JPH071190B2

JPH071190B2 - 浴槽付給湯機用水位検出装置

Info

Publication number: JPH071190B2
Application number: JP2287244A
Authority: JP
Inventors: 康吉山田
Original assignee: 阪神エレクトリック株式会社
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPH04161824A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は浴槽付給湯機における浴槽内の水位検出装置に
関し、特に、圧力センサを用い、浴槽内に湯量に基づく
圧力変化で水位を検出する装置の改良に関する。

［従来の技術］従来例とは言っても最近の浴槽付給湯機では、浴槽内設
定水位までの自動湯張り機能を始め、冷めた湯の自動追
い焚き機能その他、マイクロコンピュータを用いてのか
なり高度な制御が可能となっている。また、熱交換器に
ついても、自動湯張り時や通常の蛇口、シャワー等の出
湯時に用いる給湯用のものに加え、追い焚き用に専用の
ものを有するものもある。

当然、このような給湯機にあっては、例えば使用者が任
意に設定するか、あるいは大体適当な何ヶ所かの高さ位
置のどれかに固定設定されている設定水位にまで、湯を
注湯し終えたか否かを知るため等に、浴槽内の水位を検
出する必要がある。

しかるに、この種の水位検出センサとして古典的なもの
は、浴槽内に浮かべて使うフロート・タイプのものであ
る。こうした液面検出計を用いれば、単に浴槽内の湯の
幾何的な液面高さで水位を知ることができるが、これは
最近の商品としては好まれない。浴槽に対して直接に取
付ける必要があって意匠感を損うのみならず、怪我等の
因にもなる。また、一般に連続的に水位の変化を検出す
ることはできず、あらかじめ定められた単一の高さ位置
にまで湯面が到達したか否かの判断しかできない。あえ
てフロート型で連続液面検出をなすためには、例えば筒
状のハウジング内にポテンショ・メータを収め、これを
非接触でフロートの動きに併せて可変操作する等、極め
て複雑で故障し易い構造とせねばならない。

そこで最近では、第４図にその概念が示されているよう
に、一般に圧力センサ21を用いて浴槽内の湯の水位を連
続的に検出する手法が採用されている。

例えば、図示しない操作盤上での使用者の指令操作によ
り、給湯機本体20の制御装置に内蔵のマイクロ・コンピ
ュータ23（図中では単にCPU）に対して湯張り要求がな
されると、これに応じてマイクロ・コンピュータ23は図
示しないバーナに着火指令を発し、熱交換器22を加熱さ
せて、図示しない各温度センサや流量センサ等からの各
検出情報に基づき、設定温度にまで昇温した湯を浴槽11
に給湯し始める。このときの給湯口は、後に述べる理由
により、図中では給湯口ではなく「連通口12」と書かれ
ていて、浴槽11の底から所定の高さｘ（cm）の所に設け
られる。

このようにして浴槽11内への自動湯張りが開始する一方
で、マイクロ・コンピュータ23に対してはあらかじめ設
定水位データが与えられている。設定水位データとは、
浴槽11のどの高さ位置にまで湯を入れるかを指定するデ
ータであるが、これは実際には空の浴槽内に湯を入れ始
めてから当該設定水位に至ったときの水圧データで表さ
れ、したがってマイクロコンピュータ23には、付属のメ
モリを介し、用いる浴槽ごとに適当なる水圧と水位との
対応関係が与えられている。

すなわち、まず空の浴槽11に対し、ａづつ注湯ないし
注水（以下、注湯で代表）して行くとすると、図示の場
合、圧力センサ21は浴槽11の底（ここを基準の高さ位置
“0"とする）からx cmの高さをもった連通口12と同じ高
さ位置にあるので、ａづつ注湯されていっても、最初
の中はこの圧力センサ21の検出する圧力値は零である。

一般に圧力センサ21の検出出力は電圧出力であるので、
本書では以降、これをV_Pで表すが、第３図に示されてい
るように、この種市販されている圧力センサ21の検出対
象圧力範囲は正負に亙り、したがって検出圧力が零の場
合にも、ある一定の電圧出力V_Pxが生ずるようになって
いた。そのため、浴槽11内が空の状態から注湯が始まっ
ても、浴槽内の水位がx cmに至るまでは、圧力センサ出
力電圧V_PはV_P＝V_Pxのままである。

