JPH05126778A - 燃料の誘電率検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料の導電率の変化や電源電圧の変化に対し
て影響を受けず、精度が良く大量生産に適した燃料の誘
電率検知装置を得る。 【構成】 抵抗１０と単層巻コイル４との接続点の高周
波信号と参照高周波信号との位相差が抵抗１０を介して
単層巻コイル４に印加される高周波と参照高周波との位
相差と等しくなるように、印加高周波と参照高周波の周
波数を制御し、この周波数あるいはこの周波数を決定す
る制御量から燃料の誘電率を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼器等に供給され
る燃料の誘電率を非接触で検知し、燃料の性状を判別す
る燃料の誘電率検知装置に関し、特に自動車等のエンジ
ンに用いられる燃料のアルコール含有率を測定するもの
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、米国や欧州等の各国において、石
油の消費量の低減と、自動車の排気ガスによる大気汚染
の低減を図るため、ガソリン中にアルコールを混合した
燃料が自動車用として導入されつつある。しかし、この
ようなアルコール混合燃料をガソリン燃料の空燃比にマ
ッチングされたエンジンにそのまま用いると、アルコー
ルがガソリンに比べて理論空燃比が小さいため、空燃比
がリーン化して運転が困難となった。そこで、アルコー
ル混合燃料中のアルコール含有率を検出し、この検出値
に応じて空燃比、点火時期等を調整することが行なわれ
ている。

【０００３】従来、上記のようなアルコール含有率の検
出には、アルコール混合燃料の誘電率を検出方法と、屈
折率を検出する方法が主に提案されているが、本出願人
はこれらの方法のうち誘電率を検出する方法について特
願平３−２２４８８号により出願しており、以下この方
法について図面を用いて説明する。

【０００４】図５は特願平３−２２４８８号に示された
従来の誘電率検知装置の構成を示し、Ａはセンサ部であ
り、１はセラミック、耐油性プラスチック等の絶縁体で
形成され、内部に燃料が導かれる有底の円筒状絶縁管、
３は絶縁管１の内部に設けられ、その外周面が絶縁管１
の内周面と略平行でかつ絶縁管１と同軸の円柱状の導電
性電極、４は絶縁管１の外周の導電性電極３と対応する
位置に巻回された単層巻コイル、４ａ，４ｂは単層巻コ
イル４のリード、２は単層巻コイル４の内周面と絶縁管
１を隔てて導電性電極３の外周面との間に形成された燃
料通路である。

【０００５】５は導電性電極３が取り付けられるととも
に、絶縁管１と燃料シール７を介して結合され、全体と
して燃料容器を形成するフランジであり、ここでは導電
性電極３と一体に形成されている。６は燃料通路２に燃
料を導くニップルである。Ｂは検知回路部を示し、１０
は単層巻コイル４のリード４ａに直列に接続された直列
抵抗（抵抗値Ｒ_S ）、１１は直列抵抗１０と並列に接続
された０°位相比較器である。

【０００６】又、１２は位相比較器１１の出力側に接続
された低域通過フィルタ、１３は低域通過フィルタ１２
の出力側及び位相差０°に相当する所定基準電圧Ｖ_ref
が接続された比較積分器、１４は比較積分器１３の出力
が接続された電圧制御発振器、１９は電圧制御発振器１
４の出力増幅器であり、その出力は直列抵抗１０に接続
される。２０は電圧制御発振器１４の出力周波数の分周
器である。

【０００７】次に、上記した従来装置の動作について説
明する。センサ部Ａは図４（ａ）又はこれをさらに詳し
くした図４（ｂ）の等価回路で概略示され、Ｌは単層巻
コイル４のインダクタンス、Ｃ_f は燃料通路２中の燃料
の誘電率εに応じて変化する単層巻コイル４と導電性電
極３との間に生じる静電容量、Ｃ_P はリード４ａに寄生
する浮遊容量や０°位相比較器１１の入力容量等、燃料
の誘電率εと無関係な容量である。

【０００８】ここで、センサ部Ａのリード４ａに印加す
る周波数を変化させると、図４（ｃ）に示すような並列
ＬＣ共振を示す。即ち、このときの並列共振周波数ｆ_r
は ｆ_r ＝1/(2π√（Ｌ×（Ｃ_P ＋Ｃ_S ))) ＝Ｋ／√（ａ＋ｂ×ε） …（１） で示される。ここで、Ｋ，ａ，ｂはセンサ部Ａの形状に
よって決まる定数である。共振周波数ｆ_r は（１）式に
示したように燃料の誘電率εに依存するため、燃料の誘
電率εが大なるほど共振周波数ｆ_r は低くなる。

