JP6067833B1 - 液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容器内の被検液体の液面高度情報を検出する液面検出装置を提供する。【解決手段】液面検出装置は、電極、検出回路、増幅器、および、コントローラを有する。電極は、容器１０の外表面上に設置され、第一電極１１と第二電極１２を有する。検出回路は、第一電極１１と第二電極１２に接続されると共に、クロック信号を受信して、第一電圧信号、および、第二電圧信号を生成する。増幅器は、第一電圧信号、および、第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する。コントローラは、出力電圧と電圧—体積対照表に基づいて、被検液体の液面情報を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置に関するものであって、特に、液面検出装置に関するものである。

液体高度検出器や液面検出器は、幅広く、各種分野の技術に応用されている。たとえば、液面検出器は、雨量計（rain gauge）に応用されて、雨量情報を把握することができる。このほか、液面検出器は、医療分野にも応用することができる。たとえば、液面検出器は、静脈注射（intravenous injection）溶液を入れた容器（receptacle）内に応用して、静脈注射の流量や速度を制御すると共に、医療スタッフに提示することができる。

米国特許第７９８２２０１号のように、従来の液面検出器は、画像識別方式により、液面位置を判断する。このほか、米国特許第４６１０１６４号のように、従来の液面検出器は、超音波検出方式により液面位置を判断する。しかし、これらの液面検出器は高価で、且つ、構造も複雑である。他にも、従来技術には、電極により、直接、液面に接触する方式で液面位置を判断するものがあるが、この種の侵入式検出方策（intrusion detection solution）は無菌にすることが難しく、医療器材に応用することができない。

本発明は、新規の液面検出器を提供し、少なくともひとつの電極を利用して、被検液体の液面位置を検出すると共に、被検液体の液面に基づいて、静電容量値を検出後、対照表を調べて、被検液体の液面情報を得ることを目的とする。

本発明の一実施例は、容器内の被検液体の液面情報を検出する液面検出器を提供する。液面検出器は、電極、検出回路、増幅器、および、コントローラを有する。電極は、容器の外表面上に設置される。検出回路は電極と接続されて、被検液体の体積変化を検出する。検出回路は、更に、クロック信号を受信して、第一電圧信号、および、第二電圧信号を生成する。増幅器は、第一電圧信号、および、第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する。コントローラは、出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、被検液体の液面情報を得る。

本発明の他の実施例は、容器内の被検液体の情報を検出する液面検出装置を提供する。液面検出装置は、第一電極、第二電極、検出回路、増幅器、および、コントローラを有する。第一電極、および、第二電極は、粘着層により、容器の外部表面に付着して、被検液体の体積変化を検出する。検出回路は、第一電極と第二電極に接続されて、クロック信号を受信して、第一電圧信号、および、第二電圧信号を生成する。増幅器は、第一電圧信号、および、第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する。コントローラは、出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、被検液体の液面情報を得る。

本発明のもうひとつの実施例は、容器内の被検液体の情報を検出する液面検出装置を提供し、液面検出装置は、第一電極、検出回路、増幅器、および、コントローラを有する。第一電極は、容器の外部表面上に設置されて、被検液体の体積変化を検出する。検出回路は、容器上の第一電極に接続されると共に、クロックソース（クロック信号源、例えば発振器、発振回路）が生成するクロック信号を受信して、第一電圧信号、および、第二電圧信号を生成する。増幅器は、第一電圧信号、および、第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する。コントローラは、出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、被検液体の液面情報を得る。

本発明の検出装置により、被検溶液体積を検出することもでき、被検溶液の体積変化も検出することができる。

図１は、本発明による液面検出装置の一実施例を示す図である。 図２は、本発明による検出器の一実施例を示す図である。 図３は、本発明によるセンス電極の一実施例を示す図である。 図４は、本発明による液面検出装置の他の実施例を示す図である。

