JPH11352089A

JPH11352089A - 液体濃度センサ

Info

Publication number: JPH11352089A
Application number: JP10156164A
Authority: JP
Inventors: Norifumi Hasegawa; 規史長谷川; Katsuhiko Saguchi; 勝彦佐口; Masafumi Kobayashi; 雅史小林; Atsushi Ogino; 温荻野; Yoshio Kimura; 良雄木村
Original assignee: IMRA Japan Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: IMRA Japan Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】液体の導電性及び液体中のイオン性不純物に
影響されない液体濃度センサを提供する。【解決手段】液体の炭化水素及びアルコールを含む混
合液体１４中に浸漬され、電極支持板１３に支持された
少なくとも２つの導電性電極１２を電気的に絶縁物によ
って絶縁していることを特徴とする。この２つの導電性
電極の間には、濃度被測定対象である混合液体が導入さ
れている。導電性電極は、極板間隔支持材によって極板
間隔が保持されている。また導電性電極は、導線１７に
よって接続端子１８と接続され、接続端子はリード線に
より積分回路と接続されている。この液体濃度センサの
測定部は、フランジ１５によって測定対象の液体が入っ
ているタンクに固定される。測定回路部は、矩形波発生
回路,積分回路、全波整流回路、平滑化回路、増幅回路
で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば燃料電池搭載自
動車等に供給されるメタノール混合燃料のメタノール含
有率をこの燃料の誘電率から測定する液体の液体濃度セ
ンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は従来の誘電率測定装置１の構成
図である。この図は液体の濃度を測定するセンサ本体２
と測定回路部９とから構成されている。前記液体として
は、水にメタノールが混合されたメタノール水溶液３が
用いられている。

【０００３】センサ本体２において金属電極４はメタノ
ール水溶液３に直接浸漬して用いる。図中の符号５はケ
ーシングであって絶縁物で形成される。このケーシング
５の外周にコイル６が巻き付けられる。

【０００４】測定回路部９は、コイル６のリードに接続
され、金属電極４と並列回路をなす並列抵抗と接続す
る。さらに測定電圧は、増幅器において電圧を増幅後、
同期整流して測定用発信器と同相な成分と直角な成分に
分離した直流出力電圧を積分器に入力する。これらの積
分器の入力に直流出力電圧が残っている間、積分器出力
は変化し、不平衡電圧を最小にするように同相成分及び
直角成分の回路が全く独立に動作し、各積分器の入力が
零となって平衡し、金属電極の静電容量が測定される。
かかる構成の液体濃度センサを開示する文献として特開
平６−５８８９７号公報が挙げられる。

【０００５】このような従来のセンサにおいては金属電
極４が露出しているためにセンサ本体２は、液体の導電
性とイオン性不純物の影響を受け、漏れ電流が発生す
る。そのため静電容量の測定値に大きな誤差が発生する
ことになる。

【０００６】液体中のアルコール濃度を測定する際に温
度補正を行うことについて特開平５−９３７０３号公報
を参照されたい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】現在アルコールなどの
濃度を測定するために使用されているセンサは、液体に
何も不純物が混入していないにもかかわらず、漏れ電流
が発生してしまう。これは、電極が露出しているために
イオン性物質が混入していない場合においても、液体の
電気伝導性があるために漏れ電流が発生することが原因
であった。

【０００８】すなわち、漏れ電流の発生により液体の正
確な静電容量を測定することが困難であり、液体の濃度
測定が困難となっていた。

【０００９】本発明は、このような問題点を解消するた
めになされたもので、漏れ電流による影響のない液体の
静電容量測定を可能とする液体濃度センサを提供するこ
とを目的とする。本発明の他の目的は安価な液体濃度セ
ンサを提供することにある。本発明の更に他の目的は、
測定対象たる液体のタンク若しくは流路に簡単に取り付
けることのできるセンサ本体を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の一の局面の液
体濃度センサは次のように構成される。測定対象の液体
中に浸漬される一対の電極と、該一対の電極と前記液体
とを電気的に絶縁する手段と、前記一対の電極をその帰
還部に接続した積分回路と、該積分回路の出力から濃度
を求める手段と、を備えてなる混合液の所望の成分の濃
度を測定する液体濃度センサ。

