JPH06294728A - 液体密度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部の振動源で発生した振動を利用して液体
の密度を測定し、全体構造を小型化、簡素化する。 【構成】 エンジン本体のエンジン振動を利用して測定
チューブ６を密度ｄが測定可能となるまで振動させ、該
測定チューブ６に生じる加速度の振幅が最大値Ｇmax と
なったときの周波数信号ｆを測定チューブ６内を流通し
ている液体の共振周波数とみなし、共振周波数に基づき
記憶エリア１２Ａに記憶されたｆ−ｄマップ１４から密
度ｄを測定する構成とした。これにより、従来ノイズ源
であったエンジン振動を利用してガソリンの密度ｄを測
定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばガソリン、冷却
水、オイル等の液体の密度を測定するのに用いて好適な
液体密度測定装置に関し、特に、自動車、工作機械等の
振動源を有する装置に用いて好適な液体密度測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガソリン、アルコール、冷却
水、オイル等の液体密度を測定する液体密度測定装置と
しては、液体が流通する直管状ないしＵ字状の測定チュ
ーブと、電磁力によって該測定チューブに間接的に振動
を加える駆動コイルと、該駆動コイルによって振動した
測定チューブの変位量、共振点等を検出する検出コイル
等とから構成されている。

【０００３】そして、液体が流れる測定チューブを駆動
ヘッドによって一定の固有振動数で振動させると、該測
定チューブはその質量、即ち液体の密度に応じて変位量
や共振点等が変化するため、この変位量等を検出コイル
で検出することにより、液体の密度を測定するようにな
っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による液体密度測定装置では、内部振動源たる駆
動コイルで測定チューブを一定の周波数で微小振動させ
ているから、エンジン、モータ等の外部振動源から駆動
コイルによる振動よりも強い振幅をもった振動が測定チ
ューブに加わると、該測定チューブはこの外部振動に応
じて振動してしまう。

【０００５】このため、上述した従来技術によるもので
は、駆動コイルによる振動に対して外部振動源の影響力
が相対的に強くなり、誤差が増大して、密度の検出精度
や耐振性が大幅に低下するという問題がある。特に、外
部振動の周波数が液体の共振点から大きく外れている場
合には、当該液体の密度を測定することができず、信頼
性が大幅に低下する。

【０００６】また、測定チューブを振動させるために、
ケーシング内に加振手段としての駆動コイルを設ける必
要があるから、装置全体の構造が複雑化、大型化すると
いう問題がある。

【０００７】さらに、外部振動の影響を低減するために
防振ゴム等を必要とし、振動の少ない場所を選んで取付
けなければならない等、使い勝手が悪いばかりか、自動
車、工作機械等の外部振動の大きい機械、装置に適用で
きないという問題がある。

【０００８】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、外部の振動源で発生した振動を利用して
液体の密度を精度よく測定することができ、全体構造を
小型化、簡素化できるようにした液体密度測定装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する構成は、振動源の近傍に位置
して液体が流れる配管の途中に振動可能に設けられ、該
振動源の振動に応じて振動する測定チューブと、該測定
チューブに設けられ、前記振動源の振動によって測定チ
ューブに発生した加速度を検出する加速度検出手段と、
該加速度検出手段が検出した加速度信号の振幅の最大値
を検出する最大値検出手段と、該最大値検出手段によっ
て前記加速度信号の振幅の最大値が検出されたときに、
当該加速度信号の周波数を前記液体の共振周波数とみな
して液体の密度を検出する密度検出手段とからなる。

【００１０】

【作用】振動源からの振動によって測定チューブが振動
し、加速度検出手段が該測定チューブに発生した加速度
を検出して出力すると、最大値検出手段は該加速度検出
手段が検出した加速度信号の振幅の最大値を検出し、密
度検出手段は、該最大値検出手段が検出した最大値の加
速度信号の周波数を液体の共振周波数とみなして密度を
検出する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図７に基
づき、自動車用エンジンのガソリンの密度検出に用いた
場合を例に挙げて説明する。

