(57)【要約】  流体の少なくとも１つの特性を測定するための装置であって、第１電極（１１１）及び第２電極（１１２）を備え、電極間にセンシング領域（１１３）を有する容量性流体センサ（１１０）を備える。装置は、容量性流体センサ（１１０）に交流駆動信号を印加するように構成された交流信号源（１２０）を備える。装置は、容量性流体センサ（１１０）から検知信号を受け取るとともに、交流駆動信号を受け取るように構成されている処理装置（２００）を備える。処理装置（２００）は、駆動信号及び検知信号間の同相差分成分と、駆動信号及び検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求め、差分信号の同相位相差分成分及び直角位相差分成分の両方に基づいて、流体の少なくとも１つの特性を求めるように構成されている。
2021503090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の少なくとも１つの特性を測定するための装置であって、
第１電極及び第２電極を備え、前記電極間にセンシング領域を有する容量性流体センサと、
前記容量性流体センサに交流駆動信号を印加するように構成された交流信号源と、
処理装置と
を備え、
前記処理装置が、
前記容量性流体センサから検知信号を受け取り、
前記交流駆動信号を受け取り、
前記駆動信号及び前記検知信号間の同相差分成分と、前記駆動信号及び前記検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求め、
前記装置の少なくとも１つの寄生要素による前記複素差分信号への影響を補償することにより、前記差分信号の前記同相位相差分成分及び前記直角位相差分成分の両方に基づいて、前記流体の前記少なくとも１つの特性を求める
ように構成されている、
装置。
【請求項２】
前記処理装置が、前記検知信号の同相成分と前記検知信号の直角位相成分とを求めるように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記処理装置が、前記交流駆動信号の複数のサイクルにわたって行われる平均化フィルタリング動作によって、前記検知信号の前記同相成分と前記検知信号の前記直角位相成分とを求めるように構成されている、
請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記処理装置が、前記駆動信号の同相成分と前記駆動信号の直角位相成分とを求めるように構成されている、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記処理装置が、前記交流駆動信号の複数のサイクルにわたって行われる平均化フィルタリング動作によって、前記駆動信号の同相成分と前記駆動信号の直角位相成分とを求めるように構成されている、
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記処理装置が、
前記交流駆動信号の複数のサイクルにわたって行われる平均化フィルタリング動作によって、前記検知信号の前記同相成分と前記検知信号の前記直角位相成分とを求め、
前記交流駆動信号の複数のサイクルにわたって行われる平均化フィルタリング動作によって、前記駆動信号の同相成分と前記駆動信号の直角位相成分とを求め、
前記検知信号の前記フィルタリングされた同相成分と前記駆動信号の前記フィルタリングされた同相成分とに基づいて、前記同相差分成分を求め、
前記検知信号の前記フィルタリングされた直角位相成分と前記駆動信号の前記フィルタリングされた直角位相成分とに基づいて、前記直角位相差分成分を求める
ように構成されている、
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記処理装置が、前記装置のアルゴリズムモデルにおいて前記同相差分成分と前記直角位相差分成分とを使用して、前記流体の比誘電率を求めるように構成されており、
前記アルゴリズムモデルが、前記装置の前記少なくとも１つの寄生要素を含む、
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記処理装置が、前記装置のアルゴリズムモデルにおいて前記同相差分成分と前記直角位相差分成分を使用して、前記流体の導電率を求めるように構成されており、
前記アルゴリズムモデルが、前記装置の前記少なくとも１つの寄生要素を含む、
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記処理装置が、前記同相差分成分及び前記直角位相差分成分を複数の格納された補償されたデータ値と比較して、前記流体の比誘電率を求めるように構成されており、
前記格納された補償されたデータ値は、前記装置の少なくとも１つの寄生要素の影響を補償する、
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記処理装置が、前記同相差分成分及び前記直角位相差分成分を複数の格納された補償されたデータ値と比較して、前記流体の導電率を求めるように構成されており、
前記格納された補償されたデータ値は、前記装置の少なくとも１つの寄生要素の影響を補償する、
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記処理装置が、２００ｍＳ／ｍまでの導電率を有する流体の少なくとも１つの特性を測定するように構成されている、
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記処理装置が、サンプリング周波数で前記検知信号をサンプリングするように構成されており、前記交流駆動信号の周波数が、前記サンプリング周波数よりも高い、
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記処理装置が、
同相発振器出力及び直角位相発振器出力を有するデジタル発振器を提供し、
前記同相発振器出力及び前記直角位相発振器出力を使用して、前記駆動信号及び前記デジタル発振器間の同期を達成するように構成された位相ロックループを提供する
ように構成されている、
請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記位相ロックループがコスタルスループである、
請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記処理装置が、ロックされた同期状態が達成された時に前記検知信号を処理するために、前記同相発振器出力及び前記直角位相発振器出力を使用するように構成されている、
請求項１３又は請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
Ａ／Ｄ変換器を備え、
前記処理装置が、
第１時間で前記検知信号をサンプリングするとともに、前記第１時間からオフセットされた第２時間で前記駆動信号をサンプリングし、
前記サンプリングされた信号に補正係数を適用し、前記信号がサンプリングされたオフセット時間を補正する
ように構成されている、
請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記寄生要素が導線インダクタンスである、
請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記処理ステージがデジタル信号処理ステージである、
請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
温度センサを備え、
前記処理装置が、
前記流体の温度を求め、
