JP3162032U - Capacitive liquid level sensor - Google Patents

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洋 川勝
洋 川勝
憲 吉村
憲 吉村
建治 上田
建治 上田
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亀岡電子株式会社
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Abstract

【課題】様々な形状の容器にも対応可能で、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供する。【解決手段】センサ本体1およびセンサ回路を備え、センサ本体1は、変形可能な可撓性材料からなる絶縁シート2と、絶縁シート2の一方の面2aに形成された検出電極3と、他方の面2bに、絶縁シート2を介して検出電極3と対向し、検出電極3に対応する領域を含むように検出電極3より広く形成されたガード電極4と、絶縁シート2のいずれかの面に、検出電極3またはガード電極4の両側部より所定距離離れた位置に、検出電極3またはガード電極4に対して対称的に形成された一対の接地電極5、6を有し、検出電極3と接地電極5および6間の静電容量を検出する。センサ回路は、センサ本体1に接続され、センサ本体1によって検出された静電容量を電気信号に変換し、電気信号を信号処理して、液面レベルを検出する。【選択図】図1An electrostatic capacity type liquid level sensor capable of accommodating containers of various shapes and detecting the liquid level with high accuracy is provided. A sensor body includes a sensor body and a sensor circuit. The sensor body includes an insulating sheet made of a deformable flexible material, a detection electrode formed on one surface of the insulating sheet, and a second electrode. The guard electrode 4 that is formed wider than the detection electrode 3 so as to face the detection electrode 3 with the insulating sheet 2 interposed therebetween and include a region corresponding to the detection electrode 3, and any surface of the insulating sheet 2 And a pair of ground electrodes 5 and 6 formed symmetrically with respect to the detection electrode 3 or the guard electrode 4 at positions separated from both sides of the detection electrode 3 or the guard electrode 4. And the capacitance between the ground electrodes 5 and 6 is detected. The sensor circuit is connected to the sensor body 1, converts the capacitance detected by the sensor body 1 into an electrical signal, processes the electrical signal, and detects the liquid level. [Selection] Figure 1

Description

本考案は、静電容量式液面レベルセンサに関するものである。   The present invention relates to a capacitance type liquid level sensor.

従来から、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する静電容量式液面レベルセンサが知られている(例えば特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a capacitance type liquid level sensor that detects a liquid level in a container that contains a liquid based on a change in capacitance is known (see, for example, Patent Document 1).

この静電容量式液面レベルセンサは、図11に示すように、絶縁シート31と、検出電極32と、接地電極33とを有するセンサ本体30を備えている。絶縁シート31は、例えばプラスチックなどの変形可能な可撓性材料からなる。検出電極32および接地電極33は、例えば銅などの導電性材料からなり、いずれも絶縁シート31の一方の面31aに形成され、互いに所定間隔をおいて配置されている。この静電容量式液面レベルセンサによれば、センサ本体30が容器の外面に取り付けられ、または、センサ本体30が容器内の液体に浸され、センサ本体30によって検出電極32および接地電極33間の静電容量が検出され、この静電容量に基づいて容器の液面の高さ(以下、「液面レベル」と称する)が検出される。   As shown in FIG. 11, the capacitance type liquid level sensor includes a sensor body 30 having an insulating sheet 31, a detection electrode 32, and a ground electrode 33. The insulating sheet 31 is made of a deformable flexible material such as plastic. The detection electrode 32 and the ground electrode 33 are made of, for example, a conductive material such as copper, and are both formed on one surface 31a of the insulating sheet 31 and arranged at a predetermined interval from each other. According to this capacitance type liquid level sensor, the sensor main body 30 is attached to the outer surface of the container, or the sensor main body 30 is immersed in the liquid in the container, and the sensor main body 30 connects the detection electrode 32 and the ground electrode 33. The liquid level of the container (hereinafter referred to as “liquid level”) is detected based on this electrostatic capacity.

ところで、この静電容量式液面レベルセンサによって、例えばゲージ管などの円筒形状の容器B内の液面レベルを検出する場合には、図12(a)および(b)に示すように、検出電極32および接地電極33を対向させるように、センサ本体30を容器Bの外面に取り付けることが一般的である。なお、図12(a)において絶縁シート31は図示していない。しかしながら、図12(c)に示すように、径の大きな容器B内の液面レベルを検出する場合には、検出電極32および接地電極33を対向させることができなくなる。すなわち、この静電容量式液面レベルセンサでは、容器Bの径の大きさに応じたサイズのセンサ本体30が必要になるという問題がある。   By the way, when the liquid level in the cylindrical container B such as a gauge tube is detected by the capacitance type liquid level sensor, as shown in FIGS. In general, the sensor body 30 is attached to the outer surface of the container B so that the electrode 32 and the ground electrode 33 face each other. In addition, the insulating sheet 31 is not illustrated in FIG. However, as shown in FIG. 12C, when detecting the liquid level in the container B having a large diameter, the detection electrode 32 and the ground electrode 33 cannot be opposed to each other. That is, this capacitance type liquid level sensor has a problem that a sensor body 30 having a size corresponding to the diameter of the container B is required.

また、この静電容量式液面レベルセンサでは、図13(a)に示すように、例えば直方体形状の容器Bの一側面に取り付けて当該容器B内の液面レベルを検出することも勿論可能である。しかしながら、検出電極32の片側だけに接地電極33が配置されているため、図13(b)に示すように、検出電極32に発生する電界は当該電極32の両側において非対称に不均一に分布している。このため、この静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは容器の形状の影響を受け易く安定しないという問題がある。   Further, in this capacitance type liquid level sensor, as shown in FIG. 13A, for example, it is possible to detect the liquid level in the container B by being attached to one side surface of the rectangular container B, for example. It is. However, since the ground electrode 33 is disposed only on one side of the detection electrode 32, the electric field generated in the detection electrode 32 is asymmetrically and unevenly distributed on both sides of the electrode 32 as shown in FIG. ing. For this reason, there is a problem that the liquid level detected by the capacitance type liquid level sensor is easily affected by the shape of the container and is not stable.

また、この静電容量式液面レベルセンサでは、図13(c)に示すように、センサ本体30によって、検出電極32と接地電極33間の静電容量Cdが検出されるが、この静電容量Cd以外に、静電容量式液面レベルセンサが有する電位とは異なる電位を有する周辺環境(例えば周辺機器などの物体)と検出電極32間の静電容量Cnも同時に検出される。この静電容量Cnは大きなノイズとなるため、この静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルの検出精度が低くなるという問題がある。   In this capacitance type liquid level sensor, as shown in FIG. 13C, the sensor body 30 detects the capacitance Cd between the detection electrode 32 and the ground electrode 33. In addition to the capacitance Cd, the capacitance Cn between the detection electrode 32 and the surrounding environment (for example, an object such as a peripheral device) having a potential different from the potential of the capacitance type liquid level sensor is also detected at the same time. Since the capacitance Cn becomes a large noise, there is a problem that the detection accuracy of the liquid level detected by the capacitance type liquid level sensor is lowered.

さらに、液体を収容する容器B内の液面レベルをセンサ本体30で検出した静電容量の変化に基づいて検出するためには、センサ本体30によって検出された静電容量を電気信号に変換して、この電気信号を信号処理するセンサ回路が必要となるが、特許文献1にはセンサ回路の具体的な構成や信号処理方法について全く開示されていない。このため、高精度に液面レベルを検出できるようなセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサの開発が要望されていた。   Furthermore, in order to detect the liquid level in the container B containing the liquid based on the change in capacitance detected by the sensor body 30, the capacitance detected by the sensor body 30 is converted into an electrical signal. Thus, a sensor circuit for signal processing of this electrical signal is required, but Patent Document 1 does not disclose a specific configuration of the sensor circuit or a signal processing method. For this reason, there has been a demand for the development of a capacitive liquid level sensor having a sensor circuit that can detect the liquid level with high accuracy.

特開平2007−303982号JP 2007-303982 A

本考案の課題は、様々な形状の容器にも対応可能で、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a capacitance type liquid level sensor that can be applied to containers of various shapes and detects the liquid level with high accuracy.

