JP2005127724A

JP2005127724A - レベルセンサ

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Publication number: JP2005127724A
Application number: JP2003360348A
Authority: JP
Inventors: Toshio Wakamatsu; 俊男若松; Hiroshi Wakamatsu; 博司若松; Sobai Kyo; 相培姜
Original assignee: TERUMO KOGYO KK
Current assignee: TERUMO KOGYO KK
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP4104527B2

Abstract

【課題】帯電の影響や外来ノイズの影響を受けることなく、計測対象物のレベル変化を精度良く検出することができるレベルセンサを提供する。
【解決手段】一対の電極６，７を有し、これらの電極６，７間に液体や粉体等の計測対象物９が介在される場合の電極６，７間の静電容量Ｃａの変化に応じて計測対象物９のレベル変化を検出するもので、両電極６，７のいずれか一方に電荷中和用の交流バイアス電圧を印加する交流発振器３と、電極６，７間の静電容量Ｃａの変化に応じて発する交流波の波形のデューティ比が変化するＣＲ型の自励発振器４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体や粉体等の計測対象物のレベル変化を検出するレベルセンサに係り、特にはレベル変化の検出精度を高めるための技術に関し、特に自動車の燃料タンク用として好適なレベルセンサに関するものである。

従来、たとえば、燃料タンクに貯留されるガソリン等の液量を検出するためのレベルセンサとして、タンク内に設置されたフロートの動きに応じて可変抵抗器の抵抗変化を検出し、その検出出力に基づいて液量を検出するようにしたものが使用されている。

ところが、このようなフロートと可変抵抗器を組み合わせた構成のレベルセンサは、タンク内にフロートの可動範囲を確保する必要上、タンクの寸法がいたずらに大きくなり、その結果、タンクの設計や設置のスペースに制約を受ける。また、自動車等では車体の傾きなどによってフロートが円滑に動作せず、レベル検出精度が悪くなる。さらに、フロートと可動抵抗器の機械的接触により摩耗が生じるので使用寿命が比較的短く、部品の交換の必要が生じたり、接点の酸化のために電気的な接触不良が生じたりするなどの不具合がある。

そこで、従来技術では、一対の電極間に介在される液体のレベル変化に伴い電極間で生じる静電容量の変化を検出するようにした静電容量方式のレベルセンサが提案されている（たとえば、下記の特許文献１，２等参照）。

上記の特許文献１，２等に記載されている静電容量方式のレベルセンサは、基本的な構成として、図１０に示すように、一対の電極Ｐ１，Ｐ２を液体中に浸漬するとともに、信号源ＯＳＣから正弦波等の交流信号を発生し、この交流信号を一方の電極Ｐ１に加える。このとき、液体のレベルに応じて電極Ｐ１，Ｐ２間で生じる静電容量Ｃａが変化し、この静電容量Ｃａの変化に伴って他方の電極Ｐ２から出力される交流信号の出力レベルが変化する。そこで、他方の電極Ｐ２から出力される交流信号を増幅器Ａｍｐで増幅した後、この増幅後の交流信号を整流平滑化するなどして平均化し、その平均値から液体のレベルを検知するようにしている。
特開２００１−１７４３１３号公報特開２００２−３１５５９号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２等に記載されているような従来の静電容量方式のレベルセンサは、未だ次の課題を残している。

（１）レベルセンサを構成する一対の各電極Ｐ１，Ｐ２は、その動きや人の接触などで静電気が生じて電極に自然帯電を生じることがある。このように、電極Ｐ１，Ｐ２に帯電が生じると、この帯電により生じる静電容量Ｃｂが誤差となり、本来、検出すべき計測対象物により生じる静電容量Ｃａを精度良く検出することが難しい。

