(57)【要約】      （修正有）【課題】測定液面に消波管を設けレーザー距離計を消波管の上部に配置して、レーザー光を送出し、液面に浮かべたフロートに投射するレーザー式液面計における、測定距離校正方法および消波管中のフロートへのレーザー光の投射角度合わせ方法の提供。【解決手段】測定距離校正は、消波管中の磁力により吸着するフロートをレーザー光が通過できる大きさの穴を有する穴あき板と互いに磁力により吸着させ、穴あき板に取り付けたワイヤで任意位置まで引き上げ、ワイヤ長さを既知として校正値とする。フロートへのレーザー光の投射角度合わせはレーザー距離計のレーザー投射角度を左右、上下に振り、上記穴あき板の同心円上の無反射帯、反射帯、無反射帯マークの反射光変化点を検知し、同心円上の正反対側の等距離にある無反射帯、反射帯、無反射帯マークの反射光変化点との中間角度の振れ角度をフロートに対する正しい投射角度としてレーザー光の投射角度を合わせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（イ）消波管、レーザー距離計、フロートを有し、測定液中に内部が空胴の消波管を設置する。レーザー距離計を消波管の上部に配置して、消波管の中にレーザー距離計より投射レーザー光を送出する。
（ロ）消波管内部の液面にフロートを浮力で浮かべておく、フロートは液面の上下によって液面と同じ距離を上下する。
（ハ）投射レーザー光はフロートに投射され、その反射レーザー光をレーザー距離計で受信してフロートまでの距離を求め、液面に換算する。
（ニ）磁石または磁性体部を有する穴あき板を有するものとし、穴あき板は複数の吊り下げワイヤを有するものとする。穴あき板をレーザー距離計とフロート間に穴あき板の穴中心が消波管の中心軸及び投射レーザー光の光軸と一致するように吊り下げワイヤで消波管の軸中心に対し直角になるように吊り下げる。
（ホ）穴あき板の穴は投射レーザー光および反射レーザー光が通過できる大きさとする。
（ヘ）穴あき板は複数の吊り下げワイヤを同じ長さになるように上下し、消波管の中心軸に対して直角状態を保持して上げ下げする。レーザー距離計の測定基準面と穴あき板の距離はワイヤの上げ下げ距離を測定することにより容易に知ることができる。
（ト）フロートは磁石または磁性体部を有するものとし、穴あき板が接近した場合、磁力で互いに吸着するものとする。
（チ）実際の液面より上にあるレーザー式液面計の任意位置での液面測定値を校正するために、穴あき板に取り付けたワイヤを延ばして引き下げ、フロートを磁力で吸着させ、再び液面よりフロートを吸着した状態で任意位置まで引き上げて校正を行う。
（リ）この任意位置での吊り下げワイヤの測定基準面からの長さは、穴あき板の正確な位置を示しており、この長さに穴あき板高さと液の比重により定まるフロートが浮力で液面に突出している高さを加えた値を校正値とする。
（ヌ）この任意位置でのレーザー光の投射、反射によるレーザー距離計の読みを測定して被校正値とする。
（ル）上記の校正値と被校正値を比較することにより任意位置において測定距離校正を行うものとする。校正後は通常の液位測定状態に戻すためにフロートと穴あき板の磁力による吸着を開放し、フロートを液面に戻すものとする。以上の構成と液面測定値の校正方法を特徴とするレーザー式液面計
【請求項２】
（イ）請求項１によるレーザー式液面計において、消波管中心軸を基準として、レーザー距離計の光軸を左右、前後に角度を調整できるレーザー距離計微動回転機構を有するものとする。
（ロ）穴あき板には穴中心に対し同軸方向の等距離位置に順にレーザー光の無反射帯、反射帯、無反射帯を設ける。無反射帯位置では投射レーザー光が吸収され反射光がレーザー距離計に戻らないために距離測定不能となる。
（ハ）実際の液面より上にある任意位置で投射レーザー光の光軸合わせを行うために、穴あき板に取り付けたワイヤを延ばして引き下げ、フロートを磁力で吸着させ、再び液面よりフロートを吸着した状態で任意位置まで引き上げて光軸合わせを行う。
（ニ）微動回転機構により投射レーザー光の光軸を左右に振る。左または右への振り角度の増加に従って、投射光は穴あき板の穴あき部をはずれ、無反射帯に投射され距離測定不能となる。振り角度をより増加すれば反射帯に投射され反射光がレーザー距離計に戻り距離が読みとりできる。この位置での微動回転機構の振れ角度を読みとる。さらに振れば再び次の無反射帯に投射され反射光が戻らない。
