(57)【要約】【課題】低コストで、簡易な構造を持ち、高感度に測定可能な液面高測定方法および水位測定装置を提供する。【解決手段】容器内の空間が液体により占められた既貯留域と未だ貯留されていない未貯留域とに区画され、既貯留域と未貯留域との境界面を液面として検出する水位測定装置であって、既貯留域から容器外に流動する熱量と未貯留域から容器外に流動する熱量とに応じた起電力を検出信号として出力する熱量変換部と、検出信号を用いて液面の高さを算出する信号処理部と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の空間が液体により占められた既貯留域と未だ貯留されていない未貯留域とに区画され、前記既貯留域と前記未貯留域との境界面を液面として検出する水位測定装置であって、
前記既貯留域から前記容器外に流動する熱量と前記未貯留域から前記容器外に流動する熱量とに応じた起電力を検出信号として出力する熱量変換部と、
前記検出信号を用いて前記液面の高さを算出する信号処理部と、
を備えることを特徴とする水位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水位測定装置であって、
前記熱量変換部は、
前記既貯留域から前記容器外に流動する熱量に対応した起電力を発生して、第１検出信号として出力する第１スピンゼーベック素子と、
前記未貯留域から前記容器外に流動する熱量に対応した起電力を発生して、第３検出信号として出力する第３スピンゼーベック素子と、
前記液体の貯留量に応じて変動する前記液面を含み、かつ、当該液面の変動方向に平行に配置されて、前記既貯留域から前記容器外に流動する熱量に対応した起電力と前記未貯留域から前記容器外に流動する熱量に対応した起電力との和を第２検出信号として出力する第２スピンゼーベック素子と、
を含むことを特徴とする水位測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水位測定装置であって、
前記第１〜第３スピンゼーベック素子は、
スピンゼーベック効果を発現する磁性体材料の薄膜層と、
逆スピンホール効果を発現する起電層と、
を含むことを特徴とする水位測定装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の水位測定装置であって、
前記第１スピンゼーベック素子は、前記容器の内壁をなす底壁に取り付けられ、
前記第２スピンゼーベック素子は、前記容器の内壁をなす側壁に取り付けられ、
前記第３スピンゼーベック素子は、前記容器の内壁をなす天壁に取り付けられている
ことを特徴とする水位測定装置。
【請求項５】
請求項２又は４に記載の水位測定装置であって、
前記容器の内壁をなす底壁から天壁に向かい、かつ、側壁に沿って前記第１スピンゼーベック素子、前記第２スピンゼーベック素子、前記第３スピンゼーベック素子が、この順序で配置されていることを特徴とする水位測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水位測定装置であって、
前記水位測定装置を、前記容器側に配置される容器側機器と、前記容器と離れた場所に配置される管理側機器とに区分けした際に、
前記容器側機器には、
前記熱量変換部及び前記信号処理部が含まれると共に、
前記信号処理部からの前記検出信号を送信する送信部と、
前記検出信号を蓄電し、当該蓄電した電力を前記信号処理部及び前記送信部に供給する電源部と、が含まれ、
前記管理側機器には、
前記送信機からの信号を受信する受信部、が含まれる
ことを特徴とする水位測定装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水位測定装置であって、
前記水位測定装置を、前記容器側に配置される容器側機器と、前記容器と離れた場所に配置される管理側機器とに区分けした際に、
前記容器側機器には、
前記熱量変換部が含まれると共に、
前記熱量変換部からの前記検出信号を送信する送信部と、
前記検出信号を蓄電し、当該蓄電した電力を前記送信部に供給する電源部と、が含まれ、
前記管理側機器には、
