CN111433596B - 用于监测流体的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量流体的至少一个性质的装置，该装置包括电容式流体传感器(110)，该电容式流体传感器包括第一电极(111)和第二电极(112)，在电极之间具有感测区域(113)。该装置包括交变信号源(120)，该交变信号源(120)被配置成向电容式流体传感器(110)施加交变驱动信号。该装置包括处理装置(200)，该处理装置被配置成接收交变驱动信号和来自电容式流体传感器(110)的感测信号。处理装置(200)被配置成：确定复数差分信号，该复数差分信号包括驱动信号与感测信号之间的同相差分分量以及驱动信号与感测信号之间的正交差分分量；基于差分信号的同相相位差分分量和正交差分分量两者来确定流体的至少一个性质。

Description

用于监测流体的装置
技术领域
本发明涉及用于监测流体的装置和方法。
背景技术
存在期望监测流体的性质的各种应用。一个示例应用是使用切削流体的加工操作。切削流体是油和水的乳剂。需要将切削流体中油与水的比率保持在一定界限内。感测系统测量切削流体中的油与水的比率，并且基于该测量对该比率进行调整。
测量流体的性质的一种已知方式是通过光学技术。光源将光信号发射到流体样本中，并且光学检测器可以确定流体样本的折射率或一些其他光学性质。测量流体的性质的另一种已知方式是通过射频(RF)技术，例如在微波频带中操作的传感器。
测量流体的性质的另一种方式是通过使用电容式传感器的电感测系统。US 2010/018811 A1描述了用于测量润滑油或燃料的电导率和介电常数的装置。该装置提供了用于电导率测量和介电常数测量的两个不同的测量电路。US 2004/0012399 A1描述了用于测量燃料的复数阻抗的装置。在这两种情况下，被测流体都是高阻抗流体。
电感测系统通常仅对高阻抗流体(即具有相对低电导率的流体)起作用。因此，在利用高电导率流体的应用(例如上述切削流体应用)中，通常使用光学或RF技术来监测流体。这增加了监测装置的成本。
本发明的目的是解决与现有技术相关联的缺点。
发明内容
一方面提供了一种用于测量流体的至少一个性质的装置，该装置包括：
电容式流体传感器，其包括第一电极和第二电极，在所述电极之间具有感测区域；
交变信号源，其被配置成向电容式流体传感器施加交变驱动信号；以及
处理装置，其被配置成：
接收来自电容式流体传感器的感测信号；
接收交变驱动信号；
确定复数差分信号，该复数差分信号包括驱动信号与感测信号之间的同相差分分量以及驱动信号与感测信号之间的正交差分分量；
通过补偿由于装置的至少一个寄生元件引起的对复数差分信号的影响，基于差分信号的同相相位差分分量和正交差分分量两者来确定流体的所述至少一个性质。
复数差分信号可以包括感测信号与驱动/参考信号的比率。感测信号可以被表示为具有同相分量和正交分量的复数。可以将驱动信号表示为具有同相分量和正交分量的复数。通过感测信号与驱动信号的比率获得的复数差分信号也可以被表示为具有同相差分分量和正交差分分量的复数。复数差分信号可以表示(i)感测信号与驱动/参考信号之间的相位差，以及(ii)等于感测信号的幅度与驱动/参考信号的幅度的比率的幅度。
可选地，处理装置被配置成确定感测信号的同相分量和感测信号的正交分量。
可选地，处理装置被配置成通过在交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作来确定感测信号的同相分量和感测信号的正交分量。
可选地，处理装置被配置成确定驱动信号的同相分量和驱动信号的正交分量。
可选地，处理装置被配置成通过在交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作来确定驱动信号的同相分量和驱动信号的正交分量。
可选地，处理装置被配置成：
通过在交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作来确定感测信号的同相分量和感测信号的正交分量；
通过在交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作来确定驱动信号的同相分量和驱动信号的正交分量；
基于感测信号的经滤波的同相分量和驱动信号的经滤波的同相分量来确定同相差分分量；以及基于感测信号的经滤波的正交分量和驱动信号的经滤波的正交分量来确定正交差分分量。
可选地，处理装置被配置成在装置的算法模型中使用同相差分分量和正交差分分量来确定流体的介电常数，其中，该算法模型包括装置的所述至少一个寄生元件。
可选地，处理装置被配置成在装置的算法模型中使用同相差分分量和正交差分分量来确定流体的电导率，其中，该算法模型包括装置的所述至少一个寄生元件。
可选地，处理装置被配置成将同相差分分量和正交差分分量与多个存储的补偿数据值进行比较以确定流体的介电常数，其中，存储的补偿数据值对装置的至少一个寄生元件的影响进行补偿。
可选地，处理装置被配置成将同相差分分量和正交差分分量与多个存储的补偿数据值进行比较以确定流体的电导率，其中，存储的补偿数据值补偿装置的至少一个寄生元件的影响。
可选地，处理装置被配置成测量具有高达200mS/m的电导率的流体的至少一个性质。
可选地，处理装置被配置成以采样频率对感测信号进行采样，并且交变电流驱动信号的频率高于采样频率。
可选地，处理装置被配置成：
提供具有同相振荡器输出和正交振荡器输出的数字振荡器；
