CN101490567B - 测量电容元件容量的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种测量电容元件(21)容量的方法，根据该方法，具有两个测量分支的数字电桥产生具有与被测的未知电容相关的频率(f1)的一列测量脉冲(M)所定义的第一信号(B1)，以及具有与已知容量的参考电容(CREF)相关的频率(f2)的一列参考脉冲(L)所定义的第二信号(B2)。计算数字电桥的两个测量分支产生等同数量的脉冲(Th1，Th2)的时间(T1，T2)之间的时间差(ΔT)，未知电容和参考电容(CREF)的容量差(ΔC)由时间差(ΔT)的函数确定，可以在参考电容(CREF)和容量差(ΔC)的基础上计算得到电容元件(21)的未知容量。
Description
技术领域
本发明涉及测量电容元件的容量的方法和设备。更特别地，本发明涉及精确测量其容量作为例如容器中液体量的物理量的函数而变化的电容元件的容量的方法和设备，下面完全通过实例的方式来描述。
背景技术
众所周知，一些当前用来确定容器中液体数量或键的压力的设备采用电容元件，所述电容元件的电容量作为被确定的数量的函数而变化，以及与电容元件相连以测量其容量并提供导致电容变化的物理量的量化指标的测量设备。
一些用于上述目的的测量设备为数字电路结构，其中多谐振荡器级与电容元件相连以发生振荡并产生频率与该电容元件的容量相关的一列脉冲。多谐振荡器级也与计数器级相连，计数器级用来计录多谐振荡器级产生的脉冲数并当脉冲数达到预定数量的阀值时提供中断信号，直到收到复位信号的开始时刻。
复位信号和中断信号由具有用于测量产生复位信号的时刻和收到中断信号的时刻之间的时间间隔的内部时钟的微处理器产生/接收，在此基础上确定电容元件的容量。
通过非限定性的例子，图1显示了具有上述数字结构的测量设备1，该设备用来测量由例如电容器所定义的电容元件4的容量。电容器包括第一电容板以及被极化成地电位VGND的第二电容板；第一电容板和第二电容板分别定义了测量设备1的测量电极4a和参考电极4b，该测量电极和参考电极通常被放置在容器里以确定液面水平。
更具体地，测量设备1基本上包括微处理器处理单元2，该微处理器处理单元产生与内部时钟2a被激活时刻同步的复位信号R，并且接收中断信号I以停止时钟；以及脉冲发生电路3，其中依次包括多谐振荡器级5和计数器级6。
更具体地，多谐振荡器级5具有接收复位信号R的端子5a，与测量电极4a相连的端子5b，与参考电极4b相连的端子5c，以及输出端5d，所述输出端5d生成由频率与电容元件4的容量相关的矩形脉冲D所定义的切换信号B，如图2所示。
更具体地，多谐振荡器级5典型地由施密特触发器定义，计数器级6具有接收复位信号R以启动对脉冲D进行计数的端子6a；接收脉冲D的端子6b，以及端子6c，当脉冲D的数量达到预定的触发阀值Th时。所述端子6c产生中断信号I。
根据图2，由测量设备1在预定的时间间隔TI测量电容器4的容量，每次通过微处理器产生复位信号R启动。
在每个时间间隔TI内，微处理器2激活时钟，与此同时，给多谐振荡器级5和计数器级6提供复位信号R。
更具体地，复位信号R作为触发脉冲由多谐振荡器级5接收，多谐振荡器5从静止状态转换到振荡状态(图2中点P)，在该状态下，多谐振荡器5产生频率与电容元件4的容量成比例的脉冲D。
复位信号R也启动计数器级6对脉冲D进行计数。
只要脉冲D的数量低于预定的触发阀值Th，中断信号I切换到例如高的第一逻辑电平。相反地，当脉冲D的数量等于预定的触发阀值Th(图2中点E)时，中断信号I切换到第二逻辑电平，在这种情况下为低电平，以停止对脉冲计数。这时，微处理器2确定开始和停止对脉冲D计数的时间间隔TA，并相应地计算出电容值。
上述类型的测量设备在测量容量变化较大的情况下效果尤其优越，但是当容量变化很小的情况下效果不太好。
发明内容
本发明的目的是提供比目前已知设备具有更高精度的测量电容元件容量的设备和方法。
根据本发明，所提供的测量电容元件容量的设备和方法在下面的权利要求中进行了定义。
附图说明
将参照附图通过例子的方式对本发明的非受限性的实施例进行描述，附图包括：
图1示出了已知的测量电容元件容量的设备的框图；
图2示出了由图1中电容测量设备产生的信号的时序图；
图3示出了本发明的电容测量设备的框图；
图4示出了图3中电容测量设备产生的信号的时序图；
图5示意性地示出了图3中测量设备在用于测量容器中液体量的装置的一个可能的应用。