本発明は、液面検出装置を提供する。本発明の液面検出装置は、少なくともひとつの電極を利用して、被検液体を検出して、検出された静電容量値を得ると共に、検出された静電容量値に基づいて、対照表を参照して、被検液体の液面情報を得る。

図１は、本発明の液面検出装置の実施例を示す図である。液面検出装置は、第一電極１１、第二電極１２、および、検出器１３を有する。容器１０内に、被検液体を注入し、容器１０の外部表面に、第一電極１１、および、第二電極１２を設置する。第一電極１１と第二電極１２の静電容量値変化は傾斜変化である。本実施例において、第一電極１１と第二電極１２は梯子状電極である。

第一電極１１の第一端子と第二電極１２の第二端子は、検出器１３に接続される。検出器１３は、クロック信号を、第一電極１１、または、第二電極１２に加えて、第一電極１１と第二電極１２、および、容器１０内の液体が形成する等価静電容量の静電容量値を検出する。

検出器１３内の回路は、さらに、リファレンス静電容量を有し、且つ、リファレンス静電容量の静電容量値と等価静電容量の静電容量値に基づいて、センス電圧を生成する。検出器１３は、センス電圧と電圧―体積対照表に基づいて、現在の容器１０内の被検液体の体積を知る。本実施例において、等価静電容量の最大静電容量値は、容器１０が被検液体により満たされている時の、検出器１３が検出する第一電極１１、または、第二電極１２が形成する等価静電容量の静電容量値である。

図２は、本発明による検出器の実施例を示す図である。検出器は容器に設置され、容器内の被検液体の体積を検出する。容器上には、第一電極と第二電極とが設置され、検出信号を検出器に提供する。

検出器１３は、増幅器２１、ローパスフィルタ２２、コントローラ２３、電圧―体積対照表２４、および、クロックソース２５を有する。検出器１３は、第一電極に接続される、すなわちたとえば図１の第一電極１１に接続される、一端点N1を有する。一端点N1には、可変容量C_APの第一端子が接続されている。可変容量C_APは、図１の第一電極１１、第二電極１２、および、容器１０内の液体が形成する等価静電容量に基づく容量である。検出器１３は、第二電極に接続される、すなわちたとえば図１の第二電極１２に接続される、一端点N2を有する。一端点N2には、リファレンス静電容量C_REFの第一端子が接続される。端点N2には、更に、可変容量C_APの第二端子、および、クロックソース２５が接続され、クロック信号を受信する。可変容量C_APの静電容量値は、容器内の被検液体の体積によって変化する。

検出器１３は、更に、抵抗R₁と抵抗R₂を有する。抵抗R₁は、端点N1と増幅器２１の第一入力端子に接続される第一端子、および、端点N3に接続される第二端子、を有する。抵抗R₂は、端点N3に接続される第一端子、および、増幅器２１の第二入力端子とリファレンス静電容量C_REFの第二端子に接続される第二端子を有する。本実施例において、端点N3はコモン電圧V_CMを受信する。本実施例において、増幅器２１の操作電圧は5V、且つ、コモン電圧は2.5Vである。

前述の可変容量C_AP、リファレンス静電容量C_REF、抵抗R₁と抵抗R₂は、一検出回路と見なされる。検出回路は、クロックソース２５が発信するクロック信号を受信して、第一電圧V1と第二電圧V2を生成し、増幅器２１に入力する。増幅器２１は、第一電圧V1と第二電圧V2に基づく出力電圧Vを出力する。続いて、電圧V（電圧Ｖの信号）は、ローパスフィルタ２２を介してコントローラ２３に送られる。ローパスフィルタ２２は、出力電圧Vの高周波数ノイズをろ過する。コントローラ２３は、受信した電圧値に基づいて、電圧―体積対照表２４から調べて、被検液体情報、たとえば、被検液体の殘留体積（残留容量）や被検液体の減少した体積（容量）を得る。一実施例において、電圧―体積対照表２４は、記憶装置内に記憶されている。

