JP6132960B1 - 水位計測装置およびその較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電極を備えた水位計測装置において、電極ごとに水位とその計測結果との対応関係を簡単かつ正確に較正できようにする。【解決手段】電極選択部４１４は、電極下端部に対応する水位の計測値が未登録の電極E(n)を選択する。ゲイン切換部４１５は増幅器３３のゲインを調整する。下端部検知部４１６は、水位が電極E(n)の下端部にあるか否かを最大ゲインで検知する。下端部電圧登録部４１７は、水位が電極E(n)の下端部にあるときの電極E(n)の電荷量を通常ゲインで計測し、下端部水位代表値Vedge(n)として登録する。隣接水位代表値登録部４１８は、水位が電極E(n)の下端部にあるときの隣接電極E(n-1)の電荷量を通常ゲインで計測し、隣接水位代表値Vref(n-1)として登録する。補正係数等決定部４１９は、隣接電極E(n-1)の各代表値Vedge(n-1)，代表値Vref(n-1)に基づいて、隣接電極E(n-1)の計測値を較正するための補正係数や関数を求める。【選択図】 図１９

Description

本発明は、静電容量式の水位計測装置およびその較正方法に係り、特に、多数の電極を設けて高分解能を実現する水位計測装置およびその較正方法に関する。

河川やタンク内の水位を測定するために使用される水位計測装置の計測方法には、フロートなどを用いた機械的な計測方法と、液体の圧力や静電容量の変化を利用する電気的な方法とがある。フロートによる機械的な計測方法では、駆動部分にゴミなどの浮遊物が付着すると、正常な水位の検出ができなくなるため、定期的な清掃が必要となる。一方、液体の圧力によって水位を計測する方法は、浅い水位で圧力変化が小さい場合に適用が難しい。

特許文献１では、液体によって電極の静電容量に変化が生じることを用いた水位計測に関して、電極に印加する周波数を水位に応じて変えることで精度向上を図る技術が提案されている。特許文献２では、対となった電極の電圧が一定になるまでの時間を測定して精度向上を図る技術が提案されている。特許文献３では、分解能の数だけ電極を並べて、精度向上を図る技術が提案されている。

特許第5664217号公報 特許第5688731号公報 特開平11-311562号公報

特許文献３のように、水位方向に複数の電極を配置して分解能を向上させる方式では、各電極による計測結果に一貫性を持たせて計測精度を向上させるためには、電極ごとに水位とその計測結果との対応関係を較正しなければならない。しかしながら特許文献３では、そのための具体的な手法が開示されていない。

本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、複数の電極が水位方向に所定の間隔で相互に離間して配置される水位計測装置およびその較正方法において、電極ごとに水位とその計測結果との対応関係を簡単かつ正確に較正できようにすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の各構成を具備した点に特徴がある。

(1) 複数の電極が水位方向に所定の間隔で相互に離間かつ計測範囲の一部が重なるように配置された電極部と、各電極に駆動電圧を印加して蓄積された電荷量を計測する手段と、電荷量の計測値を水位代表値に変換する手段と、電荷量の計測感度を、相対的に高い下端部検知用感度または低い計測用感度に切り換える手段と、電極ごとに水位と水位代表値との対応関係を較正する手段とを具備した。

そして、前記較正する手段が、下端部検知用感度での水位代表値により一の電極E(n)の下端部に水位があることが検知されると、当該水位における計測用感度での水位代表値を前記一の電極E(n)および低水位側に隣接する他の一の電極E(n-1)について求め、それぞれ下端部水位代表値および隣接水位代表値として登録する手段と、電極ごとに、その下端部水位代表値および隣接水位代表値に基づいて、水位と水位代表値との関係を較正する手段とを具備した。

(2) 前記計測する手段と各電極との配線長の差に起因した浮遊容量の差分を解消する手段をさらに具備した。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。

(1) 水位が較正の基準位置となる電極下端部にあることを検知する際は、電荷量の計測感度を最大化し、当該水位における各電極の電荷量を計測する際は計測用の標準感度に戻すようにしたので、基準位置の正確な検知と、当該水位における各電極の電荷量の正確な計測とを両立できるようになる。

(2) 水位が各電極の下端部に達しさえすれば較正が可能なので、水位計測装置の製造工程で水位を強制的に変化させて較正を実行する以外にも、装置を使用環境に設置後も、計測対象の水位変化を利用して較正を行えるようになる。

