(57)【要約】      （修正有）【課題】液面の高さを正確に測定する。【解決手段】液面計１００は、測定対象とする液体に浸っている電極の表面積に応じて、第１の電極と第２の電極間のインピーダンスが変化する一対の電極と、第１の電極に測定信号を印加する信号発生部１０と、電気的に直流を遮断しながら信号を伝達する素子を介して第２の電極を流れる測定信号の振幅レベルを測定し、振幅レベルに基づいて液体の液面の高さを測定する測定部５０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象とする液体に浸っている電極の表面積に応じて、第１の電極と第２の電極間のインピーダンスが変化する一対の電極と、
前記第１の電極に測定信号を印加する信号発生部と、
電気的に直流を遮断しながら信号を伝達する素子を介して前記第２の電極を流れる前記測定信号の振幅レベルを測定し、前記振幅レベルに基づいて前記液体の液面の高さを測定する測定部と、
を備える液面計。
【請求項２】
前記測定信号の前記振幅レベルと測定対象とする前記液体の液面の高さとを紐付けるデータを、測定対象とする前記液体ごとに格納する記憶部を備え、
前記測定部は、測定した前記測定信号の振幅レベルに対応する液面の高さのデータを前記記憶部から取得することにより、前記液体の液面の高さを求める、
請求項１に記載の液面計。
【請求項３】
前記信号発生部は、前記第１の電極に第１のコンデンサを介して前記測定信号を印加し、
前記電気的に直流を遮断しながら信号を伝達する素子は第２のコンデンサであり、
前記測定部は、前記第２のコンデンサを介して前記第２の電極を流れる前記測定信号を取得する、
請求項１または２に記載の液面計。
【請求項４】
前記電気的に直流を遮断しながら信号を伝達する素子はフォトカプラであり、
前記測定部は、前記一対の電極の電極間に流れる前記測定信号を前記フォトカプラを介して取得する、
請求項１または２に記載の液面計。
【請求項５】
前記第１の電極もしくは前記第２の電極の少なくとも一方の被検出液面位置以外の部分が絶縁されている、
請求項１から４の何れか一項に記載の液面計。
【請求項６】
前記一対の電極の少なくとも一方の電極の表面積の前記液体の深さ方向に対する変化を表す関数が、増加関数になっている、
請求項１から４の何れか一項に記載の液面計。
【請求項７】
前記一対の電極の少なくとも一方の電極の表面積が前記液体の深さ方向に対して段階的に変化している、
請求項１から４
の何れか一項に記載の液面計。
【請求項８】
測定対象とする前記液体を収容する容器において配置される高さが前期第２の電極と異なる高さである第３の電極と、
電気的に直流を遮断しながら信号を伝達する素子を介して前記測定信号の前記振幅レベルを測定し、前記振幅レベルに基づいて前記液体の液面の高さを測定する第２の測定部と、
を備える請求項１から７の何れか一項に記載の液面計。
【請求項９】
前記第１の電極と前記第２の電極とは、イオン導電性を有する隔膜で区切られた異なる電解室に設置され、
前記測定部は、一の電解室内の液面の高さが第１の電極の設置高さに達し、かつ、他の電解室の液面の高さが前記第２の電極の設置高さに達したことを検出する、
請求項１から８の何れか一項
に記載の液面計。
【請求項１０】
前記電極が、チタンまたはステンレス鋼で形成されている、
請求項１から９の何れか一項に記載の液面計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、液体の水位を測定する液面計に関する。
【背景技術】
【０００２】
導電率式センサを用いた液面計は、液体に浸っている電極の表面積が広いほど電極間のインピーダンスが低下するという原理を利用している。液体の液面が高くなるにしたがって、液体に浸る電極の表面積が広くなる。これに伴って電極間のインピーダンスが低下し、電極間に流れる測定信号の電流が増加する。導電率式センサを用いた液面計は、この電極間を流れる測定信号の電流を測定することにより液面の高さを測定する。
【０００３】
しかしながら、電極に測定信号を印加する装置と電極間に流れる測定信号の電流を測定する装置とが別装置で構成されているような場合、いわゆるグランドループの問題が生じ、測定誤差が大きくなる場合がある。２つの装置のグランド電位が異なる場合、装置間に測定信号の電流以外のノイズ電流が流れ込む場合がある。グランドループ問題とは、このノイズ電流に起因する問題を言う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の事情の下になされたもので、液面の高さを正確に測定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本実施形態に係る液面計は、測定対象とする液体に浸っている電極の表面積に応じて、第１の電極と第２の電極間のインピーダンスが変化する一対の電極と、第１の電極に測定信号を印加する信号発生部と、電気的に直流を遮断しながら信号を伝達する素子を介して第２の電極を流れる測定信号の振幅レベルを測定し、振幅レベルに基づいて液体の液面の高さを測定する測定部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る液面計の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る電極部の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る電極部の液面の高さと電極間のインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態に係る測定部の構成を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る液面計の等価回路である。
【図６】第１の実施形態に係る信号測定部が測定する測定信号の電流波形のイメージ図である。
