JP2006017492A - ホルダー内ピストンの傾斜測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホルダーのピストンの傾斜などの諸測定量を光学式距離計を用いて、安全、連続かつ精度よく測定できるピストンの傾斜測定装置を提供し得ること。
【解決手段】 危険場所であるホルダーにおいて、距離計８をホルダー上部に、好ましくは反射シート１０をピストン面に設置し、距離計の測定値を安全場所に設置している演算装置に伝送する。演算装置では、ピストン面の傾斜を測定すると共に、必要に応じて移動速度、移動距離、距離計良否判定などを実施し、左記諸量の表示、保存、他設備への伝送を行うことができるようにすること。
【選択図】 図２

Description

本発明は、各種ガスを一時的に貯蔵するガスホルダー等の如き、内部にピストン機構を有するホルダーにおいて、ホルダー内シールを行っているピストン面の傾斜状況、及び必要に応じて移動積算量や移動速度をも連続的かつ高精度に測定することが可能な測定装置に関するものである。

例えば製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉などを用いて操業する場合、必ずガスが生成される。これらのガスは、その成分組成からそのまま放出することはできないものがほとんどであり、また、燃料ガスとして再利用可能であることから、炉から排出された後、円筒型の貯蔵タンク（以下、ガスホルダーという）内にいったん貯蔵され、必要に応じて取出され、他のガスと混合されて適宜用途の燃料ガスとして利用されるか、場合によっては無害化処理を施してから燃焼・放散される。通常、ガスホルダー内には周縁にシール手段を備えた蓋状のピストン機構（以下、単にピストンという）が装着されており、該ピストンは、ホルダー下部に供給されかつ下部から排出されるガス量（ガス圧）に対応して昇降摺動しガスを封じ込む構造となっている。
ガスホルダー内のガスが可燃性或いは有害な性質を持つ場合には、特にピストン周縁とホルダー内壁面間のシール性が重要であり、僅かなガスの漏洩も問題となる。ガス漏洩の原因としては、一義的にはピストンの傾斜（水平面に対する傾き）が挙げられ、その許容範囲を超える傾きは直ちに検知してその対策を講じる必要がある。また、他の漏洩の原因として、シール面の摩耗や不具合（変形など）も挙げられ、この場合も事前に検知して迅速に対処することが要求される。

従来、ガスホルダーの場合、ホルダー内のピストンのシール手段として、ピストン周縁にシール油溜り部を形成しており、このシール油のレベルを測定することで間接的にピストンの傾斜（東西、南北方向）を点検している。このガスホルダー内部のピストン外周にあるシール油の油位の測定は、作業者による手動計測での点検、あるいは光学式変位または超音波式で測定を実施している。具体的には、超音波や圧力センサーなどを使用して得た油位の計測値と演算によって、ガスホルダーのピストン傾斜（東西、南北）、ピストンレベル、ピストンスピード、ピストン走行距離積算値等の各測定値を得ている。
例えば、特許文献１には、爆発の原因となる電気機器の設置を避けて、シール油の変位に連動する透過光量可変部材、投光部および受光部を有する光学的検出手段を用い、ピストン外周部の少なくとも３ヶ所のシール油の変位量を検出し、この光信号を計測部に送って減光量を計測し、更にこれを演算部に送ってピストンの傾斜を演算処理して算出するピストンの傾斜測定装置が開示されている。
特開平７―７７４５２号公報

