JPS58502021A - 音圧体積測定装置 - 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】 音圧体積測定装置 発明の背景 本発明は、流体又は気体体積測定の分野に関するものであシ、更に具体的に云う と悪条件下における流体レベルのきわめて正確な測定装置に関する。

容器、特に不規則な形をした容器内の液体レベルの測定は、液体の上の気体体積 を測定し容器の既知の総容積から差し引くことによって行うことができる。従っ て、同じ方法が気体又は液体の体積測定にも用いられるであろう。

自動車のガソリンタンクにおけるような流体レベルの測定は、電位差計に結合さ れた何らかの型の浮きデバイス（ｆｌｏａｔ　ｄｅｖｉｃｅ）に殆んど全部とい ってよい程依存してきた。そのような配置は、タンク内に残っている燃料の概算 値を与えることはできるが、最善の条件下でも不正確であシ、誤差を生じさせる 多数の要因に支配される。この固有の不正確さは今日の自動車の燃料タンクは益 々深さが浅くなっていること、大部分のタンクは不規則な形をしていること、浮 きデバイスと電位差計との組合せの機械的問題などによる。可変要因としては自 動車が走る地形および自動車の積荷の影響がある。電圧又は電流計を読取シブバ イスとして用特表昭５８−５０２０２１（２） いた場合には、正確な測定をする必要もなかったし、正確な測定に対する要求も なかったが、今日のようにマイクロプロセッサおよびデジタル式読取ｐ　（ｒｅ ａｄｏｕｔｓ）が用いられるようになυ更に燃料節約に重点が置かれるようにな ると、よシ正確な測定および読取シがいづれも可能となシ、望ましいことになる 。同一の測定配置は勿論容器の容積、容器内の液体の上のガス体積又は容器内の 液体量の測定に応用できる。容器のいろいろな大きさにきわめて簡単に適合する ことができる配置をもつことが望ましいと思われる。容器のキャップを何時から 取りはずしたま＼にしであるかを更に表示することも望ましいと思われる。更に 、基本的な液体体積測定を利用して自動車におけるガソリン１ガロン当たりの走 行距離のような帰結的示度（ｃｏｒｏｌｌａｒｙ　ｒｅａｄ−ｉｎｇ）を与える ことも望ましい。

発明の要約 従って、本発明の目的は、容器内の気体体積のきわめて正確な測定装置を提供す ることである。

本発明のもう１つの目的は、容器内の液体についてそのような測定装置を利用す ることである。

本発明の特殊な目的は、瞬時液体体積を継続的なあらゆる条件下で測定するその ような測定装置を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、種々の容器に容易に適合できる測定構成を提供する ことである。

゛　本発明の更にもう１つの目的は、容器が何時周囲雰囲気に対して開放された かを検知する手段を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、液体レベルの測定を利用して１ガロン当たシの 走行距離などのレベル変化の帰結的示度を与えることである。

これらの目的および下記において明らかになるその他の目的は、本発明による配 置において達成され、その配置では２個のトランスジューサが剛い壁で仕切られ た容器の壁に別々に取シ付けられており、各トランスジューサの外側は比較的小 さい筐体（ｈｏｕｓｉｎｇ）内に納められておシ、筐体内の空気圧はよシ大きな 筐体内の空気圧とはｙ同一である。一方のトランスジューサは低周波数で駆動さ れて容器内に含まれる気体に音圧力波を発生させる。第２のトランスジューサは 圧力波を検知して、気体体積の関数である出力信号を発生させる。第１トランス ジユーサの円錐形懸架装置の“スプリング″は、実質的に円錐体の後方に閉じ込 められた空気のコンプライアンスになるので、大気圧、温度および湿度のすべて の影響は相殺される。更に、ドライバトランスジューサが駆動される周波数は、 タンク全体上の空気又は気体圧力がはソ一様になるほどに十分に低くなければな らない。即ち、その波長は容器の最大寸法よシはるかに長くなければならない。

図面の簡単な説明 第１図は、液体体積を測定する論理回路のブロック図と組合せた容器配置の断面 図である。

第２図は、ドライバトランスジューサを具えたタンクの簡略化した断面図である 。

第３図は、第２図の配置の等価回路である。

第４図は、最適化動作条件に対する第３図の等価回路の簡略化した回路である。

第５図は、好ましい実施例の詳細の断面図である。

第６図は、本発明を用いた完全なシステム図である。

好ましい実施例の詳細説明 こ＼に説明する測定装置は、下記の説明から明らかになるように気体、液体の両 方の体積に応用できるが、下記においては燃料タンク環境内において一般的に説 明する。燃料体積の測定は、気体（空気と燃料気化物質）の体積を測定し、燃料 の体積を計算することによって行われる。