(3) 各電極を計測側から見込んだ際の浮遊容量のばらつきを補償する手段として、電荷量の計測値を増幅する増幅器のゲインを調整する手段や、各電極に印加する駆動電圧の周波数を調整する手段を設けたので、電極ごとにその配線長の相違に起因した浮遊容量のばらつきがある場合でも、電極ごとに水位と計測値との対応関係を較正できるようになる。

本発明の一実施形態に係る水位計測装置の主要部の構成を示したブロック図である。 図１に示した電極部１の構成を示した回路図である。 図１に示した駆動部２０の構成を示した回路図である。 図１に示した検出部３０の構成を示した回路図である。 図１に示した制御部４０の構成を示した機能ブロック図である。 検出部３０で検出される信号波形を示した図である。 電極ごとに水位を各電極の下端部から上端部まで変化させたときの水位と計測値との関係を示した図である。 駆動電圧の周波数をf0として、増幅器３３のゲインを変化させながら計測した水位と電荷量との関係を示した図である。 駆動電圧の周波数を２×f0として、増幅器３３のゲインを変化させながら計測した水位と電荷量との関係を示した図である。 電極E(n)，E(n-1)に関する計測値の重み付け平均値を求めて総合水位L_totalとする手順を示したフローチャートである。 総合水位L_totalの求め方を示した図である。 電極E(n)，E(n-1)に関する計測値の重み付け平均値を求めて総合水位L_totalとする機能のブロック図である。 電極E(n)，E(n-1)ごとに計測された水位（■，◆）と総合水位L_total（▲）との関係を示した図（その１）である。 電極E(n)，E(n-1)ごとに計測された水位（■，◆）と総合水位L_total（▲）との関係を示した図（その２）である。 電極E(n)，E(n-1)について、計測感度を最大化した場合と適正化した場合とで水位と計測値との関係を比較した図である。 水位計測装置の各電極Eによる計測値を較正する手順を示したフローチャートである。 各電極Eによる計測値を較正する方法を示した図である。 各電極Eによる計測値を較正する方法を示した図である。 水位計測装置の各電極Eによる計測値を較正する機能のブロック図である。 本実施形態による水位の計測結果を示した図である。 本実施形態による水位の計測誤差を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下では発明の明確化のため、記載および図面は省略や簡略化がなされている場合がある。また、図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、CPU、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現される。各要素はハードウェアおよびソフトウェアのいずれか、又は組み合わせによって実現できることは言うまでもなく、いずれかに限定するものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複の説明は省略されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る水位計測装置の主要部の構成を示したブロック図であり、複数の電極Eが水位方向Lに所定の間隔で、かつ計測範囲の一部が重複するように相互に離間して配置され、計測対象の液面に対して図示の起立姿勢で配置される電極部１と、各電極Eへ駆動電圧を供給し、各電極Eに蓄積される電荷量を計測することで水位を計測する水位計測部２とから構成される。

本実施形態では、水位が電極部１に達して各電極Eと対向電極（図示省略）との静電容量が変化し、蓄積される電荷量が変化すると、これを電圧値として検出し、更にこの電圧値をAD変換器により水位を代表するカウント値（水位代表値）に変換して各種の演算に用いる。電極部１には各電極Eが腐食しないように予めシリコン等を用いて防水処理が施されている。

水位計測部２において、駆動部２０は、制御部４０の駆動電圧生成部４３が出力する駆動電圧を増幅する増幅器２２と、制御部４０の駆動チャンネル設定部４４が出力する電極切換信号Sg1に応答して前記増幅された駆動電圧を一の電極Eへ選択的に供給するマルチプレクサ２１とを含む。

検出部３０は、制御部４０の検出チャンネル設定部４７が出力する電極切換信号Sg2に応答して一の電極Eを選択するマルチプレクサ３１と、選択された電極Eに蓄積された電荷量に相当する測定値（電圧）を増幅する増幅器３３と、前記増幅器３３のゲインを、制御部４０の検出感度設定部４５からの指示に基づいて調整することで計測感度を調整する感度調整器３２とを含む。

図２は、前記電極部１の構成を示した回路図であり、複数の電極Eが水位方向に所定の間隔で相互に離間かつ計測範囲の一部が重なるように配置されている。電極Eの個数は主に水位の計測範囲により決定され、ここでは電極数が８個の場合を例にして説明する。したがって、電極E(1)は最も水位が低い際に使用され、電極E(8)は最も水位が高い際に使用される。

各電極E(1)〜E(8)は、それぞれ抵抗器R11〜R18を介して各端子１２１〜１２８に接続されている。一つの電極Eに着目したとき、その静電容量値をC、抵抗器Rの抵抗値をr、入力される電圧をVi1、対向電極との間に蓄積される電荷量に基づく電圧をVo1、経過時間をtとすれば、電極Eの電圧Vo1は次式(1)で表すことができる。すなわちr，t，Vi1，Vo1が既知であれば電極Eの静電容量Cの値を得ることができる。