【００１２】図において、１は車体に設けられた振動源
としてのエンジン本体、２，２，…は該エンジン本体１
の吸気マニホールド（いずれも図示せず）に設けられた
複数の燃料噴射弁をそれぞれ示し、該各燃料噴射弁２は
エンジン本体１の燃焼室（図示せず）に向けてガソリン
を噴霧するものである。

【００１３】３は燃料配管を示し、該燃料配管３は、そ
の流入側が燃料タンク内の燃料ポンプ（いずれも図示せ
ず）に接続され、その流出側は各燃料噴射弁２に接続さ
れており、内部を液体としてのガソリンが流通してい
る。

【００１４】４はエンジン本体１の近傍に位置して燃料
配管３の途中に設けられたセンサ本体を示し、該センサ
本体４は取付ケース５内に収容され、後述の測定チュー
ブ６，加速度センサ１０等から構成されている。

【００１５】６は取付ケース５内に位置して燃料配管３
の途中に設けられた測定チューブを示し、該測定チュー
ブ６は、図２に示す如く、シリコンゴム等の弾性材料か
ら筒状に形成された筒状弾性体７，７を介して振動可能
に取付けられ、該各筒状弾性体７は例えば取付バンド
８，８，…を介して取付けられている。そして、該測定
チューブ６は、エンジン本体１が始動して振動が発生
し、このエンジン振動が燃料配管３等を介して伝達され
ると、各筒状弾性体７によって両端から支持されつつエ
ンジン振動に応じて振動するものである。

【００１６】９は測定チューブ６の中央部に取付けられ
た取付ブラケット、１０は該取付ブラケット９の上側に
設けられた加速度検出手段としての加速度センサを示
し、該加速度センサ１０は、チタン酸バリウム等の圧電
体と、該圧電体の上側に設けられた重り（いずれも図示
せず）等とから圧縮形式の圧電型加速度センサとして構
成されている。そして、該加速度センサ１０は、エンジ
ン本体１からのエンジン振動によって測定チューブ６が
振動すると、該測定チューブ６と共に振動しつつ、該測
定チューブ６に生じた加速度を圧電体の電荷に基づいて
検出し、この加速度信号を後述の変換回路１１に出力す
るものである。なお、前記加速度センサ１０には、例え
ばティアック社発売の圧電型加速度トランスデューサ５
００／７００シリーズが用いられる。

【００１７】１１はセンサ本体４等と共に液体密度測定
装置を構成する変換回路を示し、該変換回路１１は、加
速度センサ１０から出力された加速度信号を増幅するア
ンプ１１Ａと、該アンプ１１Ａの後段に設けられ、低周
波の交流信号たる加速度信号から高調波成分を除去する
ローパスフィルタ１１Ｂと、該ローパスフィルタ１１Ｂ
の後段に設けられ、交流信号状態の加速度信号を矩形波
に整形する波形整形部１１Ｃと、該波形整形部１１Ｃに
よって矩形波に整形された加速度信号の周期から周波数
を求め、周波数に応じた直流信号としての周波数信号ｆ
を出力する直流変換部１１Ｄと、交流信号状態の加速度
信号から振幅の最大値を検出して保持し、この振幅の最
大値を振動強度信号Ｇとして出力するピークホールド部
１１Ｅとから構成されている。

【００１８】そして、前記変換回路１１は、加速度セン
サ１０から測定チューブ６の振動に応じて出力されてく
る加速度信号を、周波数信号ｆと振動強度信号Ｇとに分
けて後述のコントロールユニット１２に出力するもので
ある。

【００１９】１２はＣＰＵ等の演算処理回路、ＲＯＭ，
ＲＡＭ等の記憶回路（いずれも図示せず）等からマイク
ロコンピュータとして構成されたコントロールユニット
を示し、該コントロールユニット１２は、その入力側に
加速度センサ１０と、エンジン本体１のエンジン回転数
Ｎを検出するクランク角センサ１３と、エンジンスイッ
チ（図示せず）等とが接続されている。また、該コント
ロールユニット１２の記憶回路には記憶エリア１２Ａが
形成され、該記憶エリア１２Ａには、図４に示すｆ−ｄ
マップ１４と、図６に示す密度測定処理プログラム等と
が予め記憶されている。

