JPS63311122A - 液体の量の測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はタンクの中の液体の量を測定するための装置に
関するものであり、更に詳しくは、本発明はタンク内の
液体の量の比率計量測定（ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ　ｌ
Ｉｌｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を実行するための装置であ
って該装置はセンサー特性と励起電圧（ｅｘｃｉｔａｔ
ｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ）に不感応であり又、検知され
た液体の量が零である時に零出力を発する装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

燃料タンク内のそしてより特別には航空機の燃料タンク
の燃料の量に関する表示を提供する多くの流体測定シス
テムが知られている。公知の流体測定システムにおいて
は、タンク内の液体のレベルはタンク内に設けられてい
るキャパシターの値における変化を検知することにより
決定されている。キャパシターは、タンク内における液
体のレベルが変化するにつれて充満せしめられるか空と
なる空気ギャップによって隔てられている２枚のプレー
トを持っている。空気ギャップの充満或は空はキャパシ
ターのキャパシタンスを変化させるのでそれ故タンク内
の燃料のレベルの表示を提供するものである。

かかる公知のシステムにおいて、交流電気信号がキャパ
シターの一方のプレートに供給され又他のキャパシター
のプレートからの出力が適宜の測定回路に供給される。

又ケーブル効果（ｅｎａｂｌｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ）を
相対的に生じ難くする検知信号を提供するためにキャパ
シターの出力信号を整流することも知られている。

キャパシターの出力信号を整流する公知の方法は、キャ
パシターの出力電極と結合されかつこれに平行な一対の
ダイオード（反対の極性にある）を準備することである
。

然しなから、かかる公知のシステムに関してはそれ等が
ダイオードの特性に対して極めて感度の高いものである
と云う困難性が経験されて来ている。更に、あらゆる励
起電圧における変化がキャパシター出力信号の正確性を
過度に変更する。

最後に、かかる公知のシステムは燃料がタンク内に存在
しない時に真の零出力信号を発生することが出来なかっ
た。かかる公知のシステムはマイヤーズ（Ｍｙｅｒｓ）
の米国特許第４２５９８６５に開示されている。マイヤ
ーズは燃料タンク内に設けられかつキャパシター出力信
号を整流するための１組のダイオードに結合されたキャ
パシターセンサーを開示している。

整流された信号は次で表示装置を駆動する演算増幅器を
含む測定回路に供給される。

メイヤーズは励起電圧における変化液体内の温度変化及
び液体の絶対誘電率（ｐｅｒｍ　ｉ　ｔ　ｉｖ　ｉ　ｔ
ｙ）に対する出力信号の補償、を提写している。メイヤ
ーズの第２図は液体内における温度変化を補償する装置
について述べられている。

第２図において、各々が整流ダイオードの組に結合され
た第１と第２のキャパシターが同一燃料タンク内に設け
られている。然しなから第１のダイオードの組からの整
流信号は、表示装置を駆動しており一方第２のダイオー
ドの組からの整流信号は励起信号における変化を補償す
るため発振器にフィードバンクされている。このような
システムはダイオードの特性に極めて敏感であり又検出
された燃料の量が零である時に真の零出力を発生しない
ものである。

これと同様にマイヤーズの第３図は各々が整流ダイオー
ドの組に結合された３個のキャパシターが燃料タンク内
に設けられているものを示している。第３図は第３のキ
ャパシターが訂正回路と結合されておりそれは続いて表
示装置と結合せしめられており、タンク内に燃料の量が
零となった時零出力が発生されることを確実なものとし
ている。

然しなから、この装置も又ダイオードの特性に極めて高
感度である。更に、当業者はメイヤーズの第３図に関す
る装置は複雑であり、嵩が高く真の信頼性についての危
険を与えるものであることを容易に理解しえる。

