JP3258521B2 - 液体の表面及び水との界面検知用の静電容量式レベルセンサ - Google Patents
液体の表面及び水との界面検知用の静電容量式レベルセンサInfo
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Description
りなる検出部の静電容量値から、液体の表面および界面
を検知する静電容量式レベルセンサに関する。
ク内壁に絶縁して設けた検出電極と、タンク内壁に接続
された接地電極との間の静電容量値が、液体の表面ある
いは比誘電率の異なる2液、例えば水と貯蔵液体間の界
面において変化するのを利用して液体の表面や界面を検
知するものである。
から石油製品を陸揚げする場合、タンク底面には航海中
に侵入した海水が溜っているので、まずポンプでこの海
水を排出し、海水の排出が終了してから石油製品の送り
出しを行い、さらに石油製品の送り出しが終了してタン
クが空になるとポンプを停止しなければならない。上述
のポンプ制御に使用するレベルセンサは、1台で水と油
間の界面の検出と油表面の検出が可能でなければなら
ず、しかも石油製品を扱うので、本質安全防爆構造でな
くてはならない。
表面および貯蔵液体と水との界面を確実に検知すること
のできるレベルセンサを提供することを目的としてい
る。
ために、本発明に係るレベルセンサは、水に比べて比誘
電率が低く、かつ比重の小なる液体を貯蔵するタンクの
底板付近にタンク内壁と絶縁した1対の電極板よりなる
検出部を設け、この検出部を1辺とし、矩形波を出力す
る高周波電源を備え、検出部の電極板間に貯蔵液体が存
在する場合にほぼ平衡する高周波ブリッジと、この高周
波ブリッジの出力電圧をインピーダンス変換するバッフ
ァ回路と、前記高周波電源からの電圧を参照電圧とし、
前記バッファ回路の出力を整流、平滑してセンサ出力と
する同期整流・平滑回路とを備え、前記センサ出力の電
位極性から前記検出部の電極板間に存在する液体が貯蔵
液体と水のどちらであるか、あるいは貯蔵液体および水
のどちらも存在しないかを識別して貯蔵液体の表面およ
び貯蔵液体と水の界面が検知されることを特徴としてい
る。
波電源をタンク外部に設け、前記高周波ブリッジおよび
バッファ回路を前記検出部付近に設け、ケーブルを介し
てこれら整流・平滑回路および高周波電源と高周波ブリ
ッジおよびバッファ回路とを相互に電気的に接続した構
成のものとしてある。
おいてほぼ水平となるように設け、かつ上側の電極板は
ブリッジ出力側に接続し、下側電極板は高周波電源側に
接続した構成のものとしてある。
の基本構成を図1に基づいて説明する。図において符号
1は石油タンクの底面付近にタンク内壁と絶縁して設け
られた対面する1対の電極板よりなる検出部、2は固定
容量のコンデンサ、3および4は出力電圧の振幅が安定
でほぼ等しく、互いに逆位相となる高周波電源を示して
いる。
波電源3、4で高周波ブリッジたるハーフブリッジを構
成し、コンデンサ2には検出部1の電極板間に貯蔵液体
たる油が存在するとき、すなわち検出部1が油相中にあ
るときにブリッジがほぼ平衡するような容量値のものを
選び、高周波電源3、4には周波数が数10kHz乃至
数100kHzの矩形波電源を使用する。
のためのバッファ回路6、例えば電界効果トランジスタ
を初段とするソースフォロワを接続して、低い抵抗上に
ブリッジ出力電圧と等しい電圧を発生させる。
平滑して出力端子8に出力する整流・平滑回路部で、こ
の整流・平滑回路7は後述する理由から高周波電源3、
4の電圧をそれぞれ参照電圧P1 、P2 とする同期整流
・平滑回路とする。
ず、検出部1が油相中にあるときにはハーフブリッジが
ほぼ平衡しているので、出力端子8からの出力電圧はほ
ぼ0vとなる。
電率が80と極めて高く、検出部1の電極板間は短絡状
態に近いので、ブリッジ出力端5の電圧は高周波電源4
の電圧と同位相で振幅もこれに近い電位となる。したが
って、出力端子8には大きな整流出力が現れ、整流・平
