JPH0219718A - 体積測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、タンク内に収納された液体、粉体、粒体、
異形状物体等の体積を測定する体積測定方法及びその装
置に関するものである。

［従来の技術］ 従来のこの種の体積測定装置としては第１７図乃至第２
１図に示す如きものがある。以下、この従来例について
具体的に述べる。

第１７図は液面位測定開始の初期状態を示し、また第１
８図は液面位の測定過程における状態を示す図であフて
、ピストン（体積変化手段）７がシリンダ（体積変化量
）８の最深部まで移動させられたとき、すなわち最大ス
トローク６動したときの状態を示す。

第１７図においてタンク３の体積を７丁、その空洞部分
すなわち液体４が満たされていない部分の体積ｖ２、シ
リンダ８の最大体積変化量に対応する体積をＶｏ　　（
ｃＶ、、Ｖ、）　、補正室９の体積をＶ、　タンク３内
の圧力をＰｏとし、かつバルブ１０が解放されているも
のとすると、ポアッソン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）の法則に基
づいてＰＧ（Ｖ２　＋ＶＯ＋　Ｖｌ　）γ＝ｎＲＴ。

が成立する。なお、ｎはシリンダ８、補正室９及びタン
ク３の空洞部の気体のモル数、Ｒはガス定数、Ｔｏは気
体の絶対温度、γは定圧比熱と定積比熱の比を示す。

ここでピストン７が、断熱を保持した状態で最大ストロ
ーク移動させられると、第１８図の如くｖ。＝０となる
と共にタンク３内圧力がΔＰ０だけ増加し、 （ｐｏ　　＋ΔＰＧ　）　　（Ｖ２　　＋Ｖ、）　γ＝
　ｎ　ＲＴ。

が成立する。これより、 Ｐ（Ｖ２＋ＶＯ＋Ｖｌ）　　”＝　　（Ｐｏ＋ＡＰｏ）
　　（ｖ２＋Ｖ＋）　　γ・・・（１） 式（１）は、近似的に となり、タンク３の空胴部分の体積ｖ２は、となる。

次に第１７図及び第１８図においてバルブ１０を閉成す
ると、補正室９とタンク３との通気性は完全に遮断され
、上記の如く第１７図においては、 Ｐｏ　　（ｖａ　　＋Ｖｌ　）　　γ＝　ｎ　ＲＴ。

が成立し、また第１８図においてはｖ０＝０となり、タ
ンク３内圧力がΔＰｏ°だけ増加するので、 （ｐｏ　　＋ΔＰ０°）Ｖｌ　　１ｍ　ｎ　ＲＴ。

が成立する。これにより、 Ｐａ　（ｖｏ＋ｖ＋）γ＝（ｐｏ＋ΔＰ０°）ｖ＋γ　
・（３）式（３）は、近似的に となる。ここでシリンダ８の最大体積変化量に対応する
体積Ｖｏ及び補正室９の体積Ｖ、は既知で、かつΔＰｏ
°は測定することができるので、γＰ０の値を求めるこ
とができる。これによって、式　（２）におけるタンク
３の空洞部分の体積ｖ２は、算出可能となり液体４の体
積ｖＬは、ＶＴ−Ｖ２によって求めることができる。

なお、第１７図および第１８図に招ける３ａはエンジン
にガソリン等の液体４を供給するバイブである。

次に、上記の如く説明した発明の原理に基づく具体的装
置の例の構成を第１９図及び第２０図を参照して説明す
る。なお、第１９図において第１７図と同一構成の部分
には同一符号を付してその説明を省略する。

７はピストンで、周面に磁極を有する円盤状の永久磁石
からなると共にその周面には磁性流体７ａが吸着され、
後述のシリンダ８との隙間を塞ぎ、通気を防止し、かつ
シリンダ８内をピストン７が摺動するときの摩擦を小さ
くしている。なお、ピストン７の周面にＯリングを取り
付けることによって通気を防止してもよい。８はシリン
ダで、その一端開口部８ａは補正室９に連通されると共
に、他端を開口している。９は補正室で、その体積ｖ１
がタンク３の全体積ｖＴに対して十分に小さく設定され
ていると共に、シリンダ８の最大体積変化量すなわちピ
ストンフの摺動によって変化する最大体積ｖ０に対して
、例えば１０倍の体積に設定されて、ピストン７の一往
復によって、内部の圧力変化は、正弦波状に変化する（
これは後述のモータ１６の定速回転による）、また補正
室９は、電磁バルブ１０及び第１のバイブ１１を直列に
介してタンク３の液体注入口５の開口縁の近くに接続さ
れ、気体がタンク３内と補正室９との間を流通できるよ
うに設定されている。なお第１のバイブ１１の液体注入
口５、電磁バルブ１０間の一部は、該液体注入口の開口
縁より高く位置せしめられており、液体４力月夜体注入
口５の開口縁まで住人され“〔も補正室９内に液体４が
流れ込まないように設定されている。１２は圧力センサ
で、基準圧力室１２ａ　、検出圧力室１２ｂ、その双方
の圧力室１２ａ、Ｉ２ｂを仕切り、かつその双方の圧力
室の圧力の差に比例して歪む歪板１２ｃ及び該歪板に貼
（＝ｊけられでいるストレインゲージ等の圧力センサ本
体１２ｄからなり、その基準圧力室１２ａは空洞室１３
及び微細管の第２のパイプ１４に＝直列に第１のパイプ
１１に連通され、その空洞室１３及び第２のパイプ１４
は、タンク３内の圧力量！１１を吸収し空気圧フィルタ
を構成している。また検出圧力室１２ｂは補正室９に連
通され、圧カセシサ本体１２ｄは歪板１２ｃが受ける双
方の圧力室１２ａ、１２ｂの圧力差を検出して電気信号
に変換する。１５は円板で、透孔１５ａが設けられてい
ると共に、ピストン７を往復直線運動させるためのクラ
ンク１５ｂの一端が連結させられている。また円板１５
は、後述のモータ１６の回転軸に図示されない減速ギア
を介して連結されている。