前記送信機からの信号を受信する受信部と、
前記受信部が受信した前記信号に基づき水位を算出する前記信号処理部と、が含まれる
ことを特徴とする水位測定装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の水位測定装置であって、
前記容器側機器がユニット化されて、固定部材により前記容器の内壁に固定されることを特徴とする水位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内の水位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温度差によりスピン流が発生するスピンゼーベック効果と、スピン−軌道相互作用によりスピン流を起電力に変換する逆スピンホール効果とを組み合わせることにより、温度差からスピン流を経由して電流に変換する技術報告がなされている（非特許文献１）。
【０００３】
また、スピンゼーベック効果を発現する磁性体材料の薄膜層と逆スピンホール効果を発現する起電層とを、縦方向に層状に積み重ねた（積層した）、いわゆる縦型構造の素子によって温度差から起電力を得る熱電変換素子が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
以下、かかる熱電変換素子をスピンゼーベック素子と記載する。従って、スピンゼーベック素子は、熱流からスピン流を経由して起電力を発生させる素子と定義できる。このとき、起電力は熱流の大きさに比例するので、特許文献１における熱流計測素子としても利用することが可能である。
【０００５】
このようなスピンゼーベック素子は積層造であるため、その製造プロセスは、塗布法などの簡便かつ低コストである製造手法を用いることができる。また、単純な構造は、振動などの機械的な影響による故障率の低下など、長期的な利用においてメンテナンスコストの低下が期待される。
【０００６】
特許文献１に開示されている縦型構造のスピンゼーベック素子に熱流が貫通すると、磁化によって決まる熱流方向と垂直な面に起電力が生じる。そして、熱流が面内方向に温度分布を持つ場合には、温度分布に応じた値の起電力分布が素子電極に発生する。無論、熱流が通過しない領域では起電力は発生せず、起電層は電気抵抗体として振る舞う。
【０００７】
ところで、液体の貯留には容器が用いられ、その残量は種々の方法で計測される。例えば、特許文献２には、フロートスイッチを設けて、液面変動を測定するという手法が開示されている。また、特許文献３には、残量による静電容量の変化を利用して液体の有無を検知する手法が開示されている。また、特許文献４には、超音波発信器と受信機の組み合わせにより液面の反射又は透過による伝搬差を用いて測定する手法が開示されている。また、特許文献５には、異なる特性を持つ圧力センサを組み合わせ手構成された差圧流量計を用いて、検出感度向上とダイナミックレンジ拡大を行う技術が開示されている。さらに、特許文献６には、サーミスタを用いてジュール熱を発生させた後、液体接触部位とそれ以外の部位との熱拡散速度の違いに由来した金属抵抗の変化を計測することにより液面高を求める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１３００７０号公報
【特許文献２】特開平８−５００５０号公報
【特許文献３】特開平１１‐３２１ｂ６１号公報
【特許文献４】特開平５−１０８０３号公報
【特許文献５】特開平５−１０７０９０号公報
【特許文献６】特開２００７−２３９７１１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Uchida  et  al.,  "Observation  of  longitudinal  spin-Seebeck  effect  in  magnetic  insulators",  Applied  Physics  Letters,  2010,  vol.97,  p172505.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記文献にかかる技術には、以下のような問題があった。