しかる、ａづつｂ回、注湯が行なわれた所で連通口12
が湯に漬かり、これによって圧力センサ21に有意の水圧
が掛かり始めると、その出力電圧V_Pは増加し始める。し
たがって、圧力センサ21の出力電圧V_Pのこのような変化
を最初に捕えた時点までの注湯ａ・ｂ（）が、少なく
ともその浴槽11において湯船の底から圧力センサ21のあ
る高さ位置ｘ（cm）まで湯を張るのに必要な湯量である
ことが分かる（多少の誤差は許容範囲内）。

その後は、浴槽11内へのａづつの注湯ごとに増して行
く実際の水位と、当該そのときどきの圧力センサ21の出
力電圧値V_Pとは、概ね一対一で対応が採れる。

そこで、このような対応関係をメモリに書き込み、必要
時にマイクロコンピュータ23に与えることによって、以
後、実際の使用に際して使用者が設定水位を変更して
も、当該変更された水位までに要する全湯量は直ちに演
算することができるし、あるいはもっと簡単に、圧力セ
ンサ21の出力電圧値V_Pに基づいてその時々の浴槽内水位
を知ることもできる。

もっとも、圧力センサ21の出力電圧V_Pは第３図示の通り
アナログ電圧値であるが、一般にこのアナログ・データ
はマイクロコンピュータ23によりデジタル値に変換して
利用される。したがって、水位検出の分解能ということ
についても考えねばならないが、第４図中、実線で示さ
れている浴槽11に認められるように、圧力センサ21と当
該浴槽11との間の設定高さ位置に大きな相違がなく、あ
らかじめ定められた許容範囲内の高さ相違であれば、十
分な分解能が得られていた。

例えば具体的な例を挙げてみるに、第3,4図に示されて
いるように、連通口12のある高さ位置ｘ（cm）から浴槽
11内にあって湯を張るに際しての最大高さ位置ｘ＋α
（cm）までの浴槽内水位変化範囲α（cm）は、少し余裕
を見て大く見積っても一般に60cm程度で良い。逆に言え
ばそれ以上に深い浴槽は通常、考えられない。

一方、マイクロコンピュータ23によるアナログ対デジタ
ル変換時のビット数は容易かつ安価に８ビット程度は得
られるから、分解能は、 60（cm）/256＝0.2cm/bit となり、十分である。

なお、浴槽11内にあって予定した最大高さ位置ｘ＋α
（cm）にまで湯が張られているときに対応する圧力セン
サ21の出力電圧値V_Pには、第３図中、記号V_PMを付して
いる。

また、第４図中にあって連通口12に対する湯の方向は、
上記で説明してきた給湯方向のみならず、括弧書きの矢
印にてその逆方向も示されているが、これは、先に少し
述べたように、追い焚き機能を持つ給湯機では、浴槽内
の湯を取込み口から取込み、給湯用と兼用の、または追
い焚き専用の熱交換器を介して加熱した後、再度、給湯
口から浴槽内に戻すようになっており、このようなもの
では、圧力センサ21は当該取込み口に連通する流路中に
設けられていても良いからである。したがって、後に述
べる本発明の場合もそうであるが、「連通口12」とは、
給湯口であっても良いし取込み口であっても良い。どち
らであっても、それらに連なった流路中に圧力センサ21
が設けられていれば良い。

［発明が解決しようとする課題］しかるに、第４図中、仮想線で示されているようにし、
最近の設置形態では、給湯機本体20の設けられている高
さ位置に対し、浴槽11の設置高さ位置が大きく異なるよ
うな場合も許容し得るよう、要求されている。例えば給
湯機本体20は家屋の一階相当部分の高さ位置に配し、浴
槽11は屋内の二階部分に設けるとか、あるいはその逆、
ないしは浴槽を地下室に設けるとか等である。

ここで、第４図中、給湯機本体20とほぼ同程度の高さ位
置にある実線で示されている浴槽11の底を便宜上、基準
の高さ位置として高さ原点0mとし、それよりも高い位置
に設置された仮想線の浴槽11に底までの高さは＋H
₂（ｍ）、低い位置に設置された浴槽の底までの高さは
−H₁（ｍ）とすると、それらの値はそれぞれ、容易に2m
程度は考えられる。

こうした場合には、給湯機本体20に内蔵の圧力センサ21
の検出対象水位変化範囲は、単に各浴槽内の水位変化範
囲α（cm）のみではなく、位置エネルギの影響を受ける
ことから当然のことではあるが、予想される浴槽自身の
設置高さ範囲をもカバーせねばならない。