提供锁相环路，该锁相环路被配置成使用同相振荡器输出和正交振荡器输出来达到驱动信号与数字振荡器之间的同步。
可选地，锁相环路是科斯塔斯环。
可选地，处理装置被配置成当已经达到锁定的同步状态时，使用同相振荡器输出和正交振荡器输出来处理感测信号。
可选地，装置包括模数转换器，并且处理装置被配置成：
在第一时间对感测信号进行采样，并且在相对于第一时间偏移的第二时间对驱动信号进行采样；以及
将校正因数应用于所采样的信号，以校正信号被采样的偏移时间。
可选地，寄生元件是引线电感。引线电感是以下中的一个或更多个的电感：将驱动信号发生器连接至电容式流体传感器的引线；以及将电容式流体传感器连接至处理装置的引线。
可选地，处理级是数字信号处理级。
可选地，装置包括温度传感器，并且处理装置被配置成：
确定流体的温度；
使用所确定的温度来确定电导率。
可选地，电容式流体传感器被配置成监测流动的流体，其中，第一电极和第二电极限定电极之间的流体流动通道。
可选地，第一电极是管状电极，并且第二电极位于第一电极内。
处理装置可以被配置成直接从交变信号源或从电容式流体传感器外部的某个其他节点接收交变驱动信号。这向处理装置提供指示驱动信号的信号。处理装置可以使用驱动信号与感测信号进行比较，以确定流体对电容式流体传感器的影响。
另一方面提供了一种用于测量流体的至少一个性质的处理装置，该处理装置被配置成：
接收来自电容式流体传感器的感测信号；
接收已经施加至电容式流体传感器的交变驱动信号；
确定复数差分信号，该复数差分信号包括驱动信号与感测信号之间的同相差分分量以及驱动信号与感测信号之间的正交差分分量；
通过补偿由于装置的至少一个寄生元件引起的对复数差分信号的影响，基于差分信号的同相相位差分分量和正交差分分量两者来确定流体的所述至少一个性质。
另一方面提供了一种测量流体的至少一个性质的方法，该方法包括：
接收来自电容式流体传感器的感测信号；
接收已经施加至电容式流体传感器的交变驱动信号；
确定复数差分信号，该复数差分信号包括驱动信号与感测信号之间的同相差分分量以及驱动信号与感测信号之间的正交差分分量；
通过补偿由于装置的至少一个寄生元件引起的对复数差分信号的效应，基于差分信号的同相相位差分分量和正交差分分量两者来确定流体的所述至少一个性质。
另一个方面提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括承载指令的机器可读介质，所述指令在由处理器执行时使处理器执行以上限定或本文所描述的方法。
另一方面提供了一种用于测量流体的至少一个性质的装置，该装置包括配置成：
接收来自电容式流体传感器的感测信号；
接收已经施加至电容式流体传感器的交变驱动信号；
确定复数差分信号，该复数差分信号包括驱动信号与感测信号之间的同相差分分量以及驱动信号与感测信号之间的正交差分分量；
通过补偿由于装置的至少一个寄生元件引起的对复数差分信号的影响，基于差分信号的同相相位差分分量和正交差分分量两者来确定流体的所述至少一个性质。
至少一个示例的优点在于可以测量具有高电导率的流体的介电常数。常规地，不能使用电容式传感器来测量高电导率流体的介电常数，因为流体对电容式传感器的影响被认为太小而不能准确地测量。此外，装置的寄生元件可能对测量的信号有贡献，并且可能掩盖由电容式传感器贡献的信号。这使得难以测量电容式传感器的贡献。
流体的介电损耗是其电导率的函数。因此，也可以在不需要铂电极的情况下对电导率进行高分辨率的测量。
相对低的射频交变频率信号(例如，<10MHz)与数字信号处理一起允许使用低成本的容易获得的部件进行测量。
在本发明的一方面，提供了一种用于执行切削操作的切削机，该切削机包括根据本发明的一方面的被配置成测量在该切削操作中采用的切削流体的至少一个性质的装置。
切削流体可以包括油水(oil in water)的乳剂。
可选地，该装置被配置成根据切削流体中的油：水的比例来提供输出。
切削机可以被配置成当水的比例超出所需极限时自动增加水在切削流体中的比例。
一种化工厂，该化工厂包括根据本发明的一方面的被配置成测量流体的至少一个性质的装置。
一种流体制造或处理工厂，该流体制造或处理工厂包括根据本发明的一方面的被配置成测量流体的至少一个性质的装置。
可选地，流体是啤酒、威士忌或生物燃料。
一种机器，该机器包括根据本发明的一方面的被配置成测量机器的润滑剂的至少一个性质的装置。
可选地，润滑剂是齿轮箱油。
此处描述的功能可以以硬件、由处理装置执行的软件或由硬件和软件的组合来实现。该处理装置可以包括计算机、处理器、状态机、逻辑阵列或任何其他合适的处理装置。处理装置可以是通用处理器，其执行软件以使该通用处理器执行所需任务，或者处理装置可以专用于执行所需功能。本发明的另一方面提供了一种机器可读指令(软件)，该指令在由处理器执行时执行所描述的方法中的任何方法。机器可读指令可以存储在电子存储设备、硬盘、光盘或其他机器可读存储介质上。机器可读介质可以是非暂态机器可读介质。术语“非暂态机器可读介质”包括除暂态传播信号之外的所有机器可读介质。可以经由网络连接将机器可读指令下载至存储介质。
在本申请的范围内，设想在前面段落中、在权利要求书中和/或在下文的描述和附图中阐述的各个方面、实施方式、示例和替选方案以及特别是其各个特征可以被独立地采用或以任何组合采用。例如，结合一种实施方式所描述的特征能够应用于所有的实施方式，除非这样的特征不相容。
为了避免疑问，应理解，关于本发明的一方面所描述的特征可以单独地或者以与一个或多个其他特征适当结合的方式包括在本发明的任何其他方面内。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的一个或多个实施例进行描述，在附图中：
