CN111902588B - 包括传感器电路的卫生器具以及传感器电路的用途 - Google Patents

Abstract

卫生器具(400)，包括容器(410)、设置有管壁(401，402)并且被配置成在使用时容纳水溶液(1000)的管(420)以及用于感测物质流入卫生器具(400)的传感器电路(105)，其中，传感器电路(105)包括相互电感耦合的一次电路和二次电路，其中，电感耦合的二次电路包括电容式传感器，该电容式传感器包括第一电极(101)和第二电极(102)，第一电极(101)和第二电极(102)中的每一个被配置成在使用时至少部分地(101，192)与构成电容式传感器的介质的水溶液(1000)接触。

Description

包括传感器电路的卫生器具以及传感器电路的用途

技术领域

本发明涉及卫生器具，该卫生器具包括用于感测卫生器具内的水溶液的电导率或电导率的变化的传感器电路，该传感器电路包括：

-信号发生器，其被配置成用于生成感测信号；

-电容式传感器，其包括第一电极和第二电极，其中，水溶液构成电容式传感器的介质，

-输出电路，其用于将从电容式传感器发送的响应调节成输出信号。

本发明还涉及用于感测卫生器具内的水溶液的电导率或电导率的变化的方法，该方法包括以下步骤：

-生成感测信号；

-将所述信号发送至电容式传感器，其中，水溶液构成电容式传感器的介质；

-将来自电容式传感器的所述取决于频率的响应调节成输出信号。

背景技术

卫生器具的示例是小便池、家用马桶、淋浴设备和清洗盆。通常，这样的卫生器具包括容器以及用于从容器的流动表面去除水(更准确地是水溶液)的管。该管可以设置有虹吸管。虹吸管中的积水构成了防止难闻的气味从下游管道流进该卫生器具所在的房间的屏障。因此，在使用时在所述管中存在水表面。

例如从WO2014/076284A1和DE3228061已知，在卫生器具中使用电容式传感器或其他传感器。这样做是为了感测尿液的流入，特别是尿液流入小便池中，从而控制冲洗。虽然通常通过用户按下按钮来开始家用马桶中的冲洗，但是在公共厕所的小便池和大量人使用的马桶中这种情况较少见。DE3228061公开了使用位于虹吸管中的电容式传感器。该电容式传感器耦合至控制器中的输出电路。WO2014/0076284公开了使用谐振电路来感测容器中尿液的流入。谐振电路通常包括电容器和电感器，电容器和电感器两者均位于容器的流动表面处，同时通过容器的壁与流动表面分开。

使用谐振电路作为传感器的优点是，感测变得对流动表面处存在的污垢和其他污染物较不敏感。这种污垢通常包含尿液和钙的混合物，该混合物是有效的电介质。因此这种污垢层的存在增大了电容，并且因此导致电容值的偏移。

由WO2014/076284A1已知的传感器的缺点在于，对于卫生器具中(除了容器上的位置之外的)其他位置，其适用性有限。由DE3228061已知的传感器的缺点是灵敏度。此外，同样在虹吸管中，污垢可能附着至表面，从而导致电容偏移。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种包括改进的传感器电路的卫生器具，该传感器电路适于可靠且准确地感测水溶液的电导率或电导率的变化，特别是在远离容器中的流动表面的区域中感测水溶液的电导率或电导率的变化。

另一个目的是提供一种可靠的感测方法。

再一个目的是提供一种卫生器具，该卫生器具包括被配置成用于检测与液体物质相区别的固体物质的流入的改进的传感器电路。

根据第一方面，本发明提供了一种卫生器具，该卫生器具包括设置有管壁并且被配置成在使用时容纳水溶液的管以及用于感测物质流入卫生器具的传感器电路，其中，传感器电路包括相互电感耦合的一次电路和二次电路，其中，电感耦合的二次电路包括电容式传感器，该电容式传感器包括第一电极和第二电极，每个电极被配置成在使用时至少部分地与构成电容式传感器的介质的水溶液接触。本文中的一次电路包括谐振槽路(tankcircuit)，该谐振槽路包括并联耦合至地的至少一个电容器和电感器，其中，二次电路经由谐振槽路的电感器耦合至一次电路。所述传感器电路可以例如包括：(1)一次电路，该一次电路包括信号发生器，该信号发生器被配置成用于生成在高于1MHz的预定义频率范围内的信号；(2)包括电容式传感器的二次电路；以及(3)用于将从二次电路发送的响应调节成输出信号的输出电路，该输出电路适当地为一次电路的一部分。

根据第二方面，本发明提供了一种感测本发明的卫生器具中的水溶液的电导率或电导率的变化的方法，该方法包括以下步骤：

-在传感器电路的一次电路中生成一个或更多个信号；

-经由电感耦合将所述一个或更多个信号发送至二次电路，该二次电路包括电容式传感器，其中，水溶液构成电容式传感器的介质，其中，至二次电路的信号发送具有取决于水溶液的电导率的效率，从而限定了响应，其中，优选地，以在0.05至0.3优选地0.1至0.2的范围内的耦合因数来执行所述发送。

-将来自二次电路的所述取决于频率的响应调节成输出信号。

根据另一方面，本发明涉及用于感测水溶液的电导率或电导率的变化的传感器电路在本发明的卫生器具中的用途，所述水溶液存在于所述卫生器具中，传感器电路包括：(1)信号发生器；(2)包括第一电极和第二电极的电容式传感器，其中，卫生器具的腔室和/或管内的水溶液构成电容式传感器的介质；以及(3)输出电路，用于将从二次电路发送的响应调节成输出信号。根据本发明，信号发生器是一次电路的一部分，并且电容式传感器是二次电路的一部分，该二次电路电感耦合至一次电路。通常，输出电路也是一次电路的一部分。

根据再一方面，本发明涉及如本文中(例如在正下方)限定的传感器电路在卫生器具中的用途，该卫生器具包括具有管壁并且被配置成用于保持具有水表面的水溶液的排出管，其中，用途包括：感测邻近管壁的所述水表面的位置的变化。这种变化例如是瞬时变化。替选地，这种变化可以是永久或半永久的变化。优选地，控制器与传感器电路结合使用，以将定义所述感测到的变化的输出信号处理为关于卫生器具的状态的信息。链接到水表面的位置的瞬时变化的卫生器具的一种状态是流入固体物质而不是液体物质。链接到水表面的位置(即高度)的半永久或永久变化(即变化)的卫生器具的一种状态是在感测位置下游的管道阻塞。

根据再一方面，本发明涉及一种传感器电路，包括：(1)被配置成用于生成感测信号的信号发生器；(2)包括第一电极和第二电极的电容式传感器，其中，电解质溶液构成电容式传感器的介质，以及(3)输出电路，用于将从二次电路发送的响应调节成输出信号。在本文中，信号发生器是一次电路的一部分，并且电容式传感器是二次电路的一部分，该二次电路电感耦合至一次电路。一次电路包括谐振槽路，该谐振槽路包括并联耦合至地的至少一个电容器和电感器，其中，二次电路经由谐振槽路的电感器耦合至一次电路。适当地，输出电路也是一次电路的一部分。

根据本发明，通过增大一次电路的负载，即借助于向二次电路的能量传输来操作传感器。然而，所述负载增大取决于构成二次电路的一部分的水溶液的电导率。因此，传感器的灵敏度以两种方式工作：首先，通过经由电感耦合将能量传输至二次电路的需要，其次，关于测得的电容。电感耦合的效率取决于二次电路中的负载，并且由于电容的变化，该负载也是可变的。

在本文中，传感器电路被配置成使得可以在预定义条件下发生谐振。当二次电路处于谐振状态时，获得较高的二次电路负载。当一次电路和二次电路二者中均发生谐振时，二次电路的能量吸收达到最大值。背景是经由电感耦合的能量传输在很大程度上取决于一次电路与二次电路之间的谐振程度。以这种方式，传感器电路的配置允许两步灵敏度：作为第一步，将在一次电路中发生谐振以便实现能量吸收。作为第二步，当朝向二次电路中的谐振的状态改变频率时，能量传输将急剧增大。这样的两步灵敏度导致感测不被或者不会显著地被卫生器具中的污垢层的电容效应干扰。已知这些污垢层会导致纯电容感测出现问题。此外，两步灵敏度使得能够感测瞬时变化。该效应可以称为“谐振放大”，并且在本文中用于表示下述状况：由于电容式传感器形成其一部分的电路的电容和电感，由信号发生器生成的高频信号导致传感器达到谐振状态的谐振状态。

