JP3881104B2

JP3881104B2 - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JP3881104B2
Application number: JP01138798A
Authority: JP
Inventors: 吉春丸山; 公人原; 芳伴高橋
Original assignee: Tiyoda Electric Co Ltd
Current assignee: Tiyoda Electric Co Ltd
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2018-01-23
Also published as: JPH11211538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンク内の液体の液位を検出したり、また湿度を検出する静電容量式センサに関し、詳細には電極の外周面が保護用チューブで被覆された静電容量式センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量式センサは液位検出や湿度検出の用途に使用されるが、一例としてタンクに入った液体の液位を検出する液位センサとして使用されている場合について説明する。このように液位を検出する必要があるタンクとしては、例えば温水ボイラに使用され、温水を貯留するタンクや、スチームトラップを構成するリザーバタンクや、真空加熱装置の凝縮タンク等がある。
これらタンクでは図７に示すように、タンク５０と、タンク５０の上面に下端が下方に向けて延び、タンク５０内の液体５１に浸るように装着された静電容量式センサ５２と、静電容量式センサ５２から出力された信号を処理する制御部５４と、制御部５４によって開閉制御され、タンク５０への液体の供給を制御する給液弁５６と、タンク５０に蓄えられた液体の出力量を制御する送液弁５８との構成により、制御部５４は静電容量式センサ５２を介してタンク５０内の液位を検出しつつ、タンク５０内からの液体の流出量に応じて給液弁５６を制御し、タンク５０内の液体の液位が所定範囲に常にあるように制御する。なお、制御部５４は送液弁５８を閉とした場合にはポンプ６０を停止させる。
【０００３】
次に、静電容量式センサ（以下、単に「センサ」とも言う）５２の構成の概要を説明すると、センサ５２は細長い真っ直ぐな柱状の電極６２の外周面に合成樹脂製の保護用チューブ６４が被覆されて成る。保護用チューブ６４は、一例としてテフロン等のフッ素系樹脂等の電気絶縁性を有する合成樹脂から構成されるが、使用環境に応じて他の性質を有する合成樹脂材で構成する場合もある。ここで電極６２をこのような樹脂で覆う理由は、例えば液体自体が導電性を有するものであれば、静電容量方式によって液位を検出できなくなるからであり、また液体自体が導電性を有しないものであっても液体自体が電極６２を腐食させる等、電極６２に対して害を及ぼす性質のものである場合には電極６２を保護する必要があるからである。
そして、電極６２の外周面にこのような一種の被膜を形成する方法としては、樹脂コーティングという方法もあるが、静電容量式センサ５２が十分な機能（正確に容量検出を行う機能）を発揮するためには樹脂被膜の膜厚が均一であることが必須であり、樹脂コーティングでは容易には均一な膜厚を形成できず、チューブを被せる方法の方が一定の膜厚を得やすいからである。
【０００４】
電極６２に保護用チューブ６４を被覆する方法であるが、例えば第１の方法として保護用チューブ６４の一方の端部を閉塞し、他方の開口する端部側から電極６２を挿入する方法や、また第２の方法として両端部が開放する保護用チューブ６４の一方から電極６２を挿入側の端部が若干突出するように挿入し、突出した端部にも保護用チューブ６４の一部として同じ材質の樹脂製キャップ（不図示）を被せたのちにチューブ６４の端部とキャップとを接合させる方法がある。また、第３の方法として上記キャップを用いずに、チューブ６４の先端を熱収縮させて閉じるという方法もある。
【０００５】
