JP2013160693A - 圧力式レベルメータ - Google Patents

Abstract

【課題】結露の発生を確実に防止することが可能な圧力式レベルメータを提供する。
【解決手段】圧力式レベルメータ１０は、両端に開口部２０Ａ，２０Ｂを有する筒状に形成され、一方の開口部２０Ａの側に外気が導入される筒状部材２０と、当該筒状部材２０の他方の開口部２０Ｂを塞ぎ、液圧に応じて変形するダイヤフラム３０と、一方の開口部２０Ａを塞いで筒状部材２０の内側にダイヤフラム３０と共に密閉空間５０を形成し、外側の圧力と密閉空間５０の圧力とを等しく維持するように変形可能な弁体４０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を貯留する貯留タンクや配管等の液圧を測定し、液面の高さ等を計測する圧力式レベルメータに関する。

従来、貯留タンク等に貯留される液体の液面の高さを、貯留タンク等内の液圧に基づいて計測する圧力式レベルメータが利用されてきた。この種の技術として、ゲージ圧（相対圧）センサを使用し液圧と外圧との差分を算出して液圧のみを求めるものがある。しかしながら、この技術では測定方法上、センサ内に外気を導入する必要があるので結露の原因となる。センサ内に結露が生じると、センサ内に備えられる基板等に錆が発生する可能性がある。これにより、センサの寿命を早め、適切に検出できなくなる。このような結露の発生を抑制する技術として下記に出典を示す特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の水没型水圧式水位センサは、圧力検出素子と信号処理回路とエアチューブとを備えて構成される。圧力検出素子は、外圧を受けて変形するダイヤフラム上に形成された移動電極と当該移動電極から離間して配置された固定電極との間の静電容量の変化に基づき外圧を検出する。信号処理回路は、圧力検出素子からの出力信号の演算処理を行う。エアチューブは、圧力検出素子と信号処理回路部とをハウジング内に密閉収容し、当該ハウジング内に大気を導入する。このような水没型水圧式水位センサは、移動電極と固定電極との間の空隙部とエアチューブの開放端とが気密的に接続される。移動電極と固定電極との間の空隙内には、このエアチューブから中継チューブを介して、大気が導入される。これにより、ダイヤフラムに作用する外圧（水圧）を検出している。

特開平１０−１１１１６３号公報

ここで、特許文献１に記載の技術では、ダイヤフラムの一方の面は外圧（水圧）が直接作用し、他方の面は外気に晒される。したがって、結露の発生を完全に防止することができない。また、結露が発生し、ダイヤフラムに水分が付着すると、ダイヤフラムに作用する圧力に誤差が含まれることになるので、精度良く液体の水位を検出することができなくなる可能性がある。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、結露の発生を確実に防止することが可能な圧力式レベルメータ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圧力式レベルメータの特徴構成は、
両端に開口部を有する筒状に形成され、一方の開口部の側に外気が導入される筒状部材と、
前記筒状部材の他方の開口部を塞ぎ、液圧に応じて変形するダイヤフラムと、
前記一方の開口部を塞いで前記筒状部材の内側に前記ダイヤフラムと共に密閉空間を形成し、外側の圧力と前記密閉空間の圧力とを等しく維持するように変形可能な弁体と、
を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、ダイヤフラムは圧力式レベルメータが備えられる液体用貯留タンクや配管等内の液体と密閉空間とにより挟まれることになり、直接外気に触れることがない。このため、ダイヤフラムを外気から遮断でき、密閉空間の内部の湿度は安定的に維持されるので、液体用貯留タンクや配管等内の液体と外気との間に温度差があった場合でも、結露の発生を確実に防止できる。したがって、精度良く液面の高さを検出することが可能となる。

また、前記弁体が、前記一方の開口部の開口面積より広い表面積を有する膜で形成することが可能である。

このような構成とすれば、密閉空間の圧力に変動が生じた場合、ダイヤフラムの変位量よりも膜の変位量を小さくすることができるので、膜の材質や貼付構造の自由度を高めることが可能となる。このため、弁体を一方の開口部に対して弛ませて備えると好適である。したがって、密閉空間の外側の圧力と密閉空間の圧力とに圧力差がある場合でも、当該圧力差を弁体の変形で許容することができる。また、弁体が弛ませて備えられるので、密閉空間の外側の圧力と密閉空間の圧力との圧力差に応じて弁体が容易に変形することが可能となる。

