CN106716117A - 使用可变相位混频的导电液体性质的测量 - Google Patents

Abstract

一种使用测量电路测量流体的电特性的系统和方法。在一个实施方式中，所述测量电路包括：感测组件；电流源，其连接至所述感测组件；传感器，其可切换地连接至所述感测组件；组件阵列，其可切换地连接至所述感测组件；以及监控电路，其连接至所述感测组件。控制器通过将并联阻抗接入电路和从电路断开同时测量所述感测组件上的电压来执行所述测量电路的校准。在由校准确定的至少两个不同相位角处测量电压。一旦确定了不同阻抗和不同相位的电压，控制器通过在固定电容线或固定电阻线之间插值来计算流体的电特性的值。

Description

使用可变相位混频的导电液体性质的测量

相关案件的交叉引用

本申请要求于2014年9月15日提交的申请号为62/050,656的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明的实施例涉及用于测量流体的电性质的系统、传感器和方法。

发明内容

传统的电容传感器在高导电路径与电容并联时测量电容的能力受到限制，如在测量高导电流体时所发生的。本发明的一个实施例提供一种用于确定流体中的传感器的电容的系统，尽管流体的电导率有大范围的波动。某些实施例不依赖于几乎是理想的有源电路组件。此外，信号控制(即偏移、振幅、相位)不需要极高的分辨率或跨温度的严格控制。在一些情况下，实施例可以以比现有系统和传感器更低的成本进行实施。

本发明提供了一种用于确定流体的介电常数的低成本系统，尽管流体的导电性具有大的波动。当高导电路径与电容并联时(如测量高导电流体时发生的)，传统的低成本电容传感器在测量流体中的传感器的电容的能力受到限制。流体的介电常数和电导率可用于确定流体何时具有预期的一组性质。例如，流体的介电常数和电导率可以用于确定流体的浓度水平或者流体是否符合质量标准。

一个实施例提供了一种用于确定材料(例如流体)的电性质的系统。具体地，系统确定浸入流体(例如柴油机废气流体)中的传感器的电导率和电容。该系统使用测量电路，其包括电流源、固定电阻器、开关阵列和组件阵列。电流源经由开关阵列向固定电阻器和组件阵列提供电流。开关阵列确定组件阵列的哪些组件与用于测量的固定电阻器并联放置。该系统使用监控电路，其包括移相器、混频器和增益和偏置模块。移相器创建变化相位的波形，其被提供给混频器。该系统还包括测量空间，该测量空间包括固定电阻器上的测量电压的坐标对，用于多个组件与固定电阻器并联放置时的一系列测量。当电容测量传感器被切换以连接至电流源时，测量空间中的点的位置识别电容测量传感器相对于坐标对的电容。

另一实施例提供了一种确定与液体接触的传感器的电容的方法。该方法包括一系列步骤，以测量固定电阻器上的电压，用于多个组件与固定电阻器并联放置时的一系列测量。电压的测量用同步解调电路定时，使得两个相位的信号创建输出，其中信号由于独立于传感器电阻的变化的传感器电容的变化而变化。针对不同的相位信号，当电容测量传感器与固定电阻并联时测量固定电阻器上的电压。电容测量传感器的电容通过在电压测量之间插值来确定。

另一实施例提供一种测量系统，其被配置为确定流体的各种电特性，包括例如流体的介电常数和电导率。使用传感器的电容，可以确定流体的介电常数或与介电常数相关的另一测量值。流体的电特性可用于确定流体何时具有预期的一组物理性质。例如，流体的介电常数和电导率可以用于确定流体的浓度水平或者流体是否满足特定的质量标准。在一些情况下，测量系统提供柴油机废气流体的电特性，包括柴油机废气流体的浓度和纯度。

另一个实施例提供了一种用于测量流体的电特性的系统，其通过分离测量信号的信号变化的第一正交分量和测量信号的信号变化的第二正交分量来执行测量。第一正交分量是由传感器上的电阻的变化引起的，并且第二正交分量是由传感器上的电容的变化引起的。该系统包括组件阵列，该组件阵列包括传感器。该系统还包括混频器，其将测量信号与第一相位信号和第二相位信号混频。混频器输出与第一相位信号相关的第一混频信号和与第二相位信号相关的第二混频信号。该系统还包括控制器，其被配置为接收指示第一混频信号和第二混频信号的信号，并控制组件阵列以引起信号变化。然后，控制器调整第一相位信号和第二相位信号，使得当第一正交分量中存在变化时，第一混频信号减小，并且第二混频信号增加。控制器控制组件阵列以引起附加的信号变化，并且接收多个混频信号，该多个混频信号指示了在第一相位处和第二相位处的附加信号变化。控制器基于多个混频信号确定流体的电特性。

另一个实施例提供了一种利用测量电路测量流体的电特性的方法，该测量电路包括：感测节点；可切换地连接至感测节点的传感器；以及可切换地连接至感测节点的组件阵列；以及控制器。该方法包括将指示组件阵列的第一配置处的感测节点处的电压的信号与第一相位信号和第二相位信号混频，以创建第一组参考信号。在组件阵列的第二配置处，将信号与第一相位信号和第二相位信号混频，以创建第二组参考信号。调整第一相位信号和第二相位信号，直到第一组参考信号和第二组参考信号之间的关系满足条件。为组件阵列设置多个配置。在组件阵列的多个配置中的每一个处将信号与经调整的第一相位信号和经调整的第二相位信号混频以创建多组参考信号。在传感器连接至感测节点时，将信号与经调整的第一相位信号和经调整的第二相位信号混频，以创建一组测量电压。基于多组参考信号和该组测量电压之间的关系来确定流体的电特性。

