JP2012225781A - トルクチューブ式液面計の温度補償機構及び温度補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクチューブの捩れ力に対してばねの付勢力を調整して、センタシャフトに逆方向の付勢力を加えて温度補償を実現する。
【解決手段】回動基板３０は付勢力調整機構３１の係止部３３により時計廻りの回動が規制され、付勢力付加アーム２９を介してコイルばね３４ａ、３４ｂにより反時計廻りの捩れ力を加え、センタシャフトに連結した連結ロッド２５にトルクチューブの捩れ力と逆方向の付勢力を加える。この付勢力は、ねじ軸３２を回転させて係止部３３を移動して、回動基板３０の回動規制部３０ａによりばね掛け部３０ｂ、３０ｃの回動停止位置を調整することにより、コイルばね３４ａ、３４ｂにより与えられる。この調整は、センタシャフトに連結した連結ロッド２５の回転量がトルクチューブの捩れ力と平衡するように、つまりセンタシャフトに連結した連結ロッド２５による検出角度が０となるように行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度の影響を受け易いトルクチューブ式液面計の温度補償機構及び温度補償方法に関するものである。

図６はトルクチューブ式液面計のトルクチューブに捩れ量が発生する機構の模式図である。液位ｘ％のときのディスプレーサ１の荷重により荷重伝達アーム２を介してトルクチューブ３が捩られ、このトルクチューブ３の捩れ角（ｒａｄ）であるφ（ｘ）は、次の（１）式で表される。
φ（ｘ）＝３２・Ａ・Ｌt・Ｆ(ｘ)／{π(ｄ₂ ⁴−ｄ₁ ⁴)・Ｇt(Ｔ)} ・・・（１）
Ａ：荷重伝達アーム２の長さ（ｍｍ）
ｄ₁：トルクチューブ３の外径（ｍｍ）
ｄ₂：トルクチューブ３の内径（ｍｍ）
Ｌt：トルクチューブ３の長さ（ｍｍ）
Ｇt(Ｔ)：温度Ｔにおけるトルクチューブ３の横弾性係数（Ｋｇ／ｍｍ²）
Ｆ（ｘ）：液位ｘ％のときのディスプレーサ１の荷重（Ｋｇｆ）

なお本明細書においては、液位Ｌを表現する際は、ディスプレーサ１が液体に浸漬し始め、つまりディスプレーサ１の底面が液位Ｌに接した状態を液位０％と云い、反対にディスプレーサ１が完全に液体に浸漬して最も大きな浮力を受けた状態を液位１００％と云う。また、ディスプレーサ１の半分の体積が液体に浸漬した状態では、荷重は液位０％と液位１００％時の荷重の中間となり、このときの液位Ｌを液位５０％と云う。このようにトルクチューブ式液面計では、ディスプレーサ１の荷重の変化により、トルクチューブ３の捩れ角φ（ｘ）が変化することにより液位Ｌの測定を行う。

トルクチューブ式液面計では、液体中に浸漬したディスプレーサ１に加わる浮力に対応したトルクチューブ３の捩れ量を、トルクチューブ３と共に捩れるセンタシャフト４を介して角度センサに伝達し、センタシャフト４の回転量を基に液位Ｌを測定している。しかし、雰囲気温度が変化すると、トルクチューブ３、センタシャフト４の横弾性係数が変化し、同じ液位Ｌでもトルクチューブ３等の捩れ角が変化してしまう問題がある。

図７はこの場合の液位Ｌに対するトルクチューブ３の捻れ角φ（ｘ）の温度別のグラフ図であり、雰囲気温度が高くなると同じ液位Ｌでも捻れ角φ（ｘ）が大きくなる。

このような温度変化による誤差の影響を除去するために、例えば特許文献１においては、トルクチューブ３の近傍に配置した温度センサの出力を用いて、誤差の影響を演算により除去することが開示されている。

