JPH05126779A - 燃料の誘電率検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料の誘電率が急変した場合でも正確な制御
を行なうことができ、精度が高く大量生産に適した燃料
の誘電率検知装置を得る。 【構成】 増幅器１８から単層巻コイル４に抵抗１０を
介して矩形状高周波を印加し、単層巻コイル４と抵抗１
０の接続点に現われる正弦的高周波を波形整形器１１に
より矩形状高周波に変換し、変換された矩形状高周波の
デューティが５０％になるように単層巻コイル４に直流
電圧を印加し、抵抗１０の両端の信号の位相差が０°と
なるように高周波の周波数を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼器等に供給され
る燃料の誘電率を非接触で検知し、燃料の性状を判別す
る燃料の誘電率検知装置に関し、特に自動車等のエンジ
ンに用いられる燃料のアルコール含有率を測定するもの
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、米国や欧州等の各国において、石
油の消費量の低減と、自動車の排気ガスによる大気汚染
の低減を図るため、ガソリン中にアルコールを混合した
燃料が自動車用として導入されつつある。しかし、この
ようなアルコール混合燃料をガソリン燃料の空燃比にマ
ッチングされたエンジンにそのまま用いると、アルコー
ルがガソリンに比べて理論空燃比が小さいため、空燃比
がリーン化して運転が困難となった。そこで、アルコー
ル混合燃料中のアルコール含有率を検出し、この検出値
に応じて空燃比、点火時期等を調整することが行なわれ
ている。

【０００３】従来、上記のようなアルコール含有率の検
出には、アルコール混合燃料の誘電率を検出方法と、屈
折率を検出する方法が主に提案されており、本出願人は
これらの方法のうち誘電率を検出する方法について特願
平３−２２４８８号により出願しており、以下この方法
について図面を用いて説明する。

【０００４】図５は特願平３−２２４８８号に示された
従来の誘電率検知装置の構成を示し、Ａはセンサ部であ
り、１はセラミック、耐油性プラスチック等の絶縁体で
形成され、内部に燃料が導かれる有底の円筒状絶縁管、
３は絶縁管１の内部に設けられ、その外周面が絶縁管１
の内周面と略平行でかつ絶縁管１と同軸の円柱状の導電
性電極、４は絶縁管１の外周の導電性電極３と対応する
位置に巻回された単層巻コイル、４ａ，４ｂは単層巻コ
イル４のリード、２は単層巻コイル４の内周面と絶縁管
１を隔てて導電性電極３の外周面との間に形成された燃
料通路である。

【０００５】５は導電性電極３が取り付けられるととも
に、絶縁管１と燃料シール７を介して結合され、全体と
して燃料容器を形成するフランジであり、ここでは導電
性電極３と一体に形成されている。６は燃料通路２に燃
料を導くニップルである。Ｂは検知回路部を示し、１０
は単層巻コイル４のリード４ａに直列に接続された直列
抵抗（抵抗値Ｒ_S ）、１４は直列抵抗１０と並列に接続
された０°位相比較器である。

【０００６】又、１５は位相比較器１４の出力側に接続
された低域通過フィルタ、１６は低域通過フィルタ１２
の出力側及び位相差０°に相当する所定基準電圧Ｖ_ref
が接続された比較積分器、１７は比較積分器１６の出力
が接続された電圧制御発振器、１８は電圧制御発振器１
７の出力増幅器であり、その出力は直列抵抗１０に接続
される。１９は電圧制御発振器１７の出力周波数の分周
器である。

【０００７】次に、上記した従来装置の動作について説
明する。センサ部Ａは図４（ａ）又はこれをさらに詳し
くした図４（ｂ）の等価回路で概略示され、Ｌは単層巻
コイル４のインダクタンス、Ｃ_f は燃料通路２中の燃料
の誘電率εに応じて変化する単層巻コイル４と導電性電
極３との間に生じる静電容量、Ｃ_P はリード４ａに寄生
する浮遊容量や０°位相比較器１１の入力容量等、燃料
の誘電率εと無関係な容量である。

【０００８】ここで、センサ部Ａのリード４ａに印加す
る周波数を変化させると、図４（ｃ）に示すような並列
ＬＣ共振を示す。即ち、このときの並列共振周波数ｆ_r
は ｆ_r ＝1/(2π√（Ｌ×（Ｃ_P ＋Ｃ_S ))) ＝Ｋ／√（ａ＋ｂ×ε） …（１） で示される。ここで、Ｋ，ａ，ｂはセンサ部Ａの形状に
よって決まる定数である。共振周波数ｆ_r は（１）式に
示したように燃料の誘電率εに依存するため、燃料の誘
電率εが大なるほど共振周波数ｆ_r は低くなる。

