(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の検知電極と該検知電極を中心として同軸状に配置された筒状のシールド電極とからなる液面レベルセンサと、
該液面レベルセンサの両電極に接続して高周波を印加する発振器と、
該発振器と該液面レベルセンサ間に接続され、該液面レベルセンサの静電容量変化に対する電極間電圧変化の直線補正を行う直線補正抵抗と、
複数の直線補正抵抗値のそれぞれに対する前記電極間電圧変化の非直線誤差を、液面レベルの下限値と上限値の電極間電圧を結んだ理想直線と測定される静電容量−電極間電圧の理論曲線との誤差として算出する非直線誤差算出手段、算出された複数の直線補正抵抗値に対する非直線誤差の中から該非直線誤差が最小となる直線補正抵抗値の選択を行う抵抗値選択手段、および該抵抗値選択手段により選択された抵抗値に前記直線補正抵抗を設定する抵抗値設定手段を含み、前記直線補正抵抗に接続して該直線補正抵抗の抵抗値設定を行う補正抵抗設定器と、
前記検知電極とシールド電極の間において得られる高周波信号を直流信号に変換する２つのダイオードと、
前記直線補正抵抗と並列、かつ前記２つのダイオードの内の１つと直列となり、前記２つのダイオードの出力端の電位差を調節する可変抵抗と、
から構成され、前記２つのダイオードの出力端の差動信号を検出する静電容量式液面レベル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンク内の液体量を検出する測定装置に関し、より詳しくは、タンク内の液体の液面レベル（液面高さ）をリアルタイム且つ連続的に測定することのできる液面レベル測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液面レベル（液面高さ）を電気的に検出する測定装置としては、電極式レベルセンサや静電容量式レベルセンサ等がよく知られている。電極式レベルセンサは、液中に電極を差し込んで、液中を流れる電流値により液面レベルの測定を行うものである。また、静電容量式レベルセンサは、金属性タンク内に１本の電極を差し込んで、電極とタンク間の静電容量により液面レベルの測定を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極式レベルセンサは、その原理から導電性の液体にしか使用することはできず、更には、液体に直接電流を流すために、感電等の事故の危険性がある等の問題を抱えている。また、静電容量式レベルセンサは、その原理からタンクは金属製に限られ、更には、タンク自体を電極として用いているために、液体流入用バルブが開いている場合と閉じている場合とでは静電容量が違ってくる等、タンクの状態によっても静電容量が変化してしまう等の問題を抱えている。
【０００４】
その解決策として、例えば、特開平２−４９１１９号公報に開示されているような静電容量式レベルセンサ等がある。この液面レベルセンサは、電極とこの電極を同軸状に囲むシールド管とから構成され、電極とシールド管間の静電容量を測定することにより液面レベルの測定を行うものである。具体的には、電極とシールド管間の電圧を測定することにより静電容量の変化を検出している。
【０００５】
しかしながら、液面レベルと静電容量との関係は直線となるが、電極間電圧と静電容量との関係は非直線（曲線）となる。そのため、電極間電圧の変化から静電容量の変化を直接求めることはできず、別途電極間電圧の変化から静電容量の変化を導き出す変換装置等が必要になる。
【０００６】
そこで、本発明者は、このような課題を解決するべく、鋭意研究を重ねた結果、本発明に至ったのである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電容量式液面レベル測定装置の要旨とするところは、棒状の検知電極と該検知電極を中心として同軸状に配置された筒状のシールド電極とからなる液面レベルセンサと、該液面レベルセンサの両電極に接続して高周波を印加する発振器と、前記液面レベルセンサの電極間電圧の測定を行う電圧測定器と、該発振器と該液面レベルセンサ間に接続され、該液面レベルセンサの静電容量変化に対する該電極間電圧変化の直線補正を行う直線補正抵抗と、該直線補正抵抗に接続して該直線補正抵抗の抵抗値設定を行う補正抵抗設定器とから構成されたことにある。