图1示出了用于监测流体的系统；
图2示出了系统的前端，其示出了模拟部件；
图3A示出了图1的系统中的传感器单元和引线的阻抗；
图3B示出了图1的系统中传感器单元和引线的导纳；
图4示出了图1的系统中的信号处理；
图5示出了被感测信号的信号处理级；
图6示出了针对参考信号以及针对同步的信号处理级；
图7示出了模数采样；
图8和图9示出了系统中的阻抗；
图10示出了测试流体的电容对电导率的曲线图；
图11示出了一组曲线，其可以用于将同相分量和正交分量映射到介电常数和电导率；
图12示出了用于说明同相分量和正交分量随流体性质而变化的数据；
图13示出了处理装置；
图14示出了示例流体传感器。
具体实施方式
图1示出了用于监测诸如液体或气体的流体的系统100。系统100包括流体传感器单元110。图1示出了被配置成用于监测流动流体的流体传感器单元110的示例。流体传感器单元110是电容式传感器的形式。该传感器具有第一外部电极111和第二内部电极112。外部电极111是管状的。内部电极112是圆柱形杆。电极111、电极112是同轴的。在电极111与电极112之间的区域中限定流体流动通道113。流体可以沿流体流动通道113流动。这允许在不中断使用流体的过程的情况下进行测量。例如，在测量切削流体的应用中，切削流体(或切削流体的一部分)可以经由流动通道113被引导。传感器单元110可以具有不同的配置。例如，一对间隔开的线性电极(杆、板或其他形状)。在监测静态流体的情况下，传感器单元110不必包括流动通道。
电容式传感器110具有两个主要性质：(i)电容；(ii)电导。这些性质将根据电极111与电极112之间的流体的类型而变化。传感器的电容是传感器存储电荷的能力。电容根据电容器的电极111与电极112之间的电介质材料的电容率(permittivity)而变化。具有高介电常数的电介质材料(即，良好的绝缘体)将使电容增大。电导是在电极之间电荷通过电极111与电极112之间的电介质材料的流动。电导也取决于电容器的电极111与电极112之间的电介质材料的性质。高阻抗的流体将在电极111与电极112之间引起小的电导。低阻抗的流体将在电极111与电极112之间产生较高的电导。对于这些性质中的每一个，电介质材料是电极111与电极112之间的流体。
驱动信号发生器120生成驱动信号。驱动信号是合适频率下的交变电流电信号。驱动信号被施加至流体传感器单元110。驱动信号可以被施加至内部电极112，而外部电极111连接至参考地。在本申请的示例中，交变电流电信号具有在低射频(RF)范围内的频率，该频率小于10Mhz，例如为5.05MHz。驱动信号发生器120可以由馈送宽带运算放大器的直接数字合成集成电路来实现。直接数字合成是一种使用表示信号在时间点处的幅度的数字值序列来生成正弦模拟信号的技术。数字值由数模转换器转换成模拟信号。生成信号所需的数字值可以被存储以及从存储器中检索，或使用算法即时计算。
信号处理级130例如由微控制器200来实现。信号处理级130接收来自流体传感器单元110的交变电信号SENSE。施加于流体传感器单元110的驱动信号将通过流体传感器单元110中的流体的性质来修改。SENSE指示流体。信号处理级130还接收驱动信号作为信号DRIVE或REF。可以通过将驱动信号发生器120的输出直接连接至处理级130来提供驱动信号。替选地，如下面所描述的，可以从如下所述的系统中的不同点REF抽出驱动信号。
图2示出了系统100的前端的示意图，其示出了模拟域部件。传感器单元110可以被表示为电容C与电阻R并联的等效电路网络。该网络中的C值通过介电常数来确定，并且R是流体的电导率的函数。Cblock是DC阻隔电容器。与传感器单元110的电容相比，Cblock较大(>10nF)，以确保流体上不存在DC偏置。DC偏置可能会引起电极111、112的不需要的电解电镀。
传感器单元110等效电路(R与C并联)的阻抗可以表达为：
其中，ω是2π×驱动信号频率。
Rs和Z形成分压器，并且Z两端的电压是主传感器反馈信号SENSE。Z是复数阻抗。Ls是来自到传感器单元110的连接的引线电感。Ls也(显著)对SENSE的相位和幅度有贡献。Ls是装置的寄生元件。
图3A示出了当测量具有高电导率的流体时，传感器单元110和引线的组合的复数阻抗。这将在下面详细描述，但是总之，传感器单元110和引线的复数阻抗具有同相/实分量和正交/虚分量。同相/实分量归因于传感器单元和引线的电阻。正交/虚分量主要归因于传感器单元的电容和引线的电感。图3B示出了对应的复数导纳，其中导纳是阻抗的倒数，即Y＝1/Z。从图3A和图3B中，可以看出，难以观察到电容式传感器单元C对复数阻抗的贡献，该电容式传感器单元C表示被测流体。想要的电容性贡献被不需要的寄生电感性贡献掩盖。需要被补偿的主要寄生效应是用于测量信号的模数转换器(ADC)的输入电容和引线电感。
