JP5819166B2

JP5819166B2 - 水位計付き導電率計

Info

Publication number: JP5819166B2
Application number: JP2011248034A
Authority: JP
Inventors: 寛古田; 仁平岡
Original assignee: 株式会社荻原製作所
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: JP2013104755A

Description

本発明は、燃料電池システムの改質器や電池本体に送水するための純水回路などに設けられた水槽の水位及び導電率を測定可能な水位計付き導電率計に関する。

特許文献１に開示の水位計付き導電率計においては、異なる２つの発信周波数を用いた場合のクロストークを解消するため、図５に示す如く、導電率測定用の第１の電極ユニット２０及び１又は２以上の水位測定用の第２の電極ユニット３０を水槽１内に浸漬して成り、第１の電極ユニット２０は、唯一共用の交流発信回路に接続されて第１の信号電流Ｉ_１を発生させる第１の送信電極Ｘ_１と、第１の送信電極Ｘ_１から電極間隙を介して第１の信号電流Ｉ_１を捕捉して導電率を測定するための測定回路に接続した第１の受信電極Ｙ_１とを有し、第２の電極ユニット３０は、第１の送信電極Ｘ_１からの第２の信号電流Ｉ_２を受けてその有無を検出するための検出回路に接続した第２の受信電極Ｙ_２を有している。

このような構成の水位計付き導電率計において、水位検出は第１の送信電極Ｘ_１からの第２の信号電流Ｉ_２の有無を検出すれば済むため、第２の信号電流Ｉ_２が微弱であっても水位検出が可能であり、また、単一で共用の交流発信回路が導電率計の第１の電極ユニット２０の第１の送信電極Ｘ_１に接続しているため、水位計と導電率計の相互干渉を防止することができ、性能誤差を無くすことができる。更に、１つの発信周波数であるため、水位計の送信電極及び交流送信回路を削減でき、低コスト化と共に配線敷設作業の簡単化を図ることができる。

特開２０１０−１５１５８８（図１，図２）

上記の単一共用の交流発信回路の発信周波数としては例えば１ＫＨｚが使用されているが、それは導電率測定用の最適な発信周波数と水位測定用の最適な発信周波数の双方を同時に満たすものではない。すなわち、導電率測定においては、発信周波数が高いと抵抗成分が減少して容量成分が大きくなってしまうため、使用周波数は通例１ＫＨｚ以下が推奨されており、商用電源からの誘導電圧の周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの近傍を避けるとすれば、５００Ｈｚ程度が望ましい。他方、水位測定は水と空気を弁別するための誘電率（容量）測定となるが、純水などの低導電率領域においては、低周波数では電流値が極端に低くなって雑音と区別が付かなくなるため、容量成分が大きくなる１ＫＨｚ以上が必要となり、例えば１００ＫＨｚ程度が望ましい。このように、導電率測定用の最適な発信周波数と水位測定用の最適な発信周波数とは大きくかけ離れており、しかもトレードオフ関係となっているので、単一の共用周波数での測定では原理誤差が大きく生じ、特に、低導電率領域での水位検出が非常に困難であった。

そこで本発明の課題は、上記の問題点を解決するため、異なる２つの発信周波数を用いてもクロストークが起らず、最適な導電率測定及び水位測定が可能であって、しかも送信電極の極数を増やさずに済む実用的な水位計付き導電率計を提供することにある。

本発明の第１の手段は、単一の送信電極と第１及び第２の受信電極を水槽内に浸漬した水位計付き導電率計において、第１の周波数信号を発信する導電率用発信回路の出力端と送信電極との間に介在する第１のスイッチと、第１の周波数信号よりも高い第２の周波数信号を発信する水位用発信回路の出力端と送信電極との間に介在する第２のスイッチと、第１の受信電極と導電率測定用回路の入力端との間に介在する第３のスイッチと、第２の受信電極と誘電率検出の水位測定用回路の入力端との間に介在する第４のスイッチとを有し、第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で第１及び第３のスイッチと第２及び第４のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする。

