(57)【要約】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である。１つの実施例において、該測定回路は、感知構成要素と、該感知構成要素と接続された電流源と、該感知要素とスイッチング可能に接続されたセンサと、該感知構成要素と接続された監視回路とを含む。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。校正により決定された少なくとも２つの異なる位相角度にて電圧が測定される。異なるインピーダンス及び異なる位相にて電圧が測定されたならば、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。
2017528717.tif 000002
【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ミキサー信号と、第二の位相信号と関係した第二のミキサー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示する信号を受信し、
信号の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、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、
追加的な信号の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の変化を表示する複数の混合信号を受信し、
複数の混合した信号に基づいて、流体の電気的特性を決定する形態とされた、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伝導率である、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、複数の混合信号に基づいて流体の誘電定数及び伝導率と関係した測定値を識別する更なる形態とされる、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、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更なる形態とされる、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ミキサーと接続された相偏移器であって、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、且つ調節する形態とされた前記相偏移器を更に備える、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、
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更なる形態とされ、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更なる形態とされる、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偏移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形態にて感知ノードの電圧を表示する信号と第一の位相信号及び第二の位相信号とを混合して、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形態における信号と第一の位相信号及び第二の位相信号とを混合して、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形態を設定するステップと、
前記構成要素のアレーの複数の形態の各々にて前記信号と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を混合し、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と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を混合し、一組の測定電圧を生成するステップと、
複数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に記載の方法方において、
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伝導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に記載の方法方において、
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反応型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に記載の方法方において、
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の変化に対して直交状の抵抗の変化を表示するときを決定するステップを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法方において、
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に記載の方法方において、
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に記載の方法方において、
前記構成要素のアレーの第三の形態の信号と前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号とを混合して、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形態の信号と前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号とを混合して、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形態の信号と前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号とを混合して、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形態の信号と前記第一の位相信号及び前記第二の位相信号とを混合して、第六の組の基準信号を生成するステップと、
前記組のセンサ電圧の値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に記載のシステムにおいて、
前記組のセンサの電圧の値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積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積の第二の線を決定するステップと、
固定容積の第一の線と固定容積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、システム。
【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て、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形態とされた監視回路と、
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、
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、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測定し、
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、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形態と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形態と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形態と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形態とされた、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考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］  従来の容量型センサは、高伝導性流体を測定するときに生ずるような、高伝導性流体の経路がコンデンサに対して平行であるとき、容量を測定する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、流体の伝導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、偏移、大きさ及び位相）は、極めて高い分解能又は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、流体の伝導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型センサは、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平行であるとき、流体内のセンサの容量を測定するその能力が制限されている。流体の誘電定数及び伝導率を使用して、流体が予想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伝導率を使用して、流体の濃度レベル又はその流体が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、該システムは、ディーゼル排出流体のような流体内に浸漬させたセンサの伝導率及び容量を決定する。該システムは、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平行に配置されているかを決定する。該システムは、相偏移器と、ミキサーと、利得・偏移モジュールとを含む、監視回路を使用する。相偏移器は、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。該システムは、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、この場合、複数の構成要素は、該固定抵抗器に対して平行に配置されている。