【０００８】
また、本発明の静電容量式液面レベル測定装置の要旨とするところは、前記補正抵抗設定器が、複数の直線補正抵抗値に対する前記電極間電圧変化の非直線誤差の算出を行う非直線誤差算出手段と、算出された非直線誤差の中から非直線誤差が最小となる直線補正抵抗値の選択を行う抵抗値選択手段と、該抵抗値選択手段により選択された抵抗値に前記直線補正抵抗を設定する抵抗値設定手段とから構成されていることにある。
【０００９】
図５に示すような、半径ａ〔ｍ〕，長さＬ＝Ｌ1 ＋ＬS 〔ｍ〕の円柱棒状の検知電極２２と、検知電極２２を中心として同軸状に配置された内面半径ｂ〔ｍ〕，長さＬ〔ｍ〕の円筒状のシールド電極２４とから構成された液面レベルセンサ２０において、比誘電率εS の液体が下端から高さＬS 〔ｍ〕まで満たされている場合の静電容量Ｃは数１で表すことができ、この数１より数２が導かれる。ただし、ε1 は空気の誘電率，ε2 は液体の誘電率，Ｌ1 は空気部の長さ（Ｌ1 ＝Ｌ−ＬS 〔ｍ〕）である。
【００１０】
【数１】
0003841239.tif 000002
【００１１】
【数２】
0003841239.tif 000003
【００１２】
また、この液面レベルセンサ２０と直列に抵抗Ｒ及び発振器１２（発振周波数ｆ，入力電圧Ｖi ）を接続した場合の等価回路は図６のように表せ、このときの液面レベルセンサ２０の電極間電圧ＶO は、数３で表すことができる。ただし、Ｃは液面レベルセンサの静電容量〔Ｆ〕，Ｒは抵抗〔Ω〕，ω＝２πｆである。
【００１３】
【数３】
0003841239.tif 000004
【００１４】
そして、数２より液面レベルセンサ２０の静電容量Ｃは液面レベルＬS によって変化し、数３より液面レベルセンサの電極間電圧ＶO は静電容量Ｃによって変化することがわかる。そのため、液面レベルＬS の変化を電極間電圧ＶO の変化として捕らえることができる。よって、電極間電圧ＶO を測定することにより液面レベルＬS をリアルタイム且つ連続的に測定することができる。
【００１５】
しかしながら、液面レベルセンサ２０の静電容量Ｃと液面レベルＬS との関係は数２より直線となることがわかるが、電極間電圧ＶO と液面レベルセンサ２０の静電容量Ｃとの関係は図７に示すような曲線Ｖとなり直線性はない。そのため、抵抗Ｒを直線補正用の抵抗として用い、この直線補正抵抗Ｒを調整することにより電極間電圧ＶO −静電容量Ｃ特性曲線Ｖの直線補正を行う。具体的には、図７に示すように、液面レベルの下限値ＬL における静電容量及び電極間電圧（ＣL ，ＶL ）と液面レベルの上限値ＬH における静電容量及び電極間電圧（ＣH ，ＶH ）とを結んだ直線（数４）を理想直線Ｑとし、この理想直線Ｑと数３より求められる電極間電圧ＶO （理論曲線Ｖ）間の誤差（図の斜線部分）が最も小さくなるように直線補正抵抗Ｒの設定を行う。これにより、測定される電極間電圧ＶO （曲線Ｖ）の直線補正が行われ、測定電圧ＶO （曲線Ｖ）の非直線性を改善することができる。
【００１６】
【数４】
0003841239.tif 000005
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る静電容量式液面レベル測定装置の実施の形態について、図面に基づいて詳しく説明する。
【００１８】
図１は本発明の静電容量式液面レベル測定装置１０であり、棒状の検知電極２２と検知電極２２を中心として同軸状に配置された筒状のシールド電極２４とからなる液面レベルセンサ２０と、液面レベルセンサ２０の両電極２２，２４に接続して高周波を印加する発振器１２と、液面レベルセンサ２０の電極間電圧の測定を行う電圧測定器１４と、発振器１２と液面レベルセンサ２０間に接続され、液面レベルセンサ２０の静電容量変化に対する電極間電圧の非直線変化の直線補正を行う直線補正抵抗１６と、直線補正抵抗１６に接続して直線補正抵抗１６の抵抗値設定を行う補正抵抗設定器３０とから構成されている。
【００１９】