具体实施方式
本发明基本上基于以下原理：
-通过具有两个测量分支的数字电桥产生由一列频率与待确定容量的未知电容器相关的脉冲所定义的第一信号，以及由一列频率与已知参考电容值相关的脉冲所定义的第二信号。
-计算数字电桥的两个测量分支产生相同数量脉冲的时间差：
-确定未知电容量和参考电容量的差值，该差值为数字电桥的两个测量分支产生相同数量脉冲的时间差的函数；
-基于参考电容量和上面计算的电容量差值，计算未知的电容量。
图3示出了本发明所描述的测量电容元件容量的测量设备20的框图。
更具体地，在图3示出的实施例中，电容元件21有第一电容板，以及极化为参考电位极化的第二电容板，所述参考电位优选但不必须为地电位VGND；第一电容板和第二电容板分别定义测量设备20的测量电极21a和参考电极21b。
测量设备20基本上包含连接到容量待确定的电容元件21的脉冲发生电路23；例如具有已知常数参考电容值CREF的电容器的参考电容元件25所连接的脉冲发生电路24；产生逻辑信号的逻辑电路26，所述信号是与时间相关的逻辑电平，尤其是与如后面将详细描述的参考电容量CREF和被测未知容量的差值ΔC成比例的时间；处理单元22被配置为根据差值ΔC和参考电容量CREF的函数来确定被测的未知电容量。
更具体地，在图3示出的实施例中，脉冲发生电路23和24与图1中示出的脉冲发生电路3都是同样的数字电路结构，即每个电路都包括多谐振荡器级和计数器级。
更具体地，脉冲发生电路23包含优选但不必须为施密特触发器或其他任何诸如双稳态多谐振荡器的类似多谐振荡器电路所定义的多谐振荡器级23a，所述多谐振荡器级具有接收复位信号R的输入端子27；分别与电容元件21的测量电极21a和参考电极21b相连的第一和第二输入端子28、29；以及提供由一列具有与电容元件21的容量相关的频率f1的测量脉冲M所定义的切换信号B1的输出端子30。
脉冲发生电路23还包括计数器级23b，其依次包含接收复位信号R的输入端子31，所述输入端子31也启动计数器级23b对测量脉冲M的计数；接收切换信号B1的输入端子32；以及提供中断信号I1的输出端子33。
只要测量脉冲M的数量低于预定的第一触发阀值Th1，计数器级23b将中断信号I1切换到例如高电位的第一逻辑电平。相反地，当测量脉冲M的数量等于预定的触发阀值Th1时(图4中点F)，计数器级23b将中断信号I1切换到第二逻辑电平，在这种情况下，为低电位，以停止对测量脉冲M计数。
脉冲发生电路24包含优选但不必须为施密特触发器或其他任何诸如双稳态多谐振荡器的类似多谐振荡器电路所定义的多谐振荡器级24a，其具有接收复位信号R的输入端子35，分别与参考电容元件25的第一和第二端子相连的第一和第二输入端子36、37；以及提供由一列具有与参考电容元件25的参考容量CREF相关的频率f2的参考脉冲L所定义的切换信号B2的输出端子38。
脉冲发生电路24还包括计数器级24b，其依次包含接收复位信号R的输入端子39，所述输入端子39还启动计数器级24b对参考脉冲L的计数，接收切换信号B2的输入端子40；以及提供中断信号I2的输出端子41。
只要参考脉冲L的数量低于预定的第二触发阀值Th2(例如，Th2＝Th1)，计数器级24b将中断信号I2切换到例如高电位的第一逻辑电平。相反地，当参考脉冲L的数量等于预定的触发阀值Th2时(图4中点U)，计数器级24b将中断信号I2切换到第二逻辑电平，在这种情况下，为低电位，以停止对参考脉冲L计数。
逻辑电路26包含分别接收中断信号I1和I2的第一和第二输入端子42、43；以及产生逻辑信号ST的输出端子44，当两个中断信号I1和I2处于相同逻辑电平的时候，所述输出端子44保持例如低电位的第一逻辑电平，相反地，当中断信号I1和I2处于不同电位的时候，将第二逻辑电平设定为例如高电位。
更具体地，逻辑电路26可以包含XOR(异或)门或任何类似电路。
处理单元22，例如，可以是微处理器类型，并且包含产生复位信号R的输出端以同步两个脉冲发生电路23和24的振荡和脉冲计数；以及接收逻辑信号ST的输入端。
根据信号ST的逻辑电平的持续时间，处理单元22能够确定测量设备20的两个脉冲发生电路23和24产生等同数量脉冲所需时间T1和T2之间的时差ΔT。
基于时间差ΔT，处理单元22也能够确定参考电容元件25和电容元件21之间的容量差ΔC，因此作为电容量差ΔC和参考电容量CREF的函数可以计算得到电容元件21的容量。