【００２０】そして、後述の如く、エンジン本体１が始
動して振動が発生すると、このエンジン振動の周波数は
車両の走行状態等に応じて徐々に変化し、やがてある密
度ｄを有するガソリンを流通させた測定チューブ６の共
振周波数ｆ′に達するから、前記コントロールユニット
１２は、加速度センサ１０からの加速度信号から取出さ
れた振動強度信号Ｇが最大値Ｇmax に達したときの周波
数信号ｆを測定しようとするガソリンの固有の共振周波
数ｆ′とみなし、該共振周波数ｆ′に基づいてｆ−ｄマ
ップ１４から密度ｄを求めるものである。

【００２１】ここで、ガソリンの密度ｄと該ガソリンを
流通させた状態の測定チューブ６の共振周波数ｆ′との
関係は、

【００２２】

【数１】 但し、 ｆ′：共振周波数 ｋ ：筒状弾性体７の弾性係数を含む定数（例えば4.74
×10³ ） Ｖ ：測定チューブ６の体積（例えば7.85×10^-6 m³ ） Ｍ ：測定チューブ６の重量（例えば0.012 Kg） として求められ、この数１に基づいて図３に示す理論共
振特性を得ることができる。

【００２３】従って、前記ｆ−ｄマップ１４は、図３に
示す理論共振特性から、図４に示す如く、実在のガソリ
ンの密度範囲（７００〜８００Ｋｇ／ｍ³ ）に対応した
部分を抜き出してマップ化したもので、密度ｄが増大す
るにつれて共振周波数ｆ′が直線的に低下している。

【００２４】次に、エンジン振動が車両の走行状態等に
応じて徐々に変化し、やがて共振周波数ｆ′に達する理
由について説明する。

【００２５】まず、４気筒４サイクルエンジンの場合、
エンジン回転数Ｎが変化する範囲は排気量等にもよるが
通常０〜６０００ｒｐｍ程度で、エンジンのクランク軸
が１回転する間に２回爆発が生じるから、エンジン回転
数Ｎが６０００ｒｐｍの最高回転数に達したときの１分
間あたりの爆発回数は１２０００回となり、これによっ
て、エンジン本体１の振動周波数の上限は２００Ｈｚ
（＝１２０００回／６０秒）と求められる。

【００２６】一方、エンジン本体１がアイドリング時の
エンジン回転数Ｎを８００ｒｐｍとすれば、同様にし
て、アイドリング時の振動周波数は２６．７Ｈｚと求め
ることができ、結局、エンジン本体１が始動している間
に、振動周波数は２６．７〜２００Ｈｚの間で変化す
る。

【００２７】そして、図４に示す如く、ガソリンの密度
範囲に対応する共振周波数ｆ′の範囲は８１〜８３Ｈｚ
であり、前記エンジン本体１の振動周波数が変化する範
囲２６．７〜２００Ｈｚ内に含まれているから、通常の
走行時にエンジン本体１で生じる範囲の振動によってガ
ソリンの密度範囲に対応した共振周波数ｆ′が得られ、
該共振周波数ｆ′に基づきｆ−ｄマップ１４からガソリ
ンの密度ｄを求めることができる。なお、共振周波数
ｆ′の範囲８１〜８３Ｈｚに対応するエンジン回転数Ｎ
は２４３０〜２４９０ｒｐｍであり、通常の市街地走行
によって得られる値である。

【００２８】また、６気筒４サイクルエンジンの場合も
同様に、エンジン回転数Ｎがアイドリング状態から最高
回転数６０００ｒｐｍまで変化する間に、振動周波数は
４０〜３００Ｈｚまで変化し、前記共振周波数ｆ′の範
囲８１〜８３Ｈｚに対応するエンジン回転数Ｎは１６２
０〜１６６０ｒｐｍであるから、通常の市街地走行で発
生するエンジン振動によって共振周波数ｆ′が得られ
る。