更具体地，一次电路与二次电路之间的电感耦合所需的电感器可以是一次电路和二次电路中的谐振槽路的一部分。

在优选的实施方式中，二次电路除了包括电容式传感器之外还包括电感器，该电感器被配置成用于电感耦合，在预定义电导率的水溶液的情况下该电感器和电容式传感器共同构成谐振槽。谐振槽的这种实现方式被认为是有利和有效的。二次电路是闭合电路，没有任何到地的连接。二次电路优选地被设计成仅包括一些部件。最优选地，二次电路包括电感器和电容式传感器以及任何可选的电阻器作为其仅有的功能部件。为了获得足够的输出信号而添加任何额外的功能部件(例如额外的电容器、晶体管和/或二极管)被认为是无益的。然而，应该理解的是，可能存在寄生的电阻、电容和电感，例如其外部存在电极的腔室或管的电介质材料的壁的电容效应。电感器与电容器之间的接线可以构成电阻，并且水溶液也具有电阻。适当地，以考虑到这种寄生效应的方式设计二次电路，使得可以在预定义和期望的条件下获得谐振。

在该实施方式中，在二次电路的谐振状态下，仅剩余电容式传感器的电阻部件。当一次电路和二次电路都处于谐振状态时(这是二次电路处于谐振状态时的有意的情况)，对一次电路的谐振槽路的假想贡献也被抵消了。在优选地被实施为微控制器集成电路的控制器中，可以容易地从一系列信号中识别出该响应或者从该响应得出的输出信号。实际上，当处于谐振状态时，由于二次电路中的能量吸收最大，因此该响应将被视为二次电路的频率响应的下降。

在另一个有利的实施方式中，一次电路的谐振槽路被配置成具有以水溶液的预定义电导率限定的谐振频率，其中，谐振槽路的谐振频率与二次电路的谐振频率之比在0.5至2.0的范围内。更优选地，谐振频率的比率为0.8至1.3。水溶液的预定义电导率例如被选择为生理溶液(0.9重量％的NaCl，0.155摩尔/升)的电导率。已经发现，随着介质的电导率的增大(通常对应于水溶液浓度的增大)，二次电路在谐振频率处的频率响应的下降变得更强烈。

更优选地，谐振频率的比率在0.9至1.1的范围内。可以理解，谐振频率不需要精确匹配，以确保二次电路可以在接近于一次电路的谐振频率的频率范围内开始谐振并随之吸收能量。而且，可以为一次电路提供比二次电路的带宽更大的带宽。较大的带宽例如通过Q因数来实施，以及/或者一次电路包括电容式变压器电路。

电容式传感器电极可以被配置在卫生器具的排出管的至少一个壁上和/或在限定所述水溶液的体积的腔室的至少一个壁上。这样的腔室例如是虹吸管。众所周知，在马桶中，将液体从容器中移出到排出管。在排出管的下游存在虹吸管，以提供防止气味经由马桶从更下游处进入房间的液体层。

优选地，传感器电极被布置为不与水溶液直接接触。更特别地，每个传感器电极被布置在壁内或壁上的腔中，使得所述壁存在于所述传感器电极与所述管或腔室内部的水溶液之间。以这种方式，电极在水溶液的外部，并且在插入电极的过程中没有水溶液被污染的风险。设想了传感器电极的几种实现方式。

在有利的实施方式中，第一电极和第二电极作为环被布置在围绕管或者替选地围绕腔室的彼此不同的轴向位置处。环优选地沿管的周向延伸，尽管不排除围绕管的部分延伸。发现该实施方式在大电导率范围内提供足够的响应。

在另一实施方式中，第一电极和第二电极是在不同角度位置处的轴向延伸的条。认为后一种布置最适合于感测相对低的浓度，例如比生理盐溶液的浓度低的浓度，更优选地生理盐溶液的至多10％的浓度。

在又一个另外的实施方式中，第一电极和第二电极共同构成叉指状的电极对，各电极具有以交替顺序按行排列的指状件。这种叉指式设计在相对小的表面积上产生相对大的电容器面积。

在另一个实施方式中，电容式传感器可以包含并联连接的第一电极对和第二电极对。该实施方式可以消除例如由于管或腔室内的流动的差异而导致的管或腔室内的导电率的变化。如本领域技术人员所知，可以将两个并联电容器的电容贡献相加。在本发明的另一实施方式中，存在开关，使得并联电容元件的贡献可以被选择性地接通或断开。这种实施方式被认为有益于允许对明显不同的电导率进行灵敏的测量，而且还能够在由于例如局部污染导致的任何系统误差的情况下消除电容元件中的一个。

在另一个实施方式中，一次电路和二次电路以在0.05至0.3优选地0.1至0.2的范围内的耦合因数相互电感耦合。根据变压器理论得知耦合因数。在常规的铁芯变压器中，耦合因数几乎为1。在本发明中，优选的耦合是所谓的松散耦合。小于理想的耦合会导致二次电路的响应的衰减。认为这对于滤除噪声是有益的。在大约10MHz的谐振频率下的最佳耦合因数在0.13至0.18的范围内。在具有较低谐振频率(例如在5MHz至8MHz的范围内)的替选实施方式中，在0.08至0.12的范围内的较低耦合因数是可行的。耦合因数例如借助于一次电路和二次电路中的电感器的相互定向和距离来调谐。此外，如果需要的话，可以通过使用芯材料来改善电容率(permittivity)。电感器是例如组装在电路板上的SMD型电感器。替选地，可以使用平面电感器，所述平面电感器中的至少一个集成到电路板中。

因此，在另一实施方式中，被配置成用于一次电路与二次电路之间的电感耦合的电感器被布置在诸如印刷电路板之类的基板中或基板上，该基板被布置成远离流体腔室和/或管。因此，没有以下需要：传感器电路的电子器件(包括例如振荡器、控制器和专用电路板)需要组装在流体腔室和/或管附近。这利于在管或腔室不可访问或不容易访问的许多应用中的使用。此外，这降低了由于与水溶液接触而损坏电子器件的风险。优选地，基板与流体腔室和/或管之间的距离最大为1米，更优选地最大为50cm。

在又一个另外的实施方式中，一次电路的谐振槽路被配置成具有在1至50，更优选地2至10，例如4至7的范围内的品质因数。该品质因数被认为是相对低的，并且具有使谐振的峰变平坦的效果。谐振峰的这种平坦化利于正确读取感测结果。电气上的解释是，平坦的峰(或曲线)补偿了由于电容变化而引起的谐振频率的偏移。品质因数还优选地不太低，不低于3，更优选地至少5。以在10至20范围内的品质因数获得了良好的结果。因此，在实施方式中，谐振槽路用作源自信号发生器的一次谐波方波的滤波器，其中，信号发生器包括缓冲器，例如与非单元。与非单元本身是有利的，以将信号发生器中的振荡器与槽路和输出电路屏蔽。然后，与非单元将来自振荡器的正弦信号调谐为方波。足够高的品质因数确保仅发送一次谐波(即基本信号)，而去除高次谐波。在没有与非单元的情况下，品质因数的所述下限较不相关。

优选地，二次电路的谐振槽路被配置成具有在10至100，优选地20至80，更优选地25至50的范围内的品质因数。结果，二次电路的带宽与一次电路的带宽相比减小了。更优选地，二次电路与一次电路的谐振电路的品质因数之比在3至10的范围内，更优选地在4至7的范围内。

在另一个实施方式中，信号发生器包括压控振荡器(VCO)。已经发现，使用压控振荡器可以有效地提供所需的高频信号。在一个实施方式中，VCO由被整流的脉冲宽度调制(PWM)信号驱动。PWM信号可以源自控制器，例如微控制器芯片。可以以已知方式对PWM信号进行整流。合适的实施方式是使用滤波器，例如低通滤波器或高通滤波器，并且更优选地三阶或五阶滤波器。压控振荡器的实现本身是已知的。

考毕兹(Colpitts)振荡器被认为例如对于大约10MHz的谐振频率(例如在3MHz与15MHz之间，例如在5MHz与7MHz之间)是有利的。在此范围内，所需的电容器和电感器可以通过市售部件实现。该考毕兹振荡器配置优选地用与调谐电路一起设置的N沟道JFET来实现，利用该调谐电路来设置振荡频率。在一个实施方式中，调谐电路是LC槽路。使得该LC槽路可调谐，以便能够改变振荡频率，从而能够提供频率扫描。使LC槽路可调谐的一种方法是电容为可变电容，例如变容二极管(varicap)。FET具有公共漏极配置，从而在其输出(即源极)处产生低阻抗。这样的低源极阻抗是有益的，以便使传感器电路的灵敏度最大化。

