JP3572957B2 - 静電容量式液面計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、静電容量式液面計に関し、特に、容量センサが液中に位置している場合の静電容量式液面計の調整が容易である静電容量式液面計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図５を参照して説明する。図５は液体貯蔵部に貯蔵される液体の液面レベルを測定する静電容量式液面計の従来例を説明する図である。この液体貯蔵部は貯蔵タンク、配管部の如きものであり、貯蔵される液体としては一般の液体の他に、液体窒素、液体酸素、ＬＮＧ、ＬＰＧその他の液化ガスが貯蔵される。
【０００３】
図５において、１は液面レベルを検知する容量センサであり、液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定されている。２は容量センサ１に並列に接続される調整キャパシタである。３は切り替えスイッチであり、調整キャパシタ２を容量センサ１に並列に接続し、或いはこれから切り離すスイッチである。４１は増幅器であり、その入力端と出力端との間には容量センサ１が接続されると共に調整キャパシタ２が切り替えスイッチ３を介して接続されて、正帰還経路が構成されている。５は可変抵抗器、６は負帰還バランスキャパシタであり、これらは４２により示される反転増幅器と直列接続して負帰還経路を形成し、増幅器４１の入力端と出力端との間に接続し、全体として負帰還増幅器を構成している。
【０００４】
容量センサ１を図２（ａ）を参照して説明するに、これは１対のリング状電極１１および１２により構成され、液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定されている。容量センサ１のリング状電極１１およびリング状電極１２の形成する静電容量の増減を検知することにより液体の有無を検出する。リング状電極１１同志を相互接続すると共にリング状電極１２同志を相互接続することにより、リング状電極１１とリング状電極１２との間において１対の電気容量を形成することができる。図示されるリング状電極は合計４本であるが、この本数は特に４本に限定される訳ではなく、任意に設計することができる。リング状電極１１および１２自体はその厚さを数ｍｍ程度に構成され、原理的には数ｍｍ程度の精度で液面レベルを検知することができる。
【０００５】
以下、図２（ｂ）をも参照して容量センサ１の静電容量の増減を検知することにより液体の有無を検出する仕方を説明する。
容量センサ１が気体中に露出しているときの気中容量：Ｃ_Ｅ
容量センサ１が液体中に没入しているときの液中容量：Ｃ_Ｆ ＝εＣ_Ｅ
液体の誘電率：ε
調整キャパシタ２の調整容量：Ｃ_１
とする。静電容量の増減を検知するには、静電容量式液面計に対する入力容量を（Ｃ_Ｆ −Ｃ_Ｅ ）／２＝（ε−１）Ｃ_Ｅ ／２とし、この点において負帰還増幅器を発振させるべく調整する。この発振調整を静電容量式液面計の動作調整という。即ち、動作調整は液中容量Ｃ_Ｆ と気中容量Ｃ_Ｅ の中間点である両者の差の１／２の点をトリガレベルとしこの点で負帰還増幅器を発振させるべく調整する。液体が増加して液体貯蔵部において液面が液面検出レベルに到達し、容量センサ１の容量が気中容量Ｃ_Ｅ から液中容量Ｃ_Ｆ に増加してトリガレベルを超えると、負帰還増幅器が発振して、発振出力は整流素子７を介して出力リレー８に供給され、これを動作させることにより液面検出レベルを測定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の静電容量式液面計はその動作調整を以下の通りに実施する。
容量センサ１が気体中に露出しているとき動作調整を実施する場合があるが、先ず、これについて説明する。ところで、容量センサ１が気体中に露出している場合、その容量は気中容量Ｃ_Ｅ より大きいトリガレベル容量における発振を調整する必要上、切り替えスイッチ３を切り替えて調整キャパシタ２を容量センサ１に並列に接続し、気中容量Ｃ_Ｅ を調整キャパシタ２の調整容量Ｃ_１ だけ増加させて動作調整を実施する。調整容量Ｃ_１ は（気中容量Ｃ_Ｅ ＋調整容量Ｃ_１ ）がトリガレベルに等しくなる値に予め選定されるものである。そして、更に、負帰還経路の可変抵抗器５を調整して第１の増幅器４１を含む負帰還増幅器を発振状態に調整する。
