特開 2024-146 水位計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024000146

(43)【公開日】2024-01-05

(54)【発明の名称】水位計

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/263 20220101AFI20231225BHJP

【ＦＩ】

G01F23/263

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098747

(22)【出願日】2022-06-20

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000231073

【氏名又は名称】日本航空電子工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121706

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128705

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 幸雄

(74)【代理人】

【識別番号】100147773

【弁理士】

【氏名又は名称】義村 宗洋

(72)【発明者】

【氏名】市川 真太郎

(72)【発明者】

【氏名】山根 康平

【テーマコード（参考）】

2F014

【Ｆターム（参考）】

2F014AB02

2F014EA02

(57)【要約】

【課題】電極対に対する配線数を少なくできるようにする。
【解決手段】水位計は入力回路３０とセンサ部４０と調整部５０と切替え手段６０と判別手段７０と水位決定手段８０を備え、センサ部４０は水位検出方向に配列された複数の電極対４１を有し、電極対４１はｎ個の群に分けられて第ｉ群(ｉ＝１，２，…，ｎ)は最下から２^i-1(２ｋ－１)番目(ｋは１から２^n-iまでの自然数)の位置の電極対４１によって構成され、電極対４１の一端は入力回路３０に接続され、他端は同じ群に属するものが並列接続されて切替え手段６０に接続され、判別手段７０は第ｉ群の検出値と第ｉ＋１群から第ｎ群までを合わせた群の検出値の大小をｉ＝１，２，…，ｎ－１について判別し、第ｎ群の検出値と調整部５０で得られる検出値の大小を判別し、切替え手段６０は群と判別手段７０の接続を順次切り替え、水位決定手段８０は判別手段７０の判別に基づいて水位を決定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力回路とセンサ部と調整部と切替え手段と判別手段と水位決定手段とを備える水位計であって、
前記センサ部は水位検出方向に配列された複数の電極対を有し、前記複数の電極対はｎ個の群に分けられて第ｉ群（ｉ＝１，２，…，ｎ）は水位検出方向の最下から２^i-1（２ｋ－１）番目（ｋは１から２^n-iまでの自然数）の位置に位置する電極対によって構成されており、
全ての電極対の一端は前記入力回路に接続され、他端は同じ群に属するもの同士が並列接続されて前記切替え手段に接続され、
前記判別手段は第ｉ群によって得られる検出値と第ｉ＋１群から第ｎ群までを合わせた群によって得られる検出値の大小関係をｉ＝１，２，…，ｎ－１についてそれぞれ判別し、さらに第ｎ群によって得られる検出値と前記調整部によって得られる検出値の大小関係を判別し、
前記切替え手段は前記判別手段による判別を可能とすべく、前記群と前記判別手段との接続を順次切り替え、
前記水位決定手段は前記判別手段の判別に基づいて水位を決定することを特徴とする水位計。

【請求項2】

請求項１に記載の水位計において、
前記調整部は前記判別手段によって大小関係が判別される２つの検出値が常に互いに異なる値となるように機能することを特徴とする水位計。

【請求項3】

請求項２に記載の水位計において、
前記調整部を複数備え、前記判別回路に接続される群に応じて機能させる調整部を切り替えることを特徴とする水位計。

【請求項4】

請求項１から３までのいずれかに記載の水位計において、
前記電極対は電極間の抵抗値を検出するものであることを特徴とする水位計。

【請求項5】

請求項１から３までのいずれかに記載の水位計において、
前記電極対は電極間の静電容量を検出するものであることを特徴とする水位計。

【請求項6】

請求項５に記載の水位計において、
各前記群と前記切替え手段の間に静電容量を電圧に変換して前記切替え手段に入力するＣ／Ｖ変換部が設けられ、
前記切替え手段と前記判別手段の間に前記判別手段による前記判別を可能とする加算手段が設けられていることを特徴とする水位計。

