(57)【要約】【課題】本発明は、上記課題に鑑み、配管外側に設置された検出器により機械的走査を行うことなく，配管内の液体の液面位置を計測可能な液面計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、容器の外側に配置され、容器の器壁の板長方向に向かって超音波を入射するように配置された第１の超音波素子と、器壁内での反射波から液面位置を算出する液面計測部を備え，液面位置信号を出力する信号処理部を備えることを特徴とする。【効果】  本発明による液面計測装置によれば、配管外側に設置された検出器により機械的走査を行うことなく，配管内の液体の液面位置を計測することが可能になる。【選択図】図１
2018025390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の液面位置を計測する液面計測装置であって，
前記容器の器壁の板長方向に向かって超音波を入射するように配置された第１の超音波素子と、
前記器壁内での反射波から液面位置を算出する液面計測部を備えることを特徴とする液面計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液面計測装置であって，
前記超音波素子は前記器壁の法線に対して非ゼロの設置角をもって設置されたことを特徴とする液面計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の液面計測装置であって，
前記液面計測部は，前記反射波の伝搬時間と周回波の伝搬時間とを用いて液面位置を計測することを特徴とする液面計測装置。
【請求項４】
請求項１または３に記載の液面計測装置であって，
第２の超音波素子をさらに備え，前記第２の超音波素子は，前記器壁内に入射する超音波の伝搬方向が，前記第１の超音波素子が入射する超音波とは逆向きであることを特徴とする液面計測装置。
【請求項５】
液体が入った容器と，前記容器の器壁外側に設置された超音波素子と，前記超音波素子を用いた液面計測方法であって，
超音波を前記容器の器壁の板長方向に向かって入射するステップと，
前記器壁内の界面位置に接する器壁位置で生じた反射波を受信するステップと，
前記反射波の伝搬時間から液面位置を算出するステップと，
を備えることを特徴とする液面計測方法。
【請求項６】
液体が入った容器と，前記容器の器壁外側に設置された超音波素子と，前記超音波素子を用いた液面計測方法であって，
超音波を前記容器の器壁の板長方向に向かって入射するステップと，
前記器壁内の界面位置に接する器壁位置で生じた反射波を受信するステップと，
前記器壁内に入射された超音波が容器を１周して戻ってくる周回波を受信するステップと、
前記反射波と前記周回波の伝搬時間とから液面位置を算出するステップ
を備えることを特徴とする液面計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて配管または容器中の液体の液面位置を計測する液面計測装置および液面計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
容器外側に設置した検出器を用いて液面位置を検出するレベル計は，特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示された技術では，容器の外側に設置された超音波トランスデューサが，液面と平行な方向に超音波を伝搬させ，その反射波を測定する。容器の器壁をはさんで超音波トランスデューサと対向する位置（すなわち，容器内）が気体の場合と液体の場合とで超音波の反射波が異なることを利用し，超音波トランスデューサの位置を機械的に変えて，反射波が変化する位置を探して容器内の液面位置を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２５６４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されたレベル計では，超音波トランスデューサの位置を機械的に変える（走査する）必要があるため，液面位置を連続的にモニタリングする用途には適用が困難であるという課題があった。
【０００６】
