JP4916240B2 - 液面レベルセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、液体に浸漬された電極対の両電極間の静電容量により液面レベルを測定する静電容量式の液面レベルセンサに関する。
近年、自動車等の車両の燃料タンクには、液体に浸漬された電極対の両電極間の静電容量により液面レベルを測定する静電容量式の液面レベルセンサが用いられているが、電極対の両電極間の静電容量は液体の比誘電率によって変化し、液体の比誘電率は液体の種類や温度などの諸条件により変化する。
そこで、液体の比誘電率を測定するためのリファレンスセンサと、測定された比誘電率に基づいて液面レベルを測定するためのメインセンサと、を備え、液体の比誘電率に応じた補正を行うようにした液面レベルセンサが知られており、かかる静電容量式の液面レベルセンサの一般的要件についてはJIS B 7560(液位測定用自動レベル計)に規定されている(非特許文献1参照)。
非特許文献1に開示された液面レベルセンサ101は、図5に示すように、液体の比誘電率を測定するためのリファレンスセンサ102と、測定された比誘電率に基づいて液面レベルを測定するためのメインセンサ103と、を備えている。リファレンスセンサ102及びメインセンサ103は、いずれも同軸に配置された一対の円筒電極で構成され、それらの軸方向が鉛直となるように、つまりは液面の変位方向と平行となるように配置されている。そして、リファレンスセンサ102は、メインセンサ103の下端に連設されており、容器の底部に位置している。
気中にあるときのリファレンスセンサ102の静電容量と、液中に完全に没したときのリファレンスセンサ102の静電容量との比によって液体の比誘電率が求められ、そして、液体に浸漬されたメインセンサ103の静電容量、及びメインセンサ103の寸法や構造から定まる定数と、求められた比誘電率とを用いて液面レベルが求められる。
福原元一編、「日本工業規格 液位測定用自動レベル計」、財団法人日本規格協会、平成4年1月31日、p18−20
従来の液面レベルセンサ101において、リファレンスセンサ102の静電容量、及びメインセンサ103の静電容量を測定する測定回路は、メインセンサ103の上端に、若しくは容器の外に配置されている。そのため、メインセンサ103の下端に連設されて容器の底部に配置されたリファレンスセンサ102と測定回路とを接続する配線は冗長なものとなる。そして、かかる配線の浮遊容量が、測定回路にて測定されるリファレンスセンサ102の静電容量に影響を与え、リファレンスセンサ102の静電容量に基づいて求められる液体の比誘電率に誤差を生じさせ、液面レベルの測定精度を低下させる虞がある。
また、リファレンスセンサ102が一部分でも気中に露出することによっても、求められる液体の比誘電率に誤差が生じ、液面レベルの測定精度が低下する原因となる。よって、リファレンスセンサ102は常に液中に没している必要があるが、このことは、メインセンサ103による液面レベルの測定範囲が、リファレンスセンサ102が完全に没する液面レベルよりも上に限定されることとなる。メインセンサ103による液面レベルの測定範囲を下に拡大すべくリファレンスセンサ102を小型化する、つまりはリファレンスセンサ102の電極対の対向面の表面積を縮小すると、リファレンスセンサ102の出力が不安定となり、やはり求められる液体の比誘電率に誤差が生じる。
上述の液面レベルセンサ101において、リファレンスセンサ102の出力が不安定とならない程度に円筒状の電極対の対向面の表面積を確保しようとすると、電極対の軸方向に所定長さを確保する必要があり、そして、電極対の軸方向が液面の変位方向と平行となるように配置されていることから、リファレンスセンサ102が完全に没する液面レベルが高くなる傾向にある。即ち、上述の液面レベルセンサ101では、容器の底までの液面レベルの測定は困難である。
薄型の燃料タンクが求められる近年の自動車において、液面レベルセンサの測定不能な範囲がタンク底にあることは車両性能上問題であり、燃料タンクの底まで測定可能な液面レベルセンサが求められている。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液面レベルの測定精度を向上させ、測定範囲を拡大させることができる液面レベルセンサを提供することにある。
