JP4208572B2 - 水準を計測するための方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、容量性センサ回路によってコンテナの内容物の水準を測定するための方法に関する。この発明はまた、この方法を実施するための装置に関する。当コンテナ内容物は、液体、その他の流体物質、微粒子などの流出可能固体および気体さえも含む。

コンテナにおける液体の水準の容量性測定は、２つのキャパシタプレートをコンテナに沈めることによって実行できることは既知であり、その分離ギャップは、誘電体として、部分的に液体で、部分的に空気で充填される。したがって、このようにして形成されたキャパシタの静電容量は、２つの媒体である空気および液体の異なる誘電率に対応する２つの部分的な静電容量からなる。このキャパシタの合計静電容量と液体の水準との間には線形の関係があり、水準は、２つのプレート間の合計静電容量または変位電流を決定することによって決定できる。

水準測定のための装置は、たとえば、ＥＰ−Ａ １００ ５６４の目的である。この装置の不利な点は、精密キャパシタのプレートまたは管を液体に沈めなければならないということであり、これは多くの適用例において困難であるまたは不可能である。この一例は、電池のセルであり、電池のセルにはこの目的のために、対応する孔が与えられなければならないであろう。さらに、キャパシタは、電解質による腐食および電池の電荷による電気干渉にさらされるであろう。他の適用例において、たとえば、乗物または航空機の燃料タンクの内容物の測定において、発生した変位電流によって、高度に可燃性の液体が点火され得る危険性があり、これは、このシステムがそのような場合に使用できないということを意味する。

請求項１の前置きの節が基づいている、ＵＳ−Ａ３，１１９，２６６は、容量性センサ回路を必要とする水準測定のためのシステムについて説明しており、これは、２つのキャパシタプレート、すなわちコンテナの壁と電極とからなり、これら双方はコンテナの内容物と接触している。これらの２つの要素はキャパシタを形成し、静電容量におけるこれらの変化は、キャパシタプレート間の媒体における変化の関数として測定される。したがって、ＥＰ−Ａ １００５６０に関連する上述の同じ説明および同じ不利な点がこのシステムに当てはまる。

ＤＥ−Ａ３２ ４８ ４４９は、液体の水準を測定するための装置を提示し、説明しているが、そこでは円筒形の同軸に構成されたキャパシタが、液体に沈められ、このキャパシタには静止マウントが与えられている。この設計のため、この種類の装置は、たとえば乗物または航空機の燃料タンクといった内容物が絶えず動いた状態にあるコンテナの充填水準を決定するのに適切でない。

この発明の目的は、コンテナにおいて適切な調節をせずに、または２つのプレートからなるキャパシタを使用せずに、コンテナにおける水準の容量性測定を行なうための方法および装置を利用可能にすることである。

この発明に従って、この目的は、請求項１に明記された特徴を有する方法によって達成される。

センサは、たとえば金属またはポリマーといった導電性材料からなり、適用例に従って、たとえば平らにまたは丸く設計されることができる。

この方法を実施するために好適な装置は請求項１０および１１に明記されている。

センサがアクティブセンサとして使用される場合に、交流電圧がそれに印加されて、電流の強さはセンサに対する水準の高さ次第となる。この電流の強さは、電気的に処理された後で水準として表示されることができる。

センサがパッシブセンサとして使用される場合に、コンテナ自体の内容物において交流電圧が生じる、または交流電圧が外部から与えられて、センサで容量性交流電流を生じ、これは電気的な処理の後に水準として表示されることができる。

双方の場合において、センサ信号は、電線または無線で測定装置に伝達されることができる。

これまでの技術と比べて、この発明の方法および装置は、２つのキャパシタ要素のうちの一方が内容物自体によって形成され、他方のキャパシタ要素がセンサであるという利点を有する。したがって、変位電流はコンテナ壁を通してのみ通過するが、コンテナの内容物を通して通過することはない。