上記課題を解決するため、本考案は、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する、センサ本体とセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサであって、前記センサ本体は、変形可能な可撓性材料からなる絶縁シートと、前記絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、前記絶縁シートの他方の面において、前記絶縁シートを介して前記検出電極と対向し、前記検出電極に対応する領域を含むように前記検出電極よりも広く形成されたガード電極と、前記絶縁シートのいずれかの面において、前記検出電極または前記ガード電極の両側部より所定距離離れた位置に、前記検出電極または前記ガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、前記検出電極と前記接地電極間の静電容量を検出するようになっており、前記センサ回路は、前記センサ本体に接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、前記電気信号を信号処理して、前記液面レベルを検出するようになっていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサとしたものである。   In order to solve the above problems, the present invention is a capacitive liquid level sensor having a sensor main body and a sensor circuit that detects a liquid level in a container that contains a liquid based on a change in capacitance. The sensor body includes an insulating sheet made of a deformable flexible material, a detection electrode formed on one surface of the insulating sheet, and the other surface of the insulating sheet via the insulating sheet. A guard electrode formed wider than the detection electrode so as to include a region corresponding to the detection electrode, and on either surface of the insulating sheet, the detection electrode or the guard electrode It has a pair of ground electrodes formed symmetrically with respect to the detection electrode or the guard electrode at a position away from both sides by a predetermined distance, and detects a capacitance between the detection electrode and the ground electrode. The sensor circuit is connected to the sensor body, converts the capacitance detected by the sensor body into an electrical signal, performs signal processing on the electrical signal, and adjusts the liquid level. This is a capacitive liquid level sensor characterized in that it detects.

この構成によれば、絶縁シートのいずれかの面において検出電極の両側部より所定距離離れた位置に一対の接地電極が形成されているため、センサ本体を例えばゲージ管などの円筒形状の容器の外面に取り付けて当該容器の液面レベルを検出する場合において、容器の径にかかわらず、検出電極および接地電極を対向させ易くすることができる。このため、様々な径の大きさの容器に対応可能な静電容量式液面レベルセンサを提供できる。
また、一対の接地電極が検出電極に対して対称的に形成されているので、検出電極に発生する電界が当該電極の両側において対称に均一に分布し、静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは、直線性を有し、容器の形状の影響を受けにくく安定したものとなる。
According to this configuration, since the pair of ground electrodes are formed at a predetermined distance from both sides of the detection electrode on either side of the insulating sheet, the sensor body is made of a cylindrical container such as a gauge tube. When the liquid level of the container is detected by being attached to the outer surface, the detection electrode and the ground electrode can be easily opposed regardless of the diameter of the container. For this reason, it is possible to provide a capacitance type liquid level sensor that can be used for containers having various diameters.
In addition, since the pair of ground electrodes are formed symmetrically with respect to the detection electrode, the electric field generated on the detection electrode is distributed symmetrically and uniformly on both sides of the electrode, and is detected by a capacitive liquid level sensor. The liquid level to be applied has linearity and is not easily affected by the shape of the container and becomes stable.

本考案の好ましい第1実施例によれば、上記構成において、前記センサ回路は、静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路から構成され、前記静電容量−電圧変換回路が、前記センサ本体と接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電圧信号に変換するようになっており、前記液面レベル演算回路が、前記静電容量−電圧変換回路の後段に接続され、前記静電容量−電圧変換回路によって変換された電圧信号を信号処理して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを演算するようになっている。   According to a first preferred embodiment of the present invention, in the above configuration, the sensor circuit is composed of a capacitance-voltage conversion circuit and a liquid level calculation circuit, and the capacitance-voltage conversion circuit comprises the sensor. The electrostatic capacity detected by the sensor body is converted to a voltage signal, and the liquid level calculation circuit is connected to a subsequent stage of the electrostatic capacity-voltage conversion circuit, The voltage signal converted by the capacitance-voltage conversion circuit is signal-processed, and the liquid level is calculated based on the magnitude of the voltage signal.

上記第1実施例においてより好ましくは、前記静電容量−電圧変換回路は、バッファー回路とA/D変換回路を含み、前記液面レベル演算回路は、デジタル信号処理回路とD/A変換回路を含み、前記バッファー回路が前記検出電極および前記ガード電極に接続され、前記バッファー回路を介して前記ガード電極が検出電極と同一電位に保持されており、前記A/D変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をA/D変換してデジタル信号に変換するようになっており、前記デジタル信号処理回路が、前記A/D変換回路によって変換されたデジタル信号を信号処理して前記D/A変換回路に出力するようになっており、前記D/A変換回路が、前記デジタル信号処理回路によって信号処理されたデジタル信号をD/A変換して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを算出するようになっている。   In the first embodiment, more preferably, the capacitance-voltage conversion circuit includes a buffer circuit and an A / D conversion circuit, and the liquid level calculation circuit includes a digital signal processing circuit and a D / A conversion circuit. The buffer circuit is connected to the detection electrode and the guard electrode, the guard electrode is held at the same potential as the detection electrode via the buffer circuit, and the A / D conversion circuit is connected to the detection electrode. A voltage signal corresponding to the potential difference between the ground electrodes is A / D converted into a digital signal, and the digital signal processing circuit converts the digital signal converted by the A / D conversion circuit into a signal. The digital signal processed and output to the D / A conversion circuit, and the D / A conversion circuit outputs the digital signal processed by the digital signal processing circuit. / A conversion, and calculates the liquid level on the basis of the magnitude of the voltage signal.

この構成によれば、上記と同様の効果が得られる上に、バッファー回路を介して検出電極とガード電極が同電位に保持されているので、センサ本体によって、検出電極と接地電極間の静電容量のみが検出され、この静電容量以外の、静電容量式液面レベルセンサが有する電位とは異なる電位を有する周辺環境(例えば周辺機器などの物体)と検出電極間の静電容量は検出されなくなる。このため、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。   According to this configuration, the same effect as described above can be obtained, and the detection electrode and the guard electrode are held at the same potential via the buffer circuit. Only the capacitance is detected, and the capacitance between the detection electrode and the surrounding environment (for example, an object such as a peripheral device) having a potential different from that of the capacitance type liquid level sensor is detected. It will not be done. Therefore, it is possible to provide a capacitance type liquid level sensor that detects the liquid level with high accuracy.

本考案の好ましい第2実施例によれば、上記構成において、前記A/D変換回路は、シグマ−デルタ変換回路からなり、前記シグマ−デルタ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換するようになっている。   According to a second preferred embodiment of the present invention, in the above configuration, the A / D conversion circuit comprises a sigma-delta conversion circuit, and the sigma-delta conversion circuit has a potential difference between the detection electrode and the ground electrode. The voltage signal corresponding to the signal is sigma-delta modulated and converted into a digital signal.

この構成によれば、A/D変換回路として高分解能なシグマ−デルタ変換回路を用いているので、より高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。   According to this configuration, since the high-resolution sigma-delta conversion circuit is used as the A / D conversion circuit, it is possible to provide a capacitance type liquid level sensor that detects the liquid level more accurately. .

上記考案の構成において、前記検出電極および前記ガード電極は、同軸ケーブルを介して前記バッファー回路に接続されることが好ましい。   In the configuration of the above device, the detection electrode and the guard electrode are preferably connected to the buffer circuit via a coaxial cable.

また、上記考案の構成において、前記検出電極、前記ガード電極および前記接地電極はいずれも、前記容器内の液面レベルの増減方向にのびるように縦長形状に形成されていることが好ましい。   In the configuration of the above device, it is preferable that all of the detection electrode, the guard electrode, and the ground electrode are formed in a vertically long shape so as to extend in the increasing / decreasing direction of the liquid level in the container.

さらに、上記考案の構成において、前記検出電極および前記ガード電極はいずれも、導電性を有する透明電極からなり、前記検出電極および前記ガード電極のうちの一方または両方の電極の表面には、前記透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなり、前記容器内の液面位置を示す目盛部が形成されていることが好ましい。   Furthermore, in the configuration of the above-described device, each of the detection electrode and the guard electrode is made of a transparent electrode having conductivity, and the surface of one or both of the detection electrode and the guard electrode has the transparent electrode. It is preferable that the scale part which consists of a coating material or metal foil which has higher electroconductivity than the electrode material of an electrode, and shows the liquid level position in the said container is formed.