前記求められた温度を使用して導電率を求める
ように構成されている、
請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
前記容量性流体センサが、流れる流体を監視するように構成されており、前記第１電極及び前記第２電極が前記電極間に流体流路を画定する、
請求項１から請求項１９までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１電極が筒状電極であり、前記第２電極が前記第１電極内に配置されている、
請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
流体の少なくとも１つの特性を測定するための処理装置であって、
容量性流体センサから検知信号を受け取り、
前記容量性流体センサに印可された交流駆動信号を受け取り、
前記駆動信号及び前記検知信号間の同相差分成分と、前記駆動信号及び前記検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求め、
前記装置の少なくとも１つの寄生要素による前記複素差分信号への影響を補償することにより、前記差分信号の前記同相位相差分成分及び前記直角位相差分成分の両方に基づいて、前記流体の前記少なくとも１つの特性を求める
ように構成されている、
処理装置。
【請求項２３】
流体の少なくとも１つの特性を測定するための方法であって、
容量性流体センサから検知信号を受け取ること、
前記容量性流体センサに印可された交流駆動信号を受け取ること、
前記駆動信号及び前記検知信号間の同相差分成分と、前記駆動信号及び前記検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求めること、
前記装置の少なくとも１つの寄生要素による前記複素差分信号への影響を補償することにより、前記差分信号の前記同相位相差分成分及び前記直角位相差分成分の両方に基づいて、前記流体の前記少なくとも１つの特性を求めること
を含む、方法。
【請求項２４】
プロセッサによって実行された時、請求項２３に記載の方法を前記プロセッサに実行させる命令を担持する機械可読媒体を備える、
コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を監視するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の特性を監視することが望ましい様々なアプリケーションがある。アプリケーションの一例は、切削液を使用する機械加工操作である。切削液は、油及び水のエマルジョンである。切削液中の水に対する油の比率を一定の範囲内に維持する必要がある。センシングシステムが切削液中の水に対する油の比率を測定し、その測定に基づいて比率が調整される。
【０００３】
流体の特性を測定する１つの既知の方法は、光学技術によるものである。光源が光信号を流体サンプルに放出し、光検出器が流体サンプルの屈折率又は他の何らかの光学特性を求めることができる。流体の特性を測定する別の既知の方法は、マイクロ波周波数帯域で動作するセンサ等の無線周波数（ＲＦ）技術によるものである。
【０００４】
流体の特性を測定する別の方法は、静電容量センサを使用する電気検知システムによるものである。下記の特許文献１は、潤滑油又は燃料の電気伝導率および比誘電率を測定するための装置を記載している。この装置は、導電率測定と比誘電率測定の２つの異なる測定回路を提供する。下記の特許文献２では、燃料の複素インピーダンスを測定するための装置が説明されている。これらの両方で、テスト中の流体は高インピーダンス流体である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１８８１１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／００１２３９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電気検知システムは、通常、高インピーダンスの流体、つまり比較的導電率が低い流体でのみ機能する。従って、上記の切削液アプリケーションなどの高導電性流体を使用するアプリケーションでは、光学又はＲＦ技術を使用して流体を監視するのが一般的となる。これは、監視装置のコストを増加させる。
【０００７】
本発明の目的は、従来技術に関連する欠点に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様は、流体の少なくとも１つの特性を測定するための装置であって、第１電極及び第２電極を備え、電極間にセンシング領域を有する容量性流体センサと、容量性流体センサに交流駆動信号を印加するように構成された交流信号源と、処理装置とを備え、処理装置が、容量性流体センサから検知信号を受け取り、交流駆動信号を受け取り、駆動信号及び検知信号間の同相差分成分と、駆動信号及び検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求め、装置の少なくとも１つの寄生要素による複素差分信号への影響を補償することにより、差分信号の同相位相差分成分及び直角位相差分成分の両方に基づいて、流体の少なくとも１つの特性を求めるように構成されている、装置を提供する。
【０００９】
複素差分信号は、検知信号と駆動／基準信号との比率を備えていてよい。検知信号は、同相成分及び直角位相成分を有する複素数として表現されてよい。駆動信号は、同相成分及び直角位相成分を有する複素数として表現されてよい。検知信号及び駆動信号の比率によって得られる複素差分信号は、同相差分成分及び直角位相差分成分を有する複素数として表現されてもよい。複素差分信号は、（１）検知信号及び駆動／基準信号間の位相差、並びに（２）検知信号の大きさと駆動／基準信号の大きさとの比に等しい大きさを表してよい。
【００１０】
選択的に、処理装置が、検知信号の同相成分及び検知信号の直角位相成分を求めるように構成されている。
【００１１】
選択的に、処理装置が、交流駆動信号の複数のサイクルにわたって実行される平均化フィルタリング動作によって、検知信号の同相成分及び検知信号の直角位相成分を求めるように構成されている。
【００１２】
選択的に、処理装置が、駆動信号の同相成分及び駆動信号の直角位相成分を求めるように構成されている。
【００１３】
選択的に、処理装置が、交流駆動信号の複数のサイクルにわたって実行される平均化フィルタリング動作によって、駆動信号の同相成分及び駆動信号の直角位相成分を求めるように構成されている。
【００１４】
選択的に、処理装置が、交流駆動信号の複数のサイクルにわたって実行される平均化フィルタリング動作によって、検知信号の同相成分及び検知信号の直角位相成分を求め、交流駆動信号の複数のサイクルにわたって実行される平均化フィルタリング動作によって、駆動信号の同相成分及び駆動信号の直角位相成分を求め、フィルタリングされた検知信号の同相成分とフィルタリングされた駆動信号の同相成分とに基づいて同相差分成分を求め、フィルタリングされた検知信号の直角位相成分とフィルタリングされた駆動信号の直角位相成分とに基づいて直角位相差分成分を求めるように構成されている。
【００１５】
選択的に、処理装置が、装置のアルゴリズムモデルにおいて同相差分成分及び直角位相差分成分を使用して流体の比誘電率を求めるように構成されており、アルゴリズムモデルは装置の少なくとも１つの寄生要素を含んでいる。
【００１６】
選択的に、処理装置が、装置のアルゴリズムモデルにおいて同相差分成分及び直角位相差分成分を使用して流体の導電率を求めるように構成されており、アルゴリズムモデルは装置の少なくとも１つの寄生要素を含んでいる。
