(57)【要約】【課題】低コストで誘電率の測定誤差を小さくすることのできる静電容量式レベルセンサ及び静電容量式レベル測定方法を提供すること。【解決手段】演算部５３は、静電容量計測部５１によって測定された一対の誘電率検出電極３間の静電容量ＣRに基づいて仮の誘電率ε0を算出し、一対の測定用電極２間の静電容量ＣHと仮の誘電率ε0とに基づいて仮の液位Ｈ0を算出する。さらに、演算部５１は、仮の液位Ｈ0から誤差率Ｅ0を算出し、誤差率Ｅ0に基づいて誘電率ε0を補正することでε1を算出する。演算部５１が誤差率Ｅk-1によってεk-1を補正してεkを算出するとともに液位Ｈkを求める誘電率補正処理を繰り返すことで、低コストで誘電率の測定誤差を小さくすることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器に貯留された液体の液位を測定する静電容量式レベルセンサであって、
前記容器において上方から下方に延びるとともに、互いに離隔して設けられた一対の測定用電極と、
前記容器の底面付近において互いに離隔して設けられた一対の誘電率検出電極と、
前記一対の測定用電極間の静電容量、及び、前記一対の誘電率検出電極間の静電容量を測定する測定手段と、
前記測定手段によって測定された前記誘電率検出電極間の静電容量に基づいて仮の誘電率を算出し、該仮の誘電率に基づいて仮の液位を算出するとともに該仮の液位に基づいて該仮の誘電率を補正する誘電率補正処理を少なくとも一回繰り返し、補正された前記誘電率と、前記測定手段によって測定された前記一対の測定用電極間の静電容量と、に基づいて前記液体の液位を算出する演算手段と、を有して構成されることを特徴とする静電容量式レベルセンサ。
【請求項２】
前記容器の上方から下方に向かって延びるキャンセル配線を有して構成され、
前記誘電率検出電極は、前記容器の底面付近に設けられた電極部と、前記容器において上方から前記電極部まで延びる配線と、を備え、
前記測定手段は、前記配線と前記キャンセル配線との間の静電容量を測定し、
前記演算手段は、前記測定手段によって測定された前記配線と前記キャンセル配線との間の静電容量に基づいて、前記一対の誘電率検出電極間の静電容量を補正することを特徴とする請求項１に記載の静電容量式レベルセンサ。
【請求項３】
前記一対の測定用電極のうちの一方は、前記一対の電極部のうちの一方と一体に形成されて前記配線として機能することを特徴とする請求項２に記載の静電容量式レベルセンサ。
【請求項４】
容器に貯留された液体の液位を測定する静電容量式レベル測定方法であって、
前記容器において上方から下方にとともに互いに離隔して設けられた一対の測定用電極間の静電容量を測定し、
前記容器の底面付近において互いに離隔して設けられた一対の誘電率検出電極間の静電容量を測定し、
測定された前記誘電率検出電極間の静電容量に基づいて仮の誘電率を算出し、該仮の誘電率に基づいて仮の液位を算出するとともに該仮の液位に基づいて該仮の誘電率を補正する誘電率補正処理を少なくとも一回繰り返し、補正された前記誘電率と、測定された前記一対の測定用電極間の静電容量と、に基づいて前記液体の液位を算出することを特徴とする静電容量式レベル測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器に貯留された液体の液位を測定する静電容量式レベルセンサ及び静電容量式レベル測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、容器に貯留された液体の液位を測定する静電容量式レベルセンサとして、液体の誘電率を測定するための誘電率検出電極の周囲にシールド電極が設けられたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された静電容量式レベルセンサ１００では、図５に示すように、誘電率検出電極１０１がシールド電極１０２で囲まれるとともに容器Ｃの底面Ｂ付近で露出していることで、液体Ｌの液位Ｈによらず誘電率検出電極１０１のうち露出した電極部１０３と駆動電極１０４との間の静電容量Ｃrを測定することができ、静電容量Ｃrに基づいて誘電率を求める際に液位Ｈによる誤差が生じることが防がれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７２７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の静電容量式レベルセンサでは、誘電率検出電極１０１の周囲にシールド電極１０２を設ける必要があり、構成が複雑になるとともに部品点数が増大し、高コスト化してしまうという不都合があった。
