JPH0735599A - レベル測定機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極棒を設置せずに被測定液のレベルを測定
することができるレベル測定機器を提供することにあ
る。 【構成】 容器１の頂部に一方の電極板５を設けると共
に、容器１内の誘電性の被測定液２を他方の電極板６と
し、双方の電極板５、６を、空気３の静電容量を測定す
る測定機本体４に接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量を測定して被測
定液のレベルを測定するレベル測定機器に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のレベル測定機器には電極式、静電
容量式、超音波式などのものがある。

【０００３】電極式レベル測定機器は図１３に示すよう
に、容器ｔ中に長さの異なる二本の電極ａ、ｂを挿入し
て通電するものであり、電極ａ、ｂが被測定液ｄに浸漬
されていると導電性の被測定液ｄが導通するので、この
レベルｅが電極ａの下端より上にあることが検知され
る。これを利用して複数の電極を設けて被測定液ｄの上
限、下限などを検知することができる。

【０００４】超音波式レベル測定機器は図１４に示すよ
うに、容器ｔ頂部に振動子ｏを設けて、この振動子ｏか
ら発振する超音波ｓが容器ｔ内の被測定液ｄに反射して
戻って来るまでの時間を計測して、被測定液ｄのレベル
ｅを検知するものである。これを利用して超音波式レベ
ル測定機器はコントローラｃ、入力装置ｉ、ポンプｐな
どを備えた液量調整装置などに使用されている。

【０００５】静電容量式のレベル測定機器は図１５に示
すように、電極棒ｂを金属性の容器ｔに挿入して、測定
機本体ｍによって電極棒ｂと容器ｔ壁面との間の空気ａ
の静電容量Ｃａを測定し、静電容量Ｃａの変化の割合が
容器ｔ内の被測定液ｄの量に比例することを利用して被
測定液ｄのレベルｅを検知するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の静電容量式のレベル測定機器の構成では、容器ｔに
よっては電極棒ｂの設置が困難なものがあり、また容器
ｔ中に攪拌機がある場合は電極棒ｂが取付けられない場
合がある。さらに非金属性の容器の場合は二本の電極棒
を使用しなければならないなどの欠点があった。

【０００７】また電極棒ｂに被測定液ｄが付着すること
があり、正確に測定できなくなり、被測定液ｄが酸、ア
ルカリ等の場合や誘電性物質の場合には、電極棒ｂを保
護するために被覆しなければならず、電極棒ｂの選定や
加工が難しくコストもかかるなどの問題点を有してい
た。

【０００８】さらに静電容量式のレベル測定機器では被
測定液ｄ固有の比誘電率があるため、機種選定が困難で
あるなどの問題点があった。

【０００９】また個別に実使用状態で容器ｔ内の被測定
液ｄを空または下限にして零点調整をし、被測定液ｄを
満量または上限にしてスパン調整（感度調整）する必要
があるが、現実には被測定液ｄを容易に出し入れするこ
とができないことが多く、調整が困難な場合が多かっ
た。

【００１０】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、その第一の目的とするところは、電極棒を設置せず
に被測定液のレベルを測定することができるレベル測定
機器を提供することにある。

【００１１】また本発明の第二の目的とするところは、
電極の設置や加工が容易でコストの安いレベル測定機器
を提供することにある。

【００１２】さらに本発明の第三の目的とするところ
は、容器の被測定液の増減が少なくても調整可能なレベ
ル測定機器を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第一の目的を達成するた
めに本発明のレベル測定機器は、容器の頂部に一方の電
極板を設けると共に、容器内の誘電性の被測定液を他方
の電極板とし、双方の電極板を、空気の静電容量を測定
する測定機本体に接続した構成を有している。

【００１４】また第二の目的を達成するために本発明の
レベル測定機器は、電極をプレート状にして、このプレ
ート電極を容器の周側面部に互いに離間させて配置し、
双方のプレート電極を、空気の静電容量を測定する測定
機本体に接続した構成を有している。