【００１７】
選択的に、処理装置が、同相差分成分及び直角位相差分成分を複数の格納された補償されたデータ値と比較して、流体の比誘電率を求めるように構成されており、格納された補償されたデータ値は、装置の少なくとも１つの寄生要素の影響を補償する。
【００１８】
選択的に、処理装置が、同相差分成分及び直角位相差分成分を複数の格納された補償されたデータ値と比較して、流体の導電率を求めるように構成されており、格納された補償されたデータ値は、装置の少なくとも１つの寄生要素の影響を補償する。
【００１９】
選択的に、処理装置が、２００ｍＳ／ｍまでの導電率を有する流体の少なくとも１つの特性を測定するように構成されている。
【００２０】
選択的に、処理装置が、サンプリング周波数で検知信号をサンプリングするように構成されており、交流駆動信号の周波数が、サンプリング周波数よりも高い。
【００２１】
選択的に、処理装置が、同相発振器出力及び直角位相発振器出力を有するデジタル発振器を提供し、同相発振器出力及び直角位相発振器出力を使用して、駆動信号及びデジタル発振器間の同期を達成するように構成された位相ロックループを提供する。
【００２２】
選択的に、位相ロックループがコスタルスループである。
【００２３】
選択的に、処理装置が、ロックされた同期状態が達成された時に検知信号を処理するために、同相発振器出力及び直角位相発振器出力を使用するように構成されている。
【００２４】
選択的に、装置がＡ／Ｄ変換器を備え、処理装置が、第１時間で検知信号をサンプリングするとともに、第１時間からオフセットされた第２時間で駆動信号をサンプリングし、サンプリングされた信号に補正係数を適用し、信号がサンプリングされたオフセット時間を補正するように構成されている。
【００２５】
選択的に、寄生要素が導線インダクタンスである。導線インダクタンスは、駆動信号発生器を容量性流体センサに接続する導線、及び容量性流体センサを処理装置に接続する導線のうちの１つ以上のインダクタンスである。
【００２６】
選択的に、処理ステージがデジタル信号処理ステージである。
【００２７】
選択的に、装置が温度センサを備え、処理装置が、流体の温度を求め、求められた温度を使用して導電率を求めるように構成されている。
【００２８】
選択的に、容量性流体センサが、流れる流体を監視するように構成されており、第１電極及び第２電極が電極間に流体流路を画定する。
【００２９】
選択的に、第１電極が筒状電極であり、第２電極が第１電極内に配置されている。
【００３０】
処理装置は、交流信号源から直接、又は容量性流体センサの外部にある他のノードから交流駆動信号を受け取るように構成されていてもよい。これは、駆動信号を示す信号を処理装置に提供する。処理装置は、検知信号と比較するために駆動信号を使用して、容量性流体センサに対する流体の影響を求めることができる。
【００３１】
他の態様は、流体の少なくとも１つの特性を測定するための処理装置であって、容量性流体センサから検知信号を受け取り、容量性流体センサに印可された交流駆動信号を受け取り、駆動信号及び検知信号間の同相差分成分と、駆動信号及び検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求め、装置の少なくとも１つの寄生要素による複素差分信号への影響を補償することにより、差分信号の同相位相差分成分及び直角位相差分成分の両方に基づいて、流体の少なくとも１つの特性を求めるように構成されている、処理装置を提供する。
【００３２】
他の態様は、流体の少なくとも１つの特性を測定するための方法であって、容量性流体センサから検知信号を受け取ること、容量性流体センサに印可された交流駆動信号を受け取ること、駆動信号及び検知信号間の同相差分成分と、駆動信号及び検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求めること、装置の少なくとも１つの寄生要素による複素差分信号への影響を補償することにより、差分信号の同相位相差分成分及び直角位相差分成分の両方に基づいて、流体の少なくとも１つの特性を求めることを含む、方法を提供する。
【００３３】
他の態様は、プロセッサによって実行された時、上記で定義されるか又は本明細書内で説明される方法をプロセッサに実行させる命令を担持する機械可読媒体を備える、コンピュータプログラム製品を提供する。
【００３４】
他の態様は、流体の少なくとも１つの特性を測定するための装置であって、容量性流体センサから検知信号を受け取り、容量性流体センサに印可された交流駆動信号を受け取り、駆動信号及び検知信号間の同相差分成分と、駆動信号及び検知信号間の直角位相差分成分とを備える複素差分信号を求め、装置の少なくとも１つの寄生要素による複素差分信号への影響を補償することにより、差分信号の同相位相差分成分及び直角位相差分成分の両方に基づいて、流体の少なくとも１つの特性を求めるように構成されている、処理装置を備える装置を提供する。
【００３５】
少なくとも１つの例の利点は、高い導電率を有する流体の比電率を測定することが可能であることである。従来、高導電率流体の容量性センサに対する影響は小さすぎて正確に測定できないと考えられていたので、容量性センサを使用して高導電率流体の誘電率を測定することは不可能であった。また、装置の寄生要素は、測定された信号に寄与する可能性があり、容量性センサによって寄与された信号をマスクする可能性がある。これは、容量性センサによる寄与の測定を困難にする。
【００３６】
流体の誘電損失は、流体の導電率の関数である。従って、プラチナ電極を必要とせずに導電率の高分解能測定を行うことも可能である。
【００３７】
比較的低い無線周波数の交流周波数信号（＜１０ＭＨｚなど）は、デジタル信号処理とともに、低コストで容易に利用可能なコンポーネントを使用して測定を行うことを可能にする。
【００３８】
本発明の一態様では、切削作業で使用される切削液の少なくとも１つの特性を測定するように構成された本発明の一態様による装置を備える、切削作業を実行するための切削機械が提供される。
【００３９】
切削液は、水の中の油のエマルジョンを備えていてよい。
【００４０】
選択的に、装置は、切削液中の油：水の比率に応じた出力を提供するように構成される。
【００４１】
切断機は、水の比率が必要な限度を超えている時に、切削液中の水の比率を自動的に増加させるように構成されてもよい。
【００４２】
流体の少なくとも１つの特性を測定するように構成された本発明の一態様による装置を含む化学プラント。 
【００４３】
流体の少なくとも１つの特性を測定するように構成された本発明の一態様による装置を含む流体製造又は処理プラント。
【００４４】
選択的に、液体は、ビール、ウイスキー又はバイオ燃料である。
【００４５】
機械の潤滑油の少なくとも１つの特性を測定するように構成された本発明の一態様による装置を含む機械。
【００４６】
選択的に、潤滑油はギアボックスオイルである。
【００４７】
ここで説明する機能は、ハードウェア、処理装置によって実行されるソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実装され得る。処理装置は、コンピュータ、プロセッサ、ステートマシン、論理アレイ又は任意の他の適切な処理装置を含むことができる。処理装置は、ソフトウェアを実行して汎用プロセッサに必要なタスクを実行させる汎用プロセッサとすることができ、または処理装置は、必要な機能を実行するために専用にすることができる。