図３は、本発明によるセンス電極の一実施例を示す図である。本実施例において、第一センス電極３１と第二センス電極３２の尺寸、大小、形状は皆同じである。第一センス電極３１は、本体３３、および、複数の延伸部３４を有して、くし形電極、つまり、第一センス電極３１を形成する。同様に、第二センス電極３２は、第一センス電極３１と同じ構造を有する。一実施例において、第一センス電極３１と第二センス電極３２の一面は粘着層を有し、容器上に粘着されて、容器の被検液体の体積変化を検出する。別の実施例において、第一センス電極３１と第二センス電極３２は、直接、金属印刷で、容器の表面上に形成され、且つ、第一センス電極３１と第二センス電極３２は、どちらも、接点を有して、検出器と接続される。

第一センス電極３１と第二センス電極３２により検出された等価静電容量は、電極板の面積と正比例するので、本案中、第一センス電極３１と第二センス電極３２の設計は以下の式（１）の規則を満たす必要がある。

式（１）中、W₁は延伸部３４の幅、Dは延伸部３４の長さ、W₂は本体３３の幅、S₁は同一センス電極上の任意の二個の延伸部３４間の距離、S₂は第一センス電極３１の一延伸部と第二センス電極３２の一延伸部の間の距離である。Aは容器の断面積で、ΔVは被検液体の体積変化量（容積変化量）である。

表一を参照する。表一は、図３の二くし形電極をセンス電極とし、図２の検出器のテスト結果を示す。くし形電極の延伸部３４の幅W₁、および、二個の延伸部３４の間の距離S₁、実験容器に合わせた断面積Aは、10ml、即ち(W₁+ S₁)×A=10mlに設計される。本実施例において、被検液体の体積変化量ΔVは10mlに設計されるが、本発明はこの限りではない。

検出器の設置環境は：増幅器の拡大倍率400倍、クロック信号周波数250KHzである。

表１から分かるように、異なる被検溶液体積、出力電圧、図２中のローパスフィルタ２２によりろ過後の電圧V’は皆異なり、且つ、被検溶液体積が10ml増加するごとの電圧変化量は約50mVである。よって、本発明の検出装置により、被検溶液体積を検出することもでき、被検溶液の体積変化も検出することができる。表１は、W₁<S₁の条件で得られる実験結果であるが、本発明は、W₁<S₁に限定しない。

前述の実施例は、どれも、二個のセンス電極を例として説明しているが、本発明は単一センス電極を使用してもよい。図４は、本発明による液面検出器の他の実施例を示す図である。液面検出器は、センス電極４１、増幅器４２、クロックソース４３、チョッパー４４、ローパスフィルタ４５、一コントローラ４６、電圧―体積対照表４７、および、検出回路４８を有する。

センス電極４１は、粘着層により、被検液体を入れた容器の外部表面に粘着される。検出回路４８は、センス電極４１に接続されて、クロックソース４３が入力するクロック信号に基づいて、被検液体の情報を検出すると共に、第一電圧と第二電圧を、増幅器の正側入力端子と負側入力端子に出力する。増幅器４２は、第一電圧と第二電圧に基づいて、第一出力電圧信号をチョッパー４４に出力する。本実施例において、非対称の検出回路４８は、第一出力電圧信号をクロック信号に連動させ、正電圧部分と負電圧部分を有するので、チョッパー４４により、第一出力電圧信号中の負電圧部分を正電圧に変換する共に、第二出力電圧信号をローパスフィルタ４５に出力する。このとき、ろ過後の第二出力電圧信号は直流電圧である。ローパスフィルタ４５は、電圧値をコントローラ４６に出力し、コントローラ４６は、受信した電圧値に基づいて、電圧―体積対照表４７から調べて、被検液体情報、たとえば、被検液体の殘留体積や被検液体の減少した体積を得る。