另一个实施例提供了一种用于测量流体的电特性的系统。该系统包括：感测节点；经由开关阵列连接至感测节点的传感器；以及经由开关阵列连接至感测节点的组件阵列。组件阵列包括多个阻抗。该系统还包括连接至感测节点的监控电路。监控电路被配置为输入在多个相位处的多个信号并且在感测节点处输出与测量信号相关的信号。该系统还包括连接至开关阵列和监控电路的控制器。控制器被配置为在多个相位处接收多个信号，并且将输入信号的第一相位和第二相位设置到监控电路。控制器还被配置为在多个阻抗的第一校准阻抗处测量在第一相位的第一校准电压和在第二相位的第二校准电压。控制器还被配置为在多个阻抗的第二校准阻抗处测量第一相位处的第三校准电压和第二相位处的第四校准电压。调整第一相位和第二相位，直到第一校准电压、第二校准电压、第三校准电压和第四校准电压之间的关系满足条件。控制器被配置为通过控制开关阵列以并联形式连接将组件阵列的至少一个组件连接至感测节点来调整多个阻抗，并且当开关阵列被配置为将多个阻抗中的第一测量阻抗耦合到感测节点时，基于信号来确定第一组参考信号。控制器还被配置为当开关阵列被配置为将多个阻抗中的第二测量阻抗耦合到感测节点时基于信号确定第二组参考信号，并且当开关阵列被配置为将传感器耦合到感测节点时，基于该信号确定一组传感器电压。控制器还被配置为基于第一组参考信号、第二组参考信号和一组传感器电压确定传感器的电特性。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面和实施例将变得显而易见。

附图说明

图1是根据一个实施例的用于测量流体的电容和电阻的测量电路的框图。

图2A是根据一个实施例的传感器的示意图。

图2B是一种类型的传感器的侧视图。

图2C是一种类型的传感器的局部剖视图。

图2D是图2C所示出的传感器的立体图。

图3A-C示出了根据某些实施例的传感器的电学模型。

图4是图1的包括控制器的测量电路的框图。

图5是根据一个实施例的图1的测量电路的移相器电路的示意图。

图6是校准图1的测量电路的方法的流程图。

图7是示出了图1的测量电路的输出电压的参考点的图表。

图8是示出当电阻器连接至图1的测量电路的感测节点时，随着测量相位的递增输出电压的变化的图表。

图9是示出了当电阻器和电容器连接至图1的测量电路的感测节点时输出电压的变化的图表。

图10是测量图1的测量电路的传感器的电容的方法的流程图。

图11是在各种组件连接至感测节点时多个测量相位的输出电压的示例性图表。

图12是示出了基于图11的输出电压的电容的并行固定线的图表。

图13是示出了根据一个实施例的固定电容的线和固定电阻的线之间的插值的图表，用于与图1的测量电路一起确定流体传感器的电容和电阻。

图14是示出了用于图1的测量电路的并联电阻的较大变化的非线性效应的图表。

图15是图1的测量电路的示意图，包括用于平衡传感器的电路路径中的并联电感的电感器。

图16是根据另一实施例的用于测量流体传感器的电容和电阻的测量电路的框图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明在其应用中不限于在下面的描述中阐述或在下面的附图中示出的组件的构造和配置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或执行。

应当注意的是，此处所使用的短语“串联形式配置”是指一电路布置，其中所描述的元件通常以顺序的方式布置使得一个元件的输出端耦合到另一个元件的输入端，但是相同的电流可以不必通过每个元件。例如，在“串联形式配置”中，可以将附加电路元件与“串联形式配置”中的一个或多个元件并联连接。此外，附加电路元件可以在在串联形式配置中的节点处连接，使得电路中存在分支。因此，串联形式配置中的元件不一定形成真正的“串联电路”。

此外，此处所使用的短语“并联形式配置”是指一电路布置，其中所描述的元件通常以使得一个元件连接至另一元件的方式布置，使得电路形成电路布置的并联支路。在这种配置中，电路的单个元件可以不必单独地具有横跨它们的相同的电势差。例如，在电路的并联形式配置中，彼此并联的两个电路元件可以与电路的一个或多个附加元件串联连接。因此，“并联形式配置”中的电路可以包括不一定单独形成真正的并联电路的元件。

还应注意的是，本文所使用的与测量“电容”、“电阻”、“介电常数”、“电导率”或“流体的电特性”相关的短语不必要求计算这些测量值的绝对值。这些术语可以指与这些测量值的绝对值相关的测量值。例如，测量流体的“介电常数”的系统可以不实际计算流体的介电常数，而是可以测量随流体的介电常数而变化的量(例如电容)。并且，作为另一示例，测量“电容”可以指进行随绝对电容变化的测量。

图1是根据一个实施例的测量电路100的框图。电流源105(例如，跨导放大器)的输出端连接至感测节点110。感测节点110连接至开关阵列115。开关阵列115连接至组件阵列120，组件阵列120的其它端子接地。组件阵列120包括多个组件，多个组件允许选择包括电阻器(R1，R2，...Rn)的多个阻抗(Z1...Zn)，每个电阻器具有不同的电阻。在其它实施例中，单个器件可以代替多个电阻器(R1，R2，...Rn)。在一个示例中，可以使用电压控制的可变电阻器，并且可以使用场效应晶体管来实施。组件阵列120还包括多个电容器(C1和C2)。开关阵列115还连接至一个或多个空白开关(BL1，BL2)。空白开关连接至没有电连接组件的印刷电路板上的焊盘。开关阵列115还连接至传感器125，其另一端子接地。

开关阵列115创建组件阵列120的不同配置，以校准测量电路100并执行测量。由于电子开关包含对地的寄生电容，这取决于它们是断开还是闭合而不同，所以它们可能将不期望的电容引入到电路中。在测量电路100中，期望在校准和测量期间具有固定数量的电子开关以使寄生电容的任何变化最小化。在这方面，开关阵列115包括与开关阵列115中的其它开关相同的空白开关，但是仅将感测节点连接至印刷电路板上的空焊盘。这保持了固定数量的断开和闭合的开关，这导致了一致的偏移电容。控制开关阵列115，使得当闭合一个组件(或传感器125)的开关时，一个空开关(例如，BL1)断开，并且当两个组件的两个开关闭合时，两个空开关(例如BL1和BL2)打开。

