JP4497637B2

JP4497637B2 - 静電容量式検知装置

Info

Publication number: JP4497637B2
Application number: JP2000076027A
Authority: JP
Inventors: 和博若林
Original assignee: 株式会社ノーケン
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: EP1096238A1; DE60000566D1; US6292104B1; KR100421573B1; EP1096238B1; KR20010087105A; DE60000566T2; JP2001194207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は静電容量式検知装置に関し、たとえば気体または粉粒体などの容器に収容された被検出物を、その被検出物が持つ誘電率を静電容量値としてとらえ、近接もしくは接触で検出する静電容量式検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被検出物のレベルなどを検知する必要がある場合は、検知できる被検出物が液体や粉体や液中の堆積物や水と油などのように適用範囲が広く、設置が簡便で可動部がないことなどから、静電容量式検知装置が使用されている。
【０００３】
しかし、被検出物の適用範囲の広さは、使用環境に合せて検知装置の電極部構造の変更あるいは回路使用部品の追加や変更などのように、各部品を変更することによって対応している。また、物質が持つ誘電率による静電容量を測定していることから、容器などの使用環境に起因する静電容量の影響を受けるため、容器に設置した際に、検知動作をさせる前に現場で校正する必要があり、その校正作業が非常に煩雑である。それに加えて、湿気などによる被検出物の水分率の変化や導電性を持つ被検出物のわずかな付着などにより動作が不安定になることがある。
【０００４】
このような問題に対して、特開昭５９−５４９２８号公報には、静電容量型材料レベル表示器について記載されている。すなわち、このレベル表示器は固定発振回路と、増幅回路と、被検出物により静電容量を変化する電極体を有する共振回路と、位相比較回路と、スイッチを有する自動校正回路と、出力回路とにより構成され、固定発振回路の発振信号は増幅回路を通して励振信号として共振回路に供給されて発振信号と共振回路とにより位相の変化した励振信号の位相差が位相比較回路により検知され、位相差に対応した検知信号が自動校正回路に与えられる。自動校正回路はスイッチが押されることで検知信号が基準信号と一致するように共振回路の動作特性を段階的に変化させる。また、基準信号が検知信号と一致するように基準信号を変えるという動作を行なうことによって、被検出物への適用および校正作業を簡便に行なうようにしたものである。
【０００５】
しかし、この方法では、現場においてスイッチを押すだけであっても校正作業が必要であり、作業者が校正作業を怠ると正常に動作しない。また、設置場所の変更が必要になった場合、その都度校正作業を行なう必要がある。また、共振回路の共振状態を利用することが困難であり、検出感度にばらつきの出る可能性がある。
【０００６】
また、他の例として、特開平５−８７６１２号公報には、ＰＬＬ回路を用いた液状体レベルの検出装置について記載されている。すなわち、この例では、位相比較回路とループフィルタ（積分回路）と、電圧制御発振回路（ＶＣＯ回路）によりＰＬＬ回路が構成され、前置発振回路を被検出物に応動した発振周波数で発振させ、発振周波数信号をＰＬＬ回路の位相比較回路に入力し、ＶＣＯ回路の周波数信号と周波数比較を行なうことで被検出物を検知するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の第２の例では、下記に示す予め定められた条件を充足する必要がある。
【０００８】
▲１▼ 被検出物がない場合に前置発振回路の発振周波数はＰＬＬ回路のロックレンジ外とし、被検出物が接触もしくは接近した場合に前置発振回路の発振周波数がＰＬＬ回路のロックレンジ内となるように設定する。
【０００９】
▲２▼ 被検出物がない場合に前置発振回路の発振周波数はＰＬＬ回路のロックレンジ内とし、被検出物が接触もしくは接近した場合に前置発振回路の発振周波数がＰＬＬ回路のロックレンジ外となるように設定する。
【００１０】
▲３▼ 被検出物がない場合、および被検出物が接触もしくは接近した場合の双方において前置発振回路の発振周波数がＰＬＬ回路のロックレンジ内となるように設定するなどの内のいずれかの設定を行なう。
【００１１】
前置発振回路の周波数の変化範囲およびＰＬＬ回路のロックレンジの範囲を制限された条件に合うように設定するには、使用現場および被検出物などを考慮しなければならず、非常に煩雑になる。言換えると、適用範囲が限定されてしまうことになる。
【００１２】