【０００５】
本発明の目的は、低コストで測定誤差を小さくすることのできる静電容量式レベルセンサ及び静電容量式レベル測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の静電容量式レベルセンサは、容器に貯留された液体の液位を測定する静電容量式レベルセンサであって、前記容器において上方から下方に延びるとともに、互いに離隔して設けられた一対の測定用電極と、前記容器の底面付近において互いに離隔して設けられた一対の誘電率検出電極と、前記一対の測定用電極間の静電容量、及び、前記一対の誘電率検出電極間の静電容量を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された前記誘電率検出電極間の静電容量に基づいて仮の誘電率を算出し、該仮の誘電率に基づいて仮の液位を算出するとともに該仮の液位に基づいて該仮の誘電率を補正する誘電率補正処理を少なくとも一回繰り返し、補正された前記誘電率と、前記測定手段によって測定された前記一対の測定用電極間の静電容量と、に基づいて前記液体の液位を算出する演算手段と、を有して構成されることを特徴とする。
【０００７】
以上のような本発明によれば、演算手段が、仮の誘電率に基づいて仮の液位を算出し、仮の液位から仮の誘電率を補正する誘電率補正処理を繰り返すことで、測定された誘電率検出電極間の静電容量が液位による誤差を含んでいても、この静電容量から算出した誘電率を誘電率補正処理の繰り返しによって補正することができる。
【０００８】
また、誘電率検出電極にシールドを設ける必要がなく、構成を簡単化するとともに部品点数を減らして低コスト化することができる。さらに、液位によって生じる誘電率の誤差を補正する機能を持たない既存の静電容量式レベルセンサであっても、誘電率補正処理を行う演算手段を測定のための回路に設けることで上述の効果を奏することができ、誤差を補正する機能を低コストで付与することができる。
【０００９】
この際、本発明の静電容量式レベルセンサでは、前記容器の上方から下方に向かって延びるキャンセル配線を有して構成され、前記誘電率検出電極は、前記容器の底面付近に設けられた電極部と、前記容器において上方から前記電極部まで延びる配線と、を備え、前記測定手段は、前記配線と前記キャンセル配線との間の静電容量を測定し、前記演算手段は、前記測定手段によって測定された前記配線と前記キャンセル配線との間の静電容量に基づいて、前記一対の誘電率検出電極間の静電容量を補正することが好ましい。
【００１０】
このような構成によれば、演算手段がキャンセル配線と配線との間の静電容量に基づいて一対の誘電率検出電極間の静電容量を補正することで、誘電率補正処理を行う前に仮の誘電率を算出する際に誤差を小さくすることができ、誘電率補正処理の繰り返し回数を少なくすることができる。
【００１１】
さらに、本発明の静電容量式レベルセンサでは、前記一対の測定用電極のうちの一方は、前記一対の電極部のうちの一方と一体に形成されて前記配線として機能することが好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、一対の測定用電極の一方が一対の電極部の一方と一体に形成されて配線として機能することで、構成を簡単化するとともに部品点数を減らしてさらに低コスト化することができる。
【００１３】