（２）また、他方の電極Ｐ２から出力される交流信号に外来ノイズが重畳すると、交流信号を平均化した値も変化するため、この点からも静電容量Ｃａを精度良く検出することが難しい。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、帯電の影響や外来ノイズの影響を受けることなく、計測対象物のレベル変化を精度良く検出することができるレベルセンサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のレベルセンサは、一対の電極を有し、これらの電極間に液体や粉体等の計測対象物が介在される場合における上記電極間の静電容量の変化に応じて上記計測対象物のレベル変化を検出する静電容量方式のレベルセンサであって、
上記両電極のいずれか一方に対して電荷中和用の交流バイアス電圧を印加する第１発振器と、上記電極間の静電容量変化に応じて波形のデューティ比が変化する第２発振器とを備えることを要旨とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明の燃料タンク用レベルセンサは、一対の電極を有し、これらの電極間に燃料が介在される場合における上記電極間の静電容量の変化に応じて上記燃料のレベル変化を検出する静電容量方式の燃料タンク用レベルセンサであって、
上記両電極のいずれか一方に電荷中和用の交流バイアス電圧を印加する第１発振器と、上記電極間の静電容量変化に応じて波形のデューティ比が変化する第２発振器とを備えてなることを要旨とする。

すなわち、本発明のレベルセンサは、電荷中和用の第１発振器から電極に印加される交流バイアス電圧によって電極に生じる帯電が中和され、帯電の影響が除かれる。したがって、電極間に介在する計測対象物により生じる静電容量のみを検出することができる。また、第２発振器が発する信号における波形のデューティ比の変化を検出することで被検出物体のレベル変化を検知するので、外来ノイズの影響を受け難くなる。これらにより、従来よりも計測対象物のレベル変化を一層精度良く検出することが可能になる。

本発明のレベルセンサにおいて、上記第２発振器には、その信号入力側または信号入力側にダイオードが接続されている場合には、ダイオードにより半波整流されるため、発振出力のフルスケールレベルが小さく抑えられ、その後の信号処理の取り扱いが容易になる。

本発明のレベルセンサにおいて、上記第２発振器は、演算増幅器を有し、この演算増幅器のプラス端子側には発振出力レベル調整用の可変抵抗が接続されている場合には、電極間に介在される液体等の計測対象物の種類によって誘電率が種々異なる場合でも、可変抵抗によって発振出力レベルを適切に調整することができる。このため、その後の信号処理の取り扱いが容易になる。

本発明のレベルセンサにおいて、上記第１発振器と第２発振器は、単一の発振器が兼用された状態で存在するものである場合には、極めて構造が簡素化し、部品点数も少なくてすみ、コストダウンと小型化に有利なものとなる。

また、本発明の燃料タンク用レベルセンサは、電荷中和用の第１発振器から電極に印加される交流バイアス電圧によって電極に生じる帯電が中和され、帯電の影響が除かれる。したがって、電極間に介在する計測対象物により生じる静電容量のみを検出することができる。また、第２発振器が発する信号における波形のデューティ比の変化を検知するので、外来ノイズの影響を受け難くなる。これらにより、従来よりも計測対象物のレベル変化を一層精度良く検出することが可能になる。しかも、燃料タンクの寸法を必要以上に大きくする必要がなくなり、タンクの設計や設置スペースの確保が容易になる。しかも、電気的変化によって計測対象物のレベル変化を検出するので機械的な可動部分がなく、したがって、長寿命化を実現することができる。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明の第１実施例に係るレベルセンサの全体を示す構成図である。

この実施例における静電容量方式のレベルセンサ１は、静電容量変化検出用のプローブ２、電荷中和用として設けられた本発明の第１発振器として機能する交流発振器３、および本発明の第２発振器として機能するＣＲ型の自励発振器４を主体に構成されている。

上記のプローブ２は、共に円管状をした一対の内側電極６と外側電極７とがスペーサ８によって所定の間隔を存して同心状に配置保持された二重管構造のものである。図中ａ，ｂは、プローブ２の内側電極６および外側電極７に結線されたケーブルと、交流発振器３，自励発振器４およびアースに接続されたケーブルとの接点である。

そして、内側電極６は接地され、外側電極７には交流発振器３、およびダイオードＤを介してＣＲ型の自励発振器４がそれぞれ接続されている。図において、１０はシールドケーブルであり、内側電極６および外側電極７に接続されるケーブルに巻回されて接地されている。

プローブ２を構成する各電極６，７として、金属等からなる母材がそのまま外部に露出していると、計測対象物９が導電性のものでは、プローブ２に触れた瞬間に両電極６，７間が短絡状態になってレベル変化を検出するのが困難となる。このため、この実施の形態では、各電極６，７は、図２に示すように、金属からなる導電性の母材１１の外周を絶縁層１２で均一な厚さに被覆している。

