JP2004513360A - 導電性物質、特に溶融ガラスの高さ位置の電磁的検知器 - Google Patents

Abstract

本装置は、物質の容器（２４）を取り囲む、物質に交流を発生させるためのインダクタ（３２）と、インダクタによって画定された領域にある、インダクタの軸に沿った磁場の水平成分の偏微分を検知することができる一組のトランスデューサを備えた少なくとも１つの磁場センサ（５２、５４）と、インダクタに供給された電流に対する約π／２の位相シフトをもたらし、センサから供給された信号を復調する手段（６８、７０）と、復調手段によって供給された信号を処理し、物質が磁場センサの高さ位置に到達したことを示す信号を発するための手段（７２、７４、７６）とを備える。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、液体状または粉末状または分離した形態において固体状（例えば顆粒など）の、導電性物質または導電性を有するようにつくられた物質の高さ位置を電磁的に検知し、またはさらには導電性可動部分（例えばピストン）の位置を電磁的に検知するための装置に関する。
【０００２】
本発明は、溶解金属、冷却液体金属、電解液、および溶解ガラスの中から選択された液体の高さ位置検知に特に適用される。
【０００３】
【従来の技術】
液体の高さ位置検知器は、ＵＳ５１０３８９３（Ｙ． Ｎａｇａｎｕｍａ他）およびＵＳ５２３２０４３Ａ（Ｊ． Ｍｏｓｃｈ他）によって既知である。これらの装置は、液体に発生した交流磁場の軸方向成分を使用する。
【０００４】
液体の高さ位置検知器は、他に、ＵＳ４１３８８８８Ａ（Ｓ． Ｌｉｎｄｅｒ）およびＵＳ４１４４７５６Ａ（Ｓ． Ｌｉｎｄｅｒ）によっても既知である。これら他の装置は、液体に発生した交流磁場の水平成分を使用する。
この水平成分を検知するためのセンサから提供された信号は、磁場を発生させるインダクタに供給される電流に対する位相シフトなしで復調される。
【０００５】
【発明の開示】
本発明は、液体状または粉末状または分離した形態において固体状の、導電性物質または導電性を有するようにつくられた物質の高さ位置の検知、またはさらには導電性可動部分の位置の検知に関する上述した課題を、従来の装置よりも優れた精度で、解決する。
【０００６】
厳密には、本発明は、液体状または粉末状または分離した形態において固体状の、導電性物質または導電性を有するようにつくられた物質の、該物質が垂直軸を有する容器に充填されている、または該容器から排出されている際の、高さ位置を検知するための、または容器内で可動なモノリシック且つ導電性固体状物質の位置を検知するための装置を対象とし、当該装置は：
−容器を取り囲み、該容器と同一の軸を有する、物質に交流を発生させるためのインダクタであって、該容器は該インダクタによって発生された磁場をほぼ通す、インダクタと、
−インダクタに電流を供給するための交流源と、
−インダクタの軸に沿った磁場の水平成分の偏微分を検知するために、インダクタと容器の軸の間に、容器の軸と直交するほぼ水平な軸方向に沿って配置された少なくとも１つの磁場センサであって、該磁場センサは差動するように上下に取り付けられた一組のトランスデューサからなり、これらトランスデューサの受感軸は互いにほぼ平行であり、該磁場センサはこれら２本の受感軸によって定義された平面内にあり且つ該２本の受感軸から等距離にある軸に沿っている、磁場センサと、
−磁場センサによって供給された信号を復調する手段であって、ここで復調は交流源から供給された電流に対する約π／２の位相シフトを伴って起こる、復調手段と、
−復調手段によって供給された信号を処理し、物質が磁場センサの高さ位置に到達したことを示す信号を発するための処理および信号伝達手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
「トランスデューサの受感軸」は、トランスデューサの受感性が最大になる地点に位置する（幾何学的な意味での）軸であると理解される。
例えば、コイルの受感軸はコイルの軸そのものである。
【０００８】
本発明の対象である装置の好適な一実施形態によると、トランスデューサは同一である。
処理および信号伝達手段は、好ましくは、復調手段によって供給された信号のゼロ交差または符号変化を検知するための電子手段を含む。
【０００９】
本発明の対象である装置の第一の実施形態によると、容器内の物質の状態（液体状または固体状）に関わらず、磁場センサはインダクタと容器の間に配置される。
【００１０】
第二の実施形態によると、高さ位置の検知は、液体状または粉末状またはさらには固体状（ただし分離した形態）の物質内で行われる。当該実施形態はモノリシック固体状物質の場合は適用されない。