事実、従来においては、このような場合、第２図に示さ
れるように、例えば−2mから＋3mまでの5m幅を水位検出
対象範囲とし、０〜4Vの出力電圧範囲でこれを検出可能
なような圧力センサを用いていた。

しかし、直ぐに明らかなように、先の従来例の場合のよ
うに、圧力センサ21が浴槽内の湯の高さ変化範囲Ｘ＋α
内にのみ位置している結果、1mに満たない測定ダイナミ
ック・レンジを有すれば良い場合に比し、こうした広い
高さ範囲を測定可能領域とする圧力センサを用いたと
き、同じビット数でアナログ対デジタル変換をしたので
は、その分解能は著しく劣ることになってしまう。

例えば、用いるマイクロコンピュータ23における８ビッ
トA/D変換可能電圧範囲、すなわちフルスケールが電源
電圧に等しい5Vであったとした場合、5mの水位変化を０
〜4Vの出力電圧範囲で表す圧力センサを使用した時に得
られる分解能は、 500（cm）/4（Ｖ）×５（Ｖ）/256＝2.4（cm）/bit となり、十分とは言えなくなってくる。特に、マイクロ
コンピュータ23における変換誤差が３ビット程度見込ま
れる場合には、考え得る最大誤差もその三倍、すなわ
ち、分解能にして7.2cmとなり、これは大き過ぎる。

本発明はこの点の解消を目的としたものであり、浴槽設
置位置が給湯機本体の設置位置に対し、高さ方向に相当
変化することが予想され、その結果、広い高さ範囲を検
出対象とする圧力センサを用いねばならない場合にも、
その分解能の低下を防ぎ、高精度での浴槽内水位検出を
可能ならしめるような水位検出装置を提供せんとするも
のである。

［課題を解決するための手段］本発明は上記目的を達成するため、浴槽の湯に連通する
連通口への流路中に圧力センサを配し、当該圧力センサ
の検出圧力変換出力電圧をデジタル値に変換し、変換し
たデジタル値に基づいて浴槽内の湯の水位を検出する装
置における改良として、上記圧力センサの上記出力電圧
値を、変換可能なアナログ入力電圧値範囲が特定の値範
囲に固定されたアナログ対デジタル変換器によって上記
デジタル値に変換する前に増幅し、該増幅された圧力セ
ンサの出力電圧値の変化範囲を上記アナログ対デジタル
変換器の上記変換可能な入力電圧値範囲を越える範囲と
する増幅回路と、同じく上記デジタル値への変換の前
に、上記増幅された圧力センサの出力電圧値の変化範囲
の中、上記アナログ対デジタル変換器によって上記変換
可能な範囲を選択するために、該増幅された圧力センサ
の出力電圧に負または正のオフセット電圧を加算するオ
フセット電圧加算回路と、を有して成る浴槽付給湯機用
水位検出装置を提案する。

［作用］本発明によると、A/D変換側の都合により、デジタル値
に変換可能なアナログ電圧範囲がある一定の変化幅に固
定され、かつ、ある一定のビット数でのA/D変換を行な
わねばならない場合にも、浴槽内の水位に対応する圧力
センサの検出圧力値（出力電圧）を増幅しているので、
ビット当たりの圧力値変化分、ひいてはビット当たりの
測定水位値変化分は細かくなり、分解能が増す。

したがって、例えば1mに満たない水位変化範囲をのみ、
検出対象とすれば良い場合とは異なり、浴槽内の湯の水
位を検出するべき当該浴槽自体の高さ位置そのものが大
きく変化し、例えば±2mからそれ以上にも及んで変化す
ることが見込まれる結果、圧力センサにもそうした広い
高さ範囲を測定対象とするものを選ばねならない場合に
も、必要な浴槽内の水位検出分解能は犠牲にしないで済
む。

しかし、単に圧力センサの出力電圧を増幅しただけで
は、デジタル変換可能な電圧範囲を出てしまうことも容
易に考えられる。

例えば先に例を挙げた圧力センサのように、圧力変化を
通じて5mの水位高さ変化を０〜4Vで検出可能な圧力セン
サがあった場合、これを単純に例えば５倍程度に増幅す
ると、デジタル変換せねばならない電圧範囲は０〜20V
にもなってしまう。

ところが、最近のマイクロコンピュータを用いた給湯機
本体組込みの制御回路の電源電圧は5V程度が主流となっ
てきており、したがって、マイクロコンピュータでのソ
フト的な処理により等価的にアナログ−デジタル変換機
能を満たす場合にも、あるいは専用ハード・ウエアとし
てのアナログ−デジタル変換器を用いる場合にも、上記
のように単に圧力センサの出力電圧を増幅しただけで
は、当該出力電圧変化範囲はそれらによるデジタル変換
可能なアナログ電圧範囲（一般に電源電圧にほぼ等し
い）を逸脱してしまう。