【００１５】また好ましくはこのレベル測定機器は、一
対のプレート電極を絶縁性のシートに設けてユニット化
した構成を有している。

【００１６】さらに好ましくはこのレベル測定機器は、
複数のプレート電極を絶縁性のシートに設けてユニット
化した構成を有している。

【００１７】さらに第三の目的を達成するために本発明
のレベル測定機器は、容器内の被測定液に浸漬される電
極と容器中の空気の静電容量を測定する測定機本体とを
備え、この測定機本体に、測定機本体から静電容量に対
応して出力される出力信号を表示値に変換するコントロ
ーラと、コントローラからの出力信号を表示する表示器
と、測定すべき容量に対するデータを入力してコントロ
ーラに出力する入力装置とを備える測定手段を接続した
構成を有している。

【００１８】好ましくはこのレベル測定機器は、被測定
液の二点のレベルが入力装置に入力されてコントローラ
に出力されると、この出力と測定機本体から出力される
二点のレベルの静電容量とから、任意の被測定液のレベ
ルを演算する演算手段をコントローラが備えている。

【００１９】また好ましくはこのレベル測定機器は、容
器の寸法と被測定液の比誘電率とのいずれか一方が未知
である場合に、被測定液の一点のレベルが入力装置に入
力されてコントローラに出力されると、この出力と測定
機本体から出力される静電容量とから前記未知数を演算
し、任意の被測定液のレベルを演算する演算手段をコン
トローラが備えている。

【００２０】さらに好ましくはこのレベル測定機器は、
容器の寸法と被測定液の比誘電率とのいずれもが既知で
ある場合に、測定機本体から出力される静電容量から任
意の被測定液のレベルを演算する演算手段をコントロー
ラが備えている。

【００２１】

【作用】請求項１の発明の構成によって、被測定液のレ
ベルは、誘電性の被測定液の液位が他方の電極板の役割
を果たし、この液位と一方の電極板との間の空気の静電
容量を測定することにより計測される。従って、電極棒
の設置が不要になるし、また、空気の静電容量のみを測
定するので液固有の比誘電率に無関係に測定が可能にな
る。

【００２２】請求項２の発明の構成によって、電極をプ
レート電極としたことにより、電極の容器への設置が容
易になって、容器の周面部であれば設置場所を選ばない
し、容器内に攪拌機があっても液位の測定が可能にな
る。

【００２３】請求項３の発明の構成によって、容器中の
被測定液の容量と表示値との相関関係が確立するので、
被測定液の少しの増減によってもレベル測定機器の調整
が完了し、著しくコストを削減する。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について、図１乃至
図３を参照しながら説明する。

【００２５】図１に示すように非金属性の容器１の頂部
に電極板５を、非金属性の容器１の底部に電極板６を設
置し、電極板５、６をそれぞれ測定機本体４に接続し
て、電極板５、６間の静電容量を測定する。被測定液２
が誘電性物質の場合は、そのときの液位が電極板６の役
割を果たし、容器１中の空気３の静電容量Ｃを測定する
ことができる。

【００２６】次に測定原理を説明する。

【００２７】図１において容器１の長さをＬ、被測定液
２の液位をｎとし、電極板５の容器１への取付部５ａを
除く断面積をＳａとすると、容器１中の空気３の静電容
量Ｃは、空気３の誘電率をＥａ（＝１）とすると、（数
１）で求められる。

【００２８】

【数１】 従って被測定液２の液位の上限と下限における空気３の
静電容量Ｃを測定しておけば、中間の静電容量Ｃは演算
によって求めることができる。

【００２９】また金属性の容器１の場合は電極板５は一
個のみでよいが、電極板５は絶縁物８を介して容器１と
接するように設置する（図３）。このときの空気３の静
電容量Ｃａは上記と同様にして（数２）によって求めら
れる。

【００３０】

【数２】 この場合は絶縁物８を介して電極板５と金属性の容器１
間の静電容量も加算される。その値は絶縁物８の誘電率
をＥｂ、絶縁物８の厚みをｄ、電極板５の全断面積をＳ
とすると、絶縁物８の静電容量Ｃｂは（数３）によって
求められる。

