JPS63168514A - 風呂の湯面および温度の検出装置と風呂の管理システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は風呂（浴槽とバーナ部）の湯面レベルと湯温の
検出装置と風呂の安全管理上きわめて有効な管理システ
ムに関するものである。

〔従来の技術〕

従来タンク等のレベル測定はフロートによる方式が主流
であるが、ブリッジ回路による静電容量液面計も実用化
されている（寺尾満；現代電気工学講座工業計測２０３
−２０４頁、Ｅｉ４６，６゜オーム社）。

しかし家庭等の風呂に関する管理システムは、第７図に
示すように浴槽２０内にフロート７０を浮べて湯面レベ
ルＬを検出するレベル計と、バルブ７１を組合せた方式
による０Ｎ−ｏｆｆ制御が実用化されている。又浴槽の
湯温を検出して目標温度を推定するシステムは、提案さ
れていないのが実情である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

風呂等（：使用されているフロート式レベル計は、水道
バルブへ直結されているので、目標レベルでの０Ｎ−ｏ
ｆｆの判断しかできない。また入浴中に邪魔になるので
、取外しているので、入浴後の湯面レベルを知ることが
できない。そのため湯面が低下した場合や、子供が誤っ
て風呂栓をぬいた場合に空焚きの可能性がある。

本発明はレベル計を浴槽の外壁又は内側のコーナ部に取
付けることにより、連続的に水面レベル及び湯温度を測
定する検出装置及びこれによる湯面レベルの管理システ
ムを提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

ガス風呂等における沸き上りを判定することは難かしい
。ガス風呂は沸き出し口より、加熱された水が吐出して
水面上に浮上してくる。そのため浴槽内の温度は、上部
が高くて下部が低い状態にある。通常攪拌することによ
り湯面の温度分布をなくし、手などを使って感覚的に温
度を判定している。

本発明は浴槽の外壁もしくは浴槽内のコーナ部に温度検
出器を１点以上設け、温度測定値から湯温の平均温度を
水面レベル計と組合せて正確に推定するものである。

以下本発明を図面により詳細に説明する。

第１図、第２図は本発明を実現するための計測システム
を示すものであり、本発明の基本構成を示している。第
３図は浴槽のレベル（以下湯面レベルという）を検出す
る方法を示すものであり、第４図は風呂水の温度検出と
温度分布を示すものであり、第５図は湯面レベル？検出
するための回路例（第５図（ａ）　、　（ｂ）　）と温
度検出回路例である。

本発明の湯面レベル検出は静電容量を利用する第３図（
ａ）と磁界の変化を利用する第３図（ｂ）がある。

静電容量を利用する方法は先に提案した、特開昭５”−
１８２１０２号公報を利用するものであり、１つの電極
に交流発振器３を接続し、他の１つの電極に電流増巾器
４を接続する。静電容量はこの２つの電極間の静電容量
を測定する。浴槽の材質は非金属の樹脂系と金属系があ
り、静電容量方法は樹脂系に利用される。

静電容量方法は、第３図（ａ）に示すように浴槽２０の
壁（側面）に取付けられる。浴槽２０の中に水がないと
きは、浴槽２０自体の静電容量はＣ６となる。樹脂系の
誘電率は５〜８である。

浴槽２０に水が注入されると湯面レベルが徐々に上昇す
る。水の誘電率は７０〜８０であり、湯面変化に対する
静電容量ａＸの変化は太きい。静電容量式の湯面レベル
センサー１−５が検出する静電容量Ｃは次式でなる。

Ｃ＝　Ｃ（１＋Ｃｘ＝Ｃ０＋ｋ　ｔＢ’ｘ　　　　　　
　（１）ｋは補正係数でセンサーの形状や浴槽への取付
け状態によって決まる。εＳは誘電率、へ　は湯面の位
置、ｃｘ＝にεｓＪ、χである。

静電容量Ｃの検出は第５図（ａ）に示すように、例えば
電流増巾器４にて検出できる。交流発振器３の周波数ｆ
を一定として、発掘電圧をＶ工とすれば、出力電圧ｖ０
は Ｖｏ”−（Ｃｏ＋Ｃ２）ＲｆＶ１＝−Ｃ（、ＲｆＶｌ−
Ｃ，Ｒｆｌｒ’１　　　　（２）となり、交流直流変換
器（例えば検波回路など）５で直流成分に直し、（２）
式の第１項（−ＣｏＲｒＶｔ）は一定値であるから、交
流直流変換器５でバイアスを掛けることにより除去でき
るので、出力電圧覧は、湯面レベルＩＸに比例した電圧
となる。

