JP2001272264A - 水検知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水検出のための交流信号発生回路と検出回路
を一体化することで、簡便な回路で構成でき、マイコン
等のデジタルＩＣに好適で、信頼性が高く、簡便で安価
な水検知器。 【解決手段】 水検出用の電極、コンデンサ、逆流防止
ダイオード、タイミングコントロール手段、これに制御
されるスイッチング素子、検出手段からなり、スイッチ
ング素子が交互にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことによっ
て、水を介してコンデンサに充電電流が流れ、その電位
変化を検出手段で読みとることによって、水の有り無し
を判別できるようにした水検出器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水槽や配管に溜まっ
た水や、機器の内部の漏水などの有り無しを、水に流れ
た電流で検出する水検知器に関する。

【０００２】

【従来の技術】水の有り無しを電気的に検出する方法に
は、水に電流を流して導電率を測定し、測定値がある閾
値以上であれば水が有ると判定する方法が広く知られて
いる。水に直流電流を流し続けると電極が電気腐食を起
こすため、交流電流を用いて電極の腐食を防止する方法
をとることが多い。交流電流を発生させるために、商用
電源をトランスで降圧して発生させる方法や、平均電圧
が０Ｖとなるパルス電流を用いる方法が使われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、商用電
源から電源トランスを介して交流電流を発生する方式で
は、装置重量も重くなり、信号発生回路とは別に検出回
路も必要となっていた。さらに、電池駆動の商用電源が
利用できない装置では、交流信号を発生するために複雑
な交流信号発生回路を構成しなければならなかった。ま
た、パルス波形を交流電流とする場合、信号発生回路と
検出回路は別に構成するので回路が複雑になるという問
題を有していた。

【０００４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、本発明の目的は、交流信号発生回路と検出
回路を一体化することで、簡便な回路で構成でき、マイ
コン等のデジタルＩＣでの利用に好適で、回路が簡便で
信頼性の高い水検知器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、水に接触する電極と、電極に接続され直流
成分を阻止するとともに充放電を繰り返す２つのコンデ
ンサと、電源とコンデンサに接続された２つの充電用抵
抗と、２つのスイッチング素子と、コンデンサとスイッ
チング素子に接続された２つのダイオードと、スイッチ
ング素子を制御するタイミング・コントロール手段を設
け、水に電流コンデンサに発生する電位の変化を読みと
ることによって水の有り無しを検出することを特徴とす
る。

【０００６】スイッチング素子とは、外部からのコント
ロール信号によってＯＮ、ＯＦＦ高速に行うことができ
る部品であって、トランジスタ、ＦＥＴ、アナログスイ
ッチ等の半導体素子である。また、マイコンなどにある
ＦＥＴのオープンドレイン出力ポート等や、ＩＣのオー
プンコレクタ出力であっても良い。スイッチング素子は
互いに逆位相でＯＮ状態、ＯＦＦ状態を繰り返し、２つ
の電極は片方が正極ならばもう片方が負極となり、水を
介して２つのコンデンサに充電電流が流れる。

【０００７】コンデンサに電荷が充分に溜まると正極に
は正電位が発生し、負極はＧＮＤ電位近くになる。その
後ＯＮ状態であったスイッチング素子をＯＦＦとし、Ｏ
ＦＦ状態であったスイッチング素子をＯＮとすると、正
電位であったコンデンサ端はＧＮＤ電位近くになるとと
もに、ＧＮＤ電位に近かった負極側の電位は負電位とな
る。もし水が無ければ、水を介した電流は流れないの
で、コンデンサに充電されることはなく、両方のコンデ
ンサ端の電位は同時にＧＮＤ電位もしは負電位になるこ
とはない。スイッチング素子切り替え直後のコンデンサ
両端の電位の変化を読みとれば、水の有り無しを判定す
ることができる。

【０００８】本発明においては、交流電流発生回路と検
出回路は一体化されており、簡便な回路で構成すること
ができる。また、電流方向の切替え周期をコンデンサの
充放電時定数から勘案して適宜設定することにより、コ
ンデンサによって水を流れる電流の直流成分を限りなく
小さくすることができる。交流電流だけが流れるので電
極の電気腐食は起こらない。

【０００９】水位検出器を長期間使用しない場合は、２
つのスイッチング素子を同時にＯＦＦとすることで水に
電流を流す動作を停止して、消費電力を押さえることが
できる。この時も、コンデンサにより水に流れる電流の
直流成分は阻止されているので、電極の電気腐食は起こ
らない。

【００１０】コンデンサ両端の電位の変化を読みとる手
段として、否定入力論理積回路を備える。否定入力論理
積回路では、コンデンサ両端が同時に’Ｌｏｗ’になっ
た時のみ’Ｈｉｇｈ’信号を出力する。前述より水が有
る場合はコンデンサ両端が同時に’Ｌｏｗ’（ＧＮＤ電
位近く、もしくは負電位）になるので、この両端電圧を
本否定入力論理積回路へ入力すれば、その出力信号が’
Ｈｉｇｈ’になることで水が有ることを検出することが
できる。

