(57)【要約】  【課題】１０μｍ程度の精度で液位を計測することができるディスプレイスメント式液位計を提供する。  【解決手段】計測対象の液面ＷＬにディスプレイサ１０の底部を沈ませ，液面ＷＬの上方にディスプレイサ１０に加わる浮力の大きさを検出する検出器４０を設け，検出器４０に一端を係止し又は取り付けて吊下げた支持部材２０の他端をディスプレイサ１０の底部近傍に固定する。例えば，ディスプレイサ１０の頂部から底部まで鉛直方向の嵌入孔１１又は貫通孔１２を設け，その嵌入孔１１又は貫通孔１２の内側に支持部材２０を配置する。或いは，ディスプレイサ１０の外面に沿って支持部材２０を配置してもよい。望ましくは，ディスプレイサ１０の底部近傍の支持部材２０の固定位置を，液面ＷＬ下の温度による液体の密度ρの変化とディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとが相殺されるように設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象の液面に底部を沈ませるディスプレイサ，前記液面上方に位置付ける一端とディスプレイサの底部近傍に固定する他端とを有する支持部材，及び前記支持部材の液面上方の一端に取り付けられてディスプレイサに加わる浮力の大きさを検出する検出器を備えてなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項２】
請求項１の液位計において，前記ディスプレイサの頂部から底部まで鉛直方向の嵌入孔又は貫通孔を設け，前記支持部材をディスプレイサの嵌入孔又は貫通孔の内側に配置してなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項３】
請求項１の液位計において，前記支持部材をディスプレイサの外面に沿って配置してなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの液位計において，前記ディスプレイサの材質又は底部近傍の支持部材の固定位置を，前記液面下の温度による液体の密度変化とディスプレイサの体積変化とが相殺されるように設定してなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項５】
請求項１から４の何れかの液位計において，前記支持部材に，前記ディスプレイサを自重により液面と平行な方向へ振り子状に揺動させる揺動部材を含めてなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項６】
請求項５の液位計において，前記揺動部材に，前記液面と法線方向が平行な板バネ又は板壁を含めてなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項７】
請求項６の液位計において，前記揺動部材に，前記板バネ又は板壁の振り子状振動を弾性限界範囲に抑えるストッパーを含めてなるディスプレイスメント式液位計。
【請求項８】
請求項５から７の何れかの液位計において，前記揺動部材を，前記ディスプレイサを自重により液面と平行な複数方向へ振り子状に揺動可能なものとしてなるディスプレイスメント式液位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はディスプレイスメント式液位計に関し，とくに計測対象の液面に一部沈めたディスプレイサに働く浮力の大きさから液位を計測するディスプレイスメント式液位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセスの自動化等に際して，液体の入ったタンクや容器，河川，水路，井戸，ダム，貯水池等の液面レベル（液位）又はその変化を自動的に計測することが求められる。液位を自動的に検出する従来の計測器（液位計）の一例は，図８に示すように，液中に一部沈めたディスプレイサ（浮子）に働く浮力が液面に応じて変化することを利用したディスプレイスメント式液位計６０である（非特許文献１及び２参照）。また，従来の液位計の他の一例は，図７に示すように，レーザ変位センサ７７から液面に向けたレーザ光と液面で反射したレーザ光との位相差によってセンサ７７から液面までの距離を計測するレーザ式レベル計７１である（特許文献１参照）。
【０００３】
図８（Ａ）のディスプレイスメント式液位計６０ａは，計測対象の液面に一部沈ませるディスプレイサ６１と，ディスプレイサ６１の頂部に一端を取り付けた支持部材２０と，その支持部材２０の他端を液面上方から支持する検出器６３ａとを有する。ディスプレイサ６１は所定重量Ｗ，所定断面積Ｄ，所定長さＨの柱状体であり，その底部の一部を液面に沈ませることで（１）式で示す浮力を受けて軽くなる。（１）式において，ρは液体の密度，ｇは重力加速度を表す。
ディスプレイサの受ける浮力＝ρｇＤｈ    ………………………………………（１）
【０００４】
ディスプレイサ６１は，液位に応じて液中部分（浸漬部分）の長さｈ，すなわちディスプレイサ６１の受ける浮力が変化する。従って，検出器６３ａによってディスプレイサ６１の受ける浮力の大きさ（浮力によって軽くなるディスプレイサ６１の重量Ｆ＝Ｗ−ρｇＤｈ）を検出することにより，（１）式に基づき浸漬部分の長さｈ，すなわち液位を算出することができる。ディスプレイサ６の所定長さＨは，計測対象の液位の変動範囲（液位の上限と下限の間の計測範囲）Ｒに応じて設定される。
【０００５】
