JPS6226688B2 - - Google Patents
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- JPS6226688B2 JPS6226688B2 JP55158899A JP15889980A JPS6226688B2 JP S6226688 B2 JPS6226688 B2 JP S6226688B2 JP 55158899 A JP55158899 A JP 55158899A JP 15889980 A JP15889980 A JP 15889980A JP S6226688 B2 JPS6226688 B2 JP S6226688B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
- G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
- G01F23/266—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors measuring circuits therefor
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- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
本発明は、容器内媒体用の容量性充填レベル測
定装置に関する。その場合この測定装置には、 ａ 測定コンデンサが設けられ、該測定コンデン
サは、充填レベルに依存して、媒体内へ浸漬さ
れるように構成、配置され、 ｂ 複数の補償コンデンサが設けられ、そのうち
第１の補償コンデンサが、媒体を誘電体として
有し、 ｃ 電圧源が設けられ、該電圧源が前記各コンデ
ンサに正弦波電圧を印加し、 ｄ コンデンサ・インピーダンスの実効抵抗分が
測定結果に及ぼす影響を補償する手段が設けら
れている。 この種の装置においては、媒体、特にメタノー
ル含量が異なる燃料の誘電率の相違を補償するた
めに既に次のような補償手段が提案されている。
即ちこの補償手段では、媒体で浸漬される第１の
測定コンデンサ、媒体を誘電体とする第１の補償
コンデンサ、第１の補償コンデンサと同じ値であ
るが誘電体として空気が用いられる第２の補償コ
ンデンサ、上述の第１の測定コンデンサと同じ値
であるが、誘電体として媒体の代りに空気が用い
られる第２の測定コンデンサとが設けられる。そ
して評価回路が設けられ、その中では、上記コン
デンサの間に次式 ｈ＝１・ＣＯ（ＣＭ−ＣＭＯ）／ＣＭＯ（ＣＫ−Ｃ
Ｏ） で表わされる関係が設定される。なお上式中、ｈ
は第１の測定コンデンサが媒体内に浸漬される部
分の高さであり、１は測定コンデンサの全高であ
り、ＣKは媒体内の第１の補償コンデンサの容量
であり、ＣOは空気中における第２の補償コンデ
ンサの容量であり、ＣMは媒体中の第１の測定コ
ンデンサの容量であり、そしてＣMOは空気中の第
２の測定コンデンサの容量である。 次に、上述の式の導出過程を第２図、第３図を
用いて説明する。 ただしこの図では第２の測定コンデンサは図示
されていない。 第１の補償コンデンサはいつも媒体中にあるの
で、その容量ＣKは、常に空気中にある第２補償
コンデンサの容量ＣOと、誘電率Erの係数分だけ
異なつている。つまり ＣK＝ＣO・Er (1) 同じく第１測定コンデンサが媒体内に完全に浸漬
されている場合、その容量は次式で表わされる。 ＣM＝ＣMO・Er また第１測定コンデンサが媒体に浸漬されず、
空気中にある場合は、 ＣM＝ＣMO 従つて、全高１のうち高さｈだけが媒体内に浸
漬される場合、第１測定コンデンサの容量ＣMは
次の通りである。 ＣM＝ｈ／１ErCMO＋１−ｈ／１ＣMO ＝ｈ／１ErCMO＋１／１ＣMO−ｈ／１ＣMO ＝ｈ／１ＣMO（Er−１）＋ＣMO (2) この式をｈについて解くと、 ここで(1)式よりEr＝ＣＫ／ＣＯなので、 となる。 ところで、ＣMO＝ＣOとすれば、ｈは簡単に次
のように表わされる。 ｈ＝１・ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ (3) これと関連して、従来より提案されている誘電
率の相違による影響を補償するための測定装置に
おいては、第１の測定コンデンサおよび他のコン
デンサの充電時間を評価する回路装置が提案され
ている。詳細に述べると、この回路装置は次のこ
とを特徴としている；第１および第２の測定コン
デンサ、ならびに第１および第２の補償コンデン
サの容量を求めるために、少くともそれぞれ１つ
の定電流電源、つまり所定の電圧にコンデンサを
充電するための手段が設けられ、また、各コンデ
ンサを放電または充電方向を切り換えるための手
段、充電時間に依存するパルス持続期間を有する
同期パルスを発生する手段が設けられている。さ