图4示出了信号处理级130。多路复用器MUX 140接收SENSE和DRIVE/REF作为输入，并且将输入信号之一选择性地输出至模数转换器(ADC)150。ADC 150输出数字值。ADC 150的输出被施加至数字域处理级160。处理级161确定感测信号SENSE的同相(实)分量和正交(虚)分量。这些将分别被称为Cs(l)和Cs(Q)。处理级162确定驱动/参考信号的同相(实数)分量和正交(虚)分量。这些将分别被称为Cr(I)和Cr(Q)。处理级161、162执行傅立叶分析。级163包括本地数字振荡器，并且获取本地数字振荡器与驱动信号之间的同步。级163将同相(I)信号和正交(Q)信号输出至级161和级162。这些输出被标记为DO(I)、DO(Q)。处理级164确定感测信号SENSE与驱动/参考信号之间的差分信号的同相(实)分量和正交(虚)分量。差分信号表示施加至传感器单元110的驱动信号与由于流体而在传感器单元110两端引起的信号之间的在幅度和相位方面的差异。处理级165确定流体的性质。级165使用差分信号的I值和Q值来确定流体的电容(介电常数)。级165还可以使用差分信号的I值和Q值来确定流体的电阻(电导率)。
级164的输出表示ADC 150处的测量的阻抗，该阻抗经受由系统的寄生特性引起的变换。输出由与傅立叶分析的实部(同相，I)输出和虚部(正交，Q)输出对应的两个数字组成。存在系统的寄生特性的几个源。引线电感Ls(图2)作为连接至传感器的导线的特性而存在。引线电感Ls具有引入虚分量的效果，该虚分量是频率和电导率两者的函数。引线电感Ls对测量的虚分量的贡献大于被测量的电容的变化(归因于流体)。ADC 150具有寄生输入电容，该寄生输入电容也引起有限的相移。由ADC引起的相移将是SENSE的输出阻抗的函数。
图5更详细地示出了数字域处理160的级161。在输入170处接收数字化信号SENSE的样本。处理在如下两个臂中进行：同相臂和正交臂。在同相臂中，SENSE与数字振荡器的同相(I)输出DO(I)相乘171。乘法的输出被施加至低通滤波器173。低通滤波器173的输出175提供信号SENSE的同相(I)分量，其被称为Cs(I)。在正交臂中，SENSE与数字振荡器的正交(Q)分量DO(Q)相乘172。乘法的输出被施加至低通滤波器174。低通滤波器174的输出176提供信号SENSE的正交(Q)分量，其被称为Cs(Q)。低通滤波器173、174中的每一个可以被实现为无限脉冲响应(IIR)数字滤波器。低通滤波器173、174中的每一个都具有对施加至滤波器的输入的样本值的时间平均功能。作为示例，滤波器可以对输入值执行“滚动”平均。假设该滤波器具有输入x和输出x0。在每个计算周期：
x0＝(前一个x0)*0.999+0.001*x
在该简单示例中，滤波器系数值为0.999和0.001，其中两个系数之和为1。将理解的是，数字滤波器可以执行具有不同系数值和/或更高数量的计算级的不同算法。通过在大量计算中计算值，低通滤波器173、174能够使得以高准确度来确定I或Q分量的值可为可能。例如，可以在驱动信号SENSE的数千个周期中计算滤波器的输出值。级161允许电路在很窄的频带内调谐输入信号，并且产生表示输入信号的同相(实)分量和正交(虚)分量的大小的两个输出结果。减小带宽给出很准确的子量化级别分辨率。
返回参照图1的示例系统，微控制器200和驱动信号发生器120可以被实现为单独的集成电路。这意味着驱动信号发生器120和微控制器200将各自具有以不同的速率和/或精度操作的单独的本地振荡器(时钟)。这也意味着驱动信号与信号处理130不同步。信号处理130首先将DRIVE的幅度和相位视为未知。
图4和图6示出了可以与REF同步的附加级163。参照图6，电路163是科斯塔斯环。科斯塔斯环路是锁相环路的形式，其可以以数字方式锁定到驱动信号(DRIVE或REF)上。输入180接收表示驱动信号的信号DRIVE。数字振荡器181输出表示两个正弦波的两个数据流：一个与驱动信号共相(Cos)，而一个与驱动信号正交(Sin)。每个信号与REF相乘182、183。乘法的输出被低通滤波184、185。每个低通滤波器184、185的相应输出被相乘在一起187，并且被施加至低通滤波器186。低通滤波器186的输出被应用为对振荡器181的控制信号。图6的电路执行两个功能：(i)达到数字振荡器与驱动/参考信号REF之间的同步；以及(ii)确定驱动/参考信号REF的同相分量和正交分量。
将数字振荡器信号的实部和虚部与传入的驱动信号REF相乘以及对若干个样本进行积分，得出该频率下的驱动信号的实部傅里叶系数和虚部傅里叶系数。如果驱动信号同相且具有相等的频率(即，锁定条件)，则实部傅里叶系数应当为0.5，并且虚部系数应当为0。实际上，通常在信号之间存在差异，例如驱动信号超前或滞后于数字振荡器。可以通过查看虚部的值来确定驱动/参考信号REF是超前还是滞后于数字振荡器。对数字振荡器181应用适当的校正(即，提前或延迟数字振荡器181)，直到达到锁定条件。因此，数字振荡器181跟踪传入的驱动/参考信号REF，并且由于时钟漂移而自动进行调整。一旦被锁定，则相同的控制环路将保持锁定条件。数字振荡器181的输出191、192用作处理级161的DO(I)和DO(Q)输入。低通滤波器184的输出提供驱动/参考信号REF的同相分量，其被称为Cr(I)。低通滤波器185的输出提供了驱动/参考信号REF的正交分量，其被称为Cr(Q)。
图7示出了ADC 150的操作。在本发明的示例中，ADC以如下采样频率来操作，该采样频率低于驱动/参考信号REF的频率并且因此低于从传感器单元接收到的信号SENSE的频率。图7示出了信号SENSE 301和采样点302。在采样之后，所得到的信号具有的频率是输入信号与采样频率之间的差。例如，如果信号301具有1.05MHz的频率并且采样频率是1.0Mhz，则采样的信号具有50kHz的频率。常规采样理论建议至少是采样的信号中的最高频率的两倍的采样频率，以避免混叠。在所示的示例中，由于采样/经转换的数据的信号将作为低得多的正弦波出现，因此发生混叠。然而，原始信号的相位和幅度保留在采样信号中，并且与驱动信号的相位和幅度对应。通过使用频率比原始信号低(例如，与1.05Mhz相比为50kHz)的输出信号，可以使用较少的计算资源在数字域中处理该信号。
