JP2005030971A - 静電容量式レベル検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 収納物が電極に付着しても誤動作しない静電容量式レベル検出装置を提供する。
【解決手段】 収納容器６内に突出するように取り付けられている主電極２および接地電極４と、高周波発振器１１ａからの交流電圧をこの両電極間２，４の静電容量に応じた大きさに変換する静電容量−電圧変換器１１と、この静電容量−電圧変換器１１から出力された交流電圧を高周波発振器と同期して９０°位相がずれた成分のみを検波して整流する同期整流回路１２と、この同期整流回路１２から出力された直流電圧を基準電圧と比較する比較器１３とを備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、収納容器内に貯溜される粉体や液体などの収納物が所定のレベル（高さ）になったことを検出する静電容量式のレベル検出装置に関する。

従来のこの種の静電容量式のレベル検出装置の回路の概略構成は一般に図５（ａ）に示すとおりである。容器（図示せず）内の収納物の量や所定レベルにおける収納物の有無を検出するために容器の所定レベルに電極２が設けられ、電極２と接地された容器との間の未知の静電容量Ｃｘを検出する。この未知の静電容量Ｃｘは、インダクタンス要素のような他の発振要素５１ａとともに高周波発振回路５１を形成し、この高周波発振回路５１から高周波電圧が出力されて検波回路５２に入力されると検波回路５２が検出信号ａを出力し、この検出信号ａがリレー回路１７に入力される。

容器内の所定レベルに収納物が存在すれば、収納物が存在しないときに比べて未知の静電容量Ｃｘが大きくなり、予め設定した発振条件を満たすと、高周波発振回路５１が発振してリレー回路１７に検出信号ａが入力される。

しかし、図５（ｂ）に示すように、電極２に収納物が付着することによって、未知の静電容量Ｃｘと並列に電気抵抗Ｒｘが発生する。電極１に付着する収納物が増加すると、この電気抵抗Ｒｘが低下することで高周波発振回路５１は発振したままとなる。すなわち、容器内の所定レベルに収納物が存在しないにもかかわらず、高周波発振回路５１が発振してリレー回路１７に検出信号ａが入力される。

また、従来のレベル検出装置は、最初に収納容器に設置したとき必ず容器内が空の状態で零点調整が必要であり、この調整は高周波発振回路５１における可変コンデンサ（図示せず）の設定によって行われている。しかし、可変コンデンサの静電容量可変範囲は限られているため、実際には可変コンデンサの静電容量可変範囲がそれぞれ異なる複数の高周波発振回路５１を用意しておき、収納物の種類および取り付け容器に応じて取り替えて使用する。

このように高周波発振回路５１を取り替えて使用すると作業が煩雑になるばかりでなく、可変コンデンサの静電容量可変範囲が収納物の種類または取り付け容器に対応していない場合に高周波発振回路５１の発振条件がずれてしまう。したがって、収納物が容器の所定レベルに存在しないのにリレー回路１７に検出信号ａが入力されたり、逆に収納物が前記所定レベルに存在するのにリレー回路１７に信号が入力されない現象が生じて、レベル検出装置が誤動作する。

この発明は、収納物が電極に付着しても誤動作しない静電容量式レベル検出装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る静電容量式レベル検出装置は、収納容器内に突出するように取り付けられている主電極および接地電極と、高周波発振器からの交流電圧をこの両電極間の静電容量に応じた大きさに変換する静電容量一電圧変換器と、この静電容量一電圧変換器から出力された交流電圧を高周波発振器と同期して９０°位相がずれた成分のみを検波して整流する同期整流回路と、この同期整流回路から出力された直流電圧を基準電圧と比較する比較器とを備える。

この構成によれば、静電容量一電圧変換器によって両電極間の静電容量に応じた大きさに変換される交流電圧に基づいて検知信号を出力するものであって、両電極間の静電容量に応じて変化した周波数を発振条件として検知するものではないため、高周波発振器の発振周波数の変動には影響を受けない。すなわち、高周波発振器の発振周波数が変動しても誤動作することはない。また、収納物が電極に付着して発生する電気抵抗には高周波発振器と同相の電圧が印加されるが、両電極間の未知の静電容量には高周波発振器よりも９０°位相がずれた電圧が印加されるので、高周波発振器よりも９０°位相がずれた成分のみを同期整流回路が検波することで、検波された電圧の大きさは両電極間の静電容量の大きさにのみ依存して両電極間の静電容量と並列に存在する電気抵抗の大きさには依存しない。したがって、たとえ収納物が電極に付着して、両電極間の電気抵抗が小さくなってもレベル検出装置が誤動作してしまうことはない。