図８（Ａ）において，検出器６３ａの一例は，ディスプレイサ６１の重量Ｆを検出するロードセル，スプリング等である。或いは，図８（Ｂ）のディスプレイスメント式液位計６０ｂに示すように，検出器６３ａをトルクチューブとしてもよい。図示例のトルクチューブ６３ｂは，タンクや容器の周壁を液密に貫くチューブの内側先端にレバーを取り付け，そのレバーにディスプレイサ６１を吊下げた際に生じる捩じれによってディスプレイサ６１を支持する。液位に応じてディスプレイサ６１の受ける浮力の大きさが変化すると，チューブの捩じれ角度θも変化するので，その捩じれ角度θからディスプレイサ６１の浸漬部分の長さｈ，すなわち液位を算出することができる。図８（Ａ）及び（Ｂ）のディスプレイスメント式液位計６０ａ，６０ｂによれば，計測範囲Ｒの０．１％程度の分解能で水位を計測することができる。
【０００６】
図７のレーザ式レベル計７１は，測定水７５の液面に浮かべるレーザ反射浮板７６と，その浮板７６にガラス窓７７ａを介して対向する水面上方のレーザ変位センサ７７とを有する。レーザ変位センサ７７はリード線７８を介してレーザコントローラ７９に接続されており，コントローラ７９によってレーザ変位センサ７７から出力したレーザ光と液面上のレーザ反射浮板７６で反射したレーザ光との位相差を検出することにより，レーザ変位センサ７７からレーザ反射浮板７６までの間隔，すなわち容器７１ａ内の測定水７５の水位を計測することができる。
【０００７】
図示例のレーザ式レベル計７１は測定用容器７１ａに蓄えられた測定水７５の液位を計測するように構成されており，その測定用容器７１ａの下端部がコック７３を介してチューブ７４により移動用測定容器７２ａと接続され，コック７３の開放時に２つの容器７１ａ，７２ａの間で測定水７５が流動自在となっている。このようにチューブ７４を介してレーザ式レベル計７１と移動用測定容器７２ａとを接続することにより，異なる２点間Ａ，Ｂの水平変位（鉛直方向の偏差）を計測する水管傾斜計（水平変位測定器）７０とすることができる。先ず，移動用測定容器７２ａをレーザ式レベル計７１と同じ基準点Ａに設置したうえでレーザ変位センサ７７により水位を計測し，基準水位とする。次いで，移動用測定容器７２ａを測定点Ｂに移動させたうえでレーザ変位センサ７７により水位を計測し，基準水位との変位を求める。図７のレーザ式レベル計７１によれば，０．０１ｍｍ（１０μｍ）程度の高い精度で水位及び水平変位を計測することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】一般社団法人日本電気計測器工業会「プロセス計測制御機器の技術解説  １．４レベル計」インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｔｅｃｈ．ｊｅｍｉｍａ．ｏｒ．ｊｐ／１０３０５０１．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】松山裕「レベルのお話  第３回  ディスプレイサ式レベル計」エムエスツデー，株式会社エム・システム技研，２００３年３月，インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍ−ｓｙｓｔｅｍ．ｃｏ．ｊｐ／ｒｅｎｓａｉ／ｐｄｆ／ｒ０３０３．ｐｄｆ＞
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実用新案登録第３０６３０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし，図７に示す従来のレーザ式レベル計７１は，１０μｍ程度の高い精度で液位を計測できるものの，液位の計測を継続するうちにレーザ反射浮板７６と対向するガラス窓７７ａが水蒸気等で曇ることがあり，自動的な水位計測を安定的に継続するためにはガラス窓７７ａの頻繁なメンテナンス（曇り対策）を別途必要とする問題点がある。また，レーザ変位センサ７７及びレーザコントローラ７９は比較的高価であり，液位の自動計測のための初期導入コストが嵩む問題点もある。
【００１１】
これに対して，図８に示す従来のディスプレイスメント式液位計６０は，液面に沈ませるディスプレイサ６１の付着物等が問題とならなければ，頻繁なメンテナンスをしなくても液位の自動計測を安定的に継続することができる。また，初期導入コストも比較的低く抑えることができる。更に，ディスプレイスメント式液位計６０は，一般的に１〜１０ｍ程度の計測範囲Ｒの液位を対象とするものであって，１ｍｍ（≒ｌ０００ｍｍ×０．００１）〜１０ｍｍ程度の計測精度であるが，計測範囲を１００ｍｍ以下，例えば１０ｍｍ程度に抑えれば計測精度を１０μｍ（≒ｌ０ｍｍ×０．００１）程度に高めることも期待できる。すなわち，ディスプレイスメント式液位計６０を用いることにより，頻繁なメンテナンスをしなくても，上述したレーザ式レベル計７１と同程度の高い精度の水位計測及び水平変位計測を長期間安定的に維持することが期待できる。
【００１２】
ただし，ディスプレイスメント式液位計６０において，１０μｍ程度の高い計測精度を確保するためには，１〜１０ｍｍ程度の計測精度では問題とならなかった微小な誤差の発生を抑えることが必要となる。具体的には，上述した（１）式のディスプレイサ６１の受ける浮力は，ディスプレイサ６１の浸漬部分の長さｈによって変化すると共に，ディスプレイサ６１の断面積Ｄや液体の密度ρによっても変化するので，例えば温度変化によりディスプレイサ６１が膨張・収縮し又は流体の密度ρが変動すると浮力の計測に誤差を生じうる。レーザ式レベル計７１と同程度の高い計測精度（１０μｍ程度の計測精度）を確保するためには，このような温度変化による誤差を小さく抑える必要がある。
【００１３】
また，図８（Ｃ）のようにディスプレイサ６１と検出器６３とを剛性の支持部材２０で連結した場合，何らかの要因でディスプレイサ６１に横方向（鉛直方向・重力方向以外の方向）の荷重が加わると，検出器６３で検出されるディスプレイサ６１の重量Ｆが変動するので誤差が発生し得る。図８（Ｄ）のように鎖状の支持部材２０ｂを用いることでディスプレイサ６１を自重により揺動させて鉛直方向に補正し，横方向荷重の発生を避けることも考えられるが，鎖状支持部材２０ｂは各鎖素子の係合位置が一定ではないので，鎖状支持部材２０ｂを用いると支持部材の長さが変動し，その長さの変動により新たな誤差が発生してしまう。ディスプレイスメント式液位計６０において高い計測精度を確保するためには，このような横方向荷重に起因する微小な誤差を防ぐことも有効である。