【０００９】例えば、所定のセンサ形状で測定した結果
では、燃料が誘電率ε＝３３のメタノールでの共振周波
数ｆ_r は７．５MHz であり、誘電率ε＝２のガソリンで
は約９．５MHz であった。又、メタノールとガソリンと
の任意の混合燃料においては、メタノールの含有率に応
じて概略図４（ｄ）に示したような共振周波数ｆ_r の変
化を示す。従って、共振周波数ｆ_r に対応する信号を検
知することにより、燃料の誘電率ε、さらにはメタノー
ル混合燃料中のメタノール含有率を検知することができ
る。

【００１０】検知回路部Ｂは共振周波数ｆ_r を検知する
ように構成されており、以下検知回路部Ｂの動作を説明
する。燃料通路２にメタノール混合燃料を流した状態で
増幅器１９から抵抗１０と単層巻コイル４の直列回路に
高周波信号が与えられ、抵抗１０の両端間の電圧信号、
即ちこの直列回路に印加される高周波電圧信号と単層巻
コイル４に印加される高周波電圧信号とが位相比較器１
１に入力され、両者の位相が比較される。

【００１１】いま、共振周波数ｆ_r と同じ周波数の高周
波電圧信号が上記直列回路に印加されたとすると、図４
（ｃ）に示したようにセンサ部Ａの電流電圧位相は０°
となるので、抵抗１０の両端の高周波電圧の位相差は０
°となる。一方、共振周波数ｆ_r より低い周波数の高周
波電圧信号が上記直列回路に印加されたとすると、図４
（ｃ）に示すようにセンサ部Ａの電流電圧位相は０°よ
り進むので、上記直列回路に印加する高周波信号の位相
を基準として、抵抗１０の両端の高周波電圧の位相差は
０°より大となる。

【００１２】従って、位相比較器１１の出力を低域通過
フィルタ１２を介して位相差に相当する直流電圧に変換
し、この直流電圧と位相差０°に相当する直流電圧Ｖ
_ref とを比較積分器１２に入力して両者の差を積分し、
比較積分器１２の出力を、上記直列回路に抵抗１０を介
して高周波信号を印加している電圧制御発振器１４に入
力することにより、位相同期ループが形成される。

【００１３】電圧制御発振器１４はこの位相同期ループ
により抵抗１０の両端の高周波電圧信号間の位相差が０
°となるように制御し、電圧制御発振器１４の発振周波
数は常に共振周波数ｆ_r で発振することになる。このた
め、電圧制御発振器１４の出力周波数を分周器２０によ
り適当な周波数に分周して周波数出力ｆ_out を得る。
又、電圧制御発振器１４の発振周波数と制御入力電圧と
が一体一に対応するので、比較積分器１３の出力が電圧
出力Ｖ_out として取り出される。

【００１４】次に、従来装置の具体例について説明す
る。図６は位相比較器１１として排他的論理和回路１１
ｃを含むものを用い、抵抗１０の両端に現われる高周波
電圧信号の位相差が０°となるような位相同期ループを
形成した場合の具体例を示し、図７は図６の各部信号Ｐ
１〜Ｐ６のタイミングチャートを示す。電圧制御発振器
１４から出力された高周波矩形波信号Ｐ１は増幅器１９
の第１のＤフリップフロップ回路１９ａのＣＫポートに
入力され、第２のＤフリップフロップ回路１９ｂのＣＫ
ポートには矩形波信号Ｐ１をインバータ回路１９ｃによ
り位相反転した信号が入力される。

【００１５】又、第２のＤフリップフロップ回路１９ｂ
のＤポートには第１のＤフリップフロップ回路１９ａの
反転出力ポートの信号が入力され、第１のＤフリップフ
ロップ回路１９ａのＤポートには第２のＤフリップフロ
ップ回路１９ｂの出力ポートＱの信号が入力されてお
り、抵抗１０を介して単層巻コイル４に印加される高周
波信号である第１のＤフリップフロップ回路１９ａの出
力ポートＱの信号Ｐ２は高周波矩形波信号Ｐ１の立ち上
がりでデータが更新され、信号Ｐ１を１／２分周した信
号となり、インバータ１１ａを介して排他的論理和回路
１１ｃに入力され、他方第２のＤフリップフロップ回路
１９ｂの出力ポートＱの信号Ｐ３は信号Ｐ１の立下りで
更新され、信号Ｐ２と同一周波数で位相が９０°異なる
信号となる。