第１及び第３のスイッチのオン期間においては、第２及び第４のスイッチのオフ期間であり、第１の周波数信号の発信による導電率測定だけが行われ、他方、第２及び第４のスイッチのオン期間においては、第１及び第３のスイッチのオフ期間であり、第２の周波数信号の発信による水位測定だけが行われるため、時間分割で測定できるようなっているのでクロストークが起らず、最適な導電率測定及び水位測定が可能となる。また、１本の送信電極で済ませることができ、組み付けの手間を排除し、低コスト化を図ることができる。純水などの場合、導電率が低下しても、水位測定は高い第２の周波数信号を用いた水の容量（誘電率）検出が可能となっているため、検出電圧が一定電圧以下に低下せず、水位の有無検出が確実化する。

送信電極を水槽内の槽底側に突出し、「水なし」検出後も導電率測定が可能となるように、第１の受信電極の方を第２の受信電極より下位に配置する。水面が第２の受信電極から第１の受信電極に低下するまで導電率測定が可能となっている。

また、本発明の第２の手段は、単一の送信電極と単一の受信電極を水槽内に浸漬した水位計付き導電率計において、第１の周波数信号を発信する電導率用発信回路の出力端と送信電極との間に介在する第１のスイッチと、第１の周波数信号よりも高い第２の周波数信号を発信する水位用発信回路の出力端と送信電極との間に介在する第２のスイッチと、受信電極と導電率測定用回路の入力端との間に介在する第３のスイッチと、受信電極と誘電率検出の水位測定用回路の入力端との間に介在する第４のスイッチとを有し、第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で第１及び第３のスイッチと第２及び第４のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする。

この第２の手段においても、第１の手段と同様な作用効果を奏するものであるが、さらに、１本の受信電極を水位用受信電極と導電率用受信電極とに兼用しているため、受信電極の組み付けの手間を排除し、低コスト化を図ることができる。ただ、「水なし」検出後においては導電率測定が不可能であるため、受信電極は送信電極に接近させて槽底側に配置することが望ましい。

第１及び第２の手段において、第１の周波数信号と第２の周波数信号とスイッチ切換用周波数信号の三者間では非同期となっている。発信回路側の構成を簡略化することができ、低コスト化が図れる。

また、導電率測定用回路及び水位測定用回路のいずれもが具備するピークホールド回路はピークホールド値を保持する所定放電時定数の充電回路を有していることを特徴とする。スイッチオン期間の終期電圧を保持できるので、スイッチオフ期間を事実上無視できる。

このような本発明においては、異なる２つの発信周波数を用いてもクロストークが起らず、最適な導電率測定及び水位測定が可能であって、しかも送信電極の極数を増やさずに済む実用的な水位計付き導電率計を提供できる。

本発明に係る水位計付き導電率計の実施例１の回路構成を示すブロック図である。同実施例において発信電極に印加する周波数信号とアナログスイッチに印加する周波数信号を示すタイミングチャートである。同実施例の測定回路側の信号を示すタイミングチャートである。本発明に係る水位計付き導電率計の実施例２の回路構成を示すブロック図である。従来の水位計付き導電率計を示す概念図である。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

本例の水位計付き導電率計は、図１に示す如く、燃料電池システムの改質器や電池本体に送水するための純水回路などに設けられた水槽１において、送信電極Ｍを持つユニットと導電率用受信電極Ｎ_１及び水位用受信電極Ｎ_２を持つユニットとが浸漬して成る。水槽１内において、槽底側に送信電極Ｍが突出して浸漬いるが、水槽１内の「水なし」検出後でも導電率測定が可能なように水位用受信電極Ｎ_２の方が導電率用受信電極Ｎ_１より水面側に配置されている。

この水位計付き導電率計の送信側回路は、１ｍｓの切換周期で極性反転を繰り返す±５Ｖの矩形波αを持つ５００Ｈｚの導電率用周波数信号Ｓ_１を発信する導電率用発信回路１０Ａと、０．００５ｍｓの切換周期で極性反転を繰り返す±５Ｖの矩形波βを持つ１００ＫＨｚの水位用周波数信号Ｓ_２を発信する水位用発信回路１０Ｂと、５ｍｓの切換周期で極性反転を繰り返す±５Ｖの矩形波γを持つ１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３を発信するスイッチ切換用発信回路１０Ｃを備えている。導電率用発信回路１０Ａの出力端は第１アナログスイッチＳＷ_１を介して送信電極Ｍに接続されており、また水位用発信回路１０Ｂの出力端も第２アナログスイッチＳＷ_２を介して送信電極Ｍに接続されている。

