JP2013221751A

JP2013221751A - 液体濃度検出装置

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Publication number: JP2013221751A
Application number: JP2012091364A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Kawaguchi; 泰典川口; Toshiaki Fukuhara; 聡明福原; Shimpei Kato; 慎平加藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: JP6075965B2

Abstract

【課題】静電容量で液位を検出する際、液体の温度で誘電率を補正することができ、液体中の特定成分の濃度及び液位を正確に検出することができる液体濃度検出装置を提供する。
【解決手段】タンク７内のエタノール濃度を測定する場合、ＣＰＵ３２からの駆動信号によってスイッチ２７がオンになると、温度検出部２６は、サーミスタ１９の両端電圧を検出し、サーミスタ１９の抵抗値から燃料温度Ｔを算出する。また、誘電率検出部２５は、誘電率センサ１８によって静電容量Ｃεを検出する。制御部３０は、誘電率センサ１８によって検出された静電容量（誘電率ε）Ｃεと、サーミスタ１９によって検出された燃料温度Ｔとから、テーブル３３ａを参照し、エタノール濃度Ｅを求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体中の特定成分の濃度を検出する液体濃度検出装置に関する。

従来、自動車用に使用される燃料であるエタノール混合ガソリンでは、燃料の誘電率を検出することで、エタノール濃度を測定することが行われる。

この種の先行技術として、アルコールセンサの出力によって内燃機関に供給される燃料量を制御する際、アルコール混合燃料の流路の途中で静電容量を検出する装置が知られている（特許文献１）。

また、電極間での被検査液体の比誘電率の変化を発振周波数で計測することによって、被検査液体中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出装置が知られている（特許文献２）。

また、気中と液中の静電容量の差で液位を検知する静電容量方式により、タンク内の液位を検出する液位検出装置が知られている（特許文献３参照）。この文献には、常時液中に浸漬された基準電極の電極間容量で液体の誘電率を算出し、この誘電率を用いて櫛歯電極の電極間容量から液位を検出することが示されている。

特開昭５６−９８５４０号公報特許３５８０５４７号公報特開昭６３−７９０１６号公報

しかしながら、従来の液体濃度検出装置には、つぎのような問題があった。すなわち、気中と液中の静電容量の差でタンク内の液位を検出する際、液体の誘電率は温度によって変化するので、エタノール濃度及び液位を正確に検出することが困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電容量で液位を検出する際、液体の温度で誘電率を補正することができ、液体中の特定成分の濃度及び液位を正確に検出することができる液体濃度検出装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る液体濃度検出装置は、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１）液体中の特定成分の濃度を検出する液体濃度検出装置であって、
前記液体の誘電率を検出する誘電率検出部と、
前記液体の温度を検出する温度検出部と、
前記誘電率検出部によって検出された誘電率及び前記温度検出部によって検出された温度に対応する前記液体中の特定成分の濃度を算出する濃度算出部と、
静電容量を検出し、前記検出された静電容量及び前記誘電率検出部によって検出された誘電率に基づき、前記液体の液位を検出する液位検出部と、
を備えること。
（２）上記（１）の構成の液体濃度検出装置であって、
前記液位検出部は、前記液体が滞留するタンク内の鉛直方向に延びた検知電極及び接地電極を有し、前記検知電極及び接地電極間の静電容量を検出し、前記検出された静電容量及び前記誘電率検出部によって検出された誘電率に基づき、前記タンク内の液位を検出し、
前記誘電率検出部は、前記タンクの底側に配置され、前記接地電極と対向する基準電極及び前記接地電極間の静電容量を検出することにより前記液体の誘電率を検出すること。
（３）上記（２）の構成の液体濃度検出装置であって、
前記温度検出部は、前記タンク内の鉛直方向に延びた導電部材の、前記タンク内の警告液位に相当する高さの位置に設けられ、
前記温度検出部によって検出された温度をもとに、前記液体が前記警告液位より下がっているか否かを判別すること。

上記（１）〜（３）の構成の液体濃度検出装置によれば、静電容量で液位を検出する際、液体の温度で誘電率を補正することができ、液体中の特定成分の濃度及び液位を正確に検出することができる。