ここで、検出電極およびガード電極として透明電極を使用する場合には、透明電極のシート抵抗値は一般的に大きく、電極間の静電容量の検出時に当該シート抵抗の影響を受け易くなるため、液面レベルの検出精度が低下する可能性がある。しかしながら、上記考案の構成において、検出電極およびガード電極のうちの一方または両方の電極の表面に、透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなる目盛部を形成し、実質的に透明電極のシート抵抗を低下させたので、透明電極を使用した場合にも、液面レベルの検出精度の低下を防止することができる。また、目盛部は透明電極の表面に形成されているので、容器内の液面位置を直接目視によって確認することもできる。   Here, when a transparent electrode is used as the detection electrode and the guard electrode, the sheet resistance value of the transparent electrode is generally large, and it is easily affected by the sheet resistance when detecting the capacitance between the electrodes. The detection accuracy of the liquid level may be lowered. However, in the configuration of the above device, a scale portion made of a paint or metal foil having a conductivity higher than that of the electrode material of the transparent electrode is formed on the surface of one or both of the detection electrode and the guard electrode. Since the sheet resistance of the transparent electrode has been lowered, it is possible to prevent a decrease in detection accuracy at the liquid level even when the transparent electrode is used. Moreover, since the scale part is formed in the surface of a transparent electrode, the liquid level position in a container can also be confirmed directly visually.

本考案によれば、様々な形状の容器にも対応可能で、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a capacitance type liquid level sensor that can deal with containers of various shapes and detects the liquid level with high accuracy.

(a)は本考案の第1実施例による静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、(b)は(a)の矢印線A−A’に沿った断面図である。(A) is a top view of the sensor main body of the capacitive liquid level sensor according to the first embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view along the arrow line AA ′ in (a). . 図1の静電容量式液面レベルセンサのセンサ回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the sensor circuit of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of FIG. 図2のセンサ回路の静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路の一構成例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a capacitance-voltage conversion circuit and a liquid level calculation circuit of the sensor circuit of FIG. 2. 図1の静電容量式液面レベルセンサの検出電極と接地電極間の静電容量Cdを等価回路的に示した図である。It is the figure which showed the electrostatic capacitance Cd between the detection electrode and ground electrode of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of FIG. 1 in an equivalent circuit. 図1の静電容量式液面レベルセンサで検出される静電容量の変化率と液面レベルの関係を示したグラフである。2 is a graph showing the relationship between the rate of change in capacitance detected by the capacitance type liquid level sensor in FIG. 1 and the liquid level. 図3のA/D変換回路の一構成例であるシグマ−デルタ変換回路を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a sigma-delta conversion circuit which is a configuration example of the A / D conversion circuit of FIG. 3. 図6のシグマ−デルタ変換回路の動作を説明する動作チャートである。It is an operation | movement chart explaining operation | movement of the sigma-delta conversion circuit of FIG. (a)は図1の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の小さな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図であり、(b)は図1のセンサ本体を径の大きな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図である。(A) is sectional drawing seen from the said container top which shows the state which attached the sensor main body of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of FIG. 1 to the outer surface of a cylindrical container with a small diameter, (b) is a figure. It is sectional drawing seen from the said container top which shows the state which attached the sensor main body of 1 to the outer surface of the cylindrical container with a large diameter. (a)は図1の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を直方体形状の容器の一側面に取り付けた状態を示す斜視図であり、(b)は、(a)における検出電極に生じる電界分布を示す断面図であり、(c)は(b)における検出電極と接地電極間に発生する静電容量を等価回路的に示した図である。(A) is a perspective view which shows the state which attached the sensor main body of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of FIG. 1 to one side of a rectangular parallelepiped container, (b) arises in the detection electrode in (a). It is sectional drawing which shows an electric field distribution, (c) is the figure which showed the electrostatic capacitance which generate | occur | produces between the detection electrode and ground electrode in (b) in an equivalent circuit. (a)は第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第1変形例を示す上面図であり、(b)は第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第2変形例を示す上面図であり、(c)は第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第3変形例を示す上面図であり、(d)は第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第4変形例を示す上面図であり、(e)は第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第5変形例を示す上面図である。(A) is a top view which shows the 1st modification of the sensor main body of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of 1st Example, (b) is the electrostatic capacitance type liquid level sensor of 1st Example. It is a top view which shows the 2nd modification of a sensor main body, (c) is a top view which shows the 3rd modification of the sensor main body of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of 1st Example, (d) is It is a top view which shows the 4th modification of the sensor main body of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of 1st Example, (e) is the 1st of the sensor main body of the electrostatic capacitance type liquid level sensor of 1st Example. It is a top view which shows 5 modifications. (a)は従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、(b)は(a)の矢印線A−A’に沿った断面図である。(A) is a top view of the sensor main body of the conventional electrostatic capacitance type liquid level sensor, (b) is a sectional view taken along the arrow line A-A 'in (a). (a)は従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の小さな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す斜視図であり、(b)は(a)におけるセンサ本体を当該容器上方からみた断面図であり、(c)は、従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の大きな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図である。(A) is a perspective view which shows the state which attached the sensor main body of the conventional capacitive type liquid level sensor to the outer surface of a cylindrical container with a small diameter, (b) is the said sensor main body in (a) It is sectional drawing seen from the container upper part, (c) is the cross section seen from the said container which shows the state which attached the sensor main body of the conventional electrostatic capacitance type liquid level sensor to the outer surface of a cylindrical container with a large diameter FIG. (a)は従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を直方体形状の容器の一側面に取り付けた状態を示す斜視図であり、(b)は(a)の検出電極に生じる電界分布を示す断面図であり、(c)は(b)における検出電極と接地電極間に発生する静電容量を等価回路的に示した図である。(A) is a perspective view which shows the state which attached the sensor main body of the conventional electrostatic capacitance type liquid level sensor to the one side of a rectangular parallelepiped container, (b) is the electric field distribution which arises in the detection electrode of (a). (C) is a diagram showing an equivalent circuit of the capacitance generated between the detection electrode and the ground electrode in (b).

以下、本考案の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施例)
図1(a)は本考案の第1実施例による静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、(b)は(a)の矢印線A−A’に沿った断面図である。また、図2はこの静電容量式液面レベルセンサのセンサ回路を示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 1A is a top view of a sensor body of a capacitive liquid level sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the arrow line AA ′ in FIG. It is. FIG. 2 is a block diagram showing a sensor circuit of the capacitance type liquid level sensor.

この静電容量式液面レベルセンサは、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出するものであって、図1および図2に示すように、センサ本体1とセンサ回路9を備える。   This capacitance type liquid level sensor detects a liquid level in a container that contains a liquid based on a change in capacitance. As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor main body 1 And a sensor circuit 9.

センサ本体1は、図1に示すように、絶縁シート2と、検出電極3と、ガード電極4と、一対の接地電極5、6とを有する。絶縁シート2は、例えばプラスチックなどの変形可能な可撓性材料からなる。検出電極3は、絶縁シート2の一方の面2aに形成されている。ガード電極4は、絶縁シート2の他方の面2bにおいて、絶縁シート2を介して検出電極3と対向し、検出電極3に対応する領域を含むように検出電極3よりも広く形成されている。一対の接地電極5、6は、それぞれ、絶縁シートの他方の面2bにおいて、検出電極3またはガード電極4の両側部より所定距離離れた位置に、検出電極3またはガード電極4に対して対称的に形成されている。検出電極3、ガード電極4および一対の接地電極5,6はいずれも、例えば銅やアルミニウムなどの導電性材料からなる。一対の接地電極5、6はいずれも、図示しないグランド電位(接地電位)に接地されている。そして、センサ本体1は、検出電極3と接地電極5、6間の静電容量を検出する。   As shown in FIG. 1, the sensor body 1 includes an insulating sheet 2, a detection electrode 3, a guard electrode 4, and a pair of ground electrodes 5 and 6. The insulating sheet 2 is made of a deformable flexible material such as plastic. The detection electrode 3 is formed on one surface 2 a of the insulating sheet 2. The guard electrode 4 is formed wider on the other surface 2 b of the insulating sheet 2 than the detection electrode 3 so as to face the detection electrode 3 with the insulating sheet 2 interposed therebetween and include a region corresponding to the detection electrode 3. The pair of ground electrodes 5 and 6 are symmetrical with respect to the detection electrode 3 or the guard electrode 4 at positions separated from both sides of the detection electrode 3 or the guard electrode 4 on the other surface 2b of the insulating sheet. Is formed. The detection electrode 3, the guard electrode 4, and the pair of ground electrodes 5 and 6 are all made of a conductive material such as copper or aluminum. The pair of ground electrodes 5 and 6 are both grounded to a ground potential (ground potential) (not shown). The sensor body 1 detects the capacitance between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6.