ところが本発明の場合には、上記のようにして増幅した
圧力センサの出力電圧値に対し、さらに負または正の直
流オフセット電圧を加算する回路を設けているので、そ
の増幅した電圧変化範囲の一部をのみ、デジタル変換す
れば良いようになっている。

例えば−15V（直流電圧値であるので常に一定）をオフ
セット電圧として加算すると、上記のように増幅された
圧力センサ出力電圧変化範囲が０〜20Vであった場合、
これは−15〜＋5Vにシフトされる。もちろん、本書で言
う負の値の加算とは、絶対値において等しい正の値の減
算と同じ意味であるから、上記は＋15Vを減算すると言
い換えることもできる。

いずれにしろ、このような演算処理をなすと、０〜5Vを
フルスケールとするアナログ対デジタル変換を行なう場
合には、上記において−15Vから0Vまでの部分は捨てら
れ、０〜5V部分のみが当該デジタル変換に供されるの
で、実質的に、用いた圧力センサの測定ダイナミック・
レンジ０〜4Vの上四分の一の部分である３〜4Vの間の1V
の変化幅のみが５倍に増幅されて測定対象となる。

同様に、−5Vを加算すれば、増幅された圧力センサ出力
電圧値変化範囲は−５〜＋15Vにシフトされ、その中、
０〜5Vの部分がデジタル変換の対象となるのであれば、
増幅前の圧力センサの測定ダイナミック・レンジ０〜4V
に関して言えば、下四分の一の部分である０〜1Vの部
分、及び上半分の部分である２〜4Vの部分は検出対象か
ら外され、間の１〜2Vの部分のみが５倍に増幅されてデ
ジタル変換対象変化幅とされる。

これが何を意味するかと言えば、浴槽自体の高さ位置、
例えば浴槽の底を基準位置とすると、この基準位置の高
さの変動分をシフトできることに相当する。すなわち、
最終的に検出したいのは、高さ原点に対する各浴槽の基
準位置に加えての浴槽内水位ではなく、浴槽がどの高さ
位置にあってもそれにかかわらず、その浴槽内における
水位である。そして、当該水位自体は、決して数ｍにも
及ぶ変化を示すことはなく、すでに述べたように、せい
ぜい1m未満の変化である。

したがって、上記のように、例え測定ダイナミック・レ
ンジとしては5mにも及ぶ圧力センサを用いねばならなく
とも、浴槽の高さ変動を相殺するか、少なくとも小さな
影響に留めれば、その中のどこか1m程度の変化範囲をの
み、高分解能で測定することができる。

してみると明らかな通り、本発明はまさしく、これを可
能とすることになる。必要な水位変化幅（例えば1m）に
相当する部分の圧力センサ出力電圧変化範囲をのみ、増
幅してデジタル変換でき、浴槽自体の高さ変化に起因し
て測定不要となった圧力センサ出力電圧増幅分は合理的
に捨て去ることができるからである。

もちろん、差動型の圧力センサ等、負の出力電圧範囲を
一部に持つタイプを使用した場合、必要なデジタル変換
範囲が負領域であって、デジタル変換可能な電圧範囲が
正領域であるならば、本発明に従ってまず圧力センサの
出力電圧を増幅した後には、正の直流オフセット電圧を
加算することで上記と同様の作用を期待することができ
る。

［実施例］以下、第１図に即し、本発明の実施例につき説明する。

本発明では、すでに述べた目的からして明らかなよう
に、給湯機本体20ないしはそれに内蔵の圧力センサ21と
浴槽11との配置関係は、すでに第４図に関して説明した
ように、圧力センサ21の高さ位置が実線の浴槽11に関し
て示してあるように、当該浴槽内の湯の水位変化範囲内
に位置している場合の外、圧力センサ21の高さ位置が仮
想線の浴槽11,11にて示されているように、大きく異な
ることもあるような場合も想定している。

これに関し、ここでの説明における浴槽11自体の高さの
基準位置はそれらの底とし、したがって実線で示されて
いる浴槽11の底の位置を高さ原点０（ｍ）とした場合、
その上に仮想線で示されている浴槽の高さ位置は＋H₂、
下側に仮想線で示されている浴槽11の高さ位置は−H₁と
なる。