また、特許文献２には、コイルばねを用いて温度変化によるトルクチューブ３に起因する測定誤差の発生を防止する手段が開示されている。

特開２００３−２１５５０号公報 実公昭６２−１９９４０号公報

特許文献２においては、図８に示すようにディスプレーサ１の荷重を荷重伝達アーム２を介してトルクチューブ３に伝達し、このトルクチューブ３の捩れを荷重伝達アーム２側でトルクチューブ３と一体としたセンタシャフト４に回転量として伝達する。しかし、トルクチューブ３には温度変化による捩れ角の変動が加わるので、この変動をセンタシャフト４に入力ビーム５を介して接続した温度補償用コイルばね６の弾性力により補償している。

つまり、コイルばね６によりトルクチューブ３の捩り方向と反対の方向にセンタシャフト４を捩り返すように、センタシャフト４に対し付勢力を与えることによって、温度が原因の誤差の一部を解消することができる。

この引用文献２では、確かにコイルばね６による温度補償効果はあるものの、適合する弾発力を持つコイルばね６を選定しなければならず、更にはコイルばね６の付勢力の取付方法、調整についても開示がなく、量産時においては個々の液面計への対応が困難であるという実用的な問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、トルクチューブとセンタシャフトを同材料とし、動作上の回転負荷を最小限にする付勢力の取付構造と付勢力の調整を可能としたばねを用いて、温度変化があっても簡便に温度補償を実現できるトルクチューブ式液面計の温度補償機構及び温度補償方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るトルクチューブ式液面計の温度補償機構は、一端をハウジングに固定し他端にディスプレーサからの荷重を受けて捩れる円筒状のトルクチューブと、該トルクチューブ内を貫通し該トルクチューブと同じ捩れ力を受けて回転し前記トルクチューブと温度に対する同等の弾性係数を有する棒状のセンタシャフトと、該センタシャフトの先端に取り付け該センタシャフトの回転角を検出する角度センサとから成るトルクチューブ式液面計において、前記センタシャフトに取り付けた付勢力付加アームと、前記センタシャフトの周囲に回動可能に配置した回動基板と、前記付勢力付加アームと前記回動基板の間に介在し前記付勢力付加アームに対し前記センタシャフトの回転力と逆方向に前記付勢力を供与するばねと、前記回動基板の回動を所定の停止位置で停止し前記ばねの付勢力を調整する付勢力調整機構とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るトルクチューブ式液面計の温度補償方法は、一端をハウジングに固定し他端にディスプレーサからの荷重を受けて捩れる円筒状のトルクチューブと、該トルクチューブ内を貫通し該トルクチューブと同じ捩れ力を受けて回転し前記トルクチューブと温度に対する同等の弾性係数を有する棒状のセンタシャフトと、該センタシャフトの先端に取り付け該センタシャフトの回転角を検出する角度センサとから成るトルクチューブ式液面計において、前記センタシャフトに取り付けた付勢力付加アームと、前記センタシャフトの周囲に回動可能に配置した回動基板と、前記付勢力付加アームと前記回動基板の間に介在し前記付勢力付加アームに対し前記センタシャフトの回転力と逆方向に前記付勢力を供与するばねと、前記回動基板の回動を所定の停止位置で停止させる付勢力を調整する付勢力調整機構とを備え、前記付勢力調整機構により前記回動基板の回動停止位置を移動させながら、前記角度センサの出力を基に前記ばねの付勢力を調整することを特徴とする。

本発明に係るトルクチューブ式液面計の温度補償機構及び温度補償方法によれば、トルクチューブの捩り方向に対し、ばねによる逆方向の付勢力を調整してセンタシャフトに加えることにより、角度センサに伝達される変位角の温度変化による変動を補償できる。

実施例のディスプレーサからトルクチューブに至る連結部の断面図である。 トルクチューブから角度センサに至る連結部の図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 センタシャフトの捩れに対し逆方向に付勢力を加える機構の原理図である。 付勢力を加えた場合の液位に対するセンタシャフトの捩れ角のグラフ図である。 液位によりトルクチューブに捩れ量を発生する原理図である。 従来例の液位に対するトルクチューブの捩れ角のグラフ図である。 従来例のコイルばねによる補正機構の説明図である。

本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。なお、図１〜図３において、図面の倍率はそれぞれ異なって図示している。

