リフレクトメータチップによる非接触液面検知

タンク外壁に空気誘電体伝送線路をクランプし、リフレクトメータチップでRFインピーダンスの変化を検出することで、穴を開けずに液面を測定できます。このガイドでは、Analog DevicesのADL5920のような単一チップリフレクトメータがいかにプロセスを簡素化するか、経験的設計例を通じて説明します。

従来のフロートベースセンサーと比較して、リフレクトメータベースのシステムは以下を提供します：

• リアルタイム、高速測定
• 広範なデジタル後処理
• 非接触動作——液体汚染なし
• 可動部品なし、信頼性向上
• 最小限の放射RF——遠方界キャンセル
• 漏れなし設計——タンク壁への貫通不要
• 本質安全——タンク内に電気部品なし

液面測定の概要

図1のシステムブロック図は、インラインリフレクトメータを備えたバランスの取れた50Ω終端空気誘電体ラインを駆動するRFソースを示しています。

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図1. 液面測定システムブロック図（出典：Analog Devices）

動作原理

空気誘電体ラインは低損失と明確に定義された特性インピーダンス（Z₀）を示します。タンク壁や内部の液体などの誘電体材料がラインに近づくと、インピーダンス、伝播速度、減衰がすべてシフトします。リフレクトメータは結果として生じるリターンロスを測定し、これを液面に相関付けられます。主な効果には：

• 特性インピーダンスの低下
• 伝播速度の低下、実効電気長の増加
• 減衰の増加

ラインが最初にタンクに取り付けられると、タンク壁のニアフィールド誘電体がインピーダンスをわずかにZ_OAに低下させ、電気長を増加させます（図2のトレース1）。液体がタンクを満たすにつれて、インピーダンスはさらにZ_OFに低下し、スミスチャート上でトレースが時計回りに回転（トレース2と3）し、ソース端のリターンロスが減少します。

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図2. 伝送線路入力インピーダンスのスミスチャート表現。トレース端点が液面のリターンロスへの変換を示す（出典：Analog Devices）

曖昧さを避けるため、ラインの電気長は≤90°にすべきです。そうでないと、リターンロスが折り返して見えるようになります。

バランの役割

バランは等しいが逆位相のAC電圧でラインを駆動し、2つの主要なメリットを提供します：

• 迷走RF結合を抑制、EMIコンプライアンス向上
• より高いインピーダンスに変換、導体間隔を広げ電界を深くし感度向上

バランは動作帯域全体で高いコモンモード除去比を提供しなければなりません。

バンドパスフィルター

迷走RFがラインに結合する可能性がある場合、バンドパスフィルター（図1参照）を推奨します。挿入損失が低く、リターンロスが約30dB以上である必要があります。

基本設計手順

1. ライン長が自由空間波長の0.1〜0.25になる動作周波数を選択。低周波数はリニアリティ向上、高周波数はリターンロス範囲拡大だがフォールドバックリスクあり。ISMバンド選択はWikipedia: ISM bandで確認可能。
2. 選択周波数向けのバランを設計または選択。抵抗終端接続時、シングルエンドポートで約30dBリターンロスを検証。
3. 任意伝送線路計算機（ATLC）（ATLC）を使用し、目標Z₀の導体幅と間隔を計算。

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図3. 推奨動作周波数vs伝送線路長（出典：Analog Devices）

シンプルな設計例

自動車用ウォッシャータンク（高さ約15cm）向けレベルセンサーを構築しました。設計手順：

1. 目標周波数約300MHz（図3参照）。
2. 感度向上のためわずかなインピーダンスステップアップ付きLCバランを設計。約30dBリターンロスを検証。
3. バランのZ₀にマッチする平行伝送線路を製作。ライン回路内で約25dBリターンロスを測定。

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図4. 液面検知例で使用したバランと伝送線路（出典：Analog Devices）

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図5. タンク取り付け前のディスクリートバランと終端伝送線路（出典：Analog Devices）

ラインをタンクに取り付けた後（図6）、タンク壁が追加誘電体として働くため、リターンロスのわずかな低下が観測されました。

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図6. タンク側面に取り付けられた伝送線路（出典：Analog Devices）

テスト結果例

完全なテストセットアップを図7に示します。DC2847A評価キットがADL5920から順方向と反射電力（dBm）を読み取り、自動的にリターンロスを計算し、グラフィカルに結果を表示します。

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図7. 設計例の完全テストセットアップ（出典：Analog Devices）

ポンピング中、タンクレベルは直線的に上昇し、反射電力はそれに応じて低下しました。約33秒で、タンクのテーパード底部による傾き変化が現れました——ファームウェアで補正可能な効果です。

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図8. 液面vsテスト結果。タンク設計起因の非線形性を除き直線的かつ単調（出典：Analog Devices）

キャリブレーション

2つのキャリブレーションステップで精度向上：

• デバイスキャリブレーション——ADL5920の傾きと切片のばらつきを補正。DC2847Aキットが自動実行。
• 液面キャリブレーション——リターンロスをレベルにマッピング、製造公差、タンク壁厚、温度による誘電率変化を考慮。非線形性がある場合は最低3点のキャリブレーションポイントを使用。

キャリブレーション定数は、組み込みプロセッサー内または専用EEPROM上の不揮発性メモリに格納されます。

測定限界

リフレクトメータの指向性が、入射波と反射波をどれだけよく分離できるかを決定します。ADL5920の場合、1GHzで約20dB、100MHz以下で約43dBに改善し、30mm以上のタンクに適しています。

アプリケーション拡張

潜在的な拡張には：

• 省電力のための低デューティサイクル動作
• レベル一定時の粘度やpHへのリターンロス相関
• スケールの上端または下端での高精度測定（センサー形状調整による）
• 金属タンクでは水没伝送線路が必要な場合あり
• 外部干渉に対するセルフテスト用の複数RF電力レベル
• タンク傾き補償用の多面伝送線路
• 閾値検知用の短い高周波数ライン

結論

ADL5920の単一チップリフレクトメータは、可動部品を排除し、汚染リスクを低減し、オイルおよび燃料監視などの産業および自動車アプリケーションに高信頼性を提供する、新しいクラスの液面センサーへの扉を開きます。

謝辞

Michiel Kouwenhoven、James Wong、Bruce Nguyen、John Chungのご指導に感謝します。