JP3422355B2 - 静電容量形レベル測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電容量形レベル測
定装置に係り、絶縁性および導電性液体の液面レベル
（液位）を測定する静電容量形レベル測定装置の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置の洗浄槽における薬液レ
ベル測定、食料加工装置における液体食品のレベル測
定、一般的な工場における液体レベル測定には、例えば
静電容量形レベル測定装置が用いられる。従来、この種
の静電容量形レベル測定装置は、図１１に示すように、
被測定液１の入った絶縁槽３内へ細長い補助電極５およ
び主電極７を液面上側から挿入し、信号源９から例えば
補助電極５に加えた交流電流を主電極７を介して出力さ
せ、この出力電流から被測定液１の液位を測定する構成
が良く知られている。

【０００３】一般に、補助電極５と主電極７間に生じる
静電容量値は、それら補助電極５と主電極７間の距離が
一定であれば、それらの面積および介在物質の誘電率に
比例するから、補助電極５と主電極７間に介在する気体
や被測定液１の誘電率の差の変化、すなわち被測定液１
の液位変化に比例して静電容量値が変化し、この静電容
量値の変化に伴った交流電流が主電極７から出力され
る。そのため、主電極７から出力された交流電流を変換
部１１で交流電圧に変換し、これを整流平滑部１３で整
流平滑し、調整部１５で基準点（零レベル点）と出力勾
配（フルスケール）を調整すれば、被測定液１の液位に
応じた測定信号を出力することが可能である。

【０００４】もっとも、被測定液１が導電性である場合
には、補助電極５および主電極７が被測定液１に触れた
瞬間に短絡状態となって液位測定が困難となるので、補
助電極５および主電極７の外周を絶縁層１７、１９で均
一な厚さに被覆することが行われている。なお、絶縁層
１７、１９で被覆した補助電極５および主電極７を用い
る静電容量形レベル測定装置は、絶縁性の被測定液１の
液位レベル測定にも使用可能である。

【０００５】そこで、絶縁層１７、１９で被覆した補助
電極５および主電極７を用いた静電容量形レベル測定装
置における液位レベル測定の考え方を、図１２以降の図
面を参照して説明する。

【０００６】図１１において、気体（空気）で囲まれた
絶縁層１７、１９間の静電容量をＣａ、この静電容量Ｃ
ａに直列に形成される絶縁層１７、１９の静電容量をＣ
ｅ１、Ｃｅ２、被測定液１で囲まれた絶縁層１７、１９
間の等価抵抗をＲ１、Ｒ２、これら等価抵抗Ｒ１、Ｒ２
に直列に形成される絶縁層１７、１９の静電容量をＣ１
１、Ｃｌ２、補助電極５および主電極７の下方先端の絶
縁層１７、１９で形成される静電容量をＣｓ１、Ｃｓ
２、これら静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２間の被測定液１によ
る等価抵抗をＲ４、Ｒ５、等価抵抗Ｒ１とＲ２の直列回
路と等価抵抗Ｒ４とＲ５の直列回路間の等価抵抗をＲ３
とすれば、補助電極５および主電極７間の等価回路は図
１２のようになる。

【０００７】被測定液１が導電性の場合、液インピーダ
ンスが各静電容量によるインピーダンスより十分低いう
え、等価抵抗Ｒ１〜Ｒ５が短絡（０Ω）状態と考えられ
るから、図１２の等価回路は図１３Ａのように書換えら
れる。さらに、補助電極５および主電極７、絶縁層１
７、１９が互いに同一寸法であれば、 Ｃｌ１＝Ｃｌ２＝Ｃｌ、 Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝Ｃｓ となり、静電容量Ｃｅ１、Ｃａ、Ｃｅ２の直列回路をＣ
Ａとしたとき、図１３Ａは更に同図Ｂのように簡略化さ
れる。

【０００８】ここで、図１１中の絶縁槽３内の被測定液
１が空の場合、補助電極５と主電極７間の気体による静
電容量をＣＡｏ、補助電極５および主電極７の長さＬｏ
に対する絶縁層１７、１９の各静電容量をＣｌｏとした
場合、 Ｃｌ＝（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ ＣＡ＝ 〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ〕ＣＡｏ となり、補助電極５と主電極７間の合成静電容量Ｃは、 Ｃ＝〔（Ｃｌ＋Ｃｓ）／２〕＋ＣＡ ＝｛〔（Ｌ／２Ｌｏ）Ｃｌｏ〕＋〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ）ＣＡｏ〕 ＋（Ｃｓ／２）〕｝ ＝｛（Ｌ／Ｌｏ）〔（Ｃｌｏ／２）−ＣＡｏ〕｝＋ＣＡｏ＋（Ｃｓ／２） となる。

【０００９】補助電極５および主電極７の位置および寸
法が絶縁槽１７、１９を含めて一定であれば、それら静
電容量ＣＡｏとＣｓ／２は定数となるから、図１１中の
調整部１５により〔ＣＡｏ＋（Ｃｓ／２）〕を電気的に
差演算することにより、 Ｃ＝｛（Ｌ／Ｌｏ）〔（Ｃｌｏ／２）−ＣＡｏ〕｝＋ＣＡｏ＋（Ｃｓ／２）− 〔ＣＡｏ＋（Ｃｓ／２）〕 ＝（Ｌ／Ｌｏ）〔（Ｃｌｏ／２）−ＣＡｏ〕 となり、被測定液１の液位レベルに比例した静電容量を
得ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た静電容量形レベル測定装置では、図１１に示すよう
に、絶縁槽３が大地２１に絶縁台２３を介して配置され
るのが一般的であるから、正確な液位レベルを測定する
ためには、絶縁槽３内の補助電極５や主電極７間の静電
容量分布を考慮するだけでは不十分であり、絶縁槽３の
側部や底部と大地２１間の各静電容量Ｃｘ１、Ｃｘ２に
加えて、例えば変換部１１と大地２１間の静電容量Ｃｇ
をも考慮する必要がある。なお、補助電極５や主電極７
と絶縁槽３間における被測定液１の等価抵抗Ｒ６、Ｒ７
は、被測定液１が導電性の場合に短絡状態と考えられる
し、静電容量Ｃｇとしては図示しない電源トランスなど
の結合容量も含めて１００〜１０００ＰＦ程度の値とな
るのが一般的である。