らに、求められた容量の差を発生するために、同
期パルスのパルス持続期間の減算を行なうための
手段が設けられ、また、或る１つの容量を他の２
つの容量の差で除算するために、制御電圧によつ
て制御される定電流電源が容量と接続可能になつ
ている。そして、パルス持続期間の減算によつて
発生したパルスから平均値を発生する手段が、制
御電圧を形成する。 この装置は、誘電率の相違を良好に補償するこ
とができる。しかし、それでもなお、充填レベル
の測定結果にかなりの誤差を生じてしまう。 この誤差は、被測定媒体ごとに異なるコンダク
タンスに起因することが分つた。特に、媒体が燃
料であつてそのメタノール含有量が変動する場合
に、この現象は著しい。 例えば特開昭49―104666号公報にも、誘電率の
相違を補償する装置が記載されている。しかしこ
の装置でも、媒体により異なるコンダクタンスが
原因となつて、測定誤差が生じる。 次に、どのようにして測定誤差が生じるかにつ
いて、簡単に説明する。 燃料中にメタノールが含まれる場合、測定コン
デンサの容量ＣMと並列に、コンダクタンスＧMが
存在する。充填レベルがゼロの時の測定コンデン
サの容量ＣMOをＣOで表わした場合、前述の式(2)
からＣMは次のように表わされる。 ＣM＝ｈ／１ＣO（Er−１）＋ＣO ＝ＣO〔１＋ｈ／１（Er−１）〕 また測定コンダクタンスＧMは、 ＧM＝ｈ／１ＧO であらわされる。ただし、ＧOは最大充填レベル
の時のコンダクタンスである。 従来の測定方法では、コンデンサの充電時間を
評価していた。従つてそのための装置は、誘電率
の相違に基づく影響を補償するように構成されて
いる。 しかしこの装置は、コンダクタンスの影響を補
償することができない。これは次の理由による。 従来の測定方法では、装置の出力信号は次のよ
うに表わされる。 ｆ（ｈ／１）＝ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ しかし従来の装置では、容量ＣMないしＣK自体
ではなく、それにコンダクタンスＧMが加わつた
複素アドミタンスＹM，ＹKが測定される。従つて
上式は次のような形になる。 ｆ（ｈ／１）＝｜ＹＭ｜−｜ＹＯ｜／｜ＹＫ｜−｜
ＹＯ｜ ただし、 ＹM＝ＧM＋ｊ・ω・ＣM ＝ｈ／１ＧO＋ｊωＣO〔１＋ｈ／１（Er−１）〕 ＹK＝ＧO＋ｊ・ω・ＣO・Er ｜ＹK｜＝√O ２＋（・O・）2 ＹO＝ｊ・ω・ＣO ｜ＹO｜＝ω・ＣO 従つて ここで充填レベルを10％、メタノール含量を15
％とすると、上式の各値の実際値は次のようにな
る。 ＧO＝３・10-5S ＣO＝30pF＝３・10-11F ω＝10kHz・２・π ｈ／１＝0.1 Er＝６ これらの値を上式に代入して計算すると、 ｆ（0.1）＝0.0741 となる。誤差がなければこの値は0.1になるはず
なので、約26％の測定誤差が生生じることにな
る。この誤差値はけつして小さなものではない。
導電性の媒体なら、つまりＧO＝０の媒体であれ
ば、ｆ（ｈ／１）＝0.1となる。 従つて媒体の充填レベルを正確に測定するに
は、誘電率を補償するだけでなく、コンダクタン
スの相違をも補償しなければならない。 従つて本発明の課題は、上のような事実認識に
立脚して、異なる誘電率の補償手段を有する容量
性充填レベル測定装置を改良し、種々の媒体の充
填レベルをいつでも正確に測定できるようにする
ことである。これは、具体的には、媒体により異
なるコンダクタンスを補償することを意味する。 本発明のこの課題は、特許請求の範囲第１項に
記載の構成を有する装置によつて解決される。本
発明のこの装置においては、被測定媒体のコンダ
クタンスが測定結果に影響を及ぼすことはない。
従つて装置構成を変えることなく、含有物質の特
性が種々に異なる媒体の充填レベルを、大きな信
頼性をもつて測定することができる。 実施態様項には、異なる誘電率を補償すること
に加えて、媒体のコンダクタンスが測定結果に影
響を与えないようにした装置の特に有利な構成が
記述してある。 次に第１図を参照して本発明による装置の実施
例に関して説明する。 第１図には、被測定媒体内に浸漬される測定コ
ンデンサ１、被測定媒体内に完全に浸漬された第
１の補償コンデンサ２、および空気中にある状態
で上記測定コンデンサおよび第１の補償コンデン
サと同じ容量を有する第２の補償コンデンサを有
している。これらコンデンサの容量は、比例電圧
ＵCM，ＵCKおよびＵCOに変換される。そしてこの
装置はコンデンサのコンダクタンスが比例電圧に
影響しないように構成されている。 容量を電圧に変換するために、それぞれ低域通
過特性を有する交流電圧乗算器４，５および６か
らなる同期復調器が用いられている。交流電圧乗
算器の第１の入力端には、コンデンサ１，２ない
し３に直列接続された測定抵抗７，８ないし９
が、それぞれ接続されている。個々のコンデンサ
