JP6366838B2 - 静電容量式レベルゲージ - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンク内に設置され、燃料などの残存量の測定を行う静電容量式レベルゲージに関するものである。

レベルゲージは、一般的に、気体と液体の境界面の位置を測定するために使用される計器であって、中でも、静電容量式レベルゲージは、一対の電極間の静電容量を測定することによって、液面の位置を検出する計器である。
この計器は、電極間に電界をかけると、電極間に静電容量が生じ、電極間に存在する物質に接する電極の面積変化が、静電容量の値の変化に比例することから、電極間の静電容量を測定して液面の位置を検出するようにしたものである。

この静電容量式レベルゲージは、設置および保守が容易という長所がある一方、測定対象物の誘電率が変化すると大きな誤差が発生するという短所があった。この短所を補うため、液面レベルを検出する測定電極以外に、誘電率補正用の補正電極を設け、それぞれの電極によって求められた静電容量によって液体の誘電率と液面レベルを検出する装置が特許文献１において提案され、さらに、特許文献２では、二重同軸構造で、最も外側の電極をグランド電極として、ノイズの影響を排除することを提案している。

特開平５−２２３６２４号公報 特許第５５０７０２２号公報

特許文献１および特許文献２の静電容量式レベルゲージでは、二か所の静電容量を測定して、計算式によって、液体の誘電率のパラメータを消去し、液体の誘電率に関係なく液面の位置を検出している。そして、この種の構造体は、燃料タンク内に収容されることから、より小型化が求められている。この要求に応えるため、例えば、特許文献２の静電容量式レベルゲージの寸法を縮小した場合には、新たな技術課題が発生する。
すなわち、電極間の距離を小さくした場合には、電極間の寸法と液体の表面張力との関係によって液面が上昇する現象が発生するため、液面の位置を正確に検出できないという問題があった。

したがって、本発明は、電極間距離を小型にした場合に生じる新たな問題を解決し、大型あるいは小型に係らず、燃料などの液体の液面レベルを、より精度良く検出することのできる静電容量式レベルゲージを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、空間の外側にグランド電極が配置され、前記空間の中心に中心電極が設けられ、前記グランド電極と前記中心電極との間に切り替え電極が設けられ、前記グランド電極と前記切り替え電極とは長さが同じになっており、前記中心電極の下端が前記グランド電極および切り替え電極の下端よりも高い位置に来るように短く構成され、前記グランド電極と前記切り替え電極との間の測定対象の液体による静電容量と前記切り替え電極と前記中心電極との間の前記測定対象の液体による静電容量を測定して液面の位置を検出するものにおいて、前記電極と前記測定対象の液体との接触角を９０度に近づける方向に前記電極が表面処理され、前記グランド電極および前記切り替え電極にスリットを備え、前記グランド電極と前記切り替え電極との間の空間と前記切り替え電極と前記中心電極との間の空間と前記グランド電極の周辺とが連通するようにしたものである。

本発明によれば、燃料などの測定対象の液体の表面張力による影響を少なくして、測定精度の高い、小型化の可能な静電容量式レベルゲージを得ることができる。

本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの燃料タンクへの装着状態を示す構成図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの電極部の断面図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの燃料高さと各電極の静電容量の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１の問題を示す静電容量式レベルゲージの電極部の断面図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの誤差を示す概略説明図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの燃料の接触角が２１度のときのギャップと誤差との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの燃料の接触角が３０度のときのギャップと誤差との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージの燃料の接触角が６０度のときのギャップと誤差との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージのエタノール含有の燃料の接触角が２５度のときのギャップと誤差との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージのエタノール含有の燃料の接触角が３３度のときのギャップと誤差との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１の静電容量式レベルゲージのエタノール含有の燃料の接触角が６０度のときのギャップと誤差との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態２の静電容量式レベルゲージの電極部の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２の静電容量式レベルゲージの誤差を示す概略説明図である。 本発明の実施の形態３の静電容量式レベルゲージの電極部の構成を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１から図１２を用いて、本発明の実施の形態１における静電容量式レベルゲージの使用状態、具体的構造および特性について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１による静電容量式レベルゲージの燃料タンクへの装着状態を示している。図１に示すように、燃料タンク１０２には、燃料１０１が収容され、燃料１０１を排出する燃料ポンプ１００、燃料１０１の容量を検知する静電容量式レベルゲージ１１０が取り付けられている。燃料ポンプ１００は、燃料タンク１０２の上部に設けられたフランジ部１０３で保持され、図示しない螺子などでシール機能も持たせて固定されている。内燃機関が作動中には、燃料タンク１０２内の燃料１０１は、フィルタ１０５で一定寸法以上の異物が除去されて、燃料ポンプ１００によって吐出パイプ１０６からインジェクタ（図示しない）へと送り出される。

