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JP2006126030A - 液位センサ - Google Patents

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JP2006126030A
JP2006126030A JP2004315453A JP2004315453A JP2006126030A JP 2006126030 A JP2006126030 A JP 2006126030A JP 2004315453 A JP2004315453 A JP 2004315453A JP 2004315453 A JP2004315453 A JP 2004315453A JP 2006126030 A JP2006126030 A JP 2006126030A
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temperature
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JP2004315453A
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Inventor
Mikihiro Ooshima
幹啓 大島
義典 ▲高▼嶋
Yoshinori Takashima
Motoki Ogata
基樹 緒方
Takashi Kawai
孝士 川井
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】連続的に液位を検出して精度を向上した液位センサを提供することを目的としている。
【解決手段】絶縁性の基板14に、サーミスタ15を昇温するヒータ部16、絶縁層17、サーミスタ15に対向させる電極18、サーミスタ15を順に積層しており、このサーミスタ15は、気体のみに接する気体温度検出用サーミスタ19と、液体のみに接する液体温度検出用サーミスタ20と、液面を境に気体と液体の両方に接する液位検出用サーミスタ21とを有し、液位検出用サーミスタ21の端部に液体温度検出用サーミスタ20および気体温度検出用サーミスタ19を結合して形成した構成である。
【選択図】図2

Description

本発明は、液体の液位を検出する液位センサに関するものである。
従来の液位センサについて図面を参照しながら説明する。
図9は従来の液位センサの正面図、図10は使用時における同液位センサのA部を拡大した拡大正面図である。
図9において、1は絶縁基板で、この絶縁基板1は長手方向に略垂直に立設させるとともに、この絶縁基板1の一側面には上側に位置して電源電極2、中間電極3およびGND電極4を並列に設けている。また、絶縁基板1の一側面には、第1の回路パターン5を介してGND電極4と一端を電気的に接続するように、複数のサーミスタ6を上側から下側に渡って設けている。そして、サーミスタ6は温度が上昇するとその抵抗値が急激に下がる特性を有している。そしてまた、絶縁基板1の一側面にはサーミスタ6と同じ高さに位置して複数の固定抵抗体7を設けており、この固定抵抗体7は一端を第2の回路パターン8を介して電源電極2に電気的に接続している。さらに、絶縁基板1の一側面には複数の第3の回路パターン9を設けており、この第3の回路パターン9により、サーミスタ6の他端と固定抵抗体7の他端を電気的に接続している。
この液位センサは、例えば、液体を貯留した容器の内側に略垂直に立設する、または、点滴袋のような液体を貯留した容器の外側に略垂直に立設する等して用いる。立設に当たっては、接着剤で接着したり、容器そのものに埋設したりする等すれば良い。
この電源電極2とGND電極4との間には直流電圧を印加する。この場合、液面上に位置するサーミスタ6は通電によって発熱し、また、液面下に位置するサーミスタ6は液体によって冷却される。そして、サーミスタ6は温度上昇すると抵抗値が急激に下がる特性を有しているため、液面上に位置するサーミスタ6の抵抗値は液面下に位置するサーミスタ6の抵抗値に比べて十分に小さな値となる。すなわち、液面上に位置するサーミスタ6に流れる電流は、液面下に位置するサーミスタ6に流れる電流に比べて十分に大きな値となる。
よって、電源電極2およびGND電極4に直列に電流計を接続すると、電源電極2とGND電極4との間に流れる電流は液面上に位置するサーミスタ6の個数に応じて、増加した値となるため、液面の高さを知ることができるものである。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開昭62−102120号公報
