JP2009168554A - 超音波式液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク壁面へ発信した超音波の反射エコーから液面の有無を判断する際の検出安定性および設置容易性を向上させた超音波式液面検出装置を提供する。
【解決手段】超音波式液面検出装置は、円筒形のタンク壁面から発信した超音波の反射エコーの受信に基づいて液面の有無を判定する超音波式液面検出装置であって、複数個の送受信兼用型超音波センサを等間隔で直線上に具備した超音波センサユニットと、コントロールユニットとを有し、前記超音波センサを送信用超音波センサと受信用超音波センサとして独立動作させる場合と、それぞれ送受信兼用型センサとして並列に動作させる場合と、を選択して発信させた超音波の反射エコーを受信して、液面が有るか否かを判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タンク壁面へ発信した超音波の反射エコーを受信して、液面の有無を判断する超音波液面検出装置に関する。

工場や施設園芸等の農業分野では、Ａ重油は熱源として使われ、蒸気発生や加温用温風の発生等に広く利用されている。これらの熱源に求められるのは、低コストで、長期間安定して稼動することであり、Ａ重油を屋外設置された１．９ｋＬ程度の小型タンクから２０ｋＬ等の大型タンクまで消費量により適宜選択して設置されている。

例えば、小型Ａ重油タンクは、図３に示すような形状である。小型Ａ重油タンク１には、Ａ重油液３の液面位置に浮き子１２が浮遊しており、滑車１０、接続ワイヤ１１、錘兼表示指針１３からなる液面計を設けている。Ａ重油液３の液上下動に応じて錘兼表示指針１３も追従して上下動し、液残量目盛１４のどの位置に錘兼表示指針１３があるかで液残量が読み取れる。タンク構造は、平鋼板１６をロール加工し、上下のロート状鋼板１７，１８を溶接線６で溶接した構造で、上部にタンク内部を点検する点検口４と、下部鋼板１８の中央にはドレインバルブ５を有するドレイン管１９が設けられている。

このＡ重油タンク上面のロート状鋼板１７は、降雨がタンク内に進入しづらくする目的で設けられており、また、下面のロート状鋼板１８は、結露等で発生した水滴をタンク底部に溜めて効率よく排出する目的で設けられている。

また、大型Ａ重油タンクは、図４に示すような形状である。この大型Ａ重油タンク２は、タンクサイズが大きいので平鋼板２０をブッロク状に交互に溶接線６で溶接した構造で、タンク下部は基礎コンクリート１５に合わせた平面である。

これらのタンクには、Ａ重油の残量を確認するための液面計が取り付けられているが、この液面計は、機械式であり、稼動各部にグリスアップしておかないと摩擦が増加して、正確な液面を表示しなくなるという欠点がある。

また、Ａ重油の配送効率を上げようとした場合、誰かが残量指針１３を目視で残量を確認するしかなく、テレメトリー監視等との適合性が低く、気象条件の急変や製品の急な増産等があると、一般的に行われている計画配送やエンドユーザによるオンコール配送ではＡ重油を切らしてしまい経済的な損失が発生することがあった。

残量を確認する他の方法としては、タンクの上面から超音波を用いた液面計や圧力計により水頭圧を計測し、液残量を連続計測する残量計等色々試みられている。
しかし、上述したようなタンクの形状を考えると、タンク上面からの超音波ではタンクに追加工が必要となったり、圧力式では最下部のドレイン対策が必要となったりと、運用中のタンクには追加施工しづらいこと、コストが高いことなどの問題がある。

また、機能面・コスト面・設置性のバランスを満たすものとして、タンク外壁側面に超音波センサを取り付け、側面より超音波を発射し対向するタンク壁面までの超音波の伝播時間を計測して液の有無を検出する超音波レベル計が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平０８−１３６３２０号公報