上記目的は、本発明に係る下記(1)〜()の液面レベルセンサにより達成される。
(1)液体を貯留する容器の中に、該液体と接触する状態で配置される液面レベルセンサであって、液面の変位方向に延在するメインセンサと、前記メインセンサの一端に連設されて前記容器の底部に配置されるリファレンスセンサと、前記リファレンスセンサの出力に基づいて前記液体の比誘電率を求めると共に当該比誘電率および前記メインセンサの出力に基づいて液面レベルを求める演算回路を含む回路ユニットと、を備え、前記リファレンスセンサは、対面して配置された平板状の電圧印加電極及び接地電極を有し、前記リファレンスセンサの平板面が前記容器の底面に添って配置され、前記リファレンスセンサの前記容器の底面に向き合わない側の平板面の一部領域に前記メインセンサの一端が結合し、前記回路ユニットが、前記メインセンサの一端が結合した前記リファレンスセンサの平板面または前記一端に隣接する前記メインセンサ上の位置に設けられていることを特徴とする液面レベルセンサ。
)前記リファレンスセンサにおいて、前記接地電極が前記電圧印加電極の表裏面の各々と離間して配置された2枚の電極板で構成されており、当該電圧印加電極の表裏面が当該両電極板によって覆われていることを特徴とする上記()に記載の液面レベルセンサ。
)前記回路ユニットが電磁遮蔽ケースに収納されており、当該電磁遮蔽ケースが前記リファレンスセンサの接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする上記()又は()のいずれかに記載の液面レベルセンサ。
上記(1)の構成の液面レベルセンサでは、回路ユニットがリファレンスセンサに隣接して、若しくはリファレンスセンサが連設されたメインセンサの一端に隣接して設けられている。よって、リファレンスセンサと回路ユニットとの接続に要する配線長を短くして浮遊容量を減少させることができる。これにより、液体の比誘電率の測定誤差を低減して、液面レベルの測定精度を向上させることができる。
また、リファレンスセンサの電圧印加電極及び接地電極は平板状に成形されて対面配置され、そして、容器の底面に添って配置されている。リファレンスセンサの電極対の対向面の表面積を拡大するには平板状の両電極を容器の底面に添って拡大すれば足り、リファレンスセンサの厚み、つまりは液面の変位方向の寸法を大きくすることなく、リファレンスセンサの出力が不安定とならない程度に電極対の対向面の表面積を確保することができる。これにより、液面レベルの測定精度を損なうことなく測定範囲を拡大させることができる。
上記()の構成の液面レベルセンサでは、リファレンスセンサにおいて、接地電極が電圧印加電極の表裏面の各々と離間して配置された2枚の電極板で構成されており、当該電圧印加電極の表裏面が当該両電極板によって覆われており、接地電極がシールドとして作用する。よって、リファレンスセンサの出力が電磁波等のノイズに影響されることを防止することができる。これにより、液面レベルの測定精度を向上させることができる。
上記()の構成の液面レベルセンサでは、前記回路ユニットが電磁遮蔽ケースに収納されており、当該電磁遮蔽ケースがリファレンスセンサの接地電極に電気的に接続されている。これにより、電磁波等のノイズによる演算回路の誤動作を防止することができる。
本発明によれば、液面レベルの測定精度を向上させ、測定範囲を拡大させることができる液面レベルセンサを提供することができる。
以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係る液面レベルセンサの一実施形態の斜視図、図2は図1の液面レベルセンサの分解斜視図、図3(a)は図1の液面レベルセンサの平面図、(b)は同図(a)におけるI-I矢視断面図、図4(a)は図1の液面レベルセンサの平面図、(b)は同図(a)におけるII-II矢視断面図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態の液面レベルセンサ1は、容器内の液体に浸漬されて液体の液面レベルを測定するものであって、液体の比誘電率を測定するためのリファレンスセンサ3と、測定された比誘電率に基づいて液面レベルを測定するためのメインセンサ2と、を備えている。
