CN1488509A - 液体检测装置、液体量检测装置及其检测方法 - Google Patents

液体检测装置、液体量检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

一种用于检测容器中液体的量的液体量检测装置。该液体量检测装置包括液体检测电路和确定单元。该液体检测电路包括：电极单元，该电极单元布置成与容器中的液体相接触，当与液体相接触时，它变得电导通；一个阻抗；和一个AC信号源。从AC信号源经电源阻抗向电极单元输入不包含DC分量的AC信号，并且输出代表电极单元的电连接状态的信号。而且，根据该输出信号，输出代表电极单元的电连接的存在或缺失的二进制信号。确定单元根据从液体检测电路输出的二进制信号确定在电极单元处液体的存在或缺失。

Description

液体检测装置、液体量检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测容器中的液体或液体量的液体检测装置或液体量检测装置。例如，本发明涉及一种用于检测喷墨打印机的墨盒里的墨水的剩余量的装置。
背景技术
在喷墨打印机中，墨水存放在墨盒中，并且墨水经过墨路从墨盒输送给墨喷射单元(头)，从而喷射墨滴。在喷墨打印机中，必须以相对高的精度对墨水的存在或缺失进行检测。这样做的第一个原因是，很难根据墨盒的外观从视觉上确定墨水的剩余量。
第二个原因是，如果喷射墨水直到墨水被完全用光的程度，那么用作“底剂(primer)”的墨水就变得无法使用了。就是说，空气进入了墨路，阻止了墨水被输送到喷嘴。在这种情况下，必须从开始端重新补充墨水以使墨水可以被喷射，否则墨水喷射单元可能会降低性能。作为喷墨打印机中的喷墨方法，热敏(thermal)法是众所周知的，其中，墨室中的墨水由加热元件快速加热以喷射出墨滴。如果即使没有墨水加热元件也产生热量，那么可能会使加热元件遭到破坏。因此，当墨水的剩余量达到某种程度时，墨水的喷射(打印)必须停止。
此外，第三个原因是，当使用大尺寸的打印纸时，如果没有精确地检测墨水的剩余量，那么就有可能造成在打印过程中墨水用光并且到此为止的打印全部白费了。
从上述的安全、经济等角度看，精确检测墨水的剩余量是有必要的。
已知的检测墨水剩余量的方法包括：(1)机械检测、(2)光检测、(3)基于电阻的变化进行的检测、(4)基于电容量的变化进行的检测，以及(5)基于对喷射量的计算进行的检测。
(3)中基于电阻的变化进行的检测的实例包括：(1)日本未审查专利申请公开第6-226990号(专利文件1)、(2)日本专利公开第2772015号(专利文件2)、(3)日本专利公开第2798948号(专利文件3)，以及(4)日本未审查专利申请公开第11-179936号(专利文件4)。
在基于电阻的变化进行的检测的实例中，按照专利文件1到3中所公开的方法，在液体中设置一对电极，并且从直流电源经由具有高电阻值的电阻器向这些电极馈送电流。施加在这一对电极上的电压根据该对电极之间的液体的存在或缺失变化。按照专利文件4中公开的方法，交流电被用于液体的检测。
然而，上面所介绍的相关现有技术具有下述的问题。
首先，像专利文件1到3中所公开的现有技术那样，当直流电流经液体时，依赖于电极的类型和液体的成分，发生了电解。因此，电极的表面很可能会发生变化，并且金属离子会游离到液体中，可能导致液体(墨水)特性的变化。此外，按照使用直流电的方法，如后面将要与本发明的实施例相比较而介绍的，电路系统的阻抗趋于变高，这造成高速检测很困难。
按照专利文件3中所公开的技术，为了克服这一缺点，在一个测量周期之后反转流经电极的电流方向。然而，按照这个方法，直流电被用于测量它本身，且通过测量由该直流电产生的离子通过持续同样长的时间的相反方向的DC电流的流动而被消除。因此，测量的速度是低的。
按照专利文件4中公开的技术，由于使用了交流电，因此不会出现电解问题。然而，液体是以模拟方式检测的，即，根据电容的变化检测液体量的变化。因此，检测到的标准是不稳定的，而且检测的结果是不可靠的。
发明内容
因此，本发明的主要目的是防止液体的电解(电离)的发生并且在实现可靠检测的同时不改变液体的特性。
在本发明的一个方面，提供一种用于检测装在至少一个容器中的液体的液体检测装置，该液体检测装置包括：一个包含有一个电极单元的液体检测电路，该电极单元由至少一对布置成与容器中的液体部分地接触的电极组成，当该对电极与液体接触时，该对电极彼此连通；一个阻抗；以及一个交流信号源；其中，液体检测电路经由具有一确定值的阻抗向电极单元输入一不包含直流分量的交流信号，输出代表该对电极之间的电连接状态的信号，并根据该输出信号输出一个代表该对电极之间的电连接的存在或缺失的二进制信号；以及一个用于根据从液体检测电路输出的二进制信号确定电极单元处的液体的存在或缺失的确定单元。
在本发明的另一个方面，提供一种用于检测装在至少一个容器中的液体的量的液体量检测装置，该液体检测装置包括：一个包含有一个电极单元的液体检测电路，该电极单元由一对布置成与容器中的液体至少部分地接触的电极组成，当该对电极与液体相接触时，该对电极彼此电连通；一个阻抗；以及一个交流信号源；其中液体检测电路通过具有一定值的阻抗向电极单元输入不包含直流分量的交流信号，输出代表该对电极之间的电连接状态的信号，并根据该输出信号输出代表该对电极之间的电连接的存在或缺失的二进制信号；以及用于根据从液体检测电路输出的二进制信号确定在电极单元处液体的存在或缺失的确定单元。
