(57)【要約】      （修正有）【課題】高い機械的衝撃度に耐えるのに十分な頑丈さを持つ一方で、より高い抵抗で十分に速い応答時間を提供する液位感知システム。【解決手段】液体を保持するように構成された筐体１０８と、前記筐体に接続され、第一の温度センサーにおいて測定された第一の温度を示す第一の信号を出力するように構成された第一の温度センサー１０４と、前記筐体に接続され、第二の温度センサーにおいて測定された第二の温度を示す第二の信号を出力するように構成された第二の温度センサー１０６と、前記第一と第二の信号を入力として受信し、前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する出力信号を提供するように構成された回路１２４と、を含む液位感知システム１００。【選択図】図１
2012027024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液位感知システムであって、
液体を保持するように構成された筐体と、
前記筐体に接続された第一の温度センサーであって、前記第一の温度センサーにおいて測定された第一の温度を示す第一の信号を出力するように構成された第一の温度センサーと、
前記筐体に接続された第二の温度センサーであって、前記第二の温度センサーにおいて測定された第二の温度を示す第二の信号を出力するように構成された第二の温度センサーと、
前記第一および第二の信号を入力として受信し、前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する出力信号を提供するように構成された回路と、を備える液位感知システム。
【請求項２】
前記第一の温度センサーおよび前記第二の温度センサーが液位速度方向に所定の距離だけ離間している、請求項１に記載の感知システム。
【請求項３】
前記第一の温度センサーおよび前記第二の温度センサーが液位速度方向および液位速度に垂直の方向に所定の間隔だけ離間している、請求項１に記載の感知システム。
【請求項４】
前記第一および第二のセンサーが、基端が基部に取り付けられ、先端が前記基部から離れて配置される細長い本体を各々備える、請求項１に記載の感知システム。
【請求項５】
前記細長い本体と液位速度方向との間に鋭角が形成されるように、前記細長い本体の先端が前記細長い本体の基端の所定距離上方にあるように、前記細長い本体が前記筐体内で支持される、請求項４に記載の感知システム。
【請求項６】
前記鋭角が約７５度である、請求項５に記載の感知システム。
【請求項７】
前記センサーの各々が、前記細長い本体の前記先端の少なくとも一部により支持される抵抗感知素子を更に備える、請求項４に記載の感知システム。
【請求項８】
前記抵抗感知素子が巻線として設置される、請求項７に記載の感知システム。
【請求項９】
前記抵抗感知素子がフィルムとして設置される、請求項７に記載の感知システム。
【請求項１０】
前記抵抗感知素子が白金からなる、請求項７に記載の感知システム。
【請求項１１】
前記センサーの各々が、前記抵抗感知素子から液体が流れ落ちるのを容易にするように構成された滑らかな表面を更に備える、請求項７に記載の感知システム。
【請求項１２】
前記センサーの各々が、前記抵抗感知素子から液体が流れ落ちるのを容易にするように非湿潤コーティングを更に備える、請求項７に記載の感知システム。
【請求項１３】
前記回路がシグナルコンディショナーを備える、請求項１に記載の感知システム。
【請求項１４】
前記回路が差動アンプを備える、請求項１に記載の感知システム。
【請求項１５】
前記回路がローパスフィルターを備える、請求項１に記載の感知システム。
【請求項１６】
前記回路が微分器を備えることを特徴とする請求項１に記載の感知システム。
【請求項１７】
前記回路がインバーターを備える、請求項１に記載の感知システム。
【請求項１８】
タンク内の液位を前記液体が前記タンクから流出するにつれて判定する方法であって、
筐体を有するタンクを提供することと、
各センサーが前記筐体に接続され、前記タンク内の液位速度の方向に互いに所定の距離だけ離間している第一の温度センサーおよび第二の温度センサーを提供することと、
前記第一の温度センサーにおける第一の温度の継続的に測定することと、
前記第二の温度センサーにおける第二の温度の継続的に測定することと、
前記第一の温度を示す前記第一の温度センサーからの第一の入力信号および前記第二の温度を示す前記第二の温度センサーからの第二の入力信号を受信するように構成された回路を提供することと、
前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する出力信号を提供するための回路内での、前記第一および第二の入力信号を操作することと、を含む方法。
