JP5934562B2 - 液位検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置に関する。
従来、タンク内の液体の液位を、気中と液中の静電容量の差で液位を検知する静電容量方式により検出する液位検出装置が知られている（特許文献１、２参照）。
特許文献１には、常時液中に浸漬された基準電極の電極間容量で液体の誘電率を算出し、この誘電率を用いて櫛歯電極の電極間容量から液位を検出することが示されている。
また、特許文献２には、長さの異なる電極を用いて誘電率を補正し、液位が一定のレベル以下になると、警告ランプを点灯させることが示されている。
しかしながら、上記従来の液位検出装置には、つぎのような問題があった。図６は従来の液位検出装置における液漏れ状態を示す図である。図６に示すように、タンク内のベーパー（蒸気）の状態や結露等により電極１１１、１１２間に液漏れや気相部の結露が生じた場合、液位検出装置１００は、実際の液位より液面が高い位置にあると誤検知し、警告ランプを点灯させないという問題があった。
また、タンク内で誘電率の異なる液体が分離していた場合も、液面を正確に検知することができず、同様の問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液漏れや気相部の結露が生じた場合、さらには、誘電率の異なる液体が分離していた場合でも、正確に液位を検出することができる液位検出装置を提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係る液位検出装置は、下記（１）〜（４）を特徴としている。
（１） タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンク内の鉛直方向に延び、接地電極に対向する第１の電極を有し、前記第１の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第１の検出部と、
前記タンク内の鉛直方向に延び、前記接地電極と対向し、前記第１の電極より前記タンクの底に向かって所定の長さだけ短い第２の電極であってその先端部が警告を要する前記タンク内の液位範囲と警告を要しない前記タンク内の液位範囲との境界に対応する警告液位の位置に配置された第２の電極を有し、前記第２の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部によって検出された静電容量と前記第２の検出部によって検出された静電容量との差を差分容量として算出し、前記差分容量が警告閾値より小さいか否かを判断することによって前記タンク内の液位が前記警告液位より低いか否かを判断する差分算出部と、
を備えること。
（２） タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンク内の鉛直方向に延び、接地電極に対向する第１の電極を有し、前記第１の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第１の検出部と、
前記タンク内の鉛直方向に延び、前記接地電極と対向し、前記第１の電極より前記タンクの底に向かって所定の長さだけ短い第２の電極であってその先端部が警告を要する前記タンク内の液位範囲と警告を要しない前記タンク内の液位範囲との境界に対応する警告液位の位置に配置された第２の電極を有し、前記第２の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第２の検出部と、
前記タンクの底に配置され、前記液体の誘電率を検出する誘電率検出部と、
前記第１の検出部によって検出された静電容量と前記第２の検出部によって検出された静電容量との差を差分容量として算出し、前記誘電率検出部によって検出された誘電率を用いて得られる、静電容量を液位に換算するための補正係数を用いて、前記差分容量を液位差に換算し、前記液位差が前記警告液位より小さいか否かを判断することによって前記タンク内の液位が前記警告液位より低いか否かを判断する差分算出部と、
を備えること。
（３） 上記（１）又は（２）の構成の液位検出装置であって、
前記差分容量が前記警告閾値より小さい場合、又は、前記液位差が前記警告液位より小さい場合、警告信号を出力すること。
（４） 上記（１）乃至（３）の何れか一つの構成の液位検出装置であって、
前記第１の電極及び前記接地電極はそれぞれ櫛歯状に形成され、前記第１の電極及び前記接地電極間の距離が等しいこと。