【００１６】排他的論理和回路１１ｃの入力には、抵抗
１０と単層巻コイル４との接続点即ち単層巻コイル４に
印加される信号Ｐ４が入力されるとともに、他方の入力
には信号Ｐ３がインバータ１１ｂにより位相反転されて
入力され、この両者の位相を比較する。ここで、抵抗１
０と単層巻コイル４との接続点に現われる高周波信号Ｐ
４は図７に示すように正弦的であるので、その直流レベ
ルをオペアンプ２１と可変抵抗２２によりインバータ１
１ａの判定レベルとなるように調整することにより、正
弦波信号Ｐ４を波形整形して矩形波Ｐ５が得られる。

【００１７】センサ部ＡのＬＣ回路が共振する周波数に
おいては、インバータ１１ａの出力矩形波Ｐ５は、抵抗
１０に印加される矩形波Ｐ２と逆相であり、第２のＤフ
リップフロップ回路１９ｂの出力ポートＱの信号Ｐ３と
は位相が９０°ずれた矩形波信号となる。従って、排他
的論理和回路１１ｃの出力は、抵抗１０の両端に現われ
る信号Ｐ２，Ｐ４の位相差が０°の時即ちセンサ部Ａの
ＬＣ回路が共振する周波数のときにデューティ５０％の
矩形波Ｐ６となり、共振周波数以外の周波数においては
デューティは５０％以下あるいは５０％以上となり、信
号Ｐ２，Ｐ４の位相差に一体一に対応したデューティを
持つ矩形波となる。

【００１８】排他的論理和回路１１ｃの出力Ｐ６は低域
通過フィルタ１２に入力され、その直流出力は抵抗１０
の両端に現われる高周波電圧信号Ｐ２，Ｐ４の位相差と
一体一に対応する。低域通過フィルタ１２の出力は比較
積分器１３に入力され、可変抵抗２３によって抵抗１０
の両端に現われる信号Ｐ２，Ｐ４の位相差が０°のとき
に低域通過フィルタ１２が出力する直流レベルと等しく
なるように調整された電圧Ｖ_ref との差を積分され、そ
の積分値即ち比較積分器１３の出力が電圧制御発振器１
４に入力されて発振周波数が制御される。

【００１９】このように、抵抗１０の両端に現われる高
周波電圧信号の位相差が０°となるように電圧制御発振
器１４の出力周波数を制御する位相同期ループが形成さ
れるので、電圧制御発振器１４の周波数を分周器２０で
分周した周波数出力ｆ_out は図４に示した燃料の誘電率
ε即ちメタノール含有率に対して単調減少する関数とな
る。又、電圧制御発振器１４に入力される比較積分器１
３の出力も電圧出力Ｖ_out として出力される。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来装置では、電圧制御発振器１４の出力のデューテ
ィが５０％でない場合や検知回路Ｂに供給される電源電
圧が変化すると、排他的論理和回路１１ｃのハイレベル
電圧が変化し、抵抗１０の両端に現われる電圧信号の位
相差に対応する直流信号である低域通過フィルタ１２の
出力が変化してしまい、０°位相差のときの直流レベル
電圧が変化してしまう。これは、位相同期ループの目標
位相差が０°からずれることを示しており、図８に示す
ように本来周波数ｆ０を出力すべきであるのに目標がず
れたことによりｆ１を出力することになり、また燃料の
誘電率が変化すると共振のＱが変化し、例えば図８の二
点鎖線で示したようにＱが低下して位相曲線がなだらか
になるとｆ２を出力することになり、精度が悪く、燃料
の導電率の影響を受けるといった課題があった。

【００２１】又、燃料の誘電率検知装置を多数製造する
場合、それぞれの電圧制御発振器１４の出力のデューテ
ィに応じたＶ_ref を比較積分器１３に調整して与えなけ
ればならず、製造効率が低下するという課題があった。

【００２２】この発明は上記のような課題を解決するた
めに成されたものであり、電圧制御発振器の出力デュー
ティのバラツキや電源電圧のバラツキに対して、常に位
相同期ループの目標位相差が０°となり、精度が高く大
量生産に適した燃料の誘電率検知装置を得ることを目的
とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料の誘
電率検知装置は、抵抗を介して検知コイルに高周波を印
加する高周波印加手段と、高周波印加手段の出力に対し
て所定の位相差を持った高周波を出力する参照高周波発
生手段と、検知コイルと抵抗との接続点に現われる高周
波信号と参照高周波発生手段の出力との位相差を検出す
る検出用位相比較器と、高周波印加手段の出力と参照高
周波発生手段の出力との位相差を検出する参照位相比較
器と、両位相比較器の出力が等しくなるように高周波印
加手段及び参照高周波発生手段の出力周波数を制御する
制御手段を設けたものである。

