JP2007322292A - 液位測定方法及び差圧伝送器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、計測対象として２種類の異なった密度を有する流体が貯蔵されている密閉タンク内の圧力が変化して計測対象の密度が変化する場合の界面の位置を求めることができる液位測定方法とその差圧伝送器を提供することにある。
【解決手段】本発明は、計測対象として密度の異なる２種類の流体が貯蔵されている密閉タンク内の低圧側の圧力を計測すると共に、前記密閉タンク内の前記低圧側の圧力と高圧側の圧力との差圧を計測し、前記圧力と、予め記憶された圧力によって定まる前記計測対象の各々の密度と、前記密閉タンク内の上下面間距離と、前記差圧とに基づいて前記流体間の界面の位置を求めることを特徴とする液位測定方法にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉タンク内の圧力変化によって密度が変化する場合の計測対象の液位を求める新規な液位測定方法及び差圧伝送器に関する。

計測対象の流体の密度（比重）γが一定の場合に、その流体液面の基準面からの高さＨは、基準面と液面との差圧に比例する。流体が密閉タンク内であれば、その内圧Ｐ１と基準面の圧力Ｐ０との差圧を測定することにより、Ｐ０＝（Ｐ１＋γＨ）−Ｐ１より、Ｈ＝（Ｐ０／γ）の式によって計測対象の液面レベルである液位を求める方法が広く知られている（例えば、非特許文献１）。しかしながら、密閉タンク内などにおいて、密閉タンク内の圧力によって密度が変化する場合には、計測対象の液位を求めることができないという問題があった。

（社）日本電気計測器工業会著、「差圧伝送器の正しい使い方」、第２版、日本工業出版株式会社、平成３年１月、３８頁

本発明の目的は、計測対象として２種類の異なった密度を有する流体が貯蔵されている密閉タンク内の圧力が変化して計測対象の密度が変化する場合の少なくとも一方の流体の高さを求めることができる液位測定方法とその差圧伝送器を提供することにある。

本発明は、１つの差圧伝送器を用いて、密閉タンク内の圧力を計測し、密閉タンク内に貯槽されている計測対象によって発生する差圧を計測し、圧力によって定まる計測対象の密度データと、低圧側導入口と高圧側導入口との面間データを予め記憶しておき、圧力に基づいて対応する密度データを演算し、差圧、圧力、密度データ及び面間データに基づいて前記密閉タンク内の液位を演算して求める液位測定方法にある。

すなわち、本発明は、密閉タンク内に貯槽されている計測対象が、例えば液化ガスの場合、密閉タンク内では液相と気相に分かれており、そのため密閉タンクの内圧により液相と気相の密度が変化するため、液位を計測することが困難であるが、前述のように液位の計測が可能になる。

具体的には、本発明は、計測対象として密度の異なる２種類の流体が貯蔵されている密閉タンク内の低圧側の圧力を計測すると共に、前記密閉タンク内の前記低圧側の圧力と高圧側の圧力との差圧を計測し、前記圧力と、予め記憶された圧力によって定まる前記計測対象の各々の密度と、前記密閉タンク内の上下面間距離と、前記差圧とに基づいて前記密度の大きい方の前記流体の高さを求めることを特徴とする液位測定方法にある。

前記密閉タンク内における前記流体の高さ（ｈ２）を以下の（１）〜（３）式によって求めることができる。

ΔＰ＝ρ１×ｈ１＋ρ２×ｈ２ （１）
ｈ＝ｈ１＋ｈ２ （２）
ｈ２＝（ΔＰ−ρ１×ｈ）／（ρ２−ρ１） （３）
（但し、ΔＰ：差圧、ρ１：密度の小さい方の流体の密度、ρ２：密度の大きい方の流体の密度、ｈ１：密度の小さい方の流体の高さ、ｈ：上下面間距離）
前記測定対象が窒素、酸素、ブタン、プロパン、アルゴン及び炭酸ガスのいずれかの気液が共存する液化高圧ガスであり、前記密閉タンク内における液面の高さを求めること、又、前記密度の小さい方の流体の高さ（ｈ１）が気体の高さであり、前記密度の大きい方の流体の高さ（ｈ２）が液体の面の高さであり、前記低圧側の圧力が前記密閉タンク内の最上部における圧力であり、前記高圧側の圧力が前記密閉タンク内の最下部における圧力である。