上記の超音波式レベル計には、反射型と透過型があるが、設置性、コストの両面から反射型が優位であり、また、大型タンクでは透過型を設置するのは困難である。
この反射型超音波式レベル計を安定動作させるには、対向するタンク壁面に直角に超音波を発射すること、タンク内の液がない状態では残響波、表面弾性波の不要エコーをいかに抑え込むかが重要である。また、タンク内に液がある状態では、効率よくタンク鋼板を超音波が通過できる条件を調える必要がある。

また、超音波センサの設置状態の判断は、液があるときには、反射エコー解析等で実用レベルの安定性が確保できる。
しかし、液がない状態では残響エコー解析で行うが、この残響エコーは、超音波センサのタンク鋼板との音響結合状態やタンク内の液付着情況でバラツキが生じ、安定性の確保が難しい。

また、Ａ重油タンク毎にオシロスコープ等の波形解析装置を用いて、超音波の駆動条件、反射エコーのフィルタリング条件、コンパレート条件等をカスタマイズすれば、超音波式液面検出装置として実運用に耐えうる安定性を確保することは可能であるが、設置コスト、メンテナンスコストの上昇を招いてしまう。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、タンク壁面へ発信した超音波の反射エコーから液面の有無を判断する際の検出安定性および設置容易性を向上させた超音波式液面検出装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明は、円筒形のタンク壁面から発信した超音波の反射エコーの受信に基づいて液面の有無を判定する超音波式液面検出装置において、複数個の送受信兼用型超音波センサを等間隔で直線上に具備した超音波センサユニットと、コントロールユニットとを有し、前記超音波センサを送信用超音波センサと受信用超音波センサとして独立動作させる場合と、それぞれ送受信兼用型センサとして並列に動作させる場合と、を選択して発信させた超音波の反射エコーを受信して、液面が有るか否かを判断することを特徴とする。

これにより、超音波センサの動作条件を複数化することにより、液面有無の判定条件が多元化するので検出安定性が向上する。

さらに、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記超音波センサユニットに温度センサを備え、上下方向に設置した一対の超音波センサユニットの温度センサの温度差を液面の有無の判定に反映させることを特徴とする。

これにより、屋外設置されているＡ重油タンクの特性を生かし、Ａ重油液の熱容量で日射による温度上昇の時間差、冷気により温度下降の時間差を液面有無の判定情報として活用することによって、液面有無の検出安定性が向上する。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記超音波センサユニットは、適度な可撓性を持たせるとともに、前記タンクの側面と磁石によって密着させることを特徴とする。

これにより、複数の超音波センサを簡便に設置できる。

本発明によれば、円筒形のタンク壁面へ発信した超音波の反射エコーから液面の有無を判断する際の検出安定性が向上する。
例えば、円筒形のタンクの真円度が確保されていなくとも、タンク対向壁面からの超音波エコーを補足することが可能となるので、タンク壁面の加工精度のバラツキが吸収され、液面有無の検出安定性が向上する。

また、タンク表面に温度差が発生する場合には、従来の超音波エコー有無だけであった液面有無の判断に、他方式のパラメータを追加することにより動作安定性が向上する。

また、磁石を用いて本装置を取り付けられるので、設置容易性が向上する。

以下、図面を参照して本発明の超音波式液面検出装置に係る好適な実施形態について説明する。本実施形態に係る超音波式液面検出装置を、円筒状のＡ重油タンクに適用した例について説明するが、超音波式液面検出装置であれば、実施形態で説明する液種、タンク形状に限ったものではない。

本実施形態係る超音波式液面検出装置では、超音波をタンクの壁面から水平方向へ発射し、対向する壁面から反射して返ってくる反射エコーを受信して、伝播時間によりタンクに液体があるか否かを判断している。したがって、タンクの断面が真円である必要がある。
しかし、本実施形態が適用される円筒状のＡ重油タンクは、前述したように、平鋼板を溶接して円筒状にしたものであるから、真円度が崩れているのが一般的である（図５）。

