JP3844879B2 - 容量式センサ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合液の成分濃度等を計測する容量式センサ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
容量式センサ装置は、液体等の被検体が、濃度等の物理量に応じて比誘電率が変化することに着目し、被検体中に1対の電極を挿入するとともに、該電極をキャパシタとする共振部を有する発振回路を設け、その発振周波数が被検体の比誘電率で変化する容量に依存することを利用して被検体の物理量を計測するものである。
【0003】
特開平4−372817号公報には、測定しようとする物理量に応じて容量が変化するキャパシタにより形成された発振回路とは別に、上記物理量に依存しない基準容量のキャパシタにより形成された上記発振回路と等価な回路構成の別の発振回路を設け、両発振回路の発振出力に基づいて被検体の物理量を演算するようにしたものが提案されている。この技術では別の発振回路を設けることで、装置の設置環境による外乱が発振周波数に与える影響を相殺し高精度化を図っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記特開平4−372817号公報の技術では、発振回路の設置場所の雰囲気温度の変動幅が大きいと、両発振回路の温度特性の個体差により発振周波数に与える影響を相殺し切れない。この結果、計測精度が低下し、必ずしも広い温度範囲で使用するには適していない。
【0005】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、広い温度範囲で良好な計測精度の得られる容量式センサ装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明では、測定しようとする物理量に応じて比誘電率が変化する被検体中に電極を配設するとともに、該電極を検出キャパシタとする検出器側発振回路と、基準容量の基準キャパシタにより形成された上記検出器側発振回路と等価な回路構成の基準側発振回路と、両発振回路の発振出力に基づいて被検体の物理量を演算する物理量演算手段とを備えた容量式センサ装置において、上記両発振回路と上記被検体とを良熱伝導性の部材により構成したハウジング内に配して熱的に結合することにより略等温度とし、上記被検体の温度を検出する温度センサと、上記物理量を補正する補正手段であって、上記温度センサによる検出温度と予め記憶された両発振回路の温度特性差とに基づいて両発振回路の温度特性差に起因する誤差が除去されるように補正量を決定する補正手段とを具備せしめる。
【0007】
上記両発振回路の発振周波数が、被検体の比誘電率および上記両発振回路の温度特性の個体差に応じて変化する。熱的結合手段により、被検体中のキャパシタを含む検出側発信回路と基準側発振回路と上記被検体とが略等温度となる。また、これにより上記両発振回路の温度が被検体の温度を検出する温度センサより知られる。しかして被検体の物理量は、補正手段が両発振回路の温度に応じて両発振回路の温度特性の差に起因する誤差の補正を行うので、広い温度範囲で高い計測精度で得られる。
【0008】
請求項2記載の発明では、上記ハウジングを、上記被検体を充たすとともに上記電極を配設する空間と、電極を除き上記両発振回路が形成された回路基板を格納する空間とを備えた金属部材により構成した金属ハウジングとする。
【0009】
ハウジングを良熱伝導性の金属部材により構成することで、上記両空間を容易に略等温度とすることができる。しかして両発振回路と上記被検体とが略等温となる。しかも両発振回路と上記被検体とを金属ハウジング内の空間に設けることで、外気温等の外部環境の影響をも回避することができる。
【0010】
請求項3記載の発明では、物理量演算手段を、上記被検体の物理量を、上記発振周波数の差と、上記温度センサにより検出された被検体の温度とに基づいて演算するように設定する。
【0011】
比誘電率が温度に依存する被検体の場合、その物理量を、発振周波数の差に加えて被検体の温度とに基づいて演算することで、正確な値を得る。ここで必要な被検体の温度は、上記発振回路の温度特性の影響を回避するための上記補正に用いられる温度と同じでよいから、温度センサを兼用とすることができ、構成が簡単にできる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1に燃料電池システムに適用した本発明の実施形態を示す。容量式センサ装置1は、水とメタノールの混合器から被検体たる水/メタノール混合液をメタノール改質器に送出する管路の途中に設けられ、水/メタノール混合液の水とメタノールのモル濃度比(以下、水/メタノール混合液の濃度という)が水/メタノール混合液の比誘電率の関数であることを利用して上記濃度を計測するものである。燃料電池システムでは、容量式センサ装置1の計測結果は水およびメタノールの供給量を調整するバルブ制御に用いられ、水/メタノール混合液の濃度が管理される。