【００１１】このように構成された本発明の一の局面に
かかる発明によれば、電極が液体から絶縁されるので漏
れ電流の発生することはない。同様にこの電極は液体の
イオン伝導性及び電気伝導性の影響を受けない。従っ
て、かかる電極で検出される物理量には殆ど漏れ電流な
どに起因する外乱が入らなくなり、高精度の測定が可能
となる。またイオン伝導性や電気伝導性の影響を補正す
る電気回路を必要としないため、測定回路部を簡単な構
造にすることができる。このことにより測定回路部が軽
量かつ安価となり、ひいては液体濃度センサを軽量かつ
安価とすることが可能となった。

【００１２】

【発明の実施の形態】上記において、一対の電極はコン
デンサを形成するものであるので、それらの相互の間隔
は電極の全面に渡り実質的に均一である。実施例では平
板状の電極を用いた。そして、それらの平行を維持する
ため、電極間隔維持材と電極支持板を用いている。

【００１３】絶縁手段は液体と電極の間の絶縁性を維持
できるものであれば特に限定されない。当該絶縁手段と
してプラスチック、セラミックスまたは金属酸化膜等を
挙げることができる。例えば、水とメタノールの混合液
体にこのセンサを用いる場合、絶縁に使用するプラスチ
ックは、耐メタノール性に優れ、吸水率が低く、そして
寸法安定性に優れたものが望ましい。これらの条件を満
たすプラスチックとしては、変性ポリフェニレンエーテ
ル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタ
レート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイ
ミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケ
トン、変性ポリスルホン、熱可塑性ポリイミド、ポリア
ミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリフタルアミ
ド、ポリケトンそして液晶ポリマーが望ましい。望まし
くは、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミ
ド、ポリエーテルスルホンそしてポリアミドイミドが良
い。また、メタノール濃度が、50％以下であればほとん
どのプラスチックが使用可能である。

【００１４】また絶縁に使用するセラミックスは、アル
ミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、窒
化ホウ素、炭化窒素、炭化ケイ素、炭化チタンそしてダ
イヤモンドなど、絶縁性のあるものは全て使用可能であ
る。望ましくは、比誘電率が被測定液体に近く、薄膜が
形成し易い材料が良い。また金属板上に酸化被膜等を形
成するときは、その被膜を絶縁膜とすることも可能であ
る。

【００１５】導電性電極と絶縁物は、必ずしも接触して
いる必要はなく、空隙が存在しても良い。絶縁物は少な
くとも電極において液体に浸漬される部分を被覆してお
ればよい。

【００１６】絶縁物によって絶縁された電極を作製する
には、熱圧着法、コーティング法、接着法や陽極酸化法
等が上げられる。また電極被測定体の間に絶縁物を挿入
することも可能である。熱圧着法は、電極と絶縁物に熱
を与えながら圧力を掛けて接合する方法で、ホットプレ
スを用いる方法や前記の物に電流を流しながら圧力を掛
けることで内部発熱させて接合する方法によって作製す
る。次にコーティング法は、絶縁物を電極表面にスプレ
ーを用いて均一に塗布する方法、絶縁物を電極表面に静
電気を用いて均一に分散させる方法、また刷毛を用いて
表面に塗布する方法そして減圧下において絶縁物を電極
表面上に物理的気相成長法(PVD)、化学的気相成長法(CV
D)やスパッターによって均一に塗布する方法で行う。接
着法は、電極の表面に接着材を薄く均一に塗布し、絶縁
物を接着する方法である。

【００１７】センサ本体の極板間隔は、コンデンサの基
本式より間隔が狭いほど静電容量が大きくなる。しか
し、あまり狭すぎると極板間に入っている気泡が抜けな
くなってしまったり被測定液体が入りにくくなってしま
う。実際の実験では、メタノール水溶液の場合、極板間
距離2mm、電極面積10cm２の時、静電容量が100pF以上30
0pF以下の結果となった。また極板間隔を大きくする場
合は、図４に示すように極板面積を大きくすればよい。

