JP7071733B2

JP7071733B2 - センサ

Info

Publication number: JP7071733B2
Application number: JP2018091567A
Authority: JP
Inventors: 明谷澤
Original assignee: 山本電機工業株式会社
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: JP2019197001A

Description

本発明は、容器に貯留された物質の貯留レベル等を検出・計測するセンサに関する。

従来、容器に貯留された物質の貯留レベルの検出にセンサが利用されてきた。この種のセンサに係る技術として例えば下記に出典を示す特許文献１－３に記載のものがある。

特許文献１には、主センサと当該主センサの検出結果を補正するリファレンスセンサとを備えた静電容量式液面レベルセンサに関して記載されている。この静電容量式液面レベルセンサは、リファレンスセンサの長さが主センサの長さよりも短く構成されている。

特許文献２には、メインセンサと当該メインセンサの一端側に設けられたリファレンスセンサとを備えた液面レベルセンサに関して記載されている。この液面レベルセンサは、リファレンスセンサの出力に基づいて液体の比誘電率を求め、この結果とメインセンサの出力とに基づき液面レベルを求めている。

特許文献３には、メインセンサと当該メインセンサの一端側に設けられたリファレンスセンサとを備えた液面レベルセンサに関して記載されている。この液面レベルセンサは、メインセンサの電圧印加電極及び接地電極が同軸で構成されている。

特開２００７－２９８３６１号公報特開２００８－２６１６６号公報特開２００７－３３３７２８号公報

特許文献１に記載の技術は、リファレンスセンサの長さが主センサの長さよりも短く構成されている。このため、測定対象物（以下「特定物」とする）の液面レベルがリファレンスセンサの位置まで達していない場合には、液体の比誘電率を求めることができない。したがって、特許文献１に記載の技術は、液面レベルを広い範囲に亘って測定することが容易ではない。また、特許文献２及び３に記載の技術は、メインセンサの一端側にリファレンスセンサが設けられ、メインセンサやリファレンスセンサと共に容器内の液体に浸漬される位置にターミナルアッシーが設けられている。このため、特許文献２及び３に記載の技術は、ターミナルアッシーのシール性を高める必要があり、コストアップの要因となる。また、メインセンサの下部にあるリファレンスセンサは、測定物の液面レベルを計測することができない不感帯が生じる可能性がある。更には、測定物が貯留されているタンクや容器に合わせて、形状面で自由度が大きいセンサ部を作製することが困難である。

そこで、検出範囲が広く、低コストで実現可能であって、カスタマイズし易い形状のセンサが求められる。

本発明に係るセンサの特徴構成は、筒状の導体からなる第１電極と、前記第１電極の軸心の軸方向に沿う先端側において前記第１電極に対し絶縁物を介して前記軸心と同軸心上に支持される第２電極と、前記第１電極の径方向内側に挿通され、前記第１電極の前記先端側において前記第２電極と電気的に接続される第１導体と、前記第１電極及び前記第１導体と絶縁され、前記第１導体に沿って前記第１電極の径方向内側に挿通される第２導体と、を備え、前記軸方向に沿う方向視で、前記第２電極は、前記第２導体の外径よりも大きい外径を有する点にある。

このような特徴構成とすれば、第１電極が少なくとも一部が測定物に浸る場合には、常に第２電極を測定物に浸らせることができるので、検出範囲を広く設定することが可能となる。また、第２電極と接続する第１導体を、第１電極の根元側と先端側との間に亘って第１電極の径方向内側に挿通するため、センサをコンパクトに構成しつつ、安価にシール性を高めることができる。したがって、低コストでセンサを実現できる。また、第１電極の径方向内側に第１導体及び第２導体が挿通されるので、第１導体及び第２導体と共に第１電極の形状を変えることでセンサの形状を自由に変更することができる。したがって、センサの設置場所に合わせて形状をカスタマイズし易くすることが可能となる。

また、前記第２電極は、前記第１電極の先端側の軸方向端面において、前記第２電極の軸方向端面のみが露出する状態で設けられており、前記第２電極の前記軸方向端面と前記第１電極の先端側の前記軸方向端面とが面一になっていると好適である。

