(57)【要約】      （修正有）【課題】単純で信頼性のある液面測定装置を提供する。【解決手段】光コンジット１３０が液体１０１を保持する容器１００内に配置される。光コンジット１３０は光源１１０と光センサ１２０との間の光線経路に沿って、光線の少なくとも一部が光コンジット１３０を通過するように、且つ容器１００が液体１０１を保持している場合に、光線の少なくとも他の一部が液体１０１を通過するように配置される。センサ１２０は、液体１０１の液面１０５が光コンジット１３０を通過する光線の一部と一致する場合には光線を検知し、当該液面１０５での内部反射によって液体１０１を通過する光線の他の一部と一致する場合には光線を検知しない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の液面を測定する装置であって、
光線を放射するように構成される光源と、
前記光線を検知するように構成される光センサと、
液体を保持する容器内に配置される光コンジットと
を備え、前記光コンジットは、前記光源と前記光センサとの間に前記光線の経路に沿って、該光線の少なくとも一部が該光コンジットを通過するように、且つ前記容器が前記液体を保持している場合に、該光線の少なくとも他の一部が該液体を通過するように配置される、容器内の液面測定装置。
【請求項２】
前記光線の前記他の一部は、液面に対して、該光線が該液面で内部反射される角度にある、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項３】
前記角度は内部反射の臨界角よりも大きい、請求項２に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項４】
前記光コンジットは円筒形の透明アクリル棒である、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項５】
前記光コンジット、前記光源、及び前記光センサの直径はほぼ同じである、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項６】
前記光源は発光ダイオードであり、前記光センサはフォトトランジスタである、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項７】
前記光コンジットは直線形である、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項８】
前記光コンジットは部分的に湾曲している、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項９】
複数の光コンジットが、該複数の光コンジットの間に複数の間隙が存在するように前記光線の前記経路内に配置される、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１０】
前記光コンジットの長さと、前記間隙の長さとは異なる、請求項９に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１１】
前記光源、前記光センサ、及び前記光線の前記経路内の１つ又は複数の光コンジットは光導管を形成し、前記装置は、前記容器内に互いに平行に積み重ねられる複数の光導管を含む、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１２】
前記複数の光導管の光コンジットの数及び該光コンジットの長さは、液面をグレイコードとして符号化する、請求項１１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１３】
前記光センサは７セグメント数値表示装置の要素の形態である、請求項１１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１４】
前記容器の形状は不規則であり、前記複数の光コンジットは前記光線を湾曲した経路内で前記光源から前記光センサへ誘導する、請求項９に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１５】
前記光センサは、前記液体の液面が前記光コンジットを通過する前記光線の前記一部と一致する場合には該光線を検知し、該液体の該液面が該液体を通過する該光線の前記他の一部と一致する場合には該光線を検知しない、請求項１に記載の容器内の液面測定装置。
【請求項１６】
容器内の液面を測定する装置であって、
光線を放射するように構成される光源と、
前記光線を検知するように構成される光センサと、
液体を保持する容器内に配置される光コンジットと
を備え、前記光コンジットは、前記光源と前記光センサとの間に前記光線の経路に沿って、該光線の少なくとも一部が該光コンジットを通過するように、且つ前記容器が前記液体を保持している場合に、該光線の少なくとも他の一部が該液体を通過するように配置され、前記光センサは、前記液体の液面が前記光コンジットを通過する前記光線の前記一部と一致する場合にのみ該光線を検知する、容器内の液面測定装置。
【請求項１７】
容器内の液面を測定する方法であって、
光源から光線を放射し、
前記光線の少なくとも一部を、液体を保持する容器内に配置される光コンジットを通過させ、
前記容器が前記液体を保持している場合に、前記光線の少なくとも他の一部を該液体を通過させ、及び
前記液体の液面が前記光コンジットを通過する前記光線の前記一部と一致する場合にのみ該光線を検知する、
