JP2006208234A - Liquid concentration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一対の電極を備え、一対の電極の間に形成される電極間スペースの少なくとも一部に配置される液体について、一対の電極間の静電容量を用いて液体に含まれる特定成分の濃度を検出する液濃度検出装置に関する。 The present invention relates to a liquid that includes a pair of electrodes and that is disposed in at least a part of an inter-electrode space formed between the pair of electrodes, and that is contained in the liquid using the capacitance between the pair of electrodes. The present invention relates to a liquid concentration detection device for detecting the concentration of water.
従来より、一対の電極を備え、一対の電極の間に形成される電極間スペースに配置される液体について、一対の電極間の静電容量を用いて液体に含まれる特定成分の濃度（液濃度）を検出する液濃度検出装置が知られている（特許文献１参照）。 Conventionally, for a liquid provided with a pair of electrodes and disposed in an inter-electrode space formed between the pair of electrodes, the concentration of a specific component contained in the liquid (liquid concentration) using the capacitance between the pair of electrodes ) Is known (see Patent Document 1).
そして、特許文献１の請求項２には、液体と電気的に絶縁された少なくとも２つの導電性電極を備え、電極間の静電容量の変化から濃度を検出する液濃度センサが記載されている。また、特許文献１の請求項３には、静電容量変化を積分回路の帰還部に挿入して液濃度を検出する装置が記載されている。 Further, claim 2 of Patent Document 1 describes a liquid concentration sensor that includes at least two conductive electrodes that are electrically insulated from a liquid and detects the concentration from a change in capacitance between the electrodes. . Further, Claim 3 of Patent Document 1 describes an apparatus for detecting a liquid concentration by inserting a capacitance change into a feedback part of an integrating circuit.
なお、この従来の液濃度検出装置は、１対の電極の間に形成される電極間スペース全体に液体が常時配置された状態で有ることを前提として、液濃度を検出するよう構成されている。 This conventional liquid concentration detection device is configured to detect the liquid concentration on the assumption that the liquid is always disposed in the entire inter-electrode space formed between the pair of electrodes. .
他方、一対の電極間の静電容量に基づき液体の物理量を検出する装置としては、液濃度を検出する装置の他に、一対の電極間の静電容量に基づき液量（レベル）を計測する装置が、特許文献２に開示されている。そして、特許文献２においては、液量を計測するための電極対（一対の電極）として、少なくとも１組の電極対（液量計測用電極対）を備える装置が開示されている。なお、特許文献２においては、液量計測用電極対とは別に、補正用の電極対（液量補正用電極対）を備える構成が記載されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の液濃度検出装置においては、電極間スペース全体に液体が満たされる必要があることから、液体の消費などにより液量が変化して電極間スペース全体に液体が満たされない状態になりうる使用環境においては、液濃度を適切に検出できない虞がある。 However, in the liquid concentration detection device described in Patent Document 1, since it is necessary to fill the entire inter-electrode space with the liquid, the liquid amount changes due to the consumption of the liquid and the entire inter-electrode space is filled with the liquid. In a use environment that may result in an unusable state, the liquid concentration may not be detected properly.
つまり、液体の消費や液体を収容する容器の振動などの影響により、電極間スペースに液体と大気が混在した状態になると、電極間スペースに配置される物質の誘電率は、液濃度が変化しなくとも、電極間スペース全体に液体が満たされるときの誘電率とは異なる値を示すことになる。このように、電極間スペースに配置される液体の占有割合が変化すると、液濃度を適切に検出することが不可能となる。 In other words, when liquid and air are mixed in the interelectrode space due to the effects of liquid consumption or the vibration of the container that contains the liquid, the liquid concentration of the dielectric constant of the substance placed in the interelectrode space changes. Even if it is not, it will show a value different from the dielectric constant when the liquid is filled in the entire space between the electrodes. Thus, when the occupation ratio of the liquid arranged in the inter-electrode space changes, it becomes impossible to detect the liquid concentration appropriately.
そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、一対の電極の間に形成される電極間スペースに収容される液体の占有割合が変化する使用環境において、液濃度を適切に検出できる液濃度検出装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of these problems, and can appropriately detect the liquid concentration in a use environment in which the occupation ratio of the liquid contained in the interelectrode space formed between the pair of electrodes changes. An object is to provide a liquid concentration detection device.
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、一対の電極を備え、一対の電極の間に形成される電極間スペースの少なくとも一部に配置される液体について、一対の電極間の静電容量を用いて液体に含まれる特定成分の濃度を検出する液濃度検出装置であって、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち、特定成分の濃度の変化に依存せず、電極間スペースにおける液体の占有割合に応じて一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域を第１周波数帯域とした場合において、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域が第１周波数帯域であるときの静電容量を第１静電容量として検出する第１静電容量検出手段と、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち第１周波数帯域とは異なる周波数帯域を第２周波数帯域とした場合において、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域が第２周波数帯域であるときの静電容量のうち、少なくとも１点以上の静電容量を第２静電容量として検出する第２静電容量検出手段と、第１静電容量に基づいて電極間スペースにおける液体の占有割合である電極間液体占有割合を演算する電極間液体占有割合演算手段と、電極間液体占有割合および第２静電容量に基づき特定成分の濃度を演算する液濃度演算手段と、を備えることを特徴とする液濃度検出装置である。 The invention according to claim 1, which has been made to achieve the above object, includes a pair of electrodes, and the liquid disposed in at least a part of the interelectrode space formed between the pair of electrodes. A liquid concentration detection device that detects the concentration of a specific component contained in a liquid using a capacitance between the electrodes, and depends on a change in the concentration of the specific component in the frequency band of the AC voltage applied between a pair of electrodes In the case where the frequency band in which the capacitance between the pair of electrodes changes according to the liquid occupation ratio in the space between the electrodes is the first frequency band, the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes is The first capacitance detection means for detecting the capacitance at the first frequency band as the first capacitance, and the first frequency band among the frequency bands of the alternating voltage applied between the pair of electrodes. frequency band In the case of the second frequency band, at least one of the capacitances when the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes is the second frequency band is the second capacitance. A second capacitance detecting means for detecting the liquid as an interelectrode liquid occupying ratio calculating means for calculating an interelectrode liquid occupying ratio that is a liquid occupying ratio in the interelectrode space based on the first capacitance, and an interelectrode liquid A liquid concentration detection device comprising: a liquid concentration calculation means for calculating a concentration of a specific component based on an occupation ratio and a second capacitance.
この液濃度検出装置は、一対の電極間の静電容量として、印加する交流電圧の周波数帯域が異なる少なくとも２点の静電容量（第１静電容量および第２静電容量）を検出し、第１静電容量および第２静電容量を用いて、液体に含まれる特定成分の濃度（以下、液濃度ともいう）を検出することに特徴がある。 The liquid concentration detection device detects at least two capacitances (first capacitance and second capacitance) having different frequency bands of the applied AC voltage as capacitance between the pair of electrodes, The first and second capacitances are used to detect the concentration of a specific component contained in the liquid (hereinafter also referred to as the liquid concentration).
なお、液濃度が同一であっても、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域が異なる場合には、一対の電極間の静電容量は、周波数帯域ごとに異なる値を示す。また、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち特定の周波数帯域においては、特定成分の濃度の変化に依存せず、主に電極間スペースにおける液体の占有割合に応じて一対の電極間の静電容量が変化する。なお、本発明の液濃度検出装置では、このような周波数帯域を第１周波数帯域と定めている。 Even when the liquid concentration is the same, when the frequency band of the alternating voltage applied between the pair of electrodes is different, the capacitance between the pair of electrodes shows a different value for each frequency band. In addition, in a specific frequency band of the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes, the pair of electrodes mainly depends on the liquid occupancy ratio in the interelectrode space, without depending on the change in the concentration of the specific component. The capacitance between them changes. In the liquid concentration detection device of the present invention, such a frequency band is defined as the first frequency band.
そして、この液濃度検出装置においては、第１周波数帯域であるときの一対の電極間の静電容量である第１静電容量を第１静電容量検出手段が検出し、電極間液体占有割合演算手段が第１静電容量を用いて電極間液体占有割合を演算する。 And in this liquid concentration detection apparatus, the 1st electrostatic capacitance detection means detects the 1st electrostatic capacitance which is the electrostatic capacitance between a pair of electrodes in the 1st frequency band, and the liquid occupation ratio between electrodes The calculating means calculates the liquid occupation ratio between the electrodes using the first capacitance.
また、この液濃度検出装置においては、第１周波数帯域とは異なる第２周波数帯域であるときの一対の電極間の静電容量である第２静電容量を第２静電容量検出手段が検出し、液濃度演算手段が電極間液体占有割合および第２静電容量を用いて特定成分の濃度（液濃度）を演算する。 In this liquid concentration detection device, the second capacitance detection means detects the second capacitance that is the capacitance between the pair of electrodes when the second frequency band is different from the first frequency band. Then, the liquid concentration calculating means calculates the concentration (liquid concentration) of the specific component using the inter-electrode liquid occupation ratio and the second capacitance.
なお、第２周波数帯域は、電極間スペースにおける液体の占有割合が一定であっても、特定成分の濃度の変化に対して一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域である。このため、第２静電容量は、電極間液体占有割合が変化しない場合であっても、液濃度に応じて値が変化する。 Note that the second frequency band is a frequency band in which the capacitance between the pair of electrodes changes with respect to the change in the concentration of the specific component even when the occupation ratio of the liquid in the interelectrode space is constant. For this reason, even if it is a case where the liquid occupation ratio between electrodes does not change, the value of the second capacitance changes according to the liquid concentration.
つまり、この液濃度検出装置は、異なる周波数帯域（第１周波数帯域および第２周波数帯域）におけるそれぞれの静電容量（第１静電容量および第２静電容量）を検出することで、第１静電容量を用いて電極間液体占有割合を特定しつつ、電極間液体占有割合および第２静電容量を用いて液濃度を演算する。これにより、この液濃度検出装置は、電極間液体占有割合が変化した場合であっても、電極間液体占有割合の変化に応じて適切に液濃度を検出することが可能となる。 That is, the liquid concentration detection device detects the respective electrostatic capacitances (first electrostatic capacitance and second electrostatic capacitance) in different frequency bands (first frequency band and second frequency band). The liquid concentration is calculated using the inter-electrode liquid occupation ratio and the second capacitance while specifying the inter-electrode liquid occupation ratio using the electrostatic capacity. Thereby, even if this liquid concentration detection apparatus is a case where the liquid occupation ratio between electrodes changes, it becomes possible to detect a liquid concentration appropriately according to the change of the liquid occupation ratio between electrodes.
よって、本発明によれば、一対の電極間の静電容量として、単一の静電容量ではなく、周波数帯域の異なる複数の静電容量（第１静電容量および第２静電容量）を検出することで電極間液体占有割合を特定でき、一対の電極の全てが液体に浸漬されない状態であっても、液体における特定成分の濃度を検出できる。 Therefore, according to the present invention, as a capacitance between a pair of electrodes, not a single capacitance but a plurality of capacitances (first capacitance and second capacitance) having different frequency bands are used. By detecting, the liquid occupation ratio between electrodes can be specified, and the concentration of the specific component in the liquid can be detected even when all of the pair of electrodes are not immersed in the liquid.
