JP5934567B2 - 電極故障診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、電極間の故障を診断する電極故障診断装置に関する。

従来、電極間の静電容量を検出することにより、タンク内の液体のレベル(液位)を検出する静電容量式レベルセンサが知られている。

静電容量式レベルセンサは、液位検出電極間の静電容量から液位を検出し、誘電率補正電極間の静電容量から誘電率を検出する。

この種の先行技術として、特許文献１には、検出電極と遮蔽電極により検出すべき、検出すべき対象の有無を判別することが示されている。また、特許文献２には、スイッチトキャパシタの周波数を変えることが示されている。

特開２００８−８８３１号公報 特開平１０−１７０５４４号公報

しかしながら、上記従来の電極故障診断装置には、つぎのような問題があった。すなわち、静電容量式レベルセンサを用いて、導電性のある液体を測定する場合、電極の絶縁被覆が必要となる。この絶縁被膜により電極と液体が絶縁される。

しかし、数年の経時変化、製造時の傷、ピンホール等により、絶縁被膜が破損し、電極と液体とが完全に絶縁状態にならず、電極間で導通が起きた場合、適正な出力が得られない。つまり、静電容量の値が小さいのは、検出対象である液体によるものか、それとも導通によるものかを判断することができず、検出される静電容量が正しいものでなくなる。

このため、電極間の故障を診断するために、電極部の構成を変更することも考えられるが、複雑なものとなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極部の構成を変更することなく、簡単に電極間の故障診断を行うことができる電極故障診断装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電極故障診断装置は、下記（１）〜（４）を特徴としている。
（１） 電極間に導通があるという故障を診断する電極故障診断装置であって、
前記電極間に直流電圧を印加する印加部と、
前記電極間の静電容量を検出する静電容量検出部と、
前記電極間に対する前記印加部の接続、及び前記電極間に対する前記静電容量検出部の接続を、スイッチング周波数で交互にオンまたはオフに切り替えるスイッチ部と、
前記印加部の接続がオフにされてから前記静電容量検出部の接続がオンになるまでのデッドタイムの期間を第１期間と前記第１期間とは異なる第２期間に変更する期間変更部と、
前記静電容量検出部によって検出される、前記第１期間経過後の静電容量と前記第２期間経過後の静電容量とが略等しいか否かを判別する判別部と、
前記第１期間経過後の静電容量と前記第２期間経過後の静電容量が略等しくない場合、前記電極間に導通があるという故障を検出する故障検出部と、
を備えること。
（２） 上記（１）の構成の電極故障診断装置であって、
前記期間変更部は、前記スイッチング周波数を変更することで前記デッドタイムの期間を前記第１期間と前記第２期間に変更すること。
（３） 上記（１）の構成の電極故障診断装置であって、
前記期間変更部は、前記オン期間のデューティ比を変更することで前記デッドタイムの期間を前記第１期間と前記第２期間に変更すること。
（４） 上記（１）から（３）のいずれか一つの構成の電極故障診断装置であって、
前記電極の少なくとも一方の表面が絶縁材で覆われ、
導電性を有する液体に前記電極間が浸かっている状態で、前記印加部は前記電極間に直流電圧を印加すること。

上記（１）〜（４）の構成の電極故障診断装置によれば、デッドタイムの期間である第１期間経過後の静電容量と第２期間経過後の静電容量が略等しくない場合、電極間に導通があるという故障を検出する。

本発明によれば、デッドタイムの期間である第１期間経過後の静電容量と第２期間経過後の静電容量が略等しくない場合、電極間の故障を検出するので、電極部の構成を変更することなく、簡単に電極間の故障診断を行うことができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、実施形態における電極故障診断装置が適用された静電容量式レベルモニタ１のスイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の構成を示す図である。 図２（Ａ）から図２（Ｃ）は、スイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の動作及び等価回路を示す図である 図３は、導電性を有する液体に浸漬された静電容量式レベルモニタ１による静電容量の測定を説明する図である。 図４は、液位センサ２の電極間が導通している場合のスイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の構成を示す図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、スイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。 図６は、電極間故障診断の動作を示すフローチャートである。

本発明の実施形態における電極故障診断装置について図面を用いて説明する。本実施形態の電極故障診断装置は、タンク内の液体の液面レベル(液位)を検出する静電容量式レベルモニタに適用される。

この静電容量式レベルモニタは、液位センサの電極間の静電容量から液面レベルを検出する。また、静電容量式レベルモニタは、誘電率センサの電極間の静電容量から誘電率（比誘電率）を検出し、液面レベルを算出する際の補正に用いる。