メインセンサ2は、円筒状に成形された電圧印加電極21及び接地電極22を有している。両電極21,22の材料としては、液体(車両燃料等)に対する耐性を考慮して、SUSや洋白などを用いることが好ましい。
電圧印加電極21の外径は接地電極22の内径よりも小さく、電圧印加電極21は接地電極22の内側に同軸に収容されている。電圧印加電極21の外周面と接地電極22の内周面とは所定の隙間をおいて対向している。メインセンサ2は、電圧印加電極21及び接地電極22の軸方向を液面の変位方向と平行とし、それらの軸方向の一端が容器の底面近傍に位置するよう配置される。
リファレンスセンサ3は、平板状に成形されて対面配置された電圧印加電極31及び接地電極32を有している。両電極31,32の材料としては、液体(車両燃料等)に対する耐性を考慮して、SUSや洋白などを用いることが好ましい。
接地電極32は、電圧印加電極31を表裏に挟む2枚の電極板32a,32bで構成されている。これら電圧印加電極31及び接地電極32の両電極板32a,32bは、いずれも平面視において円形とされ、そして、電圧印加電極31は、接地電極32の両電極板32a,32bよりも小径に成形されており、電圧印加電極31は表裏面を接地電極32の両電極板32a,32bによって覆われている。特に本実施形態では、電圧印加電極31の裏面側(容器底面側)に配置される一方の電極板32bの周縁に枠状に周壁が立設され、電圧印加電極31は電極板32bの周壁に包囲され、他方の電極板32aは電極板32bの周壁の上縁に載置されており、よって、電圧印加電極31は、両電極板32a,32bで囲まれる空間内に収納されている。
電圧印加電極31の周縁には複数の切り欠き33が形成されており、各切り欠き33には絶縁性材料からなるスペーサ34が嵌り込んでいる。電圧印加電極31は、これらのスペーサ34を介在させて接地電極32の両電極板32a,32b及び電極板32bの周壁との間に隙間をおき、それらと絶縁された状態に配置されている。
接地電極32の両電極板32a,32bは、電極板32bの周壁の上縁に電極板32aが載置されていることで、互いに電気的に接続された状態にあり、スペーサ34を貫通するボルト(不図示)で互いに締結されている。尚、ボルトが導電性材料からなるときは、当該ボルトを介しても両電極板32a,32bは互いに電気的に接続され得る。
リファレンスセンサ3の接地電極32の電極板32aには、メインセンサ2の円筒状の接地電極22を挿通させる円形の取付孔35が穿設されている。メインセンサ2の接地電極22において容器の底面近傍に配置される一端には鍔状に広がるフランジ部23が形成されており、このフランジ部23の外径は取付孔35よりも大径とされている。メインセンサ2の接地電極22は、フランジ部23を取付孔35の周縁に押し付けた状態に、後述するターミナルアッシー5によってリファレンスセンサ3の接地電極32の電極板32aに固定されている。メインセンサ2の接地電極22とリファレンスセンサ3の接地電極32とは互いに電気的に接続されている。
リファレンスセンサ3の接地電極32の電極板32aには、コネクタ端子36が立設されている。このコネクタ端子36は、電極板32aの一部分を切り起こすプレス加工によって一体に形成されている。また、リファレンスセンサ3の電圧印加電極31にも、電圧印加電極31の一部分を切り起こすプレス加工によって一体に形成されたコネクタ端子38が立設されている。接地電極32の両電極板32a,32bに表裏を挟まれた電圧印加電極31のコネクタ端子38は、コネクタ端子36を切り起こすことで生じた電極板32aの通孔37を通して当該電極板32aの外側に突出し、そして、電極板32aのコネクタ端子36と整列して配置される。
さらに図3を参照して、メインセンサ2の接地電極22をリファレンスセンサ3の接地電極32の電極板32aに固定しているターミナルアッシー5は、リファレンスセンサ3のコネクタ端子36,38と同様な形状に成形されたコネクタ端子52と、メインセンサ2の電圧印加電極21との電気的な接続をなす接続部53と、これらコネクタ端子52と接続部53とを連結する連結部54とを有する帯板状の回路体51をインサート成形して構成されており、回路体51のうち接続部53の一方の表面及びコネクタ端子52のみ露出させている。
