JPH0620977Y2

JPH0620977Y2 - 体積測定装置

Info

Publication number: JPH0620977Y2
Application number: JP1988115183U
Authority: JP
Inventors: 克司大根田
Original assignee: 株式会社カンセイ
Priority date: 1988-09-01
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2003-09-01
Also published as: JPH0237326U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］この考案は、タンク内に収納された液体の体積を測定す
る体積測定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Ｖ_T、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Ｖ₀（≪
Ｖ₁，Ｖ₂）、補正室９の体積をＶ₁、タンク３内の圧力
をＰ₀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Ｐ₀（Ｖ₂＋ｖ₀＋Ｖ₁）^γ＝ｎＲＴ₀ が成立する。なお、ｎはシリンダ８、補正室９及びタン
ク３の夫々の空洞部の気体のモル数、Ｒはガス定数、Ｔ
₀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ｖ₀＝０となる
と共にタンク３内圧力がΔＰ₀だけ増加し、（Ｐ₀＋ΔＰ₀）（Ｖ₂＋Ｖ₁）^γ＝ｎＲＴ₀ が成立する。これより、 P(V₂＋ｖ₀＋Ｖ₁）^γ＝(P₀+ΔP₀)(V₂+V₁)^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、Ｐ₀（ｖ₀＋Ｖ₁）^γ＝ｎＲＴ₀ 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ΔＰ₀′だけ増加するので、（Ｐ₀＋ΔＰ₀′）Ｖ₁ ^γ＝ｎＲＴ₀ が成立する。これにより、 P₀（ｖ₀＋Ｖ₁）^γ＝(P₀+ΔP₀′）Ｖ₁ ^γ…(3) 式(3)は、近似的にとなり、これよりとなる。ここでシリンダ８の最大体積変化量に対応する
体積ｖ₀および補正室９の体積Ｖ₁は既知で、かつΔ
Ｐ₀′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Ｖ_L
は、Ｖ_T−Ｖ₂によって求めることができる。なお、第１
７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を供給するパイプである。

次に、上記の如く説明した考案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Ｖ_Tに対して充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のパイプ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のパイプ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12a、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信号の供
給を後述の演算処理回路２１から受け、光センサ１７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１８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、バンドバスフ
ィルタ１９の出力を入力し、その波高値を検出する。２
１は演算処理回路で、CPU(CENTRAL PROCESSOR UNIT)、R
OM(READ ONLY 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１
０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Ｖ₁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ΔＰ₀′（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γＰ₀＝ΔＰ₀′Ｖ₁／Ｖ₀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105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、ステップピストン10
5では、前のステップ103で求めた係数γＰ₀、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
ｖ₀、該体積ｖ₀と同様にROMに記憶された補正室９の体
積Ｖ₁及び圧力センサ１２によって検出された圧力ΔＰ₀
（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）に基づいてタンク３内空洞部分の体積Ｖ₂を求
め、次に液面位算出ステップピストン106に進み、直前
のステップピストン105で求めたタンク３内空洞部分の
体積Ｖ₂をROMに記憶されたタンク３の全体積Ｖ_Tから減
算することによって液体４の体積Ｖ_L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1
07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１６
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１
６を一定角速度ω₀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Ｖ₁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1
2c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を介して振幅算
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。

［考案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３と補正室９
とをバルブ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］この考案は、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
体積変化手段と、この体積変化手段に、被測定物である
液体の跳ね上り等による外力負荷が作用されることがな
いようにするための筒状保護筒と、上記体積変化手段の
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
物の体積を正確に測定することができるようにした体積
測定装置を提供することにある。

［実施例］以下に本考案の実施例を第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には連結パイプ３２を介して補正用タンク３１が連通
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Ｖ₁，Ｖ₂の２種類のタンク３１，３０によって構
成される。タンク３１，３０は流量抵抗ｒ₁のパイプ３
２によって接続されており、タンク３０の通気孔３５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ｖ₀(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３０
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)＝０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ｐ₀、Ｔ₁、ｎ₁、またはタンク
３０の中の気体の絶対圧力、温度、モル数をそれぞれｐ
₀、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。

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＋Δｐ₁(t)，温度はＴ₁＋ΔＴ₁(t)，モル数はｎ₁−Δｎ₁₂(t)と変化する。

タンク３０においては、圧力はｐ₀＋Δｐ₂(t)，温度はＴ₂＋ΔＴ₂(t)，モル数はn₂＋Δｎ₁₂(t)-Δn₂(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、Δ
ｎ₂(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)≪｛Ｖ₁，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ΔP₁(t)、ΔＰ₂(t)、ΔＴ
₁(t)、ΔＴ₂(t)、Δｎ₁₂(t)、Δｎ₂(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
ｐ₀、Ｔ₁、Ｔ₂、ｎ₁、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。

p₀V₁＝n₁RT₁，p₀V₂＝n₂RT₂ (1a) また仮定１），３），４），５）より、動的状態におい
てはタンク３１，３０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。

流量抵抗ｒ，上式のr₁，r₂はパイプ３２の長さと直径
ｄより次の式のように求められる。

この式は長さが50〜650［mm］、直径ｄが2.0〜9.0［m
m］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。

