(57)【要約】【課題】主に極低温容器に貯えられた低温液化ガスなどの液体を対象に、安価で精度の良い液面計を提供する。【解決手段】光源と、この光源からの測定光を導波する第１光ファイババンドル１と、受光素子と、この受光素子に反射光を導波する第２光ファイババンドル２と、先端部分が斜めに切断されて反射面とされ、測定光をこの反射面に導波し、反射面からの反射光を導波するとともに反射面が液体に接触するようにされた１本以上のセンサーファイババンドル１３と、第１光ファイババンドルからの測定光をセンサーファイババンドルに光結合し、センサーファイババンドルからの反射光を第２光ファイババンドルに光結合するインターフェイス部１０と、受光素子で受光された反射光に基づく電気信号を処理して液体の液面位を判定する演算処理部を備えた液面計である。【選択図】図１
2008298510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、この光源からの測定光を導波する第１光ファイババンドルと、
受光素子と、この受光素子に反射光を導波する第２光ファイババンドルと、
先端部分が斜めに切断されて反射面とされ、測定光をこの反射面に導波し、反射面からの反射光を導波するとともに反射面が液体に接触するようにされた１本以上のセンサーファイババンドルと、
第１光ファイババンドルからの測定光をセンサーファイババンドルに光結合し、センサーファイババンドルからの反射光を第２光ファイババンドルに光結合するインターフェイス部と、
前記受光素子で受光された反射光に基づく電気信号を処理して液体の液面位を判定する演算処理部を備えたことを特徴とする液面計。
【請求項２】
前記センサーファイババンドルとして、その長さを変えたものが２本以上備えられていることを特徴とする請求項１記載の液面計。
【請求項３】
光源からの測定光を第１光ファイババンドルおよびインターフェイス部を介して、先端部分が斜めに切断されて反射面とされ、この反射面が液体に接触するようにされた１本以上のセンサーファイババンドルに導き、これの反射面で反射された反射光をセンサーファイババンドルおよびインターフェイス部を介して第２光ファイババンドルに導き、さらに受光素子に送り、受光素子からの電気出力に基づいて液体の液面位を判定することを特徴とする液面判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバを利用して液体の液面位置を測定する液面計に関し、特に液化窒素、液化酸素、液化炭酸ガス、液化アルゴン、液化水素などの低温液化ガスの液面位を好適な測定対象とするものである。
【背景技術】
【０００２】
低温液化ガスは、通常低温断熱容器に納められている。低温断熱容器は、金属製の真空二重構造であり、外部から低温液化ガスの液面位置を確認することはできない。そのためフロート（浮子）を用い、フロートの一部を容器外に配置し、フロートの上下動で液面を確認する液面計が従来から用いられている。この液面計は、構造がフロートとバネとを用いた簡単な構造の液面計である。
【０００３】
しかしながら、この液面計では、フロートの接触抵抗やバネの経年劣化等により正しい液面を表示しないことが多々あり、実際の現場では液面計の表示が正しいかどうか、重量や断熱容器内部を目視確認しているのが実態である。このように、フロート式の液面計では、精度、応答性に問題があった。
【０００４】
液体の液面を検知する別の方法として、検知素子にダイオードもしくは抵抗器を用いた液面計が市販されている。この液面計は、検知素子に通電する必要があるので電源を準備する必要があり、検知素子に電流が流れるため支燃性ガスには用いることができない。
また、別の方法として、特開平８−１８４４８４号公報には、「液面測定装置および光液面計付き液体容器」が開示されている。この先行発明には、光透過性を有する棒状部材と、その棒状部材に光を導入する光源部と、当該棒状部材から導出される光量を測定する受光部と、導入光と導出光の強度差に基づいて液体容器の液面高さを算出する演算手段とを備えている装置が開示されている。
【０００５】
しかしながら、この先行発明にあっては、光検知部に一本の光ケーブルを用いているので、振動や衝撃で折れたり、亀裂がはいった場合には液面検知ができなくなる。また、液面を検知するために、液面から反射した光の到達時間を計測するので、高性能な演算部が必要となりコストアップとなる。
さらに、電気信号と照射光の変調のための電気信号との位相差を求めて光路距離に換算し、この換算した光路距離から液面レベルを割り出し、残量を連続的に測定するので、照射光の変調する機構も必要となり、コストアップとなる。液体の残量を測定することが主であるため、光ファイバが液中の場合には液面検知ができないといった問題がある。
【０００６】
この他、光導波路を用いた液面計として、特開平６−１６７３７６号公報に液面計測デバイスが開示されている。
【特許文献１】特開平８−１８４４８４号公報
