JP2016522410A - 液面センサシステム - Google Patents

Abstract

第１の液面応答ユニットを含む第１の固定部（１）および第２の液面応答ユニットを含む第２の固定部（２）と、タンクの中へ挿入され、第１の固定部（１）の下部に取り付けられたガイドチューブ（１４）とを備え、ガイドチューブ（１４）は、ガイドチューブ（１４）内の液面がタンク内の液面と同一平面になるように複数のポート（２７）が設けられ、第１の液面応答ユニットは、ガイドチューブ（１４）内の液面の変動に伴って上下に浮遊するフロート（１５）と、フロート（１５）の上下の浮遊の途中で、相対的に固定した回転軸（１６）の周りに回転する回転シャフト（１９）と、永久磁石（１３９）と、を備え、第２の固定部（２）は、第１の固定部（１）の上部に取り付けられ、第２の液面応答ユニットは、ＰＣＢ（１０４）と、磁気抵抗角度センサチップ（１０３）と、磁気抵抗角度センサチップ（１０３）に電気接続された制御回路とを備え、磁気抵抗角度センサチップ（１０３）は、永久磁石（１３９）の回転角に従ってアナログ電圧信号を制御回路に出力し、制御回路は、アナログ電圧信号に従って液面の高さを計算する、タンク内の液面を遠隔監視する液面センサシステムである。【選択図】 図６

Description

本発明の分野は、「液面センサ」、「磁気角度センサ」、および「磁気回転センサ」、特に、タンク内の液面を測定することができる液面センサとしての用途を含む技術革新に関する。

本発明は、既にパブリックドメインになっているいくつかのアイデアに従う。Ｂｌａｃｋｂｕｒｎによる米国特許第５，４１０，９１３号明細書は、“Ｒｅｍｏｔｅ Ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ”について記載し、図１は、この特許からの図を表す。Ｂｌａｃｋｂｕｒｎによって解決された課題は、電気部品をタンクの中に入れることなくタンク内の液面を電子読み出しする方法である。この方法は、タンクの内部にある装置に永久磁石を設置し、タンクの外側に電子磁気検出を有することによって達成された。

具体的には、内部永久磁石は、主軸がこの主軸の中心軸の周りにねじれるときに、円形に枢動する屈曲アーム上にある。この場合、永久磁石は、数ｃｍの範囲内である大径の周りに回転する。磁石の動きは、９個の磁気センサからなる外部円形アレイによって検出される。センサは、円形の周りに規則的な角度間隔で配置されているので、どの時点においても、１台または２台だけのセンサが磁石の存在を検出している。記載された磁気センサは、磁気リードスイッチである。これらの電気スイッチは、強磁性材料の薄い細長い片上の磁力が細長い片を曲げて第２の電気接点と接触させるために十分であるときに開閉する。この磁力は、外部印加磁場との細長い片の相互作用によって発生させられる。磁場がある特定の閾値レベルより強いとき、細長い片が曲がり、電気接点と閉じるであろう。外部印加磁場が前記閾値レベルより小さいとき、細長い片は、電気接点を閉じるのに足りるほどには曲がらないであろう。

物理的な動きが必要とされることなく電気的に開閉するソリッドステート磁気スイッチがパブリックドメインの状態で記載されている。さらに、シャフトの回転角を検出する磁気センサがパブリックドメインになっている。

さらに、従来技術の公知となっているものには、シャフトがこのシャフトの軸周りに行う回転数を計数する磁気センサがある。

最初の３つの図は、米国特許第５，４１０，９１３号に直接由来する。図１は、電子液面センサの断面図を表す。このセンサシステムは、タンクの上部の孔を通して設置され、タンク空洞の外側にある電子接続部を有する。この設計は、タンクが外部雰囲気から遮断され、環境とは異なった温度および圧力にされることを可能にさせる。これらの要件は、特定の用途によって決定される。ここには、システムの２つの主要部品、すなわち、組立体Ａおよび組立体Ｂが表されている。組立体Ａは、機械ソケットであり、組立体Ｂは、電子センサモジュールである。これらの２つの組立体は、通常は、一緒に機械接合されている。ここでは、これらの組立体は、図面をより見やすく、かつ、説明しやすくするために分離されている。

組立体Ａは、タンク壁１３とセンサ・ベース・プレート１０との間のインターフェース部分に位置している。センサ孔１２は、タンク壁１３に切り込まれ、液面感知組立体を収容できる。ガイドチューブ１４は、液面感知組立体の垂直方向延長部のための構造支持体を提供する。ガイドチューブは、ガイドチューブ１４の内部の液面がタンクの残りの部分での液面３９と同じであるように、液体がチューブ空洞３８を満たすことを可能にする２つのポート２７、２８を有する。

フロート１５の垂直位置は、液面３９がＺ軸１６に沿って上下するときに液面３９に追従する。座標系の原点は、Ｘ軸８とＺ軸１６との交点に設定し、Ｙ軸９は、紙面に向かい、図１に表されていない。この原点は、ガイドチューブ下部プレート２６の上面にある。液面３９がＺ＝０より下にあるとき、フロート１５は、Ｚ＝０まで下降するが、さらに下降することがガイドチューブ下部プレート２６によって妨げられる。液面３９がフロート１５の高さより高いとき、液面３９より上および下にあるフロート１５の正確な量は、これらのそれぞれの比重の比率に依存する。フロート１５の比重が液体の比重より小さい限り、フロートは、液面３９が図１に表されるようにフロートの上部と下部との間にあるような垂直位置で液体の上にあるであろう。