本発明によれば、静電容量で液位を検出する際、液体の温度で誘電率を補正することができ、液体中の特定成分の濃度及び液位を正確に検出することができる。

また、温度検出部がタンク内の警告液位の高さに位置するので、液中と気中の温度差により、液面が警告液位にあることを正確に検出することができる。

また、容量検出部、誘電率検出部及び温度検出部を同一のプリント基板で形成することができ、液中の特定成分の濃度、液位、残燃料警告の機能を集約することができる。これにより、安価な静電容量式の液位検出装置が提供可能となる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、実施形態における液体濃度検出装置１の概略的な構成を示す図である。図２は、液体濃度検出装置１の電気的構成を示す図である。図３は、燃料温度Ｔと静電容量（誘電率ε）Ｃεとエタノール濃度Ｅとの関係を示すグラフである。図４は、液位センサ９の出力特性を示すグラフである。図５は、エタノール濃度及び液位検出動作手順を示すフローチャートである。

本発明の実施形態における液体濃度検出装置について図面を用いて説明する。本実施形態の液体濃度検出装置は、液体としてエタノール混合ガソリン（燃料）中のエタノール濃度を検出し、また、静電容量方式により液体が滞留するタンク内の液位を検出するものである。

図１は実施形態における液体濃度検出装置１の概略的な構成を示す図である。液体濃度検出装置１は、センサ部５、検出回路２０、制御部３０及びメータ４０から構成される。

センサ部５は、プリント基板で形成され、タンク７内に収容される。同一のプリント基板に、液位センサ９、接地電極１２、導電部材１５、誘電率センサ１８及びサーミスタ１９が実装される。

接地電極１２は、タンク７内の鉛直方向に延び、一面が液位センサ９の櫛歯電極９ａと対向する櫛歯電極１２ａ及び誘電率センサ１８の基準電極１８ａと対向する櫛歯電極１２ｂに形成され、他面が直線状に形成されたものである。

液位センサ９は、タンク７内の鉛直方向に延びた櫛歯電極９ａを有し、タンク７内に滞留する液体の量に応じて変化する櫛歯電極９ａ、１２ａ間の静電容量を検出する。なお、櫛歯電極９ａ、１２ａ間の距離は一様である。

誘電率センサ１８は、タンク７内の液体に常に浸漬されるように、タンク７の底側に配置されている。誘電率センサ１８は、櫛歯状に形成された基準電極１８ａを有し、基準電極１８ａ及び櫛歯電極１２ｂ間の静電容量を検出する。この基準電極１８ａ及び櫛歯電極１２ｂ間の静電容量は液体の誘電率の算出に用いられる。なお、基準電極１８ａ及び櫛歯電極１２ｂ間の距離は一様である。

ここで、誘電率εは、周知のように、数式（１）に従って算出される。すなわち、誘電率センサ１８によって検知電極及び接地電極間の静電容量を検出することで、タンク７内の液体（燃料）の誘電率εは算出される。
ε＝Ｃ・ｌ／Ｓ ……（１）
ここで、Ｃ：静電容量、ｌ：電極間距離、Ｓ：電極面積である。

また、タンク７内の鉛直方向に延びた導電部材１５の先端部には、液体の温度に対応する抵抗値を示すサーミスタ１９が設けられている。サーミスタ１９は、タンク７内の液位が下がって警告を発する必要があると判断される、警告閾値に相当する液面の高さに位置する。サーミスタ１９によって検出される燃料液中と気中の温度差により、残燃料が少ないことの警告信号を出力することが可能となる。

なお、サーミスタとしては、温度の上昇に対して抵抗が減少するＮＴＣサーミスタや、逆に温度の上昇に対して抵抗が増加するＰＴＣサーミスタを用いることができる。また、燃料温度を検出するもの（温度検出部）として、本実施形態では、サーミスタを使用しているが、熱電対等の他の素子を用いてもよい。

図２は液体濃度検出装置１の電気的構成を示す図である。検出回路２０は、液位センサ９によって静電容量を検出する容量検出部２２、誘電率センサ１８によって静電容量を検出し、この静電容量から誘電率を算出する誘電率検出部２５、及びサーミスタ１９によってタンク内の温度を検出する温度検出部２６を有する。

温度検出部２６は、その入力端子が導電部材１５に介在するスイッチ２７を介してサーミスタ１９の一端に接続され、スイッチ２７のオン時、サーミスタ１９の抵抗値を測定する。また、スイッチ２７は、温度検出部２６側の一端が電源電圧にプルアップされており、温度測定時、制御部３０側からの駆動信号によってオンに駆動される。

容量検出部２２は、液位センサ９の櫛歯電極９ａと接地電極１２の櫛歯電極１２ａをコンデンサとする発振回路の発振周波数から静電容量Ｃ_Ａを算出する。

同様に、誘電率検出部２５は、誘電率センサ１８の基準電極１８ａと櫛歯電極１２ｂをコンデンサとする発振回路の発振周波数から静電容量Ｃεを算出し、さらに、既知の電極間距離ｌと電極面積Ｓから、数式（１）に従って、誘電率εを算出する。

