JPH0572166A

JPH0572166A - 燃料の誘電率検知装置

Info

Publication number: JPH0572166A
Application number: JP23806491A
Authority: JP
Inventors: Akira Okada; 章岡田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料の誘電率の変化に対するセンサ出力変化
が大きくとれ、燃料が安定して流れ、センサ間の出力ば
らつきが小さく、外部に影響されることなく、高精度に
燃料の誘電率を検知できる。【構成】スリットを有する筒状の導電性電極と略同軸
状に絶縁管を配置し、絶縁管に単層巻検出コイルを巻回
し、単層巻検出コイルのコイル周面と導電性電極の周面
間の静電容量により、この両者間の燃料の誘電率を検出
するようにしたものである。【効果】外部環境に影響されることなく、高精度に燃
料の誘電率を検知できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車などのエンジ
ンに用いられるアルコール混合燃料中のアルコール含有
率を測定するために、燃料の誘電率を非接触で検知でき
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、米国や欧州などの各国で、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
を図るために、ガソリン中の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。

【０００３】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、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，点火時期などを調整し
ている。

【０００４】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式
と、屈折率を検出する方式が主に提案されている。

【０００５】これらの方式のうち、誘電率を検出する方
式の従来装置として、たとえば、特公昭６３−３１７３
４号公報に記載されるように、非接触で液体中の誘電率
を検出するものが利用できる。この従来装置をアルコー
ル混合燃料中のアルコール含有率の検出に使用した場合
について、図９〜図１１により説明する。

【０００６】図９は従来の燃料の誘電率検知装置の構成
を示すブロック図である。この図９において、Ａはセン
サ部であり、１は円筒状のセラミック，耐油性プラスチ
ックなどの絶縁体で形成され、その内部には燃料通路２
を形成した絶縁管である。

【０００７】この絶縁管１の所定位置にリング状に巻回
して励起電極８が設けられている。この励起電極８より
所定の間隔をもって、絶縁管１に単層巻検出コイル４が
巻回されている。かくして、絶縁管１，燃料通路２，単
層巻検出コイル４，励起電極８とにより、センサ部Ａが
構成されている。

【０００８】一方、Ｂはセンサ部Ａの検知回路である。
この検知回路Ｂにおける鋸歯状波発振回路２１の出力が
電圧制御発振回路２２に入力され、電圧制御発振回路２
２の出力が励起電極８に印加されるようになっている。

【０００９】単層巻検出コイル４の他端、すなわち、励
起電極８より遠い方の他端はアースされ、近い方の一端
は全波整流回路２３を介してピークディテクタ２４に接
続されている。ピークディテクタ２４の出力はサンプル
ホールド回路２５に入力されるようになっている。

【００１０】このサンプルホールド回路２５には、鋸歯
状波発振回路２１の出力も入力されるようになってお
り、この鋸歯状波発振回路２１から出力される鋸歯状波
により、サンプルホールド回路２５がスイープされて、
ピークディテクタ２４からの出力、すなわち、ピークデ
ィテクトパルスがサンプルホールドされるようになって
いる。

【００１１】サンプルホールド回路２５の出力は低域通
過フィルタ２６を介して、外部に出力Ｖ_outとして出力
されるようになっている。図１０はセンサ部Ａの断面図
であり、図１１はセンサ部Ａの等価回路図である。

【００１２】次に、上記従来の燃料の誘電率検知装置の
動作について説明する。図９において、検知回路Ｂの鋸
歯状波発振回路２１からの鋸歯状波信号が電圧制御発振
回路２２およびサンプルホールド回路２５に出力され
る。

【００１３】このうち、電圧制御発振回路２２では、こ
の鋸歯状波信号が印加されることにより、鋸歯状信号の
スイープで周波数が制御され、その制御された周波数の
出力信号が電圧制御発振回路２２から励起電極８に印加
される。この電圧制御発振回路２２の出力により、単層
巻検出コイル４に電圧が誘起される。

【００１４】この誘起電圧は、燃料通路２を流れる燃料
の誘電率εが異なると、異なった周波数で最大値を示
す。これを図１０，図１１に示すように、励起電極８と
単層巻検出コイル４の間の燃料の誘電率εに対応する静
電容量Ｃ_fと単層巻検出コイル４の自己インダクタンス
ＬとＬＣ共振を生じ、共振周波数で単層巻検出コイル４
の誘起電圧が最大となるためである。