【請求項１９】
前記第一の温度センサーおよび前記第二の温度センサーを、液位速度に垂直な方向に所定の距離だけ離間すること、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第一の温度センサーおよび第二の温度センサーを提供するステップが、センサーを提供することであって、各々が、基端が基部に取り付けられ、先端が前記基部から離れて配置される細長い本体を含む、センサーを提供することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記細長い本体と液位速度の方向との間に鋭角が形成されるように、前記細長い本体の前記先端が前記細長い本体の前記基端の所定距離上方にあるように、前記細長い本体を前記筐体に取り付けることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記鋭角が約７５度であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
タンク内の燃料の充填および流出を検出するための燃料レベル感知システムであって、
ある量の液体燃料を保持するように構成された燃料タンクと、
前記タンク内の前記タンクの底部近くに取り付けられた消耗感知ユニットであって、第一の温度センサーにおいて測定される第一の温度を示す第一の信号を出力するように構成された第一の温度センサーと、第二の温度センサーにおいて測定される第二の温度を示す第二の信号を出力するように構成された第二の温度センサーと、前記第一と第二の信号を入力として受信し、前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する第一の出力信号を提供するように構成された第一の回路と、を備える、前記消耗感知ユニットと、
前記タンク内の前記タンクの頂部近くに取り付けられた充填感知ユニットであって、第三の温度センサーにおいて測定される第三の温度を示す第三の信号を出力するように構成された第三の温度センサーと、第四の温度センサーにおいて測定された第四の温度を示す第四の信号を出力するように構成された第四の温度センサーと、前記第三と第四の信号を入力として受信し、前記第三の信号と前記第四の信号との間の差の時間変化率に比例する第二の出力信号を提供するように構成された第二の回路と、を備える、充填感知ユニットとを備える、タンク内の燃料の充填および流出を検出するための燃料レベル感知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンクロージャ内の離散点液位感知に関し、より具体的には、２つの温度感知プローブおよび前記温度感知プローブから受けた２つの信号の間の差の時間変化率に比例した出力を生じる回路を含む迅速応答液位感知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体推進剤を用いる航空宇宙打上げ機の用途において、飛行中に燃料タンクをいつ使い切ったかを正確に判定することは、適切なエンジン遮断を確実にするために非常に重要である。一般に、打上げ機の燃料タンク内の数個のセンサーは燃料がタンクから出るにつれて燃料タンク内の液位をモニターする。前記センサーは打上げ機のエンジンの停止が早すぎたり遅すぎたりしないように機能する。停止が早いと打上げ機の軌道への到達を妨げ、停止が遅いとエンジンの故障をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
打上げ機の用途における従来の液位感知システムはシステム応答要求(<160 ms)を適正に満たす裸線感知素子を用いているが、非常に壊れやすい。裸線感知素子はセラミックカードに緩く巻かれた細い白金線からなる。前記線の直径は非常に細く、人間の髪の毛ほどの太さである。この薄い線の熱容量は非常に小さいため、液体から気体への転移中に液体がすばやく感知素子から流れ落ちるので前記感知素子の応答時間は速い。しかしながら、従来の感知素子の壊れやすさは問題で、はるかに大きな点火の衝撃度がある新型打上げ機においては特に問題である。加えて、極低温度では、従来の液位センサーの低い抵抗（〜 1 オーム）が回路の故障検出を妨げる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
高い機械的衝撃度に耐えるのに十分な頑丈さを持つ一方で、より高い抵抗で十分に速い応答時間を提供する液位感知システムに対して切実なニーズがある。本発明はこのニーズに対処する。
【発明の効果】
【０００５】
本開示は微分出力を用いた液位感知のためのシステムおよび方法に関する。前記システムおよび方法は当業者には以下の数枚の図面と併せて次の発明を実施するための形態からより簡単に明らかになるであろう。
