JP5597789B2 - 静電容量式液面レベルセンサ - Google Patents
静電容量式液面レベルセンサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP5597789B2 JP5597789B2 JP2013119684A JP2013119684A JP5597789B2 JP 5597789 B2 JP5597789 B2 JP 5597789B2 JP 2013119684 A JP2013119684 A JP 2013119684A JP 2013119684 A JP2013119684 A JP 2013119684A JP 5597789 B2 JP5597789 B2 JP 5597789B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- liquid level
- electrode
- circuit
- capacitance
- detection electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Description
また、一対の接地電極が検出電極に対して対称的に形成されているので、検出電極に発生する電界が当該電極の両側において対称に均一に分布し、静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは、直線性を有し、容器の形状の影響を受けにくく安定したものとなる。
図1(a)は本発明の第1実施例による静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、(b)は(a)の矢印線A−A’に沿った断面図である。また、図2はこの静電容量式液面レベルセンサのセンサ回路を示すブロック図である。
図3に示すように、静電容量−電圧変換回路10は、バッファー回路11とA/D変換回路12を含む。また、液面レベル演算回路20は、デジタル信号処理回路21とD/A変換回路22を含む。
図4は、第1実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1を円筒形状の容器Bの外面に取り付けて検出電極3および接地電極5、6を対向させて配置した状態の、検出電極3と接地電極5、6間の静電容量Cdを等価回路的に示した図である。なお、図4において、絶縁シート2は図示していない。また、動作原理の説明の簡略化のため、図4において、検出電極3および接地電極5、6は、容器Bの直径に相当する距離だけ離れて配置された平行平板のコンデンサとみなし、容器Bの厚みや絶縁シート2の厚みによる静電容量は無視できるものとする。
まず、静電容量Coについては、容器Bに液体がない状態での検出電極3と接地電極5、6間の静電容量をセンサ本体1によって検出し、センサ本体1によって検出された静電容量を電圧信号に変換して、電圧信号をA/D変換回路12によってデジタル信号Vに変換する。そして、このデジタル信号Vは長さLに相当する部分の静電容量に対応するものであるから、デジタル信号処理回路21によって、このデジタル信号Vの大きさをLで乗算することにより、単位レベルXo=1あたりの静電容量Csに対応するデジタル信号Vo=V/Lを生成する。さらに、デジタル信号処理回路21によって、このデジタル信号Voを、(2)式に対応させるべく、Vo’=Vo×{(εr−1)×Xo+L}に変換する。
次に、静電容量Cdについては、容器Bに液体が液面レベルXo+Xまで入った状態での検出電極3と接地電極5、6間の静電容量をセンサ本体1によって検出し、センサ本体1によって検出された静電容量を電圧信号に変換して、電圧信号をA/D変換回路12によってデジタル信号Vdに変換する。
さらに、デジタル信号処理回路によって、上記(5)式の(Cd−Co)/Coに対応するデジタル値(Vd−Vo’)/Vo’を算出し、このデジタル値をD/A変換回路22によってD/A変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。あるいは、デジタル信号処理回路によって、上記(5)式に対応するデジタル値(Vd−Vo’)/Vo’×(Xo+M)を算出し、このデジタル値をD/A変換回路22によってD/A変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算するようにしてもよい。
図6は、図3のA/D変換回路の一構成例であるシグマ−デルタ変換回路を示す回路図である。第2実施例は、A/D変換回路をシグマ−デルタ変換回路で構成した点のみが、第1実施例と異なっている。よって、図6を参照して、シグマ−デルタ変換回路の構成および動作原理についてのみ、簡単に説明する。
クロック回路14は、クロックパルス生成回路14aおよび基準パルス生成回路14bを有する。クロックパルス生成回路14aは、Ph1およびPh2なるランダムパルスを生成し、スイッチング素子SW1、SW2をスイッチング制御する。基準パルス発生回路14bは、後述するラッチ回路を基準パルスVc1の立ち上がりで制御する。
シグマ−デルタ変調器15は、放電回路15a、比較器(コンパレータ)15b、ラッチ回路15cを含む。放電回路15aは放電抵抗R4からなる。スイッチング素子SW2の後段と接地電極5,6の接地線の間には、コンデンサCmod、ならびに、放電回路15aおよびスイッチング素子SW3の直列回路が介在している。ここで、コンデンサCmodの静電容量は、コンデンサCxの静電容量よりも十分大きい。また、比較器15bの一方の入力端には、コンデンサCmodの両端電圧vmodが入力され、比較器15bの他方の入力端には基準電圧vrefが入力される。比較器15bは、電圧vmodが基準電圧vrefを越えたときに、後段のラッチ回路15cをオンさせ、電圧vmodが基準電圧vref以下のときには、後段のラッチ回路15cをオフさせる。ラッチ回路15cは、比較器15bの出力に基づいてスイッチング素子SW3を制御する。
