JPH0658897A - 液体のアルコール濃度検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共振周波数にバラツキが生じても、燃料のメ
タノール含有率を精度よく検知する。 【構成】 センサ部Ａのコイル４のインダクタンスや燃
料通路２中の燃料の誘電率に応じた容量等で並列共振回
路を構成する。コイル４に直列接続される検知回路部Ｂ
１の抵抗器１０の両端の高周波電圧信号の位相を位相比
較器１１で比較し、その比較誤差信号をフィルタ１２、
比較積分器１３を介して発振器１４に制御信号として供
給し、この発振器１４の発振信号Ｓvcoを増幅器１５を
通じて抵抗器１０の他端に供給する。この位相同期ルー
プによって発振器１４の発振周波数を共振周波数と一致
させ、分周器１６より共振周波数に１対１に対応した周
波数の信号Ｓoutを得る。分周器１６の分周比を調整す
る分周比調整手段１７を設け、共振周波数にバラツキが
あっても、燃料の誘電率に１対１に対応するように分周
器１６の出力周波数を調整し、メタノール含有率を精度
よく検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば自動車等のエ
ンジンに用いられるメタノール混合燃料中のメタノール
含有率を測定するアルコール濃度検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、米国や欧州等の各国で、石油の消
費量の低減と、自動車排気ガスによる大気汚染の低減を
図るため、ガソリン中にメタノ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。このようなメタノール
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、メタノ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
転が困難となるため、メタノール混合燃料中のメタノー
ル含有率を検出して、この検出値に応じて、空燃比、点
火時期などを調整している。

【０００３】従来、このようなメタノール含有率の検出
には、メタノール混合燃料の誘電率を検出する方法と、
屈折率を検出する方法が主に提案されている。本出願人
は先に誘電率を検出してメタノール含有率を検出する装
置を提案した（特願平３−２２４８８号参照）。以下、
この装置を図６を使用して説明する。

【０００４】図において、Ａはセンサ部を示している。
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円筒状絶縁管である。この
絶縁管１の内側には、その柱面が絶縁管１の柱面と略平
行で、かつ絶縁管１と同軸の円柱状の導電性電極３が設
けられる。また、絶縁管１の外側の導電性電極３と対向
する位置に単層巻コイル４が巻回され、４ａ，４ｂは単
層巻コイル４のリードである。この単層巻コイル４の内
周面と絶縁管１の管壁を隔てて導電性電極３の外周面と
の間に燃料通路２が形成される。

【０００５】５は導電性電極３が取り付けられると共に
燃料シール７を介して絶縁管１と結合されて全体で燃料
容器を形成するフランジであり、この例では導電性電極
３と一体に形成される。６は燃料を導くニップルであ
る。Ｂは検知回路部を示している。上述した単層巻コイ
ル４のリード４ａは検知回路部Ｂを構成する抵抗器１０
の一端に接続される。なお、単層巻コイル４のリード４
ｂは接地される。

【０００６】抵抗器４の一端および他端に得られる信号
は０°位相比較器１１に供給されて位相比較される。位
相比較器１１の出力信号は低域通過フィルタ１２を介し
て比較積分器１３に供給される。この比較積分器１３に
は、さらに位相差０°に相当する基準電圧Ｖrefが供給
される。比較積分器１３では、フィルタ１２の出力信号
と基準電圧Ｖrefとの差が積分される。比較積分器１３
の出力信号は電圧制御発振器１４に制御信号として供給
される。この電圧制御発振器１４より出力される高周波
の発振信号Ｓvcoは出力増幅器１５を介して抵抗器１０
の他端に供給される。また、電圧制御発振器１４より出
力される発振信号Ｓvcoは分周器１６に供給されて分周
される。

【０００７】次に、この装置の動作について説明する。
センサ部Ａは、図７に示したような等価回路で概略与え
られる。図において、Ｌは単層巻コイル４のインダクタ
ンス、Ｃｆ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との間に生じる容
量、Ｃｓは単層巻コイル４を燃料から保護する絶縁管１
の絶縁物質を誘電体とする容量、Ｃｐはリード４ａに寄
生する浮遊容量や位相比較器１１の入力容量等、燃料の
誘電率εとは無関係の容量である。