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ｖ₀(t)の変化に伴うタンクの拡張又は収縮による体
積変化量である。

式(1a)〜(1i)にラプラス変換を施し、入力ｖ(t)から出
力ΔＰ₁(t)までの伝達関数を求めると次のようになる。

となる。係数r₂V₂/RT₂，r₁V₂/RT₂，r₁V₁/RT₁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k₂(s,r₁,r₂,V₁,V₂)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k₂(s,r₁,r₂,V₁,V₂)の周波数特性において、適当な周
波数、例えば区間Ａの４×１０^-4〜１０^-3Hzの周波数を
選ぶことにより近似的に定数と見做せる。

r₁<<<r₂（r₂は空気等の通気孔３５の流量抵抗）で熱時
定数τとr₂{V₁+MinV₂}/RT₂が同程度の値なら次のような
角周波数が存在する。

この条件において補正係数k₂(s,r₁,r₂,V₁,V₂)は次のよ
うに近似される。

｜k₂(iω，r₁,r₂,V₁,V₂)｜≒１ ∠k₂(iω，r₁,r₂,V₁,V₂)＝０(2d) ゆえに、式（２ｃ）の条件を満たす場合、入力ｖ(t)か
ら出力ΔＰ₁(t)までの伝達関数はγP₀／(V₁+V₂+ΔＶ）
となる。

なお、体積変化機構３３が角周波数ω₀で正弦波に駆動
される場合、が満たされていれば、パイプ３２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の間を結合するパイプ
３２の断面積を非常に大きくしたもので、これによりパ
イプ３２の流量抵抗ｒ₁の値が非常に小さくなる場合に
相当する。これより、第３図の入力ｖ(t)から出力ΔＰ₂
(t)までの伝達係数は式(2a)においてｒ₁→０、Ｔ₂＝
Ｔ₁、ΔＰ₂＝ΔＰ₁、Ｖ₂′＝Ｖ₁＋Ｖ₂としたものであ
り、次のようになる。

ここで、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^-3Hz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k₁(iω,r₂,V₃′）は次のように近似され
る。

｜k₁(iω，r₂,V₃′）｜≒１， ∠k₁(iω，r₂,V₃′）≒０ (2i) このとき、伝達関数はγＰ₀/(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ω_L，ω_H（ω_L＜ω_H）で
同時に（ｖ₀ sin ω_Lt+v₀ sin ω_Ht)、又は交互に
（ｖ₀ sin ω_Lt,v₀ sin ω_Ht)駆動し、パイプ３２
は、高い角周波数ω_Hでは流量抵抗ｒ₁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、パイプ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
が適用される。

ここで補正タンク３１の容積をＶ₁、メインタンク３０
内の気体の体積をＶ₂、メインタンク３０内の液体の体
積をＶ_L、補正タンク３１とメインタンク３０の容積の
和をＶ_Tとする。

補正タンク３１の圧力変化Δp₁(t)は式(2h)を満たす角
周波数ω_H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ω_Lが式(2c)を満たすとき、Δp₁(t)
は次のようになる。

次に低い角周波数ω_Lではパイプ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適
用される。

そこでｖ(t)を角周波数ω_Lで駆動したときのΔp₁′(t)
の振幅を測定すると、ここでω_Hで駆動したときのΔp₁(t)の振幅をＡ₁、ω_Lで
駆動したときのΔp₁(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V₁+V₂は次のように求められる。

液量Ｖ_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Ａ₁，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、｜ｋ₁｜／｜ｋ₂｜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
Ｖ、｜ｋ₁｜／｜ｋ₂｜を求める方法である。

このとき、液量Ｖ_L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（ｖ₀sinω_Lt＋ｖ₀sinω_Ht)（ω_L＜
ω_H）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
_Lで、角周波数ω_L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_H角で角周波数ω_H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_L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γP₀v₀は、高い方の角周波数ω_Hの信号成
分の振幅を検出する他方の振幅検出器３９の出力で割算器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Ｖ₁との和
（V₁+V₂）が算出される。

その算出結果Ｖ₁＋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_T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Ｖ_L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Ｖ₁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（ｖ₀sinω_Lt＋ｖ₀sinω_Ht)（ω_L＜ω_H）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_L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は角周波数ω_H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３８，３９で振幅が検出され、低い方の
角周波数ω_L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γ｜ｋ₁｜P₀v₀は、高い方の角周波数ω_H
の信号成分の振幅を検出する他方の振幅検出器３９の出
力で割算器４０によって除算され、が算出される。