ここで、電極６２には正確な静電容量を測定できるようにするため、保護用チューブ６４を電極６２の外周面に密着させ、できる限り電極６２との間に隙間が生じない状態で被覆させることが必要となるが、上述した各方法の内、第１の方法では一方が閉塞されたチューブ６４内に、外径がチューブ６４の内径よりも若干大径の中実体である柱状の電極６２を開口する他方の端部から挿入するのであるから、どうしてもチューブ６４の閉塞された端部側の内面と電極６２の挿入側の先端部外面との間には隙間６６が生じ、この隙間６６に空気が残留してしまう。また、上述した各方法の内、第２や第３の方法のように両端が開口するチューブ６４に電極６２を挿入した後にチューブ６４の開口端を閉塞する方法であっても、同様に空気がチューブ６４内に残留するのは避けられない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そして、チューブ内に空気が残留する上記の静電容量式センサには、次のような課題が生ずる。
チューブ６４内の隙間６６に残留した空気がタンク５０内の液体からの熱により、熱膨張したり、また逆に収縮するが、これにともなってチューブ６４自体に加わる空気圧も変化するからチューブ６４が伸縮する。これにより、チューブ６４の厚さも変化し、正確な静電容量が測定できず、液位の測定も正確には行えないという課題がある。また、この課題は静電容量式センサを湿度センサとして使用した場合も、気温の変化によって残留した空気が膨張・収縮するので同様である。
また、電極６２をチューブ６４で被覆する作業においては、一方が閉塞されたチューブ６４に電極６２を挿入する場合にはチューブ６４内の隙間６６に空気が残留しているため、この空気が圧縮されて空気圧が電極６２を押し出す方向に作用するから電極６２を挿入しずらいし、またキャップを後から装着する場合にはキャップの取付工程が余分に必要となるなど、作業に手間がかかるという課題がある。
【０００７】
従って、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、残留した空気の膨張・収縮によってはチューブの厚さが変化せず、またチューブによる被覆作業も行い易い静電容量式センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１の静電容量式センサは、少なくとも１本が金属製の管体若しくは外周面に両端間に亘る凹溝が形成された金属製の柱体で構成された一対の細長い電極を有し、該一対の電極を合成樹脂製の保護用チューブの両端から該保護用チューブ内に挿着し、一対の電極が互いに平行となるように保護用チューブがＵ字状に曲げられて成ることを特徴とする。
この構造によって、チューブ内の空気は少なくとも一方の電極の内部若しくは外周面に形成された凹溝を通過できるので、チューブへの電極の装着が容易に行えると共に、温度変化によるチューブ自体の伸縮がなく、温度変化に影響されにくい測定が可能となる。また、この静電容量式センサの場合には電極が２つ有るため、液体が入ったタンクを他の電極とする必要がないものであるが、一対の電極同士が保護用チューブにより連結されることによって、一対の電極の先端部分の強度が確保できるという効果がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電容量式センサの好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、従来例と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
（第１の実施の形態）
まず、図１を用いて静電容量式センサ１０の構成について説明する。なお、本実施の形態ではタンク５０の材質は導電性金属材であり、タンク５０自体を他方の電極（アース電極）として使用し、タンク５０に設けた静電容量式センサ１０の電極１２との間の静電容量を測定することによってタンク５０内の液体の液位を検出する構成としているが、さらに静電容量式センサ１０をもう一つ設け、一対の静電容量式センサ１０をタンク５０内に互いに平行となるように設置して両静電容量式センサ１０の電極間の静電容量を測定することによって液位を検出する構成としても良い。