Vo1=Vi1｛1-exp（-t／rC）｝ …(1)

図３は、前記駆動部２０の構成の一例を示した回路図であり、マルチプレクサ２１の各出力端子２２１〜２２８は、それぞれ前記電極部１の各接続端子１２１〜１２８と接続される。

各出力端子２２１〜２２８は、スイッチSW11〜SW18を介して増幅器２２の出力端子に接続され、各スイッチSW11〜SW18の開閉は、８チャンネルデコーダ２０３の出力に依存する。当該デコーダ２０３の出力は、その入力端子２２９〜２３１に入力される電極切換信号Sg1に依存する。本実施形態では、電極切換信号Sg1に応じて、いずれか１つのスイッチSWのみが選択されて短絡となり、選択されない他の７つのスイッチSWは全て開放となる。

増幅器２２の増幅度は、抵抗器R1，R2の抵抗値で決定される。増幅器２２に入力される電圧をVi2、抵抗器R1の抵抗値をr1、抵抗器R2の抵抗値をr2とすれば、出力電圧Vo2は次式(2)で表される。

Vo2＝Vi2｛1+r2/r1｝ …(2)

なお、図示の例では増幅器２２が非反転アンプ回路であるが、反転アンプ、差動アンプあるいは計装アンプなどに変更しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、増幅器２２は入力端子２３２に入力された信号を増幅する目的および／または負荷回路に対する駆動能力向上の目的で設けられているので、入力端子２３２に入力される信号が十分な電圧、駆動能力を備えていれば増幅器２２は省略できる。

図４は、前記検出部３０の構成を示した回路図であり、電極E(1)〜E(8)のいずれかを選択するマルチプレクサ３１、各電極E(1)〜E(8)と水位計測部２との距離（配線長）に応じた抵抗成分の差による浮遊容量の相違を補償するための抵抗器R41〜R44、前記抵抗器R41〜R44のいずれかを選択する感度調整器３２（マルチプレクサ）および前記選択された抵抗器Rによりゲインを調整される増幅器３３を主要な構成としている。

前記マルチプレクサ３１の入力端子３５１〜３５８は、それぞれ前記電極部１の各接続端子１２１〜１２８に接続される。各入力端子３５１〜３５８は、スイッチSW31〜SW38を介して増幅器３３の入力端子に接続され、各スイッチSW31〜SW38の開閉は、８チャンネルデコーダ３１９の出力に依存する。当該デコーダ３１９の出力は、その入力端子３５９〜３６１に入力される電極切換信号Sg2に依存する。本実施形態では、電極切換信号Sg2に応じて、いずれか１つのスイッチSWのみが選択されて短絡となり、選択されない他の７つのスイッチSWは全て開放となる。

増幅器３３の出力は、端子３６５に接続されるとともに、感度調整器３２のスイッチSW21〜SW24およびこれらに直列接続される抵抗器R41〜R44のいずれかを介して増幅器３３のマイナスポートに接続される。

各スイッチSW21〜SW24の開閉は、４チャンネルデコーダ３３５の出力に依存し、当該デコーダ３３５の出力は、入力端子３６２，３６３に入力される切換信号Sg3に依存する。本実施形態では、切換信号Sg3に応じて、いずれか１つまたは複数のスイッチSWが選択されて短絡となる。

前記増幅器３３は、電流／電圧変換回路の構成である。マルチプレクサ３１により選択された端子（３５１〜３５８のいずれか）に接続される電極Eに蓄えられた電荷は、短絡されたスイッチSW（SW31〜SW38のいずれか）を介して増幅器３３のマイナスポートに入力される。

増幅器３３から構成される電流／電圧変換回路において、選択された電極Eに蓄えられた電荷による電流をIm3、端子３６４に印加される基準電圧をVp3、感度調整器３２により選択された抵抗器（R41〜R44のいずれかまたは複数）で決定される抵抗値をr4とすれば、端子３６５に出力される電圧Vo3は次式(3)で表される。

Vo3＝Vp3-Im3×r4 …(3)

すなわち、抵抗R41〜R44のいずれかまたは複数で決定される抵抗値r4によって、Im3が一定であっても端子３６５に出力される電圧感度を変えることができる。本実施形態では感度調整器３２が４チャンネルの構成であるが、さらに多チャンネルのマルチプレクサの使用または電子ボリューム（図示省略）等を用いれば、より詳細に切り換えることが可能である。