【００１１】そして、絶縁槽３と大地２１間の各静電容
量Ｃｘ１、Ｃｘ２や変換部１１と大地２１間の静電容量
Ｃｇを考慮した等価回路は、図１４に示すようになる。
ここで、補助電極５から入力された交流電流は、静電容
量Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｇを流れる電流ｉｘとして一部が
失われるから、液位レベル変動に応じたリニアな測定電
流ｉｍを主電極７から出力するには、静電容量Ｃｘ１、
Ｃｘ２、Ｃｇの直並列回路の両端電圧ＶM を一定にする
必要がある。

【００１２】しかも、液位レベルの変動に対し両端電圧
ＶM を一定にするには、 〔（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ〕＋Ｃｓ ＝α｛〔（Ｃｘ１・Ｃｇ＋Ｃｘ２・Ｃｇ）／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２＋Ｃｇ）〕｝ 〔αは比例定数〕 が成立する必要があるが、実際には全く成立せず、液位
変化をリニアな状態で得ることができないのが実情であ
る。もっとも、液位変化をリニアな状態で測定するた
め、図１５の等価回路図で示すように、信号源９の出力
を接地して測定する手法が提案されている。

【００１３】このように信号源９の出力を接地した等価
回路では、例えば、（Ｃｌ１＋Ｃｓ１）＜＜（Ｃｘ１＋
Ｃｘ２）および（Ｃｌ２＋Ｃｓ２）＜＜（Ｃｘ１＋Ｃｘ
２）の場合、図１６に示すような等価回路となり、被測
定液１の液位レベル変化に対してリニアな静電容量変化
が得られると考えられる。ところが、静電容量形レベル
測定装置において、図１６の等価回路が成立するような
場合は、図１７に示すように、絶縁槽３の底部が薄く、
大地２１に対して絶縁槽３の底面積が広く、大地２１と
絶縁槽３の間隔が狭いといった条件を満たす必要があ
り、具体的には底面積の広い絶縁槽３を大地２１に直接
置く必要がある。

【００１４】しかしながら、静電容量形レベル測定装置
の実際の使用状況は、例えば図１８に示すように、大地
２１に立てた支持柱状の絶縁台２３上に絶縁槽３を載置
し、途中にバルブ２５を配置したパイプ２７を介して被
測定液１を絶縁槽３に対して流出入させるのが一般的で
あり、静電容量の条件が（Ｃｌ１＋Ｃｓ１）＞＞（Ｃｘ
１＋Ｃｘ２）となる。このような条件構成では、絶縁槽
３に人が接近しただけで、静電容量Ｃｘ１やＣｘ２が急
増するとともに不安定となるし、バルブ２５の開閉操作
によって絶縁槽３と外部間で被測定液１を流入出させる
と、それら静電容量が変化して出力が不安定になる。

【００１５】このように、図１１の静電容量形レベル測
定装置において、図１５のように補助電極５を大地２１
に接地して測定する構成では、図１７のように底面積の
広い絶縁槽３を大地２１に直接置いて測定する場合に限
り効果が期待されるが、これ以外の構成では効果が少な
く、実用的でないうえ誤差も大きい。本発明はそのよう
な従来の欠点を解決するためになされたもので、被測定
液を貯めた容器の設置形態や形状に拘わりなく、被測定
液の液位レベルを正確かつリニアに測定できる静電容量
形レベル測定装置の提供を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】そのような課題を解決す
るために本発明に係る第１の構成は、被測定液中へ下方
に向けて漬浸される細長い主電極と、この主電極と一定
の間隔を置いて並行な位置関係でその被測定液中へ下方
に向けて漬浸される細長い補助電極と、その前記補助電
極に交流信号を印加する信号源とを備え、その主電極か
らの出力信号によって被測定液の液位を測定する静電容
量形レベル測定装置であり、その主電極の先端に間隔を
置き補助電極に沿って配置された同電位電極と、それら
主電極および同電位電極の間に互いに間隔を置き補助電
極に沿って配置され上記出力信号を補正する信号を出力
する参照電極と、それら主電極、同電位電極間および参
照電極間の交流的な同電位状態を形成する同電位形成部
とを具備している。また、第１の構成において、それら
主電極、補助電極、同電位電極および参照電極を絶縁層
で被覆する構成も可能である。

【００１７】そして、本発明に係る第２の構成は、被測
定液中へ下方に向けて漬浸される細長い主電極と、この
主電極と一定の間隔を置いて並行な位置関係で前記被測
定液中へ下方に向けて漬浸される補助電極と、この補助
電極に交流信号を印加する信号源とを備え、その主電極
からの出力信号によって被測定液の液位を測定する静電
容量形レベル測定装置であり、それら主電極および補助
電極と一定の間隔を置いて並行な位置関係で上記被測定
液中へ下方に向けて漬浸される細長い第１の同電位電極
と、この第１の同電位電極の先端に間隔を置きその補助
電極に沿って配置され上記出力信号を補正する信号を出
力する参照電極と、この参照電極の先端に間隔を置きそ
の補助電極に沿って配置された第２の同電位電極と、そ
れら主電極、第１の同電位電極、参照電極および第２の
同電位電極間の交流的な同電位状態を形成する同電位形
成部とを具備して構成されている。

【００１８】また、第２の構成において、それら主電
極、補助電極、第１および第２の同電位電極、並びに参
照電極を絶縁層で被覆しても良い。さらに、第２の構成
において、上記補助電極は、主電極、第１の同電位電
極、参照電極および第２の同電位電極を囲む筒電極で形
成しても良い。さらにまた、第２の構成において、その
被測定液の容器を上記補助電極とする構成も可能であ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には
同一の符号を付す。

【００２０】図１は本発明に係る静電容量形レベル測定
装置の第１の構成を示す図であり、図２および図３はそ
の等価回路図である。図１において、絶縁槽３は、公知
の絶縁材料から形成された容器であり、絶縁性の被測定
液１が入れられている。

