Всегда верное решение!
ГАММА-САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
Поставки электронных компонентов и модулей на рынки
России, стран СНГ и Прибалтики
Russian English
(812) 493-51-15
197101, Санкт-Петербург, Певческий пер., 12
(ст.м. "Горьковская"), БЦ "LIGHTHOUSE"

посмотреть на карте

(812) 493-51-15

Измерение уровня жидкости с помощью отраженного сигнала

Существует несколько способов измерения уровня жидкости. Вот несколько из них:

  • Использование поплавка и резистивного элемента
  • Емкостной метод
  • Измерение с помощью ультразвука

Данная статья описывает измерение уровня жидкости с помощью измерения времени отраженного сигнала (Time Domain Reflectometry – TDR).

Что такое TDR (Time Domain Reflectometry)?

Метод TDR позволяет измерять импеданс длинной линии, используя зондирующий импульс и отраженную энергию (рис. 1). Энергия зондирующего импульса проходит по линии передачи и когда импульс достигает точки изменения импеданса, часть энергии отражается обратно к источнику сигнала. Время получения отраженного сигнала определяет электрическую длину линии связи до точки изменения импеданса и может быть измерено по изменению напряжения (рис. 2).

Схема измерения методом TDR (рис. 1) состоит из:

  • Генератора импульса с выходным сопротивлением Ro, амплитуда импульса Vpulse
  • Линии передачи с импедансом Zo и электрической длинной To
  • Нагрузочного резистора Rt

Рис. 1. Схема измерения TDR.

На рис. 2 приведена осциллограмма системы с генератором, подключенным к линии передачи (микрополосковая линия с импедансом 50 Ом), закороченная на конце (Rt = 0 Ом). Значения параметров для схемы на рис. 1:

Vpulse = 5В
Ro = 50 Ом
Zo = 50 Ом
Rt = 0 Ом
To = 9.5 нс

Рис. 2. Форма сигнала с закороченной линией (Rt = 0).

Форма сигнала в Точке А (Node A) на рис. 2 отображена голубой линией. Импульс в точке А имеет амплитуду в 2 раза меньше, чем зондирующий сигнал генератора (отображен желтым цветом). Фронт сигнала вызван отражением сигнала от закороченной микрополосковой линии.

Time 0 (0 ns)
В момент времени Time=0 генератор импульса формирует сигнал (спад) амплитудой Vpulse (5В). Выходное сопротивление генератора (Ro) вместе с линией передачи образует делитель импедансов.

Так как Ro = Zo = 50 Ом, напряжение в точке А будет равно Vpulse /2 (в начальный момент T= 0).

Time To (~9.5 ns)
В момент времени To импульс достигает конца линии. При Rt = 0 Ом вся энергия отражается обратно. В точке А напряжение остается равным Vpulse/2 , потому что отраженная энергия еще не достигла точки А.

Time 2 To (~19 ns)
В момент времени Time 2 отраженная энергия достигает точки А. Напряжение Vnode A определяется выражением:

Vnode A = 0 при Rt = 0 Ом (что видно на рис. 2).

Что можно определить?

Из рис. 2 по осциллограмме можно измерить длину линии передачи. Для микрополосковой линии номинальная задержка распространения составляет 7.3 пс/мм. Длина линии:

Где L это длина линии в миллиметрах, T это время в секундах. Тогда длина линии передачи составляет ~1301 мм.

Значение сопротивления Rt может быть определено из выражения {2}.

Метод TDR позволяет охарактеризовать линию передачи, любые изменения импеданса в линии будут приводить к отражению энергии к источнику сигнала. Отраженный сигнал может быть измерен и использован для определения дистанции до точки изменения импеданса.

Импеданс коаксиальной линии передачи

На рис. 3 отображена конструкция коаксиальной линии передачи.

Рис. 3. Коаксиальная линия передачи.

