(57)【要約】      （修正有）【課題】測定回路を使用して流体の電気的特性を測定するシステム及び方法を提供する。【解決手段】測定回路１００は、感知構成要素１３０と、感知構成要素と接続された電流源１０５と、感知要素とスイッチング可能に接続されたセンサ１２５と、感知構成要素と接続された監視回路１４０とを含む。コントローラは、感知構成要素における電圧を測定しつつ、並列なインピーダンスを回路内にかつ回路外にスイッチングすることにより、測定回路の校正を行う。校正により決定した少なくとも２つの異なる位相角にて電圧を測定する。異なるインピーダンス及び異なる位相にて電圧を測定したならば、コントローラは、固定容量又は抵抗の線の間にて補間することにより、流体の電気的特性の値を計算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定信号の信号変化の第一の直交成分と測定信号の信号変化の第二の直交成分とを分離することにより、流体の電気的特性を測定するシステムであって、該第一の直交成分は、センサにおける抵抗の変化に起因し、前記第二の直交成分は、センサにおける容量の変化に起因する、前記システムにおいて、
前記センサを含む構成要素のアレーと、
測定信号を第一の位相信号及び第二の位相信号と混合するミキサーであって、第一の位相信号と関係した第一の混合信号と、第二の位相信号と関係した第二の混合信号とを出力する前記ミキサーと、
コントローラと
を備え、該コントローラは、
前記第一の混合信号及び前記第二の混合信号を表す信号を受信し、
信号変化を生じさせるよう前記構成要素のアレーを制御し、
第一の直交成分に変化が生じたとき、第一の混合信号が増大しかつ第二の混合信号が減少するように第一の位相信号及び第二の位相信号を調節し、
追加的な信号変化を生じさせるよう前記構成要素のアレーを制御し、
第一の位相及び第二の位相における追加的な信号変化を表す複数の混合信号を受信し、
複数の混合信号に基づいて、流体の電気的特性を決定する、
ように構成された、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
流体の電気的特性は、流体の誘電定数及び導電率である、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記コントローラは、更に、複数の混合信号に基づいて流体の誘電定数及び導電率と関係した測定値を識別するように構成される、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記コントローラは、更に、複数の混合信号に基づいてセンサの抵抗及びリアクタンスを測定するよう構成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、更に、
前記ミキサーと接続された移相器であって、前記コントローラからの調節信号に基づいて第一の位相信号及び第二の位相信号を出力し、且つ調節するように構成された前記移相器を備える、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、
前記コントローラは、更に、
センサの電気的特性を決定する前に、第一の位相信号及び第二の位相信号の校正を実行するように構成され、校正する間、該コントローラは、
第一の位相信号がミキサーに入力されるときの第一の校正信号を、及び第二の位相信号がミキサーに入力されるときの第二の校正信号を、第一の校正インピーダンスにて測定し、
第一の位相信号がミキサーに入力されるときの第三の校正信号を、及び第二の位相信号がミキサーに入力されるときの第四の校正信号を、第二の校正インピーダンスにて測定し、
第一の校正信号、第二の校正信号、第三の校正信号及び第四の校正信号に基づいて第一の位相信号及び第二の位相信号を調節するよう構成される、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記構成要素のアレーは、複数の抵抗器を含む、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記構成要素のアレーは、少なくとも１つのコンデンサと、少なくとも１つの抵抗器と、少なくとも１つのブランクスイッチとを含む、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記構成要素のアレーと直列型接続状態に接続されたスイッチング可能なコンデンサのアレーを更に備える、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムにおいて、
前記構成要素のアレーと直列型接続状態に接続されたスイチング可能なインダクターのアレーを更に備える、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、
前記インダクターのアレーとコンデンサのアレーとの間にて直列型接続状態に接続されたオフセットインダクターを更に備える、システム。
【請求項１２】
感知ノードと、該感知ノードとスイッチング可能に接続されたセンサと、感知ノードとスイッチング可能に接続された構成要素のアレーと、コントローラとを含む測定回路にて流体の電気的特性を測定する方法において、
前記構成要素のアレーの第一の構成にて感知ノードの電圧を表す信号を、第一の位相信号及び第二の位相信号と混合して、第一の組の基準信号を生成するステップと、
前記構成要素のアレーの第二の構成における前記信号を、第一の位相信号及び第二の位相信号と混合して、第二の組の基準信号を生成するステップと、
第一の組の基準信号と第二の組の基準信号との間の関係が、ある条件を満足させる迄、第一の位相信号及び第二の位相信号を調節するステップと、
前記構成要素のアレーの複数の構成を設定するステップと、
前記構成要素のアレーの複数の構成の各々にて前記信号を、前記調節した第一の位相信号及び前記調節した第二の位相信号と混合して、複数の組の基準信号を生成するステップと、
感知ノードと接続されたセンサにより前記信号を、前記調節した第一の位相信号及び前記調節した第二の位相信号と混合して、一組の測定電圧を生成するステップと、
複数の組の基準信号と前記一組の測定電圧との間の関係に基づいて流体の電気的特性を決定するステップと、
を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記流体の電気的特性を決定するステップは、複数の組の基準信号と前記一組の測定電圧との間の関係に基づいて流体の誘電定数及び導電率と関係した測定値を識別するステップを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、
前記流体の電気的特性を決定するステップは、前記複数の組の基準信号及び前記一組の測定電圧に基づいてセンサの抵抗及びリアクタンス性インピーダンスを決定するステップを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法において、
前記第一の組の基準信号と前記第二の組の基準信号との間の関係が、ある条件を満足させる迄、第一の位相及び第二の位相を調節するステップは、第一の組の基準信号と第二の組の基準信号との間の電圧の変化が、容量変化に対して直交する抵抗変化を示すときを決定するステップを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法において、
前記第一の組の基準信号と前記第二の組の基準信号との間の関係が、ある条件を満足させる迄、第一の位相及び第二の位相を調節するステップは、第一の組の校正電圧と第二の組の校正電圧との間を伸びる線の勾配を決定するステップを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、
前記関係は、ほぼ−１に等しい勾配を有する、前記第一の組の校正電圧と前記第二の組の校正電圧との間の線を有する、方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載の方法において、
前記構成要素のアレーの第三の構成での前記信号を、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号と混合して、第三の組の基準信号を生成するステップと、
前記構成要素のアレーの第四の構成での前記信号を、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号と混合して、第四の組の基準信号を生成するステップと、
前記構成要素のアレーの第五の構成での前記信号を、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号と混合して、第五の組の基準信号を生成するステップと、
前記構成要素のアレーの第六の構成での前記信号を、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号と混合して、第六の組の基準信号を生成するステップと、
前記組の測定電圧と前記第三の組の基準信号、前記第四の組の基準信号、前記第五の組の基準信号、及び前記第六の組の基準信号との値の差を比較することにより、流体の電気的特性を決定するステップと
を備える、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、
前記組の測定電圧と第三の組の基準信号、第四の組の基準信号、第五の組の基準照信号、及び第六の組の基準信号との値の差を比較することにより、流体の電気的特性を決定するステップは、
第三の組の基準信号と第四の組の基準信号との間の固定容量の第一の線を決定するステップと、
第五の組の基準信号と第六の組の基準信号との間の固定容量の第二の線を決定するステップと、
固定容量の第一の線と固定容量の第二の線との間にて補間することにより、センサの容量を決定するステップと
を含む、方法。
【請求項２０】
流体の電気的特性を測定するシステムにおいて、
感知ノードと、
スイッチングアレーを介して前記感知ノードと接続されたセンサと、
スイッチングアレーを介して前記感知ノードと接続された構成要素のアレーであって、複数のインピーダンスを含む、構成要素のアレーと、
前記感知ノードと接続された監視回路であって、複数の位相にて複数の信号を入力し、感知ノードにて測定信号と関係した信号を出力するように構成された監視回路と、
スイッチングアレー及び監視回路と接続されたコントローラと
を備え、
該コントローラは、
複数の信号を受信し、
監視回路に対する入力信号の第一の位相及び第二の位相を設定し、