この発明の別の特徴に従って、センサを交流電圧源に接続して、センサから発する電界が生じるようにする可能性がある。この電界は、コンテナにおける水準（内容物：空気の高さの比率）によって変化し、測定されかつ表示されることができる。

たとえば、航空機の燃料タンクにおける水準といった位置が絶えず変化しているコンテナにおいて、水準ができるだけ正確に決定されなければならない場合、この発明の改良に従って、いくつかのセンサを異なる位置に置いて、すべてのセンサからの信号の平均値を形成することが可能である。これは、時定数が数秒であるＲＣローパスフィルタ回路を使用して決定されることができる。

請求項１７から２１に明記されているこの発明の別の変形に従って、測定された水準は、水準を自動的に訂正するおよび／または臨界充填水準に達したときに警告信号を与える装置に接続されることができる。

この発明を図面に示されたこの発明の実施例を参照して以下で説明する。

図１は、内容物１２を有するコンテナ１０の概略的な断面を示している。コンテナ１０は、たとえば燃料タンクまたは電池セルであってもよい。このコンテナ１０は円筒形のまたはある他の形状を有してもよく、カバー１４で閉められる。コンテナ１０の壁の厚さはｄと明示されている。

ロッド１６またはプレートは、コンテナ１０のカバー１４を通過して、たとえば電池セルの鉛プレート内部に至り、それによって導電性の液体の内容物１２は接地されて、センサ２２の効果を増大させることができ、これは以下で説明される。カバー１４の外側で、プレート１６はヘッド１８を有し、それにより固定される。

金属センサ２２はコンテナ１０の外部壁２０に取付けられる。それは、コンテナ１０の高さのほぼ全体に延在する。センサ２２は電線２４に接続され、この電線は交流電圧源２６に接続され、交流電圧源は線２４で周波数fの交流電流を生じる。加えて、たとえば電流計といった測定または表示装置２８が線２４で接続される。

センサ２２と液体１２との間の厚さｄを有する壁２０は、内容物１２およびセンサ２２によって形成されたキャパシタの誘電体を構成する。壁２０は、たとえばプラスチックまたはガラス繊維材料といった非導電性材料で構成される。

クーロンの法則に従って、以下を静電容量に適用する。

Ｃ＝ε₀×ε_r×Ａ／ｄ
式中Ａ＝キャパシタの領域（Ａ＝ｂ×ｈ）
ただしｈ＝充填水準までのセンサ２２の高さ
ｂ＝センサ２２の幅（図示せず）。

オームの法則に従って以下を適用する。

Ｉ＝Ｕ／Ｘ_C
式中Ｉ＝測定装置２８によって測定された電流の強さ
Ｕ＝交流電圧源２６で生じた電圧
Ｘ_C＝容量性リアクタンス
式中Ｘ_C＝１／ω×Ｃ
ただしω＝２πｆ
ｆ＝電圧Ｕの周波数
クーロンおよびオームの２つの式を組合せることによって、測定された電流の強さに対して以下が得られる。

Ｉ＝Ｕ／ｄ×ω×ε₀×ε_r×ｂ×ｈ
ただし
Ｕ／ｄ×ω×ε₀×ε_r×ｂ＝Ｋ（定数）
したがって、電流の強さＩと高さｈとの間で以下の線形の関係が得られる。

Ｉ＝Ｋ×ｈ
または
ｈ＝Ｉ／Ｋ
したがって、電流の強さＩは、コンテナ１０の内容物１２の水準の高さに比例して変化する。したがって、電流の強さを測定して、それを内容物１２の水準として表示することおよび／またはそれを電気信号として使用して、図８または図９に示され、水準を自動的に訂正する（内容物１２を充填するまたは排出する）種類の装置を作動させることが可能である。

図２は、この発明の実施例を示しており、それに従って、非導電性材料で作られたコンテナ１０の外側に取付けられたセンサ２２は、交流電圧源２６に接続されて、センサは電界を生じるようにされ、その力線は図２に示されている。非接地の内容物１２の性質次第で、この電界は、水準の高さ次第で、強めるまたは弱める程度とともに強くされるまたは弱くされる。この電界および電界における変化は、測定装置２８によって測定されかつ表示されることができ、自動装填水準の訂正を始動するのに使用されることができる。