【００２１】この絶縁槽３には、棒状の補助電極５およ
び円筒状の主電極７が、下方向に向け所定の間隔を隔て
て並行に被測定液１中に挿入され、絶縁槽３から上端部
が多少突出している。絶縁槽３内において、主電極７の
下方先端には、僅かな間隔を置いて円筒状の短い参照電
極３９が、更に、この参照電極３９の下側に僅かな間隔
を置いて短い棒状の同電位電極２９が各々共軸的に配置
されており、主電極７、参照電極３９および同電位電極
２９が補助電極５に沿ってこれとほぼ等長になってい
る。

【００２２】それら補助電極５は耐食性の絶縁層１７で
覆われて円柱状になっており、主電極７、参照電極３９
および同電位電極２９も耐食性の絶縁層１９で覆われて
円柱状になっており、図示しない保持手段にて保持され
ている。補助電極５の上側先端には、出力レベルの安定
した例えば４０ＫＨｚの交流信号を発振出力する信号源
９が接続されている。信号源９の発振出力は大地２１に
も接続されており、絶縁槽３は大地２１に絶縁台２３を
介して載置されている。

【００２３】主電極７の上側先端は、シールドケーブル
３１の芯線３１ａを介してＯＰ（オペ）アンプ３３の反
転入力端子に接続され、このＯＰアンプ３３の非反転入
力端子にはシールドケーブル３１のシールド部３１ｂが
接続されている。ＯＰアンプ３３の非反転入力端子は０
電位（０Ｖ）に固定されており、その出力端子は帰還回
路３５を介して非反転入力端子に接続される一方、整流
平滑部１３に接続されている。

【００２４】そのため、ＯＰアンプ３３の出力端子に
は、反転入力端子に加えられた電圧の逆極性の電圧が出
力され、帰還回路３５を適当に選定することによって非
反転入力端子と反転入力端子が交流的に同一電位となっ
ている。従って、ＯＰアンプ３３は、帰還回路３５とと
もに主電極７を交流的に０電位と同一電位状態にする同
電位形成部３７として機能するとともに、主電極７から
の出力電流を電圧に変換する変換部（例えば図１１中の
符号１１）としての機能を有する。

【００２５】整流平滑部１３は、ＯＰアンプ３３からの
出力信号を整流平滑するもので調整部１５に接続されて
いる。これら整流平滑部１３および調整部１５の機能は
従来例と同様である。参照電極３９は、主電極７の中空
部を通したシールドケーブル４１の芯線４１ａを介して
ＯＰアンプ４３の反転入力端子に接続され、同電位電極
２９はシールドケーブル４１のシールド部４１ｂを介し
てＯＰアンプ４３の非反転入力端子に接続され、この非
反転入力端子が０電位（０Ｖ）に固定されている。

【００２６】ＯＰアンプ４３の出力端は帰還回路３５と
同様な帰還回路４５を介して反転入力端子へ接続される
とともに整流平滑回路１３と同様な整流平滑部４７に接
続されており、ＯＰアンプ４３および帰還回路４５によ
って上述した同電位形成部３７と同様な同電位形成部４
９が形成されている。整流平滑部１３、４７は、演算部
５１に接続されるとともに補償部５３、５５に接続され
ており、整流平滑部１３、４７と演算部５１間には各々
出力端Ｐ１、Ｐ２が形成されている。補償部５３、５５
は、絶縁槽３内の被測定液１が空状態における補償静電
容量に相当する補償値を記憶している。

【００２７】次に、このような構成の静電容量形レベル
測定装置の動作を説明する。この図１の静電容量形レベ
ル測定装置は、導電性の被測定液１の液位測定に好適す
るものであり、補助電極５と主電極７間の気体（空気）
中の静電容量をＣａ、補助電極５周囲の絶縁層１７の液
中の静電容量をＣ１１、主電極７周囲の絶縁層１９の液
中の静電容量をＣｌ２、参照電極３９周囲の絶縁層１９
の静電容量をＣｒ、参照電極３９と同電位電極２９間の
静電容量をＣｋ１、参照電極３９と主電極７間の静電容
量をＣｋ２、補助電極５や同電位電極２９先端の絶縁層
１７、１９の静電容量をＣｓ１、Ｃｓ２、絶縁槽３と大
地２１間の静電容量をＣｘ１、Ｃｘ２とすれば、被測定
液１が参照電極３９を超えた状態の等価回路は図２にな
る。便宜上、静電容量Ｃａには補助電極５や主電極７周
囲の絶縁層１７、１９に係る気体中の静電容量を含めて
示し、詳細な図示を省略した。

【００２８】そして、信号源９から補助電極５および大
地２１に印加された交流信号Ｖｏは、液位測定用の交流
電流ｉｍとして静電容量Ｃａ、Ｃｌ１、Ｃｌ２、Ｃｘ
１、Ｃｘ２、Ｃｓ１、主電極７およびシールドケーブル
３１の芯線３１ａを介してＯＰアンプ３３へ出力される
一方、補正用の交流電流ｉｒとして静電容量Ｃｌ１、Ｃ
ｘ１、Ｃｘ２、Ｃｓ１、Ｃｒ、参照電極３９およびシー
ルドケーブル４１の芯線４１ａを介してＯＰアンプ４３
へ出力される。整流平滑部１３、４７にて整流平滑され
た出力信号Ｓ１、Ｓ２は、演算部５１へ出力されて除算
（Ｓ１／Ｓ２）され、測定信号として出力される。

【００２９】ここで、被測定液１がある程度貯留された
図２の等価回路において、主電極７からの交流電流ｉｍ
および参照電極３９からの交流電流ｉｒは、次のように
なり、ＯＰアンプ３３、４３の反転入力端子へ流れる。
なお、符号ＶM は被測定液１の電位であり、符号ωはそ
の交流電流の角速度である。 ｉｍ＝ωＣｌ２ＶM ＋ωＣａＶｏ … （１） ｉｒ＝ωＣｒＶM … （２）