また、電流Im3は、電極Eの静電容量を上式(1)のC、駆動部２０から電極Eへ印加される電圧を上式(2)のVo2、電圧Vo2の周波数をFとすれば次式(4)で表すことができる。

Im3＝C×Vo2×F …(4)

すなわち、電圧Vo2の周波数FによってIm3を変えることができ、ひいては上式(3)により端子３６５に出力される電圧感度を変えることができる。

図５は、前記制御部４０の構成を示した機能ブロック図であり、演算部４１、基準点記憶部４２、駆動電圧生成部４３、駆動チャンネル設定部４４、検出感度設定部４５、検出電圧入力部４６、検出チャンネル設定部４７、検出基準電圧出力部４８および内部バス４９を主要な構成としている。このような制御部４０は、例えばMCU（Micro Controller Unit）などの計算機能を持つ回路や装置で構成できる。

演算部４１は主にCPU、RAMおよびROMで構成され、制御部４０の各機能ブロックと内部バス４９で接続される。基準点記憶部４２は、不揮発性メモリで構成される。駆動電圧生成部４３はタイマーとDA変換器または汎用ポートで構成され、端子４２１から図３の端子２３２に接続される。

駆動チャンネル設定部４４は汎用ポートで構成され、その端子４２２〜４２４は、それぞれ図３の端子２２９〜２３１に接続される。検出感度設定部４５は汎用ポートで構成され、その端子４２５、４２６は、それぞれ図４の端子３６２、３６３に接続される。

検出電圧入力部４６は、AD変換器で構成され、その端子４２７は図４の端子３６５に接続される。検出チャンネル設定部４７は、汎用ポートで構成され、その端子４２８〜４３０は、それぞれ図４における端子３５９〜３６１に接続される。検出基準電圧出力部４８はDA変換器で構成され、その端子４３１は図４の端子３６４に接続される。

静電容量の変化に基づく水位計測では、空気の誘電率をεa、液体の誘電率をεw、空気中にある電極面積をS1、液体中にある電極面積をS2、電極間の距離をdとすると、その静電容量C5は次式(5)で表すことができる。

C5＝εa×S1/d＋εw×S2/d …(5)

ここで、空気の誘電率εaと液体の誘電率εwとを比較すると、一般に液体の誘電率εwが大きい。例えば液体が水の場合、εwは約８０となり、上式(5)の第二項εw×S2/dが支配的となる。

図６は、電極部１に駆動部２０から駆動電圧を印加したのち、検出部３０で検出される信号波形を示した図であり、時刻t1で印加された駆動電圧に応じた電荷量が時刻t2で計測され、これが所定の監視期間だけ繰り返される。

信号波形の立ち上がり特性は上式(1)に依存し、その変数Cには上式(5)のC5および回路が有する浮遊容量が含まれる。図６の信号波形の立ち下がり特性は上式(3)に依存し、蓄積された電荷による電流Im3が減少することにより徐々に０Ｖに近づく波形となる。

図７は、電極Eごとに水位を各電極の下端部から上端部まで変化させたときに、検出部３０の端子３６５から出力されて制御部４０の端子４２７へ入力される電圧値をAD変換器でカウント値に変換した結果を示した図であり、横軸は電極Eの大きさを１として正規化した水位、縦軸はAD変換された水位代表値である。

いずれの電極でも、その下端部から上端部まで、液面の位置に応じた静電容量の変化をデジタル値として取得できていることが解る。また、傾きが最も緩やかな０.７５〜１.０区間においてもAD変換値のレンジは約５０００カウントであり、下端部から上端部までに換算すると４倍の約２００００カウントとなる。すなわち、電極ごとに約２００００分の１という高分解能で水位換算できることが解る。

ところで、本実施形態では電極部１において複数の電極Eが異なる位置に配置されるため、水位計測部２を物理的にどこへ配置しても水位計測部２と各電極Eとの配線長が異なるものとなり、その結果、水位計測部２から各電極Eを見込んだ時の浮遊容量がそれぞれ異なる。そして、浮遊容量は上式(1)のCに加算されることになるので、電極毎に上式(1)の電圧Vo1が変わってしまう。

本実施形態では、このような浮遊容量の相違に基づく計測誤差を解消するために、検出部３０の増幅器３３に抵抗器R41〜R45を設け、選択されている電極Eの配線長に応じて前記４チャンネルデコーダ３３５が、切換信号Sg3に応答して抵抗器R41〜R45のいずれかまたは複数を選択し、上式(3)のVo3を調整することで浮遊容量の補正を実現している。

