JPH0572164A - 燃料の誘電率検知装置 - Google Patents

燃料の誘電率検知装置

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JPH0572164A
JPH0572164A JP3230014A JP23001491A JPH0572164A JP H0572164 A JPH0572164 A JP H0572164A JP 3230014 A JP3230014 A JP 3230014A JP 23001491 A JP23001491 A JP 23001491A JP H0572164 A JPH0572164 A JP H0572164A
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fuel
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resistor
phase
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JP3230014A
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Kenji Ogawa
賢二 小河
Hiroyoshi Suzuki
尋善 鈴木
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料の誘電率変化に対して装置の出力変化を
最大にすると共に、湿度等の環境の影響を受ける事のな
い精度の良い燃料の誘電率検知装置を得る。 【構成】 導電性電極3と単層巻コイル4との間に燃料
通路2を設け、絶縁体1中に単層巻コイル4と直列接続
された抵抗10と抵抗10の両端に現われる高周波信号
間の位相差を検知する位相比較器11を封止してその接
続部の導体の寄生容量を小さくしてある。位相比較器1
1の出力が所定値となるように抵抗10を介して単層巻
コイル4に高周波信号を電圧制御発振器14から増幅器
15を通して印加し、位相比較器11の出力を低域通過
フィルタ12と比較積分器13を通して電圧制御発振器
14を制御し、比較積分器13の制御出力又は電圧制御
発振器14の分周出力周波数が燃料の誘電率に相当す
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て燃料の性状を判別す
る装置に関し、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燃料の誘電率検知装置
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で、石油の消
費量の低減と、自動車排気ガスによる大気汚染の低減を
はかるため、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。この様なアルコール
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
困難となるため、アルコール混合燃料中のアルコール含
有率を検出して、この検出値に応じて空燃比、点火時期
等を調整している。
【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する方法と、
屈折率を検出する方法が主に提案されている。これらの
方法のうち本出願人は誘電率を検出する装置として先に
特願平3−22488号を出願している。以下、この装
置を、図を用いて説明する。
【0004】図5は特願平3−22488号にて示した
一実施例である。図において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円筒容器状絶縁管としての絶
縁体、3は絶縁体1の内側に設けられ、その柱面が絶縁
体1の柱面と略平行で且つ絶縁体1と同軸の円柱状の導
電性電極、4は導電性電極3と対向する絶縁体1外側の
位置に巻回された単層巻コイル、4a,4bは単層巻コ
イル4のリードである。
【0005】2は単層巻コイル4の内周面と絶縁体1の
管壁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、5は導電性電極3が取り付けられ絶縁体1と
燃料シール7を介して結合されて全体で燃料容器を形成
するフランジで、ここでは導電性電極3と一体に形成さ
れた例を示しており、6は燃料通路2に燃料を導くニッ
プルである。
【0006】この実施例は以上説明したように、導電性
電極3の外側に燃料通路2があり、さらにその外側に絶
縁体1を介して単層巻コイル4と言った構成を示した
が、この順番を逆にしても同等なものが得られることは
自明である。即ち、図6に示したようなセンサ部Aも特
願平3−22488号の請求範囲に含まれている。以降
図6を用いて説明を続ける。但し、説明の便宜上、形状
は異なるが図5との相当部分には、図5と同じ符号を用
いて説明する。
【0007】Aはセンサ部であり、1はインジェクショ
ン成型が可能な耐油性プラスチックの円柱状絶縁体、4
は単層巻コイルであり、円柱状絶縁体コイルボビン4c