【０００７】
次に、容量センサ１が液体中に没入しているときの動作調整について説明するに、この場合、容量センサ１は液中容量Ｃ_Ｆ を示しており、図５の回路をそのまま使用して液中容量Ｃ_Ｆ より低いトリガレベル容量を実現することはできない。図５の回路は調整キャパシタ２を容量センサ１に並列に接続して容量センサ１の液中容量Ｃ_Ｆ を増加することになるからである。容量センサ１の液中容量Ｃ_Ｆ を減少せしめる何らかの設計変更を図５の回路に施さなければならない。
【０００８】
この発明は、容量センサが液中に没入している場合の静電容量式液面計の動作調整を容易に実施することができる上述の問題を解消した静電容量式液面計を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１：液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定される容量センサ１を有し、入力端ＴＩ と出力端ＴＯ との間に容量センサ１が跨って接続される増幅器４１を有し、可変抵抗器５および負帰還バランスキャパシタ６を直列接続して反転増幅器４２を介して増幅器４１の入力端ＴＩ と出力端ＴＯ との間に接続される負帰還経路を有する静電容量式液面計において、容量センサ１および負帰還バランスキャパシタ６に並列に切り替え接続される調整キャパシタ２を具備する静電容量式液面計を構成した。
【００１０】
そして、請求項２：請求項１に記載される静電容量式液面計において、調整キャパシタ２は調整時切り替えスイッチ２１および気中／液中切り替えスイッチ２２を介して切り替え接続されるものである静電容量式液面計を構成した。
また、請求項３：請求項２に記載される静電容量式液面計において、調整キャパシタ２はその一方の端子を増幅器４１の入力端ＴＩ に接続すると共に他方の端子を調整時切り替えスイッチ２１の固定端子２１_Ｓ に接続し、調整時切り替えスイッチ２１の一方の切り替え端子２１_Ａ は気中／液中切り替えスイッチ２２の固定端子２２_Ｓ に接続すると共に他方の切り替え端子２１_Ｂ は接地或いは解放しており、気中／液中切り替えスイッチ２２の一方の切り替え端子２２_Ａ は可変抵抗器５と負帰還バランスキャパシタ６の相互接続点に接続すると共に、他方の切り替え端子２２_Ｂ は増幅器４１の出力端ＴＯ に接続する静電容量式液面計を構成した。
【００１１】
更に、請求項４：請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される静電容量式液面計において、容量センサ１は１対のリング状電極１１および１２により構成されるものである静電容量式液面計を構成した。
そして、請求項５：請求項４に記載される静電容量式液面計において、１対のリング状電極１１および１２自体はその厚さを数ｍｍ程度に構成したものである静電容量式液面計を構成した。
【００１２】
また、請求項６：請求項１ないし請求項５の内の何れかに記載される静電容量式液面計において、相異なる静電容量Ｃ２の調整キャパシタ２を準備し、選択設定して動作調整をする静電容量式液面計を構成した。
更に、請求項７：請求項６に記載される静電容量式液面計において、
相異なる静電容量の調整キャパシタを液の比誘電率に対応して同一値に回路設定し、切り替えスイッチにより切り替え接続する静電容量式液面計を構成した。
【００１３】
また、請求項８：請求項１ないし請求項７の内の何れかに記載される静電容量式液面計において、反転増幅器４２に接続して発振出力により動作せしめられる出力リレー８を具備する静電容量式液面計を構成した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１を参照して説明する。図１において、従来例の参照符号と共通する参照符号は互いに同一の部材を示している。