次に、上述の発明においては、第１周波数帯域が第２周波数帯域よりも低い周波数帯域であるとよい。
低周波数帯域ほど、液体中の特定成分の濃度に依存せず、電極間スペースにおける液体の占有割合に応じて一対の電極間の静電容量が変化し易い傾向にあるから、第１静電容量を第２周波数帯域よりも低い第１周波数帯域により検出することで、電極間液体占有割合の検出精度を良好なものとすることができる。
Next, in the above-described invention, the first frequency band may be a frequency band lower than the second frequency band.
Since the lower frequency band does not depend on the concentration of the specific component in the liquid and the capacitance between the pair of electrodes tends to change according to the liquid occupation ratio in the interelectrode space, the first capacitance Is detected in the first frequency band lower than the second frequency band, the detection accuracy of the inter-electrode liquid occupation ratio can be improved.
そして、上述の発明においては、例えば、第１周波数帯域が１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域であり、第２周波数帯域が１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域であるとよい。
つまり、少なくとも１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域においては、特定成分の濃度の変化に対して依存せず、主に電極間液体占有割合に応じて一対の電極間の静電容量が変化する。このため、１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域を第１周波数帯域として設定することで、電極間液体占有割合をより精度良く検出することができる。
In the above-described invention, for example, the first frequency band may be a frequency band of 100 [kHz] or less, and the second frequency band may be a frequency band of 1 [MHz] or more.
That is, at least in the frequency band of 100 [kHz] or less, the capacitance between the pair of electrodes changes mainly depending on the liquid occupation ratio between the electrodes, without depending on the change in the concentration of the specific component. For this reason, by setting a frequency band of 100 [kHz] or less as the first frequency band, it is possible to detect the inter-electrode liquid occupation ratio more accurately.
また、少なくとも１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域における一対の電極間の静電容量は、液体における特定成分の濃度が同一であっても、１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域における静電容量と比べて、周波数の変化に対する静電容量の変化量が大きくなる。また、１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域においては、液体における特定成分の濃度（液濃度）に応じて静電容量が変化する傾向が強くなる。このことから、１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域を第２周波数帯域として設定することで、液濃度の変化に対する第２静電容量の変化量が大きくなり、液濃度の検出精度を向上できる。 Further, the capacitance between the pair of electrodes in the frequency band of at least 1 [MHz] is higher than the capacitance in the frequency band of 100 [kHz] or less even when the concentration of the specific component in the liquid is the same. The amount of change in capacitance with respect to the change in frequency increases. Moreover, in the frequency band of 1 [MHz] or higher, the electrostatic capacity tends to change according to the concentration (liquid concentration) of the specific component in the liquid. Thus, by setting a frequency band of 1 [MHz] or more as the second frequency band, the amount of change in the second capacitance with respect to the change in the liquid concentration increases, and the liquid concentration detection accuracy can be improved.
よって、本発明によれば、電極間液体占有割合の検出精度を向上できるとともに、液濃度の検出精度を向上できる。
なお、第１周波数帯域は、少なくとも１［ｋＨｚ］以上の周波数帯域に設定することが望ましい。また、第２周波数帯域は、少なくとも２０［ＭＨｚ］以下の周波数帯域に設定することが望ましい。
Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the detection accuracy of the liquid occupation ratio between the electrodes and improve the detection accuracy of the liquid concentration.
The first frequency band is preferably set to a frequency band of at least 1 [kHz]. The second frequency band is preferably set to a frequency band of at least 20 [MHz] or less.
次に、上述の発明においては、一対の電極は、液体のレベルに応じて電極間スペースにおける液体占有割合が変化する状態で配置され、電極間液体占有割合演算手段は、第１静電容量に基づきレベルを演算するとよい。 Next, in the above-described invention, the pair of electrodes are arranged in a state in which the liquid occupying ratio in the inter-electrode space changes according to the liquid level, and the inter-electrode liquid occupying ratio calculating means has the first capacitance. The level should be calculated based on this.
このように、一対の電極の配置状態が液体のレベルに応じて電極間液体占有割合が変化する配置状態となることで、電極間液体占有割合とレベルとの間に相関関係が生じ、ひいては、一対の電極間の静電容量とレベルとの間にも相関関係が生じることとなる。 In this way, since the arrangement state of the pair of electrodes becomes an arrangement state in which the liquid occupation ratio between the electrodes changes according to the liquid level, a correlation occurs between the liquid occupation ratio between the electrodes and the level, and as a result, A correlation also occurs between the capacitance between the pair of electrodes and the level.
これより、電極間液体占有割合演算手段が第１静電容量を用いて液体のレベルを演算することが可能となり、第１静電容量を検出するための一対の電極とは別に、レベルを検出するための一対の電極を別途備えることなく、レベルを検出することができる。 As a result, the interelectrode liquid occupying ratio calculating means can calculate the liquid level using the first capacitance, and the level is detected separately from the pair of electrodes for detecting the first capacitance. The level can be detected without separately providing a pair of electrodes.
なお、レベル（液量）を検出するための従来の装置としては、上述の特許文献２に記載のように、液量を計測するための電極対（一対の電極）として、少なくとも１組の電極対（液量計測用電極対）を備える装置が知られている。 In addition, as a conventional apparatus for detecting a level (liquid amount), as described in Patent Document 2 described above, at least one set of electrodes is used as an electrode pair (a pair of electrodes) for measuring the liquid amount. An apparatus including a pair (a liquid amount measurement electrode pair) is known.
これに対して、本発明は、レベル（液量）および液濃度（液体中における特定成分の濃度）をそれぞれ検出するにあたり、電極対（一対の電極）を１組（換言すれば、電極対を共用化して）備えればよく、電極対を用途ごとにそれぞれ備える必要がない。 On the other hand, the present invention detects a level (liquid amount) and a liquid concentration (concentration of a specific component in a liquid), respectively, and sets one electrode pair (a pair of electrodes) (in other words, an electrode pair). It is sufficient to provide them in common, and it is not necessary to provide each electrode pair for each application.
よって、本発明によれば、複数の電極対を備えることなく、１つの電極対を用いることで、液濃度のみならずレベル（液量）を検出することが可能となる。
ところで、一対の電極間の静電容量と液濃度との相関関係は、液体の温度変化によって変化することがある。このため、液体の温度が一定の用途においては、予め液体温度を測定しておき、その温度条件下における静電容量と液濃度との相関関係に基づき液濃度を検出することで、温度の影響による誤差が生じるのを防止できる。しかし、液体の温度が変化する用途においては、温度変化の影響により静電容量と液濃度との相関関係が変動してしまい、液濃度の検出精度が低下する虞がある。
Therefore, according to the present invention, it is possible to detect not only the liquid concentration but also the level (liquid amount) by using one electrode pair without providing a plurality of electrode pairs.
By the way, the correlation between the capacitance between the pair of electrodes and the liquid concentration may change depending on the temperature change of the liquid. For this reason, in applications where the temperature of the liquid is constant, the liquid temperature is measured in advance, and the liquid concentration is detected based on the correlation between the capacitance and the liquid concentration under the temperature condition. It is possible to prevent an error caused by However, in applications in which the temperature of the liquid changes, the correlation between the capacitance and the liquid concentration fluctuates due to the influence of the temperature change, and the liquid concentration detection accuracy may be reduced.
そこで、上述の発明においては、液体の温度を検出する温度検出手段を備え、液濃度演算手段は、電極間液体占有割合、第２静電容量および温度検出手段により検出された液体温度に基づき特定成分の濃度を検出するとよい。 Therefore, in the above-described invention, the temperature detecting means for detecting the temperature of the liquid is provided, and the liquid concentration calculating means is specified based on the liquid occupation ratio between the electrodes, the second capacitance, and the liquid temperature detected by the temperature detecting means. The concentration of the component may be detected.
このように温度検出手段を備えておき、電極間液体占有割合および第２静電容量に加えて温度検出手段が検出した液体温度を用いて特定成分の濃度を検出することで、液体の温度変化に応じて液濃度を検出することが可能となる。 In this way, the temperature detection means is provided, and the temperature change of the liquid is detected by detecting the concentration of the specific component using the liquid temperature detected by the temperature detection means in addition to the liquid occupation ratio between the electrodes and the second capacitance. Accordingly, the liquid concentration can be detected.
よって、本発明によれば、液体の温度変化による検出誤差の発生を抑えつつ液濃度を検出でき、液濃度の検出精度を向上できる。
次に、上述の発明においては、第２静電容量検出手段は、第２周波数帯域のうち互いに周波数が異なる２点以上の静電容量を第２静電容量として検出し、液濃度演算手段は、少なくとも電極間液体占有割合および２点以上の第２静電容量に基づき特定成分の濃度を検出するとよい。
Therefore, according to the present invention, it is possible to detect the liquid concentration while suppressing the occurrence of a detection error due to the temperature change of the liquid, and it is possible to improve the detection accuracy of the liquid concentration.
Next, in the above-described invention, the second capacitance detecting means detects two or more capacitances having different frequencies in the second frequency band as the second capacitance, and the liquid concentration calculating means is The concentration of the specific component may be detected based on at least the liquid occupancy ratio between the electrodes and the second capacitance of two or more points.
このように、互いに周波数が異なる第２静電容量を２箇所以上検出することで、より多くの静電容量に基づいて液濃度を演算することができ、液濃度の検出精度をより高めることができる。 In this way, by detecting two or more second capacitances having different frequencies from each other, the liquid concentration can be calculated based on more capacitance, and the detection accuracy of the liquid concentration can be further improved. it can.
なお、上述の発明においては、例えば、液体が少なくとも尿素を含む水溶液であり、特定成分の濃度が尿素の濃度であるとよい。
つまり、尿素水溶液においては、尿素の濃度が一定であっても、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域が変化することによって、一対の電極間の静電容量が変化する。このことから、尿素水溶液における尿素の濃度を検出するにあたり、上記の液濃度検出装置を用いることで、一対の電極の全体が液体に浸漬されていない場合であっても、液濃度を検出することができる。
In the above-described invention, for example, the liquid may be an aqueous solution containing at least urea, and the concentration of the specific component may be the concentration of urea.
That is, in the urea aqueous solution, even if the concentration of urea is constant, the capacitance between the pair of electrodes changes by changing the frequency band of the alternating voltage applied between the pair of electrodes. Therefore, in detecting the urea concentration in the urea aqueous solution, the liquid concentration can be detected even when the entire pair of electrodes are not immersed in the liquid by using the liquid concentration detecting device described above. Can do.
以下に、本発明の実施形態について、図面と共に説明する。
図１に、実施形態としての液濃度検出装置１の概略構成図を示す。
なお、本実施形態は、少なくとも尿素を含む尿素水溶液における尿素の濃度を検出するための液濃度検出装置である。この液濃度検出装置は、例えば、ディーゼル自動車などに備えられて、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元に使用される尿素水溶液における尿素濃度を検出するために利用される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In FIG. 1, the schematic block diagram of the liquid concentration detection apparatus 1 as embodiment is shown.