と測定抵抗からなる各々の直列回路は、制御増幅
器１０を介して正弦波電圧電源１１から正弦波電
圧を供給される。交流電圧変調器４，５および６
の各々の第２の入力端には、移相器１２を介して
入力電圧が印加される。この移相器１２は、正弦
波電圧電源１１からの給電電圧に対して90゜移相
された正弦波電圧を発生する。したがつて乗算器
において、測定抵抗における電圧降下と移相され
た正弦波電圧とが乗算される。その結果乗算回路
の乗算出力には、直流電圧成分と、少くとも１つ
の交流電圧成分とを含む合成電圧が生じる。ここ
で直流電圧成分の値は測定抵抗に比例し、かつ測
定抵抗の導電性はこの直流成分に影響しない。ま
た定流電圧成分は給電電圧の２倍の周波数を有
し、かつ測定抵抗のコンダクタンスの影響を受け
ている。しかしこの交流電圧成分は、乗算回路の
低域通過特性によつて、他の交流電圧成分と共に
除去される。従つて、この交流電圧成分が充填レ
ベルの測定結果に悪影響を与えることはない。し
たがつて低域通過特性を有する交流電圧乗算器の
出力端１３，１４，１５には、測定コンデンサな
らびに第１および第２の補償コンデンサの容量Ｃ
M，ＣKおよびＣOに比例する直流電圧ＵCM，ＵCK
およびＵCOが現われる。ただしその前提として、
コンデンサと測定抵抗からなる直列回路に供給さ
れる電源電圧の振幅、移相された正弦波電圧の振
幅、ならびにこれら電圧の周波数が一定でなけれ
ばならない。 出力端１３および１５は第１の差動増幅器１６
の入力端に接続されている。追つて詳述するよう
にこの差動増幅器の出力端１７には、充填レベル
に比例する出力電圧Ｕaが発生される。 第２の差動増幅器１８では電圧差ＵCK−ＵCOが
形成される。この電圧差信号は第３の差動増幅器
１９に供給され、そこで基準電圧と比較される。
第３の差動増幅器の出力端２０は、制御増幅器１
０の制御入力端２１に帰還結合されている。この
帰還結合により、制御増幅器１０の出力端に現わ
れる増幅された給電電圧は、電圧ＵCK−ＵCOと基
準電圧との間の差が零となるような大きさに制御
される。この増幅給電電圧は、第１の測定コンデ
ンサ１および第２の補償コンデンサ３にも加えら
れる。従つてこの増幅電圧は、第１の差動増幅器
１６で形成される差電圧ＵCM−ＵCOに、比例的に
作用する。その結果、出力側１７に現われる電圧
Ｕaは、商ＵＣＭ−ＵＣＯ／ＵＣＫ−ＵＣＯに比例する
ようになる。既述 のようにこの値は、充填レベルに対する直接の尺
度となる。 次に、上述の本発明による装置の動作原理につ
いて詳しく説明する。本発明の目的は、媒体のコ
ンダクタンスが測定結果に及ぼす影響を除去する
ことである。既述のように従来の装置では、コン
デンサの容量そのものではなく、複素アドミタン
スＹを測定していたので、コンダクタンスの影響
を除去し得なかつた。そこで本発明では、第４図
に示すように複素アドミタンスＹに交流電圧μ０
を加え、アドミタンスに比例する電流ｉを測定す
るようにした。 第４図において、 μ０＝ｉ／Ｙ 電流ｉは第５図に示すようにアドミタンスＹと
直列な小抵抗Ｒによつて測定される。この抵抗Ｒ
では、ｉに比例する電圧μが降下する。 すなわち、 ｉ＝μ／Ｒ ここでＲが測定結果に影響しないようにするに
は、次式が成立しなければならない。 ｜Ｙ｜≪１／Ｒ 電圧μは、正弦波電圧の場合μ０で表わされ
る。 μ０＝U0・ｅj〓t 第４図、第５図でμ０＝ｉ／Ｙ、ｉ＝μ／Ｒだから、 μ０＝ｉ／Ｙ＝μ／Ｙ・Ｒ 従つて μ＝U0・Ｙ・Ｒ・ｅj〓t 第４図において
定装置に関する。その場合この測定装置には、 ａ 測定コンデンサが設けられ、該測定コンデン
サは、充填レベルに依存して、媒体内へ浸漬さ
れるように構成、配置され、 ｂ 複数の補償コンデンサが設けられ、そのうち
第１の補償コンデンサが、媒体を誘電体として
有し、 ｃ 電圧源が設けられ、該電圧源が前記各コンデ
ンサに正弦波電圧を印加し、 ｄ コンデンサ・インピーダンスの実効抵抗分が
測定結果に及ぼす影響を補償する手段が設けら
れている。 この種の装置においては、媒体、特にメタノー
ル含量が異なる燃料の誘電率の相違を補償するた
めに既に次のような補償手段が提案されている。
即ちこの補償手段では、媒体で浸漬される第１の
測定コンデンサ、媒体を誘電体とする第１の補償
コンデンサ、第１の補償コンデンサと同じ値であ
るが誘電体として空気が用いられる第２の補償コ
ンデンサ、上述の第１の測定コンデンサと同じ値
であるが、誘電体として媒体の代りに空気が用い
られる第２の測定コンデンサとが設けられる。そ
して評価回路が設けられ、その中では、上記コン
デンサの間に次式 ｈ＝１・ＣＯ（ＣＭ−ＣＭＯ）／ＣＭＯ（ＣＫ−Ｃ
Ｏ） で表わされる関係が設定される。なお上式中、ｈ
は第１の測定コンデンサが媒体内に浸漬される部
分の高さであり、１は測定コンデンサの全高であ
り、ＣKは媒体内の第１の補償コンデンサの容量