図５は、真円度が崩れているタンクの一方の壁面から発射した超音波の伝播方向を図示したものである。図５において、実線は、溶接線６において平鋼板２０を溶接してつくられたタンクの壁面を表し、点線７は真円を表している。
このようなタンクの壁面の位置Ａに超音波センサを取り付け、この超音波センサＡから平鋼板２０に対して垂直方向に超音波を発射すると、真円であれば、Ｂ点で反射した超音波エコーが超音波センサＡ自身に戻ってくる。しかし、真円でなければ、Ｂ点で反射した超音波エコーは、例えば点Ａとは離れた位置Ａ’に戻ってくる。

タンクが溶接されて製作された場合、超音波センサは数度の指向性を持ってはいるが、発射した超音波エコーが超音波センサ自身に戻ってくる割合が低下するため、反射した超音波エコー感度の低下となって現れ、機能障害の発生に至ることが推定される。
したがって、タンクの真円度のバラツキを解消する必要がある。

また、Ａ重油の消費量を確認するタイミングは、分単位で行われることは皆無であり、通常は、日単位で管理されるものであり、最短でも時間単位での管理である。
また、液面検出周期に高速性は要求されず、長期間安定して稼動することが求められる。

図１は、本実施形態に係る超音波式液面検出装置の超音波センサユニットの構成例である。同図（Ａ）において、超音波センサユニット３０は、複数の超音波センサ２２_Ａ，２２_Ｂ，２２_Ｃ、ベース板２７、センサケーブル２８から構成されている。
本例では、３個の超音波センサを用いて説明するが、真円度のバラツキが吸収できるのであれば、３個以下あるいは４個以上であっても構わない。

ベース板２７は、シリコーンゴムまたはＮＢＲゴムからなり、円筒形タンク鋼板２０の側面と密着できるように、適度な可撓性を持たせてある。また、ベース板２７には、３つの鋼板バックヨーク２３を数度以内の等間隔で固着して一体化してあり、この鋼板バックヨーク２３の両端に固着された永久磁石２５によって、ベース板２７が円筒形タンク鋼板２０の側面に押し付けられるようになっている。

図１（Ｂ）に示すように、超音波センサ２２と円筒形タンク鋼板２０の側面との間には、センサシート２６が設けられており、このセンサシート２６は、無機微粉末をシリコーンゴムに分散したものであり、音響結合、熱結合を図るために使用するものである。
また、このセンサシート２６と超音波センサ２２は、鋼板バックヨーク２３と超音波センサ２２との間に置かれる波スプリング２４の弾力によって円筒形タンク鋼板２０の側面に押し付けられる。

センサケーブル２８は、各超音波センサ２２_Ａ，２２_Ｂ，２２_Ｃと超音波式液面検出装置のコントロールユニット（後述）とを接続するケーブルであり、コントロールユニットからの超音波の発射指示を送信し、超音波センサが受信した反射エコーをコントロールユニットに送信するケーブルである。

このような構成により、超音波センサユニット３０は、ベース板２７がシリコーンゴムまたはＮＢＲゴムのため、円筒形タンク鋼板２０の側面と密着でき、しかも、永久磁石２５で円筒形タンク鋼板２０に容易に取り付けができるので、超音波センサの設置容易性と設置作業性を確保している。

図２は、本実施形態に係る超音波式液面検出装置のコントロールユニットの回路ブロック図である。同図では、大型Ａ重油タンク２の上下方向に、上述した超音波センサユニット３１，３２がそれぞれ取り付けられ、コントロールユニット３３に設けられた端子ＴＮ１、ＴＮ２にそれぞれセンサケーブル２８で接続されている。

本実施形態では、コントロールユニット３３に２台の超音波センサユニットを接続しているが、１台の超音波センサユニットでも構わない。残量管理では、残量警報レベルを１ポイントだけでなく２ポイント設定するのが一般的であるので、本実施形態でも２ポイント設定するものとして説明する。
また、コントロールユニット３３には、図示しない、操作盤に設けられた各種のスイッチ群およびインジケータ等や音出力回路が設けられている。