在又一个实施方式中，信号发生器设置有开关，通过该开关可以断开和接通信号发生器。这有利于能耗。术语“断开和接通”在本文中应理解为还指其中感测的重复率降低(即，以进入一种“待机”状态)的情况。开关的输入信号可以取自控制器。在一个优选实施方式中，开关被实现为与非门，该与非门的第一输入耦合到振荡器，该与非门的第二输入耦合到控制器的端口，其中，与非门的输出耦合到发送电极。这种配置允许断开和接通振荡信号，并且在需要时减小或增大重复率，而不会影响振荡器本身的运行。

本发明的控制器适当地是微控制器芯片，该微控制器芯片设置有用于生成脉冲宽度调制信号的电路、模数转换电路(也称为AD转换器)以及用于定义活动(更特别地，开/关信号)的任何输出。微控制器芯片还设置有用于存储参考值的存储器以及用于将参考值与一个或更多个浓度感测点进行比较的处理器。另外，可以存在用于驱动冲洗装置的阀的驱动器。除了将所有这些功能集成到单个芯片中之外，不排除其一个或更多个部分以更分立的方式实施，即实施为单独的部件。

优选地，一次电路的谐振槽路被配置成具有小于压控振荡器的中心频率的谐振频率。更优选地，谐振槽路被配置成具有所述压控振荡器的中心频率的0.2倍至0.9倍的谐振频率。优选地，谐振频率在所述中心频率的0.4倍至0.7倍的范围内。如果谐振槽路的谐振频率小于VCO的中心频率，则VCO可以从中心频率开始改变(即降低)其频率，以搜索谐振槽路的所述谐振频率。

根据本发明，一次电路的谐振槽路从二次电路接收响应。该响应将在输出电路中被转换为输出信号。根据本发明的优选实施方式，输出信号是输出电压。输出电压的大小定义了输出信号，并且可以在控制器中进行识别和解释。到控制器的输出电路适当地包括整流器和滤波器，例如包括接地的电容器。电容器会将所有较高的频率分流至地，并且让较低的频率通过。适当地并联添加电阻器，以防止电容器在没有附接负载时充电至高DC电压。结果，可以检测到信号的幅度。优选地，将响应调节成输出信号包括电容性阻抗变换，其中，优选地，在所述阻抗变换的上游和下游的电压比在1.5至10，例如2至5的范围内。这种阻抗变换允许在可用的输入电压的基础上进行适当的读出。

在本申请的上下文中，术语“水溶液”是指在卫生器具中存在的任何水溶液。通常，水溶液包含带电元素，并且是电解质水溶液。元素可以是来自无机盐的离子，例如包括金属离子、有机带电化合物例如季铵离子、共轭酸例如乙酸盐、丙烯酸盐、磺酸盐等。

术语“水溶液的电导率或电导率的变化”用于指示可以将感测应用于感测电导率的变化而不是绝对电导率。绝对电导率感测的精度可以取决于校准以及在水溶液包含固体未溶解颗粒的情况下可能需要的任何进一步校正。水溶液或分散体的电导率的感测是感测其浓度的更精确形式。如果足够的转换数据可用，则电导率可以链接到浓度。这样的转换数据包括温度、溶液或分散体中离子和/或其他带电粒子的类型。对于明确定义的溶液(例如氯化钠(NaCl)等的盐水溶液)而言，此类数据可能是已知的，但在其他情况下(例如，当感测包含几种未知比例的盐的废水时)，这些数据可能不太为人所知。因此，在本领域中通常的做法是确定电导率，这也称为对总溶解固体的测量。

术语“腔室和/或管”用于表示方法可以应用于任何合理的流体容器，而不论其形式如何。然而，圆柱形被认为是有益的。这样的容器中的液体可以连续或间断地流动。替选地，液体可以是静止的。

卫生器具更优选地是马桶，例如小便池或设置有用于坐在马桶上的装置的常规的家用马桶。替选地，卫生器具可以是洗涤槽或淋浴装置。在卫生器具是马桶的实施方式中，传感器电路的电容式传感器可以布置成用于在包括小便池的马桶的任何管或腔室中(并且更具体地在排出管中，例如具体地在虹吸管中，在将容器与排出管桥接的水腔室中)进行感测。电容式传感器还可以应用于在容器中进行感测。在卫生器具是马桶的实施方式中，输出信号优选地由控制器使用以用于驱动冲洗方案。

在感测电导率时，可以使用通常在频率范围内定义的一个或更多个信号。一个或更多个信号可以是一系列振荡信号，例如频率扫描。一个或更多个信号可以替选地为在一个或更多个预定义频率处的信号。最合适地，根据本发明的一个实施方式，使用具有高于1MHz的频率的信号。这使得能够产生谐振。频率扫描优选地用于感测位置处的传感器电路的校准。如果由于感测位置已经在使用而使得感测位置的校准不可行，则可以在基于对已经从存储器中获取的其他位置的较早感测的频率范围内开始。替选地或附加地，可以在第一感测事件中执行频率扫描。在感测事件中可以使用有限数目(例如少于10个)的信号，特别是在水溶液的浓度或电导率是生理盐溶液的浓度或电导率的0.1倍至10倍的情况下。在较低的浓度下，认为优选的是将一系列信号(更优选地是频率扫描)用于感测事件。当在感测位置处重复进行感测以识别电导率的变化(在这种情况下电导率通常可以链接到浓度)时，每个感测事件所需的信号数目可能会减小。适当地，所述系列具有增大的频率或减小的频率，尽管原则上不排除其他系列。可以开放不同频率的数目及其相互的频移以用于设计和实现。

为了生成例如高于1MHz的预定义频率范围内的感测信号，优选地执行校准步骤。在本文中，确定预定义频率范围。校准步骤适当地包括：生成在振荡器的中心频率附近的范围内(例如在1MHz至50MHz的范围内，优选地在2MHz至10MHz的范围内)的一系列信号，以确定一次电路的谐振槽路中的谐振，并且确定二次电路中的谐振。

在本发明的方法的一个实施方式中，提供这样的一系列振荡信号作为具有中心频率和扫描跨度(例如具有0.5MHz至2.0MHz，例如0.8MHz至1.5MHz的跨度宽度)的频率扫描。使用频率扫描是确保包括谐振频率的有效方式。后续信号之间的频率距离是开放的以用于实现。相继信号之间的频率距离优选地小，例如在1kHz至50kHz的量级，优选地在2kHz至10kHz，例如4kHz至8kHz或者5kHz至7kHz的量级。信号的数目例如为20至1000，更优选地为50至500，进一步优选地为100到300，例如200。单次扫描优选地在25ms至250ms(例如50毫秒至200毫秒)的时间跨度内进行，使得在需要的情况下可以提供每秒多于一次的频率扫描。频率扫描的次数例如在1至10或者1至5的范围内。该数目可以根据活动而随时间变化，如可以以不同活动状态的形式进行编程一样。将理解的是，中心频率和扫描跨度是开放的以进行优化，并且可以取决于精确的传感器配置以及在其中进行测量的管或管道。

不排除给出第一扫描和第二扫描，其中第二扫描涉及在较窄的关注范围内的扫描，所述关注范围是基于由第一扫描得到的输出信号来识别的。此外，不排除的是，在需要的情况下为了提高分辨率多次重复扫描并且对输出信号求和。

振荡信号特别地是以1MHz至100MHz(更优选地2MHz至50MHz、5MHz至20MHz，例如7MHz至15MHz或者5MHz至8MHz)的振荡频率发射的信号。特别地，在后一种范围中，在具有特定设计的初步实验的背景下，观察到信号强度(定义为电压幅度)对水浓度的正相关性。观察到，取决于管直径和/或电极设计，最佳频率范围可以处于更高或更低的频率处。振荡信号优选地借助于压控振荡器生成。受控振荡器的输入电压适当地是DC信号。可以例如通过利用低通滤波器对来自微控制器的PWM输出进行积分来生成该DC信号。替选地，该DC信号可以从具有数模转换器的微控制器获得。

此外，控制器还可以将感测数据存储在存储器中，以备将来用作参考。此外，在用于已安装的配置之前，传感器电路可以被耦合以通过输入获得数据或者从数据库或连接的计算机获得数据。另外，输出信号可以由控制器使用以用于在耦合至在其中执行感测的管或腔室的系统中的任何控制操作。例如，控制器可以控制阀或泵。然而，不排除控制器向用户提供输出和/或以数字感测报告的形式提供输出。

在本发明的方法中，输出信号适当地为输出电压的形式。在使用一系列信号的情况下，预期对于这些信号中的每一个，输出电压都会变化。由于在一次电路和二次电路的谐振状态下能量吸收最大，因此得到的输出电压将为最小值。在此最小值下，阻抗基本上减小到其实部，即电阻。电导率可以从该电阻得出。对此，优选地使用位于接收输出信号的控制器中的算法。这样的算法例如包括使用具有存储在存储器中的参考值的表。替选地或附加地，该算法可以包括电导率的计算。对此，将为控制器提供关于感测位置的输入值。可以看出，传感器电路优选地包括控制器。替选地，可以使用系统控制器或远离传感器电路的另一控制器。控制器被适当地实施为微控制器集成电路。