电流源105通过感测节点110向感测组件130提供交流电流(AC)。在一些实施例中，感测组件130是具有已知的或固定的电阻值的电阻器。感测组件130在第一端上连接至感测节点110并在第二端上接地。该配置创建感测组件130上的电压，其取决于开关阵列115的开关的位置。感测节点110连接至缓冲放大器135，缓冲放大器135形成到包括在较大测量电路100内的监控电路140的输入端。

在一个实施例中，监控电路140利用具有增益和偏移调整的同步解调电路。监控电路140包括缓冲放大器135。缓冲放大器135的输出端连接至混频器145的输入端。混频器145将来自缓冲放大器135的信号与可变相位波形相乘(例如，可变相位方波)。可变相位波形由移相器150提供。混频器145的输出端连接至低通滤波器155，并且低通滤波器155的输出端连接至增益和偏移调整模块160。来自增益和偏移调整模块160的输出端连接至模数转换器165，模数转换器165用来作为控制器或类似的电子处理器中的数字信号。

在一些实施例中，移相器150包括用于将振荡波形转换成另一振荡波形(例如，正弦波变换为方波)的电路。在一个示例中，移相器150包括正弦波到方波的比较器以及通过控制时间间隔来延迟方波的电路。特别地，可以使用时钟或受控数量的离散延迟级来提供延迟，并因此提供相移。在另一示例中，移相器150输入相同频率的多个正弦波，并将正弦波加在一起以形成中间相正弦波。在该示例中，移相器150调整输入的正弦波之一的振幅以改变中间相正弦波的相位，以创建可变相位正弦波。该可变相位正弦波然后被转换为方波以输入到混频器145。在一些实施例中，混频器145被配置为执行正弦波混频或基于它们的相位分离信号的分量的其它解调方案。

在测量电路100的操作期间，来自电流源105的振荡电流在若干并联形式的路径中被划分。在一个示例中，取决于开关阵列115的状态，电流的一部分可以流到开关阵列115并且通过组件阵列120。取决于传感器125是否由开关阵列115连接，电流也可以流过传感器125。电流也流过感测组件130到达地面。当组件阵列120的接通组件的阻抗降低时，通过感测组件130的电流降低，并且因此感测组件130上的电压降低。这降低了混频器145所看到的电压。当到传感器125的开关闭合时，到达感测组件130的电流损失发生，并且这降低了混频器145看到的电压。以这种方式，在感测组件130上的电压变化或电压的相位角的变化可以用于识别传感器125的阻抗、电阻和/或电抗。在理想系统中，感测组件130上的电压的同相分量(即，与电流同相)作为仅由电流源105和地面之间的电阻引起的电流(即，阻性电流)的指示。正交分量(即，从同相分量的90°相移)用作仅由电流源105和地面之间的电抗性阻抗引起的电流(即电抗性电流)的指示。然而，在实践中，从电流源105到地面的阻抗是电阻阻抗和电抗性阻抗的混合。因此，电压和电流之间的相位角将不能精确地为0°或90°。

图2A-2D示出了传感器125的模型和各个方面。图2A是传感器125的示意图。图2B示意性地示出了传感器125的一个实施方式。图2C和2D示出了传感器125的另一实施方式。图3A-3B示出了传感器125的电学模型。

在图2A-2C所示出的实施例中，传感器125包括两个电极，第一电极205、205B、205C和第二电极210、210B、210C。在图2B所示出的实施例中，第一电极205B被球形穹顶(例如，导电笼)覆盖。在这种情况下，球形穹顶构成第二电极210B。在一个实施例中，第二电极210B由具有多个孔的屏幕形成，该孔允许流体通过第二电极210B。在另一个实施例(未示出)中，第二电极210B由连续的片材或实心材料片形成，但是被配置有允许一些流体移动的较小数量的孔。在其它实施例中，传感器125可以包括在感测电极上方拱起的一个或多个导体。例如，图2C中所示出的传感器125的实施例，包括第一电极205C、第二电极210C和安装表面215C。安装表面215C可以由印刷电路板(PCB)形成。在该示例中，第二电极210C在第一电极205C上方拱起。这允许流体在第一电极205C和第二电极210C之间流动。图2D是图2C所示出的传感器的立体图。应当注意的是，感测电极或第二电极210、210B和210C的形状可以不同于所示出的形状，并且可以采取其它形式。传感器125可以由导电材料制成，包括例如不锈钢，其通常耐腐蚀。

图3A示出了传感器125和被感测的流体的电学模型。该模型同时考虑了第一电极205和第二电极210之间的流体的电特性(例如，电导率和介电常数)以及传感器125的几何形状。例如，电容220表示传感器125的电容以及传感器125中的流体对该电容的影响。类似地，电阻225表示传感器125的电阻和传感器125中的流体对该电阻的影响。由于传感器125的几何形状是固定的，因此电容220和电阻225是指示流体的介电常数和电导率的值。图3B示出了传感器125的另一个电学模型，其包括由于在电极上形成或沉积的表面层引起的电容。在该模型中，第一电极电容230表示第一电极205上的表面层的电容。第一电极电容230减小了传感器125的总电容。类似地，第二电极电容235表示第二电极210上的表面层的电容。第二电极电容235减小了传感器125的总电容。图3C表示图3B的传感器125的简化的电学模型。在简化的模型中，感应电容240表示第一电极电容230和第二电极电容235的组合。随着表面层的厚度增加，感应电容240减小。感应电容240的减小降低了传感器125的总电容。如果由于表面层引起的感应电容240较小(对应于厚的表面层)，则传感器125的总电容(即，测量的电容)将强烈依赖于表面层的厚度。

当感应电容240比电容220大(例如，大5个数量级)时，即使当电阻225相对低时，也可以进行电容220的精确测量。然而，当感应电容240相对于电容220减小(由于较厚的表面层)时，可能出现电容220的测量中的误差。在高频处(例如，10MHz)的测量可以减少该误差的影响。相反，在低频处的测量可能产生取决于电阻、感应电容240和频率的误差。误差和频率之间的关系可以如下面所示以方程1表达。

