JP2016536574A - マルチターンプーリ液面レベルセンサ装置 - Google Patents

Abstract

ウェルおよび容器内の液面レベルを測定するためのマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置であり、締結ロープに締結され、上下に摺動することができる機械的フロート（１２）を備えるマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。締結ロープ（１１）は、１つまたは複数のプーリに取り付けられ、フロート（１２）が上下に移動すると、プーリは前後に回転する。１つのプーリは、１つのデジタルアブソリュート磁気回転エンコーダ装置に機械的に結合され、エンコーダ装置は、リアルタイムでプーリの全回転角を監視するのに使用される。１つのアルゴリズムを使用して、液面レベルの高さを計算するために、プーリの全回転角は下部からの距離に変換される。マルチホイールエンコーダは、２種類の読み取り形式を有する。１つ目は電気信号読み取り形式であり、２つ目は光信号読み取り形式である。前記エンコーダの電子的出力は、産業用制御システムへの入力として使用されるか、またはリモートデバイスへの通信リンクまたはインターネットを介して送信される場合がある。液面レベル測定の精度は、エンコーダホイールの数によって決まる。機械的歯車又はベルトは、液面レベル測定の全範囲に対応するプーリの総回転数を調節することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、容器またはウェル（ｗｅｌｌ）内の液面レベルを測定することができるセンサ装置に関し、特にプーリ、締結ロープ、アブソリュート磁気回転エンコーダおよび他の装置の組み合わせを使用して液面レベルを測定する液面レベルセンサに関する。

液面レベルセンサの技術分野において、本願に関連する先行技術を説明した２件の特許文献が本明細書に記載されている。１件目の特許文献は、米国特許第２０１２／００６０６０６０１号明細書「ＴＥＴＨＥＲＥＤ ＦＬＯＡＴ ＬＩＱＵＩＤ ＬＥＶＥＬ ＳＥＮＳＯＲ」であり、該特許文献には、フロートが液面レベル上に浮かんでおり、出力を記録するのに回転センサが使用され、遠隔位置へのデータ送信方法が提供されるプーリフロート装置について記載されている。

液面レベルセンサに関連した２件目の先行技術の特許文献は、Ｂｌａｃｋｂｕｒｎの米国特許第５４１０９１３号明細書「ＲＥＭＯＴＥ ＩＮＤＩＣＡＴＩＮＧ ＬＩＱＵＩＤ ＬＥＶＥＬ ＳＥＮＳＯＲ」であり、該特許文献には、回転シャフトの上部の磁石の移動を検出するための磁気センサセットについて記載されている。該出願の重要な革新的な点は、移動を検出するのに磁気センサを使用し、データを収集および送信するのに電子回路を使用することである。

回転エンコーダの技術分野において、本出願人は、中国特許出願第２０１３１００４０９７０．Ｘ号明細書「ＡＢＳＯＬＵＴＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＲＯＴＡＴＩＯＮ ＥＮＣＯＤＥＲ」を出願している。該特許文献には、新規な回転エンコーダについて記載されており、該回転エンコーダの利点は、既存のエンコーダと比較して、光学センサの代わりに磁気センサを使用するという点にある。光学センサは汚れやすく、また故障しやすい。アブソリュート磁気回転エンコーダの構造、原理および利点は、本出願人の上記出願明細書に詳細に且つ明確に記載されている。

先行技術の液面レベル検知システムには幾つかの欠点がある。これらの液面検知システムは電子出力信号を発するが、目視検査は実行されない。エンコーダは光学素子に基づいており、光学エンコーダは汚れることによって故障しやすい。現在のところ、これらの装置をウェル内の液面レベルを測定するのに広く適用可能にするのに使用できる方法はなく、またこのタイプの液面レベル測定の精度を向上させる方法がない。

本発明の目的は、小体積、低コスト、高性能および高測定精度の液面レベルセンサ装置を提供することにより、上述の先行技術の問題を克服することである。

上述の技術的目的を達成して上述の技術的効果を得るために、本発明は、以下の技術的解決策によって実現される。

上記解決策は、容器内またはウェル内の液面レベルを電子的に遠隔で監視するためのマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置であり、
液面レベルの変化に伴って上下に浮揚することができるフロートと、
フロートに両端が締結された締結ロープと、
締結ロープを巻き付けることによってフロートに機械的に接続された少なくとも１つのプーリであって、フロートが上下に動くのに伴って前後に回転する少なくとも１つのプーリと、
プーリに機械的に結合された磁気エンコーダ装置とを含み、その磁気エンコーダ装置が、
回転シャフトと、
回転シャフトと共に回転することができる１つまたは複数の回転ホイールと、
１つまたは複数の回転ホイールに個々に対応する永久磁石、回転ホイールＰＣＢおよび磁気センサと、
磁気エンコーダ装置に電気的に接続された外部検出回路とを含み、
プーリは、プーリのホイールシャフトと回転シャフトとの間の機械的接続部を介して磁気エンコーダ装置と機械的に結合しており、
磁気エンコーダ装置は、プーリの回転角に応じて、対応するデジタル信号を出力し、
外部検出回路は、エンコーダ装置によって出力されたデジタル信号に応じて、現在の液面レベル高さを計算する、センサ装置である。

