本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量復(fù)交流電阻的電路。這種電路可以用于各種應(yīng)用中的阻抗傳感器。

背景技術(shù)：

1、文件ep?3?512?099?b1公開(kāi)了一種具有傳感器電極的電容式傳感器，其中傳感器電極還連接到信號(hào)生成電路，以用于向傳感器電極生成輸出信號(hào)，并且其中傳感器電極還連接到信號(hào)評(píng)估電路，該信號(hào)評(píng)估電路被配置為評(píng)估來(lái)自傳感器電極的輸入信號(hào)。信號(hào)評(píng)估電路具有同步整流器，其中同步整流器包括第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)，第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)連接到信號(hào)發(fā)生器，并被配置為與輸入信號(hào)同相交替切換。通過(guò)這種已知的傳感器，只能測(cè)量復(fù)交流電阻的虛部。

2、從us?2015/0323372?a1和de?10?2012?201?226?b4中已知其他電容式傳感器。后一文件公開(kāi)了一種用于電容式液位傳感器的探頭，該探頭具有測(cè)量阻抗、參考阻抗、第一整流器和第二整流器、兩個(gè)測(cè)量電阻器、接地連接件和被配置成用于連接多芯連接線的連接件，其中連接線具有用于傳輸傳輸信號(hào)的第一芯和用于傳輸dc電壓信號(hào)的另外四個(gè)芯。這個(gè)電路比較復(fù)雜。

3、de?10?2018?209?904?a1公開(kāi)了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)奶畛湟何粋鞲衅骰驑O限液位傳感器。傳感器具有用于處理由傳感器生成的測(cè)量信號(hào)的處理單元和用于生成參考信號(hào)的參考單元，其中處理單元和參考單元各自具有帶有溫度相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換的信號(hào)轉(zhuǎn)換單元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所基于的目的是提供一種用于測(cè)量未知復(fù)交流電阻的電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別是可以利用其用于測(cè)量交流電阻的虛部和實(shí)部。

2、該目的通過(guò)提供一種用于測(cè)量復(fù)交流電阻的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，該電路包括被設(shè)計(jì)為生成交流電壓激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)源、第一信號(hào)路徑、第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑，信號(hào)源的交流電壓激勵(lì)信號(hào)彼此并聯(lián)地饋入第一信號(hào)路徑、第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中的每個(gè)信號(hào)路徑中，其中交流電壓激勵(lì)信號(hào)以相較于信號(hào)源生成的交流電壓激勵(lì)信號(hào)至少暫時(shí)的具有相位偏移的方式被饋入到第一信號(hào)路徑或第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中，其中第一信號(hào)路徑包括高通濾波器和與其串聯(lián)的待測(cè)交流電阻，其中，在高通濾波器和待測(cè)交流電阻之間的測(cè)量點(diǎn)處分接的測(cè)量信號(hào)在第二信號(hào)路徑中與交流電壓激勵(lì)信號(hào)混合并進(jìn)一步解調(diào)，以獲得第一解調(diào)測(cè)量信號(hào)，在第三信號(hào)路徑中與所述交流電壓激勵(lì)信號(hào)混合并進(jìn)一步解調(diào)，以獲得第二解調(diào)測(cè)量信號(hào)，并且還包括信號(hào)評(píng)估單元，其接收解調(diào)測(cè)量信號(hào)并從解調(diào)測(cè)量信號(hào)中確定待測(cè)交流電阻的虛部和實(shí)部。

