JP2006322770A - 静電容量式レベル検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な回路構成を実現し、また収納容器内を空にしなくとも、容易に零点調整ができる静電容量式レベル検出装置を提供する。
【解決手段】 本装置は、収納容器Ｖ内に突出するように取り付けられて、収納容器Ｖ内の静電容量を検知し、検知した静電容量に逆比例した周波数で発振する発振周波数を出力する電極部Ａと、前記電極部Ａから出力された発振周波数から発振周期を得て、この検知した静電容量に比例する発振周期に基づき収納物Ｍのレベル位置に応じた検知信号を出力させる制御を行う制御部Ｂとを備える。この制御部Ｂは、さらに予め記憶された収納物Ｍの満杯時における位置高さおよびこの位置での発振周期と、零点調整時に計測される収納物Ｍの満杯時における位置から収納物Ｍのレベル位置までの高さ距離およびこのレベル位置での発振周期とを用いて、収納物Ｍの空の状態時における位置での発振周期を演算する零点調整部６を備える。
【選択図】 図３

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のレベル位置を検出する静電容量式のレベル検出装置に関する。

従来から、収容容器（タンク）内に突出するように電極部を取り付けて、タンク内の収納物のレベル位置に応じて変化する静電容量をブリッジ回路などを用いて計測する静電容量式のレベル検出装置が知られている。このレベル検出装置では、設置（再設置）時や装置較正時などに、タンク内が空の状態の検出（出力）値をゼロ表示（またはゼロ入力）近傍に調整する零点調整を行う必要がある。従来では、この零点調整に際して、実際にタンク内を一旦空の状態にする作業が必要であった。また、このタンク内が空の状態時と、満杯の状態時の計測を用いて、レベル位置の変化と検出（出力）値の比率を補正するスパン（感度）調整も行われる。

従来装置の一例として、収納容器内が空の状態のときに装置を作動させ、Ｃ（静電容量）／Ｆ（周波数）変換器の出力信号の周波数の変化を、予め定めたカウント時間内のサイクル数のカウント値で計測して、零点調整を行う本出願人によるレベル検出装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平１０−０３８６６２号公報

しかし、一般的に、従来装置は、検知した静電容量に逆比例した周波数を用いるものであり、簡易な回路構成の阻害要因となっていた。

また、従来装置の零点調整では、上記したように、実際に収納容器内を一旦空の状態にする必要があるため、零点調整作業が煩雑で手間がかかっていた。

本発明は、簡易な回路構成を実現し、また収納容器内を空にしなくとも、容易に零点調整ができる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、収納容器内の収納物のレベル位置を静電容量の変化に基づいて検知して検知信号を出力するものであって、収納容器内に突出するように取り付けられて、収納容器内の静電容量を検知し、検知した静電容量に逆比例した周波数で発振する発振周波数を出力する電極部と、前記電極部ら出力された発振周波数から発振周期を得て、この検知した静電容量に比例する発振周期に基づき収納物のレベル位置に応じた検知信号を出力させる制御を行う制御部とを備えている。

この構成によれば、電極部から出力された静電容量に基づく発振周波数から、静電容量に比例する発振周期を得て、この発振周期に基づいて収納物のレベル位置に応じた検知信号を出力するので、従来のように検知した静電容量に逆比例する発振周波数を使用するのと異なり、検知した静電容量に比例する発振周期を使用して収納物のレベル位置を検出することから、簡易な回路構成を実現できる。

好ましくは、前記制御部は、計測時に収納物のレベル位置に対応する前記電極部から出力された発振周波数を所定の繰り返し周期で計数して発振周期を得る周期カウンタと、予め記憶された収納物の満杯時の位置での発振周期および収納物が空の状態時の位置での発振周期に基づき、前記周期カウンタにより得られた発振周期から収納物のレベル位置を演算するレベル位置演算部と、収納物のレベル位置に応じた検知信号を出力する出力部とを備えている。したがって、より簡易な回路構成を実現できる。

好ましくは、前記制御部は、予め記憶された収納物の満杯時における位置高さおよびこの位置での発振周期と、零点調整時に計測される収納物の満杯時における位置から収納物のレベル位置までの高さ距離およびこのレベル位置での発振周期とを用いて、収納物の空の状態時における位置での発振周期を演算する零点調整部を備えている。したがって、収納容器内を空の状態にしなくとも、特定の演算により容易に零点調整ができる。