【００１１】
即ち、特許文献２にかかる技術では、液面レベルの測定のためには複数のフロートスイッチを用いる必要がありコストアップとなる問題がある。また、特許文献３にかかる技術では、静電容量の変化を利用しているが、その回路の大型化やセンサの誤検知等の問題がある。特許文献４にかかる技術では、測定時に発信器と受信機を必要とし、回路が複雑かつ電力消費量が多いという問題がある。特許文献５にかかる技術では、窒素ガスを導入する必要があり、コスト面で不利、かつ、装置サイズが大きくなるという問題がある。さらに特許文献６にかかる技術は、複雑な外部回路が必要となり、また電力消費量が大きいという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の主目的は、低消費電力、低コスト、かつ、簡易な構造の水位測定装置及び液面高測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、容器内の空間が液体により占められた既貯留域と未だ貯留されていない未貯留域とに区画され、既貯留域と未貯留域との境界面を液面として検出する水位測定装置にかかる発明は、既貯留域から容器外に流動する熱量と未貯留域から容器外に流動する熱量とに応じた起電力を検出信号として出力する熱量変換部と、検出信号を用いて液面の高さを算出する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低消費電力、低コスト、かつ、簡易な構造の水位測定装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態にかかる水位測定装置の構成図である。
【図２】スピンゼーベック素子の断面図である。
【図３】他の構成のスピンゼーベック素子の断面図である。
【図４】壁と磁性体層との間に熱拡散層を設けたスピンゼーベック素子の断面図である。
【図５】側壁に第１スピンゼーベック素子〜第３スピンゼーベック素子を取り付けた構成である。
【図６】第２実施形態にかかる水位測定装置の構成図である。
【図７】ユニット化された容器側機器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる水位測定装置２Ａの構成を示す図である。
【００１７】
なお、容器６は水位測定装置２Ａが計測する液体を貯留するものであり、水位測定装置２Ａを構成するものではない。また、以下の説明では、直方体の容器６をイメージして説明するが、円筒体、球体等の他の形状であっても良いことを敢えて付言する。
【００１８】
容器６は、底部の壁（底壁５ａ）、側部の壁（側壁５ｂ）、天部の壁（天壁５ｃ）により囲まれた内部空間を備え、この内部空間に液体Ｓが貯留されている。以下、液体Ｓが占めている領域を既貯留域６ａ、それ以外の領域を未貯留域６ｂと記載する。従って、既貯留域６ａと未貯留域６ｂとの境は、液面６ｃとなる。
【００１９】
このような容器６の内壁５（５ａ〜５ｃ）は、銅、鉄、ステンレス鋼等の熱伝導度の高い材料により形成されて、温度が均一化し易い構成になっている。以下、容器６の高さをＬｓ、底壁５ａと液面６ｃとの距離（水位）をｈとする。
【００２０】
水位測定装置２Ａは、熱量変換部２０、信号処理部３０、表示部４０を主要構成とする。
【００２１】
熱量変換部２０は、第１スピンゼーベック素子２１ａ、第２スピンゼーベック素子２１ｂ、第３スピンゼーベック素子２１ｃを含んでいる。
【００２２】
第１スピンゼーベック素子２１ａは、底壁５ａに設けられて既貯留域６ａから底壁５ａを貫通して流れる熱流Ｑａを電圧に変換し、これを検出電圧Ｖａとして出力する。第２スピンゼーベック素子２１ｂは、側壁５ｂに設けられて既貯留域６ａから側壁５ｂを貫通して流れる熱流Ｑｂ＿１を電圧に変換すると共に、未貯留域６ｂから側壁５ｂを貫通して流れる熱流Ｑｂ＿２を電圧に変換し、これらの合計を検出電圧Ｖｂとして出力する。第３スピンゼーベック素子２１ｃは、天壁５ｃに設けられて未貯留域６ｂから天壁５ｃを貫通して流れる熱流Ｑｃを電圧に変換し、これを検出電圧Ｖｃとして出力する。
【００２３】