また，機械的な走査を無くすために，特許文献１に開示されたレベル計を複数個，容器外側に設置して液面位置を検知することも可能であるが，その場合，レベル計を設置する空間的間隔により液面計測の分解能（精度）が制約されるという課題がある。また，分解能を高めるためにレベル計の設置個数を増やすと，多数の超音波トランスデューサが必要になり，機器コストの増大や，設置の手間の増大，さらには，それぞれのレベル計のメンテナンスが煩雑になる，などの課題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、配管外側に設置された検出器により機械的走査を行うことなく，配管内の液体の液面位置を計測可能な液面計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、容器の外側に配置され、容器の器壁の板長方向に向かって超音波を入射するように配置された第１の超音波素子と、器壁内での反射波から液面位置を算出する液面計測部を備え，液面位置信号を出力する信号処理部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による液面計測装置によれば、配管外側に設置された検出器により機械的走査を行うことなく，配管内の液体の液面位置を計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による第１の実施例の液面計測装置の構成を示す図である。
【図２】本発明における超音波素子の設置角を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施例の動作原理を説明するための図である。
【図４】本発明による第２の実施例を説明する図である。
【図５】本発明による第３の実施例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
配管中を流れる液体の量を測る流量計測は，流体の計量，プラントの効率向上，運転管理などに不可欠である。
【００１２】
流量計には，超音波流量計や電磁流量計などがあるが，超音波式流量計は，配管の外側にセンサを設置することで配管内の液体の流速を計測できるという利点がある。このため，特に，医薬品や食品製造など汚染を嫌う場所や，石油搬送や下水道などセンサを汚染する可能性のある場所に，超音波流量計は適している。また，既設の配管に流量計測機能を追加するという要求にも超音波流量計は応えることが出来る。
【００１３】
一方，超音波流量計は，液体の流速を計測するものである。具体的に述べると，超音波流量計の動作原理は，液体の流れによる音速変化やドップラー周波数変化を計測するものであるから，超音波式流量計が計測するのは，液体の流速である。
【００１４】
液体の流速に，配管内で液体が占める断面積を乗ずることで，流量を計測できる。通常の超音波式流量計は，配管内の全体が液体で満たされた状態であることを前提にして，流速計測値から流量値を算出する。
【００１５】
配管の全体が液体で満たされた状態を「満水」と呼び，満たされていない空間がある状態を「非満水」と呼ぶ。
【００１６】
以上から明らかなように，非満水状態の配管内の流量を計測するには，液面位置を計測する必要がある。
【００１７】
配管内や容器内の液面位置を計測する計測器は，レベル計としていくつか知られている。マイクロ波方式，フロート方式，超音波方式などが知られているが，多くの方式は，計測する検出器が配管内や容器内に接する構成であり，検出器を容器外側に設置する構成では液面計測が出来ない。
【００１８】
そこで本発明は、超音波を用いて配管または容器中の液体の液面位置を計測する液面計測装置および液面計測方法に関する。
【実施例１】
【００１９】
以下、図１を参照して、本実施例による液面計測装置２０の構成を説明する。
【００２０】
（計測対象）
始めに、液面計測装置20が計測しようとする対象物の構成を簡単に述べる。
【００２１】
容器501内には，計測対象である液体505が入っている。
【００２２】
容器501は，液体を貯めているタンクなどの容器であってもよいし，液体を流す配管であってもよい。
【００２３】
容器501は，器壁502と内部空間とを備える。内部空間には，液体505と気体504が入っている。液体505や気体504は，複数種類の物質の混合物であっても構わない。
【００２４】
容器501の器壁502の材質は，超音波を伝搬する材料であれば材料を問わない。このような材料には，例えば，鉄，ステンレス，アルミニウムなどの金属や，アクリルなどの樹脂材料などが含まれる。
【００２５】
本実施例では，水を流す配管501の例を示す。図１の容器501は，配管501の断面図を示す。本実施例の配管の材料はステンレスである。
【００２６】
なお，容器501，容器の器壁502，および液体505は，本実施例の液面計測装置が計測しようとする対象物であり，本実施例の液面計測装置には含まれない。
【００２７】
本実施例の液面計測装置20は，超音波素子21と信号処理部40とを備える。
【００２８】
超音波素子21は，容器501の器壁502の外側，すなわち，器壁502をはさんで液体505の反対側の器壁面に設置されている。
【００２９】
