(57)【要約】【課題】消波管、フロート、レーザー距離計を有するレーザー式液面計において、消波管中心軸にレーザー光を合わせる光軸合わせ、液面計の測定距離の校正が課題である。【解決手段】消波管内面の校正位置に消波管の中心軸と同軸の校正体を内壁に固定する。レーザー距離計は微動回転機構により、左右、前後にレーザー光を調整し、校正体位置をレーザー距離計による距離測定及び反射光強度変化から検出する。検出した左右校正体位置の中点及び前後校正体位置の中点を消波管中心として光軸合せをおこなう。距離校正は既知の校正体位置までの距離を校正値とし、この距離をレーザー距離計で測定した校正体の距離を被校正値として、両者を比較することで距離の校正をおこなう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（イ）消波管、レーザー距離計、フロートを有し、測定液中に内部が空胴の円形消波管を設置する。レーザー距離計を消波管の上部に配置して、消波管の中心軸にレーザー距離計の投射レーザー光の光軸を合わせてレーザー光を送出する。
（ロ）消波管内部の液面にフロートを浮力で浮かべておく、フロートは液面の上下によって液面と同じ距離を上下する。
（ハ）投射レーザーはフロートに投射され、その反射レーザー光をレーザー距離計で受信してフロートまでの距離を求め、液面に換算する。
（ニ）レーザー光の光軸合わせおよび測定液面までの距離を校正するための校正体を有し、校正体の上面はレーザー光を反射する反射面で構成する。
（ホ）校正体は消波管の中心軸と同軸の同軸ドーナツ形リングにより構成し、同軸外周部は消波管の内壁に固定する。
（ヘ）レーザー距離計は消波管中心軸を基準として、レーザー距離計の光軸を左右、前後に角度を調整できるレーザー距離計微動回転機構を有するものとし、回転角度の読み取りが可能なものとする。
（ト）校正体の校正面である上部反射面に、レーザー距離計微動回転機構は光軸角度を調整して、レーザー光を投射したとき、反射レーザー光によりレーザー距離計で、反射面までの距離測定と同時にレーザー距離計微動回転機構により微動回転角度の読みとりが可能なものとする。
（チ）微動回転機構により、レーザー光を消波管中心軸から左右に調整し、距離測定により校正体の上部反射面に到達した点の左右２点について、微動回転機構回転角度を読み取る。
（リ）上記で読みとった両方の微動回転機構回転角度の中点の角度を左右方向のレーザー光の光軸中心として設定する。
（ヌ）同様に、前後の光軸中心は光軸を消波管中心軸から前後に調整し、距離測定により校正体の上部反射面に到達した点の前後２点について、微動回転機構回転角度を読み取り、両者の中点の角度を前後方向のレーザー光の光軸中心として設定する。
（ル）レーザー距離計の測定基準面と校正体の校正面である上部反射面との距離は消波管への校正体固定位置できまる一定値である。この距離を校正値とする。
（ヲ）レーザー距離計で測定した校正体の上部反射面までの距離測定値を被校正値とする。
（ワ）上記の校正値と被校正値を比較することにより校正面である校正板の上部反射面位置において、レーザー距離計の測定距離校正を行うものとする。
（カ）以上の構成による光軸合わせおよび測定距離校正を特徴とするレーザー式液面計
【請求項２】
（ア）請求項１において、校正体の代わりに、同じ形状の支持体を有し、支持体は請求項１の校正体と同様に支持体の同軸外周部を消波管の内壁に固定する。
（イ）消波管内径より、小さな径の円形校正体を有するものとし、円形校正体は支持体上に配置する。円形校正体は光軸合わせ時および測定距離校正時以外は、消波管内部から外部に取り除くものとする。
（ウ）円形校正体上面は校正面として、円形校正体の同軸方向に反射帯と無反射帯の繰り返しパターンを有するものとする。
（エ）上部校正面に対して、レーザー距離計微動回転機構は光軸角度を調整して、レーザー光を投射したとき、レーザー距離計で、反射帯までの距離測定、レーザー光の反射強度及びレーザー距離計微動回転機構の微動回転角度の読みとりが可能なものとする。
（オ）微動回転機構により、レーザー光を左右に調整し、円形校正体の反射帯と無反射帯との境界点の距離測定値、レーザー光の反射強度及びレーザー距離計微動回転機構の微動回転角度を読み取る。
（カ）上記の反射帯と無反射帯との境界点は同一同軸パターンに対して、左右対称位置に２点ある。この２点のレーザー距離計微動回転機構の微動回転角度の中点角度を左右方向のレーザー光の光軸中心として設定する。
（キ）微動回転機構により、レーザー光を前後に調整し、円形校正体の反射帯と無反射帯との境界点の距離測定値、レーザー光の反射強度及びレーザー距離計微動回転機構の微動回転角度を読み取る。
