JP6132482B2

JP6132482B2 - 液位検出装置

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Publication number: JP6132482B2
Application number: JP2012134131A
Authority: JP
Inventors: 福原　聡明; 聡明福原; 泰典川口; 慎平加藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: JP2013257240A

Description

本発明は、液位を検出する液位検出装置に関する。

従来、タンク内に貯留する液体の液位を、気中と液中の静電容量の差で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、３参照）。

具体的に、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、各検出電極の引出し線間に発生する静電容量をキャンセルして、液位を検出するセンサ装置が示されている。
また、特許文献３には、第１電極対と第２電極対とが上下方向に位置ずれして配置され、液面の変位による配線の浮遊容量の変動を排除して液位を検出する液面レベルセンサが示されている。

特開昭６３−７９０１６号公報特開２０１０−２０３８７１号公報特開２００７−４０７５３号公報

しかしながら、従来の液位検出装置には、つぎのような問題があった。即ち、従来では、誘電率センサは、常に燃料中に浸漬していなげればならず、タンク底面に設置されていた。また、誘電率センサの形状が制限されるので、電極面積が狭く、誘電率センサによって検出される静電容量の精度は低かった。一方、検出される静電容量の精度を良くするためには、電極面積を大きく取る必要があるが、構造が大きくなってしまう。

また、沈殿物や混合液体に濃度勾配がある場合、誘電率に誤差が生じた。また、液位が高く濃度が一定でない場合、誘電率センサと液位センサとの誘電率補正値のズレが大きくなり、液位センサによって検知される静電容量に誤差を生じさせ、算出される液位の精度に誤差が生じる要因となった。

また、従来では、液位センサの電極は対向した形状を有する。液位センサを液中に浸漬した後に気中に露出させた場合、又は結露した場合、電極間に液濡れが生じてしまうおそれがあった。このため、液位センサが検出する静電容量は、この液濡れ分も含んでしまい、液位センサによって精度良く液面を検出することができなかった。

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、構造を複雑にすることなく、検知部によって検知される静電容量の精度を上げることができ、精度の高い液位の検出が可能であ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）〜（６）を特徴としている。
（１）液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記液体の深さ方向に延びるように配置される複数の検知部であって、該複数の検知部の各々と相手側電極との間の静電容量を検知可能であり、該複数の検知部の前記深さ方向における下端が同じ深さ位置にあり且つ上端が異なる深さ位置にあるように異なる長さを有する、複数の検知部と、
前記複数の検知部のうちの一つを検出用の検知部として用いるとき、前記検出用の検知部よりも前記上端が前記深さ方向の下側に位置する下位の検知部によって検出される静電容量、前記検出用の検知部の長さ及び前記下位の検知部の長さに基づき、仮に前記検出用の検知部が前記上端まで前記液体に浸漬された場合に前記検出用の検知部によって検知されると想定される参照静電容量を算出する、参照容量算出手段と、
前記参照静電容量、前記検出用の検知部によって実際に検知される静電容量及び前記検出用の検知部の長さに基づき、前記検出用の検知部の前記上端と前記下位の検知部の前記上端との間に液面が存在する前記液体の液位を算出する、液位算出手段と、
を備えること。
（２）上記（１）の構成の液位検出装置であって、
前記検出用の検知部において前記液面よりも前記深さ方向の上側に液濡れが生じている場合の検知誤差を補正する、請求項１に記載の液位検出装置であって、
前記検出用の検知部よりも前記上端が前記深さ方向の上側に位置する上位の検知部によって検知される静電容量と前記検出用の検知部によって検知される静電容量との差、前記上位の検知部の長さと前記検出用の検知部の長さとの差、前記検出用の検知部の長さ、及び、前記参照静電容量に基づき、前記液濡れによる静電容量の増加分を前記検出用の検知部によって実際に検知される静電容量から差し引いた正味の静電容量を算出する、正味容量算出手段をさらに備え、
前記液位算出手段が、前記検出用の検知部によって実際に検知される静電容量に代えて、前記正味容量算出手段によって算出される正味の静電容量に基づき、前記液体の液位を算出すること。
（３）上記（１）または（２）の構成の液位検出装置であって、
前記液位算出手段が、前記複数の検知部のうち、実際に検知される静電容量が前記参照静電容量よりも小さくなる検知部を、前記検出用の検知部として用いること。
（４）上記（１）または（２）の構成の液位検出装置であって、
他の検知部であって、前記複数の検知部の前記深さ方向における下端よりも該他の検知部の上端が前記深さ方向の下側に位置するように配置された他の検知部を、更に備えたこと。
（５）上記（１）または（２）の構成の液位検出装置であって、
前記液体が貯留するタンク内に設置され、前記複数の検知部の前記上端は、それぞれ前記タンク内の特定の高さに位置すること。
（６）上記（１）または（２）の構成の液位検出装置であって、
前記複数の検知部は、基板の上に、同一の幅を有する薄板状に形成されたこと。