This embodiment is a liquid concentration detection device for detecting the concentration of urea in a urea aqueous solution containing at least urea. This liquid concentration detection device is provided, for example, in a diesel vehicle and is used to detect the urea concentration in an aqueous urea solution used for reducing nitrogen oxide (NOx) contained in exhaust gas.
図１に示すように、液濃度検出装置１は、収容容器８１（タンク８１ともいう）に収容される尿素水溶液の尿素濃度を検出するものであり、一対の電極（後述する外筒電極１０および内部電極２０）を有するセンサ部７１と、センサ部７１の一対の電極間を通過する電流値を電圧値に変換する電流−電圧変換部７３と、尿素水溶液の温度を検出する温度検出部７５と、少なくともレベル（水位）および液濃度を演算するための演算処理を行う演算処理部７７と、センサ部７１の一対の電極間に印加する交流電圧を出力する電圧出力部７９と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the liquid concentration detection device 1 detects the urea concentration of an aqueous urea solution stored in a storage container 81 (also referred to as a tank 81), and includes a pair of electrodes (an outer cylinder electrode 10 and a later-described electrode). A sensor unit 71 having an internal electrode 20), a current-voltage conversion unit 73 that converts a current value passing between a pair of electrodes of the sensor unit 71 into a voltage value, and a temperature detection unit 75 that detects the temperature of the urea aqueous solution. A calculation processing unit 77 that performs calculation processing for calculating at least a level (water level) and a liquid concentration, and a voltage output unit 79 that outputs an AC voltage applied between the pair of electrodes of the sensor unit 71. .
センサ部７１は、収容容器８１の内部に配置される。このとき、センサ部７１に備えられる一対の電極は、収容容器８１における尿素水溶液のレベル（水位）に応じて電極間スペースにおける液体占有割合（尿素水溶液の占有割合）が変化する状態で配置される。なお、センサ部７１の構造については、後述する。 The sensor unit 71 is disposed inside the storage container 81. At this time, the pair of electrodes provided in the sensor unit 71 are arranged in a state in which the liquid occupation ratio (occupation ratio of the urea aqueous solution) in the inter-electrode space changes according to the level (water level) of the urea aqueous solution in the storage container 81. . The structure of the sensor unit 71 will be described later.
電流−電圧変換部７３は、センサ部７１の一対の電極間を通過する電流値を電圧値に変換し、変換した電圧値を演算処理部７７に対して出力する。
温度検出部７５は、尿素水溶液の温度を検出し、検出した温度を演算処理部７７に対して出力する。
The current-voltage conversion unit 73 converts a current value passing between the pair of electrodes of the sensor unit 71 into a voltage value, and outputs the converted voltage value to the arithmetic processing unit 77.
The temperature detection unit 75 detects the temperature of the urea aqueous solution and outputs the detected temperature to the arithmetic processing unit 77.
演算処理部７７は、マイクロコンピュータ（マイコン）や信号入出力部などを備えており、各種演算処理を実行することにより、液体に含まれる特定成分の濃度（本実施形態では尿素水溶液の尿素濃度）および液体の水位レベル（本実施形態では、尿素水溶液のレベル）を演算する。 The arithmetic processing unit 77 includes a microcomputer (microcomputer), a signal input / output unit, and the like, and executes various arithmetic processes to thereby determine the concentration of a specific component contained in the liquid (in this embodiment, the urea concentration of the urea aqueous solution). And the liquid water level (in this embodiment, the level of the urea aqueous solution) is calculated.
電圧出力部７９は、演算処理部７７から指定された周波数の交流電圧をセンサ部７１の一対の電極間に印加する。なお、電圧出力部７９は、少なくとも３種類の周波数（低周波（１００［ｋＨｚ］）、高周波１（５［ＭＨｚ］）、高周波２（１０［ＭＨｚ］））の交流電圧を出力可能に構成されている。 The voltage output unit 79 applies an AC voltage having a frequency specified by the arithmetic processing unit 77 between the pair of electrodes of the sensor unit 71. The voltage output unit 79 is configured to be capable of outputting AC voltages of at least three types of frequencies (low frequency (100 [kHz]), high frequency 1 (5 [MHz]), and high frequency 2 (10 [MHz])). ing.
ここで、センサ部７１としての液濃度センサ７２について説明する。なお、図２に、液濃度センサ７２の内部構成を表した縦断面図を示す。
図２に示すように、液濃度センサ７２は、円筒形状を有する外筒電極１０と、その外筒電極１０の内部にて、外筒電極１０の軸線方向に沿って設けられた内部電極２０と、外筒電極１０および内部電極２０を互いに非接触の状態で支持する基部４０と、を備えて構成される。
Here, the liquid concentration sensor 72 as the sensor unit 71 will be described. FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the internal configuration of the liquid concentration sensor 72.
As shown in FIG. 2, the liquid concentration sensor 72 includes a cylindrical outer cylinder electrode 10, and an inner electrode 20 provided along the axial direction of the outer cylinder electrode 10 inside the outer cylinder electrode 10. And a base 40 that supports the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20 in a non-contact state with each other.
図３に、外筒電極１０の斜視図を示す。
外筒電極１０は、導電性の金属材料からなり、図３に示すように、長細い円筒形状を有する。液濃度センサ７２の先端側（図２における下側）にあたる外筒電極１０の先端部１１には、後述する内部電極２０のブッシュ３０（図２参照）の抜け防止のための開口部１３が設けられている。そして、開口部１３の設けられた位置における外筒電極１０の母線（図中一点鎖線Ａで示す。）に沿って、細幅のスリット１４，１５，１６が、先端部１１側から順に基端部１２（液濃度センサ７２の基部４０側の端部）にわたって、それぞれが独立に形成されている。
FIG. 3 is a perspective view of the outer cylinder electrode 10.
The outer cylinder electrode 10 is made of a conductive metal material, and has a long and thin cylindrical shape as shown in FIG. An opening 13 for preventing the bush 30 (see FIG. 2) of the internal electrode 20 described later from coming off is provided at the distal end 11 of the outer cylindrical electrode 10 corresponding to the distal end side (lower side in FIG. 2) of the liquid concentration sensor 72. It has been. And along the bus line (indicated by the alternate long and short dash line A in the figure) of the outer cylinder electrode 10 at the position where the opening 13 is provided, narrow slits 14, 15, 16 are arranged in order from the distal end 11 side to the proximal end. Each is formed independently over the portion 12 (the end of the liquid concentration sensor 72 on the base 40 side).
スリット１４，１５，１６は、それぞれが略同形状で等間隔に１本の母線上に沿って断続的に配置され、各スリット１４，１５，１６間にはスリットが形成されていない筒状形態の補強部１７，１８を有している。さらに、先端部１１および基端部１２にも、それぞれの端面から連なって、スリットが形成されていない領域（スリット非形成領域）が設けられている。そして、これら各スリット１４，１５，１６は、開口部１３とともに、外筒電極１０の外周面上で周方向に等間隔となる３本の母線上に、それぞれ形成されている。また、外筒電極１０の基端部１２には、スリット１４，１５，１６が形成された各母線とは異なる母線上に、１つの空気抜孔１９が形成されている。 The slits 14, 15, and 16 are substantially the same shape, and are intermittently arranged along one bus bar at equal intervals, and a cylindrical shape in which no slit is formed between the slits 14, 15, and 16. The reinforcing portions 17 and 18 are provided. Further, the distal end portion 11 and the base end portion 12 are also provided with regions (slit non-forming regions) where no slits are formed continuously from the respective end surfaces. The slits 14, 15, and 16 are formed on the three bus bars that are equally spaced in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the outer cylindrical electrode 10 together with the opening 13. Moreover, one air vent hole 19 is formed in the base end part 12 of the outer cylinder electrode 10 on the bus line different from each bus line in which the slits 14, 15, and 16 are formed.
次に、図２に示すように、外筒電極１０は、基端部１２が金属製の基部４０の電極支持部４１の外周に係合した状態で溶接されている。
基部４０は、尿素水溶液を収容したタンク８１に液濃度センサ７２を固定するための台座として機能し、そのための取り付け孔（図示省略）を鍔部４２に有する。また、基部４０のうち鍔部４２を挟んだ電極支持部４１の反対側には、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）と外部回路（本実施形態では、電流−電圧変換部７３）との電気的な接続を行うための中継用の回路基板６０などを収容する収容部４３が形成されている。
Next, as shown in FIG. 2, the outer cylinder electrode 10 is welded in a state in which the base end portion 12 is engaged with the outer periphery of the electrode support portion 41 of the metal base portion 40.
The base 40 functions as a pedestal for fixing the liquid concentration sensor 72 to the tank 81 containing the aqueous urea solution, and has a mounting hole (not shown) for the flange 42. In addition, a pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the internal electrode 20) and an external circuit (in the present embodiment, a current-voltage conversion unit 73) are provided on the opposite side of the base 40 from the electrode support 41 with the flange 42 interposed therebetween. A housing portion 43 is formed for housing a circuit board 60 for relaying and the like for electrical connection with the electrical circuit.
なお、回路基板６０は、収容部４３の内壁面の四隅より突出する基板載置部（図示省略）上に載置されている。
一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）と外部回路との接続は、カバー４５の側部に固定されるコネクタ６２を介して行われる。なお、コネクタ６２の外部接続端子（図示外）と回路基板６０の配線とは、配線ケーブル６１を介して接続されている。また、カバー４５は、収容部４３を覆って保護する状態で鍔部４２に固定されている。
The circuit board 60 is placed on a board placement portion (not shown) protruding from the four corners of the inner wall surface of the housing portion 43.
The connection between the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the internal electrode 20) and the external circuit is performed via a connector 62 fixed to the side portion of the cover 45. The external connection terminal (not shown) of the connector 62 and the wiring of the circuit board 60 are connected via the wiring cable 61. Further, the cover 45 is fixed to the collar portion 42 so as to cover and protect the housing portion 43.
基部４０の電極支持部４１には、収容部４３の内部に貫通する孔４６が形成されており、この孔４６の内部に、内部電極２０が固定される。本実施形態の内部電極２０は、円柱状をした導電性の金属棒であり、外筒電極１０の全長とほぽ同じ長さを有する。内部電極２０の先端部２１側（図２における下側であり、液濃度センサ７２の先端側）の端部は面取りされている。この内部電極２０の外周面上には、例えばＰＦＡからなる絶縁膜（図示省略）が形成されている。また、基端部２２側（図２における上側）には、内部電極２０を基部４０に固定するため、パイプガイド５５とインナーケース５０が係合されている。パイプガイド５５は、内部電極２０の基端部２２の端縁寄りに接合された環状のガイド部材である。 In the electrode support portion 41 of the base portion 40, a hole 46 penetrating into the housing portion 43 is formed, and the internal electrode 20 is fixed inside the hole 46. The internal electrode 20 of the present embodiment is a columnar conductive metal rod, and has a length substantially the same as the entire length of the outer cylinder electrode 10. The end of the internal electrode 20 on the tip 21 side (the lower side in FIG. 2 and the tip of the liquid concentration sensor 72) is chamfered. On the outer peripheral surface of the internal electrode 20, an insulating film (not shown) made of, for example, PFA is formed. Further, on the base end portion 22 side (upper side in FIG. 2), a pipe guide 55 and an inner case 50 are engaged to fix the internal electrode 20 to the base portion 40. The pipe guide 55 is an annular guide member joined near the end edge of the base end portion 22 of the internal electrode 20.