在一个实施方式中，该方法包括将所述取决于频率的响应调节成输出信号的另外的步骤，所述步骤包括：生成根据所述响应变化的输出电压，其中，所述调节步骤优选地包括电容性阻抗变换。这被认为是获得鲁棒的输出信号的实用且有利的方式。优选地，所述阻抗变换的上游和下游的电压比在1.5至10例如2至5的范围内。

优选地，鉴于期望的感测类型来指定电极的布置和配置。通常，为了感测电导率或其变化，在使用时将第一电极和第二电极布置为例如在水表面以下。换言之，电容的变化将仅受水溶液的电导率的影响。

为了感测水表面高度的变化，优选地，至少第二电极被布置成使得水表面将第二电极划分为水下区域和空气区域。以这种方式，可以有效地监测水表面位置的变化。第一电极可以完全在水表面以下(即其参考状态)或者部分在水表面以下。第一电极和第二电极可以处于相同的高度，但是认为优选的是，第一电极处于比第二电极的高度更低的高度，以便较大的部分位于水表面以下。当传感器旨在用于感测水表面的高度(更特别地是水表面在管壁处的位置)的瞬时变化时，后者是特别优选的。

感测瞬时变化的一种应用是区分固体物质的流入和液体物质的流入。如果固体物质落入水中，则水表面将暂时局部升高，然后通常在同一位置处局部降低。该升高导致第一电极与第二电极之间的介质的介电常数整体增大。就其本身而言，这种增大可能很小。然而，借助于具有一次电路和二次电路的传感器电路，基于谐振放大，将该较小的增大放大为鲁棒的输出信号。

例如，该应用被认为非常有利于用于卫生器具。因此，本发明的传感器电路然后可以用作在卫生器具(尤其是马桶)中电子地区分固体物质的流入和液体物质的流入的方法。所得到的输出信号可以由控制器使用以用于控制卫生器具的清洁操作。这种清洁操作例如是用水冲洗。因此，可以根据固体物质或液体物质的流入自动设置冲洗量。显然，清洁操作还可以包括更复杂的清洁方案。例如，该方案可以规定在检测到固体物质流入之后可以添加肥皂和/或可以添加香料。另外，该方案可以规定，相对于液体物质流入时的用于开始冲洗的时间的延迟，增大固体物质流入时的这种时间的延迟。

因此，在另一方面中，本发明涉及使用如上所定义的传感器电路在诸如马桶的卫生器具中感测固体物质或液体物质的流入的方法。

在又一方面中，本发明涉及用于使用上述定义的传感器电路在卫生器具中感测该器具的排出管中的阻塞的方法。然后，处于第二状态的水表面的较高水位可以是永久或半永久的(即，缓慢地或逐渐地移动，而不是在瞬时意义上是暂时的)。

更具体地，所提到的卫生器具设置有控制器，该控制器被配置成将感测到的水表面的位置在时间上的变化与存储在存储器中的参考值进行比较。优选地，控制器还被配置成根据检测到的水表面的位置的变化来控制任何动作方案的执行。

优选地，无论水表面的位置如何变化，第一电极被布置成使得第一电极的至少主要部分在水表面下方。与此结合，第二电极被布置在管壁处并且被配置成使得该电极的第一部分在水表面上方，而该电极的第二部分在水表面下方，其中，所述第一部分和所述第二部分随着水表面在管壁处的所述位置的变化而变化。

为了清楚起见，参考水表面的参考状态，因为水表面可能变化。该参考状态特别地是指其中不发生水或任何水溶液或其他任何东西的流入或流出的状态。通常，在马桶中，这是其中马桶被安装但没有人使用该马桶的状态。关于术语“水表面的位置”，观察到，在固体物质流入期间，水表面将从基本上平坦的表面变形到弯曲表面。在管的一侧处，这倾向于具有水表面的高度升高并且随后降低的效果。

第二电极在参考状态(或第一状态)下至少部分地在水表面上方。适当地，第二电极的至少50％在水表面上方。优选地，水表面的延伸是至少70％，例如至少80％。至少90％或者甚至100％也是可行的。尽管如此，当水位具有其参考水位时，第二电极的预定义部分在水表面下方似乎是有益的，例如以便也能够感测水位的降低。

此外，第二电极被配置成使得：在水表面的高度升高时，第二电极在水表面之下的部分比在参考状态下第二电极在水表面之下的部分更大。例如，第二电极的至少30％(优选地50％，例如70％、80％或者甚至更多)可以延伸到水表面以下。显然，如果在第一状态下第二电极的仅10％位于水表面以下，可以充分感测到水表面以下的20％或25％的升高。此处给出的百分比旨在是第二电极的面积的百分比。某些水位的灵敏度可以增大，因为第二电极具有与在竖直方向上延伸的矩形条不同的形状。

因此，优选地，第二电极的延伸既在水表面上方又在水表面下方。更优选地，在水表面上方和下方的所述延伸足以适应固体物质的流入并且适应在第一状态下水表面的水位的任何变化。在一个实施方式中，第二电极在竖直方向上的延伸是至少6cm，优选地至少10cm或者甚至至少15cm。

优选地将第二电极布置成在垂直于水表面的方向(即通常为竖直方向)上延伸。然而，第二电极可以包括位于不同高度水平的水平部分。由于电容直接链接到表面积，因此这能够使电容在水表面升高时逐步增大。这有助于有效的感测。不排除施加具有竖直延伸且也具有水平延伸的另一电极图案。

在替选实施方式中，第二电极包括多个条(水平部分)，所述多个条不通过任何竖直部分直接连接而是并联布置的(即在电路中)，并且因此全部在二次电路内连接。该实施方式导致以完全不连续的步骤识别水表面的高度的传感器。尽管该实现方式可能会给出不太精确的结果，但是控制器可以被配置成将这些结果与参考结果进行比较，并且识别是否发生了(以及可能有多少)固体物质的流入。

在另一个实施方式中，传感器电路还可以包括第三电极，该第三电极以与第二电极对应的方式相对于水表面定位；因此，该第三电极实际上在第一参考状态下至少部分地在水表面上方，并且在第二状态下部分地在水表面下方。然而，这种第三电极位于管壁的另一位置处。第三电极可以被布置在相对的一侧(即，使得第二电极与第三电极在水表面中的平面中的夹角在135度与225度之间，例如在160度与200度之间)。第三电极还可以被布置成使得第二电极与第三电极的夹角在60度与120度之间，例如在80度与100度之间。夹角甚至可以更小，例如高达45度。

在一个实施方式中，第二电极和第三电极被并联布置。优选地，这两个电极具有各自独立的第一电极，尽管不排除公共的第一电极。在包括一次电路和二次电路的一个实施方式中，这些电极将是同一二次电路的一部分。这具有如下优点：借助于第二电极和第三电极进行的感测的贡献相加，从而提供了更大的信噪比。对于第二电极与第三电极之间的夹角小(例如高达120度，更特别地高达60度)的情况，该实施方式看来是优选的。

在另一个实施方式中，第二电极和第三电极被布置为可以独立地感测的不同的电容式传感器的一部分。在本发明的优选实施方式中，第三电极可以是不同的二次电路的一部分。这具有可以独立地感测不同位置的优点。这可以提供附加信息，因为壁的一侧的水表面的升高可以对应于另一侧处的变化，但不完全是在同一时刻。额外的信息可以用于减少控制器中的误差容限。

可以看出，为了清楚起见，被配置成感测水表面的位置(通常为高度)的变化的电容式传感器可以用于识别固体掉入水中，或者识别排出管中的阻塞。可以预见的是，可以将一个电容式传感器配置成感测固体物质的进入和阻塞的存在二者。然而，可以替选地将电容式传感器配置成专门用于两种用途中的一种。期望的用途还可能影响第二电极的确切形状，并且可选地影响第一电极的形状和位置。

在一个实施方式中，第一电极可以存在于管的底侧。这被认为是有益的，因为这提供了良好的场线覆盖。在另一个实施方式中，第一电极可以存在于管的侧壁处。该侧壁可以是与第二电极的侧壁相同或不同的侧壁。在后一种情况下，不排除第一电极在第一状态下不是完全而是基本上在水表面以下。基本上可以是例如至少80％。