上記（１）から（６）の構成の液位検出装置によれば、構造を複雑にすることなく、検知部によって検知される静電容量の精度を上げることができ、精度の高い液位の検出が可能である。また、検知部によって検知される静電容量に対し、液濡れによる増加分を補正することができ、より精度の高い液位の検出が可能である。

本発明によれば、測定用の検知部の先端まで液体に浸漬された場合の参照静電容量を算出し、この参照静電容量、測定用の検知部による静電容量及び測定用の検知部の長さに基づき、測定用の検知部と下位の検知部との間まで浸漬する液体の液位を算出する。これにより、構造を複雑にすることなく、検知部によって検知される静電容量の精度を上げることができ、精度の高い液位の検出が可能である。また、検知部によって検知される静電容量に対し、液濡れによる増加分を補正することができ、より精度の高い液位の検出が可能である。

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。

図１は、第１の実施形態の液位検出装置である液位レベルモニタ１０の構成を示す図である。図２は、回路部１５の構成を示す図である。図３は、液位検出動作手順を示すフローチャートである。図４は、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９における液位算出処理手順を示すフローチャートである。図５は、第２の実施形態のステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９における液位算出処理手順を示すフローチャートである。

本発明の実施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、静電容量式により液位を検出する液位レベルモニタに適用される。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の液位検出装置である液位レベルモニタ１０の構成を示す図である。液位レベルモニタ１０は、燃料タンク（単に、タンクという）７内に貯留するガソリン等の燃料（液体）の液位を検出するものであり、センサ部１１及び回路部１５から構成される。

センサ部１１は、長方形の基板１２を有し、タンク７内の鉛直方向に配置される。回路部１５は、基板１２の下端側に併設される。基板１２には、その長手方向に５つのセンサ１〜５が薄板（薄膜を含む）状に形成されている。

センサ（検知部）１〜５は、それぞれ検知電極１ａ〜５ａとこれらに対向するように配置された接地（ＧＮＤ）電極１８とから構成される。検知電極１ａ〜５ａは、同じ電極幅（電極ピッチ）で異なる電極長を有する。

センサ１は、水平方向の長さＬ１の検知電極１ａを有し、タンク７の底部に水平に配置される。このセンサ１のタンク底面からの高さは、燃料無し（メータの「Ｅｍｐｔｙ」）の位置に相当する。

一方、センサ２、３、４、５は、センサ１に対して垂直方向に、つまり液面に対して垂直方向に配置されている。センサ２は、その下端がタンク７の底面から高さＨ_０に位置し、その先端が警告（メータの「Ｗａｒｎｉｎｇ」）の高さとなる長さＬ２の検知電極２ａを有する。

センサ３は、その下端がタンク７の底面から高さＨ_０に位置し、その先端がタンク７の１／２の高さとなる長さＬ３の検知電極３ａを有する。センサ４は、その下端がタンク７の底面から高さＨ_０に位置し、その先端がタンク７の３／４の高さとなる長さＬ４の検知電極４ａを有する。センサ５は、その下端がタンク７の底面から高さＨ_０に位置し、その先端が満タン（メータの「Ｆｕｌｌ」）の高さとなる長さＬ５の検知電極５ａを有する。

このように、センサ２〜５は、それぞれ高い検出精度が要求される高さ（特定の高さ）、つまりタンク７内のＥｍｐｔｙ，Ｗａｒｎｉｎｇ，１／２等の高さに先端が位置するように配置されているので、これらの近傍に位置する液位の検出精度を高めることができる。