其中MCL是传感器125的测量电容，ACL是电容220。如果在两个不同频率f1和f2处进行测量，则方程2中的关系成立。

如果在短时间段内在两个频率上进行测量，则感应电容240和电阻225可以被认为是恒定值，并且可以假定方程3中的以下等式。

电容220可以如方程4所示来描述。

因此，即使在电极205和210上具有中等表面层，也可以使用两个频率处的测量来计算电容220。然而，随着表面层厚度增加，传感器125上的电容测量中的误差变为对于上述校正而言太大，而校正不起作用，尤其是当传感器125上的电阻变小时。如下面更详细描述的，在一个实施例中，补充电容器用于将参考阻抗与传感器125的阻抗匹配，以补偿电极上的表面层(参见图16)。

图4示出了示例性控制器300(例如，微控制器、微处理器、电子处理器或类似的装置或装置组)。在所示出的实施例中，控制器300包括处理单元305、存储器310、传感器配置控件315、测量配置控件320、时钟325和模数转换器165。控制器300电连接至测量电路100的另一个实施例。在所示出的实施例中，控制器300连接至传感器复用器335和信号调节模块360。传感器复用器335可以用作或代替开关阵列115。控制器300包括硬件和软件的组合，软件尤其可操作以控制测量电路100的操作、控制传感器配置控件315以及控制测量配置控件320。另外，控制器300通过传感器复用器335连接至传感器125、可选的液位传感器350和组件阵列120(Z1，Z2，...Zn)。

处理单元305、存储器310、传感器配置控件315、测量配置控件320以及其它各种组件通过一个或多个控件或数据总线或它们两者进行连接。鉴于所提供的描述和附图，对于本领域技术人员来说，使用一个或多个控件或数据总线或它们两者用于各种组件之间的互连和通信是已知的。

存储器310包括程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器310的组合，例如机器可读非暂时性存储器；只读存储器(“ROM”)；随机存取存储器(“RAM”)(例如，动态RAM[“DRAM”]，同步DRAM[“SDRAM”]等)；电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)；闪存；硬盘；SD卡或其它合适的磁、光、物理或电子存储器装置。处理单元305连接至存储器310，并且执行软件指令，该软件指令能够存储在存储器310的RAM中(例如，在执行期间)、存储在存储器310的ROM中(例如，基本上永久地)，或存储在另一非暂时性计算机可读介质中。包括用于测量电路100的过程和方法的软件可以存储在控制器300的存储器310中。软件可以包括固件，一个或多个应用，程序数据，过滤器，规则，一个或多个程序模块和其它可执行的指令。例如，方法500(如图6所示出的)在EEPROM中有效地存储关于C1和C2的绝对值和传感器125的几何形状的信息。处理单元305被配置为从存储器310检索并执行尤其与此处所述的控制过程和方法相关的指令。在其它结构中，控制器300包括附加的、更少的或不同的组件。

图5示出了移相器150和移相器150与根据一个实施例的测量电路100的连接。移相器150包括具有两个输出连接的划分和相分离器405。划分和相分离器405的第一输出端连接至第一低通滤波器410，并且划分和相分离器405的第二输出端连接至第二低通滤波器415。第一低通滤波器410的输出端连接至电流源105的输入端、第一运算放大器420的输入端和振幅控制器425。第一运算放大器420的输出端通过电阻器(2R)连接至求和模块440的输入端。振幅控制器425的输出端连接至第二运算放大器430的输入端。第二运算放大器430的输出端通过电阻器(R)连接至求和模块440的输入端。第二低通滤波器415的输出端连接至第三运算放大器435，并且第三运算放大器435的输出端通过电阻器(R)连接至求和模块440的输入端。求和模块440的输出端连接至比较器电路445的正极端子。比较器电路445的输出端在混频器145的输入端处连接至测量电路100。

移相器150通过产生用于测量的多个相位来操纵测量电路100的响应。这可以用于创建测量空间，其中由阻性电流的增加引起的信号变化大约是相同的幅度，并且近似正交于电容电流的较小的变化。测量空间通过将来自测量电路的信号与两个信号单独地混频而创建，该两个信号具有彼此接近的相位，并且当感测节点和地面之间的电阻存在变化时，该两个信号的两个相位处于与电流变化的角度相隔90°的相位角的任一侧。例如，如果当电阻器连接至感测节点时电流的相位角为45°，则用于测量的两个相位可以是130°和140°(即45°+85°＝130°和45°+95°＝140°)。这允许即使当通过传感器125的平行于电容的阻性电流未知并且可能比通过传感器125的电容电流大得多时，也同时测量传感器125的电容和电阻。

图6是示出了确定测量电路100的期望相位角的示例性方法500的流程图。尽管以顺序次序示出，但是可以顺序地、同时地或以不同的顺序执行方法500的步骤。方法500可以至少部分由控制器300执行。也可以手动地执行方法500的一部分。开始，空白开关(即BL1和BL2)闭合，开关阵列115的所有其它开关断开，并且电源接通(步骤505)。通过控制器发送调整信号，移相器150被调整到第一相位(相位1)(步骤510)。调整增益和偏移调整模块160的偏移，使得模数转换器165的输出处于模数转换器165的输出范围(即，信号调节模块360的输出)的中间并记录输出(OUT1)(步骤515)。移相器150被调整到第二相位(相位2)，其可以接近相位1(例如，高于相位1六度)(步骤520)。然后，调整增益和偏移调整模块160的偏移，使得模数转换器165的输出处于模数转换器165的输出范围的中间，并且记录输出(OUT2)(步骤525)。对于给定的一组步骤，步骤505至步骤540，相位1和相位2各自具有其自己的相应偏移调整，其对于测量顺序可以保持固定。断开空白开关(例如，BL1)，并且闭合用于R1的开关(步骤530)。使用其相应的偏移调整来记录针对相位1和相位2的模数转换器165的输出(R11，R12)(步骤535)。计算输出(OUT1，OUT2)和输出(R11，R12)之间的线的斜率的斜率(步骤540)。