滑回路7において同期整流が行われるので、出力端子8
における出力電圧の極性は、例えば高周波電源4からの
電圧が負であれば負になる。
検出部1の容量は減少し、ブリッジ出力端5の電位は高
周波電源3の電位に近づく。
げると、例えば検出部1の油相中における容量値および
コンデンサ2の容量値をともに40pF、油の比誘電率
を2、高周波電源3および4の電圧振幅をそれぞれ5v
p 、−5vp (vp はピーク電圧値を示す)とすると、
検出部1の容量値は40pFから40/2pFとなり、
したがって整流・平滑回路7の電位は、 (40−20)/(40+20)×5vp =1.7vp となり、その位相は高周波電源3の電圧位相と同相とな
る。この場合、出力端子8から得られる出力は、整流・
平滑回路7において同期整流を行うので、極性が正とな
る。
には−5vp 相当、油相中にあるときにはほぼ0v、気
相中にあるときには1.7vp 相当の直流出力が出力端
子8から得られ、0vの識別の他は出力端子8からの出
力電位の極性を判別することにより検出部1が水相、油
相あるいは気相中のいずれにあるかが容易に識別でき
る。なお、上述した数値例の計算においては負荷効果や
飽和特性を考慮していない。
る。ブリッジには一般的にハーフブリッジの他にフルブ
リッジが知られているが、フルブリッジにおいては励振
側、出力検出側の一方を平衡形に、他方は不平衡形にす
る必要があり、通常は励振側または検出側のいずれか一
方に変成器を使用する。
する場合には、本質安全防爆構造が要求されるが、変成
器を使用すると、変成器のインダクタンスのためにその
実現は困難である。これに対し、本実施例では高周波ブ
リッジにハーフブリッジを採用しているので、変成器を
使用する必要がなく、防爆上有利である。
源の振幅が安定で、かつ位相が互いに逆相関係でなくて
はならないが、本発明においては高周波電源に矩形波の
ものを使用するので、正弦波の高周波電源に比べて電源
回路の製作が容易である。
滑回路を使用するので、検出部1が水相中あるいは気相
中のいずれにあるかが出力電位の極性判別により識別で
き、バッファ回路6のダイナミックレンジを広くとる必
要がない。したがって、整流・平滑回路7を動作させる
電源電圧は例えば直流5v程度で充分であり、これも本
質安全防爆構造の実現を容易にする特長のひとつであ
る。
力インピーダンスはブリッジに負荷効果を与える。検出
部1およびコンデンサ2の容量値をそれぞれCX 、Cと
し、バッファ回路6の入力インピーダンスを容量値Ci
で代表すると、ブリッジ出力端5の電位V0 は次式で表
される。 V0 =(C−CX )/(C+CX +Ci )×VS (VS :高周波電源3の電圧) したがって、Ci がCやCX に比べて充分小さくないと
感度が低下することになるが、バッファ回路6の初段に
電界効果トランジスタを用いれば、電界効果トランジス
タは入力容量が数pF以下と極めて小さいので、感度が
低下するおそれがない。
することができるので、検出部1の電極板の間隔を充分
大きくとることができ、電極板間に水や油が表面張力に
より残留することが防止され、センサの信頼性が向上す
る。さらに、電界効果トランジスタは入力抵抗が高く、
ブリッジに対する負荷効果を低減する見地からも好適で
ある。
図2〜4に基づいて説明する。図2は本発明に係るレベ
ルセンサの具体的な回路図である。なお、図1と同一の
構成部分については同一の符号を付して説明を省略す
る。
5の電位を取り出すためのカップリング容量たるコンデ
ンサ、12および13はバイアス抵抗、14はジャンク
ション形電界効果トランジスタ、15は電界効果トラン
ジスタの負荷抵抗、16はPNP形トランジスタ、17
はソース抵抗を示している。
スタ16等はいわゆるコンプレメンタリ・コンパウンド
構成をとってソース抵抗17上にブリッジ出力端5の電
位変化と同じ電圧を発生させる。ただし、ブリッジ出力
端5に現れるブリッジ不平衡電圧が大きいときには回路
の飽和によりソース抵抗17上の電圧の振幅は制限され
る。