また、前記弁体が、前記外側の圧力と前記密閉空間の圧力との差圧に応じて塑性変形可能であると好適である。

このような構成とすれば、弁体が密閉空間の外側の圧力と密閉空間の圧力とを等しく維持するように変形する際に、弁体に弾性力が作用し続けることがなくなり、弁体の抗力を低減できる。したがって、弁体を容易に変形させることが可能となる。

また、前記筒状部材は、前記他方の開口部の開口面積よりも前記一方の開口部の開口面積の方が広く構成されてあると好適である。

このような構成とすれば、他方の開口部を塞ぐダイヤフラムに作用する液圧に基づいて、一方の開口部を塞ぐ弁体に作用する力を小さくすることができる。したがって、弁体が、外側の圧力と密閉空間の圧力とを等しく維持し易くなる。

また、前記密閉空間は、前記ダイヤフラムよりも外側の温度と前記弁体よりも外側の温度との温度差を維持することが可能な断熱特性を有する容量で形成されていると好適である。

このような構成とすれば、密閉空間が大きな空気層を有するので断熱効果を高めることができる。すなわち、ダイヤフラムよりも外側の温度と弁体よりも外側の温度との間に温度差があっても、密閉空間によりダイヤフラム及び弁体の夫々に他方の温度が伝達され難くなるので、結露発生の防止効果を高めることが可能となる。

圧力式レベルメータの適用例を示す図である。 圧力式レベルメータを模式的に示す部分断面図である。 弁体の変化について模式的に示す図である。 その他の実施形態に係る弁体を示す図である。 その他の実施形態に係る弁体を示す図である。 その他の実施形態に係る弁体を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係る圧力式レベルメータ１０は、液体用貯留タンク内に貯留される液体の液面を精度良く検出する機能を備えている。以下、図面を用いて説明する。

図１は液体を貯留する容器として用いられる液体用貯留タンク（以下「タンク」とする）１を概略的に示した図である。このようなタンク１はプラントに備えられており、そのプラントにおいて利用される液体等が貯留されている。タンク１は、液体を貯留する貯留部２と、タンク１に貯留された液体を貯留部２から吐出する吐出口３とを備えて構成される。貯留された液体が吐出されると、タンク１に貯留される液体の量が減るが、本発明に係る圧力式レベルメータ１０は、タンク１の下方側面（底に近い壁面）に一部が挿入されて付設され、液体の量に応じた圧力に基づき液体の量を検出する。

図２は、圧力式レベルメータ１０の部分断面図が示される。圧力式レベルメータ１０は、筒状部材２０、ダイヤフラム３０、弁体４０を備えて構成される。筒状部材２０は、両端に開口部２０Ａ，２０Ｂを有する筒状に形成される。両端部とは、筒状部材２０の軸方向両側の端部である。筒状部材２０は、この軸方向両側の端部が開口部で構成される。したがって、筒状部材２０にあっては、一方の開口部２０Ａ（以下「開口部２０Ａ」とする）と他方の開口部２０Ｂ（以下「開口部２０Ｂ」とする）とが連通する状態で構成される。

本実施形態では、筒状部材２０は、開口部２０Ｂの開口面積よりも開口部２０Ａの開口面積の方が広く構成されている。これにより、開口部２０Ｂの圧力変化に基づく変動が、開口部２０Ａにおいては見かけ上、小さくすることができる。図２に示されるように、開口部２０Ｂから開口部２０Ａにかけて段階的に大きくなるように構成しても良いし、例えば円弧状や直線状で次第に大きくなるように構成しても良い。

また、筒状部材２０は、開口部２０Ａの側に外気が導入される状態で備えられる。外気とはタンク１の外側の空気である。本実施形態では、例えば開口部２０Ａがタンク１から突出した状態で挿入される。すなわち、筒状部材２０の全体がタンク１に挿入されるわけではなく、筒状部材２０の少なくとも一部がタンク１の外面から突出して付設される。本実施形態では、開口部２０Ｂと略等しい外径を有する部位、すなわち開口部２０Ｂから軸方向に沿って長さＬまでの部位がタンク１の下方側面に形成された孔部４に挿入し、孔部４の内周面に形成されたネジ山と締付固定される。