前記複数のインピーダンスのうちの第一の校正インピーダンスにて、第一の位相における第一の校正電圧と、第二の位相における第二の校正電圧とを測定し、
前記複数のインピーダンスのうちの第二の校正インピーダンスにて、第一の位相における第三の校正電圧と、第二の位相における第四の校正電圧とを測定し、
第一の校正電圧と、第二の校正電圧と、第三の校正電圧と、第四の校正電圧との間の関係が、ある条件を満足させる迄、第一の位相及び第二の位相を調節し、
前記構成要素のアレーのうちの少なくとも１つの構成要素を並列接続状態にて感知ノードと接続するように、スイッチングアレーを制御することにより、複数のインピーダンスを調節し、
前記スイッチングアレーが複数のインピーダンスのうちの第一の測定インピーダンスを前記感知ノードと結合するように構成されたときの前記信号に基づいて、第一の組の基準信号を決定し、
前記スイッチングアレーが複数のインピーダンスのうちの第二の測定インピーダンスを前記感知ノードと結合するように構成されたときの前記信号に基づいて、第二の組の基準信号を決定し、
前記スイッチングアレーがセンサを前記感知ノードと結合するように構成されたときの前記信号に基づいて、一組のセンサ電圧を決定し、
前記第一の組の基準信号、第二の組の基準信号及び前記一組のセンサ電圧に基づいてセンサの電気的特性を決定する
ように構成された、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］  本発明は、その出願内容の全体を参照して引用し本明細書に含めた、２０１４年９月１５日付けにて出願された米国仮特許出願第６２／０５０，６５６号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  本発明の実施の形態は、流体の電気的特性を測定するシステム、センサ及び方法に関するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
［０００３］  従来の容量センサは、高伝導性流体を測定するときに生ずるような、高伝導性経路がコンデンサに対して並列であるときに、その容量を測定するように、その能力が制限されている。本発明の１つの実施の形態は、流体の導電率の広い変動にもかかわらず、流体内のセンサの容量を決定するシステムを提供するものである。特定の実施の形態は、能動的な回路の構成要素がほぼ理想的であることに依存しない。また、信号の制御（すなわち、オフセット、振幅、及び位相）は、極めて高い分解能又や温度の厳密な制御を必要としない。場合によっては、実施の形態は、既存のシステム及びセンサよりも低コストにて具体化することができる。
［０００４］  本発明は、流体の導電率の広い変動にもかかわらず、流体の誘電定数を決定する低コストのシステムを提供するものである。従来の低コストの容量センサは、高伝導性流体を測定するときに生ずるような、高伝導性経路が容量に対して並列であるときに、流体内のセンサの容量を測定するように、その能力が制限されている。流体の誘電定数及び導電率を使用して、流体が期待される組の特性を有するときを決定することができる。例えば、流体の誘電定数及び導電率を使用して、流体の濃度レベル、又はその流体が品質基準に適合するかどうかを決定することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
［０００５］  １つの実施の形態は、流体のような材料の電気的特性を決定するシステムを提供するものである。特に、本システムは、ディーゼル排気流体のような流体内に浸漬させたセンサの導電率及び容量を決定する。本システムは、電流源、固定抵抗器、スイッチングアレー、及び構成要素のアレーを含む測定回路を使用する。該電流源は、スイッチングアレーを介して固定抵抗器及び構成要素のアレーに電流を供給する。該スイッチングアレーは、構成要素のアレーのどの構成要素が、測定のため固定抵抗器に対して並列に配置されるかを決定する。本システムは、移相器と、ミキサーと、利得・オフセットモジュールとを含む、監視回路を使用する。移相器は、変化する位相の波形を形成し、この波形は、ミキサーに供給される。本システムは、また、測定領域も含み、この測定領域は、一連の測定のため、固定抵抗器における測定電圧の座標対を含み、複数の構成要素は、該固定抵抗器に対して並列に配置されている。容量測定センサが電流源と接続するようにスイッチを入れられたとき、測定領域内の一点の位置は、座標対に対する容量測定センサの容量を識別する。
【０００５】
［０００６］  別の実施の形態は、液体と接触したセンサの容量を決定する方法を提供する。本方法は、固定抵抗器に対して並列に配置された複数の構成要素を用いて、一連の測定のため、固定抵抗器における電圧を測定する連続的なステップを含む。該電圧の測定は、同期型復調回路と時間合わせして、２つの位相における信号が出力を生成するようにするが、この場合、センサの抵抗の変化と関係なくセンサの容量が変化するため、信号が変化する。容量測定センサが固定抵抗器に対して並列であるときの固定抵抗器における電圧は、異なる位相信号に対して測定される。容量測定センサの容量は、電圧の測定値を補間することにより決定される。
【０００６】
［０００７］  別の実施の形態は、例えば、流体の誘電定数及び導電率を含む、流体の各種の電気的特性を決定するよう構成された測定システムを提供するものである。センサの容量を使用することにより、流体の誘電定数、及び誘電定数に関係した別の測定値を決定することができる。流体の電気的特性を使用して、流体が期待される組の物理的特性を有するときを、決定することができる。例えば、流体の誘電定数及び導電率を使用して、流体の濃度レベルを決定し又は流体が特定の品質基準に適合するかどうかを決定することができる。場合によっては、該測定システムは、ディーゼル排気流体の濃度及び純度を含む、ディーゼル排気流体の電気的特性を提供する。
【０００７】
［０００８］  更に別の実施の形態は、測定信号の信号変化の第一の直交成分を、該測定信号の信号変化の第二の直交成分から分離することにより、流体の電気的特性を測定するシステムを提供する。該第一の直交成分は、センサにおける抵抗の変化に起因し、また、第二の直交成分は、センサにおける容量の変化に起因する。本システムは、センサを有する構成要素のアレーを含む。本システムは、また、測定信号を第一の位相信号及び第二の位相信号と混合させるミキサーを含む。該ミキサーは、第一の位相信号と関係した第一の混合信号と、第二の位相信号と関係する第二の混合信号とを出力する。本システムは、また、第一の混合信号及び第二の混合信号を表す信号を受信し、かつ構成要素のアレーを制御して信号変化を生じさせるよう構成されたコントローラも含む。次に、該コントローラは、第一の位相信号及び第二の位相信号を調節して、第一の直交成分に変化が生じたときに、第一の混合信号が減少し、第二の混合信号が増加するようにする。該コントローラは、構成要素のアレーを制御して、追加的な信号変化を生じさせ、また、第一の位相及び第二の位相における追加的な信号変化を表す複数の混合信号を受信する。該コントローラは、複数の混合信号に基づいて流体の電気的特性を決定する。
【０００８】
［０００９］  更に別の実施の形態は、感知ノードと、該感知ノードとスイッチング可能に接続されたセンサと、感知ノードとスイッチング可能に接続された構成要素のアレーとを含む測定回路と、コントローラとにより、流体の電気的特性を測定する方法を提供するものである。本方法は、構成要素のアレーの第一の構成にて感知ノードにおける電圧を表す信号を、第一の位相信号及び第二の位相信号と混合して、第一の組の基準信号を生成するステップを含む。この信号は、構成要素のアレーの第二の構成にて、第一の位相信号及び第二の位相信号と混合されて、第二の組の基準信号が生成される。第一の組の基準信号と第二の組の基準信号との間の関係が、ある条件を満足させる迄、第一の位相信号及び第二の位相信号は調節される。構成要素のアレーに関する複数の構成が設定される。該信号は、構成要素のアレーの複数の構成の各々にて、調節した第一の位相信号及び調節した第二の位相信号と混合されて、複数の組の基準信号が生成される。該信号は、調節した第一の位相信号及び調節した第二の位相信号と混合され、感知ノードと接続されたセンサにより一組の測定電圧を生成する。流体の電気的特性は、複数組の基準信号と一組の測定電圧との間の関係に基づいて、決定される。
【０００９】
［００１０］  更に別の実施の形態は、流体の電気的特性を測定するシステムを提供する。本システムは、感知ノードと、スイッチングアレーを介して感知ノードと接続されたセンサと、スイッチングアレーを介して感知ノードと接続された構成要素のアレーとを含む。該構成要素のアレーは、複数のインピーダンスを含む。本システムは、また、感知ノードと接続された監視回路も含む。該監視回路は、複数の位相にて複数の信号を入力し、且つ感知ノードにて測定信号と関係した信号を出力するよう構成されている。本システムは、また、スイッチングアレー及び監視回路と接続されたコントローラも含む。該コントローラは、複数の位相にて複数の信号を受信し、且つ監視回路への入力信号の第一の位相及び第二の位相を設定するよう構成されている。該コントローラは、また、複数のインピーダンスの第一の校正インピーダンスにて、第一の位相での第一の校正電圧及び第二の位相での第二の校正電圧を測定するよう構成されている。該コントローラは、また、複数のインピーダンスの第二の校正インピーダンスにて、第一の位相での第三の校正電圧及び第二の位相での第四の校正電圧を測定するよう構成されている。第一の位相及び第二の位相は、第一の校正電圧、第二の校正電圧、第三の校正電圧及び第四の校正電圧間の関係が、ある条件を満足させる迄、調節される。該コントローラは、構成要素のアレーの少なくとも１つの構成要素を並列型接続で感知ノードと接続するようにスイッチングアレーを制御することにより、複数のインピーダンスを調節し、かつスイッチングアレーが複数のインピーダンスの第一の測定インピーダンスを感知ノードに結合するように構成されたときの信号に基づいて、第一の組の基準信号を決定するよう構成されている。該コントローラは、また、スイッチングアレーが複数のインピーダンスの第二の測定インピーダンスを感知ノードと結合するよう構成されたときの信号に基づいて第二の組の基準信号を決定し、かつスイッチングアレーがセンサを感知ノードと結合するよう構成されたときの信号に基づいて一組のセンサ電圧を決定するようにも構成されている。該コントローラは、第一の組の基準信号、第二の組の基準信号及び１組のセンサ電圧に基づいて、センサの電気的特性を決定する更なる構成ともされている。
【００１０】