図８，９は、一の電極Eに関して、抵抗器R41〜R45を切り換えて計測した水位と電荷量（電圧計測値をAD変換したカウント値）との関係を示した図であり、抵抗器R41〜R45を切り換えることで水位と計測値との関係を調整できることが解る。したがって、配線長に応じた抵抗器R41〜R45を選択することにより、各電極Eの配線長の相違にかかわらず水位と計測値との関係を適正化することが可能になる。

なお、このような配線長による浮遊容量の相違に基づく計測誤差は、上式(4)の変数F、すなわち増幅器２２から電極Eへ印加する駆動電圧の周波数f0を変えることによっても補正できる。図９では図８に比べて、駆動周波数f0が２倍にされている。

一方、図８，９では浮遊容量の補正が可能であることを示したが、実際に装置を製造する際には、装置を構成する電子部品、機構部品の製造ばらつきが発生するため、電極Eごとに電気的特性にばらつきが生じ得る。そのため、水位方向に隣接する２つの電極E(n)，E(n-1)の重複する計測範囲内での計測結果が一致せず、水位の変化に対して計測結果が不一致、不連続となることがある。

このような技術課題を解決するために、本実施形態では、水位方向に隣接して計測範囲の一部が重複する一対の電極E(n)，E(n-1)ごとに、各計測値に対する重み付け平均値を求め、これを最終的な計測値（総合水位L_total）とすることで、水位の変化に対して計測値が連続的に変化するようにしている。

図１０は、２つの電極E(n)，E(n-1)の計測値が水位の変化に対して連続的に変化し、かつ適正値を示すように、各計測値の重み付け平均値を求めて総合水位L_totalとする手順を示したフローチャートである。

ステップS２１では、水位方向に隣接する２つの電極E(n)，E(n-1)の重複する計測範囲で水位が検知されているか否かが、例えば各電極E(n)，E(n-1)で検知された電荷量に基づいて判断される。図１１に示したように、水位が重複する計測範囲内であればステップS２２へ進み、電極E(n)，E(n-1)ごとに得られた電荷量の計測結果に基づいて暫定水位L0が求められる。この暫定水位L0は、例えば電極E(n)の電荷量に基づいて求められた水位Lnと電極E(n-1)の電荷量V(n-1)に基づいて求められた水位Ln-1との中間値として求めることができる。

ステップS２３では、暫定水位L0に基づいて各電極E(n)，E(n-1)の計測結果に対する重み付けz：(1-z) [0＜z≦1] が決定される。本実施形態では、図１１に示したように、電極E(n)の水位方向に関する中心位置（電極中心）から暫定水位L0までの距離Δdnおよび電極E(n-1)の電極中心から暫定水位L0までの距離Δdn-1を求め、電極中心から水位までの距離がより近い電極の計測値が、より重み付けされるように重み付けz：(1-z)が決定される。

ステップS２４では、前記決定された重み付けzに従って、各電極E(n)，E(n-1)の計測結果の重み付き平均値が求められ、これが各電極E(n)，E(n-1)の計測結果を反映した総合水位L_totalとされる。

図１２は、前記２つの電極E(n)，E(n-1)の電荷量に基づいて総合水位L_totalを重み付き平均値として求める総合水位算出部４１ａのブロック図であり、前記演算部４１により実現される。

暫定水位計測部４１１は、前記ステップS２２において、電極E(n)，E(n-1)の重複する計測範囲に水位があるときに、電極E(n)，E(n-1)ごとに計測された電荷量に基づいて暫定水位L0を計測する。重み決定部４１２は、前記ステップS２３において、前記暫定水位L0と各電極E(n)，E(n-1)との相対的な位置関係に基づいて各計測値に対する重み付けを決定する。重み付き平均値計算部４１３は、前記ステップS２４において、電極E(n)，E(n-1)ごとに得られる計測結果に前記重み値に基づく重み付き平均値を計算して総合水位L_totalとする。

図１３，１４は、前記電極E(n)，E(n-1)ごとに計測された水位（■，◆）と、重み付き平均値として求めた総合水位L_total（▲）との関係を示した図であり、隣接する２つの電極E(n)，E(n-1)が示す水位の大小にかかわらず、統合水位が適正な連続値として求められていることが解る。

このように、本実施形態によれば、複数の電極が水位方向に所定の間隔で相互に離間かつ計測範囲の一部が重なるように配置されるので、水位は必ずいずれかの電極の上端部と下端部との間に位置することになる。したがって、水位をその位置にかかわらず正確に計測できるようになる。