（ホ）穴あき板の左に振った時の反射帯位置と右に振った時の反射帯位置の振れ角度を読みとり、その中点角度を左右の消波管中心として光軸を合わせる。同様に、光軸を前後に振り、穴あき板の前に振った時の反射帯位置と後に振った時の反射帯位置の振れ角度の中点角度を前後の消波管中心として光軸を合わせる。
（ヘ）上記の左右および前後の中点角度を消波管中心として、投射レーザー光の光軸合わせを行うことを特徴とするレーザー式液面計
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  レーザー光を測定液面に浮かべたフロートに投射して、フロートまでの距離をレーザー距離計で測定することによるレーザー式液面計は公知技術として知られている。この方式によるレーザー式液面計は被接触方式のためにセンサー部の経年劣化が少なく、化学プラントの液面計、河川、用水路、貯水池などの水位測定に広く適用が可能である。しかし、従来、液面測定に適したレーザー距離計が高価であること。測定距離の校正および消波管内のフロートにレーザー光を正確に投射する方法が確立していないために普及が遅れている。レーザー距離計は建築現場用の距離測定用などとして低価格が進んでいる。本発明は広く産業上の利用に供するために、測定液面の校正およびフロートに対する投射角度調整を容易化したレーザー式水位計を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】レーザー距離計を用いた水位レベル計または液面レベル計の文献として下記が存在する。
【特許文献１】特開平１０−２８１８５４号公報
【特許文献２】特開平０９−２０３６５２号公報
【特許文献３】特開平０１−１２３１１５号公報
【特許文献４】特開２００６−２５８５７９号公報
【特許文献５】特開２０１０−２４９７９０号公報消波管中のフロートにレーザー光を投射し、反射レーザー光により水面までの距離を求めるレーザー距離計を用いたレーザー式液面計は公知技術として上記の文献に示されている。しかし、これらの文献に関して、測定距離の校正方法、フロートへの投射レーザー光の光軸合わせの方法は示されていない。
測定距離の校正方法は他方式の液面計を含めて一般に簡単で容易に行うことが困難である。細径で距離が長い消波管においてはフロートへ投射するレーザー光の光軸合わせを容易化にすることが重要である。本発明は測定距離の校正方法とフロートへ投射するレーザー光の光軸合わせの方法を提供するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】液面計は化学プラントのタンクの液位、上水道、下水道などの水処理用の貯留槽、河川、農業用水路などの分野で広く用いられている。解決しようとする課題はこれらの分野で共通的な部分が大きいが、以下に河川、農業用水路など水位計に的を絞り課題を示す。
従来、代表的な水位計として、河川、用水路、ダム、貯水地などの水位計には、機械的な方法としてフロート式が使用されていた。この方式は水面の上昇下降にしたがって上下するフロートに取付けたワイヤを巻き込むリールの回転角度から水位を換算するもので水位計測精度として±１ｃｍ程度が得られるが、土木構造物として大きな測水筒を必要とする。このために最近ではダム、大河川などの他はあまり使用されていない。しかし、フロート式はフロートに取り付けたワイヤの伸び縮みなどの機械的な要因以外では誤差が生じないために、校正頻度を少なくしても精度が維持できる方式である。
測定水面にセンサー部を接触して水位測定する代表的接触式水位計として水圧式水位計が多く使用されている。この方式は水深に比例した水圧を感圧素子で測定するもので、大気圧と比較して測定するために大気開放チューブを必要とし、このチューブから感圧部に湿気が侵入したり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。このために接触式センサーの共通的課題である安定性が課題となっている。
非接触水位計としては超音波式水位計に代わって最近では電波式水位計が用いられている。
電波式水位計は水面にセンサー部が接触しないために、経年的に安定な測定ができる。
しかし、水面の浮遊物がある場合、誤差の原因となる。また、センサーからの距離によって、放射角度が広がり、放射角度内に電波を遮断する障害物が存在すれば使用できない等の課題がある。
水圧式水位計、電波式水位計ともに、自己校正機能を持たないために水位計独自での校正ができない。このために、校正方法として、水位計の近傍に量水標を設けて、量水標のスケールを目視して測定値と比較して行う。