【００１５】センサ部Ａの概略的等価回路図は上述のよ
うに、図１１に示すようであり、その直列共振周波数ｆ
₀は（数１）に示すように表わされる。

【００１６】

【数１】

【００１７】この（数１）において、Ｌは、単層巻検出
コイル４の自己インダクタンスＣ_fは、励起電極８と単層巻検出コイル４との間の燃料
通路の容量で燃料の誘電率εに対応するものであり、Ｃ_Sは、絶縁管１の管壁の容量、Ｃ_Pは、励起電極８と単層巻検出コイル４との間の外部
浮遊容量、Ｃ_Paは、単層巻検出コイル４に並列に存在する浮遊容量
である。

【００１８】共振周波数ｆ₀は（数１）のように燃料の
誘電率εに依存するため、燃料の誘電率εが大きいほ
ど、共振周波数は低下する。

【００１９】単層巻検出コイル４の誘起電圧は全波整流
回路２３でＤＣ信号に変換され、ピークディテクタ２４
でその最大値が検出され、ピークディテクトパルスがサ
ンプルホールド回路２５に出力される。

【００２０】サンプルホールド回路２５は鋸歯状発振回
路２１からの鋸歯状波信号によりスイープされ、ピーク
ディテクトパルスがこのサンプルホールド回路２５でホ
ールドされる。したがって、このときのホールド電圧は
共振周波数ｆ₀に相当し、このサンプルホールド回路２
５の電圧出力が低域通過フィルタ２６を介して外部にセ
ンサ出力Ｖ_outとして出力される。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料の誘電率検
知装置は以上のように構成されているので、励起電極８
が単層巻検出コイル４の端面上に配置されているため、
以下に述べるごとき課題があった。

【００２２】たとえば、Ｌ＝２０μＨ，絶縁管１の外径
φ＝10mm，管壁の厚さｔ＝１mm，単層巻検出コイル４の
端との距離ｄ＝２mmとした形状のセンサ部Ａにおいて
は、燃料の誘電率ε＝２のガソリンと、燃料の誘電率ε
＝３３の場合の共振周波数ｆ₀は約８MHz 程度である
が、燃料の誘電率により変化する容量Ｃ_fに対して大き
な並列容量Ｃ_P，Ｃ_Paが存在するため、共振周波数ｆ₀
の変化は、図８の破線で示す出力特性１００のごとく、
約５％程度しか得られなかった。

【００２３】また、励起電極８と単層巻検出コイル４の
端面との距離ｄが単層巻検出コイル４の端面との距離の
ため、精度が確保しにくく、センサ部における直列共振
周波数ｆ₀のばらつきが大きく、さらに、絶縁管１の汚
れなどの表面状態，外部湿度などにより、浮遊容量Ｃ_Pa
が変化し、出力の再現性が悪いという欠点があった。

【００２４】一方、この精度を確保しようとするため
に、上記距離ｄを大とすると、外部浮遊容量Ｃ_P，浮遊
容量Ｃ_Paは小となるが、燃料通路の容量Ｃ_fも小となる
ため、直列共振周波数ｆ₀が平均的に増大するのみで、
直列共振周波数ｆ₀の変化率はかえって低下した。

【００２５】すなわち、従来例においては、誘電率の変
化に対する出力変化率が大きくとれず、センサ間の出力
のばらつきが大きく、また、出力が外部状態により影響
され易いなど、センサ部の精度が悪いといった課題があ
った。

【００２６】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされたもので、誘電率の変化に対するセンサ部の
出力変化が大きくとれるとともに、燃料通路の断面積が
できるだけ大きくでき、センサ間の出力ばらつきが小さ
く、外部状態により影響されない燃料の誘電率検知装置
を得ることを目的とする。

【００２７】

【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、燃料の通路の中途に設けられ、スリッ
トあるいは複数の小孔を有する筒状の導電性電極と、こ
の導電性電極との間に燃料が導入されるとともに、導電
性電極とほぼ同軸状に所定間隔離して周面が対向するよ
うに配置され、共振周波数が燃料の誘電率に相当する単
層巻検出コイルとを設けたものである。

【００２８】

【作用】この発明においては、単層巻検出コイルと導電
性電極との間に形成された間隔を燃料の通路として燃料
を流し、燃料の誘電率を単層巻検出コイルのコイル周面
と筒状の導電性電極の周面間の静電容量により検出する
ことにより、メタノール含有率を精度よく検出するとと
もに、導電性電極は筒面にスリットまたは複数の小孔を
備えているから、燃料通路の断面積を大きくする作用を
する。

