JP3591709B2 - 静電容量形レベル測定装置 - Google Patents
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Description
【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、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、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。
【０００３】
従来、この種の静電容量形レベル測定装置は、概略的には図９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を液面から挿入し、信号源９から例えば補助電極５へ印加した交流電流を主電極７を介して出力し、この出力電流から被測定液１の液位を測定する構成が知られている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
そして、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から、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いて、導電性液体の液位レベル測定の考え方を説明する。
【０００８】
図９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Ｃａに直列に形成される絶縁層１７、１９の静電容量をＣｅ１、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Ｃ１１、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、Ｃｓ２、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１０のようになる。
【０００９】
液位レベル測定を考えるうえで、便宜上、等価抵抗Ｒ１〜Ｒ５は無視することが可能であるから、図１０の等価回路は図１１Ａのように書換えられる。
【００１０】
さらに、補助電極５および主電極７、絶縁層１７、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ＣＡとしたとき、図１１Ａは更に同図Ｂのように簡略化される。
【００１１】
ここで、図９中の絶縁槽３内において、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、主電極７の液中高をＬ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、
となる。
【００１２】
補助電極５および主電極７の位置および寸法が絶縁層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９中の調整部１５で〔ＣＡｏ＋（Ｃｓ／２）〕を電気的に差演算することにより、
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。
【００１３】
【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は、実際の使用現場では絶縁槽３の周辺に形成される静電容量の影響があり、これを無視できないのが現状である。
【００１４】
すなわち、図１２に示すように、絶縁槽３の底部と大地２１間には静電容量Ｃｘ１が形成され、大地２１に接続された周囲の導電性構造物２３と絶縁槽３との間には静電容量Ｃｘ２、Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｘ５が形成され、絶縁槽３自体の側部と大地２１間にも静電容量Ｃｘ６、Ｃｘ７、Ｃｘ８が形成される。
【００１５】
図１２において補助電極５および主電極７間の導電性被測定液１による抵抗分は無視した。以下同じ。
【００１６】
さらに、絶縁槽３には、これに被測定液１を流入・流出させる配管２５が連結されており、この配管２５内の液路と大地２１間にも静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２が形成され、これも考慮する必要がある。図１２中の符号２７は配管２５の途中に配置されたバルブである。
【００１７】
ここで、周囲の構造物２３と絶縁槽３間の静電容量Ｃｘ２〜Ｃｘ５の合成静電容量をＣｖ１とし、絶縁槽３側部と大地２１間の静電容量Ｃｘ６〜Ｃｘ８の合成静電容量をＣｖ２とし、配管２５内の液路と大地２１間の静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２の合成静電容量をＣｐとすると、等価回路は図１３のようになる。
【００１８】
図１３中の符号Ｐは被測定液１によって各静電容量が接続される液交点（ポイント）である。
【００１９】
そして、構造物２３と絶縁槽３間の合成静電容量Ｃｖ１は、その構造物２３の形状によって影響が異なるうえ、被測定液１のレベル上昇に従ってリニアに変化しない場合が多く、絶縁槽３側部と大地２１間の合成静電容量Ｃｖ２も、被測定液１のレベル上昇に従って増加するものの、リニアに変化しない場合が多い。
【００２０】
さらに、配管２５内の液路と大地２１間の合成静電容量Ｃｐも、バルブ２７の開閉に伴って配管２５内の液路と大地２１間の静電容量結合の変化として表れ、被測定液１のレベルに関係なく変動する。
【００２１】
これらの変化は、被測定液１の増減に伴って直線的に増減する静電容量Ｃｌ１に非直線的に加算されるため、補助電極５に安定した交流信号Ｖｇを印加しても、被測定液１の液位の増減に伴って液交点Ｐと大地２１間の液交点電位Ｖｑが変動し、主電極７からの出力信号が被測定液１の液位の増減によってリニアに変化せず、正確な被測定液１の液位レベル測定を阻害する難点がある。
【００２２】
本発明はそのような状況の下になされたもので、絶縁槽の周辺に形成される静電容量が変化しても、被測定液の正確な液位測定が可能な静電容量形レベル測定装置の提供を目的とする。
【００２３】
【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は、絶縁被覆され導電性の被測定液中へ下方に向けて漬浸された細長い主電極と、同様に絶縁被覆されその主電極と一定の間隔を置いて並行な位置関係で被測定液中へ下方に向けて漬浸された細長い補助電極と、この補助電極へ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が測定される静電容量形レベル測定装置において、その被測定液の電位を大地電位と等しく設定したものである。
【００２４】
そして、本発明は、上記被測定液の電位を大地電位と等しくするため、上記被測定液と外部環境間に形成される静電容量がない状態の上記液位電位に相当する補助信号源を設け、この補助信号源をその大地に接続して構成している。
【００２５】
【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。
【００２６】
図１は本発明に係る静電容量形レベル測定装置の実施の形態を示す図であり、図２はその等価回路図である。
【００２７】
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、導電性の被測定液１が入れられ、図示しない適当な保持手段で保持されている。
【００２８】
