JPH0267924A - 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って
、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
トローク移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ｖＴ、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■。（＜Ｖ
ｌ、Ｖ２　）　、補正室９の体積をＶ、　タンク３内の
圧力な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＋ｖ、）γｌｌｌＩｎ　ＲＴ。

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、Ｔ、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■。＝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＝ｎＲＴ。

が成立する。これより、 Ｐ（Ｖ２＋　ｖ（、十Ｖ、）　　γ＝（ｐｏ＋ΔＰＯ）
　　（Ｖ２”Ｖｌ）　　γ・・・（１） 式（１）は、近似的に となり、タンク３の空洞部分の体積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　　（Ｖｏ　　＋Ｖ＋　　）　　γ＝　ｎ　ＲＴ。

が成立し、また第１８図においてはＶｏ　＝Ｏとなり、
タンク３内圧力がΔＰｏ゛だけ増加するので、 Ｃｐｏ　　＋ΔＰｏ’）Ｖｔ　　γ＝　ｎ　ＲＴｏが成
立する。これにより、 Ｐｃ　（ｖｏ＋　Ｖｌ）γ＝（ｐｏ＋ΔＰｏ’）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Ｖ。及び補正室９の体積Ｖ、は既知で、かつΔＰ０
°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ｙ　Ｖ　Ｔ　−Ｖ　２によって求めることがで
きる。

なお、第１７図および第１８図における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Ｖ、
がタンク３の全体積■Ｔ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７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が液体注入口
５の開口縁まで注入されても補正室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１２ａ１検出圧力室１２ｂ、その双方の圧力
室１２ａ、１２ｂ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及び該歪板に貼付けら
れて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のバイブ１４に直列に第１のバイブ１１に連通さ
れ、その空洞室１３及び第２のバイブ１４は、タンク３
内の圧力変動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、圧力セン
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１５１）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信号
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を一致させる為の信号
をモータ１６に供給する。またモータ駆動制御回路１Ｂ
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ωＧ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ω０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で発生するノイズ成分、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　（ＣＥＮＴＲＡＬ
ＰＲＯＣＥＳＳＯＲｔｌＮＴＴ）、ＲＯＭ　（ＲＥＡＤ
　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、電源を投入すると、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通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■、及びシリン
ダ８の最大体積変化量に対応する体積ｖ０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
Ｐ０′（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γＰ０を式　（４）のγＰｏｍΔ
Ｐ　６’　Ｖ　１／　Ｖ　ｏ　ニ基ツイテ求メる。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ｌＯ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１０５に進み、前記係数推定ステップ１０３で
のピストンフ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で求めた係靭γＰｏ、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Ｖ
０、該体積ｖ０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Δ
Ｐ０（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）に基づい゛〔タンク３内空洞部分の体積Ｖ、
を求め、次の液面位算出ステップ１０１ｉに進み、直前
のステップ１０５で求めたタンク３内空洞部分の体積ｖ
２をＲＯＭに記憶されたタンク３の全体積Ｖ丁から減算
することによって液体４の体積ＶＬ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１０１ｉ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１フ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■１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つ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２ｆに供給さ
れ平均化されることによりて、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１
０が閉成される毎に係数γＰ０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ＴＰＯ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
流量抵抗が大とくなり、バルブ１０を開口し、加圧した
場合に、補正室９とタンク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ω０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、この空洞部内容積を可変させるための
、体積変化度手段と、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ようにし、さらに外部からの機械的
振動に対して、耐振性の優れた体積測定方法及びその装
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
る異形状のメ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。上記補正用タン
ク３１の上部には例えばピストン、ベローズ、ダイヤフ
ラム等の体積変化手段（機構）３３が設けられていて、
この体積変化機構３３の動作によって補正用タンク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２種類のタンク３１．３０によフ
て構成される。タンク３１゜３０は流量抵抗ｒｌのバイ
ブ３２によって接続されており、タンク３０の通気孔３
５は流量抵抗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Ｒ１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（し）とする。

タンク３０．３１が剛体の場合、タンク３０゜３１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、ベローズ等による体積変化量Ｖｏ（ｔ
）と実際に発生する体積変化量ｖ　（ｔ）は等しい。も
しタンク３ｏがフレキシブルな場合、タンク内気圧の加
圧又は減圧時にタンク３０が歪むので、その拡張又は収
縮による体積変化量に応じた分だけｖ　（ｔ）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ｐｏ、Ｔ３、ｎ、、またタン
ク３０の中の気体の絶対圧力、温度、モル数をそれぞれ
ｐ。、Ｔ２、ｎ２とする。測定環境が著しく変化しない
場合、通気孔３５を介してタンク３１．３０内外に気体
が流通するのでタンク３１．３０内の絶対圧力ｐ。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。