3、根據(jù)本發(fā)明的電路可以用于測(cè)量未知的交流電阻，該交流電阻例如針對(duì)參考電勢(shì)連接至測(cè)量電極，其中參考電勢(shì)可以是信號(hào)源的參考電勢(shì)。電路具有生成交流電壓激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)源，其中優(yōu)選地選擇信號(hào)源的頻譜，使得利用寬頻譜或信號(hào)頻帶。交流電壓激勵(lì)信號(hào)被饋送到第一信號(hào)路徑中，該第一信號(hào)路徑具有高通濾波器以及與之串聯(lián)的待測(cè)交流電阻。高通濾波器和待測(cè)交流電阻形成交流分壓器。交流電壓激勵(lì)信號(hào)在被饋入第一信號(hào)路徑中的同時(shí)被饋入第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中。用于測(cè)量復(fù)交流電阻的測(cè)量信號(hào)在高通濾波器和待測(cè)交流電阻之間分接。根據(jù)本發(fā)明的電路還提供至少暫時(shí)設(shè)置相位偏移。當(dāng)接通相位偏移時(shí)，與信號(hào)源生成的交流電壓激勵(lì)信號(hào)相比相位旋轉(zhuǎn)的交流電壓激勵(lì)信號(hào)被饋送到第一信號(hào)路徑或第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中。交流電阻可以在相位偏移打開(kāi)和關(guān)閉的情況下交替測(cè)量。例如，相位偏移可以是0°（關(guān)閉）、90°、180°或270°，其中還包括-90°、-180°或-270°。在高通濾波器和待測(cè)交流電阻之間的測(cè)量點(diǎn)處分接的測(cè)量信號(hào)與第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中的交流電壓激勵(lì)信號(hào)混合。當(dāng)接通相位偏移時(shí)，根據(jù)相位偏移是存在于第一信號(hào)路徑中還是存在于第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中，將相移測(cè)量信號(hào)與非相移交流電壓激勵(lì)信號(hào)混合并解調(diào)，或者將非相移測(cè)量信號(hào)與相移交流電壓激勵(lì)信號(hào)混合。相位偏移可以通過(guò)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)?；祛l和解調(diào)與振幅解調(diào)相當(dāng)。信號(hào)評(píng)估單元接收可能已經(jīng)經(jīng)過(guò)低通濾波的解調(diào)測(cè)量信號(hào)，并基于這些信號(hào)確定要測(cè)量的交流電阻的虛部和實(shí)部，這是通過(guò)臨時(shí)開(kāi)啟的相位偏移實(shí)現(xiàn)的，該相位偏移不僅允許確定交流電阻的幅值，還允許確定交流電阻的相位。

4、根據(jù)本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此可以簡(jiǎn)單地測(cè)量復(fù)交流電阻的無(wú)功分量和有功分量。

5、優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中指定或在下面描述。

6、在優(yōu)選實(shí)施例中，第二信號(hào)路徑可以包括第一二極管和第一測(cè)量電容器，其中測(cè)量電容器連接到在高通濾波器和待測(cè)交流電阻之間的測(cè)量點(diǎn)，并且第三信號(hào)路徑可以包括第二二極管和第二測(cè)量電容器，其中，第二測(cè)量電容器連接到高通濾波器和待測(cè)交流電阻之間的測(cè)量點(diǎn)，其中第一二極管和第二二極管被布置為交替地傳遞交流電壓激勵(lì)信號(hào)的半波。

7、兩個(gè)測(cè)量電容器與兩個(gè)二極管一起形成簡(jiǎn)單的裝置，以用于將測(cè)量點(diǎn)處分接的測(cè)量信號(hào)與在第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中引導(dǎo)的相應(yīng)交流電壓激勵(lì)信號(hào)混合，并用于解調(diào)由此混合的信號(hào)。二極管通過(guò)測(cè)量電容器連接到高通濾波器和復(fù)交流電阻之間的測(cè)量點(diǎn)。該電路被配置為使得在信號(hào)源的交流電壓激勵(lì)信號(hào)的正半波期間，一個(gè)二極管導(dǎo)通并且電流流動(dòng)通過(guò)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量電容器，由此通過(guò)測(cè)量電容器的電流將后者充電至與交流分壓器成比例的測(cè)量電壓。在信號(hào)源的交流電壓激勵(lì)信號(hào)的負(fù)半波期間，另一個(gè)二極管是導(dǎo)通的，使得充電電流流動(dòng)通過(guò)相關(guān)的測(cè)量電容器。測(cè)量點(diǎn)處的測(cè)量信號(hào)通過(guò)高通濾波器和兩個(gè)測(cè)量電容器與交流電壓激勵(lì)信號(hào)的直流分量分離。