（ク）上記の反射帯と無反射帯との境界点は同一同軸パターンに対して、前後対称位置に２点ある。この２点のレーザー距離計微動回転機構の微動回転角度の中点角度を前後方向のレーザー光の光軸中心として設定する
（ケ）レーザー距離計の測定基準面と円形校正体の校正面の中心距離は校正体の固定位置で定まる一定値である。この距離を校正値とする。
（コ）レーザー距離計で測定した円形校正体の校正面の中心までの距離測定値を被校正値とする。
（サ）上記の校正値と被校正値を比較することにより校正板の円形反射面中心位置において、レーザー距離計の測定距離校正を行うものとする。
（シ）以上の構成による光軸合わせおよび測定距離校正を特徴とするレーザー式液面計
【請求項３】
（イ）［請求項１］において校正体、［請求項２］において支持体は消波管の中心軸と同軸の同軸中空ドーナツ形リングにより構成するとしているが、同軸中空ドーナツ形リングの外径は消波管内径と同じとし、これに対して、校正体又は支持体の同軸中空ドーナツ形リングの内径を可変とし、上部に対して下部側の内径を距離に対応して、大きくなる形状の同軸中空円柱体により構成する。
（ロ）フロートの形状は上部のレーザー光の反射面は円形とする。上部に対して下部の水平断面も円形とし、下部方向の水平断面直径は距離に対応して、小さくなる円形断面による形状とする。
（ハ）校正体または支持体は上記（イ）項による構成、形状とし、同時にフロートは上記（ロ）項による構成、形状としたレーザー式液面計
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  レーザー光を測定液面に浮かべたフロートに投射して、フロートまでの距離をレーザー距離計で測定することによるレーザー式液面計は公知技術として知られている。この方式によるレーザー式液面計は被接触方式のためにセンサー部の経年劣化が少なく、化学プラントの液面計、河川、用水路、貯水池などの水位測定に広く適用が可能である。しかし、従来、液面測定に適したレーザー距離計が高価であること。測定距離の校正および消波管内のフロートにレーザー光を正確に投射する方法が確立していないために普及が遅れている。レーザー距離計は建築現場用の距離測定用などとして低価格が進んでいる。本発明は広く産業上の利用に供するために、消波管を垂直に対して角度を付けて設置した場合についても測定液面の校正およびフロートに対する投射角度調整を容易化したレーザー式液面計を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】レーザー距離計、フロート、消波管を用いた水位レベル計または液面レベル計の文献として下記が存在する。
【特許文献１】特開平１０−２８１８５４号公報
【特許文献２】特開平０９−２０３６５２号公報
【特許文献３】特開平０１−１２３１１５号公報
【特許文献４】特開２００６−２５８５７９号公報
【特許文献５】特開２０１０−２４９７９０号公報消波管中のフロートにレーザー光を投射し、反射レーザー光により水面までの距離を求めるレーザー距離計を用いたレーザー式液面計は公知技術として上記の文献に示されている。しかし、これらの文献に関して、測定距離の校正方法、フロートへの投射レーザー光の光軸合わせの方法は示されていない。
測定距離の校正方法は他方式の液面計を含めて一般に簡単で容易に行うことが困難である。細径で距離が長い消波管においてはフロートへ投射するレーザー光の光軸合わせを容易化することが重要である。本発明は垂直に対して角度を付けて設置した消波管に対して、も測定距離の校正方法とフロートへ投射するレーザー光の光軸合わせの方法を提供するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】液面計は化学プラントのタンクの液位、上水道、下水道などの水処理用の貯留槽、河川、農業用水路などの分野で広く用いられている。解決しようとする課題はこれらの分野で共通的な部分が大きいが、以下に河川、農業用水路など水位計に的を絞り課題を示す。
従来、代表的な水位計として、河川、用水路、ダム、貯水地などの水位計には、機械的な方法としてフロート式が使用されていた。この方式は水面の上昇下降にしたがって上下するフロートに取付けたワイヤを巻き込むリールの回転角度から水位を換算するもので水位計測精度として±１ｃｍ程度が得られるが、土木構造物として大きな測水筒を必要とする。このために最近ではダム、大河川などの他はあまり使用されていない。しかし、フロート式はフロートに取り付けたワイヤの伸び縮みなどの機械的な要因以外では誤差が生じないために、校正頻度を少なくしても精度が維持できる方式である。