図１において、液面レベルを検知する容量センサ１は液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定されている。増幅器４１の入力端ＴＩ と出力端ＴＯ との間に容量センサ１が跨って接続している。可変抵抗器５および負帰還バランスキャパシタ６は反転増幅器４２と直列接続して負帰還経路を形成し、増幅器４１の入力端ＴＩ と出力端ＴＯ との間に接続し、全体として負帰還増幅器を構成している。出力リレー８は整流素子７を介して反転増幅器４２に接続し、その発振出力により動作せしめられる。
【００１５】
容量センサ１は、先に図２を参照して説明した通りの１対のリング状電極１１および１２により構成され、液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定されている。１対のリング状電極１１および１２自体はその厚さを数ｍｍ程度に構成され、原理的には数ｍｍ程度の精度で液面レベルを検知することができる。
この発明において、調整キャパシタ２は、その一方の端子を増幅器４１の入力端ＴＩ に接続すると共に他方の端子を調整時切り替えスイッチ２１の固定端子２１_Ｓ に接続している。調整時切り替えスイッチ２１の一方の切り替え端子２１_Ａ は気中／液中切り替えスイッチ２２の固定端子２２_Ｓ に接続すると共に他方の切り替え端子２１_Ｂ は解放している。ここで、端子２１_Ｂ は接地しても差し支えない。気中／液中切り替えスイッチ２２の一方の切り替え端子２２_Ａ は可変抵抗器５と負帰還バランスキャパシタ６の相互接続点に接続すると共に、他方の切り替え端子２２_Ｂ は増幅器４１の出力端ＴＯ に接続している。
【００１６】
ここで、容量センサ１が気体中に露出しているときの動作調整について説明する。この場合、調整キャパシタ２を容量センサ１に並列に接続して増幅器４１の正帰還量を増加させる。即ち、容量センサ１が空気中に露出している場合において、調整時切り替えスイッチ２１を一方の切り替え端子２１_Ａ 側に切り替え接続し、気中／液中切り替えスイッチ２２を他方の切り替え端子２２_Ｂ 側に切り替え接続することにより、調整キャパシタ２を容量センサ１に並列に接続されることとなる。これは、従来例において容量センサ１が気体中に露出しているときの動作調整の状態と同様の状態にあり、従来例と同様にして容量センサ１が気体中に露出している時の動作調整を実施することができる。
【００１７】
次に、容量センサ１が液体中に没入している時の動作調整について説明する。この場合、負帰還バランスキャパシタ６に並列に調整キャパシタ２を接続し、負帰還バランスキャパシタ６の静電容量Ｃ６を、負帰還バランスキャパシタ静電容量Ｃ６と調整キャパシタ静電容量Ｃ２の和であるものとして可変抵抗器５を調整して増幅器４１を含む負帰還増幅器を発振させる。即ち、容量センサ１が液体中に没入している場合においては、調整時切り替えスイッチ２１を一方の切り替え端子２１_Ａ 側に切り替え接続し、気中／液中切り替えスイッチ２２を一方の切り替え端子２２_Ａ 側に切り替え接続することにより、調整キャパシタ２は負帰還バランスキャパシタ６に並列に接続される。調整キャパシタ２を負帰還バランスキャパシタ６に並列に接続するということは、負帰還量をそれだけ増加して等価的に容量センサ１の液中容量Ｃ_Ｆ を低下させたことに相当する。これにより液中容量Ｃ_Ｆ をこれより低いトリガレベル容量に低下する余地が与えられるに到り、容量センサ１が液中に没入している場合においても、容量センサ１を含めた静電容量式液面計全体の動作調整を実施することができる。以下、図１の等価回路である図３を参照し、数式を使用して説明する。
【００１８】
Ｃ_Ｘ ：Ｃ_ｔ 、Ｃ_Ｅ 、Ｃ_Ｆ
Ｇ_２ Ｇ_３ ＝Ｇ_Ｎ
とする。
但し、Ｃ_Ｘ は容量センサの静電容量であり、センサが検知対象液に浸漬している場合と、気中に露出している場合で以下の通りに変化する。
【００１９】
Ｃ_Ｅ はセンサが気中に露出している時の静電容量、
Ｃ_Ｆ はセンサが液中に浸漬している時の静電容量、
Ｃ_ｔ は帰還増幅器が発振する最低容量値であり、Ｃ_Ｅ とＣ_Ｆ の中間値
である。また、
Ｇ_２ は反転増幅器Ｇ_２ の利得、
