(57)【要約】【課題】可燃性液体等の液面高測定には、火花発生の可能性のない光等を使用して行う方法がとられていた。ただし光の反射を使用して液面光を測定する方法は、反射板が液、およびその揮発物で汚れるという問題があった。また光の反射遅延時間の測定部が高価となっていた。【解決手段】被測定液体と気密的に隔てられた円筒内に反射板を設け、これを液体表面に浮かした浮きに取り付けた磁石により、液面位置に移動せしめる手段により、上記の問題を解決している。液面高は、光の反射遅延時間の測定により行われるが、この測定には、遅延時間により周波数が決まる弛張発振機を構成し、この周波数を測定して行うので経済的な液面計が提供できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面高を測定するための液面計において、被測定液体と機密的に分離された筒、該筒の外周に設置し液面に浮かせて用いるフロート、および該フロートに固定した磁石、該磁石と磁気的に結合し磁力によりフロート位置に追従する筒内に設けた他の磁石または鉄片、またこの筒内の磁石または鉄片に結合された移動体および、この移動体上に載せた再帰型反射板、この再帰型反射板に対して光を放射する光送出機構、反射板からの反射光を検出する反射受光機構を有することを特徴とする液面計。
【請求項２】
筒内に測定対象とは異なる透明液体を充鎮し、筒内の再帰反射板を載せた磁石または鉄片を含む移動体が前記透明液体内に浸されていることを特徴とする請求項１の液面計。
【請求項３】
筒として円筒を用い、外部フロート上の磁石との磁気的な結合による筒内の移動体の上下動が、円筒内に施設された螺旋状のガイドに沿って行われるようにしたことを特徴とする請求項１の液面計。
【請求項４】
筒として円筒を用い、円筒外部のフロートの移動が円筒外周面に施設された螺旋ガイドに沿って行われ、また同時に磁気的な結合力による円筒内部の移動体の上下動が、外周面螺旋ガイドと合わせて円筒内周面に施設された他の螺旋ガイドに沿って行われるようにしたことを特徴とする請求項１の液面計。
【請求項５】
液面高に追従する反射板を載せた移動体との反射光の光路長により液面位置を検出する液面計において、反射光の経路を含む光経路および電気経路の遅延を利用して弛張発振機を構成し、この周波数を測定することにより液面の高さを測定することを特徴とする液面計。
【請求項６】
光経路にハーフミラーを挿入し、液面高とは直接関係のない光および電気経路長を測定することにより、測定値の校正を行うことを特徴とする請求項5の液面計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の反射を利用して、容器内の液面高を測定する液面計に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を利用して液面の高さを測定する装置としては、液面からの直接反射を利用する方式、あるいは液面に浮かせたフロート上に反射板を設置し、これからの反射光を利用する方式などが用いられている。
図1は、後者の例である。液体を貯蔵する容器100の液面110にフロート105を浮かせ、この上に支持具107を介して反射体106を設置し、光式距離計101の発光部103から放射される光線を該反射体106で反射させ、これを受光部102で受光し、光の往復伝播時間から液面高を測定する形になっている。またこの例では、反射体106が光束から外れることを防ぐため、ガイド104を設け、フロート105がこのガイドに沿って上下するようにしてある。図2はこのフロート105の部分を光距離計101側から見た図である。
【０００３】
また回転することにより色が変わる着色磁石を装着した円筒を、液体を入れた容器に設置し、液面に浮かせたフロート上の磁石により、前記着色磁石を回転させ、その変色位置より液面高を測定する方式などが用いられている。
図3は、その一例である。
この例では、容器100の外部に液体が流入できる円筒を設け、その中の液面に磁石をつけたフロート111を浮かべ、このフロート上の磁石により表示機112内の回転着色磁石113を回転させその変色位置から液面高を読み取る形になっている。
【特許文献１】特許出願平９−１２８０９７（特許公開平１０−３００５５８）
【特許文献２】特許出願平８−１５９１１４（特許公開平９−３１８４２２）
【非特許文献１】http://www.kaneko.co.jp/goods.htm（マグネットフロート式液面計）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光式距離計を用いた方法では、反射鏡面が測定物である液体・気体に直接曝されている。このためたとえ反射鏡面と液面との距離をとったとしても時間と共に鏡面に汚れが付着し、反射光が減衰し受信が困難になる。また振動などにより鏡面に液滴が付着したような場合には、その液滴の屈折により光の反射方向が変わり、反射光の受信が困難になる。