燃料ポンプ１００を保持するフランジ部１０３には、静電容量式レベルゲージ１１０が固定されている。すなわち、フランジ部１０３にコネクタ１１５が設けられており、このコネクタ１１５に、静電容量式レベルゲージ１１０のセンシング部１１１がプラグインされる構造になっている。また、フランジ部１０３の上には制御部１２０が取り付けられ、静電容量式レベルゲージ１１０の制御を行っている。

静電容量式レベルゲージ１１０のセンシング部１１１は、図２に示すように、同軸状に配置された３種類の電極によって構成されている。最外部に配置されている電極は、グランド電極１１２であり、このグランド電極１１２の中心に中心電極１１３が設けられ、前記グランド電極１１２と中心電極１１３との間に切り替え電極１１４が設けられている。これらのグランド電極１１２、中心電極１１３、切り替え電極１１４によって二重同軸円筒タイプの電極構造が構成されている。また、グランド電極１１２と切り替え電極１１４とは長さが同じになっており、前記中心電極１１３の下端は前記グランド電極１１２および切り替え電極１１４の下端よりも高い位置に来るように短く構成されている。

グランド電極１１２および中心電極１１３は、いずれもグランドに接続され接地電位となっている。切り替え電極１１４は、グランド電極１１２と対極して、切り替え電極１１４とグランド電極１１２の両電極間の容量Ｃ２を測定し、また切り替え電極１１４は、中心電極１１３と対極して切り替え電極１１４と中心電極１１３の両電極間の容量Ｃ１を測定して燃料レベル検出用電極として機能し、同時に燃料性状検出用電極としても機能する。ここで、最外部に位置するグランド電極１１２は接地電位で使用されるので外来ノイズの影響を遮断している。

また、前記グランド電極１１２、中心電極１１３および切り替え電極１１４は表面処理が施され、各電極表面と液の接触角が９０度に近づくように構成されている。表面処理としては、例えば、めっきやコーティングである。

次に、容量Ｃ１および容量Ｃ２を計測し、燃料の液面の高さＬを計測する信号処理装置１０について、図３の静電容量式レベルゲージ１１０の電気的構成図により説明する。図３に示すように、切り替え部１０ａは、グランド電極１１２および中心電極１１３に接続されており、グランド電極１１２と中心電極１１３を選択的に切り替えて、切り替え電極１１４との間の測定対象を切り替えるための切り替えスイッチである。ＣＶ（Ｃｈａｒｇｅ ｔｏ Ｖｏｌｔａｇｅ）変換部１０ｂは、グランド電極１１２と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ２、もしくは中心電極１１３と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ１を電圧信号に変換する回路である。

ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部１０ｃは、ＣＶ変換部１０ｂのアナログ電圧信号をデジタル値に変換する。ＡＤ変換部１０ｃに接続された信号演算部１０ｄは、マイクロプロセッサ等で構成され、所定のプログラムに従ってデジタル信号処理を行い、グランド電極１１２と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ２、もしくは中心電極１１３と切り替え電極１１４間の静電容量Ｃ１に基づいて燃料高さＬ（燃料液位）を算出する。外部ＩＦ部（インタフェース部）１０ｅは、信号演算部１０ｄの演算結果である燃料液位の信号を外部機器３０、例えば、車両の表示パネル（図示せず）等へ伝送し、運転者に対して燃料高さＬを表示する。

次に、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２は、同軸ケーブルの基本式から、以下の式１および式２で算出される。
Ｃ１＝｛２πε／ｌｎ（ｂ／ａ）｝＊（Ｌ−ｈ） （１）
Ｃ２＝｛２πε／ｌｎ（ｄ／ｃ）｝＊Ｌ （２）
ここで、εは、燃料の誘電率で真空中の誘電率ε０に比誘電率εｒを掛けた値である。
ａは、中心電極１１３の直径、ｂは、切り替え電極１１４の内径、ｃは、切り替え電極１１４の外径、ｄは、グランド電極１１２の内径、Ｌは燃料高さ、ｈは、実施形態１の中心電極１１３と切り替え電極１１４との燃料底面側からの高さ寸法差であって、図２に示したような関係になっている。

いま、式（１）および式（２）よりＣ１／Ｃ２を計算すると、以下の式３となる。
Ｃ１／Ｃ２＝２πε（Ｌ−ｈ）／ｌｎ（ｂ／ａ）＊ｌｎ（ｄ／ｃ）／２πεＬ （３）
ここで、各電極の寸法を以下の式４のように設定し、
（ｂ／ａ）＝（ｄ／ｃ） （４）
この式４を式３に当てはめると、誘電率εは消去され、以下の式５によって燃料高さＬを求めることができる。
Ｌ＝ｈ＊Ｃ２／（Ｃ２−Ｃ１） （５）

