用于测量复交流电阻的电路的制作方法

本发明涉及一种用于测量复交流电阻的电路。这种电路可以用于各种应用中的阻抗传感器。

背景技术：

1、文件ep 3 512 099 b1公开了一种具有传感器电极的电容式传感器，其中传感器电极还连接到信号生成电路，以用于向传感器电极生成输出信号，并且其中传感器电极还连接到信号评估电路，该信号评估电路被配置为评估来自传感器电极的输入信号。信号评估电路具有同步整流器，其中同步整流器包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关连接到信号发生器，并被配置为与输入信号同相交替切换。通过这种已知的传感器，只能测量复交流电阻的虚部。

2、从us 2015/0323372 a1和de 10 2012 201 226 b4中已知其他电容式传感器。后一文件公开了一种用于电容式液位传感器的探头，该探头具有测量阻抗、参考阻抗、第一整流器和第二整流器、两个测量电阻器、接地连接件和被配置成用于连接多芯连接线的连接件，其中连接线具有用于传输传输信号的第一芯和用于传输dc电压信号的另外四个芯。这个电路比较复杂。

3、de 10 2018 209 904 a1公开了一种具有温度补偿的填充液位传感器或极限液位传感器。传感器具有用于处理由传感器生成的测量信号的处理单元和用于生成参考信号的参考单元，其中处理单元和参考单元各自具有带有温度相关信号转换的信号转换单元。

技术实现思路

1、本发明所基于的目的是提供一种用于测量未知复交流电阻的电路，该电路结构简单，特别是可以利用其用于测量交流电阻的虚部和实部。

2、该目的通过提供一种用于测量复交流电阻的电路来实现，该电路包括被设计为生成交流电压激励信号的信号源、第一信号路径、第二信号路径和第三信号路径，信号源的交流电压激励信号彼此并联地馈入第一信号路径、第二信号路径和第三信号路径中的每个信号路径中，其中交流电压激励信号以相较于信号源生成的交流电压激励信号至少暂时的具有相位偏移的方式被馈入到第一信号路径或第二信号路径和第三信号路径中，其中第一信号路径包括高通滤波器和与其串联的待测交流电阻，其中，在高通滤波器和待测交流电阻之间的测量点处分接的测量信号在第二信号路径中与交流电压激励信号混合并进一步解调，以获得第一解调测量信号，在第三信号路径中与所述交流电压激励信号混合并进一步解调，以获得第二解调测量信号，并且还包括信号评估单元，其接收解调测量信号并从解调测量信号中确定待测交流电阻的虚部和实部。

3、根据本发明的电路可以用于测量未知的交流电阻，该交流电阻例如针对参考电势连接至测量电极，其中参考电势可以是信号源的参考电势。电路具有生成交流电压激励信号的信号源，其中优选地选择信号源的频谱，使得利用宽频谱或信号频带。交流电压激励信号被馈送到第一信号路径中，该第一信号路径具有高通滤波器以及与之串联的待测交流电阻。高通滤波器和待测交流电阻形成交流分压器。交流电压激励信号在被馈入第一信号路径中的同时被馈入第二信号路径和第三信号路径中。用于测量复交流电阻的测量信号在高通滤波器和待测交流电阻之间分接。根据本发明的电路还提供至少暂时设置相位偏移。当接通相位偏移时，与信号源生成的交流电压激励信号相比相位旋转的交流电压激励信号被馈送到第一信号路径或第二信号路径和第三信号路径中。交流电阻可以在相位偏移打开和关闭的情况下交替测量。例如，相位偏移可以是0°（关闭）、90°、180°或270°，其中还包括-90°、-180°或-270°。在高通滤波器和待测交流电阻之间的测量点处分接的测量信号与第二信号路径和第三信号路径中的交流电压激励信号混合。当接通相位偏移时，根据相位偏移是存在于第一信号路径中还是存在于第二信号路径和第三信号路径中，将相移测量信号与非相移交流电压激励信号混合并解调，或者将非相移测量信号与相移交流电压激励信号混合。相位偏移可以通过移相器来实现。混频和解调与振幅解调相当。信号评估单元接收可能已经经过低通滤波的解调测量信号，并基于这些信号确定要测量的交流电阻的虚部和实部，这是通过临时开启的相位偏移实现的，该相位偏移不仅允许确定交流电阻的幅值，还允许确定交流电阻的相位。

4、根据本发明的电路结构简单，因此可以简单地测量复交流电阻的无功分量和有功分量。

5、优选实施例在从属权利要求中指定或在下面描述。

6、在优选实施例中，第二信号路径可以包括第一二极管和第一测量电容器，其中测量电容器连接到在高通滤波器和待测交流电阻之间的测量点，并且第三信号路径可以包括第二二极管和第二测量电容器，其中，第二测量电容器连接到高通滤波器和待测交流电阻之间的测量点，其中第一二极管和第二二极管被布置为交替地传递交流电压激励信号的半波。

