JP2014219409A - 液体を検出する為のセンサ機器、及びその為の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ある液体の特定の液面レベルを精確に測定することを可能にするセンサ機器と方法を提供する。
【解決手段】供給物質の流れの挙動が、液体１が供給ライン１０の放出口１０a位置に存在するか否かという状態に依存する特性に着目して査定する。具体的には、供給ライン１０内の供給物質の圧力が時間経過に伴って異なる特性（即ち、圧力揺らぎ）を発現する時点を検出することにより、液面レベルを精確に測定できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体を検出する為のセンサ機器、及びその為の方法、に関する。

このようなセンサ機器とセンサ方法は、例えば、ある液面レベルを監視且つ/又は制御する為に使用される。

例えば、旋回可能に設置されるフロートとして設計され、且つ、一個の可動固形体を備えるセンサ機器、が知られている。ある液体が上昇しながらこのフロートの高さレベルに到達した場合、このフロートが旋回して、その結果この可動固形体が移動してスイッチが起動される、という構成になっている。このフロートはこのようにして液体に接触するので、ある条件下では非常に汚損されて信頼に値する程には機能しなくなる、という欠点を有している。

又、圧搾空気で作動するセンサ機器が知られている（例えば、米国特許出願第５,９５３,９５４号を参照）。このセンサ機器の場合には、放出口を有する供給ラインが備えられており、この供給ラインを介して圧縮空気が供給物質として供給される。ある液体のレベルを検出する為に、この供給ラインの放出口はこの液体の内部に配置される。この液体が放出口の上方のより高い位置に到達すればするほど、放出口の位置における静水圧は益々増加する。更にこの結果として、供給ライン内部の空気に作用する逆圧は益々増加する。供給ライン内部のこの圧を検出することにより、液体のレベルに関する結論を引き出すことは基本的には可能である。しかしながら、この測定原理は、液面レベルを検出するのに相対的に時間を要し、且つ、液体の特定で且つ事前に指定された液面レベルを精確には検出できない、という欠点を有している。又、例えば膜スイッチのようなスイッチが供給ライン内部に設置された場合には、このスイッチを過圧から保護する為に過圧弁が通常設置される必要がある、という欠点も有している。ここで、膜スイッチとは、特定圧力、従って、特定液面レベルにおいて起動される類のスイッチである。又、この過圧という現象は、例えば、供給ラインの放出口が塞がれて、圧縮空気の形態の供給物質が流れ得ない場合に発生するものである。

本発明の目的は、ある液体の特定の液面レベルをより精確に検出することを可能にするセンサ機器とセンサ方法を明示し提供することである。

この目的は、請求項１記載のセンサ機器と独立請求項記載のセンサ方法により達成される。更なる請求項は、レベルスイッチとフィルター機器のみならず、本発明によるセンサ機器とセンサ方法の好適実施例を開示するものである。

本発明は、上記供給物質の流れの挙動が、ある液体が上記供給ラインの放出口位置に存在しているか否かという状態に依存する、という発見に基づくものである。この条件に対応して、供給ライン内部の供給物質の呈する圧力の揺らぎは、時間経過に伴って異なる特性を有するものとなる。その一例として、この圧力揺らぎは、時間経過に伴って変化する曲線と時間経過に伴って略不変である曲線の間を変動するものとなる。この供給物質の圧力揺らぎを検出することにより、対応するその特性に関する結論を引き出すことは可能である。この特性の抽出の結果、液体が放出口位置に存在しない状態を、液体が放出口位置に存在する状態から識別することが可能になる。

圧搾空気で作動する既知のセンサ機器においては、静水圧の形態の静的パラメータが査定される。これとは対照的に、本発明においては、上記供給物質の圧力揺らぎの形態の動的パラメータを、この測定に使用する。この方法は、精確に実施可能であり、且つ、測定期間内において相対的に容易に実装され得るものである。

