JP2013047612A

JP2013047612A - 容量可変型貯蔵容器のレベル計および容量可変型貯蔵容器の貯蔵量算定方法

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Publication number: JP2013047612A
Application number: JP2011185422A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yoshida; 周史吉田; Yoshimoto Fujii; 良基藤井; Katsuyuki Sugawara; 勝幸菅原; Satoru Ogino; 哲荻野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: JP5668644B2

Abstract

【課題】ピストン式の容量可変型貯蔵容器（例えば、ピストン式のガスホルダー）において、上下に移動するピストンの高さ位置（レベル）を検出するレベル計として、当該容量可変型貯蔵容器が稼働中でも容易にメンテナンス（修理、部品交換、調整等）を行うことができるレベル計を提供する。
【解決手段】レベル計１０は、ガスホルダー１の屋根４に設置された天秤１１と、上端が天秤１１の一端に取り付けられ、下端部分がピストン５の上面に垂れ止まっているチェーン１２と、天秤１１の他端に取り付けられているカウンターウェイト１３と、カウンターウェイト１３に作用する重力（重量）Ｍと同カウンターウェイト１３に天秤１１を介してチェーン１２から作用する持ち上げ力Ｆとの差（Ｍ−Ｆ）を測定するロードセル１４とを備え、ロードセル１４の測定値からピストン５の高さ位置（レベル）を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン式の容量可変型貯蔵容器（例えば、ピストン式のガスホルダー）において、当該容量可変型貯蔵容器に貯蔵されている内容物（例えば、ガス）の量を算定するために、上下に移動するピストンの高さ位置（レベル）を検出するレベル計に関するものである。

ピストン式の容量可変型貯蔵容器（例えば、ピストン式のガスホルダー）では、貯蔵した内容物（例えば、ガス）の圧力を一定に保つため、貯蔵している内容物の量に応じてピストンが側壁の内面に沿って上下に移動するようになっている。

したがって、貯蔵されている内容物の量を把握するには、ピストンの高さ位置（レベル）を検出すればよく、そのためにはピストンの高さ位置（レベル）を検出するレベル計が必要となる。

従来のレベル計としては、ピストン上部に接続したワイヤーを、ガスホルダーの天井に設置されたドラムや滑車等を介してガスホルダーの外壁に這わせ、そのワイヤーの変位量を目視観測、または滑車に取り付けられたセルシンモーター等で測定することによって、ピストンのレベルを求めるものがある（特許文献１参照）。

また、他のレベル計としては、ガスホルダーの上部に固定された光学式距離計を用いて、ピストンのレベルを求めるものがある（特許文献２参照）。

特公昭６２−９７９２号公報特開２００６−１７４９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたレベル計は、ピストンとワイヤーで接続されているため、ピストンの傾斜量の増大や滑車の座屈でワイヤーに過剰な張力が加わった場合、ワイヤーが破断してレベル計が使用不可能となる問題点があった。また、レベル計の不具合があった場合に、部品交換を行うためには貯蔵容器のピストン上部に立ち入る必要があった。稼働中のガスホルダーにおいては、ガス中毒の危険がある他、引火の可能性があるため、内部に立ち入ることや火気を用いた工事を行うことができない。また、部品交換を行った後などには、ゼロ点調整のために一度ピストンを最下点まで下ろす必要があり、操業上の不都合が発生する問題点があった。

また、特許文献２に記載されたレベル計は、光学式距離計を用いるので、ピストンと非接触であるため、故障の際のリスクは小さい。しかしながら、この方式ではピストン上に反射板を設置する必要があり、反射板のメンテナンスを行うためにはやはりピストン上に立ち入っての作業が必要となり、上述したように、稼働中のガスホルダーに立ち入ることは、ガス中毒の危険がある他、引火の可能性があるため、火気を用いた工事を行うことができない。また、ゼロ点調整のために一度ピストンを最下点まで下ろす必要があり、操業上の不都合が発生する問題点があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ピストン式の容量可変型貯蔵容器（例えば、ピストン式のガスホルダー）において、上下に移動するピストンの高さ位置（レベル）を検出するレベル計として、当該容量可変型貯蔵容器が稼働中でも容易にメンテナンス（修理、部品交換、調整等）を行うことができるレベル計および容量可変型貯蔵容器の貯蔵量算定方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。