一旦计算，确定斜率是否为正(步骤545)。如果斜率为正，则空白开关(例如BL1)闭合，用于R1的开关断开，重复步骤510至540(步骤550)。当步骤510和步骤520从步骤550触发时，相位1和相位2的相位调整可以增加适度的量(例如大约3°)。在重复步骤510至540之后，该方法返回到步骤545，并确定经调整的输出值(OUT1，OUT2)和(R11，R12)之间的线的斜率是否为正。如果斜率不为正，则确定斜率是否近似等于-1(步骤555)。如果斜率不近似等于-1，则空白开关(例如BL1)闭合，用于R1的开关断开，并重复步骤510至540(步骤560)。当从步骤560触发步骤510和步骤520时，相位1和相位2的相位调整可以增加微小的量(例如增加大约0.2°)。在重复步骤510至540之后，该方法返回到步骤555，并且确定调整的输出值(OUT1，OUT2)和(R11，R12)之间的线的斜率是否近似等于-1。如果斜率近似等于-1，则已经找到了期望的相位角(相位1和相位2)(步骤565)。如将更详细地描述的，在所描述的示例中，在图9的测量方法900中使用在方法500中确定的相位角。应当注意，对由步骤550和步骤560触发的相位角的调整可以包括附加逻辑，其通过估计用于步骤510和步骤520的相位角变化的量和方向来帮助确定期望的相位角。

图7是示出了用于方法500的步骤540的信号调节模块360的示例性输出的图表。在坐标对中描绘输出，该坐标对表示在相位1和相位2处进行的测量。坐标对表示校准信号的集合。首先，描绘仅空白开关(即BL1和BL2)闭合时的相位1和相位2输出(OUT1，OUT2)。还描绘了用于R1的开关闭合并且空白开关(例如，BL1)断开时的相位1和相位2输出(R11，R12)。该线示出了坐标对(OUT1，OUT2)和(R11，R12)之间的斜率，并且可以通过方程5计算。

图8是示出了当用于R1的开关闭合并且空白开关(例如，BL1)断开时对相位1和相位2信号的示例性调节的图表。箭头表示在连续测量之间的相位1和相位2信号的变化的输出变化(步骤550或560)。坐标对(2.9，2.1)描绘了目标区域，其中从没有电阻器(R1)的坐标对到具有电阻器(R1)的坐标对，斜率近似等于-1。找到斜率为大约-1的相位意味着相位1和相位2的平均值(即，(相位1+相位2)/2)大约是90°的相位角，该90°的相位角来自当R1接通时由于电流的增加引起的总电流变化的角度。负斜率指示该两相(相位1和相位2)位于90°相位角的相反侧，该90°相位来自由于R1接通时实际电流变化相位。在功能上，选择两个相位，使得当存在并联电阻接通(例如，R1)时，信号调节模块360在一个相位的输出增加的幅度与在另一相位的输出减小的幅度大约相同。应当注意，找到斜率正好为-1的相位可能不是必需的。即使当计算的斜率明显不同于-1时，也可以执行测量。作为示例，在-0.5和-2之间的任何范围内的计算斜率可以给出令人满意的结果。

图9是示出了在组件阵列120的并联电容器(C1)被接通时发生的信号调节模块360的输出电压的变化的示例的图表。在这种情况下，由于小并联电容的接通引起的组件阵列120的电流的增加将导致感测组件130上的电流和电压减少。例如，针对相位1和相位2的信号调节模块360的输出的坐标对(1.75，1.75)比C1未接通的坐标对(2.5，2.5)具有较低电压。坐标对(1.75，1.75)位于相对于坐标对(2.5，2.5)具有+1的斜率的线上。图9示出一旦校准测量电路100，切换组件阵列120以添加或移除纯电容组件导致信号调节模块360的输出的坐标的变化，使得新坐标将停留在与先前坐标的斜率为+1的线上。换句话说，由于附加的小并联电容引起的测量变化将位于具有+1斜率的线上，并且由于附加并联电阻引起的测量变化将位于具有-1的斜率的线上。

图10是示出了用于传感器125的电容220的示例性测量方法900的流程图。尽管以顺序次序示出，但是测量方法900的步骤可以顺序地、同时地或以不同的顺序执行。在一个示例中，测量方法900至少部分地由控制器300执行。可以手动地执行测量方法900的部分。在整个方法900中，调整增益和偏移调整模块160的增益和偏移设置，并且将移相器150的设置调整为方法500中为每个测量确定的设置(步骤905)。空白开关(例如，BL1)闭合，用于C1的开关闭合，开关阵列115的所有其它开关断开，并且测量在相位1和相位2处的模数转换器165的输出电压(步骤910)。空白开关(例如，BL1)闭合，用于C2的开关闭合，开关阵列115的所有其它开关断开，并且测量在相位1和相位2处的模数转换器165的输出电压(步骤915)。在下一步骤中，n被设置为等于1，其中n对应于组件阵列120中的电阻器(R1，R2，...Rn)中的特定一个(步骤920)。用于Rn的开关闭合，用于C1的开关闭合，开关阵列115的所有其它开关断开，并且测量在相位1和相位2处的模数转换器165的输出电压(步骤925)。用于Rn的开关闭合，用于C2的开关闭合，开关阵列115的所有其它开关断开，并且测量在相位1和相位2处的模数转换器165的输出电压(步骤930)。在下一步骤中，确定n是否等于n的最大值(即，编号最高的电阻器)(步骤935)。该确定提供了是否已经使用组件阵列120中的所有电阻器的指示。如果n不等于n的最大值，则n增加1(步骤940)。然后该方法进行到步骤925。如果n等于n的最大值，则空白开关(例如，BL1)闭合，用于传感器125的开关闭合，开关阵列115的所有其它开关断开，并且测量相位1和相位2处的模数转换器165的输出电压(步骤945)。如将更详细地描述的，参考测量和传感器125的测量(即，输出电压的测量)被用于计算传感器125(图13)的电容。