本発明の別の態様は、プロセッサによって実行されると、説明された方法のいずれかを実行する機械可読命令（ソフトウェア）を提供する。機械可読命令は、電子メモリデバイス、ハードディスク、光ディスク又は他の機械可読記憶媒体に格納され得る。機械可読媒体は、非一時的な機械可読媒体であり得る。「非一時的な機械可読媒体」という用語は、一時的な伝播信号を除くすべての機械可読媒体を含む。機械可読命令は、ネットワーク接続を介して記憶媒体にダウンロードできる。
【００４８】
本出願の範囲内で、先の段落、請求の範囲及び／又は以下の説明および図面に記載されている様々な態様、実施形態、例及び代替、特にそれらの個々の特徴は、単独で、または任意の組み合わせで取り得ると考えられる。例えば、一実施形態に関連して説明された特徴は、そのような特徴に互換性がない限り、すべての実施形態に適用可能である。
【００４９】
誤解を避けるために、本発明の一態様に関して説明される特徴は、単独で、又は１つ以上の他の特徴と適切に組み合わせて、本発明の他の態様内に含まれ得ることを理解されたい。
【００５０】
本発明の１つ又は複数の実施形態を、例としてのみ、関連する図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】流体を監視するためのシステムを示す。
【図２】アナログ構成要素を示す、システムのフロントエンドを示す。
【図３Ａ】図１のシステムにおけるセンサセル及びリードのインピーダンスを示す。
【図３Ｂ】図１のシステムにおけるセンサセル及びリードのアドミッタンスを示す。
【図４】図１のシステムにおける信号処理を示す。
【図５】感知された信号に係る信号処理ステージを示す。
【図６】基準信号及び同期に係る信号処理ステージを示す。
【図７】Ａ／Ｄサンプリングを示す。
【図８】システムのインピーダンスを示す。
【図９】システムのインピーダンスを示す。
【図１０】試験液のキャパシタンス対導電率のグラフを示す。
【図１１】同相及び直角位相成分を比誘電率及び導電率にマッピングするために使用できる一組の曲線を示す。
【図１２】同相及び直角位相成分が流体特性によって変わることを示すデータを示す。
【図１３】処理装置を示す。
【図１４Ａ】流体センサの一例を示す。
【図１４Ｂ】流体センサの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、例えば液体又はガス等の流体を監視するためのシステム１００を示す。システム１００は、流体センサセル１１０を備える。図１は、流れる流体を監視するように構成された流体センサセル１１０の例を示す。
流体センサセル１１０は、容量性センサの形態である。センサは、第１、外側、電極１１１及び第２、内側、電極１１２を有している。外側電極１１１は、筒状である。内側電極１１２は、円柱状のロッドである。電極１１１，１１２は同軸である。
電極１１１，１１２間の領域に流体流路１１３が画定される。流体は、流体流路１１３に沿って流れることができる。これにより、流体を使用するプロセスを中断することなく、測定を行うことができる。例えば、切削液を測定する用途では、切削液（又は切削液の一部）が流体流路１１３を通して送られ得る。
センサセル１１０は、異なる構成を有していてもよい。例えば、離間された一対の線形電極（一対のロッド、プレート又は他の形状）。静止流体を監視する場合、センサセル１１０は、流路を含まなくてもよい。
【００５３】
容量性センサ１１０は、２つの主たる特性、すなわち（１）キャパシタンス及び（２）コンダクタンスを有している。これらの特性は、電極１１１，１１２間の流体のタイプに応じて変わる。
センサのキャパシタンスは、センサが電荷を蓄積する能力である。キャパシタンスは、キャパシタの電極１１１，１１２間の誘電材料の誘電率に従って変わる。高い比誘電率を有する誘電体（すなわち、優れた絶縁体）は、キャパシタンスを増加させる。
コンダクタンスは、電極１１１，１１２間の誘電材料を通る、電極間の電荷の流れである。コンダクタンスも、キャパシタの電極１１１，１１２間の誘電材料の特性に依存する。高インピーダンス流体は、電極１１１，１１２間に小さなコンダクタンスを引き起こす。低インピーダンス流体は、より高いコンダクタンスを電極１１１，１１２間に与える。
これらの特性のそれぞれについて、誘電材料は電極１１１，１１２間の流体である。
【００５４】
駆動信号生成器１２０は、駆動信号を生成する。駆動信号は、適切な周波数の交流電気信号である。駆動信号は、流体センサセル１１０に印可される。駆動信号は、外側電極１１１が基準グラウンドに接続された状態で、内側電極１１２に印可されてもよい。本願の一例において、交流電気信号は、５．０５ＭＨｚ等、１０ＭＨｚ未満の低い無線周波数（ＲＦ）範囲にある周波数を有する。
駆動信号生成器１２０は、広帯域オペアンプに給電するダイレクト・ディジタル・シンセシス集積回路によって実装することができる。ダイレクト・ディジタル・シンセシスは、ある時点における信号の振幅を表す一連のデジタル値を使用して、正弦波アナログ信号を生成する技術である。デジタル値は、Ｄ／Ａ変換器によってアナログ信号に変換される。信号を生成するために必要とされるデジタル値は、保存されており、メモリから取得されるか、又はアルゴリズムを使用してオンザフライ（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）で計算されることがある。
【００５５】
信号処理ステージ１３０は、例えばマイクロコントローラ２００等によって実装される。信号処理ステージ１３０は、流体センサセル１１０から交流電気信号ＳＥＮＳＥを受け取る。流体センサセル１１０に印可された駆動信号は、流体センサセル１１０内の流体の特性によって修正される。ＳＥＮＳＥは、流体を示す。
信号処理ステージ１３０は、信号ＤＲＩＶＥ又はＲＥＦとして、駆動信号も受け取る。駆動信号生成器１２０の出力を処理ステージ１３０に直接接続することにより、駆動信号の供給が可能となる。
選択的に、駆動信号は、以下で説明するように、システム内の別のポイント、ＲＥＦでタップされてもよい。
【００５６】
図２は、アナログドメイン構成要素を示す、システム１００のフロントエンドの概要を示す。センサセル１１０は、抵抗Ｒと並列のキャパシタンスＣを有する等価回路ネットワークで表すことができる。このネットワークにおけるＣの値は誘電率によって決定され、Ｒは流体の導電率の関数である。Ｃblockは、ＤＣブロッキングキャパシタである。Ｃblockは、流体にＤＣバイアスがないことを確かにするために、センサセル１１０のキャパシタンスと比較して大きくされている（＞１０ｎＦ）。ＤＣバイアスは、電極１１１，１１２の望まれない電解めっきを引き起こす虞がある。
【００５７】
センサセル１１０等価回路（並列のＲ及びＣ）のインピーダンスは、以下のように表すことができる。
【数１】
2021503090.tif 000003
ここで、ωは、２π×駆動信号周波数である。 
【００５８】
Ｒs及びＺは、電位分割回路を形成する。Ｚ両端の電圧は、メインセンサフィードバック信号ＳＥＮＳＥである。Ｚは、複素インピーダンスである。Ｌsは、センサセル１１０への接続に起因する導線インダクタンスである。Ｌsは、ＳＥＮＳＥの位相及び振幅にも（大幅に）寄与する。Ｌsは、装置の寄生要素である。
【００５９】
図３Ａは、高導電率の流体を測定する時のセンサセル１１０及び導線の組合せの複素インピーダンスを示す。以下、詳細に説明するが、要約すると、センサセル１１０及び導線の複素インピーダンスは、同相／実数成分と直角位相／虚数成分とを有している。同相／実数成分は、センサセル及び導線の抵抗に起因する。直角位相／虚数成分は、主にセンサセル及び導線のキャパシタンスに起因する。
図３Ｂは、対応する複素アドミッタンスを示す。ここで、アドミッタンスは、インピーダンスの逆数であり、Ｙ＝１／Ｚである。