【０００６】
液位感知システムが以下に示される。前記液位感知システムは、液体を保持するように構成された筐体またはタンクと、前記筐体に接続され、第一の温度センサーにおいて測定された第一の温度を示す第一の信号を出力するように構成された第一の温度センサーと、前記筐体に接続され、第二の温度センサーにおいて測定された第二の温度を示す第二の信号を出力するように構成された第二の温度センサーと、前記第一と第二の信号を入力として受信し、前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する出力信号を提供するように構成された回路を包む。
【０００７】
液体がタンクから流出するにつれて液位を判定する方法も提供される。前記方法は筐体を有するタンクを提供するステップと、各センサーが前記筐体に接続され、前記タンク内の液位速度の方向に互いに所定の距離離間した第一の温度センサーおよび第二の温度センサーを提供するステップと、前記第一の温度センサーにおいて第一の温度を継続的に測定するステップと、前記第二の温度センサーにおいて第二の温度を継続的に測定するステップと、前記第一の温度を示す前記第一の温度センサーからの第一の入力信号および前記第二の温度を示す前記第二の温度センサーからの第二の入力信号を受信するように構成された回路を提供するステップと、前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する出力信号を提供するために回路内の前記第一と第二の入力信号を操作するステップと、を含む。
【０００８】
タンク内の燃料の充填および流出を検出するための燃料レベル感知システムも提供される。前記システムは多量の液体燃料を入れるように構成された燃料タンクと、前記タンクの底部近くに前記タンク内に取り付けられた消耗感知ユニットと、および前記タンクの頂部近くに前記タンク内に取り付けられた充填感知ユニットを含む。前記消耗感知ユニットは、第一の温度センサーにおいて測定された第一の温度を示す第一の信号を出力するように構成された前記第一の温度センサーと、第二の温度センサーにおいて測定された第二の温度を示す第二の信号を出力するように構成された前記第二の温度センサーと、前記第一と第二の信号を入力として受信し、前記第一の信号と前記第二の信号との間の差の時間変化率に比例する第一の出力信号を提供するように構成された第一の回路と、を含む。前記充填感知ユニットは、第三の温度センサーにおいて測定される第三の温度を示す第三の信号を出力するように構成された前記第三の温度センサーと、第四の温度センサーにおいて測定された第四の温度を示す第四の信号を出力するように構成された前記第四の温度センサーと、前記第三と第四の信号を入力として受信し、前記第三の信号と前記第四の信号との間の差の時間変化率に比例する第二の出力信号を提供するように構成された第二の回路と、を含む。
【０００９】
微分出力を有する液位感知のためのシステムおよび方法を実施する方法を当業者が過度の実験無しに容易に理解できるように、次の図を参照して前記システムおよび方法の好ましい実施形態を詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の液位感知システムの例示的な実施形態を含む燃料タンクの一部破断斜視図である。
【図２】図１の液体感知システムに用いられてもよい抵抗素子の例示的な実施形態を示す図である。
【図３】液位速度の方向に対して９０度未満の角度に取り付けられた、本発明の液位感知システムのセンサーの例示的な実施形態を示す図である。
【図４】２つのセンサーの間のｘ方向およびｙ方向の両方向の分離を示す、本発明の感知システムの一部の平面図である。
【図５】前記タンク内の液位が２つのセンサーの両方の上にある、互いに離間した前記２つのセンサーを示す、図１の燃料タンクの断面図である。
【図６】前記タンク内の液位が２つのセンサーの間にある、互いに離間した前記２つのセンサーを示す、図１の燃料タンクの断面図である。
【図７】前記タンク内の液位が２つのセンサーの両方の下にある、互いに離間した前記２つのセンサーを示す、図１の燃料タンクの断面図である。
【図８】本発明の液位感知システムの第１のセンサー（Ｔ１）および第２のセンサー（Ｔ２）において、所与の期間にわたって測定された温度（ケルビン）のプロットを示す図である。
【図９】本発明の液位感知システムの第１のセンサー（Ｔ１）および第２のセンサー（Ｔ２）において、所与の定期間にわたって測定された温度の間の温度差（Ｔ１ − Ｔ２）のプロットを示す図である。
【図１０】本発明の液位感知システムの第１のセンサー（Ｔ１）および第２のセンサー（Ｔ２）において、所与の期間にわたって測定された温度の間の温度差（Ｔ１ − Ｔ２）の時間変化率のプロットを示す図である。