センサ回路9は、図2に示すように、センサ本体1に接続され、センサ本体1によって検出された静電容量を電気信号に変換し、電気信号を信号処理して、液面レベルを検出する。この実施例では、センサ本体1とセンサ回路9は、ケーブル7、8および電極端子を介して接続されている。電極端子は、検出電極用、ガード電極用および接地電極用の端子から構成される。検出電極3およびガード電極4は同軸ケーブル7を介してそれぞれ検出電極用およびガード電極用の端子に接続され、一対の接地電極5、6はケーブル8を介して接地電極用の端子に接続される。検出電極3、ガード電極4および接地電極5、6は1本の2重構造のシールドを介して電極端子に接続されてもよい。   As shown in FIG. 2, the sensor circuit 9 is connected to the sensor body 1, converts the capacitance detected by the sensor body 1 into an electrical signal, processes the electrical signal, and detects the liquid level. . In this embodiment, the sensor body 1 and the sensor circuit 9 are connected via cables 7 and 8 and electrode terminals. The electrode terminal is composed of terminals for detection electrodes, guard electrodes, and ground electrodes. The detection electrode 3 and the guard electrode 4 are connected to a detection electrode terminal and a guard electrode terminal via a coaxial cable 7, respectively, and the pair of ground electrodes 5 and 6 are connected to a ground electrode terminal via a cable 8. . The detection electrode 3, the guard electrode 4, and the ground electrodes 5 and 6 may be connected to the electrode terminals via a single double shield.

センサ回路9は、図2に示すように、静電容量−電圧変換回路10と液面レベル演算回路20から構成される。静電容量−電圧変換回路10は、センサ本体1と接続され、センサ本体1によって検出された静電容量を電圧信号に変換する。また、液面レベル演算回路20は、静電容量−電圧変換回路10の後段に接続され、静電容量−電圧変換回路10によって変換された電圧信号を信号処理して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。   As shown in FIG. 2, the sensor circuit 9 includes a capacitance-voltage conversion circuit 10 and a liquid level calculation circuit 20. The capacitance-voltage conversion circuit 10 is connected to the sensor body 1 and converts the capacitance detected by the sensor body 1 into a voltage signal. Further, the liquid level calculation circuit 20 is connected to the subsequent stage of the capacitance-voltage conversion circuit 10 and performs signal processing on the voltage signal converted by the capacitance-voltage conversion circuit 10 to obtain the magnitude of the voltage signal. Based on this, the liquid level is calculated.

図3は、図2のセンサ回路の静電容量−電圧変換回路10と液面レベル演算回路20の一構成例を示す回路図である。
図3に示すように、静電容量−電圧変換回路10は、バッファー回路11とA/D変換回路12を含む。また、液面レベル演算回路20は、デジタル信号処理回路21とD/A変換回路22を含む。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the capacitance-voltage conversion circuit 10 and the liquid level calculation circuit 20 of the sensor circuit of FIG.
As shown in FIG. 3, the capacitance-voltage conversion circuit 10 includes a buffer circuit 11 and an A / D conversion circuit 12. The liquid level calculation circuit 20 includes a digital signal processing circuit 21 and a D / A conversion circuit 22.

この実施例では、バッファー回路11は、抵抗R1〜R3、コンデンサC1およびバッファーアンプ11aから構成される。バッファー回路11の一方の入力端(同相入力)には、検出電極3が抵抗R1、コンデンサC1および抵抗R2を介して接続され、バッファー回路11の出力端には、ガード電極4が接続されている。また、バッファー回路11の他方の入力端(逆相入力)と出力端は、抵抗R3を介して接続されている。ガード電極4は、バッファー回路11のバッファーアンプ11aを介して検出電極3と同一電位に保持されている。   In this embodiment, the buffer circuit 11 includes resistors R1 to R3, a capacitor C1, and a buffer amplifier 11a. The detection electrode 3 is connected to one input end (in-phase input) of the buffer circuit 11 via a resistor R1, a capacitor C1, and a resistor R2, and the guard electrode 4 is connected to the output end of the buffer circuit 11. . The other input terminal (reverse phase input) and output terminal of the buffer circuit 11 are connected via a resistor R3. The guard electrode 4 is held at the same potential as the detection electrode 3 through the buffer amplifier 11 a of the buffer circuit 11.

A/D変換回路12は、検出電極3と接地電極5、6間の電位差に応じた電圧信号をA/D変換してデジタル信号に変換する。また、デジタル信号処理回路21は、A/D変換回路12によって変換されたデジタル信号を信号処理してD/A変換回路22に出力する。D/A変換回路22は、デジタル信号処理回路21によって信号処理されたデジタル信号をD/A変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。D/A変換回路22によって演算された液面レベルは、外部端子を介して、図示しない表示装置などに表示される。   The A / D conversion circuit 12 performs A / D conversion on the voltage signal corresponding to the potential difference between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 and converts it into a digital signal. The digital signal processing circuit 21 performs signal processing on the digital signal converted by the A / D conversion circuit 12 and outputs the signal to the D / A conversion circuit 22. The D / A conversion circuit 22 performs D / A conversion on the digital signal signal-processed by the digital signal processing circuit 21 and calculates the liquid level based on the magnitude of the voltage signal. The liquid level calculated by the D / A conversion circuit 22 is displayed on a display device (not shown) or the like via an external terminal.

次に、この静電容量式液面レベルセンサの動作原理について簡単に説明する。
図4は、第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1を円筒形状の容器Bの外面に取り付けて検出電極3および接地電極5、6を対向させて配置した状態の、検出電極3と接地電極5、6間の静電容量Cdを等価回路的に示した図である。なお、図4において、絶縁シート2は図示していない。また、動作原理の説明の簡略化のため、図4において、検出電極3および接地電極5、6は、容器Bの直径に相当する距離だけ離れて配置された平行平板のコンデンサとみなし、容器Bの厚みや絶縁シート2の厚みによる静電容量は無視できるものとする。
Next, the operation principle of this capacitance type liquid level sensor will be briefly described.
FIG. 4 shows a state in which the sensor body 1 of the capacitive liquid level sensor of the first embodiment is attached to the outer surface of the cylindrical container B and the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 are arranged to face each other. It is the figure which showed the electrostatic capacitance Cd between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 in an equivalent circuit. In FIG. 4, the insulating sheet 2 is not shown. In order to simplify the explanation of the operation principle, in FIG. 4, the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 are regarded as parallel plate capacitors arranged at a distance corresponding to the diameter of the container B, and the container B The capacitance due to the thickness of the insulating sheet 2 and the thickness of the insulating sheet 2 can be ignored.