この絶縁槽３には、例えば円柱状の補助電極５および主電極７が、下方向に向け所定の間隔ｄを隔てて並行に被測定液１中に挿入され、図示しない保持手段にて保持されるとともに、絶縁槽３から上端部が多少突出している。
【００２９】
補助電極５および主電極７は、同じ厚みの耐食性絶縁層１７、１９で覆われ、外形が円柱状かつ等長に形成されている。
【００３０】
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Ｖｇを発振出力する信号源９が接続されている。なお、信号源９は後述する大地２１に接続されていない。
【００３１】
主電極７の上側先端は、シールドケーブル２９の芯線２９ａを介してＯＰ（オペ）アンプ３１の反転入力端子に接続され、シールドケーブル２９のシールド部２９ｂは、ＯＰアンプ３１の非反転入力端子に接続されている。図１においてシールド部２９ｂは短く図示されているが、実際は主電極７の近傍まで延びている。
【００３２】
ＯＰアンプ３１の非反転入力端子は零電位に固定されており、その出力端子は帰還回路３３を介して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。
【００３３】
そのため、ＯＰアンプ３１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３３を適当に選定して非反転入力端子と反転入力端子が交流的に同一電位になっている。
【００３４】
従って、ＯＰアンプ３１は、帰還回路３３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３５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９中の符号１１）としての機能を有する。
【００３５】
整流平滑部１３は、ＯＰアンプ３１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。
【００３６】
大地２１に接続された導電性構造物２３と絶縁槽３との間には静電容量Ｃｘ２、Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｘ５（合成静電容量Ｃｖ１）が形成され、絶縁槽３の底部と大地２１間には静電容量Ｃｘ１が形成され、絶縁槽３自体の側部と大地２１間にも静電容量Ｃｘ６、Ｃｘ７、Ｃｘ８（合成静電容量Ｃｖ２）が形成されるのは、従来例と同様である。
【００３７】
絶縁槽３には、これに被測定液１を流入・流出させる液路配管２５が連結されており、この配管２５内の液路と大地２１間にも静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２（合成静電容量Ｃｐ）が形成されるのも、従来例と同様である。符号２７は配管２５の途中に配置された被測定液１の開閉バルブである。
【００３８】
図１中の補助信号源３７は、構造物２３と絶縁槽３間の合成静電容量Ｃｖ１、絶縁槽３側部と大地２１間の合成静電容量Ｃｖ２、および配管２５内液路と大地２１間の合成静電容量Ｃｐがない状態における被測定液１、すなわち液交点電位Ｖｑと同電位の安定した例えば４０ＫＨｚの交流信号Ｖｑ０（＝Ｖｑ）を発振出力するものであり、大地２１に接続されている。
【００３９】
信号源９および補助信号源３７は、同一の基準電圧に基づく共通の駆動電源によって動作するものである。
【００４０】
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。
上述した図１において、補助電極５と主電極７間の絶縁層１７、１９と気体（空気）を介した静電容量をＣａ、補助電極５と被測定液１間にあって主電極７の液中高に相当する絶縁層１７による静電容量をＣｌ１、主電極７と被測定液１間にあって主電極７の液中高に相当するの絶縁層１９による静電容量をＣｌ２、補助電極５先端と被測定液１間の絶縁層１７による静電容量をＣｓ１、主電極７先端と被測定液１間の絶縁層１９による静電容量をＣｓ２とすれば、補助電極５および主電極７が被測定液１に中に挿入された状態の等価回路は、導電性被測定液１の抵抗値を無視すると、図２のようになる。
【００４１】
しかも、補助電極５と主電極７、これらの絶縁層１７、１９が同一形状・寸法であるから、補助電極５と被測定液１に関する静電容量Ｃｌ１とＣｌ２、Ｃｓ１とＣｓ２とは等しく、Ｃｌ１＝Ｃｌ２およびＣｓ１＝Ｃｓ２となる。
【００４２】
そのため、補助信号源３７の電位Ｖｑ０は、信号源９の電位の半分すなわち
Ｖｑ＝Ｖｇ／２
となる。
【００４３】
さらに、Ｃｌ１：Ｃｌ２＝Ｃｓ１：Ｃｓ２であれば、
Ｖｑ０＝（Ｃｌ２×Ｖｇ）／（Ｃｌ１＋Ｃｌ２）
となる。
【００４４】
そのため、補助信号源３７の出力電位Ｖｑ０と被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑを等しく、
Ｖｑ０＝Ｖｑ
とすることにより、絶縁槽３の周囲との間に形成される合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２および合成静電容量Ｃｐには、信号電流が流れないことになり、これらの値が変動しても液交点Ｐの電位が変動し難くなる。
【００４５】
しかも、絶縁槽３、補助電極５、主電極７、絶縁層１７、１９の寸法や距離間隔等が分かっていれば、絶縁槽３の周囲に形成される合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐおよび静電容量Ｃｘ１が形成されない状態における液交点Ｐの電位を計算で求めることは簡単である。
【００４６】
次に、被測定液１の液位レベルを測定する手順を示す。信号源９から印加された交流電圧をＶｇとすれば、被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑは次のようになる。
ここで、
α＝（Ｃｌ１＋Ｃｓ１）／（Ｃｌ１＋Ｃｓ１＋Ｃｌ２＋Ｃｓ２）
とすれば、被測定液１の液交点電位Ｖｑは次のようになる。
Ｖｑ＝αＶｇ …（２）
【００４７】
従って、補助電極５および主電極７の寸法および材質が同じて、絶縁層１７、１９どうしの寸法および材質が同じであれば、上述したように静電容量Ｃｌ１、Ｃｌ２、Ｃｓ１、Ｃｓ２の間にはＣｌ１＝Ｃｌ２、Ｃｓ１＝Ｃｓ２の関係が成立するから、被測定液１の液交点電位Ｖｑは常に１／２Ｖｇとなる。
【００４８】
この場合、符号Ｃｌ１、Ｃｌ２は被測定液１の液面高によって変化する静電容量値であって液位変化によって同率で変化し、符号Ｃｓ１、Ｃｓ２は液面高によって変化しないものの環境温度変化等によって変化する静電容量値であり、同一寸法、同一材質の使用によりほぼ同率で変化するから、被測定液１の液交点電位Ｖｑの値は、変化率が分母、分子同率により打ち消されて変化しない。
【００４９】
このように、図１に示す構成では被測定液１の液交点電位Ｖｑが一定となるから、主電極７から出力される交流電流ｉ１は、印加交流電圧の角速度をωとすれば、
ｉ１＝ωαＶｇＣｌ２＋ωＶｇＣａ …（３）
となる。
【００５０】
ここで、上述した図９のように、主電極７の全長Ｌｏが全て被測定液中にあるとした場合の主電極７と被測定液１間の絶縁層１７による静電容量をＣｌｏ、主電極７が全て気体（空気）中にあるときの補助電極５と主電極７間の絶縁層１７、１９と気体（空気）を介した静電容量をＣａｏ、主電極７の液中高をＬとすると、被測定液１が同電位電極４５を超えた状態の交流電流ｉ１は、
となる。
【００５１】
ここで、ωＶｇ、α、Ｃｌｏ、Ｃａｏはいずれも定数であるから、
ωＶｇ（αＣｌｏ−Ｃａｏ）を「Ａ」とし、