【図１１】レベル感知システムの出力を生じるために用いられてもよいレベルセンサー回路の例示的な実施形態を示す回路図である。
【図１２】本発明の液位感知システムの第１のセンサーと第２のセンサーの間の微分動作出力のプロットを示し、液体と気体との間で転移するセンサーのための微分器の迅速な応答を実証する図である。
【図１３】本発明の液位感知システムの別の例示的な実施形態を示す燃料タンクの一部破断斜視図であって、前記感知システムが前記タンクの底部近くに消耗センサーと前記タンクの頂部近くに充填センサーを含む、斜視図である。
【図１４】本発明による、液体がタンクから流出するにつれてタンク内の液位を判定する例示的な方法の手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は微分技術を用いることによりタンクまたはその他のエンクロージャ内の液体から気体への、または気体から液体への転移を迅速に検出するための複数の離散点レベル感知素子を用いる液位感知システムを記載する。
【００１２】
ここで、液位感知システムの好適な本実施形態を詳細に参照し、その例を図面に示す。限定ではなく説明および例示の目的のために、本発明の液位感知システムの第一の例示的な実施形態の斜視図を図１に示し、全体として参照番号１００で示す。
【００１３】
システム１００は第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６を有する感知ユニット１０２を含む。感知ユニット１０２は、少なくとも一つの側壁１１０および床１１２を有し、液体１１６をタンク１０８の外に排出するように床１１２内に形成された吐出オリフィス１１４を持つ、液体保持タンク１０８内に取り付けられている。図1に示すように、タンク１０８は所定の量の液体１１６を保持するように構成された円筒型密封タンクであってもよい。出口オリフィス１１４はタンク１０８から出る液体１１６の流れの制御を可能にする弁またはその他の機構と結合されてもよい。
【００１４】
液位感知システム１００は燃料タンク内の燃料残量の測定に、特に航空宇宙の用途に適している。例えば、液体タンク１０８は打ち上げ機の一部をなす燃料タンクでもよい。タンク１０８は液体水素燃料、液体酸素酸化剤、またはその他の適切な液体推進剤を保持してもよい。出口オリフィス１１４は、燃焼室と流体連通して、そこでタンク１０８から流出する液体燃料は点火され、熱い高温度の気体を生じ、それから膨張してノズルを通り加速され打ち上げ機の推力を生じる場合がある。
【００１５】
感知ユニット１０２は側壁１１０または別の構造部材の外面１２０に取り付けられる基部１１８（図１に仮想線で示す）を含み、感知プローブ１０４、１０６がタンク１０８内に所定の距離伸びるように基部１１８に取り付けられ側壁１１０の内面１２２内を通る第一および第二の感知プローブ１０４、１０６を有してもよい。前記感知プローブ１０４、１０６の各々は一つ以上のリード線１２６またはその他の手段によって回路１２４と結合してもよい。
【００１６】
感知ユニット１０２はタンク１０８内の気体から液体への、および液体から気体への転移の検出が可能な離散点レベルセンサーとして機能する。例示的な実施形態の一つでは、感知プローブ１０４、１０６は図２に示されるように、同一の感知プローブで、長さがｚ、直径がｄである。各感知プローブ１０４、１０６は感知素子１２８もまた有しても良い。感知素子１２８はサーミスタ、ダイオードまたは白金、ニッケル、および他の適当な材料からなる巻線のような任意の他の適当な耐温度性素子でもよい。例示的な実施形態の一つでは、感知素子はフィルムとして設置されていてもよい。感知プローブ１０４，１０６は基端１３０が感知ユニット１０２の基部１１８に取り付けられ先端１３２がタンク１０８の内部に伸びる、細長い円筒形状でも良い。図２に示すように、各感知プローブ１０４、１０６は前記感知プローブの長さｚに沿ってＬの距離にわたり前記感知プローブの先端１３２の周りに巻いた線を含む感知素子を含んでもよい。各感知素子１２８は前記感知プローブの基端１３０上のコネクタ１３４を通じてリード１２６および回路１２４に電気的に接続されても良い。
【００１７】
