利用差分異相通道驅動來抵消人體電容的電容性液位測量的製作方法

2023-12-11 21:31:57

本發明一般來說涉及測量容器中的液位。

背景技術：

電容性感測技術一直以來適用於感測液位。電容性感測是無接觸且無磨損的。

針對液位，容器組合件包含根據預定液位範圍定尺寸的外部電容性傳感器(電容器電極)。忽略環境因素(例如寄生電容)，所測量電容隨液位增加而線性地增加。

技術實現要素：

在所描述實例中，利用差分異相(OoP)通道驅動的電容性液位測量可適於用於液體容器組合件中，其中鄰近容器安置的電容性傳感器包含各自在高度上對應於液位測量範圍的CHx及CHy對稱電容器電極。OoP電容性液位方法包含：以CHx驅動信號驅動所述CHx電極；以與所述CHx驅動信號基本上180度異相的CHy驅動信號驅動所述CHy電極；通過所述CHx電極獲取電容測量(例如基於電容性電荷轉移)；及將所述電容測量轉換為對應於與液位相關聯的電容的模擬電壓。所述方法可包含將所述模擬電容測量轉換為對應於與所述液位相關聯的所述電容的數字數據。

附圖說明

圖1A、1B、1C及1D在功能上圖解說明電容性液位測量。

圖2A、2B及2C在功能上圖解說明其中使人體存在接近於容器/液體從而引入寄生電容的電容性液位測量。

圖3A、3B及3C圖解說明利用差分異相(OoP)通道驅動來抵消人體電容的電容性液位測量的實例性功能實施例。

具體實施方式

實例性實施例及應用圖解說明利用差分異相(OoP)通道驅動來抵消人體電容的電容性液位測量的各種特徵及優點。

簡單概述，用於電容性液位測量的所揭示系統/方法使用差分異相(OoP)通道驅動來抵消人體電容。在實例性實施例中，容器組合件包含具有在高度上對應於液位測量範圍的對稱CHx與CHy電容器電極的電容性傳感器。CHx驅動器對CHx電極提供CHx激勵/驅動，且CHy驅動器對CHy電極提供與CHx驅動基本上180度異相的OoP CHy激勵/驅動。通過以下方式測量與液位相關聯的電容：通過CHx通道獲取電容測量(例如基於電容性電荷轉移)，及將電容測量轉換為對應於液位電容的模擬電壓(其可接著被轉換為表示液位的數字數據)。CHx/CHy電容性傳感器可配置有SHLDx/SHLDy屏蔽件，所述SHLDx/SHLDy屏蔽件安置於相應CHx/CHy電極後面且被與相應CHx/CHy電極同相地驅動。實例性應用包含家用電器(冰箱、咖啡機、加溼器)及醫學器件(自動注射器、藥物筆、胰島素泵)。

圖1A、1B、1C及1D結合液體容器組合件10在功能上圖解說明電容性液位測量，液體容器組合件10包含具有液體13(例如水)的容器11。此類測量適於具有CHx電容器電極20_A及GND電容器電極20_B以及電容測量電子器件40且包含具有容器電容Cp及液體電容/電阻Cw/Rw的容器/液體電模型(圖2及3)的液體容器組合件。

電容性液位測量系統由包含(圖1B)對稱通道電極(CHx)20_A與接地電極(GND)20_B的電容性感測電極20(圖1A)表示。電容性測量電子器件由電容/數字轉換器(CDC)40表示。容器/液體電模型30包含容器11的電容Cp及液體/水13的電容/電阻Cw/Rw。

電容性感測基於通過CHx通道電極20_A的連續激勵/驅動及獲取/讀取階段。在獲取/讀取階段期間，測量CHx通道電極20_A與GND電極20_B之間的邊緣電容。在容器/液體電模型30中，測量相對於節點LIQ的電容。