本発明の更なる設計上の特徴と利点は、その一実施例に関する以下の説明と図面から明白となるであろう。

図１は、液面レベルを静水圧を介して決定する為の既知の機構を示す。 図２は、開いた放出口を有する本発明による機構を示す。 図３は、液体により放出口が濡れている状態の図２による機構を示す。 図４は、センサ機器の一実施例の概略図を示す。 図５は、時間経過に伴って測定値が描く曲線の一例を示す。 図６は、これらの測定値に基づいて生成された出力信号を示す。

図１は、既知の測定原理を示す。まず、圧縮空気がパイプ９を介して放出口９aに供給される。液体１の液面レベル１aが放出口９aの上方に位置している場合には、その上方に位置する液体柱Δｈが、パイプ９において圧力をΔｐだけ増大させる。この増大した圧力Δｐを測定することにより、放出口９aが液体１の内部に位置しているか否かを判断することが可能である。この測定方法の一つの欠点は、信頼し得る測定が、パイプ９の特定の浸漬深度Δｈからのみでしか可能でないことである。更に、液体１の液面レベル１aが精確には検出できない、という欠点もある。この後者の欠点は、圧縮空気が液体１の内部に導入された場合に生成される気泡が、静的パラメータである圧力Δｐの揺らぎを発生させる、という事実から主として派生する。

図２と図３に図示されており、且つ以下でより詳細に説明される、新規の測定原理は、動的即ち非静的なパラメータを査定することに基づく測定原理である。この査定目的の為に、まず、供給物質が供給ライン１０を介して放出口１０aに供給され、そして供給ライン１０内部のこの供給物質の圧力ｐ（ｔ）が時間経過に伴って呈する圧力揺らぎが、検出され査定される。

図２に図示されているように、液体１の液面レベル１aが放出口１０aの下方に位置している場合には、放出口１０aは開いている状態にある（以後、この状態を「開状態」と呼ぶ）。この場合、上記供給物質の圧力揺らぎｐ（ｔ）は、時間経過に伴って第一の特性曲線を有することになる。一方、図３に図示されているように、液体１が放出口１０aを濡らすやいなや、放出口１０aは閉じられた状態になる（以後、この状態を「閉状態」と呼ぶ）。この時点において供給物質の流れの挙動は変化して、その結果、供給物質の圧力揺らぎｐ（ｔ）は第一の特性曲線とは異なる第二の特性曲線を有することになる。

上記の各特性曲線の特性は、使用されている供給物質の種類と、供給ライン１０と放出口１０aの形状に主として依存する。

例えば、供給物質として圧縮空気が供給ライン１０を介して供給された場合には、この圧縮空気は、図２に図示されている開状態にある放出口１０aからは一様に流出する。従って、圧力ｐ（ｔ）は、顕著な変化を呈さない。他方、図３に図示されている閉状態においては、圧縮空気は気泡の形態で液体１の内部に供給される。従って、圧力ｐ（ｔ）は、反復的に増減することになる。二つの異なる曲線は、図５に図示されており、時点ｔ１は、開状態から閉状態への上記の状態遷移に対応している。

又、時間経過に伴って供給物質の圧力ｐ（ｔ）が開状態において揺らいで、且つ、閉状態において略不変であるという上記特性の逆特性、を圧力ｐ（ｔ）に有せさせることも想定し得る。この逆特性は、例えば、液状の供給物質を使用して、且つ、放出口１０aを空気を吸引する曝気装置として構成することにより実現される。開状態においては、空気はこの放出口１０aを介して一定比率で吸引されて、更に、この液状供給物質と混合される。その結果、圧力ｐ（ｔ）は、時間経過に伴って有意に揺らぐことになる。しかしながら、例えば、放出口１０aが液体１の内部深くに配置されて、空気を吸引することがもはや不可能である場合には、液状供給物質は一様に流出する。従って、その圧力ｐ（ｔ）は、時間経過に伴って略不変になるわけである。