さらに便宜上、このシステムでは、高さ原点に対し、浴
槽11の設定可能な高さ範囲は当該−H₁から＋H₂までとす
る。つまり、第４図に仮想線で示されている上下の浴槽
11,11は、それぞれ、許容し得る最上限位置＋H₂（ｍ）
と最下限位置ｍ）に設置されていることになる。

また、浴槽11内にあって給湯機本体20に内蔵の熱交換器
22に連通する連通口12の浴槽底面からの高さ位置はＸ
（cm）とし、浴槽11内にあって検出対象とすべき水位変
化範囲はＸ＋α（cm）とする。圧力センサ21はこの連通
口12に連通する流路中に設けられるが、これによる圧力
に対応しての検出対象の水位変化幅は、上記の浴槽11に
関する許容高さ変化範囲−H₁〜＋H₂に加え、許容上限高
さ位置＋H₂にある浴槽11内における最大水位値Ｘ＋αま
で、カバーするものとする。

さらに、従来例との対比の便宜上、第４図中ではそれぞ
れ異なる寸法に示されているが、それぞれの値H₁,H₂は
絶対値において等しく、各々2mであるとし、かつ、浴槽
内水位の検出対象変化幅Ｘ＋αは1mであるとする。もっ
とも、既述したように、連通口12の浴槽内底面からの高
さＸは一般的には10cm程度であり、αはせいぜい深くて
も50〜60cm程度であれば良いため、1mの測定対象変化幅
は不要であり、実際にもこれはもっと縮小可能ではある
が、説明を簡単化するため、上記の値を用いておく。

こうした条件の下に、この実施例で用いる圧力センサ21
は、すでに説明した第２図示の特性を有しているものと
する。すなわち、−H₁の高さ位置に相当する−2mから、
（＋H₂＋Ｘ＋α）の高さ位置に相当する＋3mまでの全ス
パン5mを０〜4Vの出力電圧変化範囲で対応する。なお、
実験に用いた圧力センサで高さ原点0mにおける出力電圧
はほぼ＋1.7Vであった。

このような圧力センサ21の出力電圧をデジタル値に変換
して水位検出の用に供する水位検出装置として、本発明
を満足する回路構成例は、例えば第１図に示すようにな
る。

圧力センサ21の出力電圧V_A（上記の約束に従って０〜4V
の変化幅）は第一の演算増幅器31の正相入力（＋）に与
えられており、この演算増幅器31の出力電圧V_Dはアナロ
グ対デジタル変換器24の入力に与えられる。

ただし、この実施例においては、最近ではこの種の給湯
機の制御装置に組込まれることが普通になっているマイ
クロコンピュータ（CPU）23によるソフト的な処理によ
り、実質的にアナログ−デジタル変換器（A/D）24が組
込まれているに等しい機能が生ずる場合を想定してい
る。

もちろん、本発明は、専用のハードウエアとしてA/D変
換器24が用意される場合にも適用することができるが、
いずれにしてもデジタル変換された数値データは、すで
に述べたように、当該マイクロコンピュータ23により、
設定水位までの自動湯張り機能等、この種給湯機の制御
に利用される。

一方、この第一の演算増幅器31の出力と逆相入力（−）
の間には帰還抵抗R₂が設けられ、また、当該逆相入力は
抵抗R₁を介し、もう一つの演算増幅器32の出力に接続さ
れている。

したがって、もし仮に、この第二の演算増幅器32の出力
電位が実質的に接地電位に等しい場合には、抵抗R₁の一
端を単に接地したに等しいことになり、かつ、この状態
を考えれば明らかな通り、第一演算増幅器31は文字通り
通常の入力電圧増幅機能を有しており、そのゲインＧはＧ＝１＋R₂/R₁ ‥‥‥ となる。

ここで、規格にある値に従い、抵抗R₂の抵抗値が39K_Ω
であり、抵抗R₁の値が10K_Ωであったとすれば、上記ゲ
インＧはＧ＝4.9となる。

簡単のため、以下、第１図に示されている第一演算増幅
器31の増幅率ＧはＧ＝５にまるめるが、もし仮に、第二
演算増幅器32の出力電圧が接地電位であるならば、圧力
センサ21の出力電圧V_Pの変化幅０〜4Vは第一演算増幅器
31の出力電圧V_D変化幅として０〜20Vにまで５倍、拡大
されることになる。