また、本実施形態では水位方向に隣接して計測範囲の一部が重複する一対の電極E(n)，E(n-1)ごとに、各計測値に対する重み付け平均値を求め、これを最終的な計測値（総合水位L_total）とされるので、各電極E(n)，E(n-1)の電気的特性にばらつきがある場合でも正確な計測結果を得ることが可能となり、水位が複数の電極間で変化する場合でも、その変化を連続的に計測できるようになる。

さらに、本実施形態では各電極を計測側から見込んだ際の浮遊容量のばらつきを補償する手段として、電荷量の計測値を増幅する増幅器のゲインを調整する手段や、各電極に印加する駆動電圧の周波数を調整する手段を設けたので、電極ごとにその配線長の相違に起因した浮遊容量のばらつきがある場合でも、電極ごとに水位と計測値との対応関係を較正できるようになる。

一方、前記図７を厳密に観察すると、水位と計測値との関係には電極間でずれがあり、例えば水位が電極の下端部にあるときの計測値、あるいは水位変化に対する計測値の傾き等の電極間で相違は計測誤差の一因となり得る。

本実施形態では、このような技術課題を解決するために、前記検出部３０の増幅器３３のゲインを上げることで各電極Eの水位検知感度が高くなる性質を利用して、各電極Eの水位と計測値との対応関係を較正するようにしている。

図１５は、水位方向に隣接する２つの電極E(n)，E(n-1)について、前記増幅器３３のゲインを最大化した場合と適正化した場合とで、水位と計測値との関係を比較した図である。水位が電極の下端部に達したとき、ゲインが最大化されていると適正化されている場合に比べて計測値が急激に上昇するので、水位が電極の下端部に達したことを正確かつ確実に検知できる。

そこで、本実施形態では所定の周期で増幅器３３のゲインを動的に切り換えることで、水位が電極の下端部に達したことを正確に検知し、この時の水位を指標に各電極での計測値を較正するようにしている。

図１６は、水位計測装置の各電極Eによる計測値を較正する手順を示したフローチャートであり、所定の周期で繰り返し実行される。図１７，１８は、本実施形態の較正手順を模式的に示した図であり、ここでは、水位方向に隣接する３つの電極E(n)，E(n-1)に着目して説明する。

ステップS１では、電極下端部に対応する水位の計測値が未登録であるいずれかの電極が選択される。ここでは、電極E(n)が選択されたものとして説明を続ける。ステップS２では、選択された電極E(n)が駆動電圧の印加対象および電荷量の計測対象となるように前記各マルチプレクサ２１，３１が切り換えられる。ステップS３では、検出部３０の計測感度が下端部検知用の高感度となるように、前記抵抗器R41〜R45のいずれかが選択され、増幅器３３のゲインが最大値G_maxとされる。ステップS４では、電圧印加および最大ゲインG_maxでの計測が実施される。

ステップS５では、計測値が十分に小さな値から十分に大きな値へ遷移する急峻な変化が観測されたか否かに基づいて、水位が電極E(n)の下端部に達したか否かが判断される。計測値の急峻な変化が検知されなければステップS６へ進み、所定の監視期間が完了したか否かが判断される。監視期間が完了するまでは、ステップS４へ戻って電荷量の計測および変化量の監視が繰り返される。

計測値の急峻な変化が観測されるとステップS７へ進み、検出部３０の計測感度が計測用の通常感度となるように、前記最大値G_maxに設定されていた増幅器３３のゲインが通常値G_normalに戻される。本実施形態では、選択されている電極E(n)の配線長に応じて前記抵抗器R41〜R45のいずれか、または複数が選択される。

ステップS８では、電極E(n)への電圧印加および通常ゲインG_normalでの計測が実施され、その計測値が下端部水位代表値V_edge(n)として登録される。ステップS９では、選択中の電極E(n)の下端部を計測範囲とする隣接電極、すなわち選択中の電極E(n)に水位の低い側に位置する隣接電極E(n-1)が、駆動電圧の印加対象および電荷量の計測対象となるように前記各マルチプレクサ２１，３１が切り換えられる。そして、計測用感度での計測が実施されるように、電極E(n-1)の配線長に応じて前記抵抗器R41〜R45のいずれか、または複数が選択される。

ステップS１０では、図１７に示したように、前記下端部水位代表値V_edge(n)が計測されている現在の水位において、通常ゲインG_normalでの隣接電極E(n-1)への電圧印加およびその電荷量の計測が実施され、その計測値が隣接水位代表値V_ref(n-1)として登録される。