【００２９】

【実施例】以下、この発明の燃料の誘電率検知装置の実
施例について図面に基づき説明する。図１はその一実施
例の構成を示す構成説明図である。この図１において、
図９と同一部分には同一符号を付して述べる。

【００３０】この図１において、センサ部Ａは断面して
示されており、絶縁管１はセラミック、耐油性プラスチ
ックなどの絶縁体で形成され、内部に燃料が導通し、円
筒状に形成されている。また、センサ部Ａは図２に一部
を破断して拡大斜視図として示されており、この図から
も明らかなように、筒状の導電性電極３が配置されてい
る。

【００３１】この導電性電極３は外周面が絶縁管１の内
周面と略平行して対向し、絶縁管１と略同軸状に位置
し、さらに、導電性電極３と絶縁管１との間に所定の間
隔をもって、燃料通路２が形成されるようになってい
る。この導電性電極３には、軸方向にスリット３ａが形
成され、このスリット３ａを通して燃料が導電性電極３
と燃料通路２との間を自由に流通するようになってい
る。

【００３２】上記導電性電極３はチタン，ステンレス、
表面がアルマイト処理されたアルミニウムなどが燃料に
対する耐性上好ましいものである。この導電性電極３と
対向するように、絶縁管１の外側には、単層巻検出コイ
ル４が巻回されている。この単層巻検出コイル４の両端
から導出される一方のリード４ｂは図１に示すように、
アースされ、他方のリード４ａは検知手段としての検知
回路Ｂ内の０°位相比較器１１の入力端に接続されてい
る。

【００３３】また、上記導電性電極３の上端はフランジ
５の下面に取り付けられており、このフランジ５の端縁
近傍の下面に上記絶縁管１の上端面が燃料シール７を介
して結合されている。

【００３４】さらに、絶縁管１の底面には燃料を導くニ
ップル６ａが連結されており、絶縁管１の上端近傍に
は、燃料通路２を流通した燃料を排出するためのニップ
ル６ｂが連結されている。

【００３５】次に、上記検知回路Ｂ内の構成について説
明する。この検知回路Ｂ内における１０は直列抵抗であ
り、抵抗値Ｒ_Sを有する。この直列抵抗１０は、単層巻
検出コイル４のリード４ａと直列に接続されて、このリ
ード４ａと直列回路を形成するとともに、その一端は増
幅器１５の出力端に接続され、他端は０°位相比較器１
１の一方の入力端に接続されている。

【００３６】この０°位相比較器１１の他方の入力端と
増幅器１５の出力端が共通に接続されている。この０°
位相比較器１１はリード４ａと直列抵抗１０との接続点
の信号と、直列抵抗１０の増幅器１５の出力端側の信
号、すなわち、直列回路への印加信号との位相を比較す
るものである。

【００３７】０°位相比較器１１の出力は低域通過フィ
ルタ１２を通して比較積分器１３の一方の入力端に接続
されている。この比較積分器１３の他方の入力端には、
基準電源から所定の基準電圧Ｖ_refが印加されている。
比較積分器１３の出力は出力端子Ｔ２に出力するととも
に、電圧制御発振器１４の入力端に印加するようになっ
ている。

【００３８】この電圧制御発振器１４は比較積分器１３
の出力に応じて発振周波数を制御して、増幅器１５と分
周器１６に出力するようになっている。増幅器１５は電
圧制御発振器１４の出力信号を増幅して、直列抵抗１
０，リード４ａを通して単層巻検出コイル４に出力する
とともに、０°位相比較器１１に出力するようになって
いる。

【００３９】また、分周器１６は電圧制御発振器１４の
出力信号を分周して、出力端子Ｔ１から出力信号ｆ_out
を出力するようになっている。

【００４０】次に、動作について説明するが、センサ部
Ａの単層巻検出コイル４の共振周波数の検出方法につい
て説明する。燃料通路２にメタノール混合ガソリンを流
した状態で、増幅器１５より直列抵抗１０と、単層巻検
出コイル４の直列回路に高周波信号が与えられ、直列抵
抗１０の両端の信号、すなわち、前記直列回路にかかる
電圧信号と、単層巻検出コイル４にかかる電圧信号とが
０°位相比較器１１に入力され、両者の位相差が比較さ
れる。

