【導(dǎo)讀】液位測(cè)量數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和過(guò)程控制的重要參數(shù)。現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用各種各樣的液體原料和產(chǎn)成品，例如石油化工企業(yè)的油料和各種溶劑，制藥、造紙企業(yè)生產(chǎn)使用的各種漿液和漿料，食品企業(yè)生產(chǎn)和儲(chǔ)存的各種乳液和飲料、果汁等，都需要對(duì)其進(jìn)行安全和完善的保存，因此這些液位數(shù)據(jù)可以說(shuō)是保證企業(yè)能夠正常穩(wěn)定生產(chǎn)的基本要求。
早期，由于工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模不大，液位測(cè)量主要采用機(jī)械測(cè)量方法，而后伴隨著生產(chǎn)模式的變革，越來(lái)越多的自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)液位監(jiān)測(cè)。目前工業(yè)領(lǐng)域通用的液位計(jì)測(cè)量原理涉及到力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多方面，而按照接觸方式來(lái)劃分，可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。在前不久舉辦的IMS2019上，來(lái)自ADI的工程師就現(xiàn)場(chǎng)為大家展示了一種新型非接觸式液位測(cè)量手段，其利用全集成式雙向檢波器IC，將RF傳輸線路作為傳感器，可以沿著存儲(chǔ)桶的一條邊來(lái)輕松測(cè)量液位，實(shí)現(xiàn)了一款需要器件極少的工業(yè)應(yīng)用。
ADI在IMS2019期間展示新型液位測(cè)量系統(tǒng)
1. 如何實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易水位測(cè)量？這套解決方案可以有
ADL5920 是一款超寬帶雙向檢測(cè)器，可以在一個(gè)信號(hào)路徑中同時(shí)測(cè)量正向和反向 rms 功率級(jí)別以及回波損耗。其將基于寬帶定向耦合器與兩個(gè)RMS響應(yīng)檢測(cè)器集成在一個(gè)5 mm×5 mm表貼封裝中。相比于要在尺寸和帶寬之間艱難取舍的傳統(tǒng)分立式定向耦合器，該器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在1 GHz以下的頻率。
使用ADL5920測(cè)量水位非常簡(jiǎn)單。測(cè)量時(shí)，會(huì)使用一根由黃銅條制成的雙導(dǎo)體傳感器，采用接地信號(hào)結(jié)構(gòu)類型。本質(zhì)上就是由一根50 Ω硬線再加上空氣，這條線的電阻會(huì)根據(jù)外部環(huán)境改變而改變，在確保傳輸線路的間隔和結(jié)構(gòu)一樣的情況下，有水時(shí)電阻會(huì)降低，再使用ADL5920，在該傳輸線路頂部位置測(cè)量回波損耗，據(jù)此實(shí)施水位測(cè)量。
在給水箱里注水后可以看到，ADL5920正在測(cè)量正向功率和反射功率，隨著水位的升高，正向功率保持不變，反射功率逐漸升高，這是因?yàn)閭鬏斁€路的特性在發(fā)生變化，這里顯示的值表示這是非接觸式測(cè)量。另外，由于器件采用端接設(shè)計(jì)，所以不會(huì)有大量雜散RF輻射到外面，即這是一個(gè)近場(chǎng)現(xiàn)象，而不是天線。
2. 功率測(cè)量的方法論——定向耦合器和RF檢波器
在線RF功率和回波損耗測(cè)量通常利用定向耦合器和RF功率檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖，雙向耦合器用于無(wú)線電或測(cè)試測(cè)量應(yīng)用中，以監(jiān)測(cè)發(fā)射和反射的RF功率。有時(shí)也希望將RF功率監(jiān)測(cè)嵌入電路中，一個(gè)很好的例子是將兩個(gè)或更多信號(hào)源切換到發(fā)射路徑（使用RF開(kāi)關(guān)或外部電纜）。
測(cè)量RF信號(hào)鏈中的正向和反射功率
