JP2020134372A

JP2020134372A - 濃度センサ

Info

Publication number: JP2020134372A
Application number: JP2019029960A
Authority: JP
Inventors: 善積　順一; Junichi Yoshizumi; 順一善積
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP7117512B2

Abstract

【課題】本発明は、流体の濃度を検出する濃度静電容量を測定することで液中アルコール濃度を検出するセンサに関し、周囲温度の変化に対して濃度測定精度を向上させることを目的とする。【解決手段】本開示における濃度センサは、筒と導線と回路処理部と備え、回路処理部は、基準発振器と第１の分周器と位相比較器とローパスフィルタと電圧制御発振器と第２の分周器と検波器と第１の出力ポートと第２の出力ポートとを備え、電圧制御発振器は、可変容量ダイオードと発振器と増幅器とを備え、第１の出力ポートは検波器を介して電圧制御発振器に接続され、第２の出力ポートはローパスフィルタの後段に接続され、筒と導線とは共同して共振器を構成しており、共振器は、可変容量ダイオードのカソードと発振器の間に接続されている。【選択図】図２

Description

本開示は、濃度センサに関する。

流体の濃度を検出する濃度センサは、流体の流路を構成する導電性の外側パイプと、流路内に配置される導電性の内側パイプとで構成されている。濃度センサは、外側パイプと内側パイプとで形成され静電容量を検出し、静電容量に応じた信号を濃度情報として出力する。

なお、この出願の開示に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特表２００９−５０５０７４号公報

しかしながら、検出対象となる流体は、少なからず導電性を有している。流体における導電性は、静電容量の検出におけるレジスタンス成分として検出結果に含まれる。このレジスタンス成分は、濃度検出における誤差要因となり、検出精度を劣化させてしまうという問題があった。

そこで、本開示はこのような問題を解決し、濃度センサにおける検出精度を高めることを目的とする。

本開示の一態様における濃度センサは、筒と導線と回路処理部と備え、回路処理部は、基準発振器と第１の分周器と位相比較器とローパスフィルタと電圧制御発振器と第２の分周器と検波器と第１の出力ポートと第２の出力ポートとを備え、電圧制御発振器は、可変容量ダイオードと発振器と増幅器とを備え、第１の出力ポートは検波器を介して電圧制御発振器に接続され、第２の出力ポートはローパスフィルタの後段に接続され、筒と導線とは共同して共振器を構成しており、共振器は、可変容量ダイオードのカソードと発振器の間に接続されている。

この構成により、濃度センサの検出精度を高めることができる。

図１は、本開示の濃度センサを模式的に示した構成図である。図２は、本開示の濃度センサの等価回路図である。図３は、共振器の変形例を模式的に示した断面図である。

以下では、本開示の実施の形態に係る濃度センサについて、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形
態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。

図１は、濃度センサ１００を模式的に示した構成図である。濃度センサ１００は、共振器１０と回路処理部２０とを有している。共振器１０は、筒１１と、筒１１の内部に配置された導線１２とによるＴＥＭモードの導波路構成である。筒１１は、側面に貫通孔１３が配置されている。導線１２の一端側は、貫通孔１３を介して筒１１の外側に導出される。なお、貫通孔１３には、絶縁体１４が設けられている。導線１２は絶縁体１４を介して筒１１に固定されている。

筒１１は、鉄やステンレスなどの導体で構成されている。筒１１、は流体Ｘの濃度を測定する際には接地される。筒１１の内周部分は、検査対象となる流体Ｘの流路１５となる。検査対象となる流体Ｘは、ガソリンなどの液体や二酸化炭素などの気体である。

導線１２は、銅やアルミニウム等の導体で構成されている。導線１２は、筒１１の延伸方向に延びる延伸部１２Ａと、貫通孔１３を経て外部に導出される引き出し部１２Ｂを有している。

共振器１０のインダクタンス成分は、導線１２のインダクタンス成分により構成される。共振回路のキャパシタンス成分は、導線１２と筒１１とが対向することで生じる静電容量成分により構成される。つまり、共振器１０は、延伸部１２Ａの長さと流体Ｘの誘電率により共振周波数が決まる。流体Ｘの誘電率は流体Ｘの濃度に応じて変化する。したがって、濃度センサ１００は、共振器１０の共振周波数を検出することにより、流体Ｘの濃度情報を含む信号を出力することができる。

回路処理部２０は、２つの出力ポート２１，２２を有している。図２は、濃度センサ１００の等価回路を示す。

回路処理部２０は、基準発振器２３と分周器２４と位相比較器２５とローパスフィルタ２６と電圧制御発振器２７と分周器２８と、検波器２９を備えている。出力ポート２１は、検波器２９の後段に接続されている。出力ポート２２はローパスフィルタ２６と電圧制御発振器２７の間に接続される。コイル３６はチョークコイル、コンデンサ３７はバイパスコンデンサである。基準発振器２３は、例えば水晶発振器を用いることができる。分周器２４は基準発振器２３の後段に配置されている。位相比較器は２５分周器２４の後段に配置されている。ローパスフィルタ２６は位相比較器２５の後段に接続されている。電圧制御発振器２７はローパスフィルタ２６の後段に接続されている。分周器２８は電圧制御発振器２７から位相比較器２５への帰還ループ３０に配置されている。検波器２９は電圧制御発振器２７の後段に接続されている。