測定水面にセンサー部を接触して水位測定する代表的接触式水位計として水圧式水位計が多く使用されている。この方式は水深に比例した水圧を感圧素子で測定するもので、大気圧と比較して測定するために大気開放チューブを必要とし、このチューブから感圧部に湿気が侵入したり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。このために接触式センサーの共通的課題である安定性が課題となっている。
非接触式水位計としては超音波式水位計に代わって最近では電波式水位計が用いられている。電波式水位計は水面にセンサー部が接触しないために、経年的に安定な測定ができる。
しかし、水面の浮遊物がある場合、誤差の原因となる。また、センサーからの距離によって、電波の放射角度が広がり、放射角度内に電波を遮断する障害物が存在すれば使用できない等の課題がある。
水圧式水位計、電波式水位計ともに、自己校正機能を持たないために水位計独自での校正ができない。このために、校正方法として、水位計の近傍に量水標を設けて、量水標のスケールを目視して測定値と比較して行う。
量水標の目盛りは最低１ｃｍ刻みであるが、波浪の影響などにより、現実的に±５ｃｍ程度の校正誤差が生じることが多い。
本発明のレーザー式水位計はフロート式のように規模の大きい測水筒を必要とせず、水圧式水位計のようにセンサーが水没していることによる接触式センサーに本質的な測定精度劣化の問題がなく、水圧式水位計、電波式水位計に共通な、自己校正の機能がない欠点を除去した自己校正機能を有する水位計である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】レーザー式水位計の測定原理は［特許文献５］特開２０１０−２４９７９０号公報  レーザー式水位計に示したものと同一である。この測定原理は測定水面下に内部が空胴の消波管を設置する。レーザー距離計を消波管の上部にレーザー距離計の投射光軸位置を消波管の中心軸に合わせて設置し、消波管の中にレーザー距離計より投射レーザー光を送出する。
消波管内部の水面にフロートを浮力で浮かべておく、フロートは水面の上下によって水面と同じ距離を上下する。投射レーザー光はフロートにあたり、その拡散反射光をレーザー距離計で受信してフロートまでの距離を求める。
フロート上端と水面との距離（Ｌ）はフロートの浮力によって、常に一定に保たれているため、フロート上端と水面との距離Ｌをレーザー距離計で測定した距離に加えることにより、レーザー距離計と水面の距離を正確に求めることができる。
消波管は水面の波浪によるフロートの上下を押さえる機能、フロートの移動を消波管内におさめる機能とレーザー距離計とフロート間に障害物が入り込まないようにする機能を有するものとする。
また、消波管には水の浸入、排出および砂塵の排出用の複数の小孔またはメッシュ状の孔を設けるものとする。【０００５】［請求項１］における光軸合わせ時の状態を図１に示す。光軸合わせは３消波管の高さ方向の校正位置に固定した反射面を構成する５校正体反射面で反射した６レーザー距離計で測定した距離測定値と７レーザー距離計微動回転機構の回転角度を利用する。
４校正体は３消波管の中心軸と同軸の中空ドーナツ形リングにより構成し、外周部は１２消波管内面に接して固定されている。
光軸合わせ前の６レーザー距離計の光軸は３消波管中心軸に対して、左右方向の角度は右にθ３の傾きにあるものとする。この時の７レーザー距離計微動回転機構の回転角度をゼロとする。第１に７レーザー距離計微動回転機構により右方向に調整する。
調整角度の増加に従って、レーザー光は５校正体反射面に達すると、反射光を６レーザー距離計で受光し、距離測定値は５校正体反射面までの測定距離を表示する。
このときの７レーザー距離計微動回転機構の回転角度θ１を記録する。
第２に、この状態でレーザー光を左方向に調整すれば、３消波管の中心を通過して、反対側の５校正体反射面に達する。このとき距離測定値は５校正体反射面までの測定距離を表する。このときの７レーザー距離計微動回転機構の回転角度θ２を記録する。
光軸中心は７レーザー距離計微動回転機構の回転角度として
θ３＝（θ１＋θ２）／２
として、光軸中心合わせを行う。
同様に、前後方向の６レーザー距離計の光軸のずれに対しても、７レーザー距離計微動回転機構の８前後回転ツマミにより６レーザー距離計を微動回転機構により前後に調整し、左右方向と同様に光軸合わせを行う。【０００６】図２は［請求項１］における６レーザー距離計の距離校正時の状態を示している。距離校正時は図１  に示した光軸合わせが完了としている状態でおこなう。光軸合わせにより、３消波管の中心軸に６レーザー距離計の光軸が一致している。例として、レーザー光を左に調整して、６レーザー距離計の校正を行う場合について述べる。第１にレーザー光を左に調整することにより５校正体反射面に到達する。この時の７レーザー距離計微動回転機構の回転角度θ４は図３に示すように、