图11是仅带有所示出的一个电阻器(R1)生成的输出值的测量方法900的输出的示例的图表。每个图表将具有不同的测量点，这取决于参考值、相位角、偏移和系统的增益。所示的图表示出了针对相位1和相位2信号(即，参考信号)的测量的输出。通常，针对与来自组件阵列120的组件的每个配对相关联的坐标对描绘输出。这些输出中的每一个提供对应于组件阵列的不同配置的一组参考信号。可以通过比较参考信号和传感器信号之间的值的差来确定流体的电特性。这包括与每个电阻(R1，R2，...Rn)一起描绘C1和C2，以及与空白开关(即BL1或BL2)一起描绘C1和C2。另外，与空白开关(即，BL1或BL2)一起描绘电阻器(R1，R2，...Rn)。图11示出了在从坐标对(空白，空白)沿着+1斜率的线上描绘电容变化，并且电阻变化被描绘在从坐标对(空白，空白)沿着-1斜率的线上。例如，(C1，空白)测量和(R1，C1)测量之间的输出变化是由于并联电阻的变化引起的，而(C1，空白)测量和(C2，空白)测量之间的输出变化是由于并联电容的变化引起的。这种行为允许传感器125的电阻组件和电容组件被分离并且单独计算，如图13所示。

图12是示出固定电容的平行线的图表。如在图11中所示，该图表示出了用于并联的多个组件的相位1和相位2信号的输出的坐标对。坐标对创建参考点以确定固定电容的线。例如，坐标对(C1，空白)和(R1，C1)具有相同的电容器，但是坐标对(R1，C1)添加了电阻器(R1)。连接(C1，空白)和(R1，C1)的线示出了仅由于电阻引起的分量的变化，因此，表示固定电容的线。类似地，连接(C2，空白)和(R1，C2)的线是固定电容的线。也可以确定固定电阻的线。例如，固定电阻的线位于点(R1，C1)和(R1，C2)之间。

图13是示出了根据一个实施例的用于确定传感器125的电容的固定电容的线之间的插值的图表。由于C1和C2的电容值是已知的，所以由固定电容的线表示的电容值也是已知的。通过在固定电容的线之间插值来计算传感器125的电容。可以使用方程6执行该计算。

其中L1和L2是从固定电容的线到传感器125的测量点的距离，并且C1和C2是参考电容器的法拉(Farads)电容。一旦执行测量，传感器125的电容的计算可以以各种方式执行。该方程是可以执行插值的方程之一的示例，但是本发明不限于该方程。也可以使用单个参考电容器进行测量。在这种情况下，固定电容的线在点(空白，空白)和(R1，空白)之间延伸。这条线是固定电容大约为零的线。如上所述，固定电容的线在(C1，空白)和(C1，R1)之间延伸。在这种情况下，L1是大致为零的电容线和坐标对(传感器，空白)之间的距离，L2是固定电容(C1)的另一线和坐标对(传感器，空白)之间的距离。在这种情况下，用于计算传感器125的电容的方程简化为方程7。

传感器125的电导率也可以使用在固定电阻的线之间使用插值的类似算法来测量。例如，当组件阵列120的多个电阻器(R1，R2，...Rn)中的每一个被接通时，可以如方程8和9所示计算通过电流源105看见的总电阻。

其中R是感测组件130的电阻的值，R高是组件阵列120的电阻器的值，其对应于具有比传感器125的电阻的值更高的电阻值的固定电阻的线，并且R低是组件阵列120的电阻器的值，其对应于具有比传感器125更低的电阻的固定电阻的线。

在确定相位、偏移和增益之后，以测量单位在对应于电阻的较高值的固定电阻线和传感器125的测量之间确定距离，以找到D1。类似地，以测量单位在对应于电阻的较低值的固定电阻线和传感器125的测量之间确定距离，以找到D2。然后可以通过如方程10所示的在固定电阻的线之间的插值来确定传感器125的电阻以及感测组件120的电阻。

然后可以如方程11所示出的确定传感器125的电阻。

由于传感器125的电导率在测量之前是未知的，因此组件阵列120的多个电阻器使得测量电路100能够在大范围的电导率上测量传感器125的电容。这允许系统将测量空间聚焦在接近传感器125的电阻和电容的实际值的值上。利用足够小的电阻器值，当电导率远超过1000μS/cm时，测量电路100可以完成测量。完整的测量图表征了传感器125的任何值周围和附近的测量系统。这导致对于各种液体的精确的电容测量，即使它们的电导率差异超过一百倍。

图14示出了根据一个实施例的并联电阻在较宽的范围上的输出电压的变化。固定电容的两条线由图表中的两条线表示。电阻的范围从图表的右侧的50Ω到图表的左侧的10^9Ω。如通过固定电容的接近线所示，随着并联电阻变小，测量空间变窄。这导致在低并联电阻处的分辨率的降低。然而，增益和偏移调整模块160增加分辨率，并因此补偿分辨率的损失。如图表所示，固定电容的线可以在较宽范围的电阻上为直的或弯曲的。使用处于测量电阻范围内的组件阵列120中的多个参考电阻器(例如，R1、R2等)减小了固定电容线的曲率的影响。固定电阻线之间的距离越小，基于固定电容线的线段的计算将导致的误差越小。以这种方式，电容的固定线的曲率取决于组件阵列120的可用的阻抗水平。

