JP3869169B2 - 液面検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱された測温抵抗体を用いる熱式液面センサ（レベルセンサ）を用いる液面検出用変換器および液面検出器を有した液面検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱式液面センサは、液相と気相とで熱放散定数が異なることを利用して液面を検出するもので、液面の検出器として測温抵抗体を用いている。この測温抵抗体を加熱させると、測温抵抗体が周囲の温度よりも高温になり、放熱が加熱を相殺するような温度になって平衡する。平衡する温度は、測温抵抗体がおかれている周囲環境により支配され、液相中では熱放散定数が大きいから測温抵抗体の温度が低くなり、気相中では熱放散定数が小さいから測温抵抗体の温度が高くなる。したがって、測温抵抗体の抵抗値により、液面が測温抵抗体の上方にあるか、下方にあるかがわかる。
【０００３】
熱式液面センサを用いた液面検出器は、機械的な可動部分がなく、取付部の密閉構造が完全で、液体タンクへの不純物の侵入がない、検出感度が高いなどの特長がある。例えば、半導体製造装置において、化学蒸着装置に反応ガスを供給する液体原料気化供給装置の容器や、冷却用冷媒供給装置の容器内の液面レベルを検出するのに用いられている。
【０００４】
図９は、熱式液面センサを用いた従来の液面検出器の説明図である。
図９（ａ）はセンサ部の平面図、図９（ｂ）はセンサ部のＸＸ矢印方向の断面図である。
この従来例は、特開平７−６３５９２号公報等で知られたものである。測温抵抗体として、ホット側センサ１およびクール側センサ２を有し、それぞれ、保護管７２，７３内に挿入されて使用される。センサとして、例えば、薄膜白金測温抵抗体を用いる。
【０００５】
８１は液体を収容する容器であり、そのフランジ８１ａには、先端が閉じた２個の保護管７２，７３を備えた取付板７１が、パッキング８３を介して気密に取り付けられる。保護管７２，７３の先端に挿入あるいは封入された、ホット側センサ１およびクール側センサ２は、液面の検出したい高さとなる基準位置に設置されている。液体やガスの供給あるいは、これらの排出等の機構については、図示および説明を省略する。
ホット側センサ１、クール側センサ２は、ケーブル８４，８５により外部に設けられた変換器に接続され、図１０を参照して後述するように、それぞれに定電流（ＩH，ＩC）が供給される。ホット側センサ１には、これを高温に加熱するために、比較的大きな定電流（ＩH）を流すのに対し、クール側センサ２には、周囲の温度を測定できる程度で発熱が無視できる大きさの定電流（ＩC）を流す。
【０００６】
ホット側センサ１およびクール側センサ２は、液面８２が基準の高さ以上であれば、図示のように液相中にあるが、液面８２が基準の高さ以下であれば気相中にある。高温に加熱されているホット側センサ１の温度は、液相中にあるときよりも気相中にあるときの方が高くなる。一方、クール側センサ２は加熱されていないため、その温度は、ホット側センサ１の温度よりも低くなるだけでなく、液相中にあるときも気相中にあるときも、その温度はほとんど変わらない。
したがって、両センサの端子電圧の差は、ホット側センサ１およびクール側センサ２が、気相中にあるときと液相中にあるときとで相違することになり、液面８２の高さ（レベル）が基準よりも高いか低いかを弁別することができる。
【０００７】
図１０は、熱式液面センサを用いた従来の液面検出用変換器の説明図である。図中、１，２は、図９に示したホット側センサ１およびクール側センサ２を回路記号で示したものである。４，５は定電流回路、９１は差動増幅回路、９２はコンパレータ、９３は第１の分圧抵抗器、９４は第２の分圧抵抗器である。
ホット側センサ１にはクール側センサ２よりも大きな電流を流すために、定電流回路４の電流値は定電流回路５の電流値よりも大きくなるように設定されている。差動増幅回路９１は、ホット側センサ１の端子電圧（ＶH、以後、ホット側電圧という。特に、気相中にあるときをＶHG，液相中にあるときをＶHLとする）とクール側センサ２の端子電圧（以後、クール側電圧ＶCという）とを入力し、両者の差電圧を出力する。コンパレータ９２は、第１の分圧抵抗器９３，第２の分圧抵抗器９４により設定された動作点電圧（ＶS）と、上述した差電圧とを比較する。
【０００８】
図１１は、図１０に示した従来の液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。横軸はセンサ部の周囲温度であり、縦軸は各部の電圧値であるが、動作点電圧（ＶS）は、比較動作をわかりやすくするために、クール側電圧（ＶC）に上乗せして図示している。図では、白金測温抵抗体の抵抗値と温度との関係を液面検出器（レベルセンサ）としての実用温度範囲において、１次式で近似している。
周囲温度が図示の使用温度範囲にあるとき、ホット側センサ１が気相中にあるときは、そのホット側電圧（ＶHG）が、クール側電圧（ＶC）＋動作点電圧（ＶS）よりも大きくなり、比較回路９２はハイレベルの電圧を出力する。一方、ホット側センサ１が液相中にあるときには、ホット側電圧（ＶHL）が、クール側電圧（ＶC）＋動作点電圧（ＶS）よりも小さくなり、コンパレータ９２はローレベルの電圧を出力する。その結果、ホット側センサ１およびクール側センサ２が気相中にあるか液相中にあるかを弁別することができる。
【０００９】
しかし、ホット側センサ１の端子電圧（ＶHG，ＶHL）とクール側センサ２の端子電圧（ＶC）とは、周囲温度に対して同じ正の温度係数を有するが、一致はしないため、図１０に示した変換器では、使用温度範囲を大幅に広くすることができない。特に、液体の性質等により、液相中と気相中とで熱放散定数の差が小さい場合や、ホット側センサ１の加熱温度を抑えた場合には、ホット側センサ１が気相中にあるときの端子電圧（ＶHG）と液相中にあるときの端子電圧（ＶHL）の差が少なくなるため使用温度範囲が狭くなるとともに、安定した液面検出がむずかしくなる。
また、測温抵抗体にはばらつきがあるため、これに合わせて、液面検出用変換器の動作点電圧（ＶS）などを調整する必要がある。その結果、センサ部と変換器とを別個に供給することがむずかしい場合がある。また半導体製造装置では、センサ部と変換器の組み合わせを変える場合があるため、センサのばらつきは特に問題が大きい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、広い温度範囲にわたって安定に液面検出を行うことができるとともに、測温抵抗体のばらつきを吸収することが可能な液面検出装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載の発明においては、加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体に第１の調整用抵抗器が直列接続された第１の合成抵抗回路、及び、前記第２の測温抵抗体を有する液面検出器と、前記第１の合成抵抗回路及び前記第２の測温抵抗体に定電流を流すとともに、前記第１の合成抵抗回路に前記第２の測温抵抗体に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、前記第２の測温抵抗体の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける前記第１の合成抵抗回路の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたものである。
したがって、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルの検出ができる。第１の測温抵抗体の出力電圧の出力レベルのばらつきを吸収できるから、比較手段の所定電圧のレベル設定を規格値から変更調整しなくてもすむ。
【００１２】
請求項２に記載の発明においては、加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体、及び、前記第２の測温抵抗体に並列に第２の調整用抵抗器が接続された第２の合成抵抗回路を有する液面検出器と、前記第１の測温抵抗体及び前記第２の合成抵抗回路に定電流を流すとともに、前記第１の測温抵抗体に前記第２の合成抵抗回路に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、前記第２の合成抵抗回路の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける当該第１の測温抵抗体の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたものである。
