JP3895048B2 - 容量式センサ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合液の成分混合比等を計測する容量式センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容量式センサ装置は、液体等の被検出流体の比誘電率が、成分混合比等の物理量に応じて変化することに着目した装置で、被検出流体中に電極を配設して電極を被検出流体の比誘電率に応じて静電容量が変化するキャパシタとなし、キャパシタの静電容量に基づいて上記物理量を測定する。静電容量は、例えば、このキャパシタを有するＣＲ発振回路を構成し、キャパシタの充放電によりキャパシタの静電容量に比例した周期の発振出力を得ることで知られるようになっている。この場合、発振信号の周期はＣＲ発振回路の時定数に比例し、原理的には、静電容量に比例する比誘電率は上記時定数に比例することになる。したがって、発振信号から一定数の振動がカウントされるまでの時間を測定すれば、その時間が比誘電率に比例することになり、計測時間から比誘電率が簡単に演算できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる容量式センサ装置において、高精度化を阻害するものに、電極と接地等間に生じる寄生容量の影響がある。例えば、キャパシタを被検出流体が流通するハウジング内に格納した構成の容量式センサ装置では、ハウジングは堅牢さや外部からのノイズの影響の防止の観点から金属で作られるため、図７に示すように、電極９１とハウジング９３の間に寄生容量９２が発生する。この寄生容量は、電極９１とハウジング９３間の距離や被検出流体の比誘電率によって大きさが変化するから、被検出流体の比誘電率と計測時間の間の線形性がずれ、複雑な計算式や補正マップが必要になり、装置が複雑化する。なお、このように電極を格納するハウジングを有する装置では、ハウジングの形状を大きくしてハウジングと電極との距離をとることにより、寄生容量をある程度抑えることができるが、このような寄生容量防止策は、近年の装置の小型化の要請からは到底容認できるものではない。
【０００４】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、寄生容量を低減して簡単な構成で高い測定精度が得られる容量式センサ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、容量式センサ装置は、被検出流体中に電極を配設して、被検出流体の測定しようとする物理量に応じて比誘電率が変化することにより静電容量が変化するキャパシタとする。キャパシタの静電容量に基づいて上記物理量を測定する。電極の周囲に間隔をおいて低誘電性の絶縁材料で構成した包囲部材を設け、該包囲部材には被検出流体が流通する開口部を形成する。
【０００６】
電極を囲む包囲部材により、電極と例えば接地間の寄生容量が小さく抑えられ、寄生容量による物理量の測定誤差を補正する必要がなくなる。また、本発明を、ハウジングを有する構成の容量式センサ装置に適用すると、寄生容量が小さく抑えられることで、ハウジングを大型にしたのと同じ効果を得ることができ、形状の小型化と寄生容量の低減とを両立せしめることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、上記キャパシタの充放電によりキャパシタの容量に応じた周波数で発振する発振回路を具備せしめて発振信号の周期変化に基づいて被検出流体の物理量を測定する構成とし、かつ発振回路を上記電極の電圧が接地電位に対して正負に交番する構成とする。
【０００８】
上記電極の電圧が正負に交番するので、被検出流体の導電率によって電極と被検出流体間に電流が流れても、その電流は絶えず向きを反転させることになる。しかして、電極表面における電気腐食を防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に燃料電池システムに適用した本発明の容量式センサ装置の実施形態を示す。容量式センサ装置１は、水とメタノールの混合器から被検出流体たる水／メタノール混合液をメタノール改質器に送出する管路の途中に設けられ、水とメタノールの混合比が水／メタノール混合液の比誘電率の関数であることを利用して上記混合比を計測するものである。燃料電池システムでは、容量式センサ装置１の計測結果は水およびメタノールの供給量を調整するバルブ制御に用いられ、水／メタノール混合液の混合比が管理される。
【００１０】