１７は光センサで、ピストン７が最大に後退した位置で
透孔１５ａに対面するように設けられており、円板１５
の透孔１５ａを検出する。１８はモータ駆動制御回路で
、電源投入直後にモータ１６を回転せしめるための侶丑
の供給を後述の演算処理回路２１から受け、光センサ１
７の位置に円板１５の透孔１５ａを一致させる為の４３
号をモータ１６に供給する。またモータ駆動制御回路１
８は後述の演算処理回路２１から前記信号とは別の信号
を受けて、モータ１６を一定角速度ω０で回転駆動せし
めるための駆動信号をモータ１６に供給する。１９はバ
ンドパスフィルタで、モータ１６の角速度ω。に対応す
る周波数成分のみを抽出して出力するように設定されて
おり、圧力センサ１２で全件する〕、イズ成分、タンク
３内の温度上昇に対応して圧力センサ１２で発生するド
リフト成分等を除去する。２０は振幅検出回路で、バン
ドパスフィルタ１９の出力を人力し、その波高値を検出
する。２１は演算処理回路で、ｃｐｕ　（ＣＥＮＴＲＡ
ＬＰＲＯＩＩ：ＥＳＳＯＲＩＩＮＩＴ）、ＲＯＭ　（Ｒ
ＥＡＤ　０ＮＬＹ　ＭＥＭＯＲＹ）等からなり、振幅検
出回路２０の出力を入力して、次のごとき演算処理を実
行することによってタンク３内の液面位を算出し、算出
結果を表示部２２に供給して表示せしめる。

、次に演算処理回路２１の作動を第２１図に示すフロー
チャートに基づいて説明する。

第２１図に於て、電源を没入すると、スタートステップ
１００から初期設定ステップ１０１に進み、演算処理回
路２１を構成するｃｐｕ等が初期設定され、かつその初
期設定後所定時間が経過するとバルブ閉成信号の出力開
始ステップ１０２では、バルブ１０を閉成するための信
号を演算処理回路２１から図示されない駆動回路を介し
てバルブ１０に供給する。次に係数推定ステップ１０３
に進み、ピストン７を複数回往復運動させることによっ
て式　（４）における係数γＰ０値を推定する。すなわ
ち、ＲＯＭに記憶された補正室９の体積■１及びシリン
ダ８の最大体積変化量に対応する体積Ｖ。並びに圧力セ
ンサ１２によって測定された補正室９内の圧力変化幅Δ
ｐｏ’（前記ピストン７の複数回の往復運動の圧力変化
幅の平均値）によってγＰｏを式　（４）のγＰａ”Δ
Ｐｏ’Ｖ、／ｖｏに基づいて求める。求めた後、バルブ
閉成信号の出力停止ステップ１０４に進み、バルブ１０
を開放するためにバルブ１０へのバルブ閉成信号の供給
が停止され、次のタンク内空洞体積の算出ステップ１０
５に進み、前記係数推定ステップ１０３でのピストン７
の往復運動の回数よりも多い回数ピストン７を往復運動
させることによって、ステップ１０５では、前のステッ
プ１０３で求めた係数γＰ、、ＲＯＭに記憶されたシリ
ンダ８の最大体積変化量に対応する体積ＶＯ１該体積■
。と同様にＲＯＭに記憶された補正室９の体積Ｖｌ及び
圧力センサ１２によって検出された圧力ΔＰ。

（前記ピストン７の複数回の往復運動Ｑ圧力変化幅の平
均値）に基づいてタンク３内空洞部分の体積■２を求め
、次の液面位算出ステップ１０６に進み、直前のステッ
プ＋０５で求めたタンク３内空洞部分の体積ｖ２をＲＯ
Ｍに記憶されたタンク３の全体積ＶＴから減算すること
によって液体４の体積■、を算出する。更に次の液面位
信号発生ステップ１０７に進み、このステップ１０７で
表示部２２に対して液面位を表示させるための信号を演
算処理回路２１から供給し、その後バルブ閉成信号の出
力開始ステップ１０２に戻る。その後は、上記の動作が
周期的又は非周期的に繰り返される。なおタンク内空洞
体積の算出ステップ１０５と液面位算出ステップ１０６
との間には、タンク３内の空洞部分の体積が大きく変化
した場合のキャンセルステップ（図示せず）が設けられ
ている。