第１図に示すように、燃料タンクｌＯは液体燃料上方の閉じ込められたエアスペ ース内に取り付けられた２個のトランスジューサを有する。一方のトランスジュ ーサはクロック１６によってクロックされる２ＱＨｚ周波数源１４から駆動され るドライバ球である。２０Ｈｚという周波数値、は１？の代表的な値にすぎない 点に注目すべきである。実際の周波数はシステムのいくつかのパラメータによっ て決定される。第２のトランスジューサは音圧センサ１８であり、その出力は論 理ブロック≠１を介してＡ／Ｄ変換器２０に結合される。論理ブロックナ１にお いては、センサ１８からの出力信号が所望する形に変換される。変換器間のデジ タル出刃は論理ブロックナ２に結合され、そこで必要な体積計算が行われる。こ の計算には、Ａ／Ｄ変換器２ｏの出力をタンク総容積によって決定される基準数 （ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｎｕｍｂｅｒ　）と比較して気体体積を測定し、次にそ の体積を差し引いてタンク内の液体体積をうることが含まれる。従って、基準数 を変えることによって同じ装置を種々のタンクに用いることができる。次に、液 体体積を表わす論理ブロック÷２の出力を、ＬＥＤ　（発光ダイオード）表示装 置などのデジタル読取り装置Ｕによって表示することができる。

代表的な表示装置は３桁数字を示し、最も近い１ガロンの１４゜単位の数字を示 す。　筐体３０は、図示されているように区分されていてもよく、又は２つの別 々の筐体（ｈｏｕｓｉｎｇ）で構成されていてもよく、トランスシューサル、１ ８の背部を取り囲んでいる。筐体（ｈｏｕｓｉｎｇ）□□□内に含まれる空気の 体積は通常はタンク１ｏ容積に比べるときわめて小さい。

第２図はタンクの壁に取り付けられたドライバトランスシューサルとトランスジ ューサの背部を取シ囲んでいる小さい筐体（ｈｏｕｓｉｎｇ）　３０’を具えた タンク１ｏを示す。このトランスジューサはこ＼に図示されているように液体を 通さない（ｌｉｑｕｉｄ−ｐｒｏｏｆ）　円錐体を具えた小型スピーカでもよい 。スピーカコイルが駆動すれると、タンク内の液体上方の気体は気体の総体積に 比例して圧縮されたシ圧縮から解放されたシする。この動作原理を簡単にした例 としては、コルクを瓶のくびのなかに押し込む場合、中味が殆んど一杯に詰って いる瓶よりも殆んど空の瓶の方が押し込みゃすいことがあげられる。

第３図は、第２図の配置に対する等価回路であり、電流はトランスジューサＵの ドライバコイル１２’に印加される。Ｄはドライバコイルにょ９発生される刀を 表わし、Ｂｌｉに等しい。但し、Ｂはスピーカエアギャップ磁束密度（ウェーバ ／ｍ２）、ｌは円錐形ドライバコイルのワイヤの長さくメートル）、１はコイル の電流（アンペア）である。ＲＳＤはドライバコイルｎ′の制動抵抗である。ｃ Ａｓ＃ｉ円錐体校′の懸架装置の音響コンプライアンスであシ、ＲＡＳは音響抵 抗である。ＭＡＴはタンク１０内の空気の等価音響質量であり、ｃＡＴはコンプ ライアンスである。ＲＡＴはタンク壁１ｏの音響抵抗である。ＣＡＲは筐体（資 ）内の空気の音響コンプライアンスであシ、ＭＡＲは等価音響質量である。ＲＡ Ｒは筐体壁の音響抵抗である。ＲＡＢＩおよびＭＡＢｌはタン月０と筐体（９） ′との間の空気ブリード讃の等価音響抵抗および質量である。ＲＡ　Ｂ　ｆｆｉ およびＭＡＢ２ハタンクＩＯから外部の空気への空気ブリード３６の等価音響抵 抗および質量である。Ｐオ。

は０圧力又はタンク壁における基準圧力であり、ドライバ円錐体における圧力Ｐ ＤハＤ／ＳＤである。但し、ＳＤは円錐体の面積（ｍ２）である。ＰＴはタンク 内の音圧である。ＶＥＬは振動板の体積速度（ｍ８／秒）を示す。