又、液状供給物質が二つの交差する噴射物という形態で放出口１０aから噴射されている、という構成に放出口１０aを形成することも可能である。この場合、開状態においては、これらの噴射物は交差点において液滴に分解される。その結果、時間経過に伴って増減する圧力ｐ（ｔ）のゆらぎとなる。閉状態においては、これらの噴射物は液体１の内部に流入してしまい、互いに交差して相互作用することはなくなる。その結果、この圧力ｐ（ｔ）は、時間経過に伴って略不変になる。

一般に、例えば周波数且つ/又は振幅に関して上記の測定された供給物質の圧力揺らぎｐ（ｔ）を分析することにより、現在の状態が開状態であるか又は閉状態であるかを識別することが可能である。

使用意図によっては、供給物質を放出口１０aから必ずしも一様に流出させる必要はない。例えば、以下の方式も想定し得る。即ち、供給物質を流出させて、更に、ある時間間隔でのみ供給物質の圧力の時間的変動を検出して査定する。同時に、これらの時間間隔の更に間では、供給物質の供給を中断して測定を実施しない。この供給の反復されるスイッチオン・オフの切り換えの結果、測定に必要な供給物質の量は少なくて済む。

図４を用いて、以下にセンサ機器の一実施例を説明する。このセンサ機器により、ある液体１が供給ライン１０の放出口１０aの位置に（ここで図示されているように）存在しているか、又は存在していないかという状況を検出することが可能である。矢印２で示されているように、供給物質が供給ライン１０の注入口１０ｂに供給される。ここで、センサ機器の使用意図と液体１の種類に応じて、この供給物質は、例えば圧縮空気又は窒素のような他の気体の、気体の形態か、又は液状の形態であって良い。

図４に図示されている実施例における測定の為に、供給物質の種類と放出口１０aの位置での供給物質の圧力を、以下の状況が実現されるように選択する。即ち、供給物質が放出口１０aから液体１の内部に供給される場合、供給物質は連続的に液体１内に流入せず、むしろ断続的に液体１内に流入する、という状況である。この断続的な流入は、供給物質により構成されるある閉じられた構造が、時間経過に伴って供給ライン放出口１０aの位置で繰り反して形成され、更に、液体１の内部に放出される、という動作の結果として実現される。これらの構造は、供給物質の種類に応じて、液滴、気泡、等である。

図４では、供給装置が設置されている。この供給装置により、供給物質が、供給ライン１０を介して（例えば、単位時間当たりの体積で指定される）略一定の通過流として供給される。この供給装置は、例えば、通過流調整器を備えている。（圧縮空気又は他の気体を供給物質として使用する）図４に図示されている実施例においては、この通過流を制限する為にスロットル１１が供給装置として設置されている。

供給ライン放出口１０aが液体１の外部に位置している場合には、供給物質は、供給ライン放出口１０aから連続的に流出する。この場合には、供給ライン１０内部の供給物質の圧力ｐは、実質的には変化しないわけである（「開状態」）。

他方、液体１が供給ライン放出口１０aの位置に存在する場合には、供給物質は、分割的な、従って断続的な形態で、液体１の内部に供給される。この状況は、供給ライン１０内部の供給物質の圧力ｐは時間経過に伴って変化する、ということを意味している（「閉状態」）。

閉状態においては、供給物質は一般に時間的に定常的な形態では液体１の内部に放出されず、むしろ、供給物質の個々の放出動作間の時間間隔は変化するのが普通である。しかしながら、これらの時間間隔は、振幅と周波数に関連してある標準的な範囲内に存在している。この結果、例えば複数の瞬間に関して平均を取ることにより、閉状態を開状態から識別することは可能である。