［作　　　用］ 次に、上記構成の作動を説明する。電源が投入されると
光センサ１７からモータ駆動制御回路１８に透孔１５ａ
を光センサ１７の位置に一致させるための信号が供給さ
れ、モータ１６が回転されて光センサ１７の位置に円板
１５の透孔１５ａが一致せしめられる。なおこの作動は
電源投入直後から所定時間内に終了させられる。その後
、演算処理回路２１からバルブ１０にバルブ閉成信号が
供給されることによってバルブ１０が閉成され、更に演
算処理回路２１からモータ駆動制御回路１８にモータ１
６の複数回の回転開始を指示する信号が供給される。該
信号が供給されるとモータ駆動制御回路１８は、モータ
１６を一定角速度ω。で一方向に指示された回転数だけ
回転せしめ、モータ１６の回転軸に連結された円板１５
が回転させられることによってクランク１５ｂを介して
ピストン７がシリンダ８内を往復運動し、シリンダ８の
最大体積変化量に相当する体積Ｖ、の部分の空気を補正
室９に送り込んだり、補正室９の空気を吸い込んだりし
、補正室９内の圧力を正弦波状に変化せしめると、圧力
センサ１２の検出圧力室１２ｂの圧力は、補正室９の圧
力が伝わることによって正弦波状に変化し、タンク３内
圧力と等しい基準圧力室１２ａの圧力との差が、圧力セ
ンサ本体１２ｃによって検出され、正弦波状の電気信号
に変換される。その信号はバンドパスフィルタ１９を介
して振幅検出回路２０に供給され、その波高値が検出さ
れる。検出された波高値は、演算処理回路２１に供給さ
れ平均化されることによって、係数γＰ０が算出され、
ｃｐｕ内のレジスタ等に記憶される。その後、演算処理
回路２１からバルブ１０にバルブ閉成信号の供給が停止
されて、バルブ１０は開放され、さらにモータ１６は係
数γＰ０を算出するときよりも多くの回数回転させられ
ることによって式（２）の演算がなされ、タンク３内の
液体４の体積が算出され、その算出結果は表示部２２に
表示される。以後、上記動作が繰り返され、バルブ１０
が閉成される毎に係数γＰＧが更新されて記憶され、再
度新たに液面位が算出される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の体積測定装置にあって
は、係数γＰ０を推定するために、タンクと補正室９と
バルブ１０を介して連結する構成となり装置全体の形状
が大型化するという問題点があった。

また、バルブ１０に開口断面積の小さなものを用いると
流量抵抗が大きくなり、バルブ１０を開口し、加圧した
場合に、補正室９をタンク３内の空洞部分とが連通した
１つの空間として見做されず、別個の空間となってしま
い、測定誤差を生じさせる原因となる問題点があり、こ
れを避けるために、ピストン７の駆動角周波数ω。を非
常に小さくすると測定時間が長くなるという問題点があ
った。そこで開口断面積の大きなバルブを用いることが
考えられるが、そうするとコストアップになるという問
題点があった。

［課題を解決するための手段］ この発明は、上記従来の問題点に着目して成されたもの
で、タンク内の一部に、タンク内収容物が入り込まない
空洞部を形成し、この空洞部内体積を可変させるための
、体積可変手段と、その体積可変手段の動作に伴なう空
洞部内圧力変化を検出する圧力センサを設けて、その圧
力センサからの出力信号でタンク内収容物の体積を測定
することができるようＣした体積測定方法及び装置を提
供することにある。

［実　施　例］ 以下に本発明の実施例を第１図乃至第１６図に基づいて
詳細に説明する。

まず第１図乃至第６図において、原理説明を行なうと、
３０は例えば液体、粉体、粒体、異形状物体等を収納す
る異形状の一インタンクであって、このメインタンク３
０には連結バイブ３２を介して補正用タンク３１が連結
されている。また上記異形状メインタンク３０の上部に
は小径の通気孔３５が穿設されている。Ｅ記補正用タン
）１３１のＬ部Ｃは例えばピストン、ベワー・−て、−
￥イヤ゛７　”７　ｊλ等の体積変化手段（機構）３３
が設げられていで、この体積変化機構３３の動作によ・
）て補正用タンク３１内の体積を変化させることができ
るようになっている。

なお第５図においては、補正用タンク３１内の内圧を検
出するためのゲージ圧力センサ３４が設けられている。

以上が本実施例の構成であって、次にその構成による測
定原理を説明する。

測定原理 （１）第１図のような連結タンクシステムを考える。こ
れは体積Ｖ、、Ｖ２の２ｆ！類のタンクによって構成さ
れる。タンク３１．３０は流量抵抗ｒ１のバイブ３２に
よって接続されており、タンク３００通気孔３５の流量
抵抗ｒ２である。双方のタンク３０．３１内の気体の比
熱比をγ、気体定数をＲ、タンク３１の熱時定数をτと
する。タンク３１に、ピストン、ダイヤフラム、ベロー
ズ等を用いた体積変化機構３３を取り付け、この体積変
化機構３３によって実際に発生する体積変化量をｖ　（
ｔ）　　とする。

タンク３０゜３１が剛体の場合、タンクの加圧減圧時に
タンク３０．３１が歪まないので、ピストン、ダイヤフ
ラム、ベローズ等の体積変化量Ｖｏｗ）と実際に発生す
る体積変化量ｖｆｔ、）は等しい。もしタンク３０がフ
レキシブルな場合、タンク加圧減圧時にタンク３０が歪
むので、その収縮又は拡張による体積変化量に応じた分
だけｖ　（ｔｊ　はｖ　（ｔ）より小さくなる。

Ｖ（ｔ）＝Ｏのとき、タンク３１の中の気体の絶対圧力
、温度、モル数をそれぞれｐ。、ＴＩ、ｎｌｉタンク３
０の中の気体においてそれぞれＰＯ，Ｔ２、ｎ２とする
。測定環境が著しく変化しｒ（い場合、通気孔３５を介
してタンク３１゜３０内外に気体が循環するので絶対圧
力ｐ０は外気圧と等しく、その変化は非常に遅く、外気
圧と等しく変化する。

■（↑）≠０のとき１、圧力、温度、モル数も体積変化
機構の状況に応じて変化し、 タンク３目７おいて、 圧力はｐ０＋Δｐ＋（ｔ） 温度は７．＋、、ａＴ、（ｔ）、ｎｌ　　−Δｒｚｚ（
ｔ、）　　と変化する。