【００２９】次に、密度ｄと加速度センサ１０からの振
動強度信号Ｇおよび周波数信号ｆとの関係を、図５に基
づいて説明する。

【００３０】まず、液体は、その密度ｄ1 ，ｄ2 ，ｄ3
，…ｄn （ｄ1 ＜ｄ2 ＜ｄ3 …＜ｄn ）毎に、それぞ
れ固有の共振周波数ｆ1 ′，ｆ2 ′，ｆ3 ′，…ｆn ′
を有するため、エンジン本体１から測定チューブ６に加
わる振動周波数（周波数信号ｆ）の値がこの共振周波数
ｆ1 ′，ｆ2 ′，ｆ3 ′，…ｆn ′に一致すると、測定
チューブ６は共振して大きく振動し、このとき振動強度
信号Ｇは最大値Ｇmax となる。

【００３１】一方、エンジン本体１の振動周波数が共振
周波数ｆ1 ′，ｆ2 ′，ｆ3 ′，…ｆn ′から外れるに
従って、測定チューブ６の振動は鈍り、振動強度信号Ｇ
が徐々に低下していくという共振特性を有する。

【００３２】従って、振動強度信号Ｇが最大値Ｇmax に
なったときの周波数信号ｆの値がそのときの密度ｄに応
じた固有の共振周波数ｆ′であるとみなすことができる
から、振動強度信号Ｇを監視することによって測定しよ
うとするガソリンの共振周波数ｆ′を求めることができ
る。

【００３３】本実施例による液体密度測定装置は上述の
如き構成を有するもので、次に、その作動について図６
を参照しつつ説明する。

【００３４】まず、エンジンスイッチが作動してプログ
ラムがスタートすると、コントロールユニット１２は、
ステップ１で、クランク角センサ１３からエンジン回転
数Ｎを読込み、ステップ２で、変換回路１１から加速度
信号の振幅の強さを示す振動強度信号Ｇを読込み、さら
にステップ３では、加速度信号の変化の周期を示す周波
数信号ｆを変換回路１１から読込み、ステップ４では、
これら振動強度信号Ｇ，周波数信号ｆを記憶エリア１２
Ａ内に記憶する。

【００３５】そして、ステップ５では、前記ステップ１
で読込んだエンジン回転数Ｎが２４９０ｒｐｍ程度の基
準回転数Ｎａに達したか否かを判定する。ここで、前記
基準回転数Ｎａは、図４に示す如く、ガソリンの共振周
波数ｆ′の上限値に対応する４気筒エンジンの回転数で
あり、エンジン本体１の振動周波数が密度ｄを求めるの
に十分なだけ変化したか否か、即ち、共振周波数ｆ′が
得られるまで変化したか否かを判別するためのものであ
る。

【００３６】そして、前記ステップ５で「ＮＯ」と判定
した場合は、エンジン回転数Ｎがまだ基準回転数Ｎａに
達しておらず、密度ｄに応じた共振周波数ｆ′が測定チ
ューブ６に加わっていないときだから、前記ステップ１
に戻り、該ステップ５で「ＹＥＳ」と判定されるまで、
記憶エリア１２Ａ内に振動強度信号Ｇおよび周波数信号
ｆの値を順次記憶していく。

【００３７】一方、前記ステップ５で「ＹＥＳ」と判定
した場合は、車両の走行速度等が上昇してエンジン回転
数Ｎが基準回転数Ｎａに達し、実在するガソリンの密度
ｄを測定するのに十分な周波数を有する振動が既に測定
チューブ６に加わったとみなせるときだから、ステップ
６に移り、前記ステップ４で記憶された多数の記憶値の
中から最大値Ｇmax を検出し、該最大値Ｇmax を得たと
きの周波数信号ｆを共振周波数ｆ′とみなして読出す。

【００３８】即ち、ガソリンは、その密度ｄに固有の共
振周波数ｆ′を有し、該共振周波数ｆ′と同一の周波数
の振動が加わると、測定チューブ６が最も大きくなり、
振動強度信号Ｇの値が最大となるから、エンジン本体１
で発生するエンジン振動の周波数が走行状態等に応じて
変化した場合に、測定しようとする現在使用中のガソリ
ンの密度ｄに対応する固有の共振周波数ｆ′と等しくな
ると、そのとき測定チューブ６は最も大きく振動し、エ
ンジン振動の全範囲に亘って振動強度信号Ｇの最大値Ｇ
max が唯一つだけ得られる。