１１測定基準面と５校正体反射面間の垂直距離  ｈ
４校正体の同軸中空ドーナツ形リングの内径  Ｌ１
としたとき、
θ４＝ｔａｎ−１（Ｌ１／２ｈ）
として計算される。Ｌ１、ｈは既知の固定値である。１１測定基準面の回転中心からのθ４に対する５校正体反射面までの距離は
ｈ／ｃｏｓθ４
として、計算できる。この値を校正値とする。７レーザー距離計微動回転機構により角度をθ４に設定し、５校正体反射面の境界にレーザー光の光軸を調整したときの測定値を６レーザー距離計で読みとり、この値を被校正値として距離校正を行う。【０００７】［請求項２］は［請求項１］において、校正体を円形平面とすることにより、校正面を広くして校正を容易化したものである。
図４に示すように［請求項１］の校正体の代わりに、同じ形状の１９支持体を有し、１９支持体の同軸外周部を消波管の内壁に固定する。
消波管内径より、小さな径の２０円形校正体を有するものとし、２０円形校正体は１９支持体上に配置する。２０円形校正体は光軸合わせ時および測定距離校正時以外は、消波管内部から外部に取り除くことが可能なものとする。
２１円形校正体上面は校正面として、２０円形校正体の同軸方向に反射帯と無反射帯のくりかえしパターンを有するものとする。
２０円形校正体の上部校正面に対して、７レーザー距離計微動回転機構は光軸角度を調整して、レーザー光を投射したとき、反射レーザー光により６レーザー距離計で、反射面までの距離測定と同時に７レーザー距離計微動回転機構により微動回転角度の読みとりが可能なものとする。
図５は光軸合わせの方法を示した例である。２８校正前の光軸中心が２４外側反射帯にある場合を例として説明する。微動回転機構により、レーザー光を左右方向に調整し、２６中間無反射帯と２３中間反射帯との境界点を６レーザー距離計への反射光の強度変化から検出して、微動回転機構の回転角度を読み取り記録する。２６中間無反射帯と２３中間反射帯との境界点は３０左側境界点、２９右側境界点の２点ある。この境界点は反射帯と無反射帯において６レーザー距離計による距離測定の可否のみでは判定できない。このため、境界点は反射光強度を測定して、境界点における反射光強度の変化により判定する。
この２点の微動回転機構の回転開度の中点開度を３１左右光軸の中心として設定する。同様に、レーザー光を前後方向に調整し、２６中間無反射帯と２３中間反射帯との境界点を６レーザー距離計への反射光の強度変化から検出して、微動回転機構の回転角度を読み取り記録する。２６中間無反射帯と２３中間反射帯との境界点は３２前側境界点、３３後側境界点の２点ある。この２点の微動回転機構の回転開度の中点開度を３４前後光軸の中心として設定する。【０００８】［請求項２］における距離校正は前項［０００７］において、光軸合わせを行った状態で行う。
６レーザー距離計の１１測定基準面と２１円形校正体上面の中心距離は校正体の固定位置で定まる一定値である。この距離を校正値とする。
６レーザー距離計で測定した２２中心反射帯の中心までの距離測定値を被校正値とする。
上記の校正値と被校正値を比較することにより２０円形校正体の２２中心反射帯の中心位置において、６レーザー距離計の測定距離校正を行うものとする。【０００９】［請求項１］においては、消波管の内側に４校正体、［請求項２］においては、消波管の内側に１９支持体が突出している。このために、液面の上下によりフロートが上下としたとき、この突出部に接触して、上下動作に支障を生じる可能性がある。
［請求項３］はこの障害防止を目的としている。
４校正体及び１９支持体は消波管の中心軸と同軸で、同軸内径が同一の同軸中空ドーナツリングによる構成に対して、図６に示す改良型の４校正体または１９支持体はドーナツリングのリングの高さを大きくして、同軸中空円柱体として外径は消波管内径と同じとし、これに対して、同軸中空円柱体の内径を可変とし、上部に対して下部側の内径を下方の長さに対応して、大きくなる形状の同軸中空円柱体により構成する。この構成では同軸中空ドーナツリングによる４校正体または１９支持体の場合に発生する液面の上昇によりフロートが上昇したときに、図７に示すような、２フロート上面が同軸中空ドーナツリングの下面に接触することによる上昇障害が発生しない。
３消波管に固定されている４校正体または１９支持体に対して、２フロートの形状は上部のレーザー光の反射面は円形とする。上部に対して下部の水平断面も円形とし、下部方向の水平断面直径は下方が小さくなる円形断面による形状とする。この構成では液面の下降によりフロートが下降したときに、図８に示すような、フロート下面が同軸中空ドーナツリングの上面に接触することによる下降障害が発生しない。
