(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電流を出力する高周波出力手段と、該高周波出力手段から出力された高周波電流が印加される開磁路型コア入りのコイルと、該開磁路型コアの一端から延び出すとともに、少なくとも他端の一部が液面のレベルを測定すべき流体中に配される検知導体と、該検知導体を通る磁束の変化を電磁気的に測定する測定手段とを備えて成ることを特徴とする液面レベル測定装置。
【請求項２】
前記検知導体の他端部に、該他端と前記測定手段を接続する配線にコイルを直列に接続したことを特徴とする請求項１に記載する液面レベル測定装置。
【請求項３】
前記高周波出力手段は発振器と、トロイダル・コアから成るトランスとから構成され、該発振器から出力された高周波電流がトロイダル・コアに巻き付けられた一次側に入力し、該二次側から出力されるように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する液面レベル測定装置。
【請求項４】
前記トロイダル・コアにギャップを設けたことを特徴とする請求項３に記載する液面レベル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液面レベル測定装置に関し、より詳しくは容器内の液量や管路内の流量などに応じて可変する液面のレベル（高さ）をリアルタイムで且つ連続的に測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来から容器内の液面高さを検知するために種々なる装置が使用されている。例えば、バルブにボールタップを取付けて、液面を浮揚するボールが液位に応じて上下することによって、液面のレベルを測定する装置がある。ところが、この装置はボールタップの軸受け部の摩耗により指示精度に不良が起こり得るものであり、液位の正確な確認がしにくく、しかも気候（雨、雪）によって確認作業がしにくい等の欠点を有していた。
【０００３】
また、容器側面に液位の確認用の透明パイプを取り付け、その透明パイプ内の液面を目視で確認する装置や、その透明パイプ内の液面にフロートを浮かべて、フロートの位置で液面の高さを検出する装置などもある。しかし、これらも正確な確認がしにくく、気候（雨、雪）によって確認作業がしにくいものであった。また、液面確認用の透明パイプ内の液面やフロートなどの位置が見えにくく、しかも連続的な測定ができない等の欠点も有していた。
【０００４】
更に、容器内部に等間隔にスイッチを付けた装置、容器内部の液体に電流を流して、内部に配設された固定端子でその電流を検知する装置、容器の底面に圧力スイッチを設けて、圧力を検出することによって液位を求める装置等も実用化されている。しかしながら、いずれも容器内部にスイッチがあったり、容器内部の液体に電流を流したりするため、危険であった。また、容器内部の固定端子等にゴミ等が付着して導通不良を起こし、測定できなくなることがあった。
【０００５】
このため、本発明者は上記の課題を解決し、液面高さを正確に安全にかつ簡便に測定することができる新規な液面レベル測定装置を提供するために鋭意研究開発に努めた。その結果、図７に示すように、容器１の液体２内にＵ字状の検知導体３を浸漬して、高周波発振器４によりこの２本の分岐した検知導体３間に高周波電力を供給すると、液体２に浸漬した部分で２本の検知導体３間が短絡することによって、変化するインピーダンス等を測定装置５により測定し、もって液位を求める方法を想到した。なお、本出願人はかかる測定方法による液面計、あるいはほぼ同様の測定方法による液面計として、特開昭５９−１３６６２２号公報、特開昭６３−２１０６２７号公報、特開平２−４９１１９号公報、特開平４−１６８３２５号公報及び特開平４−１６８３２６号公報を見出した。
【０００６】
しかし、かかる方法では測定するインピーダンス等は正弦波形を示し、直線性が得られないため、測定したインピーダンス等の値から直ちに液位を求めることはできない。すなわち、測定したインピーダンス等の値を一定の換算式に当てはめて、液面位置を求める必要がある等、リアルタイムで且つ連続的に液位を測定するのは非常に困難であった。
【０００７】