であり、ＣOは空気中における第２の補償コンデ
ンサの容量であり、ＣMは媒体中の第１の測定コ
ンデンサの容量であり、そしてＣMOは空気中の第
２の測定コンデンサの容量である。 次に、上述の式の導出過程を第２図、第３図を
用いて説明する。 ただしこの図では第２の測定コンデンサは図示
されていない。 第１の補償コンデンサはいつも媒体中にあるの
で、その容量ＣKは、常に空気中にある第２補償
コンデンサの容量ＣOと、誘電率Erの係数分だけ
異なつている。つまり ＣK＝ＣO・Er (1) 同じく第１測定コンデンサが媒体内に完全に浸漬
されている場合、その容量は次式で表わされる。 ＣM＝ＣMO・Er また第１測定コンデンサが媒体に浸漬されず、
空気中にある場合は、 ＣM＝ＣMO 従つて、全高１のうち高さｈだけが媒体内に浸
漬される場合、第１測定コンデンサの容量ＣMは
次の通りである。 ＣM＝ｈ／１ErCMO＋１−ｈ／１ＣMO ＝ｈ／１ErCMO＋１／１ＣMO−ｈ／１ＣMO ＝ｈ／１ＣMO（Er−１）＋ＣMO (2) この式をｈについて解くと、 ここで(1)式よりEr＝ＣＫ／ＣＯなので、 となる。 ところで、ＣMO＝ＣOとすれば、ｈは簡単に次
のように表わされる。 ｈ＝１・ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ (3) これと関連して、従来より提案されている誘電
率の相違による影響を補償するための測定装置に
おいては、第１の測定コンデンサおよび他のコン
デンサの充電時間を評価する回路装置が提案され
ている。詳細に述べると、この回路装置は次のこ
とを特徴としている；第１および第２の測定コン
デンサ、ならびに第１および第２の補償コンデン
サの容量を求めるために、少くともそれぞれ１つ
の定電流電源、つまり所定の電圧にコンデンサを
充電するための手段が設けられ、また、各コンデ
ンサを放電または充電方向を切り換えるための手
段、充電時間に依存するパルス持続期間を有する
同期パルスを発生する手段が設けられている。さ
らに、求められた容量の差を発生するために、同
期パルスのパルス持続期間の減算を行なうための
手段が設けられ、また、或る１つの容量を他の２
つの容量の差で除算するために、制御電圧によつ
て制御される定電流電源が容量と接続可能になつ
ている。そして、パルス持続期間の減算によつて
発生したパルスから平均値を発生する手段が、制
御電圧を形成する。 この装置は、誘電率の相違を良好に補償するこ
とができる。しかし、それでもなお、充填レベル
の測定結果にかなりの誤差を生じてしまう。 この誤差は、被測定媒体ごとに異なるコンダク
タンスに起因することが分つた。特に、媒体が燃
料であつてそのメタノール含有量が変動する場合
に、この現象は著しい。 例えば特開昭49―104666号公報にも、誘電率の
相違を補償する装置が記載されている。しかしこ
の装置でも、媒体により異なるコンダクタンスが
原因となつて、測定誤差が生じる。 次に、どのようにして測定誤差が生じるかにつ
いて、簡単に説明する。 燃料中にメタノールが含まれる場合、測定コン
デンサの容量ＣMと並列に、コンダクタンスＧMが
存在する。充填レベルがゼロの時の測定コンデン
サの容量ＣMOをＣOで表わした場合、前述の式(2)
からＣMは次のように表わされる。 ＣM＝ｈ／１ＣO（Er−１）＋ＣO ＝ＣO〔１＋ｈ／１（Er−１）〕 また測定コンダクタンスＧMは、 ＧM＝ｈ／１ＧO であらわされる。ただし、ＧOは最大充填レベル
の時のコンダクタンスである。 従来の測定方法では、コンデンサの充電時間を
評価していた。従つてそのための装置は、誘電率
の相違に基づく影響を補償するように構成されて
いる。 しかしこの装置は、コンダクタンスの影響を補
償することができない。これは次の理由による。 従来の測定方法では、装置の出力信号は次のよ
うに表わされる。 ｆ（ｈ／１）＝ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ しかし従来の装置では、容量ＣMないしＣK自体
ではなく、それにコンダクタンスＧMが加わつた
複素アドミタンスＹM，ＹKが測定される。従つて
上式は次のような形になる。 ｆ（ｈ／１）＝｜ＹＭ｜−｜ＹＯ｜／｜ＹＫ｜−｜
ＹＯ｜ ただし、 ＹM＝ＧM＋ｊ・ω・ＣM ＝ｈ／１ＧO＋ｊωＣO〔１＋ｈ／１（Er−１）〕 ＹK＝ＧO＋ｊ・ω・ＣO・Er ｜ＹK｜＝√O ２＋（・O・）2 ＹO＝ｊ・ω・ＣO ｜ＹO｜＝ω・ＣO 従つて ここで充填レベルを10％、メタノール含量を15
％とすると、上式の各値の実際値は次のようにな
る。 ＧO＝３・10-5S ＣO＝30pF＝３・10-11F ω＝10kHz・２・π ｈ／１＝0.1 Er＝６ これらの値を上式に代入して計算すると、 ｆ（0.1）＝0.0741 となる。誤差がなければこの値は0.1になるはず
なので、約26％の測定誤差が生生じることにな