ｖ　（ｔ）≠０のとき、圧力、温度、モル数も体積変化
機構３３の状況に応じて変化し、タンク３１において、 圧力はｐ０＋Δｐｌ（ｔ）、温度はＴ１＋ΔＴ。

（ｔ）９モル数はｎｌ−Δｎ＋ａ（ｔ）　と変化する。

タンク３０においては、 圧力はｐ０＋Δｐｚ（ｔ）。

温度はＴ２＋Δ”ｒ　２　（ｔ）　。

モル数はｎ２＋Δｎ＋２（ｔ）−Δｎ２　（ｔ）　　と
変化する。

Δｎ＋１（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３１．３０内気体は理想気体である。

２　）　　ｖ　（ｔ）　　Ｃ（Ｖ　ｒ　　、　　Ｖ　２
　　）３）タンク３０の熱容量は大きく、圧力変化Δｐ
ｚ（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）、ΔＴｌ（ｔ）、ΔＴ２（ｔ）、Δｎ＋２（ｔ）Δ
ｎ２（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ＰＯｌＴｌ、Ｔ３．ｎ、　、
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
。

１）ｏＶｔ−ｎ１ＲＴ１　、９０Ｖ２−　ｎ２ＲＴ２　
　　　　（ｌａ）また仮定１）、３）、４） 状態においてはタンク３１゜ 力、温度、モル数の関係は、 程式で表される。

、５）より、動的 ３０内の気体の圧 次の線形常微分方 （１ｄ） ΔＴ＋　（０）　　−０（ｉｆ） 流量抵抗ｒ、上式のｒｌ＋ｒ２はバイブ３２の長さぁと
直径ｄより次の式のように求められる。

この式は長さ２が５０〜６５０［ｌＴ１ｍ１、直径ｄが
２．０〜９．０［ｍｉｌ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　（ｊ）　−ΔＶ　（ｔ）　　　
　　　　（ｌｈ）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■。（１）の変化に伴うタンク
３０の拡張又は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ｒ２Ｖ２／ＲＴ２　、　ｒｌＶ２／ＲＴ２
　、　ｒ＋Ｖ＋／ＲＴＩ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ｒ、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、ｒＩ、ｒｚ、Ｖｌ、Ｖｚ）は、
メインタンク３０の容積Ｖ、により変化するが、第２図
に示されるｋｚ（Ｓ、ｒｔ、ｒ２．Ｖｌ、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−’〜１Ｏ−３Ｈｚの周波数を選ぶことにより近
似的に定数と見做せる。

ｒ、＜＜＜ｊ２　　（ｒ２は空気等の通気孔３５の流量
抵抗）で熱時定数τとｒｚ（Ｖｔ＋旧ｎＶ２）／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Ｊ（ｓ、ｒ＋＋ｒｚ、Ｖｌ。

Ｖｚ）　は次のように近似される。

ｋ２（ｉω、ｒＩ、ｒ２．Ｖｌ、Ｖｚ）　　ｌ　’９１
ｆｋ２（ｆω、ｒｌ、ｒ２．ｖｌ、ｖ２）　＝　Ｏ（２
ｄ）ゆえに、式（２Ｃ）の条件を満たす場合、人力ｖ　
（ｔ）から出力Δｐ＋（ｔ）　までの伝達関数はγｐｏ
／　（Ｖｌ”Ｖ２＋Δ■）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ｒｌの値が非常に小さくなる場合
に相当する。これより、第３図のｖ　（ｔ）からΔｐ２
（ｔ）　までの伝達関数は式（２ａ）においてｒｌ−０
、Ｔ２−Ｔ＋　ｓ　ＡＰ２−ＡＰ＋、Ｖｚ−Ｖ、　＋Ｖ
２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１Ｏ−３）
１２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、ｒ２゜ｖ３°）は次
のように近似される。

ｌ　ｋ＋（ｉω＋ｒ２．■３’）　ｌ　”Ｐ　Ｌ　。

Ｚｋ、（ｉω、ｒｚ、Ｖ３’）Ｊ４０　　　　　　　　
　（２ｉ）このとき、伝達関数はγｐｏ／　（Ｖ２°＋
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２種類の角周波数ωＬ、ω、（ωしくω、
）で同時に（ｖｏ　ｓｉｎ　ωＬｊ＋Ｖｏｓｉｎ　ωｈ
ｔ）　、又は交互に（Ｖ　ｏ　ｓｉｎ　（ａｌ　Ｌｔ、
　Ｖ　ｏ　Ｓｉｎ　（１１Ｈｔ）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漏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通用される。

