KR20170054404A

KR20170054404A - 가변 위상 혼합을 이용한 도전성 액체 특성 측정

Info

Publication number: KR20170054404A
Application number: KR1020177006794A
Authority: KR
Inventors: 제임스 그레고리 스탠리
Original assignee: 본스인코오포레이티드
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-05-17
Also published as: CN106716117B; EP3215833A4; EP3215833B1; KR102185888B1; US20160077030A1; JP2017528717A; JP6970785B2; US9465001B2; WO2016044302A1; EP3215833A1; JP2020169997A; CN106716117A

Abstract

측정 회로를 이용하여 유체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템 및 방법. 일 구현에서, 측정 회로는 감지 컴포넌트, 감지 컴포넌트에 접속된 전류 공급기, 감지 컴포넌트에 스위칭 가능하게 접속된 센서, 감지 컴포넌트에 스위칭 가능하게 접속된 컴포넌트 어레이, 및 감지 컴포넌트에 접속된 모니터링 회로를 포함한다. 감지 컴포넌트 양단의 전압을 측정하는 동안 제어기가 회로의 병렬 임피던스의 스위치 인 및 아웃을 행함으로써 측정 회로의 교정을 수행한다. 전압들은 교정에 의해 결정되는 적어도 2개의 상이한 위상각에서 측정된다. 상이한 임피던스들 및 상이한 위상들에서의 전압들이 결정되면, 제어기는 고정 용량 또는 저항 선들 사이의 보간에 의해 유체의 전기적 특성의 값을 계산한다.

Description

가변 위상 혼합을 이용한 도전성 액체 특성 측정{CONDUCTIVE LIQUID PROPERTY MEASUREMENT USING VARIABLE PHASE MIXING}

관련 사건의 상호 참조

본원은 2014년 9월 15일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/050,656호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

배경

본 발명의 실시예는 유체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템, 센서 및 방법에 관한 것이다.

전통적인 용량성 센서는 도전성이 큰 유체를 측정할 때 발생하는 것처럼 도전성이 큰 경로가 용량과 병렬일 때 용량을 측정하는 그의 능력이 제한된다. 본 발명의 일 실시예는 유체의 도전율의 광범위한 변동에도 불구하고 유체 내에서의 센서의 용량을 결정하기 위한 시스템을 제공한다. 소정 실시예는 능동 회로 컴포넌트에 의존하지 않아서 거의 이상적이다. 또한, 신호 제어(즉, 오프셋, 진폭, 위상)는 온도에 걸쳐 매우 높은 분해능 또는 엄격한 제어를 필요로 하지 않는다. 일부 예에서, 실시예는 기존 시스템 및 센서보다 낮은 비용으로 구현될 수 있다.

본 발명은 유체의 도전율의 광범위한 변동에도 불구하고 유체의 유전 상수를 결정하기 위한 저가 시스템을 제공한다. 전통적인 저가 용량성 센서는 도전성이 큰 유체를 측정할 때 발생하는 것처럼 도전성이 큰 경로가 용량과 병렬일 때 유체 내에서의 센서의 용량을 측정하는 그의 능력이 제한된다. 유체의 유전 상수 및 도전율은 유체가 언제 예상 특성 세트를 갖는지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유체의 유전 상수 및 도전율은 유체의 농도 레벨을 결정하거나 유체가 품질 표준을 충족시키는지를 결정하는 데 사용될 수 있다.

일 실시예는 유체와 같은 물질의 전기적 특성을 결정하기 위한 시스템을 제공한다. 특히, 시스템은 디젤 배기 유체와 같은 유체에 담긴 센서의 도전율 및 용량을 결정한다. 시스템은 전류 소스, 고정 저항기, 스위칭 어레이 및 컴포넌트 어레이를 포함하는 측정 회로를 사용한다. 전류 소스는 스위칭 어레이를 통해 고정 저항기와 컴포넌트 어레이에 전류를 공급한다. 스위칭 어레이는 컴포넌트 어레이 중 어느 컴포넌트가 측정을 위해 고정 저항기에 병렬로 배치되는지를 결정한다. 시스템은 위상 시프터, 믹서, 및 이득 및 오프셋 모듈을 포함하는 모니터링 회로를 사용한다. 위상 시프터는 다양한 위상의 파형을 생성하여 믹서에 공급한다. 시스템은 또한 일련의 측정을 위해 고정 저항기 양단의 측정 전압의 좌표 쌍을 포함하는 측정 공간을 포함하며, 이 공간에는 복수의 컴포넌트가 고정 저항기에 병렬로 배치된다. 용량성 측정 센서가 전류 소스에 접속하도록 스위칭될 때, 측정 공간 내의 한 지점의 위치는 좌표 쌍에 대한 용량성 측정 센서의 용량을 식별한다.

다른 실시예는 액체와 접촉하는 센서의 용량을 결정하는 방법을 제공한다. 방법은 복수의 컴포넌트가 고정 저항기에 병렬로 배치된 상태에서 일련의 측정을 위해 고정 저항기 양단의 전압을 측정하기 위한 단계의 시퀀스를 포함한다. 전압의 측정은 동기식 복조 회로와 시간이 맞춰지며, 따라서 2개의 위상의 신호는 센서 저항 변화와 무관하게 센서 용량 변화로 인해 신호가 변하는 출력을 생성한다. 용량성 측정 센서가 고정 저항기와 병렬일 때의 고정 저항기 양단의 전압은 상이한 위상 신호에 대해 측정된다. 용량성 측정 센서의 용량은 전압 측정 사이의 보간에 의해 결정된다.

다른 실시예는 예를 들어 유체의 유전 상수 및 도전율을 포함하는 유체의 다양한 전기적 특성을 결정하도록 구성된 측정 시스템을 제공한다. 센서의 용량을 이용하여, 유체의 유전 상수 또는 유전 상수와 관련된 다른 측정치가 결정될 수 있다. 유체의 전기적 특성은 유체가 언제 예상 물리 특성 세트를 갖는지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유체의 유전 상수 및 도전율은 유체의 농도 레벨을 결정하거나 유체가 특정 품질 표준을 충족시키는지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 예에서, 측정 시스템은 디젤 배기 유체의 농도와 순도를 포함하는 디젤 배기 유체의 전기적 특성을 제공한다.

또 다른 실시예는 측정 신호의 신호 변화의 제1 직교 컴포넌트와 측정 신호의 신호 변화의 제2 직교 컴포넌트를 분리함으로써 유체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템을 제공한다. 제1 직교 컴포넌트는 센서에 걸친 저항의 변화에 기인하고, 제2 직교 컴포넌트는 센서에 걸친 용량의 변화에 기인한다. 시스템은 센서를 포함하는 컴포넌트 어레이를 포함한다. 시스템은 또한 측정 신호를 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호와 혼합하는 믹서를 포함한다. 믹서는 제1 위상 신호와 관련된 제1 혼합 신호 및 제2 위상 신호와 관련된 제2 혼합 신호를 출력한다. 시스템은 또한 제1 혼합 신호 및 제2 혼합 신호를 나타내는 신호를 수신하고 컴포넌트 어레이를 제어하여 신호 변화를 유발하도록 구성된 제어기를 포함한다. 이어서, 제어기는 제1 직교 컴포넌트에 변화가 있을 때 제1 혼합 신호가 감소하고 제2 혼합 신호가 증가하도록 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호를 조정한다. 제어기는 추가의 신호 변화를 유발하도록 컴포넌트 어레이를 제어하고, 제1 위상 및 제2 위상에서의 추가 신호 변화를 나타내는 복수의 혼합 신호를 수신한다. 제어기는 복수의 혼합 신호에 기초하여 유체의 전기적 특성을 결정한다.

또 다른 실시예는 감지 노드, 감지 노드에 스위칭 가능하게 접속된 센서, 감지 노드에 스위칭 가능하게 접속된 컴포넌트 어레이 및 제어기를 포함하는 측정 회로로 유체의 전기적 특성을 측정하는 방법을 제공한다. 방법은 컴포넌트 어레이의 제1 구성에서 감지 노드에서의 전압을 나타내는 신호를 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호와 혼합하여 제1 기준 신호 세트를 생성하는 단계를 포함한다. 신호는 컴포넌트 어레이의 제2 구성에서 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호와 혼합되어 제2 기준 신호 세트를 생성한다. 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호는 제1 기준 신호 세트와 제2 기준 신호 세트 사이의 관계가 조건을 충족시킬 때까지 조정된다. 복수의 구성이 컴포넌트 어레이에 대해 설정된다. 신호는 컴포넌트 어레이의 복수의 구성 각각에서 조정된 제1 위상 신호 및 조정된 제2 위상 신호와 혼합되어, 복수의 기준 신호 세트를 생성한다. 신호는 센서가 감지 노드에 접속된 상태에서 조정된 제1 위상 신호 및 조정된 제2 위상 신호와 혼합되어 측정 전압 세트를 생성한다. 유체의 전기적 특성은 복수의 기준 신호 세트와 측정 전압 세트 사이의 관계에 기초하여 결정된다.