通常運用時には、まず、ＣＰＵは、スイッチＳＷ−Ｋを閉じて、超音波センサユニットの各超音波センサを送受兼用型超音波センサとして動作させる。尚、スイッチＳＷ−Ｋは、高速にチャタリングレスで開閉する必要があるので半導体スイッチを用いる。
そして、ＣＰＵは、超音波センサユニット３１を選択するようにＳＷ−ＴＥ、ＳＷ−Ｔ，ＳＷ−Ｒを制御する。

ＣＰＵは、超音波の送信時において、出力パルスをＤＲＶ（駆動回路）に出力する。ＤＲＶは、出力パルスを高電位振幅に変換した駆動信号を、超音波センサユニット３１の各超音波センサに出力する。各超音波センサは、ＤＲＶからの駆動信号の入力に基づいて所定の発振周波数で超音波パルスをタンクの反対の壁面に向けて発射する。

発射された超音波パルスは、タンク内部に液がない部分では、タンク鋼板内で反射して戻ってくる。また、タンク内部に液がある部分では、液を透過してタンクの反対側の壁面で反射して戻ってくる。

そして、超音波の受信時において、超音波センサユニット３１の各超音波センサは、反射して戻ってきた反射エコー受信し、その受信信号をコントロールユニット３３のＡＭＰ（増幅回路）で増幅してＣＰＵに入力する。ＣＰＵは、ＡＭＰで増幅された反射エコーか発射から受信までの伝播時間を計測して液の有無を検出する。
これにより、超音波センサユニット３１の位置でタンクの中に液があるか否かが判断される。

さらに、ＣＰＵは、超音波センサユニット３２を選択するようにＳＷ−ＴＥ、ＳＷ−Ｔ，ＳＷ−Ｒを制御し、この超音波センサユニット３２に対しても、上記の超音波センサユニット３１と同様に動作させて、超音波センサユニット３２の位置でタンクの中に液があるか否かが判断される。

次に、ＣＰＵは、スイッチＳＷ−Ｋを開けて、超音波センサユニットの各超音波センサを送信・受信の単独動作にする。
そして、ＣＰＵは、超音波センサユニット３１を選択するようにＳＷ−ＴＥ、ＳＷ−Ｔ，ＳＷ−Ｒを制御する。
ＣＰＵは、超音波の送信時において、出力パルスをＤＲＶ（駆動回路）に出力する。ＤＲＶは、出力パルスを高電位振幅に変換した駆動信号を、超音波センサユニット３１の超音波センサ２２_Ｂに出力する。超音波センサ２２_Ｂは、ＤＲＶからの駆動信号の入力に基づいて所定の発振周波数で超音波パルスをタンクの反対の壁面に向けて発射する。

発射された超音波パルスは、タンク内部に液がない部分では、タンクの反対側の壁面で反射して戻ってくる。また、タンク内部に液がある部分では、液を透過してタンクの反対側の壁面で反射して戻ってくる。

そして、超音波の受信時において、超音波センサユニット３１の超音波センサ２２_Ａ，２２_Ｃは、反射して戻ってきた反射エコー受信し、その受信信号をコントロールユニット３３のＡＭＰ（増幅回路）でそれぞれ増幅してＣＰＵに入力する。
ＣＰＵは、ＡＭＰで増幅された反射エコーか発射から受信までの伝播時間を計測して液の有無を検出する。真円度が出ていないタンクでもセンサ２２_Ｂと同じ円周方向にセンサ２２_Ａ,２２_Ｃがあるため、タンク鋼板の曲がりによる感度低下を吸収できる。なお、タンク鋼板の曲がりは、円周方向のみで上下方向は一般的にロール加工により製作されており考慮する必要がない。
これにより、超音波センサユニット３１の位置でタンクの中に液があるか否かが判断される。

さらに、ＣＰＵは、超音波センサユニット３２を選択するようにＳＷ−ＴＥ、ＳＷ−Ｔ，ＳＷ−Ｒを制御し、この超音波センサユニット３２に対しても、上記の超音波センサユニット３１と同様に動作させて、超音波センサユニット３２の位置でタンクの中に液があるか否かが判断される。