參考圖1D，所測量電容隨液位線性地增加。

圖2A、2B及2C在功能上圖解說明對容器系統10的電容性液位測量，其中使人體存在(在功能上由手50表示)接近於容器11中的液體13。人體存在引入寄生電容，所述寄生電容在容器/液體電模型30中表示為耦合到電容測量節點LIQ中的電容Ch。

圖2B圖解說明其中人體電容Ch耦合到電容測量節點(LIQ)中的容器/液體電模型(30)。圖2C圖解說明實例性電容測量曲線圖，其中人體電容對電容測量的影響圖解說明為所測量電容中的寄生擾動55。參考圖2C，由寄生人體電容Ch導致的電位差對應於所測量電容中的擾動55，其影響液位測量。

圖3A、3B及3C圖解說明利用有效抵消人體電容的差分異相(OoP)通道驅動的電容性液位測量的實例性功能實施例。圖3A圖解說明包含CHx電容器電極21x及CHy電容器電極21y的液體容器系統。圖3C圖解說明OoP電容性液位測量的實例性功能實施例，其包含具有耦合到包含人體電容Ch的容器/液體電模型30的差分CHx及OoP CHy傳感器激勵/獲取通道的電容/數字轉換(CDC)電子器件40。

參考圖3A，液體容器系統10包含具有液體13(例如水)的容器11。電容性傳感器組合件20鄰近容器11而安置。電容性傳感器組合件20包含對稱、單獨驅動的CHx電容器電極21x及OoP CHy電容器電極21y，其各自在高度上對應於液位測量範圍。

實例性電容性傳感器組合件20經配置有驅動屏蔽件，所述驅動屏蔽件將感測方向集中於朝向液體目標且提供對可影響電容測量的幹擾的背側阻障。SHLDx屏蔽件23x布置於CHx電極後面，且SHLDy屏蔽件23y布置於CHy電極後面。SHLDx屏蔽件23X/SHLDy屏蔽件23y被與相應CHx電極21x/CHy電極21y同相地(即，以與CHx/CHy電極相同的激勵/驅動信號)驅動。由於SHLDx/SHLDy處於與CHx/CHy電極基本上相同的電位，因此電容性傳感器組合件20的屏蔽件側上的電場被消除，使得作用感測電場處於液體的方向。

參考圖3B及3C，液體由容器/液體電模型30表示，容器/液體電模型30包含容器電容Cp及水電容/電阻Cw/Rw。寄生人體電容由耦合到電容測量節點LIQ中的Ch表示。

針對此實例性實施例，電容測量電子器件被圖解說明為CDC 40，其包含傳感器測量通道CHx及CHy。CHx通道耦合到CHx電極21x，且CHy通道耦合到CHy電極。屏蔽件驅動是通過SHLDx/SHLDy屏蔽件驅動器輸出來進行。

CDC 40經配置以測量與容器中的液位相關聯的電容，從而提供激勵/驅動及獲取/讀取階段。CDC 40可經配置以基於電容性電荷轉移而實施電容性感測—在連續電荷轉移階段(激勵/獲取)中，電荷被從CHx電容器電極21x/CHy電容器電極21y轉移到CDC 40中(例如轉移到電荷轉移電容器)，從而產生對應於與液位相關聯的所測量電容的模擬電壓。

針對根據本發明的各方面的差分OoP電容性感測，CDC 40以CHx驅動信號通過CHx通道驅動CHx電極21x，且以與CHx驅動信號基本上180度異相的CHy驅動信號通過CHy通道驅動CHy電極21y。

CDC 40通過CHx獲取電容測量，所述電容測量可被參考到接地或另一固定電壓。依據電模型，在電容測量節點LIQ處測量電容。差分OoP傳感器驅動有效地固定LIQ節點處的電壓電位，從而抵消任何人體寄生電容。