【請求項7】

請求項１から３までのいずれかに記載の水位計において、
前記切替え手段と前記判別手段の間に前記検出値をデジタル値とするＡ／Ｄ変換部が設けられていることを特徴とする水位計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は水位計に関する。

【背景技術】

【0002】

図８は水位計の従来例として特許文献１に記載されている水位センサの原理図を示したものであり、この水位センサは水槽１内の所定の基準位置（例えば、水槽底面）から液面Ｌに至るまでの水位を測定するものとなっている。基準線１０は仮想線であって、ｎ個の観測点Ｑの配置位置を示している。図８ではｎ＝７として、７つの観測点Ｑ１～Ｑ７が示されている。

【0003】

各観測点Ｑ１～Ｑ７の位置にはそれぞれ電極対Ｐ１～Ｐ７が配置され、電極対Ｐ１～Ｐ７にはそれぞれ判定手段１１～１７が設けられている。判定手段１１～１７はそれぞれ電極対Ｐ１～Ｐ７の各電極間容量値が所定の基準値を越えたか否かを判定する機能を有し、観測点Ｑに位置する電極対Ｐの電極間容量値が所定の基準値を越えていた場合には当該観測点Ｑの位置に液体が存在するとの認定がなされ、所定の基準値を越えていなかった場合には当該観測点Ｑの位置に液体が存在しないとの認定がなされる。

【0004】

このように、この例では観測点Ｑの位置に液体が存在するか否かという二値情報を得るものとなっており、水位出力手段２０はｎ個の判定手段のうち、第１番目の判定手段から第ｉ番目の判定手段までが基準値を越えた旨の判定結果を示したときに、第ｉ番目の観測点の位置を水位として出力する。図８の例の場合、液面Ｌより下の（液体に浸っている）電極対Ｐ１～Ｐ４の判定手段１１～１４は基準値を越えた旨の判定結果を示し、液面Ｌより上の電極対Ｐ５～Ｐ７の判定手段１５～１７は基準値を越えない旨の判定結果を示すことになり、水位出力手段２０は第４番目の観測点Ｑ４の位置を水位として出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－３１１５６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した水位センサのように、水位検出方向に複数の観測点を定義し、各観測点位置における液体の有無を、各観測点位置にそれぞれ配置した電極対の静電容量値に基づき、二値情報として得るようにして水位を測定する構成では、より精度の高い測定を行う場合、言い換えれば計測範囲に対して分解能をより向上させる場合、分解能に応じて電極対の個数や判定手段の数、さらには電極対に対する配線の数が増加することになる。

【0007】

この場合、例えば多数の電極対を基板上に一括してパターン形成する方法や、あるいは上記特許文献１に記載されているように管状構造体の表面に各電極対の電極層をまとめて設けるといった方法を採用すれば、電極対の個数の増加については比較的容易に対応することができ、大きな負担とはならない。

【0008】

一方、電極対の個数が増加し、電極対に対する配線の数が増加すると、その分、配線の取扱いが面倒になり、また電極対と判定手段との配線接続も面倒なものとなる。例えば、計測範囲に対して１／１０００の分解能を得るべく電極対を１０００個用いる場合、判定手段との接続配線は１０００本となり、その接続は容易ではなく、極めて面倒なものとなる。