ここで補正タンク３１の容積をｖ３、メインタンク３０
内の気体の体積を■７、メインタンク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Ｖアとする。

補正タンク３１の圧力変化Δｐ＋（ｔ）は式（２ｈ）を
満たす角周波数ωＨを用いると、 ９゜ Δｐ＋（ｔ）　＝　ｙ　　　　ｌ　ｋ＋　ｌ　ｖ（，５
ｉｎ（ω）Ｉｔ＋φ１）ｖ１＋ΔＶ Ｐ。

＝γ　　　　Ｖｏ　ｓｉｎ　ω、、ｔ　　　　（３ａ）
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ω５が式（２ｃ）を満たすとき、Δ
ｐ＋（ｔ）は次のようになる。

Ａ１、ωしで駆動したときの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、＋Ｖ２
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
太いパイプ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通
用される。

そこでｖ　（ｔ）を角周波数ω、で駆動したと幹のΔｐ
＋’（ｔ）の振幅を測定すると、 Δｐ＋’（ｔ）＝ 液量りＬは次のように求められる。

また、メインタンク３０がフレキシブルな場合Ａ、、Ａ
、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　、　ｌｂｌ／１ｋｚ
ｌ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、■２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、ΔＶ、ｋｌ／１ｋ２１を求める方法である。

このとき、液量ｖＬは次のように求められる。

ここでωＨ″Ｑ駆動したときのΔｐ＋（ｔ）の振幅を上
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　ｏｓＩｎωＬｔ＋　ｖ　、ｓ
ｉｎω、ｔ）（ω、くω、）の駆動力によりて駆動され
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ωＬ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■角で角周波数ω８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ωＬ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γＰｏｖａは、高
い方の角周波数ω、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内の空洞部分の体積
Ｖ２と補正タンク３１の容積Ｖ、との和（ν１◆Ｖ２）
が算出される。

その算出結果Ｖ、÷ｖ２は引算器４１で設定されている
メインタンク３０の容積ｖ丁と補正タンク３１の容積ｖ
１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ｖＬ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Ｖｔ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　、ｓｉｎω、ｔ＋　ｖ　ｏｓｉｎω□１
）　　（ω、くω、）のｍｗＪ力によって［ｊ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では角周波数ω
、の信号成分が抽出され、また他方のバンドパスフィル
タ３７では角周波数ωＨ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１辰幅検出器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γｌｋ
＋ＩＰｏｖｏ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。

達関数の係数から算出される補正係数に対応する増幅率
１に２／に＋ｉの増幅器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（Ｖｔ
４−ｖ＋◆ΔＶ）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、ΔＶと１ｋ２１／１ｋｌｌ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、タンク３の上側開口部３
３ａに取付ねじ３３ｂ及びパツキン３３ｃを介して気密
に取付けられており、その機構３３を構成する蓋体３３
ｄには、ヨーク収容室３３ｅが形成されると共に、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が収納されている。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３３１　に取付けられる第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３３ｊには、前記蓋体３
３ｄに設けられた孔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交の先端には、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３３０の収縮時に、該細孔３３ｐを介してベローズ３
３ｎ内側空間に入ったタンク３内の気体に含まれる水分
等が凝結したときに発生する水滴等の液体を排出する機
能が設けられている。３３ｒは前記のヨーク収容室３３
ｅ内を気密に間奏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３３ｍ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を上下方向に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（Ａ）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。

Ｋ；ベローズ３３ｎと空気バネとの合成バネ定数 Ｋｂ：ベローズ３３ｎのバネ定数 Ｘ：ベローズ３３ｎの変位 ｄ：べＯ−ズ３３ｎの空気によるダンパ定数ｆ：ベロー
ズ３３ｎに加わる力 Ｇ；増幅器４４のゲイン Ｂ：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ソレノイド３３
にのコイル抵抗 五　−一　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）■
　バネ定数にはベローズＫｂと空気バネにより次のよう
に表すことができる。

■；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。

−ｂｌｉ ・・・（７） Ｐｏ：大気圧 Ｓ：ベローズの実効面積 りｂ：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）式のにＸの項はに（
Ｘ）　　として次のように表せるとする。

ｖ−Ｖ、−Ｂ　　Ｉ　　Ｘ　　　　　　　　　　　　−
（９）Ｖ＋　＝　Ｇ　ｘ　　　　　　　　　　　　　　
　　　・・・（１Ｇ）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ｎＨと小さく無視できると
し、次のような式で表せるとする。