第１スピンゼーベック素子２１ａ、第２スピンゼーベック素子２１ｂ、第３スピンゼーベック素子２１ｃの共通構成を説明する場合には、スピンゼーベック素子２１と記載する。各スピンゼーベック素子２１から検出電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが出力され、これが検出信号Ｇ１（Ｇ１＿ａ、Ｇ１＿ｂ，Ｇ１＿ｃ）として信号処理部３０に出力される。
【００２４】
図２は容器６の壁５に取り付けられたスピンゼーベック素子２１の断面図である。各スピンゼーベック素子２１は、起電層２２、電極２３、磁性体層２４、保護層２５を備える。
【００２５】
第１スピンゼーベック素子２１ａの電極間距離をＬａ、第２スピンゼーベック素子２１ｂの電極間距離をＬｂ、第３スピンゼーベック素子２１ｃの電極間距離をＬｃと記載する。このとき、第３スピンゼーベック素子２１ｃの電極間距離Ｌｃは、容器６の高さＬｓに等しくなるように設けられている（Ｌｃ＝Ｌｓ）。Ｌｃ≠Ｌｓでも可能であるが、液体Ｓが容器６に満杯に貯留されることがある場合には、Ｌｃ＝Ｌｓであることが必要となる。
【００２６】
第２スピンゼーベック素子２１ｂの電極間距離Ｌｂとして例えば１００［ｃｍ］、第１スピンゼーベック素子２１ａ及び第３スピンゼーベック素子２１ｃの電極間距離Ｌａ、Ｌｃとして例えば１［ｃｍ］が例示できる。
【００２７】
起電層２２は、逆スピンホール効果を発現する材料から形成されている。このような材料として、厚さ１０［ｎｍ］以下の白金薄膜が例示できる。
【００２８】
磁性体層２４は、スピンゼーベック効果によりマグノンを生成する材料であればどのような材料でもよい。特に、ＮｉＺｎフェライト、Ｃｏフェライト等のフェライト系材料、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＩＧ）及びイットリウム元素置換型のＹＩＧ系材料が、磁性体層２４の材料として好ましい。
【００２９】
保護層２５は、磁性体層２４を覆うように設けられて、当該磁性体層２４を保護する。なお、保護層２５の材料としては、その熱伝導率が磁性体層２４と同等であることが望ましい。
【００３０】
なお、図２に示すスピンゼーベック素子２１は、起電層２２が壁５に接する構成であるが、このような構成に限定するものではない。例えば、図３に示すように、壁５側から、磁性体層２４、起電層２２、保護層２５の順に構成しても良い。
【００３１】
また、壁５と磁性体層２４（又は起電層２２）との間に熱拡散層２６を設けた構成も可能である。図４は、かかる構成を図示している。この熱拡散層２６は、層面に平行な方向の熱伝導率が層厚方向の熱伝導率に比べ十分に大きいことが好ましい。これにより、熱拡散層２６の面内温度分布は、概ね一定温度となって、効率よく起電力を発生させることが可能になる。
【００３２】
そして、第１スピンゼーベック素子２１ａや第３スピンゼーベック素子２１ｃの起電力がｘ軸方向になるように、これらの磁性体層２４はｙ軸方向に磁化されている。また、第２スピンゼーベック素子２１ｂの起電力がｚ軸方向になるように、磁性体層２４はｙ軸方向に磁化されている。図２における符号Ｄｖは、起電力、Ｄｍは磁化、Ｄｑは熱流の各方向を示している。
【００３３】
信号処理部３０は、検出信号Ｇ１に対して所定の水位算出処理を行うことにより、水位ｈを示す水位信号Ｇ２を生成する。
【００３４】
水位算出処理について説明する。一般に、スピンゼーベック素子２１の検出電圧Ｖは、当該スピンゼーベック素子２１を貫通する熱量をＱ、スピンゼーベック係数をＳ、電極間距離をＬとすると、
Ｖ＝Ｓ＊Ｑ＊Ｌ      …（１）
の式１で表すことができる。
【００３５】
従って、電極間の長さＬａの第１スピンゼーベック素子２１ａから出力される検出電圧Ｖａは、
Ｖａ＝Ｓ＊Ｑａ＊Ｌａ      …（２）
で与えられる。また、電極間の長さＬｂの第２スピンゼーベック素子２１ｂから出力される検出電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝Ｓ＊（Ｑｂ＿１＊ｈ＋Ｑｂ＿２＊（Ｌｂ−ｈ））
＝Ｓ＊（Ｑａ＊ｈ＋Ｑｃ＊（Ｌｂ−ｈ））      …（３）