シール油の油位を作業者が手動計測して点検する場合には、安全な運転状態を維持するための連続測定が不可能であり、かつ、ガスホルダー内空気室は常にガスが充満している可能性が高く危険場所であるなどの課題がある。また、特許文献１のように、内部のピストン外周にあるシール油の油位を光学式で測定する場合、安全性の面では改良されているが、機構的に高精度の測定は無理であると共に、複雑なシール油レベル検出機構を採用していることから実用的ではなく、加えて測定はピストン部の傾斜測定のみであり、タンクシール部摩耗状態を予測する移動距離積算距離（ピストン移動量）が測定できない、等の問題がある。なお、超音波方式を採用した場合でも、移動積算距離は測定できるものの、ピストンの傾斜量を精度良く測定できない課題がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、単純な光距離計を用いて直接ピストン部の距離を計測することで、ピストンの傾斜及び必要に応じてピストンの移動積算量、移動速度を連続して高精度に測定することが可能な装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を達成するための本発明の測定装置は、ホルダー上部に少なくとも３台の光波距離計を設置し、これらの光波距離計によりホルダー内ピストンまでの距離を測定し、得られた距離値を演算処理することにより、ピストンの傾斜を求めることを特徴とする。この場合、上記光波距離計の発光素子がレーザまたはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であることが望ましい。
また、上記光波距離計の距離信号を演算処理することによりピストンの傾斜を求める際に、上記３点のみの距離信号から幾何学的演算によりピストン面の傾斜を演算することができると共に、この求めたピストン面の傾斜から、ピストンの最大の傾斜量と最大傾斜方向を求めることが可能となる。
また本発明では、上記光波距離計を４点以上設置した場合に、そのうちの３点の距離信号からピストン面の傾斜を求めると共に、残りの距離信号により他の距離計の良否を判定する。加えて、ホルダー内ピストン傾斜の検出に、長距離測定可能な２周波方式の距離計を用いることで、高精度なホルダー内ピストンの傾斜を測定することができる。
さらに本発明においては、ピストンの傾斜のみならず、上記光波距離計の距離信号を演算処理することにより、ピストンの移動速度、またはピストン移動量積算値を求めることも可能である。

上記の如く本発明では、ガスホルダー（タンク）内部に設置する距離計の投光／受光部を電気的な機構が無い光学系のみとすることで爆発源とはならない。投光／受光部と計測部の結合は、光ファイバーにより結合し電気的な部位を設けない。尚、投光／受光部に電機的機構のある距離計を使用する場合、距離計を耐圧防爆構造容器に収納し爆発源とならない構造とする必要がある。
以上のように、少なくとも３台以上距離計を設置し各ピストン部の距離を測定を行うことで、その測定距離値にて、ピストン部の東西、南北の個別傾斜量を演算するとともに、最大傾斜量、最大傾斜方向、移動積算量、移動速度を演算する。

上述したように本発明によれば、大型ホルダーのピストン諸測定において、爆発火源となり得る電気機器を対象物付近の危険域に設置せず、もしくは電気機器を火源とならない構造にし、ホルダーピストンの傾斜や移動量を連続的且つ高精度に測定することができ、これによってガスホルダー内のガスが漏洩するなどの事態が生じる前に、確実に必要な対策を採ることができる。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明装置に使用する光波距離計の測定原理を示すものである。図示するように、計測部１のＬＥＤ素子またはＬＤ（Laser Diode）から投射された光は、光ファイバー４を通してホルダー上部外周側に設置されている投光素子２のレンズを通して被測定面７であるホルダーピストン部へ投射５される。ホルダーピストン面７から反射した光６は、投光素子２と並設されている受光素子３のレンズにて集光され、光ファイバー４を通して計測部１の受光回路で受けて投光波と受光波の位相差の時間を測定して距離値に変換する。原理的には投光５及び受光６ともに測定面７に対して鉛直であることが必要である。なお、受光素子としては、例えばＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）を使用した位相差時間測定方式で行うことが好ましい。

図２は本発明に係る測定装置の全体構成の一例を示す概略図である。
危険場所側であるタンク（ホルダー本体）９の上部に、電気機器不要の光ファイバー式距離計または防爆構造の距離計８を３台以上設置し、距離計とピストン面７間の３箇所以上の距離を測定する。図示の例では、距離計８は南北２点、東西２点の４箇所に配置しているが、該距離計８は最低限３台必要であり、必要に応じて４台以上設置することも可能である。ホルダーのサイズ、ホルダー内のガス種或いは要求される精度などによって、その設置数を適宜選択すれば良い。距離計８による測定結果は、光ファイバーまたは通信線１１にて安全場所側に設置してある演算処理装置１２に送られ、そこで各種演算を行う。演算結果出力１３としては、東西南北の傾斜量、最大傾斜量とその方向が必須であり、必要に応じてピストン移動積算量、移動速度、異常状態出力などがあり、アナログ又はデジタルのいずれでも出力可能としておく。