【0009】

この発明の目的はこのような問題に鑑み、従来例に比し、水位検出方向に配列した電極対に対する配線の数を少なくすることができるようにし、また電極対が水に浸かっているか否かの状態を判別する判別手段の数も少なくすることができるようにした水位計を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この発明によれば、水位計は入力回路とセンサ部と調整部と切替え手段と判別手段と水位決定手段とを備え、センサ部は水位検出方向に配列された複数の電極対を有し、複数の電極対はｎ個の群に分けられて第ｉ群（ｉ＝１，２，…，ｎ）は水位検出方向の最下から２^i-1（２ｋ－１）番目（ｋは１から２^n-iまでの自然数）の位置に位置する電極対によって構成され、全ての電極対の一端は入力回路に接続され、他端は同じ群に属するもの同士が並列接続されて切替え手段に接続され、判別手段は第ｉ群によって得られる検出値と第ｉ＋１群から第ｎ群までを合わせた群によって得られる検出値の大小関係をｉ＝１，２，…，ｎ－１についてそれぞれ判別し、さらに第ｎ群によって得られる検出値と調整部によって得られる検出値の大小関係を判別し、切替え手段は判別手段による判別を可能とすべく、群と判別手段との接続を順次切り替え、水位決定手段は判別手段の判別に基づいて水位を決定するものとされる。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、水位検出方向に配列した電極対を用いて水位を検出する水位計において、従来例に比し、電極対に対する配線の数を少なくすることができ、また電極対が水に浸かっているか否かの状態を判別する判別手段の数も少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】この発明による水位計の実施例１の構成を説明するための図。

【図2】図１に示した水位計による水位測定の流れを示すフローチャート。

【図3】図１に示した水位計による水位測定におけるスイッチの動作を示す表。

【図4】この発明による水位計の実施例２の構成を説明するための図。

【図5】この発明による水位計の実施例３の構成を説明するための図。

【図6】この発明による水位計の実施例４の構成を説明するための図。

【図7】この発明による水位計の実施例５の構成を説明するための図。

【図8】水位計の従来例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

【実施例0014】

図１はこの発明による水位計の実施例１の構成を示したものであり、水位計は入力回路３０とセンサ部４０と調整部５０と切替え手段６０と判別手段７０と水位決定手段８０と制御手段９０を備えるものとなっている。

【0015】

センサ部４０は水位検出方向に配列された複数（この例では１５個）の電極対４１を有しており、電極対４１はこの例では電極間の静電容量を検出するものとなっている。これら電極対４１は基板の図示を省略しているが、基板上にパターン形成されて設けられており、パターンには防水コーティングが施されている。なお、１５個の電極対４１には図１に示したように最下に位置するものから順にＣ１～Ｃ１５の符号を付している。

【0016】

１５個の電極対４１は４個の群に分けられている。ここで、群の個数をｎとし、ｎ個の群を第１群～第ｎ群と称するとき、第ｉ群（ｉ＝１，２，…，ｎ）を構成する電極対４１は、水位検出方向の最下から２^i-1（２ｋ－１）番目（ｋは１から２^n-iまでの自然数）の位置に位置する電極対４１とされ、この例ではｎ＝４より各群を構成する電極対４１はＣ１～Ｃ１５で示すと下記となっている。

【0017】

第１群…Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ９，Ｃ１１，Ｃ１３，Ｃ１５
第２群…Ｃ２，Ｃ６，Ｃ１０，Ｃ１４
第３群…Ｃ４，Ｃ１２
第４群…Ｃ８
全ての電極対４１の一端は入力回路３０に接続され、他端は同じ群に属するもの同士が並列接続されて切替え手段６０に接続されている。入力回路３０は搬送波を生成し、出力する。

【0018】

切替え手段６０はＳ１～Ｓ７の符号を付して示したように、この例では７つのスイッチ６１を備え、これらスイッチ６１のＯＮ／ＯＦＦにより経路を切り替えることによって、センサ部４０の各群によって得られる検出値（各群の静電容量）を判別手段７０の２つの入力ａ，ｂのどちらかに入力（接続）できる構成となっている。

【0019】

調整部５０はこの例では後述するような静電容量を有するコンデンサとされ、一端は入力回路５０に接続され、他端は判別手段７０の入力ｂに接続されている。

【0020】

判別手段７０は例えば２つの入力ａ，ｂそれぞれに対してＣ／Ｖ変換部を備え、それらＣ／Ｖ変換部の出力をコンパレータに入力して比較することにより、入力ａ，ｂより得られる２つの検出値（静電容量）の大小関係を判別する。