또 다른 실시예는 유체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 감지 노드, 스위칭 어레이를 통해 감지 노드에 접속된 센서, 및 스위칭 어레이를 통해 감지 노드에 접속된 컴포넌트 어레이를 포함한다. 컴포넌트 어레이는 복수의 임피던스를 포함한다. 시스템은 또한 감지 노드에 접속된 모니터링 회로를 포함한다. 모니터링 회로는 복수의 위상에서 복수의 신호를 입력하고 감지 노드에서 측정 신호와 관련된 신호를 출력하도록 구성된다. 시스템은 또한 스위칭 어레이 및 모니터링 회로에 접속된 제어기를 포함한다. 제어기는 복수의 위상에서 복수의 신호를 수신하고 모니터링 회로에 대한 입력 신호의 제1 위상 및 제2 위상을 설정하도록 구성된다. 제어기는 또한 복수의 임피던스 중 제1 교정 임피던스에서 제1 위상에서의 제1 교정 전압 및 제2 위상에서의 제2 교정 전압을 측정하도록 구성된다. 제어기는 또한 복수의 임피던스 중 제2 교정 임피던스에서 제1 위상에서의 제3 교정 전압 및 제2 위상에서의 제4 교정 전압을 측정하도록 구성된다. 제1 교정 전압, 제2 교정 전압, 제3 교정 전압 및 제4 교정 전압 사이의 관계가 조건을 충족시킬 때까지 제1 위상 및 제2 위상이 조정된다. 제어기는 스위칭 어레이를 제어하여 컴포넌트 어레이 중 적어도 하나의 컴포넌트를 감지 노드에 병렬 타입 접속으로 접속함으로써 복수의 임피던스를 조정하고, 스위칭 어레이가 복수의 임피던스 중 제1 측정 임피던스를 감지 노드에 결합하도록 구성될 때 신호에 기초하여 제1 기준 신호 세트를 결정하도록 구성된다. 제어기는 또한 스위칭 어레이가 복수의 임피던스 중 제2 측정 임피던스를 감지 노드에 결합하도록 구성될 때 신호에 기초하여 제2 기준 신호 세트를 결정하고, 스위칭 어레이가 센서를 감지 노드에 결합하도록 구성될 때 신호에 기초하여 센서 전압 세트를 결정하도록 구성된다. 제어기는 제1 기준 신호 세트, 제2 기준 신호 세트 및 센서 전압 세트에 기초하여 센서의 전기적 특성을 결정하도록 더 구성된다.

본 발명의 다른 양태 및 실시예는 상세한 설명 및 첨부 도면을 고려함으로써 명백해질 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 유체의 용량 및 저항을 측정하기 위한 측정 회로의 블록도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 센서의 개략도이다.
도 2b는 일 타입의 센서의 측면도이다.
도 2c는 일 타입의 센서의 부분 절단 측면도이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 센서의 사시도이다.
도 3a-c는 소정 실시예에 따른 센서의 전기적 모델을 도시한다.
도 4는 제어기를 포함하는 도 1의 측정 회로의 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 도 1의 측정 회로의 위상 시프터 회로의 개략도이다.
도 6은 도 1의 측정 회로를 교정하는 방법의 흐름도이다.
도 7은 도 1의 측정 회로의 출력 전압의 기준점을 나타내는 그래프이다.
도 8은 측정 위상이 증가됨에 따라 저항기가 도 1의 측정 회로의 감지 노드에 접속될 때의 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 저항기 및 커패시터가 도 1의 측정 회로의 감지 노드에 접속될 때의 출력 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 측정 회로의 센서의 용량을 측정하는 방법의 흐름도이다.
도 11은 다양한 컴포넌트가 감지 노드에 접속된 상태에서의 다수의 측정 위상에서의 출력 전압의 예시적인 그래프이다.
도 12는 도 11의 출력 전압에 기초하는 용량의 병렬 고정 선을 나타내는 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 도 1의 측정 회로로 유체 센서의 용량 및 저항을 결정하기 위한 고정 용량 선들과 고정 저항 선들 간의 보간을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 1의 측정 회로에 대한 병렬 저항의 큰 변화의 비선형 효과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 센서의 회로 경로에서 병렬 인덕턴스를 균형화하기 위한 인덕터를 포함하는 도 1의 측정 회로의 개략도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 유체 센서의 용량 및 저항을 측정하기 위한 측정 회로의 블록도이다.

본 발명의 임의의 실시예가 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 그 응용에 있어서 다음의 설명에서 설명되거나 다음의 도면에 도시된 컴포넌트의 구성 및 배열의 상세로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방법으로 실시되거나 실행될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "직렬 타입 구성"이라는 표현은 설명되는 요소가 일반적으로 순차적으로 배열되어 하나의 요소의 출력이 다른 요소의 입력에 결합되지만 동일한 전류가 반드시 각각의 요소를 통과하지는 않을 수 있는 회로 배열을 지칭한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, "직렬 타입 구성"에서, 추가 회로 요소가 "직렬 타입 구성"의 요소 중 하나 이상의 요소와 병렬로 접속되는 것이 가능하다. 또한, 회로 내의 분기가 존재하도록 추가 회로 요소가 직렬 타입 구성의 노드에 접속될 수 있다. 따라서, 직렬 타입 구성의 요소가 반드시 진정한 "직렬 회로"를 형성하지는 않는다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "병렬 타입 구성"이라는 표현은 설명되는 요소가 일반적으로 하나의 요소가 다른 요소에 접속되는 방식으로 배열되어 회로가 회로 배열의 병렬 분기를 형성하는 회로 배열을 지칭한다. 이러한 구성에서, 회로의 개별 요소는 반드시 개별적으로 그들 양단에 동일한 전위차를 갖지는 않을 수 있다. 예를 들어, 회로의 병렬 타입 구성에서, 서로 병렬인 2개의 회로 요소가 회로의 하나 이상의 추가 요소와 직렬로 접속되는 것이 가능하다. 따라서, "병렬 타입 구성"의 회로는 반드시 진정한 병렬 회로를 개별적으로 형성하지는 않는 요소를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은 유체의 "용량", "저항", "유전 상수", "도전율" 또는 "전기적 특성"의 측정과 관련한 표현은 이들 측정치의 절대값이 계산될 것을 반드시 요구하지는 않는다는 점에도 유의해야 한다. 이러한 용어는 이러한 측정치의 절대값과 관련된 측정치를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 유체의 "유전 상수"를 측정하는 시스템은 유체의 유전 상수를 실제로 계산하는 것이 아니라, 유체의 유전 상수에 따라 변하는 용량과 같은 양을 측정할 수 있다. 그리고, 추가 예로서, "용량" 측정은 절대 용량에 따라 변하는 측정의 수행을 지칭할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 측정 회로(100)의 블록도이다. 전류 소스(105)(예로서, 트랜스컨덕턴스 증폭기)의 출력이 감지 노드(110)에 접속된다. 감지 노드(110)는 스위칭 어레이(115)에 접속된다. 스위칭 어레이(115)는 다른 단자가 접지에 접속되는 컴포넌트 어레이(120)에 접속된다. 컴포넌트 어레이(120)는 각각이 상이한 저항을 갖는 저항기(R1, R2,...Rn)를 포함하는 다수의 임피던스(Z1...Zn)가 선택될 수 있게 하는 복수의 컴포넌트를 포함한다. 다른 실시예에서, 단일 장치가 복수의 저항기(R1, R2,...Rn)를 대체할 수 있다. 일례에서, 전압 제어형 가변 저항기가 사용될 수 있고, 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다. 컴포넌트 어레이(120)는 또한 다수의 커패시터(C1 및 C2)를 포함한다. 스위칭 어레이(115)는 또한 하나 이상의 블랭크 스위치(BL1, BL2)에 접속된다. 블랭크 스위치는 어떠한 컴포넌트도 전기적으로 접속되지 않는 인쇄 회로 보드의 패드에 접속된다. 스위칭 어레이(115)는 또한 다른 단자가 접지에 접속되는 센서(125)에 접속된다.

스위칭 어레이(115)는 측정 회로(100)를 교정하고 측정을 수행하기 위해 컴포넌트 어레이(120)의 상이한 구성을 생성한다. 전자 스위치는 그의 개방 또는 폐쇄에 따라 다른 접지에 대한 기생 용량을 포함하므로, 회로 내에 원치 않는 용량을 유발할 수 있다. 측정 회로(100)에서, 기생 용량의 임의의 변화를 최소화하기 위해 교정 및 측정 동안 고정된 수의 전자 스위치를 갖는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 스위칭 어레이(115)는 스위칭 어레이(115) 내의 다른 스위치와 동일하지만 감지 노드를 인쇄 회로 보드 상의 빈 패드에만 접속하는 블랭크 스위치를 포함한다. 이것은 고정된 수의 개방 및 폐쇄 스위치를 유지하며, 이는 일정한 오프셋 용량을 유발한다. 스위칭 어레이(115)는 하나의 컴포넌트(또는 센서(125))에 대한 스위치가 폐쇄될 때 하나의 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 개방되고 2개의 컴포넌트에 대한 2개의 스위치가 폐쇄될 때 양 블랭크 스위치(예를 들어, BL1 및 BL2)가 개방되도록 제어된다.