また、センサ１、２、３、４、５はそれぞれ回路部１５に接続されており、検知電極１ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ及び接地電極１８間の各静電容量は、回路部１５によって検知される。

図２は回路部１５の構成を示す図である。回路部１５は、切替回路２１、静電容量検出回路２３及び処理回路２５を有する。切替回路２１は、処理回路２５からの信号に従って、センサ１〜５のいずれかに静電容量検出回路２３への入力を切り替える。静電容量検出回路２３は、静電容量値を周波数に変換するＣＦ検出回路で構成され、検知電極１ａ〜５ａ及び接地電極１８間をそれぞれコンデンサとするＣＲ発振回路（例えばウィーンブリッジ型発振回路）の発振周波数から、センサ１〜５の静電容量を検出する。また、静電容量検出回路２３は、静電容量に対応する発振周波数の信号を処理回路２５に出力する。

処理回路２５は、周知のＣＰＵ２６、ＲＯＭ２７等を有し、静電容量検出回路２３から出力される発振周波数の信号に対応するセンサ１〜５の各静電容量値に基づき、タンク７内の燃料の液位を検知し、この液位信号を液位メータ３０に出力する。液位メータ３０は、表示器で構成され、液位信号に従った液位を表示する。

上記構成を有する液位レベルモニタの動作を示す。図３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、処理回路２５内のＲＯＭ２７に格納されており、ＣＰＵ２６によって実行される。

始めに、ＣＰＵ２６は、全てのセンサ１〜５の静電容量を計測する（ステップＳ１）。ここで、センサ１、２、３、４、５の静電容量値をそれぞれＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５で表す。この静電容量値Ｃ１〜Ｃ５の計測では、切替回路２１は、時分割にセンサ１〜５を切り替え、静電容量検出回路２３に入力する。

そして、ＣＰＵ２６は、液位がいずれかのセンサの先端とこれより１段下位のセンサの先端との間に位置するかを判断する処理を行う。まず、ＣＰＵ２６は、参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ２を算出し、静電容量値Ｃ２がこの参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ２より小さいか否かを判別する（ステップＳ２）。

ここで、センサｎの参照静電容量Ｃ_ｒｅｆｎは、数式（１）で算出される（参照容量算出手段）。この参照静電容量Ｃ_ｒｅｆｎは、そのセンサｎの先端まで燃料が満たされていると想定した場合の静電容量値であり、１段下位に位置するセンサ（ｎ−１）の静電容量Ｃ_ｎ−１を参照した容量（長さ）比で算出される。ただし、ｎはセンサ番号を表し、値１〜５のいずれかである。
Ｃ_ｒｅｆｎ＝Ｃ_ｎ−１×Ｌｎ／Ｌ_ｎ−１ ……（１）

静電容量値Ｃ２が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ２より小さい場合、ＣＰＵ２６は、液位算出処理（ｎ＝２）を行い（ステップＳ３）、ステップＳ１の処理に戻る。一方、静電容量値Ｃ２が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ２以上である場合、ＣＰＵ２６は、参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ３を算出し、静電容量値Ｃ３がこの参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ３より小さいか否かを判別する（ステップＳ４）。静電容量値Ｃ３が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ３より小さい場合、ＣＰＵ２６は、液位算出処理（ｎ＝３）を行い（ステップＳ５）、ステップＳ１の処理に戻る。

一方、静電容量値Ｃ３が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ３以上である場合、ＣＰＵ２６は、参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ４を算出し、静電容量値Ｃ４がこの参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ４より小さいか否かを判別する（ステップＳ６）。静電容量値Ｃ４が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ４より小さい場合、ＣＰＵ２６は、液位算出処理（ｎ＝４）を行い（ステップＳ７）、ステップＳ１の処理に戻る。

一方、静電容量値Ｃ４が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ４以上である場合、ＣＰＵ２６は、参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ５を算出し、静電容量値Ｃ５がこの参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ５より小さいか否かを判別する（ステップＳ８）。静電容量値Ｃ５が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ５より小さい場合、ＣＰＵ２６は、液位算出処理（ｎ＝５）を行い（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理に戻る。