【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、並列ＬＣ共振特性を示す。す
なわち、このときの並列共振周波数ｆは、図中の記号を
用いると、概略、

【０００９】 ｆ＝１／［２π ｛Ｌ（Ｃｐ＋１／（１／Ｃｓ＋１／Ｃｆ））｝］ ＝ｋ／ （ａ＋ｂ×ε） ・・・（１）

【００１０】となる。ここで、ｋ，ａ，ｂはセンサ部の
形状によって決まる定数である。例えば、絶縁管１の径
や肉厚、絶縁管１の材料の誘電率、導電性電極３と単層
巻コイル４の間隔、単層巻コイル４の自己インダクタン
ス等による。

【００１１】共振周波数ｆ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が大き
くなる程、共振周波数ｆは低くなる。また、メタノール
とガソリンとの任意の混合燃料においては、共振周波数
ｆはメタノールの含有率に応じて、概略図８に示すよう
な変化を示した。したがって、この共振周波数ｆに対応
する信号を検知することにより、燃料の誘電率ε、ひい
てはメタノール混合燃料中のメタノール含有率を検知で
きる。

【００１２】検知回路部Ｂは、上述した共振周波数ｆを
検知するように構成されている。燃料通路２にメタノー
ル混合燃料を流した状態で、電圧制御発振器１４より増
幅器１５を介して抵抗器１０の他端に発振信号Ｓvcoが
供給されると、抵抗器１０の両端にそれぞれ高周波電圧
信号が得られ（一方は抵抗器１０と単層巻コイル４の直
列回路に印加され、他方は単層巻コイル４に印加され
る）、これら２つの高周波電圧信号が位相比較器１１に
供給されて位相が比較される。

【００１３】この場合、電圧制御発振器１４より出力さ
れる発振信号Ｓvcoの周波数が上述した共振周波数ｆと
同じ周波数であるときは、電流は電圧と同位相となり、
抵抗器１０の両端に得られる２つの高周波電圧信号の位
相差は０°となる。そのため、位相比較器１１、従って
比較積分器１３からは位相差０°に対応する信号が出力
され、電圧制御発振器１４の発振周波数はそのままに保
持される。

【００１４】これに対して、電圧制御発振器１４より出
力される発振信号Ｓvcoの周波数が共振周波数ｆに対し
てずれているときは、電流は電圧と同位相とはならず、
抵抗器１０の両端に得られる２つの高周波電圧信号の位
相差は０°とならない。そのため、位相比較器１１、従
って比較積分器１３からは位相差に応じたレベルの信号
が出力され、電圧制御発振器１４の発振周波数が共振周
波数ｆに等しくなるように、従って上述した２つの高周
波電圧信号の位相差が０°となるように制御される。こ
れにより、電圧制御発振器１４の発振周波数は常に共振
周波数ｆとなるように制御され、分周器１６からは共振
周波数ｆに１対１に対応した周波数を有する出力信号Ｓ
outが得られる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来のメタノール混合
燃料のメタノール濃度検知装置は以上のように構成され
ているので、装置によってセンサ部Ａの絶縁管１の肉厚
や絶縁管１と導電性電極間距離にバラツキが生じ、従っ
て幾何容量にバラツキが生じ、共振周波数ｆが変化し、
装置によって同一のメタノール含有率に対する出力信号
Ｓoutの周波数ｆoutがバラツキ（図８に図示）、正確な
メタノール含有率を検知することが困難になるという問
題点があった。

【００１６】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、共振周波数にバラツキが生じて
も、アルコールを含む液体よりアルコール含有率を精度
よく検知できる液体のアルコール濃度検知装置を提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る液体のア
ルコール濃度検知装置は、アルコールを含む液体の誘電
率に応じて共振回路の共振周波数が変化する誘電率検知
手段と、この誘電率検知手段の共振回路の共振周波数と
同じ周波数を出力する共振周波数検知手段と、この共振
周波数検知手段の出力周波数を分周する分周器と、この
分周器の分周比を調整する分周比調整手段とを備え、分
周器の出力周波数により液体のアルコール含有率を検知
するものである。

