Mesure sans contact du niveau de fluide à l'aide d'une puce de réflectomètre

Les mesures de niveau de fluide peuvent être mesurées avec précision à travers la paroi d'un réservoir non métallique en plaçant une ligne de transmission diélectrique d'air contre le côté du réservoir et en détectant l'impédance RF. Cet article fournit un exemple de conception empirique qui illustre comment un réflectomètre peut simplifier la conception.

Par rapport aux méthodes traditionnelles de détection de niveau de fluide qui peuvent impliquer des flotteurs mécaniques, une approche basée sur un réflectomètre offre plusieurs avantages, notamment :

• Mesures rapides et en temps réel du niveau de fluide
• Un post-traitement électronique étendu devient possible
• Conception sans contact (pas de contamination du liquide)
• Aucune pièce mobile
• Champ RF rayonné minimal (champ lointain annule)
• Aucun trou dans le réservoir pour un capteur interne (réduit la possibilité de fuites)
• Sécurité intrinsèque, grâce à l'absence de fils ou de pièces électriques dans le réservoir

Présentation de la mesure du niveau de fluide

La figure 1 montre un schéma fonctionnel du système global, composé d'une source de signal RF entraînant une ligne de transmission diélectrique à air équilibrée et terminée avec un réflectomètre situé en ligne.

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Figure 1. Schéma fonctionnel du système de mesure du niveau de fluide. (Source :Appareils analogiques)

Principe de fonctionnement

Les lignes de transmission suspendues dans l'air peuvent être conçues pour une impédance caractéristique précise et une faible perte RF en raison de conducteurs à faible perte et du manque de matériau diélectrique solide. Les tracés classiques des vecteurs E et H montrent que les champs électriques et magnétiques sont concentrés autour des conducteurs et que leur amplitude décroît assez rapidement avec la distance, la distance étant mesurée par rapport à la taille et à l'espacement de la structure de la ligne de transmission elle-même. Tout matériau diélectrique à proximité, tel qu'une paroi de réservoir de fluide et le fluide à l'intérieur, modifiera les caractéristiques électriques de la ligne de transmission[1], qui peuvent être mesurées sommairement avec un réflectomètre tel que l'ADL5920 d'Analog Devices.

Description détaillée

Considérons le cas d'une ligne de transmission à faible perte diélectrique à air conçue pour une impédance caractéristique spécifique Z_O dans les airs. Toute substance diélectrique ajoutée telle qu'un fluide dans le champ proche de la ligne de transmission :

• Réduire l'impédance caractéristique de la ligne de transmission,
• Réduire la vitesse de propagation, augmentant ainsi la longueur électrique effective de la ligne, et
• Augmenter l'atténuation de la ligne.

Ces trois effets peuvent se combiner pour créer une réduction de la perte de retour, qui est directement mesurable avec un réflectomètre ou un instrument. Avec une conception et un étalonnage soignés, la perte de retour peut être corrélée au niveau de fluide.

Pour simplifier l'analyse, considérons la ligne de transmission air-diélectrique de la figure 1 avec une impédance égale à Z_O avant d'attacher la ligne au réservoir. Parce que la ligne se termine par Z_O , théoriquement, il n'y a pas d'énergie réfléchie, et la perte de retour est infinie.

Une fois la ligne de transmission fixée sur le côté d'un réservoir, ce qui était une ligne de transmission se comporte désormais comme deux lignes de transmission distinctes, montées en cascade dans une configuration en série :

• Au-dessus du niveau de fluide, la ligne de transmission est en diélectrique d'air, à l'exception de la paroi du réservoir Impédance de ligne de transmission Z_OA est peu modifié par rapport à sa valeur diélectrique de l'air, Z_O . Il en va de même pour la vitesse de propagation de la ligne de transmission.
• En dessous du niveau de liquide, l'impédance de la ligne de transmission Z_OF devient inférieur à Z_OA . La longueur électrique augmente effectivement, tout comme l'atténuation, tout cela à cause du matériau diélectrique supplémentaire présent dans le champ proche de la ligne de transmission.

L'impédance de la terminaison Z_O à l'extrémité éloignée de la ligne de transmission sera transformée lorsqu'elle est mesurée par le réflectomètre à l'extrémité source de la ligne de transmission. La transformation est représentée graphiquement, approximativement comme le montre la figure 2. Parce que Z_OF est inférieur à Z_O , une rotation du diagramme de Smith dans le sens des aiguilles d'une montre est créée, comme indiqué par les flèches.