この場合、磁場センサは、容器内において容器の内側の壁と軸の間に好適には垂直に配置された、下方端の閉じた電気的絶縁管または導電性がごくわずかである管の内部に配置される。
当該第二の実施形態は、例えばインダクタ近傍に著しい障害があること、または容器のスクリーニング効果が大きすぎることにより第一の実施形態の実施が困難である場合に有用である。
この場合、管は、磁場の水平成分と直交する成分が最大であるゆえに検知受感性が最大となる距離をおいて、容器の軸から離れて配置されるのが好ましい。
【００１１】
本発明は、特に、直接誘導溶解のためのコールドクルーシブルでの高さ位置の測定に適用される。
容器はコールドクルーシブルであってよく、該クルーシブルは、互いに電気的に絶縁された複数の部分から形成され、冷却手段を備える。インダクタは、容器内の物質を加熱するために使用される。
この場合、物質は、溶解ガラスまたは溶解金属からなる群から選択され得る。
【００１２】
本発明の一実施形態によると、装置は、容器の複数の高さ位置に配置された複数の磁場センサを備え、物質がこれらの磁場センサのいずれの高さ位置に達したときも検知できるようになっている。
この場合、本発明により、物質の高さ位置の変位率の測定も可能となる。
物質が１つの高さ位置から次の高さ位置に達するまでの時間間隔を測定し且つ該測定された時間間隔でこれら一連の高さ位置の間の距離を除すことができるように処理および信号伝送手段を付加的に設定してもよく、これにより当該装置を容器内の物質の高さ位置の変位率を測定するための装置とすることができる。
該変位率測定は、本発明の装置によって精密な測定が可能となることと、多数の磁場センサを容器のジェネレータに沿って配置可能なことによって、補助される。
時間間隔の測定と、一連の高さ位置を隔てる距離の測定には、当業者に周知の技術が用いられることに注目されたい。
【００１３】
本発明は、添付の図面を参照して以下に示される実施形態に関する記載を読むことによってよりよく理解されるであろう。これらの実施形態は単なる例示であって、なんら限定するものではない。
【００１４】
【実施形態の詳細な開示】
図１の概略図に示された本発明の装置は、容器４に充填されている導電性液体２の高さ位置を検知するためのものである。矢印６はこの充填を示す。参照記号Ｘは容器４の垂直軸を示す。
【００１５】
図１の装置は、交流源１０から供給を受ける磁気コイル８を備える。該コイル８は容器４を取り囲み、容器と同一の軸Ｘを有する。該コイルは、液体に交流を発生させる磁場を生成するインダクタを構成する。
【００１６】
容器４は、インダクタから発せられ容器内の液体に伝導される交流磁場に及ぼされるスクリーニング効果を制限するように選択または設定された物質でつくられる。
これは、特に、並列され互いに電気的に絶縁された複数の導電性要素からなる容器を使用することによって達成される。
【００１７】
当該装置は、また、差動する磁場センサ１３を形成する一組の同一のコイル１１および１２も備える。該一組のコイル１１および１２は、磁場のほぼ水平な成分の（垂直軸Ｘに沿った）偏微分に比例した信号を供給するためのものである。
さらに、該一組のコイル１１および１２は、コイル８と容器４の間に配置される。該一組のコイルは、容器の軸Ｘとほぼ直交する水平軸Ｙに沿って配置される。
【００１８】
コイル１１および１２の軸（図示せず）は互いに平行であり垂直方向に平面を定義する点と、軸Ｙは該平面内に含まれておりコイル１１の軸とコイル１２の軸から等距離にある点に注意されたい。
【００１９】
本発明は、磁場の水平成分（磁場の空間相）の誘導電流（磁場の時間相）とほぼ直交する成分の、導電性媒体と非導電性媒体の境界面における極値交差を、磁場センサによって検知することに基づくものである点に注意されたい。
【００２０】
一組のコイル１１および１２が供給できる電圧は、該電圧を増幅するための手段１４に送られる。
【００２１】
図１の装置は、また、増幅された電圧を同期復調するための手段１６も備える。
該電圧同期復調手段１６は、復調が交流源１０から供給された電流に対する約π／２の位相シフトを伴って起こるように、増幅器１４の出力から供給される電圧を約π／２に復調することができる。
【００２２】
よって、本発明で復調リファレンスとして直接使用されるのは、誘導電流ではなく、該誘導電流に対して約π／２だけ位相をずらされた電流である。
【００２３】
導電性液体が、センサ１３の高さ位置、つまり軸Ｙによって定義された高さ位置に達すると、一組のコイルは電気信号を発し、該信号は手段１４によって増幅され、該増幅された信号は手段１６によって復調される。
【００２４】