ビットストリーム回路16は、基準パルス生成回路14bおよびラッチ回路15cの後段に接続され、一定時間内のラッチされた基準パルスVc1の数をカウントして出力する。
まず、図7(a)および(b)に示すように、ランダムな周期およびパルス幅を有し、互いに位相の異なるランダムパルスPh1、Ph2が、クロックパルス生成回路14aからそれぞれスイッチング素子SW1、SW2に対して出力される。このとき、スイッチング素子SW1およびSW2は、同時にオンしないように、互い違いにオン、オフされる。
次に、スイッチング素子SW1がオンすると、未知の静電容量Cxはすぐに電圧vddに充電される。ここで、電圧vddはバッファー回路11からA/D変換回路(デルタシグマ変換回路)12に入力される検出電極3の電位と接地電極5、6の接地電位間の電位差に応じた電圧信号である。そして、スイッチング素子SW1がオフしてスイッチング素子SW2がオンすると、コンデンサCxに蓄えられた電荷がコンデンサCmodに移動する。コンデンサCmodの静電容量はコンデンサCxの静電容量に比べて大きいため、コンデンサCxの両端の電圧は低下する。さらに、スイッチング素子SW1がオンして、スイッチング素子SW2がオフすると、コンデンサCxが充電され、コンデンサCxに電圧vddが充電される。これを繰り返して、図7(c)に示すように、コンデンサCmodの両端の電圧vmodがvddに向かって充電される。
そして、図7(c)および(e)に示すように、コンデンサCmodの電圧vmodが基準電圧vrefを超えたとき、ラッチ回路15cが動作してスイッチング素子SW3がオンする。スイッチング素子SW3がオンすると、放電回路15aによって、コンデンサCmodの電荷が放電され、電圧vmodが低下していく。
図7(d)に示すように、ラッチ回路15cが動作する時間は一定周期の基準パルスVc1の立ち上がりで制御され、電圧vmodは、コンデンサCmodの電荷の充放電が繰り返されることで、基準電圧vrefの間を上下変動する。
コンデンサCxの未知の静電容量が大きくなると、コンデンサCmodに移動する電荷が多くなるため、これを放電させるスイッチング素子SW3の頻度が多くなり、スイッチング素子SW3のオン時間が多くなる。したがって、ビットストリーム回路16によって一定時間内のラッチされた基準パルスVc1のカウント数を計測することにより、電圧信号vddをシグマ−デルタ変換(変調)したデジタル信号に変換できる。シグマ−デルタ変換回路によって変換されたデジタル信号は、デジタル信号処理回路21によって、上述の通り信号処理されて、D/A変換回路22に出力される。
この静電容量式液面レベルセンサでは、絶縁シート2の他方の面において検出電極3の両側部より所定距離離れた位置に一対の接地電極5、6が形成されている。したがって、図8(a)および(b)に示すように、センサ本体1を例えばゲージ管などの円筒形状の容器Bの外面に取り付けて当該容器Bの液面レベルを検出する場合において、容器Bの径にかかわらず、検出電極3および接地電極5、6を対向させ易くすることができる。このため、様々な径の大きさの容器に対応可能な静電容量式液面レベルセンサを提供できる。
この静電容量式液面レベルセンサでは、一対の接地電極5、6が検出電極3に対して対称的に形成されているので、図9(b)に示すように、検出電極3に発生する電界は当該電極3の両側において対称に均一に分布する。したがって、静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは、容器の形状の影響を受けにくく安定したものとなる。
図10(a)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6が絶縁シート2の一方の面2aに形成されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
また、図10(b)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6がそれぞれ絶縁シート2の一方の面2aおよび他方の面2bに形成されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
また、図10(c)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6が短絡用電極17を介して互いに接続されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
また、図10(d)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、接地電極5,6が絶縁シート2の一方の面2aに形成されて短絡用電極17を介して互いに接続されている点のみが第1実施例のものと異なるだけである。
