JPS62293126A - レベル測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、明の詳細な説明 のレベルを測定する方法および装置に関し、特に熱線セ
ンサの原理に基づいたこの種の方法およびこの種の装置
に関する。

この種のセンサは抵抗が温度によって大きく変化する金
属線から成っている。この線を介して流れる電流はこれ
を加熱し、その結果、その電気抵抗の上昇を生ぜしめる
のである。この時、熱線が液体に部分的に浸漬されその
液体がその自由表面の上に存在する媒体（たとえば周囲
温度にある空気）とは異なる熱伝導度を有しているとす
れば、熱線の冷却はその自由表面のレベルの関数となろ
う。この結果として、熱線の温度、ここではその抵抗が
そのレベルに関係されるということになる。

それゆえ、液体のレベルは電気抵抗を計ることから推論
することができる。

仏国絡杵箪２．３６７．２７６畳明細書は熱線センサを
包含した液体レベル検出装置を開示している。センサの
熱線は所定期間一定電流で給電され、液体レベルはそれ
ぞれ加熱の開始時と終了時とで測定した熱線の端子電圧
の差から検出される。この装置の欠点は常に正確に確保
されなければならない電流源が必要なことであり、これ
は広い温度範囲にわたって実施することが困難なことで
ある。更に、装置にて処理される信号がアナログである
ため、周囲温度の関数として冷たいセンサの線の抵抗に
対し二乗関係にある補正を行うことが困難なのである。

仏国特許第２，５１４，４９７号明細書は検出精度を改
善するため、ディジタル計測手段を備えた熱線式レベル
検出器の各種実施例を開示している。い（つかの実施例
によれば、検出は、加熱の前後に、センサの端子におい
て絶対値で測定した電圧または電流の差をよりどころと
して行なわれている。

他の実施例は、加熱の前後に、センサの端子における電
圧および電流の同時測定から計算された、変数を熱線の
抵抗とする数式からレベルを推論している。

絶対項での電圧または電流の差の測定を頼みにした装置
は、測定した電気量と比べてその差の値が低いため、正
確な基準電圧を有する正確なアナログ／ディジタル変換
器の使用が必要になる。加えて、変換器の入力電圧のダ
イナミクスは測定しようとする電圧が周囲温度によって
大きく変化するため、測定するのに扱いに＜＜、感度が
低いのである。

更に、センサの端子における電圧および電流の同時測定
は適用するものの中には実施の困難なものがある。たと
えば、車両に積載された液体、ガソリン、油などのレベ
ルを測定する場合、電気測定装置への給電はバッテリに
よってのみ与えられる。車両本体は基準電圧とするが、
あいにく時間と共に変動しやすいものである。この結果
、ディジタル手段、ここではアナログ／ディジタル変換
器を備えた電気装置を使用する時は、２つの電圧を本体
を参照して同時に読取ることが不可能なのである。この
欠点を克服するためには、複雑な、したがってコスト高
な補正手段を使用することが必要になる。

本発明の目的はしたがって、上述した欠点お上び従来技
術にて遭遇した欠点をもたない、貯蔵容器にへれられた
液体の自由表面のレベルを測定する方法を提供すること
にある。

本発明の他の目的は、定電流源よりも実施する上でコス
トが安くてより精度のよい定電圧源を包含した、その方
法を実施する装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、感度および精度を改善したこ
の種の測定装置を提供することにある。

本発明によれば、貯蔵容器に入れられ自由表面の上に位
置される媒体とは異なった熱伝導度を有する液体の自由
表面のレベルを、電気抵抗が温度によって大きく変化す
るものであって自由表面のレベルの関数として多かれ少
なかれある程度その液体によって冷却されるよう配置さ
れた熱線センサによって測定する方法において、（ａ）
定電圧を供給することによってジュール効果により所定
温度Ｔ０までセンサを加熱し、（ｂ）温度Ｔ０に達した
時にセンサの熱線を流れる電流Ｉ。を測定しかつこの時
センサへの給電を停止し、（ｃ）給電を停止した時から
計った所定時間間隔の終りにセンサの熱線への定電圧供
給を復活させてこの所定時間間隔の終わりにおいてセン
サの熱線に流れる電流Ｉを測定し、（ｄ）　１およびＩ
。の値から液体のレベルを計算する、ことを特徴とする
レベル測定方法が提供される。