特に、母材１１がステンレス鋼である場合には、高誘電性の絶縁被覆としてポリモノクロロパラキシリレン樹脂やポリパラキシリレン等のポリパラキシリレン系樹脂（例えばスリーボンド社製パリレン樹脂），フッ素系樹脂，シリコーン系樹脂等の樹脂被覆を好適に用いることができる。これらの樹脂被覆によれば、濡れ性が悪く撥油性や撥水性に優れるため、各電極６，７表面での液の切れがよく、液面の検知精度に優れるからである。特に、ポリパラキシリレン系樹脂では、耐薬品性に優れるうえ、電気絶縁性や誘電特性にも優れ、熱的にも安定で高温下や低温下での使用に耐えることから、各種レベルセンサ特に燃料タンク用のレベルセンサとして好適である。

また、特に、母材１１がＡｌ（アルミニウム）の場合には、絶縁層１２としてＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を含むＡｌとＯを含有するガラス質のセラミックコーティングが施される。このように、Ａｌからなる母材１１の上にＡｌ_２Ｏ_３を含むＡｌとＯを含有するガラス質のセラミックコーティングを絶縁層１２として形成すると、この絶縁層１２は、母材１１表面近傍ではＡｌ濃度が高くて非晶質状態にあり、母材１１近傍から離れて外表面に近づくほどＡｌ濃度が低くなるいわゆる傾斜機能を有する材料であり、コーティングの密着性や耐食性等の特性を改善することができる。

また、上記内側電極６は、その下端にテーパー状に尖った錐状部材が取り付けられており、テーパー状の部分は外側電極７の下端よりも下側に突出するよう配置されている。すなわち、内側電極６と外側電極７の間のクリアランスは、プローブの長さ方向の全体にわたって実質的に均一に設定されており、検出精度の確保がなされている。また、内側電極６の先端をテーパー状に尖らせることにより、プローブ下端部分の液切れがよくなり、液面がプローブの下端付近になった場合の検出精度を確保している。

一方、上記交流発振器３は、プローブ２を構成する外側電極７に電荷中和用の交流バイアス電圧を印加するためのもので、たとえば、演算増幅器Ａ２、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３およびコンデンサＣ１１を備えて構成されている。なお、この実施の形態のように外側電極７に印加する交流バイアス電圧としては、正弦波の外に矩形波や三角波であってもよい。なお、上記交流発振器３の構成としては、ここに例示したものに限定するものではなく、各種の構成のものを採用することができる。

また、ＣＲ型の自励発振器４は、プローブ２の電極６，７間の静電容量変化に応じて発すリ信号のデューティ比が変化するものであって、演算増幅器Ａ１を有し、この演算増幅器Ａ１のプラス端子側には正帰還用抵抗Ｒ１、および電源電圧Ｖｃｃを分圧する抵抗Ｒ３，Ｒｖが接続されている。特に、分圧用の抵抗Ｒ３，Ｒｖの内、一方の抵抗Ｒｖは発振出力レベル調整用の可変抵抗として接続されている。

また、演算増幅器Ａ１のマイナス端子側には負帰還用抵抗Ｒ２が接続されるとともに、ダイオードＤおよびプローブ２の電極６，７間に計測対象物９が介在された場合に生じる静電容量Ｃａが接続される。なお、上記ＣＲ型の自励発振器４の構成としては、ここに例示したものに限定するものではなく、各種の構成のものを採用することができる。

したがって、この実施の形態におけるレベルセンサ１は、概念的には、図３に示すような構成となる。つまり、ＣＲ型の自励発振器４は、ダイオードＤおよびプローブ２の電極６，７間に生じる静電容量Ｃａを回路素子として全体が構成される。

なお、この実施の形態のようにダイオードＤを設けると、発振出力のフルスケールレベルが小さく抑えられ、その後の信号処理の取り扱いが容易になる利点があるが、ダイオードＤを省略することも可能である。また、可変抵抗Ｒｖの抵抗値を調整することにより、電極６，７間に介在される液体等の計測対象物９の種類によって誘電率が種々異なる場合でも、発振出力レベルを適切に設定することができるので、この点でもその後の信号処理の取り扱いが容易になる。