まず、容器Bに液体がない状態での単位液面レベルXo=1あたりの静電容量をCsとすると、比誘電率εrの液体が入った場合の単位液面レベルXo=1あたりの静電容量Crは、Cr=εr×Csとなる。これより、図4に示すように、長さLの検出電極3の単位液面レベルXo=1を基準として液面レベルXo+Xまで液体が入った場合の、検出電極3および接地電極5、6間の静電容量Cdは、比誘電率εrの液体が存在する部分の静電容量Caと、液体が無い部分の静電容量Cbとを足し合わせたものなり、以下の(1)式で算出される。

Figure 0003162032
First, when the electrostatic capacity per unit liquid level Xo = 1 in a state where there is no liquid in the container B is Cs, the electrostatic capacity per unit liquid level Xo = 1 when a liquid having a relative dielectric constant εr enters. The capacity Cr is Cr = εr × Cs. Accordingly, as shown in FIG. 4, when the liquid enters the liquid level Xo + X with reference to the unit liquid level Xo = 1 of the detection electrode 3 having the length L, the gap between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 The electrostatic capacity Cd is obtained by adding the electrostatic capacity Ca in the portion where the liquid having the relative dielectric constant εr is present and the electrostatic capacity Cb in the portion where there is no liquid, and is calculated by the following equation (1). The
Figure 0003162032

また、単位液面レベルXo=1まで液体が入った場合の、検出電極3および接地電極5、6間の静電容量(基準静電容量)Coは、以下の(2)式で算出される。

Figure 0003162032
Further, the electrostatic capacity (reference electrostatic capacity) Co between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 when the liquid enters the unit liquid level Xo = 1 is calculated by the following equation (2). .
Figure 0003162032

このとき、静電容量Cdの基準静電容量Coに対する変化率は、以下の(3)式で算出される。

Figure 0003162032
At this time, the rate of change of the capacitance Cd with respect to the reference capacitance Co is calculated by the following equation (3).
Figure 0003162032

ここで、L=(εr−1)×Mと表せば、(3)式は、以下の(4)式となる。

Figure 0003162032
Here, if L = (εr−1) × M, the expression (3) becomes the following expression (4).
Figure 0003162032

したがって、液面レベルXは、(4)式を変形することにより、以下の(5)式、

Figure 0003162032
より算出される。よって、図5に示すように、液面レベルXは、静電容量の変化率(Cd−Co)/Coに比例し、変化率(Cd−Co)/Coを求めることにより検出される。 Accordingly, the liquid level X can be obtained by modifying the equation (4) to obtain the following equation (5):
Figure 0003162032
It is calculated from. Therefore, as shown in FIG. 5, the liquid level X is detected by obtaining the rate of change (Cd-Co) / Co in proportion to the rate of change of capacitance (Cd-Co) / Co.

変化率(Cd−Co)/Coは、以下のようにして算出される。
まず、静電容量Coについては、容器Bに液体がない状態での検出電極3と接地電極5、6間の静電容量をセンサ本体1によって検出し、センサ本体1によって検出された静電容量を電圧信号に変換して、電圧信号をA/D変換回路12によってデジタル信号Vに変換する。そして、このデジタル信号Vは長さLに相当する部分の静電容量に対応するものであるから、デジタル信号処理回路21によって、このデジタル信号Vの大きさをLで乗算することにより、単位レベルXo=1あたりの静電容量Csに対応するデジタル信号Vo=V/Lを生成する。さらに、デジタル信号処理回路21によって、このデジタル信号Voを、(2)式に対応させるべく、Vo’=Vo×{(εr−1)×Xo+L}に変換する。
次に、静電容量Cdについては、容器Bに液体が液面レベルXo+Xまで入った状態での検出電極3と接地電極5、6間の静電容量をセンサ本体1によって検出し、センサ本体1によって検出された静電容量を電圧信号に変換して、電圧信号をA/D変換回路12によってデジタル信号Vdに変換する。
さらに、デジタル信号処理回路によって、上記(5)式の(Cd−Co)/Coに対応するデジタル値(Vd−Vo’)/Vo’を算出し、このデジタル値をD/A変換回路22によってD/A変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。あるいは、デジタル信号処理回路によって、上記(5)式に対応するデジタル値(Vd−Vo’)/Vo’×(Xo+M)を算出し、このデジタル値をD/A変換回路22によってD/A変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算するようにしてもよい。
The rate of change (Cd-Co) / Co is calculated as follows.
First, regarding the capacitance Co, the capacitance between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 in a state where there is no liquid in the container B is detected by the sensor body 1, and the capacitance detected by the sensor body 1. Is converted into a voltage signal, and the voltage signal is converted into a digital signal V by the A / D conversion circuit 12. Since the digital signal V corresponds to the electrostatic capacitance of the portion corresponding to the length L, the digital signal processing circuit 21 multiplies the magnitude of the digital signal V by L to obtain a unit level. A digital signal Vo = V / L corresponding to the capacitance Cs per Xo = 1 is generated. Further, the digital signal Vo is converted into Vo ′ = Vo × {(εr−1) × Xo + L} by the digital signal processing circuit 21 so as to correspond to the equation (2).
Next, for the capacitance Cd, the sensor body 1 detects the capacitance between the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 when the liquid has entered the container B up to the liquid level Xo + X. Is converted into a voltage signal, and the voltage signal is converted into a digital signal Vd by the A / D conversion circuit 12.
Further, a digital value (Vd−Vo ′) / Vo ′ corresponding to (Cd−Co) / Co in the above equation (5) is calculated by the digital signal processing circuit, and this digital value is calculated by the D / A conversion circuit 22. D / A conversion is performed to calculate the liquid level based on the magnitude of the voltage signal. Alternatively, a digital value (Vd−Vo ′) / Vo ′ × (Xo + M) corresponding to the above equation (5) is calculated by the digital signal processing circuit, and this digital value is D / A converted by the D / A conversion circuit 22. Then, the liquid level may be calculated based on the magnitude of the voltage signal.

(第2実施例)
図6は、図3のA/D変換回路の一構成例であるシグマ−デルタ変換回路を示す回路図である。第2実施例は、A/D変換回路をシグマ−デルタ変換回路で構成した点のみが、第1実施例と異なっている。よって、図6を参照して、シグマ−デルタ変換回路の構成および動作原理についてのみ、簡単に説明する。
(Second embodiment)
FIG. 6 is a circuit diagram showing a sigma-delta conversion circuit which is a configuration example of the A / D conversion circuit of FIG. The second embodiment is different from the first embodiment only in that the A / D conversion circuit is composed of a sigma-delta conversion circuit. Therefore, with reference to FIG. 6, only the configuration and operating principle of the sigma-delta conversion circuit will be briefly described.

シグマ−デルタ変換回路12は、検出電極3および接地電極4間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換する回路である。図6に示すように、シグマ−デルタ変換回路12は、スイッチング回路13、クロック回路14、シグマ−デルタ変調器15およびビットストリーム回路16からなる。   The sigma-delta conversion circuit 12 is a circuit that converts a voltage signal corresponding to a potential difference between the detection electrode 3 and the ground electrode 4 into a digital signal by performing sigma-delta modulation. As shown in FIG. 6, the sigma-delta conversion circuit 12 includes a switching circuit 13, a clock circuit 14, a sigma-delta modulator 15, and a bit stream circuit 16.