（１） タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンク内の鉛直方向に延び、接地電極に対向する第１の電極を有し、前記第１の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第１の検出部と、
前記タンク内の鉛直方向に延び、前記接地電極と対向し、前記第１の電極より前記タンクの底に向かって所定の長さだけ短い第２の電極であってその先端部が警告を要する前記タンク内の液位範囲と警告を要しない前記タンク内の液位範囲との境界に対応する警告液位の位置に配置された第２の電極を有し、前記第２の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部によって検出された静電容量と前記第２の検出部によって検出された静電容量との差を差分容量として算出し、前記差分容量が警告閾値より小さいか否かを判断することによって前記タンク内の液位が前記警告液位より低いか否かを判断する差分算出部と、
を備えること。
（２） タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンク内の鉛直方向に延び、接地電極に対向する第１の電極を有し、前記第１の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第１の検出部と、
前記タンク内の鉛直方向に延び、前記接地電極と対向し、前記第１の電極より前記タンクの底に向かって所定の長さだけ短い第２の電極であってその先端部が警告を要する前記タンク内の液位範囲と警告を要しない前記タンク内の液位範囲との境界に対応する警告液位の位置に配置された第２の電極を有し、前記第２の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第２の検出部と、
前記タンクの底に配置され、前記液体の誘電率を検出する誘電率検出部と、
前記第１の検出部によって検出された静電容量と前記第２の検出部によって検出された静電容量との差を差分容量として算出し、前記誘電率検出部によって検出された誘電率を用いて得られる、静電容量を液位に換算するための補正係数を用いて、前記差分容量を液位差に換算し、前記液位差が前記警告液位より小さいか否かを判断することによって前記タンク内の液位が前記警告液位より低いか否かを判断する差分算出部と、
を備えること。
（３） 上記（１）又は（２）の構成の液位検出装置であって、
前記差分容量が前記警告閾値より小さい場合、又は、前記液位差が前記警告液位より小さい場合、警告信号を出力すること。
（４） 上記（１）乃至（３）の何れか一つの構成の液位検出装置であって、
前記第１の電極及び前記接地電極はそれぞれ櫛歯状に形成され、前記第１の電極及び前記接地電極間の距離が等しいこと。
上記（１）から（４）の構成の液位検出装置によれば、差分容量に基づき、タンク内の液位を求めるので、液漏れや気相部の結露が生じた場合、さらには、誘電率の異なる液体が分離していた場合でも、正確に液位を検出することができる。
本発明によれば、差分容量に基づき、タンク内の液位を求めるので、液漏れや気相部の結露が生じた場合、さらには、誘電率の異なる液体が分離していた場合でも、正確に液位を検出することができる。
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
本発明の実施の形態における液位検出装置について図面を用いて説明する。本実施形態の液位検出装置は、タンク内の液体（ガソリン、オイル、エタノール混合ガソリン等）の液位を検出するものに適用される。
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は実施の形態における液位検出装置１の概略的な構成を示す図である。液位検出装置１は、液位検出部５、検出回路２０、制御部３０及びメータ４０から構成される。液位検出部５は、タンク内７に収容され、櫛歯電極９ａを有する液位センサ９、櫛歯電極９ａと対向する櫛歯電極１２ａを有する接地電極１２、接地電極１２の背面に配置された直線状の警告センサ１５、及び誘電率センサ１８を有する。
液位センサ９（第１の検出部）は、タンク７内の鉛直方向に延びた櫛歯電極９ａ（第１の電極）を有し、タンク７内に滞留する液体の量に応じて変化する櫛歯電極９ａ、１２ａ間の静電容量を検出する。なお、櫛歯電極９ａ、１２ａ間の距離は一様である。