で与えられる。さらに、電極間の長さＬｃの第３スピンゼーベック素子２１ｃから出力される検出電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝Ｓ＊Ｑｃ＊Ｌｃ      …（４）
で与えられる。
【００３６】
式３において、未知数ｈは液面の高さ（水位）を示している。従って、熱流Ｑａ≠Ｑｃであれば、検出電圧Ｖｂは液面の高さに応じた値を示すことになる。この熱流に関する条件は、液温（既貯留域の温度）Ｔｂ、未貯留域の温度Ｔｔ、容器６の温度Ｔｖを考えたとき、液温Ｔｂと未貯留域温度Ｔｔとが、容器６温度Ｔｖと異なる場合（Ｔｂ≠Ｔｖ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｔｔ≠Ｔｖ）や各温度が全て異なる場合（Ｔｂ≠Ｔｔ≠Ｔｖ）に成り立つ。
【００３７】
そこで、式２〜式４から熱流Ｑａ，Ｑｃやスピンゼーベック係数Ｓを消去し、水位ｈについて求めると、
ｈ＝（Ｖｂ−Ｖｃ／Ｌｃ＊Ｌｓ）／（Ｖａ／Ｌａ−Ｖｃ／Ｌｃ）      …（５）
となる。
【００３８】
信号処理部３０は、式５に示す演算を行うことにより水位ｈを算出する。そして、この水位ｈを示す信号は、水位信号Ｇ２として表示部４０に送られる。
【００３９】
表示部４０は、水位信号Ｇ２に基づき液面高さを表示等の方法で告知する。
【００４０】
なお、上記説明では、第１〜第３スピンゼーベック素子２１ａ〜２１ｃを、それぞれ底壁５ａ、側壁５ｂ、天壁５ｃに設けた。しかし、このことはスピンゼーベック素子２１の配置方法を限定するものではない。水位ｈは、式３から求められるが、そのためには熱流Ｑｂ＿１，Ｑｂ＿２を知る必要がある。
【００４１】
しかし、熱量計等の手段を設けて熱流Ｑｂ＿１，Ｑｂ＿２を計測すると、発明の課題である低コストかが図れない。従って、式３のみからは水位を算出することができない。熱量Ｑｂ＿１，Ｑｂ＿２は、第２スピンゼーベック素子２１ｂを通過する単位長さ当たりの熱量であり、図１に示すように、Ｑｂ＿１＝Ｑａ，Ｑｂ＿２＝Ｑｃである。そこで、式２や式４を用いて熱流Ｑａ，Ｑｃを検出信号Ｖａ，Ｖｃの関係として式３に取り込んでいる。
【００４２】
以上のことは、式２，式４に対応する第１、第３スピンゼーベック素子２１ａ，２１ｃの設置場所に関する条件は、熱流Ｑａ，Ｑｃが通過する場所とすることができ、底壁５ａや天壁５ｃに限定する必要はない。底壁５ａに設けたのは確実に熱流Ｑａが計測されるようにするためであり、天壁５ｃに設けたのは確実に熱流Ｑｃが計測されるようにするためである。
【００４３】
また、上記説明では、液体が空状態から満杯状態までを計測範囲としたが、用途によっては途中の範囲だけでよい場合もある。
【００４４】
このような観点から、図５に示すような構成が可能である。図５は、側壁に第１スピンゼーベック素子〜第３スピンゼーベック素子を取り付けた構成である。そして、第２スピンゼーベック素子の電極間を計測範囲としている。
【００４５】
以上説明したように、水位を検出するために電力供給することなく、かつ、簡単な演算で水位が検出できるので、低消費電力、低コスト、かつ、簡易な構造の水位測定装置が提供できる。
【００４６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４７】
プラント工場等のように、タンク等の容器６は種々の場所に多数設置されることがある。この場合、容器６と液量を管理する場所（管理棟）とは遠隔地となるので、これらの間を配線接続して検出情報が管理棟で取得できるようにする必要が生じる。しかし、配線工事は施設コストがアップする一因となる。また、容器６からの信号の伝送減衰を考慮して中継手段（又は増幅手段）等を設けると装置コストがアップする一因となる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、熱量変換部２０からの検出信号Ｇ１を管理棟に無線送信できるようにして、配線工事や中継器等が不要となる構成とした。但し、この場合には無線送信機能を動作させるための電力が必要となる。本実施形態においては、熱量変換部２０で発生する起電力を、かかる無線送信機能の動作電源とする。