ωＶｇＣａｏを「Ｂ」とすれば、主電極７から出力される交流電流ｉ１は、
ｉ１＝（Ｌ／Ｌｏ）Ａ＋Ｂ
となる。
【００５２】
そして、実質的に被測定液１の液位にほぼ比例した測定信号がＯＰアンプ３１の出力端子から出力され、これを整流平滑部１３で整流平滑し、調整部１５で調整すれば、各電極先端部に形成される静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２が環境温度変化等によって変化しても、この変化に影響されない被測定液１のレベル計測が可能となる。
【００５３】
このように図１に示す静電容量形レベル測定装置では、外周を絶縁層１７、１９で被覆した補助電極５および主電極７を絶縁槽３内の導電性被測定液１中へ間隔ｄを隔てて並行に配置し、補助電極５に信号源９から交流信号を加えて主電極７から液位に比例した電流を出力させる一方、絶縁槽３の底部と大地２１間の静電容量Ｃｘ１、絶縁槽３と周囲の構造物２３間の合成静電容量Ｃｖ１、絶縁槽３側部と大地２１間の合成静電容量Ｃｖ２、および配管２５内液路と大地２１間の合成静電容量Ｃｐがないと仮定した場合の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を、補助信号源３７から発振出力させて大地２１に接続することにより、それら絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１や合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れないことになり、これらの値が変動してもその液交点Ｐの電位が変動し難くなる。
【００５４】
そのため、絶縁槽３の底部と大地２１間、絶縁槽３と構造物２３や大地２１との間、および配管２５内液路と大地２１間の静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、これらの変動に起因して液位測定値が不正確となることはなくなる。
【００５５】
上述した静電容量形レベル測定装置は、絶縁槽３に補助電極５および主電極７のみを挿入する構成であったが、本発明ではこれに限定されない。以下に種々の電極構成を示す。
【００５６】
図３は、図１に示した構成の静電容量形レベル測定装置と比較すると、筒型の主電極３９の先端に僅かの間隔をおいて逆カップ状の参照電極４１を共軸的に配置し、これら主電極３９および参照電極４１を絶縁層１９で覆う構成となっており、絶縁槽３、補助電極５、主電極３９に接続されたシールドケーブル２９および帰還回路３３等は図１の構成と同様である。大地２１に接続した補助信号源３７の図示は省略した。
【００５７】
参照電極４１は主電極３９の中空部を通したシールドケーブル４３の芯線４３ａを介してＯＰアンプ４５の反転入力端子に接続され、シールドケーブル４３のシールド部４３ｂはＯＰアンプ４５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。
【００５８】
ＯＰアンプ４５の出力端は帰還回路３３と同様な帰還回路４７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４９に接続されており、ＯＰアンプ４５および帰還回路４７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５１が形成されている。
【００５９】
整流平滑部１３、４９は、演算部５３に接続されるとともに補償部５５、５７に接続されており、整流平滑部１３、４９と演算部５３間には各々出力端Ｐ１、Ｐ２が形成されている。
【００６０】
補償部５５、５７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するものである。
【００６１】
このような構成の静電容量形レベル測定装置では、シールドケーブル４３を介して参照電極４１をＯＰアンプ４５へ接続し、同電位形成部５１および電流平滑部４９により、参照電極４１からの出力信号に対して主電極３９からの出力信号と同様な信号処理を行い、これら処理信号を演算部５３で補償演算すれば、上述した効果に加えて、絶縁層１７、１９における誘電率、厚みの変化等による変動影響を受け難くなり、計測誤差が少なく使用可能範囲が拡大される。
【００６２】
絶縁槽３内が空の状態において主電極３９および参照電極４１からの出力信号Ｓ１、Ｓ２を出力端Ｐ１、Ｐ２で測定し、出力信号Ｓ１、Ｓ２が「０（ゼロ）」になるような補償部５５、５７からの補償値により出力交流信号を補償することになる。
【００６３】
そのため、環境変化、特に温度変動等によって絶縁層１７、１９に伸びが発生してもその影響を受け難くなるうえ、広範囲の液位レベルを再現性良く測定できる。
【００６４】
しかも、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがないと仮定した場合の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を補助信号源３７（図１参照）から発振出力させて大地２１に接続することにより、図４に示すように、それら静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れず、図１の構成と同様に、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、正確な液位測定値が可能となる。
【００６５】
なお、図３および図４中の静電容量Ｃｓ２は、参照電極４１先端と被測定液１間のものである。
【００６６】
次に、図５に示す静電容量形レベル測定装置は、図３の構成と比較した場合、補助電極５および主電極３９と、この主電極３９の先端に共軸的に配置した参照電極４１とを１個の棒状の絶縁層６１で覆うとともに、補助電極５と主電極３９の間および補助電極５と参照電極４１との間に１枚の長方形板状の遮蔽電極５９を介在させた構成となっている。
【００６７】
主電極３９に接続されたシールドケーブル２９および参照電極４１に接続されたシールドケーブル４３の接続先の構成は、図３とほぼ同様であるし、信号源９および大地２１に接続した補助信号源３７の図示は省略した。なお、遮蔽電極５９は、シールドケーブル２９のシールド部２９ｂに接続され、０電位となっている。
【００６８】
この図５に示す静電容量形レベル測定装置では、補助電極５と、主電極３９および参照電極４１との間に遮蔽電極５９を介在させ、これらを絶縁層６１で覆ったから、補助電極５と主電極３９間および補助電極５と参照電極４１間に形成される静電容量をほぼ零とすることが可能となり、より安定した液位レベル測定が可能となる。
【００６９】
遮蔽電極５９は、補助電極５と主電極３９や参照電極４１との間に形成される静電容量を遮蔽する目的で配置するから、その効果を確実にする観点から補助電極５と主電極３９や参照電極４１の径（横断面）方向寸法と同幅か、より好ましくは広く選択することが好ましい。
【００７０】
このような図５に示す構成においても、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがない状態の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を、補助信号源３７（図１参照）から発振出力させて大地２１に接続することにより、図６に示すように、それら静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れないことになる。
【００７１】
