(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定しようとする物理量に応じて比誘電率が変化する被検体中に電極を配設するとともに、該電極を検出キャパシタとする検出器側発振回路と、基準容量の基準キャパシタにより形成された上記検出器側発振回路と等価な回路構成の基準側発振回路と、両発振回路の発振出力に基づいて被検体の物理量を演算する物理量演算手段とを備えた容量式センサ装置において、上記両発振回路と上記被検体とを良熱伝導性の部材により構成したハウジング内に配して熱的に結合することにより略等温度とし、上記被検体の温度を検出する温度センサと、上記物理量を補正する補正手段であって、上記温度センサによる検出温度と予め記憶された両発振回路の温度特性差とに基づいて両発振回路の温度特性差に起因する誤差が除去されるように補正量を決定する補正手段とを具備せしめたことを特徴とする容量式センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載の容量式センサ装置において、上記ハウジングを、上記被検体を充たすとともに上記電極を配設する空間と、電極を除く上記両発振回路が形成された回路基板を格納する空間とを備えた金属部材により構成した金属ハウジングとした容量式センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載の容量式センサ装置において、上記物理量演算手段を、上記被検体の物理量を、上記発振出力と、上記温度センサにより検出された被検体の温度とに基づいて演算するように設定した容量式センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合液の成分濃度等を計測する容量式センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容量式センサ装置は、液体等の被検体が、濃度等の物理量に応じて比誘電率が変化することに着目し、被検体中に１対の電極を挿入するとともに、該電極をキャパシタとする共振部を有する発振回路を設け、その発振周波数が被検体の比誘電率で変化する容量に依存することを利用して被検体の物理量を計測するものである。
【０００３】
特開平４−３７２８１７号公報には、測定しようとする物理量に応じて容量が変化するキャパシタにより形成された発振回路とは別に、上記物理量に依存しない基準容量のキャパシタにより形成された上記発振回路と等価な回路構成の別の発振回路を設け、両発振回路の発振出力に基づいて被検体の物理量を演算するようにしたものが提案されている。この技術では別の発振回路を設けることで、装置の設置環境による外乱が発振周波数に与える影響を相殺し高精度化を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記特開平４−３７２８１７号公報の技術では、発振回路の設置場所の雰囲気温度の変動幅が大きいと、両発振回路の温度特性の個体差により発振周波数に与える影響を相殺し切れない。この結果、計測精度が低下し、必ずしも広い温度範囲で使用するには適していない。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、広い温度範囲で良好な計測精度の得られる容量式センサ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、測定しようとする物理量に応じて比誘電率が変化する被検体中に電極を配設するとともに、該電極を検出キャパシタとする検出器側発振回路と、基準容量の基準キャパシタにより形成された上記検出器側発振回路と等価な回路構成の基準側発振回路と、両発振回路の発振出力に基づいて被検体の物理量を演算する物理量演算手段とを備えた容量式センサ装置において、上記両発振回路と上記被検体とを良熱伝導性の部材により構成したハウジング内に配して熱的に結合することにより略等温度とし、上記被検体の温度を検出する温度センサと、上記物理量を補正する補正手段であって、上記温度センサによる検出温度と予め記憶された両発振回路の温度特性差とに基づいて両発振回路の温度特性差に起因する誤差が除去されるように補正量を決定する補正手段とを具備せしめる。
【０００７】
上記両発振回路の発振周波数が、被検体の比誘電率および上記両発振回路の温度特性の個体差に応じて変化する。熱的結合手段により、被検体中のキャパシタを含む検出側発信回路と基準側発振回路と上記被検体とが略等温度となる。また、これにより上記両発振回路の温度が被検体の温度を検出する温度センサより知られる。しかして被検体の物理量は、補正手段が両発振回路の温度に応じて両発振回路の温度特性の差に起因する誤差の補正を行うので、広い温度範囲で高い計測精度で得られる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、上記ハウジングを、上記被検体を充たすとともに上記電極を配設する空間と、電極を除き上記両発振回路が形成された回路基板を格納する空間とを備えた金属部材により構成した金属ハウジングとする。