信号処理部40は，超音波素子21と電気的に接続されている。信号処理部40は，送受信回路41と液面計測部42とを備え，液面位置信号44を出力する。
【００３０】
（超音波素子の設置角）
超音波素子21の設置角について，図2を用いて説明する。
【００３１】
図2は，超音波素子21の器壁502への設置部位を拡大して図示したものである。
【００３２】
超音波素子21が超音波を出射する方向を超音波出射軸312と呼ぶ。本明細書では，超音波出射軸312と，器壁502の法線311とがなす角を超音波素子の「設置角」313と定義する。図2の(a)は，器壁502の表面が平らな場合を示しており，(b)は器壁502の表面が曲率をもった曲面の場合を示している。いずれの場合も，超音波素子の設置位置での器壁の法線311を基準にして，設置角A313が定義される。
【００３３】
本実施例では，超音波素子の設置角A313が非ゼロの値になるように超音波素子21を設置する。言い換えると，器壁502の法線311に対して，超音波出射軸312が傾斜するように超音波素子を設置する。このように非ゼロの設置角Aを持って設置することにより，超音波素子から出射される超音波321が，器壁502の「板長方向」に向かって入射される。
【００３４】
（板長方向と板厚方向の定義）
ここで，「板長方向」とは，「板厚方向」と対比して用いた言葉である。すなわち，「板厚方向の超音波」が意味するのが，従来技術のように「器壁の板を横切って(across the wall)容器内に達する超音波」であるのに対し，「板長方向の超音波」が意味するのは，「器壁の板の長さ方向(along the wall)に進む超音波」であり、超音波は器壁の板内部を反射しながら長さ方向に進行する。例えば，図1のように容器501が配管の場合は，配管の周方向に進む超音波である。
【００３５】
図2に示したように，超音波素子21を非ゼロの設置角A313で設置するために，必要に応じて超音波素子21と器壁502との間にシュー31を設置する。シュー31は，例えばポリスチレンなどの樹脂で作られており，その形状を適正に設計することにより，超音波素子21を所望の設置角A313で設置することが出来る。
【００３６】
なお，超音波素子21の設置角A313は，超音波出射軸312と器壁502の法線311とのなす角であるから，超音波素子21として，斜め方向に超音波を出射する素子を用いる場合には，必ずしもシュー31を必要としない。
【００３７】
（液面計測の工程）
次に，液面を計測する工程を述べる。
（１）送受信回路41が励起パルス信号を超音波素子21に印加すると，超音波素子は電気信号を超音波に変換し，容器501の器壁502内に超音波パルスを入射する。
（２）その後，器壁502内の気体504−液体505界面位置に接する器壁位置で生じた反射波を超音波素子が受信し，それを電気信号に変換して送受信回路41に伝達する。
（３）液面計測部42は，送受信回路41から受信信号を受取り，反射波の伝搬時間を算出し，その伝搬時間から液面位置を算出する。そして，液面位置信号として出力する。
【００３８】
（計測原理）
本実施例の液面計測装置の計測原理を、図3を用いて説明する。
【００３９】
超音波素子21は配管501の器壁502の法線に対して非ゼロの傾斜角を持って設置されているので，超音波素子から送信された超音波パルスは，器壁502内の板長方向に伝搬する。
【００４０】
器壁502のうち，容器内の第1相（本実施例の場合は気相504）に接する部分と，容器内の第2相（本実施例の場合は液相505）に接する部分とでは，器壁の音響インピーダンスが異なる。このため，第1相と第2相の間の界面（すなわち，液面）に接する器壁位置において，超音波の反射が起こる。これが，工程（２）において受信される反射波である。
【００４１】
本明細書では，第1相と第2相の間の界面（すなわち，液面）に接する器壁位置を器壁上液面位置511と呼ぶ。図2に示したように，超音波素子の設置位置から器壁上液面位置511までを器壁502に沿って進む経路の長さをL1とする。
【００４２】
工程（２）において受信される反射波は，長さL1の器壁上経路を往復して超音波素子に戻ってきた波であるから，その伝搬時間，すなわち，超音波パルスの送信時刻から反射波の受信時刻までの時間差Δtpは，器壁上液面位置511と超音波素子設置位置との間の器壁長さL1との間に（数１）の関係がある。
【００４３】
【数１】
2018025390.tif 000003
【００４４】
ここで，cは，器壁502内の超音波の音速である。このようにして，器壁上液面位置511と超音波素子設置位置との間の器壁長さL1が求まる。
【００４５】
器壁上液面位置511と超音波素子設置位置との間の器壁長さL1と，超音波素子21の設置位置とから，液面位置を計測することが出来る。
【００４６】