スイッチング回路13は、スイッチング素子SW1、SW2を有する。スイッチング素子SW1、SW2は、コンデンサCxを介して接地電極4の接地線と接続されている。
クロック回路14は、クロックパルス生成回路14aおよび基準パルス生成回路14bを有する。クロックパルス生成回路14aは、Ph1およびPh2なるランダムパルスを生成し、スイッチング素子SW1、SW2をスイッチング制御する。基準パルス発生回路14bは、後述するラッチ回路を基準パルスVc1の立ち上がりで制御する。
シグマ−デルタ変調器15は、放電回路15a、比較器(コンパレータ)15b、ラッチ回路15cを含む。放電回路15aは放電抵抗R4からなる。スイッチング素子SW2の後段と接地電極5,6の接地線の間には、コンデンサCmod、ならびに、放電回路15aおよびスイッチング素子SW3の直列回路が介在している。ここで、コンデンサCmodの静電容量は、コンデンサCxの静電容量よりも十分大きい。また、比較器15bの一方の入力端には、コンデンサCmodの両端電圧vmodが入力され、比較器15bの他方の入力端には基準電圧vrefが入力される。比較器15bは、電圧vmodが基準電圧vrefを越えたときに、後段のラッチ回路15cをオンさせ、電圧vmodが基準電圧vref以下のときには、後段のラッチ回路15cをオフさせる。ラッチ回路15cは、比較器15bの出力に基づいてスイッチング素子SW3を制御する。
ビットストリーム回路16は、基準パルス生成回路14bおよびラッチ回路15cの後段に接続され、一定時間内のラッチされた基準パルスVc1の数をカウントして出力する。
The switching circuit 13 includes switching elements SW1 and SW2. The switching elements SW1 and SW2 are connected to the ground line of the ground electrode 4 through the capacitor Cx.
The clock circuit 14 includes a clock pulse generation circuit 14a and a reference pulse generation circuit 14b. The clock pulse generation circuit 14a generates random pulses of Ph1 and Ph2, and performs switching control of the switching elements SW1 and SW2. The reference pulse generation circuit 14b controls a later-described latch circuit at the rising edge of the reference pulse Vc1.
The sigma-delta modulator 15 includes a discharge circuit 15a, a comparator (comparator) 15b, and a latch circuit 15c. The discharge circuit 15a includes a discharge resistor R4. Between the latter stage of the switching element SW2 and the ground line of the ground electrodes 5 and 6, a capacitor Cmod and a series circuit of the discharge circuit 15a and the switching element SW3 are interposed. Here, the capacitance of the capacitor Cmod is sufficiently larger than the capacitance of the capacitor Cx. The voltage vmod across the capacitor Cmod is input to one input terminal of the comparator 15b, and the reference voltage vref is input to the other input terminal of the comparator 15b. The comparator 15b turns on the latter latch circuit 15c when the voltage vmod exceeds the reference voltage vref, and turns off the latter latch circuit 15c when the voltage vmod is equal to or lower than the reference voltage vref. The latch circuit 15c controls the switching element SW3 based on the output of the comparator 15b.
The bit stream circuit 16 is connected to the subsequent stage of the reference pulse generation circuit 14b and the latch circuit 15c, and counts and outputs the number of latched reference pulses Vc1 within a predetermined time.

図7(a)はランダムパルスPh1の時間波形を示すグラフ、(b)はランダムパルスPh2の時間波形を示すグラフ、(c)はvmodの時間波形を示すグラフ、(d)はVc1の時間波形を示すグラフ、(e)はスイッチング素子SW3の時間波形を示すグラフである。   7A is a graph showing the time waveform of the random pulse Ph1, FIG. 7B is a graph showing the time waveform of the random pulse Ph2, FIG. 7C is a graph showing the time waveform of vmod, and FIG. 7D is a time waveform of Vc1. (E) is a graph which shows the time waveform of switching element SW3.

図7に示すように、シグマ−デルタ変換回路の各部分の動作は以下のようになる。
まず、図7(a)および(b)に示すように、ランダムな周期およびパルス幅を有し、互いに位相の異なるランダムパルスPh1、Ph2が、クロックパルス生成回路14aからそれぞれスイッチング素子SW1、SW2に対して出力される。このとき、スイッチング素子SW1およびSW2は、同時にオンしないように、互い違いにオン、オフされる。
次に、スイッチング素子SW1がオンすると、未知の静電容量Cxはすぐに電圧vddに充電される。ここで、電圧vddはバッファー回路11からA/D変換回路(デルタシグマ変換回路)12に入力される検出電極3の電位と接地電極5、6の接地電位間の電位差に応じた電圧信号である。そして、スイッチング素子SW1がオフしてスイッチング素子SW2がオンすると、コンデンサCxに蓄えられた電荷がコンデンサCmodに移動する。コンデンサCmodの静電容量はコンデンサCxの静電容量に比べて大きいため、コンデンサCxの両端の電圧は低下する。さらに、スイッチング素子SW1がオンして、スイッチング素子SW2がオフすると、コンデンサCxが充電され、コンデンサCxに電圧vddが充電される。これを繰り返して、図7(c)に示すように、コンデンサCmodの両端の電圧vmodがvddに向かって充電される。
そして、図7(c)および(e)に示すように、コンデンサCmodの電圧vmodが基準電圧vrefを超えたとき、ラッチ回路15cが動作してスイッチング素子SW3がオンする。スイッチング素子SW3がオンすると、放電回路15aによって、コンデンサCmodの電荷が放電され、電圧vmodが低下していく。
図7(d)に示すように、ラッチ回路15cが動作する時間は一定周期の基準パルスVc1の立ち上がりで制御され、電圧vmodは、コンデンサCmodの電荷の充放電が繰り返されることで、基準電圧vrefの間を上下変動する。
コンデンサCxの未知の静電容量が大きくなると、コンデンサCmodに移動する電荷が多くなるため、これを放電させるスイッチング素子SW3の頻度が多くなり、スイッチング素子SW3のオン時間が多くなる。したがって、ビットストリーム回路16によって一定時間内のラッチされた基準パルスVc1のカウント数を計測することにより、電圧信号vddをシグマ−デルタ変換(変調)したデジタル信号に変換できる。シグマ−デルタ変換回路によって変換されたデジタル信号は、デジタル信号処理回路21によって、上述の通り信号処理されて、D/A変換回路22に出力される。
As shown in FIG. 7, the operation of each part of the sigma-delta conversion circuit is as follows.
First, as shown in FIGS. 7A and 7B, random pulses Ph1 and Ph2 having random periods and pulse widths and having different phases from each other are supplied from the clock pulse generation circuit 14a to the switching elements SW1 and SW2, respectively. Are output. At this time, the switching elements SW1 and SW2 are alternately turned on and off so as not to be turned on simultaneously.
Next, when the switching element SW1 is turned on, the unknown capacitance Cx is immediately charged to the voltage vdd. Here, the voltage vdd is a voltage signal corresponding to the potential difference between the potential of the detection electrode 3 and the ground potential of the ground electrodes 5 and 6 input from the buffer circuit 11 to the A / D conversion circuit (delta-sigma conversion circuit) 12. . When the switching element SW1 is turned off and the switching element SW2 is turned on, the charge stored in the capacitor Cx moves to the capacitor Cmod. Since the capacitance of the capacitor Cmod is larger than the capacitance of the capacitor Cx, the voltage across the capacitor Cx decreases. Further, when the switching element SW1 is turned on and the switching element SW2 is turned off, the capacitor Cx is charged and the voltage vdd is charged in the capacitor Cx. By repeating this, as shown in FIG. 7C, the voltage vmod across the capacitor Cmod is charged toward vdd.
As shown in FIGS. 7C and 7E, when the voltage vmod of the capacitor Cmod exceeds the reference voltage vref, the latch circuit 15c operates to turn on the switching element SW3. When the switching element SW3 is turned on, the electric charge of the capacitor Cmod is discharged by the discharge circuit 15a, and the voltage vmod is lowered.
As shown in FIG. 7D, the operation time of the latch circuit 15c is controlled by the rising edge of the reference pulse Vc1 having a constant period, and the voltage vmod is repeatedly charged and discharged with the charge of the capacitor Cmod, so that the reference voltage vref Fluctuate up and down.
When the unknown capacitance of the capacitor Cx increases, the charge that moves to the capacitor Cmod increases, so the frequency of the switching element SW3 that discharges it increases, and the on-time of the switching element SW3 increases. Therefore, by measuring the count number of the reference pulse Vc1 latched within a predetermined time by the bit stream circuit 16, the voltage signal vdd can be converted into a sigma-delta converted (modulated) digital signal. The digital signal converted by the sigma-delta conversion circuit is subjected to signal processing by the digital signal processing circuit 21 as described above, and is output to the D / A conversion circuit 22.

シグマ−デルタ変換回路は、静電容量を直接デジタル信号に変換しているので、ダイナミックレンジが大きく、高分解能なデジタル信号を生成することができる。また、検出電極は比較的インピーダンスの低い回路に接続されるのでノイズの影響を受けにくい状態に保たれているので、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。   Since the sigma-delta conversion circuit directly converts the capacitance into a digital signal, it can generate a digital signal with a large dynamic range and a high resolution. In addition, since the detection electrode is connected to a circuit having a relatively low impedance, it is kept in a state where it is not easily affected by noise, so that a capacitance type liquid level sensor for detecting the liquid level with high accuracy is provided. be able to.