接地電極１２は、タンク７内の鉛直方向に延び、一面が櫛歯電極９ａと対向する櫛歯電極１２ａに形成され、他面が直線状に形成されたものである。
警告センサ１５（第２の検出部）は、接地電極１２の他面と平行に直線状に延びた検知電極１５ａ（第２の電極）を有する。検知電極１５ａの先端部は、タンク７内の液位が下がって警告を発する必要があると判断される、タンク７の底から所定の高さ（閾値）に位置する。図１（Ａ）には、液位Ｌが閾値より高い場合が示されており、この場合の液位を液位２とする。図１（Ｂ）には、液位Ｌが閾値以下である場合が示されており、この場合の液位を液位１とする。
誘電率センサ１８は、タンク７内の液体に常に浸漬されるように、タンク７の底に配置されている。誘電率センサ１８は、櫛歯状に形成された検知電極を有し、検知電極及び接地電極間の静電容量を検出する。この検知電極及び接地電極間の静電容量は液体の誘電率の算出に用いられる。なお、検知電極及び接地電極間の距離は一様である。
ここで、誘電率εは、周知のように、数式（１）に従って算出される。すなわち、誘電率センサ１８によって検知電極及び接地電極間の静電容量を検出することで、タンク７内の液体の誘電率εは算出される。
ε＝Ｃ・ｌ／Ｓ ……（１）
ここで、Ｃ：静電容量、ｌ：電極間距離、Ｓ：電極面積である。
ここで、Ｃ：静電容量、ｌ：電極間距離、Ｓ：電極面積である。
本実施形態では、液位センサ９、接地電極１２及び警告センサ１５は、液体検出部５として、プリント基板（図示せず）に形成される。なお、誘電率センサ１８も同一のプリント基板に形成されてもよい。
図２は液位検出装置１の電気的構成を示す図である。検出回路２０は、液位センサ９の静電容量及び警告センサ１５の静電容量を検出する容量検出部２２、及び誘電率センサ１８の静電容量を検出し、この静電容量から誘電率を算出する誘電率検出部２５を有する。
容量検出部２２は、液位センサ９の櫛歯電極９ａと接地電極１２の櫛歯電極１２ａをコンデンサとする発振回路の発振周波数から静電容量ＣＡを算出する。また、容量検出部２２は、警告センサ１５の検知電極１５ａと接地電極１２をコンデンサとする発振回路の発振周波数から静電容量ＣＢを算出する。なお、容量検出部２２は、これらの動作を切り替えて行ってもよいし、２系統の回路で並行して行ってもよい。
同様に、誘電率検出部２５は、誘電率センサ１８の検知電極と接地電極をコンデンサとする発振回路の発振周波数から静電容量Ｃを算出し、さらに、既知の電極間距離ｌと電極面積Ｓから、数式（１）に従って、誘電率εを算出する。
制御部３０は、主にマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）３２から構成される。ＣＰＵ３２は、後述する動作プログラムが格納されたＲＯＭ３３、ワークメモリであるＲＡＭ３４等を内蔵し、検出回路２０からの静電容量を表す信号を入力して各種演算を行い、メータ４０に駆動信号等を出力する。
メータ４０は、ＣＰＵ３２からの駆動信号に応じて駆動するモータ４５、このモータ４５に軸支された指針により液位を指示するインジケータ４１、及びＣＰＵ３２からの警告信号に従って点灯する警告ランプ４２を有する。
上記構成を有する液位検出装置１の動作を示す。始めに、液位センサ９と警告センサ１５を用いてタンク７内の液位を検出する方法について説明する。図３は液位センサ９と警告センサ１５の出力特性を示すグラフである。縦軸は静電容量（ｐＦ）を示し、横軸は液位（ｃｍ）を示す。
ここで、ＣＡは液位センサ９で検出される静電容量である。ＣＢは警告センサ１５で検出される静電容量である。
ｎは、警告センサ１５の単位長さ当たりの静電容量を、液位センサ９の単位長さ当たりの静電容量に等しくするための容量比補正係数である。つまり、容量比補正係数ｎは、図３に示すように、静電容量ＣＢの直線の傾きを静電容量ＣＡの直線の傾きに揃えるための補正係数である。
ｋは、誘電率センサ１８の測定値から得られる誘電率εを用いた、静電容量Ｃを液位ｈに換算するための液位変換係数である。液位補正係数ｋの算出に、測定された誘電率εを用いることで、タンク内の液体の種類が変わっても、液位ｈを正確に算出することが可能である。
また、ｈＡ−Ｂは、液位センサ９（櫛歯電極９ａ）と警告センサ１５（検知電極１５ａ）の長さの差に対応する検出された液位差（ｃｍ）である。また、ＨＡは実際の液位センサ９の長さ（ｃｍ）である。ＨＢは実際の警告センサ１５の長さ（ｃｍ）である。ＨＡ−Ｂは長さＨＡと長さＨＢの差分（警告液位）である。