なお、インナーケース５０は、内部電極２０と外筒電極１０とが確実に絶縁されるように内部電極２０を位置決め支持する筒状の樹脂製部材であり、先端側が基部４０の電極支持部４１の孔４６に係合する。 The inner case 50 is a cylindrical resin member that positions and supports the internal electrode 20 so that the internal electrode 20 and the outer cylindrical electrode 10 are securely insulated, and the tip side of the electrode support portion 41 of the base portion 40 is located on the tip side. Engage with hole 46.
インナーケース５０には径方向外側に向かって突出する鍔部５１が形成されており、インナーケース５０は、収容部４３側から電極支持部４１の内周に挿通されることで電極支持部４１に係合される。そして、鍔部５１が収容部４３内の底面に当接することで、電極支持部４１の内周をインナーケース５０が通り抜けることが防止される。 The inner case 50 is formed with a flange portion 51 that protrudes radially outward. The inner case 50 is inserted into the inner periphery of the electrode support portion 41 from the housing portion 43 side, so that the electrode support portion 41 is provided with the inner case 50. Engaged. Then, when the collar portion 51 abuts against the bottom surface in the housing portion 43, the inner case 50 is prevented from passing through the inner periphery of the electrode support portion 41.
また、内部電極２０は、収容部４３側からインナーケース５０の内側に挿入されるが、パイプガイド５５が鍔部５１に当接することで、インナーケース５０からの脱落が防止される。 Further, the internal electrode 20 is inserted into the inner case 50 from the accommodating portion 43 side, but the pipe guide 55 abuts against the flange portion 51, so that the inner electrode 20 is prevented from falling off the inner case 50.
さらに、インナーケース５０の外周と内周とには、それぞれ、Ｏリング５３とＯリング５４とが設けられている。Ｏリング５３は、インナーケース５０の外周と基部４０の孔４６との間の隙間を密閉し、Ｏリング５４は、インナーケース５０の内周と内部電極２０の基端部２２の外周との間の隙間を密閉している。これにより、液濃度センサ７２がタンク８１に取り付けられた際に、タンク８１の内部と外部とが収容部４３を介して連通しないようにその気密性が保たれている。なお、基部４０の鍔部４２において液濃度センサ７２の先端側の面には板状のゴム部材（図示省略）が嵌められ、Ｏリング５３，５４と同様に、タンクヘの取り付け時に、タンクの内外の気密性が保たれる。 Further, an O-ring 53 and an O-ring 54 are provided on the outer periphery and the inner periphery of the inner case 50, respectively. The O-ring 53 seals the gap between the outer periphery of the inner case 50 and the hole 46 of the base 40, and the O-ring 54 is between the inner periphery of the inner case 50 and the outer periphery of the base end portion 22 of the internal electrode 20. The gap is sealed. Thereby, when the liquid concentration sensor 72 is attached to the tank 81, the airtightness is maintained so that the inside and the outside of the tank 81 do not communicate with each other through the accommodating portion 43. In addition, a plate-like rubber member (not shown) is fitted to the front surface of the liquid concentration sensor 72 in the flange portion 42 of the base 40, and the inner and outer sides of the tank are attached when attached to the tank, like the O-rings 53 and 54. Airtightness is maintained.
そして、内部電極２０の基部４０への組み付けの際には、２枚の押さえ板５６，５７によって、パイプガイド５５がインナーケース５０の鍔部５１に対して押圧される。押さえ板５７は、パイプガイド５５との間に押さえ板５６を挟み、パイプガイド５５を押圧した状態で、ネジ５８によって収容部４３内に固定される。これにより、パイプガイド５５に接合された内部電極２０が電極支持部４１に固定されることとなる。 When the internal electrode 20 is assembled to the base portion 40, the pipe guide 55 is pressed against the flange portion 51 of the inner case 50 by the two pressing plates 56 and 57. The pressing plate 57 is fixed in the housing portion 43 by screws 58 with the pressing plate 56 sandwiched between the pipe guide 55 and pressing the pipe guide 55. Thereby, the internal electrode 20 joined to the pipe guide 55 is fixed to the electrode support portion 41.
また、押さえ板５６，５７には中央に孔が設けてあり、内部電極２０の電極取りだし用リード線５９が挿通され、回路基板６０に接合されている。回路基板６０のグランド側の電極（図示省略）が基部４０に接続されており、これにより、外筒電極１０がグランド側に電気的に接続される。なお、基部４０は、導電性材料で構成されている。 Further, the holding plates 56 and 57 are provided with a hole in the center, and the lead wire 59 for taking out the internal electrode 20 is inserted and joined to the circuit board 60. An electrode (not shown) on the ground side of the circuit board 60 is connected to the base 40, whereby the outer cylinder electrode 10 is electrically connected to the ground side. The base 40 is made of a conductive material.
また、基部４０の電極支持部４１にて支持された内部電極２０は、その先端部２１が、外筒電極１０の先端部１１と非接触の状態となるようにゴム製のブッシュ３０により、保持されている。図２に示すように、ブッシュ３０は、外径が外筒電極１０の内周と略一致する円筒形状の胴部３２の一端側に、テーパ状の先端部３１が形成されている。先端部３１は、胴部３２側の端が胴部３２の外径よりも大きく構成された鍔部３４として形成されており、外筒電極１０に胴部３２が嵌められた際のストッパーとして機能する。 Further, the internal electrode 20 supported by the electrode support portion 41 of the base portion 40 is held by the rubber bush 30 so that the distal end portion 21 is not in contact with the distal end portion 11 of the outer cylindrical electrode 10. Has been. As shown in FIG. 2, the bush 30 has a tapered distal end portion 31 formed on one end side of a cylindrical body portion 32 whose outer diameter substantially coincides with the inner periphery of the outer cylindrical electrode 10. The distal end portion 31 is formed as a flange portion 34 whose end on the body portion 32 side is configured to be larger than the outer diameter of the body portion 32, and functions as a stopper when the body portion 32 is fitted to the outer cylindrical electrode 10. To do.
ブッシュ３０の胴部３２の内周には、内部電極２０の先端部２１を位置決め保持するためのリブ３６が複数本周方向に対して分散して列設されている。そして、先端部３１には、胴部３２の内周側に接続する孔３３が開ロされており、胴部３２の内周で内部電極２０が保持された状態でも、リブ３６の隙間を介してブッシュ３０の内側と外側とが連通するように構成されている。これにより、孔３３を介してタンクに収容された尿素水が外筒電極１０と内部電極２０との間に形成されるギャップ（電極間スペース）に入り込むことが可能となる。また、胴部３２の外周には、外筒電極１０の開口部１３に係合して、ブッシュ３０の抜け防止として機能する突起部３５が設けられている。このようなブッシュ３０に保持される内部電極２０は、外筒電極１０との接触が防止される。 On the inner periphery of the body portion 32 of the bush 30, a plurality of ribs 36 for positioning and holding the distal end portion 21 of the internal electrode 20 are arranged in a row in the circumferential direction. Further, a hole 33 connected to the inner peripheral side of the trunk portion 32 is opened in the distal end portion 31, and even when the internal electrode 20 is held on the inner periphery of the trunk portion 32, the gap is formed between the ribs 36. Thus, the inner side and the outer side of the bush 30 are configured to communicate with each other. Thereby, the urea water accommodated in the tank through the hole 33 can enter a gap (interelectrode space) formed between the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20. Further, on the outer periphery of the body portion 32, a projection portion 35 is provided that engages with the opening portion 13 of the outer cylinder electrode 10 and functions as a prevention of the bush 30 from coming off. The internal electrode 20 held by such a bush 30 is prevented from contacting the outer cylinder electrode 10.
次に、液濃度検出装置１にて実行される液状態測定処理の処理内容について説明する。
なお、図５は、液状態測定処理の処理内容を表すフローチャートである。
まず、液状態測定処理が開始されると、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）では、装置内の各部（演算処理部７７、電圧出力部７９など）の初期化処理が実行される。具体的には、メモリや信号入出力部などのリセット処理が実行される。
Next, the processing content of the liquid state measurement process executed by the liquid concentration detection device 1 will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing the processing contents of the liquid state measurement processing.
First, when the liquid state measurement process is started, in S110 (S represents a step), an initialization process of each unit (the arithmetic processing unit 77, the voltage output unit 79, etc.) in the apparatus is executed. Specifically, reset processing of a memory, a signal input / output unit, and the like is executed.
次のＳ１２０では、水位レベル測定処理が実行される。図６に、水位レベル測定処理の処理内容を表すフローチャートを示す。
水位レベル測定処理が開始されると、Ｓ２１０では、液濃度センサ７２に印加する交流電圧の周波数を低周波数帯域（１００［ｋＨｚ］）に切り替える処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が電圧出力部７９に対して低周波指令信号を出力することで、電圧出力部７９から液濃度センサ７２に対して出力される周波数帯域を切り替える。
In the next S120, a water level measurement process is executed. FIG. 6 shows a flowchart showing the processing content of the water level measurement process.
When the water level measurement process is started, a process of switching the frequency of the AC voltage applied to the liquid concentration sensor 72 to the low frequency band (100 [kHz]) is executed in S210. Specifically, the arithmetic processing unit 77 outputs a low frequency command signal to the voltage output unit 79, thereby switching the frequency band output from the voltage output unit 79 to the liquid concentration sensor 72.
次のＳ２２０では、液濃度センサ７２に印加する交流電圧の波形を作成する処理が実行される。具体的には、電圧出力部７９が、液濃度センサ７２に対して出力する交流電圧の波形を生成すると共に、液濃度センサ７２に対して電圧を印加する。このとき、交流電圧の周波数は、１００［ｋＨｚ］である。 In the next S220, a process for creating a waveform of an AC voltage applied to the liquid concentration sensor 72 is executed. Specifically, the voltage output unit 79 generates an AC voltage waveform output to the liquid concentration sensor 72 and applies a voltage to the liquid concentration sensor 72. At this time, the frequency of the AC voltage is 100 [kHz].
次のＳ２３０では、液濃度センサ７２を介して出力される電圧を測定する処理が実行される。具体的には、電流−電圧変換部７３が、液濃度センサ７２の一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）を通過した電流値を電圧値に変換しており、演算処理部７７が、電流−電圧変換部７３からの出力電圧を検出（入力）する。 In the next S230, processing for measuring the voltage output via the liquid concentration sensor 72 is executed. Specifically, the current-voltage conversion unit 73 converts the current value that has passed through the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the internal electrode 20) of the liquid concentration sensor 72 into a voltage value, and the arithmetic processing unit 77 The output voltage from the current-voltage conversion unit 73 is detected (input).