可以看出，为了清楚和完整起见，单个卫生器具可以配备有可以通过其识别尿液的流入及其强度的“水位传感器”和“电导率传感器”。更优选地，电导率传感器将被布置在虹吸管的表面处，而水位传感器位于更上游，即，在水表面处。除了上述电导率传感器之外，还可以使用在非提前公开的申请PCT/EP2017/079802中描述的传感器，该申请通过引用并入本文中。电导率传感器可以替选地被布置在容器的区域处。这样的传感器本身是从WO2014/076284A1已知的，WO2014/076284A1通过引用并入本文中。添加电导率传感器使得能够检测液体物质的流入。不排除使用相同的传感器来检测液体物质和固体物质的流入。

可以看出，在上文和下文中讨论的任何实施方式都适用于上文和/或权利要求书中规定的本发明的任何方面和所有方面。特别地，与方法或用途有关的实施方式也适用于卫生器具，反之亦然。

附图说明

参照附图，将进一步阐明本发明的这些和其他方面，在附图中：

图1示出了包括微控制器芯片的传感器电路的示意图。

图2示出了包括一次电路和二次电路的传感器电路的电路图。

图3示出了压控振荡器的第一实施方式。

图4a至图4i示出了测试管上的几种电解质水溶液和空气的响应。

图5示出了测试虹吸管上的几种电解质水溶液和空气的响应。

图6A和图6B以鸟瞰图示出了包括本发明的电容式传感器的电极的系统的第一实施方式，所述系统被实施为虹吸管。

图6C以鸟瞰图示出了图6B的另一实施方式。

图7示出了如图6A至图6C所示的虹吸管，其具有电极的替选布置。

图8和图9以鸟瞰图示出了根据本发明的系统的第三实施方式和第四实施方式。

图10示出了根据本发明的系统的第五实施方式的图解截面图，该系统是卫生器具，更特别地是马桶。

图11示出了在具有图7所示的电极布置的测试虹吸管上的空气、自来水和盐水的响应。

图12(a)和图12(b)示意性地示出了使用本发明的传感器来确定液位。

图13(a)至图13(d)示出了关于使用如图2说明的本发明的电路进行的模拟和测量的一系列曲线图。

图14示出了具有浮置二次电路的现有技术传感器电路的电路图。

图15(a)至图15(d)示出了基于利用根据图14的电路并且使用不同条件进行的模拟的一系列曲线图。

具体实施方式

这些图未按比例绘制。不同附图中的相同附图标记指代相同或相应的要素。

图1示出了根据本发明的传感器电路10与微控制器18结合用作卫生器具的一部分的示意图。微控制器18在本文中被实施为集成电路，该集成电路包含多个信号块，包括脉冲宽度调制信号(PWM)发生器82、A/D转换器83、RF开/关输出81、处理器和存储器。这样的微控制器可以从集成电路供应商(例如NXP、Atmel、Analog Devices、Texas Instruments)商购得到。尽管采用了这种优选的实施方式，但不排除微控制器中的一些信号块可以被实施为单独的集成电路，或者甚至可以以分立的形式或通过其组合来实施。此外，尽管本文中示出了一些功能以分立部件的形式提供，但是不排除将这些功能集成到一个或更多个集成电路或其他集成部件中，例如硅衬底上的无源网络(“无源IC”)、基于陶瓷衬底(例如氧化铝或者本领域称为LTCC(低温共烧陶瓷)的多层设备)或者基于聚合物衬底(例如具有嵌入式部件的PCB)的部件。也不排除将一些功能集成到微控制器中或者集成到专用集成电路中，或者集成到可以以单个封装提供的多芯片解决方案(例如，除了微控制器芯片之外的无源IC)中。观察到，为了清楚起见，在逻辑上将该系统细分为传感器电路和控制器。从技术角度来看，微控制器可以被视为包含严格意义上属于传感器电路的块。为了简单起见，本文中参照传感器电路10和微控制器18。

传感器电路10包括信号发生器20、感测单元4和输出电路5。信号发生器20包括多个元件，这些元件是积分电路12，更特别地是低通滤波器和压控振荡器13以及与非块16。积分电路12连接在PWM发生器82与压控振荡器(VCO)13之间。VCO 13的输出信号形成与非块16的一个输入。VCO 13提供期望的振荡频率的信号，该频率根据来自PWM发生器82的信号来设置。另一个输入取自微控制器18的开/关信号输出81。该信号确定是否将输出信号发送至传感器单元4，以及发送多长时间。如果需要，可以省去与非块16。

考虑到其在不能排除漏水的卫生环境中的使用，传感器电路适当地设置有如下封装，该封装形成了水分不能通过其进入传感器电路和/或其任何部件的外壳。这种外壳例如可以借助于具有盖的壳体来实现，该盖在壳体外部被密封。替选地，电路或其相关部分可以用模塑料密封。在一个实施方式中，传感器电路可以设置有基板，第一电极和第二电极被集成在基板中。因此，这些电极被布置在传感器电路的外部，并且可以被定位在邻近管壁的位置处，而传感器电路仍然构成一个整体。此外，当传感器电路设置有用于无线或有线连接的任何装置(包括无线传输模块(例如基于Zigbee协议等)、USB连接器或者用于本身已知的有线和/或无线传输的任何其他装置)时，这被认为是有利的。

在一个实施方式中，包括一次电路和二次电路的传感器电路以及微控制器被布置在诸如PCB的基板上，该基板被配置成用于附接至卫生器具的虹吸管。附接被适当地布置，使得传感器电路不与管内的任何液体接触。例如，传感器电路附连在管壁的外部。替选地，可以将传感器电路布置在被设计成用于放置传感器电路的槽中。

在另一个实施方式中，第一电极101和第二电极102(如另外的附图所示)位于管壁上，而传感器电路的其余部分被布置成远离管内的液体。在该实施方式中，第一电极101和第二电极102二者可以被布置在管的内侧(当用合适的保护涂层保护时)以及管的外侧、背向(facing away)管内的液体。电极101、102可以例如施加在附接至管壁的柔性箔上。另外可行的是，第一电极101和第二电极102被集成到管壁(即虹吸管的壁)中。

在电容器电极101、102与传感器电路的其余部分物理分离的实施方式中，认为有益的是，例如以厘米的量级限制所述电容器电极101和102与电路的其余部分之间的距离。长距离可能会增大噪声，从而降低灵敏度。在这样的实施方式中，电路的其余部分借助于任何模塑料被适当地封装或者被设置在足够耐湿的壳体中。

图2示出了根据本发明的第一实施方式的传感器电路的电路图。在该图中，未示出与非块16。从VCO 13开始，该电路包括一次谐振槽路50。在该实施方式中，谐振槽路50包括第一电容器Cp1、第二电容器Cp2和电感器Lp。示出了电阻器Lp。电阻器Lp可以是电阻器，或者可以由于电阻损耗而产生。相对于VCO 13的中心频率来调谐谐振槽路50的谐振频率。优选地，谐振频率在VCO 13的中心频率的0.3至1.0倍的范围内。在本文中，第二电容器Cp2耦合至地。第一电容器Cp1与耦合至地的电感器Lp串联耦合。一次电路的该谐振槽路50的品质因数在20至50的范围内，适当地在30与40之间。为了校正VCO和/或一次电路的其他部分中的输出阻抗，谐振槽路50的品质因数优选地为大约电感器的Q因数的一半。

一次电路经由电感器Lp耦合至二次电路。在该实施方式中，二次电路是谐振槽60，并且包括共同构成一个环的电感器Ls和电容器Cs。电阻Rs被包括在内，电阻Rs代表将被测量浓度的流体的电阻。如果没有流体，则电阻Rs将非常高。如果流体是浓盐溶液(concentrated salt solution)，则电阻Rs小。在Rs小的情况下，二次电路将在谐振时从一次电路吸收能量。结果，响应高度依赖于流体的浓度。

如图1所示，信号发生器20包括与非门16，与非门16的第一输入源自微控制器18的开/关端口81，与非门16的第二输入源自压控振荡器13。该振荡器13被馈送来自微控制器18的在积分单元122中积分之后的脉冲宽度调制信号。积分单元2优选地被实施为无源低通滤波器。更优选地，使用高阶低通滤波器，例如三阶、四阶或五阶低通滤波器。然而，不排除使用其他低通滤波器或者微控制器的DAC输出。高阶低通滤波器的优点是dc信号的纹波减小，从而改善了VCO的频率抖动。最优选的是三阶低通滤波器，因为其响应时间短于四阶或五阶滤波器的响应时间。