容量型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型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。該方法は、複数の構成要素が固定抵抗器に対して平行に配置された、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、２つの位相における信号が出力を生成し、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。容量型測定センサが固定抵抗器に対して平行であるとき、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。容積型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伝導率を含む、流体の各種の電気的特性を決定する形態と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、流体が予想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伝導率を使用して、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、ディーゼル排出流体の濃度及び純度を含む、ディーゼル排出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、測定信号の信号の変化の第一の直交成分を測定信号の信号の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。該システムは、センサを有する構成要素のアレーを含む。該システムは、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−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。該システムは、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の変化を生じさせる形態と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、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、追加的な信号の変化を生じさせ、また、第一の位相及び第二の位相における追加的な信号の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、コントローラとを含む測定回路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。該方法は、構成要素のアレーの第一の形態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形態にて、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。第一の組の基準信号及び第二の組の基準信号の間の関係が、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。複数の形態は、構成要素のアレーに対して設定される。該信号は、構成要素のアレーの複数の形態の各々にて、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して、複数の組の基準信号を生成する。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して、センサは、感知ノードと接続し、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。該システムは、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。該システムは、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形態とされている。該システムは、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形態とされている。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の第一の校正電圧及び第二の位相の第二の校正電圧を測定する形態とされている。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、第一の位相の第三の校正電圧及び第二の位相の第四の校正電圧を測定する形態とされている。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、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な形態と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形態とされている。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形態と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形態と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形態ともされている。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形態ともされている。
【００１０】
［００１１］  本発明のその他の局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の測定回路の位相偏移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、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】感知ノードと接続された各種の構成要素を有する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、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抵抗の変化の非線形効果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、「直列型の形態」という語句は、説明した構成要素が全体として、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が、同一の電流が必ずしも各要素を通らな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、「直列型の形態」において、追加的な回路要素を「直列型の形態」にて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形態にてノードにて接続し、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、直列型の形態の要素は、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「並列型の形態」という語句は、説明した要素が全体として、１つの要素が別の要素と接続され、回路が回路構造の並列な枝を形成するような仕方に配置される、回路の構造を意味する。かかる形態において、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、回路の並列型の形態において、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、並列型の形態の回路は、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」、「伝導率」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、絶対的な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の出力（例えば、トランスコンダクタンス増幅器）は、感知ノード１１０と接続される。該感知ノード１１０は、スイッチングアレー１１５と接続する。該スイッチングアレー１１５は、その他の端子が接地接続された構成要素１２０のアレーと接続する。該構成要素１２０のアレーは、各々が異なる抵抗を有する抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）を含む、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、単一の装置が複数の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）に置換するようにすることができる。１つの例において、電圧制御した可変抵抗器を使用することができ、また、該可変抵抗器は、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１２０のアレーは、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、電気的に接続された構成要素が無い、プリント回路板上にてパッドと接続される。該スイッチングアレー１１５は、その他の端子が接地接続されたセンサ１２５とも接続する。
【００１８】
［００３５］  スイッチングアレー１１５は、構成要素１２０のアレーの異なる形態を形成し、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、接地のための異なる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、校正しかつ測定する間、一定数の電子スイッチを有し，寄生容量の全ての変化を最小にすることが望ましい。この点に関して、該スイッチングアレー１１５は、スイッチングアレー１１５内にて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プランクスイッチを含む。このことは、開き、また、閉じた一定数のスイッチを維持し、その結果、均一な偏移容量となる。該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、該感知構成要素１３０は、既知の又は一定の抵抗値を有する抵抗器である。該感知構成要素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。この形態は、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にわたって生成する。該感知ノード１１０は、バッファ増幅器１３５と接続され、該バッファ増幅器は、より大きい測定回路１００内に含まれた感知回路１４０への入力を形成する。