【００４１】この場合、増幅器１５に正弦波増幅器を用
い、直列回路に印加する高周波信号を正弦波とすれば、
直列回路に印加する電圧信号も正弦的になるため、０°
位相比較器１１としては、乗算器を用いればよい。０°
位相比較器１１は上記両者の位相差に相当する信号を出
力し、低域通過フィルタ１２は上記位相差に比例した直
列電圧信号を出力し、比較積分器１３は低域通過フィル
タ１２の位相０°の出力に相当する基準電圧Ｖ_refと、
低域通過フィルタ１２の出力を比較積分し、比較積分器
１３の電圧出力により、上記直列回路に増幅器１５を通
して印加される高周波信号の周波数が電圧制御発振器１
４により決定される。

【００４２】すなわち、この直列回路および０°位相比
較器１１，低域通過フィルタ１２，比較積分器１３，電
圧制御発振器１４，増幅器１５の回路により、位相同期
ループが形成され、電圧制御発振器１４の発振周波数は
上記直列回路にかかる電圧信号と、単層巻検出コイル４
にかかる電圧信号の位相差０°となるように制御され
る。

【００４３】このため、比較積分器１３の電圧出力Ｖ
_outあるいは電圧制御発振器１４の周波数出力はセンサ
部Ａの上記並列共振周波数、すなわち、燃料の誘電率、
さらに換言すれば、メタノール含有率に対応する値とな
る。

【００４４】この電圧制御発振器１４の出力周波数はセ
ンサ部Ａの大きさにもよるが、数MHz の高周波であるた
め、分周器１６により出力特性に適当な周波数まで分周
されて、周波数出力Ｖ_outが出力端子Ｔ１から出力され
る。

【００４５】次に、この発明の他の実施例について説明
する。図１，図２で示したセンサ部Ａにおける導電性電
極３はスリット３ａを設けた場合を例示したが、図３に
示すようにしてもよい。この図３はセンサ部Ａの他の実
施例の一部を破断して示す拡大斜視図である。この図３
の実施例では、導電性電極３に複数の小孔３ｂを設けた
ものである。その他の部分は図１，図２のセンサ部Ａと
同じである。

【００４６】この図３のように、導電性電極３に複数の
小孔３ｂを形成することにより、センサ部Ａの燃料通路
２の断面積が大きくなり、センサ部Ａの圧力損失が小さ
くなるという効果があり、常に新しい燃料が素早くセン
サ部Ａに導かれるという効果も得られる。

【００４７】また、空気などによる気泡が筒状の導電性
電極３内に入り込んだ場合、導電性電極３内に気泡がと
どまることなく、図３の矢印方向に燃料の流れととも
に、抜けて行くという効果も得られる。

【００４８】図４はこの発明におけるセンサ部Ａのさら
に異なる実施例（以下、第３実施例という）の一部を破
断して示す拡大斜視図であり、図５はこの第３の実施例
のセンサ部Ａを燃料通路に取り付けた状態を示す断面図
である。この図４，図５に示すように、この第３の実施
例では、単層巻検出コイル４は絶縁管１にモールドさ
れ、絶縁管１の外側に略同軸状に複数の小孔３ｂを備え
た筒状の導電性電極３を配置した構造としている。

【００４９】すなわち、図３の第２の実施例の場合と
は、導電性電極３と、絶縁管１と単層巻検出コイル４の
配置関係が逆になっている。この第３の実施例の構造に
おいても、センサ部Ａでの燃料の圧力損失が小さくな
り、常に新しい燃料が素早くセンサ部Ａに導かれ、気泡
が筒状の導電性電極３内にとどまることなく、図５の矢
印で示すように、燃料の流れとともに抜けて行くという
効果がある。

【００５０】図６は上記図１，図２で示した第１の実施
例のセンサ部Ａの断面図であり、図７はこのセンサ部Ａ
の等価回路図である。この図６，図７の両図において、
Ｃ_fは、導電性電極３と絶縁管１の内周の間の燃料通路
２を燃料が流れるときの静電容量、Ｃ_Sは、絶縁管１の厚さ方向の静電容量、Ｃ_Pcは、従来例と同じく、単層巻検出コイル４に並列に
存在する浮遊容量、である。上記静電容量Ｃ_fは上記従
来例と同じく、単層巻検出コイル４の自己インダクタン
スＬと直列共振回路を形成し、その共振周波数ｆ_mは
（数２）で与えられ、共振周波数ｆ_mは燃料の誘電率ε
が大なるほど低下する。