したがって、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルの検出ができる。第２の測温抵抗体の温度係数のばらつきを吸収できるから、増幅手段の利得を規格値から変更調整しなくてもすむ。
【００１３】
請求項３に記載の発明においては、加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体に第１の調整用抵抗器が直列接続された第１の合成抵抗回路、及び、前記第２の測温抵抗体に並列に第２の調整用抵抗器が接続された第２の合成抵抗回路を有する液面検出器と、前記第１の合成抵抗回路及び前記第２の合成抵抗回路に定電流を流すとともに、前記第１の合成抵抗回路に前記第２の合成抵抗回路に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、前記第２の合成抵抗回路の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける前記第１の合成抵抗回路の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたものである。
したがって、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルの検出ができる。第１の測温抵抗体の出力電圧の出力レベルのばらつきを吸収できるから、比較手段の所定電圧のレベル設定を規格値から変更調整しなくてもすむ。第２の測温抵抗体の温度係数のばらつきを吸収できるから、増幅手段の利得を規格値から変更調整しなくてもすむ。
【００１４】
請求項４に記載の発明においては、請求項１から３までのいずれか１項に記載の液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体及び前記第２の測温抵抗体は白金測温抵抗体である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第１の実施の形態の回路構成図である。センサ部側の回路構成もあわせて図示している。
図中、図９，図１０と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。３は第１のばらつき調整用トリマ抵抗器、６はバッファ、７はコンパレータ、８はアンプ、４，９は定電流回路、１０は抵抗器、１１はスイッチング部、１２はリレーである。
【００１７】
ホット側センサ１は、第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３と直列に接続されて定電流回路４に接続される。第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３と定電流回路４との接続点の電圧（ＶH）は、利得１のバッファ６を介し、コンパレータ７の負側入力に出力される。なお、第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３については、図７を参照して説明する。
一方、クール側センサ２と定電流回路５との接続点の電圧（ＶC）は、利得（ゲイン）ｇのアンプ８に入力され、アンプ８の出力端子（出力電圧ｇＶC）には、抵抗器１０を介し、定電流回路９が接続され、定電流（ＩR）が流し込まれる。抵抗器１０は、出力電圧（ｇＶC）をシフト電圧（ＶR＝ＩRＲ）だけレベルシフトさせるためのもので、抵抗器１０（抵抗値Ｒ）と定電流回路９との接続点の電圧が、動作点電圧（ＶOP＝ｇＶC＋ＩRＲ）として、コンパレータ７の正側入力端子に供給される。コンパレータ７の比較出力はスイッチング部１１に出力され、リレー１２を駆動する。
したがって、ホット側センサ１およびクール側センサ２が液相中にあるときには、コンパレータ７の出力が正電圧となり、スイッチング部１１がＯＮし、リレー１２が動作して、そのスイッチが閉成する。
【００１８】
図２は、図１に示した液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。横軸はセンサ部の周囲温度であり、縦軸は各部の電圧値である。
ホット側電圧（ＶH）は、第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３を無視すれば、ホット側センサ１の抵抗値（ＲH）と定電流値（ＩH）の積であり、気相中においてＶHG、液相中においてＶHLと表される。一方、クール側電圧（ＶC）は、クール側センサ２の抵抗値（ＲC）と定電流値（ＩC）の積で表される。両電圧は、周囲温度に対し、図示のような変化をする。
【００１９】
図１に示した動作点電圧（ＶOP＝ｇＶC＋ＩRＲ）は、ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）と平行になるようにする。すなわち、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する傾きを、ホット側電圧（ＶHL）の周囲温度に対する傾きに合わせる。具体的には、アンプ８の出力電圧（ｇＶC）の傾きが、ホット側電圧（ＶHL）の傾きに一致するように、アンプ８の利得ｇを調整する。そのために、ホット側電圧（ＶHL）の周囲温度特性をあらかじめ測定しておく必要がある。
動作点電圧（ＶOP）は、ホット側センサ１が、気相と液相の中間のどのような状態にあるときに、コンパレータ７を反転させ、リレー１２を動作させるかを決める電圧である。この動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に依存しないレベルシフト電圧値は、抵抗器１０の抵抗値（Ｒ）または定電流源９の定電流値（ＩR）を変えることによって調整することができる。
【００２０】
上述したように、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する温度係数を、ホット側電圧（ＶHL）の周囲温度に対する温度係数に合わせることにより、使用温度範囲が大幅に広がることになる。したがって、液相中と気相中とで熱放散定数の差が小さい場合や、ホット側センサ１の発熱量を抑えた場合に、ホット側センサ１が気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）と液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）の差が少なくなっても、使用温度範囲が狭くならず、安定した液面検出を行うことができる。
【００２１】
ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）の特性の方が、気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）よりも、比較的安定している。そのため、上述した説明のように、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する温度係数を、ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）の周囲温度に対する傾きに合わせると好適である。
しかし、気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）の周囲温度に対する傾きに合わせてもよいし、両者の平均値に合わせてもよい。
【００２２】
ホット側電圧（ＶHL，ＶHG）の傾きは、液体（媒質）の特性によって異なるため、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する傾きも、液体の特性によって調整する。
また、ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）と気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）の電位差も、液体の特性によって異なるため、動作点電圧（ＶOP）のシフト量も、液体（媒質）の特性によって調整する。
【００２３】
図３は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第２の実施の形態の回路構成図である。図１に示した液面検出用変換器を具体化したものである。
図中、図９，図１０，図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。ばらつき調整用トリマ３は省略した。２１はセンサ部、２２は液面検出用変換器である。センサ部２１と液面検出用変換器２２との間は、ケーブルで接続されている。