【0021】

水位決定手段８０は判別手段７０の判別に基づいて水位を決定し、外部に出力する。なお、切替え手段６０の７つのスイッチ６１のＯＮ／ＯＦＦは制御手段９０からの制御信号によって制御され、この制御に同期する信号が制御手段９０から水位決定手段８０にも入力される。

【0022】

次に、このような構成を有する水位計による水位出力に至るまでの流れを図２に示したフローチャートを参照して説明する。なお、図２では群の個数をｎとしており、Ｇ_ｉは第ｉ群を示し、Ｇ_i+1，Ｇ_i+2，Ｇ_ｎはそれぞれ第ｉ＋１群、第ｉ＋２群、第ｎ群を示す。

【0023】

まず、ｉ＝１とし（ステップＭ１）、切替え手段６０の全スイッチ６１をＯＦＦする（ステップＭ２）。そして、判別手段７０の入力ａとＧ_ｉを接続するスイッチ６１をＯＮし、さらに判別手段７０の入力ｂとＧ_i+1，Ｇ_i+2，…，Ｇ_ｎを接続するスイッチ６１をＯＮする（ステップＭ３，Ｍ４）。判別手段７０は入力ａ，ｂの大小関係を判別し（ステップＭ５）、ａ＞ｂであれば１を水位決定手段８０に出力し、ａ＜ｂであれば０を水位決定手段８０に出力する。水位決定手段８０はこれを２^i-1ビットの値として記憶する（ステップＭ６，Ｍ７）。

【0024】

次に、ｉ＝ｉ＋１とし（ステップＭ８）、ｉ＝ｎかどうかを判定し（ステップＭ９）、ｉ＝ｎでなければステップＭ２に戻ってステップＭ２～Ｍ９をｉ＝ｎになるまで繰り返す。

【0025】

ｉ＝ｎとなったら、切替え手段６０の全スイッチ６１をＯＦＦ（ステップＭ１０）した後、判別手段７０の入力ａとＧ_ｎを接続するスイッチ６１をＯＮする（ステップＭ１１）。判別手段７０は入力ａ，ｂの大小関係を判別し（ステップＭ１２）、ａ＞ｂであれば１を水位決定手段８０に出力し、ａ＜ｂであれば０を水位決定手段８０に出力する。水位決定手段８０はこれを２^n-1ビットの値として記憶し（ステップＭ１３，Ｍ１４）、水位決定手段８０はこのようにして得た２^０ビット～２^n-1ビットの値、即ち２進数をメモリを参照して水位に変換して出力する（ステップＭ１５）。

【0026】

このように、この例では判別手段７０が第ｉ群によって得られる検出値と第ｉ＋１群から第ｎ群までを合わせた群によって得られる検出値の大小関係をｉ＝１，２，…，ｎ－１についてそれぞれ判別し、さらに第ｎ群によって得られる検出値と調整部５０によって得られる検出値の大小関係を判別することによって水位を測定するものとなっており、切替え手段６０はこのような判別手段７０による判別を可能とすべく、センサ部４０の群と判別手段７０との接続を順次切り替えるものとなっている。

【0027】

図３に示した表は図１に示した水位計、即ちセンサ部４０の群の個数ｎが４であって図２に示したフローチャートでｉが１から４までとなる水位計において、ｉ＝１～４における切替え手段６０の７つのスイッチ６１、即ちＳ１～Ｓ７のＯＮ／ＯＦＦを示したものである。図１に示した水位計では第１群～第４群をＧ_１～Ｇ_４で表示すると判別手段７０の２つの入力ａ，ｂへの群の接続はｉ＝１～４において下記となる。

【0028】

入力ａ 入力ｂ
ｉ＝１：２^０ビットの判定 Ｇ_１ Ｇ_２＋Ｇ_３＋Ｇ_４
ｉ＝２：２^１ビットの判定 Ｇ_２ Ｇ_３＋Ｇ_４
ｉ＝３：２^２ビットの判定 Ｇ_３ Ｇ_４
ｉ＝４：２^３ビットの判定 Ｇ_４ Ｎ／Ａ（＝not applicable）
以下、水位Ｗが図１中に２点鎖線で示した位置にあり、最下から９番目の電極対Ｃ９まで水に浸かっている時を例に判別手段７０の入力ａ，ｂに接続される静電容量を具体的に説明する。