そのため、この第一演算増幅器31の出力電圧V_Dをそのま
まA/D変換器24の入力に与えたのでは、当該A/D変換器24
においてのデジタル変換可能な電圧範囲を出てしまうこ
とも容易に考えられる。すでに述べたように、最近のマ
イクロコンピュータを用いた給湯機本体組込みの制御回
路の電源電圧は5V程度が主流となってきており、当然、
デジタル値への変換可能なアナログ電圧範囲（一般に電
源電圧にほぼ等しい）もこの電源電圧は越えられないか
らである。

また、仮に０〜20Vに亙る入力電圧範囲を一括して変換
可能なA/D変換器24が用意されたとしても、そのビット
数を相当増やさなければ、最終的に検出したい、たかだ
か1m程度の水位差に対しては、高い分解能を示すことが
できない。８ビット程度では、すでに述べた通り、A/D
変換誤差をも考えると最終的に7cm以上もの粗い分解能
に留まってしまう。

しかし、本発明の場合には、図示されている実施例に認
められるように、その一端を第一演算増幅器31の逆相入
力に接続している抵抗R₁の他端は第二演算増幅器32の出
力に接続しており、一方、この第二演算増幅器32はいわ
ゆるボルテージ・フォロア構成となっていて、インピー
ダンス変換器となっているため、当該第二演算増幅器32
の正相入力に与えるアナログ直流電圧V_Aの極性及び絶対
値の如何により、第一演算増幅器31の出力電圧範囲を全
体として正または負にシフトすることができる。つま
り、こうした回路構成によると、第一演算増幅器31の出
力電圧V_Dは、先の式によるゲインＧを利用して、 V_D＝Ｇ・V_P−（R₂/R₁）・V_A ‥‥‥ で表すことができ、明らかなように、この式における
右辺第１項は、第一演算増幅器31により入力の圧力セン
サ出力電圧V_Pを単に増幅する機能を示しているが、第２
項は、直流電圧V_Aの大きさとその極性（正または負）に
応じて（R₂/R₁）・V_Aだけ、当該第一演算増幅器31の出
力電圧V_Dを負または正にシフトし得ることを意味してい
る。

したがって、本願要旨構成中に言うような直流オフセッ
ト電圧を加算する回路とは、この実施例の場合、第二演
算増幅器32と抵抗R₁,R₂による回路となる。

さらに、この実施例では、当該第二演算増幅器32の入力
に与えるアナログ直流電圧V_Aはマイクロコンピュータ23
から与えられる場合が示されており、また、その値及び
極性は、当該マイクロコンピュータ23での後述する適当
なる演算ないし判断の下に得られた二値数値データをD/
A変換器25（ソフト的な処理によるか、別途なハードウ
エアで良い）によりデジタル対アナログ変換することで
得られる場合を想定している。

なお、単に数値データのみでも出力電圧の極性を決定す
ることもできるが、もちろん、極性データのみは図示し
ない別途なレジスタ等に与えることで別に取扱うように
しても良いし、本実施例におけるように、一方の極性
（この場合、負）の直流オフセット電圧のみを加算すれ
ば良い場合には、当然、そのような極性に関する選択的
な反転処理は不要となる。

このような回路の使い方、特に直流オフセット電圧V_Aの
決定の仕方は、例えば次のようにし得る。

第４図に即して説明したように、浴槽11内の湯の高さが
連通口12には至らない範囲であれば、浴槽11の底が高さ
原点0mにある限り、その時の圧力センサ出力電圧V_Pは第
３図に示されるようにある一定値V_PXであるべきであ
る。

ただ、この実施例では、高さ原点0mに対して負の高さ領
域まで、水位検出の対象としており、第２図示の特性の
圧力センサ21では当該高さ原点0mに水位があるとき、上
記のように1.7Vが得られるようになっており、また、そ
の特性曲線の傾きは４（Ｖ）/5（ｍ）＝0.8（V/m）であ
るので、流通口12の高さＸが例えば10cmであるならば、
上記の一定値V_PXは（1.7＋0.08）Ｖとなる（ほぼ1.8Vと
しよう）。この値はもちろん、既知の値として付属のメ
モリに格納することにより、マイクロコンピュータ23に
て管理することができる。

全く同様に、高さ原点0mにある浴槽11内において1mまで
を水位検出範囲とした場合（実際にはそんなに深くは必
要ないが既述のように説明の便宜のため）、その最大水
位時に相当する圧力センサ21の出力電圧V_PMは、2.5Vと
なる。