【０００９】
ハウジングを良熱伝導性の金属部材により構成することで、上記両空間を容易に略等温度とすることができる。しかして両発振回路と上記被検体とが略等温となる。しかも両発振回路と上記被検体とを金属ハウジング内の空間に設けることで、外気温等の外部環境の影響をも回避することができる。
【００１０】
請求項３記載の発明では、物理量演算手段を、上記被検体の物理量を、上記発振周波数の差と、上記温度センサにより検出された被検体の温度とに基づいて演算するように設定する。
【００１１】
比誘電率が温度に依存する被検体の場合、その物理量を、発振周波数の差に加えて被検体の温度とに基づいて演算することで、正確な値を得る。ここで必要な被検体の温度は、上記発振回路の温度特性の影響を回避するための上記補正に用いられる温度と同じでよいから、温度センサを兼用とすることができ、構成が簡単にできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に燃料電池システムに適用した本発明の実施形態を示す。容量式センサ装置１は、水とメタノールの混合器から被検体たる水／メタノール混合液をメタノール改質器に送出する管路の途中に設けられ、水／メタノール混合液の水とメタノールのモル濃度比（以下、水／メタノール混合液の濃度という）が水／メタノール混合液の比誘電率の関数であることを利用して上記濃度を計測するものである。燃料電池システムでは、容量式センサ装置１の計測結果は水およびメタノールの供給量を調整するバルブ制御に用いられ、水／メタノール混合液の濃度が管理される。
【００１３】
容量式センサ装置１は、ステンレススティール製の熱的結合手段であるハウジング２を有し、ハウジング２は５つのハウジングユニット２１，２２，２３，２４，２５から構成されている。第１のハウジングユニット２１は厚肉のブロック状部材に凹部２１ａが形成されたもので、凹部２１ａにはこれを埋めるように第２、第３のハウジングユニット２２，２３が配設してある。第１〜第３ハウジングユニット２１〜２３には、左右方向に流路８が形成してある。流路８の両端部８１，８２は上記混合器およびメタノール改質器と接続するための接続部８１，８２としてあり、流路８に水／メタノール混合液Ｌが流れるようになっている。
【００１４】
第２、第３のハウジングユニット２２，２３の、流路８の途中部分である空間２ａは、第２のハウジングユニット２２の凹部２２ａを第３のハウジングユニット２３が上方より閉鎖することで形成される。空間２ａには、水／メタノール混合液Ｌが流通する他、キャパシタたる検出キャパシタ４１Ａ、温度センサ７が配設してある。
【００１５】
第４、第５のハウジングユニット２４，２５は第３のハウジングユニット２３の上方に設けられる。第４のハウジングユニット２４は円形の箱状に成形されたもので、これを蓋となる第５のハウジングユニット２５が上方より螺着されて閉鎖し、空間２ｂが形成してある。空間２ｂには回路基板３１，３２が配設してある。回路基板３１，３２は第４のハウジングユニット２４に保持されている。
【００１６】
また第４、第５のハウジングユニット２４，２５は、図略のボルトにより第１のハウジングユニット２１に固定され、第２，第３のハウジングユニット２２，２３が第１のハウジングユニット２１と、第４、第５のハウジングユニット２４，２５の間に挟持される。しかしてハウジング２はそのハウジングユニット２１〜２５が互いに密着して一体化し、良好な熱伝導性を示す。
【００１７】
検出キャパシタ４１Ａは、所定の間隔をおいて上下方向に積層する多数の電極たる電極板４１１，４１２により構成され、電極板４１１，４１２は、空間２ａの上壁である第３のハウジングユニット２３から垂下する支柱３３、リード支柱３４により保持されている。リード支柱３４は、図示されないものが奥側にもう１つ設けてあり、いずれも第３、第４のハウジングユニット２３，２４を貫通して空間２ｂに進出している。２つのリード支柱３４はキャパシタ４１Ａの正負のリード部をなしている。電極板４１１，４１２は交互にいずれかのリード支柱３４を介して回路基板３１，３２と接続されており、交互に水／メタノール混合液を挟んで対向する正側電極４１１群と負側電極４１２群とを形成する。検出キャパシタ４１Ａの容量は空間２ａの水／メタノール混合液Ｌの比誘電率に応じて変化する。
【００１８】