［００１１］  本発明のその他の側面及び実施の形態は、詳細な説明及び添付図面を参照することにより、明らかになるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国仮特許出願第６２／０５０，６５６号明細書
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、１つの実施の形態に従って流体の容量及び抵抗を測定する測定回路のブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、１つの実施の形態に従ったセンサの概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、１つの型式のセンサの概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、１つの型式のセンサの一部切り欠いた側面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃに示したセンサの斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、特定の実施の形態に従ったセンサの電気的モデルを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、特定の実施の形態に従ったセンサの電気的モデルを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、特定の実施の形態に従ったセンサの電気的モデルを示す図である。
【図４】コントローラを含む図１の測定回路のブロック図である。
【図５】１つの実施の形態に従った図１の測定回路の移相器の回路の概略図である。
【図６】図１の測定回路を校正する方法のフローチャートである。
【図７】図１の測定回路の出力電圧の基準点を示すグラフである。
【図８】測定位相が増分された場合の、抵抗器が図１の測定回路の感知ノードと接続されたときの出力電圧の変化を示すグラフである。
【図９】抵抗器及びコンデンサが図１の測定回路の感知ノードと接続されたときの出力電圧の変化を示すグラフである。
【図１０】図１の測定回路のセンサの容量を測定する方法を示すフローチャートである。
【図１１】感知ノードと各種の構成要素とが接続されたときの、多数の測定位相における出力電圧の一例としてのグラフである。
【図１２】図１１の出力電圧に基づく容量の平行な固定線を示すグラフである。
【図１３】１つの実施の形態に従った図１の測定回路を有する、流体センサの容量及び抵抗を決定するための、固定容量の線と固定抵抗の線との間の補間法を示すグラフである。
【図１４】図１の測定回路に対する並列抵抗の大きい変化の非線形的影響を示すグラフである。
【図１５】センサの回路の経路内にて並列インダクタンスを釣り合わせるインダクターを含む、図１の測定回路の概略図である。
【図１６】別の実施の形態に従っての流体センサの容量及び抵抗を測定する測定回路のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［００３１］  本発明の任意の実施の形態に関して詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載され、又は添付図面に示した構成要素の構造及び配置にのみその適用が限定されるものではないことを理解すべきである。本発明は、その他の実施の形態が可能であり、また、多様な仕方にて実施することが可能である。
【００１４】
［００３２］  本明細書にて、「直列型の構成」という語句は、説明した構成要素が一般的に順序的な仕方にて配置され、１つの要素の出力が別の要素の入力と結合されるようなものであるが、同一の電流が必ずしも各要素を通らなくてもよいような回路の構成であること意味することを認識すべきである。例えば、「直列型の構成」において、追加的な回路要素を、「直列型の構成」における１つ又は複数の要素と並列に接続することが可能である。更に、追加的な回路要素を、直列型の構成におけるノードにて接続し、回路に枝が存在するようにすることが可能である。このため、直列型の構成の要素は、必ずしも真の「直列」回路を形成するとは限らない。
【００１５】
［００３３］  更に、本明細書にて使用した「並列型の構成」という語句は、一般的に、１つの要素が別の要素と接続されて、回路が回路構造の並列な枝を形成するような仕方に、説明した要素が配置される回路構造を意味する。かかる構成において、回路の個別の要素は、必ずしも、それらの要素にて個別に同一の電位差を有するとは限らない。例えば、回路の並列型の構成において、互いに並列な２つの回路要素は、該回路の１つの又は複数の追加的な要素と直列に接続することが可能である。このため、並列型の構成の回路は、必ずしも真の並列回路を個別に形成しない要素を含むことができる。
【００１６】
本明細書にて使用した、「容量」、「抵抗」、「誘電定数」、「導電率」又は「流体の電気的特性」を測定することに関する語句は、必ずしも、これらの測定値の絶対値を計算することを必要とするものではないことを認識すべきである。これらの語句は、これらの測定値の絶対値に関係した測定値を意味することがある。例えば、流体の「誘電定数」を測定するシステムは、実際に流体の誘電定数を計算せずに、流体の誘電定数と共に変化する容量のようなある量を測定することがある。また、更なる例として、「容量」の測定は、絶対容量と共に変化する測定をすることを意味することがある。
【００１７】
［００３４］  図１は、１つの実施の形態に従った測定回路１００のブロック図である。電流源１０５（例えば、トランスコンダクタンス増幅器）の出力は、感知ノード１１０と接続される。感知ノード１１０は、スイッチングアレー１１５と接続する。スイッチングアレー１１５は構成要素のアレー１２０と接続し、その（構成要素のアレー１２０の）他方の端子は接地接続される。構成要素のアレー１２０は、各々が異なる抵抗を有する抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）を含み、多数のインピーダンス（Ｚ１．．．Ｚｎ）を選ぶことを可能にする複数の構成要素を含む。その他の実施の形態において、複数の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）を単一の装置により置換するようにすることができる。１つの例において、電圧制御可変抵抗器を使用することができ、また、この電圧制御可変抵抗器は、電界効果トランジスタを使用して具体化することができる。構成要素のアレー１２０は、多数のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）も含む。スイッチングアレー１１５は、また、１つ又は複数のブランクスイッチ（ＢＬ１、ＢＬ２）とも接続する。これらのブランクスイッチは、プリント回路板上の、電気的に接続された構成要素が無いパッドと接続される。スイッチングアレー１１５はセンサ１２５とも接続され、その（センサ１２５の）他方の端子は接地接続される。
【００１８】
［００３５］  スイッチングアレー１１５は、構成要素のアレー１２０の異なる構成を形成して、測定回路１００を校正し、かつ測定を行う。電子スイッチは、該スイッチが開いているか又は閉じているかに依存して異なる、接地に対しての寄生容量を保持しているため、これらのスイッチは、望まない容量を回路内に導入する可能性がある。測定回路１００において、校正および測定の間に寄生容量の何れの変化をも最小にするために、固定数の電子スイッチを有することが望ましい。この点に関して、スイッチングアレー１１５は、スイッチングアレー１１５内のその他のスイッチと同一であるが、感知ノードをプリント回路板上の空のパッドにのみ接続するブランクスイッチを含む。このことにより、固定数の開および閉のスイッチを維持し、その結果、一貫性のあるオフセット容量が得られる。スイッチングアレー１１５は、１つの構成要素（すなわち、センサ１２５）に対するスイッチが閉じられたとき、１つのブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）が開き、２つの構成要素に対する２つのスイッチが閉じられたとき、両方のブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１、ＢＬ２）が開くように制御される。
【００１９】
［００３６］  電流源１０５は、感知ノード１１０を通じて感知構成要素１３０に交流（ＡＣ）を供給する。一部の実施の形態において、感知構成要素１３０は、既知の又は固定の抵抗値を有する抵抗器である。感知構成要素１３０は、第一の端部にて感知ノード１１０と接続され、また、第二の端部にて接地接続されている。この構成は、スイッチングアレー１１５のスイッチの位置に依存する電圧を感知構成要素１３０の両端間で生成する。感知ノード１１０は、バッファ増幅器１３５と接続され、このバッファ増幅器は、より大きい測定回路１００内に含まれた監視回路１４０への入力を形成する。
【００２０】
［００３７］  １つの実施の形態において、監視回路１４０は、利得・オフセットの調節作用を有する同期復調回路を利用する。監視回路１４０は、バッファ増幅器１３５を含む。バッファ増幅器１３５の出力は、ミキサー１４５の入力と接続される。ミキサー１４５は、バッファ増幅器１３５からの信号を、例えば、可変位相の矩形波のような、可変位相の波形と乗算する。この可変位相の波形は、移相器１５０により供給される。ミキサー１４５の出力は、ローパスフィルタ１５５と接続され、また、ローパスフィルタ１５５の出力は、利得・オフセット調節モジュール１６０と接続される。利得・オフセット調節モジュール１６０からの出力は、コントローラ又は同様の電子プロセッサ内にてデジタル信号として使用し得るように、アナログデジタル変換器１６５と接続される。
【００２１】
［００３８］  一部の実施の形態において、移相器１５０は、振動波形を別の振動波形（たとえば、正弦波を矩形波）に変換する回路を含む。１つの例において、移相器５０は、正弦波と矩形波の比較器と、矩形波形を制御された時間間隔だけ遅延させる回路とを含む。特に、クロック又は制御された数の個別の遅延ステージを使用して、この遅延、従って、移相を実現する。別の例において、移相器１５０は、同一の周波数の多数の正弦波を入力し、この正弦波を合計して、中間位相の正弦波を形成する。この例において、移相器１５０は、入力正弦波の１つの振幅を調節して、中間位相の正弦波の位相を変化させ、可変位相の正弦波を生成する。次に、この可変位相の正弦波をミキサー１４５に入力するために、矩形波形に変換する。一部の実施の形態において、ミキサー１４５は、位相に基づいて信号の成分を分離する正弦波混合又はその他の復調スキームを実行するよう構成されている。
