JP2017151000A - 液位検出装置、液体供給設備および液位検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内の複数の異なる位置において単純な構成の温度センサにより測定された温度測定値を使用して、タンク内における液体の液位を正確に検出することが可能な液位検出方法及び液位検出装置を提供する。【解決手段】液体５によって占められる第１空間と、第１空間の上方に位置して液体５とは温度が異なる気体６によって占められる第２空間と、を内部に有するタンク内に貯留された液体５の液位を検出する液位検出装置１１０であって、タンクの高さ方向における複数の異なる位置にてタンク内の温度をそれぞれ測定するための複数の温度センサ２０と、各々の温度センサ２０による温度測定値の経時変化に基づいて、タンク１内の液体５の液位を算出するように構成された液位算出部１０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本開示は、容器内に貯留された液体を外部に供給する液体供給設備において、当該容器内における当該液体の液位を検出するための液位検出装置および液位検出方法に関し、さらには、そのような液位検出装置を備えた液体供給設備に関する。

発電プラント等では、冷却液が貯留された容器を有し、高温部に大量の冷却液を当該容器からプラント内の高温部に急速に供給するための液体供給設備が設けることがある。その際に容器内に貯留された液体の液位変化を検出し、当該液位変化から供給される液体の流量を算出すれば、当該液体の供給状況（例えば、発電プラント内の高温部への冷却液の供給状況）を把握することが可能である。

液体容器内に貯留された液体の液位を検出するための従来技術としては、例えば、液体容器内の気相部に連通する配管の圧力と、液体容器内の液相部に連通する配管の圧力との間の差圧を求め、当該差圧に基づいて液位を算出する技術がある。しかしながら、液体タンク外へと液体が急速に流出する際には、気体の膨張に起因した温度低下により、当該差圧配管内の気体と液体タンク内の気体との間に著しい温度差が生じ、液位の検出誤差が発生することがある。

下記の特許文献１は、上述した差圧配管を使用することなく、原子炉内に貯留された冷却水の液位を検出するための技術を開示している。特許文献１記載の技術では、原子炉内の冷却水の液位を検出するために、原子炉内の高さ方向に沿って配列された複数の温度差検出器を設けている。各温度差検出器には、温度センサが断熱材で覆われた断熱部と温度センサが原子炉内に露出した非断熱部が設けられ、以下の原理により液位を検出している。

特開２０１３−１０８９０５号公報

しかし、タンク内の複数の異なる位置における温度に着目してタンク内の液位を検出する場合、特許文献１記載の液位検出方法には以下のような問題点がある。すなわち、各位置で単純に測定された温度が気体と液体のいずれの温度を表しているのかは通常は不明であるため、各位置が気相又は液相のいずれに接しているのかも通常は不明である。そこで、特許文献１記載の液位検出方法では、上述したように、タンク内の複数の異なる位置に設けた各温度差検出器が冷却水に接しているか否かを、各温度差検出器における断熱部と非断熱部との間の温度差に基づいて判別している。しかしながら、各温度差検出器を上述した断熱部と非断熱部によって構成することは高コストであると共に、各温度差検出器の構造が複雑となり、保守コストも増大する。

以上の問題点に鑑み、本発明の幾つかの実施形態においては、タンク内の複数の異なる位置において単純な構成の温度センサにより測定された温度測定値を使用して、タンク内における液体の液位を正確に検出することが可能な液位検出方法及び液位検出装置を得ることを目的とする。

（１）本発明の幾つかの実施形態に係る液位検出装置は、液体によって占められる第１空間と、前記第１空間の上方に位置して前記液体とは温度が異なる気体によって占められる第２空間と、を内部に有するタンク内に貯留された前記液体の液位を検出する液位検出装置であって、
前記タンクの高さ方向における複数の異なる位置にて前記タンク内の温度をそれぞれ測定するための複数の温度センサと、
各々の前記温度センサによる温度測定値の経時変化に基づいて、前記タンク内の前記液体の液位を算出するように構成された液位算出部と、
を備えることを特徴とする。

上述したように、タンク内の複数の異なる位置で測定された温度に基づいてタンク内の液位を検出する場合、各位置で単純に測定された温度が気体と液体のいずれの温度を表しているのかは通常は不明であるため、各位置が気相又は液相のいずれに接しているのかも通常は不明である。そのため、例えば、温度測定部において特許文献１記載のような高コストで複雑な工夫を行わない限り、各温度測定位置で特定の一時点において測定された温度測定値から液位を検出することは困難である。

この点、上記（１）の構成では、タンク内の複数の異なる温度測定位置においてそれぞれ測定された温度測定値の経時変化に基づいてタンク内の液位を検出するようにしている。従って、上記（１）の構成では、タンク内の気体と液体の間に温度差があることを利用し、タンク内の液位低下に伴って、液相に曝されていた温度測定位置が気相に曝されることによって生じる温度測定値の経時変化を検出することが可能となる。その結果、上記（１）の構成によれば、温度センサに特別の工夫を施すことなく、各温度測定位置を液位が通過する時点に関する情報が得られる。こうして、複数の温度センサからの温度測定値の経時変化に基づいてタンク内の液位を検出することができる。

（２）例示的な一実施形態では、上記（１）の構成において、前記液位算出部は、前記複数の温度センサのうち、前記液体の温度と前記気体の温度との間の温度閾値を前記温度測定値が通過した温度センサの温度測定位置に基づいて、前記液位を算出するように構成されたことを特徴とする。