供給ライン１０内部の供給物質の圧力揺らぎを検出する為に、上記センサ機器は適切な検出手段を有している。図４に図示されている実施例においては、センサ機器は測定室２０をこの検出手段として有している。この測定室２０は、分離素子２１により前室２０aと後室２０ｂに細分されている。前室２０aはここでは漏斗の形に設計されており、振動の伝達を確保する為に、供給ライン１０に注入口２０ｃを介して結合されている。センサ２２が、後室２０ｂの内部に設置されている。分離素子２１は、供給ライン１０内部の供給物質の圧力揺らぎが、この分離素子２１の振動を生起させるように設計されている。この分離素子２１の振動が、センサ２２により検出される。従って、分離素子２１は振動素子として機能するものであり、この目的の為に、例えば膜形態の弾性体として設計されている。好適なセンサ２２は例えばマイクロフォンであり、振動する分離素子２１により発生する音波がこのマイクロフォンにより捕捉される。分離素子２１の振動を検出するセンサ２２として、ピエゾ電気素子又はピエゾ抵抗素子を使用することも想定し得る。

上記センサ機器は、ここでは、封止手段２３を有している。この封止手段２３は、例えば、分離素子２１を封止する為のＯリングである。封止手段２３により、液体１且つ/又はその蒸気は、供給ライン１０から（測定室２０の、センサ２２が配置されている）後室２０ｂの内部に例えば逆拡散により侵入することはできない。

センサ機器は、更に、止め具２４を有している。この止め具２４は、分離素子２１の振動の最大可能偏向を制限して定義するものである。この結果、センサ２２が過圧から保護されることが可能になる。この過圧という現象は、例えば、供給ライン放出口１０aが塞がれて、供給された供給物質が流れ得ない場合に発生するものである。従って結局、上記センサ機器は、（センサ機器を過圧から保護する為に通常使用される）如何なる過圧弁も必要とすることなく動作し得る。

センサ機器は、更に、供給物質の検出された上記圧力揺らぎを査定して、信号を生成する為の査定手段を有している。ここで、この信号とは、液体１が供給ライン放出口１０aの位置に存在しているか否かという状況を示す信号である。典型的には、この査定手段は電子回路３０を備えている。ここで、この電子回路３０とは、センサ２２により測定された圧力揺らぎの信号を供給されて査定して、更にこの信号に対する出力信号を生成し得る電子回路である。この電子回路３０は、アナログ又はデジタルベースで構築され、例えばプリント回路基板上で実装される。

好適には、この電子回路３０は、センサ２２により提供された上記の圧力揺らぎの測定値が時間経過に伴って平均されるように設計される。

電子回路３０は、更に、測定信号を適切な状態にコンディショニングする手段を備えている。その一例として、電子回路３０は、ノイズとか外部の振動等により生成される干渉信号を除去する為のフィルター手段を有している。検出される圧力揺らぎの周波数は、通常、数十ヘルツ（典型的には、２５−３０ヘルツ）の範囲内に存在する。他方、この干渉信号は、一般にそれより高い周波数を有する。従って、低パスフィルターを設置することにより、このような干渉信号源の影響を除去することが可能である。

センサ機器の上記査定手段は、上記出力信号として二値信号を送信するように設計されても良い。従って、センサ機器はレベルスイッチとして使用可能である。

電子回路３０に、プロセッサを付与することも想定し得る。このプロセッサ付与の目的は、センサ２２により送信された上記信号を更に査定することにより、液体の幾つかの性質の測定値、即ち、例えば粘度、表面張力等の値を取得することである。

選択的な構成として、図４に破線で示されているように、供給ライン１０は供給中の供給物質をより高い圧力で供給ライン放出口１０aに配送する為にバイパス４０を備え得る。バイパス４０の開閉は、切り換え可能弁４１により実現される。このバイパス４０の設置に基づき、切り換え可能弁４１を短時間開閉することにより、供給物質を増大された圧力状態とパルス状に供給形態で供給ライン１０を介して特に供給ライン放出口１０aにまで供給することが可能になる。電子回路３０は、供給ライン１０を介する供給物質のこの脈動的なフラッシングが反復的に実現されるように、設計されても良い。又、電子回路３０は、供給物質のこのパルス的な流れにより生じた圧力の増大がセンサ機器により検出されるように、設計されても良い。その結果、センサ機器がその稼働中に何らかの動作不良を発生させないかに関して、センサ機器をテストすることが可能になる。ここでも又、電子回路３０は、このテスト測定が繰り返して実施されるように設計されても良い。