公知の流体測定システムについての他の例はフランクリ
ン（Ｆｒａｎｋｌ　ｉｎ）の米国特許第４０２０６９１
号に開示されている。フランクリンにおいては、各燃料
タンク内に１つのキャパシターが存在しており、それは
対応するダイオードの組と結合されている。各ダイオー
ドの組の１つのダイオードはいづれのタンクのキャパシ
ターがスイッチを通して結合されているかという情報を
伴う表示装置を有するスイッチング装置と結合されてい
る。この表示装置は各々の個別のタンクにおけ漬燃料の
表示を提供する。

各ダイオードの組の第２のダイオードは全ての燃料タン
クにおいて利用しうる燃料の総量を示す表示装置を駆動
する合計回路（ｓｕｍ　ｃｉｒｃｕｉｔ）と結合されて
いる。然しなからフランクリンのシステムはダイオード
特性に対しては不感応であり、励起信号における変化に
対しては高感度で又検出された燃料の量が零である時に
真の零出力を発生することが出来ないという問題に直面
させられている。

他の公知の流体測定システムは中でも、マイヤーズ等の
米国特許第４５８３４０２号及びラーソン（ｌａｒｓｏ
ｎ）の米国特許第４１４５９２７号等に示されており、
かかる公知の流体測定システムは上記したような問題を
被っている。

以下余白 〔発明が解決しようとする課題〕 従って、必要とされることは、簡単で合理化された信頼
性のある装置でしかもダイオード変化（ｄｉｏｄｅ　ｖ
ａｒｉａｔｉｏｎ）、励起信号の変化を被ることなくタ
ンクの中の燃料の量を正確に表示し又検知されたタンク
内の燃料の量が零の時に真の零出力を発生する装置であ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に従えば、タンク内に設けられ文筆１と第２の測
定信号を供給するために交流信号（ＡＣｓｉｇｎａｌ）
　２に応答する第１と第２の変換手段（ｔｒａｎｓｄｕ
ｃｅｒ　ｍｅａｎｓ）（６，８）　、第１の測定信号は
タンク内の液体の量に対応し文筆２の測定信号はタンク
が空の状態である場合に対応するものであり、第１と第
２の測定信号を個別に受けるため文筆１と第２の電流信
号を個別に発生するため第１と第２の変換手段（６，８
）と個々に結合されている第１と第２の整流手段（］）
＋　、Ｄ２及びＤ３゜Ｄ４）、第１の電流信号と第２の
電流信号の１部とを受け又受けた信号に対応する第１の
電圧信号を発生するため、第１と第２の整流手段Ｄ１．
Ｄ２及びＤ３．ＤＪに結合されている第１の電流−電圧
変換手段（１４）　、第２の電流信号の他の部分を受け
文筆２の測定信号に対応する第２の電圧信号を発生する
ための第２の整流手段（Ｄ３　、　ＤＪ、）と結合され
た第２の電流−電圧変換手段（１８）　、及びタンク内
の液体の量を表示する出力信号を発生するため第１と第
２の電圧信号の比を形成するための手段（２０）とによ
り特徴付けられているタンク内の液体の量を測定するた
めの装置が提供されるのである。本発明を具体化してい
る液体測定装置は図面を参照しながら、実施例の形にお
いてのみ以下に説明されるであろう。その単一の図面は
この装置の概略の回路ダイアグラムである。

該装置は直流（ＤＣ）燃料タンク測定ユニットを使用す
るもので又励起電圧と周波数における変化の影響を受け
ず、温度変化と又低い励起電圧であったとしても直流ダ
イオード特性に対して不感応であるという利益を提供し
、又タンク内において燃料が検出されない時に真の零出
力を発生する装置である。前に述べた技術は特にダイオ
ード特性の温度変化に対して感応性があったし又この効
果を最小化するために相対的に高励起電圧が要求されて
いた。