ダイヤフラム３０は、筒状部材２０の開口部２０Ｂを塞ぎ、液圧に応じて変形する。ダイヤフラム３０は、開口部２０Ｂの内径よりもやや小さい外径で構成され、開口部２０Ｂに液密的に嵌め込まれる。したがって、ダイヤフラム３０が嵌め込まれた開口部２０Ｂが長さＬまでタンク１の孔部４に挿入された場合でも、タンク１内の液体が開口部２０Ａの側に滲入しないように構成される。液圧とはタンク１内の液体から受ける圧力である。したがって、ダイヤフラム３０は、タンク１内の液体を開口部２０Ａの側に滲入させることなく、液体から受ける圧力に応じて変形する。すなわち、開口部２０Ｂから見て軸方向中央側に弾性変形する。

弁体４０は、開口部２０Ａを塞いで筒状部材２０の内側にダイヤフラム３０と共に密閉空間５０を形成する。すなわち、弁体４０とダイヤフラム３０と筒状部材２０の内周面とで密閉空間５０が構成される。上述のように、筒状部材２０の開口部２０Ｂには、ダイヤフラム３０が液密的に嵌め込まれる。一方、弁体４０も筒状部材２０の開口部２０Ａに液密的に設けられる。これにより、密閉空間５０は外部とは遮断された空間とされる。本実施形態では、ダイヤフラム３０及び弁体４０の筒状部材２０への組み付けは、常気圧状態における常温常湿の下で行われるので、密閉空間５０には常温常湿の空気が封入されることになる。

また、弁体４０は、外側の圧力と密閉空間５０の圧力とを等しく維持するように変形可能に構成される。外側の圧力とは、密閉空間５０の外側の圧力である。すなわち、タンク１が備えられる空間（例えばプラント）の圧力である。また、密閉空間５０とは、上述のように常温常圧の空気が封入される。したがって、外側の圧力が密閉空間５０の圧力よりも高い場合には、弁体４０が密閉空間５０の側に変形する。これにより、密閉空間５０の容積が小さくなり、密閉空間５０の圧力が高くなる。一方、外側の圧力が密閉空間５０の圧力よりも低い場合には、弁体４０が密閉空間５０の外側に変形する。これにより、密閉空間５０の容積が大きくなり、密閉空間５０の圧力が低くなる。このような弁体４０の変形は、密閉空間５０の圧力が、当該密閉空間５０の外側の圧力と等しくなる位置で停止する。

本実施形態では、密閉空間５０は、ダイヤフラム３０よりも外側の温度と弁体４０よりも外側の温度との温度差を維持することが可能な断熱特性を有する容量で形成される。これにより、密閉空間５０が大きな空気層を有するので断熱効果を高めることができる。すなわち、ダイヤフラム３０よりも外側の温度と弁体４０よりも外側の温度との間に温度差があっても、密閉空間５０によりダイヤフラム３０及び弁体４０に他方の温度が伝達され難くなるので、結露発生の防止効果を高めることが可能となる。

本実施形態では、弁体４０が、開口部２０Ａの開口面積よりも広い表面積を有する膜で形成される。すなわち、弁体４０は、開口部２０Ａにおいて少なくとも弛んでいる状態で配設される。このような膜は、自重が軽く、薄いものが良い。密閉空間５０の外側の圧力に応じて弁体４０が変化し易いためである。

更に、弁体４０は、外側の圧力と密閉空間５０の圧力との差圧に応じて塑性変形可能に構成すると好適である。すなわち、弁体４０を構成する膜は、塑性変形することができる程度に弛んでいると好適である。このように構成することにより、密閉空間５０の外側の圧力に応じて、ほとんど抵抗を受けずに弁体４０が変形することが可能となる。

このような弁体４０は、筒状部材２０と円環状の環状部材６０とにより挟持して固定される。筒状部材２０と弁体４０との間には、弾性体からなるＯリング６２を配し、弁体４０の外側から環状部材６０を配すると好適である。また、このように配した状態で、環状部材６０から筒状部材２０まで貫通し、円環状の周方向に複数（例えば４本）備えられるボルト６１で締め付けることにより、弁体４０と筒状部材２０との密着性を高めつつ、固定することが可能となる。