ステップS１１では、隣接電極E(n-1)の下端部水位代表値V_edge(n-1)が、以前の周期で計測されて既登録であるか否かが判断される。未登録であれば今回の処理を終了し、既登録であればステップS１２へ進む。ステップS１２では、図１８に示したように、隣接電極E(n-1)に関して、既登録の下端部水位代表値V_edge(n-1)および前記計測された隣接水位代表値V_ref(n-1)に基づいて、水位と計測結果との対応関係が較正される。

すなわち、本実施形態では各電極Eの水位方向の配置ピッチ（隣接する各電極の下端部間の距離）、電極下端部での電荷量の計測値（ADコンバータのカウント値）および電極下端部を基準とした水位とカウント値との関係は予め設計仕様として定められているので、隣接電極E(n-1)の下端部水位代表値V_edge(n-1)および隣接水位代表値V_ref(n-1)が設計仕様と一致するように、隣接電極E(n-1)に関して計測結果を２点補正する係数や関数が求められる。

図１９は、上記の較正を実現する較正機能のブロック図であり、前記演算部４１により実現される。

電極選択部４１４は、前記ステップS１において、電極下端部に対応する水位の計測値が未登録の電極を選択し、更にステップＳ９において、その隣接電極E(n-1)を選択する。ゲイン切換部４１５は、前記ステップＳ３，Ｓ７において、前記４チャンネルデコーダ３３５の入力端子に入力する切換信号Sg3を制御することで抵抗R41〜R44のいずれかまたは複数を選択し、増幅器３３のゲインを調整する。

下端部検知部４１６は、前記ステップＳ５，Ｓ６において、水位が電極E(n)の下端部にあるか否かを検知する。下端部水位代表値登録部４１７は、前記ステップS８において、水位が電極の下端部にあるときの電荷量を通常ゲインG_normalで計測し、これを下端部水位代表値V_edge(n)として登録する。

隣接水位代表値登録部４１８は、前記ステップS１０において、水位が電極E(n)の下端部にあるときの隣接電極E(n-1)の電荷量を通常ゲインG_normalで計測し、これを隣接水位代表値V_ref(n-1)として登録する。補正係数等決定部４１９は、前記ステップS１２において、隣接電極E(n-1)の下端部水位代表値V_edge(n-1)および隣接水位代表値V_ref(n-1)が設計仕様と一致するように、隣接電極E(n-1)の計測値を較正するための補正係数や関数を求める。

本実施形態によれば、水位が較正の基準位置となる電極下端部にあることを検知する際は、電荷量の計測感度を最大化し、当該水位における各電極の電荷量を計測する際は計測用の標準感度に戻すようにしたので、基準位置の正確な検知と、当該水位における各電極の電荷量の正確な計測とを両立できるようになる。

また、水位が各電極の下端部に達しさえすれば較正が可能なので、水位計測装置の製造工程で水位を強制的に変化させて較正を実行する以外にも、装置を使用環境に設置後も、計測対象の水位変化を利用して較正を行えるようになる。

さらに、各電極を計測側から見込んだ際の浮遊容量のばらつきを補償する手段として、電荷量の計測値を増幅する増幅器のゲインを調整する手段や、各電極に印加する駆動電圧の周波数を調整する手段を設けたので、電極ごとにその配線長の相違に起因した浮遊容量のばらつきがある場合でも、電極ごとに水位と計測値との対応関係を較正できるようになる。

図２０は、本実施形態による水位の計測結果を示した図であり、横軸は、各電極の水位方向の長さを「１」として正規化した場合の水位であり、縦軸は、各電極Eに蓄積された電荷量に前記重み付けを適用して計測、計算された水位を表している。本実施形態によれば、複数の電極Eが離間配置され、計測範囲の一部が重複するにも関わらず、水位の上昇と共に計測結果が連続的かつ単調増加し、水位に対して計測結果が一意に求まることが解る。

図２１は、本実施形態による水位の計測誤差を示した図であり、横軸は、各電極の水位方向の長さを「１」として正規化した場合の水位であり、縦軸は、誤差のパーセント表示した値である。本実施形態によれば、計測範囲の全域で誤差が略２パーセント内に収まっていることが解る。

なお、上記の各実施形態の各部は、単一の装置によって構成されてもよく、あるいは複数の装置によって分散構成されてもよい。また、各部が有する機能の分け方は一通りでなく、様々な分け方があることは言うまでもない。

さらに、上記の各実施形態の信号接続において、パラレル信号接続で記述された構成を変更して、シリアル信号接続で制御しても同等の効果が実現できることは言うまでもない。

さらに、上記の各実施形態の信号接続において、電圧又は電流等のアナログ信号をデジタル信号に置き換えても、あるいはデジタル信号を電圧や電流等のアナログ信号に置き換えても同等の効果が実現されることも言うまでもない。