簡単に云えば、本装置は固定と可変のキャパシターを含
むタンク測定ユニットを構成している。

第１のキャパシターはタンク内の燃料の量に従って変化
するキャパシタンス値をもっている。第２のキャパシタ
ーは空のタンク状態に応じて予め決められた固定キャパ
シタンスを持っている。両キャパシターは交流発電機（
ＡＣｇｅｎｅｒａｔｏｒ）により駆動される。１つのダ
イオードの組は各々のキャパシターと各組のダイオード
が反対の極性となるように結合されている。固定キャパ
シターのキャパシタンスはタンクユニットの空の状態に
おけるキャパシタンスと等しくなるように予め決定され
る。これは工場において可変キャパシターのプラスダイ
オードを固定キャパシターのマイナスダイオードに接続
させておくことにより又可変キャパジターのマイナスダ
イオードを固定キャパシターのプラスダイオードに接続
させておくことにより達成される。このような接続によ
り、可変キャパシターの正の半波電流パルスは１つの接
続部で固定キャパシターの負の半波電流パルスと加算さ
れ又他の接続部では逆の状況が生じる。これ等の接続部
の１つは接地され又他の接続部はＤＣ増幅器の加算点に
接続されている。ＤＣ増幅器の出力は入力された電流パ
ルス（又は直流成分）の合計の平均である。

入力パルスは位相が異っているので（一方のキャバシタ
ーカ゛５ｔｊプラス又他方のキャパシターからはマイナ
ス）、該ＤＣ増幅器の出力は２つのキャパシター電流間
の差を表わしている。この電流が均しい時にはＤＣ増幅
器の出力は０となり又２つのキャパシター値は等しいも
のである。固定キャパシターは次で例えば６　ＫＨｚの
正弦波によって励起された時に該組立部品からの総合電
流が零となるまで調整される（選択、トリマー等により
）。

工場で校正された測定用組立部品は次で３本のワイヤー
と２個の直流増幅器を用いて燃料タンク内に固定される
。可変キャパシターの正のダイオード（ｐｏｓｉｔｉｖ
ｅ　ｄｉｏｄｅ）と固定キャパシターの負のダイオード
（ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｄｉｏｄｅ）は１つの直流増幅器
と接続されている。又可変キャパシターのマイナスダイ
オードは直流増幅器の接地基準（ｇｒｏｕｎｄｒｅｆｅ
ｒｅｎｃｅ）と接続されている。固定キャパシターのプ
ラスダイオードは第２の直流増幅器と接続されている。

当然のことであるが、もし必要であれば全てのダイオー
ドは信号に対する極性を変更するために逆転せしめられ
てもよい。２個の直流増幅器の出力比はタンクユニット
の付加されたキャパシタンスに比例しており又タンク内
における液体の量に対する出力を正確に提供する。信号
は比率であることから、その信号は励起電圧と周波数と
は独立しており又ダイオードの熱効果とも独立したもの
である。ダイオードの特性は出力に逆の影響をほとんど
与えないので、より低い励起電圧が使用出来る。

図面は装置を示している。信号発生器２は予め定められ
た周期の正弦波の交流を提供する。例えば６　ＫＨｚの
信号が使用されてもよい。信号発生器２は正弦波発振器
或は正弦波励起電圧を発生するために公知であるか或は
利用可能な他のいかなる手段でも使用出来る。

タンクユニット組立部品（以下Ｔ／ｌＪ＆！ｌ立部品）
４の内にキャパシタンス値Ｃ□を有する可変キャパシタ
ー６が設けられている。又同Ｔ／Ｕ組立部品４内にＣＦ
のキャパシタンス値を有する固定キャパシター８が設け
られている。各キャパシター６と８の一方のプレートは
信号発生器８からの励起電圧を供給される。キャパシタ
ー６の第２のプレートは第１の整流手段り、、Ｄ２と結
合されており一方キャパシター８の第２のプレートは第
２の整流手段Ｄ’ｓ　、　Ｄａに結合されている。一般
的に云えば、角周波数Ｗの正弦波により励起される容量
性センサー（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　５ｅｎｓｏｒ）を
介しての電流は以下に示される １　＝　Ｅｌ、ＩＣ−−−−−−−〜−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−（１）ここでＥは励起電源
のピーク電圧であり、又Ｃはセンサーのキャパシタンス
である。もしダイオードがこの電流に対して直列に挿入
されるならば、ダイオードの配列に依存して電流のうち
正又は負の半周期のみが流れるであろう。正及び負のダ
イオードが容量性センサーを介しての交流電流を保持す
るために一組として使用される。然しなから、ダイオー
ドは正の電流パルスを１つの帰還点（ｒｅｔｕｒｎ　ｐ
ｏｉｎｔ）に向ける（ｓ　ｔｅｅｒ）ために、又負の電
流パルスを他のく又は同一の）帰還点に向けるために使
用される。もし１つのダイオードから出た電流が演算増
幅器の加算点に、低域フィルター特性と値Ｒのフィード
バック抵抗と共に加えられると電流の直流成分のみが残
り整流された出力電圧は直流となり次式で表わされる Ｖ　ＤＣ＝　Ｅ　ｗ　ＣＲ／　Ｐ　ｉ　　−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−（２）上記に述べた関係は
当業者によく知られている。

