(57)【要約】【課題】環境温度が変化しても精度よく液面を検出できる液面測定方法を提供する。【解決手段】液面感知部を形成した光ファイバと、光ファイバの一端から測定光を導入する発光部及び他端から導出する測定光の強度を測定する受光部とを備え、受光部で受光した測定光の強度で液面を検出する液面計を使用した液面測定方法において、発光部及び受光部を共に収納した筐体内の温度を測定した温度測定値と、発光部に印加した電圧を測定した印加電圧測定値と、受光部が受光した測定光の強度を受光電圧として測定した受光電圧測定値とをそれぞれ求め、温度測定値、印加電圧測定値及び受光電圧測定値を補正式に導入して温度測定値で補正した受光電圧補正値を求め、求めた受光電圧補正値を受光電圧閾値と比較し、光電圧補正値が受光電圧閾値未満のときに液面感知部が液相内にあり、受光電圧閾値以上のときに気相内にあると判定する。【選択図】図１
2018119896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈曲させることにより液面感知部を形成した光ファイバと、該光ファイバの一端から光ファイバ内に測定光を導入する半導体素子製の発光部と、前記光ファイバの他端から導出する測定光の強度を測定する半導体素子製の受光部とを備え、該受光部で受光した測定光の強度に基づいて液面を検出する液面計を使用した液面測定方法において、前記発光部及び前記受光部を共に収納した筐体内の温度を測定した温度測定値と、前記発光部に測定光照射用として印加した電圧を測定した印加電圧測定値と、前記受光部が受光した測定光の強度を受光電圧として測定した受光電圧測定値とをそれぞれ求め、前記温度測定値、前記印加電圧測定値及び前記受光電圧測定値を、あらかじめ設定された補正式に導入し、前記温度測定値によって補正した受光電圧補正値を求め、求めた受光電圧補正値を、あらかじめ設定された受光電圧閾値と比較し、受光電圧補正値が受光電圧閾値未満のときに液面感知部が液相内にあると判定し、受光電圧補正値が受光電圧閾値以上のときに液面感知部が気相内にあると判定することを特徴とする液面測定方法。
【請求項２】
前記受光電圧測定値（Ｖmeas）と、あらかじめ求めた基準温度における受光電圧基準値（Ｖsta）と、前記印加電圧測定値（Ｖout）とを用いて正規化した受光電圧正規化値（Ｖnom）を下記式（１）にて求め、
【数１】
2018119896.tif 000009
式（１）によって正規化した受光電圧正規化値（Ｖnom）を、前記温度測定値と前記基準温度との差（ｔ）と、回帰式係数（α、β）とを使用して数式化することにより下記式（２）を決定し、
【数２】
2018119896.tif 000010
式（２）における数式（ｆ(t)）と、前記受光電圧測定値（Ｖmeas）と前記印加電圧測定値（Ｖout）とに基づいて、前記受光電圧測定値（Ｖmeas）を前記基準温度における受光電圧に補正した受光電圧補正値（Ｖrev）を求めるための下記式（３）
【数３】
2018119896.tif 000011
からなる前記補正式を導き出すことを特徴とする請求項１記載の液面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液面測定方法に関し、詳しくは、光ファイバを利用した液面計を使用して液面を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを利用した液面計は、液面感知部となる部分を屈曲させた光ファイバの一端に発光部を、他端に受光部をそれぞれ配置し、液面感知部に接する気相の屈折率と液相の屈折率との違いによって生じる光の強度の変化を受光部で測定し、液面感知部に接しているのが気相か液相かを判断することにより、液面を検出するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７１８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような液面計において、発光部や受光部に半導体素子を使用すると、環境温度の変化によって発光強度や受光強度が大きく変化し、液面を確実に検知できないことがあった。このため、液面計を設置した環境温度を一定温度に保持するための空調機器を使用することが行われているが、空調機器の設置コスト及び運転コストが必要になるという問題がある。
【０００５】
また、空調が困難な使用環境では、発光部及び受光部を恒温槽内に収納したり、ヒータや冷却器を使用して発光部及び受光部を一定温度になるように調整したりすることが行われている。しかし、この場合も、恒温槽やヒータ、冷却器などの設置コスト及び運転コストが必要になるだけでなく、発光部及び受光部の周辺が複雑化し、液面計自体が大型化してしまうという問題もあった。
