambat.

2 Frekuensi industri, ilmiah, dan medis. Kunjungi en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .

3 ATLC:kalkulator saluran transmisi sewenang-wenang (untuk saluran transmisi dan skrup arah). Kunjungi atlc.sourceforge.net .

4 Peningkatan impedansi yang terlalu besar akan membuat saluran transmisi sulit untuk dirancang dan rugi-rugi saluran transmisi dapat menjadi berlebihan.

Penghargaan

Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen, dan John Chung. Tanpa bimbingan dan bantuan mereka, artikel ini tidak akan mungkin terwujud.