剛性回転シャフト１９には、これの上端部に永久磁石２２が貼り付けられている。剛性回転シャフトは、放射状に向けられたアーム２１が回転軸（Ｚ軸）１６の周りに回転するとき、永久磁石２２が、固定上部プレート２９に切り込まれた溝３０の中の円形に入るように直角に曲がる。シャフト孔２４は、剛性回転シャフト１９が貫通できるように、センサ嵌め合いプレート１０に切り込まれる。剛性回転シャフト１９の重量のための機械的支持体は、上方端部で隆起リング２５によって、および、下方端部でガイドチューブ下部プレート２６によって設けられる。下方端部は、回転軸１６の周りで自由に回転することが許されている。しかしながら、この軸に沿った動きは、既に説明した機械的制約によって許されていない。

フロート１５の垂直位置とこのフロートの角度変位との精密な機械的関係は、ガイドチューブ１４、剛性回転シャフト１９、およびフロート１５の間の物理的なインターフェース部分によって維持される。フロート１５上のキー突起２０の使用によってフロート１５と剛性回転シャフト１９との間に摺動可能なキーインターフェース部分が存在する。摺動可能な溝−ガイドチューブ１４上のレール１７の使用によってフロート１５とガイドチューブ１４との間にレールインターフェース部分と、フロート１５上の溝１８とが存在する。剛性回転シャフト１９は、このシャフトにねじれがあるので、このシャフトの面に対する法線方向は、下部からの距離Ｚの関数として滑らかに変化する。ねじれた剛性シャフト上方部１９’は、下部から距離Ｚ_ｆｕｌｌにあり、特定の用途の必要性に合うように設計者によって選択された正転角度θ_Ｆｕｌｌを有する。同図において、上方部１９’は、剛性回転シャフト１９の下部から最大限の３６０°ねじれていることが表されている。このねじれが正確に３６０°であることは、本発明の要件ではなく、いかなる値でも含まれる。永久磁石２２を担持するアーム２１は、上方部１９’の法線に垂直である角に向いている。（厳密に上方部１９’と共に回転する）永久磁石２２の回転角と、液面３９（および、その結果、フロート１５のＺ位置）との間のほぼ直線的な関係が記述され得る。

回転角１０２を記述するための変数としてθ_{Ｌｅｖｅｌ}を、液面３９の垂直位置を記述するための変数としてＺ_{Ｌｅｖｅｌ}を使用し、θ_Ｆｕｌｌおよびθ_{Ｅｍｐｔｙ}は、満杯の条件および空の条件での回転角１０２を記述する定数であり、Ｚ_ＦｕｌｌおよびＺ_{Ｅｍｐｔｙ}は、満杯の条件および空の条件での液面３９の垂直位置を記述する定数である。その結果、θ_{Ｌｅｖｅｌ}とＺ_{Ｌｅｖｅｌ}との間の直線的な関係は：
θ_{Ｌｅｖｅｌ}＝θ_{Ｅｍｐｔｙ}＋（θ_Ｆｕｌｌ−θ_{Ｅｍｐｔｙ}）＊（Ｚ_{Ｌｅｖｅｌ}−Ｚ_{Ｅｍｐｔｙ}）／（Ｚ_Ｆｕｌｌ−Ｚ_{Ｅｍｐｔｙ}） （１）
として記述することができ、Ｚ_{Ｌｅｖｅｌ}について解法すると：
Ｚ_{Ｌｅｖｅｌ}＝Ｚ_{Ｅｍｐｔｙ}＋（Ｚ_Ｆｕｌｌ−Ｚ_{Ｅｍｐｔｙ}）＊（θ_{Ｌｅｖｅｌ}−θ_{Ｅｍｐｔｙ}）／（θ_Ｆｕｌｌ−θ_{Ｅｍｐｔｙ}） （２）
である。

組立体Ｂは、ＰＣＢ ３５に実装された９個の磁気リードスイッチ４１〜４９および抵抗器６１〜６９を含む。スイッチ４１〜４９は、永久磁石２２からの磁場がスイッチを切るために十分な大きさであるような半径で、しかし、所定のスイッチと同じ回転軸に、または、同じ回転軸の近くにあるときに限り、回転軸１６と同軸である円形パターンに配置されている。

電気的相互接続たわみ線３３、３４は、ＰＣＢ ３５との間で電気信号を伝達する。センサモジュールの上部カバー３６およびセンサモジュールの下部カバー３７は、ＰＣＢ ３５を保護し、機械的支持を行う。組立体Ａ内の一体的に形成されたスナップ式フィンガー部３１は、組立体Ｂ内のノッチ部３２に永久的または一時的に機械的係合を行う。

センサ・ベース・プレート１０および固定上部プレート２９の平面図が図２に表されている。スナップ式フィンガー部３１が、プレート１０内のボルト貫通孔と同じ様に回転軸１６の周りに規則的な角度間隔で配置されている。全体で、これらの構造的特徴形状は、スイッチ４１〜４９の位置を固定すると共に、永久磁石２２が回転軸１６の周りに回転できるようにする。

ＰＣＢ ３５の平面図がこのＰＣＢのコンポーネントと共に図３に表されている。スイッチ４１〜４９は、通常開であり、すなわち、「低磁場」状態下では電流を導通しないが、高磁場条件下では、これらのスイッチは閉じ、これらの抵抗を零にする。永久磁石２２が特定のスイッチの近くを通るとき、このスイッチは閉じる。