図１はタンクの天井部に固定されたトルクチューブ式液面計のディスプレーサからトルクチューブに至る連結部の断面図である。タンクＴ内には液位Ｌを測定すべき例えば高温の液体が貯留されている。液面計の第１のハウジング１１は、フランジ１２を介してタンクＴの天井部に固定され、第１のハウジング１１には後述する第２のハウジングが連結され、更に第２のハウジングには第３のハウジングが連結され、フランジ１２は液面計の重量、つまり第１〜第３のハウジングを含めた全重量を保持している。

第１のハウジング１１の下向きの開放口から、フランジ１２の孔部を介して重錘であるディスプレーサ１３がチェーン１４を介して吊り下げられている。チェーン１４はフック１５に連結して、荷重伝達アーム１６の先端部のアームフック１６ａにディスプレーサ１３の荷重を伝達している。荷重伝達アーム１６はその他端に設けられた切込部１６ｂが、第２のハウジング１７に固定されたナイフエッジから成る支点１８により支持されており、荷重伝達アーム１６は支点１８を中心にディスプレーサ１３の荷重の軽重により僅かに傾動するようにされている。また、荷重伝達アーム１６の他端にはブロック１９がボルト２０により固定されている。

図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。第１のハウジング１１には円筒状の第２のハウジング１７が連結され、第２のハウジング１７には後述する付勢力調整機構等を囲むボックス状の第３のハウジング２１が連結されている。ブロック１９には荷重伝達アーム１６の長手方向と直交する方向に、金属製で円筒状のトルクチューブ２２の一端が溶接により固定され、第２のハウジング１７内に収納されている。ブロック１９は荷重伝達アーム１６の支点１８による傾きを、トルクチューブ２２の軸を中心とする捩り量に変換するようにされている。

荷重伝達アーム１６側のトルクチューブ２２は閉止されており、他端の円筒部は第２のハウジング１７の中間部に設けられた隔壁１７ａの孔部の内壁に固定され、トルクチューブ２２の内部は第１、第２のハウジング１１、１７内と気密に隔絶されている。そして、第１、第２のハウジング１１、１７内の雰囲気は第２のハウジング１７の隔壁１７ａにより、第３のハウジング２１内に入り込まないように遮蔽されている。

ブロック１９にはブロック２３が溶接により固定され、ブロック２３にはトルクチューブ２２と同材料から成る棒状のセンタシャフト２４が溶接により固定されている。このセンタシャフト２４はトルクチューブ２２内を同心円状に貫通して配置され、センタシャフト２４の中心軸は支点１８の先端と一致している。

センタシャフト２４は隔壁１７ａの孔部を経て、その先端は連結ロッド２５に同軸状に接続され、第２のハウジング１７には保持部材２６が取り付けられ、連結ロッド２５は保持部材２６に設けられたベアリング２７により回転自在に保持されている。更に、連結ロッド２５の先端は角度センサ２８の回転検出軸２８ａに接続され、角度センサ２８は第３のハウジング２１の外側に配置されている。

図２の第３のハウジング２１の内部及び図２のＢ−Ｂ線に沿った図３の断面図に示すように、第３のハウジング２１内の連結ロッド２５に、連結ロッド２５の中心軸と直交する方向に条片状の付勢力付加アーム２９が固定され、付勢力付加アーム２９の両端はそれぞればね掛け部２９ａ、２９ｂとされている。なお、連結ロッド２５は組立等の都合上用いたが、連結ロッド２５を用いることなく、センタシャフト２４に角度センサ２８、付勢力付加アーム２９を直接に取り付けてもよい。

一方、第３のハウジング２１内の保持部材２６には、付勢力付加アーム２９と軸方向に重なるように、回動基板３０が連結ロッド２５の中心軸を中心に回動可能に配置され、この回動基板３０には回動規制部３０ａが切欠されている。また、回動基板３０の周囲には２個のばね掛け部３０ｂ、３０ｃが設けられている。

更に、第３のハウジング２１内には、センタシャフト２４の捩れに対し逆方向の付勢力を調整して加えるために、回動基板３０の回動規制部３０ａに対して作用する付勢力調整機構３１が設けられている。この付勢力調整機構３１のねじ軸３２は第３のハウジング２１内に支持され、ねじ軸３２には回動基板３０の回動規制部３０ａに係合する係止部３３が螺合され、係止部３３はねじ軸３２の回転に従って、ねじ軸３２に沿って移動し得るようにされている。