量水標の目盛りは最低１ｃｍ刻みであるが、波浪の影響などにより、現実的に±５ｃｍ程度の校正誤差が生じることが多い。
本発明のレーザー式水位計はフロート式のように規模の大きい測水筒を必要とせず、水圧式水位計のようにセンサーが水没していることによる接触式センサーに本質的な測定精度劣化の問題がなく、水圧式水位計、電波式水位計に共通な、自己校正の機能がない欠点を除去した自己校正機能を有し、実水位以外の水位で校正可能な水位計である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】レーザー式水位計の測定原理は［特許文献５］特開２０１０−２４９７９０号公報  レーザー式水位計に示したものと同一である。この測定原理は測定水面下に内部が空胴の消波管を設置する。レーザー距離計を消波管の上部にレーザー距離計の投射光軸位置を消波管の中心軸に合わせて設置し、消波管の中にレーザー距離計より投射レーザー光を送出する。
消波管内部の水面にフロートを浮力で浮かべておく、フロートは水面の上下によって水面と同じ距離を上下する。投射レーザー光はフロートにあたり、その拡散反射光をレーザー距離計で受信してフロートまでの距離を求める。
フロート上端と水面との距離（Ｌ）はフロートの浮力によって、常に一定に保たれているため、フロート上端と水面との距離Ｌをレーザー距離計で測定した距離に加えることにより、レーザー距離計と水面の距離を正確に求めることができる。
消波管は水面の波浪によるフロートの上下を押さえる機能、フロートの移動を消波管内におさめる機能とレーザー距離計とフロート間に障害物が入り込まないようにする機能を有するものとする。
また、消波管には水の浸入、排出および砂塵の排出用の複数の小孔またはメッシュ状の孔を設けるものとする。【０００５】本発明の構成、原理の説明を図１、図２、図３に示す。図１は測定距離の校正時とレーザー光の光軸合わせ時の状態を示している。図２は距離校正およびレーザー光の光軸合わせのために１３穴あき板が１４フランジから開放され、１２引き上げワイヤが伸ばされ、２フロートに向かって垂下している状態を示している。図３は通常の測定状態を示している。通常の測定状態では６レーザー距離計の１１測定基準面より、４投射レーザー光を２フロートに向けて投射する。４投射レーザー光は１５フロートの磁石または磁性体部分の表面で拡散反射し、５反射レーザー光が６レーザー距離計に戻りフロートまでの距離を測定する。
実際の１測定水面の位置はフロートの反射面よりフロートの浮力により一定の高さＬだけ低い位置にあるために、レーザー距離計で測定した値にＬを加えて水位を計算する。
Ｌはフロートが浮力で水面から浮上している高さでありフロートに固有の値である。
レーザー距離計とフロートの間には１３穴あき板があるが、２１穴あき部をとおしてレーザー光が通過できるために通過の障害とならない。１３穴あき板は上部、下部とも磁石となっている。通常の測定状態では磁性体で構成した１４フランジに磁力で吸着固定されている。
図２は距離校正およびレーザー光の光軸合わせの準備過程を示している。まず、１３穴あき板を磁力で吸着している１４フランジから開放する必要がある。開放方法の例は１４フランジを上下に貫通している１９穴あき板開放穴に細棒を挿入して、１３穴あき板を上部から突き磁力から開放する。開放後は１２引き上げワイヤを伸ばし、１３穴あき板を１測定水面に浮いているフロートに到達するまでワイヤを伸ばし、１５フロートの磁石または磁性体部分を吸着する。吸着状態において１２引き上げワイヤを２０ワイヤ巻き上げ機で巻き上げる。
巻き上げ位置は１２引き上げワイヤの長さを１１測定基準面で確認して、測定距離校正またはレーザー光の光軸合わせを行う任意位置で巻き上げを停止する。１２引き上げワイヤの１１測定基準面での長さはワイヤに長さ目盛りを付ける方法、２０ワイヤ巻き上げ機の巻き上げリールの回転角度等により容易に測定できる。
図１において測定距離の校正方法は校正位置で、１２引き上げワイヤの１１測定基準面での長さを読みとる。この読み取り値に、１３穴あき板の高さ（ｈ）とフロートが水面に浮いている時、浮力で水面上に突出している一定の高さ（Ｈ）を加えた値を校正値とする。
次に、この位置でレーザー距離計の測定水位を読みとり、フロートが水面より浮力により浮上している高さＨを加えた値を加えて被校正値として、ワイヤ長さより求めた校正値と比較して校正を行う。
校正後のレーザー距離計の測定値は水位信号に変換され、レーザー距離計より出力される。
レーザー光の光軸合わせについても１３穴あき板にフロートを吸着して、フロートを任意の距離まで引き上げて行うことができる。