现在将描述数字域处理的三种替选方式。在第一种方法中，使用装置的数学模型，以根据测量的差分信号的同相值和正交值来直接计算电容(介电常数)和电阻(电导率)的值。在第二种方法中，将测量的差分信号的同相值和正交值应用于查找表，以获得电容(介电常数)和电阻(电导率)的输出值。在第三种方法中，将测量的同相值和正交值映射到一组存储的曲线，该组存储的曲线表示电容(介电常数)和电阻(电导率)。测量的I、Q值与曲线中的一个曲线之间的最佳拟合表示电容(介电常数)和电阻(导电率)。
每种方法都可以使用相同的信号处理初始级。信号处理级161、162输出表示两个复数的值：
cs表示感测信号SENSE的相位和幅度。cs包括同相(实)分量cs(I)和正交(虚)分量cs(Q)。
cr表示参考信号(即，驱动信号DRIVE/REF)的相位和幅度。cr包括同相(实)分量cr(I)和正交(虚)分量cr(Q)。
将两个复数测量值相除[cs/cr]得到与供应电压或ADC参考电压变化无关的量。执行该操作还具有以下效果：如果数字振荡器181滞后或超前驱动信号甚至小的量，则得到的相移被消除。这是因为该误差(即，共模误差)将同等地被应用至驱动信号和感测信号二者。
处理级164确定差分信号。执行除法[cs/cr]给出：
(i)感测信号与驱动/参考信号之间的相位差；
(ii)等于感测信号的幅度与驱动/参考信号的幅度的比率的幅度。
还应当注意，图4所示的装置具有单个ADC 150和多路复用器140意味着感测信号和参考信号不被同时采样。因此，有必要将比率cs/cr乘以另一复数量来校正该相位未对准：
cp＝eiωT
其中：
驱动信号的角频率ω＝2π*5,050,000Hz；
采样频率＝2MHz，并且采样通道之间的时间T＝0.5μs。
传感器的“输出”现在是复数量A，因此被计算为：
A是在所有进一步分析中使用的值。
以下部分提供装置的数学模型的细节。
基于模型的方法
ADC的输入阻抗和寄生特性
ADC 150的输入阻抗将在幅度和相位两者上修改输入信号，并且因此需要将该输入阻抗的影响校准掉。ADC通道的输入阻抗被视为未知，但是可以假设它们近似相等，因为同一ADC用于测量两个通道，并且输入被多路复用。
ADC 150的输入阻抗可以从被称为“裸板”校准的处理中得出。将单独的PCB(即未连接传感器单元)通电，则可以分析测量的开路信号。图8示出了两个通道的阻抗通常如何组合，其中：
Z是ADC的输入阻抗；
S是200欧姆的电阻器(Rs＝Rc1)；
D是与ADC并联连接的负载(待测量)。
在未连接单元的情况下，对于检测通道cs，D→∞，并且对于参考通道cr，D＝Rc2。作为示例，对于充满切削流体的单元，D＝22Ω电阻器。这使得当提供给ADC时驱动/参考信号和传感器单元具有大致相同的阻抗。将理解的是，D可以被设置为适合于应用的值。
可以假设两个通道的Z相同，并且原始传感器输出值A可以推导Z的值。
以上的网络分析给出：
其简化为：
现在，将该一般形式转变为cs和cr的表达式：
因为D→∞，
在重新排列和简化之后，cs/cr可以写为：
并且求解Z。
Z值根据每个传感器的裸板测量值来计算并且被存储在非易失性存储器中，以用于所有另外的计算。该复数量表示工作频率下的电阻性负载和电容性负载。
推导单元阻抗
既然ADC阻抗被完全表征，则可以从进一步的网络分析中推导出所连接的传感器负载的阻抗。单元阻抗用L表示。在操作期间，在连接传感器单元的情况下，传感器通道输出可以被写为(类似于对cr的表达式)：
使用前面得出的cr的表达式，可以得出：
这可以求解L以给出：
该表达式将所有已知的电阻器值和ADC阻抗的校准值组合在一起，以给出单元的阻抗和与该单元的连接相关联的寄生特性。
现在假设L表示图9所示的包括传感器单元110和引线电感Ls的网络的阻抗。引线电感Ls的贡献很显著，但是假设其值是恒定的并且可以凭经验来确定。
其中，R是单元的电阻，并且C是单元的电容。当Ls的值已知时，R和C两者都可以从该等式推导出。这很容易通过计算单元导纳来实现：
来自导纳的虚部，
以及：
来自实部。
计算电导率和相对电容率
单元的电阻理论上由单元的几何形状和流体的电阻率来确定，如下所示：
其中：
ρ是流体的电阻率；
b是单元的外管的内直径(例如，26.9×10-3m)；
a是同轴杆的外直径(例如，7×10-3m)；
L是暴露于流体中的杆的长度(例如，75×10-3m)。
单元因数是电阻与电阻率的比率。根据利用已知浓度的盐溶液流体的实验室测试，单元因数被计算为约2.85，并且被测量为约2.76。
电导率＝1/ρ。
因此：
电导率＝2.76/R(等式1)
单元的电容被计算为：
其中，ε0是自由空间的介电电容率，并且εr是流体的相对电容率(介电常数)。
所有其他大小均相同。因此，也可以使用实验上确定的2.76的单元因数来以类似的方式建立εr与电容之间的关系，使得：
εr＝2.76C/ε0 (等式2)
根据以上描述，将理解的是，将测量值cs、cr(转换成复数差分信号量A)输入至装置的包括至少一个寄生分量的数学模型，以提供电导率的输出值(等式1)和介电常数(等式2)。另一可能的性质是复数电容率。
引线电感和其他寄生元件的确定