本発明は、計測対象として密度の異なる２種類の流体が貯蔵されている密閉タンク内の低圧側の圧力を計測する圧力計測手段と、前記密閉タンク内の低圧側の圧力と前記密閉タンク内の高圧側の圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、圧力によって定まる前記計測対象の各々の密度及び前記密閉タンク内の上下面間距離を記憶する記憶手段と、前記低圧側の圧力、記憶された密度、差圧及び上下面間距離に基づいて少なくとも一方の前記流体の高さを演算する演算手段とを有することを特徴とする差圧伝送器にある。

前記計測対象を選択する設定手段及び前記上下面間距離を設定する設定手段を有すること、前記演算手段は、前記記憶されている密度から前記圧力に対する密度データを補完して演算する演算回路を有すること、前記流体の高さを、アナログ信号出力として出力するアナログ出力手段又はデジタル信号出力として出力するデジタル出力手段を有すること、前記流体の高さを表示する表示手段を有することが好ましい。

前記計測対象が、窒素、酸素、ブタン、プロパン、アルゴン及び炭酸ガスのいずれかの気液が共存する液化高圧ガスであり、前記演算手段によって液面の高さを求めること、又は、前記計測対象が、密度の異なる２種類の液体であり、前記演算手段によって一方の流体の高さを求めることにある。

本発明によれば、計測対象として２種類の異なった密度を有する流体が貯蔵されている密閉タンク内の圧力が変化して計測対象の密度が変化する場合の少なくとも一方の流体の高さを求めることができる液位測定方法とその差圧伝送器を提供することができる。

図１は、本発明の液位を差圧伝送器を用いて計測する例を示す構成図である。密閉タンク１１内には気液が共存する計測対象が貯蔵されており、低圧側差圧導入口１３と高圧側差圧導入口１４の差圧と、低圧側差圧導入口１３の圧力を計測する差圧伝送器１２が設けられている。図中の記号は、気体の上層密度ρ１、液体の下層密度ρ２、面間ｈ、気体の上層高さｈ１、液体の下層高さｈ２を意味するものである。

図２は、本発明の液位の測定を示すフローチャートである。本発明の液位の測定には、静圧センサにより圧力を検出する２１、差圧センサにより差圧を検出する２２、検出した圧力から上層密度ρ１を求める２３、検出した圧力から下層密度ρ２を求める２４、圧力、差圧、上層密度ρ１、下層密度ρ２、上下面間距離ｈから液位を求める２５、液位を出力する２６の各ステップによって行なわれる。上下面間距離ｈとは低圧側差圧導入口１３と高圧側差圧導入口１４の高低差を示す。

本実施例においては、圧力によって変化する複数の計測対象の密度を差圧伝送器に記憶させ、設定器により計測対象の選択が可能である。

密閉タンク１１内に貯槽されている計測対象が、例えば液化ガスの場合は、密閉タンク１１内では液相と気相に分かれている。しかしながら密閉タンク１１の内圧により、液相と気相の密度が変化するため、液位を計測することが困難であるが、本発明により液位の計測が可能になる。

図３、本発明に係る差圧伝送器の構造を示す構成図である。差圧伝送器は、高圧側シールダイアフラム３１、低圧側シールダイアフラム３２、センタダイアフラム３３の３枚ダイアフラムの構造になっている。差圧伝送器のセンサの両側は高圧側シールダイアフラム３１と封入液３４、低圧側シールダイアフラム３２と封入液３５で構成され、高圧、低圧に分かれた２液室構造となっている。いまシールダイアフラムに加わった圧力は封入液を介してセンサに伝達され、圧力に比例した抵抗変化が発生する。差圧伝送器では検出する差圧にくらべて入力圧力（ブラントのライン圧力又は静圧ともいう）が数百倍以上にもなるため、片側のみにライン圧力が加わった過大圧でもセンサの破損を防がなければならないので、この過大圧保護はセンタダイアフラムとシールダイアフラムの組合せによる３枚ダイアフラム構造で、センサには破損圧力以下の圧力となるようにしている。

図４、差圧伝送器の構成を示すブロック図である。伝送器受圧部に導入されたプロセス圧力はシールダイアフラムで受け、封入液を介して半導体複合センサに伝達される。半導体複合センサにはゲージ抵抗が形成されており、差圧又は圧力の大きさに比例して抵抗が変化する。この抵抗変化をブリッジ回路で電気信号に変換し、Ａ／Ｄ回路でデジタル信号に変換して演算部のマイクロプロセッサに取り込んでいる。半導体複合センサには差圧センサのほかに静圧センサと温度センサも同一シリコンチップに形成されており、差圧情報と同時に静圧と温度の情報も取り込む。