【図７】第１の実施形態に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図８】第１の実施形態に係る液面計の温度特性について説明するための図である。
【図９】従来技術に係る液面計の特性について説明するための図である。
【図１０】第２の実施形態に係る電極部の構成を示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係る電極部の液面の高さと電極間のインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【図１２】第２の実施形態に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図１３】第２の実施形態に係る液面計の出力について説明するための図である。
【図１４】第２の実施形態に係る演算部の構成を示す図である。
【図１５】第３の実施形態に係る電極部の構成を示す図である。
【図１６】第３の実施形態に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図１７】第４の実施形態に係る電極部の構成を示す図である。
【図１８】第４の実施形態に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図１９】変形例１に係る電極部の構成を示す図である。
【図２０】変形例１に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図２１】変形例２に係る電極部の構成を示す図である。
【図２２】変形例２に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図２３】第５の実施形態に係る電極部の構成を示す図である。
【図２４】第５の実施形態に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図２５】変形例３に係る電極部の構成を示す図である。
【図２６】変形例３に係る液面計が測定したピーク電流値Ｉｐと液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図２７】第６の実施形態に係る液面計の等価回路である。
【図２８】第６の実施形態に係る液面計が測定したピーク電圧値と  液面の高さとの関係を示すグラフである。
【図２９】第７の実施形態に係る液面計の構成を示す図である。
【図３０】第７の実施形態に係る液面計の等価回路である。
【図３１】第８の実施形態に係る液面計の構成を示す図である。
【図３２】第９の実施形態に係る液面計の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る液面計１００の構成を示す図である。液面計１００は、容器３３内の液面の高さを計測する測定装置である。図１に示すように、液面計１００は、信号発生部１０、第１のコンデンサ２０、電極部３０、第２のコンデンサ４０、測定部５０を備える。また、液面計１００は、温度測定部６０と温度センサ６１とを備える。
【０００９】
信号発生部１０は、電極部３０に印加する測定信号を発生する信号発生装置である。信号発生部１０は、測定信号として交流信号を発生する。交流信号としては、正弦波、矩形波、三角波、のこぎり波等があるが、ここでは、正弦波を例に説明する。信号発生部１０は、振幅Ｅ（単位：Ｖｏｐ）、周波数ｆ０（単位：Ｈｚ）である正弦波の測定信号を出力する。この周波数ｆ０を高くするほど、後述する第１のコンデンサ及び第２のコンデンサの容量を小さくすることができる。一方、周波数ｆ０を高くしすぎると、測定対象とする液体の導電率が変わり、測定誤差の要因となる場合がある。ここでは、ｆ０＝５ｋＨｚとする。
【００１０】
第１のコンデンサ２０は、信号発生部１０が出力した測定信号から直流成分をカットし、電極部３０に測定信号を印加する。第１のコンデンサ２０は、フィルムコンデンサ、積層セラミックコンデンサ等の無極性のコンデンサで構成されることが好ましい。
【００１１】
一般的に、コンデンの部品ばらつき及び温度変化は、抵抗よりも大きい。信号発生部１０が出力する測定信号の出力レベルが同じ場合でも、第１のコンデンサ２０及び第２のコンデンサ４０の容量が変化すると、測定部５０で測定する測定信号の振幅レベルは変化する。液面計１００は、測定した振幅レベルに基づいて液面の高さを測定する。したがって、第１のコンデンサ２０及び第２のコンデンサ４０の容量ばらつき（容量変動）は、液面の高さの測定誤差要因となる。この問題を軽減するために、コンデンサの容量がばらついても測定誤差が大きくならないように、測定周波数ｆ０における第１のコンデンサ２０のインピーダンスが後述する電極部３０の電極間のインピーダンスＺに対して十分小さな値となるように第１のコンデンサの容量を選択する。ここでは、ｆ０＝５ＫＨｚにおける第１のコンデンサのインピーダンスが、電極部３０の電極間のインピーダンスＺの１／１０以下となるようにする。このようにすることで、第１のコンデンサ２０として市場での入手性の良い容量ばらつきが１０％のコンデンサを用いても、第１のコンデンサ２０の容量ばらつきに起因する測定誤差を１％以下にすることが可能である。測定精度を高くするほど、第１のコンデンサ２０の容量を大きくする必要がある。また、導電率の高い液体の水位を測定する場合ほど、電極間のインピーダンスＺが小さくなるので、第１のコンデンサ２０の容量を大きくする必要がある。
【００１２】
電極部３０は、測定対象とする液体に浸っている電極の表面積に応じて電極間のインピーダンスを変化させる少なくとも一対の電極を備える。電極に使用する素材は、測定対象とする液体に浸しても腐食しにくい素材を使用することが望ましい。例えば、チタン、ステンレス鋼等を使用する。また、電極の腐食を防止するために、電極の表面に例えば、白金（Ｐｔ）などの貴金属触媒を添着してもよい。
【００１３】