図３Ａ及び図３Ｂから、テスト中の流体を表す、容量性センサセルＣによって作られる複素インピーダンスへの寄与を観察することが難しいことがわかる。必要とされる容量性寄与は、不必要な寄生誘導性寄与によってマスクされる。補償する必要がある主な寄生効果は、信号の測定に使用されるＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）の導線インダクタンス及び入力キャパシタンスである。
【００６０】
図４は、信号処理ステージ１３０を示す。マルチプレクサＭＵＸ１４０は、ＳＥＮＳＥ及びＤＲＩＶＥ／ＲＥＦを入力として受け取り、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）１５０に入力信号の１つを選択的に出力する。ＡＤＣ１５０は、デジタル値を出力する。ＡＤＣ１５０の出力は、デジタルドメイン処理ステージ１６０に印可される。
処理ステージ１６１は、検知信号ＳＥＮＳＥの同相（実数）及び直角位相（虚数）成分を求める。これらは、それぞれＣｓ（Ｉ）及びＣｓ（Ｑ）と呼ばれる。処理ステージ１６２は、駆動／基準（ｄｒｉｖｅ／ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）信号の同相（実数）及び直角位相（虚数）成分を求める。これらの成分は、それぞれＣｒ（Ｉ）及びＣｒ（Ｑ）と呼ばれる。処理ステージ１６１，１６２は、フーリエ解析を行う。
ステージ１６３は、ローカルデジタル発振器を含み、ローカルデジタル発振器及び駆動信号間の同期を達成する。ステージ１６３は、ステージ１６１，１６２に同相（Ｉ）及び直角位相（Ｑ）信号を出力する。これらの出力は、ＤＯ（Ｉ），ＤＯ（Ｑ）とラベル付けされる。
処理ステージ１６４は、検知信号ＳＥＮＳＥ及び駆動／基準信号間の差分信号の同相（実数）及び直角位相（虚数）成分を求める。差分信号は、振幅及び位相に関して、流体に起因するセンサセル１１０の両端の信号とセンサセル１１０に印加される駆動信号との間の差分を表す。
処理ステージ１６５は、流体の特性を求める。ステージ１６５は、差分信号のＩ及びＱ値を使用して、流体のキャパシタンス（誘電率）を求める。ステージ１６５は、差分信号のＩ及びＱ値を使用して、流体の抵抗（導電率）も求める。
【００６１】
ステージ１６４の出力は、システムの寄生特性によって引き起こされる変換の影響を受ける、ＡＤＣ１５０において測定されたインピーダンスを表す。出力は、フーリエ解析の実数（同相、Ｉ）及び虚数（直角位相、Ｑ）出力に対応する２つの数値からなる。
システムの寄生特性には、いくつかの原因がある。センサに接続するワイヤの特性として導線インダクタンスＬs（図２）がある。これは、周波数及び導電率の両方の関数である虚数成分を導入する効果を有する。その測定値の虚数成分への寄与は、測定される（流体に起因する）キャパシタンスの変化よりも大きい。ＡＤＣ１５０は、有限の位相シフトも引き起こす寄生入力キャパシタンスを有する。ＡＤＣ１５０によって引き起こされる位相シフトは、ＳＥＮＳＥの出力インピーダンスの関数となる。
【００６２】
図５は、デジタルドメイン処理１６０のステージ１６１をより詳細に示す。デジタル信号ＳＥＮＳＥのサンプルは、入力１７０で受け取られる。処理は、同相アーム及び直角位相アームの２つのアームで行われる。
同相アームにおいて、ＳＥＮＳＥは、デジタル発振器の同相（Ｉ）出力ＤＯ（Ｉ）と乗算される（１７１）。乗算の出力は、ローパスフィルタ１７３に印可される。ローパスフィルタ１７３の出力１７５は、Ｃｓ（Ｉ）と呼ばれる信号ＳＥＮＳＥの同相（Ｉ）成分を提供する。
直角位相アームにおいて、ＳＥＮＳＥは、デジタル発振器の直角位相（Ｑ）成分ＤＯ（Ｑ）と乗算される（１７２）。乗算の出力は、ローパスフィルタ１７４に印可される。ローパスフィルタ１７４の出力１７６は、Ｃｓ（Ｑ）と呼ばれる信号ＳＥＮＳＥの直角位相（Ｑ）成分を提供する。
ローパスフィルタ１７３，１７４のそれぞれは、無限インパルス応答（ＩＩＲ）デジタルフィルタとして実装され得る。ローパスフィルタ１７３，１７４のそれぞれは、フィルタの入力に印可されるサンプル値に対する時間平均化機能を有する。
例として、フィルタは、入力値に対して「ローリング」平均を行うことができる。フィルタが入力ｘ及び出力ｘ０を有するとする。各計算サイクルにおいて、ｘ０＝（先のｘ０）×０．９９９＋０．００１×ｘとする。この単純な例において、フィルタ係数値は０．９９９及び０．００１であり、２つの係数を合計すると１となる。デジタルフィルタは、異なる係数値及び／又はより多くの計算ステージを用いる異なるアルゴリズムを行うことができると理解することができる。
ローパスフィルタ１７３，１７４は、かなりの数の計算にわたって値を計算することによって、高精度でＩ又はＱ成分の値を求めることを可能にすることができる。例えば、フィルタの出力値は、駆動信号ＳＥＮＳＥの数千サイクルにわたって計算されてもよい。
ステージ１６１は、非常に狭い周波数帯域内の入力信号に回路が同調することを可能にし、入力信号の同相（実数）及び直角位相（虚数）成分のサイズを表す２つの出力結果を生成する。帯域幅を減らすことは、非常に正確なサブ量子化レベルの解像度を与える。
【００６３】
図１のシステムの例に戻り、マイクロコントローラ２００及び駆動信号生成器１２０は、個別の集積回路として実装することができる。これは、駆動信号生成器１２０及びマイクロコントローラ２００が、異なるレート及び／又は精度で動作する個別のローカル発振器（クロック）をそれぞれ有するということを意味する。これは、駆動信号が信号処理１３０と非同期であることも意味する。ＤＲＩＶＥの振幅及び位相は、最初は信号処理１３０によって不明として扱われる。
【００６４】
図４及び図６は、ＲＥＦと同期することができる追加ステージ１６３を示す。図６を参照すると、回路１６３は、コスタルスループである。コスタルスループは、駆動信号（ＤＲＩＶＥ又はＲＥＦ）にデジタルでロックできる位相ロックループの形式である。
入力１８０は、駆動信号を表す信号ＤＲＩＶＥを受け取る。デジタル発振器１８１は、２つの正弦波を表す２つのデータストリームを出力する。１つは駆動信号に対して同相（Ｃｏｓ）であり、１つは駆動信号に対して直角位相（Ｓｉｎ）である。各信号はＲＥＦと乗算される（１８２，１８３）。
乗算の出力は、ローパスフィルタされる（１８４，１８５）。ローパスフィルタ１８４，１８５の各出力は、互いに乗算されて（１８７）、ローパスフィルタ１８６に印可される。ローパスフィルタ１８６の出力は、制御信号として、発振器１８１に印可される。
図６の回路は、（１）デジタル発振器及び駆動／基準信号ＲＥＦ間の同期を達成し、（２）駆動／基準信号ＲＥＦの同相成分及び直角位相成分を求めるという、２つの機能を行う。
【００６５】
デジタル発振器信号の実数部及び虚数部の両方に入力駆動信号ＲＥＦを乗算し、複数のサンプルにわたって積分することにより、その周波数での駆動信号の実数及び虚数フーリエ係数を得る。駆動信号が同相で周波数が等しい（すなわちロック状態の）場合、実数フーリエ係数が０．５であり、虚数係数が０であるべきである。
実際には、通常、例えば駆動信号がデジタル発振器に対して進んでいるか又は遅れている等、信号間に差がある。虚数部の値を調べることにより、駆動／基準信号ＲＥＦがデジタル発振器より進んでいるか遅れているかを判断できる。
ロック状態が達成されるまで、デジタル発振器１８１に適切な訂正が適用される（すなわち、デジタル発振器１８１を進めるか又は遅らせる）。従って、デジタル発振器１８１は、入力駆動／基準信号ＲＥＦをトラッキングし、クロックドリフトにより自動的に調整を行う。ロックされると、同じ制御ループがロック状態を維持する。