差圧センサの温度特性や静圧特性はあらかじめ記憶部に記憶され、静圧センサや温度センサの現在情報を用いて補正演算を行うことで温度特性や静圧特性の優れた特性が得られる。又、デジタルＩ／Ｏにより２線式伝送路を用いてデジタル信号の送受信を行い、各種の定数の設定や変更、自己診断などを行うことができる。ここに設定されたデータは記憶部に記憶され、電源切断によっても失われる事はなく、復電後は停電前のパラメータに従って動作を開始する。またゼロ点調整スイッチは外部からゼロ点出カの調整が出来る構造となっている。

図５は、気液共存における液位を測定する差圧伝送器の機能を示すブロック図である。差圧伝送器１２の記憶部５５には、計測対象の気相である上層密度ρ１を上層密度データ５６、計測対象の液相である下層密度ρ２を下層密度データ５７、上下面間距離ｈを面間データ５８として予め記憶させておく。そして、記憶部５５には、上層密度データ５６、下層密度データ５７、面間データ５８を通信制御部６１を介して、予め設定器６２などにより記憶させておく。

差圧伝送器１２は、低圧側差圧導入口１３と高圧側差圧導入口１４の差圧ΔＰを差圧センサ５１で検出する。又、差圧伝送器１２は、低圧側差圧導入口１３の圧力ＳＰを静圧センサ５２で検出する。演算部５３は、圧力ＳＰに基づいて、上層密度データ５６を補完して、上層密度ρ１及び圧力ＳＰに基づいて、下層密度データ５７を補完して、下層密度ρ２を求める。差圧ΔＰは式（１）で与えられる。

ΔＰ＝ρ１×ｈ１＋ρ２×ｈ２ ……（１）
上層高さｈ１は式（２）で与えられる。

ｈ１＝ｈ−ｈ２ ……（２）
式（１）、式（２）から下層高さｈ２は式（３）で与えられる。

ｈ２＝（ΔＰ−ρ１×ｈ）／（ρ２−ρ１） ……（３）
演算部５４は式（３）に基づいて、下層高さｈ２を求める。演算部５４は求めた下層高さｈ２を、アナログ出力部５９を介して４〜２０ｍＡのアナログ信号に変換して出力する。演算部５４は求めた下層高さｈ２を、表示部６０を介して表示する。演算部５４は求めた下層高さｈ２を、必要に応じて通信制御部６１を介してデジタルデータに変換して出力する。

記憶部５５には、圧力によって変化する計測対象の密度データが記憶されている。この密度データは複数の圧力点におけるデータであり、計測圧力における密度は、補完により算出する必要がある。以下、補完方法の一例を示す。記憶されている密度データは表１の通りである。

まず、密度データから、計測した圧力ＳＰの小さい最近値である圧力点を検索する。例えば、ＳＰ２≦
ＳＰ≦ＳＰ３の場合はＳＰ２となる。又、ＳＰ≦ＳＰ１の場合はＳＰ１、ＳＰ≧ＳＰ５の場合はＳＰ４となる。

検索した最近値と次の圧力点、及びその密度データを直線近似して計測圧力値における密度データを算出する。例えば、ＳＰ２≦ＳＰ≦ＳＰ３の場合は、
ρ＝（ρ３−ρ２）／（ＳＰ３−ＳＰ２）×（ＳＰ−ＳＰ２）＋ρ２
本実施例では、５つのデータについて示しているが、更に多くのデータを使用すること、そして４つのデータを使用して直線近似するのが好ましいが、このほか２次曲線近似など他の補完方法も考えられる。

図６は、密度と圧力との関係を示すものである。図６は表１に示す圧力点と密度について示したもので、図６に示すように、所定の圧力（ＳＰ）に対する密度（ρ）を補完することができる。他の圧力においても同様に密度を補完することができる。

以上のように、本実施例によれば、計測対象として２種類の異なった密度を有する流体が貯蔵されている密閉タンク内の圧力が変化して計測対象の密度が変化する場合の少なくとも一方の流体の高さを求めることができる。又、密閉タンク内の気液が共存する場合の測定対象の液位を密閉タンク内圧力によって変化する計測対象の密度を補正することにより測定することができる。

本発明の気液が共存する場合の測定対象の液位の計測例を示す構成図である。 本発明に係る気液が共存する場合の測定対象の液位測定を示すフローチャートである。 本発明に係る差圧伝送器の構成を示す断面図である。 本発明に係る差圧伝送器の機能を示すブロック図である。 本発明に係る気液共存における測定対象の液位を求める差圧伝送器の機能を示すブロック図である。 密度と圧力との関係を示すものである。