この実施の形態のレベルセンサ１の作用について、自動車用の燃料タンクの液量を検出するために使用する場合を例にとって説明する。

まず、プローブ２の寸法関係であるが、自動車の燃料タンク用のレベルセンサに適用した場合、外側電極７の外形は約１０〜１５ｍｍ程度、内側電極６と外側電極７の間隔は、約１〜３ｍｍ程度に設定される。

いま、燃料タンク内に貯留されているガソリン等の液体９中にプローブ２を浸漬した状態において、交流発振器３から外側電極７に交流バイアス電圧が印加される。これによって両電極間６，７に生じる帯電が中和されるので、電極６，７間に介在する液体９により生じる静電容量Ｃａのみを検出することができる。

ここで、プローブ２を液体９中に浸漬したときに両電極６，７間に生じる静電容量をＣａ、演算増幅器Ａ１に接続されている各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒｖにより決まる回路定数をＲとすると、自励発振器４の発振周波数ｆは、次式で与えられる。
ｆ＝１／（２π√Ｒ・Ｃａ）

上式から分かるように、液体９の液面レベルが高くなると静電容量Ｃａが大きくなるので、自励発振器４の発振周波数ｆは低くなる。これとは逆に、液面のレベルが低くなると静電容量Ｃａが小さくなるので、自励発振器４の発振周波数ｆは高くなる。

また、上記自励発振器４では、発信周波数が変化するだけでなく、発する信号における波形のデューティ比が変化するのである。すなわち、上記自励発振器４は、図４に示すような、鋸型の三角波を発し、その１サイクル分の時間をＴ、波形の立ち上がり初期から頂点までの時間をｔ_１、頂点から波形の最後までの時間をｔ_２としたとき、そのデューティ比Ｄは次式で表される。なお、Ｖａは三角波の最大電圧である（図１および図４参照）。
Ｄ＝ｔ_１／Ｔ＝〔Ｃａ・Ｒｖ・ｌｎ（Ｖａ／Ｖｃｃ）〕／Ｔ

そして、液体９の液面レベルが高くなると静電容量Ｃａが大きくなり、デューティ比Ｄが大きくなる。これとは逆に、液面のレベルが低くなると静電容量Ｃａが小さくなって、デューティ比Ｄが小さくなる。

このように、液体９のレベル変化に応じて自励発振器４の発振周波数ｆが変化するので、この自励発振器４から出力される信号の発振周波数ｆをたとえばスペクトラムアナライザ等で計測することにより、燃料タンクの液量を検出することができる。しかも、静電容量Ｃａに対応する発振周波数ｆを検出するようにすれば、外来ノイズの影響を受け難くなるため、従来よりも液体９のレベル変化を一層精度良く検出することが可能になる。

また、液体９のレベル変化に応じて自励発振器４のが発する波形のデューティ比Ｄが変化するので、その交流波を平滑化して出力し、電位レベルの大小として検出することもできる。このようにすることにより、外来ノイズの影響を受け難くなるため、従来よりも液体９のレベル変化を一層精度良く検出することが可能になる。

図５は、本発明の第２実施例を示す。

この例は、上記第１発振器と第２発振器が、単一の発振器が兼用された状態で存在するものである。

このレベルセンサ１は、プローブ２と、電荷中和用の第１発振器ならびに第２発振器として機能するオシレータ１５とを備えている。１６は上記オシレータから出力された交流波を平滑化する平滑回路、１７は平滑回路１６から出力された平滑波を増幅するオペアンプ、１８はオペアンプ１７から出力された平滑波の電位を上限値および下限値と比較する比較器である。この比較器１８は、上記オペアンプ１７から出力された平滑波の電位が上限値を越えるかあるいは下限値を下回ると信号を出力し、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２に出力される。ＯＵＴ１はＬＥＤであり、ＯＵＴ２は出力端子である。