液面レベルセンサ２０は、図３及び図４に示すように、断面が円形状の棒状の検知電極２２と、この検知電極２２に対して同軸状に配置された円筒状のシールド電極２４とから構成されており、センサ２０の上端部及び下端部には絶縁性のキャップ２６，２８が取り付けられ、検知電極２２とシールド電極２４の固定を行っている。また、シールド電極２４の上端部付近及び下端部付近にはシールド電極２４内に液体４０がスムーズに入り込むように、空気流入口４６及び液体流入口４８が設けられている。また、すくなくとも検知電極２２の表面には絶縁皮膜が施されている。更に、検知電極２２が細く線状である場合には、キャップ２６，２８により検知電極２２にテンションをかけて検知電極２２の曲折や緩みを防止している。
【００２０】
発振器１２は液面レベルセンサ２０の両電極２２，２４に接続して高周波を印加するものであり、電圧測定器１４は液面レベルセンサ２０の両電極２２，２４に接続して電極間の電圧ＶO を測定するものである。また、直線補正抵抗１６は液面レベルセンサ２０と直列に接続して、液面レベルセンサ２０の電極間電圧−静電容量特性の直線補正を行うものであり、補正抵抗設定器３０は直線補正抵抗１６に接続して、直線性が最もよくなるような抵抗値に直線補正抵抗１６を設定するものである。そして、これら発振器１２，電圧測定器１４，直線補正抵抗１６及び補正抵抗設定器３０は、液面レベルセンサ２０の上端部に一体的にまとめられている。
【００２１】
また、補正抵抗設定器３０は、図２に示すように、複数の直線補正抵抗値に対する非直線誤差の算出を行う非直線誤差算出手段３２と、算出された非直線誤差の中から非直線誤差が最小となる直線補正抵抗値の選択を行う抵抗値選択手段３４と、抵抗値選択手段３４により選択された抵抗値に直線補正抵抗１６を設定する抵抗値設定手段３６とから構成されている。
【００２２】
非直線誤差算出手段３２は、検知電極２２の半径，シールド電極２４の内半径，液面レベルセンサ部の長さ，発振器１２の入力電圧及び発振周波数などの測定条件にもとづいて、複数の異なる直線補正抵抗値についての非直線誤差の算出を行うものである。具体的には、図７に示すように、液面レベルの下限値ＬL における静電容量及び電極間電圧（ＣL ，ＶL ）と液面レベルの上限値ＬH における静電容量及び電極間電圧（ＣH ，ＶH ）を結んだ理想直線Ｑと、静電容量Ｃ−電極間電圧Ｖ特性の理論曲線Ｖとの誤差（図の斜線部分）を算出することにより、異なる直線補正抵抗値ごとの非直線誤差を算出している。
【００２３】
また、抵抗値選択手段３４は非直線誤差算出手段３２により算出された非直線誤差の中から、非直線誤差が最小となる直線補正抵抗値を選択するものであり、抵抗値設定手段３６は、直線補正抵抗１６に接続して、抵抗値選択手段３４により選択された抵抗値に、直線補正抵抗１６を設定するものである。
【００２４】
次に、このような静電容量式液面レベル測定装置１０を用いてタンク４４内の液面レベル４２の測定を行う場合について、その作用を説明する。
【００２５】
図３は、タンク４４内に液面レベルセンサ２０を挿入して液面レベル測定を行う状態を示しており、タンク４４の上部側の蓋部より、液面レベルセンサ２０が液体２０中に挿入されている。そして、液面レベルセンサ２０のシールド電極２４には液体流入口４８と空気流入口４６が設けられているため、タンク４４内の液体４０は液体流入口４８よりセンサ２０内に流入し、タンク４４内の液面レベル４２とセンサ２０内の液面レベルが常に等しくなるようになっている。
【００２６】
そして、発振器１２より高周波を印加すると、液面レベルＬS の変化によりセンサ２０の静電容量Ｃ（数２）が変化し、静電容量Ｃが変化することにより電極間電圧ＶO （数３）が変化するため、電圧測定器１４でセンサ２０の電極間電圧ＶO の変化を測定することにより、液面レベルＬS の変化を検出することができる。
【００２７】
このように、本発明の静電容量式液面レベル測定装置１０を用いることにより、タンク４４内の液面レベル変化を測定電圧ＶO の変化によりリアルタイム且つ連続的に求めることができる。なお、実際の電極間電圧の測定の際には、図６に示す端子▲１▼にダイオードを接続して直流信号に変換して測定を行っている。
【００２８】