前述したように、液位１は警告センサ１５より下にあり、液位２は警告センサ１５より上にある。Ｃ１Ａ−Ｂは、液位１で算出された、静電容量ＣＡと静電容量ＣＢの容量差である。Ｃ２Ａ−Ｂは、液位２で算出された、静電容量ＣＡと静電容量ＣＢの容量差である。
本実施形態では、液位補正係数ｋを使って、数式（２）に従い、差分容量ＣＡ−Ｂを液位差ｈＡ−Ｂに換算する。
ｋ×ＣＡ−Ｂ ＝ ｈＡ−Ｂ ……（２）
ｈ１Ａ−Ｂは液位１で容量差Ｃ１Ａ−Ｂを用いて算出された液位差である。ｈ２Ａ−Ｂは液位２で容量差Ｃ２Ａ−Ｂを用いて算出された液位差である。
ｈ１Ａ−Ｂは液位１で容量差Ｃ１Ａ−Ｂを用いて算出された液位差である。ｈ２Ａ−Ｂは液位２で容量差Ｃ２Ａ−Ｂを用いて算出された液位差である。
また、液位差ｈＡ−Ｂと警告液位ＨＡ−Ｂとを比較し、数式（３）を満たす場合、ＣＰＵ３２は警告信号を出力する。
ＨＡ−Ｂ ＞ ｈＡ−Ｂ ……（３）
ＨＡ−Ｂ ＞ ｈＡ−Ｂ ……（３）
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）はセンサ電極（櫛歯電極９ａ、検知電極１５ａ）に液漏れがある場合の液位センサ９と警告センサ１５の特性を示すグラフである。ここで、液漏れとは、気相部に位置する櫛歯電極９ａ及び櫛歯電極１２ａ間に液体が漏れ出ている場合を想定している（図６参照）が、気相部に結露が生じた場合や、液体中に誘電率の異なる液体が分離していた場合も同様である。
図４（Ａ）に示すように、櫛歯電極９ａに液漏れがある場合、液位センサ９の静電容量ＣＡでは、破線ａに示すように、静電容量が増加し、液位が低いほどその影響が大きく、液位が高いほどその影響が小さくなる。また、警告センサ１５のｎ倍の静電容量ｎ×ＣＢも、同様に、破線ｂに示すように、静電容量が増加し、液位が低いほどその影響が大きく、液位が高いほどその影響が小さくなる。
従って、液位センサ９の静電容量ＣＡの信号だけで警告液位ＨＡ−Ｂに対応する警告閾値を決定すると、液漏れがある場合（破線ａ）と液漏れがない場合（実線ｃ）では、液位に誤差（警告誤差）が生じてしまう。
これに対し、液位センサ９の静電容量ＣＡと警告センサ１５のｎ倍の静電容量ｎ×ＣＢの差分容量ＣＡ−Ｂを求めると、差分容量ＣＡ−Ｂは液漏れがある場合（符号ｅ参照）と液漏れがない場合（符号ｄ参照）とでほぼ等しくなり、液漏れの影響を打ち消すことができる。
従って、図４（Ｂ）に示すように、差分容量ＣＡ−Ｂで警告閾値を設定することで、液漏れの影響を抑え、警告誤差をほぼ無くすことができる。
図５は液位検出動作手順を示すフローチャートである。この動作プログラムは、ＣＰＵ３２内のＲＯＭ３３に格納されており、ＣＰＵ３２によって実行される。ＣＰＵ３２は、液位センサ９によって検出される静電容量ＣＡ、及び警告センサ１５によって検出される静電容量ＣＢを検出し、差分容量ＣＡ−Ｂを求める（ステップＳ１）。ステップＳ１の処理は差分算出部に相当する。
ＣＰＵ３２は、前述した数式（２）に従って、誘電率センサ１８によって検出される液体の誘電率から得られる液位補正係数ｋを差分容量ＣＡ−Ｂに乗算し、液位差ｈＡ−Ｂを算出する（ステップＳ２）。このとき用いられる誘電率は、あらかじめ測定され、ＲＡＭ３４に記憶されたものでもよいし、ステップＳ１で同時に測定されてもよい。
ＣＰＵ３２は、液位差ｈＡ−Ｂが警告液位ＨＡ−Ｂより小さく、数式（３）を満たすか否かを判別する（ステップＳ３）。液位差ｈＡ−Ｂが警告液位ＨＡ−Ｂ以上である場合、ＣＰＵ３２はそのまま本動作を終了する。
一方、ＣＰＵ３２は、液位差ｈＡ−Ｂが警告液位ＨＡ−Ｂより小さい場合、ステップＳ２で算出された液位差ｈＡ−Ｂに対応する駆動信号を算出液位ｈＡの信号から切り替えてメータ４０内のモータ４５に出力し、インジケータ４１に液位を指示させる（ステップＳ４）。
その後ＣＰＵ３２は、警告信号を出力し、警告ランプ４２を点灯させる（ステップＳ５、図１（Ｂ）参照）。この後、ＣＰＵ３２は本動作を終了する。
このように、本実施形態の液位検出装置によれば、差分容量ＣＡ−Ｂで警告閾値を設定するので、液漏れ、気相部の結露、誘電率の異なる液体が分離していた場合でも、正確に液位を検出することができる。
また、液位センサは、接地電極との間の電極間距離が等しい櫛歯電極を有するので、静電容量の値を大きくすることができる。従って、検出精度が向上し、また、設計が容易である。
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、本実施形態の構成が持つ機能を達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。
