JP6305520B2 - 充填レベル測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器内の液体の充填レベルを測定するために、容量を測定するように構成された複数のセンサを備えた、充填レベル測定装置に関する。

充填レベルの測定は、低粘性の媒体（例えば水、油など）では、いわゆるフロートスイッチによって、機械的に複数回行われる。これに対して、高粘性の媒体（例えばグリース）では、電子的に動作する容量性センサが用いられることが多い。

オイルに対しても容量性センサを使用して簡単化を図ることは技術的には可能であるが、現行のセンサではコストの点で殆許容されない。ここから、使用される媒体に応じてそのつど別のタイプのセンサの使用が指示されるという欠点が生じる。これによりバリエーションが複雑となり、さらにコストが増大する。

この場合、従来利用可能な容量性センサは、部分的にかなり複雑で、コンパクトでない。またこれらの容量性センサは高価である。

したがって、本発明の基礎とする課題は、冒頭に言及した形式の充填レベル測定装置において、容量性の充填レベル測定の完全な機能性を維持しつつ、簡単かつ低コストな構造が可能となるようにすることである。

この課題は、本発明において、充填レベル測定装置が、第１のセンサを第１の高さ位置に配置し、第２のセンサを第２の高さ位置に配置したケーシングを備えており、２つのセンサがそれぞれ容量を測定するために評価電子回路に接続されており、第１のセンサの表面が、ケーシングの壁部分に対する第１の内のり距離で配置されており、第２のセンサの表面が、ケーシングの壁部分に対する第２の内のり距離で配置されており、第２の内のり距離が第１の内のり距離よりも大きいことにより、解決される。

こうして、第１のセンサにより測定すべき媒体の誘電定数がいわば直接に求められ、第２のセンサにより一定の媒体（大抵の場合ケーシング内の空気）の誘電定数と比較測定される。各センサの測定値は相互に比較され、媒体の充填レベルが結論される。

第１のセンサ及び第２のセンサは、好ましくは、通常はプレート状に構成される支持体要素上に配置される。支持体要素は少なくとも部分的にリードフレームとして構成され、評価電子回路を有する。支持体要素は、２つのセンサ及び評価電子回路を支持し、長方形状のプレートとして構成される。

好ましくは、第１の内のり距離は０である。これにより、センサ表面は直接にケーシングの対応する壁部分に接する。

好ましくは、第２の内のり距離は０．５ｃｍから１０ｃｍまでの値であり、特に好ましくは１ｃｍから３ｃｍまでの値である。

好ましくは、２つのセンサは幾何学的に同形に構成される。この場合、さらに好ましくは、２つのセンサは薄い長方形状のエレメントとして構成される。

好ましくは、ケーシングは、非導電性材料、特にプラスティックから形成される。

好ましくは、評価電子回路は唯一の発振器を含む。当該発振器は特にはＬＣ発振器として構成される。電極間の切り換えは例えばＰＩＮダイオードによって行われる。

ここで提案している充填レベル測定装置によって、従来類例のない、比較測定方式による汎用の最小構造を有する装置が得られる。これにより、容量性で動作するセンサの完全機能性を維持しつつ、コストを大幅に低減できる。さらに、当該構造によって、ローバスト性の利点も得られる。また、本発明の装置は有利に低い電流消費量を特長とする。

センサは、媒体の内部又は（遮閉の点で修正された形態では）媒体の外部（例えばケーシング）に取り付け可能である。なぜなら、そのつど具体的な周囲条件を考慮可能な「学習モード」が制御回路もしくは電子回路に設けられるからである。容器外の実装部に対する遮閉については、種々の能動的な遮閉方式（例えばガーディング、ドリブンシールドもしくはブートストラッピングなど）が利用される。

これに関連する好ましい手段として、信号線路を正の線路（プラス線路）へ短絡することにより、センサを「学習モード」へ切り換えることができる。

この点で、本発明は、オイルもしくはグリース用の、容量性で動作する汎用充填レベルセンサを提供する。本発明の装置によれば、容量性の比較測定を基礎とした、ケーシング内のオイル乃至グリース（特にＮＬＧＩクラス０００及び００）の充填レベルの汎用かつ電子的な測定が可能となる。