このような構成とすれば、第１電極の先端側の軸方向端面と第２電極の端面とを一致させることができるので、不感帯をなくすことが可能となる。

また、前記第２導体は筒状の導体であって、径方向内側に前記第１導体が挿通されるように設けられると好適である。

このような構成とすれば、センサにおける第１電極及び第２電極で構成される検出部分を容器やタンクに合わせて、容易に設計及び作製をすることができる。また、例えば第１導体及び第２導体を含む検出部分をケーブル部材を用いて構成することで、フレキシブルに形状を変更することが可能となる。また、第１導体が第２導体の径方向内側に設けられるので、第１導体を第２導体でガードすることができ、第１導体に対する外乱の影響の低減効果を高めることが可能となる。

センサのタンクへの設置例を示す図である。センサの側方断面図である。測定原理の説明図である。

本発明に係るセンサは、貯留タンク内に貯留される貯留物の貯留レベル或いは貯留物の有無を精度良く検出できるように構成されている。また、不感帯が無く、検出範囲が広く、低コストで、センサ部がカスタマイズし易いように構成されている。以下、本実施形態のセンサ１について説明する。

図１は測定物を貯留する容器として用いられる貯留タンク（以下「タンク」とする）２を概略的に示した図である。このようなタンク２は例えばプラントに備えられており、そのプラントにおいて利用される液体や粉体等（以下では「液体等」と総称する）が貯留される。タンク２は、液体等を貯留する貯留部３と、タンク２に貯留された液体等を貯留部３から吐出する吐出口４と、タンク２に液体等を投入する投入口５を備えて構成される。投入口５から液体等がタンク２に投入されると、タンク２に貯留される液体等の底面からの高さが高くなる。また、タンク２に貯留された液体等が吐出口４から吐出されると、タンク２に貯留される液体等の底面からの高さが低くなる。本実施形態のセンサ１はタンク２の上方から底面に向けて延出するように付設され、液体等の高さに応じた静電容量の変化に基づきタンク２内の貯留された液体等の高さを検出する。

図２はセンサ１の側方断面図（部分断面図としている）である。本実施形態のセンサ１は、検出電極（第１電極の一例）１０、リファレンス電極（第２電極の一例）２０、第１導体３１、第２導体３２、被覆部材４０、接続部材５０、中間部材６０を備えて構成される。

検出電極１０は筒状の導体で形成される。筒状とは径方向内側が中空であることをいう。このような筒状としては、検出電極１０の軸心Ｘ（図１参照）に沿う方向（以下、軸方向と称する）に直交する断面が円形状であっても良いし、多角形状であっても良い。本実施形態では、検出電極１０は、軸方向に直交する断面が円形状の筒状体で形成され、軸方向両側が開口状態で構成される。検出電極１０は、例えばステンレス等の導体を用いて構成することが可能である。もちろん、他の導体を用いて構成することも可能である。なお、図１に示したようにセンサ１はタンク２の深さ方向に沿って付設される。そこで、検出電極１０は、タンク２の深さに合わせて軸方向長さを設定すると良い。また、検出電極１０は、後述するように径方向内側に第１導体３１及び第２導体３２を挿通することができるように、検出電極１０の内径を設定すると良い。検出電極１０の肉厚は、例えばセンサ１に要求される強度に応じて設定すると好適である。

リファレンス電極２０は検出電極１０の軸心Ｘの軸方向に沿う先端側において検出電極１０に対し絶縁物７０を介して検出電極１０の軸心Ｘと同軸心上に支持される。検出電極１０の軸心Ｘの軸方向に沿う先端側とは、検出電極１０の軸方向両側のうち、タンク２にセンサ１を付設した際にタンク２の底面側に位置する側である。