システム１００はタンク１０８内の液位を判定するために感知素子１２８の自己発熱特性を用いる。気体と液体の伝熱特性は異なるので、感知素子１２８の自己発熱率は感知素子１２８が気体に浸されているか、または液体に浸されているかに左右される。感知プローブ１０４、１０６の各感知素子１２８には気体内で測定可能な自己発熱を提供するために十分な一定の励磁電流が提供される。自己発熱の程度は、素子の抵抗、励磁電流および境界条件（液体または気体）に左右される感知素子１２８の消費電流に比例する。液体１１６がタンク１０８から流出するにつれて、第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６の各々が、液体に浸された状態から完全に気体に囲まれる状態に転移する。感知プローブ１０４，１０６が気体に囲まれると、感知素子１２８によって生じる抵抗加熱は増え、各素子の感知温度が増加する。例えば、０．０６インチの外径を有する感知プローブでは、液体窒素内の自己発熱率は０．０２８℃／ｍＷで、気体の窒素内の自己発熱率は０．２１３℃／ｍＷである。各感知プローブ１０４、１０６は前記プローブ上の感知素子の温度に比例する出力信号を発生する。
【００１８】
各感知プローブの液ガス応答時間は前記プローブ上の感知素子の湿潤、すなわち、前記感知プローブ上の感知素子の表面に液体が付着する性質によって影響されるかもしれない。前記素子が液体から出る際に、いかなる表面に付着する液体も、前記液体の蒸発に伴い応答時間の遅れを生じさせる。すなわち、この影響はいくつかの方法で緩和できる。小さい抵抗素子を用いて表面積を最小化してワット密度を増加できる、滑らかな表面の輪郭を有する感知プローブを用いて液体が溜まる穴ができないようにすることができる、前記プローブ上の前記感知素子に提供される励磁電流を増やし、よって蒸発能および蒸発率を増やすことができる、およびパリレンのような非湿潤コーティングを前記感知プローブおよび感知素子に塗布することができる。非湿潤コーティングにより提供される低い表面張力が前記感知プローブから液体をはじくことを促進して濡れの影響を最小化する。
【００１９】
図３は湿潤の問題のさらなる解決策を示す。図示の通り、感知プローブ２０４はタンク内に液位速度に対して斜めに取り付けることができる。換言すれば、感知プローブ２０４をタンクの筐体の内面２２２および液位速度と鋭角を成すように取り付ける。液位速度はタンク内の液体が動く速度および方向を表すベクトルである。
【００２０】
感知プローブ２０４を斜めに取り付けると液体流出およびレベル検出分解能に影響を及ぼす。タンク筐体および液位速度に対して鋭角、換言すれば、９０度未満の角度を成すことで、液体流出は感知プローブの先端上に位置する感知素子２２８から離れる方向に向かい、湿潤遅れを最小化する。しかしながら、前記角度が９０度からそれるにつれて分解能ΔＹが落ちるので、感知プローブを斜めに取り付けると代償が伴う。分解能（ΔＹ）は以下に定義される。
【数１】
2012027024.tif 000003
ここでθ0 ＝ ｔａｎ-1(ｄ/Ｌ)、θ  ＝ 取り付け角度、Ｌ ＝ 巻き線長さ、およびｄ ＝ 直径である。発明者は感知素子の分解能を大きく損なわずに湿潤遅れを最小化するために感知プローブを取り付けるための最適な角度は約７５度であると判定した。
【００２１】
図４は図１に示される液位感知システム１００の感知ユニット１０２の例示的な実施形態を示す。図４は前記感知ユニットの感知プローブ１０４および１０６の相対的配置を示す。感知プローブ１０４および１０６はタンク１０８内の液体１１６の同一の流れに両方のプローブが確実に露出されるように二方向にずらしても良い。図４に示されるように、第一の感知プローブ１０４は第二の感知プローブ１０６からｘ軸に沿って横方向距離、およびｙ軸に沿って距離Ｄｙだけ離間して配置され、ｙ軸はタンクから液体が流出するのにともなう液体１１６の液位速度に平行で、ｘ軸はｙ軸に垂直で感知プローブ１０４、１０６に概ね垂直の状態であってもよい。第一の感知プローブ１０４と第二の感知プローブ１０６との間の前記横方向距離Ｄｘは、第一の感知プローブ１０４により生じる後流が第二の感知プローブ１０６における温度測定に影響を与えないだけ十分大きい。感知プローブを適正に離間すると、第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６の両方が確実に液体１１６の同一の流れにさらされる。
【００２２】
第一の感知プローブ１０４は前記第一の感知プローブにおける第一の温度Ｔ１を表す出力信号を発生し、第二の感知プローブ１０６は前記第二の感知プローブにおける第二の温度Ｔ２を表す出力信号を発生する。２つの温度の間の差（Ｔ１−Ｔ２）は入力信号として回路１２４に送られ、前記回路は前記差（Ｔ１−Ｔ２）の時間変化率に比例する出力を提供する。２つの感知プローブを用いることでタンク１０８内の液体１１６の液位の判定における前記タンク内の温度変化および流れの影響を最小化する。
【００２３】
一つの例示的な実施形態では第一及び第二の感知プローブ１０４、１０６の感知素子１２８はそれぞれ個別に１０秒の時定数（６３．２％応答）を有し、２０Ｋ（ケルビン）の液ガス自己発熱の上昇を提供し、タンク内に１０秒離れて配置される。換言すると、液体１１６がタンク１０８から流出するにつれて、液位が第一の感知プローブ１０４に達した１０秒後に第二の感知プローブ１０６に達する。