Ｇ_３ は調整用可変抵抗器の利得、
Ｇ_Ｎ はＧ_２ 、Ｇ_３ による合計利得
である。
【００２０】
Ｃ_ｔ Ｅ_Ｐ ＝−Ｅ_Ｎ Ｃ_Ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｅ_Ｐ Ｇ_２ Ｇ_３ ＝Ｅ_Ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
但し、Ｅ_Ｐ は増幅器４１の出力電圧、Ｅ_Ｎ は可変抵抗器５の分岐出力電圧、Ｃ_Ｎ は帰還増幅器の負帰還容量である。
よって、
Ｃ_ｔ Ｅ_Ｐ ＝−Ｅ_Ｐ Ｇ_２ Ｇ_３ Ｃ_Ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
即ち、
Ｃ_ｔ ＝−Ｇ_２ Ｇ_３ Ｃ_Ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３’）
Ｃ_ｔ ＝−Ｇ_Ｎ Ｃ_Ｎ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
よって、Ｇ_Ｎ Ｃ_Ｎ ＝−Ｃ_ｔ となる様にＧ_Ｎ Ｃ_Ｎ を決めれば、静電容量式液面計の運用に使用することができる。例えば、
Ｃ_ｔ ＝Ｃ_Ｎ
とすれば、
Ｇ_Ｎ ＝−１
とすることができる。ここで、Ｃ_Ｆ ＝εＣ_Ｅ である。
従って、
△Ｃ＝Ｃ_Ｆ −Ｃ_Ｅ ＝εＣ_Ｅ −Ｃ_Ｅ ＝（ε−１）Ｃ_Ｅ
Ｃ_ｔ を△Ｃの５０％とすると、
Ｃ_ｔ ＝Ｃ_Ｅ ＋△Ｃ／２＝Ｃ_Ｅ ＋（ε−１）Ｃ_Ｅ ／２＝（ε＋１）Ｃ_Ｅ ／２
よって、式（４）は、
Ｃ_ｔ ＝（ε＋１）Ｃ_Ｅ ／２＝−Ｇ_Ｎ Ｃ_Ｎ ・・・・・・・・（５）
次に、Ｃ_Ｘ が増加して、Ｃ_ｔ →Ｃ_Ｆ になると、式（５）の左辺は、
Ｃ_Ｆ ＝εＣ_Ｅ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
であるので、式（５）の左辺はその倍率が、
Ｃ_Ｆ ／Ｃ_ｔ ＝εＣ_Ｅ ／Ｃ_Ｅ （ε＋１）／２＝２ε／（ε＋１）・・・・（７）
となる。
よって、式（５）の右辺：Ｇ_Ｎ Ｃ_Ｎ も２ε／（ε＋１）倍するとバランスする。
【００２１】
Ｇ_Ｎ Ｃ_Ｎ ２ε／（ε＋１）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
即ち、（Ｃ_Ｎ ＋△Ｃ_Ｎ ）をＣ_Ｎ ２ε／（ε＋１）とすればバランスし、Ｇ_Ｎ はＣ_ｔ 入力での調整点と同一点に調整することができることになる。
図１の実施例においては調整キャパシタ２の静電容量はＣ２であるものとして説明してきたが、ここで図１の他の等価回路を示す図４を参照するに、静電容量式液面計の実際の運用においては、相異なる静電容量Ｃ２の調整キャパシタ２および６’を準備しておき、スイッチＳＷ１ およびスイッチＳＷ２ を切り替えて、容量センサ１が気体中に露出している場合と液体中に没入している場合とで適宜に調整キャパシタ２および６’選択設定して動作調整をすると調整を容易にすることができる。これに対して、図４において、測定対象液の比誘電率に対応して調整キャパシタ２の静電容量と帰還増幅器の負帰還キャパシタ６’の静電容量とを等しく、即ち、△ＣＰ ＝△ＣＮ と回路定数を設定しておけば、この場合の調整キャパシタは共通の１種で済むことになる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明に依れば、液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定される容量センサを有し、入力端と出力端との間に容量センサが跨って接続される増幅器を有し、可変抵抗器および負帰還バランスキャパシタを直列接続して反転増幅器を介して増幅器の入力端と出力端との間に接続される負帰還経路を有する静電容量式液面計において、容量センサおよび負帰還バランスキャパシタに並列に切り替え接続される調整キャパシタを具備することにより、調整キャパシタを負帰還バランスキャパシタに並列に接続して負帰還量を増加し、この増加により液中容量をこれより低いトリガレベル容量にする余地が与えられるに到り、容量センサが液中に没入している場合においても、容量センサを含めた静電容量式液面計全体の動作調整を実施することができる。