【００３０】また、被測定液１が参照電極３９より低下
して空の状態において、補助電極５と主電極７間の静電
容量をＣａｏ、補助電極５と参照電極３９間の静電容量
をＣａｒ、補助電極５や同電位電極２９先端の絶縁層１
７、１９の静電容量をＣｓａとすれば、その等価回路は
図３に示すようになり、主電極７からの交流電流ｉｍｏ
および参照電極３９からの交流電流ｉｒｏは次のように
なる。 ｉｍｏ＝ωＣａｏＶｏ … （３） ｉｒｏ＝ωＣａｒＶｏ … （４）

【００３１】これら式（３）および（４）の値を空調整
値として予め図１中の補償部５３、５５に記憶し、これ
ら空調整用の補償値を含めて整流平滑部１３、４７にて
式（１）や（２）から差演算し、入力電流ｉｍ、ｉｒに
置き換えた結果は、主電極５周囲の絶縁層１９の電極長
Ｌｏにおける静電容量をＣｌｏとした場合、次のように
なる。

【００３２】 ｉｍ＝ωＣｌ２ＶM ＋ωＣａＶｏ−ωＣａｏＶｏ ＝｛（ωＬ／Ｌｏ）ＣｌｏＶM｝＋ω｛（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ｝ＣａｏＶｏ −ωＣａｏＶｏ ＝〔ω（Ｌ／Ｌｏ）〕（ＣｌｏＶM −ＣａｏＶｏ） ｉｒ＝ωＣｒＶM −ωＣａｒＶｏ ＝（ωＬｒ／Ｌｏ）ＣｌｏＶM−（ωＬｒ／Ｌｏ）ＣａｏＶｏ ＝〔ω（Ｌｒ／Ｌｏ）〕（ＣｌｏＶM −ＣａｏＶｏ）

【００３３】もっとも、Ｃｌ２は（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ、
Ｃａは〔（Ｌｏ−Ｌ／Ｌｏ）〕Ｃａｏ、Ｃｒは（Ｌｒ／
Ｌｏ）Ｃｌｏ、Ｃａｒは（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃａｏといった
条件の下でそれらの式が成立する。ここで被測定液１に
漬浸されている主電極７の長さをＬとし、参照電極３９
の軸方向長をＬｒとすれば、 ｉｍ／ｉｒ＝Ｌ／Ｌｒ となり、交流電流ｉｍおよび交流電流ｉｒの比から、被
測定液１の液位を測定できる。

【００３４】しかも、ＯＰアンプ３３、４３、すなわち
同電位形成部３７、４９によって主電極７、参照電極３
９および同電位電極２９間が交流的に同電位状態となっ
ているから、主電極７、参照電極３９、同電位電極２９
間に形成される静電容量Ｃｋ２、Ｃｋ１には交流電流が
流れず、同電位電極２９に形成される静電容量Ｃｘ２の
存在が除去され、静電容量Ｃｌ１、Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃ
ｓ１の変化が主電極７や参照電極３９からの出力交流電
流ｉｍ、ｉｒの比に影響を与えず、被測定液１の液位レ
ベルを正確かつリニアに測定できる。さらに、空の状態
において主電極７および参照電極３９からの出力信号Ｓ
１、Ｓ２を出力端Ｐ１、Ｐ２で測定し、出力信号Ｓ１、
Ｓ２が「０（ゼロ）」となるような補償部５３、５５に
記憶された補償値により、出力交流電流ｉｍ、ｉｒを補
償可能となる。

【００３５】そのため、従来では例えば被測定液１が少
なくなって参照電極３９が露出したとき、整流平滑部４
７からの出力信号Ｓ２が極小化し、測定信号（Ｓ１／Ｓ
２）が逆に大きくなってゆく出力反転現象を発生させる
おそれがあったが、図３の構成では、被測定液１が空き
状態で出力信号Ｓ２をほぼ「０」にして測定信号（Ｓ１
／Ｓ２）もほぼ「０」にしておけば、参照電極３９が露
出した以降、出力反転現象を抑えるとともに測定信号
（Ｓ１／Ｓ２）を横ばい又は「０」に至るまで減少させ
ることが可能となる。

【００３６】なお、この図１に係る第１の構成におい
て、補助電極５と、主電極７、参照電極３９および同電
位電極２９の寸法は同一である必要性はなく、間隔が一
定であれば、本発明の目的達成が可能である。さらに、
図示はしないが、絶縁性の被測定液１の液位レベルを測
定する場合には、絶縁層１７、１９で被覆せずに露出さ
せる構成も可能である。

【００３７】図４は、本発明の静電容量形レベル測定装
置に係る第２の構成を示す図である。図４において、絶
縁槽３内に棒状の補助電極５、円筒状の主電極７および
円筒状の第１の同電位電極５７が所定の等間隔ｄを隔て
て並行に挿入され、信号源９がその補助電極５および大
地２１に接続されている。

【００３８】主電極７の下方先端に僅かな間隔を置いて
短い棒状の同電位電極２９が共軸的に配置されるととも
に、第１の同電位電極５７の下方先端には僅かの間隔を
置いて短い円筒状の参照電極５９、更にこの参照電極５
９の下方には僅かの間隔を置いて短い棒状の第２の同電
位電極６１が共軸的に配置されており、主電極７および
同電位電極２９の長さ、第１の同電位電極５７、参照電
極５９および第２の同電位電極６１の長さが補助電極５
と等長になっている。補助電極５は耐食性の絶縁層１７
で筒型に覆われ、主電極７および同電位電極２９は耐食
性の絶縁層１９で筒型に覆われ、第１の同電位電極５
７、参照電極５９および第２の同電位電極６１も耐食性
の絶縁層６３で筒型に覆われ、図示しない保持手段にて
保持されている。

【００３９】なお、図４では第１および第２の同電位電
極５７、６１は単に同電位電極と図示する（以下同
じ。）。この図４に示す静電容量形レベル測定装置は、
図１に係る第１の構成における主電極７と同電位電極２
９間の参照電極３９を除去するとともに、これらとは別
個に第１の同電位電極５７、参照電極５９および第２の
同電位電極６１を設けた構成となっている。そして、主
電極７がシールドケーブル３１を介してＯＰアンプ３３
に接続され、参照電極５９および第２の同電位電極６１
がシールドケーブル４１を介してＯＰアンプ４３に接続
されているが、これらＯＰアンプ３３、４３以降の構成
は図３と同様である。

