JP2011169880A

JP2011169880A - レーザー式液面検知レベル計

Info

Publication number: JP2011169880A
Application number: JP2010055087A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kitazawa; 哲北澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】水深の深い水位を非接触方式で、浮遊物の有無の検知もできる水位レベル計の提供が課題である。
【解決手段】従来の非接触水位計として超音波式水位計、電波式水位計は超音波、電波の放射角度が広く距離が長い水位測定が困難であった。
本発明は水面と壁面にレーザー光線のスポットを当て、水面と壁面に対するレーザー光線の乱反射強度の違いを検知して水面と壁面の境界位置を水位レベルとして判別する。判別された境界位置はレーザー距離計による距離測定またはレーザー受発光器の基準点からのレーザー光線の回転角度から求める。本レベルは水位レベル以外に液面と壁面のレーザー光線の乱反射強度が違う液面レベル測定にも応用できる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は、▲１▼測定水深が大きく、測定スパンが長い場合の水位測定、▲２▼傾斜がある断面のため池、ダムなどの水位測定が可能、▲３▼浮遊物などにより水位測定誤差を生じない測定が可能、▲４▼非接触での水位測定が可能等の特徴を有するレーザー式液面検知レベル計を提供するものである。なお、本液面計は化学プラント等のタンク等の水位以外の液面レベル測定にも適用できる。

レーザー光を物体面に投射し、反射光を測定することによる距離測定は１００ｍの距離において１ｍｍ程度の測定精度が容易に得られる。多くの物体は乱反射成分の反射光を有するため距離測定が可能である。物体によっては完全に近い鏡面反射をおこしたり、光りを完全に近い形で吸収または透過する場合がある。これらの物体は乱反射光が得られないために距離の測定に適さない。水など特定の液体はレーザーの発光波長の吸収帯を有したり、透過する。本発明は水など特定の液体がレーザー光線を乱反射しないことを利用し、乱反射物体壁面との境界部位置を検知することにより液面を測定する装置の構成に関するものである。

従来、河川、ダム、貯水地などの水位計には、機械的な方法としてフロート式が使用されている。この方式は水面の上昇下降により上下するフロートに取付けたワイヤを巻き込むリールの回転角度から水位を換算するもので水位計測精度として±１ｃｍ程度が得られるが、土木構造物として大きな測水筒を必要とする。このために最近ではダム、大河川などの他はあまり使用されていない。
測定水面に接触して測定する接触式水位計として水圧式水位計が多く使用されている。
この方式は水深に比例した水圧を感圧素子で測定するもので、大気圧と比較して測定するために大気開放チューブを必要とし、このチューブから感圧部に湿気が入ったり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。このため、経年的な安定性が課題となっている。
非接触水位計としては超音波式水位計と電波式水位計が用いられている。
これらは、水面にセンサー部が接触しないために、経年的に安定な測定ができる。
しかし、超音波式、電波式ともセンサーからの距離によって、放射角度が広がり、放射角度内に超音波または電波を遮蔽する障害物が存在すれば使用できない等の理由により、実用的に測定できる水位が制限される。
なお、電波式は超音波式に比較して測定精度が良く、測定スパンに関係なく±１ｃｍの精度が得られる。また、電波式は超音波式とも水面に浮遊物がある場合、これによる電波または超音波の反射により測定誤差を生じる欠点を有する。
本発明のレーザー式液面検知レベル計はフロート式のように規模の大きい測水筒を必要とせず、水圧式水位計のように経年的な測定精度劣化の問題がなく、電波式、超音波式のように測定水深の制限がなく、浮遊物の有無の検出もできるレベル計である。