【００２２】
［００３９］  測定回路１００が作動する間、電流源１０５からの振動電流は、幾つかの並列型の経路にて分割される。１つの例において、電流の一部分は、スイッチングアレー１１５の状態に依存して、スイッチングアレー１１５へ、また、構成要素のアレー１２０を通って流れる。電流は、センサ１３５がスイッチングアレー１１５により接続されているかどうかに依存して、センサ１２５を通って流れることもできる。電流は、また、感知構成要素１３０を通って接地へ流れる。構成要素のアレー１２０のスイッチングインされた構成要素のインピーダンスが低下したとき、感知構成要素１３０を通る電流は減少し、このため、感知構成要素１３０の両端間の電圧は低下する。このことは、ミキサー１４５に加わる電圧を低下させることになる。センサ１２５に対するスイッチが閉じられると、感知構成要素１３０に対する電流の損失が生じ、このことは、ミキサー１４５に加わる電圧を低下させることになる。このようにして、感知構成要素１３０における電圧又は電圧の位相角の変化を使用して、センサ１２５のインピーダンス、抵抗、及び／またはリアクタンスを識別することができる。理想的なシステムにおいて、感知構成要素１３０上の電圧の同相（すなわち、電流と同相）の成分は、電流源１０５と接地との間の抵抗にのみ起因る電流（すなわち、抵抗性電流）のインジケータ（この電流を示すもの）として機能する。直交成分（すなわち、同相の成分から９０°移相したもの）は、電流源１０５と接地との間のリアクタンス性インピーダンス（すなわち、無効電流）にのみ起因する電流のインジケータ（この電流を示すもの）として機能する。しかし、実際には、電流源１０５から接地へのインピーダンスは、抵抗性インピーダンスとリアクタンス性インピーダンスとの混合物である。その結果、電圧と電流との間の位相角は、正確に０°又は９０°ではない。
【００２３】
［００４０］  図２Ａ−図２Ｄには、センサ１２５の１つのモデル及び各種の側面が示されている。図２Ａは、センサ１２５の概略図である。図２Ｂには、センサ１２５の１つの実施例が概略図的に示されている。図２Ｃ及び図２Ｄには、センサ１２５の別の実施例が示されている。図３Ａ及び図３Ｂには、センサ１２５の電気的モデルが示されている。
【００２４】
［００４１］  図２Ａ−２Ｃに示した実施の形態において、センサ１２５は、第一の電極２０５、２０５Ｂ、２０５Ｃ及び第二の電極２１０、２１０Ｂ、２１０Ｃという２つの電極を含む。図２Ｂに示した実施の形態において、第一の電極２０５Ｂは、球形のドーム（例えば、導電性ケージ）により覆われている。この場合、この球形のドームは、第二の電極２１０Ｂを構成する。１つの実施の形態において、第二の電極２１０Ｂは、流体が第二の電極２１０Ｂを通ることを許容する多数の孔を有するスクリーンにより形成されている。別の実施の形態（図示せず）において、第二の電極２１０Ｂは、連続的な薄板又は切れ目のない片の材料にて形成されているが、流体の多少の動きを許容する少数の孔を有する形態とされている。別の実施の形態において、センサ１２５は、感知電極２０５の上方にてアーチを形成する１つの又は複数の導体を含むことができる。例えば、図２Ｃに示したセンサ１２５の実施の形態は、第一の電極２０５Ｃと、第二の電極２１０Ｃと、取り付け面２１５Ｃとを含む。取り付け面２１５Ｃは、プリント回路板（ＰＣＢ）にて形成することができる。この例において、第二の電極２１０Ｃは、第一の電極２０５Ｃの上方にてアーチを形成する。このことは、流体が第一の電極２０５Ｃと第二の電極２１０Ｃとの間にて流れることを許容する。図２Ｄは、図２Ｃに示したセンサの斜視図である。感知電極、すなわち第二の電極２１０、２１０Ｂ及び２１０Ｃの形状は、図示した形状と異なるものとすることができ、また、別の形態とすることができることを認識すべきである。センサ１２５は、例えば、一般に腐食に対して抵抗性のあるステンレス鋼を含む導電性材料にて出来たものとすることができる。
【００２５】
［００４２］  図３Ａには、センサ１２５の１つの電気的モデル及び感知される流体が示されている。このモデルは、第一の電極２０５と第二の電極２１０との間の流体の電気的特性（例えば、導電率及び誘電定数）及びセンサ１２５の幾何学的構成の双方を考慮する。例えば、容量２２０は、センサ１２５の容量及びセンサ１２５内の流体がこの容量に与える影響を表す。同様に、抵抗２２５は、センサ１２５の抵抗及びセンサ１２５内の流体がこの抵抗に与える影響を表す。センサ１２５の幾何学的構成は一定であるため、容量２２０及び抵抗２２５は、流体の誘電定数及び導電率を示す値である。図３Ｂには、表面層が電極上に形成又は蒸着されたことに起因する容量を含むセンサ１２５の別の電気的モデルが示されている。このモデルにおいて、第一の電極の容量２３０は、第一の電極２０５における表面層の容量を表す。この第一の電極の容量２３０は、センサ１２５の合計容量を減少させる。同様に、第二の電極の容量２３５は、第二の電極２１０上の表面層の容量を表す。この第二の電極の容量２３５は、センサ１２５の合計容量を減少させる。図３Ｃには、図３Ｂのセンサ１２５の簡略化した電気的モデルが表されている。この簡略化したモデルにおいて、誘導容量２４０は、第一の電極の容量２３０と第二の電極の容量２３５との組み合わせを表す。表面層の厚さが増すに伴い、容量２４０は減少する。誘導容量２４０の減少は、センサ１２５の合計容量を減少させる。表面層に起因する誘導容量２４０が僅かであるならば（厚い表面層に対応）、センサ１２５の合計容量（すなわち、測定された容量）は、表面層の厚さに強く依存するであろう。
【００２６】
［００４３］  誘導容量２４０が容量２２０よりも大きい場合（例えば、５桁大きい）、抵抗２２５が比較的小さいときでさえ、容量２２０を正確に測定することができる。しかし、誘導容量２４０が容量２２０に比して減少するに伴い（より厚い表面層に起因して）、容量２２０の測定値に誤差が生ずるであろう。高い周波数（例えば、１０ＭＨｚ）における測定値は、この誤差の影響を軽減することができる。これと逆に、低い周波数における測定値は、抵抗、誘導容量２４０及び周波数に依存する誤差を生じさせるであろう。誤差と周波数との間の関係は、以下の等式１に示したように表すことができる。
誤差＝ＭＣＬ−ＡＣＬ∝１／周波数２                            （１）
ここにおいて、ＭＣＬは、センサ１２５の測定した容量であり、ＡＣＬは、容量２２０である。異なる２つの周波数ｆ１、ｆ２にて測定したならば、等式２の関係は、真である。
誤差ｆ１／誤差ｆ２  ＝｛（ＭＣｆ１−ＡＣＬ）／（ＭＣＬｆ２−ＡＣＬ）｝∝
｛（１／ｆ１２）／（１／ｆ２２）｝＝ｆ２２／ｆ１２                （２）    
短い時間間隔内で２つの周波数にて測定したならば、誘導容量２４０及び抵抗２２５は、一定の値とみなすことができ、以下の等式３の相等性を推定することができる。
｛ＭＣＦｆ１−ＡＣＬ｝／｛ＭＣＬｆ２−ＡＣＬ｝＝ｆ２２／ｆ１２      （３）
容量２２０は、等式４に示したように記述することができる。
ＡＣＬ＝｛（ｆ２／ｆ１）２  ＊ＭＣＬｆ２−ＭＣＬｆ１｝／｛（ｆ２／ｆ１）２−１｝                                                                        （４）
このため、電極２０５、２１０上に中程度の表面層がある場合でさえ、２つの周波数における測定値を使用して容量２２０を計算することができる。しかし、表面層の厚さが増すに伴い、センサ１２５における容量の測定値の誤差は、特に、センサ１２５の抵抗が小さくなるときには、上述した補正を作用させるには大きすぎるものとなる。以下により詳細に説明するように、１つの実施の形態において、補助的なコンデンサを使用して、基準インピーダンスをセンサ１２５のインピーダンスと整合させ、電極の表面層に関しての補償をすることができる（図１６参照）。
【００２７】
［００４４］  図４には、一例としてのコントローラ３００（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子プロセッサ又は同様のデバイス又はデバイスのグループ）が示されている。図示した実施の形態において、コントローラ３００は、処理装置３０５と、メモリ３１０と、センサ構成制御装置３１５と、測定構成制御装置３２０と、クロック３２５と、アナログデジタル変換器１６５とを備えている。コントローラ３００は、測定回路１００の１つの代替的な実施の形態と電気的に接続されている。図示した例において、コントローラ３００は、センサマルチプレクサ３３５及び信号調整モジュール３６０と接続されている。センサマルチプレクサ３３５は、スイッチグアレー１１５として、又はスイッチングアレー１１５に代えて使用することができる。コントローラ３００は、特に、測定回路１００の動作を制御し、センサ構成制御装置３１５を制御し、また。測定構成制御装置３２０を制御するよう作動可能であるハードウェア及びソフトウェアの組み合わせを含む。更に、コントローラ３００は、センサマルチプレクサ３３５を通じて、センサ１２５、オプションの流体レベルセンサ３５０、及び構成要素のアレー１２０（Ｚ１、Ｚ２，．．，Ｚｎ）と接続されている。
【００２８】
［００４５］  処理装置３０５、メモリ３１０、センサ構成制御装置３１５、測定構成制御装置３２０、及びその他の各種の構成要素は、１つ又は複数の制御バス又はデータバス又はその双方により接続されている。各種の構成要素の間にて相互に接続しかつ通信するために、１つ又は複数の制御バス又はデータバス又はその双方を使用することは、上述した説明及び図面を考慮すると、当該技術の当業者に既知であろう。
【００２９】