【０００６】
一方、発光部を持たずに受光部のみを使用した光センサの一部では、受光部の温度を測定して受光強度を補正することも行われているが、液面計の場合は、環境温度によって発光部の発光強度と受光部の受光強度とが相互に関連して変化するため、受光部の温度だけでは正確な液面検知を行うことができない。
【０００７】
そこで本発明は、環境温度によって発光部や受光部の温度が変化しても精度よく液面を検出することができる液面測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の液面測定方法は、屈曲させることにより液面感知部を形成した光ファイバと、該光ファイバの一端から光ファイバ内に測定光を導入する半導体素子製の発光部と、前記光ファイバの他端から導出する測定光の強度を測定する半導体素子製の受光部とを備え、該受光部で受光した測定光の強度に基づいて液面を検出する液面計を使用した液面測定方法において、前記発光部及び前記受光部を共に収納した筐体内の温度を測定した温度測定値と、前記発光部に測定光照射用として印加した電圧を測定した印加電圧測定値と、前記受光部が受光した測定光の強度を受光電圧として測定した受光電圧測定値とをそれぞれ求め、前記温度測定値、前記印加電圧測定値及び前記受光電圧測定値を、あらかじめ設定された補正式に導入し、前記温度測定値によって補正した受光電圧補正値を求め、求めた受光電圧補正値を、あらかじめ設定された受光電圧閾値と比較し、受光電圧補正値が受光電圧閾値未満のときに液面感知部が液相内にあると判定し、受光電圧補正値が受光電圧閾値以上のときに液面感知部が気相内にあると判定することを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の液面測定方法は、前記受光電圧測定値（Ｖmeas）と、あらかじめ求めた基準温度における受光電圧基準値（Ｖsta）と、前記印加電圧測定値（Ｖout）とを用いて正規化した前記受光電圧正規化値（Ｖnom）を下記式（１）にて求め、
【数１】
2018119896.tif 000003
式１によって正規化した受光電圧正規化値（Ｖnom）を、前記温度測定値と前記基準温度との差（ｔ）と、回帰式係数（α、β）とを使用して数式化することにより下記式（２）を決定し、
【数２】
2018119896.tif 000004
式２における数式（ｆ(t)）と、前記受光電圧測定値（Ｖmeas）と前記印加電圧測定値（Ｖout）とに基づいて、前記受光電圧測定値（Ｖmeas）を前記基準温度における受光電圧に補正した受光電圧補正値（Ｖrev）を求めるための前記補正式となる下記式（３）
【数３】
2018119896.tif 000005
からなる前記補正式を導き出すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の液面測定方法によれば、発光部及び受光部を共に収納した筐体内の温度に基づいて受光電圧測定値を補正することにより、温度変化による液面計の誤作動を防止して液面を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の液面測定方法を適用可能な液面計の一例を示す説明図である。
【図２】発光部及び受光部を収納した筐体内の温度（発光部及び受光部を構成するトランジスタ温度）と受光部での受光電圧との関係を示す図である。
【図３】トランジスタ温度と正規化後の受光電圧との関係を示す図である。
【図４】トランジスタ温度と補正した受光電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の液面測定方法を適用可能な液面計の一例を示す説明図である。この液面計１１は、液体容器１２内の液面Ｓの位置を、１００％、７５％、５０％の三段階で検出するもので、１００％用ユニット２１，７５％用ユニット３１及び５０％用ユニット４１の３組の液面検知ユニットを備えている。
【００１３】
各ユニット２１，３１，４１は、屈曲させることにより液面感知部２２，３２，４２を形成した光ファイバ２３，３３，４３と、各光ファイバ２３，３３，４３の一端から各光ファイバ内に測定光をそれぞれ導入する半導体素子製、例えばトランジスタ製の発光部２４，３４，４４と、各光ファイバ２３，３３，４３の他端から導出する測定光の強度をそれぞれ測定する半導体素子製、例えばトランジスタ製の受光部２５，３５，４５とを備えている。
【００１４】