図５と図６は、一例として、上記センサ機器により検出された圧力ｐが時間経過に伴って描く上記曲線４０と、上記出力信号Ｓが時間経過に伴って描く曲線４１、を各々図示する。この例において、上記時点ｔ１までは、液体１は供給ライン放出口１０aの位置に存在していない。その結果、圧力ｐは大きく変化することはない（開状態）。時点ｔ１とそれ以降においては、液体１は供給ライン放出口１０aの位置に存在する。その結果、圧力ｐは、反復的に増減することになる（閉状態）。この場合出力信号Ｓは二値信号であり、開状態において「０」であり、図中の時点ｔ２で「１」に変化して閉状態を表す。この変化は、僅かな時間遅延を伴って生ずる（即ち、ｔ２ ＞ ｔ１）。

センサ機器は応用範囲が広範な機器であり、例えば、レベルスイッチとして使用可能である。即ち、このセンサ機器により、ある液体が特定の液面レベルに到達したか否かを検出ことが可能である。この目的の為に、供給ライン放出口１０aの位置は、この検出すべき液面レベルに設定される。測定動作中に液面レベルがこのレベルに到達した時、センサ機器はこの到達に対応する出力信号Ｓを生成する。

このようなレベルスイッチは、例えば、汚染された液体を清浄化する為のフィルター機器の内部において使用可能である。この目的の為に、このフィルター機器は、フィルター自体と共にフィルタートラフを備えている。清浄化されるべき液体はこのフィルタートラフ内に供給される。次に、時間経過に伴ってフィルターは汚染物質で塞がれて、その結果、液体はフィルターをほとんど通過しなくなる。更に、液面レベルが所定のレベルに到達してレベルスイッチを起動するまで、液体の液面は上昇する。フィルター機器の制御は、フィルターが更に前方に移動するように設定されている。これは、フィルターの未使用部分をフィルタートラフ内に搬送する為である。

又、センサ機器に二個以上の供給ライン放出口１０aを付与することも可能である。これらの二個以上の供給ライン放出口１０aは、液体１の二個以上の液面レベルを検出する為に、付与されるものである。従って、図４の形態の検出手段２０−２３は、供給ライン放出口１０aの各々に対して設置されることになる。

技術に習熟した人ならば、上記の記載の検討から、添付した特許請求の範囲により定義される本発明の保護範囲から乖離することなく、非常に多数の変更例が生成可能になるであろう。

例えば、図４に図示されているようなバイパス４０の代わりに、供給ライン１０に対して開口している注入口１０ｂから分離された別の注入口を設置してもよい。この注入口は、供給物質は増大された圧力でこの注入口内に導入され得る。この場合、供給物質は異なる供給源から供給されてもよい。更に、例えば圧縮空気が供給物質として使用された場合、圧搾空気システムからのその排出空気を、必要な場合にこの注入口を介して供給ライン１０内に導入して、更に、供給ライン１０と放出口１０aを介してフラッシングさせて使用する、ことも想定し得る。

１ … 液体
１ａ … 液面レベル
９ … パイプ
９ａ … 放出口
１０ … 供給ライン
１０ａ … 供給ライン放出口
１０ｂ … 注入口
１１ … スロットル
２０ … 測定室
２０ａ … 前室
２０ｂ … 後室
２０ｃ … 注入口
２１ … 分離素子
２２ … センサ
２３ … 封止手段
２４ … 止め具
３０ … 電子回路
４０ … バイパス
４１ … 切り換え可能弁
４０ … 曲線
４１ … 曲線

Claims (15)