一方、静電容量値Ｃ５が参照静電容量Ｃ_ｒｅｆ５以上である場合、ＣＰＵ２６は、液位Ｈを、タンク７の底面からの高さ（最下測定液位）Ｈ_０に検知電極５ａの電極長Ｌ５を加算した値として算出する（ステップＳ１０）。この後、ＣＰＵ２６はステップＳ１の処理に戻る。

このように、電極長の短いセンサから順次判断し、検出された静電容量値が参照静電容量より小さい場合、そのセンサの先端よりも下位に液位があると判断し、液位算出処理を行う。これにより、液位算出処理を行う測定用のセンサを簡単に特定することができ、処理の負荷を軽減することができる。

図４はステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９における液位算出処理手順を示すフローチャートである。ＣＰＵ２６は、センサｎの静電容量値Ｃｎ、電極長Ｌｎ、最下測定液位Ｈ_０、参照静電容量Ｃ_ｒｅｆｎを用い、タンク７内の液位Ｈを数式（２）に従って、算出する（ステップＳ２１）。ただし、ｎはセンサ番号を表し、値１〜５のいずれかである。
Ｈ＝Ｌｎ×Ｃｎ／Ｃ_ｒｅｆｎ＋Ｈ_０ ……（２）
この後、ＣＰＵ２６は元の処理に復帰する。

第１の実施形態の液位検出装置によれば、複数のセンサの各先端の静電容量値を基準に、それより下位のセンサの先端との間に位置する液位を算出するので、補正ズレが少なくて済み、精度の高い液位の算出が可能である。つまり、構造を複雑にすることなく、センサによって検知される静電容量の精度を上げることができ、精度の高い液位の検出が可能である。

また、最下位にあるセンサがタンクの底部に水平に配置され、常に浸漬しているので、気中に露出することなく低位側の静電容量値も正確に検知可能である。

また、複数のセンサは基板上に同じ幅を有する薄板状かつ同一平面に形成されているので、構造が単純であり、低コスト化が可能である。さらに、回路部が搭載された基板を併設することで、小型化が図られる。また、回路部を基板に形成し、この基板とセンサ部が有する基板とを一体化することも可能であり、より一層の小型化が図られる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、センサに液濡れが生じた際、この液濡れによる静電容量の検知誤差を補正する場合を示す。第２の実施形態の液位レベルモニタは第１の実施形態とほぼ同一の構成を有するので、前記第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を用いることで、その説明を省略する。また、第２の実施形態における液位検出動作においても、前記第１の実施形態における図３に示した手順は同じであるので、ここでは、前記第１の実施形態と異なる液位算出処理についてだけ説明する。

図５は第２の実施形態のステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９における液位算出処理手順を示すフローチャートである。

まず、ＣＰＵ２６は、検知電極のうち、気中に露出している部分の付着容量Ｃａｄを算出する（ステップＳ３１）。ここで、付着容量Ｃａｄは、液濡れによる静電容量の増加分であり、数式（３）で表される。つまり、付着容量Ｃａｄは、液位計測に使用している検知電極と、その先端より上位に先端がある検知電極との静電容量の差分を、電極長の差分の比率で割ることにより求まる（付着容量算出手段）。
Ｃａｄ＝（Ｃｎ＋１−Ｃｎ）／（Ｌｎ＋１−Ｌｎ）×Ｌｎ ……（３）

ただし、この付着容量Ｃ_ａｄは、液位検出に使用している検知電極が全く液に浸かっていないとした場合の付着容量に相当する。そこで、液に浸かっていない分だけの付着容量分を差し引いた、正味の静電容量値Ｃ_ｎｅｔを、数式（４）に従って求める（ステップＳ３２）。ステップＳ３の処理は正味容量算出手段に相当する。
Ｃ_ｎｅｔ＝（Ｃｎ−Ｃ_ａｄ）／（Ｃ_ｒｅｆｎ−Ｃ_ａｄ）×Ｃ_ｒｅｆｎ ……（４）