【００２３】
そして、静電容量式液面計の実際の運用においては、相異なる静電容量の調整キャパシタを準備し、容量センサが気体中に露出している場合と液体中に没入している場合とで適宜に選択設定して動作調整をすると調整が容易となる。これに対して、測定対象液の比誘電率に対応して正帰還側の調整キャパシタの静電容量と帰還増幅器の負帰還キャパシタに並列接続する容量センサ液中時調整用調整キャパシタとを等しく回路定数を設定しておけば、この場合の調整キャパシタは共通の１種で済むことになる。
【００２４】
また、以上の静電容量式液面計において、容量センサを１対のリング状電極により構成し、これをその厚さを数ｍｍ程度に構成することにより数ｍｍ程度の高精度の液面レベルの測定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】容量センサを説明する図。
【図３】図１の等価回路を示す図。
【図４】図１の他の等価回路を示す図。
【図５】従来例を説明する図。
【符号の説明】
１ 容量センサ
１１ リング状電極
１２ リング状電極
２ 調整キャパシタ
２１ 調整時切り替えスイッチ
２１_Ａ 切り替え端子
２１_Ｂ 切り替え端子
２１_Ｓ 固定端子
２２ 気中／液中切り替えスイッチ
２２_Ａ 切り替え端子
２２_Ｂ 切り替え端子
２２_Ｓ 固定端子
３ 切り替えスイッチ
４１ 増幅器
４２ 反転増幅器
５ 可変抵抗器
６ 負帰還バランスキャパシタ
７ 整流素子
８ 出力リレー

Claims (8)

1. 液体貯蔵部の液面検出レベルに取り付け固定される容量センサを有し、入力端と出力端の間に容量センサが跨って接続される増幅器を有し、可変抵抗器および負帰還バランスキャパシタを直列接続して反転増幅器を介して増幅器の入力端と出力端との間に接続される負帰還経路を有する静電容量式液面計において、
   容量センサおよび負帰還バランスキャパシタに並列に切り替え接続される調整キャパシタを具備することを特徴とする静電容量式液面計。
2. 請求項１に記載される静電容量式液面計において、
   調整キャパシタは調整時切り替えスイッチおよび気中／液中切り替えスイッチを介して切り替え接続されるものであることを特徴とする静電容量式液面計。
3. 請求項２に記載される静電容量式液面計において、
   調整キャパシタはその一方の端子を増幅器の入力端に接続すると共に他方の端子を調整時切り替えスイッチの固定端子に接続し、調整時切り替えスイッチの一方の切り替え端子は気中／液中切り替えスイッチの固定端子に接続すると共に他方の切り替え端子は接地或いは解放しており、気中／液中切り替えスイッチの一方の切り替え端子は可変抵抗器と負帰還バランスキャパシタの相互接続点に接続すると共に他方の切り替え端子は増幅器の出力端に接続することを特徴とする静電容量式液面計。
4. 請求項１ないし請求項３の内の何れかに記載される静電容量式液面計において、
   容量センサは１対のリング状電極により構成されるものであることを特徴とする静電容量式液面計。
5. 請求項４に記載される静電容量式液面計において、
   １対のリング状電極自体はその厚さを数ｍｍ程度に構成したものであることを特徴とする静電容量式液面計。
6. 請求項１ないし請求項５の内の何れかに記載される静電容量式液面計において、
   相異なる静電容量の調整キャパシタを準備し、選択設定して動作調整をすることを特徴とする静電容量式液面計。
7. 請求項６に記載される静電容量式液面計において、
   相異なる静電容量の調整キャパシタを液の比誘電率に対応して同一値に回路設定し、切り替えスイッチにより切り替え接続することを特徴とする静電容量式液面計。
8. 請求項１ないし請求項７の内の何れかに記載される静電容量式液面計において、
   反転増幅器に接続して発振出力により動作せしめられる出力リレーを具備することを特徴とする静電容量式液面計。

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