したがって、高さ原点にある浴槽に関して必要なこの圧
力センサ圧力電圧範囲1.7〜2.5Vをゲイン５により増幅
すると、8.5〜12.5Vの4V幅となる。

ところが、スパンにおいては4Vと適当ではあっても、マ
イクロコンピュータ23の側においてデジタル変換値に変
換可能な電圧範囲が電源電圧により絶対値で＋０〜＋5V
と決定されてしまっているような場合には、上記スパン
の下限における絶対電圧値＋8.5Vでさえ、高過ぎる。

そこで、上記式の右辺第２項（R₂/R₁）・V_Aの値（す
なわち（R₂/R₁）が本実施例では3.9なので、これも以
降、まるめて４とする4V_A）が例えば7.5Vとなるように
決定すれば、上記のように高さ原点0m位置における8.5
〜12.5Vの第一演算増幅器出力は、スパンとしては同一
の幅4Vを保ったまま、絶対電圧値においても＋１〜＋5V
にまでシフトすることができ、マイクロコンピュータ23
側のA/D変換の入力電圧範囲として適当なものとなる
し、従来と同様、８ビット程度でA/D変換を掛けても、
ビット当たりの水位分解能は十分なものが得られる。

明らかなように、上記V_Aの値は、設置された浴槽の高さ
位置の関数として最適な値に設定することができ、か
つ、そのようにすれば、浴槽11がこの場合、−2mから＋
2mの範囲でどの高さ位置にあっても、常にその各高さ位
置においてせいぜい1m未満程度の水位変化範囲をのみ、
検出対象範囲とすることができる。

例えば、＋1.4mの位置に設置された浴槽があり、したが
ってその連通口12までの高さ位置は＋1.5mであるような
場合、その浴槽において連通口12までの高さにおける圧
力センサ出力電圧は、第２図の特性曲線の傾き0.8と出
力電圧軸切片の値1.7Vとから、2.9Vと計算される（リニ
アリティが良いため、実測値もこれに良く合致する）。
そして、これが第一演算増幅器31によるゲインＧ＝５に
従って増幅されたとすると、５倍して14.5Vとなる。

逆に言って、ある高さの浴槽内において連通口12まで水
（湯）を満たした結果、第二演算増幅器32の出力電位が
接地電位のときに第一演算増幅器31のゲインによっての
み増幅された出力電圧V_Dが14.5Vとなったならば、その
浴槽の連通口高さＸは高さ原点0mに対しては＋1.5mであ
ると知ることができる。

そこで逆に、そのたびごとには特に浴槽の高さを知らな
くても、当該電圧値14.5Vが得られたときには上記のシ
フト用直流オフセット電圧値4V_Aとして13.5Vを与えるよ
うにすれば、その浴槽においても先と同様、槽内水位の
検出対象範囲を＋１〜＋5Vの絶対電圧値範囲にシフトす
ることができる。これは、上記原理からして、その浴槽
における最大水位時の圧力センサ出力電圧を求めなくて
もそうなる。因みに、＋1.5mから1m上の2.5mでは、ゲイ
ンＧを掛けられた後の値は18.5Vとなり、これから上記
の13.5Vを引くとデジタル変換に供すべき最大電圧値は5
Vとなる。

これをもっと一般的に言うと、上記式は、上記式に
よるＧ＝１＋R₂/R₁（式）を代入し、整理することに
より、 V_D＝（V_P−V_A）・（R₂/R₁）＋V_P ‥‥‥ と書替えることができる。

そこで、どの高さH_Xの浴槽11でも連通口12の位置に水位
があるときの圧力センサ出力電圧V_PHXに基づき、第一演
算増幅器出力電圧V_Dを例えば1Vにしたければ、当該V_D＝
１（Ｖ）を上記式に代入し、さらに変形してV_Aについ
て解くと、 V_A＝V_PHX−（1-V_PHX）・（R₁/R₂） ‥‥‥ となって、R₁/R₂の項は既知であり、また当然、V_PHXも
あらかじめ知って置くことができるので、これらの値に
共づき、マイクロコンピュータ23による演算の結果、D/
A変換器25を出た後のアナログ直流オフセット電圧V_Aが
この値に固定になるような二値数値データを求め、これ
を当該D/A変換器25（既述のように実際はソフト的な処
理で良いが）に与えれば良い。もちろん、上記V_Dを1Vに
設定するのは単なる例示である。