ターミナルアッシー5は、コネクタ端子52をリファレンスセンサ3のコネクタ端子36,38と整列させると共に接続部53の一方の表面を覆う樹脂部分をメインセンサ2の接地電極22の外周面に添着させるようにして電極板32aの表面に設置されている。接地電極22の外周面に添着した樹脂部分には突起部55が設けられており、この突起部55が嵌合する嵌合孔24が接地電極22に穿設されている。
本実施形態では、メインセンサ2の接地電極22は、フランジ部23をリファレンスセンサ3の接地電極32の電極板32aの裏面側に配置し、電極板32aの表面に設置されて接地電極22の嵌合案24に突起部55を嵌合させたターミナルアッシー5とフランジ部23とで電極板32aを挟持することにより当該電極板32aに固定されている。
メインセンサ2の電圧印加電極21は、リファレンスセンサ3の電圧印加電極31の表面に設置された絶縁性材料からなるスペーサ41に支持されている。スペーサ41は、円板状に成形されており、その裏面に突設された位置決め突起44を電圧印加電極31に穿設された位置決め孔45に挿通させて当該電圧印加電極31に位置決めされ、接地電極22のフランジ部23に内嵌している。スペーサ41の周縁にはリブ42が周方向に複数立設されており、メインセンサ2の電圧印加電極21は、これらのリブ42の内側に差し込まれ、それにより接地電極22と同軸に配置されている。また、スペーサ41には、同軸に配置されたメインセンサ2の電圧印加電極21と接地電極22との隙間に連通して当該隙間に液体を流入させる流通孔43が複数設けられている。
ターミナルアッシー5の突起部55には貫通孔56が穿設されており、また、接続部53には貫通孔56に連通する貫通孔57が穿設されている。そして、メインセンサ2の電圧印加電極21にも、貫通孔56及び貫通孔57を臨む位置に貫通孔25が穿設されている。これら貫通孔57,56,25に導電性材料からなるピン・ネジ(不図示)などが挿嵌され、メインセンサ2の電圧印加電極21とターミナルアッシー5の接続部53とは互いに電気的に接続されている。
図4を参照して、液面レベルセンサ1は、さらにリファレンスセンサ3の出力に基づいて液体の比誘電率を求めると共に求められた比誘電率及びメインセンサ2の出力に基づいて液面レベルを求める演算回路を含んだ回路ユニット6を備えている。この回路ユニット6は、リファレンスセンサ3に隣接して設けられている。即ち、回路ユニット6の演算回路は基板61に実装されており、基板61は、その一端部をリファレンスセンサ3のコネクタ端子36,38及びこれらと整列して配置されたターミナルアッシー5のコネクタ端子52のスロットに一括して挿入され、取り付けられている。
そして、基板61の一端部には、その表面に各コネクタ端子36,38,52に接触する接点回路が形成されている。演算回路は、コネクタ端子36を介してリファレンスセンサ3の接地電極32及びメインセンサ2の接地回路22に電気的に接続し、コネクタ端子38を介してリファレンスセンサ3の電圧印加電極31に電気的に接続し、コネクタ端子52を介してメインセンサ2の電圧印加電極21に電気的に接続している。
また、基板61の他端部には、演算回路によって求められた液面レベルを認識可能な態様で表示する表示手段(例えば計器など)との接続をなすコネクタ62が設けられている。
尚、整列して配置されたコネクタ端子36,38,52には、絶縁性の樹脂材料からなるコネクタハウジング63が取り付けられている。このコネクタハウジング63は、コネクタ端子36,38,52を個々に収納する端子収容室を有しており、隣り合う端子収容室の間にある隔壁64がコネクタ端子36,38の間、またコネクタ端子36,52の間に介在している。つまり、コネクタ端子36,38の間、コネクタ端子36,52の間に樹脂が充填されている。
このように構成された液面レベルセンサ1は、メインセンサ2の電圧印加電極21及び接地電極22の軸方向を液面の変位方向と平行とし、それらの軸方向の一端が容器の底面近傍に位置し、そして、リファレンスセンサ3が容器の底面に添うようにして容器内に配置される。尚、容器内の液体は、リファレンスセンサ3が液体に完全に没するだけの液面レベルにあるとする。