【００１０】
電極１２は、細長い金属製（銅やステンレス等の導電性金属）の管体で形成され、その一方の端部側（図１の下端側）から、一端側（図１の下端側）が閉塞された合成樹脂製の保護用チューブ６４内に挿入され、この保護用チューブ６４内に装着されることによって、他方の端部側（図１の上端側）の外周面を除く殆どの外周面がチューブ６４により被覆されている。電極１２はその一方の端部がチューブ６４の閉塞された一端側まで達するように挿入されている。なお、電極１２へのチューブ６４の被覆方法としては従来例で述べた第２や第３の方法もある。
これによれば、電極１２が内部が中空の管体であるから、一方の端部が閉塞された保護用チューブ６４が被覆された電極１２であっても、従来例でいうチューブ６４内の隙間６６の空気が電極１２内を通過して抜けるので、空気が圧縮されることはなく、これにより電極１２やチューブ６４に空気の反発力が加わらないため、チューブ６４内への装着が容易に行えたり、また一旦装着した後に温度変化によってチューブ６４内の空気が膨張・収縮してもチューブ６４自体が伸縮することがなく、チューブ６４の厚さが変化しないことから温度変化に影響されにくい容量測定が可能となる。
また、電極１２の形状は、要するにチューブ６４で電極１２が被覆された際に、電極１２の両端間に亘る空気の通路が確保できれば良いのであるから、電極１２を管体で形成する構成以外にも、電極１２が中実体である柱体で構成されている場合には、例えば電極１２の外周面に両端間に亘る凹溝を形成するようにしても良いし、逆にチューブ６４との間に隙間が生ずるようなリブを凹溝に代えて電極１２の外周面に形成しても良い。
【００１１】
この電極１２はタンク５０の上面に設けられた開口部５０ａの口縁に取り付けできる構造のケース１４に固定されており、電極１２をタンク５０の開口部５０ａからタンク５０内に入れ、ケース１４を開口部５０ａの口縁に取り付けることによって電極１２はタンク５０内で垂下した状態となる。
また、ケース１４内には電極１２を介して測定された静電容量の値を、静電容量値に応じて周波数が変化する電気信号に変換する変換回路１６が設けられている。これにより、外部の制御部５４へ測定した静電容量の値を伝達することができる。このような容量の変化に応じて周波数が変化する電気信号を出力できる変換回路１６には種々の構成の回路を採用することができるが、例えば図５に示すような差動増幅器Ｑを用いた発振回路が代表的なものである。この発振回路では静電容量式センサ１０の電極１２と他方の電極（アース電極）であるタンク５０とがコンデンサＣ１を構成する。Ｒ１，Ｒ２，Ｓ，Ｐは回路要素である抵抗であり、この発振回路から出力される電気信号（ＶＯＵＴ）の周波数は、Ｃ１の静電容量，Ｒ１，Ｒ２，Ｓ，Ｐの各抵抗値によって決定される。よって、タンク５０内の液体の量が変化すれば、つまり液位が変化すればコンデンサＣ１の容量値もそれに伴って変化するから、発振回路からは液位に応じた周波数の電気信号が出力されるのである。なお、変換回路１６をこのように容量−周波数変換回路とするのはあくまでも一例であり、その他静電容量の変化に応じて電圧値が変化する電気信号を出力する容量−電圧変換回路であっても良い。
【００１２】
また、電極１２のケース１４への取付構造は、図１ではケース１４が導電性の金属材を用いて形成され、他の電極を構成するタンク５０に直接取り付けられるため、静電容量式センサ１０の電極１２をケース１４から電気的に絶縁するため、電気絶縁性を有する部材（一例として合成樹脂材）で形成されたボルト１８とナット２０を用いて取り付けられる。なお、ボルト１８およびナット２０には中心軸に沿った貫通孔がそれぞれ設けられており、この貫通孔内に電極１２が挿通される。
詳細には、ボルト１８の一端がケース１４に螺着され、電極１２の他方の端部側（図１の上端側）がボルト１８の他端（図１の下端）からその貫通孔内に挿入される。そして、さらに電極１２にナット２０を嵌め、ボルト１８の他端にナット２０を螺着する。この際、保護用チューブ６４の先端側から所定の距離Ｌだけ離れた外周面には樹脂製のリング２２が固定されており、ボルト１８の他端とナット２０との間でこのリング２２を挟み付けることにより電極１２がナット２０の先端から所定の距離だけ突出した状態で、かつケース１４から抜脱不能に固定されるのである。