タンク３０において、 圧力はｐ。＋Δｐ２（ｔ）。

温度はＴ２＋ΔＴ　２　（ｔ）　。

モル数はｎ２＋Δｎ＋２（ｔ）−６口２（ｔ）と変化す
る。

Δｎ１２（ｔ）はタンク３１からタンク３０に流れた空
気のモル数、Δｎ２（ｔ）はタンク３０から通気孔３５
を介して外部に漏れた空気のモル数である。

ここでこのシステムについて次の仮定を設定する。

１）タンク内気体は理想気体であるゆ ２）ｖ（ｔ）（（Ｖ＋　、Ｖ２　） ３）タンク３０の熱容量は大きく、圧力変化Δｐ２（ｔ
）に伴なうタンク内温度変化は体積変化量ｖ　（ｔ）の
変化の速さに比べ非常に遅く無視できる。

４）体積変化量ｖ　（ｔ）の変化の速さは、それに伴い
変化する圧力がタンク３０．３１の至るところで等しい
程度とする。

５）タンク３０内に被計測物体を入れても、この物体に
よりタンク３０内に２つ以上の閉じたガス空間、すなわ
ち空洞部分が構成されない。

以上の仮定は、それほど大きな制約となるものはない。

体積変化量ｖ　（ｔ）　に対するΔｐ＋（ｔ）、ΔＰ２
（ｔ）、ΔＴ　Ｉ　（ｔ）、ΔＴ２（ｔ）、Δｎ＋ｚ（
ｔ）、Δｒｚ（ｔ）の変化は本来、非線形方程式で表さ
れるが、仮定２）よりその大きさはＰｏ％Ｔ１、Ｔ２、
ｎｌ、ｎ２に対して非常に小さく、そのため線形方程式
で近似できる。静的状態においてタンク３０．３１内の
気体の圧力、温度、モル数の関係は次の代数方程式で表
される。

ｐＯＶｌ　＝　ｎ＋ＲＴ＋　、　Ｉ］ｏＶｚ＝　ｎ２Ｒ
Ｔ２　　　　　（ｌａ）また仮定１）、３）、４）、５
）より、動的状態においてはタンク３０．３０内の気体
の圧力、温度、モル数の関係は、次の線形常微分方程式
で表される。

（ｌｄ） ΔＴ＋　（０）　　＝　Ｏ（ｉｆ） 流量抵抗ｒ、上式の’ｌ＋ｒ２はパイプ３２の長さＬと
直径ｄより次の式のように求められる。

この式は長さ１が５０〜６５０［ｌｌ１ｍ］　、直径ｄ
が２．０〜９．０［ｍｍ］のアルミ製パイプを用いて実
験的に求めたものである。

また、体積変化ｖ　（ｔ）は次のように表される。

ｖ　（ｔ）　＝　Ｖｏ　（ｔ）−Δｖ（ｔ）　　　　　
　　（ｌｈ）Ｖ２　　　　　　　　　　　　　　　Ｖ２
ΔＶはタンクの材質、形状、容積等から定まるタンク固
有の定数であり、Δｖ（ｔ）は体積変化機構３３の体積
変化量ｖｏ（ｔ）の変化に伴うタンクの拡張、収縮によ
る体積変化量である。

式（１ａ）〜（１１）にラプラス変換を施し、入力ｖ　
（ｔ）から出力Δｐ＋（ｔ）までの伝達関数を求めると
次のようになる。

（２ａ） となる。係数ｒｚＶｚ／ＲＴ２．　ｒ＋Ｖ２／ＲＴ２　
、　ｒ＋Ｖ＋／ＲＴ＋は、圧力変化の時定数である。例
えばｒ２Ｖ２／ＲＴ２はタンク３０における空洞部分の
絶対温度Ｔ２の気体が流量抵抗ｒ１の通気孔３５を介し
てタンク３０外に流れるときの圧力減衰の時定数である
。補正係数に２（ｓ、ｒ＋、ｒｚ、Ｖ＋、Ｖｚ）は、メ
インタンク３０の容積ｖ２により変化するが、第２図に
示されるに２（Ｓ、ｒ＋、ｒｚ、Ｖ＋、Ｖｚ）の周波数
特性において、適当な周波数、例えば区間Ａの４　Ｘ　
１０−’〜ＩＣＭ’Ｈｚの周波数を選ぶことにより近似
的に定数と見做せる。

ｊ　＋　＜　＜　＜　ｒｚ　　（ｊ　２は空気等の通気
孔３５の流量抵抗）で熱時定数でとｒｚ　（Ｖ１＋Ｍｉ
ｎＶｚ）／ＲＴ２が同程度の値なら次のような角周波数
が存在する。

（２Ｃ） この条件において補正係数に２（Ｓ、ｒ＋−ｒ２＋ＶＩ
　＋Ｖ２）　は次のように近似される。

ｊ　ｋ２（ｉω、「ｌ、ｒｚ、Ｖｌ、Ｖｚ）　　ｌ　４
１乙に２（ｉω＋’ｌ、’２＋ｖ１７Ｖ２）　　＝　Ｏ
（２ｄ）ゆえに、式（２Ｃ）の条件を満たす場合、入力
ｖ　（ｔ）から出力Δｐ＋（ｔ）　までの伝達関数はγ
ｐｏ／　（Ｖ、＋ｌ／、＋　ΔＶ）となる。

なお、体積変化機構３３が角周波数ω。で正弦波に駆動
される場合、 が閉塞されている状態と同等と考えられる。

即ち であればよい。

（２）次に第３図のような単一タンクシステムを考える
。これは第１図のタンク３１．３０の間を結合するバイ
ブ３２の断面積を非常に大きくしたもので、これにより
バイブ３２の流量抵抗ｒ１の値が非常に小さ（なる場合
に相当する。これより、第３図のｖ（ｔ）からΔｐ＞（
ｔ、）　　までの伝達関数は式（２ａ）においてｒ１→
０、Ｔ２　＝Ｔ、　、Δｐ２＝Δｐｌｔ　ｖ２＝Ｖ１　
＋Ｖ２としたものであり、次のようになる。