消波管の断面中心にレーザー距離計の光軸を配置しているがレーザー距離計の光軸は配置精度により中心が微妙なずれが発生している。このずれを修正するために、レーザー距離計の光軸を左右、前後の角度を調整する７レーザー距離計微動回転機構をもうけるものとする。この回転機構は１４フランジに固定されており、レーザー距離計の光軸を消波管中心軸に対し左右、前後に振ることができるものとする。振り角度の回転中心は消波管の断面中心の１１測定基準面になるようにする。
１３穴あき板には同軸方向の等距離位置に図４に示すように順にレーザー光の無反射帯、反射帯、無反射帯を設ける。無反射帯位置では投射レーザー光が吸収され反射がレーザー距離計に戻らないために距離測定不能となる。
微動回転機構により投射レーザー光の光軸を左右に振る。左または右への振り角度の増加に従って、投射光はフロートをはずれ、１３穴あき板の黒帯による３２内側無反射帯に吸収される。振り角度をより増加すれば白帯による３３反射帯によりレーザー光は反射する。
２２左振り反射点または２３右振り反射点からの反射光がレーザー距離計に戻り距離が読みとりできる。さらに振れば再び黒帯による３４外側無反射帯に投射され反射光が戻らない。
この無反射帯から反射帯、反射帯から無反射帯へ変化する変化点である読み取り可能な白帯による反射帯のレーザー式水位計の水位計測値を読み取る。左右反射帯の水位計測値の差は穴あき板の水平からの傾きを示している。このため、この差の大小から１３穴あき板の水平度を確認する。水平度が許容値内の場合、微動回転機構の振れ角度を読み取る。
１３穴あき板の２２左振り反射点、２３右振り反射点の振れ角度を読みとり、２４左右反射点の中点の角度を左右の消波管中心として光軸を合わせる。同様に、光軸を前後に振り、穴あき板の前方向点の２５前振り反射点と後方向点での２６後振り反射点の振れ角度の２７前後反射点の中点角度を前後の消波管中心として光軸を合わせる。左右、前後の光軸合わせ後に、２フロートと１３穴あき板は吸着状態で１２引き上げワイヤにより、１４フランジ位置まで引き上げ、１３穴あき板が１４フランジに磁力で吸着状態とする。この状態で２フロートを１３穴あき板から開放する必要がある。開放方法の例は１４フランジを上下に貫通した１６穴あき板とフロートの引き離し穴に細棒を挿入して、上部より突き磁力から開放する。開放により、フロートは消波管中を水面まで落下し、図３に示す通常の測定状態となる。
【発明の効果】
【０００６】従来の水位計の課題を解決することにより以下の効果が得られる。
第１に、最近、河川、用水路、調整池等の水位計として水圧式水位計および電波式水位計が多く用いられている。水圧式はセンサー部が接触式のため使用環境にもよるが頻繁に校正しないと精度の維持ができない欠点を有している。電波式は非接触式のため校正頻度は水圧式に比較して少ないが水面浮遊物により誤差を生じる欠点を有している。両方式の課題は水位計単体での校正ができないことである。いずれも近傍に設置している量水標の目盛りと対比または校正時に量水標に相当する目盛板を設置して測定値を校正する必要がある。本発明のレーザー式液面計は液面計単体での校正を可能とし、精度維持の向上と保守の容易化を実現している。
第２に、消波管中の投射レーザー光がフロートに正確に投射するための光軸合わせ機能を組込み、設置現場での調整を容易化している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】図３の消波管断面形状を円形とした場合、図５において、３穴あき板の穴あき部の半径ｒ１、２フロートの半径Ｒ２、消波管の内径２Ｒ１としたとき、投射レーザー光が１３穴あき板の穴あき部をとおして、２フロートに投射できる条件は、フロートが消波管の中でどのような動きをしても、穴あき板の穴あき部をとうして投射レーザー光がフロートに投射できる必要がある。この条件は
２Ｒ２＞ｒ１＋Ｒ１
また、フロートは消波管中に収まる条件から
Ｒ２＜Ｒ１
となる。
実際には、消波管、フロート、穴あき板の寸法誤差、消波管中でフロート、穴あき板が余裕を持って自由に動けること等を考え、上記寸法の制約に余裕を持たせる必要がある。