図３は他の変形を示しており、センサ２２は内容物１２の中に沈められている。内容物が導電性である場合、センサ２２は非導電性ジャケット３４によって内容物から絶縁されなければならない。コンテナ１０の壁２０は、導電性または非導電性であるかもしれないいかなる所望の材料からもなり得る。加えて、内容物１２および／またはコンテナ１０を接地３６に接続することが可能である。

図３に示される変形において、交流電圧源２６はまた、センサ２２で電界を生じ、それは水準とともに変化し、測定装置２６で測定されかつ表示されることができる。

内容物１２にセンサ２２を挿入するまたは非導電性材料の壁２０で内容物をモニタする代わりとして、コンテナ１０の製造時に、外部壁２０にセンサ２２を埋込む可能性もある。センサ２２はまた、絶縁ジャケット３４で囲まれかつ壁２０の内部表面に直接取付けられ得る。

当然のことながら、図３に示されるシステムにおいて、内容物１２および壁２０が非導電性である場合、センサ２２のジャケット３４は不必要である。

図４はコンテナ１０の上面図を示しており、コンテナにはその壁２０のいくつかの場所にセンサ２２が装備されている。各々のセンサ２２は独自の測定装置２８を有するかも知れず、またはセンサ２２のすべてが共通の測定装置２８を有するかも知れず、コンテナ１０の充填水準が異なる場所で決定されることができる。平均値は、異なるセンサ信号から電気的に形成されることができ、コンテナ１０の充填水準は、コンテナの内容物１２が動いた状態にあるときでさえ、所望の正確さをもって表示されることができる。このセンサシステムの典型的な適用例は航空機における燃料タンクである。

平均値を形成するために、時定数が数秒であるＲＣローパスフィルタを使用することができ、これは図５に描かれている。整流器３０を使用して、センサ２２の交流電流信号は、電圧Ｕを有する直流としてローパスフィルタ３２に与えられ、ローパスフィルタは抵抗器ＲおよびキャパシタＣからなり、そこから、十分の数ヘルツのｆ＝１／ＲＣより高い周波数を有する成分なしの水準として表示される。平均値が、このようにして処理されたいくつかのセンサ２２の信号から形成されるとき、コンテナ１０が動いておりかつその内容物が振り動かされている場合でさえも、正確な充填水準が得られる。

図６および７は別の考え得る適用例を概略的に表わしており、容量性センサ２２はパッシブセンサとして使用されている。容量性センサは、コンテナ１０、たとえば電池セルの非導電性の外部壁２０に取付けられる。パルス充電またはパルス放電によって、電圧の変化がセルの電解質において生じ、これは電圧源２６での方形波電圧によって示されている。これによって、電解質１２とセンサ２２との間に電界が生じ、これはセンサ２２の容量性電流消費につながり、これは電解質１２の充填水準の関数として変化する。このシステムを適切に較正した後で、この変化は電解質の充填水準として、アナログまたはデジタルの形で表示されることができる。

電池が短期間に繰返し放電されるとき、パルスが電解質から生じ、したがって、センサ２２の容量性電流消費が電池の充電状態の関数として低下する。このシステムを適切に較正した後で、この低下は電池の現在の残留電荷についての情報を与え、この残留電荷が表示されることができる。

もはや新しくない電池を完全に充電した後で、今説明した方法を使用して、センサ２２の容量性電流消費から電池の実際の残留容量を決定することができ、元の定格容量と比較した後で、残留容量は元の定格容量の分数として表示されることができる。この表示は、ユーザに、電池の現在の一般的な状態を知らせる。