在本发明的另一个方面，提供一种用于检测装在至少一个容器中的液体的液体检测方法，其中，从交流信号源经由具有一定值的阻抗向一个电极单元输出不包含直流分量的交流信号，该电极单元由一对布置成与容器中的液体至少部分地接触的电极组成，当该对电极与液体相接触时，该对电极是彼此电连通的，其中输出代表该对电极之间的电连接状态的信号，其中根据该输出信号，输出代表该对电极之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，并且其中根据该二进制信号确定在电极单元处的液体的存在或缺失。
在本发明的另一个方面，提供一种用于检测装在至少一个容器中的液体的量的液体量检测方法，其中从一个交流信号源通过具有一定值的阻抗向一个电极单元输入不包含直流分量的交流信号，该电极单元由一对布置成与容器中的液体至少部分地接触的电极组成，当该对电极与液体相接触时，该对电极是彼此电连通的，其中输出代表该对电极之间的电连接状态的信号，其中根据该输出信号，输出代表该对电极之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，并且其中根据该二进制信号确定在电极单元处的液体的存在或缺失。
按照本发明，从交流信号源通过具有一定值的阻抗向电极单元输入一不包含直流分量的交流信号。
当该交流信号被输入到电极单元时，输出一个代表电极单元的该对电极之间的电连接状态的信号，并且根据该输出信号输出代表该对电极之间的电连接的存在或缺失的二进制信号。根据该二进制信号确定在电极单元处的液体的存在或缺失。
因此，由于向电极单元输入了不包含直流分量的交流信号，因此直流电不会流经液体，避免了液体特性的变化。此外，由于低传导阻抗，检测速度可以得到提高。
此外，由于是通过输出二进制信号确定液体的存在或缺失，因此可以实现数字处理，有助于提高检测的可靠性。
附图说明
图1是表示等效阻抗电路的示意图；
图2是表示图1中所示的等效阻抗电路的模拟结果的示意图；
图3A和3B是具体地表示由于DC检测和AC检测之间的不同导致的电路阻抗上的不同的示意图；
图4是表示按照本发明的一个实施例的液体量检测装置的构造的示意图；
图5是用于解释按照第一实施例的检测操作的波形图；
图6是表示第一实施例中的液体检测电路的示意图；
图7是表示本发明的第二实施例的波形图，并且它对应于第一实施例的图5。
图8是表示本发明的第三实施例的示意图，并且它对应于第一实施例的图6。
图9是关于图8中所示的电路图的波形图，并且它对应于第一实施例的图5。
图10是表示本发明的第四实施例的电路图，并且它对应于第一实施例的图6；和
图11是关于图10中所示的电路图的波形图，并且它对应于第一实施例的图5。
具体实施方式
现在，将参照附图对本发明的实施例进行说明。
按照本发明，在液体中布置一对电极，并且根据在该对电极之间流动的电流判断液体的存在或缺失。这里所使用的电流是交流电流，而不是直流电流。下面将对其原因进行说明。
当测量与液体相接触的电极之间的电阻时，例如，使用万用表，这一电阻并不非常依赖于电极之间的距离，并且起初电阻非常大，并随时间的变化而变低。这一现象可以解释为：由于在电极之间使用直流电进行的测量本身所导致的电解的不断进行造成了离子的增加，虽然该现象主要依赖于电极的材料、表面处理的条件、与液体接触的表面面积、液体的特性等等。现在，令电极之间的距离表示为L而电流从中流过的电极的横截面积表示为A。那么，在一个给定的容器中，已知L/A是一个常数值(＝K)。电极之间的液体的电阻R是R＝K/k，其中k表示液体的电导率。
根据上面所介绍的考虑电极之间的阻抗(Zx)，认为图1中所示的等效阻抗电路是适当的。在图1中，电阻器Rdc代表在一个短周期内用直流电测量的液体的电阻。电容器Cx代表液体的静电电容。电阻器Rac代表用交流电测量的液体的电阻。由于用直流电测量和用交流电测量之间的测量值不同，因此电容器Cx与电阻器Rac串接。
图2是表示图1中所示的等效阻抗电路的计算结果的示意图。在该计算中，用于喷墨打印机的墨水被选作为该液体。
在图2中，横轴表示频率(Hz)，而纵轴表示图1中所示的等效电路的电极之间的输出电压(mV)。
此外，在图2所示的电路中，信号源V1是一个AC信号源，并且电阻器R2是信号源内阻。
如根据图2所显见的，在该计算过程中的液体和电极的条件下，当频率不高于100Hz时，使用交流电流测量到的电阻是几个MΩ，它基本上等于当使用直流电流测量时得到的电阻；然而，当频率是从100Hz到1kHz时，电阻显著性地降低了(从3MΩ到500Ω)，并且甚至依赖于该液体和电极条件下减小到了将近1/10000。
这说明：
(1)在利用液体的电阻(或电导)作为开关检测液体的过程中，当使用直流电时，在导电状态下(当液体存在于电极之间时)，高的传导电阻是不可避免的；然而，使用具有几个kHz或更高频率的交流电进行测量时，总电阻可以被减小三或四个数量级。