なお、ピストン面７から反射する光エネルギーはピストン面の性状や傾きに大きく影響されることから、反射シート１０をピストン面に貼り付け測定の安定化を図ることが好ましい。該反射シート１０の貼付位置は距離計８に対応するピストン面の上部面側であり、必ずしも水平ではない状況が考えられるため、シートを貼り付けるときには何らかの部材を加えることで水平状態に貼り付けることが肝要である。反射シート１０としては反射効率の良い銀色系の金属シート、フィルムを貼り付けたり、塗料を塗布することが望ましい。

図３は反射シートの特徴を示したものである。反射シートとして単に鏡面状のものの場合は、反射は直反射であり入射角と反射角が等しい。この場合には鏡面の向きは光波距離計の向きと常に直角に限定され、わずかな角度の変化でも、反射光が受光できなくなる。光波距離計の反射シート１０として用いられるものは、再帰反射（入射した光が再び入射した方向へ帰る）の機能をもつものである。
図４は反射シートの具体的な構造例を示したものである。微小なガラスビーズ１４が均一に塗布された柔軟なシート状のものである。ガラスビーズ（直径４０〜９０ミクロン）がレンズとして作用し入射した光が焦点を結び反射層１５により反射し、もとの入射方向に帰される。図において、１６は接着剤層、１７は表面フィルムである。

以下、本発明に係る測定装置を用いて得られた測定値に基づいて行う各種演算について説明する。
東西南北（ＸＹ方向）の傾斜量は、図５（ａ）、（ｂ）に示す３台又は４台の距離計Ａ〜Ｄでホルダーピストン面の東西南北の傾斜量を測定する。まず、空間における平面の式は
Ｚ＝ａＸ＋ｂＹ＋ｃ （１）
と表される。ここで、Ｘ軸上での傾きはａであり、Ｙ軸上での傾きはｂである。ｃは平面がＺ軸と交わる点である。
空間座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚとタンクと距離計の配置を図５（ｂ）のように設定する。距離計を３台使用しＸ軸に２台、Ｙ軸に１台を、各々軸の中心よりＲの距離に設置する。このとき点Ａ、Ｂ、Ｃ、（Ｄは４台設置した場合）の座標は、（Ｒ、０、−Ｚ１）、（０、Ｒ、−Ｚ２）、（−Ｒ、０、−Ｚ３）とおける。Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３は３台の距離計のそれぞれの測定値である。３点（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、（ｘ３、ｙ３、ｚ３）を含む平面は、下記の（２）式で表される。
｛（ｙ２−ｙ１）（ｚ３−ｚ１）−（ｙ３−ｙ１）（ｚ２−ｚ１）｝（Ｘ−ｘ１）＋｛（ｚ２−ｚ１）（ｘ３−ｘ１）−（ｚ３−ｚ１）（ｘ２−ｘ１）｝（Ｙ−ｙ１）＋｛（ｘ２−ｘ１）（ｙ３−ｙ１）−（ｘ３−ｘ１）（ｙ２−ｙ１）｝（Ｚ−ｚ１）＝０ （２）
図５の場合
（ｘ１、ｙ１、ｚ１）＝（Ｒ、０、−Ｚ１）
（ｘ２、ｙ２、ｚ２）＝（０、Ｒ、−Ｚ２）
（ｘ３、ｙ３、ｚ３）＝（−Ｒ、０、−Ｚ３）を代入すると（２）式は
Ｒ（Ｚ１−Ｚ３）Ｘ＋（（Ｚ１−Ｚ３）Ｒ−２Ｒ（Ｚ１−Ｚ２））Ｙ＋２Ｒ^２Ｚ
＝−Ｒ^２（Ｚ１＋Ｚ３） （３）
Ｚについて解くと
Ｚ＝｛（Ｚ３−Ｚ１）Ｘ／２Ｒ｝＋｛（Ｚ１＋Ｚ３−２Ｚ２）Ｙ／２Ｒ｝
−（Ｚ１＋Ｚ３）／２ （４）
したがって、
Ｘ軸上での傾きａは・・・・・・（Ｚ３−Ｚ１）／２Ｒ （５）
Ｙ軸上での傾きｂは・・・・・・（Ｚ１＋Ｚ３−２Ｚ２）／２Ｒ （６）
東西方向の傾きは（５）式で表せる。また（５）式にピストン面の直径を乗算すると傾斜量となる。南北方向の傾きは（６）式で表せる。また（６）式にピストン面の直径を乗算すると傾斜量となる。