引线电感可以凭经验来确定。如果使用离散的实部和虚部重写L的表达式，则可以看出，当单元电阻高时，Ls对最终测量的贡献小，而当单元电阻低时，Ls对最终测量的贡献大。通过使去离子水通过单元，可以通过在上述分析中假设引线电感为零来测量单元电容的值。
在恒定温度下使变化浓度的盐溶液通过传感器应当给出恒定的电容值和变化的电导率值。选择引线电感值，以在该范围内给出对电容的最平坦的可能响应。
然而，响应不是完美的，因为可能还存在附加的寄生分量有待确定，并且网络分析需要进一步细化。
图10示出了对变化的浓度的盐溶液执行的两组测量。可以看出，即使当考虑到引线电感时，也会偏离理想的平坦水平线。因此，对于实际应用，可以存储该盐数据的映射并且内插这些值以提供不同电导率的校准信息。
查找表方法
查找表方法使用由级164确定的差分信号。如上所述，可以使用量A：
其中：
cs表示感测信号SENSE的相位和幅度。cs包括同相(实)分量cs(I)和正交(虚)分量cs(Q)。
cr表示参考信号(即，驱动信号DRIVE/REF)的相位和幅度。cr包括同相(实)分量cr(I)和正交(虚)分量cr(Q)。
cp是校正因数，用于补偿cs和cr被采样的不同时间。
然后，处理级165使用复数差分信号量A的同相分量和正交分量来在一组存储的数据——即查找表——中查找C(介电常数)和R(电导率)的对应值。
数据映射方法
数据映射方法使用由级164确定的差分信号。如上所述，可以使用量A：
其中：
cs表示感测信号SENSE的相位和幅度。cs包括同相(实)分量cs(I)和正交(虚)分量cs(Q)。
cr表示参考信号(即，驱动信号DRIVE/REF)的相位和幅度。cr包括同相(实)分量cr(I)和正交(虚)分量cr(Q)。
cp是校正因数，用于补偿cs和cr被采样的不同时间。
然后，处理级165将复数差分信号量A的同相分量和正交分量映射到一组存储的数据(或与该组存储的数据比较)。存储的数据可以呈一组曲线的形式。图11示出了一组曲线501、502、503，其表示具有三种不同介电常数和变化的电导率的流体。所有值均是近似的，并且仅表示概念。呈一对值I、Q的形式的“测量”将由该数据映射上的点来表示。因此，为了推断乳剂浓度，可以从该映射上的点的位置凭经验推断浓度和介电常数。对于给定的测量值(I，Q)，可以通过外推计算出介电常数，以在足够的精度内监测具有变化的离子污染量的乳剂切削流体的浓度。
图12示出了来自在5.05MHz、20摄氏度下对盐水(假设介电常数不变)401和乳剂(具有变化的电导率和介电常数)402的各种溶液进行的测量的实验数据。该数据示出了寄生电路元件的变换效应。曲线401表示具有不变的介电常数但变化的电导率的流体。该曲线可以被视为一种控制类型，其示出了寄生效应如何“扭曲”实部分量和虚部分量的映射远离完美的理论水平直线。曲线402表示介电常数和电导率均具有变化的流体。通过向去离子水中添加变化量的切削流体乳剂混合物来形成测试流体。在这种情况下，乳剂浓度在2.5％与20％之间变化。可以看出电导率随浓度的增加而增加(从右到左)，但介电常数也从2.5％处的-77.5的预期值降低到20％处的-60。
数据在左手侧的收敛是由于增加电导率的数学效应，从而引起系统对被测量的效应的敏感性降低。
精确的电导率测量
通过使用1.05MHz或更低的驱动信号，显著地降低了信号的电抗性(电容和寄生分量)。在这些条件下，可以使用信号的实部，以在无需假设电路的寄生效应的情况下推导电导率。对于不期望温度或流体成分快速改变的系统，可以与高频测量几乎同时进行该测量。
参考信号(REF)
设计的改进是使用参考信号REF。该设计使用Rc1和Rc2表示“虚拟”纯电阻性单元。参考信号将具有与驱动信号同相的幅度。REF可以提供比DRIVE更好的参考信号，因为REF被设计成具有与SENSE相似的输出阻抗。这背后的想法是，如果由ADC输入电容引起的相移对于每个通道都相同，则其效应将被抵消。该理想情况不太可能达到，但是该方法将有助于减少输入电容的影响。
示例流体
装置的示例应用是控制乳剂切削流体的混合物和成分。要控制油与水的比例。油与水的比率可以通过测量流体的介电常数来确定。水在20摄氏度下的介电常数为约80，而油成分的介电常数为<10。水从流体中蒸发引起油与水的比率增大，并且因此有必要添加水以将乳剂浓度保持在所需的限度内。
流体的介电常数大约等于两种成分的体积平均值，因此对于10％的混合，预期介电常数为约72。用于保持油滴悬浮的表面活性剂是导电的，因为它具有离子成分。不能单独使用电导率来确定乳剂浓度，因为电导率会受到其他因素(例如，水硬度和其他离子污染)的影响。
水的介电常数随温度而变化。因此，还需要测量温度并且进行适当的补偿。图1示出了与流体传感器单元110一起被定位的温度传感器105。指示温度的输出被提供给信号处理130。
其他可能的应用是监测水在任何化学混合物(流动的或静态的)中的比例，例如：啤酒/威士忌制造(例如，以确定酒精含量)；生物燃料制造(例如，以监测水污染)；齿轮箱油和润滑剂监测。
另一可能的应用是测量气体的湿度。
其他替选
装置可以使用单个ADC和多路复用器来对到单个ADC的输入信号进行时间复用，如图4所示。替选地，装置可以包括两个单独的ADC，其中每个输入信号一个ADC。
可以基于被测流体的类型来选择驱动信号的频率。在其他示例中，驱动信号生成器可以以不同频率生成多个驱动信号，或者可以存在多个驱动信号发生器。