それゆえに、この発明の主たる目的は、校正作業が一切不要であり、作業者の取扱いが簡便であり、検出感度のばらつきをなくし、広範囲の使用条件に対応でき、被検出物などの導電性の影響を受けにくく、静電気に強くした静電容量式検知装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、静電容量式検知装置であって、容器内の被検出物の静電容量に応動するように棒状などの適宜形態に構成された電極体と、電極体により形成される静電容量と同調するための共振トランスを含む共振手段と、共振手段の出力信号と基準信号との位相を比較し、位相差に応じた位相差信号を出力する位相比較手段と、位相比較手段からの位相差信号に応じて位相差をなくすための制御信号を出力する制御手段と、制御手段からの制御信号に応じた発振周波数の周波数信号を発生して位相比較手段に与える可変周波数発生手段と、可変周波数発生手段からの周波数信号で電極体を駆動するための駆動手段と、被検出物の検出状態における基準値を設定する基準値設定手段と、制御手段から出力される制御信号または可変周波数発生手段から出力される周波数信号と、基準値設定手段によって設定された基準値とを比較して検出信号を出力する検出手段と、検出手段の検出信号に応じて表示のための信号を出力する出力手段と、位相比較手段から出力される位相差信号に基づいて、共振手段の共振周波数と可変周波数発生手段の発振周波数との間の位相差の有無を判別し、位相差が生じた場合に可変周波数発生手段と検出手段を所定の状態に設定する状態判別手段とを備えて構成される。
【００１４】
請求項２に係る発明では、請求項１の状態判別手段は、位相比較手段から出力された位相差信号が所定の値以上になったことに応じて可変周波数発生手段の周波数信号を該可変周波数発生手段の周波数可変の最低周波数に設定するリセット手段と、可変周波数発生手段の発振周波数の位相を共振手段の共振周波数の位相と比較し、一致していない場合に検出手段から検出信号を出力させるロック不良検出手段とを含む。
【００１５】
請求項３に係る発明では、請求項２のリセット手段は、位相比較手段から出力される位相差信号を積分する積分回路と、積分回路からの積分信号と所定の電圧値とを比較する電圧比較回路と、電圧比較回路によって積分信号が所定の電圧値以上であることが判別されたことに応じて、可変周波数発生手段の発振周波数を最低周波数に設定するスイッチング手段とを含む。
【００１６】
請求項４に係る発明では、請求項１の制御手段はループフィルタを含む。
請求項５に係る発明では、請求項１の可変周波数発生手段は電圧制御発振手段を含む。
【００１７】
請求項６に係る発明では、請求項１の可変周波数発生手段は、固定の周波数信号を発生する固定発振手段と、制御手段からの制御信号に応じて、その分周比が可変に設定され、設定された分周比で固定発振手段から発生された周波数信号を分周して出力する分周手段とを含む。
【００１８】
請求項７に係る発明では、制御手段と検出手段と状態判別手段がマイクロプロセッサによって構成される。
【００１９】
請求項８に係る発明は、容器内の被検出物の静電容量に応動するように棒状などの適宜形態に構成された電極体と、電極体により形成される静電容量と同調するための共振トランスを含む共振手段と、共振手段の出力信号と基準信号と位相を比較し、位相差に応じた位相差信号を出力する位相比較手段と、位相比較手段からの位相差信号に応じて位相差をなくすための制御信号を出力する制御手段と、制御手段からの制御信号に応じた発振周波数の周波数信号を発生して位相比較手段に与える可変周波数発生手段と、可変周波数発生手段からの周波数信号で電極体を駆動するための駆動手段と、被検出物の検出状態における基準値を設定する基準値設定手段と、制御手段から出力された制御信号と基準値設定手段によって設定された基準とを比較して検出信号を出力する検出手段と、検出信号に応じて静電容量の変化を段階的に表示する表示手段と、位相比較手段から出力される位相差信号に基づいて共振手段の共振周波数と可変周波数発生手段の発振周波数との間の位相差の有無を判別し、位相差が生じた場合に可変周波数発生手段と検出手段を所定の状態に設定する状態判別手段とを備えて構成される。
【００２０】
請求項９に係る発明は、請求項１の検出手段はマイクロプロセッサを含み、マイクロプロセッサは、被検出物の状態が検出状態であるか否かを設定するための検出状態設定手段と、検出状態であることが設定されているかに応じて、検出時の周波数であるか否かを設定するための信号処理設定手段と、設定された検出時の周波数または被検出時の周波数を記憶する記憶手段と、記憶されている周波数と可変周波数発生手段から与えられる現在の周波数とを比較し、現在の周波数が検出時の周波数よりも高いか否かを示すデータを出力する比較手段と、状態判別手段から位相差ありの信号が与えられたことに応じて、被検出物ありのデータを出力し、位相差なしの信号が与えられたことに応じて、比較手段からのデータを出力する手段を含むことを特徴とする