始めに、静電容量式レベルモニタを用いた静電容量の測定について説明する。図３は導電性を有する液体に浸漬された静電容量式レベルモニタ１による静電容量の測定を説明する図である。タンク９内には、液位センサ２及び誘電率センサ６が収容されている。液位センサ２は、鉛直方向にそれぞれ延びた、液位検出電極４及び接地電極５を有し、液位検出電極４及び接地電極５間の電圧を測定することにより、その静電容量Ｃｓを検出する。液位検出電極４の表面は、絶縁被覆１１（絶縁材）で覆われている。なお、液位検出電極４の代わりにあるいは液位検出電極４と共に、接地電極５の表面を絶縁被覆で覆うようにしてもよい。

また、誘電率センサ６は、タンク９内の液体に常に浸漬されるように、底側に配置され、鉛直方向にそれぞれ延びた、誘電率検出電極７及び接地電極８を有し、誘電率検出電極７及び接地電極８間の電圧を測定することにより、その静電容量Ｃｒを検出する。誘電率検出電極７の表面は、絶縁被覆１６で覆われている。なお、誘電率検出電極７の代わりにあるいは誘電率検出電極７と共に、接地電極８の表面を絶縁被覆で覆うようにしてもよい。

図１は実施形態における電極故障診断装置が適用された静電容量式レベルモニタ１のスイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の構成を示す図である。スイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０は、スイッチトキャパシタを構成する静電容量ＣｓとスイッチＳＷ１、ＳＷ２（スイッチ部）の他、オペアンプ１２、ドライバ１３、平滑回路１５、Ａ／Ｄコンバータ１７及びマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）２０を有する。

また、オペアンプ１２の反転入力端子及び出力端子間には、フィードバック抵抗Ｒｆが接続される。液位センサ２の液位検出電極４（図３参照）と電源電圧Ｖ_ＩＮ（印加部）との間には、ドライバ１３の駆動信号によってオン／オフに切り替えられるスイッチＳＷ１が接続される。液位センサ２の液位検出電極４とオペアンプ１２の反転入力端子との間には、ドライバ１３の駆動信号によってオン／オフに切り替えられるスイッチＳＷ２が接続される。

ＭＣＵ２０は、周知のＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３等を有し、液位計測動作や後述する電極間故障診断動作を行う。また、ＭＣＵ２０は、クロックＣＬＫをドライバ１３に供給する。ドライバ１３は、クロックＣＬＫを分周し、スイッチング周波数ｆｓを生成し、このスイッチング周期（所定の周期）でスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン／オフに駆動する。

オペアンプ１２の出力は、平滑回路１５で平滑化され、Ａ／Ｄコンバータ１７によってデジタル値に変換されてＭＣＵ２０に入力される。

図２（Ａ）から図２（Ｃ）はスイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の動作及び等価回路を示す図である。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は、ドライバ１３の駆動信号によって交互にオンまたはオフに切り替えられる。

図２（Ａ）はスイッチＳＷ１がオンである場合を示す。スイッチＳＷ１のオン時、スイッチＳＷ２はオフとなり、スイッチＳＷ１を介して電源電圧Ｖ_ＩＮ（直流電圧）に接続された液位センサ２の電極間に電荷が蓄えられ、静電容量Ｃｓの電荷Ｑは、数式（１）に示す値となる。
Ｑ＝Ｃｓ×Ｖ_ＩＮ ……（１）

また、静電容量Ｃｓに流れる平均電流Ｉ_ａｖｅは、数式（２）で表される。
Ｉ_ａｖｅ＝Ｑ／Δｔ ……（２）

ここで、Δｔは、スイッチＳＷ１のオン時間であるので、スイッチング周波数ｆｓを用いると、Δｔ＝１／ｆｓであることから、数式（１）、（２）により数式（３）が得られる。
Ｉ_ａｖｅ＝Ｃｓ×Ｖ_ＩＮ×ｆｓ ……（３）

このように、平均電流Ｉ_ａｖｅは、スイッチング周波数ｆｓに依存することがわかる。スイッチング周期を長い時間でみると、数式（３）は数式（４）で表される。
Ｖ_ＩＮ／Ｉ_ａｖｅ＝１／（Ｃｓ×ｆｓ） ……（４）

スイッチトキャパシタの抵抗をＲｃｓとすると、Ｒｃｓ＝ Ｖ_ＩＮ／Ｉ_ａｖｅであるから、抵抗Ｒｃｓは、数式（５）で表される。
Ｒｃｓ＝１／（Ｃｓ×ｆｓ） ……（５）

図２（Ｂ）はスイッチＳＷ２がオンである場合を示す。スイッチＳＷ１をオフにしてスイッチＳＷ２をオンにすると、液位センサ２の液位検出電極４は、スイッチＳＷ２を介してオペアンプ１２の反転入力端子に接続される。このとき、静電容量Ｃｓの電荷Ｑは、オペアンプ１２を介して減少する。