そこで、上述の課題を解決するために、液位との関係が直線性を示す測定装置を得るために、更に鋭意研究開発に努めた。その結果、本発明に係る液面レベル測定装置を得るに至ったのである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液面レベル測定装置の要旨とするところは、高周波電流を出力する高周波出力手段と、該高周波出力手段から出力された高周波電流が印加される開磁路型コア入りのコイルと、該開磁路型コアの一端から延び出すとともに、少なくとも他端の一部が液面のレベルを測定すべき流体中に配される検知導体と、該検知導体を通る磁束の変化を電磁気的に測定する測定手段とを備えて成ることにある。
【０００９】
かかる液面レベル測定装置において、前記検知導体の他端部に、該他端と前記測定手段を接続する配線にコイルを直列に接続したことにある。
【００１０】
また、かかる液面レベル測定装置において、前記高周波出力手段は発振器と、トロイダル・コアから成るトランスとから構成され、該発振器から出力された高周波電流がトロイダル・コアに巻き付けられた一次側に入力し、該二次側から出力されるように構成したことにある。
【００１１】
更に、かかる液面レベル測定装置において、前記トロイダル・コアにギャップを設けたことにある。
【００１２】
【作用】
本発明に係る液面レベル測定装置は、高周波出力手段から出力された高周波電流を開磁路型コア入りのコイルに印加して、磁束を発生させ、その磁束を開磁路型コアの一端から延び出す検知導体に導き、かかる検知導体を一種のアンテナとして機能させる。一方、コアから延び出す検知導体の他端側の一部は液面レベルを測定すべき流体中に好ましくは鉛直方向に配されていて、液面レベルが上下するのに伴って検知導体の浸漬長さが変動し得るように構成されている。したがって、液面レベルが上下するのに伴い検知導体の浸漬長さが変動すると、検知導体を通る磁束が変化するため、その変化した磁束を測定手段により電気的あるいは磁気的に測定する。このとき、液面レベルの変化すなわち検知導体の浸漬長さの変化と、検知導体の磁束の変化とは線形性をもって測定することができる。そして、検知導体の浸漬位置すなわち液面のレベルと測定結果とを予め検定し設定しておくことにより、一層完全に磁束の測定結果から直ちに液面のレベルを測定することができる。この測定は連続的に且つリアルタイムに行うことができる。
【００１３】
また、かかる液面レベル測定装置において、検知導体の他端部に、その他端と測定手段とを接続する配線にコイルを直列に接続することにより、検知導体を通る磁束の変化の測定値と液面レベルすなわち検知導体の浸漬長さとの関係を、測定値の増加に伴って液面レベルが増加するように表示することができる。また、同様に、検知導体の他端部に、その他端と測定手段とを接続する配線にコイルを直列に接続し、そのコイルのインダクタンスを適宜設定することにより、１種のアンテナに対する短縮コイルとして機能することになり、検知導体の長さを任意に設定することができる。したがって、液面レベルの測定範囲を適宜設定することができる。
【００１４】
更に、かかる液面レベル測定装置において、高周波出力手段を高周波電流を出力する発振器と、トロイダル・コアから成るトランスとから構成し、トロイダル・コアにおける一次側と二次側のコイルの巻数を適宜設定することにより、出力電流の大きさを任意に設定することができる。また、トロイダル・コアにギャップを設けることにより、トロイダル・コア内を通る磁束密度を低くすることができる。一方、トロイダル・コアに設けられたギャップの近傍部に配設された開磁路型コアに巻き付けられたコイルによって、ギャップを介してトロイダル・コアを通る磁束密度をコントロールすることができる。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明に係る液面レベル測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
まず図１に示すように、本発明の一実施例に係る液面レベル測定装置１０は高周波電流を出力する発振器１２と、トロイダル・コア１４から成るトランス１６により構成される高周波出力手段と、この高周波出力手段から出力された高周波電流が印加される開磁路型コア１８に巻き付けられたコイル２０と、その開磁路型コア１８の一端から延び出すとともに、少なくとも他端の一部が液面のレベルを測定すべき流体２２中に配設される検知導体２４と、この検知導体２４を通る磁束の変化を電磁気的に測定する測定手段２６と、検知導体２４の他端部であって、その他端と測定手段２６とを接続する配線２８に直列に接続されたコイル３０を備えて構成されている。
【００１７】