ピストンの最大傾斜方向及び傾斜量は次のように算定する。まず、図６のようなピストンの傾きを考える。この場合ピストンの傾きのみを考えているので、ピストン平面を原点を含むようにＺ軸を移動する。このような傾きの平面はＺ＝−ａＸ＋ｂＹとおける。
もし、ピストンに等高線（Ｚ座標が同一の点）を引くと、最大傾斜の線と直角に交わる。図６を上から見たときの図を図７とすると、半径１の円（基準円）と接する等高線の交点ＰのＺ座標が、求めるピストンの傾きの値である。
ここで、ピストン平面の式をＺ＝−ａＸ＋ｂＹと定義し、等高線のうちＺ＝０のものは０＝ａＸ＋ｂＹという式で表され、図７に書き加える。
図８におけるＭの座標（成分）は、式（２）、式（３）との交点ということより、式（７）のように表される。
Ｍ（Ｘ、Ｙ）＝（−ｂ／√（ａ^２＋ｂ^２）、−ａ／√（ａ^２＋ｂ^２）） （７）
図８において、ΔＯＰＱとΔＯＭＴは合同であり、したがって点Ｐの座標（成分）はＭとＸ、Ｙが逆であることから下記の如く求まる。
Ｐ（Ｘ、Ｙ）＝（−ａ／√（ａ^２＋ｂ^２）、ｂ／√（ａ^２＋ｂ^２）） （８）
Ｐ（Ｚ）はＺ＝−ａＸ＋ｂＹに代入してＺ＝√（ａ^２＋ｂ^２）と求まる。
以上をまとめると
・傾き最大値
高さ表現・・・・・・・√（ａ^２＋ｂ^２） （常に正の値） （９）
角度表現・・・・・・・atan（√（ａ^２＋ｂ^２））（常に正の値） （１０）
（atanはタンジェント逆関数を示す）
・傾き最大ライン上の点Ｐの位置（ＸＹ平面上）
Ｐ（Ｘ、Ｙ）＝（−ａ／√（ａ^２＋ｂ^２）、ｂ／√（ａ^２＋ｂ^２））
・Ｐの方向（Ｘ軸との角度）
θ＝atan（ｂ／√（ａ^２＋ｂ^２））／（ａ／√（ａ^２＋ｂ^２））＝atanｂ／ａ （１１）
このようにホルダーピストン面の最大傾斜の高さ差は（９）式で表せる。また、その角度は（１０）式で表せる。さらに、最大傾斜線の方向は（１１）式で表せる。したがって、少なくとも３点の距離計による測定値が得られれば、これに基づく幾何学的演算によって目標とするホルダー内ピストンの傾斜に関するデータは全て算出できることとなる。

ホルダーピストン部の移動距離は、３台もしくは４台の距離計により平均距離を定周期で測定し、前回測定結果と今回測定結果の差の絶対値を加算することで求めることができる。
ピストンの移動速度は、ホルダーピストン部の移動距離を３台もしくは４台の距離計により平均距離を定周期で測定し、前回測定結果と今回測定結果の差を時間で除算することで求めることができる。

光学式距離計を４点以上設置した場合、（４）式より図５のＤの座標（０、−Ｒ、Ｚ４）を算出すると
Ｚ４＝−Ｚ１＋Ｚ２−Ｚ３ （１２）
となる。ここで、距離計Ｄより直接得られる、Ｚ軸方向の測定値Ｚ４′と式（１２）を比較し、
｜Ｚ４−Ｚ４′｜＞α （１３）
であった場合、距離計Ｄに異常が発生したものとして、良否判定を実施する。
ここで、点検の結果、距離計Ｄが正常であった場合、被判定距離計を切り替え、式（１２）の算出Ｚ座標をＺ１、Ｚ２、Ｚ３とすることで、全ての距離計の良否判定が可能となる。