さらに、上記の各実施形態の信号接続は、電線や光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路が用いられても同様の効果が実現されることは言うまでもない。

なお、上記の各実施形態の制御部はコンピュータ装置によって構成することもできる。コンピュータプログラムは、様々なコンピュータ装置が可読できる記憶媒体で格納され、コンピュータ装置に供給できる。記憶媒体は、磁気記憶媒体や光磁気記憶媒体、半導体メモリを含み、他にも同様の機能を持つものが含まれることは言うまでもない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。

１…電極部，２…水位計測部，２０…駆動部，３０…検出部，４０…制御部，２１…マルチプレクサ，２２…増幅器，２０３…８チャンネルデコーダ，３１…マルチプレクサ，３２…感度調整器，３３…増幅器，３１９…８チャンネルデコーダ，３３５…４チャンネルデコーダ，４１…演算部，４２…基準点記憶部，４３…駆動電圧生成部，４４…駆動チャンネル設定部，４５…検出感度設定部，４６…検出電圧入力部，４７…検出チャンネル設定部，４８…検出基準電圧出力部，４９…内部バス，４１１…暫定水位計測部，４１２…重み決定部，４１３…重み付き平均値計算部，４１４…電極選択部，４１５…ゲイン切換部，４１６…下端部検知部，４１７…下端部水位代表値登録部，４１８…隣接水位代表値登録部，４１９…補正係数等決定部

Claims (6)

1. 複数の電極が水位方向に所定の間隔で相互に離間かつ計測範囲の一部が重なるように配置された電極部と、
   各電極に駆動電圧を印加して蓄積された電荷量を計測する手段と、
   前記電荷量の計測値を水位代表値に変換する手段と、
   前記電荷量の計測感度を、相対的に高い下端部検知用感度および低い計測用感度のいずれかに切り換える手段と、
   電極ごとに水位と水位代表値との対応関係を較正する手段とを具備し、
   前記較正する手段は、
   下端部検知用感度での水位代表値により一の電極E(n)の下端部に水位があることが検知されると、当該水位における計測用感度での水位代表値を前記一の電極E(n)および低水位側に隣接する他の一の電極E(n-1)について求め、それぞれ下端部水位代表値および隣接水位代表値として登録する手段と、
   電極ごとに、その下端部水位代表値および隣接水位代表値に基づいて、水位と水位代表値との関係を較正する手段とを具備したことを特徴とする水位計測装置。
2. 前記電荷量の計測値を増幅する手段を具備し、
   前記感度を切り換える手段は、前記増幅する手段のゲインを、相対的に高い下端部検知用ゲインおよび低い計測用ゲインのいずれかに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の水位計測装置。
3. 前記計測する手段と各電極との配線長の差に起因した浮遊容量の差分を解消する手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１または２に記載の水位計測装置。
4. 前記電荷量の計測値を増幅する手段と、
   前記計測する手段と各電極との配線長の差に起因した浮遊容量の差分を解消する手段とを具備し、
   前記感度を切り換える手段は、前記増幅する手段のゲインを、相対的に高い下端部検知用ゲインおよび低い計測用ゲインのいずれかに切り換え、
   前記浮遊容量の差分を解消する手段は、計測値の増幅ゲインを調整することを特徴とする請求項１に記載の水位計測装置。
5. 前記浮遊容量の差分を解消する手段は、各電極へ印加する駆動電圧の周波数を調整することを特徴とする請求項３に記載の水位計測装置。
6. 複数の電極が水位方向に所定の間隔で相互に離間かつ計測範囲の一部が重なるように配置された電極部を有する水位計測装置の較正方法において、
   各電極に駆動電圧を印加して蓄積された電荷量の計測値を水位代表値に変換する手順と、
   前記電荷量の計測感度を、相対的に高い下端部検知用感度および低い計測用感度のいずれかに切り換える手順と、
   下端部検知用感度での水位代表値により一の電極E(n)の下端部に水位があることを検知する手順と、
   前記下端部に水位があることが検知されると、当該水位における計測用感度での水位代表値を前記一の電極E(n)および低水位側に隣接する他の一の電極E(n-1)について求める手順と、
   前記電極E(n)，E(n-1)について求められた各水位代表値を、それぞれ下端部水位代表値および隣接水位代表値として登録する手順と、
   電極ごとに、その下端部水位代表値および隣接水位代表値に基づいて、水位と水位代表値との関係を較正する手順とを含むことを特徴とする水位計測装置の較正方法。