【特許文献２】特開平６−１６７３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明における課題は、主に極低温容器に貯えられた低温液化ガスなどの液体を対象に、安価で精度の良い液面計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、光源と、この光源からの測定光を導波する第１光ファイババンドルと、
受光素子と、この受光素子に反射光を導波する第２光ファイババンドルと、
先端部分が斜めに切断されて反射面とされ、測定光をこの反射面に導波し、反射面からの反射光を導波するとともに反射面が液体に接触するようにされた１本以上のセンサーファイババンドルと、
第１光ファイババンドルからの測定光をセンサーファイババンドルに光結合し、センサーファイババンドルからの反射光を第２光ファイババンドルに光結合するインターフェイス部と、
前記受光素子で受光された反射光に基づく電気信号を処理して液体の液面位を判定する演算処理部を備えたことを特徴とする液面計である。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、前記センサーファイババンドルとして、その長さを変えたものが２本以上備えられていることを特徴とする請求項１記載の液面計である。
【００１０】
請求項３にかかる発明は、光源からの測定光を第１光ファイババンドルおよびインターフェイス部を介して、先端部分が斜めに切断されて反射面とされ、この反射面が液体に接触するようにされた１本以上のセンサーファイババンドルに導き、これの反射面で反射された反射光をセンサーファイババンドルおよびインターフェイス部を介して第２光ファイババンドルに導き、さらに受光素子に送り、受光素子からの電気出力に基づいて液体の液面位を判定することを特徴とする液面判定方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低コストで高精度な液面計を実現することができる。すなわち、柔軟性を有する光ファイババンドルを用いることにより、振動や衝撃で壊れることが無い。光ファイババンドルの熱容量が小さく、これを液体窒素などの低温液化ガスに浸すだけであるから、低温液化ガスの無駄な消費はない。
また、第１光ファイババンドルおよび第２光ファイババンドルとセンサーファイババンドルとを分離させた構造であるから、仮に一方が破損した場合でも、破損した部分のみを交換すれば良い。
【００１２】
さらに、容器内部には光しか照射されないため、発熱が無く、安全で確実に計測することができる。
また、光ファイバの材質を変えることにより、常温から極低温までの多種類の液体の液面計測が多段で検出可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の液面計の本体の一例を示すものである。図１において、符号１は第１光ファイババンドルを、符号２は第２光ファイババンドルを示す。
第１光ファイババンドル１は、図示略の発光ダイオードやレーザーダイオードなどの光源からの測定光を導波して、後述のインターフェイス部を介してセンサーファイババンドルに送るものである。
【００１４】
この第１光ファイババンドル１は、例えば径５０μｍの石英系光ファイバを５００本用いたもので、その測定光の入射端部３は、５００本の光ファイバを束ねたバンドルとなっており、合成樹脂からなる保護被覆で保護されている。
第２光ファイババンドル２は、センサーファイババンドルからの反射光をインターフェイス部を介して導波して図示略のホトダイオードやアバランシェホトダイオードなどの受光素子に送るものである。
【００１５】
この第２光ファイババンドル２は、例えば径５０μｍの石英系光ファイバを５００本用いたもので、その反射光の出射端部４は、５００本の光ファイバを束ねたバンドルとなっており、合成樹脂からなる保護被覆で保護されている。
第１および第２光ファイババンドル１、２のそれぞれの入射端部３および出射端部４以外の部分は、それぞれを構成する光ファイバ群が１本のバンドルに纏めて束ねられて共通バンドルとされ、金属製フレキシブルパイプからなる保護管５内に納められている。
この保護管５の端部は、合成樹脂などからなるスリーブ６ａ内に納められている。
【００１６】
共通バンドルでは、第１光ファイババンドル１をなす光ファイバと第２光ファイババンドル２をなす光ファイバとをランダムに束ねてバンドルとしてもよく、また図２に示すように、両者の光ファイバを規則正しく配置して束ねてバンドルとしてよい。図２において、符号７は共通バンドルを示し、８、８・・は第１光ファイババンドル１を構成する光ファイバを、９、９・・は第２光ファイババンドル２を構成する光ファイバを示す。
【００１７】
インターフェイス部１０は、第１光ファイババンドル１からの測定光をセンサーファイババンドルに光結合すると同時にセンサーファイババンドルからの反射光を第２光ファイババンドル２に光結合するものである。このインターフェイス部１０は、概略円筒状の筒部１１から構成され、この筒部１１の長さ方向の中間部分には透明な仕切り板１２が筒部１１をその長手方向に二分するように設けられている。