【００１３】
また、ボルト１８に挿入された電極１２の端部（図１中の上端部）には、電極１２が導電性の管体であることを利用してネジ２４が螺着され、このネジ２４によって電極１２に金属製の接続端子（不図示）が固定され、この接続端子を介して変換回路１６が電極１２と電気的に接続される。同様にして変換回路１６はケース１４内部にネジ止めされた他の接続端子（不図示）を介してケース１４、さらにはタンク５０と電気的に接続され、静電容量式センサ１０の電極１２とタンク５０との間の静電容量を測定できる。
このように中空の電極１２の端部にネジ２４を螺着しても、チューブ６４内に残留した空気は電極１２の内周面に形成された雌螺とネジ２４の雄螺の各ネジ山間の隙間を通じて十分にケース１４内部に逃げることができるのである。
なお、電極１２の雌螺やネジ２４の雄螺の一部をスリット状に切り欠いて空気の通り道を積極的に設けるようにしても良いし、ネジ２４自体に軸線に沿った貫通孔を設けるようにしても良いし、電極１２に直接孔を開けるようにしても良い等、電極１２内部と外部とを連通させる構造は種々のものが採用できる。
【００１４】
（第２の実施の形態）
まず、図２を用いて本実施の形態の静電容量式センサ２６の構成について説明するが、基本的な構造は第１の実施の形態の静電容量式センサ１０と同様であり、同じ構成については同じ符号を付して説明は省略する。
タンク５０に収納された液体の比誘電率は、液体自体の温度が変化することによって変化する。このため、仮に液位が変化しなくても液体の温度が変化すると、静電容量式センサ１０によって測定される静電容量が変わってしまい、正確な液位の測定ができないという状態になる。
そこで、この温度変化を補償するために例えば図５の回路の場合には、抵抗Ｐと並列にタンク５０内の液体の温度変化に応じて抵抗値が変化するサーミスタＴＨを接続している。従来、このサーミスタＴＨは静電容量式センサ１０とは別体に単独の温度センサとして構成してタンク５０内部に装着されていたが、本実施の形態では、電極１２が管体であることを利用して電極１２内に配置し、一体化した静電容量式センサ２６としている。また、サーミスタＴＨは電極１２内に配置した配線によってケース１４内の変換回路１６に電気的に接続される。なお、温度補償用の電子部品（温度測定体）としてはサーミスタの他、変換回路の回路構成は変わるが、白金抵抗測温体も使用可能である。
【００１５】
この構成とすることによって、従来の静電容量式センサや第１の実施の形態の静電容量式センサのように静電容量式センサと共に別体の温度センサをタンク５０内に取り付ける必要がなくなり、静電容量式センサ２６だけを取り付ければ良いから、取付作業の時間短縮が図れ、また部品点数の削減も行えてコストが低減できるという効果もある。
なお、本実施の形態では、温度データを単独で外部に出力できるようにするため、温度データを周波数に変換する温度−周波数変換回路２８が変換回路１６と共に設けられているが、これは必要に応じて設けるようにすれば良く、必須のものではない。
【００１６】
（第３の実施の形態）
まず、図３を用いて本実施の形態の静電容量式センサ１０の構成について説明する。
本実施の形態の静電容量式センサ３０は、第１の実施の形態や第２の実施の形態の静電容量式センサ１０、２６とは異なり、静電容量式センサ３０自体に一対の電極１２が設けられたものである。従って、この内の一方の電極１２をアース電極とすれば、タンク５０を他の電極（アース電極）とする必要はなく、この静電容量式センサ３０のみで液位検出が可能である。
各電極１２の構造、電極１２のケース１４への取付構造は上述した各実施の形態の静電容量式センサ１０、２６と同じであり、特徴部分は各電極１２へのチューブ６４の被覆構造にある。
【００１７】
この被覆構造は図３に示すように、一対の電極１２を、両端が開口する合成樹脂製の保護用チューブ６４の当該両端開口部から保護用チューブ６４内に互いの挿入側端部同士が接触しないように挿着し、一対の電極１２が互いに平行となるように保護用チューブ６４をＵ字状に曲げられて成るものである。