전류 소스(105)는 감지 노드(110)를 통해 감지 컴포넌트(130)에 교류(AC)를 공급한다. 일부 실시예에서, 감지 컴포넌트(130)는 알려진 또는 고정된 저항값을 갖는 저항기이다. 감지 컴포넌트(130)는 제1 단부에서 감지 노드(110)에 접속되고 제2 단부에서 접지에 접속된다. 이러한 구성은 스위칭 어레이(115)의 스위치의 위치에 의존하는 감지 컴포넌트(130) 양단의 전압을 생성한다. 감지 노드(110)는 더 큰 측정 회로(100) 내에 포함된 모니터링 회로(140)에 대한 입력을 형성하는 버퍼 증폭기(135)에 접속된다.

일 실시예에서, 모니터링 회로(140)는 이득 및 오프셋 조정을 갖는 동기식 복조 회로를 이용한다. 모니터링 회로(140)는 버퍼 증폭기(135)를 포함한다. 버퍼 증폭기(135)의 출력은 믹서(145)의 입력에 접속된다. 믹서(145)는 버퍼 증폭기(135)로부터의 신호와 가변 위상 파형, 예로서 가변 위상 사각파를 곱한다. 가변 위상 파형은 위상 시프터(150)에 의해 공급된다. 믹서(145)의 출력은 저역 통과 필터(155)에 접속되고, 저역 통과 필터(155)의 출력은 이득 및 오프셋 조정 모듈(160)에 접속된다. 이득 및 오프셋 조정 모듈(160)로부터의 출력은 제어기 또는 유사한 전자 프로세서에서 디지털 신호로서 사용하기 위해 아날로그/디지털 변환기(165)에 접속된다.

일부 실시예에서, 위상 시프터(150)는 발진 파형을 다른 발진 파형으로(예를 들어, 사인파를 사각파로) 변환하기 위한 회로를 포함한다. 일례에서, 위상 시프터(150)는 사인파/사각파 비교기 및 사각파를 제어된 시간 간격만큼 지연시키기 위한 회로를 포함한다. 특히, 클럭 또는 제어된 수의 개별 지연 스테이지가 지연, 및 따라서 위상 시프트를 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 위상 시프터(150)는 동일한 주파수의 다수의 사인 곡선을 입력하고 사인 곡선을 합하여 중간 위상 사인 곡선을 형성한다. 이 예에서, 위상 시프터(150)는 하나의 입력 사인 곡선의 진폭을 조정하여 중간 위상 사인 곡선의 위상을 변화시켜 가변 위상 사인 곡선을 생성한다. 이어서, 이 가변 위상 사인 곡선은 믹서(145)에 입력하기 위해 사각파로 변환된다. 일부 실시예에서, 믹서(145)는 신호의 컴포넌트를 그의 위상에 기초하여 분리하는 사인파 혼합 또는 기타 복조 스킴을 수행하도록 구성된다.

측정 회로(100)의 동작 동안, 전류 소스(105)로부터의 발진 전류는 여러 개의 병렬 타입 경로 사이에 분할된다. 일례에서, 전류의 일부는 스위칭 어레이(115)의 상태에 따라 스위칭 어레이(115)로 그리고 컴포넌트 어레이(120)를 통해 흐를 수 있다. 전류는 또한 센서(125)가 스위칭 어레이(115)에 의해 접속되는지에 따라 센서(125)를 통해 흐를 수 있다. 전류는 또한 감지 컴포넌트(130)를 통해 접지로 흐른다. 컴포넌트 어레이(120)의 스위치 인(switched-in) 컴포넌트의 임피던스가 낮아질 때, 감지 컴포넌트(130)를 통과하는 전류가 낮아지고, 따라서 감지 컴포넌트(130) 양단의 전압이 낮아진다. 이것은 믹서(145)에 의해 인식되는 전압을 줄인다. 센서(125)에 대한 스위치가 닫힐 때, 감지 컴포넌트(130)로의 전류의 손실이 발생하고, 이것은 믹서(145)에 의해 인식되는 전압을 줄인다. 이러한 방식으로, 감지 컴포넌트(130) 양단의 전압의 변화 또는 전압의 위상각의 변화는 센서(125)의 임피던스, 저항 및/또는 리액턴스를 식별하는 데 사용될 수 있다. 이상적인 시스템에서, 감지 컴포넌트(130) 상의 전압의 동상 컴포넌트(즉, 전류와의 동상)는 전류 소스(105)와 접지 사이의 저항(즉, 저항성 전류)에만 기인하는 전류의 지시자로서 작용한다. 직교 컴포넌트(즉, 동상 컴포넌트로부터의 90도 위상 시프트)는 전류 소스(105)와 접지 사이의 리액티브 임피던스(즉, 리액티브 전류)에만 기인하는 전류의 지시자로서 작용한다. 그러나, 실제로, 전류 소스(105)로부터 접지까지의 임피던스는 저항성 및 리액티브 임피던스의 혼합이다. 결과적으로, 전압과 전류 사이의 위상각은 정확히 0도 또는 90도가 아닐 것이다.

도 2a-2d는 센서(125)의 모델 및 다양한 양태를 도시한다. 도 2a는 센서(125)의 개략도이다. 도 2b는 센서(125)의 일 구현을 개략적으로 도시한다. 도 2c 및 2d는 센서(125)의 다른 구현을 도시한다. 도 3a-3b는 센서(125)의 전기적 모델을 도시한다.

도 2a-2c에 도시된 실시예에서, 센서(125)는 2개의 전극, 즉 제1 전극(205, 205B, 205C) 및 제2 전극(210, 210B, 210C)을 포함한다. 도 2b에 도시된 실시예에서, 제1 전극(205B)은 구형 돔(spherical dome)(예를 들어, 도전성 케이지)에 의해 커버된다. 이 경우, 구형 돔은 제2 전극(210B)을 구성한다. 일 실시예에서, 제2 전극(210B)은 유체가 제2 전극(210B)을 통과할 수 있게 하는 다수의 구멍을 갖는 스크린으로 형성된다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 제2 전극(210B)은 재료의 연속적인 시트 또는 고체 조각으로 형성되지만, 얼마간의 유체 이동을 허용하기 위해 소수의 구멍을 갖도록 구성된다. 다른 실시예에서, 센서(125)는 감지 전극 위에 아치를 형성하는 하나 이상의 도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2c에 도시된 센서(125)의 실시예는 제1 전극(205C), 제2 전극(210C) 및 실장 표면(215C)을 포함한다. 실장 표면(215C)은 인쇄 회로 보드(PCB)로 형성될 수 있다. 이 예에서, 제2 전극(210C)은 제1 전극(205C) 위에 아치를 형성한다. 이것은 제1 전극(205C)과 제2 전극(210C) 사이에 유체가 흐를 수 있게 한다. 도 2d는 도 2c에 도시된 센서의 사시도이다. 감지 또는 제2 전극(210, 210B, 210C)의 형상은 도시된 형상과 다를 수 있고 다른 형태를 취할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 센서(125)는 예를 들어 일반적으로 부식에 저항하는 스테인리스 스틸을 포함하는 도전성 재료로 제조될 수 있다.

도 3a는 센서(125) 및 감지되는 유체의 전기적 모델을 도시한다. 이 모델은 제1 전극(205)과 제2 전극(210) 사이의 유체의 2개의 전기적 특성(예를 들어, 도전성 및 유전 상수) 및 센서(125)의 기하 구조를 고려한다. 예를 들어, 용량(220)은 센서(125)의 용량 및 이 용량에 대한 센서(125) 내의 유체에 의한 영향을 나타낸다. 유사하게, 저항(225)은 센서(125)의 저항 및 이 저항에 대한 센서(125) 내의 유체에 의한 영향을 나타낸다. 센서(125)의 기하 구조는 고정되어 있으므로, 용량(220) 및 저항(225)은 유체의 유전 상수 및 도전율을 나타내는 값이다. 도 3b는 전극 상에 형성되거나 퇴적되는 표면층으로 인한 용량을 포함하는 센서(125)의 다른 전기적 모델을 도시한다. 이 모델에서, 제1 전극 용량(230)은 제1 전극(205) 상의 표면층의 용량을 나타낸다. 제1 전극 용량(230)은 센서(125)의 총 용량을 감소시킨다. 유사하게, 제2 전극 용량(235)은 제2 전극(210) 상의 표면층의 용량을 나타낸다. 제2 전극 용량(235)은 센서(125)의 총 용량을 감소시킨다. 도 3c는 도 3b의 센서(125)의 단순화된 전기적 모델을 나타낸다. 단순화된 모델에서, 유도 용량(240)은 제1 전극 용량(230)과 제2 전극 용량(235)의 조합을 나타낸다. 표면층의 두께가 증가함에 따라, 유도 용량(240)은 감소한다. 유도 용량(240)의 감소는 센서(125)의 총 용량을 감소시킨다. 표면층으로 인한 유도 용량(240)이 작으면(두꺼운 표면층에 대응함), 센서(125)의 총 용량(즉, 측정된 용량)은 표면층의 두께에 크게 의존할 것이다.