そのため、図１の構成と同様に、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、正確な液位測定値が可能となる。
【００７２】
なお、図５中の静電容量ＣＡは、遮蔽電極５９を間において補助電極５と主電極３９間に直線的に形成される静電容量ではなく、遮蔽電極５９の外部すなわち絶縁層６１の外周を介した静電容量である。
【００７３】
さらに、図７の静電容量形レベル測定装置は、図１の構成に加え、筒型の同電位電極６３および参照電極４７を共軸的に配置して３軸構成としたものであり、主電極７および参照電極４１に接続したシールドケーブル２９、４３の接続先構成は図３と同様である。
【００７４】
すなわち、図１に示した補助電極５および主電極７を絶縁層１７、１９で覆うとともに、細長い筒型の同電位電極６３とこの先端に僅かの間隔を置いて参照電極４１を共軸的かつ補助電極５や主電極７と等長に配置し、これら同電位電極６３および参照電極４１を絶縁層１７、１９と同じ材質・寸法の絶縁層６５で覆い、補助電極５を挟んでこれから主電極７や同電位電極６３（参照電極４１）を等距離の位置関係に配置した構成となっている。
【００７５】
なお、図８における符号ＣＡ１、ＣＡ２は補助電極５と主電極７間の大気を介しての静電容量、補助電極５と同電位電極６３間の大気を介しての静電容量であり、符号Ｃｌ１、Ｃｌ２、Ｃｌ３、Ｃｌ４は補助電極５、主電極７又は同電位電極６３及び参照電極４１と絶縁層１７、１９、６５を挟んだ被測定液１間の静電容量である。
【００７６】
このような図７の静電容量形レベル測定装置においても、環境変化、特に温度変動等によって絶縁層１７、１９に伸びが発生してもその影響を受け難くなり、被測定液１の液位レベルを再現性良く測定できる。
【００７７】
しかも、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがない状態の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を補助信号源３７（図１参照）から発振出力させて大地２１に接続することにより、図６に示すそれら合成静電容量ＣＶｑ、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れない。
【００７８】
そのため、図１の構成と同様に、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、正確な液位測定値が可能となる。
【００７９】
ところで、本発明の静電容量形レベル測定装置においては、上述したように絶縁槽３（被測定液１）とこの外部環境間に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがない状態の液交点電位に相当する補助信号源３７を設け、この補助信号源３７を大地２１に接続して構成すれば、簡単に被測定液１を大地２１と同電位にできる利点があるが、本発明はこれに限定されず、被測定液１の電位を大地２１の電位と等しく設定すれば、本発明の目的達成が可能である。
【００８０】
また、本発明に係る図１、図３、図５および図７の構成において、補助電極５、主電極７、３９、参照電極４１および同電位電極６３の形状は円柱又は円筒状である必要はなく、四角柱、多角柱、楕円柱等で実施可能であり、絶縁層１７、１９、４１、６５もそれに合せた形状で形成すれば良い。
【００８１】
さらに、本発明において上述した同電位形成部３５、５１は、一例であってＯＰアンプ３１、４５と帰還回路３３、４７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。
【００８２】
【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、絶縁槽に導電性の被測定液を溜め、絶縁被覆された細長い主電極をその被測定液中へ下方に向けて漬浸し、同様に絶縁被覆された補助電極をそ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し、信号源からその補助電極へ交流信号を印加し、その被測定液の電位を大地電位と等しく設定し、その主電極から出力させた出力信号によってその被測定液の液位を測定する構成としたから、その絶縁槽と大地間の静電容量、絶縁槽周囲の導電性構造物間の静電容量、さらに絶縁槽に連結された配管の液路と大地間の静電容量が変化しても、被測定液の正確な液位測定が可能となる。
しかも、上記被測定液とこの外部環境間に形成される静電容量がない状態の上記液位電位に相当する補助信号源を設け、この補助信号源を大地に接続して構成するから、簡単に被測定液を大地と同電位にできる利点がある。
【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実施の形態を示す図である。
【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】本発明に係る静電容量形レベル測定装置の他の実施の形態を示す図である。
【図４】図３の静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図５】本発明に係る静電容量形レベル測定装置の別の実施の形態を示す図である。
【図６】図５の静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図７】本発明の静電容量形レベル測定装置の更に他の実施の形態を示す図である。
【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】従来の静電容量形レベル測定装置を示す図である。
【図１０】図９に係る静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図１１】図９に係る静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図１２】図９に係る静電容量形レベル測定装置を周辺環境に形成される静電容量も含めて示す図である。
【図１３】図１２に係る静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【符号の説明】
１ 被測定液
３ 絶縁槽
５ 補助電極
７、３９ 主電極
９ 信号源
１１ 変換部
１３、４９ 整流平滑部
１５ 調整部
１７、１９、６１、６５ 絶縁層
２１ 大地
２３ 構造物
２５ 配管
２７ バルブ
２９、４３ シールドケーブル
２９ａ、４３ａ 芯線
２９ｂ、４３ｂ シールド部
３１、４５ ＯＰアンプ
３３、４７ 帰還回路
３５、５１ 同電位形成部
３７ 補助信号源
４１ 参照電極
５５、５７ 補償部
５９ 遮蔽電極
６３ 同電位電極
【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、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、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。
【０００３】
従来、この種の静電容量形レベル測定装置は、概略的には図９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を液面から挿入し、信号源９から例えば補助電極５へ印加した交流電流を主電極７を介して出力し、この出力電流から被測定液１の液位を測定する構成が知られている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