ここで、検出電極１０の先端側には環状の絶縁物７０が設けられる。絶縁物７０は筒状体で形成される。絶縁物７０は、筒状体の軸方向一方側の外周面に係止部７３が設けられ、検出電極１０の先端側から挿入された状態で、係止部７３が検出電極１０の内周面に形成された溝部１１に係止し、絶縁物７０が検出電極１０と同軸心上に支持される。絶縁物７０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（PTFE：polytetrafluoroethylen）で構成することが可能である。

本実施形態では、リファレンス電極２０は柱状体で形成され、検出電極１０の先端側の軸方向端面において露出する状態で、絶縁物７０に挿入して設けられる。したがって、リファレンス電極２０は検出電極１０の先端側の端部と同様に、タンク２の底面に近くに配置される。特に、本実施形態ではリファレンス電極２０は検出電極１０における軸方向端面のみにおいて露出するように設けられる。これにより、センサ１により検出する液位の高さ方向に沿ったリファレンス電極２０の高さを最小限にすることが可能となる（露出する面のみを貯留物の検出に利用することが可能となる）。リファレンス電極２０は、柱状体の軸方向一方側の外周面に係止部２１が設けられ、絶縁物７０に挿入された状態で、係止部２１が絶縁物７０の内周面に形成された溝部７１に係止し、リファレンス電極２０が絶縁物７０と同軸心上に支持される。リファレンス電極２０は、検出電極１０と同様に、例えばステンレス等の導体を用いて構成することが可能である。もちろん、他の導体を用いて構成することも可能である。なお、上述した絶縁物７０の形状は一例であり、他の形状で構成することも可能である。いずれにしても、検出電極１０とリファレンス電極２０とが互いに絶縁されていれば良い。

検出電極１０は、導電性材料を用いて筒状に構成される中間部材６０と根元側において電気的に接続される（導通される）。中間部材６０は、径方向内側に接続部材５０が挿入される。接続部材５０は、径方向外側に生じる付勢力に基づき電気的に接続するよう構成される。本実施形態では、接続部材５０は導電性の材料からなる径方向内側が中空状の所謂バナナプラグを用いて構成され、中間部材６０に挿入される。これにより、接続部材５０が中間部材６０を介して検出電極１０と電気的に接続される。

接続部材５０は基板８１（基板８１のランド８４）と電気的に接続される。接続部材５０と基板８１との接続は、例えば接続部材５０を補助基板９０に電気的に接続した状態で固定し、当該補助基板９０を導電性のビス９１を用いてランド８４と導通して形成された基板８１のスルーホールに締結して行うと良い。これにより、補助基板９０及びビス９１を介して接続部材５０と基板８１（ランド８４）とを電気的に接続することが可能となる。もちろん、他の方法により接続部材５０と基板８１とを接続することも可能である。

また、基板８１には接続部材５０と絶縁された状態で、ランド８２に固定金具８０が半田付けされる。接続部材５０は後述する第２導体３２と電気的に接続される。

第１導体３１は、検出電極１０の径方向内側に挿通される。すなわち、第１導体３１は、検出電極１０の根元側から先端側に向けて、或いは、検出電極１０の根元側から先端側に向けて、検出電極１０の径方向内側に挿通される。この時、第１導体３１は、検出電極１０を貫通するように挿通しても良いし、貫通しない状態で挿通しても良い。なお、第１導体３１は絶縁性の被覆部３０により被覆される。

第１導体３１は、検出電極１０の先端側において上述した被覆部３０を剥がした上で、一方の端部がリファレンス電極２０と電気的に接続される。また、第１導体３１の他方の端部は、中間部材６０、接続部材５０、固定金具８０と絶縁され、基板８１のランド８３に半田付けされる。これにより、基板８１とリファレンス電極２０との電気的接続が実現される。なお、第１導体３１の他方の端部とランド８３との接続は、第１導体３１の端部に接続端子を設け、当該接続端子をランド８３に半田付けすることにより行っても良い。もちろん、他の方法により第１導体３１の他方の端部とランド８３との接続を行っても良い。第１導体３１には、交流信号からなる検出用信号が印加される。上記構成により、第１導体３１を介してリファレンス電極２０に当該検出用信号が印加することが可能となる。