好ましくは、プーリが上部プーリと下部プーリとを含む。好ましくは、上部プーリのホイールシャフトが第１の接続装置を介して回転シャフトと機械的に接続される。

好ましくは、回転ホイールが下部プーリに接続される。

好ましくは、センサ装置がさらにハウジング装置を含み、ハウジング装置はさらにハウジング底板とハウジング底板に取り付けられるハウジング上蓋とを含む。

好ましくは、ハウジング上蓋が透明な材料からなる、またはハウジング上蓋に視認窓が設けられる。

好ましくは、上部プーリと磁気エンコーダ装置が共に、ハウジング装置の内側に配置され、ハウジング装置の外側から隔離される。

好ましくは、上部プーリがハウジング装置の内側に配置され、磁気エンコーダ装置がハウジング装置の外側に配置され、ハウジング上蓋と第２の接続装置との間で信号相互通信を実現するために、ハウジング上蓋と第２の接続装置との間に密封式機械的貫通部材が配置される。

好ましくは、センサ装置がさらにシステムＰＣＢを含み、システムＰＣＢは、回転ホイールＰＣＢが取り付けられ、回転ホイールＰＣＢを介して回転ホイールと機械的に接続された状態でハウジング装置から延出している。

好ましくは、上部プーリの直径が回転ホイールの直径より大きく、上部プーリの回転シャフトが回転ホイールの回転シャフトと同一直線上にある。

好ましくは、機械的な保護装置が締結ロープのすぐ近くに配置される。

好ましくは、液面レベルセンサ装置が、磁気エンコーダ装置の回転数を回転ホイールの実回転数と一致させるための歯車増減速装置をさらに含む。

好ましくは、歯車増減速装置が、摩擦を低減可能な、ハブとホイールシャフトとを含む摩擦ホイールカップリングであり、その回転シャフトは上部プーリおよび回転ホイールの回転シャフトとは異なる。

好ましくは、外部検出回路が、有線および／または無線のデータ通信と相互接続機能を有する。

好ましくは、液面レベル高さとエンコーダの１つまたは複数の回転ホイールのうち第１の回転ホイールの総回転数との関係が、Ｎ＝（Ｌ−Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}）／（π×Ｄ×ＲＦ）である。Ｎは回転ホイールの総回転数であり、Ｌは測定された液面レベル高さであり、Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}は空タンクの場合の液面レベル高さであり、Ｄは上部プーリの外径であり、ＲＦは減速係数である。

上述した、および本明細書の他の場所で述べるＰＣＢは、プリント基板の略語であり、当業者に使用される共通の略語である。

本発明は、先行技術と比較して、以下の有益な効果を有する。

本発明は、体積を低減し、コストを減らすだけでなく、性能を向上させることができる。電子的出力以外に、視覚的出力も供給される。視覚的出力は、番号付き回転ホイールとＬＥＤディスプレイの形で具現化される。出力精度は、符号化回転ホイールが追加されるごとに１桁分増加し、原理上は、使用可能な符号化回転ホイールの数に制限はない。測定された可能性のある実際の深さを較正するために一連の増減速機が設けられ、このようなアブソリュート磁気回転符号化技術は、過酷な環境による誤差を防ぐことができる。

本発明は、物理的空間を然程使用せず、制御回路がより単純であり、液面レベルに関する情報を得るためのより多くの方法をユーザに提供する。センサは、より信頼性が高く、液面レベル測定精度がより高く、電力供給の必要量が少なく、５Ｖ未満のバッテリを電力供給に使用することができる。

本発明の技術的形態における技術的解決策をより明確に説明するために、技術的形態の説明の中で使用する必要のある添付図面について、簡単に後述する。明らかに、以下の説明における図面は、本発明の可能な実施形態のいくつかを示したものに過ぎず、当業者は、創造的な努力をしなくても図面に従って他の図面も考案可能である。

米国特許第２０１２／００６０６０１号明細書に示されているプーリフロート液面レベルセンサの断面図である。 先行技術のアブソリュート磁気回転エンコーダ（５個の回転ホイールおよび５個のセンサ装置）の正面図である。 先行技術のアブソリュート磁気回転エンコーダ（５個の回転ホイールおよび５個のセンサ装置）の断面図である。 先行技術のアブソリュート磁気回転エンコーダの一実施形態を示した図であり、５ホイールデジタルエンコーダの概略図である。 先行技術のアブソリュート磁気回転エンコーダの一実施形態を示した図であり、図３Ｂはセンサコード出力の表である。 先行技術のアブソリュート磁気回転エンコーダのセンサ出力と角度位置との関係曲線および磁場と角度位置との関係曲線である。 先行技術のアブソリュート磁気回転エンコーダの電圧と外部印加磁場との関係曲線である。 本発明に係るマルチターンプーリ液面レベルセンサの一部の正面図である。 本発明に係るマルチターンプーリ液面レベルセンサの上部のいくつかの部品の上面図である。 本発明に係るマルチターンプーリ液面レベルセンサのエンコーダ装置内のいくつかの部品およびプーリの端面図である。 機械的摩擦ホイールカップリング装置の断面図である。 図８の摩擦ホイールカップリングの側面図である。 外部検出回路の模式図である。

添付図面および実施形態を参照しながら、本発明についてさらに後述する。

図１は、先行技術のプーリフロート液面レベルセンサの断面図である。センサは、締結ロープ１１を有し、その締結ロープ１１の両端がフロート１２に締結されていて、液面レベルの高さ１３が測定可能である。フロート１２は、液面レベル１３上に浮かぶことができるものでなければならない。図面内の矢印は、締結ロープ１１の移動方向を示しており、それは上部プーリ１５と下部プーリ１６の移動方向でもある。上部プーリ１５は回転シャフト１７を中心として回転し、その回転方向は１４で示され、上部プーリ１５のトルクはプーリシャフト１８を介して回転エンコーダ装置（図示せず）に伝達される。