上記プローブ２は、図１に示したものと同様のものであり、シールドケーブル１０も図１と同様のものが設けられている。

そして、内側電極６は接点ａに接続され、外側電極７は接点ｂに接続されている。

上記オシレータ１５は、プローブ２の電極６，７間における静電容量Ｃｓの変化に応じて発振周波数が変化するものであって、たとえば、演算増幅器ＩＣ１と、この演算増幅器ＩＣ１のプラス側電圧に接続される正帰還用抵抗Ｒ２１，負帰還用抵抗Ｒ２２およびコンデンサＣ１を備えて構成されている。上記演算増幅器ＩＣ１のプラス端子側には発振出力レベル調整用の可変抵抗Ｔ１が接続されており、電極６，７間に介在する液体等の計測対象物９の種類によって誘電率が種々異なる場合でも、上記可変抵抗Ｔ１によって発振出力レベルを適切に調整することができる。

また、演算増幅器ＩＣ１のマイナス端子側には負帰還用抵抗Ｒ２２が接続されるとともに、接点ａを介してプローブ２の電極６，７間に計測対象物９が介在された場合に生じる静電容量Ｃａが接続される。

すなわち、接点ａは演算増幅器ＩＣ１のマイナス側端子に接続されるとともに、点Ｊを介して抵抗Ｒ２２およびコンデンサＣ１の一方の電極に接続されている。接点ｂはコンデンサＣ１の他方の電極に接続されている。

図において、逆三角形に記された印は電源であり、下部頂点に結線された電極はプラス電極であり、演算増幅器ＩＣ１のプラス側端子に接続されている。上辺に結線された電極はマイナス電極であり、１つは可変抵抗Ｔ１を介して演算増幅器ＩＣ１のプラス側端子に接続され、１つは接点ｂおよびコンデンサＣ１の上記他方電極に接続されている。

上記構成により、オシレータ１５のコンデンサＣ１とプローブ２により構成されるコンデンサＣｓとは、図６（ａ）に示すような曲線を呈して充放電を繰り返す（点Ｊにおける電圧値である）。そうすると、演算増幅器ＩＣ１の出力電圧（点Ｋにおける電圧値である）は、図６（ｂ）に示すような矩形波が出力される。

したがって、液体９の液面レベルが上昇すると静電容量Ｃａが大きくなるので、オシレータ１５が発する波形のデューティ比Ｄは大きくなる。これとは逆に、液面のレベルが低くなると静電容量Ｃａが小さくなるので、オシレータ１５が発する波形のデューティ比Ｄは小さくなる。

例えば、液体９の液面レベルが上昇すると、オシレータ１５が発する波形のデューティ比Ｄが大きくなる結果、オシレータ１５のコンデンサＣ１とプローブ２により構成されるコンデンサＣｓとは、図６（ａ）に示すような曲線を呈して充放電を繰り返し（点Ｊにおける電圧値である）、演算増幅器ＩＣ１の出力電圧（点Ｋにおける電圧値である）は、図６（ｂ）に示すような矩形波が出力される。

反対に、液体９の液面レベルが下降すると、オシレータ１５が発する波形のデューティ比Ｄが小さくなる結果、オシレータ１５のコンデンサＣ１とプローブ２により構成されるコンデンサＣｓとは、図７（ａ）に示すような曲線を呈して充放電を繰り返し（点Ｊにおける電圧値である）、演算増幅器ＩＣ１の出力電圧（点Ｋにおける電圧値である）は、図７（ｂ）に示すような矩形波が出力される。

図６（ｂ），図７（ｂ）に示した演算増幅器ＩＣ１の出力電圧は、平滑回路１６に入力される。平滑回路１６は、演算増幅器ＩＣ１の出力側に接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の出力側に接続されたコンデンサＣ２とマイナス電源とから構成されている。

図６（ｂ），図７（ｂ）に示した演算増幅器ＩＣ１の出力電圧は、上記平滑回路１６を通過することにより、それぞれ図６（ｃ），図７（ｃ）に示す平滑波に平滑化される。すなわち、図６（ｂ）は液面９が比較的高いレベルの場合、図７（ｂ）は液面９が比較的低いレベルの場合における演算増幅器ＩＣ１の出力電圧であり、これらが平滑化された液面９が比較的高いレベルの場合の平滑波は図６（ｃ）に示す状態であり、液面９が比較的低いレベルの場合の平滑波は図７（ｃ）に示す状態である。したがって、液面のレベルの昇降に対応して平滑波のレベルが昇降することになる。