【００２４】

【作用】この発明においては、抵抗と検知コイルの接続
点に現われる高周波信号と参照高周波信号との位相差が
高周波印加手段の出力と参照高周波との位相差と等しく
なるように高周波発生手段の出力周波数と参照高周波の
周波数が制御され、上記抵抗の両端の信号の位相が等し
くなる。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面とともに説明
する。図１はこの実施例による構成を示し、センサ部Ａ
は従来と全く同じである。検知回路部Ｂにおいて、１５
は抵抗１０を介して単層巻コイル４に高周波を印加する
検出用高周波印加手段、１６は検出用高周波印加手段１
５と同一周波数でかつ所定の位相差を持った高周波を出
力する参照高周波発生手段、１１は抵抗１０と単層巻コ
イル４の接続点の信号と参照高周波発生手段１６の出力
との位相差を検出する検知用位相比較器、１７は検出用
高周波印加手段１５の出力と参照高周波発生手段１６の
出力との位相差を検出する参照位相比較器、１８は参照
位相比較器１７の出力が入力される第２の低域通過フィ
ルタ、１３は第１の低域通過フィルタ１２の出力と第２
の低域通過フィルタ１８の出力が入力される比較積分
器、１４は比較積分器１３の出力が入力され、検出用高
周波印加手段１５及び参照高周波発生手段１６へ出力す
る電圧制御発振器である。

【００２６】図２は図１の構成の具体的構成を示し、従
来と同じく抵抗１０の両端に現われる高周波電圧信号の
位相差が０°となるように位相同期ループを形成した場
合を示す。従来と異なる部分を中心に説明する。図３は
図２の各部分の信号波形を示す。

【００２７】電圧制御発振器１４から出力された高周波
矩形波信号Ｐ１は第１のＤフリップフロップ回路１５の
ＣＫポートに入力され、第２のＤフリップフロップ回路
１６ａのＣＫポートには矩形波信号Ｐ１をインバータ回
路１６ｂで位相反転した信号が入力される。第１のＤフ
リップフロップ回路１５のＱ出力Ｐ２は抵抗１０を介し
て単層巻コイル４に印加され、第２のＤフリップフロッ
プ回路１６ａのＱ出力Ｐ３は信号Ｐ２に対して矩形波信
号Ｐ１のデューティにより決定される位相差を持った高
周波矩形波となる。

【００２８】Ｄフリップフロップ回路１５，１６ａ及び
インバータ回路１６ｂの動作は図６の１９ａ〜１９ｃと
同一であるが、ここではそれぞれの役割を明確化するた
めに第１のＤフリップフロップ回路１５を検出用高周波
印加手段とし、第２のＤフリップフロップ回路１６ａと
インバータ回路１６ｂを参照高周波発生手段とした。

【００２９】又、信号Ｐ２，Ｐ３は位相比較器としての
排他的論理和回路１７に入力され、信号Ｐ２，Ｐ３の位
相差に応じたデューティを持つ矩形波信号Ｐ７が出力さ
れる。さらに、信号Ｐ７は抵抗１８ａとコンデンサ１８
ｂにより高周波成分が除去されて信号Ｐ７のデューティ
に応じた直流電圧に変換され、直流バッファ１８ｃを介
して直流Ｒ_ef信号として信号Ｐ２，Ｐ３の位相差に応じ
た電圧が出力される。

【００３０】ＴＴＬやＭＯＳ等の論理回路の一つである
排他的論理和回路１１ｃの一方の入力にはバッファ回路
１１ｂを介して信号Ｐ３が入力され、他方の入力には抵
抗１０と単層巻コイル４の接続点の信号即ち単層巻コイ
ル４に印加される信号Ｐ４がバッファ回路１１ａを介し
て入力され、信号Ｐ３，Ｐ４の位相が比較される。

【００３１】ここで、バッファ回路１１ａは従来同様に
正弦的である抵抗１０と単層巻コイル４との接続点に現
われる高周波信号Ｐ４を波形整形しており、その出力と
して矩形波Ｐ５が得られる。センサ部ＡのＬＣ回路が共
振する周波数においては、信号Ｐ５は信号Ｐ２と同相で
あり、信号Ｐ３に対しては信号Ｐ２，Ｐ３の位相差と同
じだけ位相がずれた矩形波となる。従って、排他的論理
和回路１１ｃの出力Ｐ６は、抵抗１０の両端に現われる
信号Ｐ２，Ｐ４の位相差が０°のとき、即ちセンサ部Ａ
のＬＣ回路が共振する周波数のときに信号Ｐ７と同一の
デューティを持つ矩形波となる。