［００４６］  メモリ３１０は、プログラム記憶領域と、データ記憶領域とを含む。このプログラム記憶領域及びデータ記憶領域は、機械読み取り可能非一時的メモリ、読み取り専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）（例えば、ダイナミックＲＡＭ（「ＤＲＡＭ」）、シンクロナスＤＲＡＭ（「ＳＤＲＡＭ」等）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（「ＥＥＰＲＯＭ」）、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＳＤカード、又はその他の適当な磁気式、光学式、物理的又は電子的メモリ装置のような、多様な型式のメモリ３１０の組み合わせを含むことができる。処理装置３０５は、メモリ３１０と接続され、かつメモリ３１０のＲＡＭ、（例えば、実行中）、メモリ３１０のＲＯＭ（例えば、一般的に永久的に）、又は別の非一時的コンピュータ読み取り可能媒体に保存することのできるソフトウェア命令を実行する。測定回路１００に対するプロセス及び方法のために含まれるソフトウェアは、コントローラ３００のメモリ３１０に記憶することができる。このソフトウェアは、ファームウェア、１つ又は複数のアプリケーション、プログラムデータ、フィルタ、ルール、１つ又は複数のプログラムモジュール、及びその他の実行可能な命令を含むことができる。例えば、方法５００（図６に図示した）は、Ｃ１、Ｃ２の絶対値及びセンサ１２５の幾何学的構成に関する情報をＥＥＰＲＯＭに効果的に記憶する。処理装置３０５は、特に、本明細書に記載した制御プロセス及び方法に関する命令をメモリ３１０から取り出して実行するよう構成されている。その他の構造において、コントローラ３００は、追加的な、又はより少数の、又は異なる構成要素を含む。
【００３０】
［００４７］  図５には、移相器１５０と、１つの実施の形態に従っての測定回路１００に対する移相器１５０の接続が示されている。移相器１５０は、２つの出力接続部を有する分割・分相器４０５を含む。分割・分相器４０５の第一の出力は、第一のローパスフィルタ４１０と接続され、分割・分相器４０５の第二の出力は、第二のローパスフィルタ４１５と接続されている。第一のローパスフィルタ４１０の出力は、電流源１０５の入力、第一の演算増幅器４２０の入力及び振幅コントローラ４２５と接続されている。第一の演算増幅器４２０の出力は、抵抗器（２Ｒ）を通じて合算モジュール４４０の入力と接続されている。振幅コントローラ４２５の出力は、第二の演算増幅器４３０の入力と接続されている。第二の演算増幅器４３０の出力は、抵抗器（Ｒ）を通じて合算モジュール４４０の入力と接続されている。第二のローパスフィルタ４１５の出力は、第三の演算増幅器４３５と接続され、また、第三の演算増幅器４３５の出力は、抵抗器（Ｒ）を通じて合算モジュール４４０の入力と接続されている。合算モジュール４４０の出力は、比較器回路４４５の正の端子と接続されている。比較器回路４４５の出力は、ミキサー１４５の入力にて測定回路１００と接続されている。
【００３１】
［００４８］  移相器１５０は、測定のため複数の位相を生成することにより、測定回路１００の応答を操作する。これを使用して、測定領域を形成し、この測定領域において、抵抗性電流の増加により生じた信号変化は、ほぼ同一の振幅であり、また、容量性電流の僅かな変化に対してほぼ直交する。この測定領域は、測定回路からの信号と２つの信号とを個別に混合することにより生成されるものであり、これら２つの信号が有する位相は、互いに近く、且つ感知ノードと接地との間の抵抗に変化があるときの電流変化の角度から位相角が９０°いずれかの側に離れている。例えば、抵抗器が感知ノードと接続されたとき、電流変化の位相角が４５°である場合、測定のために使用される２つの位相は、１３０°及び１４０°（すなわち、４５°＋８５°＝１３０°、及び４５°＋９５°＝１４０°）となるであろう。このことは、容量に並列のセンサ１２５を通る抵抗性電流が未知であってセンサ１２５を通る容量性電流よりもはるかに大きいときでさえも、センサ１２５の容量及び抵抗を同時に測定することを可能にする。
【００３２】
［００４９］  図６は、測定回路１００に対する所望の位相角を決定する一例としての方法５００のフローチャートである。順序的順番にて示したが、本方法５００のステップは、順序的に、同時に、又は異なる順番にて実行することができる。方法５００は、少なくとも一部分は、コントローラ３００により実行することができる。方法５００の一部分は、手動にて実行することが可能である。最初に、ブランクスイッチ（すなわち、ＢＬ１、ＢＬ２）は、閉じられ、スイッチングアレーの１１５のその他の全てのスイッチは、開いて、電力をオンにする（ステップ５０５）。移相器１５０は、コントローラが調節信号を送ることにより、第一の位相（位相１）となるように調節する（ステップ５１０）。利得・オフセット調節モジュール１６０のオフセットを調節して、アナログデジタル変換器１６５の出力が、アナログデジタル変換器１６５の出力範囲（すなわち、信号調整モジュール３６０の出力）の中間にあるようにし、また、出力が記録されるようにする（出力１）（ステップ５１５）。移相器１５０は、位相１に近い（例えば、位相１の６°上）の第二の位相（位相２）となるように調節する（ステップ５２０）。次に、利得・オフセット調節モジュール１６０のオフセットを調節して、アナログデジタル変換器１６５の出力がアナログデジタル変換器１６５の出力範囲の中間にあるようにし、また、出力（出力２）が記録されるようにする（ステップ５２５）。所定の組のステップ、すなわち、ステップ５０５からステップ５４０に対して、位相１及び位相２の各々は、この測定手順の間は一定に維持され得るそれら自体のそれぞれのオフセット調節を有する。ブランクスイッチ（例えば、ＢＬｌ）を開き、Ｒ１に対するスイッチを閉じる（ステップ５３０）。位相１及び位相２の双方に対するアナログデジタル変換器１６５の出力（Ｒ１１、Ｒ１２）は、それらのそれぞれのオフセット調節を使用して記録される（ステップ５３５）。出力（出力１、出力２）と出力（Ｒ１１、Ｒ１２）との間の線の勾配を計算する（ステップ５４０）。
【００３３】
［００５０］  計算したならば、勾配が正であるかどうかの決定が為される（ステップ５４５。）勾配が正であるならば、ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を閉じ、Ｒ１に対するスイッチを開き、ステップ５１０から５４０を繰り返す（ステップ５５０）。ステップ５１０及びステップ５２０がステップ５５０から起動されたならば、位相１及び位相２に対する位相の調節は、適度な量、例えば、約３°だけ、増大させることができる。ステップ５１０からステップ５４０を反復した後、方法は、ステップ５４５に戻り、調節した出力値（出力１、出力２）と（Ｒ１、Ｒ２）との間の線の勾配が正であるかどうかを決定する。勾配が正でないならば、勾配は−１にほぼ等しいかどうかの決定が為される（ステップ５５５）。この勾配が−１にほぼ等しくないならば、ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を閉じて、Ｒ１に対するスイッチを開き、ステップ５１０から５４０を反復する（ステップ５６０）。ステップ５１０、５２０がステップ５６０から起動されたとき、位相１及び位相２に対する位相の調節は、僅かな量、例えば、約０．２°だけ、増大させることができる。ステップ５１０から５４０を繰り返した後、方法は、ステップ５５５に戻り、調節した出力値（出力１、出力２）と（Ｒ１１、Ｒ１２）との間の線の勾配が−１に等しいかどうかの決定が為される。この勾配が−１とほぼ等しいならば、望まれる位相角（位相１及び位相２）が見つかっている（ステップ５６５）。以下により詳細に説明するように、上述した例において、方法５００にて決定された位相角は、図９の測定方法９００にて使用される。ステップ５５０、５６０により起動された位相角の調節は、ステップ５１０、ステップ５２０に対して、位相角の変化の量及び方向を推定することにより、所望の位相角を決定することに役立つ追加的な論理を含むことができることを、認識すべきである。
【００３４】
［００５１］  図７は、方法５００のステップ５４０のための信号調整モジュール３６０の一例としての出力を示すグラフである。出力は、位相１及び位相２にて為した測定値を表す座標対としてプロットしている。座標対は、校正信号の組を表す。第一に、位相１及び位相２の出力（出力１、出力２）は、ブランクスイッチ（すなわちＢＬ１、ＢＬ２）のみを閉じてプロットしたものである。位相１及び位相２の出力（Ｒ１１、Ｒ１２）は、Ｒ１に対するスイッチを閉じ、ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を開いて、プロットしている。線は、座標対（出力１、出力２）と（Ｒ１１、Ｒ１２）との間の勾配を示し、等式５により計算することができる。
勾配＝（Ｒ１２−出力２）／（Ｒ１１−出力１）          （５）
【００３５】
［００５２］  図８は、Ｒ１に対するスイッチを閉じ、ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を開いての、位相１及び位相２の信号に対する一例としての調節を示すグラフである。矢印は、連続的な測定の間の位相１及び位相２の信号の変化に対する出力の変化を表す（ステップ５５０又は５６０）。座標対（２．９、２．１）は、抵抗器（Ｒ１）無しでの座標対から、抵抗器（Ｒ１）有りでの座標対までの勾配がほぼ−１に等しい目標領域を示す。勾配がほぼ−１に等しい位相を探すということは、位相１及び位相２の平均値（すなわち、（位相１＋位相２）／２）は、Ｒ１をスィッチインとしたときに追加された電流に起因する合計電流の変化の角度からほぼ９０°の位相角である、ということを意味する。負の勾配は、２つの位相、すなわち位相１及び位相２は、Ｒ１をスイッチインしたことに起因する実際の電流変化位相から９０°の位相角の両側にあることを表す。機能的には、２つの位相は、並列の抵抗（例えば、Ｒ１）がスィッチインされたとき、信号調整モジュール３６０の一方の位相における出力が他方の位相における出力の減少とほぼ同じ振幅だけ増大するように、選ばれる。勾配が正確に−１となる位相を探す必要はないことを認識すべきである。計算した勾配が−１と著しく相違する場合でさえ、測定を行うことができる。１つの例として、−０．５から−２の範囲内にある計算した勾配は、満足し得る結果をもたらすであろう。
【００３６】
［００５３］  図９は、構成要素のアレー１２０の並列コンデンサ（Ｃ１）がスイッチインされたときに生ずる、信号調整モジュール３６０の出力電圧の変化の一例を示すグラフである。この場合、小さい並列容量をスイッチインしたことに起因する、構成要素のアレー１２０への電流の増加は、感知構成要素１３０への電流及び感知構成要素における電圧を減少させることになる。例えば、位相１及び位相２に対する信号調整モジュール３６０の出力の座標対（１．７５、１．７５）は、Ｃｌがスイッチインされていない座標対（２．５、２．５）よりも低い電圧を有する。座標対（１．７５、１．７５）は、座標対（２．５、２．５）に対しての＋１の勾配を有する線上に位置する。図９は、測定回路１００が校正されたならば、純粋に容量型の構成要素を追加又は除去すべく構成要素のアレー１２０をスィッチングインした結果として、信号調整モジュール３６０の出力の座標値は変化し、新たな座標は、それ以前の座標値からの＋１の勾配の線上に位置することになることを、実証する。換言すれば、追加的な小さい並列容量に起因する測定値の変化は、＋１の勾配の線によって決まり、また、追加的な並列抵抗に起因する測定値の変化は、−１の勾配の線によって決まるであろう。