υ ・・・（１２） Ｘ□Ｘ：ベローズの最大伸縮限界 よって式（６）は となる。

■　（１０）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。

２Ｖｍ、や Ｖ、　ｗ　　　　　ｔａｎ−’　（Ｇｘ）　　　　　・
＝　（ｔｏ）　’π ＶＩＩｍｐ：アンプによって得られる電圧よって式（６
１’　、　（７）　、　（８）　’　、　（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３３ｒ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γＶｏを有
するローパスフィルタ４５と中心角周波数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によフてタンク３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
れているが、その体積変化機構３３の駆動周波数が多少
変動するので、その駆動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した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。ｓｉｎω。ｔに相当する圧力変化分子−ｐｏ　ｓ
ｉｎ　ω、）ｔとして検出される。この圧力変化分の最
大値は振幅検出器３９でγ−ＰＧとして検出される。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
りＴから引算器４１で引算されると、その結果カ月夜体
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ω０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り２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
う撮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２０）１ｚ以上
を選択範囲として設定できる。

なお、第１０図におけるバンドパスフィルタ３７゛は、
その中心角周波数ω及び周波数特性に対してゲインを不
変にして遮断特性を有するものであり、そのバンドパス
フィルタ３７°は、第８図（Ａ）の増巾器４４から得ら
れる信号を波形整形器４７でパルス化し、その出力をｆ
’−ｖ（周波数−電圧）変換器４８で電圧に変換し、そ
の変換出力に基づいて鎖線で示す如く中心角周波数ω０
を変化させるものである。その結果、機械的外部撮動が
ベローズ３３ｎに加えられ、その共振角周波数ω。が変
動した場合、その変動に対応してバンドパスフィルタ３
７゛の周波数特性をゲインを変えずに変化せしめ、確実
に体積変化手段３３にするため圧力変化のみを抽出する
ものである。

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
ンク壁面の撮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、１〜１５）１ｚ及び３０Ｈｚ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Ｉ　ｋ
＋　（Ｓ、　ｒｘ、ν２゛）１が一定となるような範囲
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、γＰｏｖ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ｌｋ＋ｌ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、液量りＬは次式より求められる。

ｖＬ＋＊　ｖＴ＋　Δｖ−ｃ・ｌ　ｋ、　ｌ　　　　　
　　　（５ｆ）ΔＶ：加圧による歪補正量 Ｃ・ｌｋ、１：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３０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３０内の空洞部分の体積ｖ２がＶ。Ｓｉｎ
ω。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γｖ（、を有するローパスフィル
タ４５と角周波数ω０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γＶ、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。５ｉ
ｎｏＪｏｔに相当する圧力変化分子！−２−Ｐ）ｓｉｎ
ω。ｔとして検出される。この圧力変化分の最大値は振
幅検出器３９でγｖ　、Ｐ　ｏとして検出される。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３０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一形状の
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
てき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。さらにバンドパスフィルタの
周波数特性を変えられるので、機械的耐振性を向上させ
る効果が得られる。

【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、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撮動とによる圧力変
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・・・？ｍ正用タンク３
２・・・連結バイブ　　３３・・・体積変化機構３４・
・・ゲージセンサ　３５・・・通気孔３６．３７．３７
’　・・・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 Ｖｏ（ｔ） 図 第 図 第 図 （Ａ） 第 図（Ｂ） スペクトル嫁１口？） スペクトル（ｋ区・ｆ／ｃａり 体積測定［（り 第１３図 τ一体積変化ｔ±構 ＼ パンｆＡスフイルラ 振幅検出器 第 １５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　タンク内圧力を所定の周波数で変動せしめて、前記
   タンク内圧力を圧力センサで検出 し、その検出信号をフィルタ手段に供給し、該フィルタ
   手段で前記タンク内の静的圧力及び動的圧力のうち、少
   なくとも動的圧力を抽出し、その抽出結果に基づいて前
   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
   測定方法であって、前記フィルタ手段は、前記タンク内
   圧力を変動せしめる駆動周波数の変動分に対応してその
   遮断周波数を変化せしめることを特徴とする体積測定方
   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、前記タンク内の静的圧力及び動的圧力のうち
   、少なくとも動的圧力を検出する圧力検出手段と、該圧
   力検出手段の出力から少なくとも前記圧力変化手段の所
   定の周波数と同一の周波数成分を抽出するフィルタ手段
   と、該フィルタ手段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測定する体積測定装置であっ
   て、前記圧力変化手段の駆動周波数の変動を検出する第
   １の手段と、該第１の手段からの出力に基づいて前記フ
   ィルタ手段の遮断周波数を変動せしめる第２の手段とを
   備えてなることを特徴とする体積測定装置。