プーリシャフト１８はブラケット２１によって支持され、ブラケット２１はハウジング底板２２に取り付けられている。理想的な状態において、ハウジング蓋部２３は、外部環境からの機械的な保護と隔離を行う。上部プーリ装置は容器壁２５に取り付けられ、下部プーリ１６は、締結ロープ１１の理想的な張力を維持するために、重り２６の作用を受けて下方に引っ張られる。上部プーリ１５の下の理想的な範囲内で締結ロープ１１とフロート１２が維持されるように、保護筒２７を選択することができる。保護筒２７は、液体を自由に通過させ得る穴または別の構造物を有する必要があり、このようにすることで保護筒２７の内側および外側の液面レベル１３が同じになる。

アンテナ２８は、リモートシステム制御ユニット（図示せず）に通信信号２９を送信する。先行技術のプーリ液面レベルセンサについての説明はここまでとする。

次の３つの図は、現在のアブソリュート磁気回転センサ技術の技術水準を示した図であり、これらの図は全て中国特許出願第２０１３１００４０９７０．Ｘ号明細書から引用した図であり、この特許の内容全体を参照によって本願明細書に引用したものとする。

典型的な回転ホイールの場合、各回転ホイールは、１０個の異なる桁の出力を行うが、他の計数基準もある。例えば、エンコーダの回転ホイールに０〜９の番号を付与して、電子的な値出力の他に、視覚的な読み取りを行うことも可能である。一般的な構成は、複数の回転ホイール（任意の数が可能であり、記録時間が数十年に及ぶ場合、さらに多くの回転ホイールが必要である）が一緒に設置される。このようにして、第１の回転ホイールが１回転した場合、第２の回転ホイールは０．１回転することになる（一般的な割合は、１／（桁数）である）。同様にして、最後の回転ホイールを除き、Ｎ番目の回転ホイールが１回転した場合、（Ｎ＋１）番目の回転ホイールは０．１回転することになる。このようなマルチホイールアセンブリは、数十年の読み取りを記録できる。

既存の符号化技術はさらに、光透過式符号化や光反射式符号化、電気接触式符号化を含む。光学的方法では、汚れや光害のために問題が生じやすく、光源と光検出器が関連した電子的要素を必要とするので、コストがより高くなる。時間の経過と共に、電気接触式エンコーダは古くなり、その信頼性も低下する恐れがある。さらに、先行技術の他の符号化技術は、交互に磁化された磁性ターゲットと、磁気誘導検出器を有する。磁性ターゲットは、より高価であり、その精度は材料の永久磁化能力に制限される。より低コストでシンプルで正確な磁気エンコーダディスクは、流量計や電気計器産業に有効である。

図２Ａ〜図２Ｄに示されている５回転ホイールアブソリュート回転エンコーダの図を参照すると、装置全体は、最右回転ホイール１０１の総回転数を記録するための視覚電子的方法を提供する。視覚的記録は、各々の回転ホイールの上部の計数から始まる。したがって、現在の読み取りが０００１９回転である場合、これは、最右回転ホイール１０１が１回転して、２回転目を完了させつつあるということを意味する。１０進法の桁数を表すことから、最右回転ホイール１０１は「１０^０」と表される。右から２番目の回転ホイール１０２は「１０^１」と表され、右から３番目の回転ホイール１０３は「１０^２」と表され、右から４番目の回転ホイール１０４は「１０^３」と表され、右から５番目の回転ホイール１０５は「１０^４」と表される。

回転ホイール１０２と回転ホイール１０１との回転数の関係は１０：１であり、これは、１０^０回転ホイール１０１が１０回転するごとに１０^１回転ホイール１０２が１回転することを意味する。同様に、１０^１回転ホイール１０２が１０回転するごとに、１０^２回転ホイール１０３が１回転する。概して、１０^Ｎ回転ホイールが１０回転するごとに、隣接する１０^Ｎ＋１回転ホイールが１回転する。この場合、Ｎは自然数である。図面には５回転ホイールエンコーダのみが示されているが、その原理は任意の数の回転ホイールを有するエンコーダに容易に適用可能である。

図２に示されている他の部品は、回転シャフト１０７を中心として回転する。図２Ｄに示されているように、これらの部品は組み合わさって回転装置１２１を構成する。ディスク１１０は、薄い円形状であり、例えばＮｉ−Ｆｅ透磁性合金、高透磁性合金またはフェライト製の軟磁性材料である。ディスク１１０は構造変化部１１３を有し、この構造変化部１１３は、穴、突起または別の磁気構造部としてよい。図示されたディスク１１０は、１つの構造変化部のみを有するが、特定の用途では、それより多い構造変化部を有する場合がある。

固定装置１２２は、永久磁石１１４と、５個のセンサ１１６．１、１１６．２、１１６．３、１１６．４、１１６．５とを有し、５個のセンサはまとめてセンサ１１６と呼ぶ。該センサはプリント基板（ＰＣＢ）１１２に取り付けられ、ＰＣＢ１１２は、センサ１１６の電気接続部となり、永久磁石１１４を含む固定装置１２２の機械的支持部にもなる。固定装置および回転装置は、使用可能な多くの可能性のある構造変化部を有することができ、この実施形態は典型的な実施形態に過ぎない。永久磁石１１４は、ディスク１１０を磁化することができる磁場を形成する。一般に、永久磁石１１４の磁場は、回転シャフト１０７の軸方向に沿うように設計され、その磁場方向は、ＰＣＢ１１２およびセンサ１１６を含む面に垂直である。このような設計にするのは、透磁性ディスク１１０の構造変化部１１３がその隣接領域で磁場方向を変化させることができるためである。構造変化部１１３が回転してセンサ１１６内の特定のセンサを越えると、そのセンサが変化した磁場を測定できる。このようなマルチセンサ装置は、以下に示される磁場値を復号することによって、回転する構造変化部１１３の角度を決定できる。