２３はボルテージホロワ、２４はコンパレータ、２５は非反転増幅器、２６は利得調整用トリマ抵抗器、２７は帰還抵抗器、２８は入力抵抗器、２９はシフト調整用トリマ抵抗器、３０は抵抗器、３１はボルテージホロワ、３２は入力抵抗器、３３は帰還抵抗器である。
【００２４】
ボルテージホロワ２３は、図１のバッファ６に対応するものであり、コンパレータ２４は、図１のコンパレータに対応するものであり、非反転増幅器２５は、図１のアンプ８に対応するものである。ボルテージホロワ３１は、レベルシフト部の出力バッファとして挿入されている。いずれも、オペアンプ（演算増幅器）を用いて実現され、周辺に接続される回路構成によって上述したように異なる機能を奏する。
利得調整用トリマ抵抗器２６と抵抗器２７との直列回路は、非反転増幅器２５の帰還抵抗をなし、利得調整用トリマ抵抗器２６の抵抗値を調整することにより、利得ｇを調整することができる。シフト調整用トリマ抵抗器２９と抵抗器３０との直列回路は、非反転増幅器２５の出力のレベルシフトを行うもので、シフト調整用トリマ抵抗器２９の抵抗値を調整することにより、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に依存しないレベルシフト電圧（ＶR）を調整する。帰還抵抗器３３は、コンパレータ２４の正帰還用抵抗であって、正側入力抵抗器３２とともに、コンパレータ２４にヒステリシス特性を与え、コンパレータ２４に必要なディファレンシャルを付加する。
【００２５】
図４は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第３の実施の形態の回路構成図である。この実施の形態は、図１に示した液面検出用変換器を、差動アンプ４３を用いて具体化したものである。
図中、図９，図１０，図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。センサ部側は、図３と同様であり図示を省略している。４１はボルテージホロワ、４２は入力抵抗器、４３は差動アンプ、４４は帰還抵抗器、４５は非反転増幅器、４６は入力抵抗器、４７は帰還抵抗器、４８は利得調整用抵抗器、４９，５０は入力分圧抵抗器、５１は入力抵抗器、５３は帰還抵抗器、５４は分圧抵抗器、５５は動作点調整電圧用分圧抵抗器、５６は分圧抵抗器である。
【００２６】
ボルテージホロワ４１は図１のバッファ６に対応し、非反転増幅器４５は図１の利得ｇのアンプ８に対応し、差動アンプ４３，５２は図１のコンパレータ７に対応し、いずれも、オペアンプにより実現され、周辺に接続される回路構成によって上述したようにそれぞれ異なる機能を奏する。
差動増幅器４３の利得を１とすれば、差動増幅器４３の出力する差動電圧（ΔＶ）は、図１ないし図３の差動電圧ΔＶ＝ＶH−ｇＶC（ＶHは、ＶHGまたはＶHL）に相当する。非反転増幅器４５の利得ｇは、利得調整用抵抗器４８により調整することができる。
また、差動アンプ５２の負側入力の動作点電圧（ＶR）は、図１ないし図３の、レベルシフト電圧（ＶR）に対応する。
動作点電圧は、動作点電圧用分圧抵抗器５５により調整することができる。帰還抵抗器５３は、コンパレータの正帰還用抵抗であって、正側入力抵抗器５１とともに、コンパレータ５２にヒステリシス特性を与え、コンパレータに必要なディファレンシャルを付加する。
【００２７】
図５は、図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第１の説明図である。横軸は容器内の液体の液排出量、縦軸は差動電圧値ΔＶ＝ＶH−ｇＶCである。
ホット側センサ１が容器内の液相中に没しているときには、差動電圧ΔＶは動作点電圧（ＶR）よりも低い。液体が排出されて行き、ホット側センサ１が容器内の気相中に現れると、差動電圧ΔＶは動作点電圧（ＶR）よりも高くなる。図３のコンパレータ２４，図４のコンパレータ５２は、差動電圧（ΔＶ）が動作点電圧（ＶR）よりも低いときにハイレベル（ＯＮ）となり、これよりも高くなるときにローレベル（ＯＦＦ）となる。
【００２８】
コンパレータ２４，コンパレータ５２は、ヒステリシス特性を有するため、厳密に言えば、液体が排出される方向の変化においては、差動電圧（ΔＶ）が動作点電圧（ＶR）よりも僅かに高い電圧で出力がローレベル（ＯＦＦ）になる。一方、液体が供給される方向の変化においては、差動電圧（ΔＶ）が動作点電圧（ＶR）よりも僅かに低い電圧で出力がハイレベル（ＯＮ）になる。
このようにヒステリシス特性を持たせることにより、ホット側センサ１の高さ位置で液面が上下に微小変動する際の出力のばたつきを防止する。
【００２９】
図６は、図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第２の説明図である。横軸は容器内の液体の液排出量、縦軸は差動電圧値ΔＶ＝ＶH−ｇＶCであり、種類が異なる液体Ａ，液体Ｂについての差動電圧値を示すものである。
ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧ＶHLは、液体の特性によって変わるため、図３中の非反転増幅器２５，図４中の非反転増幅器４５のゲインを調整する。この段階では、まだ、図示のように、液体の種類によって差動電圧値ΔＶが異なるので、動作点電圧（ＶR）も液体の種類に合わせて調整する必要がある。
【００３０】
図７は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第１の説明図である。図中、図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。６１は第２のばらつき調整用トリマ抵抗器、６２は抵抗器である。第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１と抵抗器６２とは直列接続（合成抵抗値をＲ１とする）され、クール側センサ２と並列接続（合成抵抗値Ｒ Ｃ ’ ）されている。
【００３１】
液面検出用変換器側において、差動電圧値ΔＶ＝ＶH−ｇＶCを所定の動作点電圧（ＶR）と比較する動作を行っているため、差動電圧値ΔＶの周囲温度に対する温度係数がほぼ０であり、かつ、差動電圧値ΔＶのレベルがほぼ一定値であることが理想的である。センサ部２１と液面検出用変換器２２とをペアにして市場に供給する場合には、センサ部２１内のホット側センサ１，クール側センサ２の特性にばらつきがあっても、センサ部２１の１台ごとに、液面検出用変換器２２の特性を合わせ込んで理想状態に近付けることが可能である。
しかし、センサ部２１と液面検出用変換器２２を個別に供給する場合などには、液面検出用変換器２２側のばらつきをなくすことは容易であっても、センサ部２１側は、ホット側センサ１，クール側センサ２の特性のばらつきをなくすことがむずかしい。その結果、差動電圧値ΔＶは、理想状態からばらつくことになる。
【００３２】
これを解決する第１の方法は、液面検出用変換器２２をセンサ部２１の側に設けることによってセンサ部と液面検出用変換器とを一体にすることである。しかし、この場合、液面検出用変換器を動作させるための電源を供給する電源線が新たに必要となり、また、センサ部２１に液面検出用変換器を収容するスペースが必要である。
第２の方法は、センサ部２１の特性をそろえ、その特性を一定公差内に収めることである。この実施の形態においては、第２の方法を採用するものであって、センサ部２１側に、以下のような調整機能を付加して調整を行うことができるようにした。
（ａ）クール側センサ２の側の第２の調整用トリマ抵抗器６１を用いてクール側電圧（ＶC）の温度係数を調整することにより、差動電圧値ΔＶの周囲温度に対する温度係数のばらつきを吸収する。
（ｂ）ホット側センサ１の側の第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３を用いてホット側電圧（ＶH）の電圧シフト量を調整することにより、差動電圧値ΔＶのレベルのばらつきを吸収する。
【００３３】
以下具体的に説明する。図２に示したように、ホット側電圧（ＶH）およびクール側電圧（ＶC）が、近似的に周囲温度に対する一次式で表されるとする。
クール側センサ（抵抗値ＲC）、第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１、および、抵抗器６２の合成抵抗（抵抗値ＲC’）は、次式で表される。
ＲC’＝Ｒ1ＲC／（Ｒ1＋ＲC） （１）
一方、クール側センサ２の抵抗値を次式で表す。
ＲC＝ＲC0＋α（ｔ−ｔ0） （２）