(2)按照上述的计算方法，当使用交流电时所测量的液体的电阻在一个相当宽的频带内是一个低的/常数值。因此，当落在这个频带内的AC信号由信号源经由串联电阻施加给这一开关时，该开关呈现出高的开/短路率。
(3)能够防止寄生电容和/或串扰的影响，因为电路电阻很低。尤其地，如果检测的输出值是二进制的，那么这一趋势将得到加强。
图3A和3B是具体地表示使用直流电检测和使用交流电检测之间的电路阻抗的不同的示意图。图3A表示使用直流电检测的一个模型，而图3B表示使用交流电检测的一个模型。在图3A和3B中，V1和V2分别表示信号源，并且电阻Rg表示信号源内阻。Cs表示电极之间的寄生电容。S-Sw表示电极选择开关，而W-Sw表示根据通过液体的传导而起作用的开关。
DC检测和AC检测之间的主要区别在于，在DC检测中只使用一个门限值(是否超过某一个标准)，然而在AC检测中通常使用两个以0为中心的门限值。
在DC检测中，需要使在电极之间流动的电流最小化，以缓解电离的问题。
出于这个原因，信号源内阻Rg和电极间电阻Rdc的值必须非常大，如图3A中的DC检测模型中所示的。因此，由从信号源内阻Rg延伸到电极的线路和电极自身造成的寄生电容Cs的影响变大了。
在图3所示的例子中，DC检测和AC检测之间的信号源内阻Rg的值相差三个数量级。这一差别导致了电极的条件稳定了并且可以开始测量之前的时间上的差异。
例如，在DC检测的情况下，假设寄生电容Cs是5pF，Tdc是一个很大的值，在50μsec左右。因此，如果电极的数量较少(例如，如果粗略的检测就足够了，或者，如果所监控的容器的数量较少)，或者如果整个检测操作的缓慢周期是可以接受的，那么单一的检测电路可以满足要求。
然而，例如，在喷墨打印机的情况下，不同容器中的四到七种颜色的墨水的剩余量必须以高速和高精度进行检测，并且电极之间和容器之间的距离往往较长。在这种情况下，可能每种颜色都需要一个检测电路，而单个的检测电路就不够了，否则电路结构会变得复杂。
此外，在DC检测中，为了检查在给定的时间内施加在电极上的电压会升高到什么样的程度，峰值的测量是很关键的。因此，通常要使用峰值检波器。在峰值检波中，原则上讲，所检测的值必须被保持直到该值作为有效数据被输出，并且在下一次测量开始之前该值必须被清除。也就是说，在DC检测中，除了上升时间外，由于寄生电容的模拟延迟和峰值检波器的在先值的清除导致在测量中花费了额外的时间。因此，整个测量花费了较长的时间。
另一方面，在AC检测中，由于液体的导电性降低了初始电路阻抗，因此收敛到峰值所花费的时间大大短于DC检测中的时间，并且根据所给定的信号，可以精确地预计用于检测峰值的定时。
例如，正弦波的电平在90度时变得最高，并且已经经过一次积分电路的方波的电平(没有DC)仅仅在波的极性改变之前表现为最高正值或负值。
从上面所介绍的内容来看，在检测液体时，使用交流电要好于使用直流电，所以在本发明中使用了交流电。
现在，将对按照本发明的实施例的液体量检测装置进行说明。
第一实施例
图4是表示按照本发明第一实施例的液体量检测装置10的结构的示意图。如图4所示，将由该液体量检测装置10进行检测的导电性液体装在容器T(T1和T2)中。
例如，如果该液体量检测装置10被用于喷墨打印机中，那么容器T就是墨盒，而容器T中的液体就是喷墨打印机中使用的墨水。在使用多种颜色的墨水的彩色喷墨打印机的情况下，为每种颜色配备有一个容器T(墨盒)。
按照这一实施例的液体量检测装置10包括一个液体检测电路20、一个控制器30以及一个剩余量指示单元40。
液体检测电路20包括一个AC信号源(V1)21、一个阻抗(Zs)22、一个开关(SW)23、一个门限值检测单元24、一个数据采集单元25以及一个带有电极单元26(26a到26e)的检测器基板27。下面将介绍液体检测电路20的详细电路结构。
由AC信号源21产生的AC信号经过阻抗22(阻抗22是使用接触电阻构成衰减器的电源阻抗)，从而其DC分量被消除，并且结果得到的不包含DC分量的AC信号被馈送给电极单元26。取决于电极单元26是否与液体相接触，产生一个足够的电势差。
对开关23进行控制，以使从AC信号源经阻抗22馈送来的AC信号将被输入给电极单元26中选定的一个。
电极单元26由成对的电极26a到26e组成，这些成对的电极被布置成至少部分地与容器T中的液体相接触。当与液体相接触时，这些成对的电极26a到26e变得电导通了。在这个实施例中，电极单元26被装配在检测器基板27上，并且检测器基板27被布置在容器T内部。
在这个实施例中，电极单元26被布置在容器T内部，并且该液体量检测装置10的部件除了电极单元26外都布置在容器T的外部。
在这个实施例中，四对电极(26a到26d和26e之间)被配置在一个容器T中(在图4中每个电极对用椭圆形虚线圈出)。这些电极对由检测电极26a到26d和一个公共电极26e组成。检测电极26a和公共电极26e、检测电极26b和公共电极26e、检测电极26c和公共电极26e、检测电极26d和公共电极26e被布置得彼此靠近、形成各个电极对。
检测电极26a到26d在垂直方向上以均匀间隔平行地布置。当容器T中的液体减少时，如在图4中所看到的，液面从上到下移动。就是说，当液体的量减少时，液面在垂直方向上变低。
