CN108731770A - 液位传感器及卫生间设备 - Google Patents

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CN108731770A
CN108731770A CN201810329980.8A CN201810329980A CN108731770A CN 108731770 A CN108731770 A CN 108731770A CN 201810329980 A CN201810329980 A CN 201810329980A CN 108731770 A CN108731770 A CN 108731770A
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electrode
level sensor
sensor
capacitance
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臼井弘敏
中岛优夫
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Rohm Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种不同于以往方式的液位传感器。第1电极(104)设于容器(2)的侧壁上，其宽度越靠向液体深处越增大。第2电极(106)设于容器(2)的侧壁上，其宽度越靠向液体深处越减小。电容传感器(110)用于检测第1电极(104)所形成的第1静电电容(Cs)和第2电极(106)所形成的第2静电电容(Cs)。运算处理部(120)根据第1静电电容(Cs)和第2静电电容(Cs)各自的检测值(S1_1、S1_2)来生成用于表示液位(6)的液位数据(S2)。

Description

液位传感器及卫生间设备
技术领域
本发明涉及液位检测技术。
背景技术
作为检测容器或储罐中的水量、即液位的方式，已知有使用了浮球(浮标)的形式和使用了光传感器的光学式传感器等。
发明内容
[发明要解决的课题]
本发明是在这样的状况下研发的，其中一个实施方式的例示性目的之一在于提供一种不同于以往方式的液位传感器。
[用于解决课题的手段]
本发明的一个实施方式涉及用于检测容器中的液体的液位的液位传感器。该液位传感器具有：设于容器的侧壁上的电极、用于检测电极所形成的静电电容的电容传感器、以及根据静电电容的检测值来生成用于表示液位的液位数据的运算处理部。
电极所形成的静电电容随着电极在水中所使用的深度而变化。根据该方式，能够基于静电电容而检测出液位。
本发明的另一方式也涉及液位传感器。液位传感器具有：多个电极，设于容器的侧壁的不同深度处；电容传感器，用于检测多个电极各自所形成的静电电容；以及运算处理部，根据多个电极各自的静电电容的检测值来生成用于表示液位的液位数据的。
一个电极所形成的静电电容会因该电极比液位更靠上方还是更靠下方而取不同的数值。因此，能够通过判断多个电极中有多少个比液位更靠上方上(或更靠下方)来检测出液位。
本发明的另一实施方式也涉及液位传感器。液位传感器具有：第1电极，设于容器的侧壁上、越靠向液体深处其宽度越增加；第2电极，设于容器的的侧壁上，越靠向液体深处其宽度越减小；电容传感器，用于检测第1电极所形成的第1静电电容和第2电极所形成的第2静电电容；以及运算处理部，根据第1静电电容和第2静电电容的检测值来生成用于表示液位的液位数据。
根据该方式，能够准确地检测出液位。
运算处理部可以根据第1静电电容和第2静电电容的检测值的差分来生成液位数据。
运算处理部可以根据第1静电电容与第2静电电容的检测值之比来生成液位数据。由此，能够减小介电常数的波动的影响。
第1电极的宽度与第2电极的宽度之和可以不论深度如何都大致固定。此时，能够以宽度相等的深度为标准，准确地检测出液位高于还是低于它。
在深度方向上的预定范围中，第1电极和第2电极的宽度可以固定且相等。由此，能够根据预定范围设定管理宽度(死区)。
本发明的另一实施方式涉及卫生间设备。卫生间设备可以具有便桶、用于蓄积应向便桶提供的冲洗水的水箱、设于从水箱至便桶的冲水路径上的阀、以及液位传感器。