【００５１】

【数２】

【００５２】この場合、誘電率の変化に対する共振周波
数ｆ_mの変化率は、図７の等価回路図に示すごとく、従
来例のように、静電容量Ｃ_fに対する並列容量Ｃ_P，Ｃ
_Paの寄与がないため、燃料の誘電率の変化に対する出力
変化率が大きくとれ、かつ絶縁管１の寸法、導電性電極
３の寸法精度を高めることにより、静電容量Ｃ_f，静電
容量Ｃ_Sの幾何容量精度を上げられるため、センサ部Ａ
の出力のばらつきを低減できるという利点がある。

【００５３】図８はＬ＝３０μＨ，絶縁管１の外径φ＝
１０mm，管壁の厚さｔ＝１mm，絶縁管１内の内周と導電
性電極３の外周間の燃料通路２の幅ｄ＝２mmとした形状
のセンサ部Ａにおいて、上記図１に示した検知回路Ｂを
接続した場合のセンサ部の出力特性を同程度の寸法の従
来のセンサ部Ａの出力特性１００と比較して示すもので
ある。

【００５４】燃料の誘電率ε＝２のガソリンと、誘電率
ε＝３３のメタノールの場合の共振周波数ｆ_mの変化
は、この実施例センサ部Ａでは出力特性２００（実線）
で示すように、約２０％であり、同程度の寸法の従来の
センサ部Ａに比べ、共振周波数ｆ_mの変化の範囲は大幅
に向上している。

【００５５】なお、上記各実施例では、メタノール含有
率の検出に用いた場合を示したが、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。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、燃料
通路の中に燃料を挾んで略同軸状に筒状の導電性電極と
単層巻検出コイルを配置するとともに、この単層巻検出
コイルの共振周波数を燃料の誘電率に相当するように
し、燃料通路の燃料の誘電率を単層巻検出コイルのコイ
ル周面と筒状の導電性電極の周面間の静電容量により検
出するように構成したので、誘電率の変化に対するセン
サ部の出力変化が大きくとれ、外部環境の影響を受けな
い精度のよいセンサ部が得られる効果がある。

【００５７】また、導電性電極には、スリットあるいは
複数の小孔が設けてあるので、センサ部の燃料通路の断
面積が大きくなり、センサ部の圧力損失が小さくなる。
したがって、常に新しい燃料が素早くセンサ部に導か
れ、気泡が筒状導電性電極内にとどまることなく、燃料
の流れとともに抜けて行くという効果がある。

【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
置の構成説明図である。

【図２】同上実施例におけるセンサ部の一部を破断して
示す拡大斜視図である。

【図３】この発明の第２の実施例による燃料の誘電率検
知装置におけるセンサ部の一部を破断して示す拡大斜視
図である。

【図４】この発明の第３の実施例による燃料の誘電率検
知装置におけるセンサ部の一部を破断して示す拡大斜視
図である。

【図５】図４のセンサ部を燃料通路に取り付けた状態を
示す断面図である。

【図６】図１の実施例におけるセンサ部の断面図であ
る。

【図７】図１の実施例におけるセンサ部の等価回路図で
ある。

【図８】図１の実施例と従来例の検知回路の出力特性比
較図である。

【図９】従来の燃料の誘電率検知装置の構成説明図であ
る。

【図１０】図９の燃料の誘電率検知装置のセンサ部の断
面図である。

【図１１】図９の燃料の誘電率検知装置のセンサ部の等
価回路図である。

【符号の説明】

１絶縁管２燃料通路３導電性電極３ａスリット３ｂ小孔４単層巻検出コイル５フランジ１１０°位相比較器１２低域通過フィルタ１３比較積分器１４電圧制御発振器１５増幅器１６分周器Ａセンサ部Ｂ検知回路

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【手続補正書】

【提出日】平成４年６月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】

【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、燃料の通路の中途に設けられ、スリッ
トあるいは複数の小孔を有する筒状の導電性電極と、こ
の導電性電極との間に燃料が導入されるとともに、導電
性電極とほぼ同軸状に所定間隔離して周面が対向するよ
うに配置され、共振周波数が燃料の誘電率に相当する単
層巻検出コイルと前記共振周波数を検出する手段を設け
たものである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料通路の途中に設けられ筒面にスリッ
トあるいは複数の小孔を有する筒状の導電性電極と、こ
の導電性電極と同軸となるように導電性電極の周面と所
定の間隔を隔てられて導電性電極との間に上記燃料が導
入されかつ共振周波数が上記燃料の誘電率に相当する単
層巻検出コイルと、この単層巻検出コイルの共振周波数
を検出する検知手段とを備えた燃料の誘電率検知装置。