【０００９】例えば、所定のセンサ形状で測定した結果
では、燃料が誘電率ε＝３３のメタノールでの共振周波
数ｆ_r は７．５MHz であり、誘電率ε＝２のガソリンで
は約９．５MHz であった。又、メタノールとガソリンと
の任意の混合燃料においては、メタノールの含有率に応
じて概略図４（ｄ）に示したような共振周波数ｆ_r の変
化を示す。従って、共振周波数ｆ_r に対応する信号を検
知することにより、燃料の誘電率ε、さらにはメタノー
ル混合燃料中のメタノール含有率を検知することができ
る。

【００１０】検知回路部Ｂは共振周波数ｆ_r を検知する
ように構成されており、以下検知回路部Ｂの動作を説明
する。燃料通路２にメタノール混合燃料を流した状態で
増幅器１８から抵抗１０と単層巻コイル４の直列回路に
高周波信号が与えられ、抵抗１０の両端間の電圧信号、
即ちこの直列回路に印加される高周波電圧信号と単層巻
コイル４に印加される高周波電圧信号とが位相比較器１
４に入力され、両者の位相が比較される。

【００１１】いま、共振周波数ｆ_r と同じ周波数の高周
波電圧信号が上記直列回路に印加されたとすると、図４
（ｃ）に示したようにセンサ部Ａの電流電圧位相は０°
となるので、抵抗１０の両端の高周波電圧の位相差は０
°となる。一方、共振周波数ｆ_r より低い周波数の高周
波電圧信号が上記直列回路に印加されたとすると、図４
（ｃ）に示すようにセンサ部Ａの電流電圧位相は０°よ
り進むので、上記直列回路に印加する高周波信号の位相
を基準として、抵抗１０の両端の高周波電圧の位相差は
０°より大となる。

【００１２】従って、位相比較器１４の出力を低域通過
フィルタ１５を介して位相差に相当する直流電圧に変換
し、この直流電圧と位相差０°に相当する直流電圧Ｖ
_ref とを比較積分器１６に入力して両者の差を積分し、
比較積分器１６の出力を、上記直列回路に抵抗１０を介
して高周波信号を印加している電圧制御発振器１７に入
力することにより、位相同期ループが形成される。

【００１３】電圧制御発振器１７はこの位相同期ループ
により抵抗１０の両端の高周波電圧信号間の位相差が０
°となるように制御し、電圧制御発振器１７の発振周波
数は常に共振周波数ｆ_r で発振することになる。このた
め、電圧制御発振器１７の出力周波数を分周器１９によ
り適当な周波数に分周して周波数出力ｆ_out を得る。
又、電圧制御発振器１７の発振周波数と制御入力電圧と
が一体一に対応するので、比較積分器１６の出力が電圧
出力Ｖ_out として取り出される。

【００１４】次に、従来装置の具体例について説明す
る。図６は位相比較器１４として排他的論理和回路１４
ｃを含むものを用い、抵抗１０の両端に現われる高周波
電圧信号の位相差が０°となるような位相同期ループを
形成した場合の具体例を示し、図７は図６の各部信号Ｐ
１〜Ｐ６のタイミングチャートを示す。電圧制御発振器
１７から出力された高周波矩形波信号Ｐ１は増幅器１８
の第１のＤフリップフロップ回路１８ａのＣＫポートに
入力され、第２のＤフリップフロップ回路１８ｂのＣＫ
ポートには矩形波信号Ｐ１をインバータ回路１８ｃによ
り位相反転した信号が入力される。

【００１５】又、第２のＤフリップフロップ回路１８ｂ
のＤポートには第１のＤフリップフロップ回路１８ａの
反転出力ポートの信号が入力され、第１のＤフリップフ
ロップ回路１８ａのＤポートには第２のＤフリップフロ
ップ回路１８ｂの出力ポートＱの信号が入力されてお
り、抵抗１０を介して単層巻コイル４に印加される高周
波信号である第１のＤフリップフロップ回路１８ａの出
力ポートＱの信号Ｐ２は高周波矩形波信号Ｐ１の立ち上
がりでデータが更新され、信号Ｐ１を１／２分周した信
号となり、インバータ１４ａを介して排他的論理和回路
１４ｃに入力され、他方第２のＤフリップフロップ回路
１８ｂの出力ポートＱの信号Ｐ３は信号Ｐ１の立下りで
更新され、信号Ｐ２と同一周波数で位相が９０°異なる
信号となる。