8、優(yōu)選地，第一測(cè)量電容器和/或第二測(cè)量電容器具有皮法拉范圍內(nèi)的電容。

9、此外，逆變器可以布置在第二信號(hào)路徑或第三信號(hào)路徑中，該逆變器連接到信號(hào)源，并連接在第一二極管或第二二極管的上游，將來(lái)自信號(hào)源的交流電壓激勵(lì)信號(hào)反轉(zhuǎn)，即旋轉(zhuǎn)180°。

10、在本實(shí)施例中，兩個(gè)二極管可以在第二信號(hào)路徑和第三信號(hào)路徑中以相同的極性排列。然而，也可以將極性相反的兩個(gè)二極管連接到信號(hào)源，并可選地耦合偏置電壓，從而不需要逆變器。

11、此外，高通濾波器可以包括電容器，特別是僅一個(gè)電容器。

12、這在復(fù)雜性方面進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。高通濾波器的電容器的電容可以根據(jù)要測(cè)量的交流電阻的預(yù)期值范圍來(lái)選擇。如果在低測(cè)量阻抗和高測(cè)量阻抗下的測(cè)量信號(hào)電平之間實(shí)現(xiàn)最大可能的電壓擺動(dòng)，則是優(yōu)選的。

13、據(jù)了解，可以在高通濾波器和連接有復(fù)交流電阻的測(cè)量電極之間布置額外的濾波器和保護(hù)元件，以便優(yōu)化電路的emc特性。

14、可以由信號(hào)源生成的交流電壓激勵(lì)信號(hào)的頻譜優(yōu)選地包括寬頻帶中的頻率。優(yōu)選地，根據(jù)所使用的信號(hào)源，可以生成的頻率在100khz至200mhz的范圍內(nèi)。例如，該電路可以在5-50mhz之間的頻率下工作。由微控制器控制的壓控振蕩器（vco）可以用作信號(hào)源，其中控制電壓取決于壓控振蕩器的輸入范圍，并用于在壓控振蕩器的輸出處生成寬帶輸出頻譜?；蛘?，可以相應(yīng)地調(diào)制微控制器中包含的振蕩信號(hào)源，以輸出寬帶頻譜，而不是調(diào)制壓控振蕩器。

15、優(yōu)選地，信號(hào)源被配置為生成具有時(shí)變頻率的交流電壓激勵(lì)信號(hào)。為此目的，信號(hào)源可以例如以掃頻發(fā)生器的形式配置信號(hào)源。這使得提高電路的emc性能變得容易。

16、進(jìn)一步優(yōu)選地，該電路可以包括第一低通濾波器和第二低通濾波器，解調(diào)后的測(cè)量信號(hào)被饋入其中。低通濾波器可以用于將交流電壓信號(hào)分量與解調(diào)的測(cè)量信號(hào)分離。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）可以布置在低通濾波器的下游，該低通濾波器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。也可以?xún)H使用一個(gè)adc，其中上述可選的減法級(jí)在數(shù)字化之前通過(guò)模擬級(jí)執(zhí)行。

17、信號(hào)評(píng)估單元可以?xún)?yōu)選地被設(shè)計(jì)為將解調(diào)的測(cè)量信號(hào)彼此相減。此處的優(yōu)點(diǎn)是，一方面增加了測(cè)量信號(hào)，另一方面消除了外部干擾信號(hào)。然后，可以基于測(cè)量信號(hào)之間的差來(lái)確定復(fù)交流電阻。