ここで、高周波電流を出力する高周波出力手段を構成する発振器１２は高周波を発振する発振器であればいかなるものでもよく、特にひずみの少ない波形と一定の周波数を有する高周波を安定して発振するものが好ましい。発振器１２としてたとえばＬＣ発振回路が特に好ましく、その他セラミック振動子や水晶振動子による発振回路なども用いることができる。発振器１２から出力された高周波電流はトロイダル・コア１４から成るトランス１６の一次側に入力される。トロイダル・コア１４から成るトランス１６は一次側の巻線３２と二次側の巻線３４とから構成され、一次側の巻線３２に入力させられた高周波電流は二次側の巻線３４から出力させられる。
【００１８】
一方、二次側の巻線３４が巻き付けられたトロイダル・コア１４の一部にはギャップ３６が形成されていて、このギャップ３６を挟んで二次側の巻線３４が外部に延び出して開磁路型コア１８に巻き付けられたコイル２０を形成している。トロイダル・コア１４に形成されたギャップ３６の幅は特に限定されるものではなく、たとえば約０．１mm〜４mm、特に約１〜２mmの範囲で選定されるのが好ましい。また、開磁路型コア１８はアルミニウムなどの非磁性体金属により形成されていて、形状はパイプすなわち中空丸棒や、中実丸棒、あるいは角棒であっても良く、特に限定されるものではない。
【００１９】
開磁路型コア１８の一端はトロイダル・コア１４のギャップ３６の近傍部に配設されて基板などに固定されていて、また、その他端には検知導体２４が接続されている。検知導体２４は銅、銅合金、ステンレスなどの非磁性体金属によって形成されていて、電気的に良導体であるとともに、液面レベルを測定すべき流体によって腐食させられない材質によって形成される。この検知導体２４の長さは高周波電流の波長λによって設定され、より詳しくは高周波電流の波長λと共振し得る長さが最大寸法として設定される。なお、検知導体２４の長さは検知導体２４の太さすなわち直径によっても影響を受けるものである。
【００２０】
検知導体２４の最大長さは高周波電流の波長λによって設定されるものであるが、この長さは検知導体２４の先端側に直列で接続されるコイル３０の値によって任意に設定される。すなわち、検知導体２４は１種のアンテナとして機能させられるのに対して、コイル３０はいわゆる延長コイルとして機能させられるのである。したがって、コイル３０の値を任意に設定することによって、検知導体２４の長さを任意に短くすることができ、液面レベルの測定範囲を任意に調整することができる。
【００２１】
検知導体２４の先端部に接続されたコイル３０は配線２８に接続されていて、その配線２８はトランス１６の二次側の巻線３４の１の出力配線に接続され、その出力配線と二次側の巻線３４の他の出力配線とは測定手段２６に接続されている。測定手段２６はトロイダル・コア１４の二次側に発生する高周波電力を測定する手段であれば特に限定されず、たとえば二次側の電圧又は電流を測定する装置で構成される。電圧を測定する測定手段２６は電圧計を備えて構成されていれば足りるが、たとえば図２に示すように、フィルタ検波回路３８，バッファ回路４０，安定化回路４２及び電圧計４４によって構成し、二次側の出力電圧に含まれるノイズを除去して電圧の変化を測定するように構成しても良い。なお、この測定手段２６の構成は１例であって、特に限定されるものではない。
【００２２】
以上の構成に係る液面レベル測定装置１０はまず、その検知導体２４が液面のレベルを測定しようとする流体２２の入れられるタンク４６、あるいは流体２２の流れる水路などの中に配設されるとともに、発振器１２やトランス１６、測定手段２６が所定の位置に配設される。タンク４６は地上などに設置されているものなど、絶縁されている可能性のあるものは、アースが施される。ここで、検知導体２４とそれに続くトランス１６はタンク４６の上部などに配設されるが、発振器１２や測定手段２６はタンク４６から離れた任意の位置に配設されるのが好ましい。
【００２３】
このように各構成要素が設定された後、発振器１２を作動させて、ほぼ一定の安定した高周波電流を出力させ、トランス１６の一次側の巻線３２に入力する。一次側の巻線３２に入力させられた高周波電流Ｉ０はトロイダル・コア１４を介して二次側の巻線３４から高周波電流Ｉ１が出力されて、測定手段２６に入力され、その電圧が読み取られる。一方、トロイダル・コア１４の二次側の巻線３４を流れる高周波電流Ｉ１は開磁路型コア１８のコイル２０を流れて、磁束を発生させ、その磁束は検知導体２４に導かれているとともに、開磁路型コア１８の他端からトロイダル・コア１４に設けられたギャップ３６を通る磁束に影響を及ぼすことになる。
【００２４】