上記（１）の構成では、タンク内の液位低下に伴って、液相に曝されていた各温度測定位置が気相に曝されることによって生じる温度測定値の経時変化を検出することにより、タンク内の液位を検出する。この際の具体的手法として、上記（２）の構成では、液体の温度と気体の温度との間の温度閾値を前記温度測定値が通過したか否かに基づいて、液位を算出するようになっている。このように、上記（２）の構成によれば、各時刻における温度測定値を当該温度閾値と比較するだけの簡単な演算によって、液位を算出することができる。

（３）例示的な一実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記液位算出部は、前記複数の温度センサのうち、前記温度測定値の変化速度が閾値を超えた温度センサの温度測定位置に基づいて、前記液位を算出するように構成されたことを特徴とする。

上記（１）の構成では、タンク内の液位低下に伴って、液相に曝されていた各温度測定位置が気相に曝されることによって生じる温度測定値の経時変化を検出することにより、タンク内の液位を検出する。この際の具体的手法として、上記（３）の構成では、各温度測定位置における温度測定値の変化速度が閾値を超えたか否かに基づいて、液位を算出するようになっている。このように、上記（３）の構成によれば、各時刻における温度測定値の変化速度を所定の閾値と比較するだけの簡単な演算によって、液位を算出することができる。
また、上記（３）の構成の場合、液相に曝されていた各温度測定位置が気相に曝されることによって温度測定値の実質的な変化が生じ得る限り、液体温度及び気体温度の値が不明であっても、液位を算出することができる。

（４）例示的な一実施形態では、上記（１）〜（３）の方法において、前記タンクの前記第２空間に加圧された前記気体が封入されており、
前記タンクは、
加圧された前記気体の圧力によって前記タンク内の前記液体を外部に流出させるための排出管と、
前記排出管に設けられ前記タンクと外部との連通状態を切り替えるための弁と、
を含むことを特徴とする。

上記（４）の構成によれば、タンク外へと液体が急速に流出する際には、急激な液面低下により気相部分が急激に断熱膨張し、タンク内の気相部分を占める加圧ガスの著しい温度低下が生じる。従って、上記（４）の構成によれば、液体流出開始前には、液相部分を占める液体と気相部分を占める加圧ガスの間に大きな温度差が無かったとしても、上述した液体流出時における気相部分の断熱膨張により液体と加圧ガスとの間に充分な温度差が得られることとなる。その結果、上記（４）の構成によれば、タンク内の気体と液体の間に温度差があることを利用し、タンク内の液位低下に伴って、各温度測定位置が液相内から気相内に移動することによって生じる温度測定値の経時変化を確実に検出することが可能となる。

（５）例示的な一実施形態では、上記（４）の方法において、前記タンクは、前記タンク内の互いに異なる高さに設けられた一対の液体取込口と、前記一対の液体取込口を前記排出管に連通させる連通管と、を含み、
前記複数の温度センサのうち少なくとも一部は、前記一対の液体取込口のうち上側の液体取込口を基準として、該液体取込口よりも上方の高さ範囲における位置において前記温度を測定するように構成されたことを特徴とする。

上記（５）の構成では、複数の温度センサのうち少なくとも一部は、一対の液体取込口のうち上側の液体取込口よりも上方の高さ範囲における位置において温度を計測するように構成されている。これにより、何れの液体取込口よりも液位が上方に位置しており、両方の液体取込口を介して大流量でタンク内から流出している期間中において、少なくとも一部の温度センサの温度測定値の経時変化に基づいて、液位を検出することができる。よって、大流量での液体供給が期待される開弁直後の比較的重要な時間帯において、液位を検出することができ、液体供給が確実に行われているか否かを知ることができる。

（６）例示的な一実施形態では、上記（４）または（５）の構成において、
液位検出装置は、
前記液位算出部による前記液位の算出結果に基づいて、前記排出管から流出する前記液体の流量を算出するための流量算出部をさらに備えることを特徴とする。

上述したように、上記（４）または（５）の構成によれば、液体タンクからの液体流出時において、温度センサからの温度測定値を用いてタンク内の液位の変動を正確に検出することができる。そのため、上記（６）の構成によれば、液体タンクからの液体流出時に、タンクから流出する液体の流量を正確に算出することができる。

（７）本発明の幾つかの実施形態に係る液体供給設備は、
液体によって占められる第１空間と、前記第１空間の上方に位置して前記液体とは温度が異なる加圧気体によって占められる第２空間と、を内部に有するタンクと、
前記加圧気体の圧力によって前記タンク内の前記液体を外部に流出させるための排出管と、
前記排出管に設けられ前記タンクと外部との連通状態を切り替えるための弁と、
前記タンク内の前記液体の液位を検出するように構成された、上記（１）乃至（６）の何れかの構成の液位検出装置と、を備えることを特徴とする。

上述したように、上記（１）乃至（６）の構成によれば、液体タンクからの液体流出時において、温度センサからの温度測定値を用いてタンク内の液位を正確に検出することができる。そのため、上記（７）の構成によれば、液体タンクからの液体流出時において、液位変化を正確に検出しながら排出弁から液体を供給可能な液体供給設備を実現することができる。

（８）本発明の幾つかの実施形態に係る液位検出方法は、
液体によって占められる第１空間と、前記第１空間の上方に位置して前記液体とは温度が異なる気体によって占められる第２空間と、を内部に有するタンク内に貯留された前記液体の液位を検出する液位検出方法であって、
前記タンクの高さ方向における複数の異なる位置にて前記タンク内の温度を複数の温度センサにより測定するステップと、
各々の前記温度センサによる前記温度の測定値の経時変化に基づいて、前記タンク内の前記液体の液位を算出するステップと、
を備えることを特徴とする。