そして、上記演算増幅器ＩＣ１の出力電圧は、上記平滑回路１６を通過することにより、図示の点Ｌにおいて、それぞれ図６（ｃ），図７（ｃ）に示す平滑波になり、上記デューティ比Ｄが変化することから、その電位レベルは図７（ｃ）よりも図６（ｃ）の方が高くなる。

上記平滑波は、オペアンプ１７で増幅されて比較器１８に入力される。上記オペアンプは、演算増幅器ＩＣ２および可変抵抗Ｔ２，Ｔ３を備え、上記可変抵抗Ｔ２，Ｔ３により増幅レベルを調節可能になっている。

上記比較器１８は、演算増幅器ＩＣ３，ＩＣ４および可変抵抗Ｔ４を備えている。上記演算増幅器ＩＣ３において入力された平滑波の電位レベルと予め設定された上限値とを比較し、平滑波の電位レベルが上限値を越えている場合に所定の電圧を出力する（図示の点Ｍ）。上記演算増幅器ＩＣ４において入力された平滑波の電位レベルと予め設定された下限値とを比較し、平滑波の電位レベルが下限値を下回った場合に所定の電圧を出力する（図示の点Ｍ）。上記可変抵抗Ｔ４により、上限値や下限値のレベルを調節できるようになっている。

上記比較器１８の出力は、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２に入力され、ＬＥＤを発光させたり、その他の機器を動作させたりすることができるようになっている。

この例では、オシレータ１５の点Ｊでの電圧波形が、図６（ａ），図６（ｂ）のような交流波を呈し、この交流波が交流バイアス電圧として接点ａを介して内側電極６に印加されている。このように、本実施の形態では、オシレータ１５が、両電極６，７の一方に電荷中和用の交流バイアス電圧を印加する第１発振器と、上記電極６，７間の静電容量変化に応じて発振周波数が変化する第２発振器とが兼用された状態で存在しているのである。

このように、液体９のレベル変化に応じて自励発振器４の発する波形のデューティ比が変化するので、この自励発振器４から出力される交流波を平滑化して出力し、電位レベルの大小として検出することができる。

図８は、本発明の第３実施例を示す。

この例も上記第１発振器と第２発振器が、単一の発振器が兼用された状態で存在するものであり、実質的に第２実施例と同様の作用効果を奏するものであり、同様の部分には同じ符号を付している。

すなわち、１５はプローブ２と接続された電荷中和用の第１発振器ならびに第２発振器として機能するオシレータである。１６は上記オシレータから出力された交流波を平滑化する平滑回路、１７は平滑回路１６から出力された平滑波を増幅するオペアンプ、１８はオペアンプ１７から出力された平滑波の電位を上限値および下限値と比較する比較器である。この比較器１８は、上記オペアンプ１７から出力された平滑波の電位が上限値を越えたときおよび下限値を下回るときに信号を出力し、それぞれＬＥＤ（Ｄ２，Ｄ３）を点燈させるようになっている。

なお、図において、１９はオシレータ１５のＩＣ３を駆動するためのクロックパルスを発生させるパルス発生回路であり、２０は波形を整える反転回路である。

上記オシレータ１５は、プローブ２の電極６，７間における静電容量Ｃｓの変化に応じて発振周波数が変化するものであって、たとえば、演算増幅器（マルチバイブレータ）ＩＣ３と、この演算増幅器ＩＣ３に接続される抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ４を備えて構成されている。上記演算増幅器ＩＣ１には発振出力レベル調整用の可変抵抗Ｔｒ１が接続されており、電極６，７間に介在する液体等の計測対象物９の種類によって誘電率が種々異なる場合でも、上記可変抵抗Ｔｒ１によって発振出力レベルを適切に調整することができる。

また、演算増幅器ＩＣ１に接続されたコンデンサＣ４と並列にプローブ（Ｓｅｎ）が接続されている。すなわち、プローブ２の一方の電極はコンデンサＣ４の一方の電極に接続され、他方の電極はコンデンサＣ４の他方の電極に接続されている。

図において、逆三角形に記された印は電源であり、上辺に結線された電極はマイナス電極であり、演算増幅器ＩＣ３の８端子に接続されるとともにコンデンサＣ４の一方の電極に接続されている。一方、下部頂点に結線された電極はプラス電極であり、１つは演算増幅器ＩＣ３の３，５，１６端子に接続され、もう１つは可変抵抗Ｔｒ１、抵抗Ｒ３を介してコンデンサの他方電極およびＩＣ３の２端子に接続されている。