図２は、電極部３０の構成を示す図である。電極部３０は、第１の電極３１、第２の電極３２、容器３３を備える。第１の電極３１は、第１のコンデンサ２０を介して、信号発生部１０と接続される。第２の電極は、第２のコンデンサ４０を介して、測定部５０に接続される。第１の電極３１及び第２の電極３２は、容器３３の所定位置に配置される。容器３３には、測定対象の液体３４が注入される。容器３３の底面から第１の電極３１及び第２の電極３２の底部までの高さをＬ０とし、容器３３の底面から液体３４の液面３５までの高さをＬとする。容器３３に蓄えられている液体３４の量によって容器３３の底面から液面３５までの高さＬは変化する。なお、第１の電極３１の設置される高さと第２の電極３２の設置される高さが異なる場合、高い方の電極の底部までの高さをＬ０とする。
【００１４】
液体３４の液面３５の高さＬの変化に伴って、第１の電極３１及び第２の電極３２の液体３４に浸る部分の長さ（Ｌ−Ｌ０）も変化し、液体３４と接している第１の電極３１及び第２の電極３２の表面積も変化する。液体３４は、所定の導電率を有している。したがって、液面３５の高さＬが高くなるほど第１の電極３１と第２の電極３２間のインピーダンスＺは低くなり、液面３５の高さＬが低くなるほど電極間のインピーダンスＺは高くなる。
【００１５】
図３は、電極部３０の液面３５の高さＬと第１の電極３１と第２の電極３２間のインピーダンスＺとの関係を示すグラフである。液面３５の高さＬがＬ０以下の場合、第１の電極３１と第２の電極３２は液体３４を介して接続されていないので、第１の電極３１と第２の電極３２間とのインピーダンスＺは無限大である。液面３５の高さＬがＬ０に達すると、液面３５の高さに応じて液体３４に浸っている第１の電極３１と第２の電極３２の表面積が増加する。それに伴って、電極間のインピーダンスＺは低下していく。液面３５の高さＬと電極間のインピーダンスＺとは反比例する関係になる。
【００１６】
図１に戻り、第２のコンデンサ４０は、電気的に直流を遮断しながら測定信号を電極部３０から測定部５０に伝達する。第２のコンデンサ４０は、フィルムコンデンサ、積層セラミックコンデンサ等の無極性のコンデンサで構成されることが好ましい。第２のコンデンサの容量の決め方は、第１のコンデンサ２０の容量の決め方と同様である。
【００１７】
測定部５０は、第２のコンデンサ４０を介して供給された測定信号の振幅レベルを測定し、測定した振幅レベルに基づいて液体３４の液面３５の高さＬを測定する。測定部５０の構成を図４に示す。図４に示すように、測定部５０は、信号測定部５１、記憶部５２、演算部５３、出力部５４を備える。
【００１８】
信号測定部５１は、交流電流計を備え、取得した交流信号である測定信号のピーク電流値Ｉｐを測定し、測定値を演算部５３に供給する。信号測定部５１におけるピーク電流値Ｉｐの測定について説明する。図５は、図１に示す液面計１００の等価回路である。信号発生部１０は、振幅Ｅ，周波数ω（ω＝２πｆ０）の測定信号を出力インピーダンスＲｏを介して出力する。測定信号の周波数ω（ω＝２πｆ０）における第１のコンデンサ２０のインピーダンスは、１／ωＣ１である。第２のコンデンサ４０のインピーダンスは、１／ωＣ２である。液面３５の高さＬにより、電極間のインピーダンスＺは変化する。信号測定部５１は、測定した測定信号の電流値Ｉのピーク電流値Ｉｐを求める。信号測定部５１が測定するピーク電流値Ｉｐは式１であらわすことができる。Ｅは、信号発生部１０が出力する測定信号の振幅である。
【００１９】
Ｉｐ＝Ｅ／（Ｒｏ＋Ｚ＋１／ωＣ１＋１／ωＣ２）          （式１）
ω＝２πｆ０
信号発生部１０の出力インピーダンスＲｏは、部品ばらつき及び温度変化が小さい基準抵抗で構成するので誤差は小さい。また、出力信号の振幅Ｅも正確に調整することは容易である。しかし、コンデンサの容量は、一般的に部品ばらつき及び温度変化が大きい。式１から分かるように、第１のコンデンサ２０及び第２のコンデンサ４０の容量変化は、測定するピーク電流値Ｉｐの測定誤差要因となる。コンデンサの容量の変化を想定してピーク電流値Ｉｐを補正することは困難だからである。測定誤差を大きくしないためには、測定信号の周波数ｆ０において、第１のコンデンサ２０と第２のコンデンサ４０のインピーダンスを、電極間のインピーダンスＺに比べて十分小さくすることが好ましい。
【００２０】
図６は、信号測定部５１が測定する測定信号の電流波形のイメージ図である。実線は、液面３５が低く、第１の電極３１と第２の電極３２間のインピーダンスＺが高い場合である。この場合、測定する電流波形のピーク電流値Ｉｐは小さい。破線は、液面３５が高く、電極間のインピーダンスＺが低い場合である。この場合、測定する電流波形のピーク電流値Ｉｐは大きい。第２のコンデンサ４０によって直流成分がカットされているので、図６に示すように、信号測定部５１が取得する測定信号は直流成分を含んでいない。
【００２１】
図７は、測定した測定信号のピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係を示すグラフである。信号測定部５１は、液面３５の高さＬがＬ０に達するまでは測定信号の電流を検出しない。液面３５の高さＬがＬ０よりも高くなると、液面３５の高さＬが高くなるにしたがって、ピーク電流値Ｉｐは大きくなっていく。液体３４の導電率は、液体３４の温度によって変わる。したがって、ピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係は、液体３４の温度によって、例えば図８に示すように変化する。
【００２２】