好ましい実施形態によれば、前記静電容量一電圧変換器は出力される交流電圧の大きさを切り換えるスイッチを有する。この構成によれば、スイッチを切り換えて静電容量一電圧変換器からの出力電圧の大きさを切り換えることができるため、容器の大きさや収納物の種類に応じてスイッチを切り換えておけば、静電容量一電圧変換器から出力される交流電圧の大きさの範囲を狭い範囲に限定させることができる。これより、この出力電圧が入力される同期整流回路は誤動作なく正確に直流電圧を出力できる。したがって、回路部品の交換という従来のような煩雑な作業なしに正確にレベル検出を行うことができる。

さらに好ましい実施形態によれば、前記静電容量一電圧変換器は、反転入力端子が前記主電極に接続され、非反転入力端子が高周波発振器に接続された演算増幅器と、静電容量が異なる２つ以上のキャパシタとを有し、前記スイッチがこれらキャパシタのいずれか一つを前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続する。

以上のように本発明の静電容量式レベル検出装置によれば、静電容量一電圧変換器によって両電極間の静電容量に応じた大きさに変換される交流電圧に基づいて検知信号を出力するものであって、両電極間の静電容量に応じて変化した周波数を発振条件として検知するものではないため、高周波発振器の発振周波数の変動には影響を受けない。すなわち、高周波発振器の発振周波数が変動しても誤動作することはない。また、収納物が電極に付着して発生する電気抵抗には高周波発振器と同相の電圧が印加されるが、両電極間の未知の静電容量には高周波発振器よりも９０°位相がずれた電圧が印加されるので、高周波発振器よりも９０°位相がずれた成分のみを同期整流回路が検波することで、検波された電圧の大きさは両電極間の静電容量の大きさにのみ依存して両電極間の静電容量と並列に存在する電気抵抗の大きさには依存しない。したがって、たとえ収納物が電極に付着して、両電極間の電気抵抗が小さくなってもレベル検出装置が誤動作してしまうことはない。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、収納容器にこの発明の一実施形態に係るレベル検出装置を装着した状態を示す一部破断側面図で、レベル検出装置１は、丸棒状の主電極２と、この主電極２の外周を絶縁物３を介して覆う筒状の接地電極４と、これら両電極２，４を支持する本体１０とを有しており、この本体１０のフランジ２１が収納容器６の側壁面の上部に取り付けられて、上記両電極２，４が収納容器６内に突出している。前記接地電極４は、本体１０を介して収納容器６に接触してアース電位に保持されている。

前記本体１０のハウジング２２内には、検知回路５が内蔵されている。この検知回路５は、図２に示すように、高周波電源１１ａからの交流電圧を主電極２と接地電極４（つまり収納容器６）との間の容量Ｃｘに応じた大きさＶｏｕｔに変換する静電容量−電圧変換（以下、「Ｃ／Ｖ変換」という）回路１１と、このＣ／Ｖ変換回路１１から出力された交流電圧を高周波電源１１ａと同期して９０°位相がずれた成分のみを検波して整流する同期整流回路１２と、同期整流回路１２から出力された直流電圧Ｖｄを基準電圧Ｖｒｅｆと比較して検出信号ａを出力する電圧比較回路１３とを備えている。電圧比較回路１３からの検出信号ａは、増幅出力リレー回路１７に入力される。

図３に、主電極２を含めてＣ／Ｖ変換回路１１の回路構成を示す。Ｃ／Ｖ変換回路１１は、以下の演算増幅器１１ｂ、第１コンデンサ１１ｃ、第２コンデンサ１１ｄ、およびスイッチＳＷを有する。演算増幅器１ｌｂは、反転入力端子１１ｂａが主電極２に接続され、非反転入力端子１１ｂｂが高周波電源１１ａに接続されている。第１コンデンサ１１ｃの静電容量はＣｒ１であり、第２コンデンサ１１ｄの静電容量はＣｒ２である。本実施形態ではＣｒ１よりもＣｒ２が大きい。また、これら静電容量Ｃｒ１，Ｃｒ２は、収納物の上面が主電極２のレベルにまで達したときの両電極２，４間の静電容量Ｃｘよりも大きい値としておく。したがって、各静電容量Ｃｒ１，Ｃｒ２およびＣｘの関係は、Ｃｘ＜Ｃｒ１＜Ｃｒ２を満たす。スイッチＳＷが切り換えられて、これら第１または第２コンデンサ１１ｃ，１１ｄが演算増幅器１ｌｂの反転入力端子１１ｂａと出力端子１１ｂｃとの間に接続される。