【００１１】また、コンデンサ両端が同時に’Ｌｏｗ’
になった時のみ’Ｌｏｗ’信号を出力する負論理出力の
論理積回路においても、出力が’Ｌｏｗ’になった時に
水が有ると判断すればよく、同様に作用する。

【００１２】加えて、コンデンサ両端の電位の変化を読
みとる手段として、コンデンサ両端に発生する負電位を
読みとる２つのダイオードと反転増幅器からなる測定手
段を備える。水が有る場合は、スイッチング素子の切り
替え直後にコンデンサの片側が負電位となるので、この
負電位をダイオードを通じて反転増幅器で読みとると、
反転増幅器の出力が正電位となり、水が有ることを検知
できる。水が無い場合コンデンサ端のどちらも負電位に
なることがないので、反転増幅器の出力は正電位にはな
らない。よってスイッチング素子の切り替え直後、反転
増幅器出力が正電位になれば、水が有ると判定できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の内容を、より理解しやす
くするために、以下に実施例を用いて解説する。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明による基本構成の実施例を示
した水検知器の回路図である。また、図２は本発明の動
作原理を示すタイミングチャートである。

【００１５】図１において、タイミングコントロール手
段（２２）は、２系統のデューティ比５０％の方形波を
出力し、図２のコントロール１、コントロール２波形に
示すように、互いに逆位相となっている。コントロール
１（２０），２（２１）信号は、周期的に正負に繰り返
す。コントロール１（２０），２（２１）に応じて、ス
イッチング素子（１８）（１９）はＯＮ、ＯＦＦを繰り
返し、互いに逆の動作をする。本実施例ではスイッチン
グ素子（１８）（１９）にトランジスタを用いている。

【００１６】電極（１１）は水を検知したい場所に取付
ける。例えば水槽の水が規定水位に達しているかどうか
を判定するときは水槽内部に取付ける。例えば、機器の
内部に水が浸入したかどうかを検知するためには、水が
溜まりやすい筐体の底等に電極を取付ける。また、本発
明で用いている検出電流は交流であり電気腐食は発生し
ないので、電極の素材はステンレスなどの一般的なもの
でよい。

【００１７】電流が流れる経路は、電源、ＯＦＦしてい
るスイッチング素子（１８）側の抵抗器（１４）、コン
デンサ（１２）、水検知電極（１１）、水、水検知電極
（１１）、コンデンサ（１３）、ＯＮしているスイッチ
ング素子（１９）側のダイオード（１７）、ＯＮしてい
るスイッチング素子（１９）、ＧＮＤのルートである。

【００１８】電流経路のコンデンサ（１２）（１３）に
おいて、充電が進むにつれ水を流れる電流は変化し、図
２の電極間電流の波形に示すように、電極間電流の絶対
値はスイッチング素子（１８）（１９）のＯＮ、ＯＦＦ
の切り替え直後がもっとも大きく、その後指数曲線を描
いて減衰する。

【００１９】コンデンサ（１２）（１３）への充電が充
分に進むと、ＯＦＦしているスイッチング素子（１８）
側のコンデンサ（１２）端（コンデンサ電位１）には電
源電圧に近い正の電位、ＯＮしているスイッチング素子
（１９）側のコンデンサ（１３）端（コンデンサ電位
２）にはＧＮＤ電圧に近い電位（ダイオードの順電圧Ｖ
ｆとスイッチング素子ＯＮ時の飽和出力電圧の和）が生
じる。

【００２０】時間が進み、コントロール１（２０），２
（２１）の信号線が反転し、ＯＦＦしていたスイッチン
グ素子（１８）がＯＮし、ＯＮしていたスイッチング素
子（１９）がＯＦＦすると、コンデンサ（１２）（１
３）には充分な電荷が溜まっているので、正電位であっ
たコンデンサ電位１はＧＮＤに近い電圧、ＧＮＤに近い
電圧であったコンデンサ電位２は逆流防止用ダイオード
（１７）があるので負電位となる。コンデンサ（１２）
（１３）は抵抗器（１５）と水を通じて正電位で充電さ
れるので、図２に示すように、コンデンサ電位２は電源
電位近くまで指数曲線で上昇する。

【００２１】つまり、水がある場合はコントロール１
（２０），２（２１）の切り替え直後に、片側が負電位
となり、コンデンサと抵抗で決定される時定数による時
間をおいて電源電位近くまで上昇するが、水が無い場合
は片側が直ちに電源電位となる。