液位传感器可以检测水箱中的液位。
可以当水箱中的液位降低至与冲洗时应向便桶提供的冲水量相应的目标液位时，关闭阀，以停止从水箱向便桶冲水。
液位传感器可以检测便桶中的液位。
可以根据由液位传感器检测出的便桶中的液位来控制冲洗时从水箱至便桶中的冲水量。
液位传感器可以具有设于水箱的侧壁上的电极和用于检测电极所形成的静电电容的电容传感器。
此外，将上述构成要素的任意组合或本发明的描述在方法、装置等间进行相互置换后的方案作为本发明的实施方式也是有效的。
[发明效果]
通过本发明的一个实施方式，能够提供一种不同于以往方式的液位传感器。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的液位传感器的图。
图2的(a)～(d)是用于说明图1的液位传感器的液位检测原理的图。
图3是用于表示图1的液位传感器中的液位与静电电容的关系的图。
图4是用于表示第2实施方式所涉及的液位传感器的图。
图5是用于说明图4的液位传感器的液位检测原理的图。
图6是用于表示第3实施方式所涉及的液位传感器的图。
图7是用于说明图6的液位传感器的液位检测原理的图。
图8是用于表示图6的液位传感器中的液位与液位数据的关系的图。
图9是用于表示第1电极、第2电极的变形例的图。
图10是用于表示第5实施方式所涉及的液位传感器的图。
图11是用于表示图10的液位传感器中的液位与静电电容的关系的图。
图12的(a)、(b)是用于表示具有液位传感器的卫生间设备的图。
标号说明
2…容器，4…液体，6…液位，100…液位传感器，102…电极，104…第1电极，106…第2电极，110…电容传感器，120…运算处理部，Cs…静电电容，200…卫生间设备，202…便桶，204…水箱，206…阀，208…，210…冲水路径，220…控制器，250…温水冲洗马桶座，252…贮水箱，254…冲洗喷嘴，256…加热器。
具体实施方式
下面，基于优选的实施方式并参照附图来说明本发明。对各附图中所示的相同或等同的构成要素、部件、处理赋予了相同的标号，并适当省略了重复性的说明。此外，实施方式并非限定本发明，而是一种例示，并非实施方式所记载的全部特征或其组合都是本发明的本质性要素。
本说明书中，所谓“部件A连接于部件B”不仅包括部件A与部件B物理上直接连接的情况，还包括部件A与部件B介由实质上不影响它们的电连接状态、或不减损由它们的组合发挥的功能或产生的效果的其它部件间接地连接的情况。
同样地，所谓“部件C设于部件A与部件B之间”不仅包括部件A与部件C、或者部件B与部件C直接连接的情况，还包括介由实质上不影响它们的电连接状态、或不减损由它们的组合发挥的功能或产生的效果的其它部件间接地连接的情况。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式所涉及的液位传感器的图。图1的液位传感器100A用于检测容器2中的液体4的液位6。液体4不被特别限定，例如是水。容器2的形状不被特别限定，可以是圆柱形，也可以是立方体或长方体等四棱柱，也可以是其它任意形状。
液位传感器100A具有电极102、电容传感器110、以及运算处理部120。电极102设于容器2的侧壁上。电极102可以设于容器2的与液体4接触的内侧表面上，也可以设于外侧表面上，也可以埋于容器2的侧壁中。
电容传感器110用于检测电极102所形成的静电电容Cs。电容传感器110根据与静电电容式的接触式传感器(触摸面板)的控制电路(电容传感器)相同的原理来检测静电电容Cs。电容传感器110生成用于表示静电电容Cs的检测值的检测数据S1。因电容传感器110是公知的，故省略其说明。
运算处理部120接收来自电容传感器110的检测数据S1，并根据静电电容Cs的检测值生成用于表示液位6的液位数据S2。运算处理部120可以由ASIC(Application SpecifiedIC：专用集成电路)或FPGA(Field Programmable Gate Array:现场可编程门阵列)等硬件构成，也可以由微型计算机或CPU(Central Processing Unit:中央处理单元)等通用运算处理电路和软件程序的组合来构成。电容传感器110与运算处理部120可以集成为一个IC。