また、図8(a)は、図1の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の小さな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図であり、(b)は図1のセンサ本体を径の大きな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図である。
この静電容量式液面レベルセンサでは、絶縁シート2の他方の面において検出電極3の両側部より所定距離離れた位置に一対の接地電極5、6が形成されている。したがって、図8(a)および(b)に示すように、センサ本体1を例えばゲージ管などの円筒形状の容器Bの外面に取り付けて当該容器Bの液面レベルを検出する場合において、容器Bの径にかかわらず、検出電極3および接地電極5、6を対向させ易くすることができる。このため、様々な径の大きさの容器に対応可能な静電容量式液面レベルセンサを提供できる。
FIG. 8A is a cross-sectional view seen from above the container, showing a state where the sensor body of the capacitive liquid level sensor of FIG. 1 is attached to the outer surface of a cylindrical container having a small diameter. (B) is sectional drawing seen from the said container top which shows the state which attached the sensor main body of FIG. 1 to the outer surface of a cylindrical container with a large diameter.
In this capacitance type liquid level sensor, a pair of ground electrodes 5 and 6 are formed on the other surface of the insulating sheet 2 at a predetermined distance from both sides of the detection electrode 3. Therefore, as shown in FIGS. 8A and 8B, when the sensor body 1 is attached to the outer surface of a cylindrical container B such as a gauge tube and the liquid level of the container B is detected, the container B Regardless of the diameter, the detection electrode 3 and the ground electrodes 5 and 6 can be made to face each other easily. For this reason, it is possible to provide a capacitance type liquid level sensor that can be used for containers having various diameters.

また、図9(a)は図1の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を直方体形状の容器の一側面に取り付けた状態を示す斜視図であり、(b)は、(a)における検出電極に生じる電界分布を示す断面図であり、(c)は(b)における検出電極と接地電極間に発生する静電容量を等価回路的に示した図である。
この静電容量式液面レベルセンサでは、一対の接地電極5、6が検出電極3に対して対称的に形成されているので、図9(b)に示すように、検出電極3に発生する電界は当該電極3の両側において対称に均一に分布する。したがって、静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは、容器の形状の影響を受けにくく安定したものとなる。
FIG. 9A is a perspective view showing a state in which the sensor main body of the capacitive liquid level sensor of FIG. 1 is attached to one side surface of a rectangular parallelepiped container, and FIG. It is sectional drawing which shows electric field distribution which arises in a detection electrode, (c) is the figure which showed the electrostatic capacitance generate | occur | produced between the detection electrode and ground electrode in (b) in an equivalent circuit.
In this capacitance type liquid level sensor, since the pair of ground electrodes 5 and 6 are formed symmetrically with respect to the detection electrode 3, they are generated at the detection electrode 3 as shown in FIG. The electric field is distributed symmetrically and uniformly on both sides of the electrode 3. Therefore, the liquid level detected by the capacitive liquid level sensor is stable and hardly affected by the shape of the container.

さらに、この静電容量式液面レベルセンサでは、検出電極3の背面に配置されたガード電極4はバッファー回路11を介して検出電極3と同電位に保持されているので、検出電極3の表面と接地電極5、6の表面に形成される静電容量Cdのみが検出され、この静電容量Cd以外の、静電容量式液面レベルセンサが有する電位とは異なる電位を有する周辺環境(例えば周辺機器などの物体)と検出電極間の静電容量は検出されなくなる。このため、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。   Further, in this capacitance type liquid level sensor, the guard electrode 4 disposed on the back surface of the detection electrode 3 is held at the same potential as the detection electrode 3 via the buffer circuit 11. And the electrostatic capacitance Cd formed on the surfaces of the ground electrodes 5 and 6 is detected, and the surrounding environment having a potential different from the potential of the capacitive liquid level sensor other than the capacitance Cd (for example, Capacitance between an object (such as a peripheral device) and the detection electrode is not detected. Therefore, it is possible to provide a capacitance type liquid level sensor that detects the liquid level with high accuracy.

以上、本考案の好ましい実施形態を説明したが、本考案の構成はこれらの実施形態に限定されるものではない。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the configuration of the present invention is not limited to these embodiments.

センサ本体1は、図1に示した構造に限定されるものではなく、例えば、図10(a)〜(e)に示すような構造であってもよい。   The sensor main body 1 is not limited to the structure shown in FIG. 1, and may have a structure as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (e), for example.

(第1変形例)
図10(a)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6が絶縁シート2の一方の面2aに形成されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
(First modification)
The sensor body 1 of the capacitive liquid level sensor of FIG. 10A differs from that of the first embodiment only in that the ground electrodes 5 and 6 are formed on one surface 2a of the insulating sheet 2. Only.

(第2変形例)
また、図10(b)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6がそれぞれ絶縁シート2の一方の面2aおよび他方の面2bに形成されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
(Second modification)
Further, the sensor body 1 of the capacitance type liquid level sensor of FIG. 10B is only that the ground electrodes 5 and 6 are formed on one surface 2a and the other surface 2b of the insulating sheet 2, respectively. The only difference is that of the first embodiment.

(第3変形例)
また、図10(c)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6が短絡用電極17を介して互いに接続されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
(Third Modification)
The sensor body 1 of the capacitive liquid level sensor in FIG. 10C is the same as that of the first embodiment only in that the ground electrodes 5 and 6 are connected to each other via the short-circuit electrode 17. It is only different.

(第4変形例)
また、図10(d)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6が絶縁シート2の一方の面2aに形成されて短絡用電極17を介して互いに接続されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
(Fourth modification)
In the sensor body 1 of the capacitive liquid level sensor shown in FIG. 10D, the ground electrodes 5 and 6 are formed on one surface 2a of the insulating sheet 2 and are connected to each other via the short-circuit electrode 17. Only the difference is that of the first embodiment.

(第5変形例)
さらに、図10(e)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、検出電極3、ガード電極4および接地電極5、6が導電性を有する透明電極で構成されている点、および、ガード電極4の表面に当該透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料からなる目盛部34が形成されている点が第1変形例のものと異なっている。一般的に、透明電極を使用する場合には、透明電極のシート抵抗値は大きく、電極間の静電容量の検出時に当該シート抵抗の影響を受け易くなるため、液面レベルの検出精度が低下する可能性がある。特に、ガード電極4のシート抵抗が大きくなると、ガード機能が低下して、液面レベルの検出が不安定な状態になる。そこで、当該実施例では、ガード電極4の表面に高い導電性を有する塗料からなる梯子状の目盛部34を形成することによって、実質的に透明電極のシート抵抗を低下させたので、これらの問題を解決することができる。また、この目盛部は透明電極の表面に形成されているので、容器内の液面位置を直接目視によって確認することも可能となり、液面レベルの検出において非常に有益である。なお、目盛部34の形状は、梯子状に限定されるものでなく、容器内の液面位置を示すものであれば、格子状など様々な形状とすることができる。また、目盛部34は、塗料に限定されるものではなく、金属箔などの金属層またはその他の高導電性部材からなっていてもよい。さらに、目盛部34がガード電極以外の検出電極や接地電極の表面に形成されてもよいことは言うまでも無い。
(5th modification)
Further, the sensor body 1 of the capacitive liquid level sensor of FIG. 10 (e) is configured such that the detection electrode 3, the guard electrode 4, and the ground electrodes 5 and 6 are made of transparent electrodes having conductivity, and The point which the scale part 34 which consists of the coating material which has the electroconductivity higher than the electrode material of the said transparent electrode on the surface of the guard electrode 4 is formed differs from the thing of a 1st modification. In general, when a transparent electrode is used, the sheet resistance value of the transparent electrode is large, and it is easily affected by the sheet resistance when detecting the capacitance between the electrodes. there's a possibility that. In particular, when the sheet resistance of the guard electrode 4 is increased, the guard function is lowered, and the detection of the liquid level becomes unstable. Therefore, in this embodiment, since the ladder-shaped scale portion 34 made of a paint having high conductivity is formed on the surface of the guard electrode 4, the sheet resistance of the transparent electrode is substantially reduced. Can be solved. Further, since the scale portion is formed on the surface of the transparent electrode, it is possible to directly confirm the liquid level position in the container by visual observation, which is very useful in detecting the liquid level. In addition, the shape of the scale part 34 is not limited to a ladder shape, and can be various shapes such as a lattice shape as long as it indicates the liquid level position in the container. Moreover, the scale part 34 is not limited to a paint, and may consist of metal layers, such as metal foil, or another highly electroconductive member. Furthermore, it goes without saying that the scale 34 may be formed on the surface of the detection electrode other than the guard electrode or the ground electrode.