スイッチＳＷが第１コンデンサ１１ｃ側に切り換えられているときには、Ｃ／Ｖ変換器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔは以下の式（１）で表される。逆にスイッチＳＷが第２コンデンサ１１ｄ側に切り換えられているときには、出力電圧Ｖｏｕｔは以下の式（２）で表される。

Ｖｏｕｔ＝（Ｃｘ／Ｃｒ１）Ｖｒ …（１）
Ｖｏｕｔ＝（Ｃｘ／Ｃｒ２）Ｖｒ …（２）
図２に戻って、同期整流回路１２は高周波発振源ｌｌａの出力電圧Ｖｒに同期して、高周波発振源１１ａからの交流電圧Ｖｒよりも９０°位相が遅れた成分のみを検波する。これは、図４に示すように、収納物が電極２に付着して発生する抵抗Ｒｘには図２の交流電圧Ｖｒと同相の電圧が印加され、主電極２と接地電極４との間の容量Ｃｘには交流電圧Ｖｒよりも９０°位相が遅れた電圧が印加されることより、容量Ｃｘにのみ依存した成分を検波するためである。したがって、たとえ電極２に付着する収納物の量が増加して抵抗Ｒｘ（図４）が低下しても、同期整流回路１２で整流された直流電圧Ｖｄは抵抗Ｒｘ（図４）に依存していないため、レベル検出装置が誤動作してしまうことはない。

図２の電圧比較回路１３は、同期整流回路１２から出力された直流電圧Ｖｄを基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。ここで、図１の主電極２のレベルに収納物が存在しない場合の主電極２と接地電極４との間の容量をＣ０とすると、収納物が存在する場合の容量ＣｘはＣ０よりも大きい。したがって、同期整流回路１２から出力される直流電圧Ｖｄは、収納物が存在しない場合よりも収納物が存在する場合の方が大きい。そこで、基準電圧Ｖｒｅｆを、収納物が存在しない場合の直流電圧値よりも大きく、存在する場合の直流電圧値よりも小さい値に設定しておく。電圧比較回路１３は、直流電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きければ収納物が存在すると判定し、このように判定した場合に検出信号ａを増幅出力リレー回路１７に出力する。

図１において、７は収納容器６内に粉体のような収納物を供給するベルトコンベアからなる供給手段、８はその駆動制御器で、この駆動制御器８が前記増幅出力リレー回路１７のオン動作によって作動し、供給手段７を停止させる。

次に、Ｃ／Ｖ変換回路１１についてさらに詳しく説明する。

本レベル検出装置は、上述したように図３のＣ／Ｖ変換回路１１のスイッチＳＷを切り換えることで、Ｃ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを変えることができる。つまり、第１コンデンサ１１ｃの静電容量Ｃｒ１よりも第２コンデンサ１１ｄの静電容量Ｃｒ２の方が大きいため、上記式（１）および（２）より、スイッチＳＷを第２コンデンサ１１ｄ側に切り換えた場合の方が、スイッチＳＷを第１コンデンサ１１ｃ側に切り換えた場合に比べてＣ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが大きい。

したがって、収納物の種類や容器の大きさが異なっても、スイッチＳＷを適切に切り換えれば、収納物の種類や容器の大きさに因らずＣ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔをほぼ一定にすることができる。例えば、誘電率ε１と誘電率ε２の収納物について、それぞれレベル検出する場合について示す。なお、誘電率ε１よりも誘電率ε２は大きいとする。

まず、誘電率ε１の収納物を供給手段７（図１）から供給して、容器内の主電極２のレベルまで収納物が供給されたことを検知する場合、Ｃ／Ｖ変換回路１１のスイッチＳＷを切り換えて、第１コンデンサ１１ｃを演算増幅器１１ｄの反転入力端子１１ｂａと出力端子１１ｂｃとの間に接続しておく。この場合、Ｃ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔは、上記式（１）のとおりである。