図４に戻り、記憶部５２は、ピーク電流値Ｉｐ（測定信号の振幅レベル）と液面３５の高さＬとを紐付けるデータを記憶する。具体的には、記憶部５２は、図７、図８に示したグラフが表すデータをテーブル形式で記憶する。記憶部５２は、測定対象とする液体の種類が複数ある場合、液体の種類ごとのデータを記憶する。また、記憶部５２は、液面３５の高さＬの要求測定精度に応じて、ピーク電流値Ｉｐと対応する液面３５の高さＬとをテーブル形式で記憶する。例えば、要求測定精度が１ｃｍ以下である場合、５ｍｍごとに液面３５の高さＬに対応するピーク電流値Ｉｐを記載したテーブルを作成し、記憶部５２に記憶しておく。測定対象とする液体の種類ごと、温度ごと、使用する電極の種類ごと、使用する容器ごとに実験で測定したデータに基づいて、ピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係を記載したテーブルを作成する。
【００２３】
演算部５３は、測定した測定信号のピーク電流値Ｉｐ（測定信号の振幅レベル）に対応する液面３５の高さＬを記憶部５２からテーブル引きで取得することにより、液面３５の高さＬを求める。具体的には、液面計１００は、図１に示すように液体内に温度センサ６１を備えている。温度測定部６０は、温度センサ６１から取得した情報に基づいて測定対象の液体３４の温度を測定し、測定した温度情報を演算部５３に供給する。演算部５３は、温度測定部６０から取得した液体３４の温度情報に基づいて、信号測定部５１が測定したピーク電流値Ｉｐに対応する液面３５の高さＬを記憶部５２からテーブル引きで求める。なお、測定精度の要求が低いときや、温度変化が少なく液体の導電率の温度変化が無視しうる場合は、温度情報を参照せずに液面３５の高さLを求めることも可能である。
【００２４】
出力部５４は、表示部（図示しない）を備え、演算部５３が求めた液面３５の高さＬを表示する。もしくは、出力部５４は、印刷部（図示しない）を備え、演算部５３が求めた液面３５の高さＬを印刷する。
【００２５】
なお、図５の等価回路に示すＥｏは、信号発生部１０のアース電位と測定部５０のアース電位との電位差である。この電位差によって、グランドループの問題が生じる場合がある。第１のコンデンサ２０及び第２のコンデンサ４０で直流成分をカットしない場合、図９に示すように、グランドループに起因して、測定した測定信号の振幅レベルに誤差αを生じる場合がある。誤差αは、周囲装置の消費電流等によっても変化するので、補正することは困難である。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態に係る液面計１００では、信号発生部１０は、第１のコンデンサ２０を介して第１の電極３１に測定信号を供給する。また、測定部５０は、第２のコンデンサ４０を介して第２の電極３２から測定信号を取得する。これにより、信号測定部５１が測定する測定信号には、図６に示すように直流成分が含まれない。したがって、液面計１００は、グランドループ問題を解消でき、液面の高さを正確に測定することができる。また、第１のコンデンサ２０を介して電極部３０に測定信号を供給するので、第１の電極３１及び第２の電極３２に印加される測定信号は、直流成分を含まない。つまり、第１の電極３１と第２の電極３２間に常時直流電圧が印加された状態を回避できる。これにより、液面計１００は、第１の電極３１及び第２の電極３２の電気化学的な腐食や液体３４の電気分解を防止できる。
【００２７】
なお、上記の説明では、信号測定部５１が、測定信号のピーク電流を測定する説明をしたが、実効電流を測定するようにしてもよい。この場合、図７に示したピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係は、ピーク電流値を実効電流値に置き換えて処理を行う。
【００２８】
また、上記の説明では、ピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとを紐付けるデータを記憶部５２に記憶しておき、測定したピーク電流値Ｉｐからテーブル引きで液面３５の高さを求める方法について説明をした。しかし、測定したピーク電流値Ｉｐから液面３５の高さを求める方法はこれに限定する必要はない。例えば、ピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係を表す近似式を実験データから予め求めておく。そして、測定したピーク電流値Ｉｐをその近似式に代入して、液面３５の高さＬを計算で求めることもできる。
【００２９】
《第２の実施形態》
次に、第２の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。図１０は、第２の実施形態に係る液面計１００の電極部３０の構成を示す図である。本実施形態に係る液面計１００は、第１のコンデンサ２０を介して測定信号が印加されている第１の電極３１ｂの被検出液面位置以外の部分が絶縁部３７で覆われている点で、第１の実施形態に係る液面計１００と相違する。また、第２の実施形態に係る液面計１００は、液面３５の高さＬが予め設定した範囲にあることを示すアラーム信号を出力する点で、第１の実施形態と相違する。つまり、第２の実施形態に係る液面計１００は、液面３５の高さが特定の高さの範囲にある場合にアラーム信号を出力する。
【００３０】
図１０に示すように、第１の電極３１ｂの非検出液面位置以外の部分には絶縁部３７が配設されている。具体的には、第１の電極３１ｂの液面３５の高さＬ１からＬ２に該当する部分、および、液面３５の高さＬ３以上に該当する部分には、絶縁部３７が配設されている。液面３５を検出する範囲として予め設定した範囲（Ｌ０からＬ１、Ｌ２からＬ３）には、絶縁部３７が配設されていない。第１の電極３１ｂにこのような絶縁部３７を設けることにより、液面３５の高さＬと電極間のインピーダンスＺとの関係は、図１１に示すようなグラフとなる。具体的には、液面３５の高さＬがＬ０以下の場合、第１の電極３１ｂと第２の電極３２とは液体３４を介して接続されていないので、電極間のインピーダンスＺは無限大である。液面３５の高さＬがＬ０に達すると、液面３５の高さＬがＬ０からＬ１に至るまでは、液面３５の高さＬに応じて第１の電極３１ｂ及び第２の電極３２の液体３４に浸っている表面積が増加する。それに伴って、電極間のインピーダンスＺは低下していく。この区間では、液面３５の高さＬと電極間のインピーダンスＺとは反比例する関係になる。液面３５の高さＬがＬ１からＬ２に至るまでは、第１の電極３１ｂが絶縁部３７で覆われているので液体３４に浸っている電極の表面積は変化しない。液面３５の高さＬがＬ２に達してからＬ３に至るまでは、液面３５の高さＬに応じて第１の電極３１ｂ及び第２の電極３２の液体３４に浸っている表面積は増加する。それに伴って、電極間のインピーダンスＺは低下していく。液面３５の高さＬがＬ３以上になると、第１の電極３１ｂが絶縁部３７で覆われるので液体３４に浸っている電極の表面積は変化せず、電極間のインピーダンスＺも変化しない。