第３図のドライバＤが定電流源から駆動されると、ＲＳＤは零に近づく。スピー カ筐体内のエアスペースがタンク容積に比べて非常に小さいと、空気コンプライ アンスのりアクタンスはＣＭ　およびＲＡＳに比べＡＳ、ＡＤ て大となる。ドライバＤの周波数がタンクの内表面上の圧力が均等に々るのに十 分なほど低ければ、ＭＡＴのりアクタンスはＣＡＴに比べて小となる。また、タ ンク壁が圧縮エネルギーのほとんど全部が反射されるほど十分に頑丈であれば、 ＲＡＴはＣＡＴのリアクタンスに比べて小となる。これらの好ましい動作条件下 では、等価回路は第４図に示しである簡略化された回路となる。

音圧はこれらの条件下では気圧とは関係ないものとして示すことができる。ｉた タンク容積はスピーカの背後の空気体積よシもはるかに大きいので、ＰＴ−（Ｂ ｌｉＶＲ）／（ＳＤＶＴ）となる。従って、ＰＴはタンク内圧閉じ込められた空 気の体積に反比例する。この装置を既知の大きさのタンク内の液体量の測定に用 いたいと思う場合には、空気体積の正確な測定から答を計算するのは簡単なこと である。また、タンク又は容器が、例えばガスタンクのキャップが取９除かれた 才＼になっていたシ、又は取り替えられずにいたりすることによって外部の空気 に対して開かれていると、タンク容積ｖＴははソ無限大として記録され、この最 大よｐ大きい示度はオーディオ又は視覚的警報信号などのようなその表示を与え るのに用いることができる。

第５図のセンサの図は、センサ１８の可能な１つの実施例を図示したものであり 、タンク壁１０の一部およびセンサ１８の背部を取シ囲む筐体間′を示す。この 実施例テハ、センサは、アルミニウム又はプラスチックの半球形振動板４０と付 加質量４２を含む非常に小さい（直径１インチ程度の）ツイータを用いている。

ネオブレン膜躬は、タンク１０の内壁に取り付けられた剛いリング４６への可撓 性接続部としての役目をしている。音声コイル４８は膜躬に付着されており、磁 界は、筐体Ｉ′によって支えられる磁石構造体間により供給される。

液体レベル又は液体体積を測定する全システムが第６図に示されている。低周波 数源１４は増幅器段５２を介してドライバトランスシューサルに結合され、また 論理ブロックナ１における乗算器段馴に結合されている。

コンデンサマイクロホンに似たようなものでもよい圧力センサ１８もまた論理ブ ロック≠１に結合されている。

センサ１８出力信号は増幅器間において増幅され、狭帯域フィルタ郭においてろ 波され、乗算器詞において低周波数源１４からの信号によって乗算される。次に 乗算器８出力信号はＤＣフィルタ（０−ＩＨｚ）６２においてろ波され、組合せ （ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）回路−に結合される。この組合せ回路はまた直線性調節 回路間から直線性基準楢号を受信する。バッチＩ７６８は直線性調節回路に対す るまた零セツト調節回路７０に対する■源として示されているが、（整流された ）ドライバ１４信号からＤＣ源を誘導することが望ましいという点に注目すべき である。

組合せ回路例の出力信号は、割算器７２に結合され、最大体積基準信号源（ｒｅ ｆｅｒｅｎｃｅ　５ｏｕｒｃｅ　）　７４からの基準信号によって割算される。

割算器７２からの出力信号は組合せ回路７６に結合され、この回路はまた零基準 セット調節回路７０からの零体積基準信号を受信する。

従って、論理ブロックφｌの出力信号は、既知の大きさのタンク内の測定された 液体体積の関数である。この出力信号は直接に対数メータ（資）に結合させるこ とができる。しかし、このシステムの上昇した測定精度はブロック＋２および表 示装置Ｕを含むことができる。変換器間はモトローラ社ＭＣ１５０５のような集 積回路とすることができる。論理ブロックΦ２は、モトローラ社Ｍｅ１４４３５ のようなデジタル論理サブシステムおよびモトローラ社ＭＣ１４５１１のような りＣＤ−７セグメントラツチ／デコーダ／ドライバを含むことができる。その他 のデジタル読取９回路も勿論使用できる。