また、本発明の静電容量式液面レベル測定装置１０には補正抵抗設定器３０が用いられており、非直線誤差算出手段３２により直線補正抵抗１６の抵抗値ごとに理想直線Ｑと測定電圧ＶO の理論曲線Ｖとの誤差が算出される。詳しく述べると、検知電極２０の半径ａ，シールド電極２４の内半径ｂ，液面レベルセンサ部の長さＬ，発振器１２の入力電圧ＶO 及び発振周波数ｆなどの測定条件にもとづいて、図７に示すような、液面レベルの下限値ＬL における静電容量及び電極間電圧（ＣL ，ＶL ）と液面レベルの上限値ＬH における静電容量及び電極間電圧（ＣH ，ＶH ）を結んだ理想直線Ｑ（数４）と、測定される静電容量Ｃ−電極間電圧ＶO の理論曲線Ｖ（数３）との誤差（図の斜線部分）を算出するのである。
【００２９】
なお、非直線誤差の算出については、例えば、図９に示すように、ＣL からＣH 間をいくつかに等分割した各静電容量についての平均誤差を算出するなど、任意の方法で誤差を算出することができる。すなわち、理想直線Ｑと理論電圧曲線Ｖとで囲まれた領域（図の斜線部）を厳密に算出する必要は必ずしもなく、例えば、図９においては、静電容量Ｃ1 〜Ｃ13の各々について数３と数４の誤差を算出し、これらの平均誤差を非直線誤差としている。
【００３０】
そして、抵抗値選択手段３４により、直線補正抵抗１６ごとに算出された非直線誤差の中から非直線誤差が最小となる直線補正抵抗値が選択される。そして、抵抗値設定手段３６により、選択された抵抗値に直線補正抵抗１６が設定される。これにより、測定電圧ＶO と静電容量Ｃ（液面レベルＬS ）特性の直線性が最も良い状態で、液面レベル４２の測定を行うことができるようになる。
【００３１】
このように、本発明の直線補正抵抗１６及び補正抵抗設定器３０を備えた静電容量式液面レベル測定装置１０を用いることにより、直線補正抵抗１６が最適値に設定された状態で測定を行えるため、直線性の良い測定電圧ＶO −静電容量Ｃ（液面レベルＬS ）特性を得ることができる。これにより、測定電圧ＶO の変化から直接に液面レベルＬS の変化を求めることができる。
【００３２】
図８は、直線補正抵抗１６の設定の一実施例であり、検知電極２２の半径ａが１．５〔ｍｍ〕，シールド電極２４の内半径ｂが１０〔ｍｍ〕，液面レベルセンサ部の長さＬが２〔ｍ〕，液面レベルの下限が０．１〔ｍ〕，上限が１．９〔ｍ〕，発振器１２の入力電圧Ｖo が３〔Ｖ〕，発振周波数ｆが１〔ＭＨｚ〕，液体４０の非誘電率εs が２の測定条件において、直線補正抵抗１６が１〔ｋΩ〕，１．５〔ｋΩ〕，２〔ｋΩ〕，２．５〔ｋΩ〕の各場合についての理想直線（破線で図示）と出力電圧ＶO −液面レベルＬS 特性の理論曲線（実線で図示）との関係を示している。この図面より、直線補正抵抗１６を変えることにより、出力電圧ＶO −液面レベルＬS 特性の直線性が補正されることが分かる。
【００３３】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明に係る静電容量式液面レベル測定装置はその他の態様でも実施し得るものである。例えば、検知電極及びシールド電極の形状は円柱及び円筒形に限定はされず、電極間の測定電圧（静電容量）が液面レベルの変動により変化するものならば任意の形状のものを用いることができる。また、液面レベルセンサの長さ（検知電極及びシールド電極の長さ）も任意の長さとすることができる。ただし、液面レベルセンサのインダクタンス分はセンサの長さに比例して大きくなるため、インダクタンス分が無視できなくなった場合は、直列にキャパシタンスを挿入してインダクタンス分を相殺する必要がある。
【００３４】
また、直線補正抵抗の設定においても、出力電圧−液面レベル（静電容量）特性の直線補正が行えるものならばその方法を問わず、例えば、予め所望の非直線誤差を設定しておき、この設定値以下の非直線誤差となるような抵抗値に直線補正抵抗を設定させるなど、任意の方法で直線補正抵抗を設定することができる。また、理想直線についても、実施例で示した下限値（ＣL ，ＶL ）と上限値（ＣH ，ＶH ）を結んだ直線に限定する必要はなく、例えば、最小２乗法等で求めた回帰直線を理想直線とするなど、理想直線Ｑを任意の方法で決めることができる。
【００３５】