図１は水路で水位測定を行う場合の１レーザー距離計、２レーザー光線、レーザー光線が乱反射する８水路壁面の関係の例を示す。
（イ）レーザー距離計の３回転軸を回転することにより９測定上限水位位置から１０測定下限水位位置をカバーして、１レーザー距離計の２レーザー光線のスポットは８水路壁面を垂直方向に移動する。
（ロ）９測定上限水位位置より水位が下にあり２レーザー光線スポットが壁面の９測定上限水位にある時は、レーザー光線は８水路壁面で乱反射し、レーザー距離計に光りが戻る。
（ハ）２レーザー光線のスポットが９測定上限水位の位置にある時、水位が上昇し９測定上限水位位置を超えた状態において、レーザー光線のスポットと壁面の交点は水中に没しているために、レーザー光線は水に吸収されてレーザー距離計に光りが戻らない。
（ニ）水位が丁度、９測定上限水位の位置にある状態で、２レーザー光線のスポットが壁面で９測定上限水位の位置にある状態では９測定上限水位位置の壁面から光りが戻るか戻らない境界線上にある。
（ホ）上記（ニ）の状態では２レーザー光線を境界線の上下にわずか振り、上側にレーザー光を振った時に光りが戻る点と下側にレーザー光を振った時に光りが戻らない点との中間を水位位置と判定する。
（ヘ）上記は水位が９測定上限水位の位置にある場合であるが、水位が９測定上限水位と１０測定下限水位間にある場合についても、レーザー光がレーザー距離計に戻るか戻らないかの中間位置を上記と同様に検出して水位を測定する。

従来の水位計の課題を解決することにより得られる効果は以下による。
第１に、従来の機械式のフロート式水位計のように浮力とバランスしてワイヤを巻き込むリール機構などが不要のために、フロート式水位計設置のために必要な口径の大きい測水筒が不要である。
第２に、水圧式水位計のように感圧部を水中に沈めて使用する方式では大気解放チューブから感圧部に湿気が混入したり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。本発明のレーザー式液面検知レベル計ではこれらにもとづく測定誤差が発生しない。
第３に、超音波式水位計、電波式水位計に比べて長スパンの測定が可能である。また、レーザー距離計による距離測定とレーザー距離計の回転角度測定を併用することにより測定誤差の原因となる浮遊物などの検知が可能で有る。

「レーザー式液面検知レベル計の概要を示した図面である。」「レーザー式液面検知レベル計において１レーザー距離計をサーボモータで回転させ、発射するレーザー光を垂直方向に移動させる機構の説明図である。」「レーザー式液面検知レベル計の制御および測定ブロック図を示した図面である。」「現在水位にレーザースポットを収束する説明図である。」「水路壁面が傾斜を有する測定の説明図である。」

（イ）［図１］において、２レーザー光線は９測定上限水位と１０測定下限水位の間を超えて、垂直方向に移動するものとする。移動は［図２］に示す４サーボモータによって、１レーザー距離計の３回転軸を回転させ垂直方向に移動させることによる。６回転角は４サーボモータに直結した５エンコーダにより正確に計測される。
（ロ）９測定上限水位と１０測定下限水位を結ぶ直線上の８水路壁面のある１点と１レーザー距離計との距離は一意的に求められる。また、同様に８水路壁面のある１点と６回転角との関係も一意的に求められる。
（ハ）［図４］において水位レベルが１１現在水位レベルＷＬにある場合、２レーザー光線のスポットが８水路壁面で現在水位レベルＷＬより上のａ点にあるときは１レーザー距離計に８水路壁面の乱反射によりレーザー光が戻る。この場合、レーザースポットをＷＬに収束するために、［図３］の１３サーボモータ制御回路によりレーザー光を下方に移動させる。
（ニ）レーザー光が１１現在水位レベルより下方に振れ過ぎた場合、レーザースポットは水面に当たる。この場合、水による吸収または透過により反射光が戻らなくなる。この場合は［図３］の１２反射光有り、無しの判定の結果、１３サーボモータ制御回路により、レーザー光を上方に戻す。
（ホ）上方に移動したレーザー光のスポットが水面より上昇し、８水路壁面に当たり反射光が１レーザー距離計に戻るか戻らない境界点を１３サーボモータ制御回路でレーザースポットの上下を繰り返し、収束点として検出する。
（ヘ）この境界点のレーザースポット位置は［図３］の５エンコーダによりサーボモータの回転角が求められ、回転角度から８水路壁面の位置を１１現在水位レベルとして［図３］の１４水位演算出力部により求められる。
（ト）上記のレーザースポット位置は上記のサーボモータの回転角度により求まる他、［図３］の１２反射光有り、無し判定、距離出力部において、１レーザー距離計の８水路壁面のスポットまでの計測距離から［図３］の１４水位演算出力部により１１現在水位レベルＷＬとしても演算できる。
（チ）すなわちレーザー光のスポットが１１現在水位レベルＷＬにあるとき、サーボモータの回転角度から求められる他、１レーザー距離計の距離からも求められることになる。