유도 용량(240)이 용량(220)보다 클 때(예를 들어, 5 자릿수 더 클 때), 저항(225)이 비교적 낮은 경우에도 용량(220)의 정확한 측정이 이루어질 수 있다. 그러나 유도 용량(240)이 (더 두꺼운 표면층으로 인해) 용량(220)에 비해 감소함에 따라, 용량(220)의 측정 에러(error)가 발생할 수 있다. 고주파수(예컨대, 10 MHz)에서의 측정은 이 에러의 영향을 감소시킬 수 있다. 반대로, 저주파수에서의 측정은 저항, 유도 용량(240) 및 주파수에 의존하는 에러를 생성할 수 있다. 에러와 주파수 사이의 관계는 아래의 수학식 1에 나타난 바와 같이 표현될 수 있다.

여기서, MCL은 센서(125)의 측정된 용량이며, ACL은 용량(220)이다. 2개의 다른 주파수, 즉 f1과 f2에서 측정이 이루어지는 경우, 수학식 2의 관계는 참이다.

짧은 기간 내에 2개의 주파수에서 측정이 이루어지는 경우, 유도 용량(240) 및 저항(225)은 일정한 값으로 간주될 수 있고, 수학식 3에서의 다음의 등식이 가정될 수 있다.

용량(220)은 수학식 4에 나타난 바와 같이 설명될 수 있다.

따라서, 전극(205 및 210) 상에 보통 정도의 표면층이 있는 경우에도, 2개의 주파수에서의 측정이 용량(220)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 표면층의 두께가 증가함에 따라, 센서(125)에 걸친 용량 측정의 에러는 특히 센서(125)에 걸친 저항이 작아지는 경우에는 너무 커져서 전술한 보정을 행할 수 없게 된다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 일 실시예에서, 전극 상의 표면층을 보상하기 위해 보완 커패시터를 사용하여 기준 임피던스를 센서(125)의 임피던스에 매칭시킨다(도 16 참조).

도 4는 예시적인 제어기(300)(예를 들어, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 전자 프로세서 또는 유사한 장치 또는 장치 그룹)를 도시한다. 도시된 실시예에서, 제어기(300)는 처리 유닛(305), 메모리(310), 센서 구성 제어(315), 측정 구성 제어(320), 클럭(325) 및 아날로그/디지털 변환기(165)를 포함한다. 제어기(300)는 측정 회로(100)의 대안 실시예에 전기적으로 접속된다. 도시된 예에서, 제어기(300)는 센서 멀티플렉서(335) 및 신호 조절 모듈(360)에 접속된다. 센서 멀티플렉서(335)는 스위칭 어레이(115)로서 또는 그 대신 사용될 수 있다. 제어기(300)는 많은 가운데 특히 측정 회로(100)의 동작을 제어하고, 센서 구성 제어(315)를 제어하고, 측정 구성 제어(320)를 제어하도록 동작 가능한 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 포함한다. 게다가, 제어기(300)는 센서 멀티플렉서(335)를 통해 센서(125), 선택적인 유체 레벨 센서(350) 및 컴포넌트 어레이(120)(Z1, Z2,...Zn)에 접속된다.

처리 유닛(305), 메모리(310), 센서 구성 제어(315), 측정 구성 제어(320)는 물론, 다른 다양한 컴포넌트는 하나 이상의 제어 또는 데이터 버스 또는 이들 양자에 의해 접속된다. 다양한 컴포넌트 간의 상호 접속 및 통신을 위한 하나 이상의 제어 또는 데이터 버스 또는 이들 양자의 사용은 제공되는 설명 및 도면에 비추어 이 분야의 기술자에게 공지될 것이다.

메모리(310)는 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역을 포함한다. 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역은 기계 판독 가능 비일시적 메모리, 판독 전용 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM")(예를 들어, 동적 RAM["DRAM"], 동기식 DRAM["SDRAM"] 등), 전기적 소거 및 프로그래밍 가능 판독 전용 메모리("EEPROM"), 플래시 메모리, 하드 디스크, SD 카드, 또는 다른 적절한 자기, 광학, 물리 또는 전자 메모리 장치와 같은 상이한 타입의 메모리(310)의 조합을 포함할 수 있다. 처리 유닛(305)은 메모리(310)에 접속되며, (예를 들어, 실행 중에) 메모리(310)의 RAM에, (예를 들어, 일반적으로 영구적으로) 메모리(310)의 ROM에 또는 다른 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있는 소프트웨어 명령어를 실행한다. 측정 회로(100)를 위한 프로세스 및 방법을 위해 포함되는 소프트웨어는 제어기(300)의 메모리(310)에 저장될 수 있다. 소프트웨어는 펌웨어, 하나 이상의 애플리케이션, 프로그램 데이터, 필터, 규칙, 하나 이상의 프로그램 모듈 및 다른 실행 가능 명령어를 포함할 수 있다. 예를 들어, (도 6에 도시된 바와 같은) 방법(500)은 C1 및 C2의 절대값 및 센서(125)의 기하 구조에 관한 정보를 EEPROM에 효과적으로 저장한다. 처리 유닛(305)은 특히 여기에 설명된 제어 프로세스 및 방법과 관련된 명령어를 메모리(310)로부터 검색하여 실행하도록 구성된다. 다른 구성에서, 제어기(300)는 추가적인, 더 적은 또는 다른 컴포넌트를 포함한다.

도 5는 일 실시예에 따른 위상 시프터(150) 및 측정 회로(100)에 대한 위상 시프터(150)의 접속을 도시한다. 위상 시프터(150)는 2개의 출력 접속을 갖는 분할 및 위상 스플리터(405)를 포함한다. 분할 및 위상 스플리터(405)의 제1 출력은 제1 저역 통과 필터(410)에 접속되고, 분할 및 위상 스플리터(405)의 제2 출력은 제2 저역 통과 필터(415)에 접속된다. 제1 저역 통과 필터(410)의 출력은 전류 소스(105)의 입력, 제1 연산 증폭기(420)에 대한 입력 및 진폭 제어기(425)에 접속된다. 제1 연산 증폭기(420)의 출력은 저항기(2R)를 통해 합산 모듈(440)의 입력에 접속된다. 진폭 제어기(425)의 출력은 제2 연산 증폭기(430)의 입력에 접속된다. 제2 연산 증폭기(430)의 출력은 저항기(R)를 통해 합산 모듈(440)의 입력에 접속된다. 제2 저역 통과 필터(415)의 출력은 제3 연산 증폭기(435)에 접속되고, 제3 연산 증폭기(435)의 출력은 저항기(R)를 통해 합산 모듈(440)의 입력에 접속된다. 합산 모듈(440)의 출력은 비교기 회로(445)의 양성 단자에 접속된다. 비교기 회로(445)의 출력은 믹서(145)의 입력에서 측정 회로(100)에 접속된다.

위상 시프터(150)는 측정을 위해 복수의 위상을 생성함으로써 측정 회로(100)의 응답을 조작한다. 이것은 저항성 전류의 증가에 의해 유발되는 신호 변화가 용량성 전류의 작은 변화와 대략 동일한 진폭을 갖고 그에 대략 수직인 측정 공간을 생성하는 데 사용될 수 있다. 측정 공간은 측정 회로로부터의 신호와, 서로 가깝고 감지 노드와 접지 사이의 저항의 변화가 있을 때 위상각의 양측에서 전류 변화의 각도로부터 90도 벗어난 위상을 갖는 2개의 신호를 개별적으로 혼합하여 생성된다. 예를 들어, 저항기가 감지 노드에 접속될 때의 전류 변화의 위상각이 45도이면, 측정에 사용되는 2개의 위상은 130도 및 140도(즉, 45도 + 85도 = 130도 및 45도 + 95도 = 140도)일 수 있다. 이것은 용량에 병렬인 센서(125)를 통한 저항성 전류가 알려지지 않고 센서(125)를 통한 용량성 전류보다 훨씬 클 수 있을 때도 센서(125)의 용량 및 저항의 동시 측정을 가능하게 한다.

도 6은 측정 회로(100)에 대한 원하는 위상각을 결정하는 예시적인 방법(500)을 도시한 흐름도이다. 일련의 순서로 도시되지만, 방법(500)의 단계는 순차적으로, 동시에 또는 다른 순서로 수행될 수 있다. 방법(500)은 제어기(300)에 의해 적어도 부분적으로 수행될 수 있다. 방법(500)의 일부를 수동으로 수행하는 것도 가능하다. 먼저, 블랭크 스위치(즉, BL1 및 BL2)가 닫히고, 스위칭 어레이(115)의 모든 다른 스위치가 열리고, 전력이 턴온된다(단계 505). 위상 시프터(150)는 제어기가 조정 신호를 전송함으로써 제1 위상(위상 1)으로 조정된다(단계 510). 이득 및 오프셋 조정 모듈(160)의 오프셋은 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력이 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 범위의 중간(즉, 신호 조절 모듈(360)의 출력)에 있도록 조정되고, 출력이 기록된다(OUT1)(단계 515). 위상 시프터(150)는 위상 1에 가까울 수 있는 제2 위상(위상 2)(예를 들어, 위상 1 위의 6도)으로 조정된다(단계 520). 그런 다음, 이득 및 오프셋 조정 모듈(160)의 오프셋은 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력이 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 범위의 중간에 있도록 조정되고, 출력이 기록된다(OUT2)(단계 525). 주어진 단계 세트, 단계 505 내지 단계 540에 대해, 위상 1 및 위상 2 각각은 측정 순서에 대해 고정된 채로 유지될 수 있는 그 자신의 각각의 오프셋 조정을 갖는다. 블랭크 스위치(예컨대, BL1)가 개방되고, R1에 대한 스위치가 폐쇄된다(단계 530). 위상 1 및 위상 2 양자에 대한 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력(R11, R12)은 그들 각각의 오프셋 조정을 사용하여 기록된다(단계 535). 출력(OUT1, OUT2)과 출력(R11, R12) 사이의 선의 기울기의 기울기가 계산된다(단계 540).