【００２４】
図５〜図７は所定の期間にわたるタンク１０８からの液体１１６の流出を示す。図５は、第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６をともなう感知ユニット１０２が、初期時ｔ0において、両感知プローブが液体１１６に浸されている状態を示す。初期時ｔ0において、前記感知プローブは基本的に同温、すなわち、第一の温度Ｔ１は第二の温度Ｔ２と等しく、２つの温度の間の差（Ｔ１-Ｔ２）はゼロに等しい。
【００２５】
図６に示すように、液体１１６のレベルが第一の感知プローブ１０４の下に降がると、前記差（Ｔ１-Ｔ２）が増加し始める。この差の変化率は液体から気体への転移においてほぼ瞬間的である。液位が第二の感知プローブ１０６に近づくと、変化率が徐々に減少しながら前記差（Ｔ１-Ｔ２）が最大値に近づく。図７に示すように、第二の感知プローブ１０６が液体に浸った状態から気体に囲まれる状態に転移するにつれ、前記差（Ｔ１-Ｔ２）が減少し始め、この差の変化率が逆方向に急に変わる。この第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６のずらされた構成が、比較的応答時間の遅い感知プローブを用いるにもかかわらず、第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６におけるレベルの検出のための迅速に始動する事象を提供する。
【００２６】
図８〜図１０は、タンク１０８から流出中の所定の期間に対する、第一の温度Ｔ１、第二の温度Ｔ２、温度差（Ｔ１−Ｔ２）、および温度差の微分係数ｄ（Ｔ１−Ｔ２）／ｄｔの変化を示す。タンク内の液位が第一の感知プローブ１０４よりも所定距離だけ上方にある初期時ｔ0は図８から１０に示される各プロットの横座標上の開始点を示す。
【００２７】
図８は第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６の両方における温度変化を示す。液体がタンク１０８から流出するにつれて、ｔ0の１０秒後に第一の感知プローブ１０４は液体に浸されている状態から気体１０に囲まれる状態に転移し始める。第二の感知プローブ１０６は１０秒遅れて、ｔ0の２０秒後に液体に浸されている状態から気体１０に囲まれる状態に転移し始める。図示の通り、両感知プローブは初期時ｔ0において９０Ｋ、すなわち第一の温度Ｔ１および第二の温度Ｔ２は両方とも９０Ｋに等しい。初期時ｔ0の１０秒後、Ｔ２は９０Ｋのままである一方、第一の感知プローブ１０４で測定される第一の温度Ｔ１は気体の自己発熱の上昇の結果、徐々に増加し始める。ｔ0の２０秒後、第二の感知プローブ１０６で測定される第二の温度Ｔ２も液ガス転移の結果、徐々に増加し始める。ｔ0の６０秒後、タンク１０８内の液体１１６の液位がこのとき第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６の両方の下まで降がり、両プローブが完全に気体に覆われたことにより、第一の温度Ｔ１および第二の温度Ｔ２は再び１１０Ｋで平衡になる。
【００２８】
図９は上記の同じ期間にわたって、どのように温度差（Ｔ１−Ｔ２）が変化するかを示す。初期時ｔ0で、第一の温度Ｔ１と第二の温度Ｔ２は等しく、温度差（Ｔ１−Ｔ２）はゼロである。ｔ0の１０秒後、第一の感知プローブ１０４が液体から気体に転移するにつれて温度差（Ｔ１−Ｔ２）が増大し始める。ｔ0の２０秒後に、第二のセンサー１０６が液体から気体に転移する直前に温度差（Ｔ１−Ｔ２）が最大に達する。第一および第二の感知プローブの両方が１１０Ｋの同じ気体温度で平衡になるにつれて、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が徐々にゼロに戻る。
【００２９】
図１０は同じ期間にわたって変化する温度差（Ｔ１−Ｔ２）の微分係数のプロットである。温度差の微分係数は第一の温度Ｔ１と第二の温度Ｔ２との間の差の時間変化率、すなわちｄ(Ｔ１−Ｔ２)/ｄｔである。ｔ0の１０秒後、第一の感知プローブ１０４が液体から気体に転移するときに、前記微分係数が急にピークを持つ。徐々に減少した後に、ｔ0の２０秒後、第二の感知プローブ１０６が液体から気体に転移するときに、前記微分係数が再び急にピークを持つが、今回は逆方向である。前記パルス幅、つまり急激な上昇と下降の間の時間は、２つのプローブの間の間隔が固定されているので、直接液位速度に関連する。前記差の時間変化率ｄ(Ｔ１−Ｔ２)/ｄｔのこれらの急速なピークを、迅速な応答時間の点レベル表示を始動するために用いることができる。２つの個別の感知プローブから第一の温度Ｔ１と第二の温度Ｔ２を表す信号を微分回路に送ることにより、タンク内の液位を、センサーのいずれかが個別に可能な応答時間よりも速く判定できる。