【００１４】
そこで本発明の目的は，１０μｍ程度の精度で液位を計測することができるディスプレイスメント式液位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
図１の実施例を参照するに，本発明によるディスプレイスメント式液位計は，計測対象の液面ＷＬに底部を沈ませるディスプレイサ１０，液面ＷＬの上方に位置付ける一端とディスプレイサ１０の底部近傍に固定する他端とを有する支持部材２０，及び支持部材２０の液面上方の一端に取り付けられてディスプレイサ１０に加わる浮力（（１）式参照）の大きさを検出する検出器４０を備えてなるものである。
【００１６】
好ましくは，図１（Ｃ）〜（Ｆ）に示すように，ディスプレイサ１０の頂部から底部まで鉛直方向の嵌入孔１１又は貫通孔１２を設け，支持部材２０をディスプレイサ１０の嵌入孔１１又は貫通孔１２の内側に配置する。或いは，図１（Ｂ）に示すように，支持部材２０をディスプレイサ１０の外面に沿って配置してもよい。望ましくは，図２に示すように，ディスプレイサ１０の材質又は底部近傍の支持部材２０の固定位置を，液面ＷＬ下の温度による液体の密度ρの変化とディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとが相殺されるように設定する。
【００１７】
更に好ましくは，図３に示すように，支持部材２０に，ディスプレイサ１０を自重により液面ＷＬと平行な方向へ振り子状に揺動させる揺動部材３０を含める。揺動部材３０には，図３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように液面ＷＬと法線方向が平行な板バネ３１，又は図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように液面ＷＬと法線方向が平行な板壁３６を含めることができる。望ましくは，図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように，揺動部材３０に板バネ３１又は板壁３６の振り子状振動を弾性限界範囲に抑えるストッパー３７を含める。更に望ましくは，揺動部材３０を，ディスプレイサ１０を自重により液面ＷＬと平行な複数の方向へ振り子状に揺動可能なものとする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によるディスプレイスメント式液位計は，計測対象の液面ＷＬにディスプレイサ１０の底部を沈ませると共に，液面ＷＬの上方に設けた検出器４０から吊下げた支持部材２０の他端をディスプレイサ１０の底部近傍に固定したうえで，検出器４０によりディスプレイサ１０に加わる浮力の大きさを検出するので，次の有利な効果を奏する。
【００１９】
（イ）支持部材２０でディスプレイサ１０の底部近傍を支持し，温度変化時にディスプレイサ１０の底部近傍を基点として上方へ伸縮させることにより，ディスプレイサ１０の温度変化による浸漬部分の長さｈの変動を抑えることができる。
（ロ）また，ディスプレイサ１０の浸漬部分の長さｈの変動を抑えることにより，温度変化によるディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈを実質的に断面積変化ΔＤのみに限定し，ディスプレイサ１０に加わる浮力に対する温度変化の影響を小さく抑えることができる。
（ハ）更に，温度により液体の密度ρも変化するが，液体の密度変化Δρとディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとが相殺されるようにディスプレイサ１０の材質又は底部近傍の支持位置を設定することにより，浮力に対する温度変化の影響を無視できる程度に小さく抑え，ディスプレイスメント式液位計による１０μｍ程度又はそれ以下の高い計測精度を確保することができる。
【００２０】
（ニ）また，ディスプレイサ１０を自重により液面ＷＬと平行な方向へ振り子状に揺動させる揺動部材３０を支持部材２０に含めることにより，ディスプレイサ１０を横方向荷重から保護し，横方向荷重に起因する検出誤差を避けることができる。
（ホ）揺動部材３０として，法線方向が液面ＷＬと平行な板バネ３１又は板壁３６を支持部材２０に含めることにより，支持部材２０の長さを変動させることなくディスプレイサ１０を横方向荷重から保護することができる。
（ヘ）更に，支持部材２０に揺動部材３０を含めることにより，支持部材２０及び検出器４０に加わるモーメント負荷を低減することが期待でき，様々な振動等に対しても安定的に液位の自動計測を安定的に継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】本発明によるディスプレイスメント式液位計の一実施例の説明図である。
【図２】本発明によるディスプレイスメント式液位計の作業を示す説明図である。
【図３】本発明によるディスプレイスメント式液位計の他の実施例の説明図である。
【図４】本発明のディスプレイスメント式液位計で用いる揺動部材の実施例の説明図である。
【図５】本発明のディスプレイスメント式液位計を試作した実験例の説明図である。
【図６】図５の実験例を用いて液位を計測した実験結果の説明図である。
【図７】従来のレーザ式レベル計の一例の説明図である。