他方、水位計付き導電率計の受信側回路は導電率測定用回路４０と水位測定用回路５０から成り、導電率測定用回路４０は、入力端子が第３アナログスイッチＳＷ_３を介して電導率用受信電極Ｎ_１に接続された導電率用受信回路４０Ａと、ピークホールド回路４１Ａと、コンパレータ４２Ａとから成り、水位測定用回路５０は、入力端子が第４アナログスイッチＳＷ_４を介して水位用受信電極Ｎ_２に接続された水位用受信回路５０Ａと、ピークホールド回路５１Ａと、コンパレータ５２Ａとから成る。

そして、スイッチ切換用発信回路１０Ｃからの１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３は４つのアナログスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_４の制御端子に供給されており、アナログスイッチＳＷ_１〜ＳＷ_４を５ｍｓの切換周期でオン／オフ動作する。導電率用の第１アナログスイッチＳＷ_１及び第３アナログスイッチＳＷ_３と水位用の第２アナログスイッチＳＷ_２及び第４アナログスイッチＳＷ_４とのオン／オフは５ｍｓの切換周期で排他的に行われるようになっている。

導電率用受信回路４０Ａは、導電率用受信電極Ｎ_１が受ける第１の信号電流Ｉ_１から導電率用入力電圧に変換する受端抵抗と、その導電率用入力電圧から５００Ｈｚの信号電圧を取り出すバンドパスフィルタと、ノイズ除去フィルタを有している。また、水位用受信回路５０Ａは、水位用受信電極Ｎ_２が受ける第２の信号電流Ｉ_２から水位用入力電圧に変換する受端抵抗と、その水位用入力電圧から１００ＫＨｚの信号電圧を取り出すバンドパスフィルタを有している。ピークホールド回路４１Ａ及びピークホールド回路５１Ａの夫々は、耐ノイズ性の点からリセット回路を具備しておらず、また５ｍｓ毎に間欠する５ｍｓのスイッチオフ期間を事実上無視できるようにするため、放電時定数４７０ｍｓの充電回路を備えており、スイッチオン期間の終期電圧を保持できるようになっている。そして、コンパレータ４２Ａ及びコンパレータ５２Ａの夫々は、５ｍｓのスイッチオフ期間によるリップ電圧の影響を抑えるためにヒステリシス機能を備えている。

次に、本例の動作について説明する。まず図２の（ａ）は導電率用発信回路１０Ａから発信する５００Ｈｚの導電率用周波数信号Ｓ_１を示し、１ｍｓの切換周期で極性反転を繰り返す矩形波αを持っている。図２（ｂ）は水位用発信回路１０Ｂから発信する１００ＫＨｚの水位用周波数信号Ｓ_２を示し、０．００５ｍｓの切換周期で極性反転を繰り返す矩形波βを持っている。図２（ｃ）はスイッチ切換用発信回路１０Ｃから発信する１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３を示し、５ｍｓの切換周期で極性反転を繰り返す矩形波γを持っている。本例においては、回路構成の簡略化の観点から、電源付勢により導電率用発信回路１０Ａ，水位用発信回路１０Ｂ及びスイッチ切換用発信回路１０Ｃの夫々が相互独立して発信するようになっており、そのため、導電率用周波数信号Ｓ_１，水位用周波数信号Ｓ_２及びスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３の三者間では非同期となっている。第１アナログスイッチＳＷ_１と第２アナログスイッチＳＷ_２とは、１００Ｈｚのスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３によって、５ｍｓのスイッチ切換周期で排他的にオン／オフ動作するため、送信電極Ｍの発信電圧は図２（ｄ）に示す如く５ｍｓのスイッチ切換周期（オン期間）に亘って発信する１ｍｓの切換周期の導電率用周波数信号Ｓ_１と５ｍｓのスイッチ切換周期（オン期間）に亘って発信する０．００５ｍｓの切換周期の水位用周波数信号Ｓ_２とが５ｍｓの時間分割で交互に切り換わるものとなっている。導電率用周波数信号Ｓ_１とスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３とは非同期となっているが、スイッチ切換周期（オン期間）においては、電導率用周波数信号Ｓ_１の矩形波αが少なくとも正負都合４パルスだけ含まれている。