液体は、リファレンスセンサ3の電極板32aの通孔37或いは電極板32bに設けられた通孔39を通してリファレンスセンサ3の内部に流入する。電圧印加電極31と接地電極32との間は液体で充填され、両電極31,32間の静電容量が液体の比誘電率により変化する。
気中にあるときのリファレンスセンサ3の静電容量CERは、予め測定され、或いはリファレンスセンサ3の寸法及び構造から求められ、回路ユニット6の演算回路に記憶されている。そして、液体に没したリファレンスセンサ3の静電容量CFRが回路ユニット6において測定される。液体の比誘電率εは、これら気中静電容量液CER及び液中静電容量CFRを用いて下記の式(1)により求められる。
Figure 0004916240
尚、静電容量CFRの測定は、例えば、リファレンスセンサ3に交流信号を印加したときの電流値(出力)と、その信号の周波数及び電圧とから求められる。
メインセンサ2の静電容量Chsは液面レベルhにより増減する。液面レベルhがゼロからhになったときの静電容量の増加量は下記の式(2)によって表される。
Figure 0004916240
ここで、CESは液面レベルhがゼロ、つまりは気中にあるときのメインセンサ2の静電容量を表し、Lはメインセンサ2の軸方向の長さを表している。
式(1)及び式(2)より、液面レベルhは式(3)のとおりとなる。
Figure 0004916240
液面レベルhは、式(3)に従い回路ユニット6の演算回路により求められ、コネクタ62に接続している外部の表示手段に出力される。
以上説明したように、本実施形態の液面レベルセンサ1では、回路ユニット6がリファレンスセンサ3に隣接して設けられている。よって、リファレンスセンサ3と回路ユニット6との接続に要する配線長を短くして浮遊容量を減少させることができる。これにより、液体の比誘電率の測定誤差を低減して、液面レベルの測定精度を向上させることができる。
また、本実施形態の液面レベルセンサ1では、リファレンスセンサ3の電圧印加電極31及び接地電極32は平板状に成形されて対面配置され、そして、容器の底面に添って配置されている。リファレンスセンサ3の電極対の対向面の表面積を拡大するには平板状の両電極31,32を容器の底面に添って拡大すれば足り、リファレンスセンサ3の厚み、つまりは液面の変位方向の寸法を大きくすることなく、リファレンスセンサ3の出力が不安定とならない程度に電極対の対向面の表面積を確保することができる。これにより、液面レベルの測定精度を損なうことなく測定範囲を拡大させることができる。
また、本実施形態の液面レベルセンサ1では、メインセンサ2において、電圧印加電極21が接地電極22の内側に収容されおり、接地電極22がシールドとして作用する。よって、メインセンサ2の出力が電磁波等のノイズに影響されることを防止することができる。これにより、液面レベルの測定精度を向上させることができる。
また、本実施形態の液面レベルセンサ1では、リファレンスセンサ3において、接地電極32が電圧印加電極31を表裏に挟む2枚の電極板32a,32bで構成されており、電圧印加電極31の表裏面が両電極板32a,32bによって覆われており、接地電極32がシールドとして作用する。よって、リファレンスセンサ3の出力が電磁波等のノイズに影響されることを防止することができる。これにより、液面レベルの測定精度を向上させることができる。
また、本実施形態の液面レベルセンサ1では、演算回路とリファレンスセンサ3の電圧印加電極31及び接地電極32との接続がコネクタ接続とされている。これにより、液面レベルセンサ1の組み立てが容易となる。
また、本実施形態の液面レベルセンサ1では、リファレンスセンサ3の電圧印加電極31及び接地電極32に演算回路とのコネクタ接続をなすコネクタ端子36,38が一体に形成されている。これにより、製造コストの低減が図られる。