デジタル発振器１８１の出力１９１，１９２は、処理ステージ１６１へのＤＯ（Ｉ）及びＤＯ（Ｑ）入力として使用される。ローパスフィルタ１８４の出力は、Ｃｒ（Ｉ）と呼ばれる駆動／基準信号ＲＥＦの同相成分を提供する。ローパスフィルタ１８５の出力は、Ｃｒ（Ｑ）と呼ばれる駆動／基準信号ＲＥＦの直角位相成分を提供する。
【００６６】
図７は、ＡＤＣ１５０の動作を示す。本発明の一例において、ＡＤＣは、駆動／基準信号ＲＥＦの周波数よりも低い、従ってセンサセルから受け取る信号ＳＥＮＳＥの周波数よりも低いサンプリング周波数で動作する。
図７は、信号ＳＥＮＳＥ３０１及びサンプリングポイント３０２を示している。サンプリング後の結果の信号は、入力信号とサンプリング周波数との差である周波数を有している。例えば、信号３０１の周波数が１．０５ＭＨｚでありサンプリング周波数が１．０ＭＨｚであるとき、サンプリングされた信号の周波数は５０ｋＨｚである。
従来のサンプリング定理では、エイリアシングを避けるために、サンプリングされる信号の最高周波数の少なくとも２倍のサンプリング周波数を推奨する。図示の例では、サンプリング／変換されたデータの信号がはるかに低い正弦波として現れるため、エイリアシングが発生する。
しかしながら、元の信号の位相及び振幅は、サンプリングされた信号に保存され、駆動信号の位相及び振幅に対応する。元の信号よりも低い周波数（たとえば、１．０５ＭＨｚと比較して５０ｋＨｚ）の出力信号を使用することにより、少ない計算リソースを使用してデジタルドメインで信号を処理することが可能である。
【００６７】
デジタル処理領域の３つの選択的な方法を説明する。
第１の方法では、装置の数学モデルを使用して、測定された差分信号の同相値及び直角位相値から、キャパシタンス（比誘電率）及び抵抗（導電率）の値を直接的に計算する。
第２の方法では、測定された差分信号の同相値及び直角位相値がルックアップテーブルに印可されて、キャパシタンス（比誘電率）及び抵抗（導電率）の出力値が得られる。
第３の方法では、測定された同相値及び直角位相値が、キャパシタンス（比誘電率）及び抵抗（導電率）を表す保存された曲線セットにマッピングされる。測定されたＩ，Ｑ値と１つの曲線と間の最適なフィットは、キャパシタンス（比誘電率）及び抵抗（導電率）を表す。
【００６８】
各方法は、信号処理の同じ初期ステージを用いることができる。信号処理ステージ１６１，１６２は、以下の２つの複素数ｃs，ｃrを表す値を出力する。
ｃsは、検知信号ＳＥＮＳＥの位相及び大きさを表す。ｃsは、同相（実数）成分ｃs（Ｉ）及び直角位相（虚数）成分ｃs（Ｑ）を備える。
ｃrは、基準信号（すなわち駆動信号ＤＲＩＶＥ／ＲＥＦ）の位相及び大きさを表す。ｃrは、同相（実数）成分ｃr（Ｉ）及び直角位相（虚数）成分ｃr（Ｑ）を備える。
【００６９】
２つの複素測定値を除算［ｃs／ｃr］すると、電源電圧又はＡＤＣ基準電圧の変動に依存しない量が得られる。この動作を実行することには、デジタル発振器１８１が駆動信号を少しでも遅らせるか又は進める場合に、結果として生じる位相シフトが除去されるという効果もある。これは、駆動信号及び検知信号の両方にエラーが等しく適用される（つまり、コモンモードエラー）ためである。
【００７０】
処理ステージ１６４は、差分信号を求める。除算［ｃs／ｃr］を行うことにより、（１）検知信号と駆動／基準信号との間の位相差、並びに（２）検知信号の大きさと駆動／基準信号の大きさとの比に等しい大きさが与えられる。
【００７１】
単一のＡＤＣ１５０及びマルチプレクサ１４０を有する図４に示される装置は、検知信号及び基準信号が同時にサンプリングされないことを意味することにも留意されたい。従って、この位相のずれを補正するために、比ｃs／ｃrに別の複素量を乗算する必要がある。
【数２】
2021503090.tif 000004
ここで、駆動信号の角周波数ω＝２π×５，０５０，０００Ｈｚであり、サンプリング周波数＝２ＭＨｚであり、サンプリングチャンネル間の時間Ｔ＝０．５μｓである。
【００７２】
センサの「出力」は、次のように算出された複素量となる。
【数３】
2021503090.tif 000005
Ａは、すべての更なる分析で使用される値である。
【００７３】
次のセクションでは、装置の数学的モデルの詳細を説明する。
【００７４】
＜モデルベース法＞
＜ＡＤＣの入力インピーダンス及び寄生特性＞
ＡＤＣ１５０の入力インピーダンスは、振幅及び位相の両方で入力信号を修正するので、その影響を較正する必要がある。ＡＤＣチャンネル（ＡＤＣ  ｃｈａｎｎｅｌｓ）の入力インピーダンスは不明として扱われるが、それらはほぼ等しいと見なすことができる。これは、両方のチャンネルの測定に同じＡＤＣが使用され、入力が多重化されているためである。
【００７５】
ＡＤＣ１５０の入力インピーダンス「ベアボード（ｂａｒｅ−ｂｏａｒｄ）」較正と呼ばれるプロセスから推定することができる。ＰＣＢのみ（つまり、センサセルが接続されていない）に電源を投入し、測定された開回路信号を分析することができる。図８は、インピーダンスが一般に両方のチャンネルでどのように組み合わされるかを示している。ここで、
Ｚは、ＡＤＣの入力インピーダンスであり、
Ｓは、２００オーム抵抗（Ｒs＝Ｒc1）であり、
Ｄは、ＡＤＣに並列に接続される（測定対象の）負荷である。
【００７６】
セルが接続されていないとき、検知チャンネルＣsに関してＤ→∞であり、基準チャンネルＣrに関してＤ＝Ｒc2である。一例として、切削液で満たされたセルに関してＤ＝２２Ω抵抗である。これにより、駆動／基準信号及びセンサセルは、ＡＤＣに提示されたときにほぼ同じインピーダンスを有する。用途に適した値にＤを設定できることが理解される。
【００７７】
両方のチャンネルに関してＺが同じであり、未処理のセンサ出力値ＡはＺの値を推定できると想定できる。
【００７８】
上記のネットワーク分析は、以下を与える。
【数４】
2021503090.tif 000006
【００７９】
これは、次のように簡略化される。
【数５】
2021503090.tif 000007
【００８０】
次に、この一般化された形をｃs及びｃrの式に変換する。
Ｄ→∞であるので、
【数６】
2021503090.tif 000008
【数７】
2021503090.tif 000009
【００８１】
再配置及び簡略化の後に、ｃs／ｃrを以下のように書くことができる。
【数８】
2021503090.tif 000010
【００８２】
そして、Ｚについて解かれる。
【数９】
2021503090.tif 000011
【００８３】
Ｚの値は、各センサのベアボード測定から計算され、すべての更なる計算で使用するために不揮発性メモリに保存される。この複素量は、動作周波数での抵抗性負荷と容量性負荷の両方を表す。
【００８４】
＜セルインピーダンスの推定＞
ＡＤＣインピーダンスが完全に特性化されたので、接続されたセンサ負荷のインピーダンスを更なるネットワーク分析から推定することができる。セルインピーダンスはＬで表される。動作中に、センサセルが接続された状態で、センサチャンネル出力は次のように記述できる（ｃrの式に類似）。
【数１０】
2021503090.tif 000012
【００８５】
先に導出されたｃrの式を使用して、次のように述べることができる。
【数１１】
2021503090.tif 000013
【００８６】
これは、Ｌについて解かれて、以下を与える。
【数１２】
2021503090.tif 000014
【００８７】
この式は、既知のすべての抵抗値及びＡＤＣインピーダンスの較正値を組み合わせて、セルのインピーダンスと、それへの接続に関連する寄生特性とを示す。
【００８８】