端子５０〜５１は、簡単な抵抗測定の使用を用いる回路の外部電気測定点である。抵抗器６１〜６９は、端子５０と５１との間に直列に電気接続されている。磁気リードスイッチ４１〜４９は、各々が、端子５１に電気接続された一方の端部、および抵抗器６１〜６９のうち２つの間の接点に接続されたもう一方の端部を有する。スイッチ４１〜４９のうちいずれも閉じていない場合、端子５０と５１との間の正味測定抵抗は、全抵抗器６１〜６９の合計である。スイッチ４９以外のスイッチが閉じていない場合、正味測定抵抗は、抵抗器６１〜６８の合計になるであろう。スイッチ４８以外のスイッチが閉じていない場合、正味測定抵抗は、抵抗器６１〜６７の合計になるであろう。この論理は、全てのスイッチ位置に有効であるので、永久磁石２２が０度から３６０度までこの永久磁石の経路を回転するとき、端子５０と５１との間の測定抵抗は、スイッチ４１〜４９の各々が閉じるのにつれて離散的なステップ幅で増加する。

概して、これは、電子式遠隔磁気フロートに基づくタンク用回転シャフト液面センサシステムである。本発明は、同じまたは類似した剛性シャフト回転機構部を使用するが、改良された磁気感知システムである。次の２つの図は、磁気検出幾何形状を説明する。この幾何学形状は、磁気角度センサの位置及び姿勢と、角度センサによって回転が検出される永久磁石の位置および姿勢との両方である。

磁気角度検出幾何形状の斜視図および断面図が図４に示され、磁場角度センサチップと永久磁石との間の位置関係を表している。永久磁石１０５は、回転方向１０１で回転軸１６の周りに回転する。この回転の大きさは、回転角１０２によって与えられる。電子式磁気抵抗センサチップは、回転軸１６に接して、または、近接して位置している。これの内部感知素子は、Ｘ軸８およびＹ軸９に沿って設計された感度軸を有する。磁場角度センサチップ１０３は、検出座標軸に関して固定されるべきであり、磁石１０５が回転するときに動くべきではない。磁場角度センサチップ１０３は、プリント回路板（ＰＣＢ）１０４に搭載されている。角度センサチップ１０３と永久磁石１０５の上面との間に設計された間隔Ｓ １０６が存在する。

角度センサチップ１０３内の各感知素子は、全部で４本の出力リード線のための２本の出力リード線を有する。Ｘ軸センサの出力リード線のペアの間の電圧は、図５において曲線１１０としてプロットされている。Ｙ軸センサの出力リード線のペアの間の電圧は、図５において曲線１１１としてプロットされている。これらの曲線は、回転角１０２の関数として電圧変化を表現する。

上記汎用磁気抵抗回転センサは、当該技術分野において既知である。たとえば、出願第２０１１１０１３０２２２．１号および第２０１１１０１３０２０２．４号は、磁場角度センサ内の磁気抵抗センサ素子のある種の潜在的用途の設計について記述する２つの特許である。これらの特許文献は、ここで参照によって本出願に組み込まれる。

しかしながら、上記従来技術では、永久磁石を検出するために使用される検出システム、および、大径ガイドチューブなどが必要とされる、さらに、機械的磁気センサは、故障しがちである、といういくつかの欠点があり、

本発明は、液面センサシステムのサイズおよびコストを低減するだけでなく、性能を改良する方法を提供する。

本発明は、これらの目標を達成するために以下の技術的解決手段を提供する。

タンク内の液面を遠隔監視するのに用いられる液面センサシステムであって、センサシステムは、
タンクの開口にあり、ガイドチューブが第１の固定部より下でタンクの中に挿入され、ガイドチューブは、ガイドチューブ内の液面がタンク内の液面と同一平面になることを可能にさせる複数のポートが設けられている、第１の固定部と、
ガイドチューブの内部にあり、液体の表面上で浮遊し、液面がガイドチューブ内で変化するときに上下に動くフロート、フロートと機械的に連結され、フロートが上下に動いている途中で、タンクの固定回転軸の周りに回転する回転シャフト、および、回転シャフトの上方端部に取り付けられ、シャフトの回転と共に回転する永久磁石を備える第１の液面応答ユニットと、
第１の固定部の上部に取り付けられた第２の固定部と、
第２の固定部に取り付けられたＰＣＢ、および、永久磁石に面した側でＰＣＢに取り付けられた磁気抵抗角度センサチップを含み、磁気抵抗角度センサチップが制御回路と電気的に相互接続されている第２の液面応答要素と
を備え、
磁気抵抗角度センサチップは、永久磁石の回転角に従ってアナログ電圧信号を制御回路に出力し、制御回路は、アナログ電圧信号に従って液面の高さを計算する。

好ましくは、ガイドチューブ内の液面が空状態と満杯状態との間を動いている途中で、回転シャフトは、ｎが１以上の整数であるとして、３６０×ｎ度回転し、回転シャフトの回転角は、液面高さに直線的に比例する。

好ましくは、磁気抵抗角度センサチップは、ＴＭＲセンサ素子で構成されている。

好ましくは、磁気抵抗角度センサチップは、一方がＸ軸センサであり、もう一方がＹ軸センサである２つの独立したセンサを含み、Ｘ軸センサの感度軸は、Ｘ軸であり、Ｙ軸センサの感度軸は、Ｙ軸であり、Ｘ軸およびＹ軸は、同じ平面内にあり、Ｘ軸とＹ軸との間の角度は、９０°である。

さらに、回転シャフトの回転中に、上記設置された磁気抵抗角度センサチップの感知平面内に永久磁石によって生成された漂遊磁場は、３６０°対称性を有する。

さらに、感知平面は、ＸＹ平面と平行であり、永久磁石の上面からある一定の距離で離間している。

好ましくは、磁気抵抗センサのアナログ電圧出力信号は、永久磁石の回転角の一価関数である。

好ましくは、アナログ出力電圧信号は、標準デジタル信号フォーマットに変換され、標準デジタル信号フォーマットは、パルス幅変調信号である。

さらに、出力のパルス幅変調は、永久磁石の回転角に直線的に比例する。

好ましくは、第１の固定部と第２の固定部との間に切り離し可能な接続部がある。

好ましくは、第１の固定部とタンクとの間の空間は、永久磁石の高さを調節するため調節可能な構造を有している。

好ましくは、第１の固定部は、中心孔を有し、回転シャフトの上端部は、中心孔の中を上向きに通過し、回転シャフトは、第１の固定部から吊され、第１の固定部も外部環境からタンクを隔離するために耐圧密閉筐体として据え付けられ、第２の固定部は、耐圧密閉筐体に対応して固定される。