계산되면, 기울기가 양인지의 결정이 이루어진다(단계 545). 기울기가 양인 경우, 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 닫히고, R1에 대한 스위치가 열리고, 단계 510 내지 540이 반복된다(단계 550). 단계 510 및 단계 520이 단계 550으로부터 트리거될 때, 위상 1 및 위상 2에 대한 위상 조정은 적당한 양, 예를 들어 약 3도만큼 증가될 수 있다. 단계 510 내지 540을 반복한 후에, 방법은 단계 545로 되돌아가서, 조정된 출력값 (OUT1, OUT2)와 (R11, R12) 사이의 선의 기울기가 양인지를 결정한다. 기울기가 양이 아닌 경우, 기울기가 대략 -1과 동일한지의 결정이 이루어진다(단계 555). 기울기가 대략 -1과 동일하지 않을 경우, 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 닫히고, R1에 대한 스위치가 열리고, 단계 510 내지 540이 반복된다(단계 560). 단계 510 및 단계 520이 단계 560으로부터 트리거될 때, 위상 1 및 위상 2에 대한 위상 조정은 근소한 양만큼, 예를 들어 약 0.2도만큼 증가될 수 있다. 단계 510 내지 540을 반복한 후, 방법은 단계 555로 되돌아가며, 조정된 출력값 (OUT1, OUT2)와 (R11, R12) 사이의 선의 기울기가 대략 -1과 동일한지의 결정이 이루어진다. 기울기가 대략 -1과 동일한 경우, 원하는 위상각(위상 1 및 위상 2)이 발견되었다(단계 565). 더 상세히 설명되는 바와 같이, 설명되는 예에서, 방법(500)에서 결정된 위상각은 도 9의 측정 방법(900)에서 사용된다. 단계 550 및 단계 560에 의해 트리거된 위상각에 대한 조정은 단계 510 및 단계 520에 대한 위상각 변화의 양 및 방향을 추정함으로써 원하는 위상각을 결정하는 것을 돕는 추가적인 논리를 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

도 7은 방법(500)의 단계 540에 대한 신호 조절 모듈(360)의 예시적인 출력을 나타내는 그래프이다. 출력은 위상 1 및 위상 2에서 이루어진 측정을 나타내는 좌표 쌍으로 플로팅된다. 좌표 쌍은 교정 신호 세트를 나타낸다. 먼저, 위상 1 및 위상 2 출력(OUT1, OUT2)은 블랭크 스위치(즉, BL1 및 BL2)만이 폐쇄된 상태로 플로팅된다. 위상 1 및 위상 2 출력(R11, R12)은 또한 R1에 대한 스위치가 폐쇄되고 블랭크 스위치(예로서, BL1)가 개방된 상태로 플로팅된다. 선은 좌표 쌍 (OUT1, OUT2)와 (R11, R12) 사이의 기울기(slope)를 나타내며 수학식 5에 의해 계산할 수 있다.

도 8은 R1에 대한 스위치가 폐쇄되고 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 개방된 상태에서의 위상 1 및 위상 2 신호에 대한 예시적인 조정을 도시하는 그래프이다. 화살표는 연속 측정(단계 550 또는 560) 사이의 위상 1 및 위상 2 신호의 변화에 대한 출력의 변화를 나타낸다. 좌표 쌍 (2.9, 2.1)은 저항기(R1)가 없는 좌표 쌍에서 저항기(R1)가 있는 좌표 쌍까지의 기울기가 대략 -1과 동일한 타깃 영역을 나타낸다. 기울기가 약 -1인 위상의 발견은 위상 1과 위상 2의 평균(즉, (위상 1 + 위상 2)/2)이 R1의 스위치인 시에 추가되는 전류로 인한 총 전류의 변화의 각도로부터 대략 위상각 90도라는 것을 의미한다. 음의 기울기는 2개의 위상, 위상 1 및 위상 2가 R1의 스위치 인으로 인해 유발되는 실제 전류 변화 위상으로부터 위상각 90도의 반대쪽에 있다는 지시이다. 기능적으로, 2개의 위상은 하나의 위상에서의 신호 조절 모듈(360)의 출력이 스위치 인되는 병렬 저항(예를 들어, R1)이 있을 때 다른 위상에서의 출력이 감소하는 것과 대략 동일한 진폭만큼 증가하도록 선택된다. 기울기가 정확히 -1인 위상의 발견이 필요하지 않을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 계산된 기울기가 -1과 크게 다를 경우에도 또한 측정을 수행할 수 있다. 일례로, -0.5와 -2 사이의 범위 내의 어딘가의 계산된 기울기는 만족스러운 결과를 제공할 수 있다.

도 9는 컴포넌트 어레이(120)의 병렬 커패시터(C1)가 스위치 인될 때 발생하는 신호 조절 모듈(360)의 출력 전압의 변화의 예를 도시하는 그래프이다. 이 경우에, 작은 병렬 용량의 스위치 인으로 인한 컴포넌트 어레이(120)에 대한 전류의 증가는 감지 컴포넌트(130)에 대한 전류 및 그 양단의 전압을 감소시킬 것이다. 예를 들어, 위상 1 및 위상 2에 대한 신호 조절 모듈(360)의 출력의 좌표 쌍 (1.75, 1.75)는 C1이 스위치 인되지 않은 좌표 쌍 (2.5, 2.5)보다 낮은 전압을 갖는다. 좌표 쌍 (1.75, 1.75)는 좌표 쌍 (2.5, 2.5)에 대해 +1의 기울기를 갖는 선 상에 위치한다. 도 9는 측정 회로(100)가 교정되면 순수 용량 컴포넌트를 추가 또는 제거하도록 컴포넌트 어레이(120)를 스위칭하는 것이 신호 조절 모듈(360)의 출력의 좌표의 변화를 유발하여 새로운 좌표가 이전 좌표로부터 +1의 기울기를 갖는 선 상에 위치하게 한다는 것을 보여준다. 즉, 추가적인 작은 병렬 용량으로 인한 측정 변화는 +1의 기울기를 가진 선 상에 위치할 것이고, 추가적인 병렬 저항으로 인한 측정 변화는 -1의 기울기를 가진 선 상에 위치할 것이다.

도 10은 센서(125)의 용량(220)에 대한 예시적인 측정 방법(900)을 도시하는 흐름도이다. 일련의 순서로 도시되지만, 측정 방법(900)의 단계는 순차적으로, 동시에 또는 다른 순서로 수행될 수 있다. 일례에서, 측정 방법(900)은 제어기(300)에 의해 적어도 부분적으로 수행된다. 측정 방법(900)의 일부를 수동으로 수행하는 것이 가능하다. 방법(900) 전체에 걸쳐, 이득 및 오프셋 조정 모듈(160)의 이득 및 오프셋 설정이 조정되고, 위상 시프터(150)의 설정이 각각의 측정에 대해 방법(500)에서 결정된 설정으로 조정된다(단계 905). 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 닫히고, C1에 대한 스위치가 닫히고, 스위칭 어레이(115)의 다른 모든 스위치가 열리고, 위상 1 및 위상 2에서의 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 전압이 측정된다(단계 910). 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 닫히고, C2에 대한 스위치가 닫히고, 스위칭 어레이(115)의 다른 모든 스위치가 열리고, 위상 1 및 위상 2에서의 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 전압이 측정된다(단계 915). 다음 단계에서, n은 1과 동일하게 설정되며, 여기서 n은 컴포넌트 어레이(120) 내의 저항기(R1, R2,...Rn) 중 특정한 하나에 대응한다(단계 920). Rn에 대한 스위치가 닫히고, C1에 대한 스위치가 닫히고, 스위칭 어레이(115)의 다른 모든 스위치가 개방되고, 위상 1 및 위상 2에서의 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 전압이 측정된다(단계 925). Rn에 대한 스위치가 닫히고, C2에 대한 스위치가 닫히고, 스위칭 어레이(115)의 다른 모든 스위치가 열리고, 위상 1 및 위상 2에서의 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 전압이 측정된다(단계 930). 다음 단계에서, n이 n 최대치(즉, 가장 높은 번호의 저항기)와 동일한지가 결정된다(단계 935). 이 결정은 컴포넌트 어레이(120) 내의 모든 저항기가 사용되었는지의 지시를 제공한다. n이 n 최대치와 동일하지 않으면, n은 1만큼 증가된다(단계 940). 이어서, 방법은 단계 925로 진행한다. n이 n 최대치와 동일하면, 블랭크 스위치(예를 들어, BL1)가 닫히고, 센서(125)에 대한 스위치가 닫히고, 스위칭 어레이(115)의 다른 모든 스위치가 열리고, 위상 1 및 위상 2에서의 아날로그/디지털 변환기(165)의 출력 전압이 측정된다(단계 945). 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 기준 측정 및 센서(125)의 측정(즉, 출력 전압의 측정)은 센서(125)의 용량을 계산하는 데 사용된다(도 13).