そして、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から、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いて、導電性液体の液位レベル測定の考え方を説明する。
【０００８】
図９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Ｃａに直列に形成される絶縁層１７、１９の静電容量をＣｅ１、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Ｃ１１、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、Ｃｓ２、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１０のようになる。
【０００９】
液位レベル測定を考えるうえで、便宜上、等価抵抗Ｒ１〜Ｒ５は無視することが可能であるから、図１０の等価回路は図１１Ａのように書換えられる。
【００１０】
さらに、補助電極５および主電極７、絶縁層１７、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ＣＡとしたとき、図１１Ａは更に同図Ｂのように簡略化される。
【００１１】
ここで、図９中の絶縁槽３内において、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、主電極７の液中高をＬ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、
【００１２】
補助電極５および主電極７の位置および寸法が絶縁層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９中の調整部１５で〔ＣＡｏ＋（Ｃｓ／２）〕を電気的に差演算することにより、
【００１３】
【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は、実際の使用現場では絶縁槽３の周辺に形成される静電容量の影響があり、これを無視できないのが現状である。
【００１４】
すなわち、図１２に示すように、絶縁槽３の底部と大地２１間には静電容量Ｃｘ１が形成され、大地２１に接続された周囲の導電性構造物２３と絶縁槽３との間には静電容量Ｃｘ２、Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｘ５が形成され、絶縁槽３自体の側部と大地２１間にも静電容量Ｃｘ６、Ｃｘ７、Ｃｘ８が形成される。
【００１５】
図１２において補助電極５および主電極７間の導電性被測定液１による抵抗分は無視した。以下同じ。
【００１６】
さらに、絶縁槽３には、これに被測定液１を流入・流出させる配管２５が連結されており、この配管２５内の液路と大地２１間にも静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２が形成され、これも考慮する必要がある。図１２中の符号２７は配管２５の途中に配置されたバルブである。
【００１７】
ここで、周囲の構造物２３と絶縁槽３間の静電容量Ｃｘ２〜Ｃｘ５の合成静電容量をＣｖ１とし、絶縁槽３側部と大地２１間の静電容量Ｃｘ６〜Ｃｘ８の合成静電容量をＣｖ２とし、配管２５内の液路と大地２１間の静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２の合成静電容量をＣｐとすると、等価回路は図１３のようになる。
【００１８】
図１３中の符号Ｐは被測定液１によって各静電容量が接続される液交点（ポイント）である。
【００１９】
そして、構造物２３と絶縁槽３間の合成静電容量Ｃｖ１は、その構造物２３の形状によって影響が異なるうえ、被測定液１のレベル上昇に従ってリニアに変化しない場合が多く、絶縁槽３側部と大地２１間の合成静電容量Ｃｖ２も、被測定液１のレベル上昇に従って増加するものの、リニアに変化しない場合が多い。
【００２０】
さらに、配管２５内の液路と大地２１間の合成静電容量Ｃｐも、バルブ２７の開閉に伴って配管２５内の液路と大地２１間の静電容量結合の変化として表れ、被測定液１のレベルに関係なく変動する。
【００２１】
これらの変化は、被測定液１の増減に伴って直線的に増減する静電容量Ｃｌ１に非直線的に加算されるため、補助電極５に安定した交流信号Ｖｇを印加しても、被測定液１の液位の増減に伴って液交点Ｐと大地２１間の液交点電位Ｖｑが変動し、主電極７からの出力信号が被測定液１の液位の増減によってリニアに変化せず、正確な被測定液１の液位レベル測定を阻害する難点がある。
【００２２】
本発明はそのような状況の下になされたもので、絶縁槽の周辺に形成される静電容量が変化しても、被測定液の正確な液位測定が可能な静電容量形レベル測定装置の提供を目的とする。
【００２３】
【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は、絶縁被覆され導電性の被測定液中へ下方に向けて漬浸された細長い主電極と、同様に絶縁被覆されその主電極と一定の間隔を置いて並行な位置関係で被測定液中へ下方に向けて漬浸された細長い補助電極と、この補助電極へ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が測定される静電容量形レベル測定装置において、その被測定液の電位を大地電位と等しく設定したものである。
【００２４】
そして、本発明は、上記被測定液の電位を大地電位と等しくするため、上記被測定液と外部環境間に形成される静電容量がない状態の上記液位電位に相当する補助信号源を設け、この補助信号源をその大地に接続して構成している。
【００２５】
【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。
【００２６】
図１は本発明に係る静電容量形レベル測定装置の実施の形態を示す図であり、図２はその等価回路図である。
【００２７】
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、導電性の被測定液１が入れられ、図示しない適当な保持手段で保持されている。
【００２８】
この絶縁槽３には、例えば円柱状の補助電極５および主電極７が、下方向に向け所定の間隔ｄを隔てて並行に被測定液１中に挿入され、図示しない保持手段にて保持されるとともに、絶縁槽３から上端部が多少突出している。
【００２９】
補助電極５および主電極７は、同じ厚みの耐食性絶縁層１７、１９で覆われ、外形が円柱状かつ等長に形成されている。
【００３０】
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Ｖｇを発振出力する信号源９が接続されている。なお、信号源９は後述する大地２１に接続されていない。
【００３１】
主電極７の上側先端は、シールドケーブル２９の芯線２９ａを介してＯＰ（オペ）アンプ３１の反転入力端子に接続され、シールドケーブル２９のシールド部２９ｂは、ＯＰアンプ３１の非反転入力端子に接続されている。図１においてシールド部２９ｂは短く図示されているが、実際は主電極７の近傍まで延びている。
【００３２】
ＯＰアンプ３１の非反転入力端子は零電位に固定されており、その出力端子は帰還回路３３を介して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。
【００３３】