かかる磁気設計について、より詳細に説明する。図３Ｃには、白黒で表された透磁性ディスク１１０が示されている。本願では、円筒座標系が使用されており、その半径方向は、（ページ内で）中心から外側に向かう方向であり、変数Ｒで表され、その角度方向は、変数θで表されており、これもページ内に示されている。Ｚ方向は、このページに垂直な方向である。

センサ１１６．１〜１１６．５は、センサ位置の特定の角度において軸方向感度が半径方向Ｒに平行になるように配置される。センサは、Ｚ軸方向およびθ方向には感度を持たない。図３Ｃは、各々のセンサの位置の角度と感度方向を表しており、それぞれ［センサ，感度角（°）］の形で［１１６．１，０］、［１１６．２，７２］、［１１６．３，１４４］、［１１６．４，２１６］、［１１６．５，２８８］と表されている。センサ位置の半径は、１９０Ｒ_{Ｔｒａｃｋ}よりわずかに大きい場合もある。先行技術の磁気モデルによれば、Ｒ_{Ｔｒａｃｋ}の外側の磁場は、左半分θ＝０°では外側に曲がり、半径Ｒより大きくなるが、右半分θ＝１８０°では全く曲がらないことがわかる。半径方向の正方向に磁場が曲がるというのは、半径方向の正方向に平行な、θ＝０°にて磁場のわずかな部分が存在することを意味する。センサ位置における半径方向成分Ｂ_{Ｒａｄｉａｌ}の磁気シミュレーション結果が、次の図４に示された曲線１９１である。センサ１１６．１は、成分Ｂ_{Ｒａｄｉａｌ}に対する感度を有するように設計されているが、成分Ｂ_Ｚに対する感度は持たない。図の右下隅のθ＝１８０°位置にある１つのセンサが半径Ｒ_{Ｔｒａｃｋ}より外の場所にある場合、磁場は全く測定されない。これは、θ＝１８０°においてＢ_{Ｒａｄｉａｌ}＝０であるためである。つまり、ディスク１１０は固定センサ１１６．１〜１１６．５に対して回転するので、構造変化部１１３の近くにある特定のセンサによって測定される磁場の振幅は、非常に小さいが０より大きく、センサが構造変化部１１３から離れると、振幅値はより０に近づく。

したがって、透磁性ディスクがセンサに対して回転すると、磁気センサが、透磁性ディスク上に構造変化部があるか否かを検出できる。磁気エンコーダを設計するのに、このような効果が使用されている。特定の角度位置に従って配置された各々のセンサは、電気信号を発することができ、ディスクの位置が異なれば、対応する電気信号も異なる。電子回路は、磁気センサのアナログ信号をデジタル信号に変換することができ、例えば、１は構造変化部が存在することを表し、０は構造変化部がないことを表す。さらに、１組の構造変化部が、例えば構造変化部１１３，１と１１３．２で形成される場合、固定センサに対してエンコーダの回転ホイール１０１とディスク１１０が共にエンコーダの回転ホイール１０１の１０個の位置で回転すると、それぞれの位置に対してセンサ１１６．１〜１１６．５によって得られた一連の信号は異なる。

このような符号化スキームの概要は図３に示されている。図３Ａは、センサ１１６．１〜１１６．５に対するディスク１１０の１０個の異なる角度位置を示す。図３Ｂの表では、列「数字」内の数字は、回転ホイールに表示されている１０個の位置のそれぞれの位置の番号に対応している。列「角度」は、θ＝０°からの回転角θの値を示す。列「センサ数」は、固定回路基板上の所定角度位置にあるセンサの数を示す。列「センサの出力値」は、５個のセンサの各々のセンサの信号出力を示す。５個の値は、組み合わさって、各角度におけるコード値「１」と「０」の組み合わせを形成する。５個の数字のコードは、図３Ａの各リングの表示である。例えば、数字４（上の列の右側）のリングは、θ＝０°から右回りに回転し始める。センサ１１６．１とセンサ１１６．４は構造変化部と一致せず、センサ１１６．２、１１６．３および１１６．５は構造変化部と一致する。回転角の値がθ＝１４４°であるときに、この状態が発生し、出力コードは１００１０となる。

図４は、５スイッチセンサの出力と磁場との関係曲線を示す。ディスクの回転角がθ＝０°からθ＝３６０°まで１回転する際、θ＝０°にてセンサ１１６．１により測定され且つ存在すると予想される磁場は、図４Ａに示されている通りである。この図では、軸の下にディスク１１０の回転角が示され、左軸は、磁場モデルから得られた磁気誘導強度成分Ｂ_{Ｒａｄｉａｌ}である。磁場（ガウス）−角度（°）関係曲線は、図中で菱形の印の付いた太い実線、即ち曲線１９１である。右軸は、磁気スイッチセンサのセンサ出力電圧であり、該センサは先行技術の中で説明されている。センサ出力電圧（Ｖ）−角度（°）関係曲線は、図面内の細い曲線１９２で表されている。

図４Ｂは、印加磁場に対する市販デジタル磁気スイッチの典型的な応答を含む。該スイッチは、磁場のアナログ信号（即ち、図中の曲線１９６）を出力用のデジタル（２状態）電子信号に変換する。水平軸は磁場（ガウス）であり、垂直軸はスイッチセンサの出力電圧（Ｖ）である。デジタル磁気スイッチの出力電圧と印加磁場との関係曲線は、図中の曲線１９３である。この曲線上に磁気ヒステリシスが存在することに留意されたい。印加磁気誘導強度が負の値であるとき、出力電圧は低値Ｖ_Ｌである。磁気誘導強度の増加に伴って、値は正になり、所定の磁場動作点Ｂ_ＯＰを超えるまで増加し、センサ出力値は低値から高値Ｖ_Ｈに変換されることになる。その後、磁気誘導強度は高い正の値から徐々に減少し、出力値は、磁場リセット点Ｂ_ＲＰにおいて元の低値Ｖ_Ｌに変換される。磁場の２つの変換閾値Ｂ_ＯＰ、Ｂ_ＲＰは、図４Ａの破線１９４、１９５で示されている。したがって、センサの外部磁場曲線１９１が破線Ｂ_ＯＰ、Ｂ_ＲＰを通り抜けるとき、センサ出力は図４Ｂ内の曲線１９３で示されたようになる。

