JP7109643B1

JP7109643B1 - 静電容量式水位計

Info

Publication number: JP7109643B1
Application number: JP2021171817A
Authority: JP
Inventors: 康平山根
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2041-10-20
Also published as: WO2023067845A1; JP2023061717A; TWI819667B; TW202317945A

Abstract

【課題】高精度な検出を可能とする。【解決手段】センサ本体とセンサ回路と接地シールドを備える静電容量式水位計において、センサ本体４０は基板４１に形成された駆動電極４２と受信電極４３とダミー受信電極４４を有し、パイプ状をなす接地シールド６０内に収容され、受信電極４３とダミー受信電極４４は接地シールド６０の長さ方向に伸長する同じ直線パターンとされ、かつ接地シールド６０との間の寄生容量が同じとなる位置に位置され、駆動電極４２は受信電極４３と平行な直線パターンとされて受信電極４３に近接し、ダミー受信電極４４とは離間され、センサ回路５０はダミー受信電極４４に接続されたコンデンサ５２及び駆動電極４２に交流電圧を印加する発信回路５１と、受信電極４３及びダミー受信電極４４に流れる電流をそれぞれ整流、積分する第１及び第２の検出部５３，５４と、それら検出部５３，５４の出力を差動増幅する差動増幅器５５を備える。【選択図】図２

Description

この発明は静電容量式水位計に関する。

図６は静電容量式水位計の従来例として特許文献１に記載されている容量結合センサ装置を示したものであり、図７はその電極構造を示したものである。また、図８は図６に示した容量結合センサ装置１０の機能ブロック図を示したものである。この容量結合センサ装置１０は水などの液面の高さを検出することができるものとなっている。

容量結合センサ装置１０は中空円柱状の絶縁性の支持部材１１と、支持部材１１の側面に配設された一対の送信電極１２及び受信電極１３と、これら送信電極１２及び受信電極１３の周端部を囲んで接地されたシールド電極１４と、シールド電極１４と送信電極１２及び受信電極１３との間隙及びこれらの電極の表面に密着して覆う円筒状の絶縁体１５と、絶縁体１５に密着して覆って配設され、シールド電極１４に電気的に接続された外周シールド１６と、外周シールド１６に密着して覆う絶縁体１７とを備えている。なお、図６Ａにおいて、１８は支持部材１１の中空部を示し、２１は出力端子線を示す。また、２２はアース線を示し、２３は入力端子線を示す。

この容量結合センサ装置１０は例えば貯水タンクに設置される。貯水タンクに設置されると、支持部材１１の中空部１８に水が満ちる。容量結合センサ装置１０は図８に示したように発信部２４と検波部２５と平滑部２６とを備えており、発信部２４から高周波電圧が送信電極１２に印加されると、この高周波電圧により貯水タンクの水を静電容量負荷として送信電極１２と受信電極１３とが容量結合し、交流電流が流れる。この交流電流を検波部２５で検出し、平滑部２６で整流して直流電圧として出力する。貯水タンクの水の量、即ち液面の高さにより容量結合センサ装置１０が検出する水の静電容量が異なるため、容量結合センサ装置１０は静電容量の変化を液面の高さに対応した直流電圧値として検出することができるものとなっている。

特開２００６－２２０５４２号公報

ところで、電極間の静電容量の変化に基づいて水位を検出する静電容量式水位計において、水位の計測範囲を拡張するためには電極を長くする必要があり、電極を長くすると誤差要因である対地静電容量がさらに大きくなってしまうという状況が生じる。

静電容量式水位計が対地静電容量をもつと、受信電極に流れた電荷の一部は対地静電容量を介して外に漏れるため、水位の変化による電極間の静電容量の変化を高精度に検出することはできず、高精度に検出するためには対地静電容量の影響を排除する必要がある。この点、上述した特許文献１に記載されている容量結合センサ装置１０では外周シールド１６を設けたことにより対地静電容量の影響を排除できるとしている。

しかしながら、特許文献１のように外周シールドを設けると、受信電極と外周シールドとの間に形成される寄生容量を介して受信電極に流れた電荷の一部が外に漏れることになるため、水位検出においてやはり誤差要因が含まれるものとなり、その点で検出精度は十分とは言えないものとなっていた。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、極めて高精度に水位を検出することができるようにした静電容量式水位計を提供することにある。