【００１８】このような電極と液体とでコンデンサが形
成され、このコンデンサの静電容量を測定することによ
り液体の所望の成分、例えばメタノール水溶液における
メタノール成分の濃度が特定される。例えば、図５に示
す実施例の測定回路部３０では積分回路３３の働きによ
り、入力される矩形波Ｓ１に対して出力される三角波Ｓ
２の振幅は絶縁電極−液体−絶縁電極で形成されるコン
デンサの容量Ｃ１に反比例する。コンデンサの容量とメ
タノールの濃度との関係は図７に示す通りである。従っ
て、三角波の振幅からコンデンサの容量が特定され、図
７の関係に基づき当該容量よりメタノールの濃度が特定
される。

【００１９】図７より明らかな通り、容量と濃度との関
係は温度により変化するので、温度を測定して、温度補
正をすることが好ましい。

【００２０】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１に実施例の液体濃度センサ１０のセンサ本
体１１を示す。平板（２５×４０ｍｍ）からなる一対の
電極１２、１２はそれぞれポリフェニレンサルファイド
製の電極支持板１３、１３中に埋設されている。従っ
て、各電極１２、１２は電極支持板１３、１３の材料で
メタノール水溶液１４から電気的に絶縁されている。電
極支持板１３、１３はフランジ１５（取り付け手段）に
対して垂直に固定されており、電極１２、１２間の距離
（２ｍｍ）はその全面に渡り等間隔が維持される。ま
た、電極１２、１２の距離は電極間隔維持材１６で規定
される。フランジはメタノール水溶液のタンクの注入口
の近くに固定され、もって電極１２、１２がメタノール
水溶液内に浸漬される。

【００２１】かかる構成のセンサ本体１１によれば、絶
縁電極１２、１２を一定の間隔に保ってメタノール水溶
液に浸漬させればよい。従って、その取り付け位置はタ
ンク注入口の近くに限定されるものではなく、タンク若
しくは流路の任意の位置に取り付けることが可能とな
る。一方、従来例のセンサ本体２では、ケーシング５に
コイル６を巻回しなければならないのでその取り付け位
置は大幅に制限されていた。

【００２２】図中の符号１７、１８はそれぞれ導線と接
続端子である。図中の符号１９は温度センサを示す。

【００２３】このような構成のセンサ本体１１によって
構成されるコンデンサの模式図を図２に示す。この場合
のコンデンサの静電容量は以下の式で表される。Ｃ＝ ε０ε１ε２Ｓ／｛ｋ（ε１−ε２）＋ε２｝ｄ式（１）ここにε０：真空の誘電率、ε１：メタノール水溶液の
比誘電率、ε２：絶縁膜の比誘電率、Ｓ：電極の面積、
ｄ：電極間距離、ｋ：絶縁膜厚と電極間距離の比（ｔ
（絶縁膜厚）＝ｋｄ）である。

【００２４】図３は絶縁膜の膜厚ｔを変化させたときの
静電容量とメタノール濃度との関係を示す。縦軸は絶縁
膜がないときの静電容量Ｃ０と絶縁膜を用いたときの静
電容量Ｃｉｎｓとの比を示す。なお、絶縁膜の比誘電率
ε２＝２とした。図３より、絶縁膜の膜厚が薄いほど静
電容量と濃度との関係を表す曲線の傾きが大きくなるこ
とがわかる。従って、メタノール水溶液中のメタノール
の濃度を特定する際の誤差を小さくする見地から、絶縁
膜の膜厚はできる限り薄くすることが好ましい。絶縁膜
の耐久性や成膜の容易性等を考慮して、各電極１２、１
２を被覆する絶縁膜（図１における符号１３ａで示す部
分）の膜厚は０．０１μｍ〜１ｍｍとすることが好まし
い。更に好ましくは０．０１μｍ〜２ｍｍとする。

【００２５】図４は他の実施例のセンサ本体を示す模式
図である。このセンサ本体では電極板２１、２１が混合
液体２４のタンク２５の比較的大きな出口ポートの周縁
に配置されている。なお、混合液体２４のタンク２５は
全体的に絶縁性の合成樹脂で形成されており、これによ
り電極板２１、２１は混合液体２４から電気的に絶縁さ
れる。各電極板２１、２１には導線を介して端子が接続
される（それぞれ図示せず）。