好ましくは、制御回路は、磁気角度センサ回路と、電源回路と、信号処理回路とを含む。

好ましくは、センサシステムは、無線通信を実行するために無線通信回路を使用する無線センサモジュールを含み、無線センサモジュールは、バッテリーから電力を獲得する。

既存技術と比較すると、本発明は、複雑な曲がった磁気アームを置き換えるために、より単純な直線状ロッド磁気アームを使用し、この直線状ロッド磁気アームは、磁気角度センサが回転中シャフトの回転軸の位置または回転軸の近くの位置において磁場の角度変化を検出することができる単一の場所で、磁場が滑らかに変化することを可能にさせるより小規模の磁場配位である。本発明は、大規模な９リードスイッチ円形配列を置き換えるために単一のソリッドステート磁気抵抗スイッチを使用する。本発明は、より小型のサイズ、より簡単な制御回路、バッテリー信頼性、より高分解能を有する液面センサを提供し、改良された電気通信方法の利点を提供する。

使用された図面の説明は、本出願の一部分として本発明のより良い理解をもたらすために使用され、実施形態は、本発明を説明するために使用されるが、本発明を限定することは意図されていない。添付図面は、以下のとおりである。

米国特許第５，４１０，９１３号明細書からの従来技術における遠隔磁気フロートに基づく回転シャフト液面センサシステムの断面図である。 図１における部品Ａの上面図である。 図１における部品Ｂの下面図である。 磁場角度センサと永久磁石との間の位置関係を例示する斜視図および断面図である。 ＸセンサおよびＹセンサのセンサアナログ出力電圧対回転角のプロットを示す図である。 液面センサシステム発明の第１の実施形態の断面図である。 図６の装置１の平面図である。 図６の装置２の平面図である。 磁気角度および回転センサのための回路のブロック図である。 パルス幅変調出力のため使用されるパルス幅変調信号のプロットを示す図である。 回転角比の関数としてＰＷＭ波形のデューティサイクルの間の関係を表すプロットを示す図である。 本発明の液面センサシステムの第２の実施形態の略断面図である。

図６は、電子液面センサ遠隔制御システムの断面図である。図６に表されるように、液面センサシステムは、第１の固定部と、第１の液面応答要素と、第２の固定部２と、第２の液面応答ユニットとを備える。このセンサシステムは、タンクの上部にある孔を通して設置され、タンク空洞の外側にある電子接続部を有する。この設計は、タンクが外部雰囲気から遮断され、環境とは異なった温度および圧力にされることを可能にさせる。これらの要件は、特定の用途によって決定される。図は、システムの２つの主要部品を表し、図の下方半分は、第１の固定部１および第１の液面応答要素のために使われ、上方半分は、第２の固定部２および第２の液面応答要素のために使われている。２つの部品は、通常は、機械的に一緒に接続され、同図において、これらは、観察および説明を実現し易くするために、別々に表されている。

第１の固定部１は、タンクの開口に取り付けられている。具体的には、本実施形態において、第１の固定部１は、指形ラッチ１３１と、上部フランジ１３２とを備える。上部フランジ１３２およびベッセル壁１４０は、ボルト１２８を使用して接続されている。ボルト１２８を調節することにより、永久磁石と磁気抵抗角度センサチップとの間の距離を調節するために上部フランジ１３２の位置を上下に調節することが可能である。当然ながら、第１の固定要素１を接着するおよび溶接するような代替的な締結方法は、本発明の範囲内である。

第１の固定部１の下部は、ガイドチューブ１４に取り付けられ、ガイドチューブ１４は、液面感知組立体の垂直拡張部のための構造的支持体を提供する。本実施形態では、ガイドチューブ１４は、ガイドチューブ１４の内側の液面がタンクの残りの部分における液面３９と同じになるように液体がチューブ空洞３８を満たすことを可能にさせるポート２７を有する。図１に示されるように、ガイドチューブ１４に同じ種類のポート２８を開けることも可能であるが、この構成は、図６に表されていない。

第１の液面応答ユニットは、コンポーネント、すなわち、フロート１５と、回転シャフト１９と、永久磁石１３９とを含む。本発明において、上述の回転シャフト１９は、剛性回転シャフト１９で構成される可能性があり、ガイドチューブ１４の内側にあるフロート１５は、液体の表面と共に上下に動く。回転シャフト１９は、摺動つまみ２０を介してフロート１５と機械的に連結され、フロート１５が上下に動いている途中にある間に、回転シャフト１９は、タンクの回転軸１６の周りに回転し、回転シャフト１９に取り付けられた永久磁石１３９は、回転シャフト１９と共に回転する。液面３９が空状態から満杯状態まで変化している途中に、ｎが１以上の整数であるとして、回転シャフト１９は、３６０×ｎ度回転する。液面３９および回転シャフト１９の回転角は、直線的に比例する関係を有する。たとえば、タンクが空状態であるとき、すなわち、液面３９が０％であるとき、回転シャフト１９の回転角は、０度であり、液面が５０％であるとき、回転シャフト１９の回転角は、１８０度であり、タンクが満杯状態であるとき、すなわち、液面３９が１００パーセントであるとき、回転シャフト１９の回転角は、３６０度である。