【００３１】
図１２は、ピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係を表すグラフである。液面３５の高さＬに応じてピーク電流値Ｉｐが変化している範囲（Ｌ０からＬ１、Ｌ２からＬ３）が、液面３５を検出している範囲である。図１３は、演算部５３によるアラーム信号の出力例である。演算部５３は、絶縁部３７を配置していない範囲に液面３５がある場合にハイレベルを出力し、それ以外の範囲に液面３５がある場合にローレベルを出力する。液面計１００は、演算部５３の出力に警報ブザーや警報ランプを接続して、ユーザに液面を検出したことを報知することもできる。
【００３２】
このような機能を実現するための演算部５３の構成例を図１４に示す。取得部５３１は、信号測定部５１から供給されたピーク電流値Ｉｐに対応する液面３５の高さのデータＬＫをテーブル引きで記憶部５２から取得する。取得部５３１は、この処理を例えば１０秒ごとに行う。遅延部５３２は、１回前に測定した液面３５の高さデータＬＫ−１を保持する。変化量計算部５３３は、今回測定した高さデータＬＫと１回前に測定した高さデータＬＫ−１との差（ＬＫ−ＬＫ−１）を計算する。比較部５３４は、今回測定した高さデータＬＫと１回前に測定した高さデータＬＫ−１との差（ＬＫ−ＬＫ−１）が予め定めた閾値以上である場合にハイレベルを出力し、閾値以下の場合にローレベルを出力する。例えば、閾値を１ｍｍ、１ｃｍ、１０ｃｍのように予め設定しておく。演算部５３の構成をこのような構成にすることにより、測定部５０は、図１３に示すように、第１の電極３１ｂの絶縁部３７で覆われていない位置に液面３５が位置する場合、アラーム信号を出力する。
【００３３】
以上説明したように、第２の実施形態に係る液面計１００では、第１のコンデンサ２０を介して測定信号が印加されている第１の電極３１ｂの被検出液面位置以外の部分（Ｌ１からＬ２，Ｌ３以上の部分）が絶縁部３７で覆われている。これにより、第２の実施形態に係る液面計１００は、液面３５の高さＬが予め設定した範囲（Ｌ０〜Ｌ１，Ｌ２〜Ｌ３）にあることを示す図１３に示すようなアラーム信号を出力することができる。
【００３４】
なお、上記の説明では、絶縁部３７を第１の電極３１ｂのみに設ける説明をしたが、絶縁部３７を第２の電極３２に設けるようにしてもよい。また、絶縁部３７を第１の電極３１ｂと第２の電極３２の両方に設けるようにしてもよい。
【００３５】
《第３の実施形態》
次に、第３の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。図１５は、第３の実施形態に係る液面計１００の電極部３０の構成を示す図である。本実施形態に係る液面計１００は、第１のコンデンサ２０を介して測定信号が印加されている第１の電極３１ｃの表面積の液体の深さ方向に対する変化を表す関数が、増加関数になっている点で、第１の実施形態に係る液面計１００と相違している。つまり、第１の電極３１ｃの表面積をＳとすると、表面積Ｓを液面３５の高さＬで微分したｄＳ／ｄＬが増加関数になっている。
【００３６】
第１の電極３１ｃの形状がこのような形状になっていることにより、液面３５の高さＬが高くなるほど、液面３５の高さＬの少しの増加に対して、測定部５０内の信号測定部５１が測定するピーク電流値Ｉｐは大きく増加する。図１６は、測定部５０が測定した測定信号のピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係を示すグラフである。例えば河川の水位警報装置のように液面の高さが高いほど危険度が増す場合、危険度が増すほど液面の上昇度を敏感に精度よく検出したい場合がある。第３の実施形態に係る液面計１００は、このような場合に好適な液面計である。
【００３７】
以上説明したように、第３の実施形態に係る液面計１００では、第１の電極３１ｃの表面積の液体の深さ方向に対する変化を表す関数が、増加関数になっている。これにより、第３の実施形態に係る液面計１００は、液面３５の高さＬが高くなるほど、液
面３５の高さＬを正確に測定することができる。
【００３８】
なお、上記の説明では、第１の電極３１ｃの形状について説明をしたが、第１の電極３１ｃと第２の電極３２の合計表面積の液体の深さ方向に対する変化が、増加関数になっていればよい。
【００３９】
《第４の実施形態》
次に、第４の実施形態を図面に基づいて説明する。前述の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。図１７は、第４の実施形態に係る液面計１００の電極部３０の構成を示す図である。本実施形態に係る液面計１００は、第１のコンデンサ２０を介して測定信号が印加されている第１の電極３１ｅの表面積が液体の深さ方向に対して段階的に変化している点で、第３の実施形態に係る液面計１００と相違する。
【００４０】