に巻回されて絶縁体1中に封止されている。4a,4b
は単層巻コイル4のリード、3は絶縁体1の外側に設け
られ、その柱面が単層巻コイル4の柱面と略平行で且つ
同軸の円筒状導電性電極であり、燃料シール7を介して
両側が円柱状絶縁体1と結合されて、全体で燃料容器を
形成している。2は導電性電極3から所定間隔離れて配
置された単層巻コイル4の外周面と円柱状絶縁体1のリ
ング状凹部の壁を介して導電性電極3の内周面との間に
形成された燃料通路、6は導電性電極3に取付けられ、
燃料通路2に燃料を導くニップルである。
【0008】Bは検知回路部を示しており、10は単層
巻コイル4のリード4aに接続されて直列回路を成す直
列の抵抗、11は抵抗10の両端の信号が接続された0
°位相比較器、12は位相比較器11の出力が接続され
た低域通過フィルタ、13は低域通過フィルタ12の出
力と位相0°に相当する所定基準電圧Vref 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、15は電圧制御発振器14の出力を
増幅する増幅器であり、その出力は前記直列回路に接続
され、16は電圧制御発振器14の出力周波数を分周す
る分周器である。
【0009】次にこの装置の動作について説明する。図
5,図6におけるセンサ部Aはいずれも図4に示したよ
うな等価回路とその特性で概略与えられる。図4におい
て、(a)は並列共振等価回路を示し、(b)はセンサ
部インピーダンス及び電流−電圧位相の周波数特性を示
し、(c)は共振周波数−メタノール含有率特性を示し
ている。
【0010】図4(a)において、Iは電流、Vは電
圧、Zはインピーダンス、Lは単層巻コイル4のインダ
クタンス、Gf 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との間に生ず
る静電容量、Cp はリード4aに寄生する浮遊容量や位
相比較器11の入力容量等、燃料の誘電率εとは無関係
の容量である。ここで、図5,図6におけるセンサ部A
のリード4aに印加する信号の周波数を変化させると、
図4に示したような並列LC共振を示す。即ち、この時
の並列共振周波数fr は図中の記号を用いて、下記式で
示される。
【0011】
【数1】
【0012】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fr は数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が大なる程共振周波数は低くなる。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fr は約7.5MHz であ
り、誘電率ε=2のガソリンでは約9.5MHz であっ
た。
【0013】また、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に示したような共振周波数fr の変化を示した。即
ち、この共振周波数fr に対応する信号を検知する事に
より燃料の誘電率εひいてはメタノール混合燃料中のメ
タノール含有率を検知できる。
【0014】図5,図6における検知回路部Bは前記f
r を検知するように構成されており、以下この検知回路
部Bの説明を続ける。燃料通路2にメタノール混合燃料
を流した状態で電圧制御発振器14から増幅器15によ
り抵抗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、即ち前記直列回路に印加さ
れる高周波電圧信号と、単層巻コイル4に印加される高
周波電圧信号が位相比較器11に入力され両者の位相が
比較される。今、前記共振周波数fr と同じ周波数の高
周波電圧信号が前記直列回路に印加されたとすると、図
4(b)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。
【0015】一方、前記共振周波数fr より低い周波数
の高周波電圧信号が前記直列回路に印加されたとする
と、図4(b)に示したようにセンサ部Aの電流−電圧
位相は0°より進んでいるので、抵抗10の両端の高周
波電圧の位相差は前記直列回路に印加する高周波信号の
位相を基準にすると0°より大となる。従って、位相比
較器11の出力を低域フィルタ12を介して位相差に相
当する直流電圧に変換し、前記直流電圧と位相差0°に
相当する直流電圧Vref 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の出力を前記直
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に入力する事により、位相同期ループ
が形成される。
【0016】電圧制御発振器14は前記位相同期ループ
により、抵抗10の両端の高周波電圧信号間の位相差が
0°となるように制御するので、電圧制御発振器14の
発振周波数は常に前記共振周波数fr で発振する事にな
る。よって、電圧制御発振器14の出力周波数を分周器
16を介して適当な周波数に分周して周波数出力fout
得られる。また、電圧制御発振器14の発振周波数と制
御入力電圧とが一対一に対応する事に注目すると、比較