【００２０】
［００３７］  １つの実施の形態において、該監視回路１４０は、利得・偏移の調節作用を有する同期型の復調回路を利用する。該監視回路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。該ミキサー１４５は、バッファ増幅器１３５からの信号を例えば、可変位相の四角形波のような、可変位相の波形にて増幅する。該可変位相の波形は、相偏移器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・偏移調節モジュール１６０と接続される。利得・偏移調節モジュール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対デジタル変換器１６５と接続される。
【００２１】
［００３８］  一部の実施の形態において、相偏移器１５０は、振動波形を別の振動波形（たとえば、正弦波を四角形波）に変換する回路を含む。１つの例において、相偏移器５０は、正弦波と四角形波の比較器と、四角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離散型遅延ステージを使用して、該遅延、従って、相偏移を実現する。別の例において、相偏移器１５０は、同一の周波数にて多数の正弦波を入力し、該正弦波を合計して、中間位相の正弦波を形成する。この例において、該相偏移器１５０は、入力正弦波の１つの振幅を調節し、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に入力するため四角形波形に波形を変換する。一部の実施の形態において、該ミキサー１４５は、位相に基づいて信号の成分を分離する正弦波の混合又はその他の復調スキームを実行する形態とされている。
【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まで、また、構成要素のアレーを通って流れる。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を通って接地までも流れる。構成要素１２０のアレー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を横断する電圧は低下する。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度の変化を使用して、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上の電圧の同一位相（すなわち、電流と同一位相）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）のインジケータとして作用する。直角度成分（すなわち、同一位相の成分から９０°位相偏移したもの）は、電流源１０５と接地との間の反応型インピーダンス（すなわち、反応性電流）にのみ起因する電流（すなわち、反応性電流）のインジケータとして作用する。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、抵抗型インピーダンスと反応型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度は、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局面が示されている。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２−２Ｃ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、伝導性ケージ）により覆われている。この場合、該球形のドームは、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を貫通す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、材料の連続的な薄板又は切れ目のない片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、該センサ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。該取り付け面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、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し、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。該センサ１２５は、例えば、全体として腐食抵抗性のある、ステンレス鋼を含む伝導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、伝導率及び誘電定数）及び該センサ１２５の幾何学的形態の双方を考慮する。例えば、容量２２０は、センサ１２５の容量及びセンサ１２５内の流体が該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内の流体が該抵抗に与える影響を表す。センサ１２５の幾何学的形態は一定であるため、容量２２０及び抵抗２２５は、流体の誘電定数及び伝導率を表示する値である。図３Ｂには、表面層が電極上に形成され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。該第一の電極の容量２３０は、センサ１２５の全容量を減少させる。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。該第二の電極の容量２３５は、センサ１２５の全容量を減少させる。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、誘導された容量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、誘発された容量２４０は減少する。誘発された容量２４０の減少は、センサ１２５の全容量を減少させる。表面層に起因する誘導された容量２４０が僅かであるならば（厚い表面層に相応して）、センサ１２５の全容量（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］  誘導された容量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、誘導された容量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、この誤差の効果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、誘導された容量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、誘導された容量２４０及び抵抗２２５は、一定の値とみなすことができ、等式３の以下の量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に示したように述べることができる。
ＡＣＬ＝｛（ｆ２／ｆ１）２  ＊ＭＣＬｆ２−ＭＣＬｆ１｝／｛（ｆ２／ｆ１）２−１｝                                                                        （４）
このため、電極２０５、２１０上に穏やかな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、上述した補正が作用するためには、特に、センサ１２５の抵抗が小さくなるとき、過大となる。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適合させ、電極の表面層を補正することができる（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、センサの形態の制御装置３１５と、測定形態の制御装置３２０と、クロック３２５と、アナログ対デジタル変換器１６５とを備えている。該コントローラ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。該センサマルチプレクサ３３５は、スイッチグアレー１１５として、又は該スイッチングアレー１１５に代えて使用することができる。該コントローラ３００は、特に、測定回路１００の作動を制御し、センサの形態の制御装置３１５を制御し、また。測定形態の制御装置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と、選択的な流体液位センサ３５０と、及び構成要素１２０のアレー（Ｚ１、Ｚ２，．．，Ｚｎ）と接続されている。
【００２８】
［００４５］  処理装置３０５、メモリ３１０、センサの形態の制御装置３１５、測定形態の制御装置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、１つ又は複数の制御装置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検討することにより、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。該プログラム記憶領域及びデータ記憶領域は、機械読み取り専用非遷移型メモリ、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」）、同期型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。該処理装置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、全体として永久的に）、又は別の非遷移型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指図を実行する。測定回路１００に対するプロセス及び方法に含まれたソフトウェアは、コントローラ３００のメモリ３１０に記憶することができる。該ソフトウェアは、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指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の幾何学的形態に関する情報を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指令をメモリ３１０から検索し、かつそれを実行する形態とされている。その他の構造において、コントローラ３００は、追加的、より少数の又は異なる構成要素を含む。