磁気センサ素子のアナログ出力は、曲線１９６で示された通りである。印加磁場が０に近づくと、出力電圧と印加磁場との間の応答関係は線形関係にある。この曲線は、点Ｂ＝０に対して実質的に逆対称である。磁気誘導強度Ｂが正方向および逆方向の高い値にあるとき、センサは飽和値Ｖ_{ｓｅｎｓｅＨ}およびＶ_{ｓｅｎｓｅＬ}をそれぞれ出力する。所望のセンサ応答は、磁気センサを注意深く設計し構成することにより得られる。

上記内容は、アブソリュート磁気回転エンコーダの背景技術について説明したものである。本願の技術的革新は、（１）プーリ液面レベルセンサと（２）アブソリュート回転エンコーダという２つの先行技術分野の組み合わせにある。以下、本願の技術について詳細に述べ、複数の異なる実施形態について説明する。

実施形態１
エンコーダは５個の回転ホイールを有し、各々の回転ホイールは５個のセンサを有し、プーリは密閉ハウジング内の上部に設置され、電気は外部電子通信ユニットを介して供給され、重りが下部プーリに設けられる。

本願の第１の実施形態は、図５、図６および図７に示された通りである。図５は、正面断面図である。カプラ３０は、プーリシャフト１８とエンコーダ回転シャフト１０６との機械的接続部を形成する。ブラケット２１は、プーリシャフト１８およびエンコーダ回転シャフト１０６の重量と追加の作用力とを支持し、ブラケット２１はハウジング底板２２の上部に取り付けられる。５組の回転ホイールＰＣＢ１１２はシステムＰＣＢ３１上に取り付けられ、回転ホイールＰＣＢ１１２は、センサ１１６とシステムＰＣＢ３１との電気接続部を形成し、さらにエンコーダ装置の他の部品（例えば、永久磁石１１４）のいくつかの機械的支持部を形成することができる。

ハウジング底板２２は、液面レベルエンコーダ内のエンコーダ上部装置１全体の機械的シャーシとしての機能を果たす。容器壁２５は、容器またはウェルの最上部の構造体であり、通常の方法（例えば、ねじ、接着剤または粘着テープ）を使用して、ハウジン部底板２２を容器壁２５に固定できる。この図では、該２つの部品がわずかな間隙を空けて別個に描かれているが、この間隙は、エンコーダの上部装置１と測定される液面レベル装置の上部機械的部品との間の境界を表すために示されている。実際の使用では、エンコーダ上部装置１と容器壁２５との間に間隙はない。

エンコーダ上部装置１は、容器またはウェルヘッドの上に位置する全ての部品を含んでいる。図１を参照すると、ウェル内に吊り下げられている部品は、締結ロープ１１、フロート１２、下部プーリ１６、重り２６のみである。エンコーダ上部装置１は、ハウジング底板２２に取り付けられるハウジング上蓋２３を含み、ハウジング上蓋２３は、エンコーダ上部装置１内の他の部品を保護するのに使用され、さらにウェルまたは容器の内部環境と外部環境との間の環境的な密閉を提供することができる。

ハウジング底板２２と容器壁２５上に１つまたは２つの締結ロープ穴３２がある。フロート１２は液面レベル１３上に浮かんでいるときは、液面レベルの変化に伴って、締結ロープ１１が締結ロープ穴３２を通って自由に上下動できる。図１に示した先行技術の例では、締結ロープ１１と上部プーリ１５との摩擦力がトルクを発生させ、そのトルクが、プーリシャフト１８およびカプラ３０を介してエンコーダ回転シャフト１０６に伝達される。そして、図２で示され且つ説明されたエンコーダ回転ホイールの設計基準によれば、そのトルクがエンコーダ回転ホイールを回転させる。

図６は、上部装置１の選択された部品の上面図である。システムＰＣＢ３１は、ハウジング底板２２とハウジング上蓋２３で形成された外側ハウジングから延出している。システムＰＣＢ３１が延出する開口部の周囲の間隙を密閉するのに、シーラントまたはワッシャを使用することができる。このような設計により、単純な電気接続部とデータインターフェースが形成され、密閉位置からＰＣＢを取り外さなくても、必要に応じてバッテリを交換することができる。

システムＰＣＢ３１の下縁には、いくつかの電気的特性部とデータ特性部が示されている。電源接続部７１は電源と接地ループを提供し、電気相互接続装置３３は１組の配線ソケット端子である。該端子は、標準的な電気アナログ制御信号（例えば、電圧、４〜２０ｍＡ電流、および、パルス幅変調（ＰＷＭ））を送受信するのに使用できる。インターネット網インターフェース３４は、標準共通ネットワーク（例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＵＳＢまたはファイアワイヤ）用のインターフェースとなる。無線入出力部３６（アンテナ２８と信号２９を使用する。図１参照）は、Ｗｉ−Ｆｉ、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈおよびＺｉｇｂｅｅ用の無線インターフェースとなる。視覚的出力部３５は、裸眼で読み取り可能なディスプレイ、例えばライトディスプレイおよび／またはＬＥＤディスプレイとなる。かかるディスプレイは、基本的なシステム性能をＯｎ／Ｏｆｆ／Ｅｒｒｏｒとして表示でき、さらにより詳細な情報（例えば、現在の液面レベル）を表示できる。