ことを含む、容器内の液面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には容器内の液面を測定する装置に関し、より詳細には、光学的に液面を測定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
容器内の燃料の量を測定することが必要な多数の用途が存在する。
【０００３】
Holcomb他によって２００４年９月３０日に出願され、米国特許第６，９９２，７５７号として発行された「Method and system for encoding fluid level」と題する米国特許出願第１０／９５５，４８５号は、液面に浮かぶ浮きを記載している。浮きは、光学的に透明な領域と光学的に不透明な領域とに区分されている回転エンコーダディスクに機械的に結合されている。１組の発光ダイオード(ＬＥＤ)がディスクの他方の側の光センサと位置合わせされ、それによって浮きの上下動に従ったディスクの回転として、液面を符号化することができる。
【０００４】
David Corven他によって２００４年３月１５日に出願された「Optical fluid level monitor」と題する米国特許出願第１０／８００，４８４号(米国特許出願公開第２００５０１９９８３３号公報)は、ディスプレイと、ディスプレイに光学的に接続され、容器内の対象となる液面まで延びる光管とを備える光学式センサを記載しており、光管は、空気の屈折率よりも高く液体の屈折率以下の屈折率を有する材料から形成され、光は光管に光学的に接続される。光管はガラス棒若しくはプラスチック棒、又は光ファイバー束であり得る。
【０００５】
Lee他によって２００２年１０月９日に出願された「Fluid container with level indicator, and fluid level indicator assembly for a fluid container」と題する米国特許出願第１０／２６７，９６５号(米国特許第６，８０５，０７０号)は、容器内で互いに異なる垂直高さで終端する複数の毛管を用いた、容器内の液面の視覚表示を含む液面センサを記載している。
【０００６】
Shi他によって２００２年１０月７日に出願され、米国特許第６，９４９，７５８号として発行された「LCC-based fluid-level detection sensor」と題する米国特許出願第１０／２６５，９５４号は、光通信チャネル(ＬＣＣ)技術に基づく液面センサを記載している。ＬＣＣの一方の端部は信号源に接続され、もう一方の端部はセンサに接続される。ＬＣＣは液体容器内に浸され、信号が伝播してＬＣＣを通じてＬＣＣの端部のうちのセンサに接続されている一方まで内部反射する。ＬＣＣによって反射されてセンサに達する信号の強度を測定することにより、液面を検出することができる。
【０００７】
Cowgerに対して１９９８年１２月２９日に発行された「Method and apparatus for detecting fluid level」と題する米国特許第５，８５２，９４６号は、液体容器中の流体レベルを示す信号を提供する流体レベル検出器を記載している。流体レベル検出器は、流体容器内の流体に光を照射する第１の光コンジット部を備える。第１の光コンジット部によって照射される光を受ける第２の光コンジット部が提供される。また、第１の光コンジット部から第２の光コンジット部まで延びる光路も備えられる。光路は流体容器内の流体の量と共に変化する光路長を有する。光路長が変化すると、第２の光コンジット部における光強度の変化がもたらされ、これは流体容器内の流体レベルを示す。
【０００８】
Jung他に対して１９９８年５月５日に発行された「Apparatus and method for sensing fluid level」と題する米国特許第５，７４７，８２４号は、カセット内に垂直に配置される赤外線ＬＥＤのアレイ、及び光センサのアレイを記載している。ＬＥＤが配列される垂直線は、カセット内の液体レベルの方向と実質的に平行である。ＬＥＤは水平からほぼ２０度の角度で上向きとされるので、光線は液体／空気境界面を貫通しない。
【０００９】
Jungのシステムは多数の特徴によって他と区別することができる。第１に、測定する各液面について、このシステムは検出する各液面のための光源及びセンサ対を必要とする。第２に、システムは単一の光源／センサ対では液面がどれだけ下方又は上方にあるかを検出することができない。第３に、複数の液面を正確に読み取るために、さまざまな角度でエネルギーを遮断するバッフルが必要とされる。液体は光を散乱する可能性があるので、隣接するセンサを適切に配向する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、より単純で信頼性のある容器内の液面測定装置およびその方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施の形態は、液面センサを提供する。光学的構造は、液体が一定の液面範囲内にある場合にのみ光線の透過を遮断する。この構造は連続的に積み重ねられて、複数の範囲内の液面に対応するエンコーダチャネルを構築することができる。複数のスタックを組み合わせて漸増的なエンコーダトポロジ、絶対的なエンコーダトポロジ、又はさまざまな標準的なエンコーダトポロジのうちのいずれかを構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態は、容器内の液体の液面を測定する光学式液面エンコーダを提供する。
【００１３】
図１は、本発明のエンコーダの基本的な「ビルディングブロック」コンポーネントの構造を示す。容器１００は液体１０１及び空気１０２によって部分的に満たされている。液面は１０５である。
【００１４】