上述したように、タンク内の複数の異なる位置で測定された温度に基づいてタンク内の液位を検出する場合、各位置で単純に測定された温度が気体と液体のいずれの温度を表しているのかは通常は不明であるため、各位置が気相又は液相のいずれに接しているのかも通常は不明である。そのため、例えば、温度測定部において特許文献１記載のような高コストで複雑な工夫を行わない限り、各温度測定位置で特定の一時点において測定された温度測定値から液位を検出することは困難である。

しかしながら、上記（８）の方法では、タンク内の複数の異なる温度測定位置においてそれぞれ測定された温度測定値の経時変化に基づいてタンク内の液位を検出するようにしている。従って、上記（８）の方法では、タンク内の気体と液体の間に温度差があることを利用し、タンク内の液位低下に伴って、各温度測定位置が液相内から気相内に移動することによって生じる温度測定値の経時変化を検出することが可能となる。その結果、上記（８）の方法によれば、温度センサに特別の工夫を施すことなく、温度センサからの温度測定値に基づいてタンク内の液位を検出することができる。

以上より、本発明の幾つかの実施形態によれば、タンク内の複数の異なる位置において単純な構成の温度センサにより測定された温度測定値を使用して、タンク内における液体の液位を正確に検出することが可能な液位検出方法及び液位検出装置を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る液体供給装置と液位検出装置の構成を示す図である。 液体供給装置のタンクに設けられた温度センサ配列部の内部構成図である。 タンク内の複数の異なる位置における温度測定の様子を示す図である。 タンク内の複数の異なる位置における温度の経時変化および当該温度の経時変化に対応する液位の時間変化を示す図である。 本発明の一実施形態に従いタンク内の液位を検出する方法のフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

以下、まず最初に、本発明の幾つかの実施形態に係る液体供給装置と液位検出装置の構成について図１および図２を参照しながら説明する。続いて、本発明の幾つかの実施形態に従い、液体供給装置がタンク内に貯留する液体の液位を検出する仕組みおよび液体供給装置のタンクから供給される液体の流量を算出する方法について、図３乃至図５をさらに参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る液体供給装置１００の全体構成を示す。
幾つかの実施形態では、図１に示すように、液体供給装置１００は、液体５が貯留されるとともに気体６が封入されたタンク１と、タンク１内の液体５を外部に流出させるための排出管４と、排出管４に設けられタンク１と外部との連通状態を切り替えるための弁３と、タンク１内の液体５の液位を検出するように構成された液位検出装置１１０と、を備えている。タンク１は、液体５によって占められる第１空間５０と、第１空間５０の上方に位置して液体５０とは温度が異なる気体６によって占められる第２空間６０と、を内部に有する。液体供給装置１００は、弁３が開いた際には、排出管４から液体５を外部に供給するようになっている。以下において後述するとおり、例示的な一実施形態においては、気体６は、加圧された状態でタンク１内に封入された加圧気体であっても良く、その場合、液体供給装置１００は、加圧気体の圧力によってタンク１内の液体５を排出管４から外部に流出させるように構成されていても良い。なお、図１には、液位検出装置１１０の一構成要素としてタンク１に設けられた温度センサ配列２も示されているが、温度センサ配列２については以下において図２を参照しながら具体的に説明する。

また、図１に示すように、タンク１内には液体５を排出管４に導くためのフロー・デバイス７が設けられている。フロー・デバイス７は、タンク１内の互いに異なる高さに設けられた一対の液体取込口７ａおよび７ｃと、一対の液体取込口７ａおよび７ｃを排出管４に連通させる連通管７ｂと、を含んで構成される。図１に示す例示的な実施形態では、一方の液体取込口７ａが、他方の液体取込口７ｂよりも上方に位置している。
タンク１内における液体５の液位が液体取込口７ａおよび７ｃの両者よりも上方に位置している期間中には、両方の液体取込口７ａおよび７ｃを介して大流量でタンク１内から液体５が流出することとなる。他方、タンク１内における液体５の液位が液体取込口７ａよりも下方、かつ液体取込口７ｃよりも上方に位置している期間中には、液体取込口７ｃのみを介して比較的少ない流量でタンク１内から液体５が流出することとなる。

幾つかの実施形態では、排出管４は各種プラントの液体供給系統に接続されている。プラントの液体供給系統の圧力は、プラントの運転状態によって変化するようになっていてもよい。この場合において、弁３は、プラント側からタンク１に向かう液体の流れを阻止する一方、タンク１からプラント側への液体の流れを許容するように構成された逆止弁であってもよい。また、幾つかの実施形態では、タンク１の第２空間６０に加圧された気体６が封入されていてもよい。その結果、この実施形態では、タンク１に設けられた排出管４が開放されることにより、上記のように加圧された気体６の圧力によってタンク１内の液体５を外部に流出させるようになっていても良い。これにより、プラントの液体供給系統の圧力がタンク１内の気体６の圧力よりも大きい場合には逆止弁３は閉止され、プラントの液体供給系統の圧力がタンク１内の気体６の圧力よりも低くなったときに逆止弁３が開放されてタンク１から排出管４を介してプラント側に液体が供給されるようになっていてもよい。

例えば、例示的な一実施形態では、原子力発電プラントにおいて、炉心に大量の冷却液を急速に供給するための液体供給装置１００を設けてもよい。その際、この実施形態では、事故発生により炉心内の圧力が低下した際に、低下した炉心圧力と液体供給装置１００のタンク１内の高い圧力との間の差圧によって弁３が開くように弁３を逆止弁として構成しても良い。