図１の装置は、また、復調手段１６によって供給された信号を処理するための電子手段１８も備える。
該信号処理手段１８は、例えば、導電性液体２が軸Ｙの高さ位置に達したとき信号を発するためのバルブ（または発光ダイオードまたはＬＥＤ）に接続されたトリガを含む。
手段１８から発せられた信号は、次いで、導電性液体が軸Ｙの高さ位置に達したときに視覚的な警報を発するための信号伝達手段２０（例えばバルブまたはＬＥＤ）に送られる。
変形例として、手段１８は、高さ位置到達時に警報音を鳴らすことができる信号伝達手段に接続される。
【００２５】
図２の概略図に示された本発明の実施形態は、電気抵抗が０．００１Ω．ｍから１Ω．ｍの間の溶解ガラス２２に適用される。該溶解ガラスは、垂直軸Ｘを有するコールドクルーシブル２４内で、直接誘導によって加熱される。
該コールドクルーシブルは、区切られており；並列され互いに電気的に絶縁された、ステンレス鋼などの金属でできた複数の管（図示せず）からなる。
図２には、クルーシブルの底部を構成する床２８が見られる。該床２８とクルーシブル２４の残りの部分は、水循環手段３０によって冷却される。
【００２６】
また、図２には、ガラスを加熱するための、交流源３４から供給を受けるインダクタ３２も見られる。該インダクタは、クルーシブル２４を取り囲み、同一の軸Ｘを有する。
クルーシブルを区切ることで、インダクタ３２によって発生された磁場が該クルーシブルに多少通るようになる。
【００２７】
また、図２には、鋳造ダクト３６も見られる。これは、該鋳造ダクトに取り付けられている被覆手段３８が取り外されたとき、溶解ガラスを回収するためのものである。
【００２８】
他にも：
−溶解ガラスと、クルーシブルの内側の壁の冷却金属とを隔てる、厚さ５ｍｍないし１０ｍｍの、凝固したガラスの薄膜４０と、
−溶解ガラスの上にある、溶解処理中のガラスからなる層４２と、
が見られる。
【００２９】
矢印４４はクルーシブルへの充填を示し、矢印４６は溶解ガラス２２内の対流の動きを表す。
【００３０】
図２の参照番号４８および５０はそれぞれ、クルーシブル内の溶解ガラスの上方の（水平な）高さ位置と下方の（水平な）高さ位置を表す。一旦溶解が始まると、溶解が失敗しないように、鋳造中、貯留高さ位置を最低限に保つ配慮が必要となる。
【００３１】
図２に示した本発明の装置は、上述した下方の高さ位置と上方の高さ位置を検知するためのものであるが、充填および排出作業中に物質の高さ位置の変化を監視するためのものとしてもよい。
【００３２】
当該装置は、交流源３４から供給を受けるインダクタ３２と、インダクタの軸に沿った磁場の水平成分の偏微分を検知するためにそれぞれ高さ位置４８および５０に配置された２つの磁場センサ５２および５４とを備える。
より厳密には、図２の実施形態において、これらのセンサ５２および５４は、インダクタ３２とクルーシブル２４との間に配置されており、該センサはそれぞれ、差動するように上下に取り付けられた一組の同一のコイルを備え、これら２つのコイルはほぼ水平であり、互いに平行である。
センサ５２（および５４）のコイルには、参照番号５６と５８（および６０と６２）が付されており、これら２本のコイルの軸によって定義された平面内にあり該２本の軸と平行で且つ該軸から等距離にあるセンサの軸は、クルーシブル２４の軸Ｘと直交し、クルーシブル内の溶解ガラスの下方の高さ位置（および上方の高さ位置）に対応する。
【００３３】
図２の装置は演算増幅器６４（および６６）を備え、図２に見られるように、該増幅器の２つの入力はそれぞれコイルアセンブリ５６−５８（および６０−６２）の２つの端子と接続している。
【００３４】
当該装置は他にも：
−その入力信号が演算増幅器６４（および６６）の出力と接続しており、そのリファレンス入力が交流源３４と接続している同期復調手段６８（および７０）と、
−復調手段によって供給された信号のゼロ交差または符号変化を検知するための電子手段７２（および７４）であって、該電子手段７２（および７４）の入力がそれぞれ復調手段６８（および７０）の出力と接続している、電子手段と、
−ゼロ交差または符号変化した信号を供給する電子手段７２および７４から入力として信号を受信する信号伝達手段７６と、
を備える。
【００３５】
各高さ位置４８または５０について、同期復調は、インダクタ電流に対してほぼ直交して（π／２の位相シフト）実行される。
【００３６】
復調リファレンスの発生源は、インダクタに流れる電流のピックアップポイントである。
【００３７】
（同一の）コイル５６および５８の各形状によって、検知の精密度だけでなく、受感性および測定の安定性が決定し、同じことがコイル６０および６２についても言えることに注意されたい。
【００３８】