ここで、ｔは温度、ｔ0は基準温度、ＲC0は基準温度におけるＲCの値、αは、ＲCの温度係数であり、この場合、αは一定としている。基準温度ｔ0を、例えば、ｔ＝０℃とすると、次式で表される。
ＲC＝ＲC0＋αｔ （３）
【００３４】
上述した式（１）に式（３）を代入すると次式となる。
ＲＣ’＝Ｒ１（ＲＣ０＋αｔ）／（Ｒ１＋ＲＣ０＋αｔ） （４）
ここで、
ｔ≪（Ｒ１＋ＲＣ０）／α （５）
が満足される周囲温度の範囲において、（４）式は、次式のように近似される。
ＲＣ’≒｛Ｒ１／（Ｒ１＋ＲＣ０）｝ＲＣ０＋｛Ｒ１／(Ｒ１＋ＲＣ０）｝２αｔ （６）
一方、ホット側電圧（ＶＨ）は次式で表される。
ＶＨ＝（ＲＨ＋Ｒ２）ＩＨ （７）
したがって、差動電圧値ΔＶ＝ＶＨ−ｇＶＣは、次式で表される。
ΔＶ＝（ＲＨ＋Ｒ２）ＩＨ−ｇＲＣ'ＩＣ （８）
【００３５】
その結果、第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１により、式（６）に示した合成抵抗値ＲC’内の合成抵抗値Ｒ1を調整することにより、式（８）に示した差動電圧値ΔＶの周囲温度に対する温度係数のばらつきを吸収することができる。ここで、差動電圧値ΔＶのレベルも変更されるが、次に、調整用トリマ抵抗器３の抵抗値Ｒ2を調整することにより、式（８）に示した差動電圧値ΔＶのレベルのばらつきを吸収することができる。
【００３６】
上述したような簡単な調整機能をセンサ部２１に付加することで、ばらつきの小さい特性のそろったセンサ部２１を製造することができ、センサ部２１と液面検出用変換器とを別々に調節して供給することが可能になる。
ホット側センサ１，クール側センサ２のばらつきの程度によっては、調整用トリマ３、第２の調整用トリマ６１と抵抗器６２の直列回路、のいずれか一方の回路素子を省略することが可能である。図１においては、調整用トリマ３のみを用いたものを例示している。
【００３７】
図８は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第２の説明図である。図中、図９と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。センサ部２１の取付板７１には、取付板蓋側コネクタ７４が取り付けられ、ここに接続ケーブル７６側のケーブル側コネクタ７５を取り付け、接続ケーブルのもう一方のケーブル側コネクタ７７をコントローラ側コネクタ７８に取り付けることにより、保護管７２，７３内のホット側センサ１，クール側センサ２を、コントローラ９に内蔵された液面検出用変換器に接続する。
図７を参照して説明した第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３，第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１、および、抵抗器６２を取付板側コネクタ７４内に設けることにより、調整機能付きのセンサ部２１を構成することができる。受動部品を用いた調整機構であるため、特別な電源ラインを必要とせず、また、わずかな部品だけであるので、上述したように取付板側コネクタ７４内に設けることができる。
【００３８】
図７，図８を参照して説明した液面検出器は、図１，図３，図４に示された液面検出用変換器に用いるものであった。しかし、図１０に示した従来の液面検出用変換器とともに用いても、センサ部２１のばらつきが吸収されるので、図１１に示したように、狭い使用温度範囲であれば、一定品質の液面レベル弁別が可能となる。
【００３９】
上述した説明では、ホット側センサ１として、これに流す電流の大きさを、クール側センサに比べて大きく設定することにより自己発熱をさせていた。しかし、ホット側センサ１を別に近接して設けられた発熱体によって加熱するようにしてもよい。この場合、ホット側センサ１とクール側センサに流す電流の大きさを同じにすることもできる。
図９に示したように、ホット側センサ１とクール側センサ２の高さ位置を同じにしたセンサ部２１を用いたが、クール側センサ２は、周囲温度検出を目的とするものであるので、容器内の温度分布が小さい場合には、ホット側センサ１と全く同じ高さに配置する必要はない。
演算増幅器を用いて液面検出用変換器を実現したが、センサ部の出力をＡ／Ｄ変換した後、ディジタル信号処理をすることにより同等の機能を有する液面検出用変換器を実現することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように、本発明の液面検出装置によれば、周囲温度測定用の測温抵抗体の出力を有効に用いているため、周囲の広い温度範囲にわたり安定な動作が可能になるという効果がある。
また、本発明の液面検出装置によれば、センサのばらつきに対する独自の調整機能を備えているため、品質のそろった製品を供給することが可能になり、その結果、液面検出用変換器と液面検出器を有するセンサ部とを別個に供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第１の実施の形態の回路構成図である。
【図２】 図１に示した液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。
【図３】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第２の実施の形態の回路構成図である。
【図４】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第３の実施の形態の回路構成図である。
【図５】 図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第１の説明図である。
【図６】 図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第２の説明図である。
【図７】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第１の説明図である。
【図８】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第２の説明図である。
【図９】 熱式液面センサを用いた従来の液面検出器の説明図である。
【図１０】 熱式液面センサを用いた従来の液面検出用変換器の説明図である。
【図１１】 熱式液面センサを用いた従来の液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。
【符号の説明】
１ ホット側センサ（第１の測温抵抗体）、２ クール側センサ（第２の測温抵抗体）、３ 第１のばらつき調整用トリマ抵抗器、４，５ 定電流回路、６ バッファ、７ コンパレータ、８ アンプ、９ 定電流回路、１０ 抵抗器、１１ スイッチング部、１２ リレー、２１ センサ部、２２ 液面検出用変換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱された測温抵抗体を用いる熱式液面センサ（レベルセンサ）を用いる液面検出用変換器および液面検出器を有した液面検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱式液面センサは、液相と気相とで熱放散定数が異なることを利用して液面を検出するもので、液面の検出器として測温抵抗体を用いている。この測温抵抗体を加熱させると、測温抵抗体が周囲の温度よりも高温になり、放熱が加熱を相殺するような温度になって平衡する。平衡する温度は、測温抵抗体がおかれている周囲環境により支配され、液相中では熱放散定数が大きいから測温抵抗体の温度が低くなり、気相中では熱放散定数が小さいから測温抵抗体の温度が高くなる。したがって、測温抵抗体の抵抗値により、液面が測温抵抗体の上方にあるか、下方にあるかがわかる。
【０００３】
熱式液面センサを用いた液面検出器は、機械的な可動部分がなく、取付部の密閉構造が完全で、液体タンクへの不純物の侵入がない、検出感度が高いなどの特長がある。例えば、半導体製造装置において、化学蒸着装置に反応ガスを供給する液体原料気化供給装置の容器や、冷却用冷媒供給装置の容器内の液面レベルを検出するのに用いられている。
【０００４】
図９は、熱式液面センサを用いた従来の液面検出器の説明図である。
図９（ａ）はセンサ部の平面図、図９（ｂ）はセンサ部のＸＸ矢印方向の断面図である。
この従来例は、特開平７−６３５９２号公報等で知られたものである。測温抵抗体として、ホット側センサ１およびクール側センサ２を有し、それぞれ、保護管７２，７３内に挿入されて使用される。センサとして、例えば、薄膜白金測温抵抗体を用いる。