【図８】従来のディスプレイスメント式液位計の一例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は，本発明のディスプレイスメント式液位計１の実施例を示す。図示例のディスプレイスメント式液位計１は，図８を参照して上述した従来のディスプレイスメント式液位計６０と同様に，計測対象の液面ＷＬに底部を一部沈ませるディスプレイサ１０と，液面ＷＬの上方に位置付ける検出器４０と，その検出器４０からディスプレイサ１０を吊下げる支持部材２０とを有し，検出器４０によりディスプレイサ１０の受ける浮力の大きさ（浮力によって軽くなるディスプレイサ１０の重量Ｆ＝Ｗ−ρｇＤｈ）を検出する。ディスプレイサ１０の受ける浮力の大きさから，（１）式に基づき，ディスプレイサ１０の漬部分の長さｈ，すなわち液位ＷＬを算出することができる。
【００２３】
ただし，従来のディスプレイスメント式液位計６０は，支持部材２０の一端をディスプレイサ６１の頂部近傍に固定して支持しているのに対し（図２（Ｂ）も参照），本発明によるディスプレイスメント式液位計１は，支持部材２０の一端をディスプレイサ１０の底部近傍に固定して支持している（図２（Ａ）も参照）。ディスプレイサ１０の底部近傍を支持することにより，後述するように，たとえ温度変化によりディスプレイサ１０が膨張・収縮しても，温度変化によるディスプレイサ１０の浸漬部分の長さｈの変動を抑えることができ，温度変化による浮力の検出誤差を避けることができる。
【００２４】
図示例のディスプレイサ１０は，所定重量Ｗ，所定断面積Ｄ，所定長さＨで，樹脂製（例えば硬質塩化ビニル製）又は金属製（例えばステンレス製）の中空又は中実の柱状体であり，底部を計測対象の液面ＷＬに一部沈ませる。ディスプレイサ１０の頂面１０ａは，液体が付着しても流れ落ちるように，上方に凸状の円錐形とすることが望ましい。また，ディスプレイサ１０の底面１０ｂは，液面に浸漬した際に気泡等が留まらないように，下方に凸状の円錐形とすることが望ましい。ディスプレイサ１０の側面１０ｃは，円柱に限らず，例えば適当な多角形断面の角柱体としてもよい。
【００２５】
図示例の検出器４０は，ディスプレイサ１０の重量Ｆ（（１）式参照）を検出するロードセルを含み，適当な方法で液面ＷＬの上方に保持されている。ロードセルに代えて，図８を参照して上述したスプリング又はトルクチューブを検出器４０とすることも可能である。図示例のように液体を蓄えるタンクや容器等のケーシング５０を設けた場合は，そのケーシング５０の内周面の液面上方に吊下げ板５４を突出させ，その吊下げ板５４に検出器４０を支持して液面ＷＬの上方に保持することができる。ただし，検出器４０の保持方法は図示例に限定されない。
【００２６】
検出器４０には，ロードセル４１に加えて，図２（Ａ）に示すように，フィルタ４２，増幅器４３，及び変換回路４４等を含めることができ，変換回路４４で変換後の検出値を表示する指示計等を含めることもできる。また，変換回路４４の出力検出値からディスプレイサ１０の漬部分の長さｈ，すなわち液位ＷＬを算出する算出手段４５，算出した液位ＷＬを出力する出力手段４６等を含めることができる。算出手段４５及び出力手段４６の一例は記憶手段４７を有するコンピュータの内蔵プログラムであり，例えば記憶手段４７に記憶した（１）式に基づき，コンピュータの算出手段４５により液位ＷＬを算出することができる。
【００２７】
図示例の支持部材２０は，一端を液面ＷＬの上方の検出器４０に係止し又は取り付けて吊下げ，他端をディスプレイサ１０の液面ＷＬ下に沈める底部近傍に固定するものであり，例えば図１（Ａ）のような棒状部材，或いは図１（Ｂ）のようなブランコ状部材とすることができる。図中の符号２４は，ディスプレイサ１０における支持部材２０の固定部を示す。支持部材２０は，長さが変化しないように，温度変化による伸縮（熱膨張係数）が小さい材質であることが望ましく，例えば金属製又はカーボンファイバー製とすることができる。金属の熱膨張係数は樹脂よりもほぼ一桁小さく，カーボンファイバーの熱膨張係数は更に小さい。また，支持部材２０の両端間の長さは，あまり大きくなるとディスプレイサ１０が揺動した際に検出器４０に加わるモーメント負荷が大きくなり，検出器４０の破損ないし誤差の原因となるので，検出器４０に加わるモーメント負荷が許容範囲となるように設定する。もっとも後述するように，支持部材２０に揺動部材３０を含めることにより検出器４０に加わるモーメント負荷を低減できるので，比較的長い支持部材２０を用いることも可能である。
【００２８】
図１（Ｃ）〜（Ｆ）は，棒状の支持部材２０を用いた実施例を示しており，ディスプレイサ１０の鉛直方向中心軸に沿って嵌入孔１１又は貫通孔１２を設け，支持部材２０の他端（下端）をディスプレイサ１０の嵌入孔１１又は貫通孔１２の内側に挿入して底部近傍に固定している。例えば図１（Ｃ）及び（Ｄ）のように，嵌入孔１１又は貫通孔１２の底部に螺合部（雌ネジ部）１３を形成し，支持部材２０の先端にも螺合部（雄ネジ部）２５を形成し，ディスプレイサ１０の固定部２４を一対の螺合部（１３＋２５）の嵌め合わせとすることができる。図１（Ｄ）のように貫通孔１２を設けた場合は，貫通孔１２の下方から支持部材２０の他端（下端）を突出させ，その先端にナット２７を螺合させて固定部２４とすることも可能であり，その場合は貫通孔１２の底部の螺合部１３を省略できる。
【００２９】
また，図１（Ｅ）のように，ディスプレイサ１０の鉛直方向中心軸に沿って貫通孔１２を設けると共に，その貫通孔１２の底部に孔拡大部（拡径部）１４を形成し，支持部材２０の他端（下端）にも拡径部２６を形成し，ディスプレイサ１０の貫通孔１２に下端側から支持部材２０の一端（上端）を挿入して孔拡大部１４と拡径部２６とを段差で係合させることにより，ディスプレイサ１０の固定部２４を段差係合部（１４＋２６）とすることもできる。
【００３０】