このように、燃料高さＬを求める式５は、誘電率εに無関係な値となり、Ｃ１およびＣ２を任意の周波数で計測することにより、燃料高さＬを求めることができる。なお、切り替え電極１１４は、信号処理装置１０によりＣ１のときは中心電極１１３、Ｃ２のときはグランド電極１１２と切り替えて静電容量が計測される。ここで、グランド電極１１２も中心電極１１３も常にグランドに接続されている。なお、式５に示すように、誘電率εが消去されることにより、燃料の性状が変化し燃料の誘電率が変化しても影響を受けない。また、誘電率が影響を受ける燃料温度の影響も除去されて燃料高さが求まることになる。

一例として、ａ＝２．４、ｂ＝４．４、ｃ＝５．０、ｄ＝９．０、ｈ＝３．０、εｒがレギュラーガソリンの状態のときのシミュレーション結果を、図４に示す。この寸法の場合、ｂ／ａ＝ｄ／ｃ＝１．８となっている。図において、実線１５１がＣ１の出力特性、点線１５２がＣ２の出力特性を示す。図４がεｒ＝２の場合である。静電容量値が燃料高さにより大きく変わるのが分かる。

この構成で、静電容量式レベルゲージ１１０の小型化を図った場合には、図５に示すように、燃料の表面張力のため、中心電極１１３と切り替え電極１１４との間の液面の高さＬ１および切り替え電極１１４とグランド電極１１２との間の液面の高さＬ２は、燃料タンク１０２内の燃料１０１の実際の液面の値Ｌ０より高い位置にあり、この高さＬ１、Ｌ２の状態の静電容量が計測されることになる。その液面のレベルはＬ１＞Ｌ２＞Ｌ０となる。これは電極間の空間の寸法と燃料の表面張力と燃料の壁面に対する接触角、すなわち濡れ性による。

この誤差について検証の状況を次に説明する。
図６は、静電容量式レベルゲージの誤差を示す概略説明図であって、表面張力による誤差の高さの一般式は、次に示す式６によって与えられる。
△Ｌ＝４Ｔｃｏｓθ／ρｇｄ （６）
ここで、△Ｌは、表面張力による誤差高さ、Ｔは表面張力、θは接触角、ρは液体の密度、ｇは重力加速度、ｄはパイプの内径である。

この式６を書き換え、式７とすると、
△Ｌ＝（４Ｔ／ρｇ）（ｃｏｓθ／ｄ） （７）
この式７より、△Ｌを小さくするためには、式７の分母となっているパイプの内径ｄを大きくすることと、ｃｏｓθの値を小さくする、すなわち接触角θを９０度に近くすることが考えられる。

パイプの内径ｄを大きくすることについては、実際の燃料を想定した場合、パイプの内径ｄを３０ｍｍの電極構造とした場合には、誤差高さ△Ｌの影響を小さくできる。しかし、そのような解決策は、現実的でない。

これらの検討の結果、この実施の形態１においては、燃料の接触角を９０度に近づく方向に進めるため、グランド電極１１２、中心電極１１３および切り替え電極１１４の表面処理を行っている。この表面処理としてはめっきあるいはコーティングによって行うことができる。

次に、燃料の接触角を９０度に近づけるためのめっきやコーティングについて説明する。
図７から図９は、Ｅ０（レギュラーガソリン）の場合に、パイプの内径ｄを横軸、誤差高さ△Ｌを縦軸にした理論式と実験結果である。
図７は、ＳＵＳ材料の表面処理なしの場合で、接触角は２１度で、図８は、テフロン（登録商標）を含有した無電解テフロンニッケルめっきをＳＵＳの表面に施し接触角を３０度としたものである。
さらに、図９は、テフロンの表面含有割合を上げて接触角を６０度とした場合のデータである。

さらに、Ｅ３０（レギュラーガソリンに体積容量で３０％のエタノールを含有）の場合に、パイプの内径ｄを横軸、誤差高さ△Ｌを縦軸にした理論式と実験結果を、図１０から図１２に示す。図１０は、ＳＵＳ材料の表面処理なしの場合で、接触角は２５度で、図１１は、テフロンを含有した無電解テフロンニッケルめっきをＳＵＳの表面に施し接触角を３３度とした。図１２は、テフロンの表面含有割合を上げて接触角を６５度とした場合のデータである。