【００２２】この両コンデンサ（１２）（１３）端を負
電位も入力可能な否定入力論理積回路で読み込むと、２
つの入力が同時に’Ｌｏｗ’レベル（ＧＮＤに近い電
位、あるいは負電位）である場合、その出力は’Ｈｉｇ
ｈ’レベルとなる。水が無い場合は両コンデンサ（１
２）端は同時に’Ｌｏｗ’レベルになることはないの
で、出力は常に’Ｌｏｗ’レベルとなる。この出力を水
検知信号出力とすれば、コントロール信号の切り替え直
後にこの出力が’Ｈｉｇｈ’レベルになるかどうかを調
べれば水の有り無しを検知できる。

【００２３】コントロール１（２０），２（２１）は周
期的に切り替わるので、前述動作を繰り返し、水の電極
間を流れる電流は、図２の電極間電流のように交流成分
になる。よって、水を流れる電流は時間平均すれば０Ｖ
となり、水検知電極（１１）の電気腐食は起こらない。

【００２４】図４に否定入力論理積回路をダイオードで
構成した実施例を示す。この実施例では前述のコンデン
サを２つのダイオード（４１）のアノードに接続し、プ
ルダウン抵抗（４２）と共に論理和回路を構成して、否
定入力のシュミットバッファ（４３）でバッファリング
している。

【００２５】水が有る場合、前述のスイッチング素子の
切替え時、２つのダイオード（４１）の両方のアノード
電位がＧＮＤ電位もしくは負電位であるので、プルダウ
ン抵抗（４２）の両端には電位が発生せず、’Ｌｏｗ’
レベルとなり、反転入力シュミットバッファ（４３）の
出力が’Ｈｉｇｈ’レベルとなる。水が無い場合、アノ
ード電位の少なくともどちらか一つが正電位であるの
で、プルダウン抵抗（４２）の両端に電位が発生し、反
転入力シュミットバッファ（４３）の出力は’Ｌｏｗ’
レベルとなる。

【００２６】シュミットバッファ（４３）を用いている
のは、コンデンサ端の電位が指数曲線で緩やかに上昇す
るので、ヒステリシス特性を用いてノイズの影響を受け
ないようするためである。シュミットバッファ（４３）
はヒステリシス特性を持つ回路で、デジタルゲートやコ
ンパレータなどでも構成できる。

【００２７】図５に否定入力論理積回路をトランジスタ
で構成した実施例を示す。この実施例では２つのトラン
ジスタ（５１）、プルアップ抵抗（５２）で論理積回路
を構成している。

【００２８】２つのどちらかのトランジスタ（５１）の
ベースに正電位が入力されるとトランジスタ（５１）が
ＯＮし、トランジスタ（５１）のコレクタは’Ｌｏｗ’
レベルとなる。水を検知し両トランジスタ（５１）のベ
ースに同時にＧＮＤ電位以下の電位が入力されるとトラ
ンジスタ（５１）のコレクタは’Ｈｉｇｈ’レベルとな
る。

【００２９】図６に水検出回路をマイコンで構成した実
施例を示す。この実施例では２つのスイッチング素子を
マイコン内のオープンドレイン出力ポート（６２）、否
定入力論理積のバッファをシュミット型の入力ポート
（６１）を用いて構成している。

【００３０】マイコン内のＣＰＵ（６４）はタイマ（６
５）に応じて動作し、一定周期で２つのオープンドレイ
ン出力ポート（６２）を互いに逆位相になるようＯＮ、
ＯＦＦさせる。２つのダイオードとプルダウン抵抗で構
成された否定入力論理積回路の出力は、マイコンのシュ
ミット型の入力ポート（６１）で取り込まれ、ＣＰＵに
より水の有り無し判定が前述の否定入力論理積回路で行
われる。このように、マイコンを使用して本発明の水検
出器を構成すれば部品が少なくて済み、コスト上昇を押
さえることが可能である。

【００３１】図７に水検出回路を専用ＩＣで構成した実
施例を示す。この実施例では発信器（７１）、発信周波
数を決定するコンデンサ（７４）、抵抗（７５）、コン
トロール信号を発生するＤ−フリップフロップ（７
２）、未使用時に判定を停止する制御線（７８）、ドラ
イバの制御をするＡＮＤ回路（７３）、スイッチング用
トランジスタ（７９）、波形整形回路（７６）、ワンシ
ョットタイマ回路（７７）を用いて構成している。