一方、本発明の静電容量式レベル測定方法は、容器に貯留された液体の液位を測定する静電容量式レベル測定方法であって、前記容器において上方から下方にとともに互いに離隔して設けられた一対の測定用電極間の静電容量を測定し、前記容器の底面付近において互いに離隔して設けられた一対の誘電率検出電極間の静電容量を測定し、測定された前記誘電率検出電極間の静電容量に基づいて仮の誘電率を算出し、該仮の誘電率に基づいて仮の液位を算出するとともに該仮の液位に基づいて該仮の誘電率を補正する誘電率補正処理を少なくとも一回繰り返し、補正された前記誘電率と、測定された前記一対の測定用電極間の静電容量と、に基づいて前記液体の液位を算出することを特徴とする。以上のような本発明によれば、前述した静電容量式レベルセンサと同様に、低コストで測定誤差を補正することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のような本発明の静電容量式レベルセンサ及び静電容量式レベル測定方法によれば、演算手段が仮の誘電率に基づいて仮の液位を算出し、仮の液位から仮の誘電率を補正する誘電率補正処理を繰り返すことで、低コストで測定誤差を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る静電容量式レベルセンサ全体を示す構成図である。
【図２】前記静電容量式レベルセンサの概略を示す構成図である。
【図３】前記静電容量式レベルセンサの出力を補正するためのグラフである。
【図４】前記静電容量式レベルセンサが補正を行う際の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】従来技術の静電容量式レベルセンサの概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の静電容量式レベルセンサ１は、図１、２に示すように、容器Ｃに貯留された液体Ｌの液位Ｈを測定するものであって、一対の測定用電極２と、一対の誘電率検出電極３と、キャンセル配線４と、測定及び測定値の補正を行うための検出部５と、誘電率検出電極３の配線３３とキャンセル配線４とを覆うカバー部６と、を有して構成されている。容器Ｃは略水平面に設置され、容器Ｃの上下方向は略鉛直方向を向くとともに、液体Ｌの液面は水平面と略平行となる。
【００１７】
一対の測定用電極２は、駆動電極２１と、測定電極２２と、を有して構成され、駆動電極２１及び測定電極２２は容器Ｃの上下方向に延びた櫛形の電極であるとともに互いに離隔して設けられ、それぞれ上方において検出部５に電気的に接続されている。
【００１８】
一対の誘電率検出電極３は、測定用電極２の駆動電極２１の下端に連続して容器Ｃの底面Ｂに沿って延びる第一電極３１と、底面Ｂに沿って第一電極３１と略平行に延びる第二電極３２と、第二電極３２から上方に延びて検出部５に電気的に接続される配線３３と、を有して構成され、第一電極３１と第二電極３２とが一対の電極部を構成している。また、第一電極３１と駆動電極２１とは一体に形成され、駆動電極２１が第一電極３１の配線として機能する。第一電極３１と第二電極３２とは互いに略同一高さに設けられて略同一寸法を有している。
【００１９】
キャンセル配線４は、配線３３と略同一長さを有して略平行に延びるとともに、上方において検出部５に電気的に接続されている。キャンセル配線４と配線３３とはカバー部６によって覆われ、液体Ｌと接触しないように設けられている。ここで、カバー部６の内部は、誘電率が既知の絶縁材料で充填されているものとする。
【００２０】
検出部５は、各電極２、３同士又はキャンセル配線４との間の静電容量を測定する測定手段としての静電容量計測部５１と、各電極２、３及びキャンセル配線４と静電容量計測部５１との間に設けられて静電容量を測定するための信号を各電極２、３及びキャンセル配線４に送信する信号切り替え部５２と、静電容量計測部５１に接続されるとともに測定された静電容量から誘電率及び液位を算出する演算手段として演算部５３と、を有して構成されている。
【００２１】
次に、各電極２、３同士又はキャンセル配線４との間の静電容量と、液体の誘電率と、液位と、の関係について説明する。一対の測定用電極２間の静電容量は、各電極２１、２２の表面積と、電極２１、２２間の距離と、電極２１、２２間の誘電率と、によって決定する。ここで、液体Ｌの誘電率は空気の誘電率よりも十分に大きいことから、電極２１、２２間の静電容量は、液体Ｌを挟んでいる部分の静電容量によって決定する。従って、電極２１、２２間の静電容量ＣHは液位Ｈに略比例する。電極２１、２２の水平方向寸法及び電極２１、２２間の距離は既知であることから、静電容量ＣHと液体Ｌの誘電率εLとを測定することで液位Ｈを決定することができる。
【００２２】