この構成で誘電率ε１の収納物のレベル検出を繰り返した後、供給手段７（図１）からの供給を誘電率ε２の収納物に切り換える前に、スイッチＳＷを第２コンデンサ１１ｄ側に切り換えて、第２コンデンサ１１ｄを演算増幅器１１ｂの反転入力端子１１ｂａと出力端子１１ｂｃとの間に接続する。この場合、Ｃ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔは、上記式（２）のとおりである。

これより、誘電率ε１の収納物の場合の静電容量をＣｘ１とし、誘電率ε２の収納物の場合の静電容量をＣｘ２とすると、Ｃｘ１＜Ｃｘ２で、Ｃｒ１＜Ｃｒ２であるから、Ｃｘ１／Ｃｒ１とＣｘ２／Ｃｒ２の値が極端に離れることはなく、Ｃ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔの振幅も極端に異なることはない。したがって、収納物の誘電率が所定値よりも小さければスイッチＳＷを第１コンデンサ１１ｃ側、所定値よりも大きければスイッチＳＷを第２コンデンサ１１ｄ側に切り換えることで、Ｃ／Ｖ変換回路１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが狭い範囲に限定される。これより、同期整流回路１２では正確に直流電圧Ｖｄを出力できる。

本実施形態では、収納物の種類を交換してレベル検出する場合について説明したが、収納物の容器を取り替えてレベル検出する場合も同様にスイッチＳＷを切り換えて用いる。すなわち、主電極２と接地電極４との間の静電容量が大きくなる容器を用いる場合であれば、第２コンデンサ１１ｄ側にスイッチＳＷを切り換え、逆に両電極２，４の間の静電容量が小さくなる容器を用いる場合であれば、
第１コンデンサ１１ｃ側にスイッチＳＷを切り換える。

本実施形態では第１または第２コンデンサ１１ｃ，１１ｄの一方が選択される場合について説明したが、コンデンサの数はいくつであってもよい。この場合、容器や収納物の種類に応じて、Ｃ／Ｖ変換回路１１から出力される交流電圧Ｖｏｕｔの値が所定値に最も近くなるコンデンサを選択して接続すればよい。

本発明の一実施形態に係るレベル検出装置を収納容器に装着した状態を示す縦断面図である。 同実施形態の検知回路の構成を示すブロック図である。 同実施形態のＣ／Ｖ変換回路の回路図である。 同実施形態の収納容器について、電極に収納物が付着して発生する抵抗も含めて表した縦断面図である。 （ａ）は従来のレベル検出装置の検知回路を示すブロック図であり、（ｂ）は電極に収納物が付着して発生する抵抗も含めて表した発振回路のブロック図である。

符号の説明

１…レベル検出装置、２…主電極、４…接地電極、６…収納容器、１１…静電容量−電圧変換器（Ｃ−Ｖ変換器）、１１ａ…高周波発振器、１１ｂ…演算増幅器、１１ｂａ…反転入力端子、１１ｂｂ…非反転入力端子、１１ｂｃ …出力端子、１１ｃ，１１ｄ…キャパシタ、１２…同期整流回路、１３…比較器、ＳＷ…スイッチ。

Claims (3)

1. 収納容器内の収納物の上面が所定レベルになったとき、静電容量の変化に基づいてこれを検知して検知信号を出力する静電容量式レベル検出装置であって、
   前記収納容器内に突出するように取り付けられている主電極および接地電極と、
   高周波発振器からの交流電圧をこの両電極間の静電容量に応じた大きさに変換する静電容量一電圧変換器と、
   この静電容量一電圧変換器から出力された交流電圧を高周波発振器と同期して９０°位相がずれた成分のみを検波して整流する同期整流回路と、
   この同期整流回路から出力された直流電圧を基準電圧と比較する比較器とを備えた静電容量式レベル検出装置。
2. 請求項１において、前記静電容量一電圧変換器は出力される交流電圧の大きさを切り換えるスイッチを有する静電容量式レベル検出装置。
3. 請求項２において、前記静電容量一電圧変換器は、反転入力端子が前記主電極に接続され、非反転入力端子が高周波発振器に接続された演算増幅器と、静電容量が異なる２つ以上のキャパシタとを有し、前記スイッチがこれらキャパシタのいずれか一つを前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続する静電容量式レベル検出装置。