Импеданс коаксиальной линии:

Где:
µo - магнитная постоянная
µr - относительная магнитная проницаемость изоляционного материала
εo - абсолютная диэлектрическая проницаемость
εr - относительная диэлектрическая проницаемость изолятора
do - диаметр внешнего проводника
di - диаметр внутреннего проводника

µo, µr и εo это константы, тогда выражение принимает вид:

Коаксиальная линия может быть выполнена с воздушным изолятором, тогда εr = 1. При использовании в качестве внешнего проводника стальной трубы с диаметром 10.92 мм, а в качестве центрального проводника штыря диаметром 4.76 мм получим коаксиальную линию с импедансом 50 Ом, а выражение 6 приводится к виду:

Измерение уровня жидкости с помощью TDR

Сформированная коаксиальная линия с воздушным диэлектриком (диэлектрическая постоянная равна 1) имеет импеданс 50 Ом. Если такую трубу поместить в жидкость с диэлектрической постоянной больше чем 1, то импеданс линии Zo будет иным. В таблице 1 приведены диэлектрические постоянные, импедансы и процент изменения импеданса относительно 50 Ом для разных диэлектриков.

Таблица 1. Диэлектрические постоянные и импедансы коаксиальной линии для некоторых жидкостей.

Заполнение Диэлектрическая постоянная Импеданс % change in impedance
Воздух 1 49.8 0
Дизельное топливо 1.8 37.1 25.8%
Бензин 2 35.2 29.6%
Изопропиловый спирт 18.3 11.6 76.8%
Вода 68 6.0 88.0%

Из таблицы 1 видно, замена воздуха в коаксиальной линии жидкостью приведет к изменению импеданса, который можно измерить. Рис. 4 и 5 демонстрируют как будет отражаться энергия закороченной на конце линии передачи. Если линия будет заполняться жидкостью, то будут наблюдаться два отражения: первое от границы воздух/жидкость и второе – от конца линии.

Рис. 4. Изменение импеданса линии при заполнении жидкостью.

Измерение производится от момента формирования импульса Vpulse до получения отражения от границы воздух-жидкость. Для разрешения по времени 3.5пс получим разрешение по расстоянию 0.5мм.

Рис. 5. Осциллограммы сигналов при измерении уровня жидкости.

Измеряя амплитуду отраженного сигнала можно получить информацию о типе жидкости. Для автомобильных приложений можно определить, что в бак залито дизельное топливо вместо бензина и предотвратить запуск двигателя. Так же можно определить содержание этанола в бензине.

Измерение уровня жидкости с помощью метода TDR имеет ряд преимуществ. В сравнении с поплавочными системами нет подвижных частей, лучше разрешающая способность. В сравнении с ультразвуковыми методами ниже стоимость решения, проще измерительная часть, большая коррозионная и механическая стойкость. По отношению к емкостным методам TDR не зависит от типа жидкости, может различать тип жидкости (бензин от дизеля и этанола).

Метод TDR позволяет измерять уровень различных жидкостей:

  • Полярные – вода, спирты и т.п.
  • Не полярные – топливо, минеральное масло и т.п.
  • Проводящие – ртуть, соленая вода и т.п.
  • Не проводящие – топливо и т.п.

Построение TDR-уровнемера

На рис. 6 показан демонстрационный TDR-уровнемер жидкостей:

  • Печатная плата с микроконтроллером и необходимыми компонентами
  • Измерительный коаксиальный пробник:
    • штырь из нержавеющей стали диаметром 4.74мм
    • труба из нержавеющей стали диаметром 12.7мм

Для коаксиального датчика подходит любой немагнитный металл (допустимо применение нержавеющей стали, меди, латуни, металлизированных пластиков и т.п.). В демонстрации используется нержавеющая сталь.

Рис. 6. Компоненты TDR-уровнемера.