一方、一対の誘電率検出電極３間の静電容量ＣRは、第一電極３１と第二電極３２との間の静電容量Ｃrと、配線３３と駆動電極２１との間の静電容量ＣEと、の和で表される。液位Ｈが第一電極３１及び第二電極３２が設けられた位置よりも高い場合、静電容量Ｃrは液体Ｌの誘電率εLによって決まる一方、静電容量ＣEは、静電容量ＣHと同様に誘電率εLだけでなく液位Ｈにも依存し、静電容量ＣRから誘電率εLを求める際に誤差として現われる。
【００２３】
また、キャンセル配線４と配線３３との間の静電容量ＣCは、液位Ｈに略比例する。ここで、誘電率が既知の液体を用いて液位と静電容量ＣCとの関係を予め測定しておくことで、静電容量ＣCの測定値から配線３３と駆動電極２１との間の静電容量ＣEを概算して誘電率検出電極３間の静電容量ＣRを補正することができる。以降、静電容量ＣRは静電容量ＣCを用いて補正したものとする。ただし、この補正では静電容量ＣRにおける静電容量ＣEによる誤差を完全に補正することはできないため、後述する誘電率補正処理が行われる。
【００２４】
次に、測定された静電容量ＣH、ＣR、ＣCを用いて液位Ｈを補正しつつ求める方法について説明する。まず、演算部５３は、図３（Ａ）に示すように、誘電率検出電極３間の静電容量ＣRから、配線３３と駆動電極２１との間の静電容量ＣEによる誤差を含む仮の誘電率ε0を算出する。次に、演算部５３は、図３（Ｂ）に示すように、仮の誘電率ε0と測定用電極２間の静電容量ＣHとを用いて仮の液位Ｈ0を算出する。ここで、誘電率εが既知の液体を用いて、複数の液位に対する静電容量ＣRを測定し、静電容量ＣRを電極部３１、３２間の静電容量Ｃrで除した誤差率Ｅの液位依存性を図３（Ｃ）に示すように予め算出しておき、演算部５３に記憶させておく。そして、演算部５３は、仮の液位Ｈ0を用いて誤差率Ｅ0を求めるとともに、仮の誘電率ε0を誤差率Ｅ0で除して補正し、新たな仮の誘電率ε1を求める。このような補正を繰り返すことで真の液位Ｈに近づけていく。
【００２５】
次に、演算部５３が誤差を補正しつつ液位Ｈを求める詳細な処理手順について説明する。演算部５３は、液位Ｈを測定するように外部から命令を受けると図４に示すような液位測定処理を開始する。まず、演算部は補正の繰り返しのカウントｋを０とする（ステップＳ１）。ここで、εk及びＨkをそれぞれｋ回目の繰り返しにおける液体Ｌの誘電率及び液位とする。次に、演算部５３は、誘電率ε0を測定し（ステップＳ２）、前述のようにε0に基づいて液位Ｈ0を算出し（ステップＳ３）、液位Ｈkに基づいて誤差率Ｅkを求める（ステップＳ４）。そして、演算部５３は、ｋを１大きくし（ステップＳ５）、前述のように誘電率εk-1を誤差率Ｅk-1に基づいて補正することで誘電率εkを算出し（ステップＳ６）、誘電率εkに基づいて液位Ｈkを算出する（ステップＳ７）。次に、演算部５３は、ｋが所定回数ｎに達したかを判定し（ステップＳ８）、ｋが所定回数ｎに達しない場合（ステップＳ８でＮ）、再びステップＳ４に戻る。ここで、ステップＳ４からステップＳ７までが誘電率補正処理となり、ｎ回繰り返される。所定回数ｎは適宜な回数が設定されればよく、本実施形態においては、ｎ＝３とする。一方、ｋが所定回数ｎに達した場合（ステップＳ８でＹ）、液体Ｌの液位ＨをＨnとするとともに誘電率εLをεnとして決定し（ステップＳ９）、液位測定処理を終了する。
【００２６】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、演算部５３が誘電率補正処理を繰り返す液位測定処理を行うことで、配線３３と駆動電極２１との間の静電容量ＣEによって生じる静電容量εL及び液位Ｈの誤差を小さくすることができる。さらに、このような誤差を小さくするためにシールドを設ける必要がなく、構成を簡単化するとともに部品点数を少なくして低コスト化することができる。また、液位の誤差を補正する機能を持たない既存の静電容量レベルセンサであっても、演算部５３を設けるとともに前述のような液位測定処理を行わせることで、本実施形態と略同様の効果を容易に奏することができる。
【００２７】
さらに、キャンセル配線４が設けられていることで、誘電率補正処理を繰り返す前に仮の誘電率ε0を補正することができ、液位Ｈの誤差を小さくしつつ繰り返しの所定回数ｎを少なくし、測定を短時間化することができる。
【００２８】