この方法を実施するため、本発明によれば、電圧源によ
って給電される熱線センサと、このセンサの熱線の端子
における電圧を安定化する回路とを包含する装置が提供
される。本発明によれば、この装置は、ジュール効果に
より温度Ｔ０までセンサの熱線の予熱を制御し、その温
度に達した時にセンサへの給電を停止し、かつ所定の冷
却時間間隔の終りにおいてその給電を回復させる第１手
段、および冷却時間間隔の境界を成す２つの瞬間の時に
センサの熟練を流れる電流の関数としたパラメータを測
定する第２手段、およびそれらの測定に感応してこれか
ら液体のレベルを推論する計算子役を備えた制御兼計算
ユニットを包含している。

以下添付図面に例示した本発明の好適な実施例について
詳述する。

第１図を参照すれば、これから、本発明による装置は、
一方では連続電圧源（＋Ｖ。）に、他方では抵抗２に接
続された熱線レベルセンサ１を含んていることがわかる
。抵抗２の他方の端子は接地されている。センサ１およ
び抵抗２に共通な点はアナログ／ディジタル変換器３の
入力に接続され、その出力９は制御兼計算ユニット４に
供給する。

変換器３は基準として電圧Ｖｒｅｆを使用し、本発明に
よる測定装置を備えた系統の主要をなすものである。

センサの熱線はレベルを測定しようとする液体のその自
由表面付近に浸漬されている。好適には、熱線はこの自
由表面に関して傾斜された位置に置かれて測定感度を上
げるようにするとよい。

液体に導電性があるとすれば、このセンサの熱線は更に
電気的に絶縁されなければならない。

制御兼計算ユニット４によって制御されるスイッチ５は
本発明による装置に電圧を選択的に供給させるものであ
る。

本発明による装置はまた周囲温度または液体温度の検出
器６をも含んでいる。本発明の実施例によれば、この検
出器６は高い温度係数を有し既知の値の固定抵抗と直列
に置かれたサーミスタから成る。

周囲温度および監視される液体の温度がほとんど変化し
ないようなものの適用では、検出器６は必ずしも必要な
ものではなく、省いてもよい。

本発明によれば、センサｌの熱線への給電は、熱線の端
子に接続された電圧安定回路７によって一定値υに保た
れている。この配置の利点は以下に明らかとなろう。

アナログ／ディジタル変換器３の入力８は抵抗８とセン
サ１との共通点に接続されている。このため、変換器３
はその抵抗の端子における電圧■をａｔシイ、Ｓ−フも
路け・を旧扶畔−ｔすあろされセンサｌを通って流れる
電流の大きさに比例している。変換器３の出力信号はＶ
／Ｖｒｅｆに比例した数Ｍである。この出力信号は制御
兼計算ユニット４に入る。この制御兼計算ユニット４は
いくつかの機能、すなわちスイッチ５のシーケンス制御
、変換器の読取り、検出器６によって測定された周囲温
度の読取り、変換器による測定値の記憶、タイミング、
および各種算術演算をなすことの機能を満足させるいく
つかの手段を含んでいる。実際には、適当にプログラム
されたマイクロプロセッサが制御兼計算ユニット４とし
て作用させるように使用されている。モトローラ社のカ
タログに６８０５　Ｒ２とあるマイクロプロセッサがこ
の適用に適している。というのは、アナログ信号を取り
込む入力があり、これか別にアナログ／ディジタル変換
器を必要とせずに作用させることができるからである。

本発明による測定方法は上述の装置の動作シーケンスを
述べることによって説明されよう。

センサ１を部分的にぬらす液体のレベルの測定を行うた
め、制御兼計算ユニット４は検出器６によって舟示され
た周囲温度Ｔａ（第２図参照）を測定することによって
始まる。

次いで制御兼計算ユニット４はスイッチ５を閉じるよう
命令してセンサの熱線のジュール熱による予熱を生じさ
せる。このとき、センサ１は電圧安定回路７によって一
定電圧Ｕが供給されている。

制御兼計算ユニット４は抵抗２の端子の電圧を読取るこ
とによってセンサを流れる電流の強さを監視する。

この強さがアナログ／ディジタル変換器３によって供給
された数の値Ｍ。に相当する所定値Ｉ。以下に下がる（
センサ１の温度が所定値Ｔ０に達したことを意味する）
とすぐ、制御兼計算ユニット４はスイッチ５を開けるよ
う命令し、タイマ・カウンタ回路をトリガする（第２図
の時間ｔ０）。

所定の時間間隔ての後、制御兼計算ユニット４は変換器
３によって供給された数の値Ｍを読取るがこれには測定
に必要な短い時間の間スイッチ５を閉じることが必要で
あり、この一時的な閉成は明らかに制御兼計算ユニット
４によって制御される。値Ｍはセンサの熱線の中の電流
１の流れに相当する。