好ましくは、前記電極部はさらに収納容器に取り付けられた温度補償用コンデンサを備え、前記制御部は、温度補償用コンデンサからの周囲温度の変化による静電容量の変化に基づく発振周期の変化に基づいて、計測時の収納物のレベル位置での発振周期を補正して、検出レベル値の温度補償を行う。したがって、収納容器内外の温度変化に応じて、より高精度で安定性の高い検出が可能となる。

好ましくは、前記電極部はさらに収納容器内の底部に取り付けられた誘電率補償用電極を備え、前記制御部は、誘電率補償用電極からの収納物の誘電率の変化による静電容量の変化に基づく発振周期の変化に基づいて、計測時の収納物のレベル位置での発振周期を補正して、検出レベル値の誘電率補償を行う。したがって、収納物の誘電率の変化に応じて、より高精度で安定性の高い検出が可能となる。

また、好ましくは、前記収納容器が複数設けられ、各収納容器に取り付けられた各電極部を単一の制御部で制御を行う。したがって、装置を小型化できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレベル検出装置がタンクのような収納容器Ｖに取り付けられた状態を示す一部破断側面図である。図２は、このレベル検出装置の構成を示すブロック図である。このレベル検出装置は、図２のように、複数基の、例えば４基のタンクＶ（Ｖ１〜Ｖ４）内の粉体や液体のような収納物Ｍのレベル位置を静電容量の変化に基づいてそれぞれ検出するものであり、各タンクＶごとに設けられた電極部Ａ（Ａ１〜Ａ４）と、各電極部Ａを全体的に制御する単一の制御部（コントローラ）Ｂとを備えている。

図１の電極部Ａは、タンクＶ内に突出するように取り付けられて、タンクＶ内の静電容量を検知し、この計測静電容量Ｃ（Ｃｘ１〜Ｃｘ４）に逆比例した周波数で発振する発振周波数を出力する。この電極部Ａは、電極部本体Ａａと電極棒Ａｂとからなり、電極部本体Ａａは例えばタンクＶの上壁上に載置されて電極棒Ａｂを支持し、電極棒ＡｂはタンクＶの上壁面から底面に向けて平行に垂下された状態でタンクＶ内に突出している。電極棒Ａｂは、丸棒状の主電極とその外周を絶縁物を介して覆う筒状の接地電極とを有し、この接地電極は電極部本体Ａａを介してタンクＶに接触してアース電位に保持されており、検出目的値である収納物Ｍのレベル位置に応じた計測静電容量Ｃを検知する。電極部本体Ａａは、図示しない抵抗Ｒおよびスイッチからなる発振回路１（図２）を有している。

図２の発振回路１（１-1〜１-4）は、電極棒Ａｂにより検知した計測静電容量Ｃ（Ｃｘ１〜Ｃｘ４）と、抵抗Ｒとをスイッチ切換によりＣＲ発振させて発振周波数を出力させ、収納物Ｍのレベル位置（残量位置高さ）に応じた計測静電容量Ｃを交流の発振波形（電圧パルス列）にかえる。

各タンクＶの発振回路１（１-1〜１-4）から出力される発振周波数の発振波形は、図示しない選択切換手段（マルチプレクサ）により、選択的に単一の制御部（コントローラ）Ｂに入力される。つまり、４基のタンクＶ内の各計測を１つのルーチンとする時分割スキャニング方式を採用する。

制御部（コントローラ）Ｂは、電極部Ａから出力された発振周波数から発振周期を得て、この検知した計測静電容量Ｃに比例する発振周期に基づき収納物Ｍのレベル位置に応じた検知信号を出力させる制御を行うものであり、図３に示すように、ＣＰＵからなり、周期カウンタ２、レベル位置演算部３、出力部４およびメモリ５を備えている。各部は、メモリ５に予め格納されたプログラムにしたがって動作される。