（２ｆ） ここで、 （２ｇ） となる。次のような角周波数ωを考える。

例えば第４図の周波数特性においてＡに示す１０−３Ｈ
ｚ以上の周波数である。このような周波数に設定するこ
とにより補正係数に、　（ｉω、「２゜■３゛）は次の
ｋうに近似される。

ｋ、　（ｉω、ｒｚ、Ｌ＋’）　＋　４１．　。

ｌ　Ｊ　（１（Ｌｌ　、ｒｚ、Ｖａ’）４０　　　　　
　　　　（２１）このとき、伝達関数はγＩＩＱ／（Ｖ
２’＋ΔＶ）となる。

次に上記原理を第５図に示す具体例に基づいて説明する
。

第５図において補正タンク３１は第１図におけるタンク
３１に相当するものであり、体積変化機構３３であるダ
イヤフラムを夫々２種類の角周波数ωＬ、ω□　（ω５
くω、）で同時に（Ｖ６　Ｓｉｎ　ｃｃ、Ｌｔ＋　ｖＯ
Ｓｉｎ　（Ｊｏｊ）　、又は交互に（ｖｏｓｉｎωＬｔ
、　　ｖｏＳｉｎω□し）駆動し、バイブ３２は、高い
角周波数ω□では流量抵抗ｒ。

は式（２ｅ）より非常に大きくなるので圧力変化をメイ
ンタンク３０に伝達せず、実質的に補正タンク３１とメ
インタンク３０とが切り離され、バイブ３２が流量抵抗
の極めて大きな空気弱れ孔となるために補正タンク３１
だけの圧力変化を計測でき、この場合第３図に示す単一
タンクシステムの理論が適用される。

ここで補正タンク３１の容積を■１、メインタンク３０
内の気体の体積を■２、メインターツク３０内の液体の
体積をｖＬ、補正タンク３１とメインタンク３０の容積
の和をｖＴとする。

補正タンク３１の圧力変化Δｐ＋（ｔ）は式（２ｈ）を
満たす角周波数ω□を用いると、 となる。また、メインタンク３０を剛体、すなわちΔｖ
＝０とし、角周波数ωＬが式（２ｃ）を溝たすとき、Δ
ｐ＋（ｔ、）は次のようになる。

Ａ、、ωして駆動したときのΔｐ＋（ｔ）の振幅をＡ２
とすると、式（３ａ）　、　（３ｂ）　よりメインタン
ク３０及び補正タンク３１内の気体の体積の和Ｖ、＋Ｖ
２は次のように求められる。

次に低い角周波数ω、ではバイブ３２の流量抵抗が小さ
くなり、補正タンク３１とメインタンク３０とが非常に
太いバイブで結合された形になるので補正タンク３１内
での圧力変化はメインタンク３０に伝達され、両タンク
３０゜３１の圧力変化を計測できる。

この場合も第３図に示す単一タンクシステムの原理が適
用される。

そこでｖ（ｔ）を角周波数ωＩ６で駆動したときのΔｐ
＋’（ｔ）の振幅を測定すると、 Δｐ１°（ｔ）＝ ここでω□で駆動したと籾のΔｐ＋（ｔ）の振幅を液量
ＶＬは次のように求められる。

また、メインタンクがフレキシブルな場合Ａ、、Ａ２の
比の値Ｃは次のようになる。

この場合、液量を求めるにはΔｖ　、　ｌｋ＋ｌ／ｌｋ
２をキャリブレーションにより求める必要がある。キャ
リブレーションはメインタンク３０に体積の正しく測定
された液体を入れ、ｖ２とＣを求める。これを異なった
体積について２回行い、得られた値を式（３ｆ）に代入
し、Δ■、ｋ１／１ｋ２１を求める方法である。

このとき、液量り、は次のように求められる。

上記原理説明における剛性タンクとフレキシブルタンク
の場合の夫々の信号処理は次の如くである。

（イ）、剛性タンクの場合（第６図） 体積変化機構３３が（Ｖ　ｏｓｉｎω１ｔ＋　Ｖ　ｏｓ
ｉｎω己）（ω、４くωＨ）の駆動力によって駆動され
ると、それによる圧力変化がゲージ圧力センサ３４で検
出され、２つの並列接続されたバンドパスフィルタ３６
．３７に供給される。一方のバンドパスフィルタ３６は
、中心角周波数ω、で、角周波数ω５の信号成分のみを
抽出するように設定され、また他方のバンドパスフィル
タ３７は、中心角周波数ω、角で周波数ω□の信号成分
のみを抽出するように設定されている。これらのバンド
パスフィルタ３６．３７の夫々の出力信号は夫々に接続
され、かつ同一ゲインの振幅検出器３８．３９で振幅が
検出され、低い方の角周波数ω、の信号成分の振幅を検
出する一方の振幅検出器３８の出力γＰ（、ｖ（。

は、高い方の角周波数ω、Ｉの信号成分の振幅をで割算
器４０によって除算され、メインタンク３０内の空胴部
分の体積ｖ２と補正タンク３１の容積Ｖｌ　との和（Ｖ
＋◆Ｖ２）が算出される。

その算出結果Ｖ、◆Ｖ、は引算４１で設定されているメ
インタンク３０の容積ｖＴと補正タンク３１の容積ｖ１
との和から引算され、その結果メインタンク３０内に収
納された液体等の収納物の体積■、が算出される。なお
、一方のバンドパスフィルタ３６のゲインは他のバンド
パスフィルタ３７のゲインの■１倍に設定されている。