上記構成では、複数のサーミスタ6を順次、上側から下側に渡って設けているため、図10に示すように、互いに隣り合うサーミスタ6の間に液体10の液面が位置する場合に液面の変化が検出できなくなる。すなわち、液面の変化に応じて、連続的に出力信号を変化させることができず、液位を精度良く検出することができないという問題点を有していた。
本発明は上記問題点を解決するもので、連続的に液位を検出して精度を向上した液位センサを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために本発明は、基板と、前記基板に配置したサーミスタと、前記サーミスタに対向させて前記基板に配置した電極とを備え、前記サーミスタは、気体のみに接する気体温度検出用の前記サーミスタと、液体のみに接する液体温度検出用の前記サーミスタと、液面を境に気体と液体の両方に接する液位検出用の前記サーミスタとを有し、液位検出用の前記サーミスタの端部に液体温度検出用の前記サーミスタおよび気体温度検出用の前記サーミスタを結合するとともに、前記サーミスタを昇温するヒータ部を設けた構成である。
上記構成により、液位センサは、液位を連続して検出するので、液面の変化に応じて、連続的に精度良く液位を検出できる。また、サーミスタを昇温するためのヒータ部を設けているので、各サーミスタの感度を向上させ、液位センサとしての精度を向上できる。
以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の一実施の形態における液位検出システムのブロック図、図2は同液位検出システムに用いる液位センサの分解斜視図、図3は同液位センサの一部透視平面図である。
図1から図3において、本発明の一実施の形態における液位検出システムは、液体の液位を検出する液位センサを備え、この液位センサは液位を連続して検出し、検出した液位を液位情報として液位センサから発信するとともに、液位センサから液位情報を受信する発信受信システムを設けている。発信受信システムは、液位センサで検出された液位情報を無線や有線により、表示装置11に伝達して視覚情報として表示させたり、音響装置に伝達して音情報として音を発生させたりするものである。無線を使う場合は、無線送信部12と無線受信部13を組み合わせて用い、液位情報は無線送信部12を介して発信され、無線受信部13を介して受信され、無線受信部13に接続された表示装置11や音響装置で表示されたり、音を発生させたりする。
この液位検出システムに用いる液位センサは、絶縁性の基板14に、サーミスタ15を昇温するヒータ部16、絶縁層17、サーミスタ15に電気的に接続されている電極18、サーミスタ15を順に積層している。
ここで、液位センサを例えば、点滴袋(図示せず)に添付して点滴袋(図示せず)液位を検出する場合を考える。
このサーミスタ15は、前述の点滴袋(図示せず)の媒体を介して気体のみに接する気体温度検出用サーミスタ19と、点滴袋(図示せず)の媒体を介して液体のみに接する液体温度検出用サーミスタ20と、液面を境に気体と液体の両方に接する液位検出用サーミスタ21とを有し、液位検出用サーミスタ21の端部の一端側で液体温度検出用サーミスタ20と結合し、他端側で気体温度検出用サーミスタ19と結合している。
また、液位センサには、各サーミスタ15の抵抗値または抵抗値変化率(基準温度から抵抗値が変化する変化率)を算出する演算部22と、各サーミスタ15の抵抗値または抵抗値変化率から液位を算出する演算部22とを有する処理回路23を接続している。これらの処理回路23はマイコンで構成することができる。
さらに、この処理回路23には、各サーミスタ15への給電手段として定電流源24を設けるとともに、ヒータ部16の制御手段としてヒータ制御部25を設けており、このヒータ制御部25の演算によるデジタル信号からなる出力信号を3つのDAC26によりアナログ信号からなる出力信号に変換している。そしてまた、前記処理回路23におけるDAC26のデジタル信号からなる出力信号により、気体温度検出用サーミスタ19、液体温度検出用サーミスタ20および液位検出用サーミスタ21と各々、直列に電気的に接続された3つの定電流源24の電流値を所定の値に設定する。
また、前記処理回路23には3つの増幅器27を設けており、この増幅器27により、気体温度検出用サーミスタ19、液体温度検出用サーミスタ20および液位検出用サーミスタ21からの出力信号を増幅するとともに、この3つの増幅器27には、各々ADC28を設けており、このADC28により、増幅器27の出力信号をデジタル信号からなる出力信号に変換するものである。
そして、前記ヒータ部16の発熱量は、気体温度検出用サーミスタ19の抵抗値と液体温度検出用サーミスタ20の抵抗値の差または比によって制御する、あるいは、抵抗値変化率の差または比によって制御している。