周期カウンタ２は、計測時に収納物Ｍのレベル位置に対応する電極部Ａから出力された発振周波数を所定の繰り返し周期で計数して発振周期を得る。レベル位置演算部３は、予めメモリ５に記憶された収納物Ｍの満杯時の位置での発振周期および収納物Ｍが空の状態時の位置での発振周期に基づき、前記周期カウンタ２により得られた発振周期から収納物Ｍのレベル位置を演算する。出力部４は、収納物Ｍのレベル位置に応じた検知信号（DC電流出力）を出力する。メモリ５は、収納物Ｍの満杯時における位置高さおよびこの位置での発振周期、後述する零点調整部６により得られる収納物Ｍの空の状態時における位置高さおよびこの位置での発振周期などを記憶する。

本装置の制御部（コントローラ）Ｂは、さらに、予めメモリ５に記憶された収納物Ｍの満杯時における位置高さおよびこの位置での発振周期と、零点調整時に計測される収納物Ｍの満杯時における位置から収納物Ｍのレベル位置までの高さ距離およびこのレベル位置での発振周期とを用いて、収納物Ｍの空の状態時における位置での発振周期を演算する零点調整部６を備えている。

以下、上記構成を有する本装置の動作を図４を用いて説明する。図４はレベル位置検出および零点調整の動作を示す特性図である。まず、収納物Ｍのレベル位置を検出する動作について説明する。
１．電極部Ａから発振周波数の出力について
まず、電極部Ａで検知されるタンクＶ内の計測静電容量Ｃは、図４で示す検出目的値であるタンクＶ内の収納物Ｍのレベル位置（残量位置）ｂの高さＬtmpに比例する。
Ｃ＝Ｋ１・Ｌtmp …（１）
ただし、Ｋ１は定数

電極部Ａで検知されたこの収納物Ｍのレベル位置高さＬtmpに比例する計測静電容量Ｃは、発振回路１により、計測静電容量Ｃと抵抗ＲでＣＲ発振されて発振周波数が出力され、交流の発振波形（電圧パルス列）に変換される。発振周波数ｆ、発振周期Ｔとすれば、コンデンサのリアクタンスＸcは、Ｘc＝１／２πｆＣであるので、
ｆ＝（１／２πＸc）・（１／Ｃ）
＝Ｋ２・（１／Ｃ） …（２）
ただし、１／２πＸc＝Ｋ２（定数）
すなわち、電極部Ａから出力する発振周波数ｆは、タンクＶ内の収納物Ｍのレベル位置高さＬtmpに比例する計測静電容量Ｃに反比例する。

２．周期カウンタ２から発振周期の出力について
収納物Ｍのレベル位置高さＬtmpに対応して電極部Ａから出力された発振周波数は、周期カウンタ２により、繰り返し計測周期（例えば、100ms）の間隔で計数されて、発振周期がディジタル数値化される。Ｔ＝１／ｆであるから、この式に上式（２）を代入すると、
Ｔ＝１／ｆ
＝１／（Ｋ２／Ｃ）
＝Ｃ／Ｋ２ …（３）
つまり、計測静電容量Ｃは周期カウンタ２で得られた発振周期Ｔに比例する。式（３）に式（１）を代入すると、
Ｔ＝（Ｋ１／Ｋ２）・Ｌtmp
＝Ｋ・Ｌtmp …（４）
ただし、Ｋ＝Ｋ１／Ｋ２
したがって、周期カウンタ２で得られた発振周期Ｔから、タンクＶ内の収納物Ｍのレベル位置高さＬtmpを検出することができる。

３．収納物Ｍのレベル検出について
図４に示すように、上式（４）の比例関係を用いて、レベル位置演算部３により、予めメモリ５に記憶された満杯時の位置（SPAN位置）ｃの高さ（100％表示）での発振周期の計数値Ｔs、および空の状態時における残量ゼロ（ZERO）位置ａの高さ（0％表示）での発振周期の計数値Ｔzに基づいて、周期カウンタ２により得られた収納物Ｍのレベル位置ｂの高さ（Ｘ％表示）での発振周期の計数値Ｔxから、当該収納物Ｍのレベル位置ｂの高さ（Ｘ％表示）が演算される。すなわち、
Ｘ（％）＝（（Ｔx−Ｔz）／Ｔs）×１００ …（５）