定向耦合器具有方向性這一重要特性，也就是它能區(qū)分入射和反射RF功率。當(dāng)入射RF信號(hào)在通往負(fù)載的路程中經(jīng)過(guò)正向路徑耦合器時(shí)，耦合一小部分RF功率（通常是比入射信號(hào)低10 dB至20 dB的信號(hào)），輸入RF檢波器。當(dāng)正向功率和反射功率均要測(cè)量時(shí)，須再使用一個(gè)耦合器，其方向與正向路徑耦合器相反。兩個(gè)檢波器的輸出電壓信號(hào)將與正向和反向RF功率水平成比例。
采用定向耦合器和RF檢波器的典型RF功率測(cè)量系統(tǒng)
表貼定向耦合器的基本問(wèn)題是須在帶寬和尺寸之間進(jìn)行取舍。雖然頻率覆蓋范圍為一個(gè)倍頻程（即FMAX等于兩倍FMIN）的雙向定向耦合器通常采用小至6 mm2的封裝，但多倍頻程表貼定向耦合器卻要大得多。寬帶連接器式定向耦合器具有多倍頻程的頻率覆蓋范圍，但顯著大于表貼器件。
連接器式定向耦合器、表貼定向耦合器以及帶定向橋和雙RMS檢測(cè)器的ADL5920集成IC
3. 超小型&超寬帶——專利定向橋助力實(shí)現(xiàn)“雙超”
ADL5920不是利用定向耦合器來(lái)檢測(cè)正向和反射信號(hào)，而是采用一種專利的定向橋技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶且緊湊的片內(nèi)信號(hào)耦合。定向橋的概念基于惠斯登電橋，即在平衡時(shí)產(chǎn)生的差分電壓為零。在惠斯登電橋中，兩條支路之一中的一個(gè)電阻是可變的 (R2)，而另外兩個(gè)電阻（R1和R3）是固定不變的。總共有四個(gè)電阻——R1、R2、R3和Rx，其中Rx是未知電阻。如果R1 = R3，那么當(dāng)R2等于Rx時(shí)，VOUT = 0 V。當(dāng)可變電阻具有合適的值，使得電橋左右兩邊的分壓比相等，從而在產(chǎn)生VOUT的差分檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生0 V差分信號(hào)時(shí)，認(rèn)為電橋處于平衡狀態(tài)。
惠斯登電橋
下圖顯示了與ADL5920中使用類似的雙向橋。對(duì)于50Ω環(huán)境，單位電阻R等于50Ω。由于這是一個(gè)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，因此當(dāng)RS和RL也等于50Ω時(shí)，輸入和輸出電阻RIN和ROUT相同且接近50Ω。當(dāng)源阻抗和負(fù)載阻抗均為50Ω時(shí)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的歐姆分析告訴我們，與VREV相比，VFWD將相當(dāng)大。在實(shí)際應(yīng)用中，這對(duì)應(yīng)于從信號(hào)源到負(fù)載的最大功率傳輸。這導(dǎo)致反射功率很小，進(jìn)而導(dǎo)致VREV非常小。
簡(jiǎn)化雙向橋電路圖
下圖顯示了改變負(fù)載對(duì)正向功率測(cè)量的影響。將規(guī)定的功率水平施加于RFIN輸入，RFOUT上的負(fù)載回波損耗從0 dB變化到20 dB。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)回波損耗在10 dB到20 dB范圍內(nèi)時(shí)，功率測(cè)量精度非常好。但隨著回波損耗降低到10 dB以下，功率測(cè)量誤差開(kāi)始增加。值得注意的是，回波損耗為0 dB時(shí)，誤差仍在1 dB范圍內(nèi)。
測(cè)得的正向功率與施加的功率和負(fù)載的回波損耗之間的關(guān)系，在1 GHz 下測(cè)量
4. 總結(jié)
憑借在線測(cè)量RF功率和回波損耗的能力，ADL5920可用于多種在線RF功率監(jiān)測(cè)應(yīng)用，其小尺寸意味著它可以置身于許多電路中，而不會(huì)對(duì)空間造成太大影響。ADI公司提供的創(chuàng)新解決方案，不僅可靠性高操作便捷，體積也很小巧，為需要液位測(cè)量應(yīng)用的工業(yè)廠商提供了極高性價(jià)比的解決方案。
（轉(zhuǎn)載自：亞德諾半導(dǎo)體）
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