光導管１５０は容器内に或る角度で配置される。光導管１５０は、光源１１０(たとえばＬＥＤ)と、光センサ１２０(たとえば光検出器)とを備える。光源及びセンサの位置は逆にできることに留意されたい。
【００１５】
光導管はまた、１本又は複数本の光コンジット１３０も備える。この実施の形態では、２本の光コンジットが間隙１３５によって隔てられている。光コンジット及び間隙(複数可)の長さは精密に制御することができる。好ましい実施の形態では、光コンジットは異なる長さの円筒形の透明アクリル棒から構築される。棒の直径は約５ｍｍである。
【００１６】
好ましい実施の形態では、エンコーダの組立てを容易にするために、棒(光導管)の直径はＬＥＤ１１０及びフォトトランジスタ(光センサ)１２０の直径と同じにされる。
【００１７】
利点として、一方の端部から光コンジットに入射するいかなる光線も、内部全反射により反対の端部から光コンジットを出る。光線が光コンジットの媒質境界面で反射されると内部全反射が起こり、光コンジット内に戻る光の全てを効率的に反射する。したがって、光コンジットは湾曲することができる。図９を参照されたい。
【００１８】
光強度を示すか又は測定する光学的手段１６０は光センサに接続される。符号化される出力値は「０」(オフ)若しくは「１」(オン)であるか、又は以下に記載されるように或る連続値であることができる。手段１６０は、たとえば電気的、光学的、及び機械的な、あらゆる測定コンポーネントであり得ることが、当業者には認識されよう。また、センサ１２０は受動的な、視認できる半透明の棒であり得ることにも留意されたい。この場合、光線がセンサを貫通している限り、光線はセンサ内で視認することができる。
【００１９】
光コンジットは光源と光センサとの間に光線の経路に沿って、光線の少なくとも一部が光コンジットを通過するように、且つ容器が液体を保持している場合に、光線の少なくとも他の一部が液体を通過するように配置される。光線は可視光、赤外線、紫外線、又はレーザ光線の形態を含む任意の光信号であり得ることに留意されたい。
【００２０】
図１に示される場合、液体１０１の液面は間隙１３５よりも低い。したがって、光源１１０によって放射される光線１１１が検知され、液面範囲１０５が間隙１３５よりも低いか又は高い、すなわち容器がほぼ空であるか又はほぼ満たされていることを推定することができる。
【００２１】
図２に示される場合、液体１０１の液面は間隙１３５よりも高い。したがって、光源１１０によって放射される光線１１１が検知され、液面範囲１０５が間隙１３５よりも高いか又は低い、すなわちここでも、容器がほぼ空であるか又はほぼ満たされていることを推定することができる。
【００２２】
図３に示される場合、液体の液面は間隙内にある。したがって、光は液体／空気境界面で反射されて検知されず、液面範囲１０５が間隙１３５内にある可能性がある。空気／水境界面の場合、内部反射の臨界角は４８．７５度以上である。
【００２３】
光コンジットの長さを精密に切ることにより、小さな範囲の値、たとえば液面が間隙内にある値のみにわたる液面を維持することができる液面エンコーダを構築することができる。
【００２４】
動作中、液面が上がるにつれて、液面表示(indicator)は間隙に達する度に増分することができ、液面が下がるにつれて減分することができる。したがって、図３に示される構成は３つの異なる液体の液面の範囲を示すことができる。
【００２５】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、単一の光コンジットを有する代替的な構成を示す。液面が光コンジットの範囲にある場合にはエンコーダの出力は論理「１」すなわち「オン」であり、そうでない場合には論理「０」すなわち「オフ」である。
【００２６】
液面エンコーダは、図４Ａにおいて容器がほぼ空である場合、図４Ｂについて半分満たされている場合、及び図４Ｃについてほぼ満たされている場合には、常にオンである。
【００２７】
図５は、光導管が、複数の、たとえば１１の異なる液面を示す６本の光コンジットと、対応する５つの間隙とを有する構成を示す。
【００２８】
スタック(stacked)光導管
図６に示される本発明の別の実施の形態では、光コンジット及び間隙の長さが異なっている複数の光導管６０１が容器内に隣接して「積み重ね」られている。これによって、光学式液面エンコーダを構築することができる。液体−空気境界面(液面)１０５が、所望の出力系列を生成するのに必要とされる程度に光コンジットの両端を覆う／覆わないように上下する限り、任意の特定の方向において積み重ねる必要はない。好ましい一実施の形態では、この出力系列はグレイコードである。
【００２９】
グレイコード
グレイコードは、１つの値から次の値へ１ビットしか変化しないような２ｎ個の２進数の符号化を提供する。利点として、液面のわずかな位置変化が１ビットの変化しかもたらさないため、グレイコードは液面の符号化に有用である。従来の２進コードでは、１つの境界線を越えて液面が上下するにつれて最大でｎビット変化することがあり、測定装置のわずかな狂いが非常に不正確な液面読み取りをもたらすことがある。
【００３０】
たとえば、液面７から液面８、すなわち２進数で０１１１から１０００への変化は、４つのチャネルのそれぞれにおける０及び１の、個々の検出器における最もわずかな狂いに応じて、中間状態としての００００から１１１１の１６個のあり得る結果のうちのいずれかになり得る。グレイコードは一度に１ビットしか変化しないため、最悪の場合の誤差はいずれかの方向における１カウントであり、その誤差は製造中の組立ての最大許容組立て不整合(maximum permitted assembly misalignment)についてしか存在しない。
