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如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?

發(fā)布時間:2020-03-30 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】液位測量數(shù)據(jù)是實現(xiàn)生產(chǎn)和過程控制的重要參數(shù)?,F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中會儲存、運輸、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)和儲存的各種乳液和飲料、果汁等,都需要對其進行安全和完善的保存,因此這些液位數(shù)據(jù)可以說是保證企業(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,液位測量主要采用機械測量方法,而后伴隨著生產(chǎn)模式的變革,越來越多的自動化工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中需要進行實時液位監(jiān)測。目前工業(yè)領(lǐng)域通用的液位計測量原理涉及到力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多方面,而按照接觸方式來劃分,可以分為接觸式測量和非接觸式測量。在前不久舉辦的IMS2019上,來自ADI的工程師就現(xiàn)場為大家展示了一種新型非接觸式液位測量手段,其利用全集成式雙向檢波器IC,將RF傳輸線路作為傳感器,可以沿著存儲桶的一條邊來輕松測量液位,實現(xiàn)了一款需要器件極少的工業(yè)應(yīng)用。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
ADI在IMS2019期間展示新型液位測量系統(tǒng)
 
1. 如何實現(xiàn)簡易水位測量?這套解決方案可以有
ADL5920 是一款超寬帶雙向檢測器,可以在一個信號路徑中同時測量正向和反向 rms 功率級別以及回波損耗。其將基于寬帶定向耦合器與兩個RMS響應(yīng)檢測器集成在一個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,尤其是在1 GHz以下的頻率。
 
使用ADL5920測量水位非常簡單。測量時,會使用一根由黃銅條制成的雙導(dǎo)體傳感器,采用接地信號結(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,有水時電阻會降低,再使用ADL5920,在該傳輸線路頂部位置測量回波損耗,據(jù)此實施水位測量。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
 
在給水箱里注水后可以看到,ADL5920正在測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,這是因為傳輸線路的特性在發(fā)生變化,這里顯示的值表示這是非接觸式測量。另外,由于器件采用端接設(shè)計,所以不會有大量雜散RF輻射到外面,即這是一個近場現(xiàn)象,而不是天線。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
 
2. 功率測量的方法論——定向耦合器和RF檢波器
在線RF功率和回波損耗測量通常利用定向耦合器和RF功率檢波器來實現(xiàn)。如下圖,雙向耦合器用于無線電或測試測量應(yīng)用中,以監(jiān)測發(fā)射和反射的RF功率。有時也希望將RF功率監(jiān)測嵌入電路中,一個很好的例子是將兩個或更多信號源切換到發(fā)射路徑(使用RF開關(guān)或外部電纜)。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
測量RF信號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信號在通往負載的路程中經(jīng)過正向路徑耦合器時,耦合一小部分RF功率(通常是比入射信號低10 dB至20 dB的信號),輸入RF檢波器。當(dāng)正向功率和反射功率均要測量時,須再使用一個耦合器,其方向與正向路徑耦合器相反。兩個檢波器的輸出電壓信號將與正向和反向RF功率水平成比例。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
采用定向耦合器和RF檢波器的典型RF功率測量系統(tǒng)
 
表貼定向耦合器的基本問題是須在帶寬和尺寸之間進行取舍。雖然頻率覆蓋范圍為一個倍頻程(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。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
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檢測器的ADL5920集成IC
 
3. 超小型&超寬帶——專利定向橋助力實現(xiàn)“雙超”
ADL5920不是利用定向耦合器來檢測正向和反射信號,而是采用一種專利的定向橋技術(shù)來實現(xiàn)寬帶且緊湊的片內(nèi)信號耦合。定向橋的概念基于惠斯登電橋,即在平衡時產(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電阻是可變的 (R2),而另外兩個電阻(R1和R3)是固定不變的??偣灿兴膫€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,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的差分檢測節(jié)點上產(chǎn)生0 V差分信號時,認為電橋處于平衡狀態(tài)。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
惠斯登電橋
 
下圖顯示了與ADL5920中使用類似的雙向橋。對于50Ω環(huán)境,單位電阻R等于50Ω。由于這是一個對稱網(wǎng)絡(luò),因此當(dāng)RS和RL也等于50Ω時,輸入和輸出電阻RIN和ROUT相同且接近50Ω。當(dāng)源阻抗和負載阻抗均為50Ω時,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。在實際應(yīng)用中,這對應(yīng)于從信號源到負載的最大功率傳輸。這導(dǎo)致反射功率很小,進而導(dǎo)致VREV非常小。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
簡化雙向橋電路圖
 
下圖顯示了改變負載對正向功率測量的影響。將規(guī)定的功率水平施加于RFIN輸入,RFOUT上的負載回波損耗從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,功率測量精度非常好。但隨著回波損耗降低到10 dB以下,功率測量誤差開始增加。值得注意的是,回波損耗為0 dB時,誤差仍在1 dB范圍內(nèi)。
 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
測得的正向功率與施加的功率和負載的回波損耗之間的關(guān)系,在1 GHz 下測量
 
4. 總結(jié)
憑借在線測量RF功率和回波損耗的能力,ADL5920可用于多種在線RF功率監(jiān)測應(yīng)用,其小尺寸意味著它可以置身于許多電路中,而不會對空間造成太大影響。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,為需要液位測量應(yīng)用的工業(yè)廠商提供了極高性價比的解決方案。

 
如何用一根銅條搞定超便捷液位測量的射頻回波損耗測量方法?
(轉(zhuǎn)載自:亞德諾半導(dǎo)體)
 
 
 
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