도 11은 도시된 하나의 저항기(R1)로 생성된 출력값만을 갖는 측정 방법(900)의 출력의 예의 그래프이다. 각각의 그래프는 시스템의 기준값, 위상각, 오프셋 및 이득에 따라 다른 측정 지점을 가질 것이다. 도시된 그래프는 위상 1 및 위상 2 신호(즉, 기준 신호)에 대한 측정된 출력을 도시한다. 통상적으로, 출력은 컴포넌트 어레이(120)로부터의 컴포넌트의 각각의 쌍과 관련된 좌표 쌍에 대해 플로팅된다. 이들 출력 각각은 컴포넌트 어레이의 상이한 구성에 대응하는 기준 신호 세트를 제공한다. 유체의 전기적 특성은 기준 신호와 센서 신호 사이의 값의 차이를 비교함으로써 결정될 수 있다. 이것은 모든 저항기(R1, R2,...Rn)와 함께 C1 및 C2를 플로팅하고 블랭크 스위치(즉, BL1 또는 BL2)와 함께 C1 및 C2를 플로팅하는 것을 포함한다. 또한, 저항기(R1, R2,...Rn)는 블랭크 스위치(즉, BL1 또는 BL2)와 함께 플로팅된다. 도 11은 용량 변화가 좌표 쌍 (블랭크, 블랭크)로부터 +1 기울기를 따라 선 상에 플로팅되고, 저항 변화가 좌표 쌍 (블랭크, 블랭크)로부터 -1 기울기를 따라 선 상에 플로팅되는 것을 도시한다. 예를 들어 (C1, 블랭크) 측정과 (R1, C1) 측정 사이의 출력 변화는 병렬 저항의 변화에 기인하는 반면, (C1, 블랭크) 측정과 (C2, 블랭크) 측정 사이의 출력 변화는 병렬 용량의 변화에 기인한다. 이러한 거동은 센서(125)의 저항 및 용량 컴포넌트가 도 13에 도시된 바와 같이 분리되고 개별적으로 계산되는 것을 가능하게 한다.

도 12는 고정 용량의 병렬 선을 나타내는 그래프이다. 도 11에서와 같이, 그래프는 복수의 병렬 컴포넌트에 대한 위상 1 및 위상 2 신호에 대한 출력의 좌표 쌍을 도시한다. 좌표 쌍은 고정 용량 선을 결정하기 위한 기준점을 생성한다. 예를 들어 좌표 쌍 (C1, 블랭크) 및 (R1, C1)은 동일한 커패시터를 갖지만, 좌표 쌍 (R1, C1)은 저항기(R1)를 추가한다. (C1, 블랭크)와 (R1, C1)을 연결하는 선은 순전히 저항으로 인한 컴포넌트의 변화를 나타내며, 따라서 고정 용량 선을 나타낸다. 유사하게, (C2, 블랭크)와 (R1, C2)를 연결하는 선은 고정 용량 선이다. 고정 저항 선도 결정될 수 있다. 예를 들어, 고정 저항 선은 점 (R1, C1)과 (R1, C2) 사이에 위치한다.

도 13은 일 실시예에 따른 센서(125)의 용량을 결정하기 위한 고정 용량의 선 사이의 보간을 도시하는 그래프이다. C1 및 C2에 대한 용량 값이 알려지므로, 고정 용량 선에 의해 표현되는 용량 값도 알려진다. 센서(125)의 용량은 고정 용량 선 사이의 보간에 의해 계산된다. 이 계산은 수학식 6을 사용하여 수행할 수 있다.

여기서, L1 및 L2는 고정 용량 선으로부터 센서(125)의 측정 지점까지의 거리이고, C1 및 C2는 기준 커패시터의 패럿 단위의 용량이다. 센서(125)의 용량의 계산은 측정이 수행되면 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 이 식은 보간을 수행할 수 있는 식 중 하나의 식의 예이지만, 본 발명은 이 식으로 제한되지 않는다. 단일 기준 커패시터를 사용하여 측정을 수행할 수도 있다. 이 경우, 고정 용량 선이 점 (블랭크, 블랭크)와 (R1, 블랭크) 사이에 연장된다. 이 선은 대략 0의 고정 용량 선이다. 전술한 바와 같이, 고정 용량 선은 (C1, 블랭크)와 (C1, R1) 사이에 연장된다. 이 경우, L1은 대략 0 용량의 선과 좌표 쌍 (센서, 블랭크) 사이의 거리이고, L2는 (C1에 대한) 다른 고정 용량 선과 좌표 쌍 (센서, 블랭크) 사이의 거리이다. 이 경우, 센서(125)의 용량을 계산하기 위한 수학식은 수학식 7로 간략화된다.

센서(125)의 도전율은 또한 고정 저항 선 사이의 보간을 사용하는 유사한 알고리즘으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 컴포넌트 어레이(120)의 다수의 저항기(R1, R2,...Rn) 각각이 스위치 인될 때, 전류 소스(105)에 의해 인식되는 총 저항은 수학식 8 및 9에 도시된 바와 같이 계산될 수 있다.

여기서, R은 감지 컴포넌트(130)의 저항값이고, Rhigh는 센서(125)의 저항값보다 높은 저항값을 갖는 고정 저항 선에 대응하는 컴포넌트 어레이(120)의 저항기의 값이고, Rlow는 센서(125)보다 낮은 저항을 갖는 고정 저항 선에 대응하는 컴포넌트 어레이(120)의 저항기의 값이다.

위상, 오프셋 및 이득이 결정된 후, D1을 찾기 위해 저항의 더 높은 값에 대응하는 고정 저항 선과 센서(125)의 측정 사이의 거리가 측정 단위로 결정된다. 유사하게, D2를 찾기 위해 저항의 더 낮은 값에 대응하는 고정 저항 선과 센서(125)의 측정 사이의 거리가 측정 단위로 결정된다. 이어서, 감지 컴포넌트(120)의 저항과 결합된 센서(125)의 저항이 수학식 10에 나타난 바와 같이 고정 저항 선 사이의 보간에 의해 결정될 수 있다.

센서(125)의 저항은 수학식 11에 나타난 바와 같이 결정될 수 있다.

센서(125)의 도전율은 측정 전에 알려지지 않으므로, 컴포넌트 어레이(120)의 복수의 저항기는 측정 회로(100)가 넓은 도전율 범위에 걸쳐 센서(125)의 용량을 측정할 수 있게 한다. 이것은 시스템이 센서(125)의 저항 및 용량의 실제 값에 가까운 값에 측정 공간을 집중시키는 것을 가능하게 한다. 저항기 값이 충분히 작으면, 측정 회로(100)는 도전율이 1000μS/cm를 훨씬 넘는 경우에 측정을 달성할 수 있다. 전체 측정 맵은 측정 시스템을 센서(125)의 임의의 값 주변 및 그 근처에서 특성화한다. 이것은 다양한 액체의 도전율이 100배 이상 차이가 있더라도 다양한 액체에 대한 정확한 용량 측정을 유발한다.

도 14는 일 실시예에 따른 넓은 병렬 저항 범위에 걸친 출력 전압의 변화를 도시한다. 그래프에서 2개의 선에 의해 2개의 고정 용량 선이 표시된다. 저항은 그래프 오른쪽의 50Ω에서 그래프 왼쪽의 10^9Ω까지의 범위에 걸친다. 접근하는 고정 용량 선에 의해 예시되는 바와 같이, 병렬 저항이 작아짐에 따라 측정 공간이 좁아진다. 이것은 낮은 병렬 저항에서의 분해능을 감소시킨다. 그러나, 이득 및 오프셋 조정 모듈(160)은 분해능을 증가시키고, 이에 따라 분해능의 손실을 보상한다. 그래프에 나타난 바와 같이, 고정 용량 선은 넓은 저항 범위에 걸쳐 직선 또는 곡선일 수 있다. 측정의 저항의 범위에 있는 컴포넌트 어레이(120) 내의 복수의 기준 저항기(예를 들어, R1, R2 등)의 사용은 고정 용량 선의 곡률의 효과를 감소시킨다. 고정 저항 선 사이의 거리가 작을수록 고정 용량 선의 선분에 기초하는 계산에 의해 유발되는 에러가 감소할 것이다. 이러한 방식으로, 고정 용량 선의 곡률은 컴포넌트 어레이(120)의 임피던스의 가용 레벨에 의존한다.