參考圖3A，可根據CMEAS測量電容，hwew+(h-hw)ea，其中：h＝容器高度；hw＝液體的高度；ew＝液體的介電係數；且ea＝空氣的介電係數。

CDC 40還包含屏蔽件驅動器，從而通過分別耦合到SHLDx屏蔽件23x/SHLDy屏蔽件23y的SHLDx/SHLDy輸出而提供屏蔽件驅動。CDC 40經配置而以與CHx電極通道驅動同相的SHLDx信號驅動SHLDx屏蔽件23x，且以與CHy電極通道驅動同相的SHLDy信號驅動SHLDy屏蔽件。

針對實例性實施例，CDC 40經配置以將模擬電容測量轉換為對應於表示液位的所測量電容的數字數據。為執行轉換，CDC 40可經配置有模/數轉換器，例如ΣΔ轉換器。CDC 40還可包含基於增益及/或偏移校準的數字濾波與數字數據校正。

舉例來說，CDC 40(電容測量電子器件)可經配置有AFE(模擬前端)及ADC(模/數轉換器)。AFE可經配置以通過CHx及CHy通道而驅動CHx及CHy電極，且通過CHx通道(例如基於電容性電荷轉移)而獲取模擬電容測量。ADC可經配置以將模擬電容測量轉換為對應於與液位相關聯的電容的數字數據。

作為設計實例，下表提供對液位L1及L2＝L1+3.5cm的實例性電容性液位測量，其各自是在相對於容器的四個不同人體(手)位置處測量：(a)C0–無手；(b)C2cm–手距離容器2cm；(c)C1cm–手距離容器1cm；及(d)Chand–手與容器接觸。如所圖解說明，差分OoP通道驅動基本上對人體電容的存在不敏感。

根據本發明的差分OoP電容性液位測量的實例性應用包含：咖啡機(水位)及自動注射器(藥液液位)。

總之，用於電容性液位測量的所揭示系統/方法使用差分異相(OoP)通道驅動來抵消人體電容。在實例性實施例中，一種適用於電容性液位測量的系統可包含電容性傳感器及電容測量電子器件。鄰近容器安置的所述電容性傳感器可包含各自在高度上對應於液位測量範圍的對稱CHx及CHy電容器電極。所述電容測量電子器件可包含耦合到所述CHx電極的CHx通道及耦合到所述CHy電極的CHy通道，且可經配置以測量與容器中的液體的液位相關聯的電容，包含：以CHx驅動信號通過所述CHx通道而驅動所述CHx電極；以與所述CHx驅動信號基本上180度異相的CHy驅動信號通過所述CHy通道而驅動所述CHy電極；通過所述CHx通道獲取電容測量(例如被參考到接地)；及將所述電容測量轉換為對應於與所述液位相關聯的所述電容的模擬電壓。所述電容測量電子器件可經配置以基於電容性電荷轉移而獲取電容測量。

在其它實例性實施例中，電容性傳感器可包含安置於所述CHx電極後面的SHLDx屏蔽件及安置於所述CHy電極後面的SHLDy屏蔽件，且所述電容測量電子器件可包含通過SHLDx輸出耦合到所述SHLDx屏蔽件的SHLDx驅動器及通過SHLDy輸出耦合到所述SHLDy屏蔽件的SHLDy驅動器，且可進一步經配置而以與所述CHx電極通道驅動同相的SHLDx信號驅動所述SHLDx屏蔽件且以與所述CHy電極同相的SHLDy信號驅動所述SHLDy屏蔽件。在其它實例性實施例中，所述電容測量電子器件可配置為電容/數字轉換(CDC)單元，其包含模擬前端(AFE)電路及模/數轉換(ADC)電路，其中所述AFE經配置以通過所述CHx及CHy通道驅動所述CHx及CHy電極且通過所述CHx通道獲取模擬電容測量，且所述ADC經配置以將所述電容測量轉換為對應於與所述液位相關聯的所述電容的數字數據。

修改在所描述實施例中為可能的，且其它實施例在權利要求書的範圍內為可能的。