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の実施形態について説明する前にこの発明に用いられる共振回路について説明する。
【００２２】
図３は共振回路の等価回路図であり、図４は共振回路の周波数対振幅特性および周波数対位相特性を示す図である。
【００２３】
共振回路は図３に示すように、電極板により形成されるコンデンサ成分Ｃｘと共振トランスのインダクタンス成分Ｌａの並列回路から構成される。共振回路の共振周波数は次式で示される。
【００２４】
ｆａ＝１／｛２π√（ＬａＣｘ）｝
この式から明らかなように、共振周波数は抵抗成分Ｒｘに依存しない。また、図４（ａ）に示すように、低周波数域ではインピーダンスが低いため、静電容量に対して低インピーダンスであるという特性を持つ。
【００２５】
図４（ａ），（ｂ）より、共振回路の周波数と位相は、相関関係を持ち、共振周波数を入力したとき位相差が発生せず、共振周波数より低い周波数が入力されるに伴って位相差は９０°に近づき、共振周波数より高い周波数が入力されるに伴い−９０°に近づき、位相の変化の度合いは共振周波数近傍で急峻となる。図４のｆａは、電極体が空気中にあるときの共振周波数を示し、ｆｒは被検出物が電極体に近接または接触したときの共振周波数である。被検出物の移動により共振回路の共振周波数が変化すると同時に位相角の値も変化する。
【００２６】
以下、実施形態について具体的に説明する。
図２はこの発明の一実施形態の静電容量式検知装置の外観図である。図２において、円柱状の下部測定電極２１は、筒状の上部測定電極２２と接触しないように筒状の絶縁物で隔離されかつ上部測定電極２１と絶縁物２３とが同軸上に配置される。上部電極２２の一端は取付具２４を介して保護枠２５に取付けられている。保護枠２５内には後述の図１，図５などに示す回路部２６が設けられていて、回路部２６内には共振トランスも内蔵されている。
【００２７】
図１はこの発明の一実施形態のブロック図である。図１において、共振回路１は電極体により形成される容量成分Ｃｘと共振トランスＬとの並列回路からなる。共振トランスＬは１次コイルのインダクタンス成分Ｌａと２次コイルのインダクタンス成分Ｌｂとを含む。
【００２８】
共振回路１の共振トランスＬの２次コイルＬｂの出力は、変換回路２により、次段に適する信号に変換され、位相比較回路３の第１の入力端に与えられる。位相比較回路３は共振回路１からの出力信号と基準信号との位相を比較し、位相差に応じた位相差信号を出力する。この位相差信号は制御回路４と状態判別回路８とに与えられる。制御回路４は位相差信号に応じて共振回路１の出力信号と共振信号との位相差をなくすように制御信号を可変周波数発生回路５と検出回路７とに与える。
【００２９】
可変周波数発生回路５はその制御信号に応じた発振周波数の発振信号を発生し、基準信号として位相比較回路３と駆動回路６とに与える。駆動回路６はその発振信号により共振回路１を駆動する。
【００３０】
状態判別回路８は位相比較回路３の第２の入力端から与えられる位相差信号に基づいて、共振回路１の共振周波数と可変周波数発生回路５の発振周波数との間の位相差の有無を判別し、位相差が生じた場合に、その判別信号を位相比較回路３の第２の入力端と検出回路７とに与える。また、検出回路７には基準設定回路９から基準値が与えられる。検出回路７は制御回路４からの制御信号と基準設定回路によって設定された基準値とを比較して検出信号を出力する。出力回路１０は検出回路７からの検出信号に応じて表示のための信号を出力する。
【００３１】
図５はこの発明のより具体的な実施形態のブロック図である。この図５に示した実施形態は、以下の点を除いて図１と同じである。すなわち、可変周波数発生回路５として電圧制御発振回路（ＶＣＯ）５０が用いられる。電圧制御発振回路５０は自走周波数ｆｍｉｎから最高周波数ｆｍａｘまでの間の周波数で発振可能になっている。図１の制御回路４に代えてループフィルタ４０が用いられる。状態判別回路８はリセット回路８１とロック不良検出回路８２とから構成されている。リセット回路８１は積分回路８３とスイッチ回路８４と電圧比較回路８５とを含む。
【００３２】
積分回路８３はループフィルタ４０と同一回路で構成され、位相比較回路３から出力された位相差信号ＰＣを直流電圧に変換して電圧比較回路８５の第１の入力端に与える。電圧比較回路８５の第２の入力端には電圧制御発振回路５０の最高周波数ｆｍａｘに対応する直流電圧Ｖｍａｘよりわずかに低い周波数ｆｓに対応した直流電圧Ｖｓに設定された基準電圧が入力される。電圧比較回路８５は積分回路８３の出力の直流電圧が基準電圧Ｖｓを上回ると、スイッチ回路８４を導通させる。スイッチ回路８４が導通すると、位相比較回路３の第１の入力端を短絡させる。ロック不良検出回路８２は位相比較回路３から出力される非ロック信号ＬＤに応じて検出回路７から検出信号を出力させる。
【００３３】