る。この誤差値はけつして小さなものではない。
導電性の媒体なら、つまりＧO＝０の媒体であれ
ば、ｆ（ｈ／１）＝0.1となる。 従つて媒体の充填レベルを正確に測定するに
は、誘電率を補償するだけでなく、コンダクタン
スの相違をも補償しなければならない。 従つて本発明の課題は、上のような事実認識に
立脚して、異なる誘電率の補償手段を有する容量
性充填レベル測定装置を改良し、種々の媒体の充
填レベルをいつでも正確に測定できるようにする
ことである。これは、具体的には、媒体により異
なるコンダクタンスを補償することを意味する。 本発明のこの課題は、特許請求の範囲第１項に
記載の構成を有する装置によつて解決される。本
発明のこの装置においては、被測定媒体のコンダ
クタンスが測定結果に影響を及ぼすことはない。
従つて装置構成を変えることなく、含有物質の特
性が種々に異なる媒体の充填レベルを、大きな信
頼性をもつて測定することができる。 実施態様項には、異なる誘電率を補償すること
に加えて、媒体のコンダクタンスが測定結果に影
響を与えないようにした装置の特に有利な構成が
記述してある。 次に第１図を参照して本発明による装置の実施
例に関して説明する。 第１図には、被測定媒体内に浸漬される測定コ
ンデンサ１、被測定媒体内に完全に浸漬された第
１の補償コンデンサ２、および空気中にある状態
で上記測定コンデンサおよび第１の補償コンデン
サと同じ容量を有する第２の補償コンデンサを有
している。これらコンデンサの容量は、比例電圧
ＵCM，ＵCKおよびＵCOに変換される。そしてこの
装置はコンデンサのコンダクタンスが比例電圧に
影響しないように構成されている。 容量を電圧に変換するために、それぞれ低域通
過特性を有する交流電圧乗算器４，５および６か
らなる同期復調器が用いられている。交流電圧乗
算器の第１の入力端には、コンデンサ１，２ない
し３に直列接続された測定抵抗７，８ないし９
が、それぞれ接続されている。個々のコンデンサ
と測定抵抗からなる各々の直列回路は、制御増幅
器１０を介して正弦波電圧電源１１から正弦波電
圧を供給される。交流電圧変調器４，５および６
の各々の第２の入力端には、移相器１２を介して
入力電圧が印加される。この移相器１２は、正弦
波電圧電源１１からの給電電圧に対して90゜移相
された正弦波電圧を発生する。したがつて乗算器
において、測定抵抗における電圧降下と移相され
た正弦波電圧とが乗算される。その結果乗算回路
の乗算出力には、直流電圧成分と、少くとも１つ
の交流電圧成分とを含む合成電圧が生じる。ここ
で直流電圧成分の値は測定抵抗に比例し、かつ測
定抵抗の導電性はこの直流成分に影響しない。ま
た定流電圧成分は給電電圧の２倍の周波数を有
し、かつ測定抵抗のコンダクタンスの影響を受け
ている。しかしこの交流電圧成分は、乗算回路の
低域通過特性によつて、他の交流電圧成分と共に
除去される。従つて、この交流電圧成分が充填レ
ベルの測定結果に悪影響を与えることはない。し
たがつて低域通過特性を有する交流電圧乗算器の
出力端１３，１４，１５には、測定コンデンサな
らびに第１および第２の補償コンデンサの容量Ｃ
M，ＣKおよびＣOに比例する直流電圧ＵCM，ＵCK
およびＵCOが現われる。ただしその前提として、
コンデンサと測定抵抗からなる直列回路に供給さ
れる電源電圧の振幅、移相された正弦波電圧の振
幅、ならびにこれら電圧の周波数が一定でなけれ
ばならない。 出力端１３および１５は第１の差動増幅器１６
の入力端に接続されている。追つて詳述するよう
にこの差動増幅器の出力端１７には、充填レベル
に比例する出力電圧Ｕaが発生される。 第２の差動増幅器１８では電圧差ＵCK−ＵCOが
形成される。この電圧差信号は第３の差動増幅器
１９に供給され、そこで基準電圧と比較される。
第３の差動増幅器の出力端２０は、制御増幅器１
０の制御入力端２１に帰還結合されている。この
帰還結合により、制御増幅器１０の出力端に現わ
れる増幅された給電電圧は、電圧ＵCK−ＵCOと基
準電圧との間の差が零となるような大きさに制御
される。この増幅給電電圧は、第１の測定コンデ
ンサ１および第２の補償コンデンサ３にも加えら
れる。従つてこの増幅電圧は、第１の差動増幅器
１６で形成される差電圧ＵCM−ＵCOに、比例的に
作用する。その結果、出力側１７に現われる電圧
Ｕaは、商ＵＣＭ−ＵＣＯ／ＵＣＫ−ＵＣＯに比例する
ようになる。既述 のようにこの値は、充填レベルに対する直接の尺
度となる。 次に、上述の本発明による装置の動作原理につ
いて詳しく説明する。本発明の目的は、媒体のコ
ンダクタンスが測定結果に及ぼす影響を除去する
ことである。既述のように従来の装置では、コン
デンサの容量そのものではなく、複素アドミタン
スＹを測定していたので、コンダクタンスの影響
を除去し得なかつた。そこで本発明では、第４図
に示すように複素アドミタンスＹに交流電圧μ０