前記筒部１１の一方の内部には、前記共通バンドルの端部のスリーブ６ａが嵌め込まれ、共通バンドルの端部が仕切り板１２に対向するようになっている。
【００１８】
図１中符号１３は、センサーファイババンドルを示す。このセンサーファイババンドル１３は、例えば径３００μｍの石英系光ファイバを７本束ねて一体化したもので、その先端部分は図３に示すように、金属パイプ１４で保護されているととも先端面が斜めに切断され、研磨されて反射面１５とされている。
また、センサーファイババンドル１３の基端部分は、合成樹脂などからなるスリーブ６ｂ内に納められ、このスリーブ６ｂは、前記インターフェイス部１０をなす筒部１１の他方の内部に嵌め込まれ、センサーファイババンドル１３の端部が仕切り板１２に対向するようになっている。
【００１９】
センサーファイババンドル１３には、第１光ファイババンドル１からの測定光がインターフェイス部１０を介して光結合されて導波され、その反射面１５に至るようになっている。測定光は、反射面１５で反射されて反射光として再びセンサーファイババンドル１３内を導波され、インターフェイス部１０を経て第２光ファイババンドル２に伝送されて図示しない受光素子に入射されるようになっている。
【００２０】
そして、センサーファイババンドル１３の反射面１５が液体に接すると、反射面１５に接する媒質の屈折率が変化するので、反射面１５での反射光量が変化（減少）し、この光量変化を受光素子が検知して、センサーファイババンドル１３の先端部分が液面に接したことを知ることができる。
すなわち、反射面１５が液体中に浸かっているときには、測定光は反射面１５では反射せず、屈折して液体中へと進む。一方、反射面１５が液体中に浸からず気相中にあるときには、光はこの反射面１５で反射し、測定光は液体中へ進むことなく、反射面１５で反射して反射光として、センサーファイババンドル１３、インターフェース部１０を経て第２光ファイババンドル２へと伝送する。
【００２１】
このため、図１に示すように、センサーファイババンドル１３として、その長さの異なるものを複数本設けることで液面の変化を知ることができ、液面計としての機能を発揮することなる。
すなわち、液体の液面が高い（液量が多い）場合には多くのセンサーファイババンドル１３が液体に浸かっており、逆に液面が低い（液量が少ない）場合には、浸かっているセンサーファイババンドル１３の数は少なくなる。液体の液面の高さにより、各センサーファイババンドル１３、１３・・での反射もしくは屈折が起き、液面位置により反射光の量が異なる。この光量を検知することにより、液量を表示することができる。
【００２２】
前記センサーファイババンドル１３の反射面１５の角度θは、下記（１）式によって決められ、反射面１５が接する液体（媒質）によって最適な角度が異なる。
【００２３】
【数１】
2008298510.tif 000003
【００２４】
表１には、各種液体（媒質）についての好適な角度が示してある。この表１から角度θを４２度にすればほぼすべての低温液化ガスに適用でき、便宜上好ましい。
【００２５】
【表１】
2008298510.tif 000004
【００２６】
図４は、図１に示した液面計本体を用いた液面計の全体構成例を示すものである。
液面計本体１６のインターフェイス部１０を断熱容器１７の上部壁を貫通するように取り付け、複数本のセンサーファイババンドル１３、１３・・を断熱容器１７内に垂らし、液化ガスなどの液体に一部のセンサーファイババンドル１３が浸されるようにする。
【００２７】
第１光ファイババンドル１の入射端部３および第２光ファイババンドル２の出射端部４を受発光部１８に光学的に接続する。受発光部１８には、発光ダイオードやレーザーダイオードなどの光源およびホトダイオードやアバランシェホトダイオードなどの受光素子が設けられており、光源からの波長６４０ｎｍの測定光が第１光ファイババンドル１に入射され、第２光ファイババンドル２からの反射光が受光素子に送られ、ここで電気信号に変換される。
この電気信号は、演算処理部１９に送られ、ここで信号中のノイズを除去し、移動平均化処理を行って、反射光に比例した出力信号とする。
【００２８】
液化窒素などの低温液化ガスは、極低温の液体であるため、蒸発等により液面は揺れなどが生じているため、それらが要因となり反射光量にはノイズがのる。また、センサーファイババンドル１３から屈折し、液体中に出た光が断熱容器内にて反射し、センサーファイババンドル１３の反射面１５に再入射した場合にはノイズとなる。そのため、ノイズカットのため移動平均操作を行ってノイズ平滑化を行う必要がある。
【００２９】
このような演算処理を各センサーファイババンドル１３からの反射光について行うことで、いずれのセンサーファイババンドル１３の反射面１５が液体に浸されているかを知ることができ、この情報を表示部２０に送って液面位の表示をすることができる。
【００３０】