（ロ）フレキシブルタンクの場合（第５図）体積変化機
構３３が（ｖ　、ｓｉｎωＬｔ＋　ｖ　、ｓ＋ｎω）Ｉ
ｔ）　　（ω、くω□）の駆動力によって駆動されると
、それによる圧力変化がゲージ圧力センサ３４で検出さ
れ、２つの上記のバンドバスフィルタ３６．３７に供給
される。一方のバンドパスフィルタ３６では角周波数ω
、の信号成分が抽出さね、また他方のバンドパスフィル
タ３７では角周波数ω□の信号成分が抽出され、夫々の
出力信号は夫々に接続された上記の振幅検出器３８．３
９で振幅が検出され、低い方の角周波数ω５の信号成分
の振幅を検出する一方の振幅検出器３８の出力γ１ｋｌ
ＰｏＶｏは、高い方の角周波数ω、の信号成分の振幅を
検出する他出される。

連関数の係数から算出される補正係数に対応する増幅率
１ｋｚ／に、ｌの増幅率４２で増幅される。その後、増
幅された信号は、引算器４１で設定されている値（Ｖア
＋Ｖｌ÷ΔＶ）から引算され、その結果メインタンク３
０内に収納された液体等の収納物の体積■５が算出され
る。なお、△■と１ｋ２１／ｌｋ＋ｔは予めキャリブレ
ーションにより求められている。

次に第７図から第１６図において本発明の具体的実施例
について説明する。

まず第７図において、体積変化機構３３の構成を説明す
る。この体積変化機構３３は、夕〕り３の上側開口部３
３ａに取付ねじ７３１ｈ及びバ・・−キン３３ｃを介し
て気密に取イ」けられる蓋体３３ｄに、ヨーク収容室３
３ｅを形成し、このヨーク収容室３３ｅ内には、ガイド
杆３３ｆ及びガイド壁３３ｇによって上下方向に移動可
能に支持されている第１のヨーク３３ｈが収納さねてい
る。またこの第１のヨーク３３ｈの内部には、マグネッ
ト３３ｉ　と、このマグネット３３ｉ　に取付けらねる
第２のヨーク３３ｊが設けられており、この第２のヨー
ク３３ｊ　と前記第１のヨーク３３ｈとの間には、ソレ
ノイド３３ｋが位置されている。このソレノイド３３に
は、前記蓋体３３ｄに固定されている。第２のヨーク３
３ｊには、前記蓋体３３ｄに設りられた孔３３ｑを貫通
する連結杆３３交が取付けられており、この連結杆３３
９の先端には、中央部に向けて傾斜し、かつ剛性を有す
る底板３３ｍの中央部が固定して取付けられている。こ
の底板３３ｍの周囲に筒状ベローズ３３ｎの下＠縁が気
密に接着されており、さらにこの筒状ベローズ３３ｎの
上端縁は蓋体３３ｄに気密に固着されている。なお前記
底板３３ｍの中央部にはベローズ３３ｎの内部とタンク
３の空洞部分との静圧を等しくするための細孔３３ｐが
穿設され、筒状ベローズ３３ｎの収縮時に、該細孔３３
ｐを介してベローズ３３ｎ内側空間に入ったタンク３内
の気体が凝結したときに発生する水滴等の液体を排出す
る機能を有している。３３ｒは、前記のヨーク収容室３
３ｅ内を気密に閉塞するための蓋板を示す。また収容液
体４の最上位面は、前記底板３３ｍが浸漬されることが
ないように設定されている。なお、ベローズを上記にお
ける筒状ベローズ３３ｎと底板３３ｎ＋とが一体化され
たものを指す場合もある。

次にその作用を第８図（Ａ）　、　（Ｂ）　に基づいて
説明する。

このシステムは圧力センサ３４からの検出信号を微分回
路４３で微分し、その微分出力を増幅器４４を介してソ
レノイド３３ｈにフィードバックさせ、一定周波数でベ
ローズ３３ｎ共振させるものである。

次に上記モデルの作動を解析する。まず第８図（＾）を
モデル化した第８図（Ｂ）において、次のように変数、
係数を定義する。

にｂ：ベローズ３３ｎのバネ定数 Ｘ：ベローズ３３ｎの変位 ：ベローズ３３ｎの空気によるダンパ定数；ベローズ３
３ｎに加わるカ ニ増幅器４４のゲイン ：ソレノイド３３にの磁束密度 ｉ：ソレノイド３３ｋを流れる電流 Ｌ：ソレノイド３３にのインダクタンスＲ：ソレノイド
３３にのコイル抵抗 ■＝ソレノイド３３ｋに印加される実際の電圧 上記定義から第８図（Ｂ）は次のように状態方程式で示
される。

ｆ＝ｂｌｉ ・・・（７） ■　バネ定数にはベローズに５と空気バネにより次のよ
うに表すことができる。

Ｐｏ：大気圧 Ｓ：ベローズの実効面積 り、：ベローズの容積 ベローズの最大伸縮特性を考慮にいれＫは第４図のよう
な特性を持つとする。よって（６）式のＫｘの項はＫ　
（ｘ）　として次のように表せるとする。

Ｖ−Ｖ、−Ｂ　　Ｉ　　Ｘ　　　　　　　　　　　　・
（９）Ｖｌ　＝　Ｇ　ｘ　　　　　　　　　　　　　　
　　　・”　（１０）原理的にはこのシステムは上の方
程式で表すことができるが実際の機器では様々な条件が
あり、そのことを考慮に入れ次のような仮定が成り立つ
とする。