図６は位相比較回路の動作を説明するためのタイムチャートであり、図７は制御電圧の時間変化を示す図であり、図８は共振回路の共振周波数が変化した場合の発振周波数と制御信号の関係を示す図であり、図９は共振回路の共振周波数が可変周波数発生回路の可変周波数範囲を上回った場合の共振周波数の変化を時間的推移により示したグラフである。
【００３４】
次に、図５〜図９を参照して、この発明のより具体的な実施形態の動作について説明する。被検出物がない状態でこの発明の静電容量式検知装置を容器などに設置し、電源を投入すると電源投入直後にはループフィルタ４０は制御信号を発生しておらず、電圧制御発振回路５０は共振回路１の共振周波数ｆａに関係なく、自らの持つ自走周波数ｆｍｉｎで発振を開始し、図６（ｂ）に示すような発振信号を位相比較回路３の第２の入力端と駆動回路６とに与える。駆動回路６は共振回路１を駆動するのに十分なように発振信号を電力増幅し、増幅後の発振信号を共振回路１に供給する。
【００３５】
共振回路１は駆動回路６により電圧制御発振回路５０の自走周波数ｆｍｉｎで発振する発振信号が入力されると、共振周波数ｆａとの周波数差に対応して発振信号の位相をずらせて変換回路２に出力する。変換回路２は被検出物の誘電率が抵抗成分における振幅電圧に関係しないように位相成分のみを次段の位相比較回路３で扱うことができるように信号を変換し、図６（ａ）に示す信号を位相比較回路３の第１の入力端に与える。位相比較回路３は電圧制御発振回路５０から駆動回路６を介して共振回路１に与えられ、変換回路２から第１の入力端に与えられる周波数ｆｍｉｎの信号と、第２の入力端に電圧制御発振回路５０から直接与えられている周波数ｆｍｉｎの信号の位相を比較し、その位相差に対応した図６（ｃ）に示す位相差信号ＰＣをループフィルタ４０に出力する。
【００３６】
ループフィルタ４０は位相差信号ＰＣを積分して直流の制御信号に変換し、電圧制御発振回路５０と検出回路７に出力する。以後、この動作を繰返し、位相差がなくなったとき、つまり電圧制御発振回路５０の発振信号が共振回路１の共振周波数ｆａと一致したとき、制御信号が図７に示すように一定電圧Ｖａとなり、その状態を保持する。したがって、校正に必要な作業をすることなく、電源投入により動作し、この状態となるまでの時間は瞬時であり、即座に完了する。
【００３７】
上述の状態で、被検出物が電極体に接近または接触した場合などにおいて、共振回路１の共振周波数が電圧制御発振回路５０が追従できる範囲（キャプチャレンジ）内の周波数ｆｒに変化した場合、電圧制御発振回路５０の発振信号の周波数はｆａであるため、共振回路１により周波数差に対応して位相がずれる。この位相ずれを位相比較回路３が検出し、ループフィルタ４０の制御信号を応動させ、出力電圧を図７に示すようにＶａからＶｒとすることにより、電圧制御発振回路５０の発振信号の周波数をｆｒに一致させる。
【００３８】
検出回路７はこの制御信号の電圧Ｖｒを基準設定回路９の基準値Ｖｃと比較し、Ｖｒ＜Ｖｃとなったとき、出力回路１０に検知信号を出力する。出力回路１０は検知信号により被検出物の検知を外部に出力または表示させる。
【００３９】
被検出物が電極体に接近または接触した場合などにおいて、共振回路１の共振周波数が図８のｆｒ′で示されるように電圧制御発振回路５０が追従できる範囲（キャプチャレンジ）を下回った場合、電圧制御発振回路５０の発振信号の周波数はｆａであるため、共振回路１により周波数差に対応して位相がずれる。この位相ずれを位相比較回路３が検出し、ループフィルタ４０の制御信号を応動させ、図７のＣに示すように出力の直流電圧Ｖａを減少させ、電圧制御発振回路５０の発振信号の周波数を低くさせるが、ループフィルタの制御信号が最小値０Ｖとなっても発振周波数ｆｒ′にすることができないため、この段階で固定され発振周波数は制御信号に対応したｆｍｉｎで固定される。
【００４０】
検出回路７はこの制御信号を基準電圧Ｖｃと比較し、被検出物の検知信号を出力回路１０に出力する。出力回路１０は検知信号により被検出物の検知を外部に出力または表示する。
【００４１】
被検出物が電極体に接近または接触した場合などにおいて、共振回路１の共振周波数が図８のｆｒ"で示されるように電圧制御発振回路５０が追従できる範囲（キャプチャレンジ）を上回った場合、電圧制御発振回路５０の発振信号の周波数はｆａであるため、共振回路１により周波数差に対応して位相がずれる。
【００４２】
この位相ずれを位相比較回路３が検出し、ループフィルタ４０の制御信号を応動させ、その出力電圧をＶａより増加させ、電圧制御発振回路５０の発振信号の周波数を高くさせる。しかし、図９に示すように共振周波数ｆｒ"は発振信号の上限値ｆｍａｘよりも高いため、一致させることができず、発振信号がｆｍａｘに固定されてしまう。
【００４３】
そのため、積分回路８３と電圧比較回路８５とスイッチ回路８４とから構成されるリセット回路８１が設けられている。位相差信号ＰＣはリセット回路８１の積分回路８３により直流信号に変換され、電圧比較回路８５の第１の入力に入力される。電圧比較回路８５の第２の入力はｆｍａｘ時の直流信号Ｖｍａｘよりわずかに低い周波数ｆｓに対応した電圧Ｖｓに設定された基準電圧が入力される。積分回路８３の直流信号が基準電圧Ｖｓを上回ると、電圧比較回路８５はスイッチ回路８４を導通させる。