容量式センサ装置１は、ハウジング２を有し、ハウジング２は５つのハウジングユニット２１，２２，２３，２４，２５から構成されている。ハウジングユニット２１，２４，２５はステンレススティール等の金属製で、ハウジングユニット２２，２３は、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）材を成形したものである。第１のハウジングユニット２１は、厚肉のブロック状部材に凹部２１ａが形成されたもので、凹部２１ａを横切る横穴８が形成してある。
【００１１】
第１のハウジングユニット２１の凹部２１ａには、これを埋めるように、包囲部材たる第２、第３のハウジングユニット２２，２３が配設してある。
【００１２】
第２、第３のハウジングユニット２２，２３には、第２のハウジングユニット２２の凹部２２ａを第３のハウジングユニット２３が上方より閉鎖することで、空間２ａが形成してある。また、第２、第３のハウジングユニット２２，２３には、図の左右に開口部２０１，２０２が形成され、空間２ａと上記横穴８とを連通せしめている。
【００１３】
横穴８の両端部８１，８２は上記混合器およびメタノール改質器と接続するための接続部８１，８２としてあり、ハウジングユニット２２，２３の空間２ａを、水／メタノール混合液Ｌが流通するようになっている。
【００１４】
ハウジングユニット２２，２３の空間２ａには、キャパシタたる検出キャパシタ４１Ａ、温度センサ７が配設してある。
【００１５】
このように、ハウジング２は、ハウジングユニット２１，２４とで形成される外側のハウジング部とハウジングユニット２２，２３とで形成される内側のハウジング部とからなり、ハウジングユニット２２，２３は検出キャパシタ４１Ａ、温度センサ７を包囲している。
【００１６】
第４、第５のハウジングユニット２４，２５は第３のハウジングユニット２３の上方に設けられる。第４のハウジングユニット２４は円形の箱状に成形されたもので、これを蓋となる第５のハウジングユニット２５が上方より螺着されて閉鎖し、空間２ｂが形成してある。空間２ｂには回路基板３１，３２が配設してある。回路基板３１，３２は第４のハウジングユニット２４に保持されている。
【００１７】
また第４、第５のハウジングユニット２４，２５は、図略のボルトにより第１のハウジングユニット２１に固定され、第２，第３のハウジングユニット２２，２３が第１のハウジングユニット２１と、第４、第５のハウジングユニット２４，２５の間に挟持される。しかしてハウジング２はそのハウジングユニット２１〜２５が互いに密着して一体化する。
【００１８】
検出キャパシタ４１Ａは、所定の間隔をおいて上下方向に積層する多数の電極たる電極板４１１，４１２により構成され、電極板４１１，４１２は、空間２ａの上壁である第３のハウジングユニット２３から垂下する支柱３３、リード支柱３４により保持されている。リード支柱３４は、図示されないものが奥側にもう１つ設けてあり、いずれも第３、第４のハウジングユニット２３，２４を貫通して空間２ｂに進出している。２つのリード支柱３４はキャパシタ４１Ａの正負のリード部をなしている。電極板４１１，４１２は交互にいずれかのリード支柱３４を介して回路基板３１，３２と接続されており、交互に水／メタノール混合液を挟んで対向する正側電極４１１群と負側電極４１２群とを形成する。検出キャパシタ４１Ａの静電容量は空間２ａの水／メタノール混合液Ｌの比誘電率に応じて変化する。
【００１９】
温度センサ７は抵抗温度計等で構成され、第３のハウジングユニット２３から垂下するケース３５内に収容してある。温度センサ７のリード３６は回路基板３１，３２と接続されている。
【００２０】
図２に、キャパシタ４１Ａ、温度センサ７、回路基板３１，３２により形成される検出回路を示す。キャパシタ４１Ａ、温度センサ７以外の部分は回路基板３１，３２上に実装される。
【００２１】
検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとは、インバータ４３を直列に接続した等価な回路構成のＣＲ発振回路で、発振信号は、「Ｌ」レベルと「Ｈ」レベルを繰り返すパルス信号となる。検出器側発振回路４Ａの充放電回路は、検出キャパシタ４１Ａと抵抗４２Ａとで構成され、検出器側発振回路４Ａの発振周波数（検出器側発振周波数）は水／メタノール混合液Ｌの比誘電率に応じて変化する。一方、基準側発振回路４Ｂの充放電回路は、基準キャパシタ４１Ｂと抵抗４２Ｂとで構成され、基準側発振回路４Ｂの発振周波数（基準側発振周波数）は設置環境が一定していれば一定値をとる。検出器側発振回路４Ａの発振出力（検出器側発振出力）はカウンタ５Ａに入力し、基準側発振回路４Ｂの発振出力（基準側発振出力）はカウンタ５Ｂに入力する。
【００２２】
各カウンタ５Ａ，５Ｂには、また、マイクロコンピュータ６から同時にリセット信号が入力し、各カウンタ５Ａ，５Ｂは、リセット信号が入力すると、その時点から発振出力のパルスをカウントし、規定数のパルスをカウントすると規定パルス到達信号をマイクロコンピュータ６に返送するようになっている。