積分器13の出力が電圧出力Vout としてとりだせる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6に
示したような装置では、必然的に単層巻コイル4のリー
ド4aを短くする事が困難であり、リード4aに寄生す
る浮遊容量が大きくなる。さらに、ノイズを除去するた
めにリード4aにシールド線を用いるとさらに浮遊容量
が増大する。また、リード4aからシールド部を離した
としても、リード4aの通る位置や、まわりの湿度等の
環境によっても浮遊容量の値が変化してしまう。
【0018】この様な大きな浮遊容量は数1式に示した
p がCs に対して大きくなる事を示しており、数1式
からわかるように燃料の誘電率εの変化に対して共振周
波数fr の変化率の低下を招く。また、浮遊容量の値が
環境などによって変化すると、同様に燃料の誘電率εが
変化しなくとも共振周波数fr の変化を招き、ひいては
燃料の誘電率検知精度に悪影響を与えるといった問題点
があった。
【0019】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、燃料の誘電率の変化に対して、
共振周波数の変化率をでき得る限り大きくする事ができ
るとともに、環境の変化等に対しても共振周波数が変化
しないような精度の高い燃料の誘電率検知装置を得る事
を目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】この発明における燃料の
誘電率検知装置は、導電性電極と、絶縁体に封止されて
導電性電極から所定間隔離されて対向配置された検知コ
イルとを備えて、導電性電極と絶縁体との間に燃料が導
入されるとともに、検知コイルと直列接続されて直列回
路を成す抵抗と、直列回路へ高周波信号を印加する高周
波印加手段と、抵抗の両端に現れる高周波信号が入力さ
れる位相検知手段と、この位相検知手段の出力が所定値
となるように高周波印加手段の出力周波数を制御する制
御手段を備え、少なくとも抵抗および位相検知手段ある
いは位相検知手段を構成する部分とを検知コイルと一体
にして絶縁体に封止したものである。
【0021】
【作用】この発明においては、検知コイルと抵抗、およ
び位相検知手段あるいは位相検知手段を構成する部分と
を一体にして絶縁体中に封止したので、検知コイルから
抵抗、または位相検知手段とを接続するリードに寄生す
る浮遊容量を最低にでき、共振周波数の変化率を大きく
できる。
【0022】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1おいて、符号1〜16で示される各ブロック
の果たす役割は図6に示した従来例と同一であるが、従
来例において、抵抗10及び位相比較器11が検知回路
部Bに設置されていたのに対して、本実施例において
は、センサ部Aに設置されており、さらに単層巻コイル
4と一体となって絶縁体1に封止されている。
【0023】次にこの発明の一実施例の具体例を図2に
ついて説明する。図2において、位相比較器として排他
的論理和回路11dを用いて、抵抗10の両端に現れる
高周波電圧信号の位相差が0°とす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ている。但し、図2
の例では、位相比較器11は、排他的論理和回路11d
と、この各入力端子に各出力端子が接続された2つのイ
ンバータ11b,11cとから構成されている。図1で
は、位相比較器11全体がセンサ部A側に設置されてお
り、図2では、入力端子が抵抗10及び単層巻コイル4
に接続されたインバータ11bがセンサ部A側に、ま
た、インバータ11cと排他的論理和回路11dが検知
回路部B側に設置されていて異なるが、抵抗10と位相
比較器11(図2では位相比較器11のインバータ11
b)と単層巻コイル4とを一体にしてセンサ部Aに設置
する事により、単層巻コイル4と抵抗10,位相比較器
11とを接続する導体に寄生する容量をできる限り小さ
くしている点では本質的に同一である。
【0024】15aはインバータ、15c,15bは第
1,第2のDフリップフロップ回路であり、これらは増
幅器15を構成している。また、17は、出力端子がリ
ード4bに、非反転入力端子が分圧用可変抵抗の摺動接
点部に接続されたオペアンプである。また、回路各部分
P1〜P6の信号のタイムチャートを図3に示した。
【0025】次に、図2を主に参照して本実施例の動作
について説明する。電圧制御発振器14から出力される
高周波矩形波信号P1は第1のDフリップフロップ回路
15cのCKポートに入力され、第2のDフリップフロ
ップ回路15bのCKポートには前記矩形波信号P1を
インバータ回路15aで位相反転した信号が入力され
る。ここで第2のDフリップフロップ回路15bのDポ
ートには第1のDフリップフロップ回路15c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15cのDポートには第2のDフリップフロップ回
路15bの出力ポートQの信号が入力されている。
【0026】このため、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15cの出力ポートQの信号P2は、前記高周