ではセンサ１の熱時定数を考慮して選択されるもので、
センサｌがその熱平衡に達することができるほど十分に
大きくしである。

制御兼計算ユニット４はこのとき値Ｍ０およびＭから、
およびもし使用していれば周囲温度Ｔａから、液体のレ
ベルを計算する。計算の基本および行程は以下に詳細に
与えられる。

センサの冷却期間の時間間隔ｄｔの間、周囲によって熱
交換される熱量ｄＱは ｄＱ＝Ｋ（Ｔ−Ｔａ）・ｄｔ＝−Ｍｅ　ｄｔ　　　（１
）Ｔ　はセンサの瞬時温度、 Ｔａ　　は周囲温度、 Ｋ　は液体のレベルの関数であるセンサの熱環流係数、 Ｍｅ　　はセンサの比熱で、定数、 である。

関係式（１）から、 が導かれる。

時間１＝０とｔ＝τとの間を積分すると、すなわち、 となる。

係数には液体のレベルを表しているので、制御兼計算ユ
ニット４は式ｔ　−（’ｒｏ−’ｒ）／（’ｒｏ−’ｒ
ａ）を計算してこのレベルの測定値を得る。

これをなすには、Ｍはむしろ として表わされる。ここに、 Ｒ１は抵抗２のインピーダンス、 Ｖ　はセンサ１の端子に確立される定電圧、Ｒ＝ｋＴ　
はセンサの温度Ｔに比例しているとみなしたセンサの抵
抗値。

この条件下で、式（４）の項（’ｒｏ−’ｒ）は制御兼
計算ユニットによって時間１＝０とｔ＝τとでそれぞれ
決定された値Ｍ。およびＭから計算することができる。

補正項　１　／　（Ｔ　ｏ　　Ｔ　ａ）は、Ｔｏが一定
なので、周囲温度Ｔａがほとんど変化しなければ一定と
みなすことができる。

周囲温度が多少変化すれば、この補正時間は検出器６に
よってＴａの温定値を受ける制御兼計算ユニット４によ
って考慮される。項　ｔ／（’ｒｏ−Ｔａ）はＴａの関
数として表にされ、制御兼計算ユニット４のメモリに格
納される。

このようにして、レベルを表わしている項が制御兼計算
ユニットトτ−て計算された時、この制御兼計算ユニッ
ト４は、センサ応答曲線を使用して、このユニット内の
メモリに表にされて記憶されたレベル自体を推論してＭ
、／Ｍの関数とした液体レベルを与える。

次いで、本発明による液体のレベルを測定する装置を備
えた装置のパラメータの関数とする各種補正を与えるこ
とができる。

第３図を参照すれば、この図は一般的な構成か第１図に
示されている本発明による装置の一部を成す回路の配線
図を示している。この回路の目的はセンサ１への定電圧
供給を制御し、制御兼計算ユニット４による命令のとお
りにその供給をＯＮまたはＯＦＦに切換えることである
。したがって、この回路は第１図のスイッチ５および電
圧安定回路７として機能する。

この回路は本質的に演算増幅ｍｌｌを包含し、その負入
力に受けた基準電圧とその正入力に受けたセンサｌの端
子１’、１”に存在する電圧とを比較する。演算増幅器
１１の出力は、抵抗ｉ４を介して、センサｌおよび抵抗
２に流ず電流を制御するトランジスタＴ１のベースに供
給され、その）氏坑２の端子からは、すでに認められた
とおり、アナログ／ディジタル変換器３が入力電圧を読
取る。このようにして演算増幅器１１の負端子の基準電
圧の制御の下でプローブの電圧がもたらされる。

増幅器１１の負入力に供給された基準電圧は分圧ブリッ
ジ１３と接続された回路１２によって得られる。

−例として、この回路１２はモトローラ社のカタログの
集積回路Ｌ！ｊ７９０５によって構成することができ、
負入力および分圧ブリッジ１３に接続される％　ＧＲＤ
出力を有している。この回路にはコンデンサ１６゜１７
．１８が付加されて電圧の安定性を改善している。

もちろん、上記回路の代わりに多くの他の基準電圧回路
を用いることができ、それらの回路およびそれらの取り
付は方は当業者には周知である。

第３図の回路はまた、トランジスタＴ　Ｉ、　Ｔ　ｔに
よってセンサｌの電流の流れを制御している。両トラン
ジスタＴ　１．　Ｔ　＊はｎ　−ｐ　−ｎタイプのもの
で、トランジスタＴ、のベース１９は制御兼計算ユニッ
ト４から発する信号によって供給される。このため、ト
ランジスタＴ、、Ｔ、は第１図のスイッチ５として作用
する。