具体的には、本実施形態では、回転シャフト１９は、プレート１３７がこの回転シャフトの上方端部に取り付けられている。上部プレート１３７、回転シャフト１９’および全ての他の取り付けられた材料によって加えられた重量およびその他の力は、リボン支持体１３３の尖った隆起部分である支持リング１３４によって支持される。永久磁石１３９は、上部プレート１３７の上面に貼り付けられている。スナップ式リング溝１３５およびスナップ式リング１３６は、回転シャフト１９の上向き運動に機械的拘束を与える。フロート１５が上下に動くとき、フロートは、回転軸１６の周りに回転シャフト１９を回転させ、永久磁石１３９は、回転シャフト１９と同じ角速度で回転軸１６の周りに回転する。下方端部は、回転軸１６の周りに自由に回転することが許される。しかしながら、この回転シャフト１９の軸に沿った動きは、既に説明した機械的拘束のために許されない。回転シャフト１９の面の姿勢と、液面３９、フロート１５、ガイドつまみ１７、および溝１３５の垂直位置との間の関係は、図１の機械的設計の場合と同じである。図１の従来技術の実施における、式１は、この事例にも当てはまるθ_{Ｌｅｖｅｌ}とＺ_{Ｌｅｖｅｌ}との間の直線的な関係を記述する。

第２の固定部２は、第１の固定部１より上に位置し、第２の固定部２は、第１の固定部１に対応して取り付けられている。本実施形態では、第１の固定部１は、フィンガー・スプリング・ロック部１３１と相対的に上向きに延在するフランジ１３２と一体となって形成され、第２の固定部２は、ノッチ部１２６に対応するフィンガー・スプリング・ロック部１３１が設けられている。この設計は、第２の固定部２が第１の固定部１から取り外されることがあるように実施され得る。永久的または一時的固定接着剤接合が、実際のニーズに依存して、第１の固定部１と第２の固定部２との間で使用されることがある。

本実施形態では、第２の固定部２は、上部プレート１２１および下部プレート１２２を含む。上部プレート１２１の表面には、ノッチ部１２６が設けられ、ノッチ１２６を通り抜けて、上部プレート１２１は、指形ラッチ部１３１である。上部プレート１２１内のアライメント孔によって、ＰＣＢ １０４と下部プレート１２２とが一体として固定されている。上部プレート１２１のアラメント孔は、ねじ山付きであるが、ねじは図示されていない。ＰＣＴと下部プレートとが永久的に取り付けられることが意図されている場合、ねじ山付きの孔は、フランジ１３２の上部の中に存在すべきであり、上部プレート１２１および下部プレート１２２内の上部アライメント孔は、貫通孔であるべきである。保持クリップの使用によって、ＰＣＢ １０４は、第２の固定部２から取り外されることがあるが、図は、保持クリップまたは永久取り付け方法を表してない。

下部プレート１２２には、複数の上向きの尖った突出部が設けられ、これらは、磁気抵抗角度センサチップ１０３の支持構造体１２３と共に用いることが意図され、ＰＣＢ １０４の支持構造体のため使用される。上部プレート１２１には、複数の下向きの尖った突出部が存在し、これらは、ＰＣＢ １０４を保持する支持構造体１２５として用いるため含まれている。３つの支持構造体は、ＰＣＢ １０４が回転する、または、傾くことを妨げ、加えて、磁気抵抗角度センサが振動する、または、永久磁石に関して動くことを阻止する。このことは、磁気抵抗角度センサチップ１０３によって生成される誤差信号を回避するために役立つ。

他の方法を使用するこれらのコンポーネントの接続部も本発明の範囲に含まれている。これらの方法は：自動接着、リベット打ち、プラスチック射出成形、および他の標準的なパブリックドメインになっている電子パッケージング方法を含む。これらの固定方法の本質的な機能は：１）磁気抵抗センサチップ１０３を回転軸１６上の適切な場所に、設計された分離距離Ｓ １０６で保持すること、２）電力接続を可能にすること、３）データ通信接続を可能にすること、４）磁気回転センサ環境を保存することである。これらのコンポーネントのための材料、注封材料、および締結具の選定は、２組の基準：磁気両立性と、選択的な視覚的明瞭さ（用途によって要求される場合、２次的な測定方法として、および、較正技術として、上面もしくはリボン上部プレート１３７および／または永久磁石１３９上の特徴形状、線、またはマークの回転の目視検査を使用できる）とに適合することが必要である。

上部プレート１２１は、磁気抵抗角度センサ１０３と第２の固定部２の外側にある何らかの磁場発生源との間に「磁気遮蔽」をもたらすために軟磁性鋼などのような強磁性材料でもよい。

好ましくは、磁気遮蔽は、上部パネル１２１の上にさらに追加されることがあり（図示せず）、このようなアプローチは、磁気抵抗角度センサチップ１０３の重要な特性を変化させることはないが、センサチップ１０３と第２の固定部２の外部の発生源との間に「磁気遮蔽」をよりうまくもたらすことができる。第２の固定部２の他の全ての部品と、上部フランジ１３２とは、非磁性金属、プラスチック、木材、ガラス、セラミック、ポリマーなどであるべきである。

視覚的な読み出しの選択肢が選ばれた場合、透明な材料が永久磁石１３９より上にある全ての層のため選定されるべきであり、孔は、視覚的なアクセス（図示せず）を可能にするセンサＰＣＢ １０４内に作ることができる。

第２の液面応答要素は、第２の固定部に搭載されたプリント回路板ＰＣＢ １０４を含み、永久磁石１３９に最も接近した側でＰＣＢ １０４に配置されているのは、磁気抵抗角度センサ１０３である。好ましくは、磁気抵抗角度センサは、ＴＭＲセンサ素子であり、回転角制御回路は、永久磁石１３９の回転角に従って生成されたアナログ電圧信号に基づいてタンク内の液面を計算する。