次のＳ２４０では、演算処理部７７の内部において、液濃度センサ７２の出力電圧波形を解析する処理を行い、出力電圧波形の振幅を算出する。
次のＳ２５０では、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）における静電容量を演算する処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が、液濃度センサ７２の出力電圧波形の振幅に基づき一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）における静電容量（第１静電容量）を演算する。
In the next S240, processing for analyzing the output voltage waveform of the liquid concentration sensor 72 is performed inside the arithmetic processing unit 77, and the amplitude of the output voltage waveform is calculated.
In the next step S250, a process of calculating the capacitance of the pair of electrodes (outer cylinder electrode 10 and internal electrode 20) is executed. Specifically, the arithmetic processing unit 77 calculates the capacitance (first capacitance) of the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) based on the amplitude of the output voltage waveform of the liquid concentration sensor 72. .
次にＳ２６０では、タンク８１の内部における水位レベル（以下、単に、レベルともいう）および一対の電極の隙間空間における液体の占有割合（電極間液体占有割合）を検出する処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が、第１静電容量に基づき水位レベルおよび電極間液体占有割合を検出する処理を実行する。 Next, in S260, a process of detecting a water level in the tank 81 (hereinafter also simply referred to as a level) and a liquid occupying ratio (interelectrode liquid occupying ratio) in a gap space between a pair of electrodes is executed. Specifically, the arithmetic processing unit 77 executes a process of detecting the water level and the inter-electrode liquid occupation ratio based on the first capacitance.
演算処理部７７は、水位レベル、電極間液体占有割合および静電容量の相関関係に関するマップあるいは計算式を予め記憶しており、そのマップあるいは計算式を用いて、第１静電容量に基づき水位レベルおよび電極間液体占有割合を演算する。 The arithmetic processing unit 77 stores in advance a map or calculation formula regarding the correlation between the water level, the liquid occupation ratio between the electrodes, and the capacitance, and the water level is calculated based on the first capacitance using the map or the calculation formula. The level and the liquid occupation ratio between the electrodes are calculated.
上述したように、センサ部７１における一対の電極が尿素水溶液のレベルに応じて電極間液体占有割合（尿素水溶液の占有割合）が変化する状態で備えられることから、電極間液体占有割合とレベルとの間に相関関係が生じる。そして、電極間の静電容量と電極間液体占有割合との間に相関関係があることから、レベルと静電容量との間にも相関関係が生じることとなり、その相関関係に基づいて、マップあるいは計算式が定められている。 As described above, since the pair of electrodes in the sensor unit 71 is provided in a state in which the inter-electrode liquid occupation ratio (occupation ratio of the urea aqueous solution) changes according to the level of the urea aqueous solution, A correlation occurs between the two. And since there is a correlation between the capacitance between the electrodes and the liquid occupancy ratio between the electrodes, a correlation also occurs between the level and the capacitance, and the map is based on the correlation. Or a calculation formula is defined.
なお、水位レベルと電極間液体占有割合との間に相関関係が有る場合においては、第１静電容量に基づきいずれか一方の値を演算した後、水位レベルと電極間液体占有割合との相関関係に基づき他方の値を演算することで、水位レベルおよび電極間液体占有割合を演算するように構成することもできる。 In the case where there is a correlation between the water level and the interelectrode liquid occupancy ratio, after calculating either value based on the first capacitance, the correlation between the water level and the interelectrode liquid occupancy ratio is calculated. By calculating the other value based on the relationship, the water level and the inter-electrode liquid occupation ratio can be calculated.
ここで、本実施形態の液濃度検出装置１により、電極間液体占有割合および液体の水位レベルを検出する原理について説明する。図４は、液濃度センサ７２における外筒電極１０と内部電極２０との間（電極間スペース）に満たされた尿素水の水面近傍の拡大断面図である。 Here, the principle of detecting the liquid occupation ratio between electrodes and the water level of the liquid by the liquid concentration detection device 1 of the present embodiment will be described. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the surface of the urea water filled between the outer cylinder electrode 10 and the internal electrode 20 (interelectrode space) in the liquid concentration sensor 72.
液濃度センサ７２は、尿索水を収容したタンク８１において、外筒電極１０および内部電極２０の軸線方向が尿素水の水位の高低方向に対して平行となる状態で組み付けられる。つまり、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）は、タンク８１における尿素水溶液のレベルに応じて外筒電極１０および内部電極２０の電極間スペースにおける液体占有割合（尿素水溶液の占有割合）が変化する状態で配置される。 The liquid concentration sensor 72 is assembled in the tank 81 containing the urinary water in a state where the axial directions of the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20 are parallel to the height direction of the urea water level. That is, the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) has a liquid occupation ratio (occupation ratio of the aqueous urea solution) in the space between the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20 according to the level of the aqueous urea solution in the tank 81. Are arranged in a changing state.
そして、一対の電極間（外筒電極１０と内部電極２０との間）の静電容量を測定することで、両者間に存在する尿素水が、外筒電極１０の軸線方向にどれだけの水位レベルまで存在しているかを検出することができる。これは、周知のように、径方向の電位の異なる２点間において、静電容量の大きさが、その径の差が小さいほど大きくなることに基づく。 Then, by measuring the capacitance between the pair of electrodes (between the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20), how much water level the urea water existing between them is in the axial direction of the outer cylinder electrode 10 It is possible to detect whether a level exists. As is well known, this is based on the fact that the capacitance increases between two points with different radial potentials as the difference in diameter decreases.
すなわち、図４に示すように、尿素水で満たされていない部分においては、ギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、両者間の空気層と絶縁膜２３との合計の厚み分の距離（距離Ｂで示す）となる。一方、尿素水が満たされた部位においては、ギャップ間で電位差の生じる部位の距離は、尿索水が導電性のために外筒電極１０と尿素水との電位が等しくなることから、絶縁膜２３の厚み分の距離（距離Ｃで示す）となる。 That is, as shown in FIG. 4, in the portion not filled with urea water, the distance of the portion where the potential difference occurs between the gaps is the distance (distance) of the total thickness of the air layer and the insulating film 23 between them. B)). On the other hand, in the region where the urea water is filled, the distance between the regions where the potential difference occurs between the gaps is that the potential of the outer tube electrode 10 and the urea water becomes equal because the urinary water is conductive. This is a distance corresponding to the thickness of 23 (indicated by distance C).
つまり、尿索水が満たされている部位は、満たされていない部位よりも電位差の生じる部位聞の距離がより近いため、静電容量が大きい。このことから、ギャップ間に電圧を印加した場合、尿素水が満たされている部分が多くなるに従って、静電容量がより大きくなる部分（距離Ｃである部分）の割合が増える。 That is, the portion filled with urinary tract has a larger capacitance because the portion where the potential difference occurs is closer than the portion not filled. From this, when a voltage is applied between the gaps, the proportion of the portion where the capacitance is larger (the portion having the distance C) increases as the portion filled with urea water increases.
そして、周知のように、静電容量の大きさが互いに対向する電位の異なる部位の面積に比例することから、液濃度センサ７２の全体として検出される静電容量は、尿素水の水位レベルが高くなるに従って大きくなる。 As is well known, since the capacitance is proportional to the areas of the portions with different potentials facing each other, the capacitance detected as a whole of the liquid concentration sensor 72 is the level of the urea water level. It gets bigger as it gets higher.
次に、図８に、尿素濃度の異なる２種類（０［ｗｔ％］、３２．５［ｗｔ％］）の尿素水溶液における水位と静電容量との相関関係を表した波形の一例を示す。なお、図８では、尿素水溶液の水温が２４［℃］であるときの相関関係を示しており、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）に対する印加電圧の周波数は低周波数（１００［ｋＨｚ］）である。 Next, FIG. 8 shows an example of a waveform representing the correlation between the water level and the capacitance in two types (0 [wt%], 32.5 [wt%]) of urea aqueous solutions having different urea concentrations. FIG. 8 shows the correlation when the water temperature of the urea aqueous solution is 24 [° C.], and the frequency of the applied voltage to the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) is a low frequency (100 [100 [ kHz]).
つまり、演算処理部７７に記憶されるマップまたは計算式は、このような相関関係に基づき予め定められており、例えば、図８に示す相関関係に基づき定められたマップにおいては、静電容量が約１６０［ｐＦ］であるときの水位レベルの演算結果は、約４０［ｃｍ］である。 That is, the map or calculation formula stored in the arithmetic processing unit 77 is determined in advance based on such a correlation. For example, in the map determined based on the correlation shown in FIG. The calculation result of the water level when it is about 160 [pF] is about 40 [cm].
また、図９に、尿素濃度の異なる２種類（０ｗｔ％、３２．５ｗｔ％）の尿素水溶液について、印加電圧の周波数が高周波数（１０［ＭＨｚ］）であるときの水位と静電容量との相関関係を表した波形の一例を示す。なお、この相関関係は、尿素水溶液の水温が２４［℃］であるときの相関関係である。 FIG. 9 shows the relationship between the water level and the capacitance when the applied voltage frequency is high (10 [MHz]) for two types (0 wt%, 32.5 wt%) of urea aqueous solutions having different urea concentrations. An example of the waveform showing the correlation is shown. This correlation is a correlation when the water temperature of the urea aqueous solution is 24 [° C.].
これによれば、印加電圧の周波数が高周波数（１０［ＭＨｚ］）であるときの水位レベル（あるいは、電極間液体占有割合）と静電容量との相関関係は、低周波数（１００［ｋＨｚ］）の場合と比べて、尿素濃度ごとに異なる相関関係となることが判る。つまり、印加電圧の周波数が低周波数（１００［ｋＨｚ］）に設定されたときの静電容量に基づき水位レベル（電極間液体占有割合）を検出する場合には、尿素濃度の変化による影響を受けることなく、水位レベル（電極間液体占有割合）を検出することができる。 According to this, when the frequency of the applied voltage is a high frequency (10 [MHz]), the correlation between the water level (or the liquid occupation ratio between the electrodes) and the capacitance is low frequency (100 [kHz]). It can be seen that there is a different correlation for each urea concentration compared to the case of). That is, when detecting the water level (inter-electrode liquid occupation ratio) based on the capacitance when the frequency of the applied voltage is set to a low frequency (100 [kHz]), it is affected by the change in urea concentration. Without being able to detect the water level (inter-electrode liquid occupation ratio).
Ｓ２６０での処理が完了するとともにＳ１２０での処理が完了すると、次のＳ１３０では、尿素水溶液の温度（水温）を検出する処理が実行される。具体的には、温度検出部７５が水温を検出するとともに、検出した水温データを演算処理部７７に対して出力する。 When the process in S260 is completed and the process in S120 is completed, a process for detecting the temperature (water temperature) of the urea aqueous solution is executed in the next S130. Specifically, the temperature detection unit 75 detects the water temperature and outputs the detected water temperature data to the arithmetic processing unit 77.