このように、各具体的な数値例に即し、本実施例につき
詳記したが、本発明によると、浴槽自体の高さ位置、例
えば浴槽の底を基準位置とするならばこの基準位置の高
さ原点に対する高さ変動分を相殺ないし低減し、浴槽が
どの高さ位置にあってもそれにはかかわらず、デジタル
変換値への変換可能な電圧範囲にて同じビット数でその
浴槽内における水位を検出することができる。

したがって、上記のように、例え測定ダイナミック・レ
ンジとしては5mにも及ぶ圧力センサを用いねばならなく
とも、その中、浴槽設置位置に応じて必要な水位変化幅
（例えば1m）に相当する部分の圧力センサ出力電圧変化
範囲のみを増幅し、その抽出された変化範囲（スパン）
をのみ、デジタル変換することができ、換言すれば、浴
槽自体の高さ変化に起因し、デジタル変換する必要のな
い圧力センサ出力電圧増幅分は合理的に捨てられること
になる。

もちろん、差動型の圧力センサ等、負の出力電圧範囲を
一部に持つタイプを使用した結果、デジタル変換可能な
電圧範囲が正領域に限られているのに、変換対象の入力
電圧範囲が負領域となるならば、圧力センサ出力電圧を
増幅後に加算する適当絶対値の直流オフセット電圧を正
とすることで、上記同様の作用を期待することができ
る。

ただし、高さに関する原点位置は任意に設定可能であ
り、各パラメータも単に平行移動すれば良いので、例え
ば第２図中、−2m点を原点0m位置とし、ここから＋5mま
での範囲を圧力センサ21の測定対象として任せることも
できる。

さらに、第１図示回路によると、圧力センサ21の経年変
化により、マイクロコンピュータ23が最初に設定した直
流オフセット電圧値V_Aが適当でなくなり、連通口12の位
置で異なる出力電圧V_Dが得られるようになった場合に
も、その補正は簡単であり、自動化することもできる。
これは本発明の目的を達成した結果として付随的に発生
した効果であるが、得られてみると、これも意外に大き
な効果であることが分かる。

［効果］本発明によれば、給湯機本体に対して設置可能な浴槽の
高さ範囲をかなり広く許容する必要があり、したがっ
て、浴槽内水位検出のために用いる圧力センサにもその
圧力検出範囲の広いものを使用せねばならない場合に
も、一旦、ある高さ位置に設定された浴槽11に関して
は、あえてアナログ対デジタル変換のビット数を増さず
とも、槽内水位を高い分解能を持って精度良く検出する
ことができる。

換言すれば、給湯機本体と浴槽との間の高さ関係の規定
を緩和することができ、より柔軟で商品性の高い給湯シ
ステムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水位検出装置の一実施例における要部
回路の概略構成図，第２図は浴槽内水位を圧力の変化で検出し、対応する出
力電圧を発生する圧力センサを用いた場合の当該浴槽内
水位と出力電圧の変化関係の傾向を示す説明図，第３図は比較的広い水位差を検出可能な市販圧力センサ
の特性例の説明図，第４図は給湯機本体ないし圧力センサ設置位置と浴槽設
置高さ位置との関係を示す説明図，である。図中、11は浴槽、12は連通口、20は給湯機本体、21は圧
力センサ、22は熱交換器、23はマイクロコンピュータ、
24はA/D変換器、25はD/A変換器、31は第一演算増幅器、
32は第二演算増幅器、R₁,R₂は抵抗器、V_Pは圧力センサ
出力電圧、V_Dはデジタル値への変換に供すべき第一演算
増幅器出力電圧、V_Aは直流オフセット電圧、である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】浴槽の湯に連通する連通口への流路中に圧
力センサを配し、該圧力センサの検出圧力変換出力電圧
をデジタル値に変換し、該デジタル値に基づいて浴槽内
の湯の水位を検出する装置であって；上記圧力センサの上記出力電圧値を、変換可能なアナロ
グ入力電圧値範囲が特定の値範囲に固定されたアナログ
対デジタル変換器によって上記デジタル値に変換する前
に増幅し、該増幅された圧力センサの出力電圧値の変化
範囲を上記アナログ対デジタル変換器の上記変換可能な
入力電圧値範囲を越える範囲とする増幅回路と；同じく上記デジタル値への変換の前に、上記増幅された
圧力センサの出力電圧値の変化範囲の中、上記アナログ
対デジタル変換器によって上記変換可能な範囲を選択す
るために、該増幅された圧力センサの出力電圧に負また
は正のオフセット電圧を加算するオフセット電圧加算回
路と；を有して成る浴槽付給湯機用水位検出装置。