図７は、取り外された第２の固定部２と、第２の液面応答要素の平面図とを表す。この図は、回転軸１６の周りの角度回転方向１０１を有する剛性回転シャフト１９および永久磁石１３９の角度位置θ １０２を表す。磁場角度センサチップ１０３は、回転しない。上部フランジ取り付け孔１４２が設けられ、ボルト１２８を使用して上部フランジ１３２をタンク壁１４０に締結する。

図８は、第２の固定部２および第２の液面応答ユニットのいくつかの部品の平面図を表す。センサモジュール下部プレート１２２の円形輪郭が同図に表されている。センサモジュール上部プレート１２１は、スナップ式フィンガー部１３１とぴったり合うノッチ部１２６を除いて全く図示されない。センサＰＣＢ １０４の上面の短形の輪郭は完全に示されている。キー特徴形状は、アライメント孔１３８および角度センサチップ１０３を含む。センサＰＣＢ １０４への電気相互接続部は、左端部にある。これらは、電気接点Ｖ_ＣＣ １５１、信号１５２、および接地１５３を含む。これらの電気接点は、たわみ導電線が半田付けされ、標準的なカードエッジコネクタは、端部の上を摺動することができ、または、ばね荷重クランプコネクタは、ＰＣＢ １０４の端部にクリップで留めることができる。ＰＣＢ １０４のための機械的支持体は、隆起ＰＣＢ下部支持体１２４によって設けられる。センサ１０３は、隆起センサ支持体１２３によって支持される。

第１の実施形態では、図６に表されるように、第１の固定ユニット１の上部フランジ１３２には、いくつかがタンク壁１４０へのボルト締めのため使用される場合を除いて、孔が存在しない。本実施形態では、中心孔が組立体上部フランジ２２０に設置され、剛性回転シャフト１９の細いネック部がこの中心孔を通り抜け、図１２に表されるように、回転シャフト１９がフランジ２２０上に吊されている。フランジ２２０は、タンクを外部環境から隔離する密閉筐体２２１が設けられ、第２の固定部４および密閉筐体２２１は、固定接続部を有する。具体的には、指形つまみ２２２と第２の固定部４とを表面上で指形つまみ２２２が対応するノッチ部と係合した状態で取り付ける。支持リング１３４は、組立体の上部フランジ２２０の上部に接するように上に動かされ、リボン上部プレート１３７によって加えられた重量およびその他の力を支持する。スナップ式リング溝１３５およびスナップ式リング１３６は、図６の場合と同じである。図に示されていない他のコンポーネントは、図６の場合と同じである。

上位システムにおいて使用される液面センサ信号のため、上位システムと通信する方法がなければならない。これは、磁場角度センサからの未加工アナログ信号をデジタル電子回路によって使用され得る形式に単純化することもある。センサシステムと上位システムとの間の通信モードは、有線、データバス（Ｉ^２Ｃ、ＲＳ２３２、ＩＥＥＥ ４８８、イーサネット、ＵＳＢなど）、または無線リンク（ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＩｏＴなど）の組による可能性がある。ここでの選択は、ユーザによって選ばれた通信プロトコルによって決定される。代替的に、通信は、タンクと同じ室内にいる人が読むことができるＬＥＤ表示のような視覚的信号である可能性がある。これらの通信方法の組み合わせを使用する液面センサ、および、その他の同様の液面センサは、確実に本発明の範囲内である。

発明の遠隔磁気液面センサの上位回路実装のブロックズが図９に表されている。制御回路は、３つの主要な回路ブロックを有し、各々が１つ以上のサブ回路を有する。３つの主要なブロックは：磁場角度トランスデューサ回路１６１、電源回路１６２、および信号処理回路１６３である。記載すべき事項は、回路をサブ回路に分割するこの特定の選択が確定的ではなく、発明の範囲を限定しないことである。それどころか、これは、発明および発明の主要な部分をより簡単に説明する方法を提供する。

磁気角度センサ回路１６１は、磁気抵抗角度センサチップ１０３に電気接続され、このチップは、Ｘ軸磁気抵抗センサ１７１およびＹ軸磁気抵抗角度センサ１７２を含み、Ｘ軸磁気角度センサは、Ｘ軸に沿ってこれの感度軸を有し、Ｙ軸磁気角度センサは、Ｙ軸に沿ってこれの感度軸を有し、Ｘ軸およびＹ軸は、同じ平面内に位置し、これらの軸は、これらの間に９０°の角度を有している。これらの２台のセンサは、ＸＹ平面と平行に感知し、感知平面は、永久磁石１３９からある一定の距離に設定され、図４は、この距離をＳ １０６として表している。これらの２台のセンサの出力応答は、図５において曲線１１０および１１として表されている。磁気角度センサ回路１６１は、２つのサブ回路：Ｘ軸磁気抵抗センサ１７１のため設けられた１つ、および、Ｙ軸磁気抵抗センサ１７２のため設けられた１つを有し、これらのサブ回路の一方の端部は、Ｖ_ＣＣ １６４またはＶ_Ｒｅｆ １７０に接続され、Ｘ軸磁気抵抗センサ１７１およびＹ軸磁気抵抗センサ１７２のもう一方の端部は、接地端子１６６に接続されている。

電力回路１６２は、発生源から電気エネルギーを取り込み、この電気エネルギーを回路の他の部品に効率的なかつ電気的に静かな方法で分配する機能を有する。２つのサブ回路、すなわち、電源１６８および電源レギュレータ回路１６９が存在する。電源レギュレータ回路の出力は、Ｖ_Ｒｅｆ １６４である。典型的に、Ｖ_Ｒｅｆの電圧レベルは、入力電力Ｖ_ＣＣの電圧レベルより低い。これは、ある種のフィルタが使用された場合、雑音もより少ない。回路全体の様々な部品は、様々な電源電圧を必要とするので、場合によっては、適切な電力をサブ回路に供給する数種類の電圧レギュレータサブ回路が存在する。