【0013】
容量式センサ装置1は、ステンレススティール製の熱的結合手段であるハウジング2を有し、ハウジング2は5つのハウジングユニット21,22,23,24,25から構成されている。第1のハウジングユニット21は厚肉のブロック状部材に凹部21aが形成されたもので、凹部21aにはこれを埋めるように第2、第3のハウジングユニット22,23が配設してある。第1〜第3ハウジングユニット21〜23には、左右方向に流路8が形成してある。流路8の両端部81,82は上記混合器およびメタノール改質器と接続するための接続部81,82としてあり、流路8に水/メタノール混合液Lが流れるようになっている。
【0014】
第2、第3のハウジングユニット22,23の、流路8の途中部分である空間2aは、第2のハウジングユニット22の凹部22aを第3のハウジングユニット23が上方より閉鎖することで形成される。空間2aには、水/メタノール混合液Lが流通する他、キャパシタたる検出キャパシタ41A、温度センサ7が配設してある。
【0015】
第4、第5のハウジングユニット24,25は第3のハウジングユニット23の上方に設けられる。第4のハウジングユニット24は円形の箱状に成形されたもので、これを蓋となる第5のハウジングユニット25が上方より螺着されて閉鎖し、空間2bが形成してある。空間2bには回路基板31,32が配設してある。回路基板31,32は第4のハウジングユニット24に保持されている。
【0016】
また第4、第5のハウジングユニット24,25は、図略のボルトにより第1のハウジングユニット21に固定され、第2,第3のハウジングユニット22,23が第1のハウジングユニット21と、第4、第5のハウジングユニット24,25の間に挟持される。しかしてハウジング2はそのハウジングユニット21〜25が互いに密着して一体化し、良好な熱伝導性を示す。
【0017】
検出キャパシタ41Aは、所定の間隔をおいて上下方向に積層する多数の電極たる電極板411,412により構成され、電極板411,412は、空間2aの上壁である第3のハウジングユニット23から垂下する支柱33、リード支柱34により保持されている。リード支柱34は、図示されないものが奥側にもう1つ設けてあり、いずれも第3、第4のハウジングユニット23,24を貫通して空間2bに進出している。2つのリード支柱34はキャパシタ41Aの正負のリード部をなしている。電極板411,412は交互にいずれかのリード支柱34を介して回路基板31,32と接続されており、交互に水/メタノール混合液を挟んで対向する正側電極411群と負側電極412群とを形成する。検出キャパシタ41Aの容量は空間2aの水/メタノール混合液Lの比誘電率に応じて変化する。
【0018】
温度センサ7は抵抗温度計等で構成され、第3のハウジングユニット23から垂下するケース35内に収容してある。温度センサ7のリード36は回路基板31,32と接続されている。
【0019】
図2に、キャパシタ41A、温度センサ7、回路基板31,32により形成される検出回路を示す。キャパシタ41A、温度センサ7以外の検出器側発振回路4A、および基準側発振回路4Bは、回路基板上に実装される。
【0020】
検出器側発振回路4Aと基準側発振回路4Bとは、インバータ43を直列に接続した等価な回路構成のCR発振回路である。検出器側発振回路4Aの充放電回路は、検出キャパシタ41Aと抵抗42Aとで構成され、検出器側発振回路4Aの発振周波数(検出器側発振周波数)は水/メタノール混合液Lの比誘電率に応じて変化する。一方、基準側発振回路4Bの充放電回路は、基準キャパシタ41Bと抵抗42Bとで構成され、基準側発振回路4Bの発振周波数(基準側発振周波数)は設置環境が一定していれば一定値をとる。検出器側発振回路4Aの発振出力(検出器側発振出力)はカウンタ5Aに入力し、基準側発振回路4Bの発振出力(基準側発振出力)はカウンタ5Bに入力する。
【0021】
各カウンタ5A,5Bにはまた、マイクロコンピュータ6から同時にリセット信号が入力し、各カウンタ5A,5Bは、リセット信号が入力すると、その時点から発振出力のパルスをカウントし、規定数のパルスをカウントすると規定パルス到達信号をマイクロコンピュータ6に返送するようになっている。