また、この構成例では、演算処理部１９で得られた液面情報をＲＦＩＤ部２１に送るようになっている。このＲＦＩＤ部２１は、前記液面情報と、断熱容器１７が設置されている室内の温度を計測する温度計２２からの室温情報と、断熱容器１７の容器自体の温度を計測する温度計２３からの容器温度情報とを記憶するメモリとこのメモリからのこれら情報を受けてこれを無線で発信する送信部を備えたものである。
このＲＦＩＤ部２１を設けることにより、液面集中管理が可能になる。
【００３１】
図５は、前記液面集中管理の例を示すものである。室内には、複数の断熱容器１７、１７・・が設置されており、これら断熱容器１７にはそれぞれ液面計が取り付けられている。液面計には、前記ＲＦＩＤ部２１が取り付けられており、個々の断熱容器１７についての液面情報、室温情報、容器温度情報が無線で送信されるようになっている。
【００３２】
室内の天井には、アンテナ２４、２４が設置され、各ＲＦＩＤ部２１から送信される電波を受信してその信号をレシーバ２５で受信し、その信号をネットワーク経由でパソコン２６に取り込んで常時監視を行う。
細胞などの生体試料を断熱容器１７内に凍結保存するようなシステムでは、液体窒素を常に一定量貯蔵しておく必要がある。また断熱容器１７の異常があれば、液体窒素の消費量が急激に増加するため、早急に感知して、所定の断熱性能を有した断熱容器を使用する必要がある。
【００３３】
液面を表示する部分の機能としては、表示スイッチを押した時に液面計測を行う。液面計測の間隔は１秒以上の任意に設定可能とする。表示は例えば５秒とする。液面表示は発光ダイオードを用いた表示部により行い、Ｈｉｇｈ、７５％、５０％、２５％、Ｌｏｗの５段階としてＬｏｗの場合にはブザー等でアラーム音を数秒間鳴動する。
また、液量がＬｏｗ以上である場合には、同時に温度計２２により室温を計測し、断熱容器１７の表面温度を温度計２３により測定し、その断熱容器１７の表面温度が室温よりも設定値（例えば５℃）よりも低い場合には断熱容器１７の断熱性能が劣化していると判断し、アラーム音を出すことにより、容器管理をすることができる。
【００３４】
なお、第１光ファイババンドル１、第２光ファイババンドル２およびセンサーファイババンドル１３を構成する光ファイバとしては、特に限定されるものではなく、石英を主成分とした石英系ファイバ、多成分系ガラス光ファイバ、プラスチック光ファイバ等を使用することができる。また、その太さも限定されず、バンドルを構成する光ファイバの本数も限定されない。
【００３５】
光ファイバの本数が多くなれば光を伝送する面積が広くなり好ましい。そのため、要求される液面計の精度、断熱容器１７に対する取り付け位置、構造などから光ファイバの太さ、本数を適宜選択、決定すれば良い。さらに第１光ファイババンドル１と第２光ファイババンドル２の光ファイバの本数は必ずしも同数とする必要もない。
【００３６】
以下、具体例を示す。
コアに石英を、クラッドにコアよりも屈折率が低い石英を用い、ポリイミドとアクリレートで被覆した光ファイバを使用し、反射面１５の角度θを４２度としたセンサーファイババンドル１３を１０本用意し、液化窒素を用い、光源に発光ダイオードを用いて作動を確認した。
【００３７】
図６に示すように、横軸に液体窒素に浸かっているセンサーファイババンドル１３の本数をとり、縦軸にそれぞれのセンサーファイババンドル１３からの反射光量を電圧に変化した値をとると、液面レベルと反射光量との関係を明確に示すことができ、液体窒素に浸かっているセンサーファイババンドル１３の本数に対し、ほぼ比例して電圧が変化していることが判る。
【００３８】
液面計として用いるためには、例えば浸かっている本数が１０、９本の場合には液面高さ表示とし「ＨＩＧＨ」を、８、７、６本の場合には「７５％」、５、４本の場合には「５０％」、３、２、１本の場合には「２５％」、０本の場合には「ＬＯＷ」と示すことにより液面計とすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の液面計の本体の一例を示す概略構成図である。
【図２】共通バンドル内での光ファイバの配列状態を示す概略断面図である。
【図３】本発明でのセンサーファイババンドルの反射面近傍を示す概略断面図である。
【図４】本発明の液面計の一例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の液面計を利用した液面集中管理状況を示す図面である。
【図６】本発明での具体例の結果を示す図表である。
【符号の説明】
【００４０】
１・・第１光ファイババンドル、２・・第２光ファイババンドル、１０・・インターフェイス部、１３・・センサーファイババンドル、１９・・演算処理部
【図１】
2008298510.tif 000005
【図２】
2008298510.tif 000006
【図３】
2008298510.tif 000007
【図４】
2008298510.tif 000008
【図５】
2008298510.tif 000009
【図６】
2008298510.tif 000010