图3示出了压控振荡器13的优选实施方式。压控振荡器13是考毕兹(Colpitts)振荡器。这种振荡器包括晶体管(更具体地是场效应晶体管FET)以及并联的电感L1和电容C1和C2的槽路。晶体管FET设置有耦合至输入信号131的栅极，该输入信号131在优选实施方式中源自低通滤波器12(参见图1)。晶体管FET还设置有载有信号132的漏极和载有输出信号133的源极。槽路耦合在FET的栅极与地之间。此外，在FET的源极与槽路中的C1与C2之间的点之间建立了连接。除了提供输出信号133之外，源极还通过电阻器R1耦合至地。以这种方式，创建了从晶体管源极到栅极的返回路径。电路将以振荡频率振荡，该振荡频率借助于槽路中的电容C1、C2设置。在合适的实施方式中，添加了并联于槽路的可变电容器(在本文中示出为二极管D1)，使得在组装到所需的应用中之后可以调谐频率。结果：电压越高，电容越大。

图4a至图4i示出了根据本发明获得的一系列感测结果。使用具有外部塑料管以及插入塑料管中的测试管的测试装置。塑料管由PVC制成，内径为16mm。环形电极位于塑料管的外部。测试管具有相应的外径，以便装配到塑料管中。电极耦合至印刷电路板，印刷电路板包括根据图1的微控制器芯片、压控振荡器、与非块和输出电路。按照图2设置传感器电路。第一电感器Lp为22μH，第二电感器为68μH。电容器Cp1、Cp2、Cdc均在100pF至200pF的范围内选择。电感器被实施为SMD部件。组装被布置成实现在0.15至0.17的范围内的耦合因数。谐振频率约为6MHz。为了进行感测，给出了从低频到高频的大约1.2MHz的宽度的扫描。紧接着，通过电路发送第二系列的信号。该第二系列中的信号对应于相同的扫描，但是步长高达20倍。输出信号被显示在示波器上。

在图4a至图4i的每一个中，示出了输出电压随时间(其对应于频率)变化的曲线图。在图4a的实验中使用的介质是空气。对于图4b，使用脱盐水。对于图4c，使用了来自Antwerp,Flanders(佛兰德斯地区安特卫普市)的水龙头的自来水。对于图4d，使用了淡尿液。对于图4e，使用生理盐溶液。对于图4f，使用了重或浓的尿液。图4g示出了针对海水的结果。图4h示出了针对25％饱和盐溶液的结果。图4i示出了针对完全饱和溶液的结果。频率扫描在背景方波型线条(以灰色表示)从低向高转变的位置开始。

从图中可以看出，曲线图的最大幅度从高变低。观察到谐振频率略有变化。图4a中示出的以空气为介质的情况对应于仅一次电路中存在谐振的情况。二次电路没有闭合，因此没有电流可以流过二次电路。随着电解质水溶液浓度的增大，最大值变为最小值。这指示在一次电路和二次电路二者中的谐振的影响下越来越多的能量被吸收到二次电路中。图4i中针对饱和盐溶液的情况对应于所有能量都被吸收到二次电路中的情况。该实验表明，可以测量电导率从非常低到非常高(即在宽的浓度/电导率范围内)的变化。

图5示出了第二个实验的感测结果。在该第二个实验中，使用了如图6A和图6B所示的虹吸管测试管。虹吸管包含入口连接121和出口管122。在入口连接121与出口管122之间存在壳体110，壳体110具有前侧111和后侧112。由于壳体的形式，流经虹吸管的水将进行沿逆时针方向通过壳体的运动。虹吸管测试管由塑料制成，特别地由PVC制成。传感器电极101、102附接到后侧112。铜条用作电极。条的长度为7.8cm，宽度为1.8cm。条之间的相互距离为0.3cm。电极通过导线连接到印刷电路板上的电感器。使用了与更早进行的实验相同的印刷电路。利用扫描以及随后利用步长增大20倍的相同扫描，以与上述相同的方式进行感测。该第二个实验是以这种方式进行的，因为第二个实验被认为是与测试管相比不太理想的感测状况，并且因此更能代表实践中的电导率感测。

在图5中，各种溶液的结果在一个曲线图中交叠地显示。随着溶液浓度的增大，在输出电压中，谐振频率上的初始正峰信号被转换为负峰信号(下降)。在该实验中，发现在较低浓度(即电导率)下出现正峰与负峰之间的转折点。这表明低浓度下的灵敏度。此外，对于除1(对应于空气)以外的所有曲线图，在较低频率下均可见正峰。该峰归因于在二次电路中发生谐振之前一次电路中的谐振。因此，毫不奇怪的是，在二次电路不起作用的空气的曲线中，该峰不可见。该峰可以看作是由于一次电路中相对低的品质因数而在一次电路中生成平坦的谐振曲线的效果。

表1提供了针对图5所示的感测结果的谐振频率的变化。所示出的结果基于每个条目150至175个计数，以便获得足够的统计数据。

图6C、图8和图9示出了本发明的系统的另外的实施方式，该系统包括管或腔室以及传感器电路。在这些实施方式中的每一个中，传感器电路包括具有第一电极101、141和第二电极102、142的电容式传感器。水溶液构成电容式传感器的介质。图7示出了替选电极配置。

如图6C中所示，传感器电路(除了传感器本身)被实施在位于腔室或管的外部的盒105中。第一电极101、141和第二电极102、142可以被配置成延伸到盒105中，或者借助于互连连接到盒105。盒105优选地包括传感器电路的信号处理器和输出电路。盒105还包括一次电路到二次电路(优选地借助于第一电感器和第二电感器来实现)的非接触式传输装置。传感器电路的元件到盒105中的实现是开放设计的。可以使用组装在印刷电路上的标准分立部件。替选地，可以使用集成部件，例如布置在印刷电路板、陶瓷衬底和/或基于硅衬底的集成电路中的电感器和电容器。将部件集成到衬底和/或这种集成电路中使得可以减少部件的总数被认为是有利的。盒105然后可以包括一个或一组封装的部件。认为这种情况能够优选地减少由于潮气或污染物的流入引起故障的风险。此外，盒105可以设置有用于传感器电路与外部介质的数据交换的任何装置。这种用于数据交换的装置可以被实施为连接器，例如USB连接器。替选地或附加地，这种用于数据交换的装置可以借助于无线传输模块来实现。这样的无线传输模块本身是已知的，并且通常包括收发器，可选地包括功率放大器和天线，所有这些均被配置成用于预定义的传输频率和数据协议。此外，盒105适当地容纳诸如电池的用于能量存储的介质。以这种方式，传感器电路不仅对于以偶然的感测操作使用是可行的，而且对于以预定义频率在预定义时间段内连续监测或者替选地在向传感器电路提供信号时连续监测也是可行的。

第一电极101、141和第二电极102、142可以以提供整体电容的方式实现和相互布置，该整体电容使传感器电路从没有谐振的第一状态变为具有谐振的第二状态。这取决于腔室或管的构造，特别地取决于水溶液的预期电导率：如果传感器要在1mM至10mM的范围内灵敏，则电极的表面积以及相互距离将小于传感器要在1M至10M的范围内敏感的情况。

图7以示意性正视图示出了图6A、图6B和图6C的虹吸管，但是第一电极101和第二电极102的布置不同。在本文中，电极101、102以白色示出，其余部分以黑色示出。在所示的配置中，电极被布置为一对叉指，每个电极的指状件互锁。第一电极101和第二电极102的这种布置导致电容耦合增大。

在虹吸管的一个小实验中，证明了电极配置对于盐水(与空气或自来水相比)的电导率感测的有效性。结果如图11所示。y轴使电导率(相对于初始值)偏移。x轴示出以MHz为单位的谐振频率。虚线表示对空气的感测，点划线表示对自来水的感测，而连续实线表示对盐水(浓度为饱和溶液的四分之一)的感测。以255步从5MHz到6.2MHz进行频率扫描。频率的上升为123Hz/毫秒。在示波器上读出了频率响应。

在空气的情况下，二次电路未连接，因为一次电路与二次电路之间没有电场。因此，二次电路不会通过电感耦合吸收能量。传感器的响应是一次电路的频率响应，谐振频率为5.68MHz。在虹吸管填充自来水的情况下，(一次电路的)谐振频率会降低到5.52MHz。此外，最小值在5.88MHz处出现，这是由包括电感器、电极和液体的二次电路的谐振频率引起的。

在盐溶液的情况下，一次电路的谐振会进一步降低。第一个最大值位于5.28MHz处，幅度为1.3，而在空气中的情况下幅度为2.2。在5.95MHz处观察到谐振中的另一个峰值。此外，二次电路的谐振(相对于自来水而言)从5.88MHz转移到5.47MHz。频率的这种降低与电容效应的增大相对应。最小值的信号幅度甚至更低(0.15与0.3相比)，这归因于水的电导率更高。为完整起见，观察到在叉指式电极的该实施方式中，谐振频率适当地在压控振荡器的中心频率的0.2至0.6倍的范围内，例如低于所述中心频率的0.5倍。

