JP2006300793A

JP2006300793A - 光式液面センサ

Info

Publication number: JP2006300793A
Application number: JP2005124521A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ueno; 達也上野
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】計測対象の液体の液位を計測するにあたり、常に安定した計測性能を提供する。
【解決手段】光式液面センサを構成する投光素子２は、透光性のある液体Ａの液面に対して斜め方向に光線を放射する。光式液面センサを構成する位置検出素子３は、投光素子２から放射され、液位に対応して液面から屈折を伴って出射した光線５を受光して、受光位置を電気信号に変換する。光式液面センサは判定回路(図示せず)を有し、判定回路は、位置検出素子３からの電気信号に基づいて液位を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液面高さを計測する液面計に関し、特に応答速度が速く、簡潔な構造を持つ液面計に関するものである。

容器内の液面高さを測定する装置としては、従来から種々の原理を用いたものが提案されている。例えば、静電容量式液面計、気圧式液面計、フロート型液面計、光式液面計などが知られている。このうち、本発明は、光式またはそれに準ずるものである。

例えば、光式液面計であれば、特許第３２００５５１号が知られている。この装置は、図２に示されるように、円筒状のガラス管内に導入された液体Ａの液面位置Ｌを光学的に測定するために、上記ガラス管１の一側に沿わせて拡散光を発光する線状の発光体２を配し、他側に沿わせて線状の受光素子３を配置している。受光素子３は、ガラス管１内の常時液相となる液相部Ｅに臨む液相部用受光素子３Eと、常時気相となる気相部Ｋに臨む気相部用受光素子３Kと、液相・気相共に含む中間部Ｔの全域に臨み液面位置に応じて受光光量が変わる中間部用受光素子３Tとの３つの部分から成る。各受光素子３の長さは、気相部用受光素子３K がＬ1 、中間部用受光素子３T がＬ2 、液相部用受光素子３E がＬ3 となっている。気相部用受光素子３K は常に気相を透過した気相透過光を受光し、逆に液相部用受光素子３E は常に液相を透過した透過光を受光することになる。中間部用受光素子３T は測定しようとする液面位置より上部にて気相を透過した気相透過光を受光し、かつ液面位置より下部にて液相を透過した透過光を受光し、これらの和の受光光量を検出することになる。受光素子は、これら受光素子の長さと受光光量とから液面位置Ｌを算出する演算部に接続される。
特許第３２００５５１号公報

しかし、発光体は長手方向に線状となっているため、液面降下時に、液体が発光体に付着する場合がある。液体が付着すると、発光体が照射する光線が拡散し減衰するため、結果として、応答速度が遅くなり、またヒステリシスを持つことになる。このように、液面の上昇・降下が伴う容器での計測において、常に安定した計測性能を提供する事が困難であった。

そこで、本発明は、上記課題を解決できる光式液面センサを提供することを目的としている。

本発明に係る光式液面センサの本質的な技術的思想は、投光素子より放射された光線は、屈折率が異なり透光性を有する物質の界面にて屈折するにおいて、前記物質のうち液層の液位が変位するにつれて、光線は液面面内方向に沿って一定の割合で変位する関係に着目し、その光線の変位を基に液位を判定することにある。

請求項1記載の発明は、光線を透光性のある液体の液面に対して斜め方向に放射する投光素子と、投光素子から放射され、液位に対応して液面から屈折を伴って出射した光線を受光して、受光位置を電気信号に変換する位置検出素子と、位置検出素子からの電気信号に基づいて液位を判定する判定回路との構成を有する光センサであることを特徴とする。

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、予め決めた液面高さでスイッチが検出信号を出力する液面スイッチを配置し、液面が投光素子と位置検出素子との間に位置しない時の受光位置の電気信号と、液面スイッチから検出信号が出力された時の受光位置の電気信号とを基に受光位置のスパンを演算する演算回路と、演算回路から受光位置のスパンの電気信号を得て、位置検出素子からの電気信号に基づいて液位を判定する判定回路との構成を有する光センサであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項1記載の発明において、投光素子からの光線が入射する側の一端は光線が直角に入射する形状を有し、光が出射する側の一端は気層と接しかつ液面面内方向に水平な形状を有する、屈折率が既知の透光体のフロートを配置し、そしてフロートの外枠として、投光素子の設置面から、フロートが滑らかに摺動するような内面形状を持つ遮光体の円筒を配置し、また、フロートを通過して出射した光線の光路上となる円筒の該当箇所は透光性を持っている、光センサであることを特徴とする。

本発明に係る光式液面センサは、投光素子より照射され、例えば液体と気体との界面にて屈折率の違いから光路が変位されて出射した光線を、受光素子の受光位置を基に液位を判定することができる。

また、本発明の第２の実施形態は、計測対象の液体の屈折率が未知であっても、予め決められた液位における、位置検出素子の受光位置を判定できるので、自動的に受光位置のスパン調整をすることができ、液位を判定することができる。

また、本発明の第３の実施形態は、液面に波が生じたとしても、フロートにより消波できるので、安定して液位を判定することができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。図１は本発明を適用した光式液面センサの第1の実施形態を示す断面図である。図1に示されるように、液体貯槽１内の底面に、光式液面センサの投光素子２を固定具２ａによって設置する。この投光素子は、受光側でスポットができる程度の大きさとなる光線を放射する。なお、単色光で波長帯域が狭い、レーザー等の光が望ましい。ここでは、投光素子２は、半導体レーザー素子およびコリメーターレンズから成り、平行光を放射するものである。投光素子２は、透光性のある液体Ａの液面Ｓ１に対して斜め方向に光線を放射するように配置される。そして、投光素子から放射され液位に対応して液面から屈折を伴って出射した光線を受光するように、受光位置を電気信号に変換する光式液面センサの位置検出素子３を、液体貯槽１内の上方へ設置する。位置検出素子３は、図中では液面に平行に設置されているが、液面に対して角度をなすように設置されてもよい。投光素子２の位置と位置検出素子３の位置とを入れ替えて配置しても液面センサを構成することが可能である。光式液面センサは位置検出素子３からの電気信号に基づいて液位を判定する判定回路部(図示せず)を有している。なお、位置検出素子３は、PSDやラインCCD等の受光素子で構成される。なお、位置検出素子３は、投光に対応した受光感度をもつ。

光は均一な媒質の中では直進する一方で、異なる媒質に進入するときは屈折を起こす。例えば、一方の媒質を水、他方の媒質を空気として、双方のように屈折率が異なり透光性を有する物体の界面にて、光は屈折する。ここでは、液体Ａの液面S１が、液層である液体Ａと気層である空気との界面を形成する。液面S１がその法線方向において、投光素子２の光線射出点よりも下にあるとき、投光素子２と位置検出素子３との間には液体Ａは存在しないので、屈折率の違いによる光路の変位は生じず、図1の光路５のように投光素子２の光軸に沿って光が直進する。この場合の位置検出素子３での受光位置をゼロ点とみなす。一方で、液面S１が法線方向で、投光素子２の光線射出点以上であるとき、投光素子２と位置検出素子３との間には液体Ａが存在するので、液体Aと空気との屈折率の違いによる光路の変位が生じ、図1の光路４のように液面S１にて光が屈折する。この場合の位置検出素子３での受光位置をC1点とする。受光位置C1点の距離換算は、位置検出素子３をPSDで構成する場合、光スポット全体の光量重心位置を算出することで、受光位置C1点の距離を換算する。また、位置検出素子３をCCDで構成する場合、光のスポットは中心が最も明るく周辺が暗いので、しきい値よりも大きい受光量を示す画素の位置を平均してスポットの位置を算出することで、受光位置C1点の距離を換算する。判定回路部は、位置検出素子３からの受光位置ゼロ点の電気信号と、受光位置C1点の電気信号とを基に液位Lを判定する。判定回路部の判定内容、即ち、本発明の液面位置測定の原理を説明する。予め、判定回路部では、位置検出素子３からの受光位置ゼロ点の電気信号は、既知である投光素子２の光線射出点の高さL1（以下、L1と表す）に相当すると設定される。液層および気層の透過率が一様であるとみなし、それぞれの層の屈折率は既知であり、判定回路部はそれら屈折率と、投光素子２の光線射出点から受光面までの高さL３（以下、L３と表す）とを基に、高さ方向の一定の液面変位に対する受光位置を表す電気信号の変化量（以下、受光位置のスパンと表す）を演算する。以上を基に、判定回路部は、液面S１であるときの受光位置C1点の電気信号と受光位置ゼロ点の電気信号との変化量を、前述の受光位置のスパンと比較して、投光素子２の光線射出点から液面までの高さL2（以下、L2と表す）を演算し、更に前述のL1を加算することで、液位Lが求まる。

判定回路部には、判定結果である液位を表示する表示部を併設してもよい。

図３は、本発明を適用した光式液面センサの第2の実施形態を示す断面図であって、１、２、２a、３、４およびL、L1、L2、L3は、図１と同様である。また、７はON/OFF液面スイッチであり、予め決められた液面S2の高さ(B2点)でスイッチがONするように配置される。また、ON/OFF液面スイッチ７からのONの電気信号は、演算回路部(図示せず)へ入力され、液位を判定するための情報の一つとなる。第1の実施形態では、気層の界面に接する層、即ち、図1では液体Aについて、屈折率が既知であったが、第2の実施形態では、液体Aの屈折率が未知である。この場合は、第１の実施形態における、屈折率の情報とL3とを基に受光位置のスパンを求める事ができない。しかしながら、液面がB2点に達すると、ON/OFF液面スイッチ７はONとなり演算回路部へONの電気信号を出力し、その時点の光路６の受光位置C2点の電気信号と受光位置ゼロ点の電気信号との変化量(受光位置ゼロ点からの横方向の変化量)と、投光素子２の光線射出点から液面S2までの高さL４(ゼロ点からの高さ方向の変化量) とを基に、演算回路部は受光位置のスパンを求める事が出来る。以上を基に、判定回路部は、液面S１であるときの受光位置C１点の電気信号と受光位置ゼロ点の電気信号との変化量を前述の演算回路部で求めた受光位置のスパンと比較して、L2を演算し、更にL1を加算することで、液位Lが求まる。なお、このように検出すべき液体が導電性を持つ場合は、液体に接触して導通するON/ OFF液面スイッチを用いるが、検出すべき液体が導電性を持たない場合は、前述のON/ OFF液面スイッチの代わりに、特開平１０−２６７７３１に記載されているようなプリズム型液面スイッチを用いて構成することもできる。なお、ON/OFF液面スイッチ７の検出信号は、液体の検出に応じて出力が変化し、ON/OFF状態が定まるものであればよい。

図４は、本発明を適用した光式液面センサの第３の実施形態を示す断面図であって、１、２、２a、３、４、５およびL、L1、L2、L3は、図１と同様である。また、８はフロートである。
フロート８は、投光素子２からの光線が入射する一端は光線が直角に入射する形状を持ち、光線が出射する一端は気層に接しかつ液面に対して水平な形状を他端に持つ屈折率が既知の透光体である。９は円筒である。円筒９は、フロート８の外枠として、投光素子２の設置面から、フロート８が滑らかに摺動するような内面形状を持つ遮光体の円筒であり、また、フロート８を通過して出射した光線の光路５と交わる円筒９の該当箇所は透光性を持っている。図示はしないが、例えば図５では、フロート８を通過して出射した光線の光路５上となる円筒９の該当箇所は、円筒の材料を切除した空間となっており、即ち、気層になっている。また、液体Aの屈折率が未知であっても、第１の実施形態と同様に、気層の界面に接する層、即ち、図５ではフロート８の屈折率が既知なので、判定回路部は、気層およびフロート８の屈折率と、L３とを基に、受光位置のスパンを演算する。以上を基に、判定回路部は、液面S1であるときの受光位置C1点の電気信号と受光位置ゼロ点の電気信号との変化量を、前述の受光位置のスパンと比較して、L2を演算し、更に前述のL1を加算することで、液位Lが求まる。

本発明を光式液面センサに適用した第１の実施形態を示す断面図である。従来の光式液面センサの実施方法を示した説明図である。（従来技術の説明）本発明を光式液面センサに適用した第２の実施形態を示す断面図である。本発明を光式液面センサに適用した第３の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１液体貯槽
２投光素子
２ａ固定具
３位置検出素子
７ ON/OFF液面スイッチ
８フロート
９円筒

Claims

次のＡ〜Ｃの構成を有する光式液面センサ。
Ａ．光線を透光性のある液体の液面に対して斜め方向に放射する投光素子。
Ｂ．投光素子から放射され、液位に対応して液面から屈折を伴って出射した光線を受光して、受光位置を電気信号に変換する位置検出素子。
Ｃ．位置検出素子からの電気信号に基づいて液位を判定する判定回路。
次のＤ〜Ｆの構成を有する請求項１記載の光式液面センサ。
Ｄ．予め決められた液面高さでスイッチが検出信号を出力する液面スイッチを配置する。
Ｅ．液面が投光素子と位置検出素子との間に位置しない時の受光位置の電気信号と、液面スイッチから検出信号が出力された時の受光位置の電気信号とを基に、受光位置のスパンを演算する演算回路。
Ｆ．演算回路から受光位置のスパンの電気信号を得て、位置検出素子からの電気信号に基づいて液位を判定する判定回路。
次のＧ、Ｈの構成を有する請求項１記載の光式液面センサ。
Ｇ．投光素子からの光線が入射する側の一端は光線が直角に入射する形状を有し、光が出射する側の一端は気層と接しかつ液面面内方向に水平な形状を有する、屈折率が既知の透光体のフロートを配置する。
Ｈ．フロートの外枠として、投光素子の設置面から、フロートが滑らかに摺動するような内面形状を持つ遮光体の円筒を配置し、また、フロートを通過して出射した光線の光路上となる円筒の該当箇所は透光性を持っている。