図７から図１２に示した結果から、たとえば５０ｍｍの高さのパイプの精度をフルスケールで１０％にし、かつギャップを１ｍｍと小型にしたい場合は接触角６０度になる表面処理をすれば目的が達成できることになる。
本実施の形態によれば、センシング部を二重管の同軸構成とし接触角を９０度に近づける表面処理をしたので、燃料による表面張力の影響を小さくすることができ、誤差の小さなレベルゲージとすることができる。

なお、測定対象の液体として、ガソリンを取り上げて説明したが、例えば、ガソリンの表面張力は、水の表面張力（７２．７５ｍＮ／ｍ）に比べて小さく、接触角を９０度に近づくように表面処理を行うということは、電極壁面に撥水性を持たせることを表している。すなわち、電極と測定対象の液体との接触角が小さい場合の表面処理としては無電解テフロンニッケルめっきが適していることが明らかである。
なお、無電解テフロンニッケルめっきを表面処理として行うことを提案しているが、この無電解テフロンニッケルめっきは、一般的に表面処理として実用化されており、ここで詳細な説明はするまでもない。また、ニッケルめっきにテフロンを含有させることについても同様である。

また、この実施の形態の説明において、測定対象の液体を、ガソリンの事例を取り上げて説明しているが、他の液体であっても同様の技術思想を適用することができる。例えば、極端には、水銀のような表面張力の大きな場合であっても、接触角θを９０度に近づく方向で電極の表面処理を行うことによって、表面張力によって生じる液面の誤差を小さくする方向の処理となる。
すなわち、式６あるいは式７に表れているように、狭い空間において、液体は、接触角θが９０度を境界として、上昇か下降になるので、電極の素材に対する液体の接触角θを９０度に近づける方向に表面処理を行うことによって液面の誤差が少しでも小さくすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１の表面処理に加えて、さらに、表面張力によって生じる燃料高さの誤差、すなわち前記Ｌ０、Ｌ１およびＬ２の差を小さくするための構成について説明する。図１３は、本発明の実施の形態の二重管の同軸構成の静電容量式レベルゲージのグランド電極１１２および切り替え電極１１４にスリット１３０を形成した構成を示す図である。

図１３に示すようなスリット１３０を形成することにより、中心電極１１３と切り替え電極１１４との間の空間と、切り替え電極１１４とグランド電極１１２との間の空間とグランド電極１１２の周辺とが連通する。このため、測定対象の液体すなわち燃料が、前記スリットを通して通流し得ることになり、燃料が静電容量式レベルゲージの下側から流入するのに加えてスリット１３０からも流入するので、図１４に示すように燃料高さＬ０とＬ１およびＬ２の差が小さくなる。

スリット１３０は、切り替え電極１１４とグランド電極１１２の末端まで設ける必要はなく、図１５に示すように、電極の途中のみに形成しても良い。

本実施の形態によれば、センシング部を二重管の同軸構成とし接触角を９０度に近づける表面処理をし、さらに、グランド電極と切り替え電極にスリットを形成したので、表面張力の影響を小さくすることができることによって、従来の静電容量式レベルゲージが実現していた、燃料の誘電率に無関係に独立して精度よく計算でき、同時に性状も判別できるという機能を備えた静電容量式レベルゲージの小型化を実現できる。

実施の形態３
なお、実施の形態１および２においては、複数の電極を同軸円筒の形状として説明したが、電極間の測定対象の液体による静電容量を測定して液面の位置を検出する静電容量式レベルゲージとしては、電極間に液体が存在する構成を取ることのできる構造、例えば、中心電極、切り替え電極、グランド電極に相当する平面電極を対向させて配置する構造であっても本発明を適用することができる。その場合には、平面電極間の寸法調整が容易となる。

なお、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (3)

1. 空間の外側にグランド電極が配置され、前記空間の中心に中心電極が設けられ、前記グランド電極と前記中心電極との間に切り替え電極が設けられ、前記グランド電極と前記切り替え電極とは長さが同じになっており、前記中心電極の下端が前記グランド電極および前記切り替え電極の下端よりも高い位置に来るように短く構成され、前記グランド電極と前記切り替え電極との間の測定対象の液体による静電容量と前記切り替え電極と前記中心電極との間の前記測定対象の液体による静電容量を測定して液面の位置を検出するものにおいて、前記電極と前記測定対象の液体との接触角を９０度に近づける方向に前記電極が表面処理され、前記グランド電極および前記切り替え電極にスリットを備え、前記グランド電極と前記切り替え電極との間の空間と前記切り替え電極と前記中心電極との間の空間と前記グランド電極の周辺とが連通するようにしたことを特徴とする静電容量式レベルゲージ。
2. 前記グランド電極と前記切り替え電極と前記中心電極が、二重同軸構造の電極であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式レベルゲージ。
3. 前記グランド電極と前記切り替え電極と前記中心電極が、平面電極であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式レベルゲージ。

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