以上是液位传感器100A的构造。接下来，说明其工作原理。图2的(a)～(d)是用于说明图1的液位传感器100A的液位检测原理的图。图2的(a)～(d)中，液位6分别不同。电极102周围是空气时，电极102所形成的静电电容较小。如图2的(b)、(c)、(d)所示那样，电极102浸没在液体4中的部分随着液位6的升高而增加，从而电极102所形成的静电电容Cs也相应地增大。图2的(b)～(c)虽然是作为用1～3个电容器表现静电电容的集中常数电路的，但实际上是分布常数电路。
图3是表示图1的液位传感器100A中的液位与静电电容Cs的关系的图。若液位6升高时，静电电容Cs也线性地增加。因此，静电电容Cs与液位一对一地相对应，故能够根据静电电容而检测出液位6。
(第2实施方式)
图1的第1实施方式所涉及的液位传感器100A能够针对介电常数恒定的液体4准确地检测出液位6，但针对介电常数不恒定的液体4时，误差会变大。尤其是水的介电常数在很大程度上取决于温度。第2实施方式会解决这个问题。
图4是表示第2实施方式所涉及的液位传感器100B的图。液位传感器100B具有多个、即N个(N≧2)电极102 1～102N、电容传感器110B、以及运算处理部120B。图4中表示成N＝6。多个电极102 1～102N设于容器2的侧壁的不同深度上。
电容传感器110B检测多个电极102_1～102_N各自所形成的静电电容Cs1～CsN，生成用于表示检测值的检测数据S1_1～S1_N。运算处理部120B接收来自电容传感器110B的检测数据S1_1～S1_N，生成用于表示液位6的液位数据S2。
运算处理部120B也可以判断各检测数据S1_i(1≦i≦N)大于还是小于预定的阈值，换言之，是判断各静电电容Csi大于还是小于阈值TH，来生成中间数据S3_i。例如中间数据S3_i在S1_i所表示的静电电容Csi低于阈值TH时取0，在大于时取1。运算处理部120B可以基于多个中间数据S31～S3_N来生成用于表示液位6的液位数据S2。
图5是用于说明图4的液位传感器100B的液位检测原理的图。
一个电极102_i的静电电容Csi超过了阈值THs时，意味着该电极102i的一部分或全部已浸入在液体4中。图5的例子中，因第1～4个电极1021～102_4都位于比液位6更高处，故其静电电容Cs1～Cs4小于阈值TH。其余第5、6个电极102_5～102_6位于比液位6更低处，故其静电电容Cs5～Cs6大于阈值TH。
即，中间数据S3_1～S3_N成为用于表示液位6的液位计刻度。可以将该液位计刻度作为液位数据S2，也可以将液位计刻度变换成二进制数据，作为液位数据S2。
该液位传感器100B中，电极102_1～102_N各自不需要深度方向上的分辨率。因此，即使液体4的介电常数发生变化，也能够检测出准确的液位6。
(第3实施方式)
图6是用于表示第3实施方式所涉及的液位传感器100C的图。液位传感器100C具有第1电极104、第2电极106、电容传感器110C、以及运算处理部120C。
第1电极104设于容器2的侧壁上，越深其宽度W1就越大。此处虽然将第1电极104表示成了锥形化的三角形，但其形状不被限定，也可以是梯形。
第2电极106设于容器2的侧壁上，越深其宽度W2就越小。第1电极104与第2电极106实质上被设于相同深度。图6中，第1电极104的宽度W1与第2电极106的宽度W2之和不论深度如何都大致固定。
电容传感器110C检测第1电极104所形成的第1静电电容Cs1和第2电极106所形成的第2静电电容Cs2，来生成用于表示其各自的检测值的检测数据S1_1、S1_2。运算处理部120C根据第1静电电容Cs1和第2静电电容Cs2各自的检测数据S1_1、S1_2来生成用于表示液位6的液位数据S2。
以上是液位传感器100C的构造。图7是用于说明图6的液位传感器100C的液位检测原理的图。当液体4的介电常数充分大于空气的介电常数时，能够忽视比液位6更靠上方的静电电容。此时，静电电容Cs1、Cs2与在液体4中使用的面积A1、A2成正比。将W1与W2之和记作b，并将电极104、106的高度记作c。在将各电极的比液位6更靠下的深度记作x时，面积A1、A2通过以下算式表示：