この発明によれば、センサ本体とセンサ回路と接地シールドとを備え、静電容量の変化に基づいて水位を検出する静電容量式水位計において、接地シールドはパイプ状をなし、センサ本体は接地シールドの長さ方向に長い基板と、基板に形成された駆動電極と受信電極とダミー受信電極とよりなり、接地シールド内に収容されて水に浸される構造とされ、受信電極とダミー受信電極とは前記長さ方向に伸長する同じ直線パターン形状を有するものとされて前記長さ方向において同じ位置に位置し、かつ接地シールドとの間の寄生容量が同じとなる位置に位置され、駆動電極は受信電極と平行な直線パターン形状を有するものとされて受信電極に近接する位置に位置し、ダミー受信電極とは離間され、センサ回路はダミー受信電極に接続されたコンデンサ及び駆動電極に交流電圧を印加する発信回路と、受信電極及びダミー受信電極にそれぞれ流れる電流をそれぞれ整流、積分して電圧に変換して出力する第１及び第２の検出部と、第１の検出部の出力と第２の検出部の出力を差動増幅して出力する差動増幅器とを備えるものとされる。

この発明による静電容量式水位計によれば、誤差要因となる寄生容量の影響を排除することができ、よって極めて高精度に水位を検出することができる。

Ａはこの発明による静電容量式水位計の一実施例の概略を示す横断面図、ＢはＡに示した静電容量式水位計の基板の一面側の概略構成を示す縦断面図、ＣはＡに示した静電容量式水位計の基板の他面側の概略構成を示す縦断面図。図１に示した静電容量式水位計の機能ブロック図。基板の固定具を説明するための図。Ａは図１に示した静電容量式水位計の設置変形例を説明するための図、Ｂは図１に示した静電容量式水位計の他の設置変形例を説明するための図。Ａはこの発明による静電容量式水位計の他の実施例の概略構成を示す縦断面図。Ａは従来の容量結合センサ装置の概略外観を示す斜視図、ＢはＡのＣ－Ｃ線断面図。図６に示した容量結合センサ装置の電極構造の概略を示す断面斜視図。図６に示した容量結合センサ装置の機能ブロック図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による静電容量式水位計の一実施例の概略を示したものであり、静電容量式水位計１００はセンサ本体４０とセンサ回路５０と接地シールド６０とを備えている。

接地シールド６０はパイプ状をなすもので、この例では接地シールド６０として円形断面を有する金属パイプを用いている。金属パイプは例えばステンレス製とされる。

センサ本体４０は基板４１と、基板４１にパターン形成された駆動電極４２と受信電極４３とダミー受信電極４４とによって構成されて接地シールド６０内に収容されている。基板４１は接地シールド６０の長さ方向（以下、Ｚ方向という）に長い細長形状とされており、この例では基板４１は多層プリント基板とされて内層（中間層）にベタ膜のグランド層４１ａを有している。

駆動電極４２と受信電極４３はこの例では基板４１の一面４１ｂ側に形成され、ダミー受信電極４４は基板４１の他面４１ｃ側に形成されている。これら駆動電極４２と受信電極４３とダミー受信電極４４はこの例ではＺ方向に伸長する同じ直線パターン形状を有するものとされて互いに平行とされ、かつＺ方向において同じ位置に位置するものとなっている。また、図１Ａに一点鎖線で示したように接地シールド６０の円形断面を２分する平面を平面ａとするとき、受信電極４３とダミー受信電極４４は平面ａに対し面対称となっており、これにより受信電極４３とダミー受信電極４４は接地シールド６０との間の寄生容量が同じとなるように位置されている。駆動電極４２、受信電極４３及びダミー受信電極４４は例えばＣｕめっき等により形成され、表面には絶縁コーティングが施されている。

センサ回路５０は図２に示したように発信回路５１とコンデンサ５２と第１の検出部５３と第２の検出部５４と差動増幅器５５とを備えており、第１の検出部５３は整流器５６と積分回路５７とによって構成され、第２の検出部５４も整流器５８と積分回路５９とによって構成されている。センサ回路５０はこの例では詳細図示は省略しているが、センサ本体４０の基板４１に実装されており、図１Ｂにおいて基板４１の上端側に位置する領域ｂはセンサ回路５０が実装されている領域を示す。