符号の説明

１１…密閉タンク、１２…差圧伝送器、１３…低圧側差圧導入口、１４…高圧側差圧導入口、ρ１…上層密度、ρ２…下層密度、ｈ…面間、ｈ１…上層高さ、ｈ２…下層高さ、３１…高圧側シールダイアフラム、３２…低圧側シールダイアフラム、３３…センタダイアフラム、３４、３５…封入液、５１…差圧センサ、５２…静圧センサ、５３…Ａ／Ｄ部、５４…演算部、５５…記憶部、５６…上層密度データ、５７…下層密度データ、５８……面間データ、５９…アナログ出力部、６０…表示部、６１…通信制御部、６２…設定器。

Claims (13)

1. 計測対象として密度の異なる２種類の流体が貯蔵されている密閉タンク内の低圧側の圧力を計測すると共に、前記密閉タンク内の前記低圧側の圧力と高圧側の圧力との差圧を計測し、前記圧力と、予め記憶された圧力によって定まる前記計測対象の各々の密度と、前記密閉タンク内の上下面間距離と、前記差圧とに基づいて少なくとも一方の前記流体の高さを求めることを特徴とする液位測定方法。
2. 請求項１において、前記密閉タンク内における前記流体の高さ（ｈ２）を以下の（１）〜（３）式によって求めることを特徴とする液位測定方法。
   ΔＰ＝ρ１×ｈ１＋ρ２×ｈ２ （１）
   ｈ＝ｈ１＋ｈ２ （２）
   ｈ２＝（ΔＰ−ρ１×ｈ）／（ρ２−ρ１） （３）
   （但し、ΔＰ：差圧、ρ１：密度の小さい方の流体の密度、ρ２：密度の大きい方の流体の密度、ｈ１：密度の小さい方の流体の高さ、ｈ：上下面間距離）
3. 請求項１又は２において、前記測定対象が、窒素、酸素、ブタン、プロパン、アルゴン及び炭酸ガスのいずれかの気液が共存する液化高圧ガスであり、前記密閉タンク内における液面の高さを求めることを特徴とする液位測定方法。
4. 請求項３において、前記低圧側の面の高さ（ｈ１）が、気体の高さであることを特徴とする液位測定方法。
5. 請求項３又は４において、前記高圧側の面の高さ（ｈ２）が、液体の面の高さであることを特徴とする液位測定方法。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記低圧側の圧力が前記密閉タンク内の最上部における圧力であり、前記高圧側の圧力が前記密閉タンク内の最下部における圧力であることを特徴とする液位測定方法。
7. 計測対象として密度の異なる２種類の流体が貯蔵されている密閉タンク内の低圧側の圧力を計測する圧力計測手段と、
   前記密閉タンク内の低圧側の圧力と前記密閉タンク内の高圧側の圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、
   圧力によって定まる前記計測対象の各々の密度及び前記密閉タンク内の上下面間距離を記憶する記憶手段と、
   前記低圧側の圧力、記憶された密度、差圧及び上下面間距離に基づいて少なくとも一方の前記流体の高さを演算する演算手段とを有することを特徴とする差圧伝送器。
8. 請求項７において、前記計測対象を選択する設定手段及び前記上下面間距離を設定する設定手段を有することを特徴とした差圧伝送器。
9. 請求項７又は８において、前記演算手段は、前記記憶されている密度から前記圧力に対する密度データを補完して演算する演算回路を有することを特徴とした差圧伝送器。
10. 請求項７〜９のいずれかにおいて、前記面の高さを、アナログ信号出力として出力するアナログ出力手段又はデジタル信号出力として出力するデジタル出力手段を有することを特徴とする差圧伝送器。
11. 請求項７〜１０のいずれかにおいて、前記流体の高さを表示する表示手段を有することを特徴とする差圧伝送器。
12. 請求項７〜１１のいずれかにおいて、前記計測対象は、窒素、酸素、ブタン、プロパン、アルゴン及び炭酸ガスのいずれかの気液が共存する液化高圧ガスであり、前記演算手段によって液面の高さを求めることを特徴とする差圧伝送器。
13. 請求項７〜１２のいずれかにおいて、前記計測対象は、密度の異なる２種類の液体であり、前記演算手段によって少なくとも一方の前記流体の高さを求めることを特徴とする差圧伝送器。
    

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