この正味の静電容量値Ｃ_ｎｅｔを用い、数式（５）に従って、液位Ｌを算出する（ステップＳ３３）。
Ｈ＝Ｌｎ×Ｃ_ｎｅｔ／Ｃ_ｒｅｆｎ＋Ｈ_０ ……（５）
この後、ＣＰＵ２６は元の処理に復帰する。

第２の実施形態の液位検出装置によれば、センサ間の差分により液濡れによる静電容量の誤差を算出するので、センサによって検知される静電容量に対し、液濡れによる増加分を補正することができ、より精度の高い液位の検出が可能である。

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、上記実施形態では、センサの数は５つであったが、これに限らず、任意の数であってもよく、数が多いほど、液位の検知精度が向上する。

また、上記実施形態では、参照静電容量を算出する際、測定用のセンサより１段下位にあるセンサによって検知される静電容量を用いることで検知精度を高めていたが、２段以降の下位にあるセンサによって検知される静電容量を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、センサは基板上に薄板（薄膜を含む）状に形成されていたが、棒状等のブロック状に形成されてもよい。また、上記実施形態では、複数の検知電極は同じ電極幅を有していたが、静電容量の算出が可能である限り、異なる電極幅を有していてもよい。

また、上記実施形態では、複数の検知電極は、最下位を除き、それぞれの下端を揃えて配置されたが、必ずしも揃えることなく、上下方向にずらして配置されてもよい。

本発明は、液体の液位を検出する際、構造を複雑にすることなく、センサによって検知される静電容量の精度を上げることができ、精度の高い液位の検出が可能であり、有用である。

１、２、３、４、５センサ
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ検知電極
７燃料タンク
１０液位レベルモニタ
１１センサ部
１２基板
１５回路部
１８接地（ＧＮＤ）電極
２１切替回路
２３静電容量検出回路
２５処理回路
２６ＣＰＵ
２７ＲＯＭ
３０液位メータ

Claims

液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記液体の深さ方向に延びるように配置される複数の検知部であって、該複数の検知部の各々と相手側電極との間の静電容量を検知可能であり、該複数の検知部の前記深さ方向における下端が同じ深さ位置にあり且つ上端が異なる深さ位置にあるように異なる長さを有する、複数の検知部と、
前記複数の検知部のうちの一つを検出用の検知部として用いるとき、前記検出用の検知部よりも前記上端が前記深さ方向の下側に位置する下位の検知部によって検出される静電容量、前記検出用の検知部の長さ及び前記下位の検知部の長さに基づき、仮に前記検出用の検知部が前記上端まで前記液体に浸漬された場合に前記検出用の検知部によって検知されると想定される参照静電容量を算出する、参照容量算出手段と、
前記参照静電容量、前記検出用の検知部によって実際に検知される静電容量及び前記検出用の検知部の長さに基づき、前記検出用の検知部の前記上端と前記下位の検知部の前記上端との間に液面が存在する前記液体の液位を算出する、液位算出手段と、
を備える液位検出装置。
前記検出用の検知部において前記液面よりも前記深さ方向の上側に液濡れが生じている場合の検知誤差を補正する、請求項１に記載の液位検出装置であって、
前記検出用の検知部よりも前記上端が前記深さ方向の上側に位置する上位の検知部によって検知される静電容量と前記検出用の検知部によって検知される静電容量との差、前記上位の検知部の長さと前記検出用の検知部の長さとの差、前記検出用の検知部の長さ、及び、前記参照静電容量に基づき、前記液濡れによる静電容量の増加分を前記検出用の検知部によって実際に検知される静電容量から差し引いた正味の静電容量を算出する、正味容量算出手段をさらに備え、
前記液位算出手段が、前記検出用の検知部によって実際に検知される静電容量に代えて、前記正味容量算出手段によって算出される正味の静電容量に基づき、前記液体の液位を算出する、
請求項１に記載の液位検出装置。
前記液位算出手段が、前記複数の検知部のうち、実際に検知される静電容量が前記参照静電容量よりも小さくなる検知部を、前記検出用の検知部として用いる、
請求項１または請求項２に記載の液位検出装置。
他の検知部であって、前記複数の検知部の前記深さ方向における下端よりも該他の検知部の上端が前記深さ方向の下側に位置するように配置された他の検知部を、更に備えた、
請求項１または請求項２に記載の液位検出装置。