【００３７】
［００５４］  図１０は、センサ１２５の容量２２０に対する一例としての測定方法９００を示すフローチャートである。順序的な順番にて示してあるが、測定方法９００のステップは、順序的に、同時に、又は異なる順序にて実行することができる。一例において、測定方法９００は、少なくとも一部分を、コントローラ３００により実行することができる。測定方法９００の一部分を手動にて実行することも可能である。方法９００の全体を通じて、利得・オフセット調節モジュール１６０の利得・オフセットの設定値は調節され、また、移相器１５０の設定値は、各測定に対して方法５００にて決定した設定値となるように調節する（ステップ９０５）。ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を閉じ、Ｃ１に対するスイッチを閉じ、スイッチングアレー１１５の他の全てのスイッチを開き、位相１及び位相２におけるアナログデジタル変換器の出力電圧を測定する（ステップ９１０）。ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を閉じ、Ｃ２に対するスイッチを閉じ、スイッチングアレー１１５のその他の全てのスイッチを開き、位相１及び位相２におけるアナログデジタル変換器１６５の出力電圧を測定する（ステップ９１５）。次のステップにおいて、ｎは１に等しいように設定し、ここにおいて、ｎは、構成要素のアレー１２０内の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２．．．Ｒｎ）の特定の１つに対応する（ステップ９２０）。Ｒｎに対するスイッチを閉じ、Ｃ１に対するスイッチを閉じ、スイッチングアレー１１５のその他の全てのスイッチを開いて、位相１及び位相２におけるアナログデンタル変換器１６５の出力電圧を測定する（ステップ９２５）。Ｒｎに対するスイッチを閉じ、Ｃ２に対するスイッチを閉じ、スイッチングアレー１１５のその他の全てのスイッチを開いて、位相１及び位相２におけるアナログデジタル変換器１６５の出力電圧を測定する（ステップ９３０）。次のステップにおいて、ｎがｎの最大値（すなわち、最も大きい番号の抵抗器）に等しいかどうかの決定が為される（ステップ９３５）。この決定は、構成要素のアレー１２０内の全ての抵抗器が使用されたかどうかを示す。ｎがｎの最大値に等しくないならば、ｎは、１だけ増分させる（ステップ９４０）。次に、この方法は、ステップ９２５へと進む。ｎがｎの最大値に等しいならば、ブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を閉じ、センサ１２５に対するスイッチを閉じ、スィッチングアレー１１５のその他のスイッチは開いて、位相１及び位相２におけるアナログデジタル変換器１６５の出力電圧を測定する（ステップ９４５）。以下により詳細に説明するように、基準測定値及びセンサの１２５の測定値（すなわち、出力電圧の測定値）を使用して、センサ１２５の容量を計算する（図１３）。
【００３８】
［００５５］  図１１は、図示した１つの抵抗器（１２１）にて発生された出力のみを用いる測定方法９００の出力の一例のグラフある。このグラフの各々は、基準値、位相角、オフセット、及びシステムの利得に依存して、異なる測定点を有する。図示したグラフは、位相１及び位相２の信号（すなわち、基準信号）に対する測定した出力を示す。通常、構成要素のアレー１２０からの構成要素の各対と関係した座標対関しての出力がプロットされる。これらの出力の各々は、構成要素のアレーの異なる構成に対応する一組の基準信号を提供する。基準信号とセンサ信号との間の値の差を比較することにより、流体の電気的特性を決定することができる。このことは、各抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）を用いたときのＣ１、Ｃ２をプロットし、また、ブランクスイッチ（すなわち、ＢＬ１、ＢＬ２）を用いたときのＣ１、Ｃ２をプロットすることを含む。更に、ブランクスイッチ（すなわち、ＢＬ１、ＢＬ２）を用いたときの抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）がプロットされる。図１１には、容量の変化が、座標対（ブランク、ブランク）からの＋１の勾配に沿った線上にプロットされ、また、抵抗の変化が、座標対（ブランク、ブランク）から−１の勾配に沿った線上にプロットされることを示す。例えば、（Ｃ１、ブランク）測定と（Ｒ１、Ｃ１）測定との間の出力の変化は、並列抵抗の変化に起因し、（Ｃ１、ブランク）測定と（Ｃ２、ブランク）測定との間の出力の変化は、並列容量の変化に起因する。この振舞いは、図１３に示したように、センサ１２５の抵抗及び容量の成分を分離し、個別に計算することを許容する。
【００３９】
［００５６］  図１２は、固定容量の平行な線を示すグラフである。図１１におけるように、このグラフは、並列の複数の構成要素についての位相１及び位相２の信号に関しての出力の座標対を示す。座標対は、固定容量の線を決定するための基準点を生成する。例えば、座標対（Ｃ１、ブランク）及び（Ｒ１、Ｃ１）は、同一のコンデンサを有するが、座標対（Ｒ１、Ｃ１）は、抵抗器（Ｒ１）を追加する。（Ｃ１、ブランク）と（Ｒ１、Ｃ１）とを接続する線は、抵抗にのみ起因する構成要素における変化を実証し、従って、固定容量の線を表す。同様に、（Ｃ２、ブランク）と（Ｒ１、Ｃ２）とを接続する線は、固定容量の線である。固定抵抗の線を決定することもできる。例えば、固定抵抗の線は、点（Ｒ１、Ｃ１）と（Ｒ１、Ｃ２）との間に位置する。
【００４０】
［００５７］  図１３は、１つの実施の形態に従っての、センサ１２５の容量を決定するための固定容量の線の間の補間法を示すグラフである。Ｃ１及びＣ２に対する容量値は既知であるため、固定容量の線にて表した容量値も既知である。センサ１２５の容量は、固定容量の線の間にて補間することにより、計算される。この計算は、等式６を使用して行うことができる。
Ｃセンサ＝Ｌ１＊｛（Ｃ２−Ｃ１）／（Ｌ１＋Ｌ２）｝＋Ｃ１            （６）
ここで、Ｌ１及びＬ２は、固定容量の線からセンサ１２５の測定点までの距離であり、Ｃ１及びＣ２は、基準コンデンサのファラッド単位の容量である。センサ１２５の容量の計算は、測定が為されたならば、多様な方法にて行うことができる。この等式は、補間法を実行できる等式の１つの例であるが、本発明は、この等式にのみ限定されるものではない。測定を行うため、単一の基準コンデンサを使用することも可能である。この場合、固定容量の線は、点（ブランク、ブランク）と（Ｒ１、ブランク）との間を伸びている。この線は、ほぼゼロの固定容量の線である、上述したように、固定容量の線は、（Ｃ１、ブランク）と（Ｃ１、Ｒ１）との間を伸びている。この場合、Ｌ１は、ほぼゼロの容量の線と座標対（センサ、ブランク）との間の距離であり、Ｌ２は、固定容量のその他の線（Ｃ１に対する）と座標対（センサ、ブランク）との間の距離である。この場合、センサ１２５の容量を計算するための等式は、簡略化すると、等式７となる。
Ｃセンサ＝（Ｌ１＊Ｃ１）／（Ｌ１＋Ｌ２）                （７）
【００４１】
［００５８］  センサ１２５の導電率は、固定抵抗の線の間にて補間法を使用する同様のアルゴリズムにて測定することもできる。例えば、構成要素のアレー１２０の多数の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）の各々がスイッチインされたとき、電流センサ１０５が受ける合計抵抗は、等式８及び等式９に示したように計算することができる。
Ｒｔｏｔａｌｈｉｇｈ＝（Ｒ＊Ｒｈｉｇｈ）／（Ｒ＋Ｒｈｉｇｈ）  （８）
Ｒｔｏｔａｌｌｏｗ＝（Ｒ＊Ｒｌｏｗ）／（Ｒ＋Ｒｌｏｗ）        （９）
ここにおいて、Ｒは、感知構成要素１３０の抵抗値であり、Ｒｈｉｇｈは、センサ１２５の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する固定抵抗の線に対応する構成要素のアレー１２０の抵抗器の値であり、Ｒｌｏｗは、センサ１２５よりも小さい抵抗を有する固定抵抗の線に対応する構成要素のアレー１２０の抵抗器の値である。
【００４２】
［００５９］  位相、オフセット、及び利得が決定された後、Ｄ１を求めるために、大きい抵抗の値に相応する固定抵抗の線と、センサ１２５の測定値との間の距離が測定ユニットにて決定される。同様に、Ｄ２を求めるために、小さい抵抗の値に相応する固定抵抗の線とセンサ１２５の測定値との間の距離が測定ユニットにて決定される。次に、感知構成要素１２０の抵抗との組み合わせたセンサ１２５の抵抗は、等式１０にて示したように、固定抵抗の線の間の補間法により決定することができる。
【００４３】
Ｒｃｏｍｂｉｎｅｄ＝Ｒｔｏｔａｌｈｉｇｈ−｛Ｄ２＊（Ｒｔｏｔａｌｈｉｇｈ−
Ｒｔｏｔａｌｌｏｗ）｝／（Ｄ１＋Ｄ２）                  （１０）
次に、センサ１２５の抵抗は、等式１１に示すように、決定することができる。
Ｒｓｅｎｓｏｒ＝（Ｒ＊Ｒｃｏｍｂｉｎｅｄ）／（Ｒ−Ｒｃｏｍｂｉｎｅｄ）（１１）
【００４４】
［００６０］  センサ１２５の導電率は、測定前には不明であるため、構成要素のアレー１２０の内の複数の抵抗器は、測定回路１００が広い導電率の範囲にわたってセンサ１２５の容量を測定することを可能にする。このことは、センサ１２５の抵抗及び容量の実際の値に近い値に、システムが測定領域を焦点合わせすることを許容する。抵抗器の値が十分に小さい場合、測定回路１００は、導電率が１０００μＳ／ｃｍを十分に超えるときにも、測定することができる。完全な測定マップは、センサ１２５の任意の値の付近にて測定システムを特徴付ける。その結果、それらの導電率が１００倍以上相違する場合でさえ、各種の液体に対する正確な容量の測定値が得られる。
【００４５】
［００６１］  図１４には、１つの実施の形態に従った広い並列抵抗の範囲にわたる出力電圧の変化が示されている。２本の固定容量の線は、グラフにて２本の線で示されている。抵抗の範囲は、グラフの右側の５０Ωからグラフの左側の１０９Ωまでの範囲に及ぶ。固定容量の接近線により示したように、測定領域は、並列抵抗が小さくなるに従って狭くなる。このことは、小さい並列抵抗にて分解能を減少させることになる。しかし、利得・オフセット調節モジュール１６０は、分解能を増大させ、このため、分解能の損失を補償する。グラフにて示したように、固定容量の線は広い抵抗に範囲にわたって、真っ直ぐ又は曲がっているものであり得る。抵抗の測定値の範囲内にある、構成要素のアレー１２０内の複数の基準抵抗器（例えば、Ｒ１、Ｒ２等）を使用することは、固定容量の線の曲率の影響を軽減する。固定抵抗の線の間の距離が短くなればなるほど、固定容量の線の線セグメントに基づく計算により生ずる誤差は、少なくなるであろう。このようにして、固定容量の線の曲率は、構成要素のアレー１２０のインピーダンスの利用可能なレベルに依存する。