图13示出了可以被实现为任何形式的计算和/或电子设备并且其中可以实现以上描述的系统和方法的实施方式的处理装置500的示例。处理装置可以实现上述方法中的全部或一部分或任何方法。处理装置500包括一个或更多个处理器501，该处理器501可以是微控制器、微处理器、控制器或用于执行指令以控制设备的操作的任何其他合适类型的处理器。处理器501经由一个或更多个总线506连接至设备的其他部件。可以使用任何计算机可读介质(例如，存储器502)来提供处理器可执行指令503。处理器可执行指令503可以包括用于实现所描述方法的功能的指令。存储器502是任何合适的类型的存储器如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、任何类型的存储设备如磁存储设备或光存储设备。可以提供附加的存储器504以存储由处理器501使用的数据505。处理装置500包括输入/输出(I/O)接口507。I/O接口507可以从传感器单元接收输入信号。I/O接口507可以输出指示流体的测量的性质的信号。如上所述，处理装置500包括一个或更多个ADC以对模拟输入信号进行采样。处理装置500包括用于与其他网络实体接口的一个或更多个网络接口508。处理装置500可以被实现为具有集成到单个集成电路上的处理器501、存储器502、I/O接口507和ADC 509的微控制器。
图14A和图14B示出了可以用作上述任何示例或实施方式中的流体传感器单元110的流体传感器610的示例。图14A以沿纵轴(图14B中的A-A’)的截面示出了流体传感器610。图14B以沿图14A的线B-B’的截面示出了流体传感器610。流体传感器610被配置成用于监测流动的流体。流体传感器610是电容式传感器的形式。该传感器具有第一外部电极611和第二内部电极612。外部电极611是管状的。内部电极612是圆柱形杆。电极611、612是同轴的。在电极611与612之间的区域中限定流体流动通道613。流体可以沿流体流动通道613流动。这允许在不中断使用流体的过程的情况下进行测量。例如，在测量切削流体的应用中，切削流体(或切削流体的一部分)可以经由流动通道613被引导。馈通导体615将内部电极612连接至位于流体传感器的外部的驱动信号发生器。导体615被绝缘。在此处以十字形阵列形式示出的多个支承件614将内部电极612支承在外部电极内。支承件614由绝缘材料形成。流动通道613延伸穿过支承件614之间的孔。一组支承件614可以位于流体传感器的每个纵向端附近，如图14A所示。如图14A中所示，一组支承件614中之一可以并入馈通导体615。围绕馈通导体615的支承件614提供流体密封以防止流体从传感器610损失。该配置避免了需要一组支承件614和用于馈通导体615的单独的管状元件。流体传感器610可以具有任何合适的长度和直径。
遍及本说明书的描述和权利要求，词语“包括(comprise)”和“包含(contain)”以及这些词语的变体例如“包含有(comprising)”和“包括有(comprises)”意味着“包括但不限于”，并且不旨在(并且不)排除其他部分、添加物、部件、整体或步骤。
遍及本说明书的描述和权利要求，除非上下文另有要求，否则单数形式包括复数形式。特别地，在无量词修饰的情况下，除非上下文另有要求，否则说明书应被理解为考虑复数以及单数。
结合本发明的特定方面、实施方式或示例来描述的特征、整体、特性、化合物、化学成分或基团应被理解为适用于本文中描述的任何其他方面、实施方式或示例，除非与其不兼容。

Claims (24)

1.一种用于测量流体的至少一个性质的装置，所述装置包括：
电容式流体传感器，所述电容式流体传感器包括第一电极和第二电极，在电极之间具有感测区域；
交变信号源，被配置成向所述电容式流体传感器施加交变驱动信号；以及
处理装置，所述处理装置被配置成：
接收来自所述电容式流体传感器的感测信号；
接收所述交变驱动信号；
确定复数差分信号，所述复数差分信号包括所述感测信号与所述交变驱动信号之间的比率，所述复数差分信号包括同相差分分量以及正交差分分量；
通过补偿由于所述装置的至少一个寄生元件引起的对所述复数差分信号的影响，基于所述复数差分信号的所述同相差分分量和所述正交差分分量两者来确定所述流体的所述至少一个性质。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理装置被配置成确定所述感测信号的同相分量和所述感测信号的正交分量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述处理装置被配置成通过在所述交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作，来确定所述感测信号的同相分量和所述感测信号的正交分量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成确定所述交变驱动信号的同相分量和所述交变驱动信号的正交分量。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成通过在所述交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作，来确定所述交变驱动信号的同相分量和所述交变驱动信号的正交分量。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成：
通过在所述交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作，来确定所述感测信号的同相分量和所述感测信号的正交分量；