図１（Ｅ）のように固定部２４を段差係合部（１４＋２６）とする場合は，図１（Ｆ）に示すように，貫通孔１２の下端側から挿入した支持部材２０の一端（上端）を貫通孔１２の上端側から突出させ，その支持部材２０の突出部に貫通孔１２より大径のナット１６を螺合させることにより，支持部材２０が貫通孔１２から抜け出すことを防止することが望ましい。更に望ましくは，そのナット１６と貫通孔１２の上端との間にコイルスプリング１７を介在させ，ナット１６と貫通孔１２との間隔を可変とする。以下に述べるように，本発明においてディスプレイサ１０の上端は温度変化により膨張・収縮しうるが，ディスプレイサ１０のナット１６との間にコイルスプリング１７を介在させることにより，ディスプレイサ１０の膨張・収縮をコイルスプリング１７で吸収しながら支持部材２０の抜け出しを防止することができる。
【００３１】
図１（Ｂ）は，ディスプレイサ１０の外面に沿って配置したブランコ型支持部材２０ｃを用いた実施例を示しており，１本に束ねた一端（上端）を液面上方の検出器４０に係止又は取り付け，複数に分岐させた他端（下端）の各分岐部をディスプレイサ１０の外面に沿って延ばして底部近傍に固定している。例えば，図１（Ｃ）又は（Ｄ）と同様に，各分岐部の先端にそれぞれ螺合部（雄ネジ部）を形成し，ディスプレイサ１０の底部近傍の設けた複数の螺合部（雌ネジ部）と嵌め合わせることにより，ディスプレイサ１０の底部近傍に複数の固定部２４を形成し，安定的に支持することができる。螺合に代えて，各分岐部の先端を圧入又は溶接によりディスプレイサ１０の底部近傍に固定することも可能である。
【００３２】
なお，図１（Ｂ）はディスプレイサ１０の底部近傍に複数の固定部２４を形成しているが，固定部２４は必ずしも複数設ける必要はなく，ディスプレイサ１０を支持するブランコ型支持部材２０ｃの固定部２４を単独とすることも可能である。例えば，図３（Ｅ）に示すようにブランコ型支持部材２０ｃにカウンターウェイト２８を含め，ディスプレイサ１０の外面に沿って配置したブランコ型支持部材２０ｃの下端をディスプレイサ１０の底面近傍に固定し，ディスプレイサ１０の反対側の外面と対向するカウンターウェイト２８を配置することにより，単独の固定部２４でディスプレイサ１０を安定的に支持することができる。
【００３３】
図１（Ａ）及び（Ｂ）のようにディスプレイサ１０の底部近傍を支持した場合の作用効果を，図２（Ｂ）のように頂部近傍を支持した従来のディスプレイサ６０と対比しながら，図２（Ａ）を参照して説明する。図２（Ｂ）のようにディスプレイサ６０の頂部近傍に固定部２４を設けた場合は，温度変化によりディスプレイサ１０の断面積Ｄが膨張・収縮すると共に，固定部２４を基点として下方へ伸縮（膨張・収縮）することになる（図中に破線で示す膨張面１０ｅ参照）。すなわち，温度変化によりディスプレイサ１０の浸漬部分の長さｈがｈ´に変化し，液面ＷＬ下の体積Ｄｈが三次元的に変化するので，ディスプレイサ１０の受ける浮力ρｇＤｈに温度変化が大きく影響することになる。
【００３４】
これに対し，図２（Ａ）のようにディスプレイサ１０の底部近傍に固定部２４を設けた場合は，ディスプレイサ１０は温度変化により固定部２４を基点として上方へ伸縮（膨張・収縮）することになる（図中に破線で示す膨張面１０ｅ参照）。すなわち，ディスプレイサ１０の浸漬部分の長さｈは温度変化によりほとんど変化せず（膨張面１０ｅの長さｈ´≒膨張前の長さｈ），実質上ゼロとみなすことができる。従って，浸漬部分の体積変化ΔＤｈを実質的に断面積変化ΔＤのみに限定することができ（図１０（Ｃ）参照）ディスプレイサ１０の受ける浮力ρｇＤｈに与える温度変化の影響を小さく抑えることができる。
【００３５】
具体的に，例えば樹脂製のディスプレイサ１０の温度変化による線膨張係数αを１×１０−４［／Ｋ］とし，支持部材２０及び固定部２４が温度変化に影響されないとしてディスプレイサ１０の浸漬部分の体積変化ΔＤｈを計算すると，図２（Ｂ）のようにディスプレイサ１０の頂部近傍を支持した場合の浸漬部分の体積変化ΔＤｈは三次元的な変化であるから，（１１）式に示すように０．０３［％／Ｋ］程度となる。これに対して，図２（Ａ）のようにディスプレイサ１０の底部近傍を支持した場合の体積変化ΔＤｈは，実質的に断面積変化ΔＤのみであり，（１２）式に示すように０．０２［％／Ｋ］程度と小さくすることができる。ディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈを小さく抑えることにより，温度変化による液位の誤差を小さく抑えることができる。
【００３６】
頂部支持のディスプレイサの浸漬部分の体積変化ΔＤｈ［％／Ｋ］
＝｛（１＋α）３−１）｝×１００＝０．０３………………………（１１）
底部支持のディスプレイサの浸漬部分の体積変化ΔＤｈ［％／Ｋ］
＝｛（１＋α）２−１）｝×１００＝０．０２………………………（１２）
【００３７】
更に，図２（Ａ）のようにディスプレイサ１０の底部近傍を支持した場合は，浮力ρｇＤｈに与える温度変化の影響を小さく抑えると共に，温度変化によるディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈと液体の密度変化Δρとを相殺することも期待できる。すなわち，液体の密度ρも温度により変化するが，ディスプレイサ１０の材質又は底部近傍における固定位置（伸縮の起点位置）を液体の密度変化Δρとディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとが相殺されるように設定することにより，（１）式の浮力ρｇＤｈに与える温度変化の影響を無視できる程度に小さく抑え，１０μｍ程度の液位の計測精度を確保することができる。
【００３８】
具体的に検討すると，計測対象の液体を純水とした場合，１０〜３０℃の温度範囲における密度変化Δρは−０．０２［％／Ｋ］程度となる。他方，上述したように樹脂製のディスプレイサ１０の温度変化による線膨張係数αを１×１０−４［／Ｋ］とした場合，ディスプレイサ１０の底部近傍を支持した場合の体積変化ΔＤｈは＋０．０２［％／Ｋ］となる（（１２）式参照）。従って，ディスプレイサ１０の材質として，例えば線膨張係数αが１×１０−４［／Ｋ］程度の樹脂を選択することにより，温度変化による液体の密度変化Δρとディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとを相殺することができ，（１）式において密度変化Δρと体積変化ΔＤｈとの積ΔρＤｈを実質的に１とすることができる。