なお、加圧された気体６のタンク１への封入圧力は３ＭＰａ以上かつ５ＭＰａ以下である。また、加圧された気体６は、窒素ガスを含んでいてもよい。窒素ガスは、例えば水蒸気などとは異なり、常圧下ではマイナス２００℃近い極低温でなければ凝縮しない。また、窒素ガスは、常温下では、数メガパスカル程度の高圧で圧縮しても凝縮しない。従って、この実施形態では、タンク１からの液体５の流出時において窒素ガスを含む加圧気体６が凝縮するリスクを低減することができる。

次に、図２を参照しながら本発明の幾つかの実施形態に係る液位検出装置１１０の構成について説明する。図２は、液位検出装置１１０の構成要素としてタンク１に設けられた温度センサ配列２の内部構成を詳しく説明するために、図１において領域Ａで示す部分を拡大表示した図である。図２を参照すると、温度センサ配列２は、タンク１の高さ方向における複数の（ｎ個の）異なる位置（以下、「温度測定位置」とも呼ばれる）にてタンク１内の温度をそれぞれ測定するための複数の（ｎ個の）温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ；但し、ｎは２以上の整数。）を備えている。さらに、液位検出装置１１０は、温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の各々による温度測定値の経時変化に基づいて、タンク１内の液体５の液位を算出するように構成された液位算出部１０を備える。液位算出部１０は、複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）から受け取った温度測定結果に基づいて、タンク１の液位を演算し、流量算出部１１に出力するための演算部である。

例示的な一実施形態では、複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）を備える温度センサ配列２には、液位算出部１０が電気的に接続されている（図２の２１）。上記構成においては、温度センサ配列２と液位算出部１０との間では、計測データを表す信号が通信される。なお、液位算出部１０が、温度センサ配列２から計測結果に基づいて、タンク１の液位を演算するための演算方法の詳細な具体例については、図３〜図５を参照しながら後述する。

また、一実施形態では、上記構成の液位検出装置１１０は、液位算出部１０によって検出されたタンク１の液位の時間変化に基づいて、液体供給装置１００の排出管４を流れる液体５の流量を求めるための流量算出部１１をさらに備える。例示的な一実施形態では、流量算出部１１は、液位算出部１０に電気的に接続され、液位算出部１０と流量算出部１１との間では、演算結果を表す信号が互いに通信される。

上記構成の液体供給装置１００によれば、流量算出部１１が出力する流量演算結果から、液体供給装置１００の排出管４から供給される液体５の流量の時系列的な推移を監視することが可能となる。それにより、液体供給装置１００からプラント設備の高温部への液体の供給状況を把握することが可能となる。例えば、当該プラント設備が原子力発電プラントである場合、炉心に大量の冷却液を急速に供給するために液体供給装置１００を設けてもよい。その際、この実施形態では、事故発生により炉心内の圧力が低下した際に、低下した炉心圧力と液体供給装置１００のタンク１内の高い圧力との間の差圧によって逆止弁３として構成された弁３が開くようにしても良い。

次に、図３および図４を参照して図２に示す液位検出装置１１０がタンク１内の液位を検出し、当該液位の検出結果に基づいて排出管４を流れる液体５の流量を求めるための原理について説明する。図３は、タンク１の高さ方向に沿って配列された複数の（ｎ箇所の）異なる温度測定位置の一部として、３箇所の温度測定位置Ｈ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）を示す。また、図３においては、温度測定位置Ｈ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）における温度をそれぞれ測定するように構成された３つの温度センサ２０（ｋ−１）、２０（ｋ）および２０（ｋ＋１）が示されている。なお、以下の説明においては、複数の（ｎ個の）温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）によってそれぞれ測定される温度測定値をＷ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）とし、ｎ個の温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）がそれぞれ測定されるタンク１内の高さ位置をＨ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）とする。また、図３においては、タンク１からの液体５の流出により液体５の液位が低下している期間中において、当該液位が液面５ａの位置にある時点（図４に示す時点ｔ０）での温度測定位置Ｈ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）における温度をそれぞれＷ（ｋ−１）、Ｗ（ｋ）およびＷ（ｋ＋１）と表している。

上述したように、液位算出部１０は、温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の各々による温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化に基づいて、タンク１内の液体５の液位を算出するように構成されている。そこで、図４（Ａ）は、当該温度測定値の如何なる経時変化に基づいてどのように液位を検出するかを明らかにするために、液位算出部１０内における具体的な液位検出の仕組みについて図示している。図４（Ａ）に示すグラフは、３つの温度センサ２０（ｋ−１）、２０（ｋ）および２０（ｋ＋１）によってそれぞれ測定される温度Ｗ（ｋ−１）、Ｗ（ｋ）およびＷ（ｋ＋１）の経時変化を示したものであり、縦軸が温度を表し、横軸が時間の経過を表す。より具体的には、図４（Ａ）に示す温度Ｗ（ｋ−１）、Ｗ（ｋ）およびＷ（ｋ＋１）の経時変化８１〜８３は、タンク１内における液体５の液位が温度測定位置Ｈ（ｋ−１）の上方から温度測定位置Ｈ（ｋ＋１）の下方へと低下してゆく過程において、温度測定位置Ｈ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）においてそれぞれ測定された温度の経時変化である。図４（Ａ）において、実線で表されるグラフ曲線８１は温度センサ２０（ｋ−１）によって測定された温度測定値Ｗ（ｋ−１）の経時変化を示す。また、一点鎖線で表されるグラフ曲線８２は温度センサ２０（ｋ）によって測定された温度測定値Ｗ（ｋ）の経時変化を示し、点線で表されるグラフ曲線８３は温度センサ２０（ｋ＋１）によって測定された温度測定値Ｗ（ｋ＋１）の経時変化を示す。なお、図３に示す温度Ｗ（ｋ−１）、Ｗ（ｋ）およびＷ（ｋ＋１）は、図４（Ａ）において時刻ｔ０で示される時点において温度測定位置Ｈ（ｋ−１），Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）のそれぞれについて測定された温度である。