【0022】
マイクロコンピュータ6はCPU、メモリ等よりなる一般的な構成のもので、カウンタ5A,5Bとともに物理量演算手段を構成し、両カウンタ5A,5Bから規定パルス到達信号を受け取るとその時間差から後述するように水/メタノール混合液Lの濃度を演算するようになっている。
【0023】
マイクロコンピュータ6にはまた、温度センサ7から検出信号が入力し、補正手段たるマイクロコンピュータ6は、後述するように上記濃度の演算において温度センサ7による検出温度に応じて補正演算をするようになっている。
【0024】
本容量式センサ装置1の作動を説明する。規定パルス到達時間は規定パルス数を発振周波数で除した時間であるから、規定パルス到達時間差は、検出器側発振周波数の、基準側発振周波数に対する周波数偏差と対応している。
【0025】
すなわち検出器側発振回路4Aと基準側発振回路4Bとで、充放電回路を構成するキャパシタ41A,41Bの容量や抵抗42A,42Bの抵抗値が等しく、またインバータ43等の回路要素の特性も等しいと仮定すると、検出器側発振周波数と基準側発振周波数とは等しい。するとカウンタ5A,5Bからの規定パルス到達信号は同時にマイクロコンピュータ6に返送され、規定パルス到達時間差は0である。
【0026】
水/メタノール混合液Lの濃度が変化して水/メタノール混合液Lの比誘電率が変化すると、検出キャパシタ41Aの容量が変化して検出器側発振周波数が変化する。するとカウンタ5Aの規定パルス到達時間が検出器側発振周波数に応じて変化し、上記周波数偏差に応じた値をとる。
【0027】
このように規定パルス到達時間差は水/メタノール混合液Lの濃度に応じて変化するが、比誘電率が、水/メタノール混合液Lの濃度に加えてその温度の関数でもあるため、水/メタノール混合液Lの濃度は規定パルス到達時間差および水/メタノール混合液Lの温度で特定される。マイクロコンピュータ6のメモリ(ROM)には、水/メタノール混合液Lの濃度と、水/メタノール混合液L温度および規定パルス到達時間差の関係について演算用のマップが記憶してあり、物理量演算手段としてのマイクロコンピュータ6は、上記演算用マップを使い、カウンタ5A,5Bからの規定パルス到達信号から知られる規定パルス到達時間差と、温度センサ7の検出温度とに対応する水/メタノール混合液L濃度を読みだし、計測値とする。
【0028】
ここで、上記規定パルス到達時間差には補正した数値が用いられる。この規定パルス到達時間差を補正する補正手段としてのマイクロコンピュータ6の作動について説明する。検出器側発振回路4Aと基準側発振回路4Bとは、上記のごとく同一の回路構成としてある。しかし各回路要素の温度特性の個体差に起因して、例えば検出キャパシタ41Aと基準キャパシタ41Bとで容量が等しくとも規定パルス到達時間差が0とならず、その値が温度により変動する。
【0029】
この検出器側発振回路4Aと基準側発振回路4Bとの温度特性の個体差に起因する規定パルス到達時間差の変動を相殺するための作動について説明する。ハウジング2はそのハウジングユニット21〜25同士が上記のごとく密着して一体となっており、また熱伝導性のよい金属で構成されているので、流路8を流れる水/メタノール混合液の熱がハウジング2に伝わる。この熱はさらに回路基板31,32に伝わる。かくして回路基板31,32は流路8を流れる水/メタノール混合液Lの温度と略等しく保たれる。したがって温度センサ7は水/メタノール混合液Lの温度を検出するとともに、回路基板31,32温度を検出していることになる。
【0030】
マイクロコンピュータ6のメモリには、上記演算用マップとともに補正用のマップが記憶してある。補正用マップは、温度センサ7の検出温度に対応する規定パルス到達時間差の補正値で構成されるもので、補正値は、使用温度範囲における予め規定パルス到達時間差を計測して求められる。
【0031】
マイクロコンピュータ6は、この上記補正用マップから温度センサ7の検出温度に対応する補正値を読み出し、補正値に従ってカウンタ5A,5Bからの規定パルス到達信号から得た規定パルス到達時間差に補正を加える。補正された規定パルス到達時間差と温度センサ7の検出温度とに基づいて、上記のごとく水/メタノール混合液Lの濃度が求められる。
【0032】
図3は、規定パルス到達時間差の特性を示すグラフで、水/メタノール混合液Lの温度を10°Cに設定し、外気温度を−10°Cから50°Cまで変化させたときのものである。図中、本実施形態になる容量式センサ装置(回路一体型)とともに、ハウジングを有しない従来型の装置のものを示している。