例えば、液体９の液面レベルが上昇すると、オシレータ１５が発する波形のデューティ比Ｄが大きくなる結果、オシレータ１５のコンデンサＣ４とプローブ２により構成されるコンデンサＣｓとは、図６（ａ）に示すような曲線を呈して充放電を繰り返し、演算増幅器ＩＣ３の出力電圧は、図６（ｂ）に示すような矩形波が出力される。

反対に、液体９の液面レベルが下降すると、オシレータ１５が発する波形のデューティ比Ｄが小さくなる結果、オシレータ１５のコンデンサＣ４とプローブ２により構成されるコンデンサＣｓとは、図７（ａ）に示すような曲線を呈して充放電を繰り返し、演算増幅器ＩＣ３の出力電圧は、図７（ｂ）に示すような矩形波が出力される。

図６（ｂ），図７（ｂ）に示した演算増幅器ＩＣ３の出力電圧は、平滑回路１６に入力される。平滑回路１６は、演算増幅器ＩＣ３の出力側に接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の出力側に接続されたコンデンサＣ５とマイナス電源とを含んで構成されている。

図６（ｂ），図７（ｂ）に示した演算増幅器ＩＣ３の出力電圧は、上記平滑回路１６を通過することにより、それぞれ図６（ｃ），図７（ｃ）に示す平滑波に平滑化される。すなわち、図６（ｂ）は液面９が比較的高いレベルの場合、図７（ｂ）は液面９が比較的低いレベルの場合における演算増幅器ＩＣ３の出力電圧であり、これらが平滑化された液面９が比較的高いレベルの場合の平滑波は図６（ｃ）に示す状態であり、液面９が比較的低いレベルの場合の平滑波は図７（ｃ）に示す状態である。したがって、液面のレベルの昇降に対応して平滑波のレベルが昇降することになる。

そして、上記演算増幅器ＩＣ３の出力電圧は、上記平滑回路１６を通過することにより、それぞれ図６（ｃ），図７（ｃ）に示す平滑波になり、上記デューティ比Ｄが変化することから、その電位レベルは図７（ｃ）よりも図６（ｃ）の方が高くなる。

上記平滑波は、オペアンプ１７で増幅されて比較器１８に入力される。上記オペアンプは、演算増幅器ＩＣ２および可変抵抗Ｔｒ２を備え、上記可変抵抗Ｔｒ２により増幅レベルを調節可能になっている。

上記比較器１８は、演算増幅器ＩＣ４，ＩＣ４および可変抵抗Ｔｒ４，Ｔｒ３を備えている。上記演算増幅器ＩＣ４において入力された平滑波の電位レベルと予め設定された上限値とを比較し、平滑波の電位レベルが上限値を越えている場合に所定の電圧を出力する。また、上記演算増幅器ＩＣ４において入力された平滑波の電位レベルと予め設定された下限値とを比較し、平滑波の電位レベルが下限値を下回った場合にも所定の電圧を出力する。上記可変抵抗Ｔｒ３，Ｔｒ４により、上限値や下限値のレベルを調節できるようになっている。

上記比較器１８の出力は、ＬＥＤ（Ｄ２，Ｄ３）を発光させたり、その他の機器を動作させたりすることができるようになっている。

この実施例では、デジタル回路で構成されるため、温度変化に対する安定性が高く、より高精度なレベル検知を行うことができる。

図９は、本発明の第４実施例を示す。

この例は、基本的に図１に示すものと同様であるが、内側電極６としてパイプ状のものではなく、ムクの棒状のものを用いている。それ以外は図１に示すものと同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。このものでも同様の作用効果を奏する。

なお、上記の各実施例では、レベルセンサ１を燃料タンクの液量を検出する場合を例にとって説明したが、本発明はこのような用途のものに限定されるものではなく、計測対象物９が湯液や試薬等の各種の液体や、食品類の粉体や粒体等のようなものに対しても広く適用することが可能である。この場合、計測しようとする計測対象物９の物性等により、外側電極７の外形や内側電極６と外側電極７の間隔等、プローブ２の寸法関係は適宜変更される。