【００３０】
［００４７］  図５には、相偏移器１５０と、１つの実施の形態に従って、測定回路１００に対する該相偏移器１５０の接続が示されている。該相偏移器１５０は、２つの出力接続部を有する分割・位相スプリッタ４０５を含む。該分割・位相スプリッタ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、該分割・位相スプリッタ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］  該相偏移器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の応答性を操作する。この応答性を使用して、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より生じた信号の変化は、ほぼ同一の大きさであり、また、容量性電流の僅かな変化に対してほぼ直交する。測定回路からの信号と互いに近い位相を有し、且つ感知ノードと接地との間にて抵抗が変化するとき、電流の変化角度からから９０°離れた位相角度の両側に存在する、２つの信号とを別個に混合することにより、この測定領域は生成される。例えば、抵抗器が感知ノードと接続されたとき、電流の変化の位相角度が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、容量に対して平行にセンサ１２５を通る抵抗性電流が不明であり、また、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許容する。
【００３２】
［００４９］  図６は、測定回路１００に対する所望の位相角度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、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、電力を供給オンにする（ステップ５０５）。相偏移器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・偏移調節モジュール１６０の偏移は調節して、アナログ対デジタル変換器１６５の出力が出力範囲（すなわち、信号の調整モジュール３６０の出力）の中間にあり、また、出力が記録されるようにする（出力１）（ステップ５１５）。相偏移器１５０は、位相１に近い（例えば、位相１の上方  ６°）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・偏移調節モジュール１６０の偏移を調節して、アナログ対デジタル変換器１６５の出力がアナログ対デジタル変換器１６５の出力範囲の中間にあり、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、測定順序の間、一定のままであろうそれら自身のそれぞれの偏移調節状態を有する。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対デジタル変換器１６５の出力（Ｒ１１、Ｒ１２）は、それらのそれぞれの偏移調節状態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、僅かな程度、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の後、方法は、ステップ５４５に戻り、調節した出力（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にほほ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に対するステッチを開き、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、僅かな程度、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、調節した出力の値（出力１、出力２）と（Ｒ１１、Ｒ１２）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とほぼ等しくないならば、望まれる位相角度（位相１及び位相２）が探知されている。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度は、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度の調節は、ステップ５１０、ステップ５２０に対して位相角度の程度及び方向を推定することにより、所望の位相角度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に対する信号調節調整モジュール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にてプロットしたものである。座標対は、組の校正信号を表す。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及びブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を開いて、ブロットしたものである。線は、座標対（出力１、出力２）と（Ｒ１１、Ｒ１２）との間の勾配で、等式５により計算することができる勾配を示す。
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及びブランクスイッチ（例えば、ＢＬ１）を開いて、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、連続的な調節の間にて位相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）がない座標対から抵抗器（Ｒ１）を有する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に等しい位相を探知することは、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、追加された電流に起因する、全電流の変化角度からほぼ９０°の位相角度であることを意味する。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の変化位相から９０°の位相角度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、１つの位相における信号調整モジュール３６０の出力がその他の位相における出力の減少とほぼ同一の大きさだけ、増大するように選ばれる。勾配が正確に−１となる位相を探知する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の範囲内の計算した勾配は、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１２０のアレーの並列コンデンサ（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１２０のアレーへの電流の増加は、感知構成要素１３０への電流及び該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＋１の勾配を有する線の上にて休止する。図９は、測定回路１００が校正されたならば、純粋に容量型構成要素を追加し又は除去すべく構成要素１２０のアレーをスィッチングインした結果、信号調整モジュール３６０の出力の座標値は変化し、このため、新たな座標は、それ以前の座標値から＋１の勾配の線の上に休止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の勾配の線の上に位置し、また、追加的な並列抵抗に起因する測定値の変化は、−１の勾配の線の上に位置するであろう。
【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、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・偏移の調節モジュール１６０の利得・偏移の設定値は調節され、また、相偏移器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におけるアナログ対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におけるアナログ対デジタル変換器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１２０のアレー内の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２．．．Ｒｎ）の特定の１つに相応する（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におけるアナログ対デンタル変換器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におけるアナログ対デジタル変換器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１２０のアレー内の全ての抵抗器が使用されたかどうかを表示する。ｎがｎの最大値に等しくないならば、ｎは、１つだけ増分させる（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におけるアナログ対デジタル変換器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有する測定方法９００の出力の一例のグラフある。該グラフの各々は、基準値、位相角度、偏移及びシステムの利得に依存して、異なる測定値を有する。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１２０のアレーからの各対の構成要素と関係した座標対に対する出力がブロットしてある。これらの出力の各々は、構成要素のアレーの異なる形態に相応して、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）にてＣ１、Ｃ２をプロットし、また、ブランクスイッチ８（すなわち、ＢＬ１、ＢＬ２）にてＣ１、Ｃ２をブロットすることを含む。