全体として、本発明で提案する充填レベル測定装置では、次のような利点が得られる。

評価電子回路及びセンサ（測定電極）を唯一のリードフレームに組み込むことにより、装置の構造が簡単となり、低コストで製造できるようになる。

基準センサ（基準電極）を用いることにより、周波数の比もしくは周波数の差の測定しか要さない。クロックの安定した正確な絶対周波数の形成は必要ない。

基準測定及び媒体測定を同一のＬＣ発振器によって行える。これにより、異なる発振器のドリフトによる誤差が生じない。

測定電極の切り換えは、ＰＩＮダイオードによってきわめて簡単かつ低コストに行える。また、測定電極と基準電極との分離も、構造が簡単化されるにもかかわらず、充分に達成される。

発振器を、好ましくは、修正シュミットトリガ発振器から形成できる。入力側と出力側との間の通常の抵抗はインダクタンスによって置換される。これにより、あらゆる条件のもとで問題なく発振する比較的安定なＬＣ発振器が得られる。

ＰＩＮダイオードの駆動及び周波数評価を、小さなマイクロコントローラのポートピンによって直接に行える。煩雑な中間ドライバは必要ない。

好ましくは、１秒ごとに（もちろん他の時間間隔、特にはより大きな時間間隔も可能である）１回の測定が行われる。なお、１回の測定にはそのつど約５ｍｓしか要さない。残りの時間は発振器が遮断される。このようにすることで、電流消費量及び短波障害の危険を大幅に低減できる。

産業上の電子部品に対する通常の全ての規格を基板に組み込むことができる。つまり、「ショートサーキットプロテクション（短絡防止）」、「リバースポラリティプロテクション（誤接続防止）」及び「サージプロテクション（過電圧保護）」などを統合できる。

給電電圧を、例えば８Ｖから３６Ｖ（最大４０Ｖ）の広い電圧領域にわたって利用できる。センサの感度は「学習モード」において環境及び固定の形式（媒体容器の内側に取り付けられているか外側に取り付けられているか、など）又はケーシングの幾何学的形状に合うように調整可能である。

図には本発明の実施形態を示してある。

本発明の充填レベル測定装置の概略的な側面図である。 図１の充填レベル測定装置の前面図である。 ケーシング無しの充填レベル測定装置の前面図である。 充填レベル測定装置を吊り下げ式で液体容器へ組み込む状況（ただしケーシングは示していない）を示す図である。 充填レベル測定装置を直立式で液体容器へ組み込む状況（ただしケーシングは示していない）を示す図である。 充填レベル測定装置の動作方式を示すブロック図である。

図１，図２には、本発明の好ましい実施形態にしたがって構成された充填レベル測定装置１が示されている。当該充填レベル測定装置の中心となる構造は、リードフレームとして構成され、かつ、測定目的の利用に際して垂直方向Ｖへ延在するように配置された支持体要素１２である。主要な要素は、２つのセンサもしくは電極４，５であり、これらはプレート状のエレメントとして構成され、支持体要素１２上に配置されている。この場合、電極４，５は、それぞれ露出した表面８，１０を有する。第１のセンサ４は測定電極として機能し、第２のセンサ５は基準電極として機能する。支持体要素１２上にはさらに、２つの電極４，５に電気的に接続された評価電子回路７が配置されている。

図から見て取れるように、２つの電極４，５はそれぞれ異なる高さ位置又は高さのレベルＨ_１，Ｈ_２に配置されている。支持体要素１２は電極４，５及び評価電子回路７とともに、ケーシング６内に収容されるプレート状のモジュールとして構成されている。