도 15는 고정 용량 선의 곡률을 보상하는 실시예를 도시한다. 인덕터(1405)(예를 들어, 100nH 내지 10,000nH)가 감지 노드(110)와 스위칭 어레이(115) 사이에 추가된다. 인덕터(1405)는 넓은 범위의 저항에 걸쳐 고정 용량 선의 곡률을 펴며, 따라서 직선 근사화를 개선한다. 다른 실시예는 시스템의 응답을 수정하는 데 사용되는 상이한 추가 컴포넌트를 갖는다. 예를 들어, 센서(125)에 대한 긴 도선에 의해 생성되는 인덕턴스를 조정하기 위해 인덕터(1405)가 컴포넌트 어레이(120)와 직렬로 추가될 수 있다. 일부 실시예에서, 보간을 사용하여 용량을 계산하기 위한 알고리즘은 고정 용량 선의 곡률을 고려한다. 예를 들어, 기준점 측정 사이의 곡률은 각각의 고정 용량 선에서 3개의 연속 점의 측정값을 사용하고, 측정 점을 통과하고 중앙 측정 점 양측에서 일정한 기울기를 갖는 각각의 선에 대한 적절한 곡선을 도출함으로써 근사화될 수 있다. 고정 용량 선의 직선 근사치를 얻기 위해 여러 알고리즘이 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

도 16은 측정 회로(1500)의 다른 실시예의 블록도이다. 측정 회로(1500)는 감지 노드(1510)에 접속된 전류 공급기(1505), 스위칭 어레이(1515), 컴포넌트 어레이(1520) 및 감지 컴포넌트(1530)(예로서, 저항기)를 포함한다. 측정 회로(1500)는 또한 버퍼 증폭기(1535), 믹서(1545), 저역 통과 필터(1555), 이득 및 오프셋 모듈(1560), 및 아날로그/디지털 변환기(1565)를 포함한다. 이와 관련하여, 측정 회로(1500)는 측정 회로(100)와 유사하다. 그러나 측정 회로(1500)는 컴포넌트 어레이(1520)와 직렬 타입으로 접속되는 다수의 스위칭 가능 임피던스를 포함한다. 특히, 측정 회로(1500)는 인덕턴스 스위칭 어레이(1570), 인덕터 어레이(1575), 직렬 인덕터(1580), 용량 스위칭 어레이(1585), 커패시터 어레이(1590) 및 센서 스위칭 어레이(1595)를 포함한다.

인덕턴스 스위칭 어레이(1570)는 인덕터 어레이(1575)로부터의 다양한 인덕턴스 값을 선택하여 컴포넌트 어레이(1520) 및 센서 스위칭 어레이(1595)와 직렬 타입으로 접속하기 위해 제어기(300)에 의해 제어될 수 있다. 마찬가지로, 용량 스위칭 어레이(1585)는 커패시터 어레이(1590)로부터의 다양한 용량 값을 선택하여 컴포넌트 어레이(1520)와 직렬 타입으로 접속하기 위해 제어기(300)에 의해 제어될 수 있다. 센서 스위칭 어레이(1595)는 센서(1525) 또는 블랭크 스위치(예를 들어, BL3)를 선택하기 위해 제어기(300)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 직렬 인덕터(1580)는 인덕터 어레이(1575)와 용량 스위칭 어레이(1585) 사이에 접속된다.

측정 회로(1500)는 센서(125) 상의 낮은 값의 유도 용량(240)에 의해 유발되는 센서(125) 양단의 낮은 레벨의 총 용량을 보상할 수 있다(도 3c 참조). 컴포넌트 어레이(1520)의 기준 임피던스가 센서(125)의 총 용량과 유사한 절대값을 더 이상 갖지 않도록 유도 용량(240)이 낮아질 때, 제어기(300)는 용량 스위칭 어레이(1585)를 사용하여 직렬 용량을 스위치 인한다. 커패시터 어레이(1590)의 커패시터(CS1) 및 커패시터(CS2)의 추가는 용량이 컴포넌트 어레이(1520)로부터의 기준 임피던스와 직렬로 삽입될 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 기준 측정 동안 측정된 총 임피던스는 센서(125)의 총 용량과 유사한 범위 내에 있다. 제어기(300)는 측정을 수행하고 제1 주파수에서의 계산된 용량과 제2 주파수에서의 계산된 용량 사이의 차이를 계산함으로써 어떤 용량 값이 컴포넌트 어레이(1520)와 직렬로 삽입되어야 하는지를 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 차이가 임계치 초과이면, 제어기(300)는 커패시터 어레이(1590)로부터의 더 작은 값의 커패시터를 스위치 인한다. 어떤 커패시터가 직렬로 삽입되어야 하는지를 결정하기 위해 다른 알고리즘이 사용될 수도 있다. 또한, 제어기(300)는 인덕터(LS1), 인덕터(LS2) 및 인덕터(LS3)를 다양한 조합의 인덕터 어레이(1575)로부터 컴포넌트 어레이(1520) 및 센서 스위칭 어레이(1595)와의 직렬 타입 접속으로 배치하기 위해 인덕턴스 스위칭 어레이(1570)를 스위칭한다. 인덕턴스 스위칭 어레이(1570)는 제어기(300)가 적절한 직렬 인덕턴스를 선택된 직렬 용량과 매칭시켜 전술한 바와 같이 응답 곡선을 펴게 할 수 있다.

센서 스위칭 어레이(1595)는 스위칭 어레이(1515)로부터 분리될 수 있고, 센서 스위칭 어레이(1595)는 도 16에 도시된 바와 같이 그 자신의 블랭크 스위치(BL3)로 스위칭 가능하다는 점에 유의해야 한다. 컴포넌트 어레이(1520)의 기준 임피던스가 측정될 때, 블랭크 스위치(BL3)는 폐쇄되고, 센서(1525)를 스위치 인하기 위한 센서 스위칭 어레이(1595)의 센서 스위치는 개방된다. 센서(1525)가 측정될 때, 블랭크 스위치(BL3)는 개방되고, 기준 블랭크 스위치(BL1 및 BL2)는 폐쇄되고, 센서 스위치는 폐쇄된다. 이러한 방식으로, 측정 회로(1500)는 기생 용량이 측정 방법(900) 전반에서 일정하게 유지되도록 센서 스위칭 어레이(1595) 및 스위칭 어레이(1515)를 제어한다.

여기서 설명된 회로가 측정 신호를 생성하는 데 사용되는 전자 장치로서 전류 소스(105), 감지 컴포넌트(130) 및 버퍼 증폭기(135)를 사용하지만, 측정 회로의 다른 변형이 측정 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 발진 전압 소스 및 감지 전류를 측정하는 대안적인 방법이 사용될 수 있다. 이어서, 가변 위상 신호는 본 명세서에 개시된 방법에 의해 설명된 바와 같이 측정 신호와 혼합될 수 있다.

실시예는 또한 유체 센서와 관련되지 않은 임피던스의 저항성 및 리액티브 컴포넌트를 측정하는 데 사용될 수 있다는 점에 또한 유의해야 한다. 예를 들어, 실시예는 고주파 측정이 요구되는 생체 조직 또는 기타 산업 응용의 임피던스를 측정하는 데 사용될 수 있다.

전술한 방법 및 회로를 이용하여 센서(125)의 용량이 결정되면, 유체의 유전 상수는 수학식 12를 이용하여 계산될 수 있다.

C_offset은 유전 상수에 따라 변하지 않는 측정된 용량의 부분이다. X는 공지된 유전 상수(k1 및 k2)의 두 유체 각각에 대한 센서(125)의 용량을 측정함으로써 결정된다. C_sensor1은 제1 유체가 측정될 때의 센서(125)의 용량이고, C_sensor2는 제2 유체가 측정될 때의 센서(125)의 용량이다. X는 수학식 13을 이용하여 결정될 수 있다.

이어서, 유체의 유전 상수를 사용하여 유체의 다른 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 유체의 농도 또는 품질 레벨.

따라서, 본 발명은 많은 가운데 특히 저저항 경로가 용량과 병렬로 배치될 때 유체 센서의 용량 및 저항을 결정하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 다양한 특징 및 이점은 아래의 청구범위에서 설명된다.