【００３２】排他的論理和回路１１ｃの出力Ｐ６は低域
通過フィルタ１２に入力され、その直流出力が比較積分
器１３に入力され、低域通過フィルタ１８の出力電圧Ｒ
_efとの差が積分され、その積分値即ち比較積分器１３の
出力が電圧制御発振器１４に入力されてその発振周波数
を制御することにより、抵抗１０の両端に現われる高周
波電圧信号の位相差が０°となるように電圧制御発振器
１４の出力周波数を制御する位相同期ループとして作用
する。

【００３３】ここで、検知回路部Ｂに供給される電源電
圧が変化した場合を考えると、この場合排他的論理和回
路１１ｃ，１７のハイレベルも当然変化するため、それ
ぞれの出力を低域通過フィルタ１２，１８を介して得ら
れる位相差に相当する直流電圧も変化する。しかし、２
つの排他的論理和回路１１ｃ，１７は同等であり、同じ
電源電圧では同じハイレベルを出力するので、同じデュ
ーティにおいては、低域通過フィルタ１２，１８を介し
て出力される直流電圧は同じ電圧となる。

【００３４】従って、このような場合においても、信号
Ｐ６は信号Ｐ７と同じデューティであり、信号Ｐ２，Ｐ
３の位相差と信号Ｐ３，Ｐ５の位相差は同じとなり、結
論として抵抗１０の両端に現われる高周波信号の位相差
は常に０°に制御される。又、本装置を多数製造する場
合においても、電圧制御発振器１４はどのようなデュー
ティを持って発振しても信号Ｐ６，Ｐ７が同一のデュー
ティを持つように発振周波数が制御されるので、抵抗１
０の両端に現われる高周波信号の位相差は常に０°に制
御される。

【００３５】なお、上記実施例では、メタノール混合ガ
ソリン中のメタノール含有率の検出に用いたが、他の液
体中の誘電率検出に広く用いることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、検知コ
イルからの高周波と参照高周波との位相差が抵抗を介し
て検知コイルに印加される高周波と参照高周波との位相
差と等しくなるように、高周波印加手段及び参照高周波
発生手段の出力周波数をフィードバック制御するように
したので、高周波印加手段と参照高周波発生手段の出力
の位相差の変化や、電源電圧等の変化による位相比較器
の出力変化によらず、上記抵抗の両端の信号の位相差を
０°とする位相同期ループを形成することができ、燃料
の誘電率の変化による検知コイルのＱの変化や電源電圧
の変化に対して出力変化がなく精度が良い装置が得ら
れ、また多数の装置を製造するとき、それぞれの装置に
対する位相同期ループの調整の手間を省くことができ、
大量生産に適した装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明装置の構成図である。

【図２】この発明装置のより具体的な構成図である。

【図３】図２の構成の動作波形を示すタイムチャートで
ある。

【図４】従来装置のセンサ部の等価回路図及び周波数特
性図である。

【図５】従来装置の構成図である。

【図６】従来装置のより具体的な構成図である。

【図７】図６の構成の動作を示すタイムチャートであ
る。

【図８】従来装置の出力誤差の説明図である。

【符号の説明】

Ａ センサ部 １ 絶縁管 ２ 燃料通路 ３ 導電性電極 ４ 単層巻コイル Ｂ 検知回路部 １０ 抵抗 １１ 検知用位相比較器 １３ 比較積分器 １４ 電圧制御発振器 １５ 検出用高周波印加手段 １６ 参照高周波発生手段 １７ 参照位相比較器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料通路に設けられ、燃料の誘電率に応
   じて容量が変化する検知部と、検知部の出力と実質的に
   並列に接続された検知コイルと、検知コイルと直列に接
   続された抵抗と、この抵抗を介して検知コイルに高周波
   を印加する高周波印加手段と、高周波印加手段の出力に
   対して所定の位相差を持った高周波を出力する参照高周
   波発生手段と、検知コイルと上記抵抗との接続点に現わ
   れる高周波信号と参照高周波発生手段の出力との位相差
   を検出する検出用位相比較器と、高周波印加手段の出力
   と参照高周波発生手段の出力との位相差を検出する参照
   位相比較器と、検出用位相比較器の出力と参照位相比較
   器の出力とが等しくなるように高周波印加手段の出力周
   波数と参照高周波発生手段の出力周波数を制御する制御
   手段を備え、高周波印加手段または参照高周波発生手段
   の出力周波数、あるいは上記制御手段の制御出力により
   燃料の誘電率を検出することを特徴とする燃料の誘電率
   検知装置。