■　（８）式においてしは数ｆｆ１Ｈと小さく無視でき
るとし、次のような式で表せるとする。

・・・（１２） ×□Ｘ：ベローズの最大伸縮限界 よって式（６）は とする。

■　（ｌＯ）式のゲインＧはアンプで得られる電圧に限
界があるためアンプに第５図のような特性があると仮定
する。

このことを考慮に入れｔａｎ−’を用いて第５図の特性
を近似する。

２ｖイ、Ｘ Ｖ＋＝　　　　　　　ｊａｎ−’　（Ｇｘ）　　　　　
　　”’　（１０）’π Ｖ□Ｘ：アンプによって得られる電圧 よって式（６）　’　、　（７）　、　（８１’　、　
（９）　、　（１０）　’より次の状態方程式が成り立
つ。

・・・（１３） 上記の（１３）式から、ベローズ３３ｎが単振動した場
合の共振周波数（ｆ）を求めると その結果Ｖの値を、第９図に示す如く蓋板３３「を逆Ｕ
字状に形成して、ヨーク収容室の体積（ｖ）を大きく設
定することにより共振周波数を低く設定できる効果があ
る。

次に上記体積変化手段３３をタンク３に設置して液体の
体積を検出する具体例について第１０図乃至第１２図を
参照しながら説明する。

まずタンク３が剛体の場合を説明する。上記体積変化機
構３３によってタンク３内の空洞部分の体積ｖ２がＶ。

Ｓｉｎω。ｔの体積変動を伴なって変化せしめられる。

この体積変動分に伴なう圧力は圧力検出器３４によって
電気信号に変換され、並列接続された増幅度γｖ０を有
するローパスフィルタと中心角周波数における増幅率１
のバンドパスフィルタ３７に供給される。ローパスフィ
ルタ４５によってタンク３内の静的な絶対圧力がγｖｏ
Ｐｏとして検出され、また体積変化機構３３の駆動周波
数と、同一の周波数を中心周波数として設定され、かつ
その周波数を中心として体積変化手段３３の駆動周波数
の変動周波数を通過させるような帯域を設定されたバン
ドパスフィルタ３７で体積変化分Ｖ。ｓｉｎωｏｔに相
当する圧力変化分て検出される。その後、ローパスフィ
ルタ４５の出力は振幅検出器３９の出力で割算器４０に
よって除算される。その除算値はタンク３の空洞部分の
体積ｖ２となり、タンク３の全体積ｖＴから引算器４１
で引算されると、その結果が液体４の体積ＶＬとなる。

なお、振幅検出器３９は整流回路と平滑回路とを直列接
続して形成せしめ、振幅値を検出するように構成し、角
周波数ω。を有するノイズが圧力センサ３４からバンド
パスフィルタ３７に供給された場合にキャンセルさせ検
出しないようにしてもよい。

また、タンク３内の空洞部分の体積ｖ２を変動せしめる
周波数は第１１図に示されるように自動車の運転時に伴
う振動によってもたらされる圧力ノイズの周波数スペク
トルの分布の状況から１〜１５Ｈｚ及び２０Ｈｚ以上を
選択範囲として設定できる。

また第１２図にはエンジンからタンクにリターンされる
ガソリンの熱による圧力変動が細線（イ）で示され、タ
ンク壁面の振動及びガソリンのスロツシュイングによる
圧力変動が太線（ロ）で示されているので、例えば一定
周波数での体積変動にするスペクトルがＡの場合を考え
ると、前記タンク３内の空洞部分の体積ｖ２を変動せし
める周波数は、１〜２５Ｈｚ及び３０Ｈｚ以上を選択範
囲として設定できる。

以上からタンク３内の空洞部分の体積ｖ２を変動せしめ
る周波数は、１〜１５１（ｚ及び３０）１ｇ以上の範囲
に設定すればよいＳ／Ｎ比の信号を得ることができる。

次にタンク３が非剛体、すなわちフレキシブルな場合に
ついて第１３図に基づいて説明する。

また、角周波数ω。が式（２ｇ）を満たさないがｌ　ｋ
＋　（ｓ、　ｒ２．ｖ２’）　ｌが一定となるような：
屯囲にあり、メインタンク３０がフレキシブルな場合、
すなわち加圧時にメインタンク３０が圧力によって変形
する場合、γＰ０νとＡ、の比を割算器４０で求めると
次のようになる。

式（５ｅ）にはΔＶと１に１１の２つの未知数がある。

これらの値は、キャリブレーションにより実験値として
求められる。また、液量ｖＬは次式より求められる。

ＶＬ＝　ＶＴ＋　ＡＶ　　Ｃ・ｌ　ｋ＋　ｌ　　　　　
　　　（５ｆ）△Ｖ：加圧による歪補正量 ｃ−１に＋＋　：駆動周波数の変動による補正１次に、
上記の如きメインタンク３ｏがフレキシブルな場合のシ
ステムの作動を説明する。上記体積変化機構３３によっ
てメインタンク３゜内の空洞部分の体積ｖ２がＶ。Ｓｉ
ｎω。ｔの体積変化せしめられる。この体積変化分に伴
なう圧力は圧力検出器３４によって電気信号に変換され
、並列接続された増幅度γｖ０を有するローパスフィル
タ４５と角周波数ω。における増幅率１のバンドパスフ
ィルタ３７に供給される。