【００３９】
また，ディスプレイサ１０の材質に代えて又は加えて，ディスプレイサ１０の底部近傍における固定位置を調整することにより，液体の密度変化Δρとディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとを相殺することも可能である。ディスプレイサ１０の底部近傍における固定位置（伸縮の起点位置）の設定は，例えば図１（Ｃ）及び（Ｄ）における一対の螺合部（１３＋２５）における嵌め合わせの程度により，又は図１（Ｅ）及び（Ｆ）における段差係合部（１４＋２６）における段差の位置により微調整することができる。
【００４０】
なお，ディスプレイサ１０の材質を例えば金属製とした場合も，ディスプレイサ１０の底部近傍の固定位置を調整することにより，液体の密度変化Δρとディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとを相殺することが期待できる。ただし，相殺することが難しい場合は，本発明の液位計１に液体温度を計測する温度センサを含め，その計測温度に基づいて浮力ρｇＤｈの算出時に液体の密度補正を行うことも有効である。
【００４１】
［実験例１］
ディスプレイサ１０の底部近傍を支持することで，ディスプレイサ１０に加わる浮力ρｇＤｈに与える温度変化の影響を小さく抑えることができることを確認するため，図５に示すようなディスプレイスメント式水位計を試作して水位ＷＬを計測する実験を行った。図示例の水位計は，図１（Ａ）と同様に，硬質塩化ビニル製のディスプレイサ１０と，そのディスプレイサ１０を吊下げる金属製で棒状の支持部材２０と，その支持部材２０の上端を係止するロードセル４１付き検出器４０とを組み合わせたものである。
【００４２】
図示例のディスプレイサ１０は，図１（Ａ）と同様に外径１５０ｍｍ程度の中実の柱状体であるが，柱状体の高さ（長さ）Ｈを１０ｍｍ程度とし，計測範囲を１０ｍｍ程度以下に抑えることにより１０μｍ（≒ｌ０ｍｍ×０．００１）程度の計測精度を確保できるようにした。また，図１（Ｃ）と同様にディスプレイサ１０には鉛直方向中心軸に沿って嵌入孔１１が設け，棒状の支持部材２０の下端を嵌入孔１１の内側に挿入してディスプレイサ１０の底部近傍に固定した。底部近傍の固定位置は，温度による水の密度変化Δρとディスプレイサ１０の体積変化ΔＤｈとが相殺されるように設定した。
【００４３】
図示例の液位計は，計測対象の水（純水）を蓄える中空ケーシング５０の内部に配置し，ディスプレイサ１０の底部を水面に沈ませた。ケーシング５０は，底部５１と周壁部５２と蓋部５３とを組み合わせたものであり，その内周面の水面上方にドーナツ状の吊下げ板（仕切り板）５４を設置した。また，ケーシング５０の底部５１及び周壁部５２に液体プラグ取り付け孔５５，５６を設け，ケーシング５０内の水位を適宜調整可能とした。
【００４４】
図５に示すように，ロードセル４１付き検出器４０をケーシング５０の頂面に載置し，蓋部５３に設けたケーブル孔５３ａを介してロードセル４１のみをケーシング５０の吊下げ板５４の上方に吊下げた。また，ディスプレイサ１０をケーシング５０の吊下げ板５４の下方に設置し，支持部材２０の上端に環状の係止部４８を取り付け，吊下げ板５４のドーナツ状の穴を介して支持部材２０の係止部４８を吊下げ板５４の上方のロードセル４１に係止した。そのうえで，液体プラグ取り付け孔５５，５６からケーシング５０内に所定水位ＷＬ（導入水位）の水を導入し，ディスプレイサ１０に加わる浮力の大きさをロードセル４１で検出し，検出された浮力の大きさから（１）式に基づきケーシング５０内の水位ＷＬ（計測水位）を検出した。
【００４５】
まず，計測対象の水の温度を一定（例えば約２０℃）とし，ケーシング５０内に導入する水位を０．８ｍｍ〜６.２ｍｍの範囲で切り替えながら，導入水位と（１）式に基づく計測水位とを比較した。実験結果を図６のグラフに示す。図６の実験結果は，ロードセル４１で検出した浮力の大きさに基づき計測した水位（計測水位）が，予めケーシング５０内に導入した水位（導入水位）とほぼ一致することを示している。導入水位が２.６ｍｍ程度のときに，一時的に計測水位の偏差（計測誤差）が０．０２ｍｍ（２０μｍ）となったが，その他は水位０．８ｍｍ〜６.２ｍｍの範囲において偏差（計測誤差）が１０μｍ以下であることを確認することができた。
【００４６】
また，計測対象の水の温度を１０℃〜３０℃の範囲内で切り替えながら，上述した２０℃の場合と同様に，ケーシング５０内の０．８ｍｍ〜６.２ｍｍの導入水位と（１）式に基づく計測水位とを比較する実験を繰り返したところ，図６のグラフとほぼ同様の実験結果が得られた。この実験結果から，支持部材２０の一端をディスプレイサ１０の底部近傍に固定することにより，ディスプレイサ１０の加わる浮力に与える温度変化の影響を小さく抑えることができ，温度変化に拘わらず１０μｍ程度の高い精度で水位を計測できることを確認することができた。
【００４７】
こうして本発明の目的である「１０μｍ程度の精度で液位を計測することができるディスプレイスメント式液位計」の提供を達成することができる。
【００４８】
なお，上述した実施例では，ディスプレイサ１０の受ける浮力に対する温度変化の影響を小さく抑えることでディスプレイスメント式液位計の高い計測精度（１０μｍ程度の計測精度）を確保しているが，高い精度での液位計測を継続するためには，温度変化の影響と共に，浮力の計測誤差を生じさせる他の要因を防ぐことも有効である。例えば，ディスプレイサ１０を横方向荷重から保護し，横方向荷重に起因する浮力の計測誤差を避けることができる。また，計測対象の液体の表面張力によるヒステリシスを小さくするようなディスプレイサ１０の材質や表面処理を選択することにより，液面のヒステリシスによる浮力の計測誤差を避けることも有効である。