A1＝(2b-bx/c)×x/2＝-b/2c×x2+bx
A2＝bx/c×x/2＝b/2c×x2
运算处理部120C根据第1静电电容Cs1和第2静电电容Cs2各自的检测数据S1_1、S1_2的差分△S＝S1_1、S1_2来生成液位数据S2。该差分△S与面积A1与A2的差分△A成正比。
△A＝A1-A2＝bx-b/c×x2＝bx(1-x/c)
图8是用于表示图6的液位传感器中的液位与液位数据S2的关系的图。静电电容的差分是向上凸的二次函数，其在2个电极104、106的高度c的1/2处取极大值，在x＝0、c时成为零。
该液位传感器100C的优势将通过与图1的液位传感器100A的对比而得到明确。图1的液位传感器100A如上述那样会受到介电常数的影响。与此不同，根据图6的液位传感器100C，差分非零时，水面被包含于2个电极的高度的范围内，而且能够保证静电电容的极大值为高度c的1/2。因此，液位传感器100C面对介电常数的波动时，能够比图1的液位传感器100A更高精度地检测出液位。
(第4实施方式)
第4实施方式所涉及的液位传感器100D的构造与图6的液位传感器100C一样，但其运算处理部120C中的处理不同。具体来说，第4实施方式中，运算处理部120C根据2个检测数据S1_1、S1_2之比来生成用于表示液位的液位数据S2。2个检测数据S1_1、S1_2之比与液位一对一地相对应，故事先计算出或者实测出该比值与液位的关系式即可。运算处理部120C可以进行输入该比值并输出液位的运算或者表格的参照。通过利用比值，能够抵消掉介电常数的影响，故能够实现高精度的液位检测。
(第3、4实施方式的变形)
图9是表示第1电极104、第2电极106的变形例的图。该变形例中，在深度方向上的预定范围△X中，第1电极104和第2电极106的宽度固定且相等。根据该电极形状，能够设定2个电极的静电电容不随深度的变化而变化的死区。例如，若将该预定范围△X设定为W1＝W2＝b/2处，则如图8中的点划线所示那样，能够使液位数据S2的最高点扁平化(flat)。
(第5实施方式)
图10是用于表示第5实施方式涉及的液位传感器100E的图。液位传感器100E具有梳形的电极102E。图11是用于表示图10的液位传感器的液位与电极的静电电容的关系的图。液位位于梳子的凹部的范围时，静电电容Cs随着液位升高而平缓增加，而在液位位于梳子的凸部的范围时，静电电容Cs随着液位升高而急剧增加。根据该液位传感器100E，能够准确地检测出液位。
(用途)
接下来，说明上文所述的液位传感器100A～100D(下面，统称为液位传感器100)的用途。作为液位传感器100的优选用途，例示了卫生间设备。图12的(a)、(b)是用于表示具有液位传感器100的卫生间设备200的图。
如图12的(a)所示那样，卫生间设备200具有便桶202、水箱(储罐)204、阀206。水箱204中事先蓄积有用于向便桶202提供的冲洗水230。阀206设于从水箱204至便桶202的冲水路径210上。
卫生间设备200设有液位传感器100_1、100_2。图12中仅简单地表示了液位传感器100的电极。液位传感器100可以采用上述任一实施方式。液位传感器100_1用于检测水箱204中的液位6_1。液位传感器100_2用于检测便桶202的液位6_2。
卫生间设备200具有控制器220。控制器220连接于液位传感器100_1，100_2，能够测知水箱204和便桶202中的液位。
控制器220随着冲洗开始而打开阀206。然后，其监视液位传感器100_1的输出，当水箱204中的液位6降低至与冲洗时应向便桶202提供的冲水量相应的目标液位REF时，关闭阀206，以停止从水箱204向便桶202的冲水。应提供的冲水量是可变的，故目标液位REF也是可变的。应提供的冲水量可以由用户来指定，也可以如下文所述那样由控制器220来自动判断。
控制器220根据液位传感器100_2所检测出的便桶202中的液位6_2来决定冲洗时应向便桶202提供的冲水量。即，在如厕时的液位上升较大时，增加冲水量，在液位上升较小时，减少冲水量。