そして、出力部４により、レベル位置高さ（Ｘ％表示）のＤ／Ａ変換が行われ、収納物Ｍの検出レベルに応じた検知信号（例えば、DC4〜20mA電流出力）が出力される。この信号は、次回の検知信号の更新時までホールドされる。

こうして、電極部Ａから出力された計測静電容量Ｃに基づく発振周波数から、計測静電容量Ｃに比例する発振周期を得て、この発振周期に基づいて収納物Ｍのレベル位置に応じた検知信号を出力するので、従来のように検知した計測静電容量に逆比例する発振周波数を使用するのと異なり、検知した計測静電容量Ｃに比例する発振周期を使用して容易に収納物Ｍのレベル位置を検出することから、簡易な回路構成を実現できる。

つぎに、零点調整部６の零点調整の動作について説明する。この零点調整は、タンクＶ内に収納物Ｍが所定量収納された状態で行われる。図４において、収納物Ｍの満杯時の位置（SPAN位置）ｃの高さＬ、およびこのSPAN位置ｃにおける発振周期の計数値Ｔsは既知であり、ともに予めメモリ５に記憶されている。なお、SPAN位置ｃの高さＬは、SPAN位置ｃから容器底部ｄまでの高さＬsから、残量ゼロ(ZERO)位置ａから容器底面までの高さＬzを差し引いたものである。例えばZERO位置ａは電極棒Ａｂの最下端の位置と等しく設定される。

零点調整時において、SPAN位置ｃから収納物Ｍのレベル位置ｂまでの高さ距離Ｌxが作業者により計測（検尺）され、この検尺値が入力部７から零点調整部６に入力される。また、周期カウンタ２によりこのレベル位置ｂにおける発振周期の計数値Ｔxも検出されて、零点調整部６に入力される。このとき、ZERO位置ａの高さ０、収納物Ｍのレベル位置ｂの高さＬtmp、SPAN位置ｃの高さＬと、それぞれの発振周期の計数値Ｔz、Ｔx、Ｔsとは、図４に示す比例関係にある。

図４から、レベル位置高さＬtmpは以下の式で表される。
Ｌtmp=（（Ｔx−Ｔz）／（Ｔs−Ｔz））・Ｌ …（６）
また、Ｌ＝Ｌx＋Ｌtmp …（７）
両式（６）、（７）からＬtmpを消去して、Ｔzを求めると、
Ｔz=Ｔs−（Ｔs−Ｔx）・（Ｌ／Ｌx） …（８）
こうして、零点調整部６により、ZERO位置ａにおける発振周期の計数値Ｔzが算出されて、この値を零点とする零点調整が行われる。

このように、タンクＶ内に収納物Ｍが所定量収納された状態であっても、タンクＶ内を一旦空の状態にすることなく、特定の演算により容易に零点調整を行うことができる。

つぎに、第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、図５において、電極部Ａ内に計測静電容量Ｃをもつコンデンサとは別に基準静電容量ＣＯをもつコンデンサを例えばタンクＶの外壁に取り付けるように設けることにより、温度補償を行うものである。その他の構成は第１実施形態と同様である。このコンデンサには酸化チタンコンデンサのような温度特性が安定した温度補償用コンデンサが用いられる。

制御部（コントローラ）Ｂは、温度補償用コンデンサからの温度の変化による静電容量の変化に基づく発振周期の変化に基づいて、計測時の収納物Ｍのレベル位置での発振周期を補正して、検出レベル値の温度補償を行う。すなわち、温度補償用コンデンサにおいて、周囲温度の変化に応じて基準静電容量ＣＯの値が変化するので、発振周期も変化し、温度変化分の発振周期Ｔref1を検出できる。コントローラＢは、収納物Ｍのレベル位置での発振周期Ｔから温度変化分の発振周期Ｔref1を加算または減算し、当該レベル位置での真の発振周期を得て、これによる検知信号を出力する。このように、タンクＶ内外の周囲温度が変化したときに生じる温度ドリフトを補償することができ、より高精度で安定性の高い検出が可能となる。

つぎに、第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、図６において、電極部Ａ内に電極棒Ａｂとは別に誘電率補償用電極をタンクＶの底部で、常に収納物Ｍで埋まっているような場所に設けることにより、誘電率補償を行うものである。その他の構成は第１実施形態と同様である。