ケーシング６の構成は、ケーシング６の幅が２つの高さ位置Ｈ_１，Ｈ_２において相互に異なるという特異性を有している。第１の高さ位置Ｈ_１の領域、すなわち、第１の電極４が延在するレベルの上方では、ケーシング６は狭く（嘴状に）構成され、第２の高さ位置Ｈ_２の領域、すなわち、第２の電極５が延在するレベルの上方では、ケーシング６は格段に広く構成される。こうした構成により、第１の電極４の表面８とこの第１の電極４に向かい合う壁部分９との間の第１の内のり距離Ｓ_１は、第２の電極５の表面１０とこの第２の電極５に向かい合う壁部分１１との間の第２の内のり距離Ｓ_２に比べて格段に小さい（つまり好ましくは、Ｓ_１はほぼ０である）。したがって、第１のセンサ４すなわち測定電極４はケーシング６の「嘴状」の狭い形態で相応の壁部分９に隣接して配置されるが、このことは第２のセンサ５すなわち基準電極５には当てはまらない。基準電極５ではセンサ面１０と壁部分１１との間に空気の充填された領域が存在し、基準電極の一定の誘電定数が調整される（ただし空間の充填は他の媒体によっても行うことができる）。

この手段によって達成される効果を以下に説明する。

測定電極及び基準電極の配置が図３に示されている。

図４，図５には、充填レベルを測定すべき媒体２（例えばグリース）を収容した容器３が示されている。よって、容器３内の媒体２の充填レベルＰが充填レベル測定装置１によって容量性方式で測定される。

図４には、充填レベル測定装置１を吊り下げ式で組み込む様子が示されている。つまり、装置は上端の吊り下げによって固定され、下方の媒体２内へ突出する。

図５には、充填レベル測定装置１を下方から容器３内へ突出させる直立式の組み込み及び測定の様子が示されている。

図６には、容器３内の充填レベルＰを測定する際の動作方式を表すブロック回路図が示されている。センサ４，５の双方がスイッチ１５を介して発振器１３に接続されており、この発振器１３が計算ユニット１４に接続されている。

発振器１３は周期的な交流電圧を形成する。こうした発振器を構成する手段はたくさんあるが、本発明ではＬＣ振動回路と増幅段とを備えた発振器を用いる。本発明の発振器は高周波振動に適する。

スイッチ１５は、好ましくは、ＰＩＮダイオード（ポジティブイントリンシックネガティブダイオード）の形態の半導体スイッチとして構成される。当該ダイオードの容量は阻止状態では低いので、測定にはほとんど影響を与えない。

図から見て取れるように、本発明の充填レベル測定装置１は両側に実装されたリードフレームを利用することにより、きわめてコンパクトに構成されている。装置の機能が測定電極４と基準電極５との間の比較測定に基づいているので、専用に構成されたケーシング６、すなわち、測定電極４と基準電極５とを異なった様式で収容する特別の幾何学的形状を有するケーシングが必要である。ケーシング６は、測定電極４を直接に包囲する（測定電極４とケーシング６との間にほとんど空気が存在しない）ように構成されるが、基準電極５とケーシング６との間には所定の空間が設けられる。

ケーシング６は、独立したケーシングとして構成されてもよいし、又は、他のケーシング要素、例えばカバーに組み込まれてもよい。充填レベル測定装置１は、上述したように直立式又は吊り下げ式で動作できるように構成される。

動作方式については次の点に注意されたい。すなわち、リードフレームすなわち支持体要素１２は、測定容量（センサ４）と基準容量（センサ５）との２つの容量を有している。測定容量４はケーシング６の「嘴部」（図１を参照）に存在しており、できるかぎり測定媒体のみを「観察」すべきである。その上方に位置する基準容量５は、壁部分１１までの内のり距離ｓ_２を介して、一定の誘電定数を有する基準媒体（大抵の場合、空気）を「観察」する。なぜなら、（測定電極４の側では「嘴部」が密接するが）基準電極５の側ではケーシング６が密接しないからである。後者の場合、基準容量５が媒体を「観察」する。

測定方式は、比較方式である。つまり、測定センサで測定される誘電定数は、切換点を下回る充填レベルの変化によって変化するが、基準センサの誘電定数は一定の周囲媒体である基準媒体によって一定にとどまることに基づいている。測定センサの誘電定数が変化すると、容器３の最小充填レベルＰへの到達を結論するための信号が形成される。