【００４０】この図４の静電容量形レベル測定装置は、
導電性の被測定液１の液位測定に好適するものであり、
気体（空気）を介した補助電極５と主電極７間の静電容
量をＣａ１、補助電極５と第１の同電位電極５７間の静
電容量をＣａ２、補助電極５周囲の絶縁層１７の液中の
静電容量をＣｌ１、主電極７周囲の絶縁層１９の液中の
静電容量をＣｌ２、同電位電極５７周囲の絶縁層６３の
液中の静電容量をＣｌ３、参照電極５９周囲の絶縁層６
３の静電容量をＣｒ、同電位電極２９と主電極７間の静
電容量をＣｋ１、参照電極５９と第２の同電位電極６１
間の静電容量をＣｋ２、参照電極５９と第１の同電位電
極５７間の静電容量をＣｋ３、同電位電極２９、補助電
極５、第２の同電位電極６１先端の絶縁層１９、１７、
６３の静電容量をＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３とすれば、参
照電極５９が被測定液１中にある状態の等価回路は図５
になる。

【００４１】図５の等価回路において主電極７からの交
流電流ｉｍおよび参照電極５９からの補正交流電流ｉｒ
は、次のようになる。 ｉｍ＝ωＣｌ１ＶM＋ωＣａ1Ｖｏ … （５） ｉｒ＝ωＣｒＶM … （６）

【００４２】また、被測定液１が参照電極５９より低下
して空の状態において、補助電極５と主電極７間の静電
容量をＣａ１０、補助電極５と参照電極５９間の静電容
量をＣａｒとすれば、その等価回路は図６に示すように
なり、主電極７からの交流電流ｉｍｏおよび参照電極５
９からの交流電流ｉｒｏは次のようになる。便宜上、符
号Ｃａ１０およびＣａｒは図４中に図示されていない。 ｉｍｏ＝ωＣａ１０Ｖｏ … （７） ｉｒｏ＝ωＣａｒＶｏ … （８）

【００４３】そして、補償部５３、５５に式（７）およ
び（８）の値を空調整用の補償値として記憶し、これら
補償値を用いた差演算結果を入力電流ｉｍ、ｉｒに置き
換えると、次のようになる。

【００４４】 ｉｍ＝ωＣｌ１ＶM ＋ωＣａ１Ｖｏ−ωＣａ１０Ｖｏ ＝〔ω（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌ１０ＶM 〕＋ω〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ〕 Ｃａ１０Ｖｏ−ωＣａ１０Ｖｏ ＝〔ω（Ｌ／Ｌｏ）〕（Ｃｌ１０ＶM −Ｃａ１０Ｖｏ） ｉｒ＝ωＣｒＶM −ωＣａｒＶｏ ＝〔ω（Ｌｒ／Ｌｏ）〕（Ｃｌ１０ＶM −Ｃａ１０Ｖｏ）

【００４５】ここで、補正のため、交流電流ｉｍとｉｒ
の演算（ｉｍ／ｉｒ）を行うと、 ｉｍ／ｉｒ＝Ｌ／Ｌｒ となる。Ｌｒは固定寸法であるから、被測定液１の電位
ＶM の変動に無関係に被測定液１の液位レベルＬに比例
した測定信号が得られる。しかも、静電容量Ｃｋ１、Ｃ
ｋ２、Ｃｋ３両端の電位差が「０」となって電流が流れ
ないし、被測定液１の電位ＶM が消去され、静電容量Ｃ
ａ２、Ｃｌ２、Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ
３は出力に影響を与えない。

【００４６】ところで、上述したＣｒ＝（Ｌｒ／Ｌｏ）
Ｃｌ１０およびＣａｒ＝（Ｌｒ／ｌｏ）Ｃａ１０が成立
するのは、図４において主電極７を絶縁層１９で被覆し
た構成と、第１および第２の同電位電極５７、６１や参
照電極５９を絶縁層６３で被覆した構成を同様の寸法に
形成し、補助電極５を中心に対称かつ並行に配置した場
合である。

【００４７】もし、第１および第２の同電位電極５７、
６１や参照電極５９を絶縁層６３で被覆した構成の寸法
が異なる場合や、主電極７に並行ではあるが、補助電極
５を中心として非対称に配置したい場合には、次の式が
成立する寸法および配置を適当に選定すれば良い。

【００４８】Ｃｌ１０／Ｃｒ＝Ｃａｒ１０／Ｃａｒ この場合、 （Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃｌ１０／Ｃｒ＝ｎ とすれば ｉｍ／ｉｒ＝（Ｌｒ／Ｌｏ）ｎ となり、被測定液１の電位ＶＭの変動に無関係で、被測
定液１の液位レベルＬに比例した測定信号が得られる。

【００４９】この図４に示す構成では、主電極７を絶縁
層１９で被覆した構成と、第１および第２の同電位電極
５７、６１や参照電極５９を絶縁層６３で被覆した構成
を同様の寸法に形成し、補助電極５を中心として対称か
つ並行に配置した場合や第１および第２の同電位電極５
７、６１や参照電極５９を絶縁層６３で被覆した構成の
寸法が異なる場合や、主電極７に並行ではあるが、補助
電極５を中心として非対称に配置した場合において、Ｃ
ｌ１０／Ｃｒ＝Ｃａ１０／Ｃａｒが成立する場合では、
上述した補正の他に絶縁層１７、１９、６３の誘電率変
化、伸縮変化の補正も可能である。

【００５０】図７は静電容量形レベル測定装置の第２の
構成に係る他の変形例を示す図である。図７において、
絶縁槽３内に円筒状の主電極７および円筒状の第１の同
電位電極５７が所定の間隔ｄを隔てて並行に挿入され、
主電極７の下方先端に僅かな間隔を置いて短い棒状の同
電位電極２９が共軸的に配置されるとともに、第１の同
電位電極５７の下方先端には僅かの間隔を置いて短い円
筒状の参照電極５９、更にこの参照電極５９の下方には
僅かの間隔を置いて短い棒状の第２の同電位電極６１が
共軸的に配置されている。