2、13、電界効果トランジスタ14、負荷抵抗15、
トランジスタ16およびソース抵抗17で図1における
バッファ回路6を構成する。
同期整流のためのC−MOS形アナログスイッチICを
示しており、アナログスイッチIC18および19は0
v、5vの互いに逆相の矩形波電圧(参照電圧)により
制御され、この参照電圧が5vのときにスイッチは閉じ
る。符号20および21は受信抵抗、22、23は平滑
容量たるコンデンサを示している。
9、受信抵抗20、21、およびコンデンサ22、23
で図1における整流・平滑回路7を構成する。
4、25間に現れる直流電圧はソース抵抗17に発生す
る矩形波電圧の振幅に比例し、その位相に応じて極性が
変わることになる。
は回路コモン(COM)を基準とする電圧に変換した方
が便利であるから、演算抵抗26、27、28、29お
よび演算増幅器30により演算して出力端子8に出力を
与える。なお、演算抵抗26乃至29の抵抗値を適当に
選べば変換ゲインは容易に変えられる。
ルチバイブレータを示しており、このマルチバイブレー
タ31の発振周波数は数10kHz乃至数100kHz
の範囲の適当な値とする。32は波形整形のためのC−
MOS形インバータIC、33および34は電位シフト
のためのそれぞれ5vゼナダイオードおよびゼナ電流規
制抵抗、35は動作電流がインバータIC32より負側
に5vシフトされたC−MOS形インバータICをそれ
ぞれ示している。インバータIC32および35の出力
はハーフブリッジを構成する静電容量検出器1およびコ
ンデンサ2に与えられるが、その振幅はC−MOS形I
Cの特長として電源電圧にほぼ等しいので、電源電圧が
安定ならばインバータICの出力も極めて安定である。
ることも明らかであり、本発明における高周波電源に課
せられる特性を簡単な構成で実現している。符号36も
インバータICで、アナログスイッチIC19を制御す
るための電圧を得るためのものである。
IC32、ゼナダイオード33、ゼナ電流規制抵抗3
4、インバータIC35および36で図1における高周
波電源3、4を構成している。
ときの静電容量が40pFとなるような電極板を検出部
に使用した場合、検出部1が油相中にあるとき出力端子
8からの出力が0vであるのに対し、水相中にあるとき
には同出力が約−2v、気相中にあるときは同出力が約
1vであった。
タンカのタンクに取り付ける場合の具体例を図3に基づ
いて説明する。同図において、符号40は石油等の液体
を貯蔵するタンクの外壁、41はタンク底面に設けられ
たウエル、42、43は検出部1の電極板、44は電極
板保持用のタンク内筐体、45は支持用電線管、46は
レベルセンサ取付用フランジ、47は外部配線用端子盤
を納めたタンク外筐体を示している。
図4に示す構造のものとしてあり、タンク内筐体44の
下方に接続された電線管45aの下端部の内径を広げて
段部50を設け、この段部内にフッ素樹脂、例えばPF
Aの円柱ブロック51を取り付け、袋ナット52で電線
管45a内部が水密になるように締め付けてある。ブロ
ック51には長さの異なる2種の導電性支柱53、54
を対にして取り付け、短い支柱53には上側電極板42
を、長い支柱54には下側電極板43を取り付けてあ
る。この長い支柱54の下端は上側電極板42にあけら
れた孔42aから上側電極板42の下面側に上側電極板
42と接触しないように突出させられている。この電極
板の間隔はタンクが空になったときに水または油が表面
張力により電極板間に滞留しない程度にする。
度を高めるために両電極板はほぼ水平となるように設け
るのが好ましいが、電極板を水平に設けると電極板上に
水や油が溜り易くなる。このため、上側電極板42にあ
けた孔42aのまわりに立ち上げ枠42bを設けて電極
板42上に残留した水や油がこの孔42aから下側電極
板43上に滴下しないようにしてある。
りもひとまわり大なる面積のものとしてあって、上側電
極板42の外周から滴下する水や油が下側電極板43上
に滴下しないようになっており、また下側電極板43に