信号処理回路１６３は、多くの機能を有する。簡単な概要は、通信プロトコル１７７がセンサシステムから情報を受信する明確な方法を有することである。信号処理回路１６３は、磁気角度トランスデューサ回路１６１から未加工電圧信号を取得し、この信号を受け入れることができるフォーマットに変換しなければならない。第１のサブ回路は、アナログ前置増幅器回路１７３である。この回路は、信号の値に設計された量を乗じ、望ましくない信号を取り除くのに役立つ電気フィルタを有する。第２のサブ回路は、アナログ・デジタル変換器回路１７４である。この回路は、前置増幅器１７３の出力から（ボルトまたはアンペアの単位で表現されている）増幅されたアナログ信号を取得し、（ビット単位で表現されている）デジタル値に変換する。次のサブ回路、すなわち、出力フォーマッティング回路１７５は、アナログ・デジタル変換器回路１７４によって生成されたデジタル値を通信プロトコル１７７が受け入れることができる値およびフォーマットに変換するデジタル回路およびアルゴリズムを含む。次のサブ回路、すなわち、マイクロコントローラ回路１７６は、入力／出力回路１７８（デジタルインターフェース回路とも呼ばれる）を介した通信プロトコル１７７による通信と、デジタルデータをデータ回路１７９に記憶し、取り出すことと、信号をシステムの他のサブ回路に送信するシステム制御回路１８０とを扱う。回路の出力信号は、Ｖ_{ＯＵＴＰＵＴ} １６５に現れる。

測定されたアナログＸセンサ信号およびＹセンサ信号から液面Ｚ_{Ｌｅｖｅｌ}を取得する簡単な回路方法は、以下のとおりである。式（２）を再び呼び出すと、
Ｚ_{Ｌｅｖｅｌ}＝Ｚ_{Ｅｍｐｔｙ}＋（Ｚ_Ｆｕｌｌ−Ｚ_{Ｅｍｐｔｙ}）＊（θ_{Ｌｅｖｅｌ}−θ_{Ｅｍｐｔｙ}）／（θ_Ｆｕｌｌ−θ_{Ｅｍｐｔｙ}） （２）
が得られる。図５における曲線Ｘ１１０およびＹ１１１は、それぞれ、ｓｉｎ（θ_{Ｌｅｖｅｌ}）およびｃｏｓ（θ_{Ｌｅｖｅｌ}）の対称性があることに留意すべきである。その結果、磁場角度センサ１０３の２組のアナログ電圧出力を監視し、点検または自動ルックアップテーブルによってこれらの値をθ_{Ｌｅｖｅｌ}に対する値に変換することができる。その後、θ_{Ｌｅｖｅｌ}からＺ_{Ｌｅｖｅｌ}を得るために式（２）を使用する。

Ｘ軸磁気センサおよびＹ軸磁気センサは、永久磁石１３９の回転角に従ってアナログ電圧信号を生成するために使用されるので、出力信号は、永久磁石１３９によって生成された磁場の状態を表現する。図５の曲線１１０および１１１から分かるように、感知平面内に永久磁石によって生成された浮遊磁場は、３６０°で成分を有するので、永久磁石は、３６０°回転することがあり、浮遊磁場は、方向が変化することがあっても、全振幅値が変化することはない。

本発明の本実施形態において、出力信号フォーマットは、３つの電気接続部：電源Ｖ_ＣＣ １６４、信号出力１６５、および接地ＧＮＤ １６６だけを使用するパルス幅変調フォーマットである。これらの端子は、ＰＣＢ １０４上のパッド１５１、１５２および１５３とそれぞれ接続されている。

出力がデジタル処理されている液面検出システムは、本実施形態において説明されている。ここで、曲線１１０および１１１として表された２つの直線的な電圧出力は、単一のデジタル波形に変換される。この波形は、図１０の左下部分に波形３０として表されている。この曲線は、時間を横軸として、電圧対時間信号を表現する。波形３０は、固定サイクル時間Ｔ_{Ｃｙｃｌｅ} ２１をもつ繰り返し関数である。波形３０の電圧は、値Ｖ_Ｌｏｗ ２４またはＶ_Ｈｉｇｈ ２５のいずれかである。波形３０の各サイクルは、Ｖ_Ｈｉｇｈ ２５においてある経過時間Ｔ_Ｈｉｇｈ ２２を有し、Ｖ_Ｌｏｗ ２４においてある経過時間Ｔ_Ｌｏｗ ２３を有する。図１０において、Ｔ_ＨｉｇｈおよびＴ_Ｌｏｗは、７００μ秒および３００マイクロ秒であるとして表され、Ｔ_{Ｃｙｃｌｅ} ２１は、１０００マイクロ秒である。Ｔ_Ｈｉｇｈ
２２対Ｔ_{Ｃｙｃｌｅ} ２１の数学的比率は、「出力デューティサイクル」と称され、パーセンテージ（％）として表現される。ここに表された波形３０では、出力デューティサイクルは、（７００／１０００）＝７０％である。

特注設計の回路およびプログラムが曲線１１０および１１１からの２つの正弦波形状入力を図１１に表された曲線２９に変換するために使用される。このプロットは、出力デューティサイクル（％）対回転角比率（％）のプロットである。これは、θ_{Ｌｅｖｅｌ}とＺ_{Ｌｅｖｅｌ}との間の直線的な関係に起因する出力デューティサイクル（％）対液面（％）と等価的である。図１０および図１１に表されたとおりのこのスキームは、パルス幅変調（ＰＷＭ）と称される。これは、当該技術分野において知られている出力スタイルである。多くのデジタルアルゴリズムは、出力デューティサイクルを指示されたどのような変数にでも復号するために利用可能である。従って、ＰＷＭは、任意の振幅および形状の不規則なアナログ信号を標準的な特性をもつ規則的なデジタル波形に変換する方法である。