図７は、プーリおよびエンコーダ装置内の選択された部品の端面図である。上部プーリ１５の直径は、図５に示されているのと同様に、エンコーダ回転ホイール１０１の直径より大きくすべきである。図５と図６の例を含む第１の実施形態では、プーリの回転シャフト１７とエンコーダの回転シャフト１０７が同一直線上にあるが、これらのシャフトの他の選択肢について以下で説明する。

実施形態２
保護筒が追加されていることを除けば、他の内容は実施形態１の内容と同じである。

図５、図６および図７に示されていないが、容器壁２５の下の締結ロープ装置のすぐ近くに１つの構造物、例えば図１に示されている保護筒２７が追加されてもよい。このような構造物を追加するのは、フロートおよび他の装置部品をウェルまたは容器の適切な位置で維持すると同時に、移動を妨げる任意の物体から離すためである。

実施形態３
密閉ハウジングが透明カバーを有し、その透明カバーから回転ホイール上の桁を直接読み取れることを除けば、他の内容は実施形態１の内容と同じである。

ハウジング上蓋２３は、プラスチックのような透明な材料で作製でき、上蓋を取り外さなくてもエンコーダ回転ホイール１０１〜１０５上の値を直接読み取ることができる。加えて、ハウジング上蓋２３が透明でない場合には、小さい透明窓を設置することも可能である。

実施形態４
基本的には実施形態１と同じであり、その違いは、主に、視覚的読取部がないという点にある。

実施形態５
基本的に実施形態１と同じであり、その違いは、主に、エンコーダの回転数を回転ホイールの実際の回転数と一致させるために歯車増減速装置が追加されている点にある。

前述の４つの実施形態で示された概念と装置は全て、非常に大きい深さ範囲のウェルまたは容器に適用可能である。エンコーダの各々の回転ホイールが異なる桁を示すので、上述した５−回転ホイール装置に１つまたは複数のエンコーダ回転ホイールが追加された場合には、１０の１または複数倍の回転が得られる。さらには、追加のエンコーダ回転ホイールを使用して深さ測定の精度を向上できる。様々な理由により、フロートの総移動距離に対するエンコーダ計数回転ホイールの回転数の比を変化させる必要があり、かかる機能を実現できる１つの可能な変更形態が、次の２つの図面に示されている。

図８は、摩擦を低減できる回転ホイール装置を示し、図９はその断面図である。いくつかの追加の回転ホイールが、プーリシャフト１８とエンコーダ回転シャフト１０６との間に機械的に設置され、その回転ホイールは、エンコーダ回転ホイールの回転数に対するプーリの回転数の比を変えることができる。また、プーリシャフト１８に中央ハブ４１がさらに設置され、さらに、より小さい第１の摩擦ホイールカップリング４２（ハブが４３、ホイールシャフトが４４で示されている）が設置される。第１の摩擦ホイールカップリング装置の回転シャフトは、上述したものとは違って、回転シャフト４７であり、この回転シャフト４７は支持機能を果たす。

上述と同様に、第２の摩擦ホイールカップリング４５とその回転シャフト４６は、カプラ３０を使用してエンコーダ回転シャフト１０６に機械的に接続されている。装置上の固定位置における摩擦力が、第２の摩擦ホイールカップリング４５を回転させることができる。中央ハブ４１と第１の摩擦ホイールカップリング４２との間の摩擦力は、プーリ１８と第１の摩擦ホイール４２にトルクを発生させ、第１の摩擦ホイールカップリングのハブ４３と第２の摩擦ホイールカップリング４５の外表面との間の摩擦力は、第２の摩擦ホイールカップリング４５にトルクを発生させる。

本明細書内の「摩擦ホイール装置」は機械的装置を説明するのに使用され、機械的装置の回転運動は、１つの回転ホイールから別の摩擦ホイールに伝達される。これはアブソリュート液面レベル計器に適用可能な特有の方法ではないが、このような方法が先行技術で示されている。他の可能な方法、例えば機械的歯車、磁気結合プレートおよび自在継手もある。理想的な結果は、所与の位置で発生する締結ロープ１１に接続されたフロート１２の回転数を変更できることである。

図９は、図８の摩擦ホイール装置の断面図である。図９は、ハブの内径と回転ホイールの外径を強調している。第１の摩擦ホイール４２の外径はＤ２ ５２であり、そのハブの直径はＤ１ ５１である。第２の摩擦ホイール４５の外径はＤ４ ５４であり、そのハブの直径はＤ３ ５３である。上部プーリ１５の外径はＤ５ ５５であり、中央ハブ４１の直径はＤ６ ５６である。

回転速度の変化は、剛性回転ホイールが内側および外側に移動する線形速度の関係を確認することによって計算される。さらに、摺動しないと仮定すると、以下の式（１）に従って、Ｎ番目の回転ホイールが回転するときの、直径Ｄのある点における移動距離Ｓを求めることができる。
Ｓ＝π×Ｄ×Ｎ （１）

２つの点が同じ回転ホイールの異なる直径にある場合、即ち２つの点がそれぞれＤ１とＤ２にある場合、式（２）〜式（５）で示されているように、２つの点のそれぞれの移動距離が式（１）を解くことにより求められ、続いて、それらの解を除算して、それらの相対移動距離が求められる。
Ｓ_１＝π×Ｄ_１×Ｎ （２）
Ｓ_２＝π×Ｄ_２×Ｎ （３）
Ｓ_１：Ｓ_２＝Ｄ_１：Ｄ_２ （４）
Ｓ_１＝Ｓ_２×Ｄ_１／Ｄ_２ （５）