测量设备20的操作方法将参考图4进行描述。假设利用数字n为256的脉冲触发阀值Th1和Th2，参考电容量CREF不同于被测的未知电容量，由脉冲发生电路24产生的参考脉冲L的频率f2基本上等于由脉冲发生电路23产生的测量脉冲M的频率f1。
首先，处理单元22产生复位信号R，其一方面作为触发器激活多谐振荡器级23a和24a的振荡，另一方面启动计数器级23b和24b对脉冲计数。
更具体地，多谐振荡器级23a产生包含频率为f1的一列测量脉冲M的脉冲信号B1，与此同时，多谐振荡器级24a产生包含频率为f2的参考脉冲L的脉冲信号B2。
在这时，计数器级23b和24b分别对测量脉冲M和参考脉冲L进行计数。
当测量脉冲M的数量达到触发阀值Th1的时候，计数器级23b将中断信号I1从高逻辑电平切换到低逻辑电平，并且与此同时，当参考脉冲L的数量达到触发阀值Th2的时候，计数器级24b将中断信号I2从高逻辑电平切换到低逻辑电平。
未知电容量和参考电容量不同，所以中断信号I1和I2在不同的时间点切换状态。
更具体地，在图4的例子中，中断信号I1在中断信号I2之前进行切换。在两个切换的间隔中，中断信号I1和I2因此处于不同的逻辑电平，因此逻辑电路26将信号ST由低逻辑电平切换到高逻辑电平，在整个时间间隔ΔT内该条件都保持，直到中断信号I2切换时结束。
时间间隔ΔT因此表示了与未知电容量值成比例的时间T1和与参考电容量值CREF成比例的时间T2的差值。
信号ST因此包含了持续时间对应于时间间隔ΔT的方形脉冲，并且被提供给处理单元22。
这时，处理单元22根据下面的公式将参考电容量CREF和被测的未知电容量的差值ΔC作为时间间隔ΔT的函数来进行确定：
ΔC＝f(ΔT)＝ΔT/(R*K)
其中，R是施密特触发器内电阻器的电阻；K是常数。
这时，处理单元22基于参考电容量值CREF和容量差值ΔC可以确定电容元件21的未知电容量。
参考图3，为了使测量设备20对外部电磁噪声尤其不敏感，补偿电极45可以连接到多谐振荡器级24a的输入端子36，以给多谐振荡器级24a提供与通过测量电极21a提供给多谐振荡器级23a的电磁噪声等同的电磁噪声。
因此外部电磁噪声产生的任何变化在中断信号I1和I2中都是等同的，因为两个脉冲发生电路23和24具有相同的电路配置，并接收相同的噪声信号。
更具体地，由于完全相同，噪声导致的变化对电容测量完全没有影响。事实上，这种变化被确定中断信号I1和I2切换瞬间的差值的逻辑电路26减小了。
应该指出，为了实现特别有效的噪声补偿，多谐振荡器级24a必须定义为与多谐振荡器级23a的电路相同的电路，与此同时，计数器级23b必须定义为与计数器级24b的电路相同的电路。
结合上面描述的内容，应该指出，在未示出的实施例中，测量设备20可以通过切换电路(例如多路复用器)与多个待测的电容元件相连。通过适当地同步切换电路的转换，测量设备20可以测量许多电容元件21的容量。
图5示出了测量设备20用于测量容器51中液体L水位的装置50的一种可能的应用。
更具体地，在图5的示例中，被测的电容元件21具有安装在容器51的内侧或外侧的测量电极21a和参考电极21b。例如，测量电极21a和参考电极21b可以彼此相对，并且与容器51的内侧壁或者外侧壁平行放置，并且可以安装或者结合在容器51里。
测量装置50也优选地包括补偿电极45，所述补偿电极45安装容器51上，紧邻测量电极21a，从而能接收相同的噪声信号并且将噪声信号提供给与之相连的脉冲发生电路24。
容器51中液体L的量的变化导致相应的电容元件21的容量变化，该电容元件容量的变化被测量设备20测得；并且处理单元22根据所测容量的函数可以确定容器51中液体L的相应数量。
除了直观明了和生产成本低之外，上述的测量设备20具有的主要优点是能精确测量大的容量变化和小的容量变化。
此外，利用补偿电极45，测量设备20能补偿任何输入噪声，尤其是在测量电极处的噪声，因此有很高的抗电磁噪声能力。
显然，此处描述的设备和方法可以被修改，然而，这种修改应该在不偏离如权利要求书限定的本发明的范围的前提下。
Claims (19)
1.一种用于测量电容元件(21)的容量的测量设备(20)，其特征在于，包括：
-脉冲发生装置(23，24)，所述脉冲发生装置与被测的电容元件(21)相连，以产生具有与被测的未知容量相关的频率(f1)的第一列脉冲(M)，并且所述脉冲发生装置与具有已知参考容量(CREF)的参考电容元件(25)相连，以产生具有与所述已知参考容量(CREF)相关的频率(f2)的第二列脉冲(L)；以及