上記のような構成を有する静電容量式水位計１００を用いて例えば河川の水位計測を行う際には接地シールド６０を川底の地面に打ち込むことによって静電容量式水位計１００が設置される。この際、静電容量式水位計１００はＺ方向が鉛直方向とされて設置される。図１Ｂ，Ｃに示した二点鎖線ｇは川底の地面を示す。

接地シールド６０の周壁には図１では図示を省略しているが、水が接地シールド６０内に入り込む穴が形成されており、センサ本体４０は水に浸される。水位を計測するには発信回路５１から交流電圧を駆動電極４２に印加し、同時にダミー受信電極４４に接続されているコンデンサ５２にも交流電圧を印加する。これにより、駆動電極４２と受信電極４３間の静電容量７０を介して受信電極４３へ交流電流が流れ、またコンデンサ５２を介してダミー受信電極４４へ交流電流が流れる。

受信電極４３へ流れた電流は整流器５６に入力されて整流され、整流器５６の出力は積分回路５７に入力される。積分回路５７は電荷を積分して電圧に変換し、差動増幅器５５に出力する。同様に、ダミー受信電極４４へ流れた電流は整流器５８に入力されて整流され、整流器５８の出力は積分回路５９に入力される。積分回路５９は電荷を積分して電圧に変換し、差動増幅器５５に出力する。差動増幅器５５は積分回路５７から入力された電圧と積分回路５９から入力された電圧を差動増幅し、出力する。

駆動電極４２と受信電極４３間の静電容量７０は、前述したように駆動電極４２と受信電極４３がＺ方向（鉛直方向）に伸長する互いに平行な直線パターンとされているため、水位の変化に比例して変化し、よって水位の変化に比例して受信電極４３への電流が変化する。ここで、図２に示したように受信電極４３には接地シールド６０との間の寄生容量７１や対地静電容量７３が形成されるため、受信電極４３へ流れた電荷の一部はそれら寄生容量７１や対地静電容量７３を介して外に漏れる。従って、積分回路５７で積分される電荷は静電容量７０の変化以外の変動要因が加わることになる。

これに対し、この静電容量式水位計１００では寄生容量７１と等価の寄生容量７２及び対地静電容量７３と等価の対地静電容量７４が形成されるダミー受信電極４４を設け、ダミー受信電極４４へ流れる電流を第２の検出部５４で整流、積分して第１の検出部５３の出力と第２の検出部５４の出力を差動増幅するものとなっている。これにより、受信電極４３に形成される接地シールド６０との間の寄生容量７１及び対地静電容量７３をキャンセルすることができ、つまり静電容量７０の変化以外の変動要因（誤差要因）をキャンセルすることができるため、差動増幅器５５の出力は水位に比例した出力となり、よって水位を極めて正確に検出することができる。なお、駆動電極４２からダミー受信電極４４に電流が漏れるといったことが考えられるが、この例ではセンサ本体４０の基板４１を内層にグランド層４１ａを有する多層プリント基板としているため、そのような漏れ電流を効果的に阻止することができる。

上記のような構成を有する静電容量式水位計１００のセンサ回路５０において、コンデンサ５２の静電容量はセンサ本体４０が水に浸されていない状態で差動増幅器５５の出力が０となるように選定される。

図３は基板４１を接地シールド６０内に取り付け固定するために用いる固定具８０の一例を示したものであり、固定具８０は基部８１と基部８１から延長形成されて基部８１の互いに反対側となる両側面を挟むように位置する一対のばね片８２とを備え、ばね片８２は曲げ返されてＵ字状をなすものとされている。

基部８１には角穴８３が形成され、角穴８３の互いに対向する内壁面には溝８４が形成されており、基板４１は図３に示したように一対の溝８４に嵌め込まれ、これにより固定具８０が基板４１に装着される。固定具８０は例えば基板４１のＺ方向両端部にそれぞれ装着され、このように固定具８０が装着された基板４１が接地シールド６０内に嵌め込まれる。接地シールド６０内に基板４１を嵌め込む際には固定具８０の一対のばね片８２を挟んで押圧変形させた状態で接地シールド６０内に組み込む。これにより、ばね片８２の弾性復帰力により固定具８０は接地シールド６０内に固定され、即ち基板４１を接地シールド６０内に良好に固定することができる。

図４は静電容量式水位計１００を前述したように川底の地面に打ち込んで設置する以外の設置例を示したものであり、図４Ａは橋脚９１に接地シールド６０を固定して静電容量式水位計１００を設置した例を示し、図４Ｂは橋桁９２に接地シールド６０を固定して静電容量式水位計１００を設置した例を示す。図４Ａ，Ｂ中、二点鎖線で示した水平線ｗは水面を示す。この例では水は接地シールド６０の下端から入り込むため、周壁に穴を設ける必要はない。