動きがないと仮定すると、プーリの中央ハブ４１は第１の摩擦ホイールカップリング４２と接触し、第１の摩擦ホイールカップリングのハブ４３は第２の摩擦ホイールカップリング４５と接触する。これは、接触点において内側面の移動距離と外側面の移動距離が等しいことを意味する。しかし、上述の式（４）および式（５）に従って、所与の摩擦ホイールのハブの移動距離が得られるものの、ハブのサイズは異なる。

締結ロープ１１の作用の下、プーリ１５の回転シャフトの両側の移動距離の関係は、
Ｓ５＝Ｓ６×Ｄ５／Ｄ６ （６）
である。

この場合、Ｄ５はプーリの中央ハブの直径５５であり、Ｄ６はプーリの外径５６である。

第１の摩擦ホイール４２の回転シャフトの両側の移動距離の関係は、
Ｓ１＝Ｓ２×Ｄ１／Ｄ２ （５）
である。

この場合、Ｄ１は第１の摩擦ホイール４２のハブの直径５１であり、Ｄ２は第１の摩擦ホイール４２の外径５２である。

第２の摩擦ホイール４５の回転シャフトの両側の移動距離の関係は、
Ｓ３＝Ｓ４×Ｄ３／Ｄ４ （７）
である。

この場合、Ｄ３は第２の摩擦ホイール４５のハブの直径５３であり、Ｄ４は第２の摩擦ホイール４５の外径５４である。

つまり、一連の正味の移動減速係数は、係数を乗算することにより求めることができる。即ち、
ＲＦ＝（Ｄ５／Ｄ６）×（Ｄ１／Ｄ２）×（Ｄ３／Ｄ４） （８）
である。

減速係数は２つの状況に関係する。図８に示されたように、締結ロープ１１は、第２の摩擦ホイールのホイールシャフト４６の周囲に巻き付けられる。

ここで、エンコーダ回転ホイール１０１〜１０５の回転数に応じて、フロート１２の液面レベルの総変化量が計算される。最初に、減速しない場合の液面レベルの１つの変化量に対応する回転数が計算され、次に、その回転数が減速係数で割られる。Ｌは、測定される液面レベルを表すのに使用され、Ｌの値の範囲はＬ_{ｅｍｐｔｙ}〜Ｌ_ｆｕｌｌとする。

締結ロープ１１が第２の摩擦ホイールのホイールシャフト４６の周囲に巻き付けられる場合、エンコーダホイール１０１の１回転に対するＬの変化量はΔＬであり、式（１）は、
ΔＬ／Ｎ＝π×Ｄ３ （９）
に変換される。

上記の式は減速しない場合を示しており、減速係数が式（９）に加えられると、式は以下の形に変化する。
ΔＬ／Ｎ＝π×Ｄ３×（Ｄ６／Ｄ５）×（Ｄ２／Ｄ１）×（Ｄ４／Ｄ３）＝π×Ｄ４×（Ｄ６／Ｄ５）×（Ｄ２／Ｄ１） （１０）

式（１０）を使用することにより、Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}より上の所与の液面レベルにあるフロート１２に対して、エンコーダ回転ホイールの回転数は、
Ｎ＝（Ｌ−Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}）／［π×Ｄ４×（Ｄ６／Ｄ５）×（Ｄ２／Ｄ１）］ （１１）
となる。

式（１１）は、一般的な関係式であり、この式は、１組の特定の回転ホイールの減速比を計算するのに適用される。

式（１１）を使用することにより、所与のウェルの深さと回転ホイールの所与の回転数に対して望ましい減速比を設計することも可能である。例えば、エンコーダが５つの回転ホイールを有すると仮定すると、そのエンコーダは最大で１００，０００の多くの異なる回転値（例えば、０〜９９，９９９）を示すことができる。ウェルの深さが１００ｍである場合、式（１１）に従って、以下の減速係数が求められる。
ＲＦ＝π×Ｄ４×（Ｄ６／Ｄ５）×（Ｄ２／Ｄ１）＝（Ｌ−Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}）／Ｎ＝１００／１０００＝１×１０^−３メートル／回転 （１２）

したがって、エンコーダ回転ホイールの所望の回転数およびその回転数に対応できるウェルの深さが公知である場合、式（１２）により、設計された減速比を実現する可能な方法が得られる。

実施形態６
プーリが密閉ハウジング内になく、密封式機械的貫通部材が設置される。

この実施形態では、アブソリュート磁気抵抗エンコーダが密閉容積の外側に配置されてもよい。回転運動する貫通部材はカプラ３０として使用されてよく、図８の断面図に示されたように、ハウジング上蓋２３とカプラ３０との間は密閉される。これは、図５および図６に示された実施形態とは異なる。図５と図６に示された実施形態では、ハウジング上蓋２３がエンコーダ回転ホイールアセンブリ１０１〜１０５を完全に囲繞する。

実施形態７
エンコーダ回転ホイールが下部プーリに接続される。

別の実施形態では、エンコーダ回転ホイールが、ウェルまたは容器の上部に接続されるのではなく、下部プーリに接続される。本明細書では、下部と上部は、重力の向きに従って定められるが、かかる状態は図示されていない。この実施形態では、下部に設置されたエンコーダが、電子締結ロープまたは無線接続部を使用して、上部信号送信ユニットに接続される。

実施形態８
基本的に実施形態１と同じであり、その違いは、回転シャフトが同一線上にない点にある。

図５を参照すると、プーリの回転シャフト１５がエンコーダの回転シャフト１０７と同一線上にない状態として複合装置が設計されるのが望ましいが、かかる概念はここでは明確に示されていない。かかる概念は、自在継手およびいくつかの摩擦ホイールもしくは歯車を含む装置において容易に実現可能である。