第２導体３２は、検出電極１０及び第１導体３１と絶縁され、第１導体３１と同じく検出電極１０の先端側のリファレンス電極２０の直前まで伸びている。第２導体３２は第１導体３１に沿って検出電極１０の径方向内側に挿通される。本実施形態では、検出電極１０の径方向内側には第１導体３１が挿通されるが、第２導体３２は第１導体３１に沿わせて設けられる。第２導体３２は、検出電極１０及び第１導体３１とは電気的に接続しないで設けられる。例えば第２導体３２は被覆部３３で外周面が覆われるように構成すると良い。

本実施形態では、第２導体３２は固定金具８０と接続される。なお、第２導体３２と固定金具８０との接続は半田付けであっても良いし、カシメによって接続しても良い。本実施形態では、第２導体３２には第１導体３１に印加される検出用信号と同じ波形がガード信号として印加される。これにより、第２導体３２が第１導体３１に対する外乱の影響を低減することが可能となる。なお、第２導体３２は、検出電極１０の根元側から第１導体３１が露出される部分（検出電極１０の先端側）まで延出して設けると良い。

第２導体３２は筒状の導体であって、径方向内側に第１導体３１が挿通されるように設けると好適である。このような第１導体３１及び第２導体３２は、所謂同軸ケーブルを用いると好適である。係る場合、第１導体３１は同軸ケーブルの内部導体を用い、第２導体３２は同軸ケーブルの外部導体を用いると良い。第１導体３１及び第２導体３２は、同軸ケーブルに代えて、３層の円筒の構造（例えば細い金属管でも可能）にて形成しても良い。

なお、上述したように第１導体３１には検出用信号が印加され、第２導体３２にはガード信号が印加されるとして説明したが、本実施形態の検出電極１０には測定対象の貯留物に応じた周波数及び振幅の信号（交流信号）が印加される。

被覆部材４０は絶縁性の材料を用いて構成され、検出電極１０及びリファレンス電極２０の外表面を覆う。被覆部材４０は、例えばフッ素樹脂を用いて構成すると良い。検出電極１０及びリファレンス電極２０の外表面とは、検出電極１０に絶縁物７０を介してリファレンス電極２０を支持した状態において露出している面である。本実施形態では、検出電極１０及びリファレンス電極２０と共に、絶縁物７０の外表面及び中間部材６０の外表面の一部も被覆部材４０により覆われる。なお、当該被覆部材４０は、導電性の測定物を計測する場合に必要とするものであって、絶縁性の測定物を計測する場合には設けなくても良い。

以上のようにセンサ１が構成される。次に、センサ１による測定について説明する。図３は測定原理の説明図である。特に図３の（１）にはタンク２が空である状態（空状態）が示され、図３の（２）にはタンク２に液体等が貯留されている状態（貯留状態）が示される。

まず、図３の（１）に示されるように、タンク２の空状態でのリファレンス電極２０による静電容量（リファレンス電極容量）の検出結果をＣＲ０［ｐＦ］とし、検出電極１０による静電容量（メイン電極容量）の検出結果をＣＭ０［ｐＦ］として、メモリに記憶する。

次に、図３の（２）に示されるように、タンク２に液体等が貯留された時（リファレンス電極２０の全体が液体等に浸った時）のリファレンス電極２０による静電容量の検出結果をＣＲ１［ｐＦ］とすると、ＣＲ１からＣＲ０を減じることによりリファレンス電極２０による静電容量の増加分を算出できる。ここでは、この算出結果を差分ＣｄＲ［ｐＦ］とする。この差分ＣｄＲ［ｐＦ］は検出電極１０の長さＬＲ［ｍｍ］の静電容量に相当する。

差分ＣｄＲ［ｐＦ］は、タンク２に貯留される液体等の種類、すなわち液体等の比誘電率の違いによって変化するが、検出電極１０の長さＬＲ［ｍｍ］（液体等に浸っている長さ）相当は常に一定であるため、この値を単位長さの静電容量基準として現在の液位を決定する。