【００１８】

【作用】この発明においては、分周比調整手段によって
分周器の分周比を調整することができるため、誘電率検
知手段の共振回路の共振周波数にバラツキがあったとし
ても、液体の誘電率に１対１に対応するように分周器の
出力周波数を調整し得る。これにより、液体のアルコー
ル含有率、例えばメタノール混合燃料のメタノール含有
率を精度よく検知することが可能となる。

【００１９】

【実施例】

実施例１．図１は、この発明に係る液体のアルコール濃
度検知装置の一実施例を示す構成図である。本例はメタ
ノール混合燃料のメタノール濃度を検知する例である。
図１において、図６と対応する部分には同一符号を付
し、その詳細説明は省略する。本例においては、検知回
路部Ｂ１に分周器１６の分周比を可変調整するための分
周比調整手段１７を設ける。

【００２０】図２は、分周器１６と分周比設定手段１７
の具体構成を示している。図において、分周器１６をバ
イナリカウンタ１６ａおよびフリップフロップ１６ｂに
て構成する。また、分周比調整手段１７をディジタルコ
ンパレータ１７ａおよびディジタルスイッチ１７ｂにて
構成する。

【００２１】分周器１６を構成するバイナリカウンタ１
６ａのクロック端子ＣＫには電圧制御発振器１４より出
力される発振信号Ｓvcoを供給する。カウンタ１６ａは
発振信号Ｓvcoの立ち上がりまたは立ち下がりによって
カウントアップされる。このカウンタ１６ａのカウント
出力Ｐを分周比調整手段１７を構成するディジタルコン
パレータ１７ａの一方の入力端子に供給する。このコン
パレータ１７ａの他方の入力端子にはディジタルスイッ
チ１７ｂで設定されるディジタル値Ｑを供給する。

【００２２】コンパレータ１７ａは、ＰおよびＱのディ
ジタル値を比較し、両者が一致するとき例えばハイレベ
ル「Ｈ」のイコール信号Ｓeqを出力する。そして、この
コンパレータ１７ａより出力するイコール信号Ｓeqをカ
ウンタ１６ａのクリア端子ＣＬＲに供給すると共に、フ
リップフロップ１６ｂのクロック端子ＣＫに供給する。
フリップフロップ１６ｂの出力は、クロック端子ＣＫに
イコール信号Ｓeqが供給されるごとに反転する。そし
て、このフリップフロップ１６ｂの出力信号を分周器１
６の出力信号Ｓoutとして出力する。

【００２３】以上の構成において、発振信号Ｓvcoによ
ってカウンタ１６ａがカウントアップされ、そのカウン
ト出力Ｐがディジタルスイッチ１７ｂで設定されるディ
ジタル値Ｑと等しくなるごとに、カウンタ１６ａはリセ
ットされると共に、フリップフロップ１６ｂの出力は反
転する。したがって、フリップフロップ１６ｂの出力、
つまり分周器１６の出力信号Ｓoutは、電圧制御発振器
１４より出力される発振信号Ｓvcoを１／（２×Ｑ）に
分周したことになり、分周比Ｒを分周比調整手段１７を
構成するディジタルスイッチ１７ｂの設定によって調整
できる。

【００２４】なお、図３Ａは電圧制御発振器１４からの
発振信号Ｓvco、同図Ｂはコンパレータ１７ｂより出力
されるイコール信号Ｓeq、同図Ｃは分周器１６の出力信
号Ｓoutを示している。図１に戻って、その他の構成は
図６の例と同様とする。

【００２５】本例において、分周器１６の分周比の調整
は以下のようにして行われる。センサ部Ａの燃料通路２
内に、例えば１０〜２５の範囲内の比誘電率を持つ所定
の燃料または試験液（例えば一級試薬イソプロピルアル
コール）を満たし、この状態で分周器１６の出力信号Ｓ
outの周波数ｆoutが上述した所定の燃料または試験液の
誘電率に対応する基準周波数ｆrとなるように分周器１
６の分周比Ｒを分周比調整手段１７でもって調整する。
図２の例では、分周比調整手段１７を構成するディジタ
ルスイッチ１７ｂに設定されるディジタル値Ｑを調整す
ることで行うことができる。