检测电极26a被布置在检测电极26a到26d中的最上部的位置上。这是一个当容器T是满的时候与容器T中的液体相接触的位置。检测电极26被布置在容器T的末端附近。
此外，在一个检测基板27上配置有一个公共电极26e，并且该单个的公共电极26e与所有四个检测电极26a到26d相组合。该公共电极26e接地(GND)。(公共电极26e应当被连接到一个具有一个确定电压或接地的公共线路上。但是，只要防止了直流电流，接地就不是必须的了；然而，由于在门限值检测单元24中地电位通常被用作电位参考，因此公共电极26e被接地。)
所有的检测电极26a到26d和公共电极26e被做成具有基本相同的表面面积、形状等，以致它们的阻抗特性可以几乎相同。这是因为如果在各电极单元26中阻抗特性不同，那么用于检测液体的正确状态的范围会变得比较窄(检测是由一个单一的电路做出的)。
虽然在图4中示出了两个容器T1和T2，但是容器T的数量是任意的。当配置了更多的容器T时，为每个额外的容器T配置前面介绍的检测器基板27，并使开关23的额外的节点23a与用于容器T的检测电极26a到26d联系起来。此外，用于新增的容器T的公共电极26e被连接到用于容器T1和T2的公共电极26e所连接的线路上，从而它被接地。
门限值检测单元24输出一个代表电极从26a到26d与26e每一对之间的电连接状态的信号。
根据从门限值检测单元24输出的信号，数据采集单元25输出一个代表电极26a到26d和26e的每一对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号。
控制器30具有一个CPU和一个存储器(存储装置)，并且它包括一个确定单元31，该确定单元31用于根据从液体检测电路20输出的二进制信号判断液体在电极单元26处的存在或缺失。而且，控制器30能够控制开关23的节点23a的切换(节点选择功能)。
剩余量指示单元40根据控制器30的确定单元31的确定结果分阶地显示容器T中的液体的剩余量。在这个实施例中，分五阶表示剩余量。
输出自AC信号源21的AC信号流经阻抗22，从而滤除了AC信号中的DC分量。结果得到的AC信号被馈送给开关23。
开关23将AC信号源21电连接到检测电极26a到26d中的某一个。即，开关23将已经流过阻抗22的AC信号传送给检测电极26a到26d中所选定的一个。
当液体存在于电极26a到26d和26e的每一对之间时，检测电极26a到26d被电连接到公共电极26e。因此，电流在检测电极26a到26d和公共电极26e之间流动，并且被传送到地电极。从而，输入给门限值检测单元24的信号表现为在电压上没有明显的变化(因为来自V1的信号充分衰减了)。另一方面，当电极26a到26d和26e的每一对之间都不存在液体时，检测电极26a到26d实质上是开路的。因此，在检测电极26a到26d和公共电极26e之间没有明显的电流流过。从而，输入给门限值检测单元24的信号表现为几乎与V1∶21相同的等级。
当上述的信号被输入给门限值检测单元24时，执行门限值检测，并且该检测的输出值被输入给数据采集单元25。数据采集单元25进行同步检测。数据采集单元25从AC信号源21接收一个用于检测的时钟信号，对该时钟信号进行控制，以使其与由门限值检测电路24输入的信号同步。在这个实施例中，时钟信号和AC信号原本是由AC信号源21产生的同一信号，所以这些信号的周期可以彼此同步。由于这些信号是彼此同步的，因此通过利用同步检测，可以加速测量。显然，时钟信号可以分离于AC信号源而由另一个信号源产生。在那种情况下，通过使两种信号同步可以容易地实现同步检测，并可以达到与时钟信号和AC信号是由同一个信号源产生的相同信号的情况相同的效果。
数据采集单元25输出一个代表电极26a到26d和26e的每一对之间的电连接存在或缺失的二进制信号。确定单元31接收该二进制信号，并根据二进制信号的组合确定电极单元26处的液体的存在或缺失。
此外，代表由确定单元31所做确定的结果的信号被输入给剩余量指示单元40。该剩余量指示单元40包括例如一个显示器，该显示器分五阶显示每个容器T中的液体的剩余量。例如，对于在一个容器T中的液体的剩余量，如果所有四个电极单元26都检测到了液体，则显示“4”。如果下端的三个电极单元26而不是最上端的电极单元26(检测电极26a和公共电极26e)检测到了液体，则显示“3”。类似地，如果四个电极单元26中的任何一个都没有检测到液体，则显示“0”。
图5是用于解释本实施例中的检测操作的波形图。图5中所示的检测操作只是用于说明检测操作的一个实例，并不涉及图4中所示的电极单元26和容器T中墨水量的状态。即，为了说明的目的，图5中所示的检测操作是这样一个例子：其中状态以“墨水有”、“墨水缺”、“墨水有”和“墨水缺”的顺序变化。
在图5中，(A)部分是从AC信号源21输出的AC信号的波形图。该AC信号是周期为2μsec且振幅为+5.0V到0V的方波。
(B)部分是经过阻抗22的由AC信号源馈送的AC信号的波形图，该信号已经被从中滤除了DC分量，并且其振幅在+2.5V到-2.5V的范围内变化。