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分周した信号となる。インバータ11c
を介して排他的論理和回路11dに入力される第2のD
フリップフロップ回路15bの出力ポートQの信号P3
は、信号P1の立ち下がりで更新されて、前記信号P2
と同一周波数で、位相が90°異なる信号となる。
【0027】排他的論理和回路11dの他方の入力に
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がインバータ11bを介
して入力され、信号P3の反転信号と位相比較される。
ここで、抵抗10と単層巻コイル4との接続点に現れる
高周波の信号P4は図3に示したように正弦波的である
ので、その直流レベルをオペアンプ17とオペアンプ1
7に接続された可変抵抗により、インバータ11bの判
定レベルとなるように調整することで正弦波的信号P4
を波形整形して矩形波信号P5が得られる。
【0028】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11bの出力の矩形波信号P5は
抵抗10に印加される矩形波信号P2と逆相であり、ま
た、第2のDフリップフロップ回路15bの出力ポート
Qの信号P3とは丁度90°位相のずれた矩形波信号と
なる。従って、排他的論理和回路11dの出力は、抵抗
10の両端に現れる信号P2と信号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時
に丁度デューティ50%の矩形波信号P6となる。
【0029】前記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と信号P4の位相差に一対一に対応したデューティ
を持つ矩形波信号となる。従って、排他的論理和回路1
1dの出力信号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の両端に現れる高周波電圧
信号P2,P3の位相差と一対一に対応する。
【0030】低域通過フィルタ12の出力信号は比較積
分器13に入力され、ここで比較積分器13に接続され
た可変抵抗によって抵抗10の両端に現れる信号P2,
P3の位相差が0°の時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の出力を電圧制御発振器14に入力して発振周波数
を制御する。
【0031】このように回路を構成する事により、この
回路は抵抗10の両端に現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。このため、電
圧制御発振器14の周波数を分周器16で分周した周波
数出力fout は図4(c)に示した燃料の誘電率ε、メ
タノール含有率に対して単調減少する関数となる。当然
電圧制御発振器14に入力される比較積分器13の出力
を電圧出力Vout として出力する事も可能である。
【0032】ここで、本実施例が従来例と異なる点につ
いて説明する。従来例では抵抗10及び位相比較器11
の構成部分であるインバータ11bが検知回路部Bの中
には無く、センサ部Aに設置してある。以下この理由に
ついて説明する。センサ部A中のLC回路の共振周波数
r は数1式に示した通りであるがこの数1式を図2に
示した記号を用いて書き直すと、下記数2式のようにな
る。
【0033】
【数2】
【0034】ここでCl は単層巻コイル4に寄生する浮
遊容量、Ci はインバータ11bの入力容量、Cr は単
層巻コイル4と抵抗10、インバータ11bとを接続す
る導体に寄生する容量であり、従来例においては図6の
リード4aに寄生する浮遊容量に対応する。C(ε)は
燃料の誘電率εに対応して変化する容量であり、この容
量変化による共振周波数frの変化で燃料の誘電率、ひ
いては燃料中のメタノール含有率を検知するわけであ
る。
【0035】この時、燃料の誘電率εの変化に対して共
振周波数fr の変化率は数2式に示したように燃料の誘
電率εとは無関係の容量Cl ,Ci ,Cr の総和と燃料
の誘電率εに依存する容量C(ε)とのバランスにより
決定され、C(ε)がその総和により大なるほど大きな
変化率を示す。その為には、前記Cl ,Ci ,Crをで
き得るかぎり小さくする事が望ましい。また、前記C
(ε)が変化しなくとも前記Cl ,Ci ,Cr のいずれ
かが変化すると共振周波数が変化する事に着目すると、
前記Cl ,Ci ,Cr が湿度等の環境によって変化しな
い事が望まれる。
【0036】本実施例と前記従来例との違いは、抵抗1
0及び位相比較器11の構成部分であるインバータ11
bが検知回路部Bの中には無く、センサ部Aに設置して
あることであり、即ち単層巻コイル4と抵抗10及びイ
ンバータ11bと絶縁体1中に封止することにより、従
来例のリード4aに相当する導体をでき得る限り短くで
きるため、図2のその容量Cr が従来例と比較して著し
く小さくでき、さらに、絶縁体1中に封止されているた
め、前記Cr が湿度等の環境によって変化しない。