1. 液体（１）が供給ライン（１０）の放出口（１０a）の位置に存在するか否かを検出する為のセンサ機器であって、前記供給ライン（１０）は供給物質を供給する為に機能し、前記供給物質は前記放出口（１０a）から流出する時に前記供給ライン（１０）内において圧力（ｐ）を有し、前記圧力は前記液体（１）が前記放出口（１０a）の位置に存在しない場合には時間経過に伴って第一の特性を有する変化過程を呈し、且つ、前記液体（１）が前記放出口（１０a）の位置に存在する場合には時間経過に伴って第二の特性を有する変化過程を呈し、
   前記センサ機器は、
   前記供給ライン（１０）内における前記圧力の揺らぎを検出する為の検出手段（２０−２３）と、
   検出された前記圧力揺らぎを前記第一又は第二の特性に対応づけて対応信号（Ｓ）を生成するように設計された査定手段（３０）を備え、前記対応信号（Ｓ）は前記液体（１）が前記供給ライン放出口（１０a）の位置に存在するか否かを表示する、ことを特徴とするセンサ機器。
2. 前記査定手段（３０）は、検出された前記圧力揺らぎの振幅か周波数又はその双方を決定するように設計されている、請求項１に記載のセンサ機器。
3. 前記供給ライン（１０）内における前記圧力揺らぎによる振動により設定され得る振動素子（２１）と、
   前記振動素子（２１）の前記振動を検出する為のセンサ（２２）を更に含む、請求項１又は２に記載のセンサ機器。
4. 前記振動素子（２１）の最大偏向を定義する止め具（２４）を更に含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ機器。
5. 前記検出手段（２０−２３）は前記センサ（２２）として以下の素子：マイクロフォン、ピエゾ電気素子、及びピエゾ抵抗素子、のうち少なくとも一つからなる、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ機器。
6. 測定室（２０）を更に含み、前記測定室（２０）は前記供給ライン（１０）に結合された第一室（２０a）と、前記センサ（２２）が設置された第二室（２０ｂ）に細分される、請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ機器。
7. 振動素子（２１）は前記第一及び第二室（２０a、２０ｂ）を分離するように機能し、且つ/又は前記第二室（２０ｂ）は前記第一室（２０a）から封止される、請求項１乃至６のいずれかに記載のセンサ機器。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の前記センサ機器からなり、液体（１）の特定の液面レベルを検出する為のレベルスイッチ。
9. 請求項１乃至７のうちのいずれかに記載のセンサ機器、且つ/又は請求項８に記載のレベルスイッチ、からなる、液体を清浄化する為のフィルター機器。
10. 液体（１）が供給ライン（１０）の放出口（１０a）の位置に存在するか否かを検出する為の方法であって、供給物質が前記放出口（１０a）に供給されて、前記供給ライン（１０）内において前記供給物質の圧力（ｐ）が時間経過に伴って呈する変化過程が、前記液体（１）が前記放出口（１０a）の位置に存在しない場合には第一の特性を有し、且つ、前記液体（１）が前記放出口（１０a）の位置に存在する場合には第二の特性を有し、
    前記方法は、
    前記供給ライン（１０）内における前記圧力の揺らぎを検出する段階と、
    検出された前記圧力揺らぎを前記第一又は第二の特性に対応づけて対応信号（Ｓ）を生成することにより査定する段階から成り、前記対応信号（Ｓ）は前記液体（１）が前記供給ライン放出口（１０a）の位置に存在するか否かを示す、ことを特徴とする方法。
11. 前記圧力揺らぎの振幅か周波数又はその双方を決定する、請求項１０記載の方法。
12. 前記第一及び第二の特性のうちの一つの特性は時間経過に伴って呈される略一定な変化過程に対応し、他の特性は時間経過に伴って呈される反復的に上昇と下降を繰り返す変化過程に対応する、請求項１０乃至１１のうちのいずれかに記載の方法。
13. 前記供給物質が例えば圧縮空気又は窒素のような気体であるか、又は液体である、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. フラッシング目的の為に、前記供給物質が前記放出口（１０a）を介して増大された圧力状態で繰り返し供給される、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. 請求項１乃至７のうちのいずれかに記載のセンサ機器を使用する、請求項１０乃至１４のいずれかに記載の方法。