ここで、液位センサによる液位の検出について説明する。
液位は、気体温度検出用サーミスタ19と液体温度検出用サーミスタ20の抵抗値の違い、または、抵抗値変化率(基準温度から抵抗値が変化する変化率)の違いに基づき、液位検出用サーミスタ21の抵抗値または抵抗値変化率を比較して、液位を連続して検出する。
これは、気体温度検出用サーミスタ19と液体温度検出用サーミスタ20の抵抗値または抵抗値変化率が既知であれば、気体と液体の熱放散定数が相違するので、液位検出用サーミスタ21の抵抗値または抵抗値変化率によって、液位検出用サーミスタ21における液面の位置が一意的に定まることを検出原理としている。
具体的な検出原理として、例えば、次のようなものがある。
図4は気体温度検出用サーミスタ19に相当する斜視図、図5は液体温度検出用サーミスタ20に相当する斜視図、図6は液位検出用サーミスタ21に相当する斜視図である。
図4から図6において、基準温度時の抵抗率をρ0とし、温度上昇時における気体温度検出用サーミスタ19の抵抗率をρAとし、液体温度検出用サーミスタ20の抵抗率をρBとする。
気体温度検出用サーミスタ19の長さをLAとし、幅をWAとし、厚みをtAとすると、基準温度における抵抗値RA0と、温度上昇時における抵抗値RAは次の通りである。
A0=ρ0A/LAA・・・(式1)
A =ρAA/LAA・・・(式2)
また、液体温度検出用サーミスタの長さをLBとし、幅をWBとし、厚みをtBとすると、基準温度における抵抗値RB0と、温度上昇時における抵抗値RBは次の通りである。
B0=ρ0B/LBB・・・(式3)
B =ρBB/LBB・・・(式4)
液位検出用サーミスタの長さをLXとし、幅をWXとし、厚みをtXとし、液面を境にして、気体側の長さを(LX−X)、液体側の長さをXとすると、温度上昇時における抵抗値RXは次の通りである。
X=(ρAρBX/tX)/{ρAX+ρB(LX−X)}
このとき、X/LXは次の通りである。
X/LX={ρAρBX/(tXX)−RXρB}/RX
ここで、RXA=ρAX/LXXなので、これを代入すると、次の通りである。
X/LX=(1−RXA/RX)/(1−ρA/ρB)・・・(式5)
また、上記の(式1)と(式2)より、
ρA=ρ0(RA/RA0)・・・(式6)
同様に、上記の(式3)と(式4)より、
ρB=ρ0(RB/RB0)・・・(式7)
すなわち、ρB/ρA=(RB/RB0)/(RA/RA0)・・・(式8)
また、RXA/RX=(RXA/RX0)/(RX/RX0)において、RXA/RX0は次の通りである。
XA/RX0=(ρAX/LXX)/(ρ0X/LXX
つまり、RXA/RX0=ρA/ρ0=RA/RA0
したがって、(式5)は次のように変形できる。
X/LX={1−(RA/RA0)/(RX/RX0)}/{1−(RA/RA0)/(RB/RB0)}
よって、ρ0の時の各抵抗値RX0とRA0とRB0からの変化率が分かれば、X/LXを求めることができる。
この抵抗値の変化率を求める手段として、例えば、次のようなものがある。
ヒータ部16への通電の前後における、各サーミスタ15と定電流源24との接続部の電位の差分に基づいて、各サーミスタ15の抵抗値変化率を算出し、液位を算出するものである。
図7において、VX=A{(Vcc−iR)−VS}+VS
つまり、R={(1−A)VS+AVcc−VX}/iA
RとVRとVXについて、初期状態をR0とVR0とVX0とすると、R0とVR0とVX0は次の通りである。
X0=A{(Vcc−iR0)−VS}+VS
0={(1−A)VS+AVcc−VX0}/iA・・・(式9)
Rが変化したときの状態をR1とVR1とVX1とすると、R1とVR1とVX1の関係は次の通りである。
1={(1−A)VS+AVcc−VX1}/iA・・・(式10)
(式1)と(式2)より、R1/R0は次の通りである。
1/R0={(1−A)VS+AVcc−VX1}/{(1−A)VS+AVcc−VX0}・・・
(式11)
すなわち、定電流値iが分からなくても、VX0が既知であれば、Rの変化率を求めることができる。
図7は図1におけるB部と同様な等価回路図であり、上記の検出原理を本発明に適用すれば、各サーミスタ15の抵抗値変化率を求めることができる。
また図8(a)はRA、RB、RXの温度と抵抗値の特性を示したものであり、図8(b)はRA、RB、RXの温度と抵抗値変化率を示したものであるが、RA、RB、RXが同一のサーミスタ材料で形成されていれば理想的には点線で示すように温度変化による抵抗値変化率は同一特性を示すが、実際には製造上のバラツキにより実線で示したようにRA、RB、RXそれぞれが異なった温度特性を生じる場合がある。これにより液位の演算結果に誤差を生じることになるため温度に対する感度バラツキを補正する補正値を設定して演算を行なっても良い。