【０００５】
８１は液体を収容する容器であり、そのフランジ８１ａには、先端が閉じた２個の保護管７２，７３を備えた取付板７１が、パッキング８３を介して気密に取り付けられる。保護管７２，７３の先端に挿入あるいは封入された、ホット側センサ１およびクール側センサ２は、液面の検出したい高さとなる基準位置に設置されている。液体やガスの供給あるいは、これらの排出等の機構については、図示および説明を省略する。
ホット側センサ１、クール側センサ２は、ケーブル８４，８５により外部に設けられた変換器に接続され、図１０を参照して後述するように、それぞれに定電流（ＩH，ＩC）が供給される。ホット側センサ１には、これを高温に加熱するために、比較的大きな定電流（ＩH）を流すのに対し、クール側センサ２には、周囲の温度を測定できる程度で発熱が無視できる大きさの定電流（ＩC）を流す。
【０００６】
ホット側センサ１およびクール側センサ２は、液面８２が基準の高さ以上であれば、図示のように液相中にあるが、液面８２が基準の高さ以下であれば気相中にある。高温に加熱されているホット側センサ１の温度は、液相中にあるときよりも気相中にあるときの方が高くなる。一方、クール側センサ２は加熱されていないため、その温度は、ホット側センサ１の温度よりも低くなるだけでなく、液相中にあるときも気相中にあるときも、その温度はほとんど変わらない。
したがって、両センサの端子電圧の差は、ホット側センサ１およびクール側センサ２が、気相中にあるときと液相中にあるときとで相違することになり、液面８２の高さ（レベル）が基準よりも高いか低いかを弁別することができる。
【０００７】
図１０は、熱式液面センサを用いた従来の液面検出用変換器の説明図である。図中、１，２は、図９に示したホット側センサ１およびクール側センサ２を回路記号で示したものである。４，５は定電流回路、９１は差動増幅回路、９２はコンパレータ、９３は第１の分圧抵抗器、９４は第２の分圧抵抗器である。
ホット側センサ１にはクール側センサ２よりも大きな電流を流すために、定電流回路４の電流値は定電流回路５の電流値よりも大きくなるように設定されている。差動増幅回路９１は、ホット側センサ１の端子電圧（ＶH、以後、ホット側電圧という。特に、気相中にあるときをＶHG，液相中にあるときをＶHLとする）とクール側センサ２の端子電圧（以後、クール側電圧ＶCという）とを入力し、両者の差電圧を出力する。コンパレータ９２は、第１の分圧抵抗器９３，第２の分圧抵抗器９４により設定された動作点電圧（ＶS）と、上述した差電圧とを比較する。
【０００８】
図１１は、図１０に示した従来の液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。横軸はセンサ部の周囲温度であり、縦軸は各部の電圧値であるが、動作点電圧（ＶS）は、比較動作をわかりやすくするために、クール側電圧（ＶC）に上乗せして図示している。図では、白金測温抵抗体の抵抗値と温度との関係を液面検出器（レベルセンサ）としての実用温度範囲において、１次式で近似している。
周囲温度が図示の使用温度範囲にあるとき、ホット側センサ１が気相中にあるときは、そのホット側電圧（ＶHG）が、クール側電圧（ＶC）＋動作点電圧（ＶS）よりも大きくなり、比較回路９２はハイレベルの電圧を出力する。一方、ホット側センサ１が液相中にあるときには、ホット側電圧（ＶHL）が、クール側電圧（ＶC）＋動作点電圧（ＶS）よりも小さくなり、コンパレータ９２はローレベルの電圧を出力する。その結果、ホット側センサ１およびクール側センサ２が気相中にあるか液相中にあるかを弁別することができる。
【０００９】
しかし、ホット側センサ１の端子電圧（ＶHG，ＶHL）とクール側センサ２の端子電圧（ＶC）とは、周囲温度に対して同じ正の温度係数を有するが、一致はしないため、図１０に示した変換器では、使用温度範囲を大幅に広くすることができない。特に、液体の性質等により、液相中と気相中とで熱放散定数の差が小さい場合や、ホット側センサ１の加熱温度を抑えた場合には、ホット側センサ１が気相中にあるときの端子電圧（ＶHG）と液相中にあるときの端子電圧（ＶHL）の差が少なくなるため使用温度範囲が狭くなるとともに、安定した液面検出がむずかしくなる。
また、測温抵抗体にはばらつきがあるため、これに合わせて、液面検出用変換器の動作点電圧（ＶS）などを調整する必要がある。その結果、センサ部と変換器とを別個に供給することがむずかしい場合がある。また半導体製造装置では、センサ部と変換器の組み合わせを変える場合があるため、センサのばらつきは特に問題が大きい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、広い温度範囲にわたって安定に液面検出を行うことができるとともに、測温抵抗体のばらつきを吸収することが可能な液面検出装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載の発明においては、加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体に第１の調整用抵抗器が直列接続された第１の合成抵抗回路、及び、前記第２の測温抵抗体を有する液面検出器と、前記第１の合成抵抗回路及び前記第２の測温抵抗体に定電流を流すとともに、前記第１の合成抵抗回路に前記第２の測温抵抗体に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、前記第２の測温抵抗体の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける前記第１の合成抵抗回路の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたものである。
したがって、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルの検出ができる。第１の測温抵抗体の出力電圧の出力レベルのばらつきを吸収できるから、比較手段の所定電圧のレベル設定を規格値から変更調整しなくてもすむ。
【００１２】
請求項２に記載の発明においては、加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体、及び、前記第２の測温抵抗体に並列に第２の調整用抵抗器が接続された第２の合成抵抗回路を有する液面検出器と、前記第１の測温抵抗体及び前記第２の合成抵抗回路に定電流を流すとともに、前記第１の測温抵抗体に前記第２の合成抵抗回路に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、前記第２の合成抵抗回路の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける当該第１の測温抵抗体の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたものである。
したがって、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルの検出ができる。第２の測温抵抗体の温度係数のばらつきを吸収できるから、増幅手段の利得を規格値から変更調整しなくてもすむ。
【００１３】
請求項３に記載の発明においては、加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体に第１の調整用抵抗器が直列接続された第１の合成抵抗回路、及び、前記第２の測温抵抗体に並列に第２の調整用抵抗器が接続された第２の合成抵抗回路を有する液面検出器と、前記第１の合成抵抗回路及び前記第２の合成抵抗回路に定電流を流すとともに、前記第１の合成抵抗回路に前記第２の合成抵抗回路に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、前記第２の合成抵抗回路の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける前記第１の合成抵抗回路の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたものである。
したがって、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルの検出ができる。第１の測温抵抗体の出力電圧の出力レベルのばらつきを吸収できるから、比較手段の所定電圧のレベル設定を規格値から変更調整しなくてもすむ。第２の測温抵抗体の温度係数のばらつきを吸収できるから、増幅手段の利得を規格値から変更調整しなくてもすむ。
【００１４】