【０００５】
光反射による遅延を測定するためには光式距離計が必要で、従来の光の波長による干渉を利用した方式ではこの測定部が高価なものとなっている。
【０００６】
磁気的な結合を用いた測定の例では着色部分を目視測定する形になり、自動的な測定および記録が不可能であったり、精度を上げるためには、回転磁石の大きさを薄くかつ小さくする必要があり複雑になる嫌いがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、被測定液体内にその内部が被測定液体とは気密的に分離された筒を挿入し、この筒の外周に被測定液面上に浮かせたフロートを配置するとともに、筒内部には外部フロートと磁気的に結合してこの動きに追随する移動体を配置し、この移動体の位置を測定することにより液面高を測定するようにし、測定空間が直接被測定液体に曝されないようにしている。
【０００８】
同時に 筒内部の移動体には再帰型反射鏡を設置し、反射鏡の角度や位置づれに対しても受光できないような事態が発生しないようにしている。
【０００９】
また、光式距離計としては発光源から受光素子までの光の伝播時間および電気回路内の時間遅れを含めた遅延時間で周波数が定まる弛張発振機を構成し、この発振周波数を測定することにより液面高を求める。この多くは電子回路で構成され、安価に製造可能となる。
【００１０】
さらに参照ルートを装置内に設けることにより、測定対象の光反射ルート以外の部分の時間変動を除去することが可能となり、精度の良い測定を可能とするとともに保守の必要性を減らしている。
【００１１】
また選択として、筒内部に液体を充填し円筒内移動体系の浮力を利用して、筒内部の移動体および磁石の重力による重さを相殺し、外部磁石への追従をより容易に行えるようにする。これにより外部磁石との磁気結合により移動体が容易に外部フロートに追従することを可能とすることが出来る。
【００１２】
また別の選択として筒に円筒を使い内部・外部に螺旋のガイドを設置し移動体を螺旋に沿い回転しながら上下させる。これにより移動体の空間での外部フロートの高さ位置に対する追従に回転力を使うことが出来、安定した追従を可能とし、また衝撃等による落下を防ぐことも可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、気密円筒内部での外部フロートに磁力により追随する移動体の位置を光の伝播時間で測定するため、光反射体が溶液などにより汚されることが無く、少ない保守で安定した測定を可能としている。
【００１４】
また光ファイバを用いて発光部および受光部を被測定液体から離れた位置に設置することにより、測定系の電気回路等により発火などの現象が発生しないようにでき極めて防爆性の高い系が実現できる。
【００１５】
また、測定光の発光源から受光までの時間遅れにより、その発振周波数が決定される弛張発振を用い、その発振周波数を測定することにより液面高を求める。この方式は簡単な電気回路で構成できるため、安価に製造可能となる。
【００１６】
さらに光反射ルート以外の遅延変動に対しては、校正ルートを設けることにより、除去することが可能となる。この為きわめて精度が高い測定が可能となり、同時に保守が容易な液面計が提供できる。
【００１７】
また、必要により円筒内部に液体を充填し円筒内移動体系の浮力を利用し重力と相殺することにより、移動体のフロートに対する追従を容易にし、精度の良い安定した測定が可能となる。
【００１８】
さらに必要により円筒内部・外部に螺旋のガイドを用意し移動体系の空間での外部フロート位置に対する追従を安定にし、衝撃による落下等による測定誤りを防ぐことが可能となる。
【実施例１】
【００１９】
図4および図5は本発明の１実施例である。図4は被測定液体と測定器の側面断面図、図5は測定器のB−B’ 部分から下を見た平面図である。
本発明における液面高測定は以下のように行われる。
光式距離計101の発光部103から出た光は送光ファイバ115で被測定液体の入った容器100に取り付けられた光ケーブル接続部114に導かれ、ここで送光コリメータ117-1で平行光線に変換され、密閉円筒118内に設けられた移動体123上の再帰反射体122に向けて放射される。再帰反射体122で反射された光は受光コリメータ117-2を通り受光ファイバ116で導かれて光式距離計101に入力される。
液面高は、光が光式距離計101から発射された時刻と受光された時刻との差から後述する簡単な計算で求められる。