如(B)部分中P1所指示的，开关23和节点23a之间的连接在AC信号的周期的一个循环(2μsec)处变换。更具体地讲，开关23和节点23a之间的连接在方波的下降沿的时刻切换，由箭头P2标出。
因此，在AC信号的第一周期期间(0到2μsec)，开关23被连接到与用于容器T1的检测电极26a相联结的节点23a上。然后，在2μsec的时刻，开关23被转换到与用于容器T1的检测电极26b相联结的节点23a上。因此，在第二个周期中(2到4μsec)，来自AC信号源21的AC信号被馈送给检测电极26b。因此，通过与来自AC信号源21的AC信号同步地控制开关23的切换，可以有效地切换与电极单元26的连接状态。
而且，并不限于对单个容器T中的液体的检测，通过对所有的容器T1、T2...依次切换与电极单元26的连接，通过时分，可以将单个液体检测电路20连接到所有的容器T的电极单元26上。
在图5中，(C)部分是示出从电极单元26输入给门限值检测单元24的信号的波形图。在0到2μsec的第一个周期内的波形代表容器T的检测电极26a和公共电极26e之间的电连接状态。在2到4μsec的下一个周期内的波形表示容器T的检测电极26b和公共电极26e之间的电连接状态。
从电极单元26输入的信号被输入给门限值检测单元24，在此进行门限值检测。
(D)部分是表示从门限值检测单元24输出的信号的波形图。在这个例子中，在负值一侧设置门限值P3(在本例中实质上为-1V)以在电极单元26处输出信号衰减的状态。即，当从电极单元26输入的值(该值在+2.5V到-2.5V范围内变化)变得比门限值P3更小时，如在(C)部分中用椭圆形虚线所圈入的，则输出一个反向值。
(E)部分是示出从数据采集单元25输出的信号的波形图。参照(D)部分中的波形图，同步检测是基于时钟信号的周期进行的，并且输出代表电压是否大约为+5V的二进制信号。在图5所示的例子中，在1、3、5、...μsec的时刻执行检测，如箭头P4所指示。例如，在从0到2μsec的第一个周期中，在1μsec的时刻执行检测。在(D)部分所示的波形图中，信号具有大约+5V的电压，从而输出代表“电压存在”的信号。这个信号被保持到下一次检测。
在3μsec的时刻执行下一次检测。此时，(D)部分所示的波形图中的信号不具有大约+5V的电压，从而输出代表“电压缺失”的信号。类似于上述情况，这一信号被保持到5μsec，它是下一次检测的时刻。通过如上面所述的与时钟信号同步地执行检测，可以在固定的时刻执行(每一次)检测。
接下来，将对液体检测电路20的特定电路结构进行说明。图6是按照本实施例的液体检测电路20的电路图。
本实施例中的AC信号源V1(21)使用具有0到5V的振幅和250kHz的频率的信号，它是在CMOS逻辑电路中使用的。
电容器C1滤除了由AC信号源V1馈送的AC信号中的DC分量。该电容器C1经一个具有4.7kΩ阻值的电阻器R1接地。此外，电容器C1经一个具有22kΩ阻值的电阻器R4连接到开关23。在这个电路图中，通过由电容器C1和电阻器R1和R4组成的T型电路实现阻抗网络Zs。
晶体三极管Q1和Q2结合晶体三极管Q3和Q4组成了微分放大器，它将由连接到晶体三极管Q3的基极上的检测电极26a到26d所检测到的信号与预置在晶体三极管Q4的基极上的门限值(在本实施例中为大约-1V)相比较，从而检测信号的变化。
此外，该布置使得仅当晶体三极管Q3的基极电位降低到晶体三极管Q4的基极电位以下时，电流才流到晶体三极管Q4的集电极。事实上，仅当为检测所提供的信号是在负值一侧并且低于门限值时(即，当液体与电极单元26不相接触时)才有电流流过。
晶体三极管Q5和Q6使晶体三极管Q4的集电极电流反相并且该反相电流流向晶体三极管Q6的集电极，从而产生跨越具有3.3kΩ阻值的电阻器R5的电压。仅当确定电极单元26不与液体相接触的时候，才产生跨越电阻器R5的电压。
对于跨越电阻器R5所产生的电位差，对晶体三极管Q6的集电极电流和电阻器R5之间的关系进行选择，以使得晶体三极管Q6可以被饱和(在接近5V的最大电位时)。因此，当产生了跨越电阻器R5的电压时，对于由执行下一次同步检测的CMOS的DFF(D触发器)进行的检测来说足够大的信号被馈送给其D输入端。
DFF通过其CLK输入端接收时钟信号(检测信号)，该信号与前面所介绍的AC信号完全相同，并进行确定。
在图6中，从AC信号源V1输出的AC信号和电容器C1的输入以及输入给DFF的CLK输入端的时钟信号对应于由图5中的(A)部分示出的波形图所表示的信号。已经通过电容器C1的AC信号对应于由图5中的(B)部分所示的波形图所表示的信号，该AC信号不包括DC分量。
从电极单元26输入的信号(检测器输入)对应于由图5中的(C)部分所示的波形图所表示的信号。馈送给DFF的D输入端的信号(检测器输出)对应于由图5中的(D)部分中所示的波形图所表示的信号。从DFF输出的信号(同步检测器输出)对应于由图5中的(E)部分中所示的波形图所表示的信号。
第二实施例
图7是表示本发明的第二实施例的波形图，并且它与用于第一实施例的图5相对应。
在第一实施例中，已经从中滤除了DC分量的AC信号是方波；然而，在第二实施例中，使用了正弦波。