図５はこの発明による静電容量式水位計の他の実施例を示したものである。この例ではセンサ本体４０’の形態が前述したセンサ本体４０の形態と異なるものとなっており、基板４１’の一面４１ｂに駆動電極４２と受信電極４３とダミー受信電極４４とが全て形成されたものとなっている。

駆動電極４２は図５に示したように受信電極４３と近接する位置に位置し、ダミー受信電極４４とは離間されている。また、受信電極４３とダミー受信電極４４は接地シールド６０との間の寄生容量が同じとなるように接地シールド６０の円形断面を２分する平面ｃに対し、面対称となっている。センサ本体としてこのような形態を採用することもできる。

以上、この発明による静電容量式水位計の構成及び設置例について説明したが、例えば駆動電極４２について言えば、受信電極４３と平行な直線パターンであればよく、幅は受信電極４３と異なっていてもよい。また、長さも必ずしも同じ長さでなくてもよい。また、パイプ状をなす接地シールド６０はこの例では円形断面を有するものとなっているが、これに限るものではなく、例えば方形断面を有するものであってもよい。

なお、この発明による静電容量式水位計の特徴とする構成は例えばタンク内の液体の液面を検出する静電容量式液面計等にも応用することができる。

１０容量結合センサ装置１１支持部材
１２送信電極１３受信電極
１４シールド電極１５絶縁体
１６外周シールド１７絶縁体
１８中空部２１出力端子線
２２アース線２３入力端子線
２４発信部２５検波部
２６平滑部４０，４０’ センサ本体
４１，４１’ 基板４１ａグランド層
４１ｂ一面４１ｃ他面
４２駆動電極４３受信電極
４４ダミー受信電極５０センサ回路
５１発信回路５２コンデンサ
５３第１の検出部５４第２の検出部
５５差動増幅器５６整流器
５７積分回路５８整流器
５９積分回路６０接地シールド
７０静電容量７１，７２寄生容量
７３，７４対地静電容量８０固定具
８１基部８２ばね片
８３角穴８４溝
９１橋脚９２橋桁
１００静電容量式水位計

Claims

センサ本体とセンサ回路と接地シールドとを備え、静電容量の変化に基づいて水位を検出する静電容量式水位計であって、
前記接地シールドはパイプ状をなし、
前記センサ本体は、前記接地シールドの長さ方向に長い基板と、前記基板に形成された駆動電極と受信電極とダミー受信電極とよりなり、前記接地シールド内に収容されて水に浸される構造とされ、
前記受信電極と前記ダミー受信電極とは、前記長さ方向に伸長する同じ直線パターン形状を有するものとされて前記長さ方向において同じ位置に位置し、かつ前記接地シールドとの間の寄生容量が同じとなる位置に位置されており、
前記駆動電極は前記受信電極と平行な直線パターン形状を有するものとされて、前記受信電極に近接する位置に位置し、前記ダミー受信電極とは離間されており、
前記センサ回路は、
前記ダミー受信電極に接続されたコンデンサ及び前記駆動電極に交流電圧を印加する発信回路と、
前記受信電極及び前記ダミー受信電極にそれぞれ流れる電流をそれぞれ整流、積分して電圧に変換して出力する第１及び第２の検出部と、
前記第１の検出部の出力と前記第２の検出部の出力を差動増幅して出力する差動増幅器と、
を備えることを特徴とする静電容量式水位計。
請求項１に記載の静電容量式水位計において、
前記駆動電極と前記受信電極とは同じ長さとされて、前記長さ方向において同じ位置に位置していることを特徴とする静電容量式水位計。
請求項１又は２に記載の静電容量式水位計において、
前記基板は内層にグランド層を備え、
前記基板の一面に前記駆動電極と前記受信電極が形成され、他面に前記ダミー受信電極が形成されていることを特徴とする静電容量式水位計。
請求項１から３の何れかに記載の静電容量式水位計において、
前記センサ回路は前記基板に実装されていることを特徴とする静電容量式水位計。
請求項１から４の何れかに記載の静電容量式水位計において、
前記接地シールドには水が入り込む穴が形成されていることを特徴とする静電容量式水位計。