【００３９】従って、ステップ１〜５の繰返しによって
記憶エリア１２Ａ内に多数記憶されたデータの中から振
動強度信号Ｇの最大値Ｇmax をサーチし、当該最大値Ｇ
maxを得たときの周波数信号ｆを読出せば、この周波数
を測定しようとする液体の密度ｄに対応した固有の共振
周波数ｆ′とみなすことができる。

【００４０】次に、ステップ７では、記憶エリア１２Ａ
から図４に示すｆ−ｄマップ１４を読出し、ステップ８
では、前記ステップ６で読出した共振周波数ｆ′たる周
波数信号ｆに基づいて該ｆ−ｄマップ１４から密度ｄを
検出し、この密度ｄに応じて点火時期や燃料噴射量等の
制御を行なう。

【００４１】かくして、本実施例によれば、エンジン本
体１のエンジン振動を利用して測定チューブ６を密度ｄ
が測定可能となるまで、即ち、液体の密度ｄに対応した
共振周波数ｆ′の周波数が加わるまで振動させ、該測定
チューブ６に生じる加速度信号の振幅が最大値Ｇmax と
なったときの周波数信号ｆを測定チューブ６内を流通し
ている液体の共振周波数ｆ′とみなすことにより、該共
振周波数ｆ′に基づいてｆ−ｄマップ１４を参照し、密
度ｄを測定する構成としたから、前記数１に示す如く、
測定チューブ６の重量Ｍや測定チューブ６の体積Ｖ等の
値を適宜設定しておくことにより、従来ノイズ源であっ
たエンジン振動を積極的に利用してガソリンの密度ｄを
効果的に測定することができる。また、駆動コイル等の
特別な加振手段を不要にできるから、センサ本体４の全
体構造を簡素化，小型化でき、製造コストを低減するこ
とができる。

【００４２】なお、前記実施例では、図６に示すプログ
ラムのうち、ステップ１〜６が本発明の構成要件たる最
大値検出手段の具体例であり、ステップ７，８が本発明
の構成要件である密度検出手段の具体例である。

【００４３】また、前記実施例では、図６中のステップ
４でプログラムサイクル毎に、振動強度信号Ｇと周波数
信号ｆとを記憶する場合を例に挙げて説明したが、本発
明はこれに限らず、例えば図７に示す変形例の如く、前
回読込んで記憶した振動強度信号Ｇの値と今回読込んだ
振動強度信号Ｇの値の大小を比較し、いずれか大きい方
の振動強度信号Ｇと該信号Ｇを得たときの周波数信号ｆ
の値のみを記憶する構成としてもよい。

【００４４】なお、図７に示すステップ１１〜１３およ
びステップ１６〜１９は前述した図６に示すステップ１
〜３およびステップ５〜８と同一の処理を行なうもので
あるから、その説明を省略するに、即ち、ステップ１４
では、ステップ１２で読込んだばかりの現在の振動強度
信号Ｇが前回迄のプログラムサイクルで記憶エリア１２
Ａ内に記憶された記憶値よりも大きいか否かを判定す
る。このステップ１４で「ＹＥＳ」と判定した場合に
は、最新の振動強度信号Ｇが記憶値を上回り、当該振動
強度信号Ｇが最大値Ｇmax たり得る場合だから、ステッ
プ１５で、振動強度信号Ｇと該信号Ｇに対応する周波数
信号ｆとを更新して記憶する。一方、前記ステップ１４
で「ＮＯ」と判定した場合は、ステップ１２で読込んだ
振動強度信号Ｇが記憶値を下回っている場合、即ち当該
振動強度信号Ｇが最大値Ｇmax たり得ない場合だから、
更新することなくステップ１６に移る。