18、此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種阻抗傳感器，其包括測(cè)量電極，待測(cè)復(fù)交流電阻相對(duì)于參考電勢(shì)連接到該測(cè)量電極，并且包括根據(jù)上述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的電路。

19、根據(jù)本發(fā)明的阻抗傳感器可以用于各種應(yīng)用。特別地，阻抗傳感器不僅能夠檢測(cè)測(cè)量電極和參考電勢(shì)（特別是地電勢(shì)）之間的電容，而且還能夠檢測(cè)由復(fù)交流電阻的實(shí)部確定的測(cè)量電極和參考電勢(shì)之間的導(dǎo)電耦合。例如，這使得可以區(qū)分物體或檢測(cè)污染。

20、例如，阻抗傳感器可以用作填充液位傳感器，以連續(xù)監(jiān)測(cè)例如儲(chǔ)罐中的液體介質(zhì)或散裝材料。測(cè)量電極可以設(shè)計(jì)為桿。導(dǎo)電鞘管或儲(chǔ)罐的導(dǎo)電壁可以用作對(duì)電極。測(cè)量電極和對(duì)電極形成電容器。電容器的值隨著儲(chǔ)罐中的填充液位而不斷變化，并且可以通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的電路進(jìn)行測(cè)量。導(dǎo)電污染物，例如儲(chǔ)罐中的生物膜或其他沉積物，可以經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的電路的導(dǎo)電測(cè)量值（電導(dǎo)）進(jìn)行檢測(cè)。然而，通過(guò)導(dǎo)電測(cè)量值也可以檢測(cè)到介質(zhì)特性的變化，這些變化反映在過(guò)程介質(zhì)的電導(dǎo)率上。

21、阻抗傳感器也可以用作過(guò)程介質(zhì)的極限液位開(kāi)關(guān)。例如，測(cè)量電極可以被設(shè)計(jì)為蓋子。如果過(guò)程介質(zhì)接觸到極限液位開(kāi)關(guān)的蓋子，則測(cè)量的電容會(huì)發(fā)生顯著變化，從而觸發(fā)切換活動(dòng)。例如，這使得可以在填充敞口容器時(shí)對(duì)泵實(shí)施干運(yùn)行保護(hù)或溢流保護(hù)。此處，導(dǎo)電測(cè)量值也可以用于檢測(cè)過(guò)程介質(zhì)中的污染或變化。

22、此外，阻抗傳感器例如在自動(dòng)化行業(yè)中可以用作接近傳感器。類(lèi)似于極限液位開(kāi)關(guān)，可以觸發(fā)切換活動(dòng)。例如，一旦物體更加靠近測(cè)量電極，測(cè)量電極和參考電勢(shì)（例如地電勢(shì)）之間的電容就會(huì)發(fā)生變化。如果由于該電容引起的信號(hào)變化足夠大，則可以觸發(fā)切換活動(dòng)。導(dǎo)電測(cè)量可以用于區(qū)分物體。然而，它也可以用于檢測(cè)接近傳感器的測(cè)量電極上的導(dǎo)電沉積物。這使得可以在接近傳感器上例如形成水膜或水坑的過(guò)程中繼續(xù)檢測(cè)物體。

23、根據(jù)本發(fā)明的阻抗傳感器的其他可能用途是在按鈕、滑塊或旋轉(zhuǎn)編碼器形式的人機(jī)交互領(lǐng)域。此外，根據(jù)本發(fā)明的阻抗傳感器可以用作流量監(jiān)測(cè)器，其中監(jiān)測(cè)與傳感器的電容或?qū)щ婑詈舷嚓P(guān)的過(guò)程介質(zhì)的特性。

24、通過(guò)以下描述和附圖，進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見(jiàn)。

25、應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，上述特征和下面要解釋的特征不僅可以用于每種情況下指定的組合，還可以用于其他組合或單獨(dú)使用。