ここで、環状部材６０は円環状に構成されているので、弁体４０の大部分が外側から見える状態とされる。よって、このままタンク１が備えられるプラントに配置した場合には、弁体４０の劣化や損傷が危惧される。そこで、弁体４０の大部分を覆うように、筒状部材２０に蓋部材７０が付設される。蓋部材７０は筒状部材２０と螺合して固定される。また、蓋部材７０には、筒状部材２０と弁体４０と環状部材６０と蓋部材７０とで構成される空間８０に外気を導入可能に貫通孔７２が設けられる。

これにより、図３（Ａ）に示されるように、密閉空間５０の膨張に合わせて貫通孔７２から空間８０の空気を排出することが可能になると共に、密閉空間５０の圧縮に応じて貫通孔７２から空間８０の空気を導入することが可能となる。これによりダイヤフラム３０は、液体には直接触れるが、密閉空間５０内の空気以外には直接触れることがない。このため、ダイヤフラム３０の結露を防止できる。したがって、精度良く、タンク１内の液面の高さを検出することが可能となる。

このような構成からなる圧力式レベルメータ１０は、ダイヤフラム３０の変位が信号処理部１１に伝達される。この信号処理部１１は、密閉空間５０内に配設される。信号処理部１１は、ダイヤフラム３０の変位に応じた電気信号を出力する。この電気信号は、電流信号であっても良いし、電圧信号であっても良い。このような電気信号は、密閉空間５０に液密的に取り付けられた信号線１２を介して外部機器（図示せず）に伝達される。

このように本発明に係る圧力式レベルメータ１０によれば、ダイヤフラム３０はタンク１内の液体と密閉空間５０とにより挟まれることになり、直接外気に触れることがない。このため、ダイヤフラム３０を外気から遮断できるので、タンク１内の液体と外気との間に温度差があった場合でも、結露の発生を確実に防止できる。したがって、精度良く液面の高さを検出することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、密閉空間５０に大気が導入されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。密閉空間５０に例えば窒素ガスを常気圧になるよう充填することも可能である。これにより密閉空間５０内の水分を完全に除去できるので、ダイヤフラム３０に生じる結露を確実に防止できる。

上記実施形態では、弁体４０はポリエチレン製の膜を用いて構成されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。この膜は、軽い力で変形可能で、空気を通しつつ、水分を通し難いようなものであれば好適である。また、膜として和紙を用いることも可能である。また、防水性を高めるために膜（和紙を含む）に油を塗布しても良い。

上記実施形態では、弁体４０が、外側の圧力と密閉空間５０の圧力との差圧に応じて塑性変形可能に構成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。弁体４０が、塑性変形しないような材料を用いて構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、筒状部材２０は、開口部２０Ｂの開口面積よりも開口部２０Ａの開口面積の方が広く構成されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。開口部２０Ｂの開口面積と開口部２０Ａの開口面積とを等しく筒状部材２０を構成することも当然に可能である。或いは、筒状部材２０は、開口部２０Ｂの開口面積よりも開口部２０Ａの開口面積の方が狭く構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、弁体４０が、開口部２０Ａの開口面積より広い表面積を有する膜で形成されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。弁体４０を、開口部２０Ａの開口面積と等しい表面積を有する膜で形成することも可能であるし、開口部２０Ａの開口面積よりも狭い表面積を有する膜で形成することも当然に可能である。

上記実施形態では、弁体４０は、筒状部材２０と円環状の環状部材６０とにより挟持して固定されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、環状部材６０を用いずに、弁体４０を固定することも当然に可能である。

上記実施形態では、筒状部材２０に蓋部材７０が付設されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。蓋部材７０を付設しないで構成することも可能であるし、筒状部材２０と蓋部材７０とを一体で構成することも可能である。

上記実施形態では、弁体４０が開口部２０Ａに対して弛んで配設されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示されるように、弁体４０を袋状に構成しても良い。このような構成であっても、密閉空間５０を構成でき、ダイヤフラム３０の結露を防止することが可能である。

また、図５に示されるように、筒状部材２０に対しては円環状の弾性部材９１で固定し当該弾性部材の径方向内側に弛ませた弁体４０を配置することにより構成することも可能である。