そのため、ＯＰアンプ３１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３３を適当に選定して非反転入力端子と反転入力端子が交流的に同一電位になっている。
【００３４】
従って、ＯＰアンプ３１は、帰還回路３３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３５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９中の符号１１）としての機能を有する。
【００３５】
整流平滑部１３は、ＯＰアンプ３１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。
【００３６】
大地２１に接続された導電性構造物２３と絶縁槽３との間には静電容量Ｃｘ２、Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｘ５（合成静電容量Ｃｖ１）が形成され、絶縁槽３の底部と大地２１間には静電容量Ｃｘ１が形成され、絶縁槽３自体の側部と大地２１間にも静電容量Ｃｘ６、Ｃｘ７、Ｃｘ８（合成静電容量Ｃｖ２）が形成されるのは、従来例と同様である。
【００３７】
絶縁槽３には、これに被測定液１を流入・流出させる液路配管２５が連結されており、この配管２５内の液路と大地２１間にも静電容量Ｃｐ１、Ｃｐ２（合成静電容量Ｃｐ）が形成されるのも、従来例と同様である。符号２７は配管２５の途中に配置された被測定液１の開閉バルブである。
【００３８】
図１中の補助信号源３７は、構造物２３と絶縁槽３間の合成静電容量Ｃｖ１、絶縁槽３側部と大地２１間の合成静電容量Ｃｖ２、および配管２５内液路と大地２１間の合成静電容量Ｃｐがない状態における被測定液１、すなわち液交点電位Ｖｑと同電位の安定した例えば４０ＫＨｚの交流信号Ｖｑ０（＝Ｖｑ）を発振出力するものであり、大地２１に接続されている。
【００３９】
信号源９および補助信号源３７は、同一の基準電圧に基づく共通の駆動電源によって動作するものである。
【００４０】
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。
上述した図１において、補助電極５と主電極７間の絶縁層１７、１９と気体（空気）を介した静電容量をＣａ、補助電極５と被測定液１間にあって主電極７の液中高に相当する絶縁層１７による静電容量をＣｌ１、主電極７と被測定液１間にあって主電極７の液中高に相当するの絶縁層１９による静電容量をＣｌ２、補助電極５先端と被測定液１間の絶縁層１７による静電容量をＣｓ１、主電極７先端と被測定液１間の絶縁層１９による静電容量をＣｓ２とすれば、補助電極５および主電極７が被測定液１に中に挿入された状態の等価回路は、導電性被測定液１の抵抗値を無視すると、図２のようになる。
【００４１】
しかも、補助電極５と主電極７、これらの絶縁層１７、１９が同一形状・寸法であるから、補助電極５と被測定液１に関する静電容量Ｃｌ１とＣｌ２、Ｃｓ１とＣｓ２とは等しく、Ｃｌ１＝Ｃｌ２およびＣｓ１＝Ｃｓ２となる。
【００４２】
そのため、補助信号源３７の電位Ｖｑ０は、信号源９の電位の半分すなわち
Ｖｑ＝Ｖｇ／２
となる。
【００４３】
さらに、Ｃｌ１：Ｃｌ２＝Ｃｓ１：Ｃｓ２であれば、
Ｖｑ０＝（Ｃｌ２×Ｖｇ）／（Ｃｌ１＋Ｃｌ２）
となる。
【００４４】
そのため、補助信号源３７の出力電位Ｖｑ０と被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑを等しく、
Ｖｑ０＝Ｖｑ
とすることにより、絶縁槽３の周囲との間に形成される合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２および合成静電容量Ｃｐには、信号電流が流れないことになり、これらの値が変動しても液交点Ｐの電位が変動し難くなる。
【００４５】
しかも、絶縁槽３、補助電極５、主電極７、絶縁層１７、１９の寸法や距離間隔等が分かっていれば、絶縁槽３の周囲に形成される合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐおよび静電容量Ｃｘ１が形成されない状態における液交点Ｐの電位を計算で求めることは簡単である。
【００４６】
次に、被測定液１の液位レベルを測定する手順を示す。信号源９から印加された交流電圧をＶｇとすれば、被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑは次のようになる。
α＝（Ｃｌ１＋Ｃｓ１）／（Ｃｌ１＋Ｃｓ１＋Ｃｌ２＋Ｃｓ２）
とすれば、被測定液１の液交点電位Ｖｑは次のようになる。
Ｖｑ＝αＶｇ …（２）
【００４７】
従って、補助電極５および主電極７の寸法および材質が同じて、絶縁層１７、１９どうしの寸法および材質が同じであれば、上述したように静電容量Ｃｌ１、Ｃｌ２、Ｃｓ１、Ｃｓ２の間にはＣｌ１＝Ｃｌ２、Ｃｓ１＝Ｃｓ２の関係が成立するから、被測定液１の液交点電位Ｖｑは常に１／２Ｖｇとなる。
【００４８】
この場合、符号Ｃｌ１、Ｃｌ２は被測定液１の液面高によって変化する静電容量値であって液位変化によって同率で変化し、符号Ｃｓ１、Ｃｓ２は液面高によって変化しないものの環境温度変化等によって変化する静電容量値であり、同一寸法、同一材質の使用によりほぼ同率で変化するから、被測定液１の液交点電位Ｖｑの値は、変化率が分母、分子同率により打ち消されて変化しない。
【００４９】
このように、図１に示す構成では被測定液１の液交点電位Ｖｑが一定となるから、主電極７から出力される交流電流ｉ１は、印加交流電圧の角速度をωとすれば、
ｉ１＝ωαＶｇＣｌ２＋ωＶｇＣａ …（３）
となる。
【００５０】
ここで、上述した図９のように、主電極７の全長Ｌｏが全て被測定液中にあるとした場合の主電極７と被測定液１間の絶縁層１７による静電容量をＣｌｏ、主電極７が全て気体（空気）中にあるときの補助電極５と主電極７間の絶縁層１７、１９と気体（空気）を介した静電容量をＣａｏ、主電極７の液中高をＬとすると、被測定液１が同電位電極４５を超えた状態の交流電流ｉ１は、
【００５１】
ここで、ωＶｇ、α、Ｃｌｏ、Ｃａｏはいずれも定数であるから、
ωＶｇ（αＣｌｏ−Ｃａｏ）を「Ａ」とし、
ωＶｇＣａｏを「Ｂ」とすれば、主電極７から出力される交流電流ｉ１は、
ｉ１＝（Ｌ／Ｌｏ）Ａ＋Ｂ
となる。
【００５２】
そして、実質的に被測定液１の液位にほぼ比例した測定信号がＯＰアンプ３１の出力端子から出力され、これを整流平滑部１３で整流平滑し、調整部１５で調整すれば、各電極先端部に形成される静電容量Ｃｓ１、Ｃｓ２が環境温度変化等によって変化しても、この変化に影響されない被測定液１のレベル計測が可能となる。
【００５３】
このように図１に示す静電容量形レベル測定装置では、外周を絶縁層１７、１９で被覆した補助電極５および主電極７を絶縁槽３内の導電性被測定液１中へ間隔ｄを隔てて並行に配置し、補助電極５に信号源９から交流信号を加えて主電極７から液位に比例した電流を出力させる一方、絶縁槽３の底部と大地２１間の静電容量Ｃｘ１、絶縁槽３と周囲の構造物２３間の合成静電容量Ｃｖ１、絶縁槽３側部と大地２１間の合成静電容量Ｃｖ２、および配管２５内液路と大地２１間の合成静電容量Ｃｐがないと仮定した場合の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を、補助信号源３７から発振出力させて大地２１に接続することにより、それら絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１や合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れないことになり、これらの値が変動してもその液交点Ｐの電位が変動し難くなる。