そして、付勢力付加アーム２９のばね掛け部２９ａ、２９ｂと回動基板３０のばね掛け部３０ｂ、３０ｃとの間に、引っ張りばねから成る２個のコイルばね３４ａ、３４ｂがそれぞれ掛け渡されている。また、コイルばね３４ａ、３４ｂは温度によってばね特性が変化し難い恒弾性材料を選択することが、付勢力の安定のために好ましく、温度０℃〜８０℃に対し横弾性係数の変化率が１％以内であることが望ましく、例えばＮｉＳｐａｎＣなどが好適である。

図３において、センタシャフト２４にはトルクチューブ２２からディスプレーサ１３による荷重が時計廻りの回転力として常時加えられている。回動基板３０は付勢力調整機構３１の係止部３３により時計廻りの回動が規制され、付勢力付加アーム２９にはコイルばね３４ａ、３４ｂにより反時計廻りの捩れ力が加えられ、結果的にセンタシャフト２４にはトルクチューブ２２の捩れ力と逆方向の付勢力が加えられる。

このセンタシャフト２４の逆方向の付勢力については、治具等によりねじ軸３２を回転させて係止部３３を移動して、回動基板３０の回動規制部３０ａによりばね掛け部３０ｂ、３０ｃの回動停止位置を調整して、コイルばね３４ａ、３４ｂの伸び量、即ち付勢力を微細に調整することができる。

測定時において、ディスプレーサ１３から荷重伝達アーム１６に伝達される荷重は、ディスプレーサ１３の自重から液体による浮力つまりディスプレーサ１３のうち液位Ｌまで浸漬した分の体積に、液体の比重を乗じた値を差し引いた合成荷重である。浮力を受けたディスプレーサ１３の荷重は荷重伝達アーム１６のアームフック１６ａに伝わり、支点１８を中心とする荷重伝達アーム１６の傾動に変換される。更に、この傾動はブロック１９を介してトルクチューブ２２に伝達され、またブロック２３を介してセンタシャフト２４に伝達される。トルクチューブ２２の他端は第２のハウジング１７の隔壁１７ａに固定されているために、トルクチューブ２２には捩れ角が発生し、センタシャフト２４にも同じ捩れ角つまり回転角が与えられる。

このセンタシャフト２４の回転角は、連結ロッド２５、回転検出軸２８ａを介して角度センサ２８によって検出がなされ、この回転角を基に液位Ｌが測定され、液位０％〜１００％のフルスパンに対し、例えばセンタシャフト２４の回転角は１゜とされている。

測定時においては、第１のハウジング１１、第２のハウジング１７内はタンクＴ内の雰囲気と同等となり、トルクチューブ２２はこの雰囲気の温度に晒され、温度が変動するとトルクチューブ２２の横弾性係数の変化により同じ液位Ｌでも捻れ量が変化することになる。また、センタシャフト４にもブロック１９、２３も温度が伝熱されセンタシャフト２４はトルクチューブ２２の温度とほぼ同等となる。

この雰囲気温度の測定精度への影響を補償するために、付勢力調整機構３１のコイルばね３４ａ、３４ｂの付勢力を調整する。即ち、センタシャフト２４の回転量が、例えば液位５０％時のトルクチューブ２２の捩れ力と平衡するように、つまり液位５０％において、検出角度が０となるように、トルクチューブ２２の捩れ量と同一量で逆方向の回転量がセンタシャフト２４に生ずるように調整する。

この調整においては、製造時に例えば常温で液位５０％におけるディスプレーサ１３と同等の荷重をアームフック１６ａに加えて、センタシャフト２４の回転角を角度センサ２８により検出する。そして、付勢力調整機構３１の係止部３３を移動しながら、角度センサ２８で得られる回転角が０となるように、回動基板３０の回動規制部３０ａによる回動停止位置を移動することにより、コイルばね３４ａ、３４ｂの付勢力を調整する。なお、不時にねじ軸３２が回転して係止部３３が移動しないように、調整後にねじ軸３２の回転を規制するロック機構を設けることが好ましい。