レーザー光のスポットが１１現在水位レベルＷＬにあるとき、４サーボモータの６回転角から求められる他、１レーザー距離計の距離からも求められることになる。これは１レーザー距離計の距離からレーザースポットが１１現在水位レベルＷＬにあると判定した場合と５エンコーダによる１レーザー距離計の垂直回転角からレーザースポットが１１現在水位レベルＷＬにあると判定した場合の結果が一致しなければならない。この結果が一致しない場合は、水面の浮遊物等によるレーザースポットの異常反射と判定する。本発明の実施形態としてレーザー距離計の距離と垂直回転角度から現在水位レベルＷＬのダブルチェックを行うことにより計測結果の信頼性のチェックを行うことが可能である。
浮遊物がある場合の正確な計測方法として、１レーザー距離計の垂直方向の回転に加えて、水平方向の回転機構を加え８水路壁面のレーザースポットの反射位置をシフトすることにより浮遊物を避けて計測する方法が考えられる。

本レベル計の垂直基準点による水位レベルの校正方法として、８水路壁面のレーザースポットの反射位置に量水板を設置する方法がある。量水板の目盛りにレーザースポットを投射して目盛り位置を確認してレベル計の目盛り合わせを行う。なお、この場合量水板のレーザースポットが良好な乱反射を行う材質を選択することにより安定な計測が可能となる。

［図５］は８水路壁面が傾斜を有する水路の水位計測の場合である。この場合、レーザー光線スポットを傾斜している８水路壁面に当て反射光を１レーザー距離計で受信する。この場合、傾斜壁面においても水路壁面の乱反射光を受信するために反射光線が受信できる。また、傾斜面でも９測定上限水位と１０測定下限水位を結ぶ直線上の８水路壁面のある１点と１レーザー距離計との距離は一意的に求められる。また、同様に８水路壁面のある１点とレーザー距離計の垂直方向の回転角との関係も一意的に求められる。このために、垂直水路壁面の場合と同様に水位測定ができる。

Claims

（イ）レーザー発光器と受光器を有し、発光器によりレーザースポットを液面と液面に接する壁面に当て、乱反射強度の違いを受光器により検知する。
（ロ）レーザー発光器と受光器は回転角度を測定するエンコーダを有するサーボモータにより同時に回転し、乱反射強度の違いを検知して液面と液面に接する壁面の境界点を検知するサーボモータ制御回路を有するものとする。
（ハ）レーザー発光器と受光器の回転角度とレーザースポットの壁面位置の関係はあらかじめ、物理的に計測されているものとする。
（ニ）以上（イ）（ロ）（ハ）の装置と方法を有し、液面と液面に接する壁面の境界点位置を液面レベルとして測定する装置を請求範囲とする。
（イ）レーザー距離計を有し、発光器によりレーザースポットを液面と液面に接する壁面に当て、乱反射強度の違いを受光器により検知すると同時に距離を測定する。
（ロ）レーザー距離計はサーボモータにより回転し、乱反射強度の違いを検知して液面と液面に接する壁面の境界点検知するサーボモータ制御回路を有するものとする。
（ハ）レーザー距離計の測定距離とレーザースポットの壁面位置の関係はあらかじめ、物理的に計測されているものとする。
（ニ）以上（イ）（ロ）（ハ）の装置と方法を有し、液面と液面に接する壁面の境界点位置を液面レベルとして測定する装置を請求範囲とする。
（イ）レーザー距離計を有し、発光器によりレーザースポットを液面と液面に接する壁面に当て、乱反射強度の違いを受光器により検知すると同時に距離を測定する。
（ロ）レーザー距離計は回転角度を測定するエンコーダを有するサーボモータにより回転し、乱反射強度の違いを検知し液面と液面に接する壁面の境界点検知するサーボモータ制御回路を有するものとする。
（ハ）レーザー距離計の測定距離とレーザースポットの壁面位置の関係はあらかじめ、物理的に計測されているものとする。
（ニ）レーザー距離計の回転角度とレーザースポットの壁面位置の関係についてもあらかじめ、物理的に計測されているものとする。
（ホ）以上（イ）（ロ）（ハ）（ニ）の装置と方法を有し、液面と液面に接する壁面の境界点位置を
▲１▼レーザー距離計の測定距離として求める。
▲２▼レーザー距離計の回転角度として求める。
の二つの測定手段を有し、両者の測定結果の照合回路を有し、一致した境界点位置を液面レベルとして測定する装置を請求範囲とする。