液体等がリファレンス電極２０の底部からＬｄ［ｍｍ］の位置にまで貯留されているときの検出電極１０のよる静電容量がＣＭ１［ｐＦ］であった場合、検出電極１０による静電容量の増加分ＣｄＭ［ｐＦ］は、ＣＭ１からＣＭ０を減じることにより算出できる。

以上より、現在のリファレンス電極２０の底部からの液位Ｌｄ［ｍｍ］は下記の（１）式で算出できる。
液位Ｌｄ［ｍｍ］＝（ＣｄＭ／ＣｄＲ）×ＬＲ＋オフセット高さ・・・（１）
なお、オフセット高さとは、センサ１により検出する液位の高さ方向に沿った検出電極１０とリファレンス電極２０との差異に相当する。すなわち、図２や図３に示されるように、検出電極１０（先端部）とリファレンス電極２０（検出面）との間で液位の高さ方向に沿った差異が無い場合にはオフセット高さはゼロで良い。一方、図示はしないが、リファレンス電極２０が検出電極１０の先端側から突出して設けられる場合には、リファレンス電極２０と検出電極１０とを互いに絶縁するために、リファレンス電極２０と検出電極１０との間に絶縁物７０が設けられることになり、液位の高さ方向に沿ってリファレンス電極２０と検出電極１０との間で差異が生じることになる（高さを有することになる）。この場合には、絶縁物７０の高さがオフセット高さになる。

ここで、液体等の比誘電率が変わるとＣｄＭ及びＣｄＲは変化するが、同じ液位での比率ＣｄＭ／ＣｄＲは一定であるため、液体等の種類に依存しない測定が可能となる。

これにより、スパン値を自動で計算することができるため、空状態のみリファレンス電極２０による静電容量（リファレンス電極容量）の検出結果と、検出電極１０による静電容量（メイン電極容量）の検出結果とを記憶すれば、実際にタンク２に液体等を貯留してゼロ値及びスパン値を設定する必要が無い。また、比誘電率が変化すると、リファレンス電極２０による静電容量の検出結果も変化するため、自動的にスパン値が変化し、誤差を発生し難くできる。また、再設定の必要もない。更には、液体等の種類が変わった場合にはリファレンス電極２０による静電容量の検出結果も変化するため、液体等の種類によって設定を変える必要が無い。

このように本センサ１によれば、広い検出範囲を有するセンサを低コストで実現することができる。また、簡易的な部材で構成されているので、容器やタンク２の形状に合わせてカスタマイズすることができるので、設計と作製を容易に行うことが可能となる。

［その他の実施形態］
上記実施形態では、検出電極１０の根元側に接続部材５０が設けられるとして説明したが、接続部材５０を設けずに構成することも可能である。

上記実施形態では、接続部材５０は、中間部材６０を介して検出電極１０と電気的に接続されているとして説明したが、接続部材５０は中間部材６０を介さず、検出電極１０と直接、接続するように構成することも可能である。

上記実施形態では、被覆部材４０が、検出電極１０及びリファレンス電極２０と共に、絶縁物７０の外表面及び中間部材６０の外表面の一部を覆うとして説明したが、被覆部材４０は、検出電極１０及びリファレンス電極２０と共に、中間部材６０の外表面の一部を覆うように構成することも可能である。すなわち、絶縁物７０が被覆部材４０に対して露出するように構成しても良い。また、被覆部材４０は検出電極１０のみ、又は、リファレンス電極２０のみを覆うように構成することも可能である。

上記実施形態では、リファレンス電極２０は、検出電極１０の先端側の軸方向端面において露出する状態で設けられているとして説明したが、リファレンス電極２０の一部が検出電極１０の先端側の軸方向端面から突出して設けても良い。係る場合、リファレンス電極２０の外周面が検出電極１０の外周面と一致するように構成しても良い。なお、このときには、上述したように、リファレンス電極２０と検出電極１０とを互いに絶縁するために、リファレンス電極２０と検出電極１０との間に絶縁物７０が設けられることになり、上記（１）式におけるオフセット高さとして絶縁物７０の高さを考慮する必要がある。