【実施例１】
【００４９】
図３（Ａ）は，何らかの要因でディスプレイサ１０に横方向荷重が加わる場合の浮力の計測誤差を避けるため，ディスプレイサ１０を自重により液面ＷＬと平行な方向へ振り子状に揺動させる揺動部材３０を支持部材２０に含めた本発明のディスプレイスメント式液位計１の実施例を示す。このような揺動部材３０を支持部材２０に含めることにより，ディスプレイサ１０が鉛直方向に対して傾いた場合に，ディスプレイサ１０を自重によって自動的に鉛直方向へ補正することができ，ディスプレイサ１０の傾き，すなわち横方向荷重による浮力の検出誤差を避けることができる。
【００５０】
揺動部材３０を含む支持部材２０は，液面ＷＬと平行な方向（水平面方向）に自由度を有するが，液面ＷＬと交差する方向（鉛直方向・重力方向）には変動しないことが重要であり，検出器４０に取り付ける一端とディスプレイサ１０の底部近傍に固定する他端との間の鉛直方向の長さは常に一定であることが必要である。図３（Ｄ）を参照して上述したように，例えば鎖状の支持部材２０ｂも水平面方向の自由度を有しているが，鎖状支持部材２０ｂは鉛直方向の長さは変動しうるので，その長さの変動が浮力の新たな誤差の原因となりうる。水平面方向の自由度を有しつつ，鉛直方向の長さを変動させないことにより，浮力の高い計測精度を確保することができる。
【００５１】
揺動部材３０及び支持部材２０は，水平面方向の自由度を有しつつ，鉛直方向の長さを変動させないものであれば，例えば柔軟なワイヤロープ状の部材とすることもできる。ただし，ワイヤロープ状の揺動部材３０及び支持部材２０は線状になるため，ねじりに対する耐性が極めて小さい弱点がある。望ましくは，図３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように，揺動部材３０に液面ＷＬと法線方向が平行な板バネ部材３１を含め，水平面方向の自由度を板バネ部材３１で付与することにより，揺動部材３０にねじり剛性を確保することが望ましい。板バネ部材３１は，長さが変化しないように，温度変化による伸縮（熱膨張係数）が小さい材質であることが望ましく，例えば金属製又はカーボンファイバー製とすることができる。板バネ部材３１で水平面方向の自由度が付与された金属製又はカーボンファイバー樹脂製の揺動部材３０を，金属製又はカーボンファイバー樹脂製の支持部材２０の一端（上端又は下端）に接続することにより，液面ＷＬと平行な方向（水平面方向）に自由度を有しつつねじり剛性が高く，しかも鉛直方向の長さが変動しない支持部材２０とすることができる。
【００５２】
図３（Ｂ）の揺動部材３０ａは，３段の保持部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃを鉛直方向に並べ，上段・中段の保持部材３２ａ，３２ｂの間に法線方向が液面ＷＬと平行なＹ方向の板バネ部材３１を保持し，中段・下段の保持部材３２ｂ，３２ｃの間に法線方向が液面ＷＬと平行なＸ方向の板バネ部材３１を保持したものである。法線方向が異なる一対の板バネ部材３１を鉛直方向に並べて保持し，水平面上の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に自由度を持たせることで，ディスプレイサ１０の重力方向の様々な方向の傾きを自動的に鉛直方向に補正することができる。また，揺動部材３０に水平面２方向の自由度を持たせることにより，支持部材２０及び検出器４０に加わるモーメント負荷を低減することが期待できるので，様々な振動等に対しても安定的に液位の自動計測を継続することができる。
【００５３】
図３（Ｂ）に示す下段の保持部材３２ｃには，例えば棒状又はブランコ状の支持部材２０の上端を螺合させて固定することができる。また，上段の保持部材３２ａには螺合部（雌ネジ部）付き取り付け孔３９が設けられており，例えば検出器４０の螺合部（雄ネジ部）付き取り付け部４９を挿入して螺合させることにより，検出器４０を固定することができる。４段以上の保持部材３２を用いることにより，水平面上の３方向以上の自由度を有する揺動部材３０とすることも可能である。
【００５４】
図３（Ｂ）の揺動部材３０ａの水平面方向の柔軟性は，板ばね部材３１の厚さ，幅，又は保持部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃの相互間隔を変えることにより調整できる。更に，図３（Ｃ）に示すように板ばね部材３１の一部に切り欠き又は孔（ネジ孔）を設け，或いは図３（Ｄ）に示すように板ばね部材３１の幅を広げることにより，板ばね部材３１のばね定数を調整して保持部材３２ｃの柔軟性を調整することもでき，必要に応じてねじり剛性を調整することも可能である。図３（Ｃ）及び（Ｄ）において，符号３３は板ばね部材３１を保持部材３２に取り付けるためのネジを示し，符号３４及び３５はネジを固定するための固定板及び固定カラーを示す。
【００５５】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は，板バネ部材３１に代えて液面ＷＬと法線方向が平行な板壁３６を用い，板バネ部材３１を用いた場合と同様のねじり剛性を確保した揺動部材３０ｄ，３０ｅの実施例を示す。図４（Ａ）の揺動部材３０ｄは，金属製四角柱の中心軸を鉛直方向に設置し，液面ＷＬと平行なＸ方向と交差する一対の対向面にそれぞれＹ方向の細長い嵌入溝３７ａ，３７ｂを反対向きに穿ち，その嵌入溝３７ａ，３７ｂの内側に鉛直方向（Ｚ方向）に広げた溝拡大部３８ａ，３８ｂを切削し，その反対向きの溝拡大部３８ａ，３８ｂの間に法線方向がＸ方向の板壁３６を削り出したものである。