一般的に、ダイオードをもった容量性センサーの考え方
と利益はよく知られている。

利点は簡単な信号条件と出力信号の為のしやへいされた
ケーブル（ｓｈｉｅｌｄｅｄ　ｃａｂｌｅ）の排除とい
う点を含んでいる。

然しながら、このような公知のシステムは依然として励
起電圧の値に対して又ダイオード特性における変化に対
しても感応性を有しており、又検知された燃料の量が零
である時でさえも出力を出すものであった。従って装置
は従って、ダイオード特性、励起電圧及び周期に不感応
性であり、又検出された量が零である時に真の零出力を
発生する容量性センサーシステムを製造するためにダイ
オードの制御能力を使用するものである。

キャパシターのキャパシタンス値は以下の式により測定
されてもよい。

ＣＴ　＝ａｌｐｈａ　（Ｋ−１）　Ｃａｔ＋Ｃｅｔ　−
−−−−−（３）ここでａ　１ｐｈａは検知された誘電
体材料（例えば燃料）の高さであり、Ｋは材料の比誘電
率（例えば燃料の非誘電率）であり、Ｃａｔはセンサー
の有効キャパシタンス（ａｃｔｉｖｅ　ｃａｐａｃｉｔ
ａｎｃｅ）であって一定であり又Ｃｅｔはセンサーの空
気中におけるキャパシタンスであってこれも又一定であ
る。

上述した通り、センサー組立部品が作られる時にダイオ
ードＤ１とＤ４は一緒に結合され又ダイオードＤ２とＤ
３も又共に結合される。センサーは次で正弦波源により
励起され、キャパシター８のキャパシタンス値が各ダイ
オードの組の出力電流の合計が零になるように調整され
る。それ故次の関係が保られる Ｃ　、　＝　Ｃｅ　ｔ　　　−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−４）ダイオードＤ、を通るキャパ
シター６からの出力電流は次のように表わされる。

直流電流Ｄ＋　＝Ｅ、１Ｃｔ　／　Ｐ　ｉ　　−−−−
−（５）同様にダイオードＤ４を通るキャパシター８か
らの直流出力電流は次のように表わされる。

直流電流Ｄ４＝　Ｅｗ　ＣＦ　／　Ｐ　ｉ　　〜−〜−
−（６）ダイオードＤ、とＤ４を通る出力電流は結合点
（ｎｏｄｅ）　１０で加算され演算増幅器１４の加算点
１２に向けられる。演算増幅器１４の出力は電圧信号Ｅ
、である。演算増幅器１４の反転入力は両ダイオードＤ
、とＤ４からの直流電流を受けるので、演算増幅器１４
の出力電圧Ｅ１は次のように計算される Ｅ、＝　（Ｃア−Ｃ，）（ＥＷ　Ｒ１）／Ｐ　ｉ　−（
７）ここでＲ，＝演算増幅器１４のフィードバック通路
における抵抗Ｒ７の抵抗値である。