通过在所述交变驱动信号的多个周期上执行的平均滤波操作，来确定所述交变驱动信号的同相分量和所述交变驱动信号的正交分量；
基于所述感测信号的经滤波的同相分量和所述交变驱动信号的经滤波的同相分量来确定所述同相差分分量；以及
基于所述感测信号的经滤波的正交分量和所述交变驱动信号的经滤波的正交分量来确定所述正交差分分量。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成在所述装置的算法模型中使用所述同相差分分量和所述正交差分分量来确定所述流体的介电常数，其中，所述算法模型包括所述装置的所述至少一个寄生元件。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成在所述装置的算法模型中使用所述同相差分分量和所述正交差分分量来确定所述流体的电导率，其中，所述算法模型包括所述装置的所述至少一个寄生元件。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成将所述同相差分分量和所述正交差分分量与多个存储的补偿数据值进行比较以确定所述流体的介电常数，其中，所述存储的补偿数据值对所述装置的至少一个寄生元件的影响进行补偿。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成将所述同相差分分量和所述正交差分分量与多个存储的补偿数据值进行比较以确定所述流体的电导率，其中，所述存储的补偿数据值对所述装置的至少一个寄生元件的影响进行补偿。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成测量具有高达200mS/m的电导率的流体的至少一个性质。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成以采样频率对所述感测信号进行采样，并且所述交变驱动信号的频率高于所述采样频率。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置被配置成：
提供具有同相振荡器输出和正交振荡器输出的数字振荡器；
提供锁相环路，所述锁相环路被配置成使用所述同相振荡器输出和所述正交振荡器输出来达到所述交变驱动信号与所述数字振荡器之间的同步。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述锁相环路是科斯塔斯环。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述处理装置被配置成在已经达到锁定同步状态时使用所述同相振荡器输出和所述正交振荡器输出来处理所述感测信号。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，包括模数转换器，并且其中，所述处理装置被配置成：
在第一时间对所述感测信号进行采样，并且在相对于所述第一时间偏移的第二时间对所述交变驱动信号进行采样；以及
对所采样的信号应用校正因数，以校正信号被采样时的偏移时间。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述至少一个寄生元件是引线电感。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述处理装置是数字信号处理级。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，包括温度传感器，并且其中，所述处理装置被配置成：
确定所述流体的温度；
使用所确定的温度来确定电导率。
20.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述电容式流体传感器被配置成监测流动流体，其中，所述第一电极和所述第二电极限定电极之间的流体流动通道。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述第一电极是管状电极，并且所述第二电极位于所述第一电极内。
22.一种用于测量流体的至少一个性质的处理装置，所述处理装置被配置成：
接收来自电容式流体传感器的感测信号；
接收已经施加至所述电容式流体传感器的交变驱动信号；
确定复数差分信号，所述复数差分信号包括所述感测信号与所述交变驱动信号之间的比率，所述复数差分信号包括同相差分分量以及正交差分分量；
通过补偿由于包括所述处理装置的装置的至少一个寄生元件引起的对所述复数差分信号的影响，基于所述复数差分信号的所述同相差分分量和所述正交差分分量两者来确定所述流体的所述至少一个性质。
23.一种测量流体的至少一个性质的方法，所述方法包括：
接收来自电容式流体传感器的感测信号；
接收已经施加至所述电容式流体传感器的交变驱动信号；
确定复数差分信号，所述复数差分信号包括所述感测信号与所述交变驱动信号之间的比率，所述复数差分信号包括同相差分分量以及正交差分分量；
通过补偿由于执行所述方法的装置的至少一个寄生元件引起的对所述复数差分信号的影响，基于所述复数差分信号的所述同相差分分量和所述正交差分分量两者来确定所述流体的所述至少一个性质。
24.一种承载指令的机器可读介质，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求23所述的方法。
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