次のＳ１４０では、液濃度測定処理が実行される。図７に、液濃度測定処理の処理内容を表すフローチャートを示す。
液濃度測定処理が開始されると、Ｓ３１０では、液濃度センサ７２に印加する交流電圧の周波数を高周波数帯域（１０［ＭＨｚ］）に切り替える処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が電圧出力部７９に対して高周波指令信号を出力することで、電圧出力部７９から液濃度センサ７２に対して出力される周波数帯域を切り替える。
In the next S140, a liquid concentration measurement process is executed. FIG. 7 shows a flowchart showing the processing content of the liquid concentration measurement processing.
When the liquid concentration measurement process is started, in S310, a process of switching the frequency of the AC voltage applied to the liquid concentration sensor 72 to the high frequency band (10 [MHz]) is executed. Specifically, the arithmetic processing unit 77 outputs a high frequency command signal to the voltage output unit 79, thereby switching the frequency band output from the voltage output unit 79 to the liquid concentration sensor 72.
次のＳ３２０では、液濃度センサ７２に印加する交流電圧の波形を作製する処理が実行される。具体的には、電圧出力部７９が、液濃度センサ７２に対して出力する交流電圧の波形を生成すると共に、液濃度センサ７２に対して電圧を印加する。このとき、交流電圧の周波数は、１０［ＭＨｚ］である。 In the next S320, a process for creating a waveform of an AC voltage applied to the liquid concentration sensor 72 is executed. Specifically, the voltage output unit 79 generates an AC voltage waveform output to the liquid concentration sensor 72 and applies a voltage to the liquid concentration sensor 72. At this time, the frequency of the AC voltage is 10 [MHz].
次のＳ３３０では、液濃度センサ７２を介して出力される電圧を測定する処理が実行される。具体的には、電流−電圧変換部７３が、液濃度センサ７２の一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）を通過した電流値を電圧値に変換しており、演算処理部７７が、電流−電圧変換部７３からの出力電圧を検出（入力）する。 In the next S330, processing for measuring the voltage output via the liquid concentration sensor 72 is executed. Specifically, the current-voltage conversion unit 73 converts the current value that has passed through the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the internal electrode 20) of the liquid concentration sensor 72 into a voltage value, and the arithmetic processing unit 77 The output voltage from the current-voltage conversion unit 73 is detected (input).
次のＳ３４０では、演算処理部７７の内部において、液濃度センサ７２の出力電圧波形を解析する処理を行い、出力電圧波形の振幅を算出する。
次のＳ３５０では、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）における静電容量を演算する処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が、液濃度センサ７２の出力電圧波形の振幅に基づき一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）における静電容量（第２静電容量）を演算する。
In next step S340, processing for analyzing the output voltage waveform of the liquid concentration sensor 72 is performed inside the arithmetic processing unit 77, and the amplitude of the output voltage waveform is calculated.
In the next step S350, processing for calculating the capacitance of the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) is executed. Specifically, the arithmetic processing unit 77 calculates the capacitance (second capacitance) of the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) based on the amplitude of the output voltage waveform of the liquid concentration sensor 72. .
次のＳ３６０では、タンク８１の内部に収容されている尿素水溶液の尿素濃度を検出する処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が、Ｓ１２０で検出した水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）、Ｓ１３０で検出した水温および第２静電容量に基づき尿素水溶液の尿素濃度を検出する処理を実行する。 In the next S360, a process for detecting the urea concentration of the urea aqueous solution accommodated in the tank 81 is executed. Specifically, the arithmetic processing unit 77 executes a process of detecting the urea concentration of the urea aqueous solution based on the water level detected in S120 (or the inter-electrode liquid occupation ratio), the water temperature detected in S130, and the second capacitance. To do.
なお、演算処理部７７は、水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）、水温、尿素濃度および静電容量の相関関係に関するマップあるいは計算式を予め記憶しており、そのマップあるいは計算式を用いて、Ｓ１２０で検出した水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）、Ｓ１３０で検出した水温および第２静電容量に基づき尿素濃度を演算する。 The arithmetic processing unit 77 stores in advance a map or a calculation formula relating to the correlation among the water level (or the inter-electrode liquid occupation ratio), the water temperature, the urea concentration, and the capacitance, and uses the map or the calculation formula. The urea concentration is calculated based on the water level detected in S120 (or the liquid occupancy ratio between the electrodes), the water temperature detected in S130, and the second capacitance.
図１０に、尿素濃度の異なる４種類（０［ｗｔ％］、１６．３［ｗｔ％］、３２．５［ｗｔ％］、４０．０［ｗｔ％］）の尿素水溶液における周波数と静電容量との相関関係を表した波形の一例を示す。また、図１１に、周波数が異なる３種類（１００［ｋＨｚ］、５［ＭＨｚ］、１０［ＭＨｚ］）の場合について、尿素水溶液における濃度と静電容量との相関関係を表した波形の一例を示す。 FIG. 10 shows the frequency and capacitance in four types of urea aqueous solutions having different urea concentrations (0 [wt%], 16.3 [wt%], 32.5 [wt%], 40.0 [wt%]). An example of the waveform showing the correlation with the is shown. FIG. 11 shows an example of a waveform representing the correlation between the concentration and the capacitance in the urea aqueous solution in the case of three types having different frequencies (100 [kHz], 5 [MHz], and 10 [MHz]). Show.
なお、図１０および図１１では、尿素水溶液の水温が２４［℃］で、水位レベルが４０［ｃｍ］であるときの相関関係を示している。
つまり、演算処理部７７に記憶されるマップまたは計算式は、このような相関関係に基づき予め定められており、例えば、図１１に示す相関関係のうち周波数が１０［ＭＨｚ］であるときの波形に基づき定められたマップにおいては、静電容量が約１２５［ｐＦ］であるときの尿素濃度の演算結果は、約１６．３［ｗｔ％］である。
10 and 11 show the correlation when the water temperature of the urea aqueous solution is 24 [° C.] and the water level is 40 [cm].
That is, the map or calculation formula stored in the arithmetic processing unit 77 is determined in advance based on such a correlation. For example, the waveform when the frequency is 10 [MHz] in the correlation shown in FIG. In the map determined based on the above, the calculation result of the urea concentration when the capacitance is about 125 [pF] is about 16.3 [wt%].
なお、高周波数帯域における尿素水溶液における周波数と静電容量との相関関係は、水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）ごとおよび尿素水溶液の水温ごとに異なるため、高周波数帯域におけるマップまたは計算式は、水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）ごとおよび尿素水溶液の水温ごとに予め定められている。 Since the correlation between the frequency and capacitance in the urea aqueous solution in the high frequency band differs depending on the water level (or the liquid occupation ratio between the electrodes) and the water temperature of the urea aqueous solution, the map or calculation formula in the high frequency band is And predetermined for each water level (or inter-electrode liquid occupation ratio) and each water temperature of the urea aqueous solution.
ここで、図１２に、尿素濃度が０［ｗｔ％］である尿素水溶液について、水温の異なる３種類（２４［℃］、５０［℃］、７０［℃］）の尿素水溶液における周波数と静電容量との相関関係を表した波形の一例を示す。なお、図１２では、水位レベルが４０［ｃｍ］であるときの相関関係を示している。 Here, FIG. 12 shows the frequency and electrostatic capacity of the urea aqueous solution having a urea concentration of 0 [wt%] in three types of urea aqueous solutions having different water temperatures (24 [° C.], 50 [° C.], and 70 [° C.]). An example of the waveform showing the correlation with the capacity is shown. FIG. 12 shows the correlation when the water level is 40 [cm].
また、図１３に、尿素濃度が３２．５［ｗｔ％］である尿素水溶液について、水温の異なる３種類（２４［℃］、５０［℃］、７０［℃］）の尿素水溶液における周波数と静電容量との相関関係を表した波形の一例を示す。なお、図１３では、水位レベルが４０［ｃｍ］であるときの相関関係を示している。 Further, FIG. 13 shows the frequency and static values of urea aqueous solutions having a urea concentration of 32.5 [wt%] in three types of urea aqueous solutions having different water temperatures (24 [° C.], 50 [° C.], and 70 [° C.]). An example of the waveform showing the correlation with electric capacity is shown. In addition, in FIG. 13, the correlation when a water level is 40 [cm] is shown.
図１２および図１３によれば、低周波数領域（例えば、１００［ｋＨｚ］以下の帯域）では、周波数と静電容量との相関関係が水温に依存することなく、高周波数領域（例えば、１［ＭＨｚ］以上の帯域）では、周波数と静電容量との相関関係が水温に依存しており、水温毎に異なる波形を示すことが判る。 According to FIGS. 12 and 13, in the low frequency region (for example, a band of 100 [kHz] or less), the correlation between the frequency and the capacitance does not depend on the water temperature, and the high frequency region (for example, 1 [ In a band of [MHz] or higher), it can be seen that the correlation between the frequency and the capacitance depends on the water temperature, and shows a different waveform for each water temperature.
よって、Ｓ３６０での処理において、演算処理部７７は、まず、Ｓ１２０で検出した水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）およびＳ１３０で検出した水温を用いて、これらの水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）および水温に対応するマップあるいは計算式（静電容量と尿素濃度との相関関係に関するマップあるいは計算式）を選択し、そのマップあるいは計算式を用いて第２静電容量に対応する尿素濃度を検出する処理を行う。 Therefore, in the process at S360, the arithmetic processing unit 77 first uses these water level (or interelectrode liquid occupancy) using the water level detected at S120 (or interelectrode liquid occupancy) and the water temperature detected at S130. Ratio) and a map or calculation formula corresponding to the water temperature (a map or calculation formula relating to the correlation between the capacitance and the urea concentration), and using the map or calculation formula, the urea concentration corresponding to the second capacitance is selected. The process which detects is performed.
Ｓ３６０での処理が完了するとともにＳ１４０での処理が完了すると、次のＳ１５０では、水位レベルおよび尿素濃度に関する検出データを外部機器に出力する処理が実行される。具体的には、演算処理部７７が、演算結果である水位レベルおよび尿素濃度を、外部機器（例えば、ディーゼル自動車の中央処理装置など）に対して出力する。 When the process in S360 is completed and the process in S140 is completed, in the next S150, a process of outputting detection data relating to the water level and the urea concentration to an external device is executed. Specifically, the arithmetic processing unit 77 outputs the water level and urea concentration, which are the calculation results, to an external device (for example, a central processing unit of a diesel vehicle).
Ｓ１５０は、検出データを出力した後、予め定められた待機時間が経過すると、処理を完了する。
そして、Ｓ１５０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行し、その後、Ｓ１２０からＳ１５０までの処理が繰り返し実行される。このようにして、本実施形態の液濃度検出装置１は、一定周期ごとに水位レベルおよび尿素濃度を検出するための処理を繰り返し実行する。
S150 completes the processing when a predetermined waiting time has elapsed after the detection data is output.
When the process in S150 is completed, the process proceeds to S120 again, and thereafter the processes from S120 to S150 are repeatedly executed. Thus, the liquid concentration detection apparatus 1 of this embodiment repeatedly performs the process for detecting a water level and a urea concentration for every fixed period.