ＣＦ　−Ｇ　ｅ　ｔ　　（第４式参照）であり又第３式
は次のように書き換えられる。

Ｃ’ｅ　ｔ　＝ＣＴ　−ａｌｐｈａ（Ｋ　−１）　Ｃａ
　Ｌ−（８）そこで演算増幅器１４の出力電圧Ｅ１は次
のように表わされる、 Ｅ＋　＝ａｌｐｈａ（Ｋ　−１）　Ｃａ　ｔ　　（Ｅｗ
　Ｒ＋）／Ｐ　１同様の方法で、ダイオードＤ３を通る
直流電流は次のように表わされる、 直流電流Ｄｓ　＝　Ｅ＋ｎ　Ｃｒ　／　Ｐ　ｉ　　−・
−（１０）Ｃｙ　＝Ｇｅ　ｔ　（第４式参照）であるか
らダイオードＤ３を通る直流電流は次のように表わされ
る。

直流電流Ｄ３　＝　Ｅｗ　Ｃｅ　ｔ　／　Ｐ　１−−−
　（１１）ダイオードＤ３からの直流電流は演算増幅器
１８の加算点１６に供給される。

このようにして、演算増幅器の反転入力はダイオ−ドＤ
３から直流電流を受ける。゛演算増幅器は抵抗値がＲ２
である抵抗Ｒ２を有するフィードバック通路を含んでい
る。演算増幅器１８の非反転入力は接地されている。こ
のように演算増幅器１８の出力は電圧信号Ｅ２である。

この電圧信号Ｅ２は次式のように計算される。

Ｅ、　＝Ｅ、ＩＣｅ　ｔ　Ｒｚ　／Ｐ　ｉ　　−−−−
−−−（１２）このように、第９式と第１２式はタンク
内の燃料の量のレベル及び空のタンクにもとづいて予め
定められた固定されたキャパシタンスを反映する出力電
圧信号を提供する。各演算増幅器からの電圧信号の比を
形成することによりダイオード特性及び励起電圧変動に
対する不利益が除去されうる。

第２の電圧信号Ｅ２に対する第１の電圧信号Ｅ＋の比は
次式により計算される。

−ａｌｐｈａ　（Ｋ−１）　ＣａｔＲ＋　／Ｃｅｔ　Ｒ
２ＧｅｔとＣａｔとは知られている定数である故、又も
しＲ，とＲ２が公知の比率（比率整合抵抗（ｒａｔｉｏ
−ｍａｔｃｈｅｄ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ）はよく知られて
いる。）であれば、得られる値は励起電圧Ｅ、励起周波
数Ｗ、及びダイオード変化（励起電圧変化として表われ
る）とは独立しており又測定されたパラメーターが実際
零である時に零の出力を発生する。事実、もしＲ１とＲ
２が正確でかつ安定な抵抗体であるものとして選択され
た場合、そこで比率出力信号は積ａｌｐｈａ（Ｋ　　１
）である望ましく測定されたパラメーターにのみ依存し
ている。

云わずもがなではあるが、比率装置２０は必要な比率計
算を実行し適切な出力信号を発生する。

両ダイオードの組が同一の熱環境に存在しているので、
ダイオード効果（ｄｉｏｄｅ　ｅｆｆｅｃｔ）も又比率
信号中でキャンセルされる。ダイオード特性は出力に何
ら影響を与えないため、システムの正確性を損うことな
くより低い励起電圧を使用することが出来る。

このようにして、これまで述べて来たことは、タンク内
の燃料のレベルを表示する極めて正確な出力信号を発生
するための簡素化され合理化された構造である。

出力信号は励起電圧と周波数における変化及びダイオー
ド特性の影響を受けず、又タンク内に燃料が存在しない
時真の零出力信号を発生する。

然しなから、当業者は本発明の精神と特許請求範囲にお
ける保護範囲とから逸脱することなしに本発明の主題に
対する幅広い変形態様を作り出すことが出来ることを容
易に理解するであろう。例えば、比率装置２０は表示ユ
ニット、マイクロプロセッサ−或は比率操作を実行し、
適切な出力信号を発生する他に知られている便利な装置
であってもよい。