第３アナログスイッチＳＷ_３は第１アナログスイッチＳＷ_１と同期してオン／オフするため、第１の信号電流Ｉ_１から変換された導電率用受信回路４０Ａの導電率用入力電圧は、図３の（ａ）に示す如く、５ｍｓのオン期間では矩形波αに対応する波形α′として推移する。なお、オフ期間では導電率用入力電圧はゼロとなる。ピークホールド回路４１Ａはオフ期間でも直前のオン期間の終期電圧を保持するように充電回路を具備しているため、ピークホールド回路４１Ａの出力電圧は、図３（ｂ）に示す如く、オン期間では波形α′の波高値で推移し、オフ期間では充電回路の保持電圧で推移している。水槽１内の水が汚れる程、導電率が高くなる様子は、図３（ａ）において電導率上昇の想像線で示してある。そして導電率度上昇の異常を検知するため、コンパレータ４２Ａの閾値をＶ_ｔｈとすると、ピークホールド回路４１Ａの出力電圧が閾値Ｖ_ｔｈを超えた時点ｔ_１において、図３（ｃ）に示す如く、コンパレータ４２Ａの出力電圧がローレベルからハイレベルへ反転して「異常」を報知する。

また、第４アナログスイッチＳＷ_４は第２アナログスイッチＳＷ_２と同期してオン／オフ動作するため、第２の信号電流Ｉ_２から変換された水位用受信回路５０Ａの水位用入力電圧は、図３（ｄ）に示す如く、０．００５ｍｓのオン期間では矩形波βに対応する波形β′として推移する。なお、オフ期間では水位用入力電圧はゼロとなる。ピークホールド回路５１Ａはオフ期間でも直前のオン期間の終期電圧を保持するように充電回路を具備しているため、ピークホールド回路４１Ａの出力電圧は、図３（ｅ）に示す如く、オン期間では波形β′の波高値で推移し、オフ期間では充電回路の保持電圧で推移している。水位が低下し、時点ｔ_２において水槽１内で水位用受信電極Ｎ_２が露出して「水なし」が発生すると、水と空気の誘電率（容量）の違いから第２の信号電流Ｉ_２が低下するので、水位用入力電圧も低下する。このため、ピークホールド回路５１Ａの出力で電圧はその充電回路の放電時定数４７０ｍｓにより徐々に下降し、コンパレータ５２Ａの閾値をＶ_ＴＨとすると、ピークホールド回路５１Ａの出力電圧が閾値Ｖ_ＴＨを超えた時点ｔ_３において、図３（ｆ）に示す如く、コンパレータ５２Ａの出力電圧がローレベルからハイレベルへ反転して「水なし」を報知する。

このように本例においては、５００Ｈｚの導電率用周波数信号Ｓ_１を用いた導電率測定と１００ＫＨｚの水位用周波数信号Ｓ_２を用いた水位測定とを時間分割で行っているため、クロストークが起らず、最適な導電率測定及び水位測定が可能となっている。また、１本の送信電極Ｍで済ませることができ、組み付けの手間を排除し、低コスト化を図ることができる。純水などの場合、導電率が低下しても、水位測定は１００ＫＨｚの水位用周波数信号Ｓ_２を用いた水の容量（誘電率）検出が可能となっているため、検出電圧が一定電圧以下に低下せず、水位の有無検出が確実化する。

図１の実施例１においては、水槽１内の槽底側に送信電極Ｍが突出しているものであるが、「水なし」検出後も導電率測定が可能なように導電率用受信電極Ｎ_１の方が水位用受信電極Ｎ_２より下位に配置されている。水面が水位用受信電極Ｎ_２から導電率用受信電極Ｎ_１に低下するまで導電率測定が可能となっている。

図４は本発明に係る水位計付き導電率計の実施例２の回路構成を示すブロック図である。なお、図４において図１に示す部分と同一部分には同一参照符号を付し、その説明は省略する。