以上説明したように、本実施形態の液濃度検出装置１は、電極対（一対の電極）を複数備えるのではなく、単一の電極対を備える構成であり、その一対の電極間の静電容量として、印加する交流電圧の周波数帯域が異なる２点の静電容量（第１静電容量および第２静電容量）を検出する。 As described above, the liquid concentration detection device 1 according to the present embodiment is configured not to include a plurality of electrode pairs (a pair of electrodes) but to include a single electrode pair, and the electrostatic capacitance between the pair of electrodes. As capacitance, two capacitances (first capacitance and second capacitance) with different frequency bands of the applied AC voltage are detected.
そして、液濃度検出装置１は、低周波数帯域（１００［ｋＨｚ］）における第１静電容量を用いて電極間液体占有割合および水位レベルを演算する。なお、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち１００［ｋＨｚ］の帯域は、尿素濃度の変化に対して依存せず、主に電極間スペースにおける尿素水溶液の占有割合（電極間液体占有割合）に応じて一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域である。 And the liquid concentration detection apparatus 1 calculates the liquid occupation ratio between electrodes and a water level using the 1st electrostatic capacitance in a low frequency band (100 [kHz]). Of the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes, the band of 100 [kHz] does not depend on the change in the urea concentration, and mainly occupies the urea aqueous solution in the interelectrode space (interelectrode liquid). This is a frequency band in which the capacitance between the pair of electrodes changes according to the occupation ratio.
また、液濃度検出装置１は、検出した水位レベル（あるいは電極間液体占有割合）、検出した水温、高周波数帯域（１０［ＭＨｚ］）における第２静電容量を用いて、尿素濃度を演算する。なお、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち１０［ＭＨｚ］の帯域は、電極間液体占有割合が一定であっても、尿素濃度の変化に対して一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域である。 The liquid concentration detection device 1 calculates the urea concentration using the detected water level (or the liquid occupation ratio between the electrodes), the detected water temperature, and the second capacitance in the high frequency band (10 [MHz]). . Of the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes, the band of 10 [MHz] is electrostatic between the pair of electrodes with respect to the change in the urea concentration even if the liquid occupation ratio between the electrodes is constant. This is a frequency band in which the capacity changes.
つまり、液濃度検出装置１は、異なる周波数帯域（第１周波数帯域（１００［ｋＨｚ］）および第２周波数帯域（１０［ＭＨｚ］））におけるそれぞれの静電容量（第１静電容量および第２静電容量）を検出することで、第１静電容量を用いて電極間液体占有割合を特定しつつ、電極間液体占有割合および第２静電容量を用いて液濃度を演算する。これにより、液濃度検出装置１は、尿素水溶液の消費や車両（タンク８１）の振動などによって電極間液体占有割合が変化した場合であっても、適切に液濃度を検出することが可能となる。 In other words, the liquid concentration detection device 1 has respective capacitances (first capacitance and second capacitance) in different frequency bands (first frequency band (100 [kHz]) and second frequency band (10 [MHz])). By detecting the capacitance, the liquid concentration is calculated using the interelectrode liquid occupation ratio and the second capacitance while specifying the interelectrode liquid occupation ratio using the first capacitance. Accordingly, the liquid concentration detection device 1 can appropriately detect the liquid concentration even when the liquid occupation ratio between the electrodes changes due to consumption of the aqueous urea solution, vibration of the vehicle (tank 81), or the like. .
よって、本実施形態によれば、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）間の静電容量として、単一の静電容量ではなく、周波数帯域の異なる第１静電容量および第２静電容量を検出することで電極間液体占有割合（水位レベル）を特定でき、一対の電極の全てを常時液体に浸漬させた状態にしなくとも、尿素濃度を検出できる。 Therefore, according to the present embodiment, the capacitance between the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) is not a single capacitance but a first capacitance and a second capacitance having different frequency bands. By detecting the capacitance, it is possible to specify the liquid occupation ratio (water level) between the electrodes, and it is possible to detect the urea concentration without making all of the pair of electrodes always immersed in the liquid.
なお、尿素濃度の変化に依存せず、主に電極間液体占有割合に応じて一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域は、上述した１００［ｋＨｚ］の周波数帯域に限られず、１０［ＭＨｚ］よりも高い周波数帯域（例えば、１００［ＭＨｚ］以上）にも存在する。このため、このような周波数帯域（１００［ＭＨｚ］以上の周波数帯域）における静電容量を、第１静電容量として用いることも可能である。 Note that the frequency band in which the capacitance between the pair of electrodes changes mainly according to the liquid occupation ratio between the electrodes without depending on the change in the urea concentration is not limited to the above-described frequency band of 100 [kHz]. It exists also in a frequency band higher than [MHz] (for example, 100 [MHz] or more). For this reason, it is also possible to use the capacitance in such a frequency band (frequency band of 100 [MHz] or more) as the first capacitance.
ここで、本実施形態においては、電極間液体占有割合の検出に用いる第１静電容量を検出する際には、一対の電極に印加する交流電圧の周波数帯域が第１周波数帯域（１００［ｋＨｚ］）である。また、液濃度の検出に用いる第２静電容量を検出する際には、一対の電極に印加する交流電圧の周波数帯域が第２周波数帯域（１０［ＭＨｚ］）である。 Here, in the present embodiment, when detecting the first capacitance used for detecting the liquid occupation ratio between the electrodes, the frequency band of the AC voltage applied to the pair of electrodes is the first frequency band (100 [kHz] ]). Moreover, when detecting the 2nd electrostatic capacitance used for a liquid concentration detection, the frequency band of the alternating voltage applied to a pair of electrodes is a 2nd frequency band (10 [MHz]).
つまり、第１周波数帯域（１００［ｋＨｚ］）は、第２周波数帯域（１０［ＭＨｚ］）よりも低い周波数帯域に設定されている。
ところで、図１０によれば、少なくとも１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域においては、特定成分の濃度（尿素濃度）の変化に対して一対の電極間の静電容量が依存し難いことが判る。また、図８によれば、特定成分の濃度（尿素濃度）の差異にかかわらず、水位レベル（換言すれば、電極間液体占有割合）に応じて一対の電極間の静電容量が変化することが判る。このため、１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域を第１周波数帯域として設定することで、電極間液体占有割合をより精度良く検出することができる。
That is, the first frequency band (100 [kHz]) is set to a frequency band lower than the second frequency band (10 [MHz]).
By the way, according to FIG. 10, it turns out that the electrostatic capacitance between a pair of electrodes is hard to depend on the change of the density | concentration (urea density | concentration) of a specific component at least in the frequency band below 100 [kHz]. Further, according to FIG. 8, the capacitance between the pair of electrodes changes according to the water level (in other words, the liquid occupation ratio between the electrodes) regardless of the difference in the concentration (urea concentration) of the specific component. I understand. For this reason, by setting a frequency band of 100 [kHz] or less as the first frequency band, it is possible to detect the inter-electrode liquid occupation ratio more accurately.
なお、第１周波数帯域は、少なくとも１［ｋＨｚ］以上の周波数帯域に設定することが望ましい。
また、図１０によれば、液体における特定成分の濃度（尿素濃度）が同一であっても、少なくとも１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域における一対の電極間の静電容量は、１００［ｋＨｚ］以下の周波数帯域における静電容量に比べて、周波数の変化に対する静電容量の変化量が大きくなる。また、１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域においては、液体における特定成分の濃度（液濃度）に応じて静電容量が変化する傾向が強くなる。
The first frequency band is preferably set to a frequency band of at least 1 [kHz].
Moreover, according to FIG. 10, even if the concentration (urea concentration) of the specific component in the liquid is the same, the capacitance between the pair of electrodes in the frequency band of at least 1 [MHz] is 100 [kHz] or less. The amount of change in capacitance with respect to the change in frequency is larger than the capacitance in the frequency band. Moreover, in the frequency band of 1 [MHz] or higher, the electrostatic capacity tends to change according to the concentration (liquid concentration) of the specific component in the liquid.
そして、本実施形態では、周波数帯域が１０［ＭＨｚ］である時の静電容量を第２静電容量として検出しており、液濃度の検出に用いる第２静電容量の検出時の周波数帯域（第２周波数帯域）が１［ＭＨｚ］以上の周波数帯域に設定されていることから、液濃度（尿素濃度）の変化に対する第２静電容量の変化量が大きくなり、液濃度の検出精度を向上できる。 In this embodiment, the electrostatic capacity when the frequency band is 10 [MHz] is detected as the second electrostatic capacity, and the frequency band when detecting the second electrostatic capacity used for detecting the liquid concentration. Since the (second frequency band) is set to a frequency band of 1 [MHz] or higher, the amount of change in the second capacitance with respect to the change in the liquid concentration (urea concentration) increases, and the detection accuracy of the liquid concentration is increased. It can be improved.
なお、第２周波数帯域は、少なくとも２０［ＭＨｚ］以下の周波数帯域に設定することが望ましい。
また、本実施形態においては、一対の電極の配置状態が尿素水溶液のレベルに応じて電極間液体占有割合が変化する状態であることから、電極間液体占有割合のみならずレベルを演算することが可能である。
The second frequency band is preferably set to a frequency band of at least 20 [MHz] or less.
In the present embodiment, since the arrangement state of the pair of electrodes is a state in which the liquid occupation ratio between the electrodes changes according to the level of the urea aqueous solution, it is possible to calculate not only the liquid occupation ratio between the electrodes but also the level. Is possible.
つまり、本実施形態の液濃度検出装置１は、液量を計測するための電極対（一対の電極）を備えることなく、１つの電極対を用いることで、液濃度のみならずレベル（液量）を検出することが可能となる。 That is, the liquid concentration detection apparatus 1 of the present embodiment does not include an electrode pair (a pair of electrodes) for measuring the liquid amount, and uses one electrode pair, so that not only the liquid concentration but also the level (liquid amount) ) Can be detected.
このことから、液濃度検出装置１は、電極対の設置スペースを新たに確保することなく、レベル（水位レベル）を検出できるという利点がある。
また、本実施形態においては、尿素水溶液の温度（水温）を検出し、その水温を尿素濃度の検出処理に用いることから、水温が変化する環境下であっても、水温変化に応じて液濃度を検出することができる。これにより、液濃度検出装置１は、尿素水溶液の温度変化による検出誤差の発生を抑えつつ液濃度を検出でき、液濃度の検出精度を向上できる。
Therefore, the liquid concentration detection device 1 has an advantage that it can detect the level (water level) without newly securing an installation space for the electrode pair.
In the present embodiment, the temperature (water temperature) of the urea aqueous solution is detected, and the water temperature is used for the urea concentration detection process. Therefore, even in an environment in which the water temperature changes, the liquid concentration varies depending on the water temperature change. Can be detected. Thereby, the liquid concentration detection apparatus 1 can detect the liquid concentration while suppressing the occurrence of detection error due to the temperature change of the urea aqueous solution, and can improve the detection accuracy of the liquid concentration.