［１］ピストン式の容量可変型貯蔵容器において、上下に移動するピストンの高さ位置（レベル）を検出するレベル計であって、当該容量可変型貯蔵容器の上部に設置された天秤機構と、上端が前記天秤機構の一端に取り付けられ、下端部分が前記ピストンの上面に垂れ止まっている懸垂体と、前記天秤機構の他端に取り付けられているカウンターウェイトと、該カウンターウェイトに作用する重力（重量）と同カウンターウェイトに前記天秤機構を介して懸垂体から作用する持ち上げ力との差を測定する重量計とを備え、前記重量計の測定値からピストンの高さ位置（レベル）を検出することを特徴とする容量可変型貯蔵容器のレベル計。

［２］前記重量計として、ロードセルが用いられていることを特徴とする前記［１］に記載の容量可変型貯蔵容器のレベル計。

［３］前記［１］または［２］に記載のレベル計を用いて、ピストン式の容量可変型貯蔵容器の貯蔵量を算定することを特徴とする容量可変型貯蔵容器の貯蔵量算定方法。

本発明におけるレベル計は、ピストン式の容量可変型貯蔵容器（例えば、ピストン式のガスホルダー）が稼働中でも、容易にメンテナンス（修理、部品交換、調整等）を行うことができる。

本発明の一実施形態を示す模式図である。本発明の実施例における検出結果を示すグラフである。本発明の実施例における検出結果を示すグラフである。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す図であり、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は要部拡大図である。

図１に示すように、この実施形態における測定対象は、円筒型のピストン式ガスホルダー１であり、底板２と側壁３と屋根４を備えており、貯蔵されているガスの量に応じて側壁３の内面に沿って上下に移動するピストン５が設置されている。

そして、この実施形態においては、ピストン５の底板２からの高さ位置（レベル）Ｈを検出するために、以下のようなレベル計１０が設置されている。

すなわち、レベル計１０は、ガスホルダー１の屋根（天井）４に設置された天秤１１と、上端が天秤１１の一端に取り付けられ、下端部分がピストン５の上面に垂れ止まっている懸垂体（ここでは、チェーン）１２と、天秤１１の他端に取り付けられているカウンターウェイト１３と、カウンターウェイト１３に作用する重力（重量）Ｍと同カウンターウェイト１３に天秤１１を介して懸垂体１２から作用する持ち上げ力Ｆとの差（Ｍ−Ｆ）を測定する重量計（ここでは、ロードセル）１４とを備え、重量計１４の測定値からピストン５の高さ位置（レベル）を検出するようになっている。

さらに詳しく説明すると、ガスホルダー１の屋根４（底板２からの高さ位置ｈ）に天秤１１を有する構造体を設置する。この際、構造体が水平面上に置かれるよう、必要に応じて土台を設置する。

その天秤１１の一端には、長さあたりの重量が大きく、長さ方向に一様とみなせる懸垂体１２を取り付け、ピストン５の上面に垂れた状態にする。このとき、懸垂体１２の全長長さはガスホルダー１の高さに応じて選び、ピストン５が最下点にある時においても懸垂体１２がピストン５の上面に接触する程度とする。一方、天秤１１の他端には、カウンターウェイト１３を取り付ける。

ここで、天秤１１の腕の長さは、カウンターウェイト１３側の腕１１ａの長さと懸垂体１２側の腕１１ｂの長さとが均一である必要はなく、図１（ｂ）に示すように、懸垂体１２側の腕１１ｂを長くすることで、懸垂体１２の見掛け上の重量を大きくし、重量計１４の測定精度を高めることができる。ちなみに、図１（ｂ）では、カウンターウェイト１３側の腕１１ａの長さ：懸垂体１２側の腕１１ｂの長さ＝１：２としており、カウンターウェイト１３側の腕１１ａの長さに対する懸垂体１２側の腕１１ｂの長さ比ａ＝２になっている。

また、カウンターウェイト１３の重量は懸垂体１２側の回転モーメントが最大となった場合に、それを打ち消すことができる必要がある。懸垂体１２は、天秤１１からピストン５までの長さＬ分の荷重Ｎを天秤１１の一端に加える。この荷重Ｎが天秤１１にもたらす回転モーメントは、カウンターウェイト１３が天秤１１にもたらす回転モーメントよりも小さくなるように設定する。ピストン５が上下に移動することで、この荷重Ｎは増減するため、重量計１４の示す測定値もそれに伴って増減する。これによってピストン５の高さ位置Ｈを検出する。この時、天秤１１に加えられる荷重Ｍ、Ｎは準静的で、どちらか一方に傾くといった動作は行わない。なお、重量計１４はカウンターウェイト１３が重量計１４を垂直に押すような高さに設置する。