【００２６】図５は実施例の測定回路部３０を示す。矩
形波発生回路３１で発生されたパルス信号としての矩形
波Ｓ１は積分回路３３の反転入力端子に入力される。積
分回路３３においてその帰還部にセンサ本体１１の端子
１８、１８が抵抗Ｒ２と並列に接続される。これによ
り、絶縁電極−メタノール水溶液−絶縁電極で形成され
るコンデンサが積分回路の帰還部に接続されることとな
る。かかる積分回路３３の出力波形は図中に示すように
三角波Ｓ２となる。この三角波Ｓ２の振幅はコンデンサ
の容量Ｃ１に反比例する。

【００２７】積分回路３３の三角波出力は全波整流回路
３５で全波整流されてそのマイナス成分がプラス成分に
変換される。この全波整流回路３５で得られたピーク電
圧信号を更に平滑化回路３６へ導き当該ピーク電圧信号
に対応した直流電圧信号とする。そしてこの直流電圧信
号を増幅回路３７で増幅し、濃度特定装置４０で使用可
能な電圧信号Ｓ３とする。

【００２８】濃度特定装置４０を図６に示す。増幅回路
３７からの信号Ｓ３は入力インターフェース４１を介し
てＣＰＵ４３で処理される。既述のとおり三角波Ｓ２の
振幅はコンデンサの静電容量Ｃ１に反比例するので、三
角波Ｓ２の振幅に対応する電圧信号Ｓ３（具体的には三
角波Ｓ２の振幅の１／２に対応する）は静電容量Ｃ１に
反比例する。換言すれば静電容量の逆数（１／Ｃ１）は
電圧信号Ｓ３の関数である。一方、静電容量Ｃ１とメタ
ノール成分の濃度との間には図７に示す特定の関係があ
る。よって、メタノールの濃度は電圧信号Ｓ３の関数で
ある。なお、図７より、静電容量Ｃ１とメタノール成分
の濃度との関係は温度により変化することがわかる。従
って、濃度特定装置４０では、そのメモリ４５に電圧信
号Ｓ３とメタノール成分の濃度の関係が予め保存されて
いる。保存の方式は特に限定されないがこの実施例では
テーブル形式とした。なお、０℃、２０℃、４０℃及び
６０℃の各温度ごとに電圧信号Ｓ３と濃度との当該関係
が保存されている。そして、ＣＰＵは電圧信号Ｓ３と温
度センサ１９により検出されたメタノール水溶液の温度
とに基づいて、メモリ４５に保存されているテーブルを
参照し、メタノール成分の濃度を特定する。なお、メタ
ノール水溶液の温度が予めメモリに保存されている温度
と異なっているときは、線形補間等の周知の方法でテー
ブルのデータを補正する。

【００２９】図８には、実施例のセンサで測定した電圧
信号Ｓ３（縦軸）とメタノール濃度（横軸）との関係の
一例を示す。なお、図８の結果を得たときのメタノール
水溶液の温度は２０℃であった。このように特定された
メタノール成分の濃度は出力インターフェース４７を介
して表示装置５０へ出力される。表示装置５０には汎用
的な指針式のメータやバーグラフ装置が用いられる。

【００３０】図９は、絶縁電極−メタノール水溶液−絶
縁電極で形成されるコンデンサの式１より求められる理
論値（黒塗り四角）と実験値（○）との比較をしたもの
である。但し、実験値を得たときのメタノール水溶液の
温度は２０℃であり、抵抗値Ｒ１は１０Ｋオームであっ
た。図９の結果から、実施例のセンサで得られる結果は
理論値に非常に近いことがわかる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る液体
濃度センサは、導電性電極を絶縁物によって絶縁したこ
とで導電性及びイオン伝導性溶液の影響を受けず、正確
に液体中の少なくとも1種類の液体の濃度を測定するこ
とができるようになった。

【００３２】また測定信号のパルス電圧を使用すること
で測定回路は、単純になり交流を使用した場合と比較し
て極めて安価に製作できるようになった。

【００３３】したがって多数のセンサを製造してばらつ
きが生じても、センサ自身の構造が単純であるために修
正が容易である。このため、センサ間のばらつきによら
ず常に精度良く液体の静電容量を測定する装置を提供で
きる。

【００３４】この発明は、上記発明の実施の形態及び実
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の一の実施例の液体濃度センサ
のセンサ本体を構成を示す図である。