次に浴槽が金属の場合、例えばステンレスや柄物の場合
について説明する。

湯面レベル測定には電磁コイルによる方法であり、基本
的な方法を第３図（ｂ）に示し、測定回路例を第５図（
ｂ）に示す。

この方法は先の静電容量方式と同様に浴槽２０の側面に
取付ける。電磁コイル方式は２つのコイルから成り、１
つのコイルに発振器３′を接続し、他の１つのコイルを
受信コイルとして増巾器４′を接続する。

ステンレスは非磁性であり、鋳物は透磁率が小さいので
、コイルに接続する発振器３′の周波数は、低周波（数
ＫＨｚ以下とし、−例として５００　Ｈｚ前後とする）
を使用すると、磁束φは浴槽の壁を透過して第３図（ｂ
）に示すように受信コイルと結合する。受信コイルに生
ずる電圧ＶはＶ＝ｄφ／ｄｔ　　となる。

浴槽に水がないときは受信コイルのみとなり、水がある
ときは静電容量Ｃｘとの結合が生じ、受信コイルとＣｘ
との並列回路となり、第５図（ｂ）に示す構成となる。

湯面レベルが満水で共振状態になるように、コイルの巻
数の変更または低周波の範囲内で周波数を選択する。即
ち受信コイルの出力電圧■が最大になるようにすると、
湯面レベル１ｘに比例した出力電圧ｖＬ′を得ることが
できる。

また共振状態全満水でなく、目標レベル！ｓで共振状態
になるようにすると、目標レベル１ｓで電圧は最大とな
り、湯面レベルが１−ｓを越えると電圧は低下するので
、微分回路などによって、湯面レベル１ｘ　　が目標レ
ベルＬｓになったことを判断できる。

以上述べた湯面レベル測定は、浴槽のはソ全レベルを検
出できる構成を示したが例えば測定範囲を狭くして目標
レベルに対して十数１０ｗｍ〜１００閣程度の範囲で計
測できる検出器にしてもよい。

次に浴槽内の湯の温度（以下湯温と云う）の測定原理に
ついて説明する。

第４図（ａ）に示すように浴槽の外壁に温度検出器例え
ば熱電対やサーミスタなどを取付ける。熱電対は温度；
二依存した起電力を生じ、サーミスタは抵抗値が変化す
る。第５図（Ｃ）は、サーミスタの抵抗変化を電圧１：
変換する基本回路である。出力電圧ｖｔは次式となる。

これより温度変化ｒ電圧変化として取扱うことができる
。浴槽の湯温推定は、測定点数が多い程推定精度はよい
が、ここでは４点以下の測温によって湯温を推定する方
法について述べる。

浴槽２０に水がレベルＬＨだけ注入されているとすると
、第４図（ａ）に示すように配置した温度検出器１−１
　、　ｌ−２、ｌ−３、ｌ−４の検出値を、それぞれＴ
、。

Ｔ２．　Ｔ、　、　Ｔ４とすると、バーナ２１０点火後
の温度経過は第４図（ｂ）に示すようになる（　ｔｏ％
　ｔ４は時間経過を示す）。

湯面レベルが九　のときの浴槽の壁の任意の位置Ｊ、＊
　（ＪＬＨ≧２．　）の温度Ｔｘは、測定点の温度Ｔ、
。

Ｔ２．　Ｔ、　、　Ｔ４を通る曲線の方程式を、例えば
ニュートン補間法、ラグランジェ補間法で求めることに
より、位置！×の温度Ｔｘを湯面ＯからＪ、Ｈまで正確
に推定することができる。

従って温度の曲線方程式を湯面０からＩＨまで積分シテ
、湯面レベルＪ−Ｈで割ることにより浴槽の壁の平均温
ＫＴｙが求まる。ＴＦと湯温の平均温度Ｔ（浴槽内を攪
拌した後）との関係は、比例関係にある。関係式は Ｔ：ａＴＦ　　　　　　　　　　　（４）但し　ａは０
．９ となり、これより湯温の平均温度を正確に推定できる。

湯面が１Ｌのとき（温度検出器１−４と１−３　　との
中間位置）について説明する。

浴槽内の水温が大気温度より低くければ、第４図（ｃ）
に示すように時間ｔ。のときＴ４）Ｔ、となる。バーナ
２１の点火後の温度経過は、第４図（ｃ）の温度となる
。湯面レベルｉＬと温度検出器１−４との位置関係から
、温度検出器１−４の温度Ｔ、を採用せず、前記と同様
Ｔ、、　Ｔ２．　Ｔ３を通る方程式を求め、０からｉＬ
まで積分してれで割り、平均温度を求め、（４）式に代
入することにより、湯面の平均温度〒が求まる。