コイル５６と５８（および６０と６２）の差動取り付けによって、軸Ｘに沿って磁場の水平成分の偏導関数を求めることができるようになる。
【００３９】
復調手段６８（および７０）の出力で回復された信号を電子手段７２（および７４）に導入することによって、溶解ガラスの高さ位置がセンサ５２（および５４）に達したとき信号伝達手段７６で警報信号を発動させることができる。
【００４０】
図３の部分的な概略図に示されたまた別の実施形態では、センサ５２および５４はインダクタ３２とクルーシブル２４との間にはなく、下方端の閉じた管内に配置されている。
該管は電気的に絶縁されており（例えばアルミニウムまたはセラミック）、必要に応じて冷却されるものであって（その手段は図示せず）、層４２を通って溶解ガラス２２中に浸されるように、クルーシブル２４内においてその内側の壁と軸Ｘの間に垂直に配置される。
管７８とコイル５６、５８、６０および６２の寸法は、機械的および熱的ストレスに合わせて変えられる。
【００４１】
好ましくは、管７８は、磁場の水平成分が最大であるクルーシブルの軸Ｘから距離Ｒをおいて配置される。
距離Ｒの決定には例えば以下の方法がとられる：
例えば当該装置の（幾何学的および物理的な意味での）全構成要素に関して入力された有限要素シミュレーションコードを用いて、クルーシブル内で磁場Ｈを計算する。
こうして磁場Ｈを計算し、水平磁場Ｈｒから直交成分（誘導電流に対するほぼπ／２の位相シフト）を抽出する。
次いで該成分が最大である距離を求める。
【００４２】
本発明では、排出段階（溶解ガラスの下降率は約４０ｍｍ／分）においても、充填段階（上昇率は１ｍｍ／分）においても、溶解ガラスの貯留の上方および下方の高さ位置を、約±１０ｍｍの精度で測定することができる。
【００４３】
図２の装置では、図２の５４−６６−７０−７４の種類のアセンブリをさらに１つ以上設けることによって、２つ以上の高さ位置で溶解ガラスの通過を検知することができる。このとき、こういったさらなるアセンブリそれぞれに対するセンサは、センサ５２と５４の間に設けられる。
こういったアセンブリを複数用いることによって、クルーシブル内の溶解ガラスの高さ位置およびその変位率の測定が可能となる。
このために、図２の手段７６を付加的に：
−溶解ガラスが１つの高さ位置から次の高さ位置に到達するまでの時間間隔を測定し、
−該測定された時間間隔でこれら一連の高さ位置の間の距離を除す
ことができるように設定してもよい。
該距離は、例えば使用者によって測定され、手段７６に保存される。
【００４４】
上述の実施例は、溶解ガラスの高さ位置を検知するものとした。
本発明は、溶解金属または液体金属、さらに一般的には導電性液体または導電性を有するようにつくられた液体の高さ位置の検知も可能とする。
本発明は、さらに、例えば微粉炭、またはプリンタまたはコピー機のトナーなどの導電性粉末状物質の高さ位置の検知も可能とする。
【００４５】
本発明は、また、可動な導電性モノリシック構造物の位置の検知にも適用される。
これは図１の実施例に図示されており、ここでは、導電性モノリシック構造物Ｓが、図示されていない手段によって高さ位置が容器４内で変化する液体８０の表面に浮いている様子が見られる。該構造物Ｓは、（液体８０の高さ位置が十分上昇して）軸Ｙの高さ位置に達するとセンサ１３によって検知される。
【００４６】
水平軸で示される容器内の相対的な高さ位置を本発明の装置で検知することによって、該水平軸と例えば容器の底部である基準位置との間の距離がわかっている場合、該高さ位置の測定が可能となることに注目されたい。この意味で、本発明の対象である装置は、絶対的な高さ位置の測定装置ともなり得る。
【００４７】
さらに、磁場を受感するために本発明で使用されるコイルの螺旋の大きさは、受けるストレスに合わせて変えることができることに注意されたい。
例えば、螺旋の傾斜部分を広げることで、
−測定感度を向上し、
−傾斜による部分的な障害を平均化する
ことができる。
【００４８】
図１ないし３の実施例では、トランスデューサをコイルからなるものとした。
しかし、本発明はこういったコイルの使用に限定されず：代わりに、例えば磁気抵抗またはホール効果トランスデューサを使用することもでき、増幅器、復調手段および処理手段１４−１６−１８または６４−６８−７２および６６−７０−７４をそういったトランスデューサに適合させることができる。
【００４９】
さらに、実施例では、一組のトランスデューサを同一のものとした。
しかし、本発明はそれらに限定されず：互いに異なる一組のトランスデューサ（例えば一組のコイル）からなる磁場センサを１つ以上使用することもでき、増幅器、復調手段および処理手段をそういったトランスデューサに適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象である装置の一実施形態の概略図である。