なお、上記実施形態においては、外筒電極１０および内部電極２０が特許請求の範囲における一対の電極に相当し、演算処理部７７におけるＳ２５０での処理が第１静電容量検出手段に相当し、Ｓ３５０での処理が第２静電容量検出手段に相当し、Ｓ２６０での処理が電極間液体占有割合演算手段に相当し、Ｓ３６０での処理が液濃度演算手段に相当し、温度検出部７５が温度検出手段に相当している。 In the above embodiment, the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20 correspond to a pair of electrodes in the claims, and the process in S250 in the arithmetic processing unit 77 corresponds to the first capacitance detection means. The process at S350 corresponds to the second capacitance detection means, the process at S260 corresponds to the inter-electrode liquid occupation ratio calculation means, the process at S360 corresponds to the liquid concentration calculation means, and the temperature detection unit 75 It corresponds to temperature detection means.
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態においては、液体の温度（水温）を検出して、その水温を液濃度の演算に用いているが、水温が一定温度となる用途においては、水温の検出を行わず、その一定温度における電極間液体占有割合、静電容量および特定成分の濃度の相関関係に関するマップあるいは計算式を予め用意しておき、液濃度を検出することができる。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can take a various aspect, without being limited to the said embodiment.
For example, in the above embodiment, the temperature of the liquid (water temperature) is detected and the water temperature is used for calculation of the liquid concentration. However, in an application in which the water temperature is a constant temperature, the water temperature is not detected. A liquid concentration can be detected by preparing in advance a map or calculation formula relating to the correlation between the liquid occupation ratio between electrodes at a constant temperature, the capacitance, and the concentration of a specific component.
また、上記実施形態は、液濃度の検出に用いる第２静電容量として１点の静電容量を検出する構成であるが、互いに周波数が異なる２点以上の静電容量を第２静電容量として検出し、その複数の第２静電容量を用いて、液濃度を検出しても良い。つまり、電極間スペースにおける液体の占有割合が一定であっても特定成分の濃度の変化に対して一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域（第２周波数帯域）において、互いに周波数が異なる２点以上の第２静電容量を検出するのである。 Moreover, although the said embodiment is a structure which detects the electrostatic capacitance of one point as a 2nd electrostatic capacitance used for the detection of a liquid density | concentration, the electrostatic capacitance of two or more points from which a frequency mutually differs is a 2nd electrostatic capacitance. And the liquid concentration may be detected using the plurality of second capacitances. In other words, the frequency is different from each other in the frequency band (second frequency band) in which the capacitance between the pair of electrodes changes with respect to the change in the concentration of the specific component even if the occupation ratio of the liquid in the interelectrode space is constant. Two or more second capacitances are detected.
例えば、上記実施形態における電圧出力部７９は、出力する交流電圧の周波数として、低周波（１００［ｋＨｚ］）および高周波２（１０［ＭＨｚ］）の他に、高周波１（５［ＭＨｚ］）を設定可能に構成されており、周波数帯域が５［ＭＨｚ］であるときの静電容量についても第２静電容量として検出できる。そして、５［ＭＨｚ］および１０［ＭＨｚ］であるときの２つの静電容量を第２静電容量として、マップあるいは計算式に基づき、２つの第２静電容量に対応する液濃度を検出するのである。 For example, the voltage output unit 79 in the above embodiment uses the high frequency 1 (5 [MHz]) in addition to the low frequency (100 [kHz]) and the high frequency 2 (10 [MHz]) as the frequency of the alternating voltage to be output. It is configured to be settable, and the electrostatic capacity when the frequency band is 5 [MHz] can also be detected as the second electrostatic capacity. Then, the two capacitances at 5 [MHz] and 10 [MHz] are used as the second capacitance, and the liquid concentrations corresponding to the two second capacitances are detected based on the map or the calculation formula. It is.
このように、互いに周波数が異なる第２静電容量を２箇所以上検出することで、より多くの静電容量に基づいて液濃度を演算することができ、液濃度の検出精度をより高めることができる。 In this way, by detecting two or more second capacitances having different frequencies from each other, the liquid concentration can be calculated based on more capacitance, and the detection accuracy of the liquid concentration can be further improved. it can.
なお、互いに周波数が異なる第２静電容量を２箇所以上検出する場合には、マップまたは計算式として、２点の第２静電容量の傾きと液濃度との相関関係に関するマップまたは計算式に基づき、２点の第２静電容量の傾きに対応する液濃度を演算してもよい。ここで、２点の第２静電容量の傾きとは、周波数の変化量に対する第２静電容量の変化量の割合を意味する。 When two or more second capacitances having different frequencies are detected, a map or calculation formula is used as a map or calculation formula regarding the correlation between the inclination of the second capacitance at the two points and the liquid concentration. Based on this, the liquid concentration corresponding to the inclination of the second capacitance of the two points may be calculated. Here, the inclination of the second capacitance at the two points means the ratio of the change amount of the second capacitance to the change amount of the frequency.
また、液濃度に加えて水位レベルを検出する際の電極対（一対の電極）の配置状態については、上述したような、一対の電極（外筒電極１０および内部電極２０）の軸線方向が尿素水の水位の高低方向に対して平行となる状態に限られることはなく、一対の軸線方向が水位の高低方向に対して斜めになる状態であってもよい。つまり、一対の軸線方向が水位の高低方向に対して斜めになる状態であっても、レベルに応じて電極間スペースにおける液体占有割合が変化する状態であればよい。 Further, regarding the arrangement state of the electrode pair (a pair of electrodes) when detecting the water level in addition to the liquid concentration, the axial direction of the pair of electrodes (the outer cylinder electrode 10 and the inner electrode 20) as described above is urea. The state is not limited to being parallel to the height direction of the water level, and the pair of axial directions may be oblique to the height direction of the water level. That is, even if the pair of axial directions are oblique with respect to the height direction of the water level, the liquid occupancy ratio in the interelectrode space may be changed according to the level.
なお、一対の電極が平板状の電極で構成される場合には、一対の電極の隙間間隔方向がレベル方向に対して平行ではない状態であれば、レベルに応じて電極間スペースにおける液体占有割合が変化する状態となる。 When the pair of electrodes is constituted by flat electrodes, the liquid occupancy ratio in the inter-electrode space is determined according to the level if the gap interval direction of the pair of electrodes is not parallel to the level direction. Will change.
１…液濃度検出装置、１０…外筒電極、２０…内部電極、２３…絶縁膜、７１…センサ部、７２…液濃度センサ、７３…静電容量検出部、７５…温度検出部、７７…演算処理部、７９…電圧出力部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Liquid concentration detection apparatus, 10 ... Outer cylinder electrode, 20 ... Internal electrode, 23 ... Insulating film, 71 ... Sensor part, 72 ... Liquid concentration sensor, 73 ... Capacitance detection part, 75 ... Temperature detection part, 77 ... Arithmetic processing unit, 79... Voltage output unit.
Claims (7)
前記一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち、前記特定成分の濃度の変化に依存せず、前記電極間スペースにおける前記液体の占有割合に応じて前記一対の電極間の静電容量が変化する周波数帯域を第１周波数帯域とした場合において、前記一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域が前記第１周波数帯域であるときの前記静電容量を第１静電容量として検出する第１静電容量検出手段と、
前記一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域のうち前記第１周波数帯域とは異なる周波数帯域を第２周波数帯域とした場合において、前記一対の電極間に印加する交流電圧の周波数帯域が前記第２周波数帯域であるときの前記静電容量のうち、少なくとも１点以上の前記静電容量を第２静電容量として検出する第２静電容量検出手段と、
前記第１静電容量に基づいて前記電極間スペースにおける前記液体の占有割合である電極間液体占有割合を演算する電極間液体占有割合演算手段と、
前記電極間液体占有割合および前記第２静電容量に基づき前記特定成分の濃度を演算する液濃度演算手段と、
を備えることを特徴とする液濃度検出装置。 A liquid that includes a pair of electrodes and that is disposed in at least a part of an inter-electrode space formed between the pair of electrodes. A liquid concentration detection device for detecting a concentration,
Capacitance between the pair of electrodes according to the proportion of the liquid in the space between the electrodes without depending on the change in the concentration of the specific component in the frequency band of the alternating voltage applied between the pair of electrodes. In the case where the first frequency band is the frequency band in which the frequency changes, the capacitance when the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes is the first frequency band is detected as the first capacitance. First capacitance detecting means for
When the frequency band different from the first frequency band among the frequency bands of the AC voltage applied between the pair of electrodes is the second frequency band, the frequency band of the AC voltage applied between the pair of electrodes is A second capacitance detecting means for detecting at least one or more of the capacitances as the second capacitance among the capacitances in the second frequency band;
An interelectrode liquid occupancy ratio calculating means for calculating an interelectrode liquid occupancy ratio that is an occupancy ratio of the liquid in the interelectrode space based on the first capacitance;
Liquid concentration calculating means for calculating the concentration of the specific component based on the liquid occupation ratio between the electrodes and the second capacitance;
A liquid concentration detection device comprising:
を特徴とする請求項１に記載の液濃度検出装置。 The first frequency band is a lower frequency band than the second frequency band;
The liquid concentration detection apparatus according to claim 1.
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の液濃度検出装置。 The first frequency band is a frequency band of 100 [kHz] or less, and the second frequency band is a frequency band of 1 [MHz] or more;
The liquid concentration detection apparatus according to claim 1, wherein:
前記電極間液体占有割合演算手段は、前記第１静電容量に基づき前記レベルを演算すること、
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の液濃度検出装置。 The pair of electrodes are arranged in a state in which the inter-electrode liquid occupation ratio in the inter-electrode space changes according to the level of the liquid,
The interelectrode liquid occupation ratio calculating means calculates the level based on the first capacitance,
The liquid concentration detection apparatus according to claim 1, wherein the liquid concentration detection apparatus is a liquid concentration detection apparatus.
前記液濃度演算手段は、前記電極間液体占有割合、前記第２静電容量および前記温度検出手段により検出された液体温度に基づき前記特定成分の濃度を検出すること、
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の液濃度検出装置。 Comprising temperature detecting means for detecting the temperature of the liquid;
The liquid concentration calculation means detects the concentration of the specific component based on the liquid occupation ratio between the electrodes, the second capacitance, and the liquid temperature detected by the temperature detection means;
The liquid concentration detection apparatus according to claim 1, wherein:
前記液濃度演算手段は、少なくとも前記電極間液体占有割合および前記２点以上の前記第２静電容量に基づき前記特定成分の濃度を検出すること、
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の液濃度検出装置。 The second capacitance detection means detects the capacitance of two or more points having different frequencies from each other in the second frequency band as the second capacitance,
The liquid concentration calculating means detects the concentration of the specific component based on at least the liquid occupation ratio between the electrodes and the second capacitance of the two or more points;
The liquid concentration detection apparatus according to claim 1, wherein:
前記特定成分の濃度は、尿素の濃度であること、
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の液濃度検出装置。 The liquid is an aqueous solution containing at least urea,
The concentration of the specific component is the concentration of urea;
The liquid concentration detection apparatus according to claim 1, wherein:
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