【００５１】主電極７および同電位電極２９は、筒形の
補助電極６５内の中央部に間隔を置いて配置され、第１
の同電位電極５７、参照電極５９および第２の同電位電
極６１も筒形の補助電極６７内の中央部に間隔を置いて
配置され、それらが図示しない保持手段にて保持されて
おり、信号源９がその補助電極６５、６７および大地２
１に接続されている。主電極７および同電位電極２９の
長さ、第１の同電位電極５７、参照電極５９および第２
の同電位電極６１の長さが等しくなっており、他方、互
いに等長の補助電極６５、６７がこれらと等長もしくは
若干長くなっている。

【００５２】すなわち、図７の静電容量形レベル測定装
置は、図４の構成に対して主電極７および同電位電極２
９や、第１および第２の同電位電極および参照電極５９
を絶縁層１７、１９、６３で覆わずに、筒形の補助電極
（囲み電極）６５、６７でこれらを囲む構成を有してい
る。主電極７がシールドケーブル３１を介してＯＰアン
プ３３に接続され、参照電極５９および第１、第２の同
電位電極５７、６１がシールドケーブル４１を介してＯ
Ｐアンプ４３に接続されているが、これらＯＰアンプ３
３、４３以降の構成は図１と同様である。

【００５３】この図７の静電容量形レベル測定装置は、
絶縁性の被測定液１の液位測定に好適するものであり、
気体（空気）を介した主電極７と補助電極６５間の静電
容量をＣａ、被測定液１を介した主電極７と補助電極６
５間の静電容量をＣｌ、同電位電極２９と補助電極６５
間の静電容量をＣｓ３、主電極７と同電位電極２９間の
静電容量をＣｋ３、同電位電極２９と大地間の静電容量
をＣｓ１、気体（空気）を介した第１の同電位電極５７
と補助電極６７間の静電容量をＣｓ６、被測定液１を介
した第１の同電位電極５７と補助電極６７間の静電容量
をＣｓ５、参照電極５９と補助電極６７間の静電容量を
Ｃｒ、第２の同電位電極６１と補助電極６７間の静電容
量をＣｓ４、第２の同電位電極６１と参照電極５９間の
静電容量をＣｋ１、第１の同電位電極５７と参照電極５
９間の静電容量をＣｋ２、同電位電極６１と大地間の静
電容量をＣｓ２とすれば、参照電極５９が被測定液１中
にある状態の等価回路は図８になる。

【００５４】この図７の実施の形態においても、信号源
９から加えられた交流信号は、静電容量Ｃｋ１、Ｃｋ
２、Ｃｋ３の両端の電位が０Ｖであるからこれらに電流
が流れず、静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４、
Ｃｓ５、Ｃｓ６には電流が流れるものの０Ｖラインに流
れ、ＯＰアンプ３３、４３の出力信号に影響を与えな
い。そのため、図７において、主電極７の長さをＬｏ、
被測定液に漬浸されたその長さをＬ、参照電極５９の長
さをＬｒ、主電極全長を被測定液１で浸した時の主電極
７と補助電極６５間の静電容量をＣｌｏ、主電極７と補
助電極６５間が全て気体（空気）の時の静電容量をＣａ
ｏとすれば、図８の等価回路において、ＯＰアンプ３
３、４３に入力される交流電流ｉｍ、ｉｒは次のように
なる。

【００５５】 ｉｍ＝ωＶｏ（Ｃａ＋Ｃｌ） ＝ωＶｏ｛（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ＋〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ〕Ｃａｏ｝…（９） ｉｒ＝ωＶｏＣｒ ＝ωＶｏ（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃｌｏ …（１０）

【００５６】また、被測定液１が空の時の入力交流電流
ｉｍｏ、ｉｒｏは、 ｉｍｏ＝ωＶｏＣａｏ …（１１） ｉｒｏ＝ωＶｏ（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃａｏ …（１２） そして、補償部５３、５５に式（１１）、（１２）の値
を空調整用の補償値として記憶し、これら補償値を用い
た差演算結果を入力電流ｉｍ、ｉｒに置き換えると、次
のようになる。

【００５７】 ｉｍ＝ωＶｏ｛（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ＋〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ〕Ｃａｏ−Ｃａｏ｝ ＝ωＶｏ（Ｌ／Ｌｏ）（Ｃｌｏ−Ｃａｏ） ｉｒ＝ωＶｏ〔（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃｌｏ−（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃａｏ〕 ＝ωＶｏ（Ｌｒ／Ｌｏ）（Ｃｌｏ−Ｃａｏ）

【００５８】ここで、補正のためｉｍ／ｉｒを行うと ｉｍ／ｉｒ＝Ｌ／Ｌｒ となり、被測定液１の誘電率変動に無関係に被測定液１
の液位レベルＬに比例した測定信号が得られる。なお、
Ｃｒ＝（Ｌｒ／Ｌｏ）×Ｃ１０が成立するのは、図７に
おいて、主電極７と同電位電極２９および補助電極６５
の位置や寸法に対して、第１の同電位電極５７、参照電
極５９、第２の同電位電極６１および補助電極６７の位
置や寸法を同様にした場合であり、もし、補助電極６
５、６７内が互いに異なる位置関係や寸法である場合に
は、Ｃｒ＝（Ｌｒ／Ｌｏ）×ｎＣ１０とし、それらの位
置関係や寸法によって適当に符号ｎを選定すれば良い。