【図２】直接誘導溶解のためのコールドクルーシブルに適用される他の実施形態の概略図である。
【図３】絶縁管を使用した、図２の装置の変形の部分的な概略図である。

Claims (12)

1. 液体状または粉末状または分離した形態において固体状の、導電性物質または導電性を有するようにつくられた物質（２；２２）の、該物質が垂直軸を有する容器（４；２４）に充填されている、または該容器から排出されている際の、高さ位置を検知するための、または容器内で可動なモノリシック且つ導電性固体状物質の位置を検知するための装置であって：
   −容器を取り囲み、該容器と同一の軸を有する、物質に交流を発生させるためのインダクタ（８；３２）であって、該容器は該インダクタによって発生された磁場をほぼ通す、インダクタと、
   −インダクタに電流を供給するための交流源（１０；３４）と、
   −インダクタの軸に沿った磁場の水平成分の偏微分を検知するために、インダクタと容器の軸の間に、容器の軸と直交するほぼ水平な軸方向に沿って配置された少なくとも１つの磁場センサ（１３；５２、５４）であって、該磁場センサは差動するように上下に取り付けられた一組のトランスデューサ（１１−１２、５６−５８、６０−６２）からなり、これらトランスデューサの受感軸は互いにほぼ平行であり、該磁場センサはこれら２本の受感軸によって定義された平面内にあり且つ該２本の受感軸から等距離にある軸に沿っている、磁場センサと、
   −磁場センサによって供給された信号を復調する手段（１６；６８、７０）であって、ここで復調は交流源から供給された電流に対する約π／２の位相シフトを伴って起こる、復調手段と、
   −復調手段によって供給された信号を処理し、物質が磁場センサの高さ位置に到達したことを示す信号を発するための処理および信号伝達手段（１８、２０；７２、７４、７６）と、
   を備えることを特徴とする装置。
2. トランスデューサが同一である、請求項１に記載の装置。
3. 処理および信号伝達手段（７２、７４）が、復調手段によって供給された信号のゼロ交差を検知するための電子手段を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 処理および信号伝達手段（７２、７４）が、復調手段によって供給された信号の符号変化を検知するための電子手段を含む、請求項１または２に記載の装置。
5. 容器内の物質の状態、液体状か固体状かに関わらず、磁場センサ（１３；５２、５４）がインダクタ（８；３２）と容器（４；２４）の間に配置される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. 物質が液体状または粉末状または分離した形態において固体状であり、磁場センサが、容器（２４）内において容器の内側の壁と軸の間に配置された、下方端の閉じた電気的絶縁管（７８）または導電性がごくわずかである管（７８）の内部に配置される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
7. 管（７８）が、磁場の水平成分と直交する成分が最大である容器の軸から距離をおいて配置される、請求項６に記載の装置。
8. 容器がコールドクルーシブル（２４）であり、該クルーシブルは互いに電気的に絶縁された複数の部分から形成され、冷却手段（３０）を備え、インダクタ（３２）は容器内の物質を加熱するために使用される、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。
9. 物質が、溶解ガラスまたは溶解金属からなる群から選択される、請求項８に記載の装置。
10. 容器の複数の高さ位置に配置された複数の磁場センサ（５２、５４）を備え、物質がこれらの磁場センサのいずれの高さ位置に達したときも検知できるようになっている、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
11. 当該装置が容器内の物質の高さ位置の変位率を測定するための装置となるように、物質が１つの高さ位置から次の高さ位置に達するまでの時間間隔を測定し且つ該測定された時間間隔でこれら一連の高さ位置の間の距離を除すことができるように処理および信号伝送手段（７２、７４、７６）が付加的に設定される、請求項１０に記載の装置。
12. 磁場トランスデューサが、コイル、磁気抵抗およびホール効果トランスデューサからなる群から選択される、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の装置。