【導讀】液位測量數據是實現生產和過程控制的重要參數。現代化工業生產中會儲存、運輸、使用各種各樣的液體原料和產成品，例如石油化工企業的油料和各種溶劑，制藥、造紙企業生產使用的各種漿液和漿料，食品企業生產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，因此這些液位數據可以說是保證企業能夠正常穩定生產的基本要求。
早期，由于工業領域生產規模不大，液位測量主要采用機械測量方法，而后伴隨著生產模式的變革，越來越多的自動化工業生產系統中需要進行實時液位監測。目前工業領域通用的液位計測量原理涉及到力學、熱學、電學、光學等多方面，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，實現了一款需要器件極少的工業應用。
ADI在IMS2019期間展示新型液位測量系統
1. 如何實現簡易水位測量？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分立式定向耦合器，該器件具有明顯的優勢，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體傳感器，采用接地信號結構類型。本質上就是由一根50 Ω硬線再加上空氣，這條線的電阻會根據外部環境改變而改變，在確保傳輸線路的間隔和結構一樣的情況下，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，據此實施水位測量。
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計，所以不會有大量雜散RF輻射到外面，即這是一個近場現象，而不是天線。
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。如下圖，雙向耦合器用于無線電或測試測量應用中，以監測發射和反射的RF功率。有時也希望將RF功率監測嵌入電路中，一個很好的例子是將兩個或更多信號源切換到發射路徑（使用RF開關或外部電纜）。
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，也就是它能區分入射和反射RF功率。當入射RF信號在通往負載的路程中經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。
采用定向耦合器和RF檢波器的典型RF功率測量系統
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。
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“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來實現寬帶且緊湊的片內信號耦合。定向橋的概念基于惠斯登電橋，即在平衡時產生的差分電壓為零。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。總共有四個電阻——R1、R2、R3和Rx，其中Rx是未知電阻。如果R1 = R3，那么當R2等于Rx時，VOUT = 0 V。當可變電阻具有合適的值，使得電橋左右兩邊的分壓比相等，從而在產生VOUT的差分檢測節點上產生0 V差分信號時，認為電橋處于平衡狀態。
惠斯登電橋
下圖顯示了與ADL5920中使用類似的雙向橋。對于50Ω環境，單位電阻R等于50Ω。由于這是一個對稱網絡，因此當RS和RL也等于50Ω時，輸入和輸出電阻RIN和ROUT相同且接近50Ω。當源阻抗和負載阻抗均為50Ω時，內部網絡的歐姆分析告訴我們，與VREV相比，VFWD將相當大。在實際應用中，這對應于從信號源到負載的最大功率傳輸。這導致反射功率很小，進而導致VREV非常小。
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。正如預期的那樣，當回波損耗在10 dB到20 dB范圍內時，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。
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系，在1 GHz 下測量
4. 總結
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功率監測應用，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，為需要液位測量應用的工業廠商提供了極高性價比的解決方案。
（轉載自：亞德諾半導體）
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