請求項４に記載の発明においては、請求項１から３までのいずれか１項に記載の液面検出装置において、前記第１の測温抵抗体及び前記第２の測温抵抗体は白金測温抵抗体である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第１の実施の形態の回路構成図である。センサ部側の回路構成もあわせて図示している。
図中、図９，図１０と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。３は第１のばらつき調整用トリマ抵抗器、６はバッファ、７はコンパレータ、８はアンプ、４，９は定電流回路、１０は抵抗器、１１はスイッチング部、１２はリレーである。
【００１７】
ホット側センサ１は、第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３と直列に接続されて定電流回路４に接続される。第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３と定電流回路４との接続点の電圧（ＶH）は、利得１のバッファ６を介し、コンパレータ７の負側入力に出力される。なお、第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３については、図７を参照して説明する。
一方、クール側センサ２と定電流回路５との接続点の電圧（ＶC）は、利得（ゲイン）ｇのアンプ８に入力され、アンプ８の出力端子（出力電圧ｇＶC）には、抵抗器１０を介し、定電流回路９が接続され、定電流（ＩR）が流し込まれる。抵抗器１０は、出力電圧（ｇＶC）をシフト電圧（ＶR＝ＩRＲ）だけレベルシフトさせるためのもので、抵抗器１０（抵抗値Ｒ）と定電流回路９との接続点の電圧が、動作点電圧（ＶOP＝ｇＶC＋ＩRＲ）として、コンパレータ７の正側入力端子に供給される。コンパレータ７の比較出力はスイッチング部１１に出力され、リレー１２を駆動する。
したがって、ホット側センサ１およびクール側センサ２が液相中にあるときには、コンパレータ７の出力が正電圧となり、スイッチング部１１がＯＮし、リレー１２が動作して、そのスイッチが閉成する。
【００１８】
図２は、図１に示した液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。横軸はセンサ部の周囲温度であり、縦軸は各部の電圧値である。
ホット側電圧（ＶH）は、第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３を無視すれば、ホット側センサ１の抵抗値（ＲH）と定電流値（ＩH）の積であり、気相中においてＶHG、液相中においてＶHLと表される。一方、クール側電圧（ＶC）は、クール側センサ２の抵抗値（ＲC）と定電流値（ＩC）の積で表される。両電圧は、周囲温度に対し、図示のような変化をする。
【００１９】
図１に示した動作点電圧（ＶOP＝ｇＶC＋ＩRＲ）は、ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）と平行になるようにする。すなわち、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する傾きを、ホット側電圧（ＶHL）の周囲温度に対する傾きに合わせる。具体的には、アンプ８の出力電圧（ｇＶC）の傾きが、ホット側電圧（ＶHL）の傾きに一致するように、アンプ８の利得ｇを調整する。そのために、ホット側電圧（ＶHL）の周囲温度特性をあらかじめ測定しておく必要がある。
動作点電圧（ＶOP）は、ホット側センサ１が、気相と液相の中間のどのような状態にあるときに、コンパレータ７を反転させ、リレー１２を動作させるかを決める電圧である。この動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に依存しないレベルシフト電圧値は、抵抗器１０の抵抗値（Ｒ）または定電流源９の定電流値（ＩR）を変えることによって調整することができる。
【００２０】
上述したように、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する温度係数を、ホット側電圧（ＶHL）の周囲温度に対する温度係数に合わせることにより、使用温度範囲が大幅に広がることになる。したがって、液相中と気相中とで熱放散定数の差が小さい場合や、ホット側センサ１の発熱量を抑えた場合に、ホット側センサ１が気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）と液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）の差が少なくなっても、使用温度範囲が狭くならず、安定した液面検出を行うことができる。
【００２１】
ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）の特性の方が、気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）よりも、比較的安定している。そのため、上述した説明のように、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する温度係数を、ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）の周囲温度に対する傾きに合わせると好適である。
しかし、気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）の周囲温度に対する傾きに合わせてもよいし、両者の平均値に合わせてもよい。
【００２２】
ホット側電圧（ＶHL，ＶHG）の傾きは、液体（媒質）の特性によって異なるため、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に対する傾きも、液体の特性によって調整する。
また、ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧（ＶHL）と気相中にあるときのホット側電圧（ＶHG）の電位差も、液体の特性によって異なるため、動作点電圧（ＶOP）のシフト量も、液体（媒質）の特性によって調整する。
【００２３】
図３は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第２の実施の形態の回路構成図である。図１に示した液面検出用変換器を具体化したものである。
図中、図９，図１０，図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。ばらつき調整用トリマ３は省略した。２１はセンサ部、２２は液面検出用変換器である。センサ部２１と液面検出用変換器２２との間は、ケーブルで接続されている。
２３はボルテージホロワ、２４はコンパレータ、２５は非反転増幅器、２６は利得調整用トリマ抵抗器、２７は帰還抵抗器、２８は入力抵抗器、２９はシフト調整用トリマ抵抗器、３０は抵抗器、３１はボルテージホロワ、３２は入力抵抗器、３３は帰還抵抗器である。
【００２４】
ボルテージホロワ２３は、図１のバッファ６に対応するものであり、コンパレータ２４は、図１のコンパレータに対応するものであり、非反転増幅器２５は、図１のアンプ８に対応するものである。ボルテージホロワ３１は、レベルシフト部の出力バッファとして挿入されている。いずれも、オペアンプ（演算増幅器）を用いて実現され、周辺に接続される回路構成によって上述したように異なる機能を奏する。
利得調整用トリマ抵抗器２６と抵抗器２７との直列回路は、非反転増幅器２５の帰還抵抗をなし、利得調整用トリマ抵抗器２６の抵抗値を調整することにより、利得ｇを調整することができる。シフト調整用トリマ抵抗器２９と抵抗器３０との直列回路は、非反転増幅器２５の出力のレベルシフトを行うもので、シフト調整用トリマ抵抗器２９の抵抗値を調整することにより、動作点電圧（ＶOP）の周囲温度に依存しないレベルシフト電圧（ＶR）を調整する。帰還抵抗器３３は、コンパレータ２４の正帰還用抵抗であって、正側入力抵抗器３２とともに、コンパレータ２４にヒステリシス特性を与え、コンパレータ２４に必要なディファレンシャルを付加する。
【００２５】
図４は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第３の実施の形態の回路構成図である。この実施の形態は、図１に示した液面検出用変換器を、差動アンプ４３を用いて具体化したものである。