ここで、Ｌが、センサセル１１０及び導線インダクタンスＬsを含む図９に示されるネットワークのインピーダンスを表すと仮定される。導線インダクタンスＬsの寄与は非常に重要であるが、その値は一定であり、経験的に求めることができると想定される。
【００８９】
【数１３】
2021503090.tif 000015
ここで、Ｒはセルの抵抗、Ｃはそのキャパシタンスである。Ｌsの値が既知の時、Ｒ及びＣはどちらもこの方程式から推定できる。
【００９０】
これは、以下のセルのアドミッタンスを計算することで最も簡単に実現できる。
【数１４】
2021503090.tif 000016
【００９１】
アドミッタンスの虚数部から
【数１５】
2021503090.tif 000017
実数部から
【数１６】
2021503090.tif 000018
【００９２】
＜導電率と比誘電率の計算＞
セルの抵抗は、セルの形状及び流体の抵抗率によって、理論的に次のように求められる。
【数１７】
2021503090.tif 000019
【００９３】
ここで、
ρは、流体の抵抗率であり、
ｂは、セルの外側パイプの内径（例えば２６．９×１０-3ｍ）であり、
ａは、同軸ロッドの外径（例えば７×１０-3ｍ）であり、
Ｌは、流体に晒されているロッドの長さ（７５×１０-3ｍ）である。
【００９４】
セル係数は、抵抗率に対する抵抗の比率である。これは約２．８５と計算され、既知の濃度の生理食塩水を使用したラボテストから約２．７６と測定される。
【００９５】
導電率＝１／ρである。従って、
導電率＝２．７６／Ｒ  （式１）
である。
【００９６】
セルのキャパシタンスは、以下のように計算される。
【数１８】
2021503090.tif 000020
ここで、ε0は自由空間の誘電率であり、εrは液体の相対的な誘電率（比誘電率）である。
【００９７】
他の寸法はすべて同じである。従って、実験的に決定されたセル係数２．７６を使用して、以下のような方法でεrとキャパシタンスとの関係に発展させることもできる。
εr＝２．７６Ｃ／ε0  （式２）
【００９８】
上記の説明から、測定値ｃs，ｃr（複素差分信号量Ａに変換）は、少なくとも１つの寄生成分を含む装置の数学的モデルに入力され、導電率の出力値（式１）及び比誘電率（式２）を提供することが理解される。別の可能な特性は複素誘電率である。
【００９９】
＜導線インダクタンス及びその他の寄生要素の決定＞
導線インダクタンスは経験的に決定できる。離散的な実数部と虚数部を使用してＬの式を書き換えると、最終測定へのＬsの寄与は、セル抵抗が高いとき小さく、セル抵抗が低いとき重要な役割を果たすことが分かる。セルに脱イオン水を通すことにより、上記の分析で導線インダクタンスをゼロと仮定して、セルキャパシタンスの値を測定することができる。
【０１００】
一定の温度でセンサに様々な濃度の生理食塩水を通過させると、一定のキャパシタンスの値と、様々な導電率の値とが得られる。導線インダクタンスの値は、この範囲にわたってキャパシタンスの可能な限りフラットな応答が得られるように選択されている。
【０１０１】
しかしながら、まだ特定されていない付加的な寄生成分があり、ネットワーク分析をさらに改善する必要がある可能性が高いため、応答は完全ではない。
【０１０２】
図１０は、さまざまな濃度の生理食塩水で実行された２セットの測定値を示している。導線インダクタンスを考慮しても、理想的なフラットな水平線からのずれがあることが分かる。従って、実際のアプリケーションでは、この生理食塩水データのマップを保存し、これらの値を補間してさまざまな導電率の較正情報を提供することができる。
【０１０３】
＜ルックアップテーブル法＞
ルックアップテーブル法では、ステージ１６４で求められた差分信号を使用する。上記のように、数量Ａを使用できる。
【数１９】
2021503090.tif 000021
【０１０４】
ここで、ｃsは、検知信号ＳＥＮＳＥの位相及び大きさを表す。ｃsは、同相（実数）成分ｃs（Ｉ）と、直角位相（虚数）成分ｃs（Ｑ）を備える。
ｃrは、基準信号（すなわち、駆動信号ＤＲＩＶＥ／ＲＥＦ）の位相及び大きさを表す。ｃrは、同相（実数）成分ｃr（Ｉ）と、直角位相（虚数）成分ｃr（Ｑ）を備える。
ｃpは、ｃs及びｃrがサンプリングされる異なる時間を補償するための補正係数である。
【０１０５】
次に、処理ステージ１６５は、複素差分信号量Ａの同相成分及び直角位相成分を使用して、格納されたデータのセット、すなわちルックアップテーブル内のＣ（比誘電率）及びＲ（導電率）の対応する値をルックアップする。
【０１０６】
＜データマッピング法＞
データマッピング法では、ステージ１６４で求められた差分信号を使用する。上記のように、数量Ａを使用できる。
【数２０】
2021503090.tif 000022
【０１０７】
ここで、ｃsは、検知信号ＳＥＮＳＥの位相及び大きさを表す。ｃsは、同相（実数）成分ｃs（Ｉ）と、直角位相（虚数）成分ｃs（Ｑ）を備える。
ｃrは、基準信号（すなわち、駆動信号ＤＲＩＶＥ／ＲＥＦ）の位相及び大きさを表す。ｃrは、同相（実数）成分ｃr（Ｉ）と、直角位相（虚数）成分ｃr（Ｑ）を備える。
ｃpは、ｃs及びｃrがサンプリングされる異なる時間を補償するための補正係数である。
【０１０８】
次に、処理ステージ１６５は、複素差分信号量Ａの同相成分および直角位相成分を、格納されたデータのセットにマッピングする（またはそれを比較する）。格納されたデータは、一組の曲線の形式であってもよい。図１１は、３つの異なる比誘電率及び様々な導電率の流体を表す一組の曲線５０１，５０２，５０３を示している。すべての値は、概略であり、概念のみを表す。一対の値Ｉ，Ｑの形式の「測定値」は、このデータのマップ上の点によって表される。従って、エマルジョン濃度を推定するため、このマップ上のポイントの位置から濃度及び比誘電率を経験的に推定することができる。所定の測定値（Ｉ，Ｑ）について、外挿により、様々な量のイオン汚染でエマルジョン切削液の濃度を監視するのに十分な精度内で比誘電率を計算することができる。
【０１０９】
図１２は、塩水（比誘電率が変化しないと仮定）４０１及びエマルジョン（導電率と比誘電率が変化する）４０２の様々な溶液の摂氏２０度、５．０５ＭＨｚでの測定からの実験データを示す。このデータは、寄生回路要素の変換効果を示す。
曲線４０１は、変化しない誘電率を有するが、変化する導電率を有する流体を表す。この曲線は、寄生効果が、実数成分及び虚数成分のマッピングを、完全な理論上の直線状の水平線からどのように「歪める」かを示す一種の制御と見なすことができる。
曲線４０２は、比誘電率及び導電率の両方が変化する流体を表す。試験液は、様々な量の切削液エマルジョン混合物を脱イオン水に加えることにより形成した。この場合、エマルジョン濃度は２．５〜２０％の間で変化する。導電率は濃度の増加に伴って（右から左に）増加することが分かるが、比誘電率も期待値（２．５％で〜７７．５から２０％で〜６０）から減少する。
【０１１０】
左側のデータの収束は、導電率の増加による数学的な影響により、測定される影響に対するシステムの感度が低下するものである。
【０１１１】
＜正確な導電率測定＞
１．０５ＭＨｚ以下の駆動信号を使用すると、信号の無効成分（容量成分及び寄生成分）が大幅に減少する。これらの条件下では、信号の実数部を使用して、回路の寄生効果についての仮定を行わずに導電率を推定できる。温度や流体組成が急激に変化することが予想されないシステムでは、この測定を高周波測定とほぼ同時に行うことができる。
【０１１２】
＜基準信号（ＲＥＦ）＞