このようにすることで、重量計１４の測定値Ｗは、カウンターウェイト１３の重量Ｍと、天秤１１からピストン５までの距離Ｌ分の懸垂体１２の見掛け上の重量（すなわち、カウンターウェイト１３に天秤１１を介して懸垂体１２から作用する持ち上げ力Ｆ）との差（Ｍ−Ｆ）を示すので、以下の（１）〜（３）式の関係より、（４）式によって、ピストン５のピストン５の高さ位置（ピストンレベル）が検出でき、その（４）式とガスホルダー１の水平方向断面積Ａより、（５）式によって、ガスホルダー１に貯蔵されているガスの容量（ガスホルダーレベル）Ｑを算定することができる。

すなわち、
Ｗ＝Ｍ−Ｆ・・・（１）
Ｆ＝ａ・ｍ・Ｌ・・・（２）
Ｈ＝ｈ−Ｌ・・・（３）
Ｈ＝ｈ−（Ｍ−Ｗ）／（ａ・ｍ）・・・（４）
Ｑ＝Ａ×（ｈ−（Ｍ−Ｗ）／（ａ・ｍ））・・・（５）
ここで、
Ｑ：ガスホルダー１が貯蔵しているガス容量（ｍ^３）
Ａ：ガスホルダー１の水平方向断面積（ｍ^２）
ｈ：天秤１１の設置高さ位置（ｍ）
Ｍ：カウンターウェイト１３の重量（ｋｇｆ）
Ｗ：重量計１４の測定値（ｋｇｆ）
Ｌ：天秤１１からピストン５までの距離（ｍ）
Ｆ：カウンターウェイト１３に作用する持ち上げ力Ｆ（ｋｇｆ）
ａ：天秤１１の腕の長さ比
ｍ：懸垂体１２の長さ当り重量（ｋｇｆ／ｍ）

上記（５）式においては、重量計１４の測定値Ｗ以外は全て既知の値であるので、重量計１４の測定値Ｗから直ちにガスホルダー１のレベルＱを算定することができる。

このようにして、この実施形態におけるレベル計（ロードセル式レベル計）１０は、既成の鋼材から製作可能な天秤機構１１とチェーン１２とカウンターウェイト１３とロードセル１４から成り、特許文献１に記載のようなピストン５とワイヤーで接続したレベル計（ワイヤー式レベル計）とは異なって、ピストン５と非接続であり、レベル計１０の主要部分（天秤機構１１、カウンターウェイト１３、ロードセル１４）がガスホルダー１の屋根４に集約されていることから、レベル計１０に異常があった際にも、ガスホルダー１が稼働中であるか否かに関わらず、メンテナンス（修理、部品交換、調整等）を行うことができる。

また、レベル計１０がピストン５と非接続であることから、レベル計１０の主要部分は殆ど動かないため、動的な負荷が無く、地震などの影響を受けにくいという利点がある。特許文献２のような光学式距離計を用いたレベル計（光学式レベル計）と比較した場合、無電源で使用可能という点で、災害時の停電に際しても使用できる点で優れている。

なお、この実施形態では、ピストン式のガスホルダーを対象としているが、本発明はそれに限定されるものではなく、他のピストン式の容量可変型貯蔵容器にも同様に適用することができる。

本発明の実施例として、ガスホルダー１のピストン５の高さ位置（ピストンレベル）Ｈを検出して、貯蔵しているガス容量（ガスホルダーレベル）Ｑを算定した。

ここで、対象としたガスホルダー１は、側壁３の高さ（底板２から屋根４までの高さ）ｈが５６．３５ｍ、水平方向断面の直径が３３．６２ｍ（水平方向断面積Ａが８８７．２ｍ^２）、最大容量が４万ｍ^３のＭＨＩ−ＭＡＮ型乾式ガスホルダーであった。また、最大容量が１５万ｍ^３の乾式ガスホルダーも対象とした。

そして、本発明例として、上記の本発明の一実施形態に基づいて、ガスホルダー１の屋根４にレベル計（ロードセル式レベル計）１０を設置した。

レベル計１０の寸法は、懸垂体１２を除くと、およそ高さ５００ｍｍ×幅９２０ｍｍ×奥行き４６０ｍｍであった。天秤１１の腕の長さはいずれのガスホルダー１でもカウンターウェイト１３側の腕１１ａの長さ２００ｍｍ、懸垂体１２側の腕１１ｂの長さ４００ｍｍで、１：２の比率とした（ａ＝２）。懸垂体１２にはステンレス製チェーン（長さ当り重量ｍは０．４２９ｋｇｆ／ｍ）を用いた。カウンターウェイト１３の重量は、最大容量４万ｍ^３のガスホルダーに対しては５２ｋｇ、最大容量１５万ｍ^３のガスホルダーに対しては７７ｋｇに設定した。重量計１４としては、出力電流４．０〜２０．０ｍＡに対して０〜１００ｋｇに設定したロードセル（ＤＦ−２００ＬＡ型）を使用した。レベル計１０全体の総重量は、約２２４ｋｇであった。