【００５９】ところで、上述した各実施の形態は、被測
定液１を絶縁槽３に貯めた状態の液位測定であったが、
本発明では導電槽（金属槽）を用いた構成においても実
施可能である。例えば、図９に示すように、金属槽３ａ
内に円筒状の主電極７および円筒状の第１の同電位電極
５７が所定の間隔ｄを隔てて並行に挿入され、主電極７
の下方先端に僅かな間隔を置いて短い棒状の同電位電極
２９が共軸的に配置されるとともに、第１の同電位電極
５７の下方先端には僅かの間隔を置いて短い円筒状の参
照電極５９、更にこの参照電極５９の下方には僅かの間
隔を置いて短い棒状の第２の同電位電極６１が共軸的に
配置され、それらが図示しない保持手段にて保持されて
おり、信号源９がその金属槽３ａに接続されている。

【００６０】すなわち、図９の静電容量形レベル測定装
置は、図７の構成の変形例であり、筒形の補助電極６
５、６７を省略して、金属槽３ａを補助電極としたもの
であり、上述した実施の形態のように、主電極７がシー
ルドケーブル３１を介してＯＰアンプ３３に接続され、
参照電極５９および第１、第２の同電位電極５７、６１
がシールドケーブル４１を介してＯＰアンプ４３に接続
されている。

【００６１】この図９の静電容量形レベル測定装置は、
絶縁性の被測定液１の液位測定に好適するものであり、
気体（空気）を介した主電極７と金属槽３ａ間の静電容
量をＣａ、被測定液１を介した主電極７と金属槽３ａ間
の静電容量をＣｌ、同電位電極２９と金属槽３ａ間の静
電容量をＣｓ３、同電位電極２９と金属槽３ａの底部間
の静電容量をＣｓ１、主電極７と同電位電極２９間の静
電容量をＣｋ６、気体（空気）を介した主電極７と第１
の同電位電極５７間の静電容量をＣｋ３、被測定液１を
介した主電極７と第１の同電位電極５７間の静電容量を
Ｃｋ２、参照電極５９と主電極７間の静電容量をＣｋ
１、同電位電極２９と第２の同電位電極６１間の静電容
量をＣｓ４、第２の同電位電極６１と金属槽３ａ間の静
電容量をＣｓ５、第２の同電位電極６１と金属槽３ａの
底部間の静電容量をＣｓ２、第２の同電位電極６１と参
照電極５９間の静電容量をＣｋ４、参照電極５９と第１
の同電位電極５７間の静電容量をＣｋ５、被測定液１を
介した第１の同電位電極５７と金属槽３ａ間の静電容量
をＣｓ６、気体（空気）を介した第１の同電位電極５７
と金属槽３ａ間の静電容量をＣｓ７とすれば、参照電極
５９が被測定液１中にある状態の等価回路は図１０のよ
うになる。

【００６２】この図９の実施の形態においても、信号源
９から加えられた交流信号は、静電容量Ｃｋ１、Ｃｋ
２、Ｃｋ３、Ｃｋ４、Ｃｋ５、Ｃｋ６、Ｃｓ４の両端の
電位が０Ｖであるからこれらに電流が流れない。静電容
量Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ５、Ｃｓ６、Ｃｓ７に
電流が流れるものの０Ｖラインに流れ、ＯＰアンプ３
３、４３の出力信号に影響を与えない。

【００６３】そのため、図９において、主電極７の金属
槽３ａへの挿入長さをＬｏ、被測定液１に漬浸されたそ
の長さをＬ、参照電極５９の長さをＬｒ、金属槽３ａを
被測定液１で満たした時の主電極７と金属槽３ａ間の静
電容量をＣｌｏ、主電極７と金属槽３ａ間が全て気体
（空気）の時の静電容量をＣａｏとすれば、図１０の等
価回路において、ＯＰアンプ３３、４３に入力される交
流電流ｉｍ、ｉｒは、次のようになる。

【００６４】 ｉｍ＝ωＶｏ（Ｃａ＋Ｃｌ） ＝ωＶｏ｛（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ＋〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ〕Ｃａｏ｝…（１３ ） ｉｒ＝ωＶｏＣｒ ＝ωＶｏ（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃｌｏ …（１４）

【００６５】また、被測定液１が空の時の入力交流電流
ｉｍｏ、ｉｒｏは、 ｉｍｏ＝ωＶｏＣａｏ …（１５） ｉｒｏ＝ωＶｏ（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃａｏ …（１６）

【００６６】そして補償部５３、５５に式（１５）、
（１６）の値を空調整用の補償値として記憶し、これら
補償値を用いた差演算結果を入力電流ｉｍ、ｉｒに置き
換えると、次のようになる。

【００６７】 ｉｍ＝ωＶｏ｛（Ｌ／Ｌｏ）Ｃｌｏ＋〔（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ〕Ｃａｏ−Ｃａｏ｝ ＝ωＶｏ（Ｌ／Ｌｏ）（Ｃｌｏ−Ｃａｏ） ｉｒ＝ωＶｏ〔（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃｌｏ−（Ｌｒ／Ｌｏ）Ｃａｏ〕 ＝ωＶｏ（Ｌｒ／Ｌｏ）（Ｃｌｏ−Ｃａｏ）

【００６８】ここで、補正のためｉｍ／ｉｒを行うと、 ｉｍ／ｉｒ＝Ｌ／Ｌｒ となり、被測定液１の誘電率変動に無関係に被測定液１
の液位レベルＬに比例した測定信号が得られる。

【００６９】なお、Ｃｒ＝（Ｌｒ／Ｌｏ）×Ｃ１０が成
立するのは、図７と同じく、主電極７と同電位電極２９
の位置や寸法に対して、第１の同電位電極５７、参照電
極５９および第２の同電位電極６１の位置や寸法を同様
にした場合であり、もし、主電極７と同電位電極２９に
対して、第１の同電位電極５７、参照電極５９および第
２の同電位電極６１の位置や寸法を互いに異ならせる場
合には、Ｃｒ＝（Ｌｒ／Ｌｏ）×ｎＣ１０とし、それら
の位置関係や寸法によって適当に符号ｎを選定すれば良
い。