【００３１】

【数３】 しかしこの値は電極板５設置後は固定であるから、測定
される実静電容量からこの値Ｃｂを引き算すればよい。

【００３２】また非金属性の容器１の場合は図４に示す
ように、電極板６とレベル測定機器４のアース端子を回
路９によって接続して測定する。

【００３３】以上のように本実施例によれば、非金属性
の容器１の場合、電極板５、６を使用して容器１中の空
気３の静電容量Ｃを測定し、金属性の容器１の場合も同
様に、または電極板５一個とし、容器１を他の電極とし
て容器１中の空気３の静電容量Ｃａを測定して被測定液
２のレベルを計測することができるので、電極棒の設置
が不要となって電極棒に被測定液２が付着することがな
く、保守が容易である。また容器１中に攪拌機があって
も電極板５、６の取付けが可能である。さらに空気３の
静電容量Ｃ、Ｃａのみを測定するので被測定液２固有の
比誘電率に無関係に計測することができる。

【００３４】（実施例２）以下本発明の第二の実施例に
ついて、図５及び図６を参照しながら説明する。図は容
器及び電極板部分のみを示し、測定機本体は省略してあ
る。

【００３５】図５（ａ）に示すように金属性の容器１の
場合は、絶縁性シート（接着物質）１２との二層構造の
プレート電極１１を互いに離間させて容器１内壁に貼り
付けて静電容量を測定する。

【００３６】また図５（ｂ）に示すように非金属性の容
器１の場合は、絶縁性シート又は非絶縁性シート（接着
物質）１３との二層構造のプレート電極１１を互いに離
間させて容器１内壁に貼り付けて静電容量を測定する。

【００３７】次に測定原理を説明する。

【００３８】上記の図５（ａ）、（ｂ）において、プレ
ート電極１１を平行平板と考える。そして図６（ａ）に
示すようにプレート電極１１間が空気３で満たされ、高
さＬのプレート電極１１に対し、高さＡまで比誘電率Ｅ
ｒの被測定液２で満たされているとする。このときの系
内の静電容量は図６（ｂ）のように等価的に置き換える
ことができ、全体の静電容量はプレート電極１１間が空
気３で満たされたＣａと、比誘電率Ｅｒの被測定液２で
満たされたＣｂの合成容量で求められる。

【００３９】ここで平行平板のプレート電極１１間に生
じる静電容量Ｃは、プレート電極１１の面積をＳ、プレ
ート電極１１間距離をｄ、誘電率をＥとしたときに（数
４）で求められるから、Ｃａ、Ｃｂは（数５）、（数
６）で表されることになる。

【００４０】

【数４】

【００４１】

【数５】

【００４２】

【数６】 また並列コンデンサの合成容量は（数７）であるのでこ
れを求めると（数８）となり、高さＡによって静電容量
Ｃがリニアに変化することがわかる。

【００４３】

【数７】

【００４４】

【数８】 従ってこの静電容量Ｃを検知することにより被測定液２
のレベルを測定することができる。

【００４５】（実施例３）以下本発明の第三の実施例に
ついて、図７及び図８を参照しながら説明する。図は容
器及び電極板部分のみを示すものである。

【００４６】図７に示すように非金属性の容器１の場
合、絶縁性シート又は非絶縁性シート（接着物質）１３
との二層構造のプレート電極１１を互いに離間させて容
器１外壁に貼り付けて静電容量を測定する。

【００４７】次に測定原理を説明する。

【００４８】図８（ａ）に示すように高さＡまで誘電率
Ｅ₁ の被測定液２が入っているとすると、系内の静電容
量は図８（ｂ）のように等価的に置き換えることができ
る。そして図８（ｂ）の合成容量Ｃは（数９）で求めら
れ、この式においても高さＡによって静電容量Ｃがリニ
アに変化することがわかるので、これを検知し被測定液
２のレベルを測定することができる。