前記発光部２４，３４，４４及び受光部２５，３５，４５は、一つの筐体１３内に収納されており、さらに、この筐体１３内には、該筐体１３内の温度を測定するサーミスタなどの温度計１４と、各種演算処理を行うための処理装置１５と、各種情報を記憶するための記憶手段１６とが収納されている。また、筐体１３の外部には、各種情報を表示するための表示部（図示せず）が必要に応じて設けられている。
【００１５】
発光部２４，３４，４４は、あらかじめ設定された波長の測定光を発生させるもので、例えば、市販のＬＥＤ光源などが用いられている。また、受光部２５，３５，４５は、発光部２４，３４，４４から光ファイバ２３，３３，４３の一端に導入され、光ファイバ２３，３３，４３の各光路内を伝播して他端から導出される測定光の強度（光量）を測定するもので、発光部２４，３４，４４で発生させた波長の測定光の光量を測定して電圧に変換できる適宜な半導体素子を用いることができる。
【００１６】
光ファイバ２３，３３，４３は、前記測定光を透過するのに適したものを使用すればよく、直径は１ｍｍ程度であればよい。液面感知部２２，３２，４２となる屈曲部は、接する流体の屈折率に対応して光量が変化するように形成されていればよく、光ファイバ外周のクラッドは、一部を除去したものであってもよい。
【００１７】
処理装置１５は、発光部２４，３４，４４を発光させるための電圧，電流を印加する機能と、受光部２５，３５，４５が受光した測定光の強度を電圧，電流として測定する機能と、温度計１４によって筐体１３内の温度を測定する機能と、液面感知部２２，３２，４２が気相中にあるか液相中にあるかを判定する機能とを有している。
【００１８】
記憶手段１６は、発光部２４，３４，４４に印加した電圧，電流、受光部２５，３５，４５が受光した電圧，電流、温度計１４で測定した温度などの各種測定値を記憶する機能と、処理装置１５での判定に必要な補正式や閾値などのあらかじめ設定された式やデータを記憶しておく機能などを有している。
【００１９】
処理装置１５における判定部では、筐体１３内の温度を温度計１４によって測定した温度測定値と、発光部２４，３４，４４に測定光照射用として印加した電圧をそれぞれ測定した印加電圧測定値と、受光部２５，３５，４５が受光した測定光の強度を受光電圧としてそれぞれ測定した受光電圧測定値と、あらかじめ設定された補正式と、あらかじめ設定された受光電圧閾値とに基づいて液面感知部２２，３２，４２の状態をそれぞれ判定することにより、液体容器１２内の液面の位置を測定する。
【００２０】
すなわち、前記温度測定値、前記印加電圧測定値及び前記受光電圧測定値を、あらかじめ設定された補正式に導入して前記温度測定値によって補正した受光電圧補正値を求め、求めた受光電圧補正値を、あらかじめ設定された受光電圧閾値と比較し、受光電圧補正値が受光電圧閾値未満のときに液面感知部が液相内にあると判定し、受光電圧補正値が受光電圧閾値以上のときに前記液面感知部が気相内にあると判定する。
【００２１】
例えば、１００％用ユニット２１の液面感知部２２が気相内にあると判定され、７５％用ユニット３１の液面感知部３２及び５０％用ユニット４１の液面感知部４２が共に液相内にあると判定された場合、液体容器１２内の液面の測定位置は７５％以上、１００％未満となる。
【００２２】
ここで、前記補正式を導き出す手順を説明する。まず、１００％用ユニット２１における発光部２４、受光部２５及び光ファイバ２３の組み合わせ（以下、サンプル１とする）と、７５％用ユニット３１における発光部３４、受光部３５及び光ファイバ３３の組み合わせ（以下、サンプル２とする）と、５０％用ユニット４１における発光部４４、受光部４５及び光ファイバ４３の組み合わせ（以下、サンプル３とする）との三組において、各発光部２４，３４，４４への注入電流（印加電圧）を一定とし、各液面感知部を気相内に配置した状態で、筐体１３内の温度を変化させたときの各受光部２５，３５，４５で受光した光量に対する受光電圧をそれぞれ測定する実験をそれぞれ行った。この結果を図２に示す。
【００２３】
図２に示す結果から、受光電圧は、温度依存性が大きく、温度上昇に伴い受光電圧も上昇しており、例えば、液面を判定するための受光電圧の閾値を２．０Ｖに設定した場合、各サンプルにおいて、温度が高いときにはいずれも液面感知部が気相内にあると判定されてしまい、温度が低いときにはいずれも液面感知部が液相内にあると判定されてしまう。このため、温度変化によって液面位置を正確に測定することができなくなる。さらに、図２に示す各サンプルを比較すると、受光電圧上昇の傾向も各サンプルによって異なっており、単純な傾きの補正では対応できないことがわかる。
【００２４】