【００４４】
スイッチ回路８４が導通すると、位相比較回路３の第１の入力端が短絡され、位相比較回路３は比較すべき信号を失い、図６（ｃ）に示すように位相差信号ＰＣを０Ｖにする。位相差信号ＰＣが０Ｖとなることで、ループフィルタ４０の制御信号は０Ｖになり、電圧制御発振回路５０は初期化され、発振信号の周波数をｆｍｉｎに設定すると同時に、リセット回路８１の積分回路８３の直流信号も０Ｖとなって基準電圧Ｖｓを下回るため、電圧比較回路８５はスイッチ回路８４を開放し、位相比較回路３に第１の入力端が供給されるようにする。
【００４５】
以下、位相比較，制御信号の増加，発振信号の周波数増加…というように上述の動作を繰返する。
【００４６】
上述の動作を繰返している間は、図６（ｄ）に示す位相比較回路３の位相差信号ＬＤは非ロック信号をロック不良検出回路８２に出力し、ロック不良検出回路８２は非ロック信号が入力されることでスイッチ回路８４を短絡して検出回路７の出力信号を被検出物の検知信号出力状態に固定する。
【００４７】
被検出物の状態などが変化し、図８に示すように共振回路１の共振周波数がキャプチャレンジ内、たとえばｆｒに移動すると、前述の「被検出物が電極体に接近または接触した場合などにおいて、共振回路１の共振周波数が、電圧制御発振回路５０が追従できる範囲（キャプチャレンジ）内の周波数ｆｒに変化した場合」と同様の動作により、電圧制御発振回路５０は共振回路１の共振周波数ｆｒに一致した発振信号に同定され制御信号の電圧はＶｒとなる。
【００４８】
積分回路８３の直流信号は、リセット回路８１の基準電圧Ｖｓより低いため、リセット回路８１のスイッチ回路８４は開放状態を維持する。
【００４９】
また、位相比較回路３の位相差信号ＬＤは発振信号がｆｒに同定された時点でロック信号を出力するため、ロック不良検出回路８２はスイッチ回路８４を開放し、制御信号を検出回路７に入力させる。そのときの制御信号を検出回路７で判別し、被検出物の検知信号を出力回路に出力する。
【００５０】
図１０はこの発明の他の実施形態のブロック図である。この図１０に示した実施形態は、図５に示した積分回路８３をループフィルタ４０に兼用させて積分回路８３を省略し、部品点数を減らしたものである。このため、リセット回路８６はスイッチ回路８４と電圧比較回路８５とによって構成され、電圧比較回路８５の第２の入力端にはループフィルタ４０の出力信号が与えられる。
【００５１】
この図１０に示した実施形態の具体的な動作は図５と同じであるため省略する。
【００５２】
図１１はこの発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。この図１１に示した実施形態は、可変周波数発生回路５０として、固定発振回路５１と分周回路５２とによって構成し、制御回路１１と検出回路１２と状態判別回路１３をマイクロプロセッサ１０で構成したものである。そして、マイクロプロセッサ１０は位相比較回路３の出力信号を検知し、可変周波数発生回路５０の分周回路５２の分周比を制御する。
【００５３】
ここで、マイクロプロセッサ１０は可変周波数発生回路５０の可変周波数の上限値および下限値に対応する分周回路５２の分周比ｂｍａｘ，ｂｍｉｎを予め設定する。固定発振回路５１は所定の発振周波数で発振し、その信号を分周回路５２に出力する。分周回路５２はマイクロプロセッサ１０に初期設定された分周比、たとえばｂｆｍｉｎに従い、固定発振回路５１の信号を分周した発振信号を駆動回路６を経由して共振回路１に送ると同時に位相比較回路３の第２の入力端に与える。共振回路１により位相が変化した信号は、変換回路２を介して位相比較回路３の第１の入力端に与えられる。
【００５４】
位相比較回路３は第１の入力端と第２の入力端の信号を比較し、位相差がある場合は位相差信号ＬＤに前述の図６（ｄ）に示したような立下がりのパルス信号を発生させ、マイクロプロセッサ１０に出力する。マイクロプロセッサ１０はパルス信号が存在する間、分周比を順次変化、たとえば下限値から上限値まで単調増加を繰返すように変化させ、発振信号の周波数を増加させる。
【００５５】
共振回路の共振周波数と発振周波数とが一致した場合、位相比較回路３は位相差信号ＬＤにパルス信号を発生させないため、マイクロプロセッサ１０はパルス信号がなくなった時点で分周回路５２の分周比を固定し、発振信号を共振回路１の共振周波数と一致した値に固定すると同時に、その分周比に対応した値を記憶する。
【００５６】