【００４９】
図６は、本実施形態にかかる水位測定装置２Ｂの構成図である。水位測定装置２Ｂは、熱量変換部２０、信号処理部３０、表示部４０に加え、電源部５０，送信部６０，受信部７０が追設されている。電源部５０は、変圧器５１及び蓄電器５２を含んでいる。このとき、熱量変換部２０、電源部５０、送信部６０は容器６側に配置された容器側機器、受信部７０、信号処理部３０、表示部４０は管理棟側に配置された管理側機器とする。なお、信号処理部３０を容器６側に配置してもよい。
【００５０】
そして、熱量変換部２０で検出された検出信号Ｇ１は、送信部６０から送信される。このとき、検出信号Ｇ１は電源部５０にも入力している。電源部５０の変圧器５１は、この検出信号Ｇ１をバッテリ等の蓄電器５２に蓄積する。そして、蓄電器５２は、蓄積された電力を送信部６０の電力として供給する。
【００５１】
一方、受信部７０は、検出信号Ｇ１を受信して、信号処理部３０に出力する。信号処理部３０は、上述した式３に従う水位算出処理を行い、その算出処理結果を水位信号Ｇ２として表示部４０に出力する。表示部４０は、水位を表示する。
【００５２】
これにより、外部からの電力供給を行うことなしに、安価な構成で、容器６と離れた遠隔地に位置する管理棟で水位管理が行えるようになる。
【００５３】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。なお、第２実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５４】
これまで説明した第２実施形態においては、スピンゼーベック素子と信号処理部や表示部はそれぞれ別体に設けていた。しかし、本発明はかかる構成に限定されない。例えば、図７に示すように、ユニット化することが可能である。
【００５５】
図７は、第２実施形態における容器側の構成要素である熱量変換部２０、電源部５０、送信部６０をユニット化した本実施形態にかかる構成を示す図である。以下、かかるユニットを容器側ユニット７と記載する。
【００５６】
容器側ユニット７は、スピンゼーベック素子２１からなる熱量変換部２０、変圧器５１及び蓄電器５２からなる電源部５０、アンテナ６１を含む送信部６０を備え、これらが基板８１に搭載されて、固定部材８２により容器６の壁５に貼り付けて固定されるようになっている。
【００５７】
基板８１及び固定部材８２は、これらの部材が熱流に対する熱障壁として作用したり、面内温度分布を発生させたりしないように、高い熱伝導率であることが望ましい。
【００５８】
また、容器６が金属製の場合には、電波のシールド性を考慮してアンテナ６１を容器６外に取出して設置できるようにすることが好ましい。
【００５９】
さらに、変圧器５１、電源部５０、送信部６０等で、液に浸るとショートや腐食等が生じ部材に関しては、樹脂等のカバーを設けることが好ましい。
【００６０】
このような構成にすることで、水位測定が容易に行えると共に、変更が可能になる。従って、例えば容器の貯留試験や管理試験等が容易に行えるようになる。
【符号の説明】
【００６１】
２Ａ，２Ｂ    水位測定装置
５    壁
５ａ    底壁
５ｂ    側壁
５ｃ    天壁
６    容器
６ａ    既貯留域
６ｂ    未貯留域
６ｃ    液面
７    容器側ユニット
２０    熱量変換部
２１    スピンゼーベック素子
２１ａ    第１スピンゼーベック素子
２１ｂ    第２スピンゼーベック素子
２１ｃ    第３スピンゼーベック素子
２２    起電層
２３    電極
２４    磁性体層
２５    保護層
２６    熱拡散層
３０    信号処理部
４０    表示部
５０    電源部
５１    変圧器
５２    蓄電器
６０    送信部
６１    アンテナ
７０    受信部
８１    基板
８２    固定部材
【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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