【００２６】この場合、上述した所定の燃料または試験
液をセンサ部Ａの燃料通路２内に満たしたときの電圧制
御発振器１４の発振周波数をｆ0とすると、分周器１６
の分周比Ｒは以下の式で与えらえる。この式で、０．５
を加えているのは、分周比Ｒが整数で与えられることに
対応し、四捨五入をする意味である。

【００２７】 Ｒ＝ＩＮＴ（ｆ0／ｆr＋０．５） ・・・（２）

【００２８】ここで、ｆrを４ｋＨｚ、分周器１６の基
本分周比を１／２０００とすると、この調整の精度は４
０００／２０００＝２Ｈｚ程度となり、充分な精度を持
つようになる。

【００２９】本例においては、上述したように分周器１
６の分周比の調整を行うことで、図８で示したような特
性が、図４に示すような特性に調整される。図４は、基
準液体としてメタノール含有率６０％相当の誘電率を持
つ試験液を用いて調整した場合の例である。図５は、図
８の特性でのメタノール含有率検知誤差と図４の特性で
のメタノール含有率検知誤差との比較を示したものであ
り、本例のように分周器１６の分周比を調整することに
より、検知精度を飛躍的に向上できる。

【００３０】実施例２．なお、上述実施例では、センサ
部Ａの単層巻コイル４と導電性電極３が同軸の例を示し
たが、必ずしも同軸でなくてよく、要は単層巻コイル４
の柱面と導電性電極の間に燃料による静電容量が存在す
るようにすればよい。また、上述実施例では、メタノー
ル混合燃料のメタノール含有率の検出に用いた場合を示
したが、他の液体中のアルコール含有率検知用として広
く適用できることは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、アル
コールを含む液体の誘電率に応じて共振回路の共振周波
数が変化する誘電率検知手段と、この誘電率検知手段の
共振回路の共振周波数と同じ周波数を出力する共振周波
数検知手段と、この共振周波数検知手段の出力周波数を
分周する分周器と、この分周器の分周比を調整する分周
比調整手段とを備え、分周器の出力周波数により液体の
アルコール含有率を検知するので、分周比調整手段によ
って分周器の分周比を調整することができ、誘電率検知
手段の共振回路の共振周波数にバラツキがあったとして
も液体の誘電率に１対１に対応するように分周器の出力
周波数を調整でき、液体のアルコール含有率、例えばメ
タノール混合燃料のメタノール含有率を精度よく検知す
ることができる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る液体のアルコール濃度検知装置
の一実施例を示す構成図である。

【図２】分周器および分周比調整手段の具体構成を示す
ブロック図である。

【図３】図２の例の各部の信号波形を示す図である。

【図４】一実施例での出力特性を示す図である。

【図５】従来例と一実施例の誤差を比較して示した図で
ある。

【図６】従来例を示す構成図である。

【図７】センサ部Ａの等価回路を示す図である。

【図８】従来例での出力特性を示す図である。

【符号の説明】

１ 円筒状絶縁管 ２ 燃料通路 ３ 導電性電極 ４ 単層巻コイル ４ａ，４ｂ リード １０ 抵抗器 １１ ０°位相比較器 １２ 低域通過フィルタ １３ 比較積分器 １４ 電圧制御発振器 １６ 分周器 １７ 分周比調整手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルコールを含む液体の誘電率に応じて
   共振回路の共振周波数が変化する誘電率検知手段と、 この誘電率検知手段の共振回路の共振周波数と同じ周波
   数を出力する共振周波数検知手段と、 この共振周波数検知手段の出力周波数を分周する分周器
   と、 この分周器の分周比を調整する分周比調整手段とを備
   え、 上記分周器の出力周波数により上記液体のアルコール含
   有率を検知することを特徴とする液体のアルコール濃度
   検知装置。