さらに、図10(e)の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体1は、検出電極3、ガード電極4および接地電極5、6が導電性を有する透明電極で構成されている点、および、ガード電極4の表面に当該透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料からなる目盛部34が形成されている点が第1変形例のものと異なっている。一般的に、透明電極を使用する場合には、透明電極のシート抵抗値は大きく、電極間の静電容量の検出時に当該シート抵抗の影響を受け易くなるため、液面レベルの検出精度が低下する可能性がある。特に、ガード電極4のシート抵抗が大きくなると、ガード機能が低下して、液面レベルの検出が不安定な状態になる。そこで、当該実施例では、ガード電極4の表面に高い導電性を有する塗料からなる梯子状の目盛部34を形成することによって、実質的に透明電極のシート抵抗を低下させたので、これらの問題を解決することができる。また、この目盛部は透明電極の表面に形成されているので、容器内の液面位置を直接目視によって確認することも可能となり、液面レベルの検出において非常に有益である。なお、目盛部34の形状は、梯子状に限定されるものでなく、容器内の液面位置を示すものであれば、格子状など様々な形状とすることができる。また、目盛部34は、塗料に限定されるものではなく、金属箔などの金属層またはその他の高導電性部材からなっていてもよい。さらに、目盛部34がガード電極以外の検出電極や接地電極の表面に形成されてもよいことは言うまでも無い。
2 絶縁シート
2a 一方の面
2b 他方の面
3 検出電極
4 ガード電極
5、6 接地電極
7 ケーブル(同軸ケーブル)
8 ケーブル
9 センサ回路
10 静電容量−電圧変換回路
11 バッファー回路
11a バッファーアンプ
12 A/D変換回路
13 スイッチング回路
14 クロック回路
14a クロックパルス生成回路
14b 基準パルス生成回路
15 シグマ−デルタ変調器
15a 放電回路
15b 比較器(コンパレータ)
15c ラッチ回路
16 ビットストリーム回路
17 短絡用電極
20 液面レベル演算回路
21 デジタル信号処理回路
22 D/A変換回路
30 センサ本体
31 絶縁シート
31a 一方の面
31b 他方の面
32 検出電極
33 接地電極
34 目盛部
B 容器
C1、Ca、Cb、Cd、Cmod、Cn、Cx 静電容量(コンデンサ)
R1〜R3 抵抗
R4 放電抵抗
SW1〜SW3 スイッチング素子
Claims (7)
- 液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する、センサ本体とセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサであって、
前記センサ本体は、変形可能な可撓性材料からなる絶縁シートと、前記絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、前記絶縁シートの他方の面において、前記絶縁シートを介して前記検出電極と対向し、前記検出電極に対応する領域を含むように前記検出電極よりも広く形成されたガード電極と、前記絶縁シートのいずれかの面において、前記検出電極または前記ガード電極の両側部より所定距離離れた位置に、前記検出電極または前記ガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、前記検出電極と前記接地電極間の静電容量を検出するようになっており、
前記センサ回路は、前記センサ本体に接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、前記電気信号を信号処理して、前記液面レベルを検出するようになっていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。 - 前記センサ回路は、静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路から構成され、
前記静電容量−電圧変換回路が、前記センサ本体と接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電圧信号に変換するようになっており、
前記液面レベル演算回路が、前記静電容量−電圧変換回路の後段に接続され、前記静電容量−電圧変換回路によって変換された電圧信号を信号処理して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを演算するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の静電容量式液面レベルセンサ。 - 前記静電容量−電圧変換回路は、バッファー回路とA/D変換回路を含み、
前記液面レベル演算回路は、デジタル信号処理回路とD/A変換回路を含み、
前記バッファー回路が前記検出電極および前記ガード電極に接続され、前記バッファー回路を介して前記ガード電極が前記検出電極と同一電位に保持されており、
前記A/D変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をA/D変換してデジタル信号に変換するようになっており、
前記デジタル信号処理回路が、前記A/D変換回路によって変換されたデジタル信号を信号処理して前記D/A変換回路に出力するようになっており、
前記D/A変換回路が、前記デジタル信号処理回路によって信号処理されたデジタル信号をD/A変換して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを算出するようになっていることを特徴とする請求項2に記載の静電容量式液面レベルセンサ。 - 前記A/D変換回路は、シグマ−デルタ変換回路からなり、
前記シグマ−デルタ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換するようになっていることを特徴とする請求項3に記載の静電容量式液面レベルセンサ。 - 前記検出電極および前記ガード電極は、同軸ケーブルを介して前記バッファー回路に接続されることを特徴とする請求項3または4に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