を加え、アドミタンスに比例する電流ｉを測定す
るようにした。 第４図において、 μ０＝ｉ／Ｙ 電流ｉは第５図に示すようにアドミタンスＹと
直列な小抵抗Ｒによつて測定される。この抵抗Ｒ
では、ｉに比例する電圧μが降下する。 すなわち、 ｉ＝μ／Ｒ ここでＲが測定結果に影響しないようにするに
は、次式が成立しなければならない。 ｜Ｙ｜≪１／Ｒ 電圧μは、正弦波電圧の場合μ０で表わされ
る。 μ０＝U0・ｅj〓t 第４図、第５図でμ０＝ｉ／Ｙ、ｉ＝μ／Ｒだから、 μ０＝ｉ／Ｙ＝μ／Ｙ・Ｒ 従つて μ＝U0・Ｙ・Ｒ・ｅj〓t 第４図において
【式】だから
μ＝U0・Ｒ（ＧM・ｅj〓t＋ωＣM
・ｅj(〓t+90゜)）
第１図の実施例では、μ０は制御増幅器１０の
発生する給電電圧である。電圧μは、それに対し
て90゜移相された電圧 μ１＝U1・ｅj(〓t-90゜) と乗算される。この電圧μ１は、移相器１２で移
相された電圧に相当する。電圧μとμ１の乗算は
交流電圧乗算器で行なわれる。乗算の結果は次の
ように表わされる。 μ・μ１＝ＧM・U0・U1・Ｒ・ｅj2〓t ＋ω・ＣM・U0・U1・ｅj(2〓t+180゜) ＝ＧM・U0・U1・Ｒ・ｅj2〓t ＋ω・ＣM・U0・U1（１＋ｅj2〓t) 交流電圧乗算器は低域通過特性を有しているの
で、上式の各項のうち、係数２ωｔを有する交流
電圧成分は除去することができる。つまり乗算器
の出力側に現われるのは ω・ＣM・U0・U1で表わされる直流電圧成分だ
けである。ここでU0・U1・ωは一定なので、ＣM
に比例する出力電力ＵCMが得られることになる。
つまり、導体のコンダクタンスの影響が除去され
るので、本発明の装置は、次式 ｆ（ｈ／１）＝ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ に従つて、充填レベルを正確に測定することがで
きる。 上式の分子、分母における容量差に相応する電
圧は、差動増幅器１６，１８によつて形成され
る。また分子と分母の除算は、制御回路によつて
行なわれる。この場合、ＵCK−ＵCOが常に基準電
圧Ｕrefと等しくなるように、制御増幅器２１を
介して、給電電圧の振幅が調整される。従つて、
最大充填レベルでは、電圧ＵCM−ＵCOは基準電圧
Ｕrefに等しく、かつ被測定媒体の特性に依存し
ない。また充填レベルがゼロの時は、電圧ＵCM−
ＵCOもゼロである。差動増幅器１６の出力電圧Ｕ
aは、この両者の間で直線的に変化する。 この電圧Ｕaは、関係式ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯに比
例してい る。以下、その理由について説明する。 各交流電圧乗算器の係数をK1とし、制御増幅
器の出力電圧をU0とすれば、乗算回路の出力電
圧は次式で表わされる。 ＵCM＝K1・U0・ＣM ＵCK＝K1・U0・ＣK ＵCO＝K1・U0・ＣO また第２差動増幅器１８の出力電圧をＵKとす
ると、それは次のようになる。 ＵK＝ＵCK−ＵCO さらに、第３差動増幅器１９の出力電圧をＵ
r、正弦波電圧電源１１の給電電圧をＵS制御増幅
器１０の増幅定数をK2とすると、制御増幅器の
出力電圧U0は次のようになる。 U0＝K2・ＵS・Ｕr ここでＵr＝（Ｕref−ＵK）・Ｖだから、 U0＝K2・ＵS・（Ｕref−ＵK）・Ｖ ＝Ｖ・K2・ＵS〔Ｕref−U0・K1（ＣK−ＣO）〕 従つて Ｕref−U0・K1（ＣK−ＣO）＝Ｕ０／Ｖ・Ｋ２・Ｕ２ Ｖ→∞なので、 Ｕref＝U0・K1（ＣK−ＣO） 従つて、 U0＝Ｕｒｅｆ／Ｋ１（ＣＫ−ＣＯ） ここで、 ＵCM＝K1・U0・ＣM＝Ｕｒｅｆ・Ｋ１・ＣＭ／Ｋ１（
ＣＫ−ＣＯ） ＝Ｕｒｅｆ−Ｃｏ／ＣＫ−ＣＯ ＵCO＝K1・U0・ＣO＝Ｕｒｅｆ・Ｋ１・ＣＯ／Ｋ１（
ＣＫ−ＣＯ） ＝Ｕｒｅｆ・ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ 従つて差動増幅器１６の出力電圧Ｕaは、 Ｕa＝ＵCM−ＵCO ＝Ｕｒｅｆ・ＣＭ／ＣＫ−ＣＯ−Ｕｒｅｆ・ＣＯ／
ＣＫ・ＣＯ ＝ＵrefＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ 従つて、出力電圧Ｕaは常にＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ
に比例す る。
発生する給電電圧である。電圧μは、それに対し
て90゜移相された電圧 μ１＝U1・ｅj(〓t-90゜) と乗算される。この電圧μ１は、移相器１２で移
相された電圧に相当する。電圧μとμ１の乗算は
交流電圧乗算器で行なわれる。乗算の結果は次の
ように表わされる。 μ・μ１＝ＧM・U0・U1・Ｒ・ｅj2〓t ＋ω・ＣM・U0・U1・ｅj(2〓t+180゜) ＝ＧM・U0・U1・Ｒ・ｅj2〓t ＋ω・ＣM・U0・U1（１＋ｅj2〓t) 交流電圧乗算器は低域通過特性を有しているの