【００５４】
そのため、絶縁槽３の底部と大地２１間、絶縁槽３と構造物２３や大地２１との間、および配管２５内液路と大地２１間の静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、これらの変動に起因して液位測定値が不正確となることはなくなる。
【００５５】
上述した静電容量形レベル測定装置は、絶縁槽３に補助電極５および主電極７のみを挿入する構成であったが、本発明ではこれに限定されない。以下に種々の電極構成を示す。
【００５６】
図３は、図１に示した構成の静電容量形レベル測定装置と比較すると、筒型の主電極３９の先端に僅かの間隔をおいて逆カップ状の参照電極４１を共軸的に配置し、これら主電極３９および参照電極４１を絶縁層１９で覆う構成となっており、絶縁槽３、補助電極５、主電極３９に接続されたシールドケーブル２９および帰還回路３３等は図１の構成と同様である。大地２１に接続した補助信号源３７の図示は省略した。
【００５７】
参照電極４１は主電極３９の中空部を通したシールドケーブル４３の芯線４３ａを介してＯＰアンプ４５の反転入力端子に接続され、シールドケーブル４３のシールド部４３ｂはＯＰアンプ４５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。
【００５８】
ＯＰアンプ４５の出力端は帰還回路３３と同様な帰還回路４７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４９に接続されており、ＯＰアンプ４５および帰還回路４７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５１が形成されている。
【００５９】
整流平滑部１３、４９は、演算部５３に接続されるとともに補償部５５、５７に接続されており、整流平滑部１３、４９と演算部５３間には各々出力端Ｐ１、Ｐ２が形成されている。
【００６０】
補償部５５、５７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するものである。
【００６１】
このような構成の静電容量形レベル測定装置では、シールドケーブル４３を介して参照電極４１をＯＰアンプ４５へ接続し、同電位形成部５１および電流平滑部４９により、参照電極４１からの出力信号に対して主電極３９からの出力信号と同様な信号処理を行い、これら処理信号を演算部５３で補償演算すれば、上述した効果に加えて、絶縁層１７、１９における誘電率、厚みの変化等による変動影響を受け難くなり、計測誤差が少なく使用可能範囲が拡大される。
【００６２】
絶縁槽３内が空の状態において主電極３９および参照電極４１からの出力信号Ｓ１、Ｓ２を出力端Ｐ１、Ｐ２で測定し、出力信号Ｓ１、Ｓ２が「０（ゼロ）」になるような補償部５５、５７からの補償値により出力交流信号を補償することになる。
【００６３】
そのため、環境変化、特に温度変動等によって絶縁層１７、１９に伸びが発生してもその影響を受け難くなるうえ、広範囲の液位レベルを再現性良く測定できる。
【００６４】
しかも、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがないと仮定した場合の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を補助信号源３７（図１参照）から発振出力させて大地２１に接続することにより、図４に示すように、それら静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れず、図１の構成と同様に、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、正確な液位測定値が可能となる。
【００６５】
なお、図３および図４中の静電容量Ｃｓ２は、参照電極４１先端と被測定液１間のものである。
【００６６】
次に、図５に示す静電容量形レベル測定装置は、図３の構成と比較した場合、補助電極５および主電極３９と、この主電極３９の先端に共軸的に配置した参照電極４１とを１個の棒状の絶縁層６１で覆うとともに、補助電極５と主電極３９の間および補助電極５と参照電極４１との間に１枚の長方形板状の遮蔽電極５９を介在させた構成となっている。
【００６７】
主電極３９に接続されたシールドケーブル２９および参照電極４１に接続されたシールドケーブル４３の接続先の構成は、図３とほぼ同様であるし、信号源９および大地２１に接続した補助信号源３７の図示は省略した。なお、遮蔽電極５９は、シールドケーブル２９のシールド部２９ｂに接続され、０電位となっている。
【００６８】
この図５に示す静電容量形レベル測定装置では、補助電極５と、主電極３９および参照電極４１との間に遮蔽電極５９を介在させ、これらを絶縁層６１で覆ったから、補助電極５と主電極３９間および補助電極５と参照電極４１間に形成される静電容量をほぼ零とすることが可能となり、より安定した液位レベル測定が可能となる。
【００６９】
遮蔽電極５９は、補助電極５と主電極３９や参照電極４１との間に形成される静電容量を遮蔽する目的で配置するから、その効果を確実にする観点から補助電極５と主電極３９や参照電極４１の径（横断面）方向寸法と同幅か、より好ましくは広く選択することが好ましい。
【００７０】
このような図５に示す構成においても、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがない状態の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を、補助信号源３７（図１参照）から発振出力させて大地２１に接続することにより、図６に示すように、それら静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れないことになる。
【００７１】
そのため、図１の構成と同様に、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、正確な液位測定値が可能となる。
【００７２】
なお、図５中の静電容量ＣＡは、遮蔽電極５９を間において補助電極５と主電極３９間に直線的に形成される静電容量ではなく、遮蔽電極５９の外部すなわち絶縁層６１の外周を介した静電容量である。
【００７３】
さらに、図７の静電容量形レベル測定装置は、図１の構成に加え、筒型の同電位電極６３および参照電極４７を共軸的に配置して３軸構成としたものであり、主電極７および参照電極４１に接続したシールドケーブル２９、４３の接続先構成は図３と同様である。
【００７４】
すなわち、図１に示した補助電極５および主電極７を絶縁層１７、１９で覆うとともに、細長い筒型の同電位電極６３とこの先端に僅かの間隔を置いて参照電極４１を共軸的かつ補助電極５や主電極７と等長に配置し、これら同電位電極６３および参照電極４１を絶縁層１７、１９と同じ材質・寸法の絶縁層６５で覆い、補助電極５を挟んでこれから主電極７や同電位電極６３（参照電極４１）を等距離の位置関係に配置した構成となっている。
【００７５】
なお、図８における符号ＣＡ１、ＣＡ２は補助電極５と主電極７間の大気を介しての静電容量、補助電極５と同電位電極６３間の大気を介しての静電容量であり、符号Ｃｌ１、Ｃｌ２、Ｃｌ３、Ｃｌ４は補助電極５、主電極７又は同電位電極６３及び参照電極４１と絶縁層１７、１９、６５を挟んだ被測定液１間の静電容量である。
【００７６】