被検出物の状態に応答して、共振回路１の共振周波数はｆｒに変化した場合、マイクロプロセッサ１０は上述の説明と同様の動作によりｆｒと一致した発振周波数に固定し、そのときの分周比に対応した値を記憶する。この記憶した値を基準設定回路９から得られる基準値と比較し、出力回路１０に被検出物の検出状態信号を出力する。共振回路１の共振周波数は周波数可変範囲外（ｆｒ′，ｆｒ"）となった場合は、マイクロプロセッサ１０は分周比の下限および上限で規定される範囲で周波数を一定の繰返しで、たとえば単調増加を繰返すように変化させ続け、その間は出力回路１０に被検出物の検出状態信号を出力させる。
【００５７】
なお、前述の説明で予め設定する分周比の上下値および下限値を、電源投入時にマイクロプロセッサ１０により可変できるような全周波数で掃引し、共振回路１の共振周波数を可変可能な全周波数の中央の値となるように分周回路５２の分周比の上限値および下限値を設定し、記憶させるようにしてもよい。
【００５８】
図１２はこの発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。この図１２に示した実施形態は、図１１に示したマイクロプロセッサ１０に警報出力用出力回路１４と、メンテナンス用出力回路１５と表示部１６とを設けたものである。警報出力用出力回路１５は電極体に被検出物が所定量以上付着したとき警報信号を出力する。メンテナンス用出力回路１５は同様にしてメンテナンスのための信号を出力する。表示部１６はたとえばＬＣＤ表示器からなり、空き時と動作時の周波数変化分（静電容量の変化分）を８段階で表示するものである。
【００５９】
表示部１６はたとえばＬＣＤ表示器などによって構成され、マイクロプロセッサ１０が空き時と動作時の周波数変化分（静電容量の変化分）を検出し、ＬＣＤ表示器に静電容量の変化分を８段階で表示させる。この表示機能を電極に付着した検出物の量の表示に利用でき、この表示を見て付着による誤動作の回避が可能となる。また付着の程度を設定することにより、電極部の清掃時期の出力が可能となる。
【００６０】
図１３は、この発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
前述の図1に示した実施形態では、制御回路４から出力される制御電圧と基準値とを検出回路７で比較して被検出物の有無を検知するようにしたのに対して、この実施形態では、可変周波数発生回路５から出力される発振信号の周波数と基準設定回路９で設定されている基準値とを検出回路７で比較することにより被検出物の有無を検知するものであり、それ以外の構成は図１と同じである。
【００６１】
このように検出回路７で周波数信号と基準値と比較する方が、制御電圧と基準値とを比較するよりもダイナミックレンジを大きくできるという利点がある。
【００６２】
しかも、図１に示した実施形態では、位相比較回路３からの位相差信号を制御電圧に変換するときの温度特性が影響してくるのに対して、図１３に示した例では純粋に共振回路１の共振周波数に応じた信号で基準値と比較するので、温度特性による影響を少なくできる。
【００６３】
図１４はこの発明のさらにその他の実施形態を示すブロック図である。
前述の図１３に示した実施形態では、可変周波数発生回路５からの周波数信号と基準値とを比較して被検出物の有無を検知するようにしたが、この実施形態では可変周波数発生回路５からの周波数信号を分周回路１８に与えて分周し、マイクロプロセッサ１１で基準値と比較して被検出物の有無を検知する。
【００６４】
図１５は図１４に示したマイクロプロセッサの動作を説明するためのフローチャートである。
【００６５】
図１５を参照して図１４に示した静電容量式検知装置の動作について説明する。可変周波数発生回路５からの周波数信号は分周回路１８によって分周されてマイクロプロセッサ１１に与えられる。一方、マイクロプロセッサ１１には、図示しないプッシュスイッチの操作やパーソナルコンピュータなどの通信によって、被検出物の状態が未検出状態かあるいは検出状態であるかが設定される。
【００６６】
マイクロプロセッサ１１は、未検出／検出が設定されたことに応じて現在の入力信号が検出時の周波数であるのかあるいは未検出時の周波数であるかの信号設定処理を行う。そして、マイクロプロセッサ１１は、信号設定処理された検出時の周波数又は未検出時の周波数であれば、ＥＥＰＲＯＭなどのデータ保管メモリにこのデータを保管するための信号分別処理を行う。
【００６７】
さらに、マイクロプロセッサ１１は、信号分別処理で保管された周波数データと現在の周波数データとを比較し、未検出時の周波数＜検出時の周波数≦現在の周波数であればONデータを出力し、現在の周波数＜検出時の周波数であればOFFデータを出力する。
【００６８】
一方、状態判別回路８から状態判別信号が出力されてマイクロプロセッサ１１に与えられ、信号分別処理によって、適切な信号（チャッタリングなどのない信号）に変換された有無信号と現在の周波数との比較から出力されたデータによって、状態判別信号が有りであれば、現在の周波数との比較データに関わらずONデータを出力し、状態判別信号が無であれば、現在の周波数との比較データを出力する。
【００６９】