在图7中，从AC信号源21输出的原始信号是方波，如(A)部分所示。该信号例如，通过低通滤波器被转换为(B)部分中所示的正弦(或类似的)波。
(B)部分中所示的信号是通过将方波转换为正弦(或类似的)波并从该正弦波中滤除了DC分量而得到的。在图7的(A)部分中，与图5的(A)部分相比较，相位被移动了1/4，如由P5所指示。因此，正弦波在1、2、3、...μsec时穿过0V。
那么，当时钟信号上升时(当正弦波达到最小值时)执行检测。与图5中相同，检测的时刻由箭头P4指示。
在使用正弦波的情况下，与使用方波的情况相比较，有利的是，信号需要较窄的带宽，并且因此，可以缓解不希望有的辐射的问题。而且，由于该波形在检测期间不是很明显地受环境和条件的影响(因为正弦波的性质)，因此即使在其中到检测点的距离往往较长的大尺寸装置中，检测也可以适当地进行。此外，与使用方波的情况相比，由于使用了较高的时钟频率，可以提高检测速度。不过，如前面所介绍的，正弦波必须与系统同步。
也可以使用经过低通滤波的方波。在那种情况下，阻抗(Zs)22由低通滤波器和用于调节阻抗的电阻器实现。
第三实施例
图8是表示本发明的第三实施例的电路图，并且它与用于第一实施例的图6相对应。图9是与图8中所示的电路图相关的波形图，并且它与用于第一实施例的图5相对应。
在第一实施例中，需要±5V的电源，如图6所示。与此不同，在第三实施例中，仅+5V的电源V2就足以实现与第一实施例相同的功能。
在这个电路中，测量的平均电压等于时钟信号的DC分量。因此，如果使用5V的电源，测量在2.5V或接近中心处进行。为了比较的目的，使用了一个连接到晶体三极管Q2的基极上的2.2V的DC电源V3。
此外，尽管在第一实施例中开关23的所有节点23a都被连接到了检测电极26a到26d上，但是在第三实施例中，还额外配置了一个连接到公共电极26e上并因此接地的节点23a’。
例如，当关闭了液体检测装置10的电源时，开关23被选择性地连接到节点23a’上。
例如，当液体检测装置10被打开或关闭时，选取节点23a’，从而电容C1被很快地充电或放电，而不会导致电流流过与液体相接触的电极单元26。即，在液体检测装置10刚刚被打开之后或当液体检测装置10没有进行操作时，在每一个电极对之间(在检测电极26a到26d和公共电极26e之间)残存有电位差。该残存的电位差随着时间的流逝而减小。然而，如果这被重复很多次的话，液体的电解可能会增大。因此，在第三实施例中，为了避免这个情况，当系统没有准备好由液体检测装置10进行测量时，开关23被连接到节点23a’。
第四实施例
图10是表示本发明第四实施例的电路图，并且它与用于第一实施例的图6相对应。图11是与图10中所示的电路相关的波形图，并且它与用于第一
实施例的图5相对应。
按照第四实施例的电路，类似于第三实施例，使用了一个+5V的单电源V2。在第三实施例中，2.2V的DC电源V3被用于比较和检测。与此不同，在第四实施例中，已经通过电阻器R2和R5的时钟信号被平等地施加给晶体三极管Q1和Q2的基极(该时钟信号实际上仍存在DC分量)，作为门限值检测单元24的输入，并且以电源电压的大约一半，即以2.5V，进行门限检测。
此外，晶体三极管Q1的基极电位必须由门限值维持在较高状态，即，在该实施例中，必须使用在中间电平的一侧上的信号执行检测。因此，具有220kΩ阻值的电阻器R4被用于轻微分压，从而降低了晶体三极管Q2的基极电位。
通过上面所介绍的电路结构，即使电源电压发生波动，也可以实现稳定的检测。而且，当电极单元26与液体相接触时，保持在晶体三极管Q1的基极处的信号电压实质上可以等于施加给晶体三极管Q2的基极的信号电压，从而输出几乎不受影响。即，检测的信噪比(S/N)可以得到提高(动态范围可以被增加)。
在图11所示的波形图中，正如从(B)部分(Vb(Q1)-Vb(Q2))看出的那样，在下面紧接着出现的时钟信号V(检测器输入Detector-Input)可以实质上被消除，该时钟信号依照信号源内阻R2(20kΩ)与使用交流电所测得的液体的传导电阻(在本实施例中假设为500Ω)的比值而衰减，如(B)部分中由椭圆形虚线围绕的P6所指示。
理论上讲，如果开关23的电阻与电极单元26在液体中的传导电阻的总和等于电阻器R1的阻值(本实施例中是820Ω)，那么被衰减的时钟信号的值实际上可以被消除。因此，可以使用一个变阻器作为电阻器R1以按照实际状态进行调整。
上面所介绍的实施例具有下面的优点：
(1)由于一个完整周期的或数个完整周期的AC电流流过了检测电极2到26d，因此防止了液体的电解，达到了避免液体性质变化的目的。
(2)来自容器T的电信号被分别处理，并且没有DC电流流过，而只有微弱的AC电流流过。因此，处理含水液体的系统的安全性可以得到提高。
(3)在单个的电极单元26处进行的测量确定电连接的存在或缺失，而不是测定模拟量。因此不需要校正，提高了可靠性，并且测量精度仅取决于所提供的电极单元26的数量。
(4)利用为测量而提供的电极单元26，仅一个液体检测电路20就足够了。因此，可以简单经济地实现液体量检测装置10。
(5)由于与DC检测相比，传导电阻比较低，因此电极单元26的面积可以做得比较小。因此，不需要占用大空间就可以实现精确的检测，并且还可以布置大量的电极单元26。