この場合前者に比べ、推定精度は±０．２℃悪くなる。

またＴ４を採用して推定した場合の誤差は、湯面レベル
に依存する。湯面レベルが温度検出器１−３の位置のと
き最大となる（最大誤差−０，７℃）。

この誤差を補正する式が（５）式である。

ＴＦ　＝　ＴＦ　＋　Ｋ（ＪＨ−Ｊｘ）　　　　　　　
　（５）但しＬｘはｉＨ≧１ｘの範囲内である。

ＴＦ′はＴ４を採用したときの推定温度九は温度検出器
１−４のレベル （５）式を（４）式に代入することにより、湯温の平均
温度を推定できる。

測温点を１点のみ、例えば温度検出器１−３の温度Ｔ、
と、湯面レベルと組合せて湯温の平均値を推定する。推
定式は（６）式とる。

〒”ｂ　Ｔ４　＋　ｄｉｘ　　　　　　　　　　　　　
　　（６）但しす、ｄは係数 湯面レベルは温度検出器１−３の位置より高いものとす
る。このときの平均湯温〒の推定誤差は、±１．５℃以
内で実用的な範囲内である。

以上説明した湯面検出器と温度検出器を組合せて、一つ
の検出器としたものが第６図である。この例では静電容
量センサーの中央アースの先端部に温度センサを取付は
一体化して、検出器１を構成している。電磁コイルレベ
ル計と温度検出器との組合せも同様である。

この検出器を用いて家庭などの風呂釜における管理シス
テムを実現できる。

第１図を用いて具体的に説明する。

本システムは温度、湯面レベルを検出する検出器１から
の信号を、温度は信号増巾器２　（２−１〜２−４　）
　、湯面レベルは電流増巾器４、交流直流変換器５、交
流発振器３から構成される信号増巾器で処理する。信号
増巾器からの信号ｖＴ１〜ｖＴ４ｙｖＬはＡ／Ｄ変換器
６に接続されている。

信号処理装置７（例えば電子計算機）はあらかじめ処理
内容を記憶して、その内容を処理する機能ｒ有する装置
である。信号処理装置７には、先に述べたモデルや処理
すべき内容を記憶させているので、Ａ　／　Ｄ　変換器
６を通して読込まれた信号Ｖ□〜ｖＴ４　＋　”Ｌ　　
は湯温の推定とレベルを判断する。設定器８では、目標
温度、目標レベルを設定する。

信号処理装置７は常に目標値と比較して、測定値が目標
値に達すれば出力装置９を通してブザー１０を作動しラ
ンプ１１を表示することによって警報の内容を知らせる
。また自動的に水道バルブ、ガスバルブを開閉する場合
は、電磁弁２３．２４に信号（ＷＣＶ、　ＧＣＶ　）　
　ｆ送ることにより実現できる。

湯面レベルが目標レベルが低くて沸かすときは、湯面レ
ベルがバーナ一部２１からのわ、き出し口２２の下限レ
ベルＡＬＬより高くする必要がある。それは空焚きを防
止するためである。下限レベルｉＬＬより低い場合は、
信号処理装置７で判定して警報ランプにて表示する。水
道やガスに電磁弁を使用している場合、湯面レベルが下
限レベル’ＬＬより低いときは、電磁弁２３．２４は開
かない。

設定器８よりセット・アップすることにより、水の電磁
弁２３が開き、水が注入され、下限レベルｉ□が湯面レ
ベルより高くなると、ガスの電磁弁２４の開閉が可能と
なり、点火可能となる。これらは第１図に示した本発明
の装置構成で簡単に処理できる。

以上述べた方法は第２図に示す方式でも実現できる。第
２図に示す方式の検出器１と信号増巾器関係は第１図に
示したものと同じである。

第２図面の簡単な説明する。加算増巾器１２には各温度
信号ｖＴ、〜Ｖで、が入力され、それを加算する。加算
値はＶＴとなる。温度推定にはＶレベルの補正が必要で
あるから、レベル信号ｖＬとｖＴ　　はレベル補正器１
３に入力される。