電圧制御発振器２７は、可変容量ダイオード３１と発振器３２と増幅器３３を備えている。可変容量ダイオード３１は、カソードがローパスフィルタ２６の後段に接続されており、アノードが接地されている。発振器３２はローパスフィルタ２６の後段に接続されている。増幅器３３は発振器３２の後段に接続されている。なお、可変容量ダイオード３１のカソードと発振器３２との間には共振器１０が接続されている。また、コンデンサ３４は、ＤＣカット用のコンデンサである。コンデンサ３５は、カップリング用のコンデンサ
である。

回路処理部２０において、基準発振器２３と分周器２４と位相比較器２５とローパスフィルタ２６と電圧制御発振器２７と分周器２８とでフェーズロックループ（以下、ＰＬＬと記す。）が構成されている。この結果、出力ポート２１，２２からは、共振器１０の共振周波数の変化に応じた信号が出力される。出力ポート２１からは、流体Ｘの導電率情報を含む信号が出力される。出力ポート２２からは、流体Ｘの誘電率の情報を含む信号出力される。

ＰＬＬは、共振器１０の共振周波数の変化に伴い、一定の周波数にロックさせる作用が働く。例えば、流体Ｘの誘電率が小さくなり共振器１０の共振周波数が上がった場合、ＰＬＬは、その周波数を下げるように電圧制御発振器２７への制御電圧を調整する。具体的には、可変容量ダイオード３１は、アノードが接地されている。この可変容量ダイオード３１の容量を大きくするように制御電圧を調整することで共振器１０の共振周波数を下げることができる。この制御電圧の変化が出力ポート２２の出力信号に反映される。つまり、出力ポート２２の出力信号には、流体Ｘの誘電率の情報が含まれる。

また、電圧制御発振器２７の出力信号は、発振器３２並びに増幅器３３と共振器１０の励起レベルにより決まる。例えば、流体Ｘの導電率が大きくなった場合、共振器１０のＱ値が下がる。共振器１０のＱ値が下がることで、共振器１０の励起レベルが小さくなり、電圧制御発振器２７の出力信号は下がる。この結果、検波器２９の出力信号の電圧は下がる。検波器２９は、電圧制御発振器２７の出力信号を直流の電圧信号に変換する。つまり、検波器の後段に接続された出力ポート２１の出力信号には、流体Ｘの導電率の情報が含まれる。

以上のように、濃度センサ１００は、流体Ｘの濃度変化に応じて、流体Ｘの誘電率に関する情報と導電率に関する情報が出力される。したがって、流体の濃度検出においてレジスタンス成分を除去することができるようになるため、濃度センサにおける検出精度を高めることができる。

なお、共振器１０は、導線１２の先端が開放端である。この場合、共振器がλ／２型の共振器となるのでＱ値が高くなる。この結果、濃度センサの検出精度が高められる。また、導線が片端支持構造であるため、筒に対する導線の取り付けが容易となる。

共振器１０の変形例を図３に示す。共振器４０は、導線４２の先端（図中における延伸部１２Ａの右端部分）が接続部４１Ｃで筒４１に接続されている。筒４１は測定段階で接地されるため、共振器４０は、λ／４型の共振器となる。導線４２は、延伸部４１Ａの両端が支持部４２Ｂと接続部４２Ｃで筒４１に支持された両端支持構造となる。この構造によれば、導線４２は、流体の流れや外部振動等の外的影響を抑制できる。さらに、共振器４０は共振器１０より小型となる。

本開示の濃度センサは、特に自動車などの内燃機関用途において有効となる。

１０，４０共振器
１１，４１筒
１２，４２導線
１５流路
２０回路処理部
２３基準発振器
２４，２８分周器
２５位相比較器
２６ローパスフィルタ
２７電圧制御発振器、
２９検波器
３０帰還ループ
３１可変容量ダイオード
３２発振器
３３増幅器
２１，２２出力ポート
Ｘ流体

Claims

内部が流体の流路を構成する筒と、
前記流路の内部に配置される導線と、
前記導線の一端が接続される回路処理部と、備え、
前記回路処理部は、
基準発振器と、
前記基準発振器の後段に接続された第１の分周器と、
前記第１の分周器の後段に接続された位相比較器と、
前記位相比較器の後段に接続されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの後段に接続された電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器から前記位相比較器への帰還ループに配置された第２の分周器と、
前記電圧制御発振器の後段に接続された検波器と、
前記検波器の後段に接続された第１の出力ポートと、
前記ローパスフィルタと前記電圧制御発振器との間に接続された第２の出力ポートと、を備え、
前記電圧制御発振器は、
アノードが接地されて、カソードが前記ローパスフィルタの後段に接続された可変容量ダイオードと、
前記ローパスフィルタの後段に接続された発振器と、
前記発振器の後段に接続された増幅器と、を備え、
前記筒と前記導線とは、共同して共振器を構成しており、
前記共振器は、前記可変容量ダイオードのカソードと前記発振器の間に接続されている、濃度センサ。
前記導線の他端が、前記筒に接続されている、請求項１に記載の濃度センサ。
前記導線の他端が開放端である、請求項１に記載の濃度センサ。