【００３０】
図１１は液位感知システム１００の回路１２４の例示的な実施形態を示す回路図である。回路１２４は第一の感知プローブ１０４および第二の感知プローブ１０６の各感知素子１２８のために励磁および信号条件の両方を提供する。回路１２４はシグナルコンディショナー１３６と、差動アンプ１３８と、ローパスフィルター１４０と、微分器１４２と、インバーター１４４と、を含んでもよい。
【００３１】
図１１に示すように、感知プローブ１０４、１０６の各感知素子１２８には一定の励磁電流が提供される。前記電流はタンク１０８内に存在する気体内で、相当の自己発熱が起きるのを確実にするように設定される。実施形態の一つでは、前記感知プローブが液体から気体に転移するときに自己発熱が１０℃以上分増加するように前記電流が設定される。シグナルコンディショナー１３６は、第一の電圧フォロワーとして機能するように構成されたオペアンプＵ１および第二の電圧フォロワーとして機能するように構成されたオペアンプＵ２を含んでもよい。前記第一の電圧フォロワーは第一の感知プローブ１０４において測定された抵抗に比例する第一の入力信号を受信して第一の電圧Ｖ１を出力する。同様に、前記第二の電圧フォロワーは第二の感知プローブ１０４において測定された抵抗に比例する第二の入力信号を受信して第二の電圧Ｖ２を出力する。
【００３２】
差動アンプ１３８は第一の電圧Ｖ１および第二の電圧Ｖ２を入力として受信し、前記２つの入力信号の間の差（Ｖ１−Ｖ２）に関連する信号を発生する。第一の感知プローブ１０４上の抵抗素子は第二の感知プローブ１０６上の抵抗素子から物理的に分離されているので差が生じ、前記第一の抵抗素子および前記第二の抵抗素子は異なる時間に液体から気体への転移を感知する。前記差動アンプは抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、およびオペアンプＵ３を含む。図示のされた例示的な実施形態では、差動アンプ１３８の出力電圧Ｖ３がＶ１とＶ２の間の差に等しくなるように、すなわちＶ３ ＝ (Ｖ１−Ｖ２)となるように抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は等しい抵抗値を有する。
【００３３】
ローパスフィルター１４０は電圧Ｖ３を入力として受信し、フィルターにかけられた電圧Ｖ４を出力として生じる。図１１に示すようにローパスフィルター１４０は、抵抗Ｒ５、およびＲ６、コンデンサーＣ１、およびＣ２、ならびにオペアンプＵ４を有する。ローパスフィルター１４０は遮断周波数（ｆｃ）より上の高周波をフィルターで除去するために用いられる。前記遮断周波数は次の式で決定される。
【数２】
2012027024.tif 000004
例示的な実施形態の一つでは、前記感知プローブが液体から気体に転移するときに前記フィルターが前記抵抗素子の自己発熱特性の急な変化を隠さないように、前記フィルターの遮断周波数は前記感知プローブ上の前記抵抗素子の熱時定数に整合する。実施形態の一つでは、ローパスフィルター１４０はＳａｌｌｅｎ−Ｋｅｙ型アクティブフィルターである。
【００３４】
微分器１４２はローパスフィルター１４０から電圧Ｖ４を入力として受信し、電圧Ｖ５を出力として生じる。図１１に示すように、微分器１４２はコンデンサーＣ３、抵抗Ｒ７、およびＲ８、ならびにオペアンプＵ５を含む。微分器１４２によって生成される前記電圧出力Ｖ５は入力電圧Ｖ４の時間変化率およびコンデンサーＣ３を流れる電流に比例する。換言すると、入力電圧が速く変化するほど、入力電力が大きいほど、出力応答が大きくなる。
【００３５】
電圧Ｖ５は時間に関して入力電圧Ｖ４の微分係数の定数（−Ｒ８ × Ｃ３）倍である。入力信号はオペアンプＵ５の反転入力端子に接続されているので負号は１８０度の位相シフトを示す。出力電圧Ｖ５の一般方程式は次の通りである。
Ｖ５ ＝ （−Ｒ８ × Ｃ３）（ｄＶ４/ｄｔ）
媒介変数Ｒ８およびＣ３は利得（すなわち信号振幅）および回路応答に影響する。Ｒ８およびＣ３に対する最適値は所望の出力信号Ｖ５、回路応答時間、作動電圧範囲、素子応答、および素子時間間隔に依存する。図１１に示すように、高周波数での回路の全閉ループ利得を比率Ｒ８／Ｒ７（コンデンサーＣ３が短絡に見える状態）に減らすために、Ｒ７が入力に加えられる。低周波数利得は、まだこれまで通りＲ８およびＣ３によって決定される。これら２つの結果が一致する場合、微分器の遮断周波数は次の式に従いＲ７およびＣ３により決定される：
ｆｃdiff ＝ １ /(２π × Ｒ７ × Ｃ３)