図中、図９，図１０，図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。センサ部側は、図３と同様であり図示を省略している。４１はボルテージホロワ、４２は入力抵抗器、４３は差動アンプ、４４は帰還抵抗器、４５は非反転増幅器、４６は入力抵抗器、４７は帰還抵抗器、４８は利得調整用抵抗器、４９，５０は入力分圧抵抗器、５１は入力抵抗器、５３は帰還抵抗器、５４は分圧抵抗器、５５は動作点調整電圧用分圧抵抗器、５６は分圧抵抗器である。
【００２６】
ボルテージホロワ４１は図１のバッファ６に対応し、非反転増幅器４５は図１の利得ｇのアンプ８に対応し、差動アンプ４３，５２は図１のコンパレータ７に対応し、いずれも、オペアンプにより実現され、周辺に接続される回路構成によって上述したようにそれぞれ異なる機能を奏する。
差動増幅器４３の利得を１とすれば、差動増幅器４３の出力する差動電圧（ΔＶ）は、図１ないし図３の差動電圧ΔＶ＝ＶH−ｇＶC（ＶHは、ＶHGまたはＶHL）に相当する。非反転増幅器４５の利得ｇは、利得調整用抵抗器４８により調整することができる。
また、差動アンプ５２の負側入力の動作点電圧（ＶR）は、図１ないし図３の、レベルシフト電圧（ＶR）に対応する。
動作点電圧は、動作点電圧用分圧抵抗器５５により調整することができる。帰還抵抗器５３は、コンパレータの正帰還用抵抗であって、正側入力抵抗器５１とともに、コンパレータ５２にヒステリシス特性を与え、コンパレータに必要なディファレンシャルを付加する。
【００２７】
図５は、図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第１の説明図である。横軸は容器内の液体の液排出量、縦軸は差動電圧値ΔＶ＝ＶH−ｇＶCである。
ホット側センサ１が容器内の液相中に没しているときには、差動電圧ΔＶは動作点電圧（ＶR）よりも低い。液体が排出されて行き、ホット側センサ１が容器内の気相中に現れると、差動電圧ΔＶは動作点電圧（ＶR）よりも高くなる。図３のコンパレータ２４，図４のコンパレータ５２は、差動電圧（ΔＶ）が動作点電圧（ＶR）よりも低いときにハイレベル（ＯＮ）となり、これよりも高くなるときにローレベル（ＯＦＦ）となる。
【００２８】
コンパレータ２４，コンパレータ５２は、ヒステリシス特性を有するため、厳密に言えば、液体が排出される方向の変化においては、差動電圧（ΔＶ）が動作点電圧（ＶR）よりも僅かに高い電圧で出力がローレベル（ＯＦＦ）になる。一方、液体が供給される方向の変化においては、差動電圧（ΔＶ）が動作点電圧（ＶR）よりも僅かに低い電圧で出力がハイレベル（ＯＮ）になる。
このようにヒステリシス特性を持たせることにより、ホット側センサ１の高さ位置で液面が上下に微小変動する際の出力のばたつきを防止する。
【００２９】
図６は、図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第２の説明図である。横軸は容器内の液体の液排出量、縦軸は差動電圧値ΔＶ＝ＶH−ｇＶCであり、種類が異なる液体Ａ，液体Ｂについての差動電圧値を示すものである。
ホット側センサ１が液相中にあるときのホット側電圧ＶHLは、液体の特性によって変わるため、図３中の非反転増幅器２５，図４中の非反転増幅器４５のゲインを調整する。この段階では、まだ、図示のように、液体の種類によって差動電圧値ΔＶが異なるので、動作点電圧（ＶR）も液体の種類に合わせて調整する必要がある。
【００３０】
図７は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第１の説明図である。図中、図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。６１は第２のばらつき調整用トリマ抵抗器、６２は抵抗器である。第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１と抵抗器６２とは直列接続（合成抵抗値をＲ１とする）され、クール側センサ２と並列接続（合成抵抗値Ｒ Ｃ ’ ）されている。
【００３１】
液面検出用変換器側において、差動電圧値ΔＶ＝ＶH−ｇＶCを所定の動作点電圧（ＶR）と比較する動作を行っているため、差動電圧値ΔＶの周囲温度に対する温度係数がほぼ０であり、かつ、差動電圧値ΔＶのレベルがほぼ一定値であることが理想的である。センサ部２１と液面検出用変換器２２とをペアにして市場に供給する場合には、センサ部２１内のホット側センサ１，クール側センサ２の特性にばらつきがあっても、センサ部２１の１台ごとに、液面検出用変換器２２の特性を合わせ込んで理想状態に近付けることが可能である。
しかし、センサ部２１と液面検出用変換器２２を個別に供給する場合などには、液面検出用変換器２２側のばらつきをなくすことは容易であっても、センサ部２１側は、ホット側センサ１，クール側センサ２の特性のばらつきをなくすことがむずかしい。その結果、差動電圧値ΔＶは、理想状態からばらつくことになる。
【００３２】
これを解決する第１の方法は、液面検出用変換器２２をセンサ部２１の側に設けることによってセンサ部と液面検出用変換器とを一体にすることである。しかし、この場合、液面検出用変換器を動作させるための電源を供給する電源線が新たに必要となり、また、センサ部２１に液面検出用変換器を収容するスペースが必要である。
第２の方法は、センサ部２１の特性をそろえ、その特性を一定公差内に収めることである。この実施の形態においては、第２の方法を採用するものであって、センサ部２１側に、以下のような調整機能を付加して調整を行うことができるようにした。
（ａ）クール側センサ２の側の第２の調整用トリマ抵抗器６１を用いてクール側電圧（ＶC）の温度係数を調整することにより、差動電圧値ΔＶの周囲温度に対する温度係数のばらつきを吸収する。
（ｂ）ホット側センサ１の側の第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３を用いてホット側電圧（ＶH）の電圧シフト量を調整することにより、差動電圧値ΔＶのレベルのばらつきを吸収する。
【００３３】
以下具体的に説明する。図２に示したように、ホット側電圧（ＶH）およびクール側電圧（ＶC）が、近似的に周囲温度に対する一次式で表されるとする。
クール側センサ（抵抗値ＲC）、第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１、および、抵抗器６２の合成抵抗（抵抗値ＲC’）は、次式で表される。
ＲC’＝Ｒ1ＲC／（Ｒ1＋ＲC） （１）
一方、クール側センサ２の抵抗値を次式で表す。
ＲC＝ＲC0＋α（ｔ−ｔ0） （２）
ここで、ｔは温度、ｔ0は基準温度、ＲC0は基準温度におけるＲCの値、αは、ＲCの温度係数であり、この場合、αは一定としている。基準温度ｔ0を、例えば、ｔ＝０℃とすると、次式で表される。
ＲC＝ＲC0＋αｔ （３）
【００３４】
上述した式（１）に式（３）を代入すると次式となる。
ＲＣ’＝Ｒ１（ＲＣ０＋αｔ）／（Ｒ１＋ＲＣ０＋αｔ） （４）
ここで、
ｔ≪（Ｒ１＋ＲＣ０）／α （５）
が満足される周囲温度の範囲において、（４）式は、次式のように近似される。
ＲＣ’≒｛Ｒ１／（Ｒ１＋ＲＣ０）｝ＲＣ０＋｛Ｒ１／(Ｒ１＋ＲＣ０）｝２αｔ （６）
一方、ホット側電圧（ＶＨ）は次式で表される。
ＶＨ＝（ＲＨ＋Ｒ２）ＩＨ （７）
したがって、差動電圧値ΔＶ＝ＶＨ−ｇＶＣは、次式で表される。
ΔＶ＝（ＲＨ＋Ｒ２）ＩＨ−ｇＲＣ'ＩＣ （８）
【００３５】
その結果、第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１により、式（６）に示した合成抵抗値ＲC’内の合成抵抗値Ｒ1を調整することにより、式（８）に示した差動電圧値ΔＶの周囲温度に対する温度係数のばらつきを吸収することができる。ここで、差動電圧値ΔＶのレベルも変更されるが、次に、調整用トリマ抵抗器３の抵抗値Ｒ2を調整することにより、式（８）に示した差動電圧値ΔＶのレベルのばらつきを吸収することができる。
【００３６】
上述したような簡単な調整機能をセンサ部２１に付加することで、ばらつきの小さい特性のそろったセンサ部２１を製造することができ、センサ部２１と液面検出用変換器とを別々に調節して供給することが可能になる。
ホット側センサ１，クール側センサ２のばらつきの程度によっては、調整用トリマ３、第２の調整用トリマ６１と抵抗器６２の直列回路、のいずれか一方の回路素子を省略することが可能である。図１においては、調整用トリマ３のみを用いたものを例示している。
【００３７】