このことを図４の捩れ量と逆の付勢力をセンタシャフト２４に加える機構の原理図を基に、数式を用いて説明する。

φ（ｘ）：トルクチューブ２２の捩れ角（ｒａｄ）
θ（ｘ）：センタシャフト２４の回転角（ｒａｄ）
Ａ：荷重伝達アーム１６の長さ（ｍｍ）
ａ：付勢力付加アーム２９の長さ（ｍｍ）
ｄ₁：トルクチューブ２２の外径（ｍｍ）
ｄ₂：トルクチューブ２２の内径（ｍｍ）
ｄ₃：センタシャフト２４の外径（ｍｍ）
Ｌt：トルクチューブ２２の長さ（ｍｍ）
Ｌc：センタシャフト２４の長さ（ｍｍ）
Ｇt(Ｔ）：温度Ｔにおけるトルクチューブ２２の横弾性係数（Ｋｇ／ｍｍ²）
Ｇc(Ｔ)：温度Ｔにおけるセンタシャフト２４の横弾性係数（Ｋｇ／ｍｍ²）
ｆ（ｘ）：液位ｘ％のときのディスプレーサ１３の質量（Ｋｇｆ）
Ｆ（ｘ）：液位ｘ％のときのコイルばね３４ａ、３４ｂの付勢力（Ｋｇｆ）
これらの諸元を基に、次の（２）、（３）式が成立する。
φ（ｘ）＝｛３２・Ｆ（ｘ）・Ａ・Ｌt−ｆ（ｘ）・ａ・Ｌc｝
／{π(ｄ₂ ⁴−ｄ₁ ⁴)・Ｇt(Ｔ)} ・・・（２）
θ（ｘ）＝{３２・Ｆ(ｘ)・ａ・Ｌc}／{π・ｄ₃ ⁴・Ｇc(Ｔ)} ・・・（３）

（２）、（３）式から、トルクチューブ２２とセンタシャフト２４は同材料であるためＧt(Ｔ)＝Ｇc(Ｔ)となり、トルクチューブ２２、センタシャフト２４の横弾性係数は相殺され、次の（４）式が得られる。
ｆ（ｘ）＝Ａ・Ｌt・ｄ₃ ⁴・Ｆ（ｘ）／{ａ・Ｌc・(ｄ₂ ⁴−ｄ₁ ⁴＋ｄ₃ ⁴)} ・・・（４）

調整時において、或る液位にＬに相当するディスプレーサ１３の荷重を与え、コイルばね３４ａ、３４ｂによる付勢力を徐々に加減することにより、角度センサ２８で得られる回転角が０となったときが、トルクチューブ３の捩れ角φ（ｘ）とセンタシャフト２４の捩れ角θ（ｘ）が平衡したときである。

本実施例では、液位５０％に相当するディスプレーサ１３の荷重を加え、そのとき角度センサ２８で回転角０が得られるように、コイルばね３４ａ、３４ｂの付勢力を調整すると、結果的に（４）式のｆ（５０）、Ｆ（５０）以外の定数が１となり、φ（５０）＝θ（５０）となる。これにより、たとえ温度が変化しても、少なくとも調整液位である液位５０％においては、測定角が変動することはない。

図５はこのように調整した場合の液位０〜１００％に対するセンタシャフト２４の回転量である捩れ角θ（ｘ）のグラフ図である。液位５０％においては、雰囲気温度に拘らず角度センサ２８では回転角０が得られるが、液位５０％以外では若干の誤差が生ずる。なお、この誤差については、トルクチューブ２２の近傍に温度センサを備え、温度センサの出力を基に電気的な演算によって補正することもできる。

上述の実施例では、液位５０％の近傍の測定値の精度を高めるために、液位５０％において回転力が釣り合うように、コイルばね３４ａ、３４ｂの付勢力を付勢力調整機構３１により調整した。しかし、測定目的によっては液位０％或いは１００％近傍での精度を高めるために液位０％或いは１００％で調整したり、その他の液位の時のトルクチューブ２２の捩り量を相殺する逆方向の付勢力調整を、必要に応じて実施することができる。