【図２】図２は当該実施例のセンサ本体の絶縁電極と混
合液体とで構成されるコンデンサの概念図。

【図３】図３は図２のコンデンサにおける濃度−容量曲
線の絶縁膜厚依存性を示すグラフ図である。

【図４】図４は他の実施例のセンサ本体を示す概念図で
ある。

【図５】図５は一の実施例の測定回路部の構造を示す図
である。

【図６】図６は濃度特定装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図７】図７は濃度−静電容量（逆数）曲線の温度依存
性を示すグラフ図である。

【図８】図８は実施例の測定回路部の電圧出力Ｓ３とメ
タノール濃度との関係を示すグラフ図である。

【図９】図９は絶縁電極−メタノール水溶液−絶縁電極
で形成されるコンデンサの式１より求められる理論値と
実験値との比較をしたグラフ図である。

【図１０】図１０は従来例の液体濃度センサの構成を示
す図である。

【符号の説明】

１液体濃度センサ２、１１センサ本体３、１４メタノール水溶液４、６、１２、２１電極９、３０測定回路部１３ａ絶縁膜３３積分回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐口勝彦北海道札幌市厚別区下野幌テクノパーク２丁目３番６号イムラ・ジャパン株式会社内 (72)発明者小林雅史北海道札幌市厚別区下野幌テクノパーク２丁目３番６号イムラ・ジャパン株式会社内 (72)発明者荻野温愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者木村良雄愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも2種類以上の液体からなる、
液体の少なくとも1種類の液体の濃度を測定する液体濃
度センサにおいて、(a) 少なくとも2つの導電性電極
と、(b) 前記少なくとも2つの電極が、前記液体と電気
的に絶縁物によって絶縁されていることを特徴とする液
体濃度センサ。
【請求項２】前記電極と前記電極間に存在する前記液
体とで構成されるコンデンサの静電容量の変化から前記
少なくとも1種類の液体の濃度を測定することを特徴と
する請求項１に記載の液体濃度センサ。
【請求項３】前記静電容量変化を積分回路の帰還部に
挿入してなること特徴とする請求項２に記載の液体濃度
センサ。
【請求項４】その周面が絶縁されている一対の電極
と、該一対の電極の間隔を維持する手段と、前記一対の電極を外部の回路に接続する端子と、を備え
てなる測定部、及び該測定部を測定対象の混合液のタン
ク若しくはその流路に取り付ける取り付け手段、を具備
してなる液体濃度センサのセンサ本体。
【請求項５】前記一対の電極は平板状であり絶縁体で
被覆されている、ことを特徴とする請求項４に記載のセ
ンサ本体。
【請求項６】温度センサが更に備えられることを特徴
とする請求項４又は５に記載のセンサ本体。
【請求項７】一対の絶縁電極が測定対象の液体に浸漬
される液体濃度センサに用いられる測定回路であって、前記一対の絶縁電極がその帰還部に接続される積分回路
と、該積分回路の出力から濃度を求める手段と、を備えてなる測定回路。
【請求項８】前記積分回路に直流パルス信号を入力す
る回路が更に備えられる、ことを特徴とする請求項７に
記載の測定回路。
【請求項９】前記直流パルス信号は矩形波信号であ
る、ことを特徴とする請求項８に記載の測定回路。
【請求項１０】測定対象の液体中に浸漬される一対の
電極と、該一対の電極と前記液体とを電気的に絶縁する手段と、前記一対の電極をその帰還部に接続した積分回路と、該積分回路の出力から濃度を求める手段と、を備えてなる混合液の所望の成分の濃度を測定する液体
濃度センサ。
【請求項１１】前記積分回路に直流パルス信号を印加
する手段が更に備えられる、ことを特徴とする請求項１
０に記載の液体濃度センサ。
【請求項１２】前記直流パルス信号は矩形波信号であ
る、ことを特徴とする請求項１１に記載の液体濃度セン
サ。
【請求項１３】測定対象の液体中に形成されるコンデ
ンサ部と、該コンデンサ部をその帰還部に接続した積分回路と、該積分回路に信号を入力する回路と、前記積分回路の出力を、所定の規則に基づき、前記液体
の所望の成分の濃度に変換する手段と、を備えてなる液体濃度センサ。
【請求項１４】前記液体の温度を測定する温度センサ
と、該温度センサの測定結果に基づき前記所定の規則を
補正する手段と、が更に備えられることを特徴とする請
求項１０〜１３のいずれかに記載の液体濃度センサ。