は小孔42aを多数あけてあって、下側電極板43上面
の水や油の落下をこの小孔43aから下方へ落とすよう
になっている。
おける容量の変化が迅速に行われ、水−油間の界面およ
び油面の検出が速やかに行われる。なお、電極板を、ブ
リッジを構成するために接続するにあたってはタンク底
面からの電気的影響を受け難いブリッジ励振側に下側電
極板43を接続し、ブリッジ出力側に上側電極板42を
接続する。
2に示す電気回路の全てをタンク内筐体44内に収容し
て、タンク外筐体47は単なる端子用の筐体としてもよ
いが、液体の温度が高い場合には高温下におかれるタン
ク内筐体44内の電子部品数を最小にして、回路の信頼
性を確保するのが望ましい。
ジおよびバッファ回路6を残し、整流・平滑回路7およ
び高周波電源3、4等をタンク外筐体47内に分離して
設ければよく、これらブリッジおよびバッファ回路と整
流・平滑回路および高周波電源を分離して設ける場合の
回路を図5に基づいて説明する。
同一の構成部分は図示を省略した。同図において、符号
60および61は高周波電圧をタンク外筐体46内の電
源からタンク内筐体43内のブリッジに供給するための
同軸ケーブル、62はタンク内筐体43内のバッファ回
路6の出力をタンク外筐体46内の整流・平滑回路7に
導くための同軸ケーブル、63および64はそれぞれ5
v、コモン(COM)用導線、65、66および67は
波形歪を低減するための終端抵抗を示しており、破線A
で囲まれた回路はタンク内筐体44内に、破線Bで囲ま
れた回路はタンク外筐体47内に設けるようにする。
距離が短い場合および励振周波数が低い場合には、同軸
ケーブル60、61の代わりに通常のシールド線やある
いは一般の絶縁被覆線を使用してもよく、また、同軸ケ
ーブル62もシールド線で代替できる。抵抗65、66
および67も同軸ケーブルの特性インピーダンスに厳密
に合わせる必要はなく、場合によっては省略してもよ
い。
本構成を図6に基づいて説明する。同図において符号7
0は1対の電極板よりなる検出部、71乃至73はフル
ブリッジを構成する固定容量のコンデンサを示してお
り、これらコンデンサには検出部が貯蔵液体たる油相中
にあるときにブリッジがほぼ平衡となるような容量値の
ものを選ぶ。
ッファ回路76、77が接続され、バッファ回路76、
77からの出力はそれぞれ同期整流・平滑回路78、7
9により直流となる。この直流となった電圧は差動増幅
器80によりひき算された後に出力端子81から出力さ
れる。ブリッジを励振するための高周波電源82は同期
整流・平滑回路78、79にも同期整流用の参照電圧P
を与える。
1の場合はバッファ回路がブリッジのガルバ回路に接続
されてブリッジ辺要素に対する影響が前述のように比較
的小さい。
ッジで変成器を使用すれば、図1に示した実施例のもの
と同様にガルバ回路にバッファ回路を接続する構成をと
ることができるが、本質安全防爆構造をとるためには変
成器を使用することができない。したがって、図6に示
す本実施例の構成ではバッファ回路が辺要素71、73
に並列に接続されるので、ブリッジの精度面では若干不
利となる。しかし、図1の構成に比べて励振電源が簡潔
になるという利点があり、簡易なレベルセンサを実現で
きて、警報回路等に使用するのに適している。
上述した構成により次の効果を奏し得る。本発明のレベ
ルセンサの高周波ブリッジにはインダクタンス要素が必
要ないので、本質安全防爆構造の実現が容易になり、特
に石油製品等の荷揚げ作業等に使用する場合、充分な安
全性を確保することができる。
電圧を参照電圧とする同期整流・平滑回路を使用してい
るので、検出部が水相中にある場合と気相中にある場合
の識別がセンサ出力の極性判別で済むので識別が容易
で、しかもバッファ回路に広いダイナミックレンジを必
要としないので、同期整流・平滑回路の動作用電圧が低
くて済み、安全性がより向上する。
の構成部分をタンク外に設けることにより、貯蔵液体の
液温が高い場合であっても電子回路が液体からの熱の影