したがって、検知導体２４の先端部が流体２２に浸漬させられることにより、検知導体２４の長さが短くなったのと同じ効果となり、それによる磁束の変化がギャップ３６を通る磁束に変化を与えて、出力電流である高周波電流Ｉ１を変化させる。更に、二次側の巻線３４の一方から出力される高周波電流Ｉ１は配線２８を通ってコイル３０を介して検知導体２４に導かれるが、検知導体２４及び配線２８の先端側が流体２２中に浸漬されることにより、高周波電流Ｉ１は流体２２によって短絡させられて検知導体２４を流れ、開磁路型コア１８を介してコイル２０に変化を与え、ギャップ３６を通る磁束に変化を与える。その結果、ギャップ３６における磁束の変化は増幅され、トロイダル・コア１４を通る磁束が変化させられることによって、二次側の巻線３４から出力される高周波電流Ｉ１は大きく変化することになる。そこで、この二次側の巻線３４から出力される高周波電流Ｉ１を測定手段２６によって電圧として読み取るとともに、その位置における流体２２の液面レベルを測定して、両者の対応関係を予め求め、検定しておくことにより、流体２２の液面レベルを測定手段２６によって電圧を読み取ることにより直ちに測定することができる。
【００２５】
測定手段２６によって読み取られる電圧と流体２２の液面レベルとの関係は、図３に示すように、電圧が高くなる程、液面レベルが高くなり、両者は線形性をもって現れる。すなわち、検知導体２４が流体２２に浸漬させられていない場合には、基準となる液面レベルが０（ゼロ）であり、そのとき電圧が最も低い値で測定される。そして、検知導体２４が流体２２に浸漬させられるとともに、基準となる液面レベルが上昇し、それに連れて、アンテナとして機能させられる部分の検知導体２４の長さが短くなると同時に配線２８と検知導体２４とは流体２２によって短絡させられ、測定手段２６により測定される電圧は高くなる。
【００２６】
以上、詳述したように、測定手段２６により測定される測定値と、流体２２の液面レベルとの関係は線形性をもって得られるため、換算などの必要がなく、液面レベルをリアルタイムで測定することができる。また、測定手段２６や発振器１２を液面レベルの測定位置とは無関係の任意の箇所に設置することができ、遠隔測定，遠隔操作が可能となる。更に、測定手段２６とともに、あるいは測定手段２６に代えて、他の操作機器たとえば流体の流量を制御するバルブ装置などと連動させることができ、設備の自動化を図ることが可能となる。
【００２７】
以上、本発明に係る液面レベル測定装置の一実施例を説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではない。
【００２８】
たとえば、図４に液面レベル測定装置４８を示すように、検知導体２４の先端部から図１に示すコイル３０を外して、検知導体２４と配線２８とを直接接続して構成しても良い。何故ならばかかる図１に示すコイル３０は、１種のアンテナとして機能させられる検知導体２４に対して、その検知導体２４の長さを短くする延長コイルとして機能するとともに、検知導体２４を通る磁束を反転させる機能をしていた。
【００２９】
そこで、このコイル３０を取り除くことにより、検知導体２４の長さを長くすることができ、たとえば数ｍの長さになる。したがって、液面レベルの測定範囲が広がる。また、コイル３０を取り除くことにより、検知導体２４を通る磁束が反転しないため、図５に示すように、液面レベルが上昇するのに対して、測定手段２６によって測定される電圧が線形性をもって減少して現れることになる。
【００３０】
以上、本発明に係る液面レベル測定装置を図面に基づいて説明したが、本発明は上述の図示した実施例に限定されるものではないのは言うまでもない。
【００３１】
たとえば、検知導体に用いる導電材料としては、前記アルミニウム以外に各種金属が使用可能であり、たとえば、銀、金、銅、鉄、ステンレススチール等を挙げることができる。特には、価格や導電性が適度であり、さびができにくい点より銅やアルミニウムが好ましく用いられる。また、これらの金属は単一金属として用いても良いが、たとえば銅に適当に錫、亜鉛、燐などを混ぜた合金として用いたり、黄銅や銅メッキをした鉄を用いてもよい。更に、測定する液体によっては、酸やアルカリにあっても、また高温でもさびにくい金属を用いた方が良い場合もあり、特に限定されない。これら検知導体に用いる導電材料は特に非磁性材料であればより好ましい。
【００３２】
また、高周波出力手段から出力される高周波電流としては、一般に高周波と言われる交流を用いれば良く、検知導体の長さ、すなわち液面レベルの測定範囲を確保するのに必要な高周波電流であれば良く、特に限定される必要はない。