【００２０】
以上の測定系において密閉円筒118は、再帰反射体122の反射面が容器100内の液体により汚染されたり、揮発性の液体の蒸気により光の伝播が妨げられるのを防ぐために用いられており、再帰反射体122は密閉円筒118の取り付け時の傾きや測定液面の傾き等に関係なく反射光が確実に受光コリメータ117-2で受光できるようにするために用いられている。
【００２１】
以上説明した測定方法では、再帰反射体122の反射面と被測定液面が同一平面にあることが重要であるが、本発明ではこれを以下のようにして実現している。
密閉円筒118には、その外周に沿って上下する浮き119が液面110に浮く形で設けられており、この浮き119の密閉円筒118側には外部永久磁石120が固着されている。また密閉円筒118の内部の移動体123にも密閉円筒118側に内部永久磁石121が固着されている。この2つの永久磁石はその磁力が互いに引き合うように設定されており、これにより浮き119が液面110の動きにつれて動けば、移動体123も連動して動き、結局は液面位置と再帰反射体122の反射面位置は同じになる。実際の液面位置と反射面の位置は取り付け方法によって異なる場合があるが、このずれは校正により補正できることは明らかである。
またこの場合密閉円筒118は磁力を遮らないものでなければならないが、非磁性体を使用すれば容易に実現できることも明らかである。具体的にはプラスチック等で実現可能である。
【００２２】
また磁力の効率を良くする為に永久磁石を磁性体のヨークで補強することや浮き119や移動体123と密閉容器118との摩擦を小さくするために、その接触面にころなどを設けることにより、液面と反射面の追従性を良くする。
【００２３】
移動体123を浮き119の動きに追従させるための磁石の配置方法は種々考えられる。図6では、クロスする形で4個の棒磁石を配置した例を示し、図7にはシリンダー型磁石を配置した例を示している。いずれの場合も、浮き119に固着した外部永久磁石120と移動体123に固着した内部永久磁石121はNSの極がお互いに対向する位置に固定する必要があるが、この条件はそれぞれの極数を等しくしておくことと、浮き119と移動体123が密閉円筒118に対して自由に回転できるようにしておくことにより容易に実現できることは自明である。
【００２４】
以上の説明では、移動体123は磁力により空間に浮いた状態になっている。これを安定に実現するためには、移動体123の重さを支えるための強力な磁石を必要とする。さもなければ衝撃などで移動体123が密閉円筒118の底面に落下する可能性がある。
本発明では、この問題を解決する一手段として、密閉円筒118  内に透明液体124を充填し、この中に移動体123を置いている。このようにすれば、移動体123に働く重力と透明液体124による浮力を釣り合わせることが可能になり、移動体123の重さを等価的にゼロにすることが可能である。また液体の粘性により、衝撃力などによる急激な移動も抑制できるから、移動体123を浮き119と同一高さに安定に保持することが容易になる。
【００２５】
この場合、再帰反射体122は充填された透明液体124の環境での再帰反射性を有するものを用いる必要がある。また密閉円筒118内で移動体123の移動が透明液体124の粘性抵抗を受けにくくするため移動体123に液体抜き穴125を用意することも有効である。
本実施例では、容器内の液面高測定の例を示しているが、該円筒を川、湖沼、海等に設置すれば、これらの水面等の高さを測定できることは、明白である。
【実施例２】
【００２６】
図8は液面計に用いる、光式距離計101と液面高測定の構成を示す図である。
本発明では、光源から出た光を再帰反射体に放射し、そこで反射した光が受光されるまでの時間差で液面高を測定する構成になっている。具体的にはこの時間差で周波数が決定される弛張発振機126を構成し、その周波数から液面高を測定するように構成してある。以下詳細に説明する。
【００２７】
弛張発振機126は、電気光変換器129、光電気変換器128-2および128-1を境として電気回路部分と光経路部分とから構成される。電気回路部分は、反転増幅器132、その2値出力の高低により光のオンオフが制御される光電気変換器129、再帰反射体122で反射されて戻ってきた反射光を受光し電気信号に変換する光電気変換器128-2および128-1、その出力を増幅する増幅器130-1および130-2、計数演算処理部138から出力される切り替え信号140により増幅器130-1、130-2の出力のいずれかを選択し、その出力が反転増幅器132の反転入力端子に入力する切り替え回路131および反転増幅器132の非反転入力端子に接続されている基準電圧源133で構成される。