ローパスフィルタ４５によってメインタンク３０内の静
的な絶対圧力がγＶＯＰＯとして検出され、また体積変
化機構３３の駆動周波数と同一の周波数を中心周波数と
して設定され、かつその周波数を中心として体積変化機
構３３の駆動周波数の変動周波数を通過させるように設
定されたバンドパスフィルタ３７で体積変化分Ｖ。ｓｉ
ｎωｏしに相当する圧力変化分変化分の最大値は振幅検
出器３９でγ−Ｐ、とじて検出される。その後、ローパ
スフィルタ４５の出力は振幅検出器３９の出力で割算器
４０によって除算される。その除算値は増幅度１ｋｌを
有する増幅器４６で増幅されることによりメインタンク
３０の空洞部分の体積ｖ２と加圧によるメインタンク３
０膨張時の体積変化量ΔＶとの和となり、設定されたタ
ンク３の全体積ｖＴ＋ΔＶから引算器４１で引算される
と、その結果が液体４の体積ｖＬとなる。

上記本発明の各実施例において、メインタンク３０内に
燃料を注入したときのタンク内体積を測定した結果、第
１４図に示す如く、測定原器で測定した液体量と略一致
し、精度の高い体積測定がなされた。

次に本発明のタンク構造の他の実施例として第１５図及
び第１６図を参照して説明する。

即ち、タンク３゛が円柱等の一方向の断面が同−形状の
ものの場合には、前記タンク３゛の一方向の同一形状の
断面と同一形状で、かつ上下端部に設けられた孔３°ａ
、　３°ｂを有する仕切板３°Ｃで、タンク３゛内を仕
切り、小さな測定室３°ｅを形成せしめ、この測定室３
’ｅ内の液体体積を測定するようにすれば、体積変化機
構３３を推定することができるのでこれに伴なって装置
全体型状を極めて小さくすることもできる。

ただし、この場合、測定室３°ｅと、タンク３゜との体
積比を前もって測定しておく必要があり、測定室内の液
体４の体積に前記比を掛は合わせた値がタンク内の液体
の全体積となる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、タンク内の一部に、タン
ク内収容物が入り込まない空洞部を形成し、この空洞部
内体積を可変させるための、体積変化手段と、その体積
変化手段の動作に伴なう空洞部内圧力変化を検出する圧
力センサを設けて、その圧力センサからの出力信号でタ
ンク内収容物の体積を測定することができるので、その
タンク内収容物の残存量を、圧力と電気的信号によって
、きわめて容易かつ正確に検出することができる。従っ
てぎわめて簡単かつコンパクトな機構によってタンク内
収容物が検出できるので検出の容易性、設備の経済性等
が高められる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は第１図において
体積変化機構３３の駆動周波数とタンク内収納物体積と
を変化させたときの伝達関数の係数に２の変化状態を示
す特性図、第３図は第１図を説明するための原理説明図
、第４図は、第３図において体積変化機構３３の駆動周
波数とタンク３０内の収納物体積とを変化させたときの
伝達関数の係数に１の変化状態を示す特性図、第５図は
、本発明の詳細な説明図、第６図は本発明の他の実施例
の説明図、第７図は体積変化機構３３の詳細説明図、第
８図（Ａ）は第７図における変化機構の動作説明図、第
８図（Ｂ）は第８図（Ａ）の解析モデル図、第９図は体
積変化機構の他の実施例を示した説明図、第１０図は本
発明によるシステム説明図、第１１図は車両運転時のリ
ターン燃料熱による圧力変動の周波数スペクトル図、第
１２図は運転時におけるリターン燃料の熱変動による圧
力変動と、液体揺動とタンク壁面の振動とによる圧力変
動の周波数スペクトル図、第１３図は他の実施例による
システム説明図、第１４図は第１０図による実施例の体
積測定値を示すグラフ、第１５図はタンクに仕切板を設
けた他の実施例説明図、第１６図はその外観図、第１７
図乃至第２１図は従来例の説明図である。 ３０・・・メインタンク　３１・・・補正用タンク３２
・・・連結バイブ　　３３・・・体積変化機構３４・・
・ゲージセンサ　３５・・・通気孔３６．３７・・・バ
ンドパスフィルタ ３８．３９・・・振幅検出器 ４０・・・割算器　　　　４１・・・引算器４２・・・
増幅器　　　　４３・・・微分回路４４・・・増幅器 ４５・・・ローパスフィルター ４６・・・増幅器 第 図 第 図 Ｖｏ（ｔ） 第 図 空洞部分体積ｖｉ（ａｌ 第 図 第 図 （Ａ） （Ｂ） ワ　〉 第 図 周波数（Ｈｚ） Ｑ０ スペクトル（ｋｇ−ｆ／αり 体積認定［（＋１１ 第 図 Ｔ−ｍ（Ｅａ ＋ｌンＦｌｌスフィルタ 振幅検出器 第 １５図 第 １６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　タンク内圧力を１つの圧力センサで検出し、その検
   出信号を２つの並列接続された ローパスフィルタとバンドパスフィルタで前記タンク内
   の静的圧力及び動的圧力を抽出 し、該抽出された静的圧力を動的圧力で除算し、その除
   算結果に基づいて体積演算手段で前記タンク内に収納さ
   れた被測定物の体積を算出する体積測定方法。 ２　タンク内圧力を所定の周波数で変化せしめる圧力変
   化手段と、前記タンク内圧力を検出する一つの圧力セン
   サと、該圧力センサからの検出信号から前記タンク内の
   静的圧力を抽出するローパスフィルタと、該ローパスフ
   ィルタに並列的に接続され、前記圧力センサからの検出
   信号から、前記圧力変化手段の周波数と同一周波数の信
   号成分を抽出するバンドパスフィルタと、前記ローパス
   フィルタの出力を前記バンドパスフィルタで除算する割
   算器と、該割算器からの出力に基づいて前記タンク内に
   収納された被測定物の体積を算出する体積算出手段とを
   備えていなることを特徴とする体積測定装置。