1 センサ本体
2 絶縁シート
2a 一方の面
2b 他方の面
3 検出電極
4 ガード電極
5、6 接地電極
7 ケーブル(同軸ケーブル)
8 ケーブル
9 センサ回路
10 静電容量−電圧変換回路
11 バッファー回路
11a バッファーアンプ
12 A/D変換回路
13 スイッチング回路
14 クロック回路
14a クロックパルス生成回路
14b 基準パルス生成回路
15 シグマ−デルタ変調器
15a 放電回路
15b 比較器(コンパレータ)
15c ラッチ回路
16 ビットストリーム回路
17 短絡用電極
20 液面レベル演算回路
21 デジタル信号処理回路
22 D/A変換回路
30 センサ本体
31 絶縁シート
31a 一方の面
31b 他方の面
32 検出電極
33 接地電極
34 目盛部
B 容器
C1、Ca、Cb、Cd、Cmod、Cn、Cx 静電容量(コンデンサ)
R1〜R3 抵抗
R4 放電抵抗
SW1〜SW3 スイッチング素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor main body 2 Insulation sheet 2a One surface 2b The other surface 3 Detection electrode 4 Guard electrodes 5, 6 Ground electrode 7 Cable (coaxial cable)
8 Cable 9 Sensor circuit 10 Capacitance-voltage conversion circuit 11 Buffer circuit 11a Buffer amplifier 12 A / D conversion circuit 13 Switching circuit 14 Clock circuit 14a Clock pulse generation circuit 14b Reference pulse generation circuit 15 Sigma-delta modulator 15a Discharge circuit 15b Comparator
15c Latch circuit 16 Bit stream circuit 17 Short-circuit electrode 20 Liquid level calculation circuit 21 Digital signal processing circuit 22 D / A conversion circuit 30 Sensor body 31 Insulating sheet 31a One surface 31b The other surface 32 Detection electrode 33 Ground electrode 34 Scale Part B Container C1, Ca, Cb, Cd, Cmod, Cn, Cx Capacitance (capacitor)
R1-R3 Resistor R4 Discharge Resistor SW1-SW3 Switching element

Claims (7)

液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する、センサ本体とセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサであって、
前記センサ本体は、変形可能な可撓性材料からなる絶縁シートと、前記絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、前記絶縁シートの他方の面において、前記絶縁シートを介して前記検出電極と対向し、前記検出電極に対応する領域を含むように前記検出電極よりも広く形成されたガード電極と、前記絶縁シートのいずれかの面において、前記検出電極または前記ガード電極の両側部より所定距離離れた位置に、前記検出電極または前記ガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、前記検出電極と前記接地電極間の静電容量を検出するようになっており、
前記センサ回路は、前記センサ本体に接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、前記電気信号を信号処理して、前記液面レベルを検出するようになっていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
A capacitance type liquid level sensor having a sensor body and a sensor circuit for detecting a liquid level in a container containing a liquid based on a change in capacitance,
The sensor body includes an insulating sheet made of a deformable flexible material, a detection electrode formed on one surface of the insulating sheet, and the detection surface on the other surface of the insulating sheet via the insulating sheet. A guard electrode facing the electrode and formed wider than the detection electrode so as to include a region corresponding to the detection electrode, and on either side of the insulating sheet, from both sides of the detection electrode or the guard electrode It has a pair of ground electrodes formed symmetrically with respect to the detection electrode or the guard electrode at a position separated by a predetermined distance, and detects a capacitance between the detection electrode and the ground electrode. And
The sensor circuit is connected to the sensor body, converts the capacitance detected by the sensor body into an electrical signal, performs signal processing on the electrical signal, and detects the liquid level. Capacitance type liquid level sensor.
前記センサ回路は、静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路から構成され、
前記静電容量−電圧変換回路が、前記センサ本体と接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電圧信号に変換するようになっており、
前記液面レベル演算回路が、前記静電容量−電圧変換回路の後段に接続され、前記静電容量−電圧変換回路によって変換された電圧信号を信号処理して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを演算するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
The sensor circuit is composed of a capacitance-voltage conversion circuit and a liquid level calculation circuit,
The capacitance-voltage conversion circuit is connected to the sensor body, and converts the capacitance detected by the sensor body into a voltage signal.
The liquid level calculation circuit is connected to a subsequent stage of the capacitance-voltage conversion circuit, and performs signal processing on the voltage signal converted by the capacitance-voltage conversion circuit, and based on the magnitude of the voltage signal 2. The capacitance type liquid level sensor according to claim 1, wherein the liquid level is calculated.
前記静電容量−電圧変換回路は、バッファー回路とA/D変換回路を含み、
前記液面レベル演算回路は、デジタル信号処理回路とD/A変換回路を含み、
前記バッファー回路が前記検出電極および前記ガード電極に接続され、前記バッファー回路を介して前記ガード電極が前記検出電極と同一電位に保持されており、
前記A/D変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をA/D変換してデジタル信号に変換するようになっており、
前記デジタル信号処理回路が、前記A/D変換回路によって変換されたデジタル信号を信号処理して前記D/A変換回路に出力するようになっており、
前記D/A変換回路が、前記デジタル信号処理回路によって信号処理されたデジタル信号をD/A変換して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを算出するようになっていることを特徴とする請求項2に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
The capacitance-voltage conversion circuit includes a buffer circuit and an A / D conversion circuit,
The liquid level arithmetic circuit includes a digital signal processing circuit and a D / A conversion circuit,
The buffer circuit is connected to the detection electrode and the guard electrode, and the guard electrode is held at the same potential as the detection electrode via the buffer circuit;
The A / D conversion circuit is configured to A / D convert a voltage signal corresponding to a potential difference between the detection electrode and the ground electrode into a digital signal,
The digital signal processing circuit processes the digital signal converted by the A / D conversion circuit and outputs the signal to the D / A conversion circuit;
The D / A conversion circuit D / A converts the digital signal processed by the digital signal processing circuit, and calculates the liquid level based on the magnitude of the voltage signal. The capacitance type liquid level sensor according to claim 2.
前記A/D変換回路は、シグマ−デルタ変換回路からなり、
前記シグマ−デルタ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換するようになっていることを特徴とする請求項3に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
The A / D conversion circuit comprises a sigma-delta conversion circuit,
4. The sigma-delta conversion circuit is configured to convert a voltage signal corresponding to a potential difference between the detection electrode and the ground electrode into a digital signal by performing sigma-delta modulation. Capacitive liquid level sensor.
前記検出電極および前記ガード電極は、同軸ケーブルを介して前記バッファー回路に接続されることを特徴とする請求項3または4に記載の静電容量式液面レベルセンサ。   5. The capacitive liquid level sensor according to claim 3, wherein the detection electrode and the guard electrode are connected to the buffer circuit via a coaxial cable. 前記検出電極、前記ガード電極および前記接地電極はいずれも、前記容器内の液面レベルの増減方向にのびるように縦長形状に形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の静電容量式液面レベルセンサ。   6. The detection electrode, the guard electrode, and the ground electrode are all formed in a vertically long shape so as to extend in the increasing / decreasing direction of the liquid level in the container. Capacitance type liquid level sensor as described. 前記検出電極および前記ガード電極はいずれも、導電性を有する透明電極からなり、
前記検出電極および前記ガード電極のうちの一方または両方の電極の表面には、前記透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなり、前記容器内の液面位置を示す目盛部が形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の静電容量式液面レベルセンサ。
Each of the detection electrode and the guard electrode is made of a transparent electrode having conductivity,
The surface of one or both of the detection electrode and the guard electrode is made of a paint or metal foil having higher conductivity than the electrode material of the transparent electrode, and indicates a scale indicating the liquid surface position in the container The capacitance type liquid level sensor according to claim 1, wherein a portion is formed.
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