【００１６】排他的論理和回路１４ｃの入力には、抵抗
１０と単層巻コイル４との接続点即ち単層巻コイル４に
印加される信号Ｐ４が入力されるとともに、他方の入力
には信号Ｐ３がインバータ１４ｂにより位相反転されて
入力され、この両者の位相を比較する。ここで、抵抗１
０と単層巻コイル４との接続点に現われる高周波信号Ｐ
４は図７に示すように正弦的であるので、その直流レベ
ルをオペアンプ２０と可変抵抗２１によりインバータ１
４ａの判定レベルとなるように調整することにより、正
弦波信号Ｐ４を波形整形して矩形波Ｐ５が得られる。

【００１７】センサ部ＡのＬＣ回路が共振する周波数に
おいては、インバータ１４ａの出力矩形波Ｐ５は、抵抗
１０に印加される矩形波Ｐ２と逆相であり、第２のＤフ
リップフロップ回路１８ｂの出力ポートＱの信号Ｐ３と
は位相が９０°ずれた矩形波信号となる。従って、排他
的論理和回路１４ｃの出力は、抵抗１０の両端に現われ
る信号Ｐ２，Ｐ４の位相差が０°の時即ちセンサ部Ａの
ＬＣ回路が共振する周波数のときにデューティ５０％の
矩形波Ｐ６となり、共振周波数以外の周波数においては
デューティは５０％以下あるいは５０％以上となり、信
号Ｐ２，Ｐ４の位相差に一体一に対応したデューティを
持つ矩形波となる。

【００１８】排他的論理和回路１４ｃの出力Ｐ６は低域
通過フィルタ１５に入力され、その直流出力は抵抗１０
の両端に現われる高周波電圧信号Ｐ２，Ｐ４の位相差と
一体一に対応する。低域通過フィルタ１５の出力は比較
積分器１６に入力され、可変抵抗２２によって抵抗１０
の両端に現われる信号Ｐ２，Ｐ４の位相差が０°のとき
に低域通過フィルタ１５が出力する直流レベルと等しく
なるように調整された電圧Ｖ_ref との差を積分され、そ
の積分値即ち比較積分器１６の出力が電圧制御発振器１
７に入力されて発振周波数が制御される。

【００１９】このように、抵抗１０の両端に現われる高
周波電圧信号Ｐ２，Ｐ４の位相差が０°となるように電
圧制御発振器１７の出力周波数を制御する位相同期ルー
プが形成されるので、電圧制御発振器１７の周波数を分
周器１９で分周した周波数出力ｆ_out は図４に示した燃
料の誘電率ε即ちメタノール含有率に対して単調減少す
る関数となる。又、電圧制御発振器１７に入力される比
較積分器１６の出力も電圧出力Ｖ_out として出力され
る。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来装置では、燃料の誘電率が位相同期ループの制御
が追い付けなくなる程急変すると、信号Ｐ２，Ｐ４の位
相が異なると共に、図４に示したようにＬＣ共振回路の
インピーダンスが小さくなるため信号Ｐ４の振幅が小さ
くなり、正弦的高周波信号Ｐ４を波形整形するインバー
タ１４ａの判定レベルと単層巻コイル４にオペアンプ２
０と可変抵抗２１によって与えている直流レベルとが若
干異なることになり、図８に示すように信号Ｐ４が判定
レベルを横切らなくなり、結果として図８の信号Ｐ５の
ように波形整形が不可能になる。

【００２１】このような状態になると、位相比較器１４
の出力Ｐ６は図８に示すように単に信号Ｐ３を反転した
だけのデューティ５０％の信号となり、低域通過フィル
タ１５の出力は位相同期ループの制御が成立していると
きの出力と同じになり、位相同期ループの制御が破綻し
て燃料の真の誘電率とは異なった信号を出力するという
課題があった。又、本装置を多数製造する場合、インバ
ータ１４ａの判定レベルに応じて単層巻コイル４に与え
る直流レベルを個別に調整しなければならなかった。