Для измерения методом TDR необходимо формировать импульс с быстрым спадом (крутой спад уменьшает джиттер компаратора; если не требуется высокая разрешающая способность, то можно минимизировать стоимость решения за счет более медленных транзисторов). Этот импульс через линию передачи поступает на измерительный элемент (рис. 6). Уровнемер измеряет время между зондирующим импульсом и временем прихода отраженного сигнала от границы воздух-жидкость. На рис. 7 приведена схема TDR-части системы.

В уровнемере применен PIC® микроконтроллер PIC24FV32KA304, который используется для:

  • Управления и индикации
  • Формирования зондирующего импульса
  • Измерения времени прихода отраженного сигнала

Рис. 7. Схема TDR-уровнемера (измерительной части).

Формирователь импульсов выполнен на транзисторе Q3. Когда микроконтроллер генерирует Стартовый Импульс, то формируется быстрый спад зондирующего сигнала. Этот сигнал поступает через R8 и С3 на микрополосковую линию и далее на коаксиальный сенсор.

Для обеспечения разрешения по времени в 3.5пс необходима калибровка прибора, которая осуществляется с помощью транзисторов Q4 и Q5. Для калибровки проводятся два измерения, в которых микрополосковая линия закорачивается с помощью Q4, а затем с Q5. Это дает две точки для вычисления коэффициента передачи и смещения линейной передаточной функции системы.

Отраженный сигнал поступает на быстродействующий компаратор U12, который формирует микроконтроллеру сигнал Стоп. Ширина Стопового импульса (время) определяет расстояние до границы воздух-жидкость.

Управление и измерение

Всё управление и измерения осуществляются микроконтроллером PIC24KV32KA304.

Калибровка системы осуществляется путем шунтирования линии передачи в середине и конце микрополосковой линии (сигналы short coax middle и short coax end). Эти два сигнала формируют отражения в точках с известным расстоянием, что позволяет формировать Стоповые импульсы и провести калибровку системы:

где T это время (напрямую зависящее от расстояния), V напряжение, измеряемое АЦП микроконтроллера PIC24KV32KA304.

Модуль CTMU – основа измерения времени TDR

Измерение времени осуществляется модулем измерения времени заряда (Charge-Time Measurement Unit, CTMU), работа которого управляется сигналами Старт и Стоп. Модуль CTMU позволяет измерить ширину Стопового импульса.

Модуль CTMU присутствует во многих микроконтроллерах PIC (8-, 16- и 32- битных) и позволяет достичь измерения времени с разрешением до 3,5пс. Модуль CTMU под управлением стартового и стопового событий заряжает емкость постоянным током и измеряет результирующее напряжение на емкости. Таким образом, основываясь на измерении напряжения можно измерить время между двумя событиями (Стартовым и Стоповым импульсами).

Замечания по разработке печатной платы

Рис. 8. Печатная плата TDR-уровнемера.

На рис. 8а и 8б отмечены критичные компоненты TDR уровнемера.

Рис. 8а

Элементы R8, R4, R13, C3, C32, коллектор транзистора Q3, U12 должны располагаться как можно ближе.

Рис. 8б

Микрополосковая линия должна иметь достаточную длину, позволяющую получить отраженный импульс. Необходимо обеспечить постоянство импеданса линии. Не допускать углов линии. Транзисторы Q4 и Q5 поместить как можно ближе к линии, под коллектором не должно быть полигона.

Разработанная с учетом рекомендаций плата позволяет измерять уровень жидкости с разрешением 0.5мм.

Основные компоненты TDR-уровнемера

Microchip 24FV32KA304 микроконтроллер с CTMU
Linear Technology LT1711 быстрый компаратор (4 нс)
NXP BFG591 x 3 транзистор (7 ГГц)

Итоги

Сделать недорогой измеритель уровня жидкости с разрешением 0.5мм это вполне реально. Описанный дизайн имеет функции калибровки и измерения импеданса (типа жидкости), точность в диапазоне температур ±2%.

Регистрация e-mail на получение новостей ::

Статьи для разработчиков

Новости производителей