例として、直径２Ｒ１＝１５０ｍｍの消波管を使用する場合、フロート直径２Ｒ２＝１２０ｍｍに設定すれば、ｒ１＋Ｒ１は、１２０ｍｍ以下となり、Ｒ１は７５ｍｍであるからｒ１は４５ｍｍ以下となる。余裕をみてｒ１を４０ｍｍに設定する。また、穴あき磁石板の外形２ｒ２をフロートの外形に合わせて１２０ｍｍとする。この場合、穴あき板の内外形差は４０ｍｍとなる。【０００８】図１において、７レーザー距離計微動回転機構の構成方法として、カメラの微動雲台、機器の姿勢調整や試料の傾斜回転などに使用する垂直Ｚ軸に対してＸＹ平面を自由に傾けるゴニオステージと呼ばれる回転機構の採用が考えられる。ここでは、小型で高精度の回転ができるゴニオステージを応用する例を示す。ゴニオステージは一般にステージの上に機器などを固定して使用することが多いが、ここではゴニオステージを上下逆にして、下向きステージにレーザー距離計を固定して回転するものとする。図６に１１測定基準面に対して、下方の１３穴あき板に投射するレーザー光の振れ角度を示している。例として、１３穴あき板の直径は［０００７］に示した１２０ｍｍとしている。穴あき板までの距離を仮に１０ｍとしたとき、これに対する微動回転機構の振れ角度はθ１＝０．６９度となる。
市販されているゴニオステージの例として、αβ軸ゴニオステージと呼ぶ製品があり、垂直軸に対して平面をＸ軸（左右方向）、Ｙ軸（前後）方向に最大±１５度、数分程度の精度で振ることができる。因みにαβ軸ゴニオステージはＸ軸（左右方向）、Ｙ軸（前後方向）独立に回転ツマミを操作して１回転当たり２〜３度の角度を振ることができる。
穴あき磁石板までの距離を仮に１ｍとしたとき、これに対する微動回転機構の振り角度はθ２＝６．９度となる。この場合、６．９度を振る回転ツマミは１回転当たり２度とすれば、３回転以上廻すことになり、高精度で中点を求めて光軸合わせができる。このように、投射レーザー光の中点は測定距離を短くして行うことにより容易に高精度で合わることができる利点がある。【０００９】フロートは白色処理を施して、投射光を拡散反射するようにしている。より良好な反射を行うために、フロート上部表面に方向性反射材料を配置することにより最適の反射を行うことができる。方向性反射材料は反射光が投射方向と同じ方向に帰る反射特性を有する。
フロート上部に方向性反射材料を配置して、５反射レーザー光を４投射レーザー光の方向に反射させるようする。方向性反射材料から反射した５反射レーザー光は４投射光と同一方向に対して狭い反射角で反射し、レーザー距離計で効率良く受信できる。方向性反射材料は小さなプリズムを多数並べてシート状としたものが実用化されている。また、３消波管は鋼管、塩化ビニル管などが用いられるが管内面の光学的反射率が大きい場合、大きな乱反射光がレーザー受光器に入ると距離測定の障害となる。この乱反射光がレーザー受光器へ入る量を小さくするために黒色塗装処理を行い、乱反射光を吸収する。
【実施例１】
【００１０】本発明において、１３穴あき板は１４フランジおよび１５フロートの磁石または磁性体部分と磁力により吸着する。この場合の結合方法の組み合わせは
一方が磁石他方も磁石
一方が磁石他方は磁性体
また、磁石の場合、永久磁石と電磁石がある。これらの組合せは、物理的な形状および磁力の開放の仕方により選択する。［課題を解決するための手段］の項では１３穴あき板と２フロートとの磁力による吸着の開放方法として、１３穴あき板と２フロートの引き離し方法は１４フランジに設けた穴に細棒を挿入して突き落とす方法を例として説明したが、電磁力とすることによって、ワイヤを引き延ばしてフロートを水面近くまで降下して、電磁力を開放すればフロートは水面に緩やかに降下できる。この場合、１３穴あき板は電磁石を有する必要がある。この場合の電源供給は１２引き上げワイヤを電線として電磁石に電気を供給する。また、フロート、穴あき板、フランジに適用する磁石および磁性体の形状は磁力による吸着、引き離し等を考慮して、各種の選択が可能なものとする。なお、フランジと穴あき板は磁力によらず引き上げワイヤで中心穴あき板を引き上げ状態に保持する選択肢もある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】測定距離の校正時とレーザー光の光軸合わせの状態を示している。
【図２】測定距離校正およびレーザー光の光軸合わせの準備過程を示している。
【図３】通常の距離測定状態を示している。
【図４】穴あき板へ投射するレーザー光による光軸合わせ方法の説明図。
【図５】消波管内径、フロート外径、穴あき板の外径、穴径の制約条件の説明図。
【図６】投射レーザー光の光軸合せの距離による難易の説明図。
【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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