图15示出了补偿固定电容线的曲率的实施例。在感测节点110和开关阵列115之间添加电感器1405(例如，100nH至10000nH)。电感器1405在宽的电阻范围内矫正固定电容线的曲率，从而改善直线逼近。其它实施例具有用于修改系统的响应的不同的附加组件。例如，电感器1405可以与组件阵列120串联添加，以调整由到传感器125的长引线产生的电感。在一些实施例中，使用插值计算电容的算法将固定电容线的曲率考虑在内。例如，参考点测量之间的曲率可以通过下面的方式来逼近：使用固定电容的每条线处的三个连续点的测量值，并且导出通过测量点并且在中心测量点的任一侧具有恒定的斜率的每条线的适当曲线。应该注意，可以使用多种算法来获得固定电容线的直线逼近。

图16是测量电路1500的另一实施例的框图。测量电路1500包括连接至感测节点1510的电流源1505，开关阵列1515，组件阵列1520，以及感测组件1530(例如，电阻)。测量电路1500还包括缓冲放大器1535，混频器1545，低通滤波器1555，增益和偏置模块1560和模数转换器1565。在这些方面，测量电路1500类似于测量电路100。然而，测量电路1500包括与组件阵列1520以串联形式连接的多个可切换阻抗。具体来说，测量电路1500包括电感开关阵列1570，电感器阵列1575，串联电感器1580，电容开关阵列1585，电容器阵列1590和传感器开关阵列1595。

电感开关阵列1570可由控制器300控制，以从电感器阵列1575选择各种电感值，以与组件阵列1520和传感器开关阵列1595串联连接。类似地，电容开关阵列1585可由控制器300控制以从电容器阵列1590中选择各种电容值，以与组件阵列1520串联连接。传感器开关阵列1595可由控制器300控制，以选择传感器1525或空白开关(例如，BL3)。另外，串联电感器1580连接在电感器阵列1575和电容开关阵列1585之间。

测量电路1500能够补偿传感器125上的低电平的总电容，该低电平的总电容由传感器125上的感应电容240的低值引起(见图3C)。当感应电容240变得如此低使得组件阵列1520的参考阻抗不再具有类似于传感器125的总电容的绝对值时，控制器300使用电容开关阵列1585切换串联电容。电容器阵列1590的电容器CS1和电容器CS2的添加允许电容与来自组件阵列1520的参考阻抗串联地插入。以这种方式，在参考测量期间测量的总阻抗处于与传感器125的总电容相似的范围内。控制器300被配置为通过进行测量并计算在第一频率处计算的电容和在第二频率处计算的电容之间的差来确定哪个电容值应当与组件阵列1520串联插入。例如，如果差值高于阈值，则控制器300从电容器阵列1590中接入较小值的电容器。也可以使用其它算法来决定哪个电容器应该串联插入。此外，控制器300切换电感开关阵列1570，以将来自电感器阵列1575的电感器LS1、电感器LS2和电感器LS3以各种组合放置成与组件阵列1520和传感器开关阵列1595的串联连接。电感开关阵列1570使控制器300能够使适当的串联电感与所选择的串联电容匹配，以使如上所述的响应曲线变直。

应当注意，如图16所示出的，传感器开关阵列1595可以与开关阵列1515分离，并且传感器开关阵列1595可以利用其自己的空白开关BL3进行开关。当正在测量组件阵列1520的参考阻抗时，空白开关BL3闭合，并且用于接入传感器1525的传感器开关阵列1595的传感器开关断开。当在测量传感器1525时，空白开关BL3打开，参考空白开关BL1和BL2闭合，并且传感器开关闭合。以这种方式，测量电路1500控制传感器开关阵列1595和开关阵列1515，使得寄生电容在整个测量方法900中保持恒定。

应当注意，尽管这里描述的电路使用电流源105、感测组件130和缓冲放大器135作为用于创建测量信号的电子器件，但是可以使用测量电路的其它变体来创建测量信号。例如，在一些实施例中，可以使用振荡电压源和其它测量感测电流的方法。可变相位信号然后可以与本文公开的方法所描述的测量信号混频。

还应当注意，实施例还可以用于测量与流体传感器不相关联的阻抗的电阻分量和电抗分量。例如，实施例可以用于测量期望高频测量的生物组织或其它工业应用的阻抗。

一旦通过使用上述方法和电路确定了传感器125的电容，则可以使用方程12计算流体的介电常数。

C_偏移是测量电容不随介电常数变化的部分。X通过用已知介电常数(k1和k2)的两种流体中的每一种来测量传感器125的电容来确定。C_传感器1是当测量第一流体时传感器125的电容，C_传感器2是当测量第二流体时传感器125的电容。可以使用方程13来确定X。

然后可以使用流体的介电常数来确定流体的其它特性。例如，流体的浓度或质量水平。

因此，本发明尤其提供了用于确定流体传感器的电容和电阻的系统和方法，特别是当低电阻路径平行于电容时。本发明的各种特征和优点在所附权利要求中陈述。

Claims (20)

1.一种用于测量流体的电特性的系统，其通过分离测量信号的信号变化的第一正交分量和所述测量信号的所述信号变化的第二正交分量来执行测量，其中所述第一正交分量是由传感器上电阻的变化所引起的并且所述第二正交分量是由所述传感器上的电容的变化所引起的，所述系统包括：

组件阵列，其包括所述传感器；

混频器，其将所述测量信号与第一相位信号和第二相位信号混频，所述混频器输出与所述第一相位信号相关的第一混频信号和与所述第二相位信号相关的第二混频信号；和

控制器，其被配置为：

接收指示所述第一混频信号和所述第二混频信号的信号；

控制所述组件阵列以引起信号变化；

调整所述第一相位信号和所述第二相位信号，使得当所述第一正交分量中存在变化时，所述第一混频信号增加，并且所述第二混频信号减小；

控制所述组件阵列以引起附加的信号变化；

接收指示所述第一相位处和所述第二相位处的所述附加信号变化的多个混频信号；

基于所述多个混频信号确定流体的电特性。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，流体的电特性是流体的介电常数和电导率。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述多个混频信号识别与流体的介电常数和电导率相关的测量值。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述多个混频信号测量所述传感器的电阻和电抗。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括连接至所述混频器的移相器，所述移相器被配置为基于来自所述控制器的调节信号输出和调节所述第一相位信号和所述第二相位信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：