この電気回路部分から見れば、光経路部分は、単に発光から受光までの時間差を有する遅延回路とみなすことができる。
【００２８】
また切り替え回路131で選択される2つの光電気変換器128-1と128-2は128-1が液面高を測定するための光経路の出力であり、128-2は液面高の測定には直接関係のない共通の時間遅れ分を測定する校正用出力である。
この系で反転増幅器132の出力レベルが高い場合は、液面高に関係して決定される時間遅れの後、その反転入力に高いレベルの信号が入力され、反転増幅器132の出力を低いレベルに反転させる。  逆に出力が低いレベルの場合には、上記時間遅れの後低いレベルが入力され、反転増幅器132の出力を高いレベルに反転させる。
ここでレベルの高い低いは、反転増幅器132の非反転入力に接続されている基準電圧133を基準として判定されるものである。
したがって光経路を含むこの回路は、上記時間遅れを半周期としてオンオフを繰り返す弛張発振機になっている。
【００２９】
光経路部分は以下のように構成される。
電気光変換器129の光出力は送光ファイバ115により、密閉円筒118の頭部に設置された光:ケーブル結合部114に導かれここでコリメータ117-1により平行光線束に変換されハーフミラー145に放射される、光束はここでその電力の1/2が再帰反射体122に放射され、残りの1/2はコリメータ117-2および受光ファイバ116-1を通り光電気変換器128-2に入力される。再帰反射体122に放射された光束はここで入射方向に反射されハーフミラー145を通り光電気変換器128-1に入力される。
【００３０】
ここで、受光ファイバ116-1、116-2およびコリメータ117-1、117-2の長さおよびこれらとハーフミラー145との距離は等しく設定されており、ファイバ116-1と116-2を通る光路長の差はハーフミラー145と再帰反射体122との距離の2倍になっている。
したがって、ファイバ116-1および光電気変換器128-2を通る校正用経路の電気回路部分を含めた時間差を測定し、フアィバ116-2および光電気変換器128-1を通る測定用経路の時間差の測定値から差し引けば、ハーフミラー145と再帰反射鏡122間の往復の時間差を求めることができる。
【００３１】
この発振機の周波数は、以下のようになる。
反転増幅器132の出力点Aを時間の基準として考える。
反転増幅器132の出力が変化した後、電気光変換器の出力の光レベルが変化するまでの時間、光電気変換器128-1あるいは128-2の入力光のレベルが変化した後、その出力の電気信号のレベルが変化するまでの時間、その出力電気信号が増幅器130-1あるいは130-2および切り替え回路131を通り反転増幅器132の入力に到達するまでの時間、および反転増幅器132の入力から出力までの時間遅れの総和を電気回路の時間遅れTeとする。ここで光電気変換器128-1を通る系と光電気変換器128-2を通る系はその回路構成を同じにしてあるので、いずれの場合もこの時間遅れTeは等しくなっている。
【００３２】
電気光変換器129の出力光の変化がハーフミラー145に到達するまでの時間をTo1、再帰反射体122で反射しハーフミラー145に到達するまでの時間をTo2、 ハーフミラー145から光電気変換器128-1あるいは128-2に到達するまでの時間をTo3とすると、測定経路での全体の時間遅れTd1は
Td1=To1+ To2+To3 +Teで与えられる。したがって弛張発振機の周期は2Td1であり周波数は
F1=1/2Td1=1/2(Te+To1+To2+To3)
で与えられる。
一方校正経路での周波数は
F2=1/2(Te+To1+To3)
で与えられる。
この2つの式から、ハーフミラー145から再帰反射体122までの往復時間は、
To2=(F2−F1)/2F1*F2
で与えられる。
【００３３】
上記周波数は、周波数カウンター134で反転増幅器132の出力パルス数を一定時間計数することによって求められる。この計数時間は、発振器135の出力を時間カウンター136で一定数計数することにより作り出される。図8の計数演算処理回路137および周波数液面高変換回路138は前記周波数を測定するための制御および測定した周波数から液面高を計算するための回路であり、表示制御出力139は結果を表示するためのマンマシーンインタフェースである。
前記校正測定および液面高測定の切り替え信号はあらかじめ回路内に蓄えられたプログラムにより、この部分で作り出され、切り替え回路131に送り出され、制御を行なっている。
【実施例３】
【００３４】
図9および図10は本発明の１実施例である。図9は被測定液体と測定器の側面断面図、図10は本実施例の特徴である螺旋ガイドの構造を示すものである。