制御部（コントローラ）Ｂは、誘電率補償用電極からの誘電率の変化による静電容量の変化に基づく発振周期の変化に基づいて、計測時の収納物Ｍのレベル位置での発振周期を補正して、検出レベル値の誘電率補償を行う。この誘電率補償は、例えば現像薬の洗浄液の使用前後による状態変化や、粉体の水分率の変化などにより、誘電率が変化する場合に用いられるもので、収納物Ｍの誘電率の変化に応じて誘電率補償用電極で計測された静電容量の値が変化するので、発振周期も変化し、誘電率変化分の発振周期Ｔref2を検出できる。コントローラＢは、収納物Ｍのレベル位置での発振周期Ｔから誘電率変化分の発振周期Ｔref2を加算または減算し、当該レベル位置での真の発振周期を得て、これによる検知信号を出力する。このように、タンクＶ内の誘電率の変化によるレベル検出値の変化を補償することができ、より高精度で安定性の高い検出が可能となる。

なお、上記各実施形態では、制御部（コントローラ）Ｂは複数基のタンクＶを制御しているが、１基のタンクＶのみを制御するようにしてもよい。

なお、上記各実施形態では、レベル検出装置は零点調整部６を有しているが、必要に応じて省略してもよい。

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一部破断した縦断面図である。 同実施形態のレベル検出装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。 同実施形態のレベル位置検出および零点調整の動作を示す特性図である。 第２実施形態のレベル検出装置の構成を示すブロック図である。 第３実施形態のレベル検出装置を収納容器に装着した状態を示す一部破断した縦断面図である。

符号の説明

１：発振回路
２：周期カウンタ
３：レベル位置演算部
４：出力部
５：メモリ
６：零点調整部
７：入力部
Ａ：電極部
Ａａ：電極部本体
Ａｂ：電極棒
Ｂ：制御部（コントローラ）
Ｍ：収納物
Ｖ：収納容器（タンク）

Claims (6)

1. 収納容器内の収納物のレベル位置を静電容量の変化に基づいて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、
   収納容器内に突出するように取り付けられて、収納容器内の静電容量を検知し、検知した静電容量に逆比例した周波数で発振する発振周波数を出力する電極部と、
   前記電極部から出力された発振周波数から発振周期を得て、この検知した静電容量に比例する発振周期に基づき収納物のレベル位置に応じた検知信号を出力させる制御を行う制御部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、
   前記制御部は、計測時に収納物のレベル位置に対応して前記電極部から出力された発振周波数を所定の繰り返し周期で計数して発振周期を得る周期カウンタと、予め記憶された収納物の満杯時の位置での発振周期および収納物が空の状態時の位置での発振周期に基づき、前記周期カウンタにより得られた発振周期から収納物のレベル位置を演算するレベル位置演算部と、収納物のレベル位置に応じた検知信号を出力する出力部とを備えている静電容量式レベル検出装置。
3. 請求項１において、さらに、
   前記制御部は、予め記憶された収納物の満杯時における位置高さおよびこの位置での発振周期と、零点調整時に計測される収納物の満杯時における位置から収納物のレベル位置までの高さ距離およびこのレベル位置での発振周期とを用いて、収納物の空の状態時における位置での発振周期を演算する零点調整部を備えている静電容量式レベル検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項において、前記電極部はさらに収納容器に取り付けられた温度補償用コンデンサを備え、
   前記制御部は、温度補償用コンデンサからの周囲温度の変化による静電容量の変化に基づく発振周期の変化に基づいて、計測時の収納物のレベル位置での発振周期を補正して、検出レベル値の温度補償を行う静電容量式レベル検出装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項において、前記電極部はさらに収納容器内の底部に取り付けられた誘電率補償用電極を備え、
   前記制御部は、誘電率補償用電極からの収納物の誘電率の変化による静電容量の変化に基づく発振周期の変化に基づいて、計測時の収納物のレベル位置での発振周期を補正して、検出レベル値の誘電率補償を行う静電容量式レベル検出装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項において、前記収納容器が複数設けられ、各収納容器に取り付けられた各電極部を単一の制御部で制御を行う静電容量式レベル検出装置。
   
   
   
   

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