検出回路４８は、可変容量C_AP、第一静電容量C_R0、第二静電容量C_R1、抵抗R₁と抵抗R₂を有する。可変容量C_APは、センス電極４１に接続される第一端子、および、接地された第二端子を有する。第一静電容量C_R0は、センス電極４１と増幅器４２の正側入力端子に接続される第一端子、および、端点N1に接続される第二端子を有する。端点N1は、クロックソース４３が入力するクロック信号を受信する。第二静電容量C_R1は、端点N1に接続される第一端子、および、増幅器４２の負側入力端子に接続される第二端子を有する。抵抗R₁は、センス電極４１と増幅器４２の正側入力端子に接続される第一端子、および、端点N2に接続される第二端子を有する。抵抗R₂は、端点N2に接続される第一端子、および、増幅器４２の負側入力端子に接続される第二端子、を有する。端点N2は、コモン電圧を受信する。本実施例において、増幅器４２の操作電圧は5V、且つ、コモン電圧は2.5Vである。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１０…容器
１１…第一電極
１２…第二電極
１３…検出器
２１…増幅器
２２…ローパスフィルタ
２３…コントローラ
２４…電圧―体積対照表
２５…クロックソース
３１…第一電極
３２…第二電極
３３…本体
３４…延伸部
４１…センス電極
４３…クロックソース
４２…増幅器
４４…チョッパー
４５…ローパスフィルタ
４６…コントローラ
４７…電圧―体積対照表
４８…検出回路

Claims (13)

1. 容器内の被検液体の液面情報を検出する液面検出装置であって、
   前記容器の外表面上に設置されて、前記被検液体の体積変化を検出する第一電極と第二電極と、
   前記容器上の第一電極と第二電極に接続されると共に、クロックソースが生成するクロック信号を受信して、第一電圧信号および第二電圧信号を生成する検出器と、
   前記第一電圧信号および前記第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する増幅器と、
   前記出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、前記被検液体の前記液面情報を得るコントローラとを有し、
   前記第一電極と前記第二電極はくし形電極で、且つ、前記第一電極と前記第二電極は、どちらも、本体、および、複数の延伸部を有し、W ₁ は前記延伸部の幅、Dは前記延伸部の長さ、W ₂ は前記本体の幅、S ₁ は前記延伸部中の任意の二個の相隣する間の距離、S ₂ は前記第一電極の前記延伸部と前記第二電極の前記延伸部の間の距離、Aは前記液面検出装置の容器の断面積で、且つ、ΔVは前記被検液体の体積変化量で、且つ、W ₁ 、W ₂ 、D、A、S ₂ 、S ₁ 、ΔVは以下の式（２）の条件を満たすことを特徴とする液面検出装置。
   