その算出結果は、圧力の伝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｜ｋ₂／ｋ₁｜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(V_T+V₁+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Ｖ_Lが算出
される。なお、ΔＶと｜ｋ₂｜／｜ｋ₁｜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図において本考案の具体的実施例
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33
aに取付ねじ33b及びバッキン33cを介して気密に取付け
られる蓋体33dの内側には、ヨーク収容室33eを形成する
ためのヨーク収納ハウジング33sが取付けられている。
このヨーク収納ハウジング33sは、その上端部に比較的
大径の通気孔33tが設けられ、かつその下側面には、後
述するガイド杆33f及び連結杆33が遊嵌される孔33g′
及び33gが穿設されている。上記のヨーク収容室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、かつ上面に大径の通気孔33rが設け
られている第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33iに取付けらえる第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、ソレノイドコイル33kが位置されている。
このソレノイドコイル33kは、前記蓋体33dにヨーク収納
ハウジング33sを介して固定されている。第２のヨーク3
3jには、前記ヨーク収納ハウジング33sに設けられた孔3
3qを貫通する連結杆33が取付けられており、この連結
杆33の先端は、剛性を有する底板33mの中央部に固定
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の下端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の収納時に、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。33uは前記筒状ベローズ33nの外側に、
その筒状ベローズ33nとは接触されないように近接され
る有底の筒状保護部材であって、その底面には該被覆部
材内で結露した水滴等を筒状ベローズ33nの伸長時に吐
出させるための細孔33vが穿設されている。またその筒
状保護部材33uの上端縁と、ヨーク収納ハウジング33sの
鍔部との間に気密に介装される基材33xには、前記のソ
レノイドコイル33kから発せられ、そして通気孔33r及び
33tを通って放熱されようとする熱を筒状ベローズ33nの
収縮時に筒状保護部材33uの外部へ排出して、その筒状
ベローズ33nの内外の温度差を零とするための通気孔33w
が穿設されているものである。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Ｋ_b：ベローズ33nのバネ定数ｘ：ベローズ33nの変位ｍ：第１及び第２のヨーク33h，33jとマグネット33iとの質量の和ｄ：ベローズ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33kの磁束密度Ｉ：マグネット33iの磁束を切るソレノイド33kのコイルの長さｉ：ソレノイド33kを流れる電流Ｌ：ソレノイド33kのインダクタンスＲ：ソレノイド33kのコイル抵抗Ｖ₁：ソレノイド33kに印加される増幅器４４の電圧Ｖ：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＝ｂＩｉ …(7) Ｖ＝Ｖ₁−ＢＩｘ …(9) Ｖ₁＝Ｇｘ …(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Ｌは数mHと小さく無視できるとし、次
のような式で表せるとする。

バネ定数ＫはベローズK_bと空気バネにより次のように
表すことができる。

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。

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^-1を用いて第５図の特性を近
似する。

よって式(6)′，(7)，(8)′，(9)，(10)′より次の状態
方程式が成り立つ。

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)を求めるととなり、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Ｖ₀ s
in ω₀t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４５と中心角周波数ω₀における増幅
率１のハンドパスフィルタ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γ
ｖ₀P₀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
を設定されたハンドパスフィルタ３７で体積変化分Ｖ₀
sin ω₀tに相当する圧力変化分として検出される。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Ｖ_Tから引算器４１で引算される
と、その結果が液体４の体積Ｖ_L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。

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)の増幅器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′−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、機械的外部振動がベローズ33n
に加えられ、その共振角周波数ω₀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37′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
ンク壁面の振動及びガソリンのスロッシュイングによる
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、１〜15Hz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ω₀が式(2g)を満たさないが｜k₁(s、r₂、V
₂′）｜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、γＰ₀vとA₁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｜ｋ₁｜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Ｖ_Lは次式より求められる。

V_L＝V_T+ΔV-C・｜ｋ_１｜ (5f) ΔＶ＝加圧による歪補正量Ｃ・｜ｋ_１｜：駆動周波数の変動による補正量次に、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ｖ₀
Sin ω₀t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ω₀における増幅率１のハンドパス
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γｖ₀P₀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ハンドパスフィルタ
３７で体積変化分ｖ₀ sin ω₀tに相当する圧力変化分として検出される。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｜ｋ｜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Ｖ_T
＋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Ｖ_Lとなる。

上記本考案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。

次に本考案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け合わせた値がタンク内の液体
の全体積となる。

またこの実施例によれば、ベローズ33n即ち体積変化機
構３３の周囲に位置される筒状保護部材33uを備えてい
ることから、例えばタンク３内に収容されている液体４
が機械的揺動によって液面が跳ね上ったり、大きな波と
なって生じる液体外力がベローズの外側面に衝突しよう
としても、その衝撃力が上記筒状保護部材33uにより阻
止されるために、そのベローズ33nには外力が作用され
ることがない。従ってそのベローズが外力で変動される
ことがないので測定誤差を生じることなく正確な体積測
定ができる。

［考案の効果］以上のように本考案によれば、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、体積変化機構と、その体積
変化機構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でき、さらに安定した
精度で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図は本考案の原理説明図、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係の係数ｋ₂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ｋ₁の変化状態を示す特性図、第５図
は、本考案の実施例の説明図、第６図は本考案の他の実
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
考案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……連結パイプ、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

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】タンク内に位置させて、該タンク内圧力を
所定の周波数で変化せしめる体積変化機構と、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、前記体積
変化機構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、前記体積変化機構の
周囲を囲み、被測定物による外力が、前記体積変化機構
に作用されないように保護する筒状保護部材とを備えて
なることを特徴とする体積測定装置。