したがって、センサ電流が温度Ｔ０に達したことを制御
兼計算ユニット４が検出すると、（変換器３の出力の数
はＭ０）、そのユニット４によってトランジスタＴｔの
ベース１９に伝達された信号はそのトランジスタＴ、を
導通にし、ベース１９は抵抗１５によって適当に成極さ
れる。トランジスタＴ、のコレクタはトランジスタＴ１
のベースに接続されており、このときトランジスタＴ１
はセンサ１の端子１’、ｌ”間の電流の流れを遮断する
よう固定され、これは冷却期間の開始を示している。

所定時間間隔ての終わりにおいて、制御兼計算ユニット
４はトランジスタＴ、を非導通、トランジスタＴ、を導
通にして、入力８に接続されたアナログ／ディジタル変
換器３に数Ｍの計測を実行させる。次いで、制御兼計算
ユニット４は測定値Ｍ、、Ｍから、およびＭｏ／Ｍの関
数としたレベルを与えるセンサ応答曲線から液体レベル
を推論する。

この応答曲線は制御兼計算ユニット４内のメモリに表に
されて記憶されている。与えられたセンサについて、Ｍ
　ｏ　／　Ｍの関数として液体レベルを与える応答曲線
が満足な直線性を示すとすれば、もちろんセンサの応答
は簡単に考えることができる。

この説明の序文に説明したような従来の測定装置と対比
して、液体レベルはセンサの加熱期間ではなくて冷却期
間の間に行なわれた測定から得られる。周囲温度は特殊
な検出器の助けをかりて正確に測定することができる。

本発明によれば、一定かつ正確に知られた初期値Ｔ。以
下の温度低下はセンサの温度を確立するに必要な予熱の
適当な調節によって測定される。

測定中のセンサの温度変化は小さいので、測定のグイナ
ミクスは周囲温度の依存度が一層少なくなる。これによ
りこれ驚らダイナミクスの調整が最適になり、したがっ
て最適の感度および精度が得られる。

更に、本発明による装置は定電流源よりもコストが安く
より精度のよい定電圧源を使用している。

アナログ／ディジタル変換器はその基準電圧に基づいた
相対的モードで使用されており、これにより絶対的モー
ドで得られるものよりも優れた精度を得ることができる
。

変換器基準電圧、定電圧Ｕ′源および直列抵抗之れ Ｒ１は温度Ｔ０の決定のみに関係−、レベルを計算する
項Ｍ、／Ｍ　には関係されない。

本発明による装置はまた測定の数を連続させる利点を有
し、これは前述の仏国特許に述べられたタイプの加熱装
置では不可能なことである。

明らかに、本発明は上述の実施例に限定されるものでは
ない。たとえば、２種のＩ見合できない液体が異なった
熱伝導度を有しているという条件でそれら液体を隔てて
いる界面の位置を決定できる装置に及ぶのである。