磁気抵抗角度センサチップ１０３、ならびに、装置を制御する関連する電力および制御電子回路を含む回路と、これらの制御回路とは、当該技術分野において知られている方法でＰＣＢ １０４に構築されている。ＰＣＢ １０４の平面図と、回転軸１６およびパドル１９の重ね合わされた図とが図７および図８に表されている。外部電力および信号接続は、パルス幅変調（ＰＷＭ）出力、電力、および接地用の接続部であるそれぞれ接点パッド１５１、１５２、および１５３でＰＣＢ １０４の下方端部において行われる。パドル１９が０°位置から３２４°位置まで回転するのにつれて、接点１５２と接点１５３との間のＰＷＭ電圧出力は、図１１に表された曲線２９に従う。本実施例では、回転は、設計によって３６０°を超えることが妨げられている。

図１２に表されるように、センサモジュール２３１は、出力接続部を表していないが、このセンサモジュールは、バッテリー２３２から電力を引き出し、このセンサモジュールは、通信プロトコル１７７によって通信するために無線モジュール２３３を使用する。

以上の説明は、本発明の好ましい実施形態を提示したが、本発明を限定するものではない。当該技術分野における技術者にとって、本発明は、様々な変形および変更が行われるようにされ得る。本発明の趣旨および原理の範囲内にある変更、均等置換、または改良はいずれも本発明の範囲に含まれるはずである。

Claims (14)

1. タンク内の液面を遠隔監視するのに用いられる液面センサシステムであって、
   前記タンクの開口に設置され、ガイドチューブが第１の固定部より下で前記タンクの中に挿入され、前記ガイドチューブは、前記ガイドチューブ内の液面が前記タンク内の液面と同一平面になることを可能にさせる複数のポートが設けられている、前記第１の固定部と、
   前記ガイドチューブの内部にあり、液体の表面上で浮遊し、液面が前記ガイドチューブ内で変化するときに上下に動くフロート、前記フロートと機械的に連結され、前記フロートが上下に動いている途中で、前記タンクの固定回転軸の周りに回転する回転シャフト、および、前記回転シャフトの上方端部に取り付けられ、前記シャフトの回転と共に回転する永久磁石を備える第１の液面応答ユニットと、
   前記第１の固定部の上部に取り付けられ、前記第１の固定部の上方側に位置している第２の固定部と、
   前記第２の固定部に取り付けられたＰＣＢ、前記永久磁石に面した側で前記ＰＣＢに取り付けられた磁気抵抗角度センサチップを含み、前記磁気抵抗角度センサチップが制御回路と電気的に相互接続されている第２の液面応答要素と
   を備え、
   前記磁気抵抗角度センサチップは、前記永久磁石の回転角に従ってアナログ電圧信号を制御回路に出力し、前記制御回路は、前記アナログ電圧信号に従って液面の高さを計算する、
   センサシステム。
2. 前記ガイドチューブ内の液面が空状態と満杯状態との間を動いている途中で、前記回転シャフトは、ｎが１以上の整数であるとして、３６０×ｎ度回転し、前記回転シャフトの回転角は、液面高さに直線的に比例することを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
3. 前記磁気抵抗角度センサチップは、ＴＭＲセンサ素子で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
4. 前記磁気抵抗角度センサチップは、一方がＸ軸センサであり、もう一方がＹ軸センサである２つの独立したセンサを含み、前記Ｘ軸センサの感度軸は、Ｘ軸であり、前記Ｙ軸センサの感度軸は、Ｙ軸であり、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸は、同じ平面内にあり、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸との間の角度は、９０°であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
5. 前記回転シャフトの回転中に、前記取り付けられた磁気抵抗角度センサチップの感知平面内に前記永久磁石によって生成された漂遊磁場は、３６０°対称性を有することを特徴とする、請求項４に記載のセンサシステム。
6. 前記感知平面は、ＸＹ平面と平行であり、前記永久磁石の上面からある一定の距離で離間していることを特徴とする、請求項５に記載のセンサシステム。
7. 前記磁気抵抗角度センサのアナログ電圧出力信号は、前記永久磁石の回転角の一価関数であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
8. 前記アナログ電圧出力信号は、標準デジタル信号フォーマットに変換され、前記標準デジタル信号フォーマットは、パルス幅変調信号であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
9. 前記出力信号のパルス幅変調は、前記永久磁石の回転角に直線的に比例することを特徴とする、請求項８に記載のセンサシステム。
10. 前記第１の固定部と前記第２の固定部との間に切り離し可能な接続部があることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
11. 前記第１の固定部と前記タンクとの間の空間は、前記永久磁石の高さを調節するための調節可能な構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
12. 前記第１の固定部は、中心孔を有し、前記回転シャフトの上端部は、前記中心孔の中を上向きに通過し、前記回転シャフトは、前記第１の固定部から吊され、前記第１の固定部も外部環境から前記タンクを隔離するために耐圧密閉筐体として据え付けられ、前記第２の固定部は、前記耐圧密閉筐体に対応して取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
13. 前記制御回路は、磁気角度センサ回路と、電源回路と、信号処理回路とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。
14. 前記センサシステムは、無線通信を実行するために無線通信回路を使用する無線センサモジュールを含み、前記無線センサモジュールは、バッテリーから電力を獲得することを特徴とする、請求項１に記載のセンサシステム。

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