そして、被検出物の有無の処理は、検出信号として必要な信号にタイマーを設けたり、検出時に出力信号を出力するのか、あるいは未検出時に出力信号を出力するのかを設定し、その設定にしたがって信号を出力する。
【００７０】
また、現在の周波数との比較で、単純に周波数を比較するだけでなく、未検出時の周波数と検出時の周波数の間を等分割し、現在の周波数がどの位置あるのかを判定することにより、ONとOFFにヒステリシスを設けることも可能であり、前の周波数とも比較することにより、ノイズなどの影響を低減することも可能である。
【００７１】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、共振手段と駆動手段と位相比較手段と可変周波数発生手段によってループを構成し、電源投入時に共振手段の共振周波数を探索し、その共振周波数で電極体を動作させるようにしたので、作業者が現場で校正作業をする必要が一切なくなり、人的ミスの発生の防止および作業効率の向上を可能にできる。
【００７３】
また、検出動作時に共振手段の共振周波数を利用するため、検出感度のばらつきをなくすことができる。
【００７４】
また、被検出物により共振手段の共振周波数が可変周波数発生手段の追従できる範囲（キャプチャレンジ）を超えたとしても使用可能であり、広範囲の使用条件に対応できる。
【００７５】
さらに、被検出物の有無にかかわらず、共振手段の共振周波数で動作させ、周波数に対応した制御信号などによって検知するため、被検出物の導電性の影響を受けにくくすることができる。
【００７６】
さらに、共振手段として並列共振回路を使用しているため、静電気に対して低インピーダンスとすることができ、耐静電気性能を向上できる。
【００７７】
さらに、可変周波数発生手段を位相比較手段の第１および第２入力の周波数発生手段として兼用することにより、前置発振回路を不要としたことにより、コストダウンと故障率の低減を実現できる。
【００７８】
さらに、使用部品の定格などを含めて回路部を共通にすることができるため、たとえばＩＣ化などが可能となり、製作コストを低減できる。
【００７９】
また、回路部が共通であることから、使用現場での予備品の種類を減らすことができ、経費を節減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態のブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態の静電容量式検知装置の外観図である。
【図３】共振回路の等価回路図である。
【図４】共振回路の周波数対振幅特性および周波数対位相特性を示す図である。
【図５】この発明のより具体的な実施形態のブロック図である。
【図６】位相比較回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図７】制御電圧の時間的変化を示す図である。
【図８】共振回路の共振周波数が変化した場合の発振周波数と制御信号との関係を示す図である。
【図９】共振回路の共振周波数が可変周波数発生回路の可変周波数範囲を上回った場合の共振周波数の変化を時間的推移により示したグラフである。
【図１０】この発明の他の実施形態のブロック図である。
【図１１】この発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】この発明のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】この発明のさらにその他の実施形態を示すブロック図である。
【図１４】この発明のさらにその他の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示したマイクロプロセッサの動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１共振回路、２変換回路、３，３０位相比較回路、４，１２制御回路、５可変周波数発生回路、６駆動回路、７，１３検出回路、８，１４状態判別回路、９基準設定回路、１０出力回路、１１マイクロプロセッサ、１５警報出力用出力回路、１６メンテナンス用出力回路、１７表示部、２１下部測定電極、２２上部測定電極、２３絶縁物、２５保護箱、２６回路部、４０ループフィルタ、５０電圧制御発振回路、５１固定発振回路、５２分周回路、８１リセット回路、８２ロック不良検出回路、８３積分回路、８４スイッチ回路、８５電圧比較回路。

Claims

容器内の被検出物の静電容量に応動するように棒状などの適宜形態に構成された電極体、
前記電極体により形成される静電容量と同調するための共振トランスを含む共振手段、
前記共振手段の出力信号と基準信号との位相を比較し、位相差に応じた位相差信号を出力する位相比較手段、
前記位相比較手段からの位相差信号に応じて前記位相差をなくすための制御信号を出力する制御手段、
前記制御手段からの制御信号に応じた発振周波数の周波数信号を発生して、前記位相比較手段に与える可変周波数発生手段、
前記可変周波数発生手段からの周波数信号で前記電極体を駆動するための駆動手段、