【0029】

電極対４１が空気中に位置する時の静電容量をＣ_airとし、水中に位置する時の静電容量をＣ_waterとする。調整部５０のコンデンサは以下においてはＣ９９と表記し、静電容量は０．５Ｃ_waterとする。水の比誘電率は２０℃で８０であり、Ｃ_water＝８０Ｃ_airとなる。ｉ＝１～４において、入力ａ，ｂに接続される静電容量は下記となる。

【0030】

＜ｉ＝１：２^０ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_１＝Ｃ１+Ｃ３+Ｃ５+Ｃ７+Ｃ９+Ｃ１１+Ｃ１３+Ｃ１５
＝５Ｃ_water+３Ｃ_air＝４０３Ｃ_air
・入力ｂ：Ｇ_２+Ｇ_３+Ｇ_４＝Ｃ２+Ｃ４+Ｃ６+Ｃ８+Ｃ１０+Ｃ１２+Ｃ１４+Ｃ９９
＝４．５Ｃ_water+３Ｃ_air＝３６３Ｃ_air
＜ｉ＝２：２^１ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_２＝Ｃ２+Ｃ６+Ｃ１０+Ｃ１４
＝２Ｃ_water+２Ｃ_air＝１６２Ｃ_air
・入力ｂ：Ｇ_３+Ｇ_４ ＝Ｃ４+Ｃ８+Ｃ１２+Ｃ９９
＝２．５Ｃ_water+Ｃ_air＝２０１Ｃ_air
＜ｉ＝３：２^２ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_３＝Ｃ４+Ｃ１２
＝Ｃ_water+Ｃ_air＝８１Ｃ_air
・入力ｂ：Ｇ_４＝Ｃ８+Ｃ９９
＝１．５Ｃ_water＝１２０Ｃ_air
＜ｉ＝４：２^３ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_４＝Ｃ８
＝Ｃ_water＝８０Ｃ_air
・入力ｂ：Ｎ／Ａ＝Ｃ９９
＝０．５Ｃ_water＝４０_air

【0031】

上記より、ｉ＝１ではａ＞ｂより２^０ビットは１となり、ｉ＝２ではａ＜ｂより２^１ビットは０となる。また、ｉ＝３ではａ＜ｂより２^２ビットは０となり、ｉ＝４ではａ＞ｂより２^３ビットは１となる。よって、これらを足し合わせると２進数で１００１となり、１０進数で９という結果が得られる。

【0032】

このように、図１に示した水位計では水位を２進数として扱うものとなっており、全ての電極対４１が水に浸かっていない低水位では２進数は００００となり、電極対４１が全て水に浸かった状態の高水位では２進数は１１１１（１０進数で１５）となる。

【0033】

調整部５０はこの例では０．５Ｃ_waterの静電容量を有するコンデンサとされ、判別手段７０の入力ｂに常時接続されてｉ＝４、２^３ビットの判定時にＧ_４との比較として機能するものとなっているが、この調整部５０は判別手段７０によって大小関係が判別される２つの検出値（静電容量）が常に互いに異なる値となるように機能し、つまり誤差要因等により大小関係が逆転してしまい、誤検出が生じないように機能する。

【0034】

以下、実施例２～５について説明する。これら実施例２～５は実施例１の構成を一部変更したものであり、図１に示した実施例１の構成と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【実施例0035】

上述したように、調整部５０は水位に応じて検出値が適切に変化し、誤検出が生じないように機能するものであるが、例えば電極対４１の静電容量の誤差が大きかったり、一様ではない場合、ひとつの調整部５０の静電容量だけでは水位に応じて検出値が適切に変化しないといった状況が生じうる。