また、本実施形態の液面レベルセンサ1では、リファレンスセンサ3の電圧印加電極31及び接続電極32にそれぞれ設けられたコネクタ端子36,38の間に絶縁性の樹脂が充填されている。液面の変位に伴い、コネクタ端子36,38も液体に没し或いは液体から露出することとなるが、コネクタ端子36,38の間に絶縁性の樹脂が充填されていることにより、コネクタ端子36,38の間に液体が介在することがなく、コネクタ端子36,38の間の静電容量は液面の変位に依らず一定となる。これにより、液面レベルの測定精度を向上させることができる。
また、上述した液面レベルセンサ1において、回路ユニット6を電磁遮蔽ケース(不図示)に収納し、電磁遮蔽ケースをリファレンスセンサ3の接地電極32に電気的に接続するようにしてもよい。これにより、電磁波等のノイズによる演算回路の誤動作を防止することができる。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
例えば、上述した液面レベルセンサ1では、メインセンサ2は、接地電極22のフランジ部23をリファレンスセンサ3の電極板32aの裏面側に配置しているので、リファレンスセンサ3を解体することなしにメインセンサ2をリファレンスセンサ3から取り外すことはできないが、かかる構成に替えて、例えばメインセンサ2のフランジ部23をリファレンスセンサ3の電極板32aの表面側に配置するなどして、メインセンサ2を着脱可能にリファレンスセンサ3に取り付ける構成とすれば、深さの異なる多種の容器に適用するにあたって容器の深さに応じた軸方向長さを有するメインセンサ2に取り替えて、リファレンスセンサ3を共通のものとすることができ、汎用性を高めることができる。
本発明に係る液面レベルセンサの一実施形態の斜視図である。 図1の液面レベルセンサの分解斜視図である。 (a)は図1の液面レベルセンサの平面図であり、(b)は同図(a)におけるI-I矢視断面図である。 (a)は図1の液面レベルセンサの平面図であり、(b)は同図(a)におけるII-II矢視断面図である。 (a)は従来の液面レベルセンサの全体の概略構成を示す図であり、(b)は同図(a)の液面レベルセンサのメインセンサの概略構成を示す図である。
符号の説明
1 液面レベルセンサ
2 メインセンサ
3 リファレンスセンサ
6 回路ユニット
21 電圧印加電極
22 接地電極
31 電圧印加電極
32 接地電極
32a 電極板
32b 電極板
36 コネクタ端子
38 コネクタ端子

Claims (3)

  1. 液体を貯留する容器の中に、該液体と接触する状態で配置される液面レベルセンサであって、
    液面の変位方向に延在するメインセンサと、
    前記メインセンサの一端に連設されて前記容器の底部に配置されるリファレンスセンサと、
    前記リファレンスセンサの出力に基づいて前記液体の比誘電率を求めると共に当該比誘電率および前記メインセンサの出力に基づいて液面レベルを求める演算回路を含む回路ユニットと、
    を備え、
    前記リファレンスセンサは、対面して配置された平板状の電圧印加電極及び接地電極を有し、前記リファレンスセンサの平板面が前記容器の底面に添って配置され、
    前記リファレンスセンサの前記容器の底面に向き合わない側の平板面の一部領域に前記メインセンサの一端が結合し、
    前記回路ユニットが、前記メインセンサの一端が結合した前記リファレンスセンサの平板面または前記一端に隣接する前記メインセンサ上の位置に設けられていることを特徴とする液面レベルセンサ。
  2. 前記リファレンスセンサにおいて、前記接地電極が前記電圧印加電極の表裏面の各々と離間して配置された2枚の電極板で構成されており、当該電圧印加電極の表裏面が当該両電極板によって覆われていることを特徴とする請求項に記載の液面レベルセンサ。
  3. 前記回路ユニットが電磁遮蔽ケースに収納されており、当該電磁遮蔽ケースが前記リファレンスセンサの接地電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項又はのいずれかに記載の液面レベルセンサ。
JP2006199419A 2006-07-21 2006-07-21 液面レベルセンサ Expired - Fee Related JP4916240B2 (ja)

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