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Figure 2. Représentation graphique de Smith étendue et normalisée de l'impédance d'entrée de la ligne de transmission. Les points de terminaison de trace décrivent comment le niveau de liquide se traduit par une mesure de perte de retour. (Source :Appareils analogiques)

Lorsque l'impédance de la ligne de transmission est précisément adaptée à la terminaison résistive à l'extrémité de la ligne, il ne doit pas y avoir de transformation d'impédance due à la ligne de transmission. Cette condition correspond au centre du diagramme de Smith, figure 2, qui montre une impédance normalisée de 1 + j0 Ω. La perte de retour doit être d'au moins 26 dB avant la ligne de transmission est attachée au réservoir.

Après avoir attaché la ligne de transmission à un réservoir vide, le matériau de la paroi du réservoir apportera un matériau diélectrique supplémentaire à la ligne de transmission, abaissant ainsi l'impédance de la ligne à Z_OA , et une légère augmentation de la longueur électrique effective de la ligne de transmission, Trace 1, comme illustré à la Figure 2. L'affaiblissement de réflexion devrait toujours être assez bien mesuré à environ 20 dB.

Au fur et à mesure que le niveau de fluide augmente dans le réservoir, l'impédance de la ligne de transmission diminue en raison du fluide déplaçant une partie de l'air en tant que transmission diélectrique. Impédance de la ligne de transmission qui était Z_OA devient maintenant Z_OF . Par conséquent, le centre de rotation sur le graphique de Smith se déplace vers le bas. Simultanément, la quantité de rotation du diagramme de Smith augmente, car la longueur électrique effective de la ligne de transmission augmente. Ceci est illustré par les traces 2 et 3 sur la figure 2. Par conséquent, le réflectomètre mesure la perte de retour réduite à l'extrémité du générateur de la ligne.

Étant donné que le réflectomètre mesure l'amplitude de la réflexion, pas la phase, la transformation d'impédance doit être limitée à la moitié inférieure du diagramme de Smith où la composante réactive est négative. Sinon, l'impédance est retransformée vers le centre du diagramme de Smith, provoquant une ambiguïté de mesure de l'amplitude. Cela signifie que la longueur électrique de la ligne de transmission attachée à un réservoir plein doit être de 90° ou moins. Si la longueur électrique dépasse 90 °, l'affaiblissement de retour mesuré semblera se replier.

Un détecteur RF bidirectionnel tel que l'ADL5920 peut mesurer à la fois la puissance incidente et réfléchie en unités de dBm, le long d'une ligne de transmission RF d'impédance caractéristique Z_O =50 . La soustraction de ces deux lectures mesure directement la perte de retour en dB. La perte de retour, en termes simples, se produit lorsqu'une source RF est connectée à une charge. Une partie de la puissance sera transférée à la charge et le reste sera renvoyé vers la source. La différence entre ces deux niveaux de puissance est la perte de retour. Il s'agit essentiellement d'une mesure de l'adéquation de la charge à la source.

Objectif du Balun

Le balun sert à piloter chaque conducteur avec une tension alternative de polarité égale mais opposée, et sert donc à deux fins principales :

• Réduire le couplage RF parasite vers et depuis la transmission Ceci est important pour les émissions réglementaires et la conformité à la sensibilité. Les interférences électromagnétiques en champ lointain dans les deux sens sont réduites par l'annulation.
• Transformer Une impédance plus élevée signifie un espacement plus large des éléments de la ligne de transmission, ce qui signifie une pénétration plus profonde du champ électrique dans le conteneur. Le résultat est plus de changement dans la perte de retour par rapport au niveau de liquide, ce qui signifie une mesure du niveau de liquide plus sensible.

Le balun doit être conçu pour fournir un bon taux de réjection en mode commun (CMRR) sur toute la bande passante du filtre passe-bande.

Un filtre passe-bande est-il nécessaire ?

Le filtre passe-bande en option de la Figure 1 est recommandé chaque fois que des RF parasites pourraient se coupler dans la ligne de transmission. Un filtre passe-bande sera très utile pour réduire ou éliminer les interférences des services Wi-Fi, cellulaires et PCS, de la radio mobile terrestre et de tous les autres signaux extérieurs qui ne sont pas dans la même bande de fréquence que la source souhaitée.

Pour de meilleurs résultats, il est recommandé que la conception du filtre passe-bande présente une faible perte d'insertion, avec une perte de réflexion proportionnelle à celle de la mesure de la perte de réflexion ; c'est-à-dire environ 30 dB ou mieux si possible.