このレベル計１０の誤差は、主にロードセル１４および付随する電気部品に起因する。その測定精度Ｅは、以下の（６）式で求められる。

Ｅ＝（Ｅ_１ ^２＋Ｅ_２ ^２＋Ｅ_３ ^２＋（Ｅ_４ΔＴ）^２＋（Ｅ_５ΔＴ）^２）^１／２・・・（６）
ここで、
Ｅ：測定精度
Ｅ_１：非直線性
Ｅ_２：ヒステリシス
Ｅ_３：繰り返し性
Ｅ_４：ゼロ点の温度影響
Ｅ_５：出力の温度影響
ΔＴ：周囲環境の温度変化幅（℃）

いま、Ｅ_１＝０．０５、Ｅ_２＝０．０５、Ｅ_３＝０．０３、Ｅ_４＝０．００５、Ｅ_５＝０．００５、ΔＴ＝１５（℃）とすると、このレベル計１０の測定精度Ｅは、上記（６）式より、
Ｅ＝０．１３１（％）・・・（７）
となる。

ロードセル１４の定格容量は１００ｋｇに設定しているため、上記の測定精度Ｅ＝０．１３１％を掛け合わせると、重量に対する測定誤差は±０．１３１ｋｇとなる。チェーン１２の長さ当り重量ｍは０．４２９ｋｇｆ／ｍであるので、天秤１１の腕の長さ比が１：２であることを考慮して、距離に換算したときの測定誤差は±０．１５３ｍとなる。

このレベル計（ロードセル式レベル計）１０を用いて、貯蔵しているガス容量（ガスホルダーレベル）Ｑを算定した結果を図２に示す。図２（ａ）は最大容量４万ｍ^３のガスホルダーの場合、図２（ｂ）は最大容量１５万ｍ^３のガスホルダーの場合である。なお、それぞれの場合について、比較例として、特許文献１に記載されているレベル計（ワイヤー式レベル計）を用いて、貯蔵しているガス容量（ガスホルダーレベル）Ｑを算定した結果を図２に示している。

図２に示すように、本発明例（ロードセル式レベル計）では、比較例（ワイヤー式レベル計）とほぼ同等のレベル算定能力を示していると言える。

また、２０１１年３月１１日の東日本大震災後、最大容量４万ｍ^３のガスホルダーの操業を一時停止し、復旧させた後のガスホルダーレベルＱを算定した結果について、本発明例（ロードセル式レベル計）と比較例（ワイヤー式レベル計）で比較したものを図３に示す。なお、本発明例に関しては、レベル計そのものは動作し続けていたものの、記録計に不具合が生じていたため、記録計が復旧して記録を再開した時点からのデータとなっている。

図２と図３を比較して、東日本大震災の前後で本発明例（ロードセル式レベル計）と比較例（ワイヤー式レベル計）のガスホルダーレベルＱの算定値に明確な違いが見られない。よって、本発明のレベル計（ロードセル式レベル計）は震度５強の地震が起こった際にも正常にレベル測定が可能であり、従来のワイヤー式レベル計と同等以上の耐震性を有することが分かった。

１ガスホルダー
２ガスホルダーの底板
３ガスホルダーの側壁
４ガスホルダーの屋根（天井）
５ピストン
１０レベル計
１１天秤（天秤機構）
１１ａカウンターウェイト側の腕
１１ｂ懸垂体側の腕
１２懸垂体（チェーン）
１３カウンターウェイト
１４重量計（ロードセル）

Claims

ピストン式の容量可変型貯蔵容器において、上下に移動するピストンの高さ位置（レベル）を検出するレベル計であって、当該容量可変型貯蔵容器の上部に設置された天秤機構と、上端が前記天秤機構の一端に取り付けられ、下端部分が前記ピストンの上面に垂れ止まっている懸垂体と、前記天秤機構の他端に取り付けられているカウンターウェイトと、該カウンターウェイトに作用する重力（重量）と同カウンターウェイトに前記天秤機構を介して懸垂体から作用する持ち上げ力との差を測定する重量計とを備え、前記重量計の測定値からピストンの高さ位置（レベル）を検出することを特徴とする容量可変型貯蔵容器のレベル計。
前記重量計として、ロードセルが用いられていることを特徴とする請求項１に記載の容量可変型貯蔵容器のレベル計。
請求項１または２に記載のレベル計を用いて、ピストン式の容量可変型貯蔵容器の貯蔵量を算定することを特徴とする容量可変型貯蔵容器の貯蔵量算定方法。