また、第一電極３１が駆動電極２１と一体に形成されて駆動電極２１が第一電極３１の配線として機能することで、部品点数を減らして低コスト化することができる。また、第一電極３１が駆動電極２１と一体に形成されている、即ち、第一電極３１が駆動電極２１と略等電位であることで、測定用電極２間及び誘電率検出電極３間の静電容量ＣH、ＣRを測定する場合、例えば、駆動電極２１を高電圧側の電極として共通化して測定することができ、測定回路を簡単化することができる。
【００２９】
また、第一電極３１と第二電極３２とが容器Ｃの底面Ｂに沿って延びていることで、液位Ｈが低い場合であっても第一電極３１と第二電極３２とは液体Ｌに浸漬され、液体Ｌを挟んだ第一電極３１と第二電極３２との間の静電容量を測定することができる。さらに、第一電極３１と第二電極３２とが互いに略同一寸法であるとともに略平行に設けられていることで、静電容量から誘電率を求める際に、電極の表面積及び電極間の距離が明確であり、液位に生じる誤差を小さくすることができる。
【００３０】
また、配線３３がカバー部によって覆われて液体Ｌと接しないように設けられていることで、液位Ｈが配線３３と駆動電極２１との間の静電容量ＣEに与える影響を小さくすることができる。
【００３１】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、キャンセル配線４が設けられるものとしたが、キャンセル配線４は省略されていてもよく、誘電率補正処理を繰り返す所定回数を多くすることで液位Ｈに生じる誤差が十分に小さくなるようにしてもよい。キャンセル配線４が省略されれば、構成を簡単化するとともに部品点数を少なくして低コスト化することができる。
【００３２】
また、前記実施形態では、駆動電極２１が第一電極３１と一体に設けられて配線として機能する構成としたが、駆動電極と第一電極とは別体で設けられるとともに第一電極に配線が設けられていてもよく、駆動電極と第一電極とが別体で設けられていれば、各電極の配置の自由度を向上させることができる。
【００３３】
また、前記実施形態では、第一電極３１と第二電極３２とが容器Ｃの底面Ｂに沿って互いに略平行に設けられるものとしたが、第一電極と第二電極とは底面Ｂ付近に設けられていればよく、上下方向に延びていてもよいし、互いに平行でなくてもよい。第一電極と第二電極とが上下方向に延びる構成とすれば、水平方向寸法を小さくすることができ、水平方向寸法が小さい容器にも使用することができる。
【００３４】
また、前記実施形態では、カバー部６が設けられるものとしたが、カバー部６は省略されていてもよく、誘電率補正処理を繰り返す所定回数を多くすることで液位Ｈに生じる誤差が十分に小さくなるようにしてもよい。カバー部６が省略されれば、構成を簡単化するとともに部品点数を少なくして低コスト化することができる。
【００３５】
また、前記実施形態では、誘電率補正処理を繰り返す所定回数ｎを３としたが、静電容量レベルセンサ１の寸法や、液体Ｌの種類や、必要な測定精度に応じて適宜な回数が設定されればよく、所定回数ｎは１又は２であってもよいし、４以上であってもよい。
【００３６】
また、前記実施形態では、誘電率εの誤差率Ｅの液位Ｈ依存性を予め測定し、誤差率Ｅを求めることで補正を行うものとしたが、誘電率補正処理が適宜な補正方法で繰り返されればよい。例えば、誘電率検出電極３間の静電容量ＣRが第一電極３１と第二電極３２との間の静電容量Ｃrと、駆動電極２１と配線３３との間の静電容量ＣEとの和で与えられることから、駆動電極２１と配線３３との間の距離と表面積とに基づいて静電容量ＣEの液位Ｈ依存性を表す式を予め設定しておき、仮の液位Ｈから仮の静電容量ＣEを求めて静電容量ＣRから減じて誘電率を補正する処理が行われてもよい。
【００３７】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１   静電容量レベルセンサ
２   測定用電極
３   誘電率検出電極
４   キャンセル配線
３１ 第一電極（電極部）
３２ 第二電極（電極部）
３３ 配線
５１ 静電容量計測部（測定手段）
５３ 演算部（演算手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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