図４（Ａ）において温度測定値Ｗ（ｋ−１）の経時変化として実線で示すグラフ曲線８１を参照すると、時間の経過に応じて以下のような変化パターンが見て取れる。すなわち、タンク１内における液体５の液位が上記のように低下してゆく過程において、液面が温度測定位置Ｈ（ｋ−１）を通過した時点で温度測定値Ｗ（ｋ−１）が温度ｗ_ｌｉｑから温度ｗ_ｇａｓまで急激に低下している。ここで、温度ｗ_ｌｉｑは、タンク１内において第１空間（液相）５０を占める液体５の温度であり、ｗ_ｇａｓは、タンク１内において第２空間（気相）６０を占める気体６の温度であり、ｗ_ｌｉｑ＞ｗ_ｇａｓである。このような、温度測定値Ｗ（ｋ−１）の急激な低下は、タンク１内において第２空間（気相）６０を占める気体６と第１空間（液相）５０を占める液体５との間にｗ_ｌｉｑ−ｗ_ｇａｓに相当する温度差が存在することに起因している。より具体的には、このような温度差が存在することにより、タンク１内の液位低下に伴って、液相５０に曝されていた温度測定位置Ｈ（ｋ−１）が気相６０に曝されることになる。その結果、温度測定値Ｗ（ｋ−１）が液体５の温度ｗ_ｌｉｑから気体６の温度ｗ_ｇａｓまで急激に低下する。この温度低下を温度センサ２０（ｋ−１）が検出することにより、図４（Ａ）において実線のグラフ曲線８１で示す温度Ｗ（ｋ−１）の経時変化が観測される。

図４（Ａ）において温度測定位置Ｈ（ｋ）において測定された温度測定値Ｗ（ｋ）の経時変化として一点鎖線で示されるグラフ曲線８２についても温度測定値Ｗ（ｋ−１）の経時変化と同様の時間変動パターンを見て取ることができる。また、図４（Ａ）において温度測定位置Ｈ（ｋ＋１）において測定された温度測定値Ｗ（ｋ＋１）の経時変化として点線で示されるグラフ曲線８３についても温度測定値Ｗ（ｋ−１）の経時変化と同様の時間変動パターンを見て取ることができる。すなわち、タンク１内における液体５の液位が上記のように低下してゆく過程において、液面が温度測定位置Ｈ（ｋ）を通過した時点で温度測定値Ｗ（ｋ）が温度ｗ_ｌｉｑから温度ｗ_ｇａｓまで急激に低下する。同様に、タンク１内における液体５の液位が上記のように低下してゆく過程において、液面が温度測定位置Ｈ（ｋ＋１）を通過した時点で温度測定値Ｗ（ｋ＋１）が温度ｗ_ｌｉｑから温度ｗ_ｇａｓまで急激に低下する。なお、タンク１内における液体５の液位が上記のように低下してゆく過程においては、温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）についても図４（Ａ）に示すものと同様の経時変化が観測される。

図４（Ａ）に示す以上のような温度測定値の経時変化に基づいて、タンク１内における液体５の液位を検出するために、液位算出部１０は、例えば、以下の例示的な実施形態に従って液位の検出を行っても良い。例示的な一実施形態においては、液位算出部１０は、複数の（ｎ個の）温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）のうち、液体５の温度ｗ_ｌｉｑと気体６の温度ｗ_ｇａｓとの間の温度閾値ｗ_ｔｈを温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が通過した温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）に基づいて、タンク１内における液体５の液位を算出するように構成されていても良い。より具体的には、温度センサ２０（ｊ_ｋ）の温度測定位置Ｈ（ｊ_ｋ）において測定された温度Ｗ（ｊ_ｋ）が気体６の温度ｗ_ｇａｓに向けて急激に低下し始める瞬間をτ（ｊ_ｋ）とすると、時刻τ（ｊ_ｋ）においてタンク１内の液位が温度測定位置Ｈ（ｊ_ｋ）に位置していたと検出することが可能である。この時刻τ（ｊ_ｋ）は、温度測定位置Ｈ（ｊ_ｋ）において測定された温度Ｗ（ｊ_ｋ）が液体５の温度ｗ_ｌｉｑと気体６の温度ｗ_ｇａｓとの間の温度閾値ｗ_ｔｈを通過した時点ｔ（ｊ_ｋ）からΔｔ_{ｄｅｌａｙ}に相当する時間幅だけ遡及した時点として推定することが可能である（つまり、τ（ｊ_ｋ）＝ｔ（ｊ_ｋ）−Δｔ_{ｄｅｌａｙ}）。ここで、Δｔ_{ｄｅｌａｙ}は、温度センサ２０（ｊｋ）の熱伝導率などに基づいて、温度測定位置Ｈ（ｊｋ）における急激な温度低下の開始時点から温度低下幅がｗ_ｌｉｑ−ｗ_ｔｈに達するまでに要する応答遅延時間として推定することが可能である。

上述したように、図２に示す液位検出装置１１０では、タンク１内の液位低下に伴って、液相５０に曝されていた各温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が気相６０に曝されることによって生じる温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化を検出することにより、タンク１内の液位を検出する。この際の具体的手法として、この実施形態では、液体５の温度ｗ_ｌｉｑと気体６の温度ｗ_ｇａｓとの間の温度閾値ｗ_ｔｈを温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が通過したか否かに基づいて、液位を算出するようになっている。このように、この実施形態によれば、各時刻における温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）を温度閾値ｗ_ｔｈと比較するだけの簡単な演算によって、液位を算出することができる。