図１０は、システム回路３７の模式的な回路図である。システム回路は、有線および／または無線データ通信および相互接続機能を有する外部検出回路である。元の回路に相互接続され、元の回路の支持体となるのは、システムＰＣＢ３１であり、この回路は、電源入力端部７１から電力供給され、その接地端部は３８である。内部電圧安定装置７２は、内部回路に安定電圧を供給する。エンコーダ回転ホイールの総回転数がＮであるとすると、エンコーダ回転ホイールのアナログ信号入力端部は、第１の回転ホイールエンコーダ６１、第２の回転ホイールエンコーダ６２と続き、そして最後に、Ｎ番目の回転ホイールエンコーダ６３として表示される。各々のエンコーダ回転ホイールのアナログ電圧信号（図４に曲線１９１で示されている）は、アナログ増幅器とコンパレータ６４に伝送されてもよい。各々のエンコーダチャネルはコンパレータを有するので、合計Ｎ個のコンパレータ６４が存在する。コンパレータ６４は、高値または低値のデジタル信号（図４に曲線１９２で示されている）を出力し、デジタル信号をシグナルプロセッサ６５に伝送する。マイクロコントローラ６７は、アルゴリズムを使用して、デジタル出力部６６を介して出力される出力結果を取得する。出力結果は、電気的相互接続装置３３における第１のデジタル出力形式でもよく、視覚的ディスプレイ３５における光出力または視覚的出力形式でもよく、さらには、様々な標準モード（例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ３４、ＷｉＦｉ３６）用のデジタルデータ形式でもよい。

上記説明は、本発明の好適な実施形態を示したに過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者にとっては、本発明は様々な修正および変更が可能である。本発明の精神および原理の範囲内の任意の修正、同等の置換、改良などは、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

Claims (15)

1. 容器内またはウェル内の液面レベルを電子的に遠隔で監視するためのマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置であり、
   前記液面レベルの変化に伴って上下に浮揚することができるフロートと、
   前記フロートに両端が締結された締結ロープと、
   前記締結ロープを巻き付けることによって前記フロートに接続された少なくとも１つのプーリであって、前記フロートが上下に移動するのに伴って回転する少なくとも１つのプーリと、
   前記プーリに機械的に結合された磁気エンコーダ装置とを備え、
   前記磁気エンコーダ装置が、回転シャフトと、前記回転シャフトと共に回転する１つまたは複数の回転ホイールと、前記１つまたは複数の回転ホイールに個々に対応する永久磁石、回転ホイールＰＣＢおよび磁気センサと、前記磁気エンコーダ装置に電気的に接続された外部検出回路とを備え、
   前記プーリは、前記プーリのホイールシャフトと前記回転シャフトとの間の機械的接続部を介して前記磁気エンコーダ装置と機械的に結合しており、
   前記磁気エンコーダ装置は、前記プーリの回転角に応じて、対応するデジタル信号を出力し、
   前記外部検出回路が、前記エンコーダ装置によって出力された前記デジタル信号に応じて、現在の液面レベル高さを計算する、マルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
2. 前記プーリが上部プーリと下部プーリとを備える、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
3. 前記上部プーリのホイールシャフトが、第１の接続装置を介して前記回転シャフトと機械的に接続されている、請求項２に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
4. 前記回転ホイールが前記下部プーリに接続されている、請求項２に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
5. ハウジング底板と、前記ハウジング底板に取り付けられるハウジング上蓋とを備えるハウジング装置をさらに備える、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
6. 前記ハウジング上蓋が透明な材料からなる、または前記ハウジング上蓋に視認窓が設けられている、請求項５に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
7. 前記上部プーリと前記磁気エンコーダ装置が共に、前記ハウジング装置の内側に配置され、前記ハウジング装置の外側から隔離されている、請求項５に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
8. 前記上部プーリが前記ハウジング装置の内側に配置されていて、前記磁気エンコーダ装置が前記ハウジング装置の外側に配置されており、前記ハウジング上蓋と第２の接続装置との間で信号相互通信を実現するために、前記ハウジング上蓋と前記第２の接続装置との間に密封式機械的貫通部材が配置されている、請求項５に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
9. 前記ハウジング装置から延出したシステムＰＣＢをさらに備え、前記ホイールＰＣＢは前記システムＰＣＢに取り付けられ、前記システムＰＣＢは前記ホイールＰＣＢを介して前記ホイールに機械的に接続される、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
10. 前記上部プーリの直径は前記ホイールの直径より大きく、前記プーリ回転軸とホイール回転軸が同一直線上にある、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
11. 前記締結ロープのすぐ近くに保護装置が配置されている、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
12. 前記磁気エンコーダ装置の回転数を前記回転ホイールの実回転数と一致させるための歯車増減速装置をさらに備える、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
13. 前記歯車増減速装置は、ハブと軸とを備えるステップダウン式摩擦ホイールカップリングであり、前記摩擦ホイールカップリングの回転軸は、前記上部プーリおよび前記ホイールの回転軸とは異なる、請求項１２に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
14. 前記外部検出回路が、有線および／または無線のデータ通信と相互接続機能を有する、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。
15. 液面レベル高さと前記１つまたは複数のエンコーダ回転ホイールのうち第１のエンコーダ回転ホイールの総回転数との関係は、Ｎ＝（Ｌ−Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}）／（π×Ｄ×ＲＦ）であり、Ｎは前記エンコーダ回転ホイールの総回転数であり、Ｌは測定された液面レベル高さであり、Ｌ_{ｅｍｐｔｙ}は空タンクの場合の液面レベル高さであり、Ｄは前記上部プーリの外径であり、ＲＦは減速係数である、請求項１に記載のマルチターンプーリ液面レベルセンサ装置。

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