また、たとえば液体が容器の最大レベルに達したか最低
レベルに達したかを表示するため１以上の異なったレベ
ルに関して液体の自由表面の位置を決定させる単純化装
置にも及ぶ。この種の装置は制御兼計算ユニットによっ
て作動されろ光学的または音響的表示器を含んでもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測定方法を実施する装置を示す図
、第２図は本発明による方法の機能を理解するに有用な
図、第３図は本発明による装置の一部を成す電子回路の
一実施例を示す配線図である。 １・・レベルセンサ、２・・抵抗、３・・アナログ／デ
ィジタル変換器、４・・制御兼計算ユニット、５・・ス
イッチ、６・・温度検出器、７・・電圧安定回路、１２
・・基準電圧回路、１３・・分圧ＩＧ−３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　貯蔵容器に入れられ自由表面の上に位置される媒体
   とは異なった熱伝導度を有する液体の自由表面のレベル
   を、電気抵抗が温度によって大きく変化するものであっ
   て自由表面のレベルの関数として多かれ少なかれある程
   度その液体によって冷却されるよう配置された熱線セン
   サによって測定する方法において、（ａ）定電圧を供給
   することによってジュール効果により所定温度Ｔ＿０ま
   でセンサを加熱し、（ｂ）温度Ｔ＿０に達した時にセン
   サの熱線を流れる電流Ｉ＿０を測定しかつこの時センサ
   への給電を停止し、（ｃ）給電を停止した時から計った
   所定時間間隔の終りにセンサの熱線への定電圧供給を復
   活させてこの所定時間間隔の終わりにおいてセンサの熱
   線に流れる電流Ｉを測定し、（ｄ）ＩおよびＩ＿０の値
   から液体のレベルを計算する、ことを特徴とするレベル
   測定方法。 ２　液体の温度を測定し、液体のレベルをその温度の関
   数として補正することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ３　センサの熱線の電流はセンサの熱線に直列に置かれ
   た抵抗の端子電圧を測ることによって測定されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   方法。 ４　センサの応答曲線に対する基準を作って液体のレベ
   ルを測定することを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれか１項に記載の方法。 ５　電圧（＋Ｖ＿０）源によって給電される熱線センサ
   （１）と、このセンサの熱線の端子における電圧を安定
   化する回路（７）とを包含する液体の自由表面のレベル
   を測定する装置において、ジュール効果により温度Ｔ＿
   ０までセンサの熱線の予熱を制御し、その温度に達した
   時にセンサへの給電を停止し、かつ所定の冷却時間間隔
   の終わりにおいてその給電を回復させる第１装置、冷却
   時間間隔の境界を成す２つの瞬間の時にセンサの熱線を
   流れる電流の関数としたパラメータを測定する第２装置
   、およびそれらの測定に感応してこれから液体レベルを
   推論する計算手段を備えた制御兼計算ユニット（４）を
   包含することを特徴とするレベル測定装置。 ６　センサの熱線と直列に置かれた抵抗と、入力をその
   抵抗の両端子に接続し、出力（９）には制御兼計算ユニ
   ット（４）にセンサの熱線の電流を表わすディジタル化
   信号を供給するアナログ／ディジタル変換器とを包含す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７　液体の温度Ｔａに感応して制御兼計算ユニット（４
   ）に液体レベルの測定に対する補正を計算するのに必要
   な信号を供給する検出器（６）を包含することを特徴と
   する特許請求の範囲第５項または第６項に記載の装置。 ８　制御兼計算ユニットは信号Ｔａの各種値と補正の対
   応値との相関を記憶したメモリを包含することを特徴と
   する特許請求の範囲第７項記載の装置。 ９　アナログ／ディジタル変換器は制御兼計算ユニット
   に入力電圧とその基準電圧との間の関係の関数とするデ
   ィジタル値を供給することを特徴とする特許請求の範囲
   第６項ないし第８項のいずれか１項に記載の装置。 １０　制御兼計算ユニットは液体のレベルを表す項を、
   Ｔ＿０およびＴをそれぞれ冷却期間の開始時と終了時と
   におけるセンサの熱線の温度とするとき、 （Ｔ−Ｔａ）／（Ｔ＿０−Ｔａ） なる式で計算することを特徴とする特許請求の範囲第７
   項ないし第９項のいずれか１項に記載の装置。 １１　制御兼計算ユニットはセンサ応答曲線が記憶され
   たメモリを包含し、その曲線を使用し、制御兼計算ユニ
   ットの計算手段によって、Ｍ＿０およびＭを冷却時間間
   隔の２つの境界にてアナログ／ディジタル変換器により
   制御兼計算ユニットに供給されたディジタル信号に相当
   する数とするとき、比Ｍ＿０／Ｍから液体レベルの測定
   を生ぜしめることを特徴とする特許請求の範囲第５項な
   いし第１０項のいずれか１項に記載の装置。 １２　電圧安定回路（７）は基準電圧の制御の下にセン
   サの端子に電圧をもたらす手段（１１、１２、１３、Ｔ
   ＿１）を包含することを特徴とする特許請求の範囲第５
   項ないし第１１項のいずれか１項に記載の装置。 １３　電圧をもたらす手段はセンサ給電回路に置かれた
   トランジスタ（Ｔ＿１）を制御する演算増幅器（１１）
   を包含することを特徴とする特許請求の範囲第１２項記
   載の装置。 １４　制御兼計算ユニット（４）によって制御されるト
   ランジスタ（Ｔ＿２）を包含してセンサへの給電をＯＮ
   またはＯＦＦに切換えるようトランジスタ（Ｔ＿１）を
   成極化させることを特徴とする特許請求の範囲第１３項
   記載の装置。 １５　液体の自由表面の位置を制御兼計算ユニット（４
   ）の制御により表示する光学的または音響的表示器を包
   含することを特徴とする特許請求の範囲第５項ないし第
   １４項のいずれか１項に記載の装置。