この実施例においては、１本の受信電極Ｎだけが設けられており、この受信電極Ｎは第３のアナログスイッチＳＷ_３の入力端と第４のアナログスイッチＳＷ_４との入力端との双方に接続されている。本例においても、５００Ｈｚの導電率用周波数信号Ｓ_１を用いた導電率測定と１００ＫＨｚの水位用周波数信号Ｓ_２を用いた水位測定とをスイッチ切換用周波数信号Ｓ_３により５ｍｓの時間分割で行っているため、クロストークが起らずに、最適な導電率測定及び水位測定が可能となっている。また、１本の送信電極Ｍで済ませることができ、組み付けの手間を排除し、低コスト化を図ることができる。さらに、１本の受信電極Ｎを水位用受信電極と導電率用受信電極とに兼用しているため、受信電極の組み付けの手間を排除し、低コスト化を図ることができる。ただ、「水なし」検出後においては導電率測定が不可能であるため、受信電極Ｎは送信電極Ｍに接近させて槽底側に配置することが望ましい。

１…水槽
１０Ａ…導電率用発信回路
１０Ｂ…水位用発信回路
１０Ｃ…スイッチ切換用発信回路
４０…導電率測定用回路
４０Ａ…導電率用受信回路
４１Ａ…ピークホールド回路
４２Ａ…コンパレータ
５０…水位測定用回路
５０Ａ…水位用受信回路
５１Ａ…ピークホールド回路
５２Ａ…コンパレータ
Ｉ_１…第１の信号電流
Ｉ_２…第２の信号電流
Ｍ…送信電極
Ｎ…受信電極
Ｎ_１…導電率用受信電極
Ｎ_２…水位用受信電極
Ｓ_１…導電率用周波数信号
Ｓ_２…水位用周波数信号
Ｓ_３…スイッチ切換用周波数信号
ＳＷ_１…第１アナログスイッチ
ＳＷ_２…第２アナログスイッチ
ＳＷ_３…第３アナログスイッチ
ＳＷ_４…第４アナログスイッチ
ｔ_１〜ｔ_３…時点
Ｖ_ｔｈ，Ｖ_ＴＨ…閾値
α，β，γ…矩形波
α′，β′…波形

Claims

単一の送信電極と第１及び第２の受信電極を水槽内に浸漬した水位計付き導電率計であって、第１の周波数信号を発信する電導率用発信回路の出力端と前記送信電極との間に介在する第１のスイッチと、前記第１の周波数信号よりも高い第２の周波数信号を発信する水位用発信回路の出力端と前記送信電極との間に介在する第２のスイッチと、前記第１の受信電極と導電率測定用回路の入力端との間に介在する第３のスイッチと、前記第２の受信電極と誘電率検出の水位測定用回路の入力端との間に介在する第４のスイッチとを有し、前記第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で前記第１及び第３のスイッチと前記第２及び第４のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする水位計付き導電率計。
単一の送信電極と単一の受信電極を水槽内に浸漬した水位計付き導電率計であって、第１の周波数信号を発信する電導率用発信回路の出力端と前記送信電極との間に介在する第１のスイッチと、前記第１の周波数信号よりも高い第２の周波数信号を発信する水位用発信回路の出力端と前記送信電極との間に介在する第２のスイッチと、前記受信電極と導電率測定用回路の入力端との間に介在する第３のスイッチと、前記受信電極と誘電率検出の水位測定用回路の入力端との間に介在する第４のスイッチとを有し、前記第１の周波数信号よりも低いスイッチ切換用周波数信号で前記第１及び第３のスイッチと前記第２及び第４のスイッチとを排他的にオン／オフ制御することを特徴とする水位計付き導電率計。
請求項１又は請求項２に記載の水位計付き導電率計において、前記第１の周波数信号と前記第２の周波数信号と前記スイッチ切換用周波数信号の三者間では非同期となっていることを特徴とする水位計付き導電率計。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の水位計付き導電率計において、前記導電率測定用回路及び前記水位測定用回路のいずれもが具備するピークホールド回路はピークホールド値を保持する所定放電時定数の充電回路を有していることを特徴とする水位計付き導電率計。