-处理装置(22，26)，所述处理装置与所述脉冲发生装置(23，24)相连，并且被配置为确定第一列和第二列脉冲(M，L)达到给定的脉冲数(Th1，Th2)的时间(T1，T2)之间的时间差(ΔT)，并且根据所述时间差(ΔT)的函数计算未知容量和所述已知参考容量(CREF)之间的差值(ΔC)。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述脉冲发生装置(23，24)包括：
-第一脉冲发生装置(23)，所述第一脉冲发生装置与被测的电容元件(21)相连，当所述第一列脉冲(M)的数量达到预定的第一阀值(Th1)时，产生第一中断信号(I1)；
-第二脉冲发生装置(24)，所述第二脉冲发生装置与具有所述已知参考容量(CREF)的所述参考电容元件(25)相连，当所述第二列脉冲(L)的数量达到预定的第二阀值(Th2)时，产生第二中断信号(I2)；
所述处理装置(22，26)接收所述第一中断信号(I1)和第二中断信号(I2)，并且被配置为确定时间差(ΔT)，所述时间差对应于第一中断信号(I1)和第二中断信号(I2)产生的时刻之间的间隔(ΔT)。
3.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于，所述第一脉冲发生装置(23)包括与被测的所述电容元件(21)相连的多谐振荡器级(23a)，用于产生所述第一列脉冲(M)，和计数器级(23b)，所述计数器级(23b)接收第一列脉冲(M)且产生所述第一中断信号(I1)；以及所述第二脉冲发生装置(24)包括与所述参考电容元件(25)相连的多谐振荡器级(24a)，用于产生所述第二列脉冲(L)，和计数器级(24b)，所述计数器级(24b)接收第二列脉冲(L)且产生所述第二中断信号(I2)。
4.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，所述第二脉冲发生装置(24)的所述多谐振荡器级(24a)包括与所述第一脉冲发生装置(23)的多谐振荡器级(23a)的电子电路相同的电子电路。
5.根据权利要求3或4所述的测量设备，其特征在于，所述第二脉冲发生装置(24)的所述计数器级(24b)包括与所述第一脉冲发生装置(23)的计数器级(23b)的电子电路相同的电子电路。
6.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，所述被测的电容元件(21)包含第一和第二电容板，所述第一和第二电容板分别定义所述测量设备(20)的测量电极(21a)和参考电极(21b)；所述第一脉冲发生装置(23)的多谐振荡器级(23a)具有第一和第二端子，所述第一和第二端子分别与所述测量电极(21a)和所述参考电极(21b)相连。
7.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，所述第二脉冲发生装置(24)的多谐振荡器级(24a)具有两个与所述参考电容元件(25)的两个端子相连的输入端子；所述测量设备(20)包含至少一个与所述第二脉冲发生装置(24)的多谐振荡器级(24a)的一个输入端子相连的补偿电极(45)。
8.根据权利要求7中所述的测量设备，其特征在于，所述补偿电极(45)与所述测量电极(21a)相邻设置，从而将相同的噪声提供给第二脉冲发生装置(24)和所述第一脉冲发生装置(23)。
9.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于，所述处理装置(22，26)包括逻辑电路(26)，所述逻辑电路(26)接收所述第一中断信号(I1)和第二中断信号(I2)以产生逻辑信号(ST)，当所述第一中断信号(I1)和第二中断信号(I2)处于相同的逻辑电平时，逻辑信号(ST)设为第一逻辑电平；相反地，当所述第一中断信号(I1)和第二中断信号(I2)处于不同的逻辑电平时，逻辑信号(ST)设为第二逻辑电平。
10.根据权利要求9所述的测量设备，其特征在于，所述处理装置(22，26)包括处理单元(22)，所述处理单元接收和处理所述逻辑信号(ST)以确定所述时间差(ΔT)和相应的容量差(ΔC)；所述处理单元(22)还确定作为所述容量差(ΔC)和所述已知参考容量(CREF)的函数的被测电容元件(21)的未知容量。