例えば、警告センサの検知電極を直線状に形成したが、この検知電極の形状を、液位センサの櫛歯電極と同じに、かつ、異なる長さにしてもよい。これにより、容量比補正係数ｎを値１にすることが可能であり、設計が容易となる。
また、上記実施形態では、液位の低下を警告する警告センサが第２の検出部を兼ねることで、部材を増加を抑えることができたが、必ずしも兼ねることなく第２の検出部が独立に存在してもよい。
本発明は、タンク内の液体の液位を検出する際、液漏れや気相部の結露が生じた場合、さらには、誘電率の異なる液体が分離していた場合でも、正確に液位を検出することができ、有用である。
１ 液位検出装置
５ 液位検出部
９ 液位センサ
９ａ、１２ａ 櫛歯電極
１２ 接地電極
１５ 警告センサ
１８ 誘電率センサ
２０ 検出回路
２２ 容量検出部
２５ 誘電率検出部
３０ 制御部
３２ ＣＰＵ
３３ ＲＯＭ
３４ ＲＡＭ
４０ メータ
４１ インジケータ
４２ 警告ランプ
４５ モータ
５ 液位検出部
９ 液位センサ
９ａ、１２ａ 櫛歯電極
１２ 接地電極
１５ 警告センサ
１８ 誘電率センサ
２０ 検出回路
２２ 容量検出部
２５ 誘電率検出部
３０ 制御部
３２ ＣＰＵ
３３ ＲＯＭ
３４ ＲＡＭ
４０ メータ
４１ インジケータ
４２ 警告ランプ
４５ モータ
Claims (4)
- タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンク内の鉛直方向に延び、接地電極に対向する第１の電極を有し、前記第１の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第１の検出部と、
前記タンク内の鉛直方向に延び、前記接地電極と対向し、前記第１の電極より前記タンクの底に向かって所定の長さだけ短い第２の電極であってその先端部が警告を要する前記タンク内の液位範囲と警告を要しない前記タンク内の液位範囲との境界に対応する警告液位の位置に配置された第２の電極を有し、前記第２の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部によって検出された静電容量と前記第２の検出部によって検出された静電容量との差を差分容量として算出し、前記差分容量が警告閾値より小さいか否かを判断することによって前記タンク内の液位が前記警告液位より低いか否かを判断する差分算出部と、
を備えることを特徴とする液位検出装置。 - タンク内の液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンク内の鉛直方向に延び、接地電極に対向する第１の電極を有し、前記第１の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第１の検出部と、
前記タンク内の鉛直方向に延び、前記接地電極と対向し、前記第１の電極より前記タンクの底に向かって所定の長さだけ短い第２の電極であってその先端部が警告を要する前記タンク内の液位範囲と警告を要しない前記タンク内の液位範囲との境界に対応する警告液位の位置に配置された第２の電極を有し、前記第２の電極及び前記接地電極間の静電容量を検出する第２の検出部と、
前記タンクの底に配置され、前記液体の誘電率を検出する誘電率検出部と、
前記第１の検出部によって検出された静電容量と前記第２の検出部によって検出された静電容量との差を差分容量として算出し、前記誘電率検出部によって検出された誘電率を用いて得られる、静電容量を液位に換算するための補正係数を用いて、前記差分容量を液位差に換算し、前記液位差が前記警告液位より小さいか否かを判断することによって前記タンク内の液位が前記警告液位より低いか否かを判断する差分算出部と、
を備えることを特徴とする液位検出装置。 - 前記差分容量が前記警告閾値より小さい場合、又は、前記液位差が前記警告液位より小さい場合、警告信号を出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液位検出装置。
- 前記第１の電極及び前記接地電極はそれぞれ櫛歯状に形成され、前記第１の電極及び前記接地電極間の距離が等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の液位検出装置。
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