また、上記各実施例では、プローブ２は、円管状をした一対の内側電極６と外側電極７とを同心状に配置した二重管構造のものであったが、内側電極６は円柱状のものであってもよい。さらに、両電極６，７は共に板状のものであってもよい。要するに、プローブ２は一対の電極間に液体等の計測対象物９が介在されることで静電容量が変化するものであれば特に形状は限定されない。

本発明に係るレベルセンサによれば、電荷中和用の第１発振器から電極に印加される交流バイアス電圧によって電極に生じる帯電が中和され、帯電の影響が除かれる。したがって、電極間に介在する計測対象物により生じる静電容量のみを検出することができる。また、第２発振器が発する信号のデューティ比の変化を検出することで被検出物体のレベル変化を検知するので、外来ノイズの影響を受け難くなる。これらにより、従来よりも計測対象物のレベル変化を一層精度良く検出することが可能になる。

また、本発明の燃料タンク用レベルセンサによれば、電荷中和用の第１発振器から電極に印加される交流バイアス電圧によって電極に生じる帯電が中和され、帯電の影響が除かれる。したがって、電極間に介在する計測対象物により生じる静電容量のみを検出することができる。また、第２発振器が発する信号のデューティ比の変化を検出することで被検出物体のレベル変化を検知するので、外来ノイズの影響を受け難くなる。これらにより、従来よりも計測対象物のレベル変化を一層精度良く検出することが可能になる。しかも、燃料タンクの寸法を必要以上に大きくする必要がなくなり、タンクの設計や設置スペースの確保が容易になる。しかも、電気的変化によって計測対象物のレベル変化を検出するので機械的な可動部分がなく、したがって、長寿命化を実現することができる。

本発明の第１実施例に係るレベルセンサの全体を示す構成図である。上記レベルセンサにおいてプローブを構成する電極の断面図である。本発明のレベルセンサの概念的な基本構成図である。自励発振器が発する信号の波形を説明する図である。本発明の第２実施例のレベルセンサを示す構成図である。上記レベルセンサによる電圧波形を示す図であり、（ａ）はＪ点、（ｂ）はＫ点、（ｃ）はＬ点における波形である。上記レベルセンサによる電圧波形を示す図であり、（ａ）はＪ点、（ｂ）はＫ点、（ｃ）はＬ点における波形である。本発明の第３実施例のレベルセンサを示す構成図である。本発明の第４実施例のレベルセンサを示す構成図である。従来の静電容量方式のレベルセンサの概念的な基本構成図である。

符号の説明

１レベルセンサ
２プローブ
３交流発振器
４自励発振器
６内側電極
７外側電極
８スペーサ
９液体，液面
９計測対象物
１０シールドケーブル
１１母材
１２絶縁層
１５オシレータ
１６平滑回路
１７オペアンプ
１８比較器
１９パルス発生回路
２０反転回路

Claims

一対の電極を有し、これらの電極間に液体や粉体等の計測対象物が介在される場合における上記電極間の静電容量の変化に応じて上記計測対象物のレベル変化を検出する静電容量方式のレベルセンサであって、
上記両電極のいずれか一方に対して電荷中和用の交流バイアス電圧を印加する第１発振器と、上記電極間の静電容量変化に応じて波形のデューティ比が変化する第２発振器とを備えることを特徴とするレベルセンサ。
上記第２発振器には、その信号入力側または信号入力側にダイオードが接続されている請求項１記載のレベルセンサ。
上記第２発振器は、演算増幅器を有し、この演算増幅器のプラス端子側には発振出力レベル調整用の可変抵抗が接続されている請求項１記載または２記載のレベルセンサ。
上記第１発振器と第２発振器は、単一の発振器が兼用された状態で存在するものである請求項１〜３のいずれか一項に記載のレベルセンサ。
一対の電極を有し、これらの電極間に燃料が介在される場合における上記電極間の静電容量の変化に応じて上記燃料のレベル変化を検出する静電容量方式の燃料タンク用レベルセンサであって、
上記両電極のいずれか一方に電荷中和用の交流バイアス電圧を印加する第１発振器と、上記電極間の静電容量変化に応じて波形のデューティ比が変化する第２発振器とを備えてなることを特徴とする燃料タンク用レベルセンサ。