なお、図３では一対の電極１２が双方とも管体で構成され、両方の電極１２からチューブ６４内の空気が抜ける構造となっているが、少なくとも１本が管体もしくは外周面に上述した凹溝やリブが設けられた中実体であり、空気が抜ける構造の電極１２であれば良い。
また、本実施の形態の構造であれば、上述したサーミスタ等の温度測定体を電極１２が管体で構成される場合には図４に示すように電極１２内に配置しても良いし、さらには図４の点線で示すように、一対の電極１２の形状にかかわらず、一対の電極１２の先端間に掛け渡されたチューブ６４内部に配置するようにもできる。
【００１８】
また、一対の電極１２同士が保護用チューブ６４によって連結されることによって、一対の電極１２が保護用チューブ６４を介して互いに支持しあい、双方の電極１２の先端部分の強度が確保できるという効果がある。
また、電極１２を１本ずつチューブ６４で被覆する場合には、チューブ６４の先端の閉塞処理が必要であったが、このようにチューブ６４の両端から電極１２を装着し、各電極１２の先端間に位置するチューブ６４をＵ字状に曲げることによって、先端の閉塞処理が不要となり、作業工程の簡略化が図れる。
また、第１や第２の実施の形態の静電容量式センサ１０、２６を２つ並設させて使用するのに比べて、電極１２同士を接近させて配置することができ、静電容量式センサ３０自体の外形をコンパクトにすることができる。
【００１９】
また、上述した第１、第２および第３の実施の形態について共通して言えることは、電極１２を管体で構成することによって、中実の電極を使用する場合に比べて電極１２自体の重量が軽くなり、結果として静電容量式センサ１０全体が軽量化できる。
【００２０】
次に、上記の静電容量式センサ１０を温水ボイラのタンクに使用した具体例を説明する。
温水ボイラには、供給された水を加熱するヒータ部３２と、ヒータ部３２への給液ラインに設けられた給液弁５６と、ヒータ部３２で加熱された水（温水）を蓄えるタンク５０と、タンク５０に蓄えられた温水を送出する送液ラインに設けられたポンプ６０と、ポンプ６０への供給電圧を制御するインバータ３４と、送液ラインに設けられた送液弁５８とが設けられている。
この温水ボイラのタンク５０の上面には、一例として第１や第２の実施の形態で説明した静電容量式センサ１０、２６が取り付けられており、従ってタンク５０が他の電極１２を構成する。なお、第３の実施の形態の静電容量式センサ３０を使用する場合には、タンク５０が他の電極とならないだけでその他は同様である。
【００２１】
制御部３６は、内部に周波数−電圧変換回路を有し、静電容量式センサ１０から出力される電気信号を受けて、周波数に応じた電圧を発生する。制御部３６はまた、発生したこの電圧と予め設定された基準電圧とを比較する比較回路や、この発生電圧を増幅して後述するインバータを駆動する駆動信号を出力する駆動回路等を有する。また、制御部３６は、周波数−電圧変換回路、Ａ−Ｄ変換器、コンピュータ、メモリ、駆動回路等でも構成することができる。
【００２２】
続いて、動作について説明する。
基本動作は、給液ラインからタンク５０内に供給される温水の量は一定ではなく変動しているため、制御部３６では静電容量式センサ１０から受けた電気信号に基づいて得られた電圧の変化から液位の変化を読み取り、タンク５０内の温水の液位が予め決められた基準範囲に常に入っているように、インバータ３４を介してポンプ６０の回転数を制御し、送液ラインから出力される温水量を制御している。
つまり、何らかの事情で給液量が増え、タンク５０内の液位が上昇した場合には、制御部３６は静電容量式センサ１０を介してこれを検出し、インバータ３４を介してポンプ６０の回転数を上げ、送液流量を増やすことで液位の上昇を抑える。
【００２３】
また、逆に給液量が減り、タンク５０内の液位が低下した場合には、制御部３６は静電容量式センサ１０を介してこれを検出し、インバータ３４を介してポンプ６０の回転数を下げ、送液流量を減らして液位の低下を抑える。