コイルばね３４ａ、３４ｂのばねの強さを示すばね定数が大きいほど、液位５０％以外の液位において誤差が小さくなるが、反面で感度が悪くなり測定スパンも小さくなる。

また、２個のコイルばね３４ａ、３４ｂを用いて、センタシャフト２４にスラスト方向の荷重が掛からず、ヒステリシス誤差が生じないように付勢力を平衡させたが、コイルばねは１個であっても付勢力を供与することができる。更には、３個以上のばねを使用して付勢力を更に均等にセンタシャフト２４に加わるようにすることも可能である。また、付勢力付加手段はコイルばねではなく、他のばね手段によって付勢することもできる。

なお、角度センサ２８としては種々の型式のものが使用可能であるが、本実施例においては、例えばホール素子を用いて角度検出を行っている。

１１、１７、２１ ハウジング
１３ ディスプレーサ
１６ 荷重伝達アーム
１８ 支点
２２ トルクチューブ
２４ センタシャフト
２８ 角度センサ
２９ 付勢力付加アーム
３０ 回動基板
３０ａ 回動規制部
３１ 付勢力調整機構
３２ ねじ軸
３３ 係止部
３４ａ、３４ｂ コイルばね

Claims (7)

1. 一端をハウジングに固定し他端にディスプレーサからの荷重を受けて捩れる円筒状のトルクチューブと、該トルクチューブ内を貫通し該トルクチューブと同じ捩れ力を受けて回転し前記トルクチューブと温度に対する同等の弾性係数を有する棒状のセンタシャフトと、該センタシャフトの先端に取り付け該センタシャフトの回転角を検出する角度センサとから成るトルクチューブ式液面計において、前記センタシャフトに取り付けた付勢力付加アームと、前記センタシャフトの周囲に回動可能に配置した回動基板と、前記付勢力付加アームと前記回動基板の間に介在し前記付勢力付加アームに対し前記センタシャフトの回転力と逆方向に前記付勢力を供与するばねと、前記回動基板の回動を所定の停止位置で停止し前記ばねの付勢力を調整する付勢力調整機構とを備えたことを特徴とするトルクチューブ式液面計の温度補償機構。
2. 前記ばねにより前記センタシャフトの回転量が中間液位５０％における前記トルクチューブの捩れ力と同一量で逆方向となるようにすることを特徴とする請求項１に記載のトルクチューブ式液面計の温度補償機構。
3. 前記回動基板には回動規制部を形成し、前記付勢力調整機構の係止部を前記回動規制部に係止することによりその回動位置を所定の停止位置で停止することを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクチューブ式液面計の温度補償機構。
4. 前記ばねは温度に対し恒弾性材料を使用することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のトルクチューブ式液面計の温度補償機構。
5. 前記ばねを１個又は複数個設けたことを特徴とする請求項１〜４に何れか１つの請求項に記載のトルクチューブ式液面計の温度補償機構。
6. 前記付勢力調整機構の係止部はねじ軸に沿って移動するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のトルクチューブ式液面計の温度補償機構。
7. 一端をハウジングに固定し他端にディスプレーサからの荷重を受けて捩れる円筒状のトルクチューブと、該トルクチューブ内を貫通し該トルクチューブと同じ捩れ力を受けて回転し前記トルクチューブと温度に対する同等の弾性係数を有する棒状のセンタシャフトと、該センタシャフトの先端に取り付け該センタシャフトの回転角を検出する角度センサとから成るトルクチューブ式液面計において、前記センタシャフトに取り付けた付勢力付加アームと、前記センタシャフトの周囲に回動可能に配置した回動基板と、前記付勢力付加アームと前記回動基板の間に介在し前記付勢力付加アームに対し前記センタシャフトの回転力と逆方向に前記付勢力を供与するばねと、前記回動基板の回動を所定の停止位置で停止させる付勢力を調整する付勢力調整機構とを備え、前記付勢力調整機構により前記回動基板の回動停止位置を移動させながら、前記角度センサの出力を基に前記ばねの付勢力を調整することを特徴とするトルクチューブ式液面計の温度補償方法。

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