Procédure de conception de base

Le schéma de la procédure de conception est approximativement le suivant :

• Choisissez une fréquence de fonctionnement en fonction de la longueur de la transmission Normalement, la longueur de la ligne de transmission sera à peu près la même que la hauteur du réservoir ou légèrement plus longue. La fréquence de fonctionnement doit être choisie de telle sorte que la longueur de la ligne de transmission soit généralement comprise entre un dixième et un quart de la longueur d'onde RF dans l'air. La figure 3 illustre cette gamme de fréquences approximative. Une fréquence plus basse donnera la meilleure linéarité de la perte de retour par rapport au niveau de fluide, tandis qu'une fréquence plus élevée donnera une plus grande plage de signaux de perte de retour, mais la linéarité peut ne pas être aussi bonne et un repli de mesure peut se produire (Figure 2). Si la conformité aux émissions rayonnées est requise, la fréquence peut être choisie dans la liste des fréquences ISM applicables[2].
• Concevez ou choisissez un balun pour la fréquence ou la bande de fréquence choisie. Le balun peut être un LC à éléments localisés ou un transformateur. Le symétriseur doit présenter une excellente perte de retour lorsqu'il est terminé à l'extrémité équilibrée.
• Calculez la largeur du conducteur et les dimensions de l'espacement de la transmission Un calculateur d'impédance de ligne de transmission tel qu'un calculateur de ligne de transmission arbitraire (ATLC) est utile à cette fin[3].

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Figure 3. Fréquence de fonctionnement recommandée par rapport à la longueur de la ligne de transmission. (Source :Appareils analogiques)

Un exemple de conception simple

À des fins de démonstration, un moniteur de niveau de liquide pour un réservoir de lave-glace automobile a été conçu. La configuration de test déplace l'eau entre deux réservoirs identiques, dont l'un est doté d'une ligne de transmission, pour la mesure du niveau de liquide.

Conformément au schéma précédent :

• Comme la hauteur du réservoir est d'environ 6 ″ (15 m), une excitation RF cible d'environ 300 MHz est appropriée (voir la figure 3).
• Ensuite, un balun LC est conçu et construit pour cette gamme de fréquences. Une légère transformation d'impédance vers Z_O est souhaitée pour augmenter la sensibilité à la variation du niveau de fluide[4] (voir Figure 4). Un analyseur de réseau ou un réflectomètre est utilisé pour vérifier une perte de retour d'environ 30 dB ou mieux sur le port asymétrique, avec la terminaison résistive fixe connectée directement au balun, avant de connecter la ligne de transmission.
• Une ligne de transmission parallèle est conçue et fabriquée avec Z_O égale à la valeur de la résistance précédemment utilisée. La ligne de transmission est connectée en circuit et la terminaison de la résistance se déplace vers la fin de la ligne. Voir la figure 4 et la figure 5. L'analyseur de réseau ou le réflectomètre est à nouveau utilisé pour vérifier que l'affaiblissement de retour reste bon, environ 25 dB ou mieux.

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Figure 4. Balun et ligne de transmission utilisés pour l'exemple de détection de niveau de liquide. (Source :Appareils analogiques)

 

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Figure 5. Balun discret et ligne de transmission terminée, avant fixation au réservoir. (Source :Appareils analogiques)

Maintenant, la ligne de transmission peut être fixée sur le côté du réservoir, comme illustré à la figure 6. Il est normal d'observer une légère baisse de perte de retour lorsqu'elle est fixée à un réservoir vide en raison de l'effet de désaccord du matériau de la paroi du réservoir en tant que couche diélectrique supplémentaire sur la ligne de transmission.

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Figure 6. Exemple de conception montrant la ligne de transmission fixée sur le côté du réservoir. (Source :Analog Devices)

Exemple de résultats de test

La figure 7 montre une configuration de test complète. La ligne de transmission est fixée sur le côté d'un réservoir, et le réservoir est prévu pour le remplissage et la vidange de manière contrôlée. Un kit d'évaluation comme le DC2847A d'Analog Devices peut être utilisé pour lire facilement les résultats de mesure du réflectomètre. Ce kit d'évaluation comprend un MCU à signaux mixtes pour lire les tensions analogiques des détecteurs directs et réfléchis. Le logiciel PC chargera et affichera automatiquement les résultats sous forme graphique en fonction du temps. La perte de retour est facilement calculée comme la différence entre les mesures de puissance directe et réfléchie. La figure 7 montre la configuration de test complète pour l'exemple de conception.

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

Dans cet exemple de conception, les conditions de niveau de fluide sont établies en activant une pompe sur l'un des deux réservoirs. Le débit massique est relativement constant lorsqu'une pompe fonctionne, donc idéalement, le niveau de fluide dans le réservoir augmente linéairement par rapport au temps. En pratique, la section transversale du réservoir n'est pas entièrement homogène de haut en bas.

La figure 8 montre les résultats du test lorsque le niveau de liquide passe de plein à vide. Lorsque le fluide est pompé hors du réservoir, la puissance directe reste constante, tandis que la puissance réfléchie diminue de manière relativement linéaire.

A t =33 secondes, un changement visible de pente se produit. On pense que cela est dû à la conception du réservoir. La section transversale du réservoir est réduite à l'extrémité inférieure du réservoir, comme on le voit sur la figure 7, pour créer de l'espace pour le moteur de la pompe. Cela introduit une non-linéarité de mesure qui pourrait être facilement corrigée dans le micrologiciel du système si nécessaire.

