Măsurarea nivelului lichidului prin semnal de retur
Măsurarea nivelului lichidului prin semnal de retur
Există mai multe modalități de a măsura nivelul de lichid. Iată câteva dintre ele:
- Utilizarea flotorul și elementul rezistiv
- metoda capacitiv
- Măsurare cu ultrasunete
Ce este TDR (Time Domain reflectometrie)?
Metoda TDR poate măsura impedanța unei linii lungi, folosind pulsul sondă și reflectată de energie (Fig. 1). Energia pulsului de palpare trece prin linia de transmisie, iar atunci când pulsul ajunge la punctul de schimbare de impedanță, o parte din energie este reflectată înapoi la sursa de semnal. primirea unui semnal de timp reflectată determină lungimea electrică a legăturii cu impedanță modificări și un punct poate fi măsurat prin variația tensiunii (Fig. 2).
(. Figura 1) Metoda de măsurare Schema TDR constă din:
- Un generator de impulsuri cu o impedanță de ieșire Ro, puls amplitudine Vpulse
- impedanța caracteristică a liniei de transmisie Zo și lungă durată electrice
- Rezistența terminală Rt
Fig. 1. Măsurători Schema TDR.
Fig. 2 prezintă o oscilogram a sistemului cu un generator conectat la linia de transmisie (linia microstrip cu o impedanță de 50 ohmi), scurtcircuit la capătul (Rt = 0 ohmi). Valorile parametrilor pentru circuitul din Fig. 1:
Vpulse = 5V
Ro = 50 ohmi
Zo = 50 Ohmi
Rt = 0 ohmi
Pentru a = 9,5 ns
Fig. linia 2. Forma semnalului scurtcircuitat (Rt = 0).
Forma de undă de la punctul A (nodul A) în Fig. 2 afișat linia albastră. Pulsul la punctul A are o amplitudine de 2 ori mai puțin decât generatorul de semnal de sondă (afișat în galben). semnal frontal cauzat de reflexia semnalului de la linia microstrip scurt-circuitat.
Timp 0 (0 ns)
La momentul de timp = 0 generator de impulsuri generează un semnal (recesiune) Vpulse amplitudine (5B). rezistență de ieșire a generatorului (Ro), împreună cu linia de transmisie formează un impedanțe divizor.
Deoarece Ro = Zo = 50 ohmi, tensiunea la punctul A este egal cu Vpulse / 2 (la momentul inițial T = 0).
9.5 ns)
La ora pulsul ajunge la capătul liniei. Când Rt = 0 ohmi toate de energie este reflectată înapoi. La punctul A de tensiune este egală cu Vpulse / 2. deoarece energia reflectată nu a atins încă punctul A.
19 ns)
La momentul de timp 2 reflectat de energie ajunge la punctul A. Tensiunea Vnode A definit prin expresia:
Vnode A = 0 la Rt = 0 ohm (așa cum se vede în fig. 2).
Ce poate fi determinată?
Fig. 2 la forma de undă poate fi măsurată prin lungimea liniei de transmisie. Pentru linia microstrip întârziere de propagare nominală este de 7.3 ps / mm. Lungimea liniei:
Unde L este lungimea liniei în mm, T este timpul în secunde. Apoi, lungimea liniei de transmisie este
Valoarea rezistenței Rt poate fi determinată de expresie.
Metoda TDR permite caracterizarea unei linii de transmisie, orice schimbare în impedanța în linia va avea ca rezultat reflectarea energiei la sursa de semnal. Semnalul reflectat poate fi măsurat și utilizate pentru a determina distanța până la punctul de schimbare de impedanță.
Impedanța unei linii de transmisie coaxială
Fig. 3 afișează o construcție linie de transmisie coaxială.
Fig. 3. Linia de transmisie coaxială.
Impedanța liniei coaxiale:
în cazul în care:
μo - constanta magnetic
μr - permeabilitatea magnetică relativă a unui material izolant
εo - permitivitatea dielectrică absolută
εr - permitivitatea relativă a izolatorului
do - diametrul conductorului exterior
di - diametrul conductorului interior
μo, μr și εo este constantă, atunci expresia devine:
Linia coaxial poate fi format cu un izolator de aer, apoi εr = 1. Când este utilizat ca conductorul exterior al unei țevi de oțel cu un diametru de 10,92 mm, iar ca diametrul centrului conductorului de 4.76 mm pini obține o linie coaxială, cu o impedanță de 50 ohmi și 6 expresie reduce la :
Măsurarea nivelului de lichid folosind TDR
linie coaxială format cu un dielectric aer (constantă dielectrică egală cu 1) are o impedanță de 50 ohmi. Dacă o astfel de conductă plasată într-un lichid cu o constantă dielectrică mai mare de 1, impedanța liniei Zo va fi diferit. Tabelul 1 prezintă dielectric constant, impedanță și procente schimbare în impedanța de 50 ohmi în raport cu diferite dielectricilor.
Tabelul 1. constanta dielectrică și impedanțe ale liniilor coaxiale pentru unele fluide.
Tabelul 1 arată, înlocuirea aerului în conducta de fluid a unui plumb coaxial la schimbarea impedanță, care poate fi măsurată. Fig. 4 și 5 arată modul în care puterea reflectată la sfârșitul unei linii de transmisie scurtcircuitat. Dacă linia este umplută cu lichid, se va observa două reflecții: prima de delimitare aer / lichid, iar al doilea - de la capătul liniei.
Fig. 4. Modificări în impedanță în linia de umplere de fluid.