【００４９】

【数９】 （実施例４）以下本発明の第四の実施例について、図９
を参照しながら説明する。図は電極部分のみを示すもの
である。

【００５０】図９（ａ）は絶縁性シート１４の上に二枚
のプレート電極１１を貼り付け、プレート電極１１をユ
ニット化したものであって、このユニットを容器内壁に
貼り付けて静電容量を測定する。。

【００５１】図９（ｂ）は図９（ａ）の形状を小さく
し、容器内壁の任意の位置に取付け可能なスイッチとし
て使用する。

【００５２】また図１０は小型のプレート電極１１を絶
縁性シート１４に二枚以上貼り付け、容器内壁に貼り付
けて多点のスイッチとして使用する。これは被測定液２
に浸漬された範囲のプレート電極１１間の静電容量は大
きく、その他の範囲のプレート電極１１間の静電容量は
小さいことを利用して、静電容量の変化点だけを検出し
多点のスイッチとして使用するものである。尚、静電容
量の検出方法としては、定電流充電、定電圧充電などを
利用する方法がある。

【００５３】これらの測定原理は形状が異なるだけで前
記実施例と同様である。

【００５４】以上のように第二乃至第四の実施例はいず
れもプレート電極１１を容器に貼り付ける方式としたの
で、プレート電極１１が変形し易く設置場所を選ばず運
搬が楽であり、容器内に攪拌機などがあっても場所をと
らないので設置が可能である。またプレート電極１１の
加工がやり易くコストがかからない。

【００５５】（実施例５）以下本発明の第五の実施例に
ついて、図１１及び図１２を参照しながら説明する。

【００５６】図１１において、容器１に電極１１を接続
したレベル測定機器の測定機本体４を設置し、この測定
機本体４に測定手段２０であるコントローラ２１、表示
器２２、入力装置２３を接続してある。

【００５７】容器１の被測定液２の容量がＬａ、Ｌｂの
ときに容器１と電極１１の間に生じる静電容量をＣａ、
Ｃｂとする。このとき測定機本体４からは、Ｃａ、Ｃｂ
に対応して出力信号Ｉａ、Ｉｂが出力される。この出力
をコントローラ２１が受け取り、Ｉａ、Ｉｂに対応する
表示値Ｄａ、Ｄｂ（例えば％、容量、レベル等）に変換
し、表示器２２に表示するように設定されている。この
場合、容量Ｌａ、Ｌｂは被測定液２の容器１内の下限、
上限である必要はなく任意の値を選ぶことができる。

【００５８】ここで先ず被測定液２を容量Ｌａだけ容器
１内に投入し、入力装置２３により容量Ｌａに対応して
表示させたい表示値Ｄａを入力する。次に被測定液２を
容量Ｌｂに増量してＬｂに対する表示値Ｄｂを入力す
る。これによって容器１中の被測定液２の容量Ｌと表示
値Ｄとの相関関係が図１２のように確立するので、容器
１の被測定液２の量を大幅に変化させることなく、レベ
ル測定機器の調整が完了する。

【００５９】この相関関係を用いて任意の容量Ｌｘに対
して、図１２のように外挿または内挿してコントローラ
２１が演算し、表示器２２に対応する表示値Ｄｘ（例え
ばレベル）を表示するので、被測定液２のレベルを検知
することができる。

【００６０】（実施例６）以下本発明の第六の実施例に
ついて、図１１を参照しながら説明する。

【００６１】図１１において、容器１の形状が円筒で、
電極１１の形状が円柱で長さが無限長と仮定すると、容
器１と電極１１の間に形成される長さ１ｍ当たりの静電
容量は（数１０）で求められる。

【００６２】

【数１０】 これにより容器１が比誘電率Ｅｓの被測定液２で満たさ
れ、長さｎの電極１１がｘだけ被測定液２に浸漬されて
いる場合の容器１と電極１１の間に生じる静電容量Ｃ
（ｘ）は（数１１）で求められる。