制御部３０は、主にマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）３２から構成される。ＣＰＵ３２は、後述する動作プログラムが格納されたＲＯＭ３３、ワークメモリであるＲＡＭ３４等を内蔵し、検出回路２０からの静電容量を表す信号を入力して各種演算を行い、メータ４０に駆動信号等を出力する。

また、ＲＯＭ３３には、図３に示す関係を有するテーブル３３ａが格納されている。図３は燃料温度Ｔと静電容量（誘電率ε）Ｃεとエタノール濃度Ｅとの関係を示すグラフである。誘電率センサ１８によって検出される静電容量（誘電率ε）Ｃεは燃料温度Ｔが高くなるほど低い値になり、また、エタノール濃度Ｅが高いほど大きい値になる。

メータ４０は、ＣＰＵ３２からの駆動信号に応じて駆動するモータ４５、このモータ４５に軸支された指針により液位を指示するインジケータ４１、及びＣＰＵ３２からの警告信号に従って点灯する警告ランプ４２を有する。また、メータ４０は、ＣＰＵ３２からの濃度信号に従ってエタノール濃度を表示するエタノール濃度表示器４６を有する。

上記構成を有する液体濃度検出装置１の動作を示す。始めに、タンク７内のエタノール濃度を測定する方法について示す。ＣＰＵ３２からの駆動信号によってスイッチ２７がオンになると、温度検出部２６は、サーミスタ１９の両端電圧を検出し、サーミスタ１９の抵抗値から燃料温度Ｔを算出する。また、誘電率検出部２５は、誘電率センサ１８によって静電容量Ｃεを検出する。

制御部３０は、誘電率センサ１８によって検出された静電容量（誘電率ε）Ｃεと、サーミスタ１９によって検出された燃料温度Ｔとから、図３に示すテーブル３３ａを参照し、エタノール濃度Ｅを求める。

つぎに、液位センサ９を用いてタンク７内の液位を検出する方法について説明する。図４は液位センサ９の出力特性を示すグラフである。縦軸は静電容量（ｐＦ）を示し、横軸は液位（ｃｍ）を示す。

ここで、Ｃ_Ａは液位センサ９で検出される静電容量である。ｋは、誘電率センサ１８の測定値から得られる誘電率εに基づき、静電容量Ｃ_Ａを液位ｈに換算するための液位変換係数である。液位変換係数ｋに、測定された誘電率εを用いることで、タンク内の液体中の特定成分の濃度（エタノール濃度）が変わっても、液位ｈを正確に算出することが可能である。

また、Ｈ_Ａは実際の液位センサ９の長さ（ｃｍ）である。液位１は警告閾値に相当する液面の高さ（警告液位）Ｈ_ｔｈより下にあり、液位２はそれより上にある液面を表す。

本実施形態では、液位変換係数ｋを使って、数式（２）に従い、静電容量Ｃ_Ａを液位ｈに換算する。
ｋ×Ｃ_Ａ＝ｈ ……（２）

また、サーミスタ１９によって検出される燃料温度Ｔとしきい値Ｔ_ｔｈとを比較し、数式（３）を満たす場合、警告液位に配置されたサーミスタ１９が気中にあると判断し、ＣＰＵ３２は警告信号を出力する。しきい値Ｔ_ｔｈは燃料中の温度と気中の温度の間に設定される。
Ｔ＞Ｔ_ｔｈ ……（３）

なお、算出された液位ｈと警告液位Ｈ_ｔｈとを比較し、数式（４）を満たす場合、ＣＰＵ３２は警告信号を出力するようにしてもよい。
Ｈ_ｔｈ＞ｈ ……（４）

図５はエタノール濃度及び液位検出動作手順を示すフローチャートである。この動作プログラムは、ＣＰＵ３２内のＲＯＭ３３に格納されており、ＣＰＵ３２によって定期的に実行される。

まず、ＣＰＵ３２は、スイッチ２７に駆動信号を送出してスイッチ２７をオンにし、サーミスタ１９によって燃料温度Ｔを測定する（ステップＳ１）。ＣＰＵ３２は、液位センサ９及び誘電率センサ１８によってそれぞれ検出される静電容量Ｃ_Ａ、Ｃεを検出する（ステップＳ２）。

ＣＰＵ３２は、誘電率センサ１８によって検出される静電容量Ｃε、及びステップＳ１で測定された燃料温度Ｔをもとに、図３に示す特性を有するテーブル３３ａを参照し、エタノール濃度Ｅを算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理は濃度算出部に相当する。