【００５６】
また，図４（Ａ）の揺動部材３０ｄには，金属製四角柱のＹ方向と交差する一対の対向面にもそれぞれＸ方向の細長い嵌入溝３７ａ，３７ｂを反対向きに穿ち，その嵌入溝３７ａ，３７ｂの内側に鉛直方向（Ｚ方向）に広げた溝拡大部３８ａ，３８ｂを切削することによりし，その反対向きの溝拡大部３８ａ，３８ｂの間に法線方向がＹ方向の板壁３６が削り出されている。このように法線方向がＸ方向及びＹ方向の一対の板壁３６を揺動部材３０ｄに形成することにより，図３（Ｂ）の場合と同様に，水平面上の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に自由度を持たせ，ディスプレイサ１０の重力方向のあらゆる方向の傾きを自動的に鉛直方向に補正することができる。
【００５７】
図４（Ａ）の揺動部材３０ｄにおいて，水平面方向の柔軟性は，板壁３６の厚さ，幅，又は板壁３６の大きさを変えることにより調整できる。更に，図４（Ｂ）の揺動部材３０ｅに示すように，液面ＷＬと法線方向が平行な板壁３６を複数段に構築することで，柔軟性を調整することも可能となる。複数段の板壁３６を形成することにより，水平面上の３方向以上の自由度を有する揺動部材３０とすることも可能である。
【００５８】
また，図４（Ａ）及び（Ｂ）の揺動部材３０ｄ，３０ｅのように，金属製四角柱の対向面に細長い嵌入溝３７ａ，３７ｂを反対向きに穿ち，その嵌入溝３７ａ，３７ｂの内側に鉛直方向（Ｚ方向）に広げた溝拡大部３８ａ，３８ｂを切削して板壁３６を削り出すことにより，その溝拡大部３８ａ，３８ｂ以外の嵌入溝３７ａ，３７ｂを，板壁３６の振り子状振動を弾性限界範囲に抑えるストッパーとして機能させることができる。
【００５９】
すなわち，図３（Ｂ）の揺動部材３０ａのように，板バネ部材３１を用いて水平面方向の柔軟性を持たせた場合は，板バネ部材３１が弾性限界を超える変形をおこして初期の状態に復旧しないおそれがある。図４（Ａ）及び（Ｂ）のように，揺動部材３０に板バネ３１又は板壁３６の振り子状振動を弾性限界範囲に抑えるストッパー３７を含めることにより，揺動部材３０を常に初期状態に復旧することが可能となり，横方向荷重による浮力の検出誤差を長期間安定的に防止できるディスプレイスメント式液位計とすることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１…ディスプレレイメント式液位計
１０…ディスプレイサ                    １０ａ…頂面
１０ｂ…頂面                            １０ｃ…側面
１０ｅ…膨張面
１１…嵌入孔                            １２…嵌入孔
１３…螺合部（雌ネジ部）                １４…孔拡大部
１６…ナット                            １７…コイルスプリング
２０…支持部材                          ２０ｂ…鎖状支持部材
２０ｃ…ブランコ型支持部材
２４…ディスプレイサ固定部              ２５…螺合部（雄ネジ部）
２６…拡径部                            ２７…ナット
２８…カウンターウェイト
３０…揺動部材
３１…板バネ部材                        ３２…保持部材
３３…ネジ                              ３４…固定板
３５…固定カラー                        ３６…板壁部材
３７…嵌入溝（ストッパー部）            ３８…嵌入溝（拡大部）
３９…取り付け孔
４０…検出器
４１…ロードセル                        ４１ｂ…ケーブル
４２…フィルタ                          ４３…増幅器
４４…変換回路                          ４５…算出手段
４６…出力手段                          ４７…記憶手段
４８…係止部                            ４９…取り付け部
５０…ケーシング                        ５１…ケーシング底部
５２…ケーシング周壁部                  ５３…ケーシング蓋部
５３ａ…ケーブル孔                      ５４…吊下げ板
５４ｂ…始点（ケーシング貫通部）
５５…液体プラグ取り付け孔              ５６…液体プラグ取り付け孔
６０…ディスプレレイメント式液位計      ６１…ディスプレイサ（浮子）
６３ａ…検出器（ロードセル）            ６３ｂ…検出器（トルクチューブ）
７０…水平変位測定器（水管傾斜計）      ７１…水位計（規準用）
７１ａ…基準用測定容器                  ７２ａ…移動用測定容器
７３…コック
７４…チューブ                          ７５…測定水
７６…レーザ反射浮板                    ７７…レーザ変位センサ
７７ａ…ガラス窓
７８…リード線                          ７９…レーザコントローラ
Ａ…基準点                              Ｂ…測定点
Ｗ…液体                                ＷＬ…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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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