温度センサ７は抵抗温度計等で構成され、第３のハウジングユニット２３から垂下するケース３５内に収容してある。温度センサ７のリード３６は回路基板３１，３２と接続されている。
【００１９】
図２に、キャパシタ４１Ａ、温度センサ７、回路基板３１，３２により形成される検出回路を示す。キャパシタ４１Ａ、温度センサ７以外の検出器側発振回路４Ａ、および基準側発振回路４Ｂは、回路基板上に実装される。
【００２０】
検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとは、インバータ４３を直列に接続した等価な回路構成のＣＲ発振回路である。検出器側発振回路４Ａの充放電回路は、検出キャパシタ４１Ａと抵抗４２Ａとで構成され、検出器側発振回路４Ａの発振周波数（検出器側発振周波数）は水／メタノール混合液Ｌの比誘電率に応じて変化する。一方、基準側発振回路４Ｂの充放電回路は、基準キャパシタ４１Ｂと抵抗４２Ｂとで構成され、基準側発振回路４Ｂの発振周波数（基準側発振周波数）は設置環境が一定していれば一定値をとる。検出器側発振回路４Ａの発振出力（検出器側発振出力）はカウンタ５Ａに入力し、基準側発振回路４Ｂの発振出力（基準側発振出力）はカウンタ５Ｂに入力する。
【００２１】
各カウンタ５Ａ，５Ｂにはまた、マイクロコンピュータ６から同時にリセット信号が入力し、各カウンタ５Ａ，５Ｂは、リセット信号が入力すると、その時点から発振出力のパルスをカウントし、規定数のパルスをカウントすると規定パルス到達信号をマイクロコンピュータ６に返送するようになっている。
【００２２】
マイクロコンピュータ６はＣＰＵ、メモリ等よりなる一般的な構成のもので、カウンタ５Ａ，５Ｂとともに物理量演算手段を構成し、両カウンタ５Ａ，５Ｂから規定パルス到達信号を受け取るとその時間差から後述するように水／メタノール混合液Ｌの濃度を演算するようになっている。
【００２３】
マイクロコンピュータ６にはまた、温度センサ７から検出信号が入力し、補正手段たるマイクロコンピュータ６は、後述するように上記濃度の演算において温度センサ７による検出温度に応じて補正演算をするようになっている。
【００２４】
本容量式センサ装置１の作動を説明する。規定パルス到達時間は規定パルス数を発振周波数で除した時間であるから、規定パルス到達時間差は、検出器側発振周波数の、基準側発振周波数に対する周波数偏差と対応している。
【００２５】
すなわち検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとで、充放電回路を構成するキャパシタ４１Ａ，４１Ｂの容量や抵抗４２Ａ，４２Ｂの抵抗値が等しく、またインバータ４３等の回路要素の特性も等しいと仮定すると、検出器側発振周波数と基準側発振周波数とは等しい。するとカウンタ５Ａ，５Ｂからの規定パルス到達信号は同時にマイクロコンピュータ６に返送され、規定パルス到達時間差は０である。
【００２６】
水／メタノール混合液Ｌの濃度が変化して水／メタノール混合液Ｌの比誘電率が変化すると、検出キャパシタ４１Ａの容量が変化して検出器側発振周波数が変化する。するとカウンタ５Ａの規定パルス到達時間が検出器側発振周波数に応じて変化し、上記周波数偏差に応じた値をとる。
【００２７】
このように規定パルス到達時間差は水／メタノール混合液Ｌの濃度に応じて変化するが、比誘電率が、水／メタノール混合液Ｌの濃度に加えてその温度の関数でもあるため、水／メタノール混合液Ｌの濃度は規定パルス到達時間差および水／メタノール混合液Ｌの温度で特定される。マイクロコンピュータ６のメモリ（ＲＯＭ）には、水／メタノール混合液Ｌの濃度と、水／メタノール混合液Ｌ温度および規定パルス到達時間差の関係について演算用のマップが記憶してあり、物理量演算手段としてのマイクロコンピュータ６は、上記演算用マップを使い、カウンタ５Ａ，５Ｂからの規定パルス到達信号から知られる規定パルス到達時間差と、温度センサ７の検出温度とに対応する水／メタノール混合液Ｌ濃度を読みだし、計測値とする。
【００２８】
ここで、上記規定パルス到達時間差には補正した数値が用いられる。この規定パルス到達時間差を補正する補正手段としてのマイクロコンピュータ６の作動について説明する。検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとは、上記のごとく同一の回路構成としてある。しかし各回路要素の温度特性の個体差に起因して、例えば検出キャパシタ４１Ａと基準キャパシタ４１Ｂとで容量が等しくとも規定パルス到達時間差が０とならず、その値が温度により変動する。
【００２９】