さらに別の一実施形態では、液位算出部１０は、複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）のうち、温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の変化速度（δＷ／δｔ）が閾値を超えた温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）に基づいて、タンク１内における液体５の液位を算出するように構成されてもよい。例えば、温度測定位置Ｈ（ｋ−１）で測定された温度Ｗ（ｋ−１）の経時変化８１を時間微分した曲線が図４（Ａ）に示す時間微分曲線９１として得られたとする。同様に、温度測定位置Ｈ（ｋ−１）で測定された温度Ｗ（ｋ）の経時変化８２を時間微分した曲線が図４（Ａ）に示す時間微分曲線９２として得られ、温度測定位置Ｈ（ｋ＋１）で測定された温度Ｗ（ｋ＋１）の経時変化８３を時間微分した曲線が図４（Ａ）に示す時間微分曲線９３として得られたとする。その上で、時間微分曲線９１が図４（Ａ）に示す閾値Ｔｈを下回った時点でタンク１における液体５の液位が温度測定位置Ｈ（ｋ−１）に位置すると判定するようにしても良い。同様に、時間微分曲線９２が図４（Ａ）に示す閾値Ｔｈを下回った時点でタンク１における液体５の液位が温度測定位置Ｈ（ｋ）に位置すると判定するようにしても良い。また、時間微分曲線９３が図４（Ａ）に示す閾値Ｔｈを下回った時点でタンク１における液体５の液位が温度測定位置Ｈ（ｋ＋１）に位置すると判定するようにしても良い。

上述したように、図２に示す液位検出装置１１０では、タンク１内の液位低下に伴って、液相５０に曝されていた各温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が気相６０に曝されることによって生じる温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化を検出することにより、タンク１内の液位を検出する。この際の具体的手法として、この実施形態では、各温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）における温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の変化速度（δＷ／δｔ）が閾値を超えたか否かに基づいて、液位を算出するようになっている。このように、この実施形態によれば、各時刻における温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の変化速度（δＷ／δｔ）を所定の閾値と比較するだけの簡単な演算によって、タンク１内の液位を算出することができる。また、上記構成の場合、液相５０に曝されていた各温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が気相６０に曝されることによって温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の実質的な変化が生じ得る限り、液体温度ｗ_ｌｉｑ及び気体温度ｗ_ｇａｓの値が不明であっても、タンク１内の液位を算出することができる。

例示的な一実施形態では、上記のようにして液位算出部１０がタンク１内の液位を算出した結果を利用して、流量算出部１１は、図４（Ｂ）を用いて以下のとおりに後述する手法に従ってタンク１外へ流出する液体５の流量を算出するようにしても良い。図４（Ｂ）において、縦軸はタンク１内の高さ方向における位置を表し、温度センサ２０（ｋ−１）、２０（ｋ）および２０（ｋ＋１）のそれぞれによって温度が測定される３つの位置Ｈ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）が縦軸上に示されている。また、図４（Ｂ）において、時間の経過を表す。図４（Ｂ）の横軸上に示される時刻τ（ｋ−１）は、温度測定値Ｗ（ｋ−１）が温度ｗ_ｇａｓに向かって急激な温度低下を開始した瞬間の時点を表す。時刻τ（ｋ−１）は、温度測定値Ｗ（ｋ−１）が液体５の温度ｗ_ｌｉｑと気体６の温度ｗ_ｇａｓとの間の温度閾値ｗ_ｔｈを通過した時点ｔ（ｋ−１）から上記Δｔ_{ｄｅｌａｙ}だけ遡及した時点として推定される。言い換えると、温度測定位置Ｈ（ｋ−１）において測定される温度測定値Ｗ（ｋ−１）が、時刻τ（ｋ−１）において、液体５の温度ｗ_ｌｉｑから気体６の温度ｗ_ｇａｓへと急激に低下したことを表す。

同様に、図４（Ｂ）の横軸上に示される時刻τ（ｋ）は、温度測定位置Ｈ（ｋ）において測定される温度測定値Ｗ（ｋ）が温度ｗ_ｇａｓに向かって急激な温度低下を開始した瞬間の時点を表す。これは、温度測定値Ｗ（ｋ）が液体５の温度ｗ_ｌｉｑと気体６の温度ｗ_ｇａｓとの間の温度閾値ｗ_ｔｈを通過した時点からΔｔ_{ｄｅｌａｙ}だけ遡及した時点を表す。同様に、時刻τ（ｋ＋１）は、温度測定位置Ｈ（ｋ＋１）において測定される温度測定値Ｗ（ｋ＋１）が温度ｗ_ｇａｓに向かって急激な温度低下を開始した瞬間の時点を表す。これは、温度測定値Ｗ（ｋ＋１）が液体５の温度ｗ_ｌｉｑと気体６の温度ｗ_ｇａｓとの間の温度閾値ｗ_ｔｈを通過した時点からΔｔ_{ｄｅｌａｙ}だけ遡及した時点を表す。以上より、図４（Ｂ）に示す平面上において、横軸座標がそれぞれτ（ｋ−１）、τ（ｋ）およびτ（ｋ＋１）であり、縦軸座標がそれぞれＨ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）である３つの点ｐ１、ｐ２およびｐ３は、時刻τ（ｋ−１）、τ（ｋ）およびτ（ｋ＋１）におけるタンク１内の液位がＨ（ｋ−１）、Ｈ（ｋ）およびＨ（ｋ＋１）であったことを示している。