在确定所述传感器的电特性之前执行所述第一相位信号和所述第二相位信号的校准，其中，在校准期间，所述控制器被配置为：

当所述第一相位信号被输入到所述混频器时，在第一校准阻抗处测量第一校准信号，以及当所述第二相位信号被输入到所述混频器时，在所述第一校准阻抗处测量第二校准信号；

当所述第一相位信号输入到所述混频器时，在第二校准阻抗处测量第三校准信号，以及当所述第二相位信号输入到所述混频器时，在所述第二校准阻抗处测量第四校准信号；和

基于所述第一校准信号、所述第二校准信号、所述第三校准信号和所述第四校准信号来调节所述第一相位信号和所述第二相位信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述组件阵列包括多个电阻器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述组件阵列包括至少一个电容器、至少一个电阻器和至少一个空白开关。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括以串联形式连接方式连接至所述组件阵列的可切换的电容器阵列。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括以串联形式连接方式连接至所述组件阵列的可切换的电感器阵列。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括以串联形式连接方式连接在所述电感器阵列和所述电容器阵列之间的偏移电感器。

12.一种利用测量电路测量流体的电特性的方法，所述测量电路包括：感测节点、可切换地连接至所述感测节点的传感器、以及可切换地连接至所述感测节点的组件阵列以及控制器，所述方法包括：

将指示所述组件阵列的第一配置处的感测节点处的电压的信号与第一相位信号和第二相位信号进行混频，以创建第一组参考信号；

将所述组件阵列的第二配置处的所述信号与所述第一相位信号和所述第二相位信号进行混频，以创建第二组参考信号；

调节所述第一相位信号和所述第二相位信号，直到所述第一组参考信号与所述第二组参考信号之间的关系满足条件；

设置所述组件阵列的多个配置；

在所述组件阵列的所述多个配置中的每一个处将所述信号与经调整的第一相位信号和经调整的第二相位信号混频以创建多组参考信号；

在所述传感器连接至所述感测节点时，将所述信号与所述经调整的第一相位信号和所述经调整的第二相位信号混频，以创建一组测量电压；

基于所述多组参考信号和所述一组测量电压之间的关系确定流体的电特性。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定流体的电特性包括基于所述多组参考信号与所述一组测量电压之间的关系来识别与流体的介电常数和电导率相关的测量值。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，确定流体的电特性包括基于所述多组参考信号和所述一组测量电压来确定所述传感器的电阻阻抗和电抗性阻抗。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，调整所述第一相位和所述第二相位直到所述第一组参考信号与所述第二组参考信号之间的关系满足条件包括确定何时所述第一组参考信号和所述第二组参考信号之间的电压变化指示电阻变化与电容变化正交。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，调整所述第一相位和所述第二相位直到所述第一组参考信号与所述第二组参考信号之间的关系满足条件包括确定在所述第一组校准电压和所述第二组校准电压之间延伸的线的斜率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述关系使在所述第一组校准电压和所述第二组校准电压之间的线具有近似等于-1的斜率。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将所述组件阵列的第三配置处的所述信号与所述第一相位信号和所述第二相位信号混频，以创建第三组参考信号；

将所述组件阵列的第四配置处的所述信号与所述第一相位信号和所述第二相位信号进行混频，以创建第四组参考信号；

将所述组件阵列的第五配置处的所述信号与所述第一相位信号和所述第二相位信号混频，以创建第五组参考信号；

将所述组件阵列的第六配置处的所述信号与所述第一相位信号和所述第二相位信号进行混频，以创建第六组参考信号；和

通过比较所述一组传感器电压的值的差值与所述第三组参考信号、所述第四组参考信号、所述第五组参考信号和所述第六组参考信号来确定流体的电特性。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，通过将所述一组传感器电压的值的差值与所述第三组参考信号、所述第四组参考信号、所述第五组参考信号以及所述第六组参考信号进行比较来确定流体的电特性，包括：

确定所述第三组参考信号和所述第四组参考信号之间的固定电容的第一线；

确定所述第五组参考信号和所述第六组参考信号之间的固定电容的第二线；和

通过在所述固定电容的第一线和所述固定电容的第二线之间插值来确定传感器的电容。

20.一种用于测量流体的电特性的系统，所述系统包括：

感测节点；

传感器，其经由开关阵列连接至所述感测节点；

组件阵列，其经由所述开关阵列连接至所述感测节点，所述组件阵列包括多个阻抗；

监控电路，其连接至所述感测节点，所述监控电路被配置为输入在多个相位处的多个信号，并且在所述感测节点输出与测量信号相关的信号；以及

控制器，其连接至所述开关阵列和所述监控电路，所述控制器被配置成：

接收所述多个信号，

将输入信号的第一相位和第二相位设置到所述监控电路；

在所述多个阻抗的第一校准阻抗处测量所述第一相位处的第一校准电压和所述第二相位处的第二校准电压；

在所述多个阻抗的第二校准阻抗处测量所述第一相位处的第三校准电压和所述第二相位处的第四校准电压；

调整所述第一相位和所述第二相位，直到所述第一校准电压、所述第二校准电压、所述第三校准电压和所述第四校准电压之间的关系满足条件；

通过控制所述开关阵列以并联形式连接将所述组件阵列的至少一个组件连接至所述感测节点来调节所述多个阻抗；

当所述开关阵列被配置为将所述多个阻抗中的第一测量阻抗耦合到所述感测节点时，基于所述信号来确定第一组参考信号；

当所述开关阵列被配置为将所述多个阻抗中的第二测量阻抗耦合到所述感测节点时，基于所述信号来确定第二组参考信号；

当所述开关阵列被配置为将所述传感器耦合到所述感测节点时，基于所述信号确定一组传感器电压；

基于所述第一组参考信号、所述第二组参考信号和所述一组传感器电压来确定所述传感器的电特性。