【0037】上記実施例では位相比較器の一部と抵抗を
単層巻コイルと一体にして封止した例を示したが、他の
回路部分も一体にして封止しても良い。また、上記実施
例では本装置を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例を示したが、他の液体中の誘電
率検出用として広く適用が可能である。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、導電性電極と絶縁体に封止された検知コイルを備
え、前記検知コイルが前記導電性電極と所定間隔離され
て配置されるとともに、前記検知コイルと導電性電極と
の間に燃料が導かれるように構成し、前記検知コイルと
直列に抵抗を接続し、前記抵抗の両端に現れる高周波電
圧信号の位相差が0°となるように位相比較器、低域通
過フィルタ、比較積分器、電圧制御発振器で前記抵抗を
介して検知コイルに印加する信号の周波数をフィードバ
ック制御し、前記比較積分器の電圧出力あるいは前記電
圧制御発振器の出力周波数によりアルコール含有率を検
知する装置において、前記抵抗および前記位相比較器あ
るいは前記位相比較器の部分を前記検知コイルと一体に
して前記絶縁体中に封止したので、燃料の誘電率に関与
しない容量成分を最低にできることにより燃料の誘電率
変化に対する装置の出力の変化を最大にし、また、装置
の湿度等の環境の変化にかかわらず常に精度よくアルコ
ール含有率を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例による燃料の誘電率検知装
置を示す構成図である。
【図2】この発明の一実施例による装置の詳細な一具体
例を示す構成図である。
【図3】上記一具体例におけるタイムチャート図であ
る。
【図4】センサ部インピーダンスの周波数特性等を示す
図である。
【図5】従来の燃料の誘電率検知装置を示す構成図であ
る。
【図6】もう一つの従来の誘電率検知装置を示す構成図
である。
【符号の説明】
A センサ部 1 絶縁体 2 燃料通路 3 導電性電極 4 単層巻コイル(検知コイル) 10 抵抗 B 検知回路部 11 位相比較器(位相検知手段) 12 低域通過フィルタ 13 比較積分器 14 電圧制御発振器(高周波印加手段) 12,13 制御手段
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年5月15日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0010
【補正方法】変更
【補正内容】
【0010】図4(a)において、Iは電流、Vは電
圧、Zはインピーダンス、Lは単層巻コイル4のインダ
クタンス、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との間に生ず
る静電容量、Cp はリード4aに寄生する浮遊容量や位
相比較器11の入力容量等、燃料の誘電率εとは無関係
の容量である。ここで、図5,図6におけるセンサ部A
のリード4aに印加する信号の周波数を変化させると、
図4に示したような並列LC共振を示す。即ち、この時
の並列共振周波数fr は図中の記号を用いて、下記式で
示される。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】
【数1】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0018
【補正方法】変更
【補正内容】
【0018】この様な大きな浮遊容量は数1式に示した
p f に対して大きくなる事を示しており、数1式
からわかるように燃料の誘電率εの変化に対して共振周
波数fr の変化率の低下を招く。また、浮遊容量の値が
環境などによって変化すると、同様に燃料の誘電率εが
変化しなくとも共振周波数fr の変化を招き、ひいては
燃料の誘電率検知精度に悪影響を与えるといった問題点
があった。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁体に封止された検知コイルが導電性
    電極と所定間隔離されて配置されるとともに、前記検知
    コイルと前記導電性電極との間に燃料が導かれるように
    構成され、前記検知コイルと直列接続され直列回路をな
    す抵抗と、前記抵抗を介して前記検知コイルに高周波信
    号を印加する高周波印加手段と、前記抵抗の両端に現れ
    る高周波信号間の位相差を検知する位相検知手段と、前
    記位相検知手段の出力が所定の値となるように前記高周
    波印加手段の出力周波数を制御する制御手段を備え、前
    記高周波印加手段の出力周波数あるいは前記制御手段の
    制御出力が燃料の誘電率に相当する燃料の誘電率検知装
    置において、少なくとも前記抵抗と前記位相検知手段あ
    るいは前記位相検知手段を構成する部分とを前記検知コ
    イルと一体にして前記絶縁体に封止したことを特徴とす
    る燃料の誘電率検知装置。
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