そこで、図１に示す流量算出部１１は、図４（Ｂ）に示す平面上における３つの点ｐ１、ｐ２およびｐ３に対して直線を当てはめ、当該当てはめた直線Ｌを時間の経過に対する液位変化を表す一次関数と見なした場合の傾き係数を求めるように構成されても良い。このようにすれば、流量算出部１１は、タンク１外へと流出する液体５の流量がタンク１内での液位の時間変化率に相当する上記傾き係数に応じた値として算出されることが可能である。例示的な一実施形態では、図４（Ｂ）に示す平面上における３つの点ｐ１、ｐ２およびｐ３に対して当てはめられる直線Ｌは、３つの点ｐ１、ｐ２およびｐ３に対して最小二乗法によって一次関数を当てはめる演算を行うことによって算出されても良い。

図１〜図４を用いて上述した構成では、タンク１内の複数の異なる温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）においてそれぞれ測定された温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化に基づいてタンク１内の液位を検出するようにしている。従って、上記構成では、タンク１内の気体６と液体５の間に温度差があることを利用し、タンク１内の液位低下に伴って、液相５０に曝されていた温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が気相６０に曝されることによって生じる温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化を検出することが可能となる。その結果、上記構成によれば、温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）に特別の工夫を施すことなく、各温度測定位置Ｈ（ｊ）を液位が通過する時点に関する情報が得られる。こうして、複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）からの温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化に基づいてタンク１内の液位を検出することができる。

また、幾つかの実施形態では、タンク１の第２空間６０に加圧された状態の気体６（加圧ガス６）が封入されていてもよい。その結果、この実施形態では、タンク１に設けられた排出管４が開放されることにより、上記のように加圧された気体６の圧力によってタンク１内の液体５を外部に流出させるようになっていても良い。その場合、タンク１外へと液体５が急速に流出する際には、急激な液面低下により気相部分６０が急激に断熱膨張し、タンク１内の気相部分６０を占める加圧ガス６の著しい温度低下が生じる。従って、上記構成によれば、液体流出開始前には、液相部分５０を占める液体５と気相部分６０を占める加圧ガス６の間に大きな温度差が無かったとしても、上述した液体流出時における気相部分６０の断熱膨張により液体５と加圧ガス６との間に充分な温度差が得られることとなる。その結果、上記構成によれば、タンク１内の気体６と液体５の間に温度差があることを利用し、タンク１内の液位低下に伴って、各温度測定位置Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が液相５０内から気相６０内に移動することによって生じる温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化を確実に検出することが可能となる。

また、例示的な一実施形態では、複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）のうち少なくとも一部は、図１に示した一対の液体取込口７ａおよび７ｃのうち上側の液体取込口７ａを基準として、液体取込口７ａよりも上方の高さ範囲における位置において温度を測定するように構成されていてもよい。例えば、図１に示すタンク１内において、液体取込口７ａの高さ位置であるＨｂからタンク１の側壁面最上部の高さ位置であるＨｔまでの範囲内に複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）を設けるようにしても良い。上記構成では、複数の温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）のうち少なくとも一部は、図１に示す一対の液体取込口７ａおよび７ｃのうち上側の液体取込口７ａよりも上方の高さ範囲における位置において温度を計測するように構成されている。これにより、液体取込口７ａおよび７ｃの両者よりも液位が上方に位置しており、両方の液体取込口７ａおよび７ｃを介して大流量でタンク内から流出している期間中において、少なくとも一部の温度センサの温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化に基づいて、液位を検出することができる。よって、大流量での液体供給が期待される開弁直後の比較的重要な時間帯において、液位を検出することができ、液体供給が確実に行われているか否かを知ることができる。

以上より、図２〜図４を用いて上述した液位検出装置１１０の構成によれば、液体タンクからの液体流出時において、温度センサからの温度測定値を用いてタンク内の液位の変動を正確に検出することができる。

例示的な一実施形態では、図２に示す液位検出装置がタンク１内の液位を検出すると共に、タンク１外へと流出する液体５の流量を算出する手順の全体フローは、例えば、図５に示すフローチャートに沿って実行されても良い。図５のフローチャートは、ステップＳ５１から実行を開始し、図１に示す液体供給装置１００の弁３が開放され、排出管４からタンク１内の液体５が流出し始める。続いて、図５に示すフローチャートの実行はステップＳ５２に進み、液体５の流出に伴ってタンク１内の液位が低下するのと同時に、当該液位低下によってタンク１内の気相部分６０が断熱膨張を開始する。これにより、気相部分（第２空間）６０を占める気体６の温度が急激に低下するので、液相部分（第１空間）５０を占める液体５との間に明確な温度差が生じる。

続いて、図５に示すフローチャートの実行はステップＳ５３に進む。ステップＳ５３では、タンク１内の高さ方向に沿って配列されたｎ個の温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の各々について同じｎ個の処理が液位算出部１０によって並列的に実行される。当該並列実行される各処理は、ステップＳ５３ＡおよびＳ５３Ｂを順次実行するものである。まず、ステップＳ５３Ａでは、各々の位置Ｈ（ｊ_ｋ）において測定された温度Ｗ（ｊ_ｋ）の経時変化を取得する。続いて、ステップＳ５３Ｂでは、位置Ｈ（ｊ_ｋ）において測定された温度Ｗ（ｊ_ｋ）が図４（Ａ）に示す温度閾値ｗ_ｔｈを通過した時点または温度Ｗ（ｊ_ｋ）の変化速度が所定の閾値を超えた時点を特定する。一実施形態では、ステップＳ５３ＡおよびステップＳ５３Ｂの処理は、図３および図４（Ａ）を用いて上述した手法に基づいて実行されても良い。その結果、タンク１内においてｎ個の温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の各々を液面５ａ（図３）が通過したタイミングを特定することができる。