【００４６】
［００６２］  図１５には、固定容量の線の曲率を補正する１つの実施の形態が示されている。インダクター１４０５（例えば、１００ｎＨから１０、０００ｎＨ）が感知ノード１１０とスイッチングアレー１１５との間に追加されている。インダクター１４０５は、広い抵抗範囲にわたって固定容量の線の曲がりを真っ直ぐにし、これにより直線近似法を改善する。その他の実施の形態は、システムの応答を変更するため使用される異なる追加の構成要素を有している。例えば、インダクター１４０５は、構成要素のアレー１２０へ直列に追加し、センサ１２５までの長いリード線により生成されるインダクタンスを調節することができる。一部の実施の形態において、補間法を使用して容量を計算するためのアルゴリズムは、固定容量の線の曲率を考慮に入れる。例えば、基準点の測定値間の曲率は、固定容量の各線における３つの連続的な点の測定値を使用し、測定点を通りかつその中央の測定点の両側にて一定の勾配を有する各線に対する適当な曲線を求めることにより、近似したものを得ることができる。多数のアルゴリズムを使用して、固定容量の線の直線近似を得ることができることを、認識すべきである。
【００４７】
［００６３］  図１６は、測定回路１５００の別の実施の形態のブロック図である。測定回路１５００は、感知ノード１５１０と接続された電流源１５０５と、スイッチングアレー１５１５と、構成要素のアレー１５２０と、感知構成要素１５３０（例えば、抵抗器）とを含む。測定回路１５００は、また、バッファ増幅器１５３５と、ミキサー１５４５と、ローパスフィルタ１５５５と、利得・オフセットモジュール１５６０と、アナログデジタル変換器１５６５とを含む。これらの点において、測定回路１５００は、測定回路１００と同様である。しかし、測定回路１５００は、構成要素のアレー１５２０と直列型接続した多数のスイッチング可能なインピーダンスを含む。特に、測定回路１５００は、インダクタンススイッチングアレー１５７０と、インダクターのアレー１５７５と、直列インダクター１５８０と、容量スイッチングアレー１５８５と、コンデンサのアレー１５９０と、センサスイッチングアレー１５９５とを含む。
【００４８】
［００６４］  インダクタンススイッチングアレー１５７０は、コントローラ３００により制御して、インダクターのアレー１５７５から各種のインダクタンスの値を選び、構成要素のアレー１５２０及びセンサスイッチングアレー１５９５との直列型接続状態に置くことができる。同様に、容量スイッチングアレー１５８５は、コントローラ３００により制御して、コンデンサのアレー１５９０から各種の容量の値を選び、構成要素のアレー１５２０との直列型接続状態に置くことができる。センサスイッチングアレー１５９５は、コントローラ３００により制御し、センサ１５２５又はブランクスイッチ（例えば、ＢＬ３）の何れかを選ぶことができる。更に、直列インダクター１５８０は、インダクターのアレー１５７５と容量スイッチングアレー１５８５との間に接続されている。
【００４９】
［００６５］  測定回路１５００は、センサ１２５の誘導容量２４０の値が小さいことに起因するセンサ１２５の低レベルの合計容量を補償することができる。（図３Ｃ参照）。誘導容量２４０が極めて小さくなり、構成要素のアレー１５２０の基準インピーダンスが最早センサ１２５の合計容量と同様の絶対値を有さないとき、コントローラ３００は、容量スイッチングアレー１５８５を使用して、直列容量をスイッチインする。コンデンサのアレー１５９０のコンデンサＣＳ１及びコンデンサＣＳ２を追加することは、構成要素のアレー１５２０からの基準インピーダンスと直列に容量を挿入することを許容する。このようにして、基準測定中に測定された合計インピーダンスは、センサ１２５の合計容量と同様の範囲にある。コントローラ３００は、測定を行い、第一の周波数にて計算した容量と第二の周波数にて計算した容量との間の差を計算することにより、どの値の容量を構成要素のアレー１５２０と直列に挿入すべきかを決定するように、構成されている。例えば、この差が閾値以上である場合、コントローラ３００は、コンデンサのアレー１５９０から小さい値のコンデンサをスイッチインする。どのコンデンサを直列に挿入すべきかを決めるため、その他のアルゴリズムを使用することもできる。更に、コントローラ３００は、インダクタンススイッチングアレー１５７０をスイッチングインし、インダクターのアレー１５７５からのインダクターＬＳ１、インダクターＬＳ２及びインダクターＬＳ３を、様々な組み合わせで、構成要素のアレー１５２０及びセンサスイッチングアレー１５９５と直列型接続状態となるように配置することができる。インダクタンススイッチングアレー１５７０は、コントローラ３００が適正な直列インダクタンスと選んだ直列容量とを整合させ、上述したように応答曲線を真っ直ぐにすることを可能にする。
【００５０】
［００６６］  センサスイッチングアレー１５９５は、スイッチングアレー１５１５から分離することができること、また、センサスイッチングアレー１５９５は、図１６に示したように、それ自体のブランクスイッチＢＬ３とスイッチングイン可能であることを認識すべきである。構成要素のアレー１５２０の基準インピーダンスを測定する場合、ブランクスイッチＢＬ３を閉じ、センサ１５２５をスイッチングインするためのセンサスイッチングアレー１５９５のセンサスイッチを開く。センサ１５２５を測定する場合、ブランクスイッチＢＬ３を開き、基準ブランクスイッチＢＬ１、ＢＬ２を閉じ、センサスイッチを閉じる。このようにして、測定回路１５００は、センサスイッチンアレー１５９５及びスイッチングアレー１５１５を制御し、寄生容量が、測定方法９００の間中、一定に保持されるようにする。
【００５１】
［００６７］  本明細書にて説明した回路は、測定信号を生成するために使用される電子機器として、電流源１０５、感知構成要素１３０、バッファ増幅器１３５を使用するが、その他の多様な型式の測定回路を使用して、測定信号を生成させることができることを認識すべきである。例えば、一部の実施の形態において、振動電圧源及び感知電流を測定する代替的な方法を使用することができる。次に、本明細書に開示した方法により説明したように、可変位相信号を測定信号と混合させることができる。
【００５２】
［００６８］  また、実施の形態は、流体センサと関係しないインピーダンスの抵抗性及びリアクタンス性の成分を測定するために使用することができることも、認識すべきである。例えば、実施の形態は、高い周波数の測定が望まれる生物学的組織又はその他の工業的用途のインピーダンスを測定するため、使用することができる。
【００５３】
［００６９］  上述した方法及び回路を使用することにより、センサ１２５の容量が決定されたならば、等式１２を使用して流体の誘電定数を計算することができる。
Ｋ＝（Ｃｓｅｎｓｏｒ−Ｃｏｆｆｓｅｔ）／Ｘ              （１２）
Ｃｏｆｆｓｅｔは、誘電定数と共に変化しない測定された容量の部分である。Ｘは、既知の誘電定数（Ｋ１、Ｋ２）の２つの流体の各々にてセンサ１２５の容量を測定することにより、決定される。Ｃｓｅｎｓｏｒ１は、第一の流体が測定されるときのセンサ１２５の容量であり、また、Ｃｓｅｎｓｏｒ２は、第二の流体が測定されるときのセンサ１２５の容量である。Ｘは、等式１３を使用することにより、決定することができる。
Ｘ＝（Ｃｓｅｎｓｏｒ１−Ｃｓｅｎｓｏｒ２）／（Ｋ１−Ｋ２）  （１３）
次に、流体の誘電定数を使用して、流体のその他の特性を決定することができる。例えば、流体の濃度や品質レベルである。
【００５４】
［００７０］  このように、本発明は、特に、低抵抗の経路が容量と並列に位置するとき、流体センサの容量及び抵抗を決定するシステム及び方法を提供する。本発明の各種の特徴及び有利な点は、以下の請求の範囲に記載されている。
【図１】
2020169997.tif 000003
【図２Ａ】
2020169997.tif 000004
【図２Ｂ】
2020169997.tif 000005
【図２Ｃ】
2020169997.tif 000006
【図２Ｄ】
2020169997.tif 000007
【図３Ａ】
2020169997.tif 000008
【図３Ｂ】
2020169997.tif 000009
【図３Ｃ】
2020169997.tif 000010
【図４】
2020169997.tif 000011
【図５】
2020169997.tif 000012
【図６】
2020169997.tif 000013
【図７】
2020169997.tif 000014
【図８】
2020169997.tif 000015
【図９】
2020169997.tif 000016
【図１０】
2020169997.tif 000017
【図１１】
2020169997.tif 000018
【図１２】
2020169997.tif 000019
【図１３】
2020169997.tif 000020
【図１４】
2020169997.tif 000021
【図１５】
2020169997.tif 000022
【図１６】
2020169997.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月30日(2020.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定信号の信号変化の第一の直交成分と測定信号の信号変化の第二の直交成分とを分離することにより、流体の電気的特性を測定するシステムであって、該第一の直交成分は、センサにおける抵抗の変化に起因し、前記第二の直交成分は、センサにおける容量の変化に起因する、前記システムにおいて、
前記センサと、１以上の抵抗性の構成要素と、１以上の容量性の構成要素と、１以上のスイッチとを含む構成要素のアレーであって、前記測定信号を出力する構成要素のアレーと、
前記構成要素のアレーに接続され、前記構成要素のアレーから受けた前記測定信号を、第一の可変位相の正弦波からの第一の位相信号及び第二の可変位相の正弦波からの第二の位相信号と混合するミキサーであって、前記第一の位相信号と前記測定信号との混合と関係した第一の混合信号と、前記第二の位相信号と前記測定信号との混合と関係した第二の混合信号とを出力する前記ミキサーと、