第４の実施形態に係る液面計１００の第１の電極３１ｅの表面積は、図１７に示すように、液面３５の高さＬが高くなるにしたがって段階的に増加している。図１８は、測定部５０が測定した測定信号のピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係を示すグラフである。図１８に示すように、液面３５の高さＬがＬ０とＬ１の間に位置する場合と、Ｌ１とＬ２の間に位置する場合とでは、その境界でピーク電流値Ｉｐが段階的に変化するとともに、水位の増加する割合に対するピーク電流値Ｉｐの増加する割合が異なっている。また、液面３５の高さＬがＬ１とＬ２の間に位置する場合と、Ｌ２以上に位置する場合とでは、水位の増加する割合に対するピーク電流値Ｉｐの増加する割合が異なっている。これにより、液面計１００は、河川の水位警報装置における通常領域、注意領域、警戒領域、危険領域のように、液面３５の高さＬが高いほど危険度が増す場合、危険度が増すほど液面の上昇度を敏感に精度よく検出できる。第４の実施形態に係る第１の電極３１ｅの形状は、第３の実施形態に係る第１の電極３１ｃの形状に比べて製造が容易である。
【００４１】
（変形例１）
図１９は、変形例１に係る電極部３０の構成を示す図である。液面３５の高さＬが低いほど危険度が増す場合は、図１９に示すように、第１の電極３１ｆの形状を、液面３５の高さＬが低いほど第１の電極３１ｆの表面積が段階的に増加する形状とする。この場合の液面３５の高さＬとピーク電流値Ｉｐとの関係を図２０に示す。
【００４２】
（変形例２）
図２１は、変形例２に係る電極部３０の構成を示す図である。変形例２は、第２の実施形態の技術を第４の実施形態の構成に組み込んだ構成である。変形例２に係る第１の電極３１ｇは、図２１に示すように、液面３５の高さＬが高くなるにしたがって段階的に第１の電極３１ｇの表面積が増加している。さらに、第１の電極３１ｇの液面を検出しない領域には、絶縁部３７が配設されている。第１の電極３１ｇをこのよう構成にしたことにより液面３５の高さＬとピーク電流値Ｉｐとの関係は、図２２に示すグラフのようになる。
【００４３】
具体的には、図２２に示すように、液面３５の高さＬがＬ０に達するまでは電流は流れない。液面３５の高さＬがＬ０よりも高くなると、液面３５の高さＬが高くなるにしたがって、ピーク電流値Ｉｐは大きくなっていく。液面３５の高さＬがＬ１からＬ２の範囲にある場合、液面３５の高さＬが変化しても絶縁部３７により液体３４に接する電極の表面積は変わらないので、ピーク電流値Ｉｐは変化しない。液面３５の高さＬがＬ２からＬ３の範囲にある場合、水位の変動量に対するピーク電流値の変化する量は、液面３５の高さＬがＬ０からＬ１の範囲に液面３５が位置する場合と同じである。
【００４４】
液面３５の高さＬがＬ４からＬ５の範囲にある場合、液面３５の高さＬが変化しても絶縁部３７により液体３４に接する電極の表面積は変わらないので、ピーク電流値Ｉｐは変化しない。液面３５の高さＬがＬ５からＬ６の範囲にある場合、水位の変動量に対するピーク電流値の変化する量は、液面３５の高さＬがＬ３からＬ４の範囲に液面３５が位置する場合と同じである。液面３５の高さＬがＬ６からＬ７の範囲にある場合、水位の変動量に対するピーク電流値の変化する量は、液面３５の高さＬがＬ５からＬ６の範囲に液面３５が位置する場合よりも大きい。液面３５の高さＬがＬ７以上である場合、液面３５の高さＬが変化しても絶縁部３７により液体３４に接する電極の表面積は変わらないので、ピーク電流値Ｉｐは変化しない。
【００４５】
以上説明したように、第４の実施形態に係る液面計１００では、第１の電極３１ｅ，３１ｆ，３１ｇの表面積が、液体の深さ方向に対して段階的に変化している。電極の形状をこのようにすることにより、液面３５の高さＬが高くなるほど、液面３５の高さＬを正確に測定することができる液面計１００を容易に製造することができる。
【００４６】
なお、上記の説明では、第１の電極３１ｅ，３１ｆの表面積を段階的に変化させる説明をしたが、第１の電極３１ｅ，３１ｆの表面積と第２の電極３２の表面積の合計が、液体の深さ方向に対して段階的に増加もしくは減少するようになっていればよい。
【００４７】
《第５の実施形態》
次に、第５の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。図２３は、第５の実施形態に係る液面計１００の構成を示す図である。本実施形態に係る液面計１００は、第３の電極３８、第３のコンデンサ４１を介して第３の電極３８に接続される第２の信号測定部５１ｂを備える点で、第１の実施形態と相違している。
【００４８】
第３の電極３８は、第２の電極３２と異なる高さに配置される。図２３に示す例では、第３の電極３８は、液面３５の上限危険水位を検出する位置に配置されている。第３のコンデンサ４１は、電気的に直流を遮断しながら測定信号を第３の電極３８から第２の信号測定部５１ｂに伝達する。第２の信号測定部５１ｂは、測定した振幅レベルに基づいて液面３５の高さＬを測定する。
【００４９】
測定部５０が測定する測定信号のピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係は、図２４に示すグラフのようになる。実線は信号測定部５１による測定結果である。一点鎖線は第２の信号測定部５１ｂによる測定結果である。第２の電極３２を介して信号測定部５１が測定するピーク電流値Ｉｐと液面３５の高さＬとの関係は、第１の実施形態での説明と同じである。液面３５の高さＬがＬ４の高さに達すると、液体３４を介して第３の電極３８にも測定信号の電流が流れ始め、第２の信号測定部５１ｂは、測定信号を検出する。液面３５の高さＬが高くなるにしたがって、第２の信号測定部５１ｂが検出するピーク電流値Ｉｐは、次第に増加していく。第２の電極３２と第３の電極３８の形状が同じ場合、図２４に示す２本のグラフの傾きは同じになる。
【００５０】
本実施形態では、第３の電極３８を配置する高さＬ４を液面３５の上限危険水位に設定する。液面３５が高さＬ４に達すると、第２の信号測定部５１ｂは、測定信号を検出し、例えばアラームを出力する。また、第２の電極３２を配置する高さＬ０を液面３５の下限危険水位に設定する。液面３５が高さＬ０よりも低下すると、信号測定部５１は、測定信号を検出しなくなり、例えばアラームを出力する。このような構成にすることにより、液面計１００は、第３の電極３８を液面３５の上限危険水位検出用電極、第２の電極３２を液面３５の下限危険水位検出用電極、として機能させることができる。