この検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとの温度特性の個体差に起因する規定パルス到達時間差の変動を相殺するための作動について説明する。ハウジング２はそのハウジングユニット２１〜２５同士が上記のごとく密着して一体となっており、また熱伝導性のよい金属で構成されているので、流路８を流れる水／メタノール混合液の熱がハウジング２に伝わる。この熱はさらに回路基板３１，３２に伝わる。かくして回路基板３１，３２は流路８を流れる水／メタノール混合液Ｌの温度と略等しく保たれる。したがって温度センサ７は水／メタノール混合液Ｌの温度を検出するとともに、回路基板３１，３２温度を検出していることになる。
【００３０】
マイクロコンピュータ６のメモリには、上記演算用マップとともに補正用のマップが記憶してある。補正用マップは、温度センサ７の検出温度に対応する規定パルス到達時間差の補正値で構成されるもので、補正値は、使用温度範囲における予め規定パルス到達時間差を計測して求められる。
【００３１】
マイクロコンピュータ６は、この上記補正用マップから温度センサ７の検出温度に対応する補正値を読み出し、補正値に従ってカウンタ５Ａ，５Ｂからの規定パルス到達信号から得た規定パルス到達時間差に補正を加える。補正された規定パルス到達時間差と温度センサ７の検出温度とに基づいて、上記のごとく水／メタノール混合液Ｌの濃度が求められる。
【００３２】
図３は、規定パルス到達時間差の特性を示すグラフで、水／メタノール混合液Ｌの温度を１０°Ｃに設定し、外気温度を−１０°Ｃから５０°Ｃまで変化させたときのものである。図中、本実施形態になる容量式センサ装置（回路一体型）とともに、ハウジングを有しない従来型の装置のものを示している。
【００３３】
図より知られるように、規定パルス到達時間差が、従来型では大きく変動するのに対して、本発明の装置では僅かな変動しか生じない。例えば５０°Ｃにおいて、従来型では４μｓの誤差が生じるのに対して、本発明では１．４μｓの誤差より生じない。これはハウジング２により、水／メタノール混合液Ｌと検出器側発振回路４Ａおよび基準側発振回路４Ｂとが熱的に結合し、略等温となっているためと認められる。
【００３４】
このように検出器側発振回路４Ａおよび基準側発振回路４Ｂの温度を温度センサ７により検出し、検出温度に基づいて上記補正用マップを用いて検出器側発振回路４Ａと基準側発振回路４Ｂとの温度特性の個体差に起因する規定パルス数到達時間差の誤差が除去される。しかして広い温度範囲にわたって水／メタノール混合液Ｌの濃度を高精度で計測することができる。
【００３５】
しかも上記補正で必要な検出器側発振回路４Ａおよび基準側発振回路４Ｂの温度と、水／メタノール混合液Ｌの濃度の演算で必要な水／メタノール混合液Ｌの温度とは略等温であるから、単一の温度センサ７を設けるのみで足り、構成が簡単にできる。
【００３６】
また本実施形態では、ハウジングを良導電性の金属を用いているから、検出器側発振回路４Ａ等の回路に対するノイズの影響を防止することができる。
【００３７】
なおハウジングは、被検体が腐食性を有しなければステンレススティールに限定されるものではなく、例えばより良熱伝導性を示すアルミニウムが好適に用いられる。
【００３８】
回路基板３１，３２には、図２の回路を全て実装するのではなく、検出キャパシタ４１Ａ、温度センサ７を除く発振回路４Ａ、４Ｂおよびカウンタ５Ａ、５Ｂ、あるいはキャパシタ４１Ａ、温度センサ７を除く発振回路４Ａ、４Ｂだけでもよい。
【００３９】
熱的結合手段は本実施形態のハウジングに限定されるものではなく、適宜変形することができる。また、熱伝導ではなく作動物質の対流により熱的に結合する構成とすることもできる。
【００４０】
水／メタノール混合液濃度を求めるにあたり、演算用マップ、補正用マップに代えて演算式、補正式を用いてもよい。
【００４１】
なお本発明は燃料電池システムにおける水／メタノール混合液濃度の計測用だけではなく、他の液体等の物理量の計測に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量式センサ装置の断面図である。
【図２】本発明の容量式センサ装置の回路図である。
【図３】本発明の容量式センサ装置の作動を説明するグラフである。
【符号の説明】
１  容量式センサ装置
２  ハウジング（熱的結合手段）
２ａ，２ｂ  空間
３１，３２  回路基板
４Ａ  検出器側発振回路（発振回路）
４１Ａ  検出キャパシタ（キャパシタ）
４２Ａ  抵抗
４Ｂ  基準側発振回路（発振回路）
４１Ｂ  基準キャパシタ
４２Ｂ  抵抗
５Ａ，５Ｂ  カウンタ（物理量演算手段）
６  マイクロコンピュータ（物理量演算手段，補正手段）
７  温度センサ
８  流路
Ｌ  水／メタノール混合液（被検体）
【図１】
0003844879.tif 000002
【図２】
0003844879.tif 000003
【図３】
0003844879.tif 000004