此外观察到，根据本发明的另一方面，如上文所述，叉指式电极的这种电极构造可以适当地应用于确定水表面的高度。认为特别适合在相对于图7所示的配置旋转90度的设计中使用这种叉指式电极。特别地，所述电极的指状件将从顶部延伸至底部，或者反之从底部延伸至顶部，并且在第一参考状态下，第一电极将在底侧，至少基本上在水表面下方，而第二电极将在顶侧，至少部分在水表面上方。

图8示出了用于管131、132的系统250，系统250被配置成用于水溶液的相对高的电导率。在本文中，第一电极101和第二电极102是环形的，其中，第一电极101被布置在第二电极102的上游。在本文中，电极101、102被示出为构成闭合的环，但是不排除这样的环是开放的，即，电极101、102仅通过最大360度中的至少270度延伸。

图9示出了用于管131、132的系统251，系统251被配置成用于水溶液的较低的电导率。第一电极141和第二电极142具有大致矩形的形状，其轴向方向的尺寸大于角度方向的尺寸。此外，第一电极141和第二电极141被布置成彼此相对。显然不言而喻，一个电极141可以比另一个电极延伸得更多。此外，代替单个的第一电极141和单个的第二电极142，可以存在多个第一电极141和第二电极142，例如以交替布置的方式围绕管段130布置的多个第一电极141和第二电极142。

在图8和图9所示的实施方式中，示出了存在于管段131、132之间的管段130。因此，在本文中，原始管131、132将被打开，并且单独的“传感器管段”130被定位在管段131、132之间。传感器管段130可以以已知方式耦合到其他管段131、132。一种通常的连接器是壳体。尽管电极101、141、102、142与盒105之间的互连在本文中示出为导线，但是可以以其他方式实现这些互连，例如印刷电路板上的导体迹线或者集成到通过模制形成的元件中的导体迹线。在使用导线的情况下，认为优选借助于壳体或者借助于施加封装材料来保护导线。尽管系统250和251之间仅示出的差异与电容式传感器的电极的配置有关，但是可以看出，盒105中存在的传感器电路的其他元件也可以不同。在一种实施方式中，系统的电感器将具有不同的量值。在另一实施方式中，电路被配置成用于不同的谐振频率。

图10示意性地示出了卫生器具400的实施方式。不是将第一电极101和第二电极102布置在水表面1001下方，而是将第二电极102有意地布置成具有在水表面1001上方延伸的空气区域191以及在水表面1001下方延伸的水下区域。应当理解，随着水位的升高，空气区域191和水下区域192的彼此的大小可能改变。所示的卫生器具400是马桶，该马桶包括：容器(receptacle)410；通常包括虹吸管的排出管430；以及配置成在使用期间在其中存在水表面1001的管或腔室420。卫生器具设置有以已知方式相互连接在一起的前壁401和后壁402。所述前壁401和后壁402的形状限定了容器410和水腔室420。本文中的后壁402延伸到水腔室420中，使得从容器410流到管430中的水必须在后壁402的下方流动，以防止难闻的气味从管430迁移到容器410并且进入空气。在所示的实施方式中，第一电极101基本上被布置在后壁402下方。替选地，第一电极可以被布置在后壁402上，但是在水表面1001下方。第二电极102被布置在水腔室420中在容器410的侧面，通常在前壁401上。在另一替选方式中，第一电极101位于前壁401上，但是也在容器410的侧面上。认为优选的是，第一电极101和第二电极102不与流过卫生器具的水直接接触(即，不位于流动表面上)，而是被放置在卫生器具的壁401、402的外部(壁位于电极与流动表面之间)。代替布置在壁的外部，电极可以布置在所述壁内的一定容积中或可以嵌入在所述壁内。

当液体物质流入容器410，然后被添加到水腔室420的水中时，液体物质很可能沿着前壁401或后壁402的表面流动。结果，水表面1001不会或者基本上不会移动位置。然而，当固体物质流入容器410时，固体物质反而会掉入水腔室420中的水中。然后在水表面1001中会生成一种冲击波。这将对水表面1001在第二电极102处的位置产生影响，更具体地，造成水表面1001的升高和随后的降低。然后水将覆盖第二电极102的空气区域491的至少一部分，从而导致在水表面升高期间电导率较高。在随后的水表面降低期间，电导率将再次下降。电导率的这种变化可以被识别到。从这种变化导致更高或更低程度的谐振的意义上来说，认为放大电导率的改变是优选的。在这样的条件下，有效感测到的输出信号的增大不仅只是由于电极面积增加导致的电容的增大。产生谐振程度的这种变化的一种优选方式是使用如参照图2和图3所述的传感器电路。

图12(a)和图12(b)示意性地示出了根据一个实施方式的借助于第一电容器电极101和第二电容器电极102对液体1000的顶部上的水表面1001的液位的感测。为了简单起见，在图12(a)和图12(b)中除了一次电感器Lp之外未示出一次电路。示意性地示出了二次电路S2。二次电路S2包括二次电感器(在图2中称为Ls)，以及电容器电极101、102，所述电容器电极101、102与任何中间液体1000(通常是水或盐溶液)构成电容器。在所示的实施方式中，第一电极101被布置在管的底部，而第二电极102被布置在管的侧壁处。

图12(a)示出了处于第一参考状态的管。在本文中，水表面1001处于低水位。结果，第二电极至少部分地在水表面1001下方，在该示出的实施方式中，约30％在水表面1001下方且约70％在水表面1001上方。由于空气基本上不对电容作出贡献，因此有效电容由第二电极102的30％限定。通过液体1000产生强度有限的电场。

图12(b)示出了处于第二状态的管。在本文中，水表面1002处于高水位。在所示的实施方式中，第二电极的约90％位于水表面以下且第二电极的10％在水表面上方。结果，第二电极102的有效面积比在第一状态下的有效面积大得多，并且该场更强，如通过穿过液体1000的大量场线所指示。

图13(a)至图13(d)示出了基于本发明的电路的一系列曲线图。图13(a)和图13(c)基于模拟，图13(b)是基于利用与图13(a)对应的电路的测量结果的曲线图。在图13(b)中，x轴表示添加的盐水量。在图13(d)中，添加的盐水量被转换为频率。除了盐水的曲线图以外，图13(d)还示出了水和空气的曲线图。

图13(a)示出了在频率扫描期间根据频率的电路的响应。响应以电压给出。y轴上的标度从0.6V至4.2V。x轴上的标度从5.0MHz至6.4MHz。该曲线图包括在约5.1MHz和约6.1MHz处的第一最大值和第二最大值，以及在5.55MHz处的最小值。该曲线图应被理解为一次电路的谐振曲线(其中最大值最可能在5.8MHz和6.0MHz之间)与由于能量被吸收到二次电路而引起的下降的叠加。其最小值为5.55MHz，5.55MHz对应于二次电路的谐振频率。使用上面参照图4指定的部件值完成测量，其中Rp＝10⁵欧姆，Cp1＝150pF，Cp2＝180pF，Cs＝27pF。二次电路的电容是对盐溶液的测量结果的估计。

图13(c)示出了在二次电路的电容仅为5pF的情况下同一电路的响应。5pF是较小的电容，因此对应于较低的电解质浓度。电容Cp1和Cp2已分别降至56pF和68pF，Rp为200欧姆。结果是二次电路的谐振频率偏移到6.1MHz。因此，响应现在包括最大值。这发生在大约5.4MHz处。该曲线图指示该电路既可以测量不同浓度，又可以针对不同浓度被优化。

图13(b)示出了实验响应。此处，可以看到与图13(a)相同的图案，虽然幅度不大：第一个最大值达到1.6V(而不是2.2V)。最小值为1.0V(而不是0.6V)，并且第二个最大值达到2.6V(而不是4.0V)。

图13(d)示出了与图13(b)相同的曲线图，但是现在将x轴转换为频率。添加了与关于空气的测量对应的线(最大值在5.65MHz处)。这条线的形状为正弦曲线，这条线表明能量没有被吸收到二次电路中。添加了与用纯水(而不是盐水)进行的测量对应的另一条线。可以看到，这条线仅包括小的下降，这对应于少的能量被吸收到二次电路中。

图14示出了从EP0750181A1已知的用于测量密闭容器中的液位的现有技术电路的电路图。所述专利申请涉及对容纳麻醉液体的液体容器中的液位的测量。在EP0750181A1的示例中，所述液体是七氟醚，七氟醚是非极性有机液体(氟化醚化合物)。基于所述专利申请中给出的值，计算出该七氟醚的相对介电常数约为5，这是相当大的。因此，高度怀疑所述液体是电解质溶液。根据EP0750181中的数据，L2被设置为10μH。R1被选为10⁶欧姆。交流电(3V3)和R3(1100V)被估计为与图13(a)和图13(c)的模拟中使用的交流电和R3相当。耦合因数被选为0.2，这对应于用于图13(a)和图13(c)中的曲线图的值(即0.17)。