これにより、液位を予め決められた基準範囲内に維持することができる。また、このようにインバータ３４によってポンプ６０の回転数を制御し、各弁５６、５８のオン・オフ制御を行わないようにすることによってウォーターハンマー現象を無くすことができる。
【００２４】
また、上記の液位制御は、インバータ３４を介してポンプ６０の回転数を無段階に制御し、液位を連続的に制御する制御方法であるが、さらに基準範囲を挟んで上限液位と下限液位とを設定し、上限液位まで温水の液位が上昇したら制御部３６は給液弁５６をオフし、下限液位まで温水の液位が低下したら制御部３６は送液弁５８をオフするようにしても良い。これにより、何らかの原因でインバータ３４を介してポンプ６０の回転数を増減する制御方法では液位が制御できなくなった場合においても、タンク５０内の温水の液位を上限液位と下限液位との間に保つことができる。
さらに、この上限液位と下限液位を挟むようにして上下に上・下警告液位を設定し、液位が上警告液位を越えたり、また下警告液位以下になった場合にはオペレータに警報を発するようにしても良い。
なお、上限液位、下限液位、上・下警告液位は、制御部３６に比較器を設け、予め上限液位や下限液位や上・下警告液位に合わせた比較用の基準電圧を設定し、静電容量式センサ１０を介して得られた電圧とこれら比較用の基準電圧をと比較器において比較することで、液位が上限液位、下限液位、上・下警告液位に達したか否かを判断できる。
【００２５】
以上、本発明の好適な実施の形態について種々述べてきたが、本発明は上述する実施の形態に限定されるものではなく、温水以外にも、例えば純水、薬液、溶剤等の液体にも使用できるし、さらにはこれら液体の液位検出以外にも、例えば湿度を測定する湿度センサとしても利用することができる等、発明の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る請求項１の静電容量式センサによれば、チューブ内の空気は少なくとも一方の電極の内部若しくは外周面に形成された凹溝を通過できるので、チューブへの電極の装着が容易に行えると共に、温度変化によるチューブ自体の伸縮がなく、温度変化に影響されにくい測定が可能となる。また、この静電容量式センサの場合には電極が２つ有るため、液体が入ったタンクを他の電極とする必要がないものであるが、一対の電極同士が保護用チューブにより連結されることによって、一対の電極の先端部分の強度が確保できる。一対の電極間の間隔を２つの静電容量式センサを並設する場合に比べて狭くすることができ、また外形もコンパクトにできるという効果がある。また、電極が管体で構成される場合には、中空であるため、従来の中実の電極を用いる場合に比べて電極が軽くなることから、静電容量式センサも軽量化できるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量式センサの第１の実施の形態の構成を示す正面断面図である。
【図２】本発明に係る静電容量式センサの第２の実施の形態の構成を示す正面断面図である。
【図３】本発明に係る静電容量式センサの第３の実施の形態の構成を示す正面断面図である。
【図４】図３の静電容量式センサに温度測定体を収納した実施の形態の構成を示す正面断面図である。
【図５】容量−周波数変換回路の一例を示す回路図である。
【図６】静電容量式センサを温水ボイラのタンクの液位検出に用いた場合の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の静電容量式センサによるタンクの液位検出の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に使用された静電容量式センサの構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１０静電容量式センサ
１２電極
６４保護用チューブ

Claims

少なくとも１本が金属製の管体若しくは外周面に両端間に亘る凹溝が形成された金属製の柱体で構成された一対の細長い電極を有し、該一対の電極を合成樹脂製の保護用チューブの両端から該保護用チューブ内に挿着し、一対の電極が互いに平行となるように保護用チューブがＵ字状に曲げられて成ることを特徴とする静電容量式センサ。