Détection de niveau de fluide sans contact avec une puce réflectomètre

Mesurer les niveaux de fluide sans percer de trous est possible en serrant une ligne de transmission à diélectrique air sur l'extérieur d'un réservoir et en détectant le changement d'impédance RF avec une puce réflectomètre. Ce guide parcourt un exemple de conception empirique qui démontre comment un réflectomètre monoc puce, tel que l'ADL5920 d'Analog Devices, peut simplifier le processus.

Comparé aux capteurs traditionnels à flotteur, un système basé sur réflectomètre offre :

• Mesures temps réel, haute vitesse
• Post-traitement numérique étendu
• Fonctionnement sans contact — pas de contamination du liquide
• Pas de pièces mobiles, boostant la fiabilité
• RF rayonné minimal — annulation en champ lointain
• Conception sans fuite — pas de pénétrations dans la paroi du réservoir
• Sécurité intrinsèque — pas de composants électriques à l'intérieur du réservoir

Vue d'ensemble de la mesure de niveau de fluide

Le diagramme de blocs système dans la Figure 1 montre une source RF pilotant une ligne à diélectrique air équilibrée, terminée 50 Ω, avec un réflectomètre en ligne.

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Figure 1. Diagramme de blocs du système de mesure de niveau de fluide. (Source : Analog Devices)

Principe de fonctionnement

Les lignes à diélectrique air présentent de faibles pertes et une impédance caractéristique bien définie (Z₀). Quand un matériau diélectrique — tel que la paroi du réservoir ou le fluide à l'intérieur — approche la ligne, l'impédance, la vitesse de propagation et l'atténuation changent toutes. Un réflectomètre mesure la perte de retour résultante, qui peut être corrélée au niveau de fluide. Les effets clés incluent :

• Impédance caractéristique plus basse
• Vitesse de propagation réduite, augmentant la longueur électrique effective
• Atténuation plus élevée

Quand la ligne est d'abord attachée au réservoir, le diélectrique de champ proche de la paroi du réservoir abaisse légèrement l'impédance à Z_OA et augmente la longueur électrique (Trace 1 dans la Figure 2). À mesure que le fluide remplit le réservoir, l'impédance chute davantage à Z_OF, rotant la trace du diagramme de Smith dans le sens horaire (Trace 2 et Trace 3) et réduisant la perte de retour à l'extrémité source.

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Figure 2. Représentation diagramme de Smith de l'impédance d'entrée de la ligne de transmission. Les extrémités de trace montrent comment le niveau de fluide se traduit en perte de retour. (Source : Analog Devices)

Pour éviter l'ambiguïté, la longueur électrique de la ligne devrait être ≤90° ; sinon, la perte de retour semble se replier sur elle-même.

Rôle du balun

Le balun pilote la ligne avec des tensions AC égales mais opposées, fournissant deux avantages principaux :

• Supprime le couplage RF parasite, améliorant la conformité CEM
• Transforme une impédance plus élevée, élargissant l'espacement des conducteurs et approfondissant le champ électrique pour une plus grande sensibilité

Le balun doit délivrer un ratio de rejet de mode commun élevé sur la bande de fonctionnement.

Filtre passe-bande

Quand le RF parasite peut se coupler dans la ligne, un filtre passe-bande (voir Figure 1) est recommandé. Il devrait avoir une faible perte d'insertion et une perte de retour meilleure que ~30 dB.

Procédure de conception de base

1. Choisissez une fréquence de fonctionnement pour que la longueur de ligne soit 0,1–0,25 de la longueur d'onde en espace libre. Les basses fréquences donnent une meilleure linéarité ; les hautes fréquences augmentent la gamme de perte de retour mais risquent le repli. Les sélections de bande ISM sont disponibles sur Wikipedia : bande ISM.
2. Concevez ou sélectionnez un balun pour la fréquence choisie. Vérifiez ~30 dB perte de retour sur un port single-ended avec la terminaison résistive attachée.
3. Utilisez un calculateur de ligne de transmission arbitraire (ATLC) (ATLC) pour calculer la largeur et l'espacement des conducteurs pour le Z₀ cible.