11.一种用于测量容器(51)中液体量的测量装置(50)，其特征在于，包含前述任一项权利要求所述的测量设备(20)，其中所述被测的电容元件(21)包含第一和第二电容板，所述第一和第二电容板分别定义所述测量设备的测量电极(21a)和参考电极(21b)，所述测量电极和参考电极被安装或结合在容器(51)中，以根据容器(51)中的液体定义容量值作为所述容器(51)中液体数量的函数而变化的电容器；所述测量设备(20)的处理装置(26)确定容器(51)中液体的数量，所述液体的数量作为所述被测的电容元件(21)的所测容量的函数。
12.一种用于测量电容元件(21)容量的方法，其特征在于，包含以下步骤：
a)将被测的电容元件(21)连接到脉冲发生装置(23，24)以产生具有与被测的未知容量相关的频率(f1)的第一列脉冲(M)；
b)将具有已知参考容量(CREF)的参考电容元件(25)连接到所述的脉冲发生装置(23，24)以产生具有与所述已知参考容量(CREF)相关的频率(f2)的第二列脉冲(L)；
c)将所述脉冲发生装置(23，24)连接到处理装置(22，26)，以确定第一和第二列脉冲(M，L)达到给定脉冲数量(Th1，Th2)的时间(T1，T2)之间的时间差(ΔT)；并且
d)通过所述处理装置(22，26)，计算被测的电容元件(21)的未知容量和已知参考容量(CREF)的容量差(ΔC)，该容量差是所述时间差(ΔT)的函数。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：
-所述步骤a)包括将所述被测的电容元件(21)连接到所述脉冲发生装置(23，24)的第一脉冲发生装置(23)以当所述第一列脉冲(M)的脉冲数达到预定的第一阀值(Th1)时，产生第一中断信号(I1)的步骤；
-所述步骤b)包括将所述参考电容元件(25)连接到所述脉冲发生装置(23，24)的第二脉冲发生装置(24)以当所述第二列脉冲(L)的脉冲数达到预定的第二阀值(Th2)时，产生第二中断信号(I2)的步骤；
-所述步骤c)包括计算第一中断信号(I1)和第二中断信号(I2)产生时刻之间的时间差(ΔT)的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一脉冲发生装置(23)包含与所述被测的电容元件(21)相连的多谐振荡器级(23a)，以产生所述的第一列脉冲(M)，和计数器级(23b)，所述计数器级(23b)接收第一列脉冲(M)并且产生所述第一中断信号(I1)；和所述第二脉冲发生装置(24)包含与所述参考电容元件(25)相连的多谐振荡器级(24a)，以产生所述第二列脉冲(L)，和计数器级(24b)，所述计数器级(24b)接收第二列脉冲(L)并且产生所述第二中断信号(I2)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二脉冲发生装置(24)的多谐振荡器级(24a)具有与所述第一脉冲发生装置(23)的多谐振荡器级(23a)的电子电路相同的电子电路。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述第二脉冲发生装置(24)的计数器级(24b)具有与所述第一脉冲发生装置(23)的计数器级(23b)的电子电路相同的电子电路。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述被测的电容元件(21)包括第一和第二电容板，所述第一和第二电容板分别定义测量电极(21a)和参考电极(21b)；所述步骤a)包含将所述第一脉冲发生装置(23)的所述多谐振荡器级(23a)的第一和第二端子分别连接到所述测量电极(21a)和所述参考电极(21b)的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二脉冲发生装置(24)的多谐振荡器级(24a)具有连接到所述参考电容元件(25)的两个端子的两个输入端子；所述步骤b)包含将至少一个补偿电极(45)连接到所述第二脉冲发生装置(24)的多谐振荡器级(24a)的一个输入端子的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，包含将所述补偿电极(45)与所述测量电极(21a)相邻设置的步骤，以使得同样的噪声被提供给第一脉冲发生装置(23)和第二脉冲发生装置(24)。
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