そこで、各サンプルにおける温度と受光電圧との関係を正規化する。この正規化に際しては、最初に筐体内の基準温度を、例えば、室温程度として２５℃を基準温度に設定し、発光部及び受光部の温度（トランジスタ温度）を基準温度に設定したときの受光電圧を受光電圧基準値（Ｖsta）としてあらかじめ求めておく。そして、各実験において各受光部でそれぞれ測定した受光電圧を受光電圧測定値（Ｖmeas）とし、各発光部への印加電圧を印加電圧測定値（Ｖout）とし、受光電圧測定値（Ｖmeas）と印加電圧測定値（Ｖout）と受光電圧基準値（Ｖsta）とを用いた下記式（１）により、受光電圧を正規化した受光電圧正規化値（Ｖnom）を求める。
【数４】
2018119896.tif 000006
【００２５】
これにより、図３で示すように、正規化した受光電圧正規化値（Ｖnom）と筐体内温度（トランジスタ温度）との関係が得られ、受光電圧上昇の傾向が異なっていた各サンプルの受光電圧を一致させることができる。これにより、図３に示す受光電圧正規化値（Ｖnom）と筐体内温度との関係を単一の式でカーブフィットすることが可能となり、筐体内の温度測定値と前記前記基準温度との差（ｔ）と、任意に決定される回帰式係数（α、β）とを使用して数式化することにより、下記式（２）を決定することができる。
【数５】
2018119896.tif 000007
【００２６】
例えば、図３に示す関係のときには、
Ｖnom＝ｆ(t)＝０．０００４８×ｔ２＋０．０５４４２×ｔ
という２次式で表すことができる。
【００２７】
決定された式（２）における数式（ｆ(t)）と、受光電圧測定値（Ｖmeas）と印加電圧測定値（Ｖout）とに基づいて、受光電圧測定値（Ｖmeas）を前記基準温度における受光電圧に補正した受光電圧補正値（Ｖrev）を求めるための前記補正式を、下記式（３）として導き出すことができる。
【数６】
2018119896.tif 000008
【００２８】
このようにして導き出した補正式に、液面測定時に測定した前記温度測定値、前記印加電圧測定値及び前記受光電圧測定値を代入して受光電圧補正値（Ｖrev）をそれぞれ求めることにより、図４に示すように、測定した筐体内温度（トランジスタ温度）と基準温度に補正した受光電圧（受光電圧補正値）との関係を各サンプルについてそれぞれ得ることができる。
【００２９】
図４から明らかなように、各サンプルにおける温度依存性を解消した受光電圧補正値が得られるので、各サンプルに対して適切な受光電圧閾値をそれぞれ設定し、設定した受光電圧閾値と受光電圧補正値とを比較することにより、液面感知部が液相内にあるか、気相内にあるかをそれぞれ判定することができる。
【００３０】
図４に示す結果に基づいて、例えば、サンプル１では受光電圧閾値を２．０Ｖに設定することにより、筐体内温度（トランジスタ温度）に関係なく、受光電圧補正値が２．０Ｖ以上のときには液面感知部が気相内にあり、受光電圧補正値が２．０Ｖを下回ったときに液面感知部が液相内にあると判定できる。したがって、サンプル１として用いた１００％用ユニット２１においては、液体容器１２内への液体注入作業中に、受光電圧補正値が２．０Ｖを下回ったときに液体容器１２内の液面が１００％以上になったと判定することができ、液体注入作業を終了することができる。
【００３１】
同様に、サンプル２では受光電圧閾値を１．５Ｖに、サンプル３では受光電圧閾値を１．０Ｖに、それぞれ設定することにより、液体容器１２内の液面を、筐体内温度に関係なく、正確に測定することができる。これにより、液体容器１２内への液体注入作業を確実に開始することができる。
【００３２】
したがって、発光部、受光部及び光ファイバの組み合わせに対して、前記補正式を導き出し、該補正式と受光電圧閾値とを記憶手段にそれぞれ記憶させておくことにより、液面測定時に温度計で測定した筐体内の温度（トランジスタ温度）と、発光部に印加した電圧と、受光部で測定した受光電圧とから、液体容器内の液面を正確に求めることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１１…液面計、１２…液体容器、１３…筐体、１４…温度計、１５…処理装置、１６…記憶手段、２１…１００％用ユニット、２２…液面感知部、２３…光ファイバ、２４…発光部、２５…受光部、３１…７５％用ユニット、３２…液面感知部、３３…光ファイバ、３４…発光部、３５…受光部、４１…５０％用ユニット、４２…液面感知部、４３…光ファイバ、４４…発光部、４５…受光部、Ｓ…液面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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