Измерение уровня жидкости с помощью отраженного сигнала

Существует несколько способов измерения уровня жидкостей, вот некоторые из них:

• использование поплавка и резистивного элемента;
• емкостный метод;
• с помощью ультразвука.

 

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) содержит:

• генератор импульса с выходным сопротивлением R_o, амплитуда импульса V_pulse;
• линию передачи с импедансом Z_o и электрической длиной T_o;
• нагрузочный резистор R_t.

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

• V_pulse = 5 В;
• R_o = 50 Ом;
• Z_o = 50Ом;
• R_t = 0Ом;
• T_o = 9,5нс.

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 V_pulse (5 В). Выходное сопротивление генератора (R_o) вместе с линией передачи образует делитель импедансов.

V_{node A} = V_pulse×(Z_o/(R_o+Z_o)).        (1)

Поскольку R_o = Z_o = 50 Ом, напряжение в точке А будет равно V_pulse/2 (в начальный момент T = 0).

Time T_o (~9,5 ns)

В момент времени T_o импульс достигает конца линии. При R_t = 0 Ом вся энергия отражается обратно. В точке А напряжение остается равным V_pulse/2, потому что отраженная энергия еще не достигла данной точки.

Time 2T_o (~19 ns)

В момент времени Time 2 отраженная энергия достигает точки А. Напряжение V_{node A} определяется выражением:

V_{node A} = V_pulse×(R_t/(R_t+R_o)),          (2)

V_{node A} = 0 при R_t = 0 Ом (что видно на рис. 2).

По осциллограмме, представленной на рис. 2, можно измерить длину линии передачи. Для микрополосковой линии номинальная задержка распространения составляет 7,3 пс/мм.

Длина линии:

L = Т/(7,3×10^–12×2),                 (3)

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

Значение сопротивления R_t может быть определено из выражения (2):

R_t = (V_{node A}×R_o)/V_pulse–V_{node A}).       (4)

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 представлена конструкция коаксиальной линии передачи.

Импеданс коаксиальной линии:

Z_o = 1/2π √((μ_oμ_r/ε_oε_r))×ln(d_o/d_i),      (5)

где µ_o — магнитная постоянная; µ_r — относительная магнитная проницаемость изоляционного материала; ε_o — абсолютная диэлектрическая проницаемость; ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость изолятора; d_o — диаметр внешнего провод-ника; d_i — диаметр внутреннего проводника; µ_o, µ_r, и ε_o — константы.

Тогда выражение принимает вид:

Z_o = 59,958/√ε_r×ln(d_o/d_i).           (6)

Коаксиальная линия может быть выполнена с воздушным изолятором, тогда ε_r = 1. Если в качестве внешнего проводника использовать стальную трубу диаметром 10,92 мм, а в качестве центрального проводника — штырь диаметром 4,76 мм, получим коаксиальную линию с импедансом 50 Ом, тогда выражение (6) можно привести к виду:

Z_o = 49,766/√ε_r.                    (7)

 

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 Z_o 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	Изменение импеданса, %
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	88

Из таблицы 1 видно, что 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, второе от конца линии.

Измерение производится от момента формирования импульса V_pulse до получения отражения от границы воздух-жидкость. Для разрешения по времени 3,5 пс получим разрешение по расстоянию 0,5 мм.

При измерении амплитуды отраженного сигнала удается получить информацию о типе жидкости. Для автомобильных приложений можно определить, что в бак залито дизельное топливо вместо бензина, и предотвратить запуск двигателя. Также 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 отличает от дизеля и этанола).

Метод TDR позволяет измерять уровень различных жидкостей:

• полярные — вода, спирты и т. п.;
• неполярные — топливо, минеральное масло и т. п.;
• проводящие — ртуть, соленая вода и т. п.;
• непроводящие — 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 4,74 мм;
  • труба из нержавеющей стали диаметром 12,7 мм.

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

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). Через линию передачи этот импульс 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-микро-контроллер PIC24FV32KA304, предназначенный для:

• управления и индикации;
• формирования зондирующего импульса;
• измерения времени прихода отраженного сигнала.

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 3,5 пс необходима калибровка прибора, выполняемая с помощью транзисторов Q4 и Q5. Для калибровки проводятся два измерения, в которых микрополосковая линия закорачивается с помощью Q4, а затем Q5. Это дает две точки для вычисления коэффициента передачи и смещения линейной передаточной функции системы.

Отраженный сигнал поступает на быстродействующий компаратор U12, формирующий для микроконтроллера сигнал «Стоп». Ширина стопового импульса (время) определяет расстояние до границы воздух-жидкость.

 

Управление и измерение

Все управление и измерения осуществляются микроконтроллером PIC24KV32KA304.

Калибровка системы реализуется шунтированием линии передачи в середине и конце микрополосковой линии. Эти два сигнала создают отражения в точках с известным расстоянием, что позволяет сформировать стоповые импульсы и провести калибровку системы:

T = gain×V+Offset,                   (8)

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 3,5 пс. 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

На рис. 8 красной линией отмечены критичные компоненты TDR-уровнемера.

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

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 0,5 мм.

Основные компоненты TDR-уровнемера указаны в таблице 2.

Таблица 2. Основные компоненты TDR-уровнемера

Microchip	PIC24FV32KA304	микроконтроллер с CTMU
Linear Technology	LT1711	быстрый компаратор (4 нс)
NXP	BFG591 x 3	транзистор (7 ГГц)

 

Вывод

Сделать недорогой измеритель уровня жидкости с разрешением 0,5 мм — вполне реально. Описанный дизайн имеет функции калибровки и измерения импеданса (типа жидкости), точность в диапазоне температур ±2%.