【００５１】
（変形例４）
本変形例においては、図２５に示すように、第２の電極３２ｂ、第３の電極３８ｂの先端以外を絶縁部３７で覆っている。また、第１の電極３１ｂの被検出液面位置以外の部分を絶縁部３７で覆っている。このような構成とすることで、図２６に示すように、水位が上昇しても、第２の電極３２ｂ、第３の電極３８ｂに流れる電流の上限が一定に抑えられる。そのため、液面３５の変化を検出したい範囲の検出精度を落とすことなく、信号測定部５１、第２の信号測定部５１ｂのダイナミックレンジを狭くすることができる。また、通電電流に起因する、電極の微小腐食、液の電気分解も抑制することが可能となる。なお、絶縁材としては、液に対して耐性を有し、電極と密着することが可能であれば、その材質を問わない。好適な例としては、各種ゴム材料、特にフッ素ゴム（FKM）やエチレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDM)等が、また各種樹脂材料、中でもポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、各種フッ素樹脂（PTFE、PFA、PVDF等）が挙げられる。
【００５２】
なお、上記では電極が３本である場合について説明したが、本発明は電極の本数を限定するものではない。複数の電極を異なる高さ位置に配置することにより、複数の水位を検出可能な液面計を構成することができる。また、電極を絶縁部３７で覆う範囲は、用途に応じて適宜決めることもできる。
【００５３】
《第６の実施形態》
次に、第６の実施形態を図面に基づいて説明する。第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。本実施形態に係る液面計１００の電極部３０は、図２に示す構成と同じである。本実施形態に係る液面計１００は、測定信号のピーク電圧値Ｖｐに基づいて液面３５の高さＬを測定する点で、第１の実施形態に係る液面計１００と相違している。
【００５４】
図２７は、第６の実施形態に係る液面計１００の等価回路である。信号測定部５１ｃは、交流電圧計を備え、基準抵抗ＲＬの両端に発生する交流信号である測定信号のピーク電圧値Ｖｐを測定する。信号測定部５１ｃが測定する信号波形のイメージは、図６の縦軸を電流から電圧に置き換えたグラフとなる。第２のコンデンサ４０で直流成分をカットしているので、信号測定部５１ｃが測定する測定信号は直流成分を含まない。
【００５５】
信号測定部５１ｃが測定する測定信号のピーク電圧値Ｖｐは式２で表すことができる。Ｅは、信号発生部１０が出力する測定信号の振幅である。
【００５６】
Ｖｐ＝Ｅ＊ＲＬ／（Ｒｏ＋Ｚ＋１／ωＣ１＋１／ωＣ２＋ＲＬ）      （式２）
ω＝２πｆ０
図２８に示すように、液面３５の高さＬが上昇して第１の電極３１と第２の電極３２間のインピーダンスＺが低くなるほど、信号測定部５１ｃが測定するピーク電圧値Ｖｐは高くなる。具体的には、信号測定部５１ｃは、液面３５の高さＬが図２に示すＬ０に達するまでは測定信号を検出しない。液面３５の高さＬがＬ０よりも高くなると、液面３５の高さＬが高くなるにしたがって、ピーク電圧値Ｖｐは大きくなっていく。
【００５７】
なお、本実施例に記載の回路構成とする場合には、ＲＬの値を、（Ｒ０＋Ｚ＋１／ωＣ１＋１／ωＣ２）の値の１０％以内にすることが好ましい。電極間のインピーダンスＺの変化に対応するＶｐの変化を大きくして、水位変化の検出感度を高めるためである。
【００５８】
《第７の実施形態》
次に、第７の実施形態を図面に基づいて説明する。上述の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。本実施形態に係る液面計１００の電極部３０は、図２に示す構成と同じである。本実施形態に係る液面計１００は、第２のコンデンサ４０に変えてフォトカプラ４２を用いて電気的に直流を遮断しながら電極部３０から測定部５０に測定信号を伝達する点で、上述の実施形態に係る液面計１００と相違している。
【００５９】
図２９は、第７の実施形態に係る液面計１００の構成を示す図である。電極部３０の液面３５の高さＬに応じて電極間のインピーダンスＺは減少し、その変化に伴ってフォトカプラ４２の一次側に流れる電流も増加する。フォトカプラ４２の一次側電流の増加に対応して二次側電流も増加する。測定部５０の信号測定部５１は、フォトカプラ４２の二次側に流れる電流を測定し、二次側電流のピーク電流値Ｉｐに基づいて液面３５の高さＬを測定する。液面３５の高さＬとフォトカプラ４２の二次側電流のピーク電流値Ｉｐとの関係は、予め実験で測定し、記憶部５２に記憶しておく。
【００６０】
なお、フォトカプラの一次側発光素子として発光ダイオード（LED）を用いたものを用いる場合は、発光ダイオードが整流作用を呈することから、図示のごとく発光ダイオードと逆極性でダイオードを装着することが望ましい。電極間に直流電圧がかからないようにするためである。ただし、発光素子として電球のような、極性を有さない素子を用いる場合には、その限りではない。
【００６１】
図３０は、図２９に示す液面計１００の等価回路である。フォトカプラ４２で信号発生部１０側と測定部５０側とを電気的に直流遮断している。これにより、信号発生部１０のアース電位と測定部５０のアース電位との電位差Ｅｏが変動しても、フォトカプラ４２の二次側に流れる信号電流の値は影響を受けない。したがって、液面計１００は、グランドループの影響を受けることなく液面３５の高さＬを正確に測定することができる。
【００６２】
なお、第７の実施形態の説明では、電気的に直流遮断する手段として、フォトカプラを用いる技術について説明した。しかし、電気的に直流遮断する手段は、前述したコンデンサもしくはフォトカプラに限定する必要はない。例えば、トランスを用いて直流成分を除去することもできる。