Măsurarea se efectuează din momentul formării Vpulse pulsului până reflexia din interfața aer-lichid. Pentru moment 3.5ps rezoluție obține permisiunea de la distanta de 0.5mm.
Fig. 5. Cronograme semnalelor în măsurarea nivelului de lichid.
Măsurarea nivelului folosind metoda TDR lichid are mai multe avantaje. În comparație cu sistemul plutitor nu are părți în mișcare, cea mai bună rezoluție. Comparativ cu soluția costului ultrasunetele mai mic, o parte simplu de masurare, de mare rezistență mecanică și la coroziune. În ceea ce privește metodele TDR capacitive nu depind de tipul de lichid, se poate distinge tipul de fluid (gaz de motorină și etanol).
Metoda permite TDR pentru a măsura nivelul de diferite lichide:
- Polar - apă, alcooli, etc.
- Nu este polar - combustibil, ulei mineral, etc.
- Conductive - mercur, apă sărată, etc.
- Nu sunt conductoare - combustibil, etc.
Construcția de indicator de nivel TDR
Fig. 6 prezintă o demonstrație lichide TDR-transmitator:
- placă de circuit imprimat cu componente microcontroler și necesare
- Sonda de măsurare coaxial:
- Oțel inoxidabil Diametru pini 4.74mm
- inoxidabil 12.7mm tub de oțel cu diametru
Pentru orice metal nemagnetic sondă coaxial adecvat (permisă utilizarea de oțel inoxidabil, cupru, alamă, materiale plastice metalizate, etc.). Demonstrația utilizat din oțel inoxidabil.
Fig. 6. Componentele gabaritului nivel TDR.
Pentru a măsura metoda TDR este necesară pentru a forma un puls cu dezintegrare rapida (declin abrupt reduce comparator bruiaj, în cazul în care nu necesită rezoluție mare, este posibil să se minimizeze costul soluției din cauza tranzistori mai lent). Acest puls este alimentat printr-o linie de transmisie la elementul de măsurare (fig. 6). Transmițătorul măsoară timpul dintre pulsul de excitație și timpul de sosire ecou al interfeței aer-lichid. Fig. 7 este un sistem TDR-o parte diagrama.
Gabaritul nivel utilizat PIC® microcontroler PIC24FV32KA304, care este utilizat pentru:
- Controlul și afișare
- Formarea impulsului sondă
- măsurarea timpului de sosire a semnalului reflectat
Fig. 7. Schema indicator de nivel TDR (porțiune de măsurare).
formatorul de impulsuri este format pe Q3 tranzistor. Când microcontroler generează un impuls de pornire, declinul rapid format de sondare a semnalului. Acest semnal este furnizat prin R8 și C3 pe o linie microstrip și un senzor suplimentar coaxial.
Pentru a oferi rezoluția de timp necesară la 3.5ps dispozitiv de calibrare, care este pus în aplicare prin intermediul unor tranzistori Q4 și Q5. Pentru calibrarea două măsurători sunt efectuate în care linia microstrip este scurt-circuitat prin intermediul Q4, și apoi cu Q5. Aceasta oferă două puncte pentru calculul funcției de transfer liniar al câștigului sistemului și offsetul.
Semnalul reflectat este alimentat la un comparator U12 rapid. care generează un semnal de oprire la microcontroler. Lățimea impulsului de oprire (timp) determină distanța la interfața aer-lichid.
Controlul și măsurarea
Toate măsurătorile de management și sunt efectuate de către PIC24KV32KA304 microcontroler.
Calibrarea sistemului se realizează prin manevră liniei de transmisie în mijloc și la sfârșitul liniei microstrip (semnale scurte de mijloc și de capăt cablu coaxial cablu coaxial scurt). Aceste două semnale formează reflexiei la punctele o distanță cunoscută, care permite să se formeze și să dețină impulsuri de calibrare sistem oprire:
unde T este timpul (depinde direct de distanta), V tensiunea măsurată ADC PIC24KV32KA304 microcontroler.
Modulul CTMU - baza timpului de măsurare TDR
Măsurarea timpului se efectuează măsurarea modulului timp de încărcare (Charge-Time Unitate de măsură, CTMU), a cărui funcționare este controlată de pornire și oprire semnale. Modulul CTMU măsoară lățimea pulsului de oprire.
CTMU modul prezent în multe microcontrolere PIC (8-, 16- și 32-bit) și permite măsurarea timpului, cu o rezoluție de până la 3,5ps. Modulul CTMU sub controlul start și de stop evenimente capacitate de curent continuu și măsoară tensiunea rezultată pe capacitatea de încărcare. Astfel, pe baza de măsurare a tensiunii poate măsura timpul între două evenimente (pornire si oprire impulsuri).
comentarii de proiectare PCB
Fig. 8. Gabaritul PCB nivel TDR.
Fig. 8a și 8b sunt marcate componente critice transmițător TDR.
Elementele R8, R4, R13, C3, C32, Q3 colector tranzistor, U12 trebuie să fie amplasate cât mai aproape posibil.
Microstrip line ar trebui să fie suficient de lung pentru a permite să primească pulsul reflectat. Este necesar să se asigure continuitatea impedanței liniei. Evitați linia de colțuri. Tranzistorii Q4 și Q5 plasat cât mai aproape posibil de linie, un colector nu ar trebui să fie un poligon.
Dezvoltat cu sfatul consiliului permite măsurarea nivelului de lichid cu o rezoluție de 0.5mm.