レベル補正器１３は例えば差動増巾回路でも実現できる
。レベル補正器１３の出力ｖＴは比較回路１４で設定回
路１４−１の設定電圧ｖＴｓと比較され、一致すると比
較回路１４より信号Ｓ、を、警報器１８と弁駆動器１５
に送る。

警報器１８はブザーを作動し、弁駆動器１５はガス電磁
弁２４に信号を送る。レベル比較器１６はレベル信号ｖ
Ｌと設定回路１６−１の設定電圧ＶＬＳと比較し、一致
すると警報器１日によりブザーを作動し、弁駆動器１９
により水の電磁弁２３に信号を送る。

またレベル下限判別器１７はレベル信号ｖＬと下限設定
回路１７−１の設定電圧ＶＬＬと比較し、ｖＬがＶＬＬ
より小さいときは警報器１８によりブザーを作動する。

警報器１Ｂではランプ表示を行い、ランプ１８−１は温
度用、ランプ１８−２はレベル用で、ランプ１８−３は
下限レベル用である。ランプ表示によって警報内容を確
認できる。勿論確認することによりリセットできる。

以上説明したように、本発明は浴槽の壁に検出器を取付
けてレベルと温度を測定しているが、検出器（温度、レ
ベル）を樹脂性容器（レベル計が静電容量式、電磁コイ
ル式）や非磁性金属容器（レベル計が電磁コイル状のと
き）に封入して、浴槽内に直接挿入して、温度とレベル
を測定してもよい。この場合の温度は（３）式において
ａ　＝　１となる。

（発明の効果） 本発明により、風呂の水面レベル、湯の温度管理が浴槽
の外壁から安全にかつ容易にコントロールすることが可
能となり、内装式の欠点であった風呂の狭少スペースを
解消し、或いは入浴中の取外しによる空焚きの可能性を
防止することが出来る様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２因は本発明の詳細な説明図、第３図（ａ）
　、　（ｂ）は、浴槽のレベル測定の原理の説明図、第
４図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）は浴槽温度の温度
経過の説明図、第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）
は温度、レベルの検出回路の基本の説明図、第６図は温
度センサーとレベルセンサーを一体化した説明図、第７
図は従来例の説明図である。 代理人　弁理士　　茶野木　立　夫

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）浴槽の外壁に設置した２枚の電極の片方に交流発
   信器を、他の１つの電極に電流増幅器を接続し、この２
   つの電極間の静電容量を測定して湯面レベルを求める静
   電容量式検出器と、該検出器の中央アースの先端部に１
   点以上の温度検出端を取付け外壁温度分布を測定して浴
   槽内の湯の平均温度を求める検出器からなる風呂の湯面
   および温度の検出装置。
2. （２）２枚の電極の片方に交流発振器を、他の１つの電
   極に電流増幅器を接続し、この２つの電極間の静電容量
   を測定して湯面レベルを求める静電容量式検出端が、２
   ケのコイルの片方に交流発振器を、他の１ケの受信コイ
   ルに増幅器を接続し、受信コイルに発生する電位を測定
   して湯面レベルを求める電磁コイル式検出器である特許
   請求の範囲第１項記載の検出端。
3. （３）２枚の電極の片方に交流発振器を、他の１つの電
   極に電流増幅器を接続し、この２つの電極間の静電容量
   を測定して湯面レベルを求める静電容量式検出器と、該
   検出器の中央アースの先端部に１点以上の温度検出端に
   より湯の温度分布を測定して、浴槽内の湯の平均温度を
   求める検出器からなる１体化した検出器を、樹脂性容器
   に封入し、直接浴槽内に挿入して湯の温度と水面レベル
   を求める風呂の湯面および温度の検出装置。
4. （４）２枚の電極の片方に交流発振器を、他の１つの電
   極の電流増幅器を接続し、この２つの電極間の静電容量
   を測定して湯面レベルを求める静電容量式検出端が、２
   ケのコイルの片方に交流発振器を、他の１ケの受信コイ
   ルに増幅器を接続し、受信コイルに発生する電位を測定
   して、湯面レベルを求める電磁コイル式検出器である特
   許請求の範囲第３項記載の検出端。
5. （５）樹脂容器が非磁性金属容器である特許請求の範囲
   第４項記載の検出端。
6. （６）いずれか１つの検出端から湯温度及び湯面レベル
   を検出し、湯温度が目標レベルに達したこと或いは湯面
   レベルが下限を切つたことを検知し、ブザー、ランプに
   て表示するとともに自動的にガスバルブ又は水道バルブ
   を開閉させる風呂の湯温度と湯面レベルの管理システム
   。