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Figure 8. Exemple de résultats de test en fonction du niveau de liquide. La mesure du niveau de fluide est linéaire et monotone, à l'exception de la conception du réservoir, comme indiqué dans le texte. (Source :Analog Devices)

Calibrage

Pour une meilleure précision, l'étalonnage du réflectomètre est requis. L'étalonnage corrigera la variation de fabrication des détecteurs RF dans le réflectomètre, à savoir la pente et l'interception. Le kit d'évaluation DC2847A prend en charge l'étalonnage individuel, comme le montre la figure 8.

À un niveau supérieur, le niveau de fluide par rapport à la perte de retour nécessite également un étalonnage. Cela peut être dû aux sources d'incertitude suivantes :

• Variation de fabrication de la distance entre la ligne de transmission et la paroi du réservoir.
• Variation de l'épaisseur de la paroi du réservoir.
• Les propriétés diélectriques du fluide et/ou de la paroi du réservoir peuvent varier en fonction de la température.

Des non-linéarités systématiques peuvent exister, par exemple le changement de pente observé sur la figure 8. Si l'interpolation linéaire est utilisée, un étalonnage en trois points ou plus devient nécessaire dans ce cas.

Tous les coefficients d'étalonnage seront généralement stockés dans la mémoire non volatile du système, qui peut être un espace de code inutilisé dans une application de processeur intégré ou un périphérique de mémoire non volatile dédié.

Limites de mesure du niveau de fluide

La directivité de tout réflectomètre est une spécification clé. Négliger les pertes balun, lorsque la ligne de transmission est terminée avec précision avec son propre Z_O , la puissance réfléchie passe à zéro et le réflectomètre mesure sa propre spécification de directivité. Plus la spécification de directivité est élevée, meilleure est la capacité du réflectomètre à séparer avec précision les magnitudes des ondes incidentes et réfléchies.

Pour l'ADL5920, la directivité est spécifiée comme 20 dB typique à 1 GHz, augmentant à environ 43 dB typique à 100 MHz ou moins. Cela rend l'ADL5920 bien adapté aux mesures de niveau de fluide lorsque la hauteur du réservoir est d'environ 30 mm ou plus (voir Figure 3).

Extensions d'application

Pour certaines applications, le principe de base de la mesure de niveau de fluide sans contact peut être étendu de plusieurs manières. Par exemple :

• La mesure peut être effectuée à faible rapport cyclique pour économiser l'énergie.
• Si le niveau de fluide est maintenu constant, la mesure de la perte de retour peut être corrélée à une autre propriété de fluide d'intérêt ; par exemple, la viscosité ou le pH.
• Chaque candidature est unique. Par exemple, certaines techniques peuvent offrir une meilleure précision en haut de l'échelle par rapport à l'extrémité inférieure, ou vice versa, selon l'application.
• Si le réservoir est métallique, la ligne de transmission devra passer à l'intérieur du En fonction de l'application, la ligne de transmission peut être immergée.
• Les mesures à plusieurs niveaux de puissance RF peuvent aider à identifier si les interférences RF externes sont une erreur contributive. De nombreux périphériques PLL à puce unique prennent en charge cette fonctionnalité, qui devient un test de confiance pour le système ou un auto-test.
• Les capteurs de ligne de transmission sur deux ou quatre côtés du réservoir peuvent compenser l'inclinaison du conteneur le long d'un ou de deux axes,
• Si l'objectif est de mesurer le seuil de niveau de fluide, une ou plusieurs lignes de transmission plus courtes fonctionnant à une fréquence plus élevée peuvent être une bonne solution.

Conclusion

Le développement d'un réflectomètre à puce unique tel que l'ADL5920 apporte de nouveaux types d'applications, telles que l'instrumentation de niveau de fluide. L'élimination des pièces mobiles, telles qu'un flotteur mécanique utilisé depuis des années, entraînera une augmentation considérable de la fiabilité. La surveillance des niveaux d'huile et de carburant peut également être possible, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses nouvelles applications industrielles et automobiles.

Notes de bas de page

1 La présence de fluide affecte l'impédance, la perte et la vitesse de propagation de la ligne de transmission.

2 Fréquences industrielles, scientifiques et médicales. Visitez en.wikipedia.org/wiki/ISM_band .

3 ATLC :calculateur de ligne de transmission arbitraire (pour lignes de transmission et coupleurs directionnels). Visitez atlc.sourceforge.net .

4 Une augmentation d'impédance trop importante rendra la conception de la ligne de transmission difficile et les pertes de la ligne de transmission peuvent devenir excessives.

Remerciements

L'auteur souhaite remercier Michiel Kouwenhoven, James Wong, Bruce Nguyen et John Chung. Sans leurs conseils et leur aide, cet article ne serait pas possible.