で、上式の各項のうち、係数２ωｔを有する交流
電圧成分は除去することができる。つまり乗算器
の出力側に現われるのは ω・ＣM・U0・U1で表わされる直流電圧成分だ
けである。ここでU0・U1・ωは一定なので、ＣM
に比例する出力電力ＵCMが得られることになる。
つまり、導体のコンダクタンスの影響が除去され
るので、本発明の装置は、次式 ｆ（ｈ／１）＝ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ に従つて、充填レベルを正確に測定することがで
きる。 上式の分子、分母における容量差に相応する電
圧は、差動増幅器１６，１８によつて形成され
る。また分子と分母の除算は、制御回路によつて
行なわれる。この場合、ＵCK−ＵCOが常に基準電
圧Ｕrefと等しくなるように、制御増幅器２１を
介して、給電電圧の振幅が調整される。従つて、
最大充填レベルでは、電圧ＵCM−ＵCOは基準電圧
Ｕrefに等しく、かつ被測定媒体の特性に依存し
ない。また充填レベルがゼロの時は、電圧ＵCM−
ＵCOもゼロである。差動増幅器１６の出力電圧Ｕ
aは、この両者の間で直線的に変化する。 この電圧Ｕaは、関係式ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯに比
例してい る。以下、その理由について説明する。 各交流電圧乗算器の係数をK1とし、制御増幅
器の出力電圧をU0とすれば、乗算回路の出力電
圧は次式で表わされる。 ＵCM＝K1・U0・ＣM ＵCK＝K1・U0・ＣK ＵCO＝K1・U0・ＣO また第２差動増幅器１８の出力電圧をＵKとす
ると、それは次のようになる。 ＵK＝ＵCK−ＵCO さらに、第３差動増幅器１９の出力電圧をＵ
r、正弦波電圧電源１１の給電電圧をＵS制御増幅
器１０の増幅定数をK2とすると、制御増幅器の
出力電圧U0は次のようになる。 U0＝K2・ＵS・Ｕr ここでＵr＝（Ｕref−ＵK）・Ｖだから、 U0＝K2・ＵS・（Ｕref−ＵK）・Ｖ ＝Ｖ・K2・ＵS〔Ｕref−U0・K1（ＣK−ＣO）〕 従つて Ｕref−U0・K1（ＣK−ＣO）＝Ｕ０／Ｖ・Ｋ２・Ｕ２ Ｖ→∞なので、 Ｕref＝U0・K1（ＣK−ＣO） 従つて、 U0＝Ｕｒｅｆ／Ｋ１（ＣＫ−ＣＯ） ここで、 ＵCM＝K1・U0・ＣM＝Ｕｒｅｆ・Ｋ１・ＣＭ／Ｋ１（
ＣＫ−ＣＯ） ＝Ｕｒｅｆ−Ｃｏ／ＣＫ−ＣＯ ＵCO＝K1・U0・ＣO＝Ｕｒｅｆ・Ｋ１・ＣＯ／Ｋ１（
ＣＫ−ＣＯ） ＝Ｕｒｅｆ・ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ 従つて差動増幅器１６の出力電圧Ｕaは、 Ｕa＝ＵCM−ＵCO ＝Ｕｒｅｆ・ＣＭ／ＣＫ−ＣＯ−Ｕｒｅｆ・ＣＯ／
ＣＫ・ＣＯ ＝ＵrefＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ 従つて、出力電圧Ｕaは常にＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ
に比例す る。
第１図は本発明による容量性充填レベル測定装
置の実施例のブロツク図、第２図および第３図は
コンデンサ方式による充填レベルの測定原理を示
す図、第４図および第５図は本返明の装置の動作
原理を説明するための回路図である。 １…測定コンデンサ、２，３…補償コンデン
サ、４，５，６…乗算器、７，８，９…測定抵
抗、１０…制御増幅器、１１…電源、１２…移相
器、１６，１８，１９…差動増幅器。
置の実施例のブロツク図、第２図および第３図は
コンデンサ方式による充填レベルの測定原理を示
す図、第４図および第５図は本返明の装置の動作
原理を説明するための回路図である。 １…測定コンデンサ、２，３…補償コンデン
サ、４，５，６…乗算器、７，８，９…測定抵
抗、１０…制御増幅器、１１…電源、１２…移相
器、１６，１８，１９…差動増幅器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ａ 測定コンデンサ１が設けられ、該測定コ
ンデンサは、充填レベルに依存して媒体内へ浸
漬されるように構成、配置され、 ｂ 複数の補償コンデンサ２，３が設けられ、そ
のうち第１の補償コンデンサ２が、媒体を誘電
体として有し、 ｃ 電圧源１１が設けられ、該電圧源が前記各コ
ンデンサ１，２，３に正弦波電圧を印加し、 ｄ コンデンサ・インピーダンスの実効抵抗分が
測定結果に及ぼす影響を補償する手段４〜９，
１２が設けられた、容器内媒体用の容量性充填
レベル測定装置において、 ｅ 測定コンデンサ１および第１の補償コンデン
サ２の誘電体が空気である場合に、第２の補償
コンデンサ３の容量が、測定コンデンサ１の容
量および第１の補償コンデンサ２の容量に等し
く、 ｆ 前記補償手段が、 移相器１２を有し、該移相器が、前記電圧