(6)由于与DC检测相比，可以快速地实现测量，因此测量和显示的速度可以在总体上得到提高。
(7)由于能量消耗很小，因此即使是用电池供电的操作也是可以实现的。
(8)由于可以使用音频频段到AM频段的信号，因此基本上不需要特殊的措施来防止不希望的辐射。
(9)由于对于所有的检测电极26a到26d，单个的液体检测电路20的操作就足够了，因此在观测和检测过程中相互串扰的影响可以基本上消除。
(10)由于容器T只需要容纳电极单元26，因此容器T的结构可以得到简化。
虽然已经通过特定的实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于这里所介绍的实施例，而可以有多种改动，包括下述内容：
(1)按照这些实施例的液体量检测装置10可以用在各种用于检测和/或显示各种容器T中的各种液体的存在或缺失或者其剩余量的装置，而不是限于检测喷墨打印机中的墨水的剩余量。
(2)在上面所介绍的实施例中，容器T中的液体的剩余量用“0”到“4”的值表示。作为可选方式，可以为每个容器T配备四个LED，通过点亮或关闭LED指示液体的剩余量。例如，当所有四个电极单元26都检测到液体时，所有的LED都被点亮。如果较低的三个电极单元26检测到液体，而最上端的电极单元26(检测电极26a和公共电极26e)没有检测到液体，那么三个LED被点亮而一个LED被关闭。如果没有电极单元26检测到液体，那么所有的LED都被关闭。
(3)在第三和第四实施例中，接地的节点23a’被配置为开关23的一个节点。可选择地，例如，这一布置可以使得开关23能够与所有的节点断开连接。即，只要检测电极26a到26d可以被电断开，布置就可以是任意的。
(4)在这些实施例中，由所有的电极单元26检测液体的存在或缺失。作为替换，例如，在单个容器T中也可以从最上端的电极单元26(检测电极26a和公共电极26e)开始依序进行检测，跳过由在已检测到液体存在的电极单元26下方的电极单元26进行的液体的存在或缺失的检测。
而且，并不限于对容器T中的液体的存在或缺失或者液体的剩余量的检测，也可以检测在其它部件中的液体。例如，当该装置被用在喷墨打印机中时，电极单元26可以装配在安装在紧靠着打印头的上游的盒(墨池)中，以检测该盒中的墨水的存在或缺失。而且，为了保护打印头，如果确定在该盒中不存在墨水的话，可以进行控制以停止打印。
(5)用于滤除自AC信号源21馈送来的信号中的DC分量的阻抗22可以由各种元件实现，例如，一个或多个电容器或者电阻器，或者它们的组合。如果由AC信号源21产生的原始信号不包含DC分量，那么阻抗22可以仅由一个电阻器来实现。如果需要滤除DC分量，那么就将一个电容器串联在电阻上。
(6)在这些实施例中，在单个容器T中配置有多个电极单元26，以检测该容器T中的液体的剩余量。作为替换，例如，可以在容器T的底部配置一个单个的电极单元26，以仅检测液体有还是没有。
按照本发明，由于液体中没有直流电流流过，因此液体的性质不会改变。而且，传导电阻可以做得很小。而且，检测速度可以得到提高。
此外，由于液体的存在或缺失是通过输出二进制信号来确定的，因此可以实现数字处理，达到了提高检测可靠性的目的。

Claims (18)

1.一种用于检测装在至少一个容器中的液体的液体检测装置，该液体检测装置包括：
液体检测电路，包括：由被布置成至少部分地与容器中的液体相接触的电极对组成的电极单元，当电极对与液体相接触时，该电极对将会彼此电连通；电源阻抗；以及一个交流信号源；其中，液体检测电路通过电源阻抗向电极单元输入不包含直流分量的交流信号、输出代表电极对之间的电连接状态的信号，并根据该输出信号输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号；以及
确定装置，用于根据由液体检测电路输出的二进制信号确定在电极单元处的液体的存在或缺失。
2.一种用于检测装在至少一个容器中的液体量的液体量检测装置，该液体量检测装置包括：
液体检测电路，包括：由被布置成至少部分地与容器中的液体相接触的电极对组成的电极单元，当电极对与液体相接触时，该电极对将会彼此电连通；电源阻抗；以及一个交流信号源；其中，液体检测电路通过电源阻抗向电极单元输入不包含直流分量的交流信号、输出代表电极对之间的电连接状态的信号，并根据该输出信号输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号；以及
确定装置，用于根据由液体检测电路输出的二进制信号确定在电极单元处的液体的存在或缺失。
3.按照权利要求2的液体量检测装置，其中代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号是根据由交流信号源产生的交流信号的周期而输出的。
4.按照权利要求2的液体量检测装置，其中液体检测电路产生用于输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号的时钟信号，并进行控制以使由交流信号源产生的交流信号与时钟信号彼此同步。