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Figure 3. Fréquence de fonctionnement recommandée vs. longueur de ligne de transmission. (Source : Analog Devices)

Un exemple de conception simple

Nous avons construit un capteur de niveau pour un réservoir de lave-glace automobile (~15 cm de haut). Les étapes de conception étaient :

1. Fréquence cible ~300 MHz (voir Figure 3).
2. Conçu un balun LC avec un léger step-up d'impédance pour améliorer la sensibilité ; vérifié ~30 dB perte de retour.
3. Fabriqué une ligne de transmission parallèle correspondant au Z₀ du balun ; mesuré ~25 dB perte de retour avec la ligne en circuit.

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Figure 4. Balun et ligne de transmission utilisés pour l'exemple de détection de niveau de fluide. (Source : Analog Devices)

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Figure 5. Balun discret et ligne de transmission terminée avant fixation au réservoir. (Source : Analog Devices)

Après fixation de la ligne au réservoir (Figure 6), une légère chute de perte de retour a été observée due à la paroi du réservoir agissant comme diélectrique additionnel.

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Figure 6. Ligne de transmission fixée au côté du réservoir. (Source : Analog Devices)

Résultats de test d'exemple

La configuration de test complète est montrée dans la Figure 7. Un kit d'évaluation DC2847A lit la puissance directe et réfléchie (dBm) depuis l'ADL5920, calculant automatiquement la perte de retour et affichant les résultats graphiquement.

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Figure 7. Configuration de test complète pour l'exemple de conception. (Source : Analog Devices)

Pendant le pompage, le niveau du réservoir montait linéairement, et la puissance réfléchie chutait en conséquence. À ~33 s, un changement de pente apparaissait dû au fond conique du réservoir — un effet qui peut être corrigé en firmware.

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Figure 8. Résultats de test vs. niveau de fluide. Linéaire et monotone, sauf non-linéarité induite par le design du réservoir. (Source : Analog Devices)

Calibration

Deux étapes de calibration améliorent la précision :

• Calibration dispositif — corrige les variations de pente et d'ordonnée à l'origine dans l'ADL5920. Le kit DC2847A effectue cela automatiquement.
• Calibration niveau de fluide — mappe la perte de retour au niveau, tenant compte des tolérances de fabrication, épaisseur de paroi du réservoir, et changements diélectriques avec la température. Utilisez au moins trois points de calibration si non-linéarité est présente.

Les constantes de calibration sont stockées en mémoire non-volatile, soit dans un processeur embarqué soit sur un EEPROM dédié.

Limitations de mesure

La directivité du réflectomètre détermine à quel point il sépare bien les ondes incidentes et réfléchies. Pour l'ADL5920, la directivité est ~20 dB à 1 GHz, améliorant à ~43 dB à 100 MHz ou moins, le rendant adapté pour les réservoirs ≥30 mm de haut.

Extensions d'application

Extensions potentielles incluent :

• Fonctionnement bas cycle de service pour économies d'énergie
• Corrélation perte de retour à viscosité ou pH quand le niveau est constant
• Mesure haute précision au haut ou bas de l'échelle en adaptant la géométrie du capteur
• Réservoirs métalliques peuvent nécessiter lignes de transmission submergées
• Multiples niveaux de puissance RF pour auto-test contre interférences externes
• Lignes de transmission multi-côtés pour compenser l'inclinaison du réservoir
• Lignes courtes, haute fréquence pour détection de seuil

Conclusion

Le réflectomètre monoc puce ADL5920 ouvre une nouvelle classe de capteurs de niveau de fluide qui éliminent les pièces mobiles, réduisent le risque de contamination et fournissent une haute fiabilité pour les applications industrielles et automobiles telles que la surveillance d'huile et de carburant.

Remerciements

Merci à Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen et John Chung pour leur guidance.