具体的な補正原理として、例えば次のようなものがある。
A、RBの温度に対する感度をRXに合わせる補正係数を導入する。
まず、ヒータ部16を通電する前の温度を基準温度T0としてRA、RB、RXのそれぞれの初期抵抗値をRA0、RB0、RX0とする。
次に、ヒータ部16通電後、任意の温度T1に上昇した時点でのRA、RB、RXそれぞれの抵抗値をRA1、RB1、RX1とする。このときRAの温度に対する感度をRXの温度に対する感度に補正する係数をKAとするとKA(RA1−RA0)/RA0=(RX1−RX0)/RX0とあらわすことができる。したがってKA=(RX1/RX0−1)/(RA1−RA0−1)となる。同様にRBの温度に対する感度をRXの温度に対する感度に補正する係数をKBとするとKB=(RX1/RX0−1)/(RB1/RB0−1)となる。この補正係数を抵抗値変化率の演算結果に反映するためには補正係数をKとすると(式11)の代わりに
1/R0=K[{(1−A)VS+AVcc−VX1}/{(1−A)VS+AVcc−VX0}−1]+1・・・(式12)
を用いればよい。この補正を行うことにより各サーミスタ15の感度バラツキを低減することができることから液位検出を精度良く行うことができる。
また製造上のバラツキによって各サーミスタ15の抵抗値が大きくばらついた場合、定電流源による定電流iとサーミスタ抵抗Rとを掛け合わせた値が電源電圧Vccを上回る(iR>Vcc)と原理的に抵抗値または抵抗値変化率の検出が不可能となってしまう。このような状態を避けるため、マイコンからDAC26を介して、初期状態における各ヒータ15と定電流源26の接続部の電位が所定の電位になるように定電流源の電流値を調整する機能を設けても良い。
上記構成によれば、液位センサは、液位を連続して検出するので、液面の変化に応じて、連続的に精度良く液位を検出できる。
また、検出した液位は液位情報として、液位センサから発信するとともに受信する発信受信システムを設けているので、液位センサから離れた場所で、液位情報を検出することができる。
特に、液位センサは、気体温度検出用サーミスタ19と液体温度検出用サーミスタ20の抵抗値の違い、または、抵抗値変化率の違いに基づき、液位検出用サーミスタ21の抵抗値または抵抗値変化率を比較するので、液位を連続して検出することができる。
この際、サーミスタ15を昇温するためのヒータ部16を設けているので、各サーミスタ15の感度を向上させ、液位センサとしての精度を向上できる。
また、このヒータ部16の発熱量は、気体温度検出用サーミスタ19の抵抗値と液体温度検出用サーミスタ20の抵抗値の差または比によって制御する、あるいは、抵抗値変化率の差または比によって制御するヒータ制御部25を設けているので、より精度を向上できる。
さらに、各サーミスタ15の抵抗値または抵抗値変化率を算出する演算部22と、各サーミスタ15の抵抗値または抵抗値変化率から液位を算出する演算部22とを有する処理回路23を接続し、各サーミスタ15への給電手段として、処理回路23に定電流源24を設けているので、比較的簡単に演算が可能である。
そして、液位センサは、液位検出用サーミスタ21の端部に液体温度検出用サーミスタ20および気体温度検出用サーミスタ19を結合するとともに、サーミスタ15を昇温するヒータ部16を設け、絶縁性の基板14に、ヒータ部16、絶縁層17、サーミスタ15に電気的に接続させる電極18、サーミスタ15を順に積層しているので、容易に形成できる。
なお、液位情報に基づき、液位変化率を連続して検出し、検出した液位変化率の液位変化率情報を液位情報として液位センサから発信するとともに、液位変化率情報を液位情報として受信する発信受信システムを設けても良い。
この場合、液位の変化スピードを確認できる。
また、液位情報に基づき、液位が所定値よりも低下または上昇すると、警告情報として警告するシステムを設けたり、液位変化率情報に基づき、液位変化率が所定変化率よりも低下または上昇すると、警告情報として警告するシステムを設けたりしてもよい。
特に、上記のような警告システムは、これらの液位検出システムを医療用として用いた場合に効果がある。例えば、液位センサを医療用の点滴袋に設置して、液位の量や液位の変化率が所定値よりも低下したり上昇したりした場合に警告すれば、点滴袋から薬剤を注入される患者に対して医療信頼性を向上できる。
この警告システムでは、患者の近くに医療スタッフがいなくても、医療スタッフに対して警告情報を発信し、その警告情報を端末等によって医療スタッフが受信することを可能にするものである。
以上のように本発明は、液体の液位を検出する液位センサとして多用途に用いることができる。