7、两个测量电容器与两个二极管一起形成简单的装置，以用于将测量点处分接的测量信号与在第二信号路径和第三信号路径中引导的相应交流电压激励信号混合，并用于解调由此混合的信号。二极管通过测量电容器连接到高通滤波器和复交流电阻之间的测量点。该电路被配置为使得在信号源的交流电压激励信号的正半波期间，一个二极管导通并且电流流动通过相关联的测量电容器，由此通过测量电容器的电流将后者充电至与交流分压器成比例的测量电压。在信号源的交流电压激励信号的负半波期间，另一个二极管是导通的，使得充电电流流动通过相关的测量电容器。测量点处的测量信号通过高通滤波器和两个测量电容器与交流电压激励信号的直流分量分离。

8、优选地，第一测量电容器和/或第二测量电容器具有皮法拉范围内的电容。

9、此外，逆变器可以布置在第二信号路径或第三信号路径中，该逆变器连接到信号源，并连接在第一二极管或第二二极管的上游，将来自信号源的交流电压激励信号反转，即旋转180°。

10、在本实施例中，两个二极管可以在第二信号路径和第三信号路径中以相同的极性排列。然而，也可以将极性相反的两个二极管连接到信号源，并可选地耦合偏置电压，从而不需要逆变器。

11、此外，高通滤波器可以包括电容器，特别是仅一个电容器。

12、这在复杂性方面进一步简化了电路。高通滤波器的电容器的电容可以根据要测量的交流电阻的预期值范围来选择。如果在低测量阻抗和高测量阻抗下的测量信号电平之间实现最大可能的电压摆动，则是优选的。

13、据了解，可以在高通滤波器和连接有复交流电阻的测量电极之间布置额外的滤波器和保护元件，以便优化电路的emc特性。

14、可以由信号源生成的交流电压激励信号的频谱优选地包括宽频带中的频率。优选地，根据所使用的信号源，可以生成的频率在100khz至200mhz的范围内。例如，该电路可以在5-50mhz之间的频率下工作。由微控制器控制的压控振荡器（vco）可以用作信号源，其中控制电压取决于压控振荡器的输入范围，并用于在压控振荡器的输出处生成宽带输出频谱。或者，可以相应地调制微控制器中包含的振荡信号源，以输出宽带频谱，而不是调制压控振荡器。

15、优选地，信号源被配置为生成具有时变频率的交流电压激励信号。为此目的，信号源可以例如以扫频发生器的形式配置信号源。这使得提高电路的emc性能变得容易。

16、进一步优选地，该电路可以包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，解调后的测量信号被馈入其中。低通滤波器可以用于将交流电压信号分量与解调的测量信号分离。模数转换器（adc）可以布置在低通滤波器的下游，该低通滤波器对测量信号进行数字化。也可以仅使用一个adc，其中上述可选的减法级在数字化之前通过模拟级执行。

17、信号评估单元可以优选地被设计为将解调的测量信号彼此相减。此处的优点是，一方面增加了测量信号，另一方面消除了外部干扰信号。然后，可以基于测量信号之间的差来确定复交流电阻。

18、此外，根据本发明，提供了一种阻抗传感器，其包括测量电极，待测复交流电阻相对于参考电势连接到该测量电极，并且包括根据上述一个或多个实施例的电路。

19、根据本发明的阻抗传感器可以用于各种应用。特别地，阻抗传感器不仅能够检测测量电极和参考电势（特别是地电势）之间的电容，而且还能够检测由复交流电阻的实部确定的测量电极和参考电势之间的导电耦合。例如，这使得可以区分物体或检测污染。

20、例如，阻抗传感器可以用作填充液位传感器，以连续监测例如储罐中的液体介质或散装材料。测量电极可以设计为杆。导电鞘管或储罐的导电壁可以用作对电极。测量电极和对电极形成电容器。电容器的值随着储罐中的填充液位而不断变化，并且可以通过根据本发明的电路进行测量。导电污染物，例如储罐中的生物膜或其他沉积物，可以经由根据本发明的电路的导电测量值（电导）进行检测。然而，通过导电测量值也可以检测到介质特性的变化，这些变化反映在过程介质的电导率上。

21、阻抗传感器也可以用作过程介质的极限液位开关。例如，测量电极可以被设计为盖子。如果过程介质接触到极限液位开关的盖子，则测量的电容会发生显著变化，从而触发切换活动。例如，这使得可以在填充敞口容器时对泵实施干运行保护或溢流保护。此处，导电测量值也可以用于检测过程介质中的污染或变化。

22、此外，阻抗传感器例如在自动化行业中可以用作接近传感器。类似于极限液位开关，可以触发切换活动。例如，一旦物体更加靠近测量电极，测量电极和参考电势（例如地电势）之间的电容就会发生变化。如果由于该电容引起的信号变化足够大，则可以触发切换活动。导电测量可以用于区分物体。然而，它也可以用于检测接近传感器的测量电极上的导电沉积物。这使得可以在接近传感器上例如形成水膜或水坑的过程中继续检测物体。

23、根据本发明的阻抗传感器的其他可能用途是在按钮、滑块或旋转编码器形式的人机交互领域。此外，根据本发明的阻抗传感器可以用作流量监测器，其中监测与传感器的电容或导电耦合相关的过程介质的特性。

24、通过以下描述和附图，进一步的优点和特征将变得显而易见。

25、应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，上述特征和下面要解释的特征不仅可以用于每种情况下指定的组合，还可以用于其他组合或单独使用。