【００２２】この発明は上記のような課題を解決するた
めに成されたものであり、燃料の誘電率が位相同期ルー
プの制御が追い付けなくなる程急変した場合でも正常な
制御状態を回復することができるとともに、大量生産に
適した燃料の誘電率検知装置を得ることを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料の誘
電率検知装置は、抵抗を介して検知コイルに矩形高周波
を印加する高周波印加手段と、検知コイルと抵抗の接続
点の信号が入力され、所定の比較レベルと比較して矩形
波を出力する波形整形器と、高周波印加手段の出力と波
形整形器の出力との位相差を検出する位相比較器と、位
相比較器の出力が所定値となるように高周波印加手段の
出力周波数を制御する制御手段と、波形整形器の出力の
デューティを検出するデューティ検出手段と、デューテ
ィ検出手段の出力が所定値になるように検知コイルに直
流電圧を供給するバイアス制御手段を設けたものであ
る。

【００２４】

【作用】この発明においては、検知コイルと抵抗の接続
点に現われる正弦的高周波電圧信号を矩形状に波形整形
する波形整形器の出力デューティが検出され、この出力
デューティが所定値となるように検知コイルに直流電圧
が供給される。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面とともに説明
する。図１はこの実施例による構成を示し、センサ部Ａ
は従来と全く同じである。検知回路部Ｂにおいて、１１
は単層巻コイル４と抵抗１０との接続点に接続された波
形整形器、１２は波形整形器１１の出力が接続された低
域通過フィルタ、１３は低域通過フィルタ１２の出力
と、波形整形器１１の出力のデューティが５０％のとき
に低域通過フィルタ１２が出力する電圧に相当する所定
の基準電圧Ｖ_ref が接続され、リード４ｂを介して単層
巻コイル４に直流レベルを与えるバイアス制御手段、１
４は波形整形器１１の出力と抵抗１０の増幅器１８との
接続側が接続された位相比較器であり、他の構成は従来
と同様である。

【００２６】次に、図２は上記構成の具体例を示し、図
６と同じく抵抗１０の両端に現われる高周波電圧信号の
位相差が０°となるように位相当期ループを形成した場
合の具体例であり、多くの部分は共通となっている。以
下、従来例との違いを中心にして説明する。図３は図２
の各部分の信号波形を示す。

【００２７】電圧制御発振器１７から出力された高周波
矩形波信号Ｐ１は第１のＤフリップフロップ回路１８ａ
のＣＫポートに入力され、第２のＤフリップフロップ回
路１８ｂのＣＫポートには信号Ｐ１をインバータ回路１
８ｃで位相反転した信号が入力される。第１のＤフリッ
プフロップ回路１８ａのＱ出力Ｐ２は抵抗１０を介して
単層巻コイル４に接続され、第２のＤフリップフロップ
回路１８ｂのＱ出力Ｐ３は信号Ｐ２に対して９０°の位
相差を持った高周波矩形波となる。

【００２８】抵抗１０と単層巻コイル４との接続点、即
ち単層巻コイル４に印加される信号Ｐ４はＴＴＬやＣＭ
ＯＳ等の論理回路の一つであるインバータ回路からなる
波形整形器１１により矩形波に整形されるが、その出力
のＨ，Ｌレベルの切り換えは入力が判定レベルＶ_th以上
であればＬ、Ｖ_th以下であればＨとなり、Ｖ_thを調整す
ることはできない。

【００２９】そこで、図６に示す従来では信号Ｐ４の直
流成分としてオペアンプ２０によって単層巻コイル４の
リード４ｂにＶ_thに相当する電圧を供給することにより
波形整形を行なっていたが、この実施例では波形整形器
１１の出力を低域通過フィルタ１２によりそのデューテ
ィに相当する直流電圧に変換し、低域通過フィルタ１２
の出力と波形整形器１１の出力デューティが５０％のと
きに低域通過フィルタ１２が出力する電圧に相当する電
圧Ｖ_ref との差をバイアス制御手段１３内の比例積分器
１３ａで積分し、この積分値を単層巻コイル４のリード
４ｂに供給する。

【００３０】例えば、信号Ｐ４が図３の破線で示したよ
うな場合、波形整形器１１の出力Ｐ５は破線で示すよう
に常時Ｈレベルになる。従って、低域通過フィルタ１２
の出力も常時Ｈレベルとなり、このＨレベルが比較積分
器１３ａに入力されるので、バイアス制御手段１３の出
力が増加し、これによって信号Ｐ４の直流レベルも増加
して波形全体が図３の上方向にシフトされ、最終的に実
線で示したようなレベルに制御される。このため、波形
整形器１１の出力Ｐ５は実線で示したように常にデュー
ティ５０％の矩形波となる。