また、図６に示されるように、筒状部材２０の内側に貫通孔９５を有する板材９６を配設し、当該貫通孔９５にチューブ９７を付設して構成することも可能である。このようなチューブ９７の中央部に蒸発し難い物質９９（例えば油）を含ませることにより、ダイヤフラム３０と物質９９とで密閉空間５０を構成することができる。係る場合、物質９９が本発明の弁体４０に相当する。このような構成にあっては、密閉空間５０の圧力と空間８０の圧力（外側の圧力）との差圧に応じて物質９９の位置を変えることができる。このため、密閉空間５０の圧力を外側の圧力と等しくしつつ、ダイヤフラム３０が外気に触れることを防止できる。したがって、このような構成であっても、ダイヤフラム３０の結露を確実に防止できる。また、図示はしないが、チューブ９７に換えて、例えばシリンダ機構を用いて構成することも可能である。

上記実施形態では、筒状部材２０は、図１において、開口部２０Ａと開口部２０Ｂとが同軸状に構成されているように図示した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。開口部２０Ａと開口部２０Ｂとが異なる軸心を有して筒状部材２０を構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、筒状部材２０は、開口部２０Ａがタンク１から突出した状態で挿入されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。筒状部材２０は、開口部２０Ａより開口部２０Ｂの側がタンク１に挿入され、開口部２０Ａがタンク１の外方に露出している状態で備えられることも当然に可能である。

上記実施形態では、筒状部材２０が、円筒状であるように図示した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば三角形や四角形、更にはそれ以上の多角形の柱状で筒状部材２０を構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、密閉空間５０は、ダイヤフラム３０よりも外側の温度と弁体４０よりも外側の温度との温度差を維持することが可能な断熱特性を有する容量で形成されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、ダイヤフラム３０よりも外側の温度と弁体４０よりも外側の温度とが互いに伝達し難いような断熱特性を有する容量で構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、圧力式レベルメータ１０が、タンク１に適用される場合の例を挙げて説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、圧力式レベルメータ１０を例えば液体が流通する配管等に適用することも当然に可能である。

上記実施形態では、圧力式レベルメータ１０が、開口部２０Ａが突出した状態でタンク１に配設されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、圧力式レベルメータ１０を丸ごとタンク１内の液体の中に入れて、外気のみを外側から取り入れて計測する場合にも適用可能である。係る場合には、貫通孔７２に通じる空気の管をタンク１外側に延出すれば良い。また、開口部２０Ａをタンク１の壁面から突出しないように配設しても良い。このような場合であっても、液面の高さ等を計測することは当然に可能である。

本発明は、液体を貯留する貯留タンクや配管等の液圧を測定し、液面の高さ等を計測する圧力式レベルメータに利用することができる。

１０：圧力式レベルメータ
２０：筒状部材
２０Ａ：開口部（一方の開口部）
２０Ｂ：開口部（他方の開口部）
３０：ダイヤフラム
４０：弁体
５０：密閉空間
６０：環状部材

Claims (5)

1. 両端に開口部を有する筒状に形成され、一方の開口部の側に外気が導入される筒状部材と、
   前記筒状部材の他方の開口部を塞ぎ、液圧に応じて変形するダイヤフラムと、
   前記一方の開口部を塞いで前記筒状部材の内側に前記ダイヤフラムと共に密閉空間を形成し、外側の圧力と前記密閉空間の圧力とを等しく維持するように変形可能な弁体と、
   を備える圧力式レベルメータ。
2. 前記弁体が、前記一方の開口部の開口面積より広い表面積を有する膜で形成されてある請求項１に記載の圧力式レベルメータ。
3. 前記弁体が、前記外側の圧力と前記密閉空間の圧力との差圧に応じて塑性変形可能である請求項１又は２に記載の圧力式レベルメータ。
4. 前記筒状部材は、前記他方の開口部の開口面積よりも前記一方の開口部の開口面積の方が広く構成されてある請求項１から３の何れか一項に記載の圧力式レベルメータ。
5. 前記密閉空間は、前記ダイヤフラムよりも外側の温度と前記弁体よりも外側の温度との温度差を維持することが可能な断熱特性を有する容量で形成されている請求項１から４の何れか一項に記載の圧力式レベルメータ。

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