組合せ回路（ｃｏｍｂｉｎｅｒ　）　７６の出力における信号はタンク１０内の 気体体積に比例する。その信号をｇｇとすると、８ｇ＝Ｃ１（ｖｇ−ｖ。）／ｖ ０＋Ｃ２となる。但し、■２はドライバ円錐体ｊ上の力に比例する電圧でアシ、 直線性調節回路品によって調節される。ｖｏはセンサ１８からの出力信号である 。Ｃ１は最大体積基準信号源７４によって設定される定電圧であシ、Ｃ２は零セ ツト調整回路７０によって設定される定電圧である。液体体積はタンク容積から 測定した気体体積を差し引いた体積に等しいので、Ｃ２のセツティングはこの減 算機能を含むことができることは明らかであろう。筐体加′の容積がタンク１０ 内の最小気体体積２例えばタンク内の伸縮スペース（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　５ｐ ａｃｅ）よシはるかに小さいと、ｖｏはｖｇよシはるかに低くな、Ｈｖｇ−ＶＯ ははソ■、に等しくなるので、組合せ回路−の機能は不必要となるという点にも 注目すべきである。

組合せ回路７６からの信号はまた、組合せ回路からの信号を微分器回路澗に結合 させることによシ自動車エンジンに対する１ガロン当たシの走行距離の連続的読 取シ値を得る場合のように他のパラメータに関連した他の信号と組合せて用いる ことができる。微分器の出力信号、液体体積の変化速度は割算器回路８６に結合 され、そこで（スピードメータに用いられているような）速度検出器からの信号 によって割算することができる。

従って、割算器部の出力はＶｅｌ、／（ｄＶｏｌ、／ｄｔ　）の関数となシ（こ ＼でＶｅｌは速度を意味する）、１ガロン当たシの走行距離指示器加に表示する ことができる。

この体積測定を利用できるもう１つの方法は１対の所定の体積レベル（例えば１ ０ガロン、９ガロン）の間に走ったマイル数を測定し、その体積差に対する１ガ ロン当たシの走行距離を計算し、（９ガロン、８ガロンの値）に対する次の計算 が行われるまでその数字を表示することである。

従って、気体体積、液体体積、液体体積の変化速度。

使用した液体（燃料）の一定量で走ったマイル数を測定できるシステムを上記に 示し説明した。本発明のそ・　の他の変形および変更が可能であシ、そのような 変形。

変更はすべて添付した請求の範囲の精神および範囲内に入るものとして含むこと が意図されている。

１／３ 第３図　２７３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　容器の壁に取り付けられ、気体における周期的圧力波を与える第１トラン スジユーサと、容器の壁に取り付けられ、前記周期的圧力波を検知し、それに応 動して検知信号を与える第２トランスジユーサと、 第２トランスジューサ手段に結合され、検知信号を容器内の気体体積の関数に変 換する論理手段とを含む、剛い壁により仕切られた既知の大きさの容器内の気体 体積を測定する装置。 ２　第１トランスジューサ手段の外側を取り囲む第１筐体手段と第２トランスジ ューサ手段の外側を取り囲む第２筐体手段とを更に含み、第１および第２筐体手 段は容器よシ大幅に小さく、第１および第２筐体手段内の静止気体圧力をはソ容 器内の気体圧力に維持する手段を更に含む請求の範囲第１項による装置。 λ　容器内の静止気体圧力をはソ周囲の大気圧に維持する手段を更に含む請求の 範囲第２項による装置。 表　論理手段は、気体体積の関数である信号を容器内の液体体積の関数である信 号に変換する手段を含む請求の範囲第１項による装置。 ＆　装置は自動車内に保持されておシ、装置は、自動車速度に比例する入力信号 を与える入力手段と、容器内の液体体積の関数である信号および速度に比例する 入力信号を受信し、一定の時間内に自動車が走った距離の、前記期間中の液体体 積変化に対する比に比例する出力信号を与える第２論理手段とを含む請求の範囲 第４項による装置。 仕　第１論理手段は、液体体積の零基準レベルを設定する手段、および最大基準 レベルを設定する手段を含む請求の範囲第４項による装置。 ７、　第１論理手段は、容器内の液体体積の変化速度に関連して検知信号の直線 性を調節する手段を更に含む請求の範囲第６項による装置。 ＆　論理手段は、容器内の気体体積が容器容積より大であることが検知された場 合に指示信号を与える手段を含む請求の範囲第１項による装置。