このように、容器の外側に配置され、容器の器壁の板長方向に向かって超音波を入射するように配置された超音波素子と、器壁内での反射波から液面位置を算出する液面計測部を備え，液面位置信号を出力する信号処理部を備えることにより、超音波を容器の器壁の板長方向に向かって入射させるため、超音波素子を容器の外側で機械的に走査する必要が無い。従って、超音波素子は機械的走査を行うことなく、容器内の液面位置を計測することが可能となる。
【実施例２】
【００４７】
次に，本実施例を、図4を用いて述べる。
【００４８】
本実施例の構成においては，上記の工程（１）〜（３）に，以下の工程を追加する。
（４）超音波素子が，超音波パルスの入射波が容器502を1周して戻ってくる周回波を受信し，それを電気信号に変換して送受信回路に伝達する。
（５）液面計測部は，工程（３）で算出した反射波の伝搬時間Δtp1と，工程（４）で算出した周回波の伝搬時間Δtp0とから，液面位置を算出する。そして，液面位置信号として出力する。
【００４９】
これらの工程（４），（５）を追加した構成では，以下のように液面位置を計測する。
【００５０】
反射波の伝搬時間Δtp1と，周回波の伝搬時間Δtp0の比をとると，以下のようになる。
【００５１】
【数２】
2018025390.tif 000004
【００５２】
ここで，L0＝c×Δtp0は，容器を周方向に1周する長さである。L0は既知の長さであるから，２つの伝搬時間の比Δtp1／Δtp0から，器壁上液面位置511と超音波素子設置位置との間の器壁長さL1を求めることが出来る。すなわち，液面位置を計測出来る。
【００５３】
本実施例によれば，液面位置を計測するのに，器壁内の音速cの値を用いる必要がなく，反射波の伝搬時間と周回波の伝搬時間の比から液面位置を計測できる。このため，周囲温度などの環境条件が変化して器壁内の音速が変動しても，液面位置を精度良く計測出来る。
【００５４】
このように，本実施例によれば，温度の変更などの影響を受けにくい，より高精度な液面計測が可能になるという効果がある。
【実施例３】
【００５５】
本実施による液面計測装置を、図5を用いて述べる。
【００５６】
本実施例では，第1の超音波素子21に加えて，第2の超音波素子22を備えることを特徴とする。
【００５７】
第2の超音波素子22は，容器501の器壁502に超音波パルスを入射するように設置される。但し，器壁502内の超音波の伝搬方向が互いに逆方向になるように設置されている。
【００５８】
超音波素子22は，送受信回路41に電気的に接続されている。送受信回路41は，マルチプレクサなどを用いることにより，超音波素子21と超音波素子22とを選択的に動作させる。
【００５９】
本実施例では，超音波素子21を動作させることにより，第1の実施例と同様にして，器壁上液面位置511を計測出来る。さらに，超音波素子22を動作させることにより，反対側の器壁上液面位置512を計測出来る。このように２つの器壁上液面位置511と512のそれぞれを計測出来る理由は，２つの超音波素子21,22が，器壁502内の超音波の伝搬方向が互いに逆方向になるように設置されているからである。
【００６０】
本実施例では，図5に示すように，容器断面において液体と器壁とが接する2箇所での器壁上液面位置511と512をそれぞれ計測出来るので，液面が傾斜した場合でも正しく液面位置を計測出来るという効果がある。
【００６１】
また、本実施例に実施例２を組み合わせることも可能である。
【００６２】
本発明においては提案した実施例を単独で実施しても良いし、場合によっては複数の実施例を組み合わせて実施しても差し支えないものである。
【００６３】
本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で本発明を実施することができる。本明細書に記載された実施例はあくまでも例示にすぎず、限定的に解釈してはならないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６４】
20・・・液面計測装置，
21・・・超音波素子，
31・・・シュー，
41・・・送受信回路，
42・・・液面計測部，
44・・・液面位置信号，
312・・・超音波出射軸，
313・・・設置角A，
501・・・容器，
502・・・器壁，
504・・・気体，
505・・・液体，
511・・・器壁上液面位置
【図１】
2018025390.tif 000005
【図２】
2018025390.tif 000006
【図３】
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【図４】
2018025390.tif 000008
【図５】
2018025390.tif 000009