Claims

측정 신호의 신호 변화의 제1 직교 컴포넌트와 상기 측정 신호의 상기 신호 변화의 제2 직교 컴포넌트를 분리함으로써 유체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템으로서,
상기 제1 직교 컴포넌트는 센서에 걸친 저항의 변화에 기인하고, 상기 제2 직교 컴포넌트는 상기 센서에 걸친 용량의 변화에 기인하며, 상기 시스템은
상기 센서를 포함하는 컴포넌트 어레이;
상기 측정 신호를 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호와 혼합하는 믹서 - 상기 믹서는 상기 제1 위상 신호와 관련된 제1 혼합 신호 및 상기 제2 위상 신호와 관련된 제2 혼합 신호를 출력함 -; 및
제어기를 포함하고, 상기 제어기는
상기 제1 혼합 신호 및 상기 제2 혼합 신호를 나타내는 신호를 수신하고;
상기 컴포넌트 어레이를 제어하여 상기 신호 변화를 유발하고;
상기 제1 직교 컴포넌트에 변화가 있을 때 상기 제1 혼합 신호가 증가되고 상기 제2 혼합 신호가 감소되도록 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호를 조정하고;
상기 컴포넌트 어레이를 제어하여 추가적인 신호 변화들을 유발하고;
상기 제1 위상 및 상기 제2 위상에서의 상기 추가적인 신호 변화들을 나타내는 복수의 혼합 신호를 수신하고;
상기 복수의 혼합 신호에 기초하여 상기 유체의 상기 전기적 특성을 결정하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 유체의 상기 전기적 특성은 상기 유체의 유전 상수 및 도전율인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 혼합 신호에 기초하여 상기 유체의 유전 상수 및 도전율과 관련된 측정치들을 식별하도록 더 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 혼합 신호에 기초하여 상기 센서의 저항 및 리액턴스를 측정하도록 더 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 믹서에 접속된 위상 시프터를 더 포함하고, 상기 위상 시프터는 상기 제어기로부터의 조정 신호에 기초하여 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호를 출력 및 조정하도록 구성되는, 시스템.
제5항에 있어서, 상기 제어기는
상기 센서의 상기 전기적 특성을 결정하기 전에 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호의 교정을 수행하도록 더 구성되고, 교정 동안, 상기 제어기는
상기 제1 위상 신호가 상기 믹서에 입력될 때 제1 교정 신호를, 그리고 상기 제2 위상 신호가 상기 믹서에 입력될 때 제2 교정 신호를, 제1 교정 임피던스에서 측정하며;
상기 제1 위상 신호가 상기 믹서에 입력될 때 제3 교정 신호를, 그리고 상기 제2 위상 신호가 상기 믹서에 입력될 때 제4 교정 신호를, 제2 교정 임피던스에서 측정하며;
상기 제1 교정 신호, 상기 제2 교정 신호, 상기 제3 교정 신호 및 상기 제4 교정 신호에 기초하여 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호를 조정하도록
구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 컴포넌트 어레이는 복수의 저항기를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 컴포넌트 어레이는 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 저항기 및 적어도 하나의 블랭크 스위치를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 컴포넌트 어레이에 접속되는 직렬 타입 접속의 스위칭 가능 커패시터 어레이를 더 포함하는, 시스템.
제9항에 있어서, 상기 컴포넌트 어레이에 접속되는 직렬 타입 접속의 스위칭 가능 인덕터 어레이를 더 포함하는, 시스템.
제10항에 있어서, 상기 인덕터 어레이와 상기 커패시터 어레이 사이에 접속되는 직렬 타입 접속의 오프셋 인덕터를 더 포함하는, 시스템.
감지 노드, 상기 감지 노드에 스위칭 가능하게 접속된 센서, 상기 감지 노드에 스위칭 가능하게 접속된 컴포넌트 어레이, 및 제어기를 포함하는 측정 회로로 유체의 전기적 특성을 측정하는 방법으로서,
상기 컴포넌트 어레이의 제1 구성에서 상기 감지 노드에서의 전압을 나타내는 신호를 제1 위상 신호 및 제2 위상 신호와 혼합하여 제1 기준 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 컴포넌트 어레이의 제2 구성에서의 상기 신호를 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호와 혼합하여 제2 기준 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 제1 기준 신호 세트와 상기 제2 기준 신호 세트 사이의 관계가 조건을 충족시킬 때까지 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호를 조정하는 단계;
상기 컴포넌트 어레이의 복수의 구성을 설정하는 단계;
상기 신호를 상기 컴포넌트 어레이의 상기 복수의 구성 각각에서 상기 조정된 제1 위상 신호 및 상기 조정된 제2 위상 신호와 혼합하여 복수의 기준 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 신호를 상기 센서가 상기 감지 노드에 접속된 상태에서 상기 조정된 제1 위상 신호 및 상기 조정된 제2 위상 신호와 혼합하여 측정 전압 세트를 생성하는 단계;
상기 복수의 기준 신호 세트와 상기 측정 전압 세트 사이의 관계에 기초하여 상기 유체의 상기 전기적 특성을 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 유체의 상기 전기적 특성을 결정하는 단계는 상기 복수의 기준 신호 세트와 상기 측정 전압 세트 사이의 상기 관계에 기초하여 상기 유체의 유전 상수 및 도전율과 관련된 측정치들을 식별하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 유체의 상기 전기적 특성을 결정하는 단계는 상기 복수의 기준 신호 세트와 상기 측정 전압 세트에 기초하여 상기 센서의 저항 및 리액티브 임피던스를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 기준 신호 세트와 상기 제2 기준 신호 세트 사이의 관계가 조건을 충족시킬 때까지 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상을 조정하는 단계는 상기 제1 기준 신호 세트와 상기 제2 기준 신호 세트 사이의 전압 변화가 용량 변화에 직교하는 저항 변화를 언제 지시하는지를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 기준 신호 세트와 상기 제2 기준 신호 세트 사이의 관계가 조건을 충족시킬 때까지 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상을 조정하는 단계는 제1 교정 전압 세트와 제2 교정 전압 세트 사이에 연장되는 선의 기울기를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제16항에 있어서, 상기 관계는 -1과 대략 동일한 기울기를 갖는, 상기 제1 교정 전압 세트와 상기 제2 교정 전압 세트 사이의 선을 갖는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
상기 컴포넌트 어레이의 제3 구성에서 상기 신호를 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호와 혼합하여 제3 기준 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 컴포넌트 어레이의 제4 구성에서 상기 신호를 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호와 혼합하여 제4 기준 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 컴포넌트 어레이의 제5 구성에서 상기 신호를 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호와 혼합하여 제5 기준 신호 세트를 생성하는 단계;
상기 컴포넌트 어레이의 제6 구성에서 상기 신호를 상기 제1 위상 신호 및 상기 제2 위상 신호와 혼합하여 제6 기준 신호 세트를 생성하는 단계; 및
센서 전압 세트의 값의 차이를 상기 제3 기준 신호 세트, 상기 제4 기준 신호 세트, 상기 제5 기준 신호 세트 및 상기 제6 기준 신호 세트와 비교하여 상기 유체의 상기 전기적 특성을 결정하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제18항에 있어서, 상기 센서 전압 세트의 값의 차이를 상기 제3 기준 신호 세트, 상기 제4 기준 신호 세트, 상기 제5 기준 신호 세트 및 상기 제6 기준 신호 세트와 비교하여 상기 유체의 상기 전기적 특성을 결정하는 단계는
상기 제3 기준 신호 세트와 상기 제4 기준 신호 세트 사이의 제1 고정 용량 선을 결정하는 단계;
상기 제5 기준 신호 세트와 상기 제6 기준 신호 세트 사이의 제2 고정 용량 선을 결정하는 단계; 및
상기 제1 고정 용량 선과 상기 제2 고정 용량 선 사이의 보간에 의해 상기 센서의 용량을 결정하는 단계
를 포함하는, 시스템.
유체의 전기적 특성을 측정하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은
감지 노드;
스위칭 어레이를 통해 상기 감지 노드에 접속된 센서;
상기 스위칭 어레이를 통해 상기 감지 노드에 접속된 컴포넌트 어레이 - 상기 컴포넌트 어레이는 복수의 임피던스를 포함함 -;
상기 감지 노드에 접속된 모니터링 회로 - 상기 모니터링 회로는 복수의 위상에서 복수의 신호를 입력하고 상기 감지 노드에서 측정 신호와 관련된 신호를 출력하도록 구성됨 -; 및
상기 스위칭 어레이 및 상기 모니터링 회로에 접속된 제어기
를 포함하고, 상기 제어기는
상기 복수의 신호를 수신하고;
상기 모니터링 회로에 대한 입력 신호의 제1 위상 및 제2 위상을 설정하고;
상기 제1 위상에서의 제1 교정 전압 및 상기 제2 위상에서의 제2 교정 전압을 상기 복수의 임피던스 중 제1 교정 임피던스에서 측정하고;
상기 제1 위상에서의 제3 교정 전압 및 상기 제2 위상에서의 제4 교정 전압을 상기 복수의 임피던스 중 제2 교정 임피던스에서 측정하고;
상기 제1 교정 전압, 상기 제2 교정 전압, 상기 제3 교정 전압 및 상기 제4 교정 전압 사이의 관계가 조건을 충족시킬 때까지 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상을 조정하고;
상기 스위칭 어레이를 제어하여 상기 컴포넌트 어레이 중 적어도 하나의 컴포넌트를 상기 감지 노드에 병렬 타입 접속으로 접속함으로써 상기 복수의 임피던스를 조정하고;
상기 스위칭 어레이가 상기 복수의 임피던스 중 제1 측정 임피던스를 상기 감지 노드에 결합하도록 구성될 때 상기 신호에 기초하여 제1 기준 신호 세트를 결정하고;
상기 스위칭 어레이가 상기 복수의 임피던스 중 제2 측정 임피던스를 상기 감지 노드에 결합하도록 구성될 때 상기 신호에 기초하여 제2 기준 신호 세트를 결정하고;
상기 스위칭 어레이가 상기 센서를 상기 감지 노드에 결합하도록 구성될 때 상기 신호에 기초하여 센서 전압 세트를 결정하고;
상기 제1 기준 신호 세트, 상기 제2 기준 신호 세트 및 상기 센서 전압 세트에 기초하여 상기 센서의 전기적 특성을 결정하도록
구성되는, 시스템.