前記被検出物の検出状態における基準値を設定する基準値設定手段、
前記制御手段から出力される制御信号または前記可変周波数発生手段から出力される周波数信号と、前記基準値設定手段によって設定された基準値とを比較して検出信号を出力する検出手段、
前記検出手段の検出信号に応じて表示のための信号を出力する出力手段、および
前記位相比較手段から出力される位相差信号に基づいて、前記共振手段の共振周波数と前記可変周波数発生手段の発振周波数との間の位相差の有無を判別し、位相差が生じた場合に前記可変周波数発生手段と前記検出手段を所定の状態に設定する状態判別手段を備え、
前記状態判別手段は、
前記位相比較手段から出力された位相差信号が所定の値以上になったことに応じて、前記可変周波数発生手段の周波数信号を該可変周波数発生手段の周波数可変の最低周波数に設定するリセット手段と、
前記可変周波数発生手段の発振周波数の位相を前記共振手段の共振周波数の位相と比較し、一致していない場合に前記検出手段から検出信号を出力させるロック不良検出手段とを含む、静電容量式検知装置。
前記リセット手段は、
前記位相比較手段から出力される位相差信号を積分する積分手段と、
前記積分手段からの積分信号と所定の電圧値とを比較する電圧比較手段と、
前記電圧比較手段によって前記積分信号が前記所定の電圧値以上であることが判別されたことに応じて、前記可変周波数発生手段の発振周波数を前記最低周波数に設定するスイッチング手段とを含む、請求項１に記載の静電容量式検知装置。
前記制御手段はループフィルタを含む、請求項１に記載の静電容量式検知装置。
前記可変周波数発生手段は電圧制御発振手段を含む、請求項１に記載の静電容量式検知装置。
前記可変周波数発生手段は、
固定の周波数信号を発生する固定発振手段と、
前記制御手段からの制御信号に応じて、その分周比が可変に設定され、設定された分周比で前記固定発振手段から発生された周波数信号を分周して出力する分周手段とを備えた、請求項１に記載の静電容量式検知装置。
前記制御手段と前記検出手段と前記状態判別手段はマイクロプロセッサによって構成されることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量式検知装置。
容器内の被検出物の静電容量に応動するように棒状などの適宜形態に構成された電極体、
前記電極体により形成される静電容量と同調するための共振トランスを含む共振手段、
前記共振手段の出力信号と基準信号との位相を比較し、位相差に応じた位相差信号を出力する位相比較手段、
前記位相比較手段からの位相差信号に応じて前記位相差をなくすための制御信号を出力する制御手段、
前記制御手段からの制御信号に応じた発振周波数の周波数信号を発生して、前記位相比較手段に与える可変周波数発生手段、
前記可変周波数発生手段からの周波数信号で前記電極体を駆動するための駆動手段、
前記被検出物の検出状態における基準値を設定する基準値設定手段、
前記制御手段から出力される制御信号と前記基準値設定手段によって設定された基準値とを比較して検出信号を出力する検出手段、
前記検出手段の検出信号に応じて前記静電容量の変化を段階的に表示する表示手段、および
前記位相比較手段から出力される位相差信号に基づいて、前記共振手段の共振周波数と前記可変周波数発生手段の発振周波数との間の位相差の有無を判別し、位相差が生じた場合に前記可変周波数発生手段と前記検出手段を所定の状態に設定する状態判別手段を備え、
前記状態判別手段は、
前記位相比較手段から出力された位相差信号が所定の値以上になったことに応じて、前記可変周波数発生手段の周波数信号を該可変周波数発生手段の周波数可変の最低周波数に設定するリセット手段と、
前記可変周波数発生手段の発振周波数の位相を前記共振手段の共振周波数の位相と比較し、一致していない場合に前記検出手段から検出信号を出力させるロック不良検出手段とを含む、静電容量式検知装置。
前記検出手段は、マイクロプロセッサを含み、
前記マイクロプロセッサは、
前記被検出物の状態が検出状態であるか否かを設定するための検出状態設定手段と、
前記検出状態設定手段によって検出状態であることが設定されているかに応じて、検出時の周波数であるか否かを設定するための信号処理設定手段と、
前記信号処理設定手段によって設定された検出時の周波数または被検出時の周波数を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている周波数と前記可変周波数発生手段から与えられる現在の周波数とを比較し、現在の周波数が検出時の周波数よりも高いか否かを示すデータを出力する比較手段と、
前記状態判別手段から位相差ありの信号が与えられたことに応じて、被検出物ありのデータを出力し、位相差なしの信号が与えられたことに応じて、前記比較手段からのデータを出力する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量式検知装置。