本発明における液面高測定は以下のように行われる。
光式距離計101の発光部103から出た光は送光ファイバ115で被測定液体の入った容器100に取り付けられた図示していない光ケーブル接続部114に導かれ、ここで送光コリメータ117-1で平行光線に変換され、密閉円筒118内に設けられた移動体123上の再帰反射体122に向けて放射される。再帰反射体122で反射された光は受光コリメータ117-2を通り受光ファイバ116で導かれて光式距離計101に入力される。
以上の測定系において再帰反射体122を乗せた移動体123は、密閉円筒118の外部の浮き119との磁力結合により、液面高の位置に引き寄せられる。さらに移動体123および浮き119は、密閉円筒118の内外部に設けられた螺旋ガイド141および142に沿って上下する。
【００３５】
この螺旋ガイドは。図10に示すような構造になっており、移動体123および浮き119は、この螺旋ガイドに沿い回転しながら上下するかたちになる。
このようにすれば、移動体123は内側螺旋ガイド143との摩擦力および外側永久磁石120と内側永久磁石121との間の磁気的な回転力との関係から出てくる保持力に支えられることになり、移動体123を浮き119と同一高さに安定に保持することが容易になる。
【００３６】
図9では、密閉円筒118の内側、外側の両方に螺旋ガイドを設けているが、内側螺旋ガイド141だけを装着した構造でも、ほぼ同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
電気信号を扱う信号処理系を測定位置から分離できるため防爆性が非常に高い装置が提供でき、ガソリンを等の引火性の高い液体を含め各種の液面高の測定に適用できる。
【００３８】
また反射鏡を含めて光経路が完全密閉型であるため、この部分が汚染されず揮発性の高い液体を含めて全ての液体の液面高の測定に適用できる。
また河川、湖沼および海などの水面高の測定にも、光ファイバ部分を長くすることにより、遠隔測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来の液面計の一例の側面図である。
【図２】図1のA-A’から下の反射体、フロート等を見た図である。
【図３】従来の磁石を用いた液面計の一例を示す図である。
【図４】液面計の構成の一例、円筒内浮力支持液面計を示す図である。（実施例１）
【図５】図4のB-B´から下の反射鏡部分他を見た図である。（実施例１）
【図６】磁石の配置例-1  棒磁石タイプを示す図である。（実施例１）
【図７】磁石の配置例-2  シリンダータイプを示す図である。（実施例１）
【図８】液面高を測定する光式距離計を説明する構成図である。（実施例２）
【図９】螺旋ガイドを装着した液面計の構成の例を示す図である。（実施例３）
【図１０】図９の密閉円筒の外側螺旋ガイドを示す図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００４０】
100  容器
101  光式距離計
102  受光部
103  発光部
104  ガイド
105  フロート
106  反射体
107  支持具
108  ガイドトレーサ
109  ガイド用穴
110  液面
111  フロート磁石
112  表示機
113  回転着色磁石
114  光ケーブル接続部
115  送光ファイバ
116  受光ファイバ
117  コリメータ
118  密閉円筒
119  浮き
120  外部永久磁石
121  内部永久磁石
122  再帰反射体
123  移動体
124  透明液体
125  液体抜き穴
126  弛張発振機
127  測定制御部
128  光電気変換器
129  電気光変換器
130  増幅器
131  切り替え回路
132  反転増幅器
133  基準電圧
134  周波数カウンタ
135  発振器
136  時間カウンタ
137  計数演算処理器
138  周波数液面高変換器
139  表示/制御出力
140  切り替え信号
141  内側螺旋ガイド
142  外側螺旋ガイド
143  内側トレーサ
144  外側トレーサ
145  ハーフミラー
146  測定光
【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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【図９】
2006194609.tif 000011
【図１０】
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