容器内に液体が存在する場合、２つのセンサは一定の誘電率値を検出する。測定電極でこの誘電率値が変化すれば、充填レベルＰの大きさを推定できる。

充填レベル測定装置１のケーシング６は、第２のセンサ５の近傍とケーシング上端までの領域において、好ましくは円形の断面を有するように構成される。「嘴部」、すなわち、第１のセンサ４が配置されるケーシング領域は、好ましくは、側縁部が丸みを帯びたほぼ直方体状のセクションとして構成される。

重要なのは、上述した比較測定を行うために、それぞれのセンサ４，５がケーシングを通って延在する高さ領域に、センサ表面からケーシング壁までの特徴的な内のり距離が設けられるということである。

１ 充填レベル測定装置、 ２ 液体／媒体（オイル、油脂）、 ３ 容器、 ４ 第１のセンサ（測定電極）、 ５ 第２のセンサ（基準電極）、 ６ ケーシング、 ７ 評価電子回路、 ８ 第１のセンサの表面、 ９，１１ 壁部分、 １０ 第２のセンサの表面、 １２ 支持体要素、 １３ 発振器、 １４ 計算ユニット、 １５ スイッチ、 Ｈ_１ 第１の高さ位置、 Ｈ_２ 第２の高さ位置、 ｓ_１ 第１の内のり距離、 ｓ_２ 第２の内のり距離、 Ｐ 充填レベル、 Ｖ 垂直方向

Claims (6)

1. 容器（３）内の液体（２）の充填レベル（Ｐ）を測定するために、容量を測定するように構成された複数のセンサ（４，５）を備えた、充填レベル測定装置（１）であって、
   前記充填レベル測定装置（１）は、第１のセンサ（４）を第１の高さ位置（Ｈ_１）に配置し、第２のセンサ（５）を第２の高さ位置（Ｈ_２）に配置したケーシング（６）を備えており、
   ２つのセンサ（４，５）が、それぞれの容量を測定するための評価電子回路（７）に接続されており、
   前記第１のセンサ（４）は、その表面（８）の少なくとも一部が前記ケーシング（６）の壁部分（９）に対して第１の内のり距離（ｓ_１）を有するように配置されており、
   前記第２のセンサ（５）は、その表面（１０）の少なくとも一部が前記ケーシング（６）の壁部分（１１）に対して第２の内のり距離（ｓ_２）を有するように配置されており、
   前記第２の内のり距離（ｓ_２）は前記第１の内のり距離（ｓ_１）よりも大きい、
   充填レベル測定装置において、
   前記第１の内のり距離（ｓ _１ ）は０であり、
   前記第２の内のり距離（ｓ _２ ）は０．５ｃｍから１０ｃｍまでの値であり、
   前記２つのセンサ（４，５）が、幾何学的に同形の薄いエレメントとして構成されており、
   前記第１のセンサ（４）及び前記第２のセンサ（５）は、プレート状に構成された支持体要素（１２）上に配置されており、
   前記支持体要素（１２）は、少なくとも部分的にリードフレームとして構成されており、かつ、前記電子評価電子回路（７）を含み、
   前記支持体要素（１２）は、前記２つのセンサ（４，５）と前記評価電子回路（７）とを支持しており、かつ、プレートとして構成されている、
   ことを特徴とする充填レベル測定装置。
2. 前記第２の内のり距離（ｓ _２ ）は１ｃｍから３ｃｍまでの値である、
   請求項１記載の充填レベル測定装置。
3. 前記２つのセンサ（４，５）は長方形状のエレメントとして構成されている、
   請求項１又は２記載の充填レベル測定装置。
4. 前記ケーシング（６）は、非導電性材料、特にプラスティックから形成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の充填レベル測定装置。
5. 前記評価電子回路（７）は唯一の発振器、特にＬＣ発振器を含む、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の充填レベル測定装置。
6. 前記評価電子回路（７）は、前記複数のセンサ（４，５）による容量測定の際の切り換えのためにＰＩＮダイオードを備えている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の充填レベル測定装置。

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