【００２３】
マイクロコンピュータ６はＣＰＵ、メモリ等よりなる一般的な構成のもので、両カウンタ５Ａ，５Ｂから規定パルス到達信号を受け取るとその時間差から後述するように水／メタノール混合液Ｌの混合比を演算するようになっている。
【００２４】
マイクロコンピュータ６にはまた、温度センサ７から検出信号が入力し、マイクロコンピュータ６は、後述するように上記混合比の演算において温度センサ７による検出温度に応じて補正演算をするようになっている。
【００２５】
本容量式センサ装置１の作動を説明する。図３にマイクロコンピュータ６で実行される制御フローを示す。ステップＳ１０１では、温度センサ７の検出信号を読み込み、水／メタノール混合液Ｌの温度を得る。
【００２６】
ステップＳ１０２では、カウンタ５Ａ，５Ｂにリセット信号を出力し、検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂの規定パルス到達時間の差を計測する。
【００２７】
規定パルス到達時間は規定パルス数を発振周波数で除した時間であるから、規定パルス到達時間差は、検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとの充放電回路の時定数偏差に比例し、時定数はキャパシタ４１Ａ，４１Ｂの静電容量に比例する。
【００２８】
ここで、従来の装置ではキャパシタ４１Ａの静電容量が上記のごとく寄生容量の影響を受ける。しかし、本容量式センサ装置１では、電極４１１，４１２を第２、第３のハウジングユニット２２，２３が包囲しているから、電極４１１，４１２と金属製の第１、第４のハウジングユニット２１，２４の間に生じる寄生容量は、ＰＥＥＫ材を誘電体とするものである。ＰＥＥＫ材は、比誘電率が、水の約８０、メタノールの約３０に対して２程度と、極めて低い値を示す。したがって、寄生容量の静電容量は、ハウジングユニット２２，２３がない場合よりも大幅に抑えられ、その結果、水／メタノール混合液Ｌの混合比が変化しても寄生容量は実質的に一定とみなせる小さなレベルとなる。
【００２９】
したがって、被検出流体の比誘電率を、計測時間との直線的な対応関係に基づき演算しても計測誤差はごくわずかである。
【００３０】
さらに、検出器側発振回路４Ａとともに、これと等価な基準側発振回路４Ｂを設けることで、装置の設置環境による外乱の発振回路に与える影響を相殺し、測定誤差の低減を図っている。
【００３１】
さて、検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとで、充放電回路を構成するキャパシタ４１Ａ，４１Ｂの容量や抵抗４２Ａ，４２Ｂの抵抗値が等しいと仮定すると、検出器側発振周波数と基準側発振周波数とは等しい。するとカウンタ５Ａ，５Ｂからの規定パルス到達信号は同時にマイクロコンピュータ６に返送され、規定パルス到達時間差は０である。
【００３２】
水／メタノール混合液Ｌの混合比が変化して水／メタノール混合液Ｌの比誘電率が変化すると、水／メタノール混合液Ｌの比誘電率に応じて、規定パルス到達時間差が直線的に変化する。
【００３３】
このように規定パルス到達時間差は水／メタノール混合液Ｌの混合比に応じて変化するが、比誘電率が、水／メタノール混合液Ｌの混合比に加えてその温度の関数でもあるため、水／メタノール混合液Ｌの混合比は規定パルス到達時間差および水／メタノール混合液Ｌの温度で特定される。ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１にて検出した水／メタノール混合液Ｌの温度に基づく補正を加味して、規定パルス到達時間差から水／メタノール混合液Ｌの混合比を演算する。すなわち、マイクロコンピュータ６のメモリ（ＲＯＭ）には、予め、水／メタノール混合液Ｌの規定パルス到達時間差と混合比の関係式を記憶しており、水／メタノール混合液Ｌの検出温度に対応した関係式により、混合比を演算する。
【００３４】
規定パルス到達時間差と温度センサ７の検出温度とに基づいて、上記のごとく水／メタノール混合液Ｌの混合比が求められ、上記バルブの制御用の制御装置に出力される（ステップＳ１０４）。
【００３５】
図４は、規定パルス到達時間差の特性を示すグラフで、水／メタノール混合液Ｌの水の割合を変化させたときのものである。図中、本実施形態になる容量センサ式センサ装置（絶縁体あり）とともに、包囲部材（２２，２３）を有しない従来型の装置（絶縁体なし）のものを併せて示している。
【００３６】
規定パルス到達時間差の計測値は、その回帰直線からのずれが、いずれも水の割合が９０％のときに最も大きく、従来例（絶縁体なし）では２６．４μｓであったのに対し、本発明（絶縁体あり）では２１．６μｓであり、直線性が１８％も向上した。
【００３７】