【００３３】
以上、本発明に係る液面レベル測定装置の実施例を説明したが、更に、本発明装置に種々なる付加装置、たとえば液面レベルを常時一定に保つための自動バルブ開閉装置、液面レベルを自由に調節できる自動開閉バルブ、又は液面レベルを報知する装置などを組み込むことにより更に便利なものとなる。また、測定し得る流体は水に限らず、海水、化学薬品などの流体であれば良いなど、その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で当業者の知識に基づき、種々なる改良、変更、修正を加えた態様で実施しうるものである。
【００３４】
実施例
図１に示す構成の液面レベル測定装置１０を用いて行った実施例を次に示す。まず直流安定化電源を用いて発振器１２から６００ＫHz、１２Ｖの高周波電流を出力するように調整した。また、トロイダル・コア１４としてＴ−２００を用いて、その一部をカットして１．６mm幅のギャップを形成した後、直径０．６９mmのエナメル線を一次側の巻線３２を巻数３２回、二次側の巻線３４を巻数３２回、３２回、３２回の計９６回を巻いた。更に、開磁路型コア１８として直径５mm×長さ１０７mmのアルミニウムパイプを用い、このアルミニウムパイプの周りの長さ８７mmの間に上記エナメル線を９２回巻き付けた。また、検知導体２４及び配線２８として銅線を用い、検知導体２４の先端部に１８０μＨのコイルを接続した。そして、測定手段２６として検波回路を経てその出力をオムロン社製のＫＴ３Ｓを使用し、出力を電圧表示で得た。
【００３５】
次に、空のタンク４６を床上に配設して、そのタンク４６にアースを施した。一方、タンク４６の中に検知導体２４などを配設し、検知導体２４やコイル３０及び配線２８がタンク４６と接触しないようにした。その後、水をタンク４６の中に入れて、コイル３０が水に充分浸漬した位置を基準にして、その位置における出力電圧を測定した。次いで、タンク４６の中に水を入れて、水位が１cm上昇する毎に出力電圧を測定した。その測定結果をグラフに表し、図６に示す。図６から分かるように、ほぼ線形性を示しており、若干の変動は測定誤差や発振器１２の発熱、外部からの電磁波の影響などが原因するものと考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る液面レベル測定装置は任意の位置に設置した測定装置のスイッチを入れるだけで、容器あるいは水路などの液面高さを正確に測定できるものであり、制御装置やその他のスイッチなどを屋内に設置して屋外にある容器などの中の液量を知ることもできる。また、正確な測定結果が直ちに得られ、しかも装置の取扱いが極めて簡便であって、更に安全性も優れている。更に、塵埃等による導通不良もなく、従来の液面レベル測定手段に比べて非常に高い有用性を発揮できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液面レベル測定装置の一実施例を説明するための説明図である。
【図２】本発明に係る液面レベル測定装置に用いられる測定手段の一実施例を示すブロック図である。
【図３】図１に示す液面レベル測定装置によって測定した液面レベルと測定電圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る液面レベル測定装置の他の実施例を説明するための説明図である。
【図５】図４に示す液面レベル測定装置によって測定した液面レベルと測定電圧との関係を示すグラフである。
【図６】図１に示す液面レベル測定装置によって実際に測定した一実施例の液面レベルと測定電圧との関係を示すグラフである。
【図７】本発明者らが本発明に至る前に研究開発した液面レベル測定装置を説明するための断面説明図である。
【符号の説明】
１０，４８；液面レベル測定装置
１２；発振器
１４；トロイダル・コア
１６；トランス
１８；開磁路型コア
２０，３０；コイル
２２；流体
２４；検知導体
２６；測定手段
２８；配線
３２；一次側の巻線
３４；二次側の巻線
３６；ギャップ
【図１】
0003557538.tif 000002
【図２】
0003557538.tif 000003
【図３】
0003557538.tif 000004
【図４】
0003557538.tif 000005
【図５】
0003557538.tif 000006
【図６】
0003557538.tif 000007
【図７】
0003557538.tif 000008