【００４５】かくして、このように構成される本変形例
でも、上述した実施例とほぼ同様の作用、効果を得るこ
とができる。しかし、特に、本変形例では、加速度セン
サ１０から変換回路１１を介して順次出力されてくる振
動強度信号Ｇ，周波数信号ｆの大小を比較し、最大のも
ののみ更新して記憶する構成としたから、コントロール
ユニット１２のメモリ使用量を大幅に低減することがで
き、ステップ１７で共振周波数ｆ′たる周波数信号ｆを
速やかに読出すことができる。

【００４６】また、前記実施例では、基準回転数Ｎａを
２４９０ｒｐｍ程度に設定するものとして述べたが、こ
れに替えて、例えば測定チューブ６の重量Ｍを大きくし
たり、あるいは各筒状弾性体７の弾性係数を変更して数
１中の定数ｋを小さくしたりすれば、ガソリンの密度範
囲に応じた共振周波数ｆ′の範囲を下げてアイドリング
時のエンジン回転数近傍に対応させることができる。こ
の場合には、基準回転数Ｎａをアイドリング時の回転数
の近傍、例えば１０００ｒｐｍ程度に設定できるから、
比較的短時間でガソリンの密度ｄを求めることができ
る。

【００４７】さらに、前記実施例では、図６中のステッ
プ５でエンジン回転数Ｎが基準回転数Ｎａに達するまで
監視する場合を例示したが、上述の如く、共振周波数
ｆ′の範囲をアイドリング時のエンジン回転数近傍に対
応させておき、所定時間経過後に、振動強度信号Ｇの最
大値Ｇmax を機械的に探知する構成としてもよい。

【００４８】さらにまた、前記実施例では、図４に示す
周波数信号ｆに基づきｆ−ｄマップ１４から密度ｄを読
出すものとして述べたが、本発明はこれに限らず、例え
ば下記数２の如く、前記数１を変形した演算式に基づい
て密度ｄを求める構成としてもよい。

【００４９】

【数２】

【００５０】また、前記実施例では、加速度検出手段と
して圧縮形式の圧電型加速度センサ１０を用いる場合を
例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば
せん断形式等の他の圧電型加速度センサを用いてもよ
く、あるいはコイルが振動に応じて磁界を切るときに生
じる起電力から加速度を検出する動電型加速度センサ
等、他の加速度センサを用いてもよい。

【００５１】一方、前記実施例では、自動車用エンジン
を振動源に利用し、ガソリンの密度を測定する場合を例
に挙げて説明したが、これに限らず、例えば工作機械の
モータ等を振動源に利用してもよく、洗浄水、オイル等
の他の液体密度を測定することもできる。

【００５２】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、振
動源からの振動を利用して測定チューブを振動させ、該
測定チューブに生じた加速度信号の振幅の最大値を検出
し、該最大値の加速度信号の周波数を液体の共振周波数
とみなして密度を検出する構成としたから、従来ノイズ
源であった外部振動を積極的に利用して液体の密度を効
果的に測定することができ、従来技術で述べた如く特別
な駆動コイル等を不要にでき、全体構造を簡素化、小型
化して製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による液体密度測定装置の取付
状態を示す説明図である。

【図２】液体密度測定装置の全体構成を示す断面図であ
る。

【図３】密度と共振周波数との関係を示す特性線図であ
る。

【図４】コントロールユニットに記憶されたｆ−ｄマッ
プを示す説明図である。

【図５】密度と周波数および振動強度との相互関係を説
明する特性線図である。

【図６】コントロールユニットに記憶された密度測定処
理を示す流れ図である。

【図７】本発明の変形例による密度測定処理を示す流れ
図である。

【符号の説明】

１ エンジン本体（振動源） ３ 燃料配管 ６ 測定チューブ １０ 加速度センサ（加速度検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動源の近傍に位置して液体が流れる配
   管の途中に振動可能に設けられ、該振動源の振動に応じ
   て振動する測定チューブと、該測定チューブに設けら
   れ、前記振動源の振動によって測定チューブに発生した
   加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段
   が検出した加速度信号の振幅の最大値を検出する最大値
   検出手段と、該最大値検出手段によって前記加速度信号
   の振幅の最大値が検出されたときに、当該加速度信号の
   周波数を前記液体の共振周波数とみなして液体の密度を
   検出する密度検出手段とから構成してなる液体密度測定
   装置。