【００７０】ところで、上述した図４、図７および図９
に示した実施の形態においては、主電極７の静電容量変
化が大きく、主電極７の下方の同電位電極２９で形成さ
れる静電容量ＣｓやＣｓ１は無視できる程度であるか
ら、その同電位電極２９の省略が可能である。さらに、
上述した図７および図９に示す構成において、主電極
７、同電位電極２９、５７、６１、参照電極５９、補助
電極６５、６７の外周を例えばふっ素樹脂等の耐食性絶
縁層で被覆すれば、耐食性および液切れを改善できる利
点があるうえ、導電性液体を被測定液１とすることも可
能である。なお、これらの構成における等価回路は上述
した各回路とほぼ同じである。

【００７１】特に、導電性の被測定液１では、絶縁被覆
物の誘電率補正も可能で、温度サイクルのある環境や高
精度計測の必要な状況に好適する。本発明において、上
述した各同電位形成部３７、４３は、一例であってＯＰ
アンプ３３、４３と帰還回路３５、４１等からなる構成
に限定されず、同電位にする他の電子回路で同様に実施
可能である。本発明に係る静電容量形レベル測定装置
は、上述した各形態例のように絶縁槽３に被測定液１を
溜める構成に限らず、広く一般的な容器、水処理等の貯
水槽、自然界のダムや河川等々の液面レベル測定に適用
可能である。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の静電容量形
レベル測定装置は、被測定液を貯めた容器の設置形態や
形状に拘わりなく、被測定液の液位レベルを正確かつリ
ニアに測定できるし、液位に応じた出力信号を補正可能
となり、例えば容器内の被測定液の正確な空調整も可能
となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電容量形レベル測定装置の第１
の構成を示す図である。

【図２】図１の静電容量形レベル測定装置の等価回路図
である。

【図３】図１の静電容量形レベル測定装置の等価回路図
である。

【図４】本発明に係る静電容量形レベル測定装置の第２
の構成を示す図である。

【図５】図４の静電容量形レベル測定装置の等価回路図
である。

【図６】図４の静電容量形レベル測定装置の等価回路図
である。

【図７】静電容量形レベル測定装置の第２の構成に係る
変形例を示す図である。

【図８】図７の静電容量形レベル測定装置の等価回路図
である。

【図９】静電容量形レベル測定装置の第２の構成に係る
変形例を示す図である。

【図１０】図９静電容量形レベル測定装置の等価回路図
である。

【図１１】従来の静電容量形レベル測定装置を示す図で
ある。

【図１２】図１１の静電容量形レベル測定装置の等価回
路図である。

【図１３】図１１の静電容量形レベル測定装置の等価回
路図である。

【図１４】図１１の静電容量形レベル測定装置の等価回
路図である。

【図１５】図１１の静電容量形レベル測定装置の等価回
路図である。

【図１６】図１１の静電容量形レベル測定装置の等価回
路図である。

【図１７】図１１の静電容量形レベル測定装置の使用例
を説明する図である。

【図１８】図１１の静電容量形レベル測定装置の使用例
を説明する図である。

【符号の説明】

１ 被測定液 ３ 絶縁槽 ３ａ 導電槽（金属槽：補助電極） ５ 補助電極 ７ 主電極 ９ 信号源 １１ 変換部 １３、４７ 整流平滑部 １５ 調整部 １７、１９、６３ 絶縁層 ２１ 大地 ２３ 絶縁台 ２５ バルブ ２７ パイプ ２９ 同電位電極 ３１、４１ シールドケーブル ３１ａ、４１ａ 芯線 ３１ｂ、４１ｂ シールド部 ３３、４３ ＯＰアンプ（オペアンプ） ３５、４５ 帰還回路 ３７、４９ 同電位形成部 ３９、５９ 参照電極 ５１ 演算部 ５３、５５ 補償部 ５７ 第１の同電位電極（同電位電極） ６１ 第２の同電位電極（同電位電極） ６５、６７ 補助電極（囲み電極）

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定液中へ下方に向けて漬浸される細
   長い主電極と、 この主電極と一定の間隔を置いて並行な位置関係で前記
   被測定液中へ下方に向けて漬浸される細長い補助電極
   と、 前記補助電極に交流信号を印加する信号源と、 とを備え、前記主電極からの出力信号によって前記被測
   定液の液位が測定される静電容量形レベル測定装置にお
   いて、 前記主電極の先端に間隔を置き前記補助電極に沿って配
   置された同電位電極と、 前記主電極および同電位電極の間に互いに間隔を置き前
   記補助電極に沿って配置され、前記出力信号を補正する
   信号を出力する参照電極と、 前記主電極、同電位電極間および参照電極間の交流的な
   同電位状態を形成する同電位形成部と、 を具備することを特徴とする静電容量形レベル測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記各電極が絶縁層で被覆されてなる請
   求項１記載の静電容量形レベル測定装置。
3. 【請求項３】 被測定液中へ下方に向けて漬浸される細
   長い主電極と、 この主電極と一定の間隔を置いて並行な位置関係で前記
   被測定液中へ下方に向けて漬浸される補助電極と、 前記補助電極に交流信号を印加する信号源と、 とを備え、前記主電極からの出力信号によって前記被測
   定液の液位が測定される静電容量形レベル測定装置にお
   いて、 前記主電極および補助電極と一定の間隔を置いて並行な
   位置関係で前記被測定液中へ下方に向けて漬浸される細
   長い第１の同電位電極と、 この第１の同電位電極の先端に間隔を置き前記補助電極
   に沿って配置され、前記出力信号を補正する信号を出力
   する参照電極と、 この参照電極の先端に間隔を置き前記補助電極に沿って
   配置された第２の同電位電極と、 前記主電極、第１の同電位電極、参照電極および第２の
   同電位電極間の交流的な同電位状態を形成する同電位形
   成部と、 を具備することを特徴とする静電容量形レベル測定装
   置。
4. 【請求項４】 前記各電極が絶縁層で被覆されてなる請
   求項３記載の静電容量形レベル測定装置。
5. 【請求項５】 前記補助電極は、前記主電極、第１の同
   電位電極、参照電極および第２の同電位電極を囲む筒電
   極である請求項３項記載の静電容量形レベル測定装置。
6. 【請求項６】 前記補助電極は、前記被測定液の容器で
   ある請求項５項記載の静電容量形レベル測定装置。