源１１の出力電圧に対して90゜だけ位相のず
れた基準電圧を発生し、 前記コンデンサ１，２，３および抵抗７，
８，９の各々から成る直列回路を有し、個々
の直列回路は相互に並列に電圧源１１と接続
され、 各コンデンサ１，２，３のそれぞれに配属
された、低域通過性を有する交流電圧乗算回
路４，５，６を有し、該交流電圧乗算回路
が、各コンデンサとそれらに直列接続された
抵抗との間の接続点に現れる電圧を前記基準
電圧と乗算し、その際、各交流電圧乗算回路
の出力電圧が、測定コンデンサ１の容量ＣM
ないし２つのコンデンサ２，３の容量ＣK，
ＣOを表わし、 ｇ 評価回路１０，１６〜２１が設けられ、該評
価回路が、次式 ｈ∝ＣＭ−ＣＯ／ＣＫ−ＣＯ に従つて、前記交流電圧乗算回路の出力電圧から
充填レベルｈを検出する、 ことを特徴とする容量充填レベル測定装置。 ２ 交流電圧乗算回路の遮断周波数が、電圧源１
１の発生する電圧の周波数の２倍より低い特許請
求の範囲第１項記載の容量性充填レベル測定器。 ３ 評価回路が制御増幅器１０を有し、該制御増
幅器の増幅定数が制御可能であり、また該制御増
幅器１０を介して、各コンデンサ１，２，３およ
び各抵抗７，８，９から成る直列回路が電圧源１
１に接続され、また評価回路が３つの差動増幅器
１６，１８，１９を有し、測定コンデンサの容量
に比例する電圧をＵCMとし、第１の補償コンデン
サの容量に比例する電圧をＵCK、第２の補償コン
デンサの容量に比例する電圧をＵCOとした場合に
得られる式ＵＣＭ−ＵＣＯ／ＵＣＫ−ＵＣＯの分子を形
成するために、 第１の差動増幅器１６の入力側が、測定コンデン
サ１の容量に比例する電圧を形成する交流電圧乗
算回路４の出力側１３、および第２の補償コンデ
ンサ３の容量に比例する電圧を形成する交流電圧
乗算回路６の出力側１５と接続され、また前記関
係式の分母を形成するために第２の増幅器１８の
入力側が、第１の補償コンデンサ２の容量に比例
する電圧を形成する交流電圧乗算回路５の出力側
１４、および第２の補償コンデンサの容量に比例
する電圧を形成する交流電圧乗算器６の出力側１
５と接続され、さらに第３の差動増幅器１９の入
力側が、第２の差動増幅器１８の出力側および基
準電圧と接続され、該第３の差動増幅器１９の出
力側は前記制御増幅器１０の制御入力側２１と帰
還結合され、そのことにより前記式の商が、第１
の差毒増幅器１６の出力電圧として形成される特
許請求の範囲第１項または第２項記載の容量性充
填レベル測定装置。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19792945965 DE2945965A1 (de) | 1979-11-14 | 1979-11-14 | Einrichtung zur kapazitiven fuellstandsmessung |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5684521A JPS5684521A (en) | 1981-07-09 |
| JPS6226688B2 true JPS6226688B2 (ja) | 1987-06-10 |
Family
ID=6085973
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15889980A Granted JPS5684521A (en) | 1979-11-14 | 1980-11-13 | Volume filling level measuring device |
| JP59182912A Granted JPS6089717A (ja) | 1979-11-14 | 1984-09-03 | 容量性充填レベル測定装置 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59182912A Granted JPS6089717A (ja) | 1979-11-14 | 1984-09-03 | 容量性充填レベル測定装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4418569A (ja) |
| EP (1) | EP0029485B1 (ja) |
| JP (2) | JPS5684521A (ja) |
| AU (1) | AU543778B2 (ja) |
| DE (2) | DE2945965A1 (ja) |
Families Citing this family (36)
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|---|---|---|---|---|
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