【００３２】発信器（７１）、コンデンサ（７４）、抵
抗（７５）でスイッチングの切り替えタイミングの基本
クロックを発生する。発信周波数は、コンデンサ（７
４）、抵抗（７５）で決定され、電極に接続したコンデ
ンサ、充電用抵抗などの定数から設定する。発信器（７
１）で作られたクロックは、Ｄ−フリップフロップ（７
２）を駆動し、位相の異なる２つのコントロール信号を
発生する。コントロール信号はスイッチング用トランジ
スタ（７９）のＯＮ、ＯＦＦ制御を行う。また、コント
ロール信号は外部の制御線（７８）に接続されたＡＮＤ
回路（７３）によってマスクされており、制御線（７
８）が’Ｈｉｇｈ’の時に通常の水検出動作を行い、’
Ｌｏｗ’の時には両方のスイッチング用トランジスタ
（７９）がＯＦＦし、検出動作を停止する。制御線（７
８）は発信器にも接続され、発信動作をコントロールす
るので、バッテリバックアップ時などに制御線（７８）
をディスエーブルにすることで、消費電力を減らすこと
ができる。コンデンサ両端の電位はダイオードで構成す
る否定入力論理積回路で判定された後、波形整形回路
（７６）でノイズが除去され、ワンショットタイマ回路
（７７）に入力される。ワンショットタイマ回路（７
７）では水を検知して、波形整形回路（７６）回路か
ら’Ｈｉｇｈ’信号が来ると、次のクロックまで’Ｈｉ
ｇｈ’を維持し、信号のパルス成分を除去して電圧レベ
ルの信号にする。よって、信号ＯＵＴ出力端子が’Ｈｉ
ｇｈ’であれば水が有り、’Ｌｏｗ’であれば水が無し
と単純に判定できる。

【００３３】図３は、本発明の請求項３による負電位検
出手段の実施例を示した水検知器の回路図である。負電
位検出手段は２つのダイオード（３１）と反転増幅器
（３２）から構成される。

【００３４】水を経由してコンデンサが充放電し、２つ
のコンデンサ端のうちどちらかが負電位になると、ダイ
オード（３１）を通じて反転増幅器（３２）の出力に正
電位が生じる。水が無い場合はコンデンサ端は同時に負
電位になることは無いので、ダイオード（３１）のアノ
ードは常にＧＮＤ電位となり、反転増幅器（３２）の出
力はＧＮＤ電位を維持する。つまり、スイッチング素子
の切り替わり時に反転増幅器（３２）の出力が正電位に
なるかどうかで、水の有り無しを判定することができ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。パルス方式の交流信号発生と検出回路を一体化で
きるので、交流信号用のＡＣ入力のトランス等が必要な
く、マイコンやＩＣなどで簡単に制御できるので簡便な
回路となる。また、省電力のため、長期にわたり水検出
回路を不動作の状態にしておくときでも、コンデンサで
直流成分を阻止しているので電極の腐食もなく、信頼性
の高い水検出器を構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す水検知器の回路図

【図２】本発明の動作原理を示すタイミングチャート

【図３】本発明の負電位検出手段を設けた水検知器の回
路図

【図４】本発明の基本構成のダイオードによる実施例を
示す水検知器の回路図

【図５】本発明の基本構成のトランジスタによる実施例
を示す水検知器の回路図

【図６】本発明のマイクロコンピュータによる実施例を
示す水検知器の回路図

【図７】本発明の専用ＩＣによる実施例を示す水検知器
の回路図

【符号の説明】

１１…水検知電極、１２，１３…コンデンサ、１４、１
５…抵抗器、１６，１７…ダイオード、１８，１９…ス
イッチング素子、２０…コントロール１信号線、２１…
コントロール２信号線、２３…否定入力論理積、２２…
タイミング・コントロール手段、３１…ダイオード、３
２…反転増幅器、４１…ダイオード、４２…抵抗器、４
３…シュミット入力反転バッファ、５１…トランジス
タ、５２…抵抗器、６１…シュミット入力ポート、６２
…オープンドレイン出力ポート、６３…Ｉ／Ｏ・ポート
コントロール、６４…ＣＰＵ、６５…タイマー、７１…
発信器、７２…Ｄ−フリップフロップ、７３…ＡＮＤゲ
ート、７４…発信周波数決定コンデンサ、７５…発信周
波数決定抵抗、７６…波形整形回路、７７…ワンショッ
トタイマ、７８…検出イネーブル制御線、７９…スイッ
チング用トランジスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水の導電率により水の有無を検知する水
   検知器において水へ電流を流す電極と電流によって充放
   電を行うコンデンサと、互いにＯＮ、ＯＦＦを繰り返し
   て電流方向を交互に切り替える２つのスイッチング素子
   と、各コンデンサと各スイッチング素子との間に２つの
   ダイオードを設けて、電極の電流方向を切り替えた時の
   コンデンサ両端の電位から水の有り無しを判別できるよ
   うにしたことを特徴とする水検知器。
2. 【請求項２】 前記水検知器において、コンデンサの両
   端の電位を、否定入力の論理積により検出する手段を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の水検知器。
3. 【請求項３】 前記水検知器において、コンデンサの両
   端の電位に生じる負電位を検出する手段を設けたことを
   特徴とする請求項１記載の水検知器。