スイッチトキャパシタの抵抗Ｒｃｓが数式（５）で表されるので、スイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の等価回路は、図２（Ｃ）に示すようになる。この等価回路では、オペアンプ１２は、反転増幅回路を構成し、その出力電圧Ｖｏｕｔは、数式（６）で表される。
Ｖｏｕｔ＝−（Ｒｆ／Ｒｃｓ）×Ｖ_ＩＮ ……（６）

さらに、数式（５）、（６）から数式（７）が得られる。
Ｖｏｕｔ＝−Ｒｆ×Ｃｓ×ｆｓ×Ｖ_ＩＮ
Ｃｓ＝Ｖｏｕｔ／（−Ｒｆ×ｆｓ×Ｖ_ＩＮ） ……（７）

このように、液位センサ２の電極間の静電容量Ｃｓは、オペアンプ１２の出力電圧Ｖｏｕｔ、フィードバック抵抗Ｒｆの抵抗値、スイッチング周波数ｆｓ及び電源電圧Ｖ_ＩＮから求まる。

従って、ＭＣＵ２０は、液位センサ２の静電容量Ｃｓの変化をオペアンプ１２（静電容量検出部）の出力電圧Ｖｏｕｔの変化として検出し、液位を計測する。ここで、スイッチング周波数ｆｓが変化しても、相応してオペアンプ１２の出力電圧Ｖｏｕｔも変化するため、フィードバック抵抗Ｒｆと電源電圧Ｖ_ＩＮが一定であれば求まる静電容量Ｃｓは一定である。

上記構成を有する静電容量式レベルモニタ１の動作を示す。図４は液位センサ２の電極間が導通している場合のスイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０の構成を示す図である。電極の絶縁被膜の破損等、電極間の故障が発生した場合、導電性を有する液体中では、電極間にリーク電流が流れる。このため、等価回路には、液位センサ２の静電容量Ｃｓと並列に抵抗Ｒｌが付加される。この抵抗Ｒｌは、タンク９（図３参照）内の液体の電気抵抗に相当する。

静電容量Ｃｓに蓄えられた電荷は抵抗Ｒｌを通じて放電されるので、オペアンプ１２の出力電圧Ｖｏｕｔが低下し、見かけ上、静電容量Ｃｓの値が実際より小さくなる。

本実施形態の静電容量式レベルモニタ１は、スイッチング周波数ｆｓを液位測定時より低くして計測することで、電極間の故障診断を行う。スイッチング周波数ｆｓを低くすると、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替える時間が長くなり、一旦蓄えられた電荷の漏れ（リーク）量が増えるので、見かけ上、静電容量Ｃｓの値は更に小さくなる。

つまり、スイッチング周波数ｆｓを下げて計測した時に算出される静電容量Ｃｓの値が変動しない場合、電極間の故障無しと判断することができ、一方、静電容量Ｃｓの値が変動した場合、電極間の故障（導通）有りと判断することができる。

この故障診断について詳述する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）はスイッチトキャパシタＣＶ変換回路１０における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。図５（Ａ）は第１のデッドタイムＴｄによる検出、図５（Ｂ）は第２のデッドタイムＴｄによる検出を示す。

前述したように、スイッチＳＷ１のオン時、静電容量Ｃｓに電荷が蓄えられ、スイッチＳＷ２のオン時、蓄えられた電荷が放電される。ここで、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の切り替えタイミングには、デッドタイムＴｄが存在し、どちらもオフになる期間がある。このオフになる期間は、抵抗Ｒｌによる放電期間となる。

スイッチング周波数ｆｓを下げ（期間変更部）、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン時間（Ｔ_ＯＮ）を固定すると、デッドタイムＴｄが長くなり、電荷の放電量が増える。

液位センサ２の電極間に故障が無い場合、スイッチング周波数ｆｓを変更しても、スイッチＳＷ２がオンになった時に静電容量Ｃｓから移動する電荷の量は変わらない。

しかし、電極間が故障して導通していると、抵抗Ｒｌによる放電が生じ、スイッチＳＷ２がオンになるまでに、静電容量Ｃｓに蓄えられている電荷の量は減少する。

従って、電極間が導通しているような場合、オペアンプ１２の出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチング周波数ｆｓを下げるほど減少する。これにより、電極間の故障診断が可能となる。

図６は電極間故障診断の動作を示すフローチャートである。この動作プログラムは、マイクロコンピュータ（ＭＣＵ）２０内のＲＯＭ２２に格納されており、ＭＣＵ２０内のＣＰＵ２１によって電源オン時に実行される。