一方最も実際的で好ましい具体例であると現段階で考え
られているものについて本発明は記述して来たが、本発
明は開示された具体例に限定されるべきものではなくこ
れとは逆に全ての修正や均等な構成を包含するように最
も広い解釈が与えられるべき保護範囲である添付の請求
範囲の精神と範西向において含まれる多くの修正や均等
構造をカバーすることを意図されたものであることは理
解されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る液体量測定装置に関する概略回路
ダイアダラムである。 ２・・・信号発生器、 ４・・・タンクユニット組立部品、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タンク内に設けられ又第１と第２の測定信号を供給
   するために交流信号に応答する第１と第２の変換手段、
   第１の測定信号はタンク内の液体の量に対応し又第２の
   測定信号はタンクが空の状態である場合に対応するもの
   であり、第１と第２の測定信号を個別に受けるため又第
   １と第２の電流信号を個別に発生するため第１と第２の
   変換手段と個々に結合されている第１と第２の整流手段
   、第１の電流信号と第２の電流信号の１部とを受け又受
   けた信号に対応する第１の電圧信号を発生するため第１
   と第２の整流手段に結合されている第１の電流−電圧変
   換手段、第２の電流信号の他の部分を受け又第２の測定
   信号に対応する第２の電圧信号を発生するための第２の
   整流手段と結合された第２の電流−電圧変換手段、及び
   タンク内の液体の量を表示する出力信号を発生するため
   第１と第２の電圧信号の比を形成するための手段とによ
   り特徴付けられているタンク内の液体の量を測定するた
   めの装置。 ２、第２の変換手段は空のタンクに対するキャパシタン
   ス値に対応する予め定められた値（ＣＦ）を有するキャ
   パシターを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。 ３、各々が平行に結合されてはいるが互に反対の極性を
   もつように結合されている一組のダイオードを含んでい
   る第１と第２の整流手段と、第１の組における１つのダ
   イオード（Ｄ＿１）の第１の電極が第２の組における１
   つのダイオード（Ｄ＿４）の、該第１の電極と反対の極
   性である、第２の電極と接続されていることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の装置。 ４、結合されている第１と第２の組のダイオード（Ｄ＿
   １とＤ＿４）は更に第１の電流−電圧変換手段に接続さ
   れていることを特徴とする請求項３記載の装置。 ５、第１の変換手段はタンク内の液体の量と共にその値
   が変化する交流第１測定信号を発生するためのキャパシ
   ター手段を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４
   のうちのいづれか１項記載の装置。 ６、第１と第２の変換手段に対し交流信号を提供するた
   めの発電機手段により特徴付けられている請求項１乃至
   ５のうちのいづれか１項記載の装置。 ７、第１と第２の電流−電圧変換手段は個別の演算増幅
   手段を含んでいることを特徴とする請求項１乃至６のう
   ちのいずれか１項記載の装置。 ８、第１の演算増幅器は（ａ）第１のフィードバック通
   路、（ｂ）第１の組における該１つのダイオードの第１
   の電極と第２の組における該１つのダイオードの該第２
   の電極と更には第１のフィードバック通路とに結合され
   ている第１の入力及び（ｃ）第１の組における他のダイ
   オードと結合しかつ接地している第２の入力とを有する
   ことを特徴とする請求項３又は７記載の装置。 ９、第２の演算増幅器は（ａ）第２のフィードバック通
   路と（ｂ）第２の組の他のダイオード及び第２のフィー
   ドバック通路とに結合されている第１の入力及び（ｃ）
   接地されている第２の入力とを有することを特徴とする
   請求項３、７又は８記載の装置。 １０、各該フィードバック通路は個別の抵抗手段を含む
   ことを特徴とする請求項８又は９記載の装置。 １１、抵抗手段は抵抗値に対する予め定められた比率に
   おいて整合せしめられていることを特徴とする請求項１
   ０記載の装置。 １２、一方又は双方の演算増幅器における第１と第２の
   入力は個々に反転及び非反転入力であることを特徴とす
   る請求項８乃至１１のいづれか１項記載の装置。