【００６３】

【数１１】 この（数１１）をコントローラ２１に記憶させておくこ
とによって、次の調整が可能になる。

【００６４】１）容器１の形状は分かっているが被測定
液２の比誘電率が不明の場合。

【００６５】電極の長さｈ、容器１と電極１１の直径
Ｄ、ｄは入力装置２３により入力するなどしてコントロ
ーラ２１にあらかじめ記憶させておく。次に容器１に被
測定液２を投入し、電極１１が任意の値ｘだけ被測定液
２に浸漬されるようにする。ここでｘを入力装置２３で
入力しコントローラ２１に記憶させる。レベル測定機器
の測定機本体４からは静電容量Ｃ（ｘ）がコントローラ
２１に与えられる。ここでコントローラ２１によって
（数１１）を使ってＥｓが求められる。以上で（数１
１）の右辺の定数Ｅｓ、ｈ、Ｄ、ｄがすべて決定し調整
が完了する。

【００６６】これ以降被測定液２の量を変化させると、
それに伴い測定機本体４よりＣ（ｘ）の値がコントロー
ラ２１に与えられる。コントローラ２１は（数１１）に
よりｘを求め、必要に応じてこの値を適当にスケーリン
グし表示器２２に表示することにより、被測定液２のレ
ベルを検知することができる。

【００６７】２）容器１の正確な寸法は分からないが被
測定液２の比誘電率Ｅｓが既知の場合。

【００６８】あらかじめ電極の長さｈ、直径ｄはコント
ローラ２１に記憶させておく。１）と同様に被測定液２
を投入し、電極の浸漬値ｘをコントローラ２１に記憶さ
せる。測定機本体４からコントローラ２１にはＣ（ｘ）
が与えられる。ここでコントローラ２１はこれらの既知
の値より（数１１）から容器１の直径Ｄを求める。これ
で（数１１）の右辺の定数Ｅｓ、ｈ、Ｄ、ｄがすべて決
定し調整が完了する。これ以降は１）と同様にして被測
定液２の任意のレベル計測をすることができる。

【００６９】以上のように、１）、２）の方法によって
被測定液２の任意の一点のレベルを測定し、（数１１）
を使って未知数が求められるので、これによってレベル
測定機器の調整が完了する。

【００７０】（実施例７）以下本発明の第七の実施例に
ついて説明する。

【００７１】容器１の寸法、被測定液２の比誘電率Ｅｓ
が分かっている場合。

【００７２】あらかじめ入力装置２３によりコントロー
ラ２１にＥｓ、ｈ、Ｄ、ｄの値を入力しておく。以降は
１）と同様にして被測定液２の任意のレベル計測をする
ことができる。

【００７３】以上のように、この方法によって被測定液
２のレベルを測定することなしにレベル測定機器の調整
が完了する。

【００７４】以上容器１の形状は円筒形を例に説明した
が、他の形状であってもそれに対応する式を（数１１）
と同様にコントローラ２１に記憶させておくことによ
り、種々の形状の容器に対応できる。

【００７５】

【発明の効果】以上のように本発明は、容器の頂部に一
方の電極板を設けると共に、容器内の誘電性の被測定液
を他方の電極板とし、双方の電極板を、空気の静電容量
を測定する測定機本体に接続することにより、被測定液
のレベルは、誘電性の被測定液の液位が他方の電極板の
役割を果たし、この液位と一方の電極板との間の空気の
静電容量を測定することにより計測される。従って、電
極棒の設置が不要になるし、また、空気の静電容量のみ
を測定するので液固有の比誘電率に無関係に測定が可能
になる。

【００７６】また本発明は、電極をプレート状にして、
このプレート電極を容器の周側面部に互いに離間させて
配置し、双方のプレート電極を、空気の静電容量を測定
する測定機本体に接続することにより、電極の容器への
設置が容易になって、容器の周面部であれば設置場所を
選ばないし、容器内に攪拌機があっても液位の測定が可
能になる。