ＣＰＵ３２は、誘電率センサ１８によって検出された静電容量Ｃεから得られた誘電率εから、静電容量Ｃ_Ａを液位ｈに換算するための液位変換係数ｋを算出し、数式（２）に従って、静電容量Ｃ_Ａに液位変換係数ｋを乗算し、液位ｈを求める（ステップＳ４）。ステップＳ４の処理は液位検出部に相当する。

この後、ＣＰＵ３２は、サーミスタ１９によって検出される燃料温度Ｔが数式（３）を満たすか否かを判別する（ステップＳ５）。数式（３）を満たし、サーミスタ１９が気中にあると判断された場合、ＣＰＵ３２はメータ４０に警告信号を出力する（ステップＳ６）。この警告信号が出力された場合、ＣＰＵ３２は、ステップＳ３で算出されたエタノール濃度Ｅが正確でないとして、取り消してもよい。この後、ＣＰＵ３２は本動作を終了する。

一方、ステップＳ５で数式（３）を満たさない場合、ＣＰＵ３２は、ステップＳ３で検出されたエタノール濃度Ｅの信号、及びステップＳ４で求められた液位ｈの信号をメータ４０に出力する（ステップＳ５）。この後、ＣＰＵ３２は本動作を終了する。

このように、本実施形態の液体濃度検出装置によれば、誘電率センサ１８によって検出された静電容量（誘電率ε）Ｃεと、サーミスタ１９によって検出された燃料温度Ｔとから、図３に示すテーブル３３ａを参照し、エタノール濃度Ｅを求める。これにより、静電容量方式でタンク７内の液位を検出する際、エタノール濃度を正確に検出することができる。

また、サーミスタ１９が警告液位に配置されているので、他の部材を用いることなく、その温度変化から容易に液面の高さが警告液位より下がったことを容易に検出することができる。

また、液位センサの電極、誘電率センサの電極及びサーミスタをプリント基板上に一体化して形成することができ、エタノール（特定成分）濃度、液位、残燃料警告の機能を集約することができる。これにより、静電容量式の安価な装置が提供可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、本実施形態の構成が持つ機能を達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。

例えば、上記実施形態では、液体中の特定成分の濃度として、エタノール混合ガソリン中のエタノール濃度を検出する場合を示したが、これに限らず、誘電率が温度によって変化する液体中の特定成分の濃度を検出する、種々の場合に適用可能である。

本発明は、液体中の特定成分の濃度を検出する際、液体の温度で誘電率を補正することができ、有用である。

１液体濃度検出装置
５センサ部
９液位センサ
９ａ、１２ａ、１２ｂ櫛歯電極
１２接地電極
１５導電部材
１８誘電率センサ
１８ａ基準電極
１９サーミスタ
２０検出回路
２２容量検出部
２５誘電率検出部
２６温度検出部
３０制御部
３２ＣＰＵ
３３ＲＯＭ
３４ＲＡＭ
４０メータ
４１インジケータ
４２警告ランプ
４５モータ
４６エタノール濃度表示器

Claims

液体中の特定成分の濃度を検出する液体濃度検出装置であって、
前記液体の誘電率を検出する誘電率検出部と、
前記液体の温度を検出する温度検出部と、
前記誘電率検出部によって検出された誘電率及び前記温度検出部によって検出された温度に対応する前記液体中の特定成分の濃度を算出する濃度算出部と、
静電容量を検出し、前記検出された静電容量及び前記誘電率検出部によって検出された誘電率に基づき、前記液体の液位を検出する液位検出部と、
を備えることを特徴とする液体濃度検出装置。
前記液位検出部は、前記液体が滞留するタンク内の鉛直方向に延びた検知電極及び接地電極を有し、前記検知電極及び接地電極間の静電容量を検出し、前記検出された静電容量及び前記誘電率検出部によって検出された誘電率に基づき、前記タンク内の液位を検出し、
前記誘電率検出部は、前記タンクの底側に配置され、前記接地電極と対向する基準電極及び前記接地電極間の静電容量を検出することにより前記液体の誘電率を検出することを特徴とする請求項１記載の液体濃度検出装置。
前記温度検出部は、前記タンク内の鉛直方向に延びた導電部材の、前記タンク内の警告液位に相当する高さの位置に設けられ、
前記温度検出部によって検出された温度をもとに、前記液体が前記警告液位より下がっているか否かを判別することを特徴とする請求項２記載の液体濃度検出装置。