設計の改良点は、基準信号ＲＥＦの使用である。この設計では、Ｒｃ１及びＲｃ２を使用して、「仮想」の純粋な抵抗性セルを表す。それは、駆動信号と同位相の振幅を有する。ＲＥＦは、ＳＥＮＳＥと同様の出力インピーダンスを持つように設計されているため、ＤＲＩＶＥよりも優れた基準信号を提供できる。この背後にある考え方は、ＡＤＣの入力キャパシタンスによって引き起こされる位相シフトが各チャンネルで同じである場合、その効果は相殺されるというものである。この理想的な状況が達成される可能性は低いが、このアプローチは、入力キャパシタンスの影響を減らすのに役立つ。
【０１１３】
＜流体の例＞
装置の応用例は、エマルジョン切削液の混合物と組成を制御することである。水に対する油の比率を制御する。水に対する油の比率は、流体の比誘電率を測定することで決定できる。水は摂氏２０度で約８０の比誘電率を持ち、油成分は＜１０の比誘電率を持つ。流体からの水の蒸発により、水に対する油の比率が増加するため、エマルジョン濃度を必要な制限内に保つために水を追加する必要がある。
【０１１４】
流体の比誘電率は２つの成分の体積の平均にほぼ等しいため、１０％の混合の場合、比誘電率は約７２になると予想される。油滴を懸濁液に保つために使用される界面活性剤は、イオン成分を持つので、導電性を有する。導電率は水の硬度や他のイオン汚染などの他の要因の影響を受けるため、導電率だけを使用してエマルジョン濃度を決定することはできない。
【０１１５】
水の比誘電率は温度によって変化する。従って、温度を測定して適切な補償を行うことも望ましい。図１は、流体センサセル１１０と共に配置された温度センサ１０５を示す。温度を示す出力は、信号処理１３０に提供される。
【０１１６】
その他の可能な用途は、例えばビール／ウイスキーの製造（アルコール含有量を測定するため等）、バイオ燃料製造（水質汚染を監視するため等）、ギアボックスのオイルと潤滑油の監視等、化学物質混合物（流動または静的）の水の比率を監視することである。
【０１１７】
別の可能なアプリケーションは、ガスの湿度の測定である。
【０１１８】
＜他の選択肢＞
装置は、図４に示すように、単一のＡＤＣと、その単一のＡＤＣへの多重化入力信号を時分割するためのマルチプレクサを使用してもよい。あるいは、装置は、２つの別個のＡＤＣを備えてよく、入力信号ごとに１つのＡＤＣとしてよい。
【０１１９】
駆動信号の周波数は、試験中の流体のタイプに基づいて選択されてもよい。他の例では、駆動信号生成器は、異なる周波数で複数の駆動信号を生成してもよく、または複数の駆動信号生成器があってもよい。
【０１２０】
図１３は、任意の形態のコンピューティングデバイス及び／又は電子デバイスとして実装され得るとともに、上記のシステム及び方法の実施形態が実装され得る処理装置５００の例を示す。処理装置は、上記の方法のすべて、一部又はいずれかを実装することができる。
処理装置５００は、１つまたは複数のプロセッサ５０１を備える。プロセッサ５０１は、デバイスの動作を制御する命令を実行するためのマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、コントローラ、又は他の任意の適切なタイプのプロセッサであり得る。プロセッサ５０１は、１つまたは複数のバス５０６を介してデバイスの他の構成要素に接続される。
プロセッサ実行可能命令５０３は、メモリ５０２等の任意のコンピュータ可読媒体を使用して提供されてよい。プロセッサ実行可能命令５０３は、説明された方法の機能を実装するための命令を含むことができる。
メモリ５０２は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又は磁気若しくは光ストレージデバイス等の任意のタイプのストレージデバイス等、任意の適切なタイプのものである。プロセッサ５０１によって使用されるデータ５０５を格納するために、追加のメモリ５０４を提供することができる。
処理装置５００は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース５０７を備える。Ｉ／Ｏインターフェース５０７は、センサセルから入力信号を受け取ることができる。Ｉ／Ｏインターフェース５０７は、流体の測定された特性を示す信号を出力することができる。
処理装置５００は、上述のように、アナログ入力信号をサンプリングするための１つ又は複数のＡＤＣを備える。
処理装置５００は、他のネットワークエンティティとインターフェースするための１つ又は複数のネットワークインターフェース５０８を備える。
処理装置５００は、プロセッサ５０１、メモリ５０２、Ｉ／Ｏインターフェース５０７及びＡＤＣ５０９が単一の集積回路上に統合されたマイクロコントローラとして実装されてもよい。
【０１２１】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、上記の例または実施形態のいずれかにおいて流体センサセル１１０として使用され得る流体センサ６１０の例を示す。図１４Ａは、長手軸（図１４ＢのＡ−Ａ’）に沿った断面で流体センサ６１０を示す。図１４Ｂは、図１４Ａの線Ｂ−Ｂ’に沿った断面における流体センサ６１０を示す。
流体センサ６１０は、流れる流体を監視するように構成される。流体センサ６１０は、容量性センサの形態である。
センサは、第１、外側、電極６１１及び第２、内側、電極６１２を有する。外側電極６１１は筒状である。内側電極６１２は、円柱状の棒である。電極６１１，６１２は同軸である。
電極６１１，６１２の間の領域に流体流路６１３が画定される。流体は、流体流路６１３に沿って流れることができる。これにより、流体を使用するプロセスを中断することなく、測定を行うことができる。例えば、切削液を測定する用途では、切削液（又は切削液の一部）が流路６１３を通して送られ得る。
フィードスルー導体６１５は、内側電極６１２を、流体センサの外側に配置された駆動信号生成器に接続する。導体６１５は絶縁されている。ここでは十字形アレイの形で示されている複数の支持体６１４が、外側電極内で内側電極６１２を支持している。支持体６１４は、絶縁材料で形成されている。
流路６１３は、支持体６１４間の開口部を通って延びる。図１４Ａに示されるように、一組の支持体６１４は、流体センサの各長手方向端部の近くに配置され得る。図１４Ａに示すように、支持体６１４のセットの１つは、フィードスルー導体６１５を組み込むことができる。フィードスルー導体６１５の周りの支持体６１４は、センサ６１０からの流体損失を防ぐための流体密シールを提供する。
この構成は、１組の支持体６１４及びフィードスルー導体６１５のための別個の筒状要素の必要性を回避する。流体センサ６１０は、任意の適切な長さ及び直径を有することができる。
【０１２２】
本明細書の説明および特許請求の範囲を通して、「備える」及び「含む」という語、並びに「備える」および「備える」などの語の変化形は、「含むがこれらに限定されない」ことを意味し、他の部分、追加、成分、整数（ｉｎｔｅｇｅｒｓ）又はステップを除外することを意図しない（除外しない）。
【０１２３】
本明細書の説明および特許請求の範囲を通して、文脈が他に必要としない限り、単数形は複数形を包含する。特に、不定冠詞が使用される場合、明細書は、文脈が他のことを必要としない限り、単数性だけでなく複数を意図するものとして理解されるべきである。
【０１２４】
本発明の特定の態様、実施形態または例に関連して説明された特徴、整数、特性、混合物、化学部分又はグループは、本明細書に記載された他の任意の態様、実施形態又は例に不適合でない限り適用可能であると理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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