ＣＰＵ２１は、まず、スイッチング周波数ｆｓを周波数ｆ１に設定して液位計測を行い、静電容量Ｃｓの値Ｃｓ１を算出する（ステップＳ１）。さらに、ＣＰＵ２１は、スイッチング周波数ｆｓを周波数ｆ２に設定して液位計測を行い、静電容量Ｃｓの値Ｃｓ２を算出する（ステップＳ２）。

ＣＰＵ２１は、値Ｃｓ１と値Ｃｓ２が略等しいか否かを判別する（ステップＳ３）。等しくない場合、ＣＰＵ２１は、電極間の故障が発生しているとして、警告信号を出力する（ステップＳ４）。ステップＳ３、Ｓ４の処理はそれぞれ判別部、故障検出部に相当する。

一方、ステップＳ３で値Ｃｓ１と値Ｃｓ２が略等しい場合、ＣＰＵ２１は、スイッチング周波数ｆｓを周波数ｆ１に設定して通常の液位計測を行い、静電容量Ｃｓを算出する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ５では、静電容量Ｃｓとして、ステップＳ１で算出された値Ｃｓ１を用いてもよい。

ＣＰＵ２１は、ステップＳ５で算出された静電容量Ｃｓを液位に換算する（ステップＳ６）。この液位換算では、ＲＯＭ２２に登録されたテーブルを参照して行ってもよい。このテーブルには、液面レベル（液位）に対応する液位センサ２の静電容量Ｃｓの値が、液体の比誘電率εごとに登録されている。

ＣＰＵ２１は、ステップＳ６で求められた液位Ｌを表す信号を出力し（ステップＳ７）、ステップＳ５の処理に戻る。

本実施形態の静電容量式レベルモニタ１によれば、デッドタイムＴｄの期間である第１期間経過後の静電容量と第２期間経過後の静電容量が略等しくない場合、電極間の故障を検出する。これにより、電極部の構成を変更することなく、簡単に液位センサ２の電極間の故障診断を行うことができる。また、スイッチング周波数を変えることで、デッドタイムＴｄの期間を簡単に変更することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、本実施形態の構成が持つ機能を達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。

例えば、上記実施形態では、駆動信号のスイッチング周波数ｆｓを変更することで、デッドタイムＴｄの期間を変更していたが、スイッチング周波数ｆｓを変えることなく、オン期間のデューティ比を変更することで、デッドタイムＴｄの期間を変更してもよい。スイッチング周波数ｆｓを変えないことで、電子部品に安価なものを使用することができる。

また、上記実施形態では、液位センサ２の電極間の故障を診断する場合を示したが、誘電率センサ６の電極間の故障を検出する場合も同様である。

本発明は、電極間の故障を診断する際、電極部の構成を変更することなく、簡単に電極間の故障診断を行うことができ、有用である。

１ 静電容量式レベルモニタ
２ 液位センサ
４ 液位検出電極
７ 誘電率検出電極
５、８ 接地電極
６ 誘電率センサ
９ タンク
１０ スイッチトキャパシタ変換回路
１１、１６ 絶縁被覆
１２ オペアンプ
１３ ドライバ
１５ 平滑回路
１７ Ａ／Ｄコンバータ
２０ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
２１ ＣＰＵ
２２ ＲＯＭ
２３ ＲＡＭ

Claims (4)

1. 電極間に導通があるという故障を診断する電極故障診断装置であって、
   前記電極間に直流電圧を印加する印加部と、
   前記電極間の静電容量を検出する静電容量検出部と、
   前記電極間に対する前記印加部の接続、及び前記電極間に対する前記静電容量検出部の接続を、スイッチング周波数で交互にオンまたはオフに切り替えるスイッチ部と、
   前記印加部の接続がオフにされてから前記静電容量検出部の接続がオンになるまでのデッドタイムの期間を第１期間と前記第１期間とは異なる第２期間に変更する期間変更部と、
   前記静電容量検出部によって検出される、前記第１期間経過後の静電容量と前記第２期間経過後の静電容量とが略等しいか否かを判別する判別部と、
   前記第１期間経過後の静電容量と前記第２期間経過後の静電容量が略等しくない場合、前記電極間に導通があるという故障を検出する故障検出部と、
   を備えることを特徴とする電極故障診断装置。
2. 前記期間変更部は、前記スイッチング周波数を変更することで前記デッドタイムの期間を前記第１期間と前記第２期間に変更することを特徴とする請求項１記載の電極故障診断装置。
3. 前記期間変更部は、前記オン期間のデューティ比を変更することで前記デッドタイムの期間を前記第１期間と前記第２期間に変更することを特徴とする請求項１記載の電極故障診断装置。
4. 前記電極の少なくとも一方の表面が絶縁材で覆われ、
   導電性を有する液体に前記電極間が浸かっている状態で、前記印加部は前記電極間に直流電圧を印加することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電極故障診断装置。

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