最後に、各超音波センサユニットで行ったこれらの４つの判断をもとに、超音波センサユニット３１と超音波センサユニット３２のそれぞれの取り付け位置で液面があるか否かを決定し、インジケータや電子音によって報知する。
超音波センサユニット３１に液がなく、超音波センサユニット３２に液がある場合には、故障と自己診断してインジケータや電子音によって報知する。

以上の構成により、超音波センサユニットに３個の超音波センサを数度以内の等間隔に配することによって、真円度のバラツキを吸収するとともに、センサケーブル一本で超音波センサユニットとコントロールユニットを接続できるためコストが抑制される。

また、屋外に設置されているＡ重油タンクは、日射を浴びると液がある部分に比べて、液がない部分は数度から状況によっては、１０度程度まで温度差が生じる場合がある。
このような場合、タンクの側面の温度を計測する温度センサを超音波センサユニットに設けておき、２つの超音波センサユニットで液面の有無を判断する場合は、必ず上側の温度センサの温度が早く上昇するので、それぞれの温度センサで検出した温度情報をコントロールユニットへ送信し、コントロールユニットでは、この温度差を液面の有無の判定に用いるようにすれば、液面有無の判断の安定性が一層向上する。

従来の超音波式液面検出装置では、コスト要因も含め送受信兼用型超音波センサを一個で行っていたが、真円でないタンクでは発射した超音波が自分に返ってこないため、反射エコー感度が確保できず、安定計測できる設置箇所を試行錯誤で探す必要があった。また、超音波の指向角は、２〜３度しか得られないので単独の超音波センサでは対応が困難の場合もあった。

しかし、本発明では、等間隔に超音波センサを３個設けて、真円度のバラツキを吸収することができるとともに、センサケーブル一本で超音波センサユニットとコントロールユニットを接続するためにコストが抑制される。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種の変形、修正が可能であるのは勿論である。

実施形態に係る超音波センサユニットを示す図である。 実施形態に係る超音波式液面検出装置のコントロールユニットの回路ブロック図である。 小型Ａ重油タンクの一例を示す図である。 大型Ａ重油タンクの一例を示す図である。 大型Ａ重油タンクの真円度を説明する図である。

符号の説明

１…小型Ａ重油タンク、２…大型Ａ重油タンク、３…Ａ重油液、４…点検口、５…ドレインバルブ、６…溶接線、７…真円、１０…滑車、１１…接続ワイヤ、１２…浮き子、１３…錘兼指示針、１４…液残量目盛、１５…基礎コンクリート、１６…小型Ａ重油タンクの平鋼板、１７…小型Ａ重油タンク上面のロート状鋼板、１８…小型Ａ重油タンク下面のロート状鋼板、１９…ドレイン管、２０…タンク鋼板、２２，２２_Ａ，２２_Ｂ，２２_Ｃ…超音波センサ、２３…鋼板バックヨーク、２４…波スプリング、２５…永久磁石、２６…センサシート、２７…ベース板、２８…センサケーブル、３０，３１，３２…超音波センサユニット、３３…コントロールユニット。

Claims (3)

1. 円筒形のタンク壁面から発信した超音波の反射エコーの受信に基づいて液面の有無を判定する超音波式液面検出装置において、複数個の送受信兼用型超音波センサを等間隔で直線上に具備した超音波センサユニットと、コントロールユニットとを有し、前記超音波センサを送信用超音波センサと受信用超音波センサとして独立動作させる場合と、それぞれ送受信兼用型センサとして並列に動作させる場合と、を選択して発信させた超音波の反射エコーを受信して、液面が有るか否かを判断することを特徴とする超音波式液面検出装置。
2. 請求項１に記載の超音波式液面検出装置において、前記超音波センサユニットに温度センサを備え、上下方向に設置した一対の超音波センサユニットの温度センサの温度差を液面の有無の判定に反映させることを特徴とする超音波式液面検出装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波式液面検出装置において、前記超音波センサユニットは、適度な可撓性を持たせるとともに、前記タンクの側面と磁石によって密着させることを特徴とする超音波式液面検出装置。

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