タンク１内の高さ方向に沿って配列されたｎ個の温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の全てについてステップＳ５３ＡおよびＳ５３Ｂの処理が終わったら、図５に示すフローチャートの実行はステップＳ５４に進む。ステップＳ５４では、タンク１内における液体５の液位が時間の経過に伴って変化する際の時間変化を表す傾きを流量算出部１１が算出する。続いて、図５に示すフローチャートの実行はステップＳ５５に進み、流量算出部１１は、ステップＳ５４において算出された液位の時間変化の傾きに基づいて、タンク１外へ流出する液体５の流量を求める。一実施形態では、ステップＳ５４およびステップＳ５５の処理は、図４（Ｂ）を用いて上述した手法に基づいて実行されても良い。

以上より、図５に示す液位検出方法では、タンク１内の複数の異なる温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）においてそれぞれ測定された温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化に基づいてタンク１内の液位を検出するようにしている。従って、当該液位検出方法では、タンク１内の気体６と液体５の間に温度差があることを利用し、タンク１内の液位低下に伴って、各温度測定位置Ｈ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）が液相５０内から気相６０内に移動することによって生じる温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）の経時変化を検出することが可能となる。その結果、当該液位検出方法によれば、温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）に特別の工夫を施すことなく、温度センサ２０（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）からの温度測定値Ｗ（ｊ）（１≦ｊ≦ｎ）に基づいてタンク１内の液位を検出することができる。

また、図２〜図４を用いて上述した液位検出装置１１０の構成によれば、タンク１からの液体５の流出時において、温度センサ２０（ｊ）からの温度測定値Ｗ（ｊ）を用いてタンク１内の液位を正確に検出することができる。そのため、図１に示す液体供給装置１００の構成によれば、タンク１からの液体５の流出時において、液位変化を正確に検出しながら排出管４から液体５を供給可能な液体供給設備を実現することができる。

１ タンク
２ 温度センサ配列
３ 逆止弁
４ 排出管
５ 液体
５ａ 液面
６ 気体
７ フロー・デバイス
７ａ，７ｃ 液体取込口
７ｂ 連通管
１０ 液位算出部
１１ 流量算出部
２０ 温度センサ
２１ ケーブル
５０ 液相部分（第１空間）
６０ 気相部分（第２空間）
８１，８２，８３ グラフ曲線
１００ 液体供給装置
１１０ 液位検出装置
Ｈ 温度測定位置
Ｗ 温度測定値
Ｈ 温度
ｗ_ｌｉｑ，ｗ_ｇａｓ 温度
ｗ_ｔｈ 温度閾値

Claims (8)

1. 液体によって占められる第１空間と、前記第１空間の上方に位置して前記液体とは温度が異なる気体によって占められる第２空間と、を内部に有するタンク内に貯留された前記液体の液位を検出する液位検出装置であって、
   前記タンクの高さ方向における複数の異なる位置にて前記タンク内の温度をそれぞれ測定するための複数の温度センサと、
   各々の前記温度センサによる温度測定値の経時変化に基づいて、前記タンク内の前記液体の液位を算出するように構成された液位算出部と、
   を備えることを特徴とする液位検出装置。
2. 前記液位算出部は、前記複数の温度センサのうち、前記液体の温度と前記気体の温度との間の温度閾値を前記温度測定値が通過した温度センサの温度測定位置に基づいて、前記液位を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の液位検出装置。
3. 前記液位算出部は、前記複数の温度センサのうち、前記温度測定値の変化速度が閾値を超えた温度センサの温度測定位置に基づいて、前記液位を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の液位検出装置。
4. 前記タンクの前記第２空間に加圧された前記気体が封入されており、
   前記タンクは、
   加圧された前記気体の圧力によって前記タンク内の前記液体を外部に流出させるための排出管と、
   前記排出管に設けられ前記タンクと外部との連通状態を切り替えるための弁と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の液位検出装置。
5. 前記タンクは、前記タンク内の互いに異なる高さに設けられた一対の液体取込口と、前記一対の液体取込口を前記排出管に連通させる連通管と、を含み、
   前記複数の温度センサのうち少なくとも一部は、前記一対の液体取込口のうち上側の液体取込口を基準として、該液体取込口よりも上方の高さ範囲における位置において前記温度を測定するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の液位検出装置。
6. 前記液位算出部による前記液位の算出結果に基づいて、前記排出管から流出する前記液体の流量を算出するための流量算出部をさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の液位検出装置。
7. 液体によって占められる第１空間と、前記第１空間の上方に位置して前記液体とは温度が異なる加圧気体によって占められる第２空間と、を内部に有するタンクと、
   前記加圧気体の圧力によって前記タンク内の前記液体を外部に流出させるための排出管と、
   前記排出管に設けられ前記タンクと外部との連通状態を切り替えるための弁と、
   前記タンク内の前記液体の液位を検出するように構成された請求項１乃至６の何れか一項に記載の液位検出装置と、を備えることを特徴とする液体供給設備。
8. 液体によって占められる第１空間と、前記第１空間の上方に位置して前記液体とは温度が異なる気体によって占められる第２空間と、を内部に有するタンク内に貯留された前記液体の液位を検出する液位検出方法であって、
   前記タンクの高さ方向における複数の異なる位置にて前記タンク内の温度をそれぞれ測定するための複数の温度センサから温度測定値を受け取るステップと、
   各々の前記温度センサによる前記温度測定値の経時変化に基づいて、前記タンク内の前記液体の液位を算出するステップと、
   を備えることを特徴とする液位検出方法。
   

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