（本発明の他の実施形態）
図９において、位相差による距離測定を説明する。一台の距離計において、波長の異なった（ｆ１、ｆ２）光波を使用し、その２波長のそれぞれの位相差から距離を求めることで、測定対象物までの距離が測定可能となる。例えば、
ｆ１＝３０ＭＨｚ ｆ２＝３００ＫＨｚとすると
ｆ１の測定範囲 Ｃ／ｆ１／２＝５ｍ
ｆ２の測定範囲 Ｃ／ｆ２／２＝５００ｍ
Ｃ：光の速度 ３×１０^８ｍ／秒
となる。
２波長の距離合成はｆ２の測定結果が＊＊＊ｍとして
＊＊０〜＊＊４ｍのとき ｆ２の測定距離を＊＊０にした距離＋ｆ１の測定距離
＊＊５〜＊＊９ｍのとき ｆ２の測定距離を＊＊５にした距離＋ｆ１の測定距離
となる。
具体的には
ｆ２の測定距離 ３０２ｍ、ｆ１の測定距離２．３４５ｍと測定されたとき
ｆ２の測定距離 ３００ｍ＋ｆ１の測定距離２．３４５＝３０２．３４５ｍ
となり、精度良く距離を測定することができる。
ｆ１、ｆ２は、周波数により測定できる最大距離と精度を決めることから、ものさし周波数と呼ばれる。

図１０は光波距離計内部の構成例を示すものである。投光波と受光波は、上記のものさし周波数で駆動されている変調波であるが、この周波数は非常に大きいので、直接これらの位相差をＩＣ等でカウントすることはできない。そこでビートダウンの手法を用いる。送信機よりものさし周波数と同期のとれた、わずかに周波数の高いローカル信号を生成し、受信機において、受光信号と掛け合わせると、ローカル信号の周波数アップ分の周波数で受信信号が得られる。例えば、ローカル信号がものさし周波数の１．００１倍とすると、受信信号の周波数は１／１０００となる。
位相差検出回路において、受信信号と、送信機から生成される位相差基準信号とにより位相差がカウントされ、その位相差カウント値をマイコンに出力する。マイコンでは位相差カウント値を距離値に変換し、表示装置や通信ポートに出力する。ｆ１、ｆ２同様に時分割で上記の測定をおこなっている。

本発明において用いる距離計の測定原理を示す図である。 本発明の実施の形態例であって、測定装置の基本構成の一例を示す図である。 本発明装置において使用する反射シートの機能を示す図である。 本発明に使用する反射シートの構造例を示す図である。 本発明に係る測定装置における各距離計の測定ポイントの一例を示す図である。 ホルダー内ピストンの最大傾斜線の定義を示す図である。 本発明に基づくピストンの最大傾斜算定の一例を示す図である。 同じく最大傾斜算定の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態を示し、位相差による距離測定を説明する図である。 本発明において用いる光波距離計の内部構成を示す図である。

符号の説明

１ 計測部 ２ 投光素子
３ 受光素子 ４ 光ファイバー
５ 投光 ６ 受光
７ 測定面（ピストン面） ８ 距離計
９ タンク（ホルダー本体） １０ 反射シート
１１ 光ファイバー又は通信線 １２ 距離計駆動演算装置
１３ 演算結果出力

Claims (7)

1. ホルダー上部に少なくとも３台の光波距離計を設置し、これらの光波距離計によりホルダー内ピストンまでの距離を測定し、得られた距離値を演算処理することにより、ピストンの傾斜を求めることを特徴とするホルダー内ピストンの傾斜測定装置。
2. 上記光波距離計の発光素子がレーザまたはＬＥＤであることを特徴とする請求項１記載のホルダー内ピストンの傾斜測定装置。
3. 上記光波距離計の距離信号を演算処理することによりピストンの傾斜を求める際に、上記３点のみの距離信号から幾何学的演算によりピストン面の傾斜を演算することを特徴とする請求項１又は２記載のホルダー内ピストンの傾斜測定装置。
4. 求めたピストン面の傾斜から、ピストンの最大の傾斜量と最大傾斜方向を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のホルダー内ピストンの傾斜測定装置。
5. 上記光波距離計を４点以上設置した場合に、そのうちの３点の距離信号からピストン面の傾斜を求めると共に、残りの距離信号により他の距離計の良否を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のホルダー内ピストンの傾斜測定装置。
6. ホルダー内ピストン傾斜の検出に、長距離測定可能な２周波方式の距離計を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のホルダー内ピストンの傾斜測定装置。
7. 上記光波距離計の距離信号を演算処理することにより、ピストンの移動速度、またはピストン移動量積算値を求めることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のホルダー内ピストンの測定装置。

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