- 前記検出電極、前記ガード電極および前記接地電極はいずれも、前記容器内の液面レベルの増減方向にのびるように縦長形状に形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の静電容量式液面レベルセンサ。
- 前記検出電極および前記ガード電極はいずれも、導電性を有する透明電極からなり、
前記検出電極および前記ガード電極のうちの一方または両方の電極の表面には、前記透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなり、前記容器内の液面位置を示す目盛部が形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の静電容量式液面レベルセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013119684A JP5597789B2 (ja) | 2013-06-06 | 2013-06-06 | 静電容量式液面レベルセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013119684A JP5597789B2 (ja) | 2013-06-06 | 2013-06-06 | 静電容量式液面レベルセンサ |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010003826U Continuation JP3162032U (ja) | 2010-06-07 | 2010-06-07 | 静電容量式液面レベルセンサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013167651A JP2013167651A (ja) | 2013-08-29 |
JP5597789B2 true JP5597789B2 (ja) | 2014-10-01 |
Family
ID=49178123
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013119684A Active JP5597789B2 (ja) | 2013-06-06 | 2013-06-06 | 静電容量式液面レベルセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5597789B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180031865A (ko) * | 2016-09-19 | 2018-03-29 | 에이디반도체(주) | 정전용량 방식의 목표수위 감지 센서 및 감지패드와 이를 이용한 목표수위 감지 방법 |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016166338A1 (en) * | 2015-04-16 | 2016-10-20 | Sanofi-Aventis Deutschland Gmbh | Sensor and sensor assembly for capacitive determination of a filling level |
CN106931871B (zh) * | 2017-05-09 | 2023-05-16 | 天津理工大学 | 一种大量程电阻型波高传感器 |
WO2018208545A1 (en) * | 2017-05-09 | 2018-11-15 | Touchsensor Technologies, Llc | Driven shield capacitive fluid level sensor |
DE102017223855A1 (de) * | 2017-12-28 | 2019-07-04 | Kautex Textron Gmbh & Co. Kg | Betriebsflüssigkeitsbehälter mit integriertem System zur Erfassung des Füllstandes |
JP6964018B2 (ja) * | 2018-02-28 | 2021-11-10 | トッパン・フォームズ株式会社 | 心電図センサーシート |
CN108692791A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-23 | 厦门乐人电子有限公司 | 液位检测装置和液体容器 |
CN110095168B (zh) * | 2019-05-21 | 2024-04-16 | 温州大学 | 一种电容式液位传感器 |
CN112050898B (zh) * | 2019-06-05 | 2023-05-02 | 深圳优威仪表技术有限公司 | 一种电容式油位计 |
CN115605571A (zh) * | 2019-12-31 | 2023-01-13 | 帕尔公司(Us) | 用于生物处理系统的缓冲液管理 |
CN111928922B (zh) * | 2020-07-26 | 2021-12-24 | 上海交通大学 | 一种基于电容耦合式非接触电导检测的液位传感器 |
CN112268597A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-01-26 | 上海理工大学 | 一种基于导电涂料的感应电容 |