また、非直線誤差の算出においても、理想直線Ｑと理論電圧曲線Ｖとの誤差は任意の方法で求めることができ、例えば、測定範囲内の理想直線Ｑと理論電圧曲線Ｖで囲まれた領域の面積を積分計算により求めて非直線誤差としたり、測定範囲内の理想直線Ｑと理論電圧曲線Ｖの最大誤差を非直線誤差とするなど、非直線誤差は任意の方法で算出することができる。
【００３６】
以上、本発明に係る静電容量式液面レベル測定装置の実施例について、図面に基づいて種々説明したが、本発明は図示した静電容量式液面レベル測定装置に限定されるものではない。例えば、図６の端子▲１▼にダイオードを接続して直流信号に変換する方法では、ダイオードの順方向電圧が温度の影響を受けて変動するため、図１０に示すような検出回路を用いてもよい。この回路では、発振器１２により端子▲３▼−▲４▼間において高周波信号が得られ、この高周波信号はダイオードＤ1 ，Ｄ2 で直流信号となる。そして、抵抗Ｒ1 を調整して端子▲５▼−▲６▼間の電圧がゼロとなるように調整する。これにより得られた信号は、ダイオードの順方向電圧の温度による変動誤差を相殺し、ノイズにも強い差動信号（Ｖ+ −Ｖ- ）となる。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良，修正，変形を加えた態様で実施できるものである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の静電容量式液面レベル測定装置によれば、液面レベルの変動により液面レベルセンサの静電容量が変化するため、液面レベルセンサの電極間電圧を測定することにより、液面レベルの変動をリアルタイム且つ連続的に検出することができる。そして、直線補正抵抗により電極間電圧−静電容量特性の非直線性の補正を行うことができる。
【００３８】
また、本発明の静電容量式液面レベル測定装置によれば、補正抵抗設定器により直線補正抵抗を、測定電圧の直線性が最良となる抵抗値に設定することができる。これにより、電極間電圧−液面レベル特性の直線性が最適に補正された状態で液面レベル測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量式液面レベル測定装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る静電容量式液面レベル測定装置の補正抵抗設定器の一実施例を示すブロック図である。
【図３】図１に示す静電容量式液面レベル測定装置の測定状態を示す側面断面図である。
【図４】図３に示す静電容量式液面レベル測定装置の上面断面図である。
【図５】図１に示す静電容量式液面レベル測定装置の要部拡大説明図である。
【図６】図５に示す静電容量式液面レベル測定装置の等価回路図である。
【図７】図１に示す静電容量式液面レベル測定装置の測定電圧特性及び理想直線を示す図である。
【図８】図２に示す補正抵抗設定器による直線補正の状態を示す図である。
【図９】図２に示す非直線誤差算出手段による非直線誤差の算出方法の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明に係る静電容量式液面レベル測定装置の他の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０，５０：静電容量式液面レベル測定装置
１２：発振器
１４：電圧測定器
１６：直線補正抵抗
２０：液面レベルセンサ
２２：検知電極
２４：シールド電極
２６，２８：キャップ
３０：補正抵抗設定器
３２：非直線誤差算出手段
３４：抵抗値選択手段
３６：抵抗値設定手段
４０：液体
４２：液面レベル
４４：タンク
４６：空気流入口
４８：液体流入口
【図１】
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【図２】
0003841239.tif 000007
【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】
0003841239.tif 000014
【図１０】
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