【0036】

例えば図１に示した水位計においてＣ４を付した電極対４１のみに＋０．５Ｃ_waterの誤差がある場合を考える。即ち、水位Ｗの場合、Ｃ４’＝１．５Ｃ_waterとなる。この時、ｉ＝１～４において、判別手段７０の入力ａ，ｂに接続される静電容量は下記となる。

【0037】

＜ｉ＝１：２^０ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_１＝Ｃ１+Ｃ３+Ｃ５+Ｃ７+Ｃ９+Ｃ１１+Ｃ１３+Ｃ１５
＝５Ｃ_water+３Ｃ_air＝４０３Ｃ_air
・入力ｂ：Ｇ_２+Ｇ_３+Ｇ_４＝Ｃ２+Ｃ４’+Ｃ６+Ｃ８+Ｃ１０+Ｃ１２+Ｃ１４+Ｃ９９
＝４．５Ｃ_water+３Ｃ_air+Ｃ９９＝３６３Ｃ_air+Ｃ９９
＜ｉ＝２：２^１ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_２＝Ｃ２+Ｃ６+Ｃ１０+Ｃ１４
＝２Ｃ_water+２Ｃ_air＝１６２Ｃ_air
・入力ｂ：Ｇ_３+Ｇ_４＝Ｃ４’+Ｃ８+Ｃ１２+Ｃ９９
＝２．５Ｃ_water+Ｃ_air+Ｃ９９＝２０１Ｃ_air+Ｃ９９
＜ｉ＝３：２^２ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_３＝Ｃ４’+Ｃ１２
＝１．５Ｃ_water+Ｃ_air＝１２１Ｃ_air
・入力ｂ：Ｇ_４＝Ｃ８+Ｃ９９
＝Ｃ_water+Ｃ９９＝８０Ｃ_air+Ｃ９９
＜ｉ＝４：２^３ビットの判定＞
・入力ａ：Ｇ_４＝Ｃ８
＝Ｃ_water＝８０Ｃ_air
・入力ｂ：Ｎ／Ａ＝Ｃ９９

【0038】

２進数の真値は１００１であるから、ｉ＝１ではａ＞ｂ、ｉ＝２ではａ＜ｂ、ｉ＝３ではａ＜ｂ、ｉ＝４ではａ＞ｂでなければならない。従って、ｉ＝１では４０３Ｃ_air＞３６３Ｃ_air＋Ｃ９９よりＣ９９＜４０Ｃ_airでなければならず、ｉ＝３では１２１Ｃ_air＜８０Ｃ_air＋Ｃ９９よりＣ９９＞４１Ｃ_airでなければならない。しかるに両方を満足するＣ９９は存在せず、２^ｉビットの全ての判定を満たすひとつのＣ９９、即ち調整部５０は存在しないことになる。

【0039】

このような問題に対処すべく、実施例２では図４に示したように調整部５０を複数（この例では４つ、Ｃ１０１～Ｃ１０４の符号を付している）設け、さらにそれら調整部５０の判別手段７０の入力ｂへの接続を切り替える切替え手段１００を設けた構成となっている。切替え手段１００はＳ１１～Ｓ１４の符号を付して示したように各調整部５０即ちＣ１０１～Ｃ１０４の入力ｂへの接続をそれぞれＯＮ／ＯＦＦする４つのスイッチ１０１を備えている。

【0040】

この例ではこのように複数の調整部５０を設け、切替え手段１００で切り替えることで判別手段７０に接続される群（群の組合せ）に応じて調整に必要な静電容量を選択することができるものとなっている。なお、４つの調整部５０即ちＣ１０１～Ｃ１０４の静電容量値は事前の試験によって決定され、図２に示したフローチャートにおけるｉ＝１～４の各処理に応じて選択される。切替え手段１００の４つのスイッチ１０１のＯＮ／ＯＦＦは制御手段９０からの、切替え手段６０を制御する制御信号に同期した制御信号によって制御される。