図７は、図６に示され３つのセルを有する電池の考え得る適用例を概略的に示している。 パッシブセンサとしてのセンサの使用は電池に限定されず、むしろ交流電圧が外部からコンテナの内容物に与えられて、センサの容量性電流消費から内容物の水準またはその他の可変特性を決定するのを可能にする適用例が考えられる。

この発明に従った方法および装置は、充填水準を測定するのに、多くの分野において、たとえば製造工程、薬の投与において、たとえば実験室で注入物等をモニタするのに、または電池モニタリングで使用されることができる。既に述べたように、センサを使用して決定された測定結果を用いて、充填水準の訂正を制御し、臨界充填水準に達したときに警告信号を引き起こすことができる。

この特質において、図８は電池ケースとして設計され、液体１２（電解質）を含むコンテナ１０を概略的に示している。コンテナ１０のカバー１４には液体供給線３８が与えられ、これは、コンテナの液体の水準が所定の最小の高さｈ′よりも下に下がったときに、コンテナ１０に液体（蒸留水）を与える４０ために使用される。

液体線３８の拡張部分４２は弁４４を含み、この弁は駆動装置４６によって制御される。ここに示された実施例において、駆動装置４６は電磁的に動作し得、電気信号線４８は制御のために使用される。

容量性水準センサ２２は、コンテナ１０の外壁２０に取付けられている。それは継続してコンテナ１０の液体１２の高さｈ′を測定し、液体の水準が所定の最小の高さよりも下に下がったときに、電気信号を、同様にコンテナ１０の外側に取付けられた電子制御ユニット５０に送る。電圧源５２は、制御ユニット５０およびセンサ２２の双方に電流を与える。

しかしながら、充填水準に従って、光学測定信号、音響測定信号、気圧力学的測定信号または水力学的測定信号を受信する水準センサ２２を与える可能性もあり、これらの測定信号は次に、制御ユニット５０で電気制御信号に変換されて、信号線５６を通して駆動装置４６に伝えられる。

コンテナ１０の液体１２の水準が最小の高さｈ′よりも下に下がったときに、センサ２２は信号を発し、この信号は制御ユニット５０によって、信号線４８を通して電磁駆動装置４６に伝えられる。これによって、弁４４が図８に示される開いた位置に持上げられ、液体が、液体線３８を通って、矢印で示された方向に向かってコンテナ１０に与えられる。再び所定の水準に達するとすぐに、駆動装置４６は制御ユニット５０を介してセンサ２２からの制御信号を受信して、弁は再び閉じられる。

図９に示される実施例において、コンテナ１０は液体１２としての水で満たされたトイレの水タンクである。電圧源５２を有する電子制御ユニット５０がタンク１０のカバー１４に取付けられている。電子制御ユニット５０は、信号線４８によってセンサ２２に接続され、センサはここでも再びタンク１０の外部壁２０に取付けられている。

水を与える４０ための液体供給線３８がカバー１４を通ってタンク１０に開いている。拡張部分４２に、垂直に動かすことができるように取付けられた弁４４は、タンク１０への水の流入４０を制御するのに使用される。ここでも再び、弁４４の駆動装置４６は信号線４８および電子制御ユニット５０を通して、センサ２２によって制御される。

タンク１０の底部５８において、弁４４を有する別の液体線３８′があり、これは水の放出６０を制御する。この弁４４の駆動装置４６はまた、電気信号線４８′によって制御ユニット５０に接続される。

図８と同様のシステムは、たとえば、夜間に市の水道設備から水を供給される住宅建物の屋根の水貯蔵タンクに適している。

容量性センサ回路を有するコンテナの概略断面図を示す。 この発明に従って設計された図１の変形の断面図を示す。 別の変形の断面図を示す。 いくつかのセンサを備えたコンテナの概略上面図を示す。 図４の例で使用するためのローパスフィルタを備えた回路の例を示す。 別の適用の例の断面図を示す。 図６の適用例から導かれる回路図を示す。 センサ回路によって制御される自動充填装置を有する電池を概略的に表わした図である。 図８の装置の変形を示す。