本発明の一実施の形態における液位検出システムのブロック図 同液位検出システムに用いる液位センサの分解斜視図 同液位センサの一部透視平面図 気体温度検出用サーミスタに相当する斜視図 液体温度検出用サーミスタに相当する斜視図 液位検出用サーミスタに相当する斜視図 図1におけるB部と同様な等価回路図 各サーミスタの温度に対する抵抗値の変化率と比を示す波形図 従来の液位センサの正面図 使用時における同液位センサのA部を拡大した拡大正面図
符号の説明
11 表示装置
12 無線送信部
13 無線受信部
14 基板
15 サーミスタ
16 ヒータ部
17 絶縁層
18 電極
19 気体温度検出用サーミスタ
20 液体温度検出用サーミスタ
21 液位検出用サーミスタ
22 演算部
23 処理回路
24 定電流源
25 ヒータ制御部

Claims (11)

  1. 基板と、前記基板に配置したサーミスタと、前記基板に設けるとともに、サーミスタと電気的に接続された電極とを備え、前記サーミスタは、熱を伝導する媒体を介して気体のみに接する気体温度検出用の前記サーミスタと、熱を伝導する媒体を介して液体のみに接する液体温度検出用の前記サーミスタと、液面を境に熱を伝導する媒体を介して気体と液体の両方に接する液位検出用の前記サーミスタとを有し、液位検出用の前記サーミスタの端部に液体温度検出用の前記サーミスタおよび気体温度検出用の前記サーミスタを結合するとともに、前記基板にサーミスタを昇温するヒータ部を設けた液位センサ。
  2. 前記サーミスタで検出した液位情報を発信する発信手段を設けた請求項1記載の液位センサ。
  3. 前記サーミスタで検出した液位情報に基づき、液位変化率を検出するとともに、検出した液位変化率を液位変化率情報として発信する発信手段を設けた請求項1記載の液位センサ。
  4. 前記サーミスタで検出した液位情報に基づき、液位が所定値よりも低下または上昇すると、警告情報を発信する発信手段を設けた請求項1記載の液位センサ。
  5. 前記サーミスタで検出した液位情報に基づき、液位変化率を検出するとともに、検出した液位変化率を液位変化率情報とし、前記液位変化率情報に基づき、液位が所定変化率よりも低下または上昇すると、警告情報を発信する請求項1記載の液位センサ。
  6. 前記液位センサは、熱を伝導する媒体を介して気体のみに接する気体温度検出用のサーミスタと、熱を伝導する媒体を介して液体のみに接する液体温度検出用のサーミスタと、液面を境に熱を伝導する媒体を介して気体と液体の両方に接する液位検出用のサーミスタとを備え、気体温度検出用の前記サーミスタと液体温度検出用の前記サーミスタの抵抗値の違い、または、抵抗値変化率の違いに基づき、液位検出用の前記サーミスタの抵抗値または抵抗値変化率を比較して、液位を検出する請求項1記載の液位センサ。
  7. 前記サーミスタを昇温するためのヒータ部を設け、前記ヒータ部の発熱量は、気体温度検出用の前記サーミスタの抵抗値と液体温度検出用の前記サーミスタの抵抗値の差または比によって制御する、あるいは、抵抗値変化率の差または比によって制御するヒータ制御部を設けた請求項6記載の液位センサ。
  8. 前記液位センサには、前記サーミスタの抵抗値または抵抗値変化率を算出する演算部と、前記サーミスタの抵抗値または抵抗値変化率から液位を算出する演算部とを有する処理回路を設け、さらに前記サーミスタへの給電手段として、前記処理回路に定電流源を設けた請求項6記載の液位センサ。
  9. 前記サーミスタを昇温するためのヒータ部を設けるとともに、前記ヒータ部への通電の前後における、前記サーミスタと前記定電流源との接続部の電位の差分に基づいて、前記サーミスタの抵抗値変化率を算出し、液位を算出する演算部を設けた請求項8記載の液位センサ。
  10. 前記サーミスタを昇温するためのヒータ部を設けるとともに、前記ヒータ部への通電の前後における、前記サーミスタの抵抗値と、前記サーミスタと前記定電流源との接続部の電位に基づいて、前記サーミスタの温度に対する感度バラツキを補正する補正値を設定する演算部を設けた請求項8記載の液位センサ。
  11. 前記サーミスタを昇温するためのヒータ部を設けるとともに、前記ヒータ部への通電の前において、前記サーミスタの抵抗値と、前記サーミスタと前記定電流源との接続部の電位とを所定値になるように前記定電流源の電流値を調整し、前記ヒータ部への通電の後における、前記サーミスタの抵抗値と、前記サーミスタと前記定電流源との接続部の電位と、前記ヒータ部への通電の前における前記所定値に基づいて、前記サーミスタの温度に対する感度バラツキを補正する補正値を設定する演算部を設けた請求項8記載の液位センサ。
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