以上是卫生间设备200的构造。根据该卫生间设备200，能够准确地控制冲水量，故能够节水。此外，以往，作为冲洗模式而预备有大、小、节能等多个模式，由用户来选择，而控制器220能够自动判断冲水量。此外，能够根据如厕中的液位升高情况而连续控制冲水量，故能够兼顾节水地提高冲洗能力。
参照图12的(b)。卫生间设备200包括具有温水冲洗马桶座250的设备。图12的(b)表示实施方式所涉及的温水冲洗马桶座250。温水冲洗马桶座250具有贮水箱252、冲洗喷嘴254、以及加热器256。加热器256用于加热贮水箱252中蓄积的水。贮水箱252中设有用于检测液位6_3的液位传感器100_3。液位传感器100_3的输出可以用于控制向贮水箱252提供的供水量。由此，能够防止贮水箱252发生溢水。此外，加热器256可以根据液位传感器100_3的输出来控制加热程度。例如，加热器256可以在液位6_3低于预定的标准液位时停止加热。由此，能够防止发生所谓的空加热。
已基于实施方式并使用具体的用语说明了本发明，但实施方式只是本发明的原理、应用的表现形式，对于具体实施方式，可以在不脱离权利要求书所规定的本发明思想的范围内进行多种变形或配置的变更。

Claims (13)

1.一种用于检测容器中的液体液位的液位传感器，其特征在于，包括：
第1电极，设于上述容器的侧壁上，越靠向液体深处其宽度越增加，
第2电极，设于上述容器的侧壁上，越靠向液体深处其宽度越减小，
电容传感器，用于检测上述第1电极所形成的第1静电电容和上述第2电极所形成的第2静电电容，以及，
运算处理部，根据上述第1静电电容和上述第2静电电容各自的检测值来生成用于表示液位的液位数据。
2.如权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，
上述运算处理部根据上述第1静电电容和上述第2静电电容各自的检测值的差分来生成上述液位数据。
3.如权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，
上述运算处理部根据上述第1静电电容和上述第2静电电容各自的检测值之比来生成上述液位数据。
4.如权利要求1至3的任意一项所述的液位传感器，其特征在于，
上述第1电极的宽度与上述第2电极的的宽度之和不论深度如何都大致固定。
5.如权利要求1至3的任意一项所述的液位传感器，其特征在于，
在深度方向上的预定范围中，上述第1电极和上述第2电极的宽度固定且相等。
6.一种用于检测容器中的液体液位的液位传感器，其特征在于，包括：
多个电极，设于上述容器的侧壁的不同深度处，
电容传感器，用于检测上述多个电极各自所形成的静电电容，以及
运算处理部，用于根据上述多个电极各自的静电电容的检测值来生成用于表示液位的液位数据。
7.一种用于检测容器内的液体液位的液位传感器，其特征在于，包括：
电极，设于上述容器的侧壁，
电容传感器，用于检测上述电极所形成的静电电容，以及
运算处理部，用于根据上述静电电容的检测值来生成用于表示液位的液位数据。
8.一种卫生间设备，其特征在于，包括：
便桶，
水箱，用于蓄积应向上述便桶提供的冲洗水，
阀，设于从上述水箱至上述便桶的冲水路径上，以及
权利要求1至3的任意一项所述的液位传感器。
9.如权利要求8所述的卫生间设备，其特征在于，
上述液位传感器用于检测上述水箱中的液位。
10.如权利要求9所述的卫生间设备，其特征在于，
上述水箱中的液位降低至与冲洗时应向上述便桶提供的冲水量相应的目标液位时，关闭上述阀，停止从上述水箱向上述便桶冲水。
11.如权利要求8所述的卫生间设备，其特征在于，
上述液位传感器用于检测上述便桶中的液位。
12.如权利要求11所述的卫生间设备，其特征在于，
根据由上述液位传感器检测出的上述便桶中的液位来控制冲洗时从上述水箱至上述便桶的冲水量。
13.一种卫生间设备，其特征在于，具有：
便桶，
水箱，用于事先蓄积应向上述便桶提供的冲洗水，
阀，设于上述水箱与上述便桶之间，以及
液位传感器，用于检测上述水箱中的液位，
其中，
上述液位传感器具有设于上述水箱的侧壁上的电极和用于检测上述电极所形成的静电电容的电容传感器。
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