   
2. 容器内の被検液体の液面情報を検出する液面検出装置であって、
   前記容器の外表面上に設置されて、前記被検液体の体積変化を検出する第一電極と第二電極と、
   前記容器上の第一電極と第二電極に接続されると共に、クロックソースが生成するクロック信号を受信して、第一電圧信号および第二電圧信号を生成する検出器と、
   前記第一電圧信号および前記第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する増幅器と、
   前記出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、前記被検液体の前記液面情報を得るコントローラとを有し、
   前記検出器は、
   第一端点と前記増幅器の第一入力端子に接続される第一端子、および、第三端点に接続される第二端子を有する第一抵抗と、
   前記第三端点に接続される第一端子、および、前記増幅器の第二入力端子に接続される第二端子を有する第二抵抗と、
   前記第一端点と前記第一電極に接続される第一端子、および、第二端点と前記第二電極に接続される第二端子を有し、前記容器上の前記第一電極と前記第二電極、および、前記容器内の液体により形成される等価静電容量である可変容量、および、
   前記第二端点に接続される第一端子、および、前記増幅器の前記第二入力端子に接続される第二端子を有するリファレンス静電容量を有し、
   前記クロック信号が前記第二端点に入力され、且つ、前記第三端点がコモン電圧を受信する
   ことを特徴とする液面検出装置。
3. 更に、前記出力電圧の高周波数ノイズを受信しろ過すると共に、ろ過後の電圧を前記コントローラに送信するローパスフィルタを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の液面検出装置。
4. 前記被検液体の殘留体積または減少した体積を得るための前記電圧―体積対照表は、、記憶装置内に記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面検出装置。
5. 前記第一電極と第二電極は、金属印刷で、容器の外部表面上に設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面検出装置。
6. 前記第一電極と前記第二電極の一面は、それぞれ、粘着層を有し、前記容器の外表面上に粘着されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面検出装置。
7. 容器内の被検液体の液面情報を検出する液面検出装置であって、
   前記容器の外部表面上に設置されて、前記被検液体の体積変化を検出する第一電極と、前記容器上の第一電極に接続されると共に、クロックソースが生成するクロック信号を受信して第一電圧信号および第二電圧信号を生成する検出回路と、
   前記第一電圧信号および前記第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する増幅器と、
   前記出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、前記被検液体の液面情報を得るコントローラとを有し、
   前記第一電極はくし形電極で、且つ、前記第一電極は、本体、および、複数の延伸部を有し、W ₁ は前記延伸部の幅、Dは前記延伸部の長さ、W ₂ は前記本体の幅、S ₁ は前記延伸部中の任意の二個の相隣する間の距離、Aは前記容器の断面積で、且つ、ΔVは前記被検液体の体積変化量で、且つ、W ₁ 、W ₂ 、A、D、S ₁ 、ΔVは以下の式（３）の条件を満たすことを特徴とする液面検出装置。
   

   
8. 容器内の被検液体の液面情報を検出する液面検出装置であって、
   前記容器の外部表面上に設置されて、前記被検液体の体積変化を検出する第一電極と、前記容器上の第一電極に接続されると共に、クロックソースが生成するクロック信号を受信して第一電圧信号および第二電圧信号を生成する検出回路と、
   前記第一電圧信号および前記第二電圧信号を受信して、出力電圧を生成する増幅器と、
   前記出力電圧と電圧―体積対照表に基づいて、前記被検液体の液面情報を得るコントローラとを有し、
   前記検出回路は、
   第一端点と前記増幅器の第一入力端子に接続される第一端子、および、第二端点に接続される第二端子を有する第一抵抗と、
   前記第二端点に接続される第一端子、および、前記増幅器の第二入力端子に接続される第二端子、を有する第二抵抗と、
   前記第一端点と前記第一電極に接続される第一端子、および、接地に接続される第二端子を有し、前記容器上の前記第一電極と接地、および、前記容器内の液体が形成する等価静電容量である可変容量と、
   前記第一端点に接続される第一端子、および、第三端点に接続される第二端子を有する第一リファレンス静電容量、および、
   前記第三端点に接続される第一端子、および、前記増幅器の前記第二入力端子に接続される第二端子を有する第二リファレンス静電容量を有し、
   前記クロック信号は前記第三端点に入力され、且つ、前記第二端点はコモン電圧を受信する
   ことを特徴とする液面検出装置。
9. 更に、前記出力電圧の高周波数ノイズを受信しろ過すると共に、ろ過後の電圧を前記コントローラに送信するローパスフィルタを有することを特徴とする請求項７又は８に記載の液面検出装置。
10. 前記増幅器は、前記クロック変動に伴って、出力電圧信号を生成し、前記液面検出装置は、さらに、チョッパーを有し、前記出力電圧信号中の負電圧部分を正電圧に変換すると共に、第二出力電圧を出力することを特徴とする請求項７又は８に記載の液面検出装置。
11. 前記被検液体の殘留体積または減少した体積を得るための前記電圧―体積対照表は、、記憶装置内に記憶することを特徴とする請求項７又は８に記載の液面検出装置。
12. 前記第一電極は、金属印刷で、容器の表面上に形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の液面検出装置。
13. 前記第一電極の一面は粘着層を有し、容器の外部表面上に粘着されることを特徴とする請求項７又は８に記載の液面検出装置。

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