上記実施形態では、図２において検出電極１０を棒状の電極で示したが、検出電極１０はフレキシブルに曲げることが可能な材料（例えばケーブル等）を用いて構成することも可能である。

上記実施形態では、リファレンス電極２０は誘電率の補正を行うために用いているが、誘電率の補正以外に、測定物の誘電率を計測することにより測定物の物性変化を監視及び計測する分析計として用いることも可能である。このような分析計のタンク２や容器への取り付けは、必ずしも鉛直方向に沿って取り付ける必要はなく、水平方向に取り付けても良いし、水平方向に対して交差するように取り付けても良い。

上記実施形態では、検出電極１０は測定物のレベルを連続的に計測している場合の例を挙げて説明したが、検出電極１０は測定物の有無を検出するレベルスイッチのような検出器として用いることも可能である。その場合は、リファレンス電極２０の計測結果によって検出電極１０の検出方法や検出のための計算式を変更することで、多種にわたる測定物に対応することが可能となる。なお、レベルスイッチの場合はタンク２や容器への取り付けは、必ずしも鉛直方向に沿って取り付ける必要はなく、水平方向に取り付けても良いし、水平方向に対して交差するように取り付けても良い。

上記実施形態では、センサ１は、第１電極を交流信号を印加する検出電極１０として用い、第２電極を交流信号（検出用信号）を印加するリファレンス電極２０として用いると説明した。例えばセンサ１は、第１電極を接地された接地電極として用い、第２電極を検出電極１０として用いることも可能である。係る場合でも、第２電極には第１導体３１を介して交流信号からなる検出用信号を印加し、第２導体３２には検出用信号と同じ波形のガード信号を印加すると良い。上記構成とすれば、ベース容量が第１電極（接地電極）の長さに比例して大きくなることなく低容量化できる。また、第１導体３１は、当該第１導体３１に印加される検出用信号と同じ波形のガード信号が第２導体３２に印加されているので、第１導体３１（第１導体３１に印加される検出用信号）が外乱の影響を受け難くすることができる。したがって、検出感度の優れたセンサ１を構成することが可能となる。なお、第１電極を接地するにあたり、上記実施形態のように接続部材５０や中間部材６０を介して接地しても良いし、接続部材５０や中間部材６０を用いずに第１電極を例えば基板８１を収容するケースに接続して接地するように構成しても良い。

上記実施形態では、リファレンス電極２０の底部からの液位は、（１）式により算出できるとして説明したが、他の計算式を用いて算出するように構成することも可能である。また、（１）式は静電容量に基づき液位を算出するものであるが、抵抗値や電導度等を用いて算出するように構成することも可能である。いずれにしても、リファレンス電極２０で検出した値を、補正値又は参考値として計算式で使用すれば良い。

本発明は、容器に貯留された物質の貯留レベル等を検出・計測するセンサに用いることが可能である。

１：センサ
１０：検出電極（第１電極）
２０：リファレンス電極（第２電極）
３１：第１導体
３２：第２導体
７０：絶縁物
Ｘ：軸心

Claims

筒状の導体からなる第１電極と、
前記第１電極の軸心の軸方向に沿う先端側において前記第１電極に対し絶縁物を介して前記軸心と同軸心上に支持される第２電極と、
前記第１電極の径方向内側に挿通され、前記第１電極の前記先端側において前記第２電極と電気的に接続される第１導体と、
前記第１電極及び前記第１導体と絶縁され、前記第１導体に沿って前記第１電極の径方向内側に挿通される第２導体と、
を備え、
前記軸方向に沿う方向視で、前記第２電極は、前記第２導体の外径よりも大きい外径を有するセンサ。
前記第２電極は、前記第１電極の先端側の軸方向端面において、前記第２電極の軸方向端面のみが露出する状態で設けられており、
前記第２電極の前記軸方向端面と前記第１電極の先端側の前記軸方向端面とが面一になっている請求項１に記載のセンサ。
前記第２導体は筒状の導体であって、径方向内側に前記第１導体が挿通されるように設けられる請求項１又は２に記載のセンサ。