CN112304390A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-02-02 | 上海理工大学 | 一种基于柔性基板的液位传感器的感应电容 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2708219B2 (ja) * | 1989-03-27 | 1998-02-04 | 株式会社東芝 | 水位センサ |
JPH04258725A (ja) * | 1991-02-13 | 1992-09-14 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 静電容量式レベルセンサ |
JPH11108735A (ja) * | 1997-10-03 | 1999-04-23 | Nitta Ind Corp | 水位センサ |
JP2000097751A (ja) * | 1998-09-21 | 2000-04-07 | Japan Aviation Electronics Industry Ltd | 静電容量式液面レベル測定方法およびこの方法を実施する装置 |
JP2005147780A (ja) * | 2003-11-13 | 2005-06-09 | Alps Electric Co Ltd | 液面レベルセンサ |
-
2013
- 2013-06-06 JP JP2013119684A patent/JP5597789B2/ja active Active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180031865A (ko) * | 2016-09-19 | 2018-03-29 | 에이디반도체(주) | 정전용량 방식의 목표수위 감지 센서 및 감지패드와 이를 이용한 목표수위 감지 방법 |
KR101946384B1 (ko) | 2016-09-19 | 2019-02-12 | 에이디반도체(주) | 정전용량 방식의 목표수위 감지 센서 및 감지패드와 이를 이용한 목표수위 감지 방법 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013167651A (ja) | 2013-08-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5597789B2 (ja) | 静電容量式液面レベルセンサ | |
JP3162032U (ja) | 静電容量式液面レベルセンサ | |
US11209480B2 (en) | Non-contact DC voltage measurement device with oscillating sensor | |
JP4897886B2 (ja) | 静電容量型近接センサおよび近接検知方法 | |
CN110567554B (zh) | 用于检测填充水平的设备 | |
US20120044013A1 (en) | Electrostatic capacitance-type input device | |
JP2015122141A (ja) | 静電容量センサ電極 | |
JP2018017726A5 (ja) | ||
JP2007018839A (ja) | 静電容量式近接センサ | |
JPH11108735A (ja) | 水位センサ | |
CN103760378A (zh) | 一种基于驻极体的静电式转速传感器 | |
EP2551643B1 (en) | Capacitive measuring circuit insensitive to high-frequency interference | |
JP2009270873A (ja) | 油膜厚さ計測装置および方法 | |
JP6723084B2 (ja) | 流動体の表面位置検出装置およびセンサ情報送信装置 | |
JP2010025782A (ja) | 液位センサ | |
JP2013088374A (ja) | 燃料検出装置 | |
JP2010256015A (ja) | センサ装置 | |
Cho et al. | Capacitive proximity sensor with negative capacitance generation technique | |
JP2016099207A (ja) | 電圧測定装置 | |
US20200271504A1 (en) | Methods and apparatus for a capacitive sensor | |
JP2018119944A (ja) | 電圧測定装置、電圧測定方法 | |
JP5934567B2 (ja) | 電極故障診断装置 | |
JP2010210307A (ja) | 液位センサ | |
JP3444180B2 (ja) | 座標検出装置及びその計測方法 | |
JP5163947B2 (ja) | 油膜厚さ計測装置および方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130627 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140129 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140205 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140227 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5597789 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |