JP2007316041A

JP2007316041A - 液面位置検出装置

Info

Publication number: JP2007316041A
Application number: JP2006169303A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Sakata; 幸彦坂田; Seiji Nagatomo; 聖二長友
Original assignee: SAKADA DENKI MIYAZAKI KENKYU C; SAKADA DENKI MIYAZAKI KENKYU CENTER KK; Sakata Denki Co Ltd
Current assignee: SAKADA DENKI MIYAZAKI KENKYU C; SAKADA DENKI MIYAZAKI KENKYU CENTER KK; Sakata Denki Co Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】安価でデータの信頼性が高く、高精度の測定が可能な液面位置検出装置を提供する。
【解決手段】光源、透明管の直径に近い幅を持つ平行光生成レンズ、前記透明管、液面と垂直となる方向に配置する一次元ＣＣＤセンサ、演算回路を備え、前記平行光生成レンズを通過した前記光源の平行光が、前記透明管の前記液面下部の液体層を通過し、集光する光強度と、前記透明管の前記液面上部の空気層を通過し、集光しない光強度を、前記一次元ＣＣＤセンサを用いて撮像し、前記光強度の境界を前記液面の位置として検出することを特長とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、おもに、Ｕ字に設置された管に透明な液体を満たし、その管の一方を不動点となる箇所に、他方を測定物に取り付け、測定物と液面との相対位置を検出する液面位置検出装置に関する。

おもに都市部の地下構造物を築造する場合、既存の構造物（ビル、高速道路などの橋脚、地下鉄など）に影響を与えないように工事を進めなければならない。そこで、その影響を監視する測定器として液面位置検出装置がある。

液面位置検出装置は、Ｕ字に設置された管に透明な液体（おもに水）を満たし、その管の一方を基準点となる箇所に、他方を測定物に取り付け、数ヶ月から数年の間、測定物と液面との相対位置の検出を行っている。

従来の液面位置検出には、前記測定物の液面にフロートを浮かべて、前記フロートの位置を検出する方法（フロート式）がある。

一方、他分野に目を向けると、液体位置を確認するために、透明なガラス管に光を当て、液体と気体の境をＣＣＤカメラで撮像して、液面位置を検出する方法がある。（例えば、特許文献１を参照）

また、光源と光検出部を透明なガラス管の中心軸からずらして、透明管内の液体層と気体層の屈折率の違いを利用して液面を利用する方法がある。（例えば、特許文献２を参照）

特開平９−３１８４１８号広報（第５頁、図１）

特開２００４−１４４５０２号広報（第８頁、図２）

しかしながら、前記従来のフロート式液面位置検出装置では、前記フロートが管の壁面に接触し、誤差になることがあるので、非接触で液面位置を検出する必要がある。

一方、非接触で液面位置を検出する従来の技術では、二次元ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラを使用する場合、液面位置を検出するためのシステムを構築すると、従来のフロート式液面位置検出装置に比べると高価になってしまう。また、入力光の幅を狭くし、ＣＣＤセンサと光源をオフセットさせて液面位置を検出する場合、半年から数年間、液面位置を連続して測定を行うと、透明管内にゴミや水垢等が付着してしまうことがあり、光路を妨げ、液面位置の検出に影響を及ぼすという問題点がある。

本発明の課題は、測定物と液面との相対位置を検出する装置において、安価でデータの信頼性が高く、高精度の測定が可能な液面位置検出装置を提供することである。

本発明によれば、光を透過する透明管の内側にある液体の液面位置を検出する液面位置検出装置において、光源、前記透明管の直径に近い幅を持つ平行光生成レンズ、前記透明管、前記液面と垂直となる方向に配置する一次元ＣＣＤセンサ、演算回路を備え、前記平行光生成レンズを通過した前記光源の平行光が、前記透明管の前記液面下部の液体層を通過し、集光する光強度と、前記透明管の前記液面上部の空気層を通過し、集光しない光強度を、前記一次元ＣＣＤセンサを用いて撮像し、前記光強度の境界を前記液面の位置として検出することを特長とする液面位置検出装置が得られる。

さらに、本発明による液面位置検出装置においては、請求項１に記載の液面位置検出装置において、前記透明管と前記一次元ＣＣＤセンサの間に、前記液面と平行に光が拡散する拡散板を備えることを特徴とする。

さらに、本発明による液面位置検出装置においては請求項１または請求項２に記載の液面位置検出装置において、前記平行光生成レンズと前記透明管の間に、前記液面と垂直方向の平行光中心部をある幅で遮蔽する遮蔽板を備えることを特徴とする。

さらに、本発明による液面位置検出装置においては請求項１または請求項２または請求項３に記載の液面位置検出装置において、前記一次元ＣＣＤセンサまたは前記拡散板と前記透明管の間に、前記液面と垂直方向に集光する集光レンズを備えることを特徴とする。

本発明による液面位置検出装置においては、光源、平行光生成レンズ、透明管、一次元ＣＣＤセンサを備え、前記透明管に入射する前記透明管の直径に近い幅を持つ平行光が、前記透明管内の液体層を光が通過する場合は、レンズ効果により、ある位置に集光し、前記透明管内の気体層を通過する場合は、前記平行光がそのまま通過する。前記集光位置に、液面位置と垂直になるように、数マイクロメータから数十マイクロメータの角型受光素子が密に一列に並んだ一次元ＣＣＤセンサを配置し、前記一次元ＣＣＤセンサ用いて液体層および気体層を撮像することで、光強度の境界を液面位置として高精度に検出することができる。

また、液面と同じ方向にのみ光が拡散する拡散板を、前記透明管と前記一次元ＣＣＤセンサの間に配置することで、集光途中の光を、測定に影響がない前記液面に平行な方向に拡散させ、集光してきた前記透明管の直径に近い幅分の前記平行光を、一次元ＣＣＤセンサの数マイクロメータから十数マイクロメータの角型受光素子に、確実に当てることができる。

さらに、前記平行光生成レンズと前記透明管の間に、液面と垂直方向の平行光中心部のある幅を遮蔽する遮蔽板を配置することで、前記透明管内の空気層を通過した光が、前記一次元ＣＣＤセンサの前記受光素子に直接当たらず、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

加えて、前記一次元ＣＣＤセンサまたは前記拡散板と前記透明管の間に、前記液面と垂直方向に集光する集光レンズを配置することで、測定範囲を自由に設定することができる。

以上のように、本発明による液面位置検出装置においては、安価でデータの信頼性が高く、高精度の測定が可能な液面位置の検出が可能である。

以下、本発明による液面位置検出装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１および図２は液面位置検出装置４の計測システムの一構成図である。図１はＵ字に設置された管に透明な液体（おもに水を使用）を満たし、その管の一方を不動点となる箇所に、他方を測定物に取り付け、測定物と液面との相対位置を測定する場合の構成を示したものである。基準物１に取り付けられた基準タンク３と、測定物２に取り付けられた１台または複数台の液面位置検出装置４が、液体で満たされたホース５と接続されている。前記構成で、測定物に変動（一般的には沈下）があった場合に、測定物２と液面６の相対的な変動を検出することができる。

図２は流量を測定する堰において、液面位置の変化より流量測定する場合の構成である。流量を測定する堰７（おもに、三角堰などがある）に、ホース５で接続された液面位置検出装置４の液面６の変動を検出することで、測定対象物の流量９を測定することができる。

次に、図３及び図４を参照して本発明に係る液面位置検出装置４の一実施形態を説明する。図３は本発明による液面位置検出装置４の構成図である。液面位置検出装置４は、光源１１、平行光生成レンズ１２、前記測定物２に取り付けられたＵ字管の片方に接続する透明管１３、液面６と垂直方向になるよう配置された一次元ＣＣＤセンサ１４、演算回路１５、振動吸収用補助タンク１６で構成されている。光源１１、平行光生成レンズ１２、透明管１３、一次元ＣＣＤセンサ１４は、図４に示すように前記順で一直線上に配置されている。

図５に示すように、光源１１の光２１が、透明管１３の直径に近い幅を持つ平行光生成レンズ１２を通過して、平行光２２が生成される。ここで、光源１１には例えば指向性をもたない発光ダイオードやレーザ光源を、平行光生成レンズ１２には例えばシリンドリカルレンズやリニアフレネルレンズを用いる。

透明管１３に入射した光は、透明管１３内が液体層の場合はレンズ効果により集光２３し、また、透明管１３内が空気層の場合は図６に示すように集光せずに平行光２２のままである。ここで透明管１３には例えばガラス管やアクリル管を用いる。

平行光２２および集光２３を、集光２３位置に配置された一次元ＣＣＤセンサ１４で液体層から撮像することで、演算回路１５で設定した閾値を超える一次元ＣＣＤセンサ１４の受光素子１７の位置を、液面６の位置として検出することができる。

平行光２２と集光２３を一次元ＣＣＤセンサ１４で撮像した場合の一例を図７に示す。波形３１は集光２３の強度で、波形３２は平行光２１の強度である。図７中の閾値３３を越える一次元ＣＣＤセンサ１４の受光素子１７の位置３４を液面としている。

また、液面位置検出装置４において、一次元ＣＣＤセンサ１４の受光素子１７は数マイクロメータから数十マイクロメータ角の大きさなので、集光２３を受光素子１７に当てる調整が容易でなく、また、周辺温度の変化が大きい場合、一次元ＣＣＤセンサ１４の取り付け部（図示せず）の伸縮で集光２３が一次元ＣＣＤセンサ１４から外れ、測定エラーを起こすことがある。そこで、図８に示すように、透明管１３と一次元ＣＣＤセンサ１４の間に液面６と平行に光が拡散する拡散板１８を配置することで、図９に示すように、入射してきた集光２３を拡散板１８で、透明管１３の直径方向にのみ拡散させ、例えば数ミリの幅をもった集光２３から、光の密度は小さくなるが、確実に受光素子１７に当てる拡散光２４を作成することができる。なお、集光２３の強度を大きくするには、光源１１の出力を大きくすればよい。また、集光２３の拡散は液面６に対して平行方向にのみ広がるので、測定精度には影響しない。ここで、拡散板１８には例えばレンチキュラレンズ（図９で図示）や一方向に研磨したガラス板やアクリル板が用いられる。

また、液面位置検出装置４において、透明管１３が空気層の場合、平行光２２の一部が、一次元ＣＣＤセンサ１４に当り、Ｓ／Ｎ比が悪くなることがある。そこで、図１０に示すように、平行光生成レンズ１２と透明管１４の間に、前記液面６と垂直方向の平行光中心部を数ミリ程度の幅を持つ遮蔽板１９を配置することで、図１１に示すように、一次元ＣＣＤセンサ１４に当たらない遮蔽光２５を作成することができる。なお、遮蔽板１９の幅は一次元ＣＣＤセンサ１４の受光素子１７に対していは十分に大きく、また、平行光２２の幅より十分小さいので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。ここで、遮蔽板１９には例えば数ｍｍの幅をもつ金属板または樹脂板が用いられる。

また、液面位置検出装置４において、測定範囲が長くなった場合、一次元ＣＣＤセンサ１４の長さを合わせることが困難な場合がある。そこで、図１２に示すように、一次元ＣＣＤセンサ１４または拡散板１８と透明管１３の間に、液面６と垂直方向に集光する集光レンズ２０を配置することで、測定範囲を自由に設定することができる。ここで、集光レンズ２０には例えばシリンドリカルレンズやレンチキュラレンズが用いられる。

本発明による液面位置検出装置の一実施形態を示した図である。本発明による液面位置検出装置の一実施形態を示した図である。図１または図２に示された液面位置検出装置の構成について説明するための図である。図３に示された液面位置検出装置の配置順を説明するための図である。図３において、液面位置検出装置透明管内の液面下の液体層を通過する光路を説明するための図である。図３において、液面位置検出装置透明管内が液面上の気体層を通過する光路を説明するための図である。図５、図６で得られた一次元ＣＣＤセンサの出力例を説明するための図である。図４に示された液面位置検出装置に、拡散板を追加する場合の配置例を説明するための図である。図８において、拡散板の効果を説明するための図である。図８に示された液面位置検出装置に、遮蔽板を追加する場合の配置例を説明するための図である。図１０において、液面位置検出装置透明管内が液面上の気体層を通過する光を説明するための図である。図１０に示されたに液面位置検出装置に、集光レンズを追加する場合の配置例を説明するための図である。

符号の説明

１基準点
２測定物
３基準タンク
４液面位置検出装置
５ホース
６液面
７堰
８矢印方向から見た断面図
９堰を流れる流量
１１光源
１２平行光生成レンズ
１３透明管
１４一次元ＣＣＤセンサ
１５演算回路
１６振動吸収用補助タンク
１７一次元ＣＣＤセンサ１４の受光素子
１８拡散板
１９遮蔽板
２０集光レンズ
２１光源１１より発せられた光
２２平行光生成レンズ１２で生成された平行な光（平行光）
２３平行光２３が透明管１３の液面下の液体層を通過して集った光（集光）
２４拡散板１８で拡散された光（拡散光）
２５遮蔽板１９で遮蔽された光（遮蔽光）
３１集光２３を一次元ＣＣＤセンサ１４で撮像したときの波形
３２平行光２２を一次元ＣＣＤセンサ１４で撮像したときの波形
３３演算回路で設定した閾値
３４一次元ＣＣＤセンサ１４の受光素子１８の位置

Claims

光を透過する透明管の内側にある液体の液面位置を検出する液面位置検出装置において、光源、前記透明管の直径に近い幅を持つ平行光生成レンズ、前記透明管、前記液面と垂直となる方向に配置する一次元ＣＣＤセンサ、演算回路を備え、前記平行光生成レンズを通過した前記光源の平行光が、前記透明管の前記液面下部の液体層を通過し、集光する光強度と、前記透明管の前記液面上部の空気層を通過し、集光しない光強度を、前記一次元ＣＣＤセンサを用いて撮像し、前記光強度の境界を前記液面の位置として検出することを特長とする液面位置検出装置。
請求項１に記載の液面位置検出装置において、前記透明管と前記一次元ＣＣＤセンサの間に、前記液面と平行に光が拡散する拡散板を備えることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項１または請求項２に記載の液面位置検出装置において、前記平行光生成レンズと前記透明管の間に、前記液面と垂直方向の平行光中心部をある幅で遮蔽する遮蔽仮を備えることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項１または請求項２または請求項３に記載の液面位置検出装置において、前記一次元ＣＣＤセンサまたは前記拡散板と前記透明管の間に、前記液面と垂直方向に集光する集光レンズを備えることを特徴とする液面位置検出装置。