【００７７】さらに本発明は、容器内の被測定液に浸漬
される電極と容器中の空気の静電容量を測定する測定機
本体とを備え、この測定機本体に、測定機本体から静電
容量に対応して出力される出力信号を表示値に変換する
コントローラと、コントローラからの出力信号を表示す
る表示器と、測定すべき容量に対するデータを入力して
コントローラに出力する入力装置とを備える測定手段を
接続することにより、容器中の被測定液の容量と表示値
との相関関係が確立するので、被測定液の少しの増減に
よってレベル測定機器の調整が完了し、著しくコストが
削減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のレベル測定機器を備えた
容器の断面図である。

【図２】同容器の要部断面図である。

【図３】同金属性の容器の要部断面図である。

【図４】同非金属性の容器の断面図である。

【図５】（ａ）本発明の第二実施例のプレート電極を備
えた金属性の容器の断面図である。 （ｂ）同非金属性の容器の断面図である。

【図６】（ａ）同容器のレベル測定原理説明図である。 （ｂ）同容器のレベル測定原理説明図である。

【図７】本発明の第三実施例のプレート電極を備えた非
金属性の容器の断面図である。

【図８】（ａ）同容器のレベル測定原理説明図である。 （ｂ）同容器のレベル測定原理説明図である。

【図９】（ａ）本発明の第四実施例のプレート電極の斜
視図である。 （ｂ）同他のプレート電極の斜視図である。

【図１０】同他のプレート電極の斜視図である。

【図１１】本発明の第五実施例のレベル測定機器の概略
構成説明図である。

【図１２】同レベル測定機器の被測定液の容量と表示値
との関係を示す図表である。

【図１３】従来の電極式レベル測定機器を備えた金属性
の容器の断面図である。

【図１４】従来の超音波式レベル測定機器を備えた金属
性の容器の断面図である。

【図１５】従来の静電容量式レベル測定機器を備えた金
属性の容器の断面図である。

【符号の説明】

１ 容器 ２ 被測定液 ３ 空気 ４ 測定機本体 ５ 電極板 ６ 電極板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甲斐 梅吉 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器の頂部に一方の電極板を設けると共
   に、容器内の誘電性の被測定液を他方の電極板とし、双
   方の電極板を、空気の静電容量を測定する測定機本体に
   接続したことを特徴とするレベル測定機器。
2. 【請求項２】 電極をプレート状にして、このプレート
   電極を容器の周側面部に互いに離間させて配置し、双方
   のプレート電極を、空気の静電容量を測定する測定機本
   体に接続したことを特徴とするレベル測定機器。
3. 【請求項３】 一対のプレート電極を絶縁性のシートに
   設けてユニット化した請求項２記載のレベル測定機器。
4. 【請求項４】 複数のプレート電極を絶縁性のシートに
   設けてユニット化した請求項２記載のレベル測定機器。
5. 【請求項５】 容器内の被測定液に浸漬される電極と容
   器中の空気の静電容量を測定する測定機本体とを備え、
   この測定機本体に、測定機本体から静電容量に対応して
   出力される出力信号を表示値に変換するコントローラ
   と、コントローラからの出力信号を表示する表示器と、
   測定すべき容量に対するデータを入力してコントローラ
   に出力する入力装置とを備える測定手段を接続したこと
   を特徴とするレベル測定機器。
6. 【請求項６】 被測定液の二点のレベルが入力装置に入
   力されてコントローラに出力されると、この出力と測定
   機本体から出力される二点のレベルの静電容量とから、
   任意の被測定液のレベルを演算する演算手段をコントロ
   ーラが備えた請求項５記載のレベル測定機器。
7. 【請求項７】 容器の寸法と被測定液の比誘電率とのい
   ずれか一方が未知である場合に、被測定液の一点のレベ
   ルが入力装置に入力されてコントローラに出力される
   と、この出力と測定機本体から出力される静電容量とか
   ら前記未知数を演算し、任意の被測定液のレベルを演算
   する演算手段をコントローラが備えた請求項５記載のレ
   ベル測定機器。
8. 【請求項８】 容器の寸法と被測定液の比誘電率とのい
   ずれもが既知である場合に、測定機本体から出力される
   静電容量から任意の被測定液のレベルを演算する演算手
   段をコントローラが備えた請求項５記載のレベル測定機
   器。