Ｒ７はまた、回路の状態に基づいて選定されなければならない。一般に、Ｒ７を減らすと回路応答が向上するが、ノイズに対する感受性および回路の不安定さが増す。Ｒ７を増やすと回路の安定性が向上して高周波数ノイズが減るが、回路応答が遅くなる。
【００３６】
インバーター１４４は任意選択で回路１２４内に含まれても良い。インバーター１４４は抵抗Ｒ９およびＲ１０、ならびにオペアンプＵ６を含む。インバーター１４４は電圧Ｖ５を入力として受け、電圧Ｖｏｕｔを出力する。例示的な実施形態の一つでは、電圧Ｖoutが−Ｖ５に等しくなるように前記出力抵抗Ｒ９およびＲ１０が等しい抵抗値を持つ。
【００３７】
図１２は本開示に記される液位感知システムの実施形態の電圧出力データを示す。前記電圧出力データは液体窒素と気体窒素との間で転移するセンサーのための微分器の迅速な応答を示す。このデータは、上記の構成の回路を用いる２１ミリアンペア（ｍＡ）の励磁電流を受ける各抵抗素子を有する、氷点抵抗が１０００オームの白金抵抗温度計を感知素子として各々が有する２つの温度感知プローブを用いて生成された。微分器内で、抵抗器Ｒ８内の抵抗は１．５メガオームでコンデンサーＣ３の静電容量は２０マイクロファラッド（μＦ）であった。図１２にセンサー１およびセンサー２と表示される第一および第二のセンサーからの電圧出力は、図８に示されるように第一のおよび第二の感知プローブにおける温度上昇に相当する。図９に示されるように、差動アンプからの電圧出力は第一の感知プローブと第二の感知プローブとの間の温度差に相当する。最後に、図１２に示す微分した出力は、図１０に示す第一および第二の感知プローブによって測定された温度差の時間変化率のプロットに相当する。図１２に示されたデータは、液位感知システム１００がタンク内の液位の離散点レベルを迅速に検出できるようにする電圧の急な増減を示す。
【００３８】
図１３は前記液位感知システムの別の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、タンク１０８は第一の感知ユニット３０２と、第二の感知ユニット３０４と、を含む。第一および第二の感知ユニット３０２、３０４は上記の感知ユニット１０２と同様に機能する。第一の感知ユニット３０２はタンク１０８の頂部近くに配置され充填センサーとして機能する、すなわち、感知ユニット３０２はタンク１０８がいつ充填されたかを判定するように構成される。第二の感知ユニット３０４はタンクの底部近くに配置される場合があり、タンクがいつほぼ空になったかを判定するための消耗センサーとして構成される場合がある。
【００３９】
図１４は液体がタンクから流出するのにつれてタンク内の液位を判定する方法４００を示す。方法４００の手順４０２で、筐体を有するタンクが提供される。次に、手順４０４で、前記タンク筐体に接続された第一の温度センサーが提供される。手順４０６で、前記タンクの筐体に接続される第二の温度センサーが提供される。手順４０８で、前記第一および第二の温度センサーは前記タンク内で液位速度方向に所定の距離だけ離間して配置される。手順４１０で、第一の温度センサーが第一の温度センサーにおける温度を継続的に測定する。手順４１２で、第二の温度センサーが第二の温度センサーにおける温度を継続的に測定する。手順４１４で、回路が提供され、前記回路は第一のセンサーにおける温度を表す第一の温度センサーからの信号入力を受信するように構成される。手順４１６で、前記回路は第二のセンサーにおける温度を表す第二の温度センサーからの信号入力を受信するように構成される。手順４１８で、前記回路は第一および第二の入力信号を操作し、手順４２０で、前記回路は第一の信号と、第二の信号との間の差の時間変化率に比例する出力信号を提供する。この方法は、いつタンク内の液体がセンサーのそばを通るかを示す働きをする前記信号間の差の時間変化率の急激な変化の検出を可能にする。
【００４０】
好ましい実施形態システムを参照して微分出力を有する液位感知のためのシステムおよび方法が示され説明されるが、添付の特許請求の範囲および等価物に記載される本発明の範囲を逸脱せずに、この開示のシステムおよび方法に様々な変更を行っても良いことは当業者には容易に理解できるであろう。
【符号の説明】
【００４１】
１００    システム
１０２    感知ユニット
１０４    第一の感知プローブ
１０６    第二の感知プローブ
１０８    タンク
１１０    側壁
１１２    床
１１４    出口オリフィス
１１６    液体
１２０    外面
１２２    内面
１２４    回路
１２６    リード線
【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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