【００６３】
また、第７の実施形態の説明では、信号測定部５１が測定信号の電流値を測定する説明をしたが、第６の実施形態で説明したように、信号測定部５１が測定信号の変化を電圧に変換して液面３５の高さＬを測定するようにしてもよい。
【００６４】
《第８の実施形態》
以上では、電極３１と電極３２を配設する容器が、隔壁を有さず、容器内の液面の高さが１つである場合について説明した。本実施形態では、容器３３が隔壁７０で２つの部屋に区分されており、それぞれの部屋の液面の高さが異なる場合について説明する。電極３１と電極３２とは、隔壁を隔てた別々の部屋に配置されている。
【００６５】
例えば、液面計１００を電解水生成装置のような電解液の水位の測定に使用する場合、容器３３は隔壁で区分された複数の電解室で構成される場合がある。この場合、それぞれの電解室ごとに液体が異なり、液面３５も電解室ごとに異なる場合がある。
【００６６】
図３１は、第８の実施形態に係る液面計１００の構成を示す図である。液面計１００は、電極部３０の容器３３に隔膜７０を備え、容器３３は、隔膜７０で２つの電解室３３ａ，３３ｂに分割されている。例えば、隔膜７０は、微細孔を有する微多孔膜やイオン交換膜等のイオン導電性を有する隔膜とする。ここでは、第１の電極３１が配置されている電解室を電解室３３ａとし、第２の電極３２が配置されている電解室を電解室３３ｂとする。電解室３３ａ及び電解室３３ｂには、それぞれ異なる電解液が注入される。もしくは、電気分解によって異なる成分となった液体が貯留されている。そして、電解室３３ｂに注入されている電解液の下限警戒水位は、電解室３３ａに注入されている電解液の下限警戒水位よりもΔＬ高いとする。
【００６７】
この場合、両方の電解液の液面が同時に下限警戒水位となったことを検出するためには、電極３１を配置する高さを、電極３２を配置する高さよりもΔＬだけ低くする必要がある。液面計１００は、電極３１，３２をこのように高さを変えて配置することにより、液面の高さが異なる２つの液面について、それぞれの液面が下限警戒水位の高さに到達したことを検出することができる。
【００６８】
このような構成としなくても、電解室３３ａおよび電解室３３ｂそれぞれに、例えば図２に記載の構成の液面計を設けることで、同等の効果を得ることができる。しかし、本実施例の構成とすることで、回路を半減できる。また、個別に液面計を設けた場合には、電解室３３ａと電解室３３ｂがそれぞれ所定の水位に達していることを判断するためには、それぞれの液面計の出力のＡＮＤ演算を行う演算手段が必要となる。それに対し、本実施形態の構成であれば、それぞれの電解室の水位が所定の水位に達した場合にのみ電極間の導通がとれ、所定の出力が得られることから、前記の演算手段が不要となるという利点を有する。
【００６９】
《第９の実施形態》
第９の実施形態は、第８の実施形態において、電極の数を３本にした形態である。図３２は、第９の実施形態に係る液面計１００の構成を示す図である。液面計１００は、電極部３０の容器３３に隔膜７０を備え、容器３３は、隔膜７０で３つの電解室３３ａ，３３ｂ，３３ｃに分割されている。第１の電極３１は中央の電解室３３ｂに配置され、第２の電極３２は電解室３３ａに配置され、第３の電極３８は電解室３３ｃに配置されている。電解室３３ａ，３３ｂ，３３ｃには、それぞれ異なる電解液が注入される。もしくは、電気分解によって異なる成分となった液体が貯留されている。そして、電解室３３ａ，３３ｂ，３３ｃの液面は、電解室ごとに異なっている。電極３１、３２，３８のそれぞれは、各電解液の下限警戒水位の高さに配置されている。
【００７０】
電気分解によって生成された電解水の排出状況に伴って各電解室３３ａ，３３ｂ，３３ｃの液面の高さは変化する。電解室３３ａの液面の高さが電極３２の配置されている高さよりも低くなると、信号測定部５１は測定信号を検出できなくなる。これに伴って測定部５０はアラームを出力する。また、電解室３３ｃの液面の高さが電極３８の配置されている高さよりも低くなると、信号測定部５１ｂは測定信号を検出できなくなる。これに伴って測定部５０はアラームを出力する。また、電解室３３ｂの液面の高さが電極３１の配置されている高さよりも低くなると、信号測定部５１及び５１ｂは測定信号を検出できなくなる。これに伴って測定部５０はアラームを出力する。
【００７１】
液面計１００は、電極３１，３２，３８をこのように高さを変えて配置することにより、液面の高さが異なる液面について、それぞれの液面が所定の高さに到達したことを検出することができる。
【００７２】
なお、上記の説明では、理解を容易にするために、図５及び図３０を用いて、グランドループ問題に基づく電位差を直流電圧Ｅｏとして説明したが、グランドループ問題に起因するノイズ電圧には、交流電圧、スパイク電圧、ランダムなノイズ電圧も含まれる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１０…信号発生部
２０…第１のコンデンサ
３０…電極部
３１，３１ｂ，３１ｃ，３１ｅ，３１ｆ，３１ｇ…第１の電極
３２，３２ｂ…第２の電極
３３…容器
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…電解室
３４…液体
３５…液面
３７…絶縁部
３８，３８ｂ…第３の電極
４０…第２のコンデンサ
４１…第３のコンデンサ
４２…フォトカプラ
５０…測定部
５１、５１ｂ、５１ｃ…信号測定部
５２…記憶部
５３…演算部
５３１…取得部
５３２…遅延部
５３３…変化量計算部
５３４…比較部
５４…出力部
６０…温度測定部
６１…温度センサ
７０…隔膜
Ｅｏ…グランド電位差
Ｒｏ…出力インピーダンス（基準抵抗）
ＲＬ…基準抵抗
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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