図８は、本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第２の説明図である。図中、図９と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。センサ部２１の取付板７１には、取付板蓋側コネクタ７４が取り付けられ、ここに接続ケーブル７６側のケーブル側コネクタ７５を取り付け、接続ケーブルのもう一方のケーブル側コネクタ７７をコントローラ側コネクタ７８に取り付けることにより、保護管７２，７３内のホット側センサ１，クール側センサ２を、コントローラ９に内蔵された液面検出用変換器に接続する。
図７を参照して説明した第１のばらつき調整用トリマ抵抗器３，第２のばらつき調整用トリマ抵抗器６１、および、抵抗器６２を取付板側コネクタ７４内に設けることにより、調整機能付きのセンサ部２１を構成することができる。受動部品を用いた調整機構であるため、特別な電源ラインを必要とせず、また、わずかな部品だけであるので、上述したように取付板側コネクタ７４内に設けることができる。
【００３８】
図７，図８を参照して説明した液面検出器は、図１，図３，図４に示された液面検出用変換器に用いるものであった。しかし、図１０に示した従来の液面検出用変換器とともに用いても、センサ部２１のばらつきが吸収されるので、図１１に示したように、狭い使用温度範囲であれば、一定品質の液面レベル弁別が可能となる。
【００３９】
上述した説明では、ホット側センサ１として、これに流す電流の大きさを、クール側センサに比べて大きく設定することにより自己発熱をさせていた。しかし、ホット側センサ１を別に近接して設けられた発熱体によって加熱するようにしてもよい。この場合、ホット側センサ１とクール側センサに流す電流の大きさを同じにすることもできる。
図９に示したように、ホット側センサ１とクール側センサ２の高さ位置を同じにしたセンサ部２１を用いたが、クール側センサ２は、周囲温度検出を目的とするものであるので、容器内の温度分布が小さい場合には、ホット側センサ１と全く同じ高さに配置する必要はない。
演算増幅器を用いて液面検出用変換器を実現したが、センサ部の出力をＡ／Ｄ変換した後、ディジタル信号処理をすることにより同等の機能を有する液面検出用変換器を実現することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように、本発明の液面検出装置によれば、周囲温度測定用の測温抵抗体の出力を有効に用いているため、周囲の広い温度範囲にわたり安定な動作が可能になるという効果がある。
また、本発明の液面検出装置によれば、センサのばらつきに対する独自の調整機能を備えているため、品質のそろった製品を供給することが可能になり、その結果、液面検出用変換器と液面検出器を有するセンサ部とを別個に供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第１の実施の形態の回路構成図である。
【図２】 図１に示した液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。
【図３】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第２の実施の形態の回路構成図である。
【図４】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出用変換器の第３の実施の形態の回路構成図である。
【図５】 図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第１の説明図である。
【図６】 図３，図４に示した液面検出用変換器の使用状態の第２の説明図である。
【図７】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第１の説明図である。
【図８】 本発明の液面検出装置に用いる液面検出器の実施の一形態の第２の説明図である。
【図９】 熱式液面センサを用いた従来の液面検出器の説明図である。
【図１０】 熱式液面センサを用いた従来の液面検出用変換器の説明図である。
【図１１】 熱式液面センサを用いた従来の液面検出用変換器の動作を説明するための模式的な線図である。
【符号の説明】
１ ホット側センサ（第１の測温抵抗体）、２ クール側センサ（第２の測温抵抗体）、３ 第１のばらつき調整用トリマ抵抗器、４，５ 定電流回路、６ バッファ、７ コンパレータ、８ アンプ、９ 定電流回路、１０ 抵抗器、１１ スイッチング部、１２ リレー、２１ センサ部、２２ 液面検出用変換器
Claims (4)
- 加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、
前記第１の測温抵抗体に第１の調整用抵抗器が直列接続された第１の合成抵抗回路、及び、前記第２の測温抵抗体を有する液面検出器と、
前記第１の合成抵抗回路及び前記第２の測温抵抗体に定電流を流すとともに、前記第１の合成抵抗回路に前記第２の測温抵抗体に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、
前記第２の測温抵抗体の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける前記第１の合成抵抗回路の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、
前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、
前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、
を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたことを特徴とする液面検出装置。 - 加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、
前記第１の測温抵抗体、及び、前記第２の測温抵抗体に並列に第２の調整用抵抗器が接続された第２の合成抵抗回路を有する液面検出器と、
前記第１の測温抵抗体及び前記第２の合成抵抗回路に定電流を流すとともに、前記第１の測温抵抗体に前記第２の合成抵抗回路に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、
前記第２の合成抵抗回路の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける当該第１の測温抵抗体の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、
前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、
前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、
を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたことを特徴とする液面検出装置。 - 加熱された第１の測温抵抗体と周囲温度計測用の第２の測温抵抗体の温度差に基づいて液面レベルを検出する液面検出装置において、
前記第１の測温抵抗体に第１の調整用抵抗器が直列接続された第１の合成抵抗回路、及び、前記第２の測温抵抗体に並列に第２の調整用抵抗器が接続された第２の合成抵抗回路を有する液面検出器と、
前記第１の合成抵抗回路及び前記第２の合成抵抗回路に定電流を流すとともに、前記第１の合成抵抗回路に前記第２の合成抵抗回路に流す電流よりも大きい定電流を流すことにより、前記第１の測温抵抗体を自己発熱させて周囲温度よりも高い温度にする定電流供給手段と、
前記第２の合成抵抗回路の出力電圧を入力し、前記第１の測温抵抗体が液相中にあるときにおける前記第１の合成抵抗回路の出力電圧の温度係数に一致する温度係数を有する電圧を出力するように利得が調整された増幅手段と、
前記第１の合成抵抗回路の出力電圧と前記増幅手段の出力電圧との差が動作点電圧を超えるか否かを比較することにより、前記液面レベルが基準レベルよりも低いレベルにあるかあるいは高いレベルにあるかを検出する比較手段と、
前記動作点電圧を調整する動作点電圧調整手段、
を有し、周囲温度の広い範囲にわたって安定して液面レベルを検出することが行えるようにしたことを特徴とする液面検出装置。 - 前記第１の測温抵抗体及び前記第２の測温抵抗体は白金測温抵抗体である、
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の液面検出装置。
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