響を受けにくく、回路の信頼性を向上させることができ
る。
ほぼ水平となるように設け、かつ上側の電極板はブリッ
ジ出力側に接続し、下側電極板は高周波電源側に接続す
ることにより、下側電極板はタンク底面からの電気的影
響を受けやすいが、下側電極板に接続される高周波電源
側は電気的影響を受けにくいので、精度の高い検出を行
うことができる。
成図。
図。
断面図。
分離して取り付ける場合の具体例を示す回路図。
す構成図。
Claims (3)
- 【請求項1】水に比べて比誘電率が低く、かつ比重の小
なる液体を貯蔵するタンクの底板付近にタンク内壁と絶
縁した1対の電極板よりなる検出部を設け、この検出部
を1辺とし、矩形波を出力する高周波電源を備え、検出
部の電極板間に貯蔵液体が存在する場合にほぼ平衡する
高周波ブリッジと、この高周波ブリッジの出力電圧をイ
ンピーダンス変換するバッファ回路と、前記高周波電源
からの電圧を参照電圧とし、前記バッファ回路の出力を
整流、平滑してセンサ出力とする同期整流・平滑回路と
を備え、前記センサ出力の電位極性から前記検出部の電
極板間に存在する液体が貯蔵液体と水のどちらである
か、あるいは貯蔵液体および水のどちらも存在しないか
を識別して貯蔵液体の表面および貯蔵液体と水の界面が
検知される液体の表面及び水との界面検知用の静電容量
式レベルセンサ。 - 【請求項2】前記同期整流・平滑回路および高周波電源
をタンク外部に設け、前記高周波ブリッジおよびバッフ
ァ回路を前記検出部付近に設け、ケーブルを介してこれ
ら整流・平滑回路および高周波電源と高周波ブリッジお
よびバッファ回路とを相互に電気的に接続してなる請求
項1に記載の液体の表面及び水との界面検知用の静電容
量式レベルセンサ。 - 【請求項3】 前記検出部の電極板をタンク内においてほ
ぼ水平となるように設け、かつ上側の電極板はブリッジ
出力側に接続し、下側電極板は高周波電源側に接続して
なる請求項1に記載の液体の表面及び水との界面検知用
の静電容量式レベルセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12076895A JP3258521B2 (ja) | 1995-04-21 | 1995-04-21 | 液体の表面及び水との界面検知用の静電容量式レベルセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP12076895A JP3258521B2 (ja) | 1995-04-21 | 1995-04-21 | 液体の表面及び水との界面検知用の静電容量式レベルセンサ |
Publications (2)
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JPH08292081A JPH08292081A (ja) | 1996-11-05 |
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ID=14794529
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---|---|---|---|---|
JP2016121898A (ja) * | 2014-12-24 | 2016-07-07 | 株式会社鷺宮製作所 | 液体検知器、圧縮機及び空気調和機 |
JP6778783B2 (ja) * | 2019-04-19 | 2020-11-04 | 株式会社鷺宮製作所 | 液体検知器、圧縮機及び空気調和機 |
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- 1995-04-21 JP JP12076895A patent/JP3258521B2/ja not_active Expired - Fee Related
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