コントローラと
を備え、該コントローラは、
前記第一の混合信号及び前記第二の混合信号を表す信号を受信し、
信号変化を生じさせるよう前記構成要素のアレーを制御し、
前記第一の直交成分に変化が生じたとき、前記第一の混合信号が増大しかつ前記第二の混合信号が減少するように前記第一の位相信号の振幅及び前記第二の位相信号の振幅を調節し、
前記構成要素のアレーのインピーダンスの変化を生じさせるように、前記１以上の抵抗性の構成要素、前記１以上の容量性の構成要素、および前記１以上のスイッチのうちの少なくとも１つを制御し、
第一の位相及び第二の位相におけるインピーダンスの変化を表す複数の混合信号を受信し、
複数の混合信号に基づいて、前記流体の電気的特性を決定する、
ように構成された、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記流体の電気的特性は、前記流体の誘電定数及び導電率である、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記コントローラは、更に、インピーダンスの変化を示す複数の混合信号に基づいて前記流体の誘電定数及び導電率を識別するように構成される、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記コントローラは、更に、複数の混合信号に基づいてセンサが感じた抵抗及びリアクタンスを測定するよう構成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、更に、
前記ミキサーと接続された移相器であって、前記コントローラからの調節信号に基づいて、前記第一の可変位相の正弦波からの前記第一の位相信号及び前記第二の可変位相の正弦波からの前記第二の位相信号を出力し、且つ調節するように構成された前記移相器を備え、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号は前記ミキサーへ供給される、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、
前記コントローラは、更に、
センサが感じた電気的特性を決定する前に、前記第一の可変位相の正弦波からの前記第一の位相信号及び前記第二の可変位相の正弦波からの前記第二の位相信号の校正を実行するように構成され、校正する間、該コントローラは、
前記第一の可変位相の正弦波からの前記第一の位相信号がミキサーに入力されるときの第一の校正信号を、及び前記第二の可変位相の正弦波からの前記第二の位相信号がミキサーに入力されるときの第二の校正信号を、第一の校正インピーダンスにて測定し、
前記構成要素のアレーの校正インピーダンスに変化を生じさせるように、前記１以上のスイッチのうちの少なくとも１つを制御し、
前記第一の可変位相の正弦波からの前記第一の位相信号がミキサーに入力されるときの第三の校正信号を、及び前記第二の可変位相の正弦波からの前記第二の位相信号がミキサーに入力されるときの第四の校正信号を、第二の校正インピーダンスにて測定し、
前記第一の校正信号、前記第二の校正信号、前記第三の校正信号及び前記第四の校正信号に基づいて、前記第一の可変位相の正弦波からの前記第一の位相信号及び前記第二の可変位相の正弦波からの前記第二の位相信号を調節する、
よう構成される、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記構成要素のアレーと直列型接続状態に接続されたスイッチング可能なコンデンサのアレーを更に備える、システム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、
前記構成要素のアレーと直列型接続状態に接続されたスイチング可能なインダクターのアレーを更に備える、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記インダクターのアレーと前記コンデンサのアレーとの間にて直列型接続状態に接続されたオフセットインダクターを更に備える、システム。
【請求項１０】
感知ノードと、該感知ノードとスイッチング可能に接続されたセンサと、前記感知ノードとスイッチング可能に接続された構成要素のアレーであって、少なくとも１つの抵抗性の構成要素、少なくとも１つの容量性の構成要素、前記少なくとも１つの抵抗性の構成要素および前記少なくとも１つの容量性の構成要素と接続される複数のスイッチ、および少なくとも１つのブランクスイッチを含む構成要素のアレーと、コントローラとを含む測定回路にて流体の電気的特性を測定する方法において、
前記構成要素のアレーの第一の構成にて前記感知ノードの電圧を表す信号を、第一の可変位相の正弦波からの第一の位相信号及び第二の可変位相の正弦波からの第二の位相信号と混合して、第一の組の基準信号を生成するステップと、
前記少なくとも１つの抵抗性の構成要素および前記少なくとも１つの容量性の構成要素のうちの１以上のものを切り替えるように前記複数のスイッチを制御することにより、第二の構成へと前記構成要素のアレーを調節するステップであって、前記構成要素のアレーの調整により前記感知ノードでの電圧を示す信号の変化が生じる、前記構成要素のアレーを調節するステップと、
前記構成要素のアレーの第二の構成における前記信号を、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号と混合して、第二の組の基準信号を生成するステップと、
前記第一の組の基準信号と前記第二の組の基準信号との間の勾配が、ある条件を満たす迄、前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号を調節するステップと、
前記構成要素のアレーの複数の構成を、前記構成要素のアレーの各順列を満たすように、設定するステップと、
前記構成要素のアレーの複数の構成の各々にて前記信号を、前記調節した第一の位相信号及び前記調節した第二の位相信号と混合して、複数の組の基準信号を生成するステップと、
前記感知ノードと接続された前記センサにより前記信号を、前記調節した第一の位相信号及び前記調節した第二の位相信号と混合して、一組の測定電圧を生成するステップと、
前記複数の組の基準信号と前記一組の測定電圧との間の関係に基づいて前記流体の電気的特性を決定するステップと、
を備える方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、
前記流体の電気的特性を決定するステップは、前記複数の組の基準信号と前記一組の測定電圧との間の関係に基づいて前記流体の誘電定数及び導電率を識別するステップを含む、方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法において、
前記流体の電気的特性を決定するステップは、前記複数の組の基準信号及び前記一組の測定電圧に基づいて前記センサの抵抗及びリアクタンス性インピーダンスを決定するステップを含む、方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の方法において、
前記第一の組の基準信号と前記第二の組の基準信号との間の勾配が、ある条件を満たす迄、前記第一の位相及び前記第二の位相を調節するステップは、前記第一の組の基準信号と前記第二の組の基準信号との間の電圧の変化が、容量変化に対して直交する抵抗変化を示すときを決定するステップを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、
前記勾配は、−１に等しい勾配を有する、前記第一の組の基準電圧と前記第二の組の基準電圧との間の線である、方法。
【請求項１５】
流体の電気的特性を測定するシステムにおいて、
感知ノードと、
１以上のスイッチを含むスイッチングアレーを介して前記感知ノードと接続されたセンサと、
前記スイッチングアレーを介して前記感知ノードと接続された構成要素のアレーであって、複数のインピーダンスを形成するための複数の抵抗器および複数のコンデンサを含み、前記１以上のスイッチの構成に基づいて前記複数の抵抗器および前記複数のコンデンサは前記感知ノードへ接続する、構成要素のアレーと、
前記感知ノードと接続された監視回路であって、複数の位相にて順に複数の信号を入力し、前記感知ノードにて測定信号と関係した信号を出力するように構成されており、前記複数のインピーダンスを示す前記測定信号が前記構成要素のアレーにより提供される、監視回路と、
前記スイッチングアレー及び前記監視回路と接続されたコントローラと
を備え、
該コントローラは、
前記複数の信号を受信し、
ミキサーを用いて監視回路に対する入力信号の第一の位相及び第二の位相を設定し、
前記複数のインピーダンスのうちの第一の校正インピーダンスにて、前記第一の位相における第一の校正電圧と、前記第二の位相における第二の校正電圧とを測定し、
前記スイッチングアレーを用いて、前記少なくとも１つの抵抗性の構成要素および前記少なくとも１つの容量性の構成要素のうちの１以上のものを切り替えるように前記１以上のスイッチを制御することにより、第二の校正インピーダンスを示す第二の構成へと前記構成要素のアレーを調節し、
前記複数のインピーダンスのうちの前記第二の校正インピーダンスにて、前記第一の位相における第三の校正電圧と、前記第二の位相における第四の校正電圧とを測定し、
前記第一の校正電圧と、前記第二の校正電圧と、前記第三の校正電圧と、前記第四の校正電圧との間の関係が、ある条件を満たす迄、前記ミキサーを調節することにより前記第一の位相及び前記第二の位相を調節し、
前記構成要素のアレーのうちの少なくとも１つの構成要素を並列接続状態にて前記感知ノードと接続するように、前記スイッチングアレーを制御することにより、前記複数のインピーダンスを調節し、
前記スイッチングアレーが前記複数のインピーダンスのうちの第一の測定インピーダンスを前記感知ノードと結合するように構成されたときの前記信号に基づいて、第一の組の基準信号を決定し、
前記スイッチングアレーが前記複数のインピーダンスのうちの第二の測定インピーダンスを前記感知ノードと結合するように構成されたときの前記信号に基づいて、第二の組の基準信号を決定し、
前記スイッチングアレーが前記センサを前記感知ノードと結合するように構成されたときの前記信号に基づいて、一組のセンサ電圧を決定し、
前記第一の組の基準信号、前記第二の組の基準信号及び前記一組のセンサ電圧に基づいて前記センサの電気的特性を決定する
ように構成された、システム。
【外国語明細書】
2020169997000001.pdf