Claims (15)

1. 容量性センサ回路の助けによってコンテナ（１０）の内容物の水準を測定するための方法であって、センサ（２２）は電線（２４）によって既知の周波数（ｆ）の交流電圧源（２６）に接続され、
   前記線（２４）での電流の流れを測定装置（２８）で測定および／または表示するステップを備え、測定された電流の強さは前記内容物の水準に正比例し、
   交流電圧を前記内容物（１２）に印加するまたは前記内容物において生じさせるステップと、
   単一のパッシブに作用するセンサ（２２）および前記コンテナの前記内容物からなるキャパシタの静電容量を水準として測定しかつ表示するステップとをさらに備え、
   前記センサ（２２）は前記コンテナ（１０）の壁（２０）に取付けられ、前記コンテナ（１０）において予測されるすべての水準の高さにわたって延在することとを特徴とする、コンテナの内容物の水準を測定するための方法。
2. 前記センサ（２２）は非導電性材料の壁（２０）の外側に取付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記交流電圧源（２６）は前記内容物（１２）から分離して接地されていることを特徴する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記センサ（２２）は導電性の内容物（１２）に沈められかつ導電性の内容物から電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. いくつかのセンサ（２２）が前記コンテナ（１０）の中にまたは前記コンテナ上の異なる場所に取付けられ、平均値がセンサ（２２）のすべての静電容量値から生成されかつ表示されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. １つまたはそれより多いセンサ（２２）の電流の強さは時定数が数秒であるＲＣローパ
   スフィルタ回路（３０）によって決定されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記測定装置（２８）で決定された値は信号として使用され、充填水準を自動的に訂正するための装置を起動することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 請求項１から９のいずれかに記載の方法でコンテナ（１０）の内容物（１２）の水準を測定するための装置であって、単一のセンサ（２２）を特徴とする容量性センサ回路を含み、単一のセンサは前記コンテナ（１０）の中にまたは前記コンテナ上に取付けられ、単一のセンサに交流電圧源（２６）が電線（２４）によって接続され、静電容量を決定するための測定装置（２８）が前記線（２４）で接続され、
   前記コンテナ（１０）の中にまたは前記コンテナ上に取付けられた単一のセンサ（２２）と前記内容物（１２）に印加されることで前記内容物を容量的に充電する交流電圧（２６）とを特徴とする容量性センサ回路を含み、前記測定装置（２８）で決定された静電容量は水準として測定されかつ表示される、コンテナの内容物の水準を測定するための装置。
9. 前記コンテナ（１０）が電池として使用されるときに、前記交流電圧が前記内容物（１２）においてパルス充電またはパルス放電によって生じ、内容物は電解質として作用し、前記センサ（２２）でこのようにして生じた容量性電流消費は前記測定装置（２８）で測定され、電池の電解質水準、充電状態または一般的な状態としてパルス特徴の関数で表示される、請求項８に記載の装置。
10. 前記センサ（２２）は前記コンテナ（１０）の外部壁（２０）に取付けられ、外部壁は非導電性材料で作られ、センサは少なくとも前記コンテナ（１０）において予測されるすべての水準の高さにわたって延在することを特徴とする、請求項８から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記センサ（２２）は信号線（４８）によって弁（４４）のための駆動装置（４６）に接続され、前記弁は、前記コンテナに接続され、前記コンテナに新しい内容物を自動的に充填するための線（３８）において設置されることを特徴とする、請求項８から１０のいずれかに記載の装置。
12. 電子制御ユニット（５０）は前記センサ（２２）の出力側に接続されることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記センサ（２２）は充填水準の関数として信号を発し、信号は制御信号として前記信号線（４８）を通して前記駆動装置（４６）に伝えられることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の装置。
14. 前記制御ユニット（５０）は前記駆動装置（４６）のための電気制御信号を生じることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 前記弁（４４）は電気または電磁駆動装置（４６）を有することを特徴とする、請求項８から１４のいずれかに記載の装置。

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