【００３１】
ｎビットの交番２進(binary-reflected)グレイコードは、ｎ−１ビットのグレイコードをとり、それを逆順に繰り返し、そして新しいコードの前半の全ての値の先頭に０を追加し、新しいコードの後半の全ての値の先頭に１を追加することによって構築することができる。
【００３２】
たとえば、２ビットのグレイコードは、
００  ０１  １１  １０
である。このコードを逆順で再び繰り返すと、
００  ０１  １１  １０  １０  １１  ０１  ００
がもたらされる。前半の各値の先頭に０を追加すると、
０００  ００１  ０１１  ０１０  １０  １１  ０１  ００
がもたらされ、後半の各値の先頭に１を追加すると、
０００  ００１  ０１１  ０１０  １１０  １１１  １０１  １００
がもたらされる。これは有効な３ビットのグレイコードである。このプロセスを無制限に繰り返して任意の所望の長さ及び分解能のグレイコードをもたらすことができる。
【００３３】
上記のグレイコードはただ１つの可能なグレイコードではないことに留意されたい。たとえば、有効なグレイコードを回転させることにより他の有効なグレイコードがもたらされる。上記の例では、２ビットのコード
００  ０１  １１  １０
を
０１  ００  １０  １１
に回転させることができ、これは３ビットのコード
００１  ０００  ０１０  ０１１  １１１  １１０  １００  １０１
をもたらす。
【００３４】
図６は、上述した３ビットの回転グレイコードに従って符号化する３つの光導管を有する光学式液面エンコーダを示す。図６に示す液面について、グレイコードはコード０１１である。
【００３５】
他のタイプのコードも符号化できることを理解されたい。すなわち、コードは２進コード又はグレイコード等の絶対コードである必要はない。直角コード(quadrature code)を仮想絶対コードとして用いることができ、直角コードは高い分解能を提供し、第３のコードラインは一意の系列署名(sequencing signature)を提供する。液面がわずかに変化すると、一意の系列コードラインの状態が、１つの位置においてのみ発生し得る一意の系列をもたらし、それによってデータの３つのチャネルのみで絶対的な液面を与える。
【００３６】
図８は、光導管を積み重ねることができる方法を示す。ハウジング８１０が、たとえばプラスチックから形成される。ハウジングは平行なチャネル８１１を含む。チャネルの一部８１２がわずかに丸くなっており、それによって光コンジット１３０、光源１１０、及びセンサ１２０をチャネル内に嵌め込むことができる。
【００３７】
デジタル直接液面読み取り装置(Direct Digital Reading Fluid Level Device)
図７に示すように、他の実施の形態も可能である。一実施の形態では、光導管の読み取りは全体が光学式である。図７は、数字、たとえば４を示すのに頻繁に用いられる従来の７セグメント数値表示装置を示す。液面の数値表示を生成するために、どの液面範囲についてどのセグメントを点灯すべきかを確定し、そしてこのパターンを生成するように適切に配列された光導管を積み重ねる。次いで、各スタックから発生する光をディスプレイの適切なセグメントに光学的に誘導することができる。この構成は光のみを用いた液面の数値読取りをもたらす。光源の電源以外の可動部品又は電子回路は必要ない。
【００３８】
不規則形状容器
利点として、本明細書に記載した液面エンコーダは、図９に示すような不規則形容器と共に用いることもできる。このような容器には、浮き等の従来のメカニカルセンサ、又は光源からセンサへの直線の視界を必要とする光センサを用いることは不可能である。ここで、光コンジット１４０は光源１１０からの光を各角の周りで「曲げ」、センサ１２０へ導く。光導管の、液面が大きく変化しない部分において、光コンジットの数をまばらにすることができることに留意されたい。
【００３９】
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内でさまざまな他の適合及び修正を為すことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内に入るような、このような全ての変形及び修正を包含することにある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図３】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図４Ａ】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図５】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図６】本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図７】７セグメントディスプレイを有する、本発明の一実施の形態による液面を測定する光導管のブロック図である。
【図８】図６の光導管の斜視図である。
【図９】不規則形状容器の光導管の側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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】
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【外国語明細書】
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