上記の４校正体または１９支持体と２フロートの形状の組合せにより、液面レベルの上下により２フロートは４校正体または１９支持体を通過してスムースな上下の動きが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】従来の液面計の課題を解決することにより以下の効果が得られる。
第１に、最近、河川、用水路、調整池等の水位計として水圧式水位計および電波式水位計が多く用いられている。水圧式はセンサー部が接触式のため使用環境にもよるが頻繁に校正しないと精度の維持ができない欠点を有している。電波式は非接触式のため校正頻度は水圧式に比較して少ないが水面浮遊物により誤差を生じる欠点を有している。両方式の課題は水位計単体での校正ができないことである。いずれも近傍に設置している量水標の目盛りと対比または校正時に量水標に相当する目盛板を設置して測定値を校正する必要がある。この場合目盛板の読み取りは波浪等の影響により数センチメートル程度の誤差を発生する。本発明のレーザー式液面計は液面計単体での校正を可能とし、精度維持の向上と保守の容易化を実現している。
第２に、消波管中の投射レーザー光がフロートに正確に投射するための光軸合わせ機能を組込み、設置現場での調整を容易化している。
第３に、河川、用水路、調整池などでは水位計設置個所として、垂直断面が確保できない場合がある。本発明のレーザー式液面計では設置断面が傾斜している場合にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】［請求項２］の図５において、反射帯と無反射帯の判定は反射帯によるレーザー距離計の距離測定の可否のみによらず、反射帯と無反射帯の反射率の差によって判定する必要がある。その理由は完全な無反射帯の実現は困難で、僅かな反射に対してもレーザー距離計は距離を測定することが可能な場合が多いためである。レーザー距離計では距離の他に、反射光の強度を同時に測定可能な距離計があり、図５の反射帯と無反射帯の境界は距離の測定の他、反射光強度変化を判定することによって行うことにより確実な判定が実現できる。
［請求項１］において、反射帯と無反射帯の判定は反射帯によるレーザー距離計の距離測定のみで判定が可能である。同軸中心方向からレーザー光を調整して、校正体との境界に達したとき、レーザー距離計の距離変化が大きいためでる。なお、より確実な判定を行うためには、反射光強度変化を併用して判定することにより、容易な判定が可能となる。【００１２】［請求項１］、図１において、校正体の位置と設置数は、消波管の測定液面のフルスケールに対して、複数箇所に設置することにより、液面測定範囲の広い範囲での、レーザー光の光軸合わせとレーザー距離計の校正が可能となる。【００１３】設置場所により消波管は垂直に設置できない場合がある。このような場合においても、［請求項１］、［請求項２］ともに、消波管中心軸への光軸合わせとレーザー距離計の距離校正が可能である。【００１４】［請求項２］、図４において、支持体上に円形校正体を配置しているが、光軸合わせと距離校正時以外は消波管を外部に取出す必要がある。
支持体上に円形校正体を配置する方法は、例として円形校正体を磁性体として、ワイヤ付電磁石に吸引して消波管の上部から吊り下げて、支持体上に配置した後、電磁石の電流を断にして磁力から解放し、円形校正体を支持体上に固定する。その後でワイヤ付電磁石を消波管外に取り出す。
校正完了時に支持体上の円形校正体を消波管外に取り出す方法は、ワイヤ付電磁石を消波管上部から、吊り下げ、円形校正体を吸着して、消波管上部に引き上げ、外部に取り出す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】［請求項１］における消波管の中心に対するレーザー光の光軸合わせの方法を示している。
【図２】［請求項１］におけるレーザー距離計の距離校正時の状態を示している。
【図３】［請求項１］における校正体の距離校正のための投射レーザー光の投射位置を示している。
【図４】［請求項２］における円形校正体の配置を示している。
【図５】［請求項２］における円形校正体の同軸反射帯、無反射帯の配置例を示している。
【図６】［請求項３］におけるフロートの形状等を示している。
【図７】フロートの上昇障害の状態を示している。
【図８】フロートの下降障害の状態を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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