图15(a)示出了针对L1为10μH(与L2相同)且C1为20pF的情况的结果。这是对应于盐水的情况。电导率为18mS。这对应于1.0重量％或10g/升的NaCl浓度。20pF对应于容器为空的情况。在这里，效果是在谐振曲线中可见非常小的下降，即在大约12MHz的谐振频率处从2.9V下降到2.7V。

图15(b)示出了二次电路的电容C1为98pF的情况下的结果。这对应于容器填充盐溶液的情况。现在，在谐振曲线中可见从2.8V到2.0V的下降。然而，下降在完全不同的频率即大约5MHz处出现。这使得借助于频率扫描来识别下降变得复杂。此外，下降非常窄。当信噪比降低时，该下降可能被吸收。

图15(c)示出了如图15(b)中电容C1为98pF的情况下的结果。然而，在这种情况下，电感L1从10μH增大到40μH。可以看到，下降从2.9V缩小到2.7V。

图15(d)示出了如图15(b)和图15(c)中电容C1为98pF的情况下的结果。然而，在这种情况下，电感L1降低到5μH。这将下降从2.4V增强到1.4V。

观察到，为了清楚起见，选择了0.2的耦合因数，以与本发明的情况相当。然而，在EP0750181中没有表明使用了这种耦合因数。确切地说，更有可能使用更高的耦合因数。表1示出了耦合因数的变化的计算结果。可以看到，谐振频率高度依赖于二次电路的电容和电感器之间的耦合因数二者。在这些谐振频率下的电压差仅约为50mV至80mV，这并不大。

总而言之，这使得很难获得用于电解质溶液的鲁棒的传感器系统。

耦合因数K	电容C1(pF)	频率(MHz)
			0.2	96	5.2
0.8	96	8.3
			0.2	20	11.5
0.8	20	19

表1-现有技术系统中对谐振频率的计算结果。

Claims (30)

1.一种卫生器具，包括管或腔室以及传感器电路，所述管或腔室设置有管壁并且被配置成在使用时容纳水溶液，所述传感器电路用于感测物质流入所述卫生器具，

其中，

-所述传感器电路包括一次电路和电容式传感器；

-所述一次电路包括谐振槽路，所述谐振槽路包括并联耦合至地的至少一个电容器和电感器，

-所述电容式传感器包括第一电极和第二电极，其中，在使用时所述水溶液构成所述电容式传感器的介质；

其特征在于，所述传感器电路还包括与所述一次电路相互电感耦合的二次电路，其中所述二次电路经由所述谐振槽路的电感器耦合至所述一次电路，并且

电感耦合的所述二次电路包括所述电容式传感器。

2.根据权利要求1所述的卫生器具，其中，所述传感器电路的所述一次电路包括输出电路，所述输出电路用于将从所述电容式传感器发送的响应调节成输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述一次电路包括信号发生器，所述信号发生器被配置成用于生成在高于1MHz的预定义频率范围内的信号，其中，感测事件可以由一系列信号形成。

4.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述一次电路的所述谐振槽路被配置成具有在1至50的范围内的品质因数。

5.根据权利要求4所述的卫生器具，其中，所述范围是2至20。

6.根据权利要求4所述的卫生器具，其中，所述范围是4至10。

7.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述一次电路中的所述谐振槽路被配置成具有谐振频率，并且所述二次电路被配置成具有以所述水溶液的预定义电导率限定的谐振频率，其中，所述谐振槽路的谐振频率与所述二次电路的谐振频率之比在0.5至2.0的范围内。

8.根据权利要求7所述的卫生器具，其中，所述谐振槽路的谐振频率与所述二次电路的谐振频率之比在0.8至1.3的范围内。

9.根据权利要求3所述的卫生器具，其中，所述信号发生器包括压控振荡器，并且其中，所述谐振槽路被配置成具有低于所述压控振荡器的中心频率的谐振频率。

10.根据权利要求9所述的卫生器具，其中，所述谐振槽路被配置成具有所述压控振荡器的所述中心频率的0.2倍至0.9倍的谐振频率。

11.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述一次电路和所述二次电路以在0.05至0.3的范围内的耦合因数相互电感耦合。

12.根据权利要求11所述的卫生器具，其中，所述一次电路和所述二次电路以在0.1至0.2的范围内的耦合因数相互电感耦合。

13.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述二次电路除了包括所述电容式传感器之外还包括电感器，所述二次电路的所述电感器被配置成用于电感耦合，在预定义浓度的所述水溶液的情况下所述二次电路的所述电感器和所述电容式传感器共同构成谐振槽。

14.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述第一电极和所述第二电极被布置成在使用时借助于保护层与所述水溶液分离。

15.根据权利要求14所述的卫生器具，其中，所述管壁或者所述管壁的一部分构成所述保护层。

16.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述第一电极和所述第二电极被布置和配置成感测邻近所述管壁的水表面的位置相对于参考位置的变化。

17.根据权利要求16所述的卫生器具，其中，所述变化为瞬时变化。

18.根据权利要求16所述的卫生器具，其中，所述传感器电路被配置成将固体物质流入所述管中与液体物质流入所述管中区分开。

19.根据权利要求1或2所述的卫生器具，其中，所述第一电极和所述第二电极被布置和配置成感测所述水溶液的电导率和/或所述电导率的变化。

20.传感器电路用于感测卫生器具中的水溶液的电导率或者所述电导率的变化的用途，所述传感器电路包括：

一次电路，所述一次电路包括信号发生器和谐振槽路，所述信号发生器被配置成用于生成感测信号，所述谐振槽路包括并联耦合至地的至少一个电容器和电感器；

二次电路，其电感耦合至所述一次电路，并且包括具有第一电极和第二电极的电容式传感器，其中，所述水溶液构成所述电容式传感器的介质，

其中，所述二次电路经由所述谐振槽路的电感器耦合至所述一次电路，以及

其中，所述一次电路还包括输出电路，用于将从所述二次电路发送的响应调节成输出信号。

21.根据权利要求20所述的用途，包括以下步骤：

-在所述一次电路中生成一个或更多个感测信号；

-经由电感耦合将所述一个或更多个感测信号发送至所述二次电路，其中，至所述二次电路的信号发送具有取决于所述水溶液的电导率的效率，从而限定了响应，

-将来自所述二次电路的取决于频率的响应调节成所述输出信号。

22.根据权利要求21所述的用途，其中，所述一个或更多个感测信号处于在所述一次电路中发生谐振的频率范围内。

23.根据权利要求21所述的用途，其中，以在0.05至0.3的范围内的耦合因数来执行所述发送。

24.根据权利要求21所述的用途，其中，以在0.1至0.2的范围内的耦合因数来执行所述发送。

25.传感器电路在包括管或腔室的卫生器具中的用途，所述管或腔室具有管壁并且被配置成用于保持具有水表面的水溶液，其中，所述传感器电路被配置成用于感测邻近所述管壁的所述水表面的位置相对于参考位置的变化，并且所述传感器电路包括：

-一次电路，所述一次电路包括信号发生器和谐振槽路，所述信号发生器被配置成用于生成感测信号，所述谐振槽路包括并联耦合至地的至少一个电容器和电感器；

-二次电路，其电感耦合至所述一次电路，并且包括具有第一电极和第二电极的电容式传感器，其中，所述水溶液构成所述电容式传感器的介质，

其中，所述二次电路经由所述谐振槽路的电感器耦合至所述一次电路，以及

其中，所述一次电路还包括输出电路，用于将从所述二次电路发送的响应调节成输出信号。

26.根据权利要求25所述的用途，其中，所述传感器电路被配置成用于感测邻近所述管壁的所述水表面的所述位置的瞬时变化。

27.根据前述权利要求25至26中任一项所述的用途，包括以下步骤：

-在所述一次电路中生成一个或更多个感测信号；

-经由电感耦合将所述一个或更多个感测信号发送至所述二次电路，其中，至所述二次电路的信号发送具有取决于所述水溶液的电导率的效率，从而限定了响应，

-将来自所述二次电路的取决于频率的响应调节成所述输出信号。

28.根据权利要求27所述的用途，其中，所述一个或更多个感测信号处于在所述一次电路中发生谐振的频率范围内。

29.根据权利要求27所述的用途，其中，以在0.05至0.3的范围内的耦合因数来执行所述发送。

30.根据权利要求27所述的用途，其中，以在0.1至0.2的范围内的耦合因数来执行所述发送。

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