5.按照权利要求2的液体量检测装置，其中多个电极单元被配置在单个容器中，并且布置在依照容器中的液体减少时液面降低的方向上的多个位置处，其中液体检测电路输出代表各个电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，并且其中确定装置根据与各个电极对相关联的二进制信号，以分阶的方式确定容器中的液体的剩余量。
6.按照权利要求2的液体量检测装置，其中多个电极单元被配置在单个的容器中，并布置在依照容器中的液体减少时液面降低的方向上的多个位置处，其中液体检测电路根据由交流信号源产生的交流信号的周期，输出代表各个电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，其中确定装置根据与各个电极对相关联的二进制信号，以分阶的方式确定容器中的液体的剩余量，并且其中交流信号源被连接到多个电极单元上，以使交流信号源与多个电极单元中的一个的连接可以切换为交流信号源与多个电极单元中的另一个的连接，交流信号源与多个电极单元之间的连接与交流信号的周期同步地切换。
7.按照权利要求2的液体量检测装置，其中多个电极单元被配置在单个的容器中，并布置在依照容器中的液体减少时液面降低的方向上的多个位置处，其中液体检测电路输出代表各个电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，其中确定装置根据与各个电极对相关联的二进制信号，以分阶的方式确定容器中的液体的剩余量，其中液体检测电路产生用于输出代表各个电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号的时钟信号，并进行控制，以使由交流信号源产生的交流信号与时钟信号彼此同步，并且其中交流信号源被连接到多个电极单元上，以使交流信号源与多个电极单元中的一个的连接可以切换为交流信号源与多个电极单元中的另一个的连接，交流信号源与多个电极单元之间的连接与时钟信号同步地切换。
8.按照权利要求2的液体量检测装置，其中电极单元被配置在多个容器的每一个中，并且其中的液体检测电路，按时分方式，连续地输出代表多个容器中的各个电极对之间的电连接状态的信号。
9.按照权利要求2的液体量检测装置，其中液体检测电路的电极单元被布置在容器的内部，而其中液体检测电路的除了电极单元以外的其它部件以及确定装置都布置在容器的外部。
10.按照权利要求2的液体量检测装置，其中配置有多个电极单元，并且其中多个电极单元的阻抗特性是相同的，以利于二进制化的确定。
11.按照权利要求2的液体量检测装置，其中液体检测电路利用交流信号的正极性信号和负极性信号中的至少一个，来输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号。
12.按照权利要求2的液体量检测装置，其中允许液体检测电路将交流信号源从由交流信号源向其输入交流信号的电极单元的节点上断开。
13.按照权利要求2的液体量检测装置，其中允许液体检测电路将交流信号源从由交流信号源向其输入交流信号的电极单元的节点上断开，并从而将交流信号源连接到接地点或某一电位的线路上。
14.一种用于检测装在至少一个容器中的液体的液体检测方法，其中由交流信号源经过电源阻抗向一个电极单元输入不包含直流分量的交流信号，该电极单元由被布置成与容器中的液体至少部分地相接触的电极对组成，当该电极对与液体相接触时，该电极对彼此电连通，其中输出代表电极对之间的电连接状态的信号，其中根据该输出信号，输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，并且其中根据该二进制信号确定在电极单元处液体的存在或缺失。
15.一种用于检测装在至少一个容器中的液体量的液体量检测方法，其中由交流信号源经过电源阻抗向一个电极单元输入不包含直流分量的交流信号，该电极单元由被布置得与容器中的液体至少部分地相接触的电极对组成，当该电极对与液体相接触时，该电极对彼此电连通，其中输出代表电极对之间的电连接状态的信号，其中根据该输出信号，输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，并且其中根据该二进制信号确定在电极单元处液体的存在或缺失。
16.按照权利要求15的液体量检测方法，其中根据由交流信号源产生的交流信号的周期，输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号。
17.按照权利要求15的液体量检测方法，其中产生用于输出代表电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号的时钟信号，并且其中进行控制以使由交流信号源产生的交流信号与时钟信号彼此同步。
18.按照权利要求15的液体量检测方法，其中多个电极单元被配置在单个容器中，并且布置在依照容器中的液体减少时液面降低的方向上的多个位置处，其中输出代表各个电极对之间的电连接的存在或缺失的二进制信号，并且其中根据与各个电极对相关联的二进制信号，以分阶的方式确定容器中的液体的剩余量。
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