【００３１】位相比較器１４の排他的論理和回路１４ｃ
はＴＴＬやＣＭＯＳ等により形成され、その一方の入力
には信号Ｐ３がインバータ回路１４ｂを介して入力さ
れ、他方の入力には波形整形器１１の出力Ｐ５が入力さ
れ、両信号が位相比較される。センサ部ＡのＬＣ回路が
共振周波数以外の周波数で励振されているとき、信号Ｐ
５と信号Ｐ２の位相差は０°ではなく、信号Ｐ５，Ｐ３
の位相差も９０°ではないので、排他的論理和回路１４
ｃの出力Ｐ６のデューティは５０％ではなくなる。

【００３２】従って、信号Ｐ６を低域通過フィルタ１５
に入力し、その直流出力を比較積分器１６に入力して位
相差０°に相当する基準電圧Ｖ_ref との差を積分し、こ
の積分値を電圧制御発振器１７に入力してその発振周波
数を制御すると、信号Ｐ４の位相は図３の左方向に進
み、これに伴なって信号Ｐ６の波形も矢印のように変化
し、最終的には図７に示すような位相フィードバック制
御が成立する。

【００３３】なお、上記実施例においては、バイアス制
御手段１３はデューティ５０％に相当する電圧Ｖ_ref を
電源から可変抵抗２３により分圧して得ているが、他の
デューティ５０％の信号例えば信号Ｐ２を低域通過フィ
ルタ１２と同等の低域通過フィルタを介してその直流電
圧を得、この電圧と低域通過フィルタ１２の出力電圧が
等しくなるようにバイアス制御手段１３により単層巻コ
イル４に供給する電圧を制御してもよい。又、本装置を
メタノール混合ガソリン中のメタノール含有率の検出に
用いたが、他の液体中の誘電率の検出にも広く用いるこ
とができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、検知コ
イルと直列に接続された抵抗の両端の電圧の位相差を検
出し、この位相差が所定値となるように抵抗を介して検
知コイルに高周波を印加する高周波印加手段の出力周波
数を制御するとともに、位相差の検出に際して検出コイ
ルと抵抗の接続点の電圧を波形整形器により矩形波に整
形し、この矩形波のデューティが所定値になるように検
知コイルに直流電圧を印加しており、波形整形器の出力
デューティは所定値に制御され、燃料の誘電率が位相同
期ループの制御が追い付けなくなるほど急変し、上記位
相差の検出が正常に行なわれなくなった場合でも早急に
正常な制御状態に回復することができ、誘電率検出の精
度を高めることができる。又、本装置を多量に製造する
場合でも、波形整形器のそれぞれの特性に合せて検知コ
イルへ供給する直流電圧を調整する必要がなく、大量生
産に適した装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明装置の構成図である。

【図２】この発明装置のより具体的な構成図である。

【図３】図２の構成の動作波形を示すタイムチャートで
ある。

【図４】従来装置のセンサ部の等価回路図及び周波数特
性図である。

【図５】従来装置の構成図である。

【図６】従来装置のより具体的な構成図である。

【図７】図６の構成の動作を示すタイムチャートであ
る。

【図８】従来装置の出力誤差の説明図である。

【符号の説明】

Ａ センサ部 １ 絶縁管 ２ 燃料通路 ３ 導電性電極 ４ 単層巻コイル Ｂ 検知回路部 １０ 抵抗 １１ 波形整形器 １２ 低域通過フィルタ １３ バイアス制御手段 １４ 位相比較器 １６ 比較積分器 １７ 電圧制御発振器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料通路に設けられ、燃料の誘電率に応
   じて容量が変化する検知部と、検知部の出力と実質的に
   並列に接続された検知コイルと、検知コイルと直列に接
   続された抵抗と、この抵抗を介して検知コイルに矩形高
   周波を印加する高周波印加手段と、検知コイルと抵抗の
   接続点の信号が入力され、所定の比較レベルと比較して
   矩形波を出力する波形整形器と、高周波印加手段の出力
   と波形整形器の出力との位相差を検出する位相比較器
   と、位相比較器の出力が所定値となるように高周波印加
   手段の出力周波数を制御する制御手段と、波形整形器の
   出力矩形高周波のデューティを検出するデューティ検出
   手段と、デューティ検出手段の出力が所定値となるよう
   に検知コイルの上記抵抗が接続されていない側に直流電
   圧を与えるバイアス制御手段を備え、高周波印加手段の
   出力周波数あるいは制御手段の制御出力により燃料の誘
   電率を検出することを特徴とする燃料の誘電率検知装
   置。