更に、抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）は、ブランクスイッチ（すなわち、ＢＬ１、ＢＬ２）にてプロットされている。図１１には、容量の変化は、座標対（ブランク、ブランク）から＋１の勾配に沿った線の上にてプロットし、また、抵抗の変化は、座標対（ブランク、ブランク）から−１の勾配に沿った線の上にてブロットしたものであることを示す。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する一方、（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、センサ１２５の抵抗及び容量の成分を分離し、かつ図１３に示したように、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、該グラフは、並列の複数の構成要素に対する位相１及び位相２の信号の出力の座標対を示す。座標対は、固定容積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成分の変化を実証し、このため、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、固定容積の線である。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、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の伝導率は、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１２０のアレーの多数の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２，．．．Ｒｎ）の各々がスイッチインされたとき、電流センサ１０５が受ける全抵抗は、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相応する構成要素１２０のアレー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相応する構成要素１２０のアレーの抵抗器の値である。
【００４２】
［００５９］  位相、偏移及び利得が決定された後、大きい抵抗の値に相応する固定抵抗の線と、Ｄ１を探知するためのセンサ１２５の測定値との間の距離が測定単位にて決定される。同様に、小さい抵抗の値に相応する固定抵抗の線とＤ２を探知するためセンサ１２５の測定値の間の距離が測定単位にて決定される。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の伝導率は、測定前には不明であるため、構成要素１２０のアレーの内の複数の抵抗器は、測定回路１００が広い伝導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集中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、伝導率が１０００μＳ／ｃｍを十分に超えるとき、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、それらの伝導率が１００倍のファクタ以上、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・偏移調節モジュール１６０は、分解能を増大させ、このため、分解能の損失を補正する。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にし、又は曲げることができる。測定の抵抗の範囲内にある、構成要素１２０のアレー内にて複数の基準抵抗器（例えば、Ｒ１、Ｒ２等）を使用することは、固定容量の線の曲率の効果を軽減する。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１２０のアレー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。該インダクター１４０５は、広い抵抗範囲にわたって固定容量の線の曲率を真っ直ぐにし、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、システムの応答性を修正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１２０のアレーと直列に追加し、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、固定容積の各線における３つの連続的な線の測定値を使用し、かつ測定点を通り、その中心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、近似値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状の近似値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。該測定回路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１５２０のアレーと、感知構成要素１５３０（例えば、抵抗器）とを含む。該測定回路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・偏移モジュール１５６０と、アナログ対デジタル変換器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１５２０のアレー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１５７５のアレーと、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１５９０のアレーと、センサのスイッチングアレー１５９５とを含む。
【００４８】
［００６４］  インダクタンスの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１５７５のアレーから各種のインダクタンスの値を選び、構成要素１５２０のアレー及びセンサの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１５９０のアレーから各種の容量の値を選び、構成要素１５２０のアレーとの直列型接続状態に置くことができる。センサの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１５７５のアレーと容量スイッチングアレー１５８５との間にて接続されている。
【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の低レベルの全容量を補正することができる。（図３Ｃ参照）。誘導容量２４０が極めて小さくなり、構成要素１５２０のアレーの基準インピーダンスが最早、センサ１２５の全容量と同様の絶対値を有しないとき、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１５９０のアレーのコンデンサＣＳ１及びコンデンサＣＳ２を追加することは、構成要素１５２０のアレー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全インピーダンスは、センサ１２５の全容量と同様の範囲にある。コントローラ３００は、測定し、また、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１５２０のアレーと直列に挿入すべきかを決定する形態とされている。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１５９０のアレー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１５７５のアレー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を構成要素１５２０のアレー及びセンサのスイッチングアレー１５９５と直列型接続状態となるように各種の組み合わせにて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を選んだ直列容量と適合させ、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］  センサのスイッチングアレー１５９５は、スイッチングアレー１５１５から分離し、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にて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１５２０のアレー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は閉じ、センサ１５２５をスイッチングインするためのセンサのスイッチングアレー１５９５のセンサスイッチは開く。センサ１５２５を測定する場合、ブランクスイッチＢＬ３は開き、基準ブランクスイッチＢＬ１、ＢＬ２は閉じ、センサスイッチを閉じる。このようにして、測定回路１５００は、センサのスイッチンアレー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、測定信号を生成させ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型及び反応型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、流体のその他の性質を決定することができる。例えば、流体の濃度及び質レベルである。
【００５４】
［００７０］  このように、本発明は、特に、低抵抗の経路が容量と平行に位置するとき、流体センサが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】
2017528717.tif 000003
【図２Ａ】
2017528717.tif 000004
【図２Ｂ】
2017528717.tif 000005
【図２Ｃ】
2017528717.tif 000006
【図２Ｄ】
2017528717.tif 000007
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2017528717.tif 000009
【図３Ｃ】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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