このような図７の静電容量形レベル測定装置においても、環境変化、特に温度変動等によって絶縁層１７、１９に伸びが発生してもその影響を受け難くなり、被測定液１の液位レベルを再現性良く測定できる。
【００７７】
しかも、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがない状態の被測定液１の液交点Ｐの電位Ｖｑと同電位の交流信号Ｖｑ０を補助信号源３７（図１参照）から発振出力させて大地２１に接続することにより、図６に示すそれら合成静電容量ＣＶｑ、Ｃｖ２、Ｃｐには信号電流が流れない。
【００７８】
そのため、図１の構成と同様に、絶縁槽３の周囲に形成される静電容量によってその液位測定値が影響を受けず、正確な液位測定値が可能となる。
【００７９】
ところで、本発明の静電容量形レベル測定装置においては、上述したように絶縁槽３（被測定液１）とこの外部環境間に形成される静電容量Ｃｘ１、合成静電容量Ｃｖ１、Ｃｖ２、Ｃｐがない状態の液交点電位に相当する補助信号源３７を設け、この補助信号源３７を大地２１に接続して構成すれば、簡単に被測定液１を大地２１と同電位にできる利点があるが、本発明はこれに限定されず、被測定液１の電位を大地２１の電位と等しく設定すれば、本発明の目的達成が可能である。
【００８０】
また、本発明に係る図１、図３、図５および図７の構成において、補助電極５、主電極７、３９、参照電極４１および同電位電極６３の形状は円柱又は円筒状である必要はなく、四角柱、多角柱、楕円柱等で実施可能であり、絶縁層１７、１９、４１、６５もそれに合せた形状で形成すれば良い。
【００８１】
さらに、本発明において上述した同電位形成部３５、５１は、一例であってＯＰアンプ３１、４５と帰還回路３３、４７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。
【００８２】
【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、絶縁槽に導電性の被測定液を溜め、絶縁被覆された細長い主電極をその被測定液中へ下方に向けて漬浸し、同様に絶縁被覆された補助電極をそ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し、信号源からその補助電極へ交流信号を印加し、その被測定液の電位を大地電位と等しく設定し、その主電極から出力させた出力信号によってその被測定液の液位を測定する構成としたから、その絶縁槽と大地間の静電容量、絶縁槽周囲の導電性構造物間の静電容量、さらに絶縁槽に連結された配管の液路と大地間の静電容量が変化しても、被測定液の正確な液位測定が可能となる。
しかも、上記被測定液とこの外部環境間に形成される静電容量がない状態の上記液位電位に相当する補助信号源を設け、この補助信号源を大地に接続して構成するから、簡単に被測定液を大地と同電位にできる利点がある。
【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実施の形態を示す図である。
【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】本発明に係る静電容量形レベル測定装置の他の実施の形態を示す図である。
【図４】図３の静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図５】本発明に係る静電容量形レベル測定装置の別の実施の形態を示す図である。
【図６】図５の静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図７】本発明の静電容量形レベル測定装置の更に他の実施の形態を示す図である。
【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】従来の静電容量形レベル測定装置を示す図である。
【図１０】図９に係る静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図１１】図９に係る静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【図１２】図９に係る静電容量形レベル測定装置を周辺環境に形成される静電容量も含めて示す図である。
【図１３】図１２に係る静電容量形レベル測定装置の等価回路図である。
【符号の説明】
１ 被測定液
３ 絶縁槽
５ 補助電極
７、３９ 主電極
９ 信号源
１１ 変換部
１３、４９ 整流平滑部
１５ 調整部
１７、１９、６１、６５ 絶縁層
２１ 大地
２３ 構造物
２５ 配管
２７ バルブ
２９、４３ シールドケーブル
２９ａ、４３ａ 芯線
２９ｂ、４３ｂ シールド部
３１、４５ ＯＰアンプ
３３、４７ 帰還回路
３５、５１ 同電位形成部
３７ 補助信号源
４１ 参照電極
５５、５７ 補償部
５９ 遮蔽電極
６３ 同電位電極
Claims (1)
- 絶縁被覆され、導電性の被測定液中へ下方に向けて漬浸された細長い主電極と、
絶縁被覆され、前記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た細長い補助電極と、
この補助電極へ交流信号を印加する信号源と、
を具備し、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、
前記被測定液と外部環境間に形成される静電容量がない状態の前記液位電位に相当する補助信号源を設け、この補助信号源が大地に接続されることにより、前記被測定液の電位が前記大地の電位と等しく設定されてなることを特徴とする静電容量形レベル測定装置。
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|---|---|---|---|
| JP35922099A JP3591709B2 (ja) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | 静電容量形レベル測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35922099A JP3591709B2 (ja) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | 静電容量形レベル測定装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001174313A JP2001174313A (ja) | 2001-06-29 |
| JP3591709B2 true JP3591709B2 (ja) | 2004-11-24 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5965012B1 (ja) * | 2015-03-17 | 2016-08-03 | Dmg森精機株式会社 | 液位検出方法及び液位検出装置、並びにこの液位検出装置を備えた工作機械 |
-
1999
- 1999-12-17 JP JP35922099A patent/JP3591709B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP5965012B1 (ja) * | 2015-03-17 | 2016-08-03 | Dmg森精機株式会社 | 液位検出方法及び液位検出装置、並びにこの液位検出装置を備えた工作機械 |
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