【0033】
図より知られるように、規定パルス到達時間差が、従来型では大きく変動するのに対して、本発明の装置では僅かな変動しか生じない。例えば50°Cにおいて、従来型では4μsの誤差が生じるのに対して、本発明では1.4μsの誤差より生じない。これはハウジング2により、水/メタノール混合液Lと検出器側発振回路4Aおよび基準側発振回路4Bとが熱的に結合し、略等温となっているためと認められる。
【0034】
このように検出器側発振回路4Aおよび基準側発振回路4Bの温度を温度センサ7により検出し、検出温度に基づいて上記補正用マップを用いて検出器側発振回路4Aと基準側発振回路4Bとの温度特性の個体差に起因する規定パルス数到達時間差の誤差が除去される。しかして広い温度範囲にわたって水/メタノール混合液Lの濃度を高精度で計測することができる。
【0035】
しかも上記補正で必要な検出器側発振回路4Aおよび基準側発振回路4Bの温度と、水/メタノール混合液Lの濃度の演算で必要な水/メタノール混合液Lの温度とは略等温であるから、単一の温度センサ7を設けるのみで足り、構成が簡単にできる。
【0036】
また本実施形態では、ハウジングを良導電性の金属を用いているから、検出器側発振回路4A等の回路に対するノイズの影響を防止することができる。
【0037】
なおハウジングは、被検体が腐食性を有しなければステンレススティールに限定されるものではなく、例えばより良熱伝導性を示すアルミニウムが好適に用いられる。
【0038】
回路基板31,32には、図2の回路を全て実装するのではなく、検出キャパシタ41A、温度センサ7を除く発振回路4A、4Bおよびカウンタ5A、5B、あるいはキャパシタ41A、温度センサ7を除く発振回路4A、4Bだけでもよい。
【0039】
熱的結合手段は本実施形態のハウジングに限定されるものではなく、適宜変形することができる。また、熱伝導ではなく作動物質の対流により熱的に結合する構成とすることもできる。
【0040】
水/メタノール混合液濃度を求めるにあたり、演算用マップ、補正用マップに代えて演算式、補正式を用いてもよい。
【0041】
なお本発明は燃料電池システムにおける水/メタノール混合液濃度の計測用だけではなく、他の液体等の物理量の計測に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の容量式センサ装置の断面図である。
【図2】本発明の容量式センサ装置の回路図である。
【図3】本発明の容量式センサ装置の作動を説明するグラフである。
【符号の説明】
1 容量式センサ装置
2 ハウジング(熱的結合手段)
2a,2b 空間
31,32 回路基板
4A 検出器側発振回路(発振回路)
41A 検出キャパシタ(キャパシタ)
42A 抵抗
4B 基準側発振回路(発振回路)
41B 基準キャパシタ
42B 抵抗
5A,5B カウンタ(物理量演算手段)
6 マイクロコンピュータ(物理量演算手段,補正手段)
7 温度センサ
8 流路
L 水/メタノール混合液(被検体)
Claims (3)
- 測定しようとする物理量に応じて比誘電率が変化する被検体中に電極を配設するとともに、該電極を検出キャパシタとする検出器側発振回路と、基準容量の基準キャパシタにより形成された上記検出器側発振回路と等価な回路構成の基準側発振回路と、両発振回路の発振出力に基づいて被検体の物理量を演算する物理量演算手段とを備えた容量式センサ装置において、上記両発振回路と上記被検体とを良熱伝導性の部材により構成したハウジング内に配して熱的に結合することにより略等温度とし、上記被検体の温度を検出する温度センサと、上記物理量を補正する補正手段であって、上記温度センサによる検出温度と予め記憶された両発振回路の温度特性差とに基づいて両発振回路の温度特性差に起因する誤差が除去されるように補正量を決定する補正手段とを具備せしめたことを特徴とする容量式センサ装置。
- 請求項1記載の容量式センサ装置において、上記ハウジングを、上記被検体を充たすとともに上記電極を配設する空間と、電極を除く上記両発振回路が形成された回路基板を格納する空間とを備えた金属部材により構成した金属ハウジングとした容量式センサ装置。
- 請求項1または2いずれか記載の容量式センサ装置において、上記物理量演算手段を、上記被検体の物理量を、上記発振出力と、上記温度センサにより検出された被検体の温度とに基づいて演算するように設定した容量式センサ装置。
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