このように、本発明によれば、簡単な構成で、寄生容量の発生を抑え、測定精度を向上させることができる。しかも、本実施形態のごとく電極を格納する金属製のハウジングを有する場合には、ハウジングを大型化することなく、寄生容量を抑えることができ、装置の小型化と寄生容量の低減との両立を実現できる。
【００３８】
なお、本発明は、検出器側発振回路とともに基準側発振回路を設けて発振回路の温度特性を相殺する構成の装置に適用したが、検出器側発振回路単体の構成の装置にも適用し得る。
【００３９】
（第２実施形態）
第１実施形態の構成では、イオン化傾向の高い成分が含まれる場合等、被検出流体の導電率が高いと、電極表面において電気腐食が生じるおそれがある。本実施形態はかかる電気腐食を防止する構成を提供するもので、第１実施形態の構成において、検出器側発振回路を別の構成に代えたものである。図５に、この発振回路の構成を示す。
【００４０】
この発振回路４ＡＡでは、インバータ４３は東芝ＴＣ７４ＨＣＵ０４等のインバータＩＣで構成され、その電源として、インバータＩＣのＶDD端子には正電圧を印加し（例えば＋２．５Ｖ）、ＶSS端子には負電圧を印加する（例えば−２．５Ｖ）。図６は、各電極４１１，４１２の電位を示すもので、Ａ点（一方の電極側）およびＢ点（他方の電極側）は、電源の電位が負側にシフトすることにより、接地電位に対して正負に振れる波形となる。しかして、被検出流体の導通率が高く被検出流体と電極４１１，４１２間に電流が流れる場合であっても、電流の向きが交互に変わるから、電極４１１，４１２表面における電気腐食を防止することができる。
【００４１】
なお、電気腐食を防止するには、各電極４１１，４１２の電位が接地電位を中心に正負に同じ大きさで振れるのが理想的である。したがって、上記のごとく、｜ＶDD｜＝｜−ＶSS｜とするのが望ましい。
【００４２】
なお、電極とハウジング間の寄生容量の他、電極とリード支柱間にも寄生容量が生じるから、さらに寄生容量の影響による測定誤差を抑えるには、リード支柱を上記ＰＥＥＫ等の絶縁材料により被覆するのがよい。
【００４３】
また、包囲部材は、ポリエーテルケトンに限定されるものではなく、例えば、ポリアセタールやポリイミド等の低誘電性の絶縁材料が好適に用いられ得る。この場合、寄生容量の影響を抑えるには、比誘電率が被検出流体の比誘電率に比して十分に小さな絶縁材料が望ましいが、要求される測定精度や、絶縁材料の被検出流体に対する耐薬品性に応じて適宜選択する。
【００４４】
また、温度変動等があまり大きくない場合等、比誘電率の測定値の温度の影響を無視してよければ、温度センサによる補正は省略した構成でもよい。
【００４５】
また、本発明は燃料電池システムにおける水／メタノール混合液濃度の計測用だけではなく、他の液体等の物理量の計測に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量式センサ装置の断面図である。
【図２】本発明の容量式センサ装置の回路図である。
【図３】本発明の容量式センサ装置の作動を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の容量式センサ装置の作動を説明するグラフである。
【図５】本発明の別の容量式センサ装置の要部回路図である。
【図６】本発明の別の容量式センサ装置の作動を説明するタイムチャートである。
【図７】従来の容量式センサ装置の課題を説明する回路図である。
【符号の説明】
１ 容量式センサ装置
２ ハウジング
２２，２３ ハウンジングユニット（包囲部材）
２０１，２０２ 開口部
４Ａ 検出器側発振回路（発振回路）
４１Ａ 検出キャパシタ（キャパシタ）
４１１，４１２ 電極
４２Ａ 抵抗
４Ｂ 基準側発振回路
４１Ｂ 基準キャパシタ
４２Ｂ 抵抗
５Ａ，５Ｂ カウンタ
６ マイクロコンピュータ
７ 温度センサ
Ｌ 水／メタノール混合液（被検出流体）

Claims (2)

1. 被検出流体中に電極を配設してなるキャパシタであって被検出流体の測定しようとする物理量に応じて比誘電率が変化することにより静電容量が変化するキャパシタを設け、キャパシタの静電容量に基づいて上記物理量を測定するようになした容量式センサ装置において、電極の周囲に間隔をおいて低誘電性の絶縁材料で構成した包囲部材を設け、該包囲部材には被検出流体が流通する開口部を形成したことを特徴とする容量式センサ装置。
2. 請求項１記載の容量式センサ装置において、上記キャパシタの充放電によりキャパシタの容量に応じた周波数で発振する発振回路を具備せしめて発振信号に基づいて上記被検出流体の物理量を測定する構成とし、かつ発振回路を上記電極の電圧が接地電位に対して正負に交番する構成とした容量式センサ装置。

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