JP2017211272A - 液面計の異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液面の大きな横揺れを検知して警報信号を発する。【解決手段】 Ｓ１での液位測定中に、時間ｔｍ、ｔｎにおいて、張力Ｔｍ、Ｔｎを感度を大きくして測定し記録する。張力Ｔｎの測定後に、Ｓ２で液位測定を中断する。Ｓ３で張力Ｔｍ、Ｔｎの大きさの差ΔＴを求める。Ｓ４で差ΔＴを所定の閾値Ａと比較する。横揺れが生じている場合に、差ΔＴの振幅として現われるので、時間ｔｍ、ｔｎを変動周期に対して様々に変化させて、差ΔＴを求める。横揺れが大きければ、複数回に渡り差ΔＴを求めることによりΔＴ≧Ａのデータが得られるので、警戒すべき横揺れがあると判断することができる。Ｓ４でΔＴ＜ＡであればＳ１に戻り、液位測定を再開する。Ｓ４でΔＴ≧ＡであればＳ５に進み、警戒すべき横揺れが発生しているとして、警報信号を発信する。警報信号を発信した後は再びＳ１で液位測定を再開する。【選択図】図２

Description

本発明は、サーボバランス式液面計に適用し、液面の横揺れを検知する液面計の異常診断方法に関するものである。

ディスプレーサを用いた液面の測定制御を行うサーボバランス式液面計は、例えば特許文献１に記載されている。

図４に示すようにサーボバランス式液面計は、例えば３０ｍもの深さのタンク１内の液面の計測に用いられている。タンク１内には、液面上に浮かぶディスプレーサ２が測長ワイヤ３により吊り下げられている。また、ディスプレーサ２、測長ワイヤ３は保護筒４内に収納されている。

タンクの上方には、図５に示すような液面計の検出部が配置されている。基台に軸支されたドラムシャフト５に対しドラム６が直接又はマグネティックカップリング７により回転自在に保持され、ドラム６にはドラムシャフト５により駆動力が伝達されるようになっている。ドラム６には測長ワイヤ３が巻回されており、測長ワイヤ３の下端に止着されたディスプレーサ２がタンク１内に吊り下げられている。

また、基台の他側にはサーボモータ８が固定されており、サーボモータ８の回転軸の回転は、プーリ９、ベルト１０を介してウォームギア１１に伝達されるようになっている。ウォームギア１１はドラム６と同芯状態で回転するウォームホイール１２のギアと噛合している。

ウォームホイール１２の側面の中心を挟んだ上下の２個所には、コイルスプリング１３ａ、１３ｂの端部が固定されている。コイルスプリング１３ａ、１３ｂの他端はドラムシャフト５に固定されたバランスアーム１４の両側に突設したアーム１４ａ、１４ｂにそれぞれ取り付けられ、これらのコイルスプリング１３ａ、１３ｂは、左右のアーム１４ａ、１４ｂに対してほぼ直交して配されている。つまり、右方向に突出した上側のアーム１４ａには、コイルスプリング１３ａ上端が固着されており、左方向の下側のアーム１４ｂには、コイルスプリング１３ｂの下端が固着されている。

バランスアーム１４には、先端にマグネット１５を取り付けた固定アーム１６が固定されている。このマグネット１５の近傍のウォームホイール１２の面には、マグネット１５の磁束に感応し、バランスアーム１４の回動変位つまり測長ワイヤ３の張力の変動を検出する磁気センサ１７が取り付けられている。磁気センサ１７からの検知出力は、サーボモータ８に駆動信号を供給するＭＰＵを搭載した演算制御回路１８に入力されている。

演算制御回路１８には、電源、磁気センサ１７の出力が接続されており、演算制御回路１８の出力はサーボモータ８に接続され、更に演算制御回路１８から表示器１９に液位測定信号が出力されている。

液体の液位測定に際しては、ディスプレーサ２の浮力は測長ワイヤ３の張力として検出され、この張力はドラム６を介してドラムシャフト５、バランスアーム１４を経てコイルスプリング１３ａ、１３ｂ、ウォームホイール１２に伝達される。

サーボモータ８の回転駆動力は、ウォームギア１１を介してウォームホイール１２に伝達され、更にコイルスプリング１３ａ、１３ｂ及びバランスアーム１４を介してドラムシャフト５に伝達されてドラム６が回転し、測長ワイヤ３の巻き取り及び繰り出しが行われる。

このドラム６の回転数を検出することにより、測長ワイヤ３の繰り出し量、巻き取り量はドラム６の回転として図示しない回転センサにより検出され、ディスプレーサ２の位置による液位が測定される。

実開昭６４−３４５２１号公報

一般に、測長ワイヤ３はステンレス製で、径は０．１〜０．２ｍｍ程度であり、ディスプレーサ２の質量は２５０ｇ程度である。図６に示すように、測長ワイヤ３はディスプレーサ２に設けたフック２ａに結び付けられている。液面に微小な横揺れが生ずることは避けられないが、地震などによる大きな横揺れによりディスプレーサ２への結び目に、繰り返して応力が加わることが長時間続くと、金属疲労に繋がり、この結び目で測長ワイヤ３は切断に至ることがある。

測長ワイヤ３が切断すると、ディスプレーサ２は液中に沈んでしまい、引き上げは困難なため、液面の大きな横揺れが生ずる場合には金属疲労が加わることを避けるために、液位測定を中止し、測長ワイヤ３を巻き上げてディスプレーサ２を引き上げることが望まれる。

液面自体の揺れについては、別個に専用の測定器により検知することも可能ではあるが、コストが嵩むという問題点がある。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、格別な機構を付加することなく、従来の液面計を用いることにより液面の横揺れを検知して、警戒すべき大きな横揺れに対し警報信号を発信する液面計の異常診断方法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液面計の異常診断方法は、ディスプレーサを吊り下げる測長ワイヤの張力の変動によりタンク内の液位測定を行うサーボバランス式液面計において、前記液位測定中に、所定の時間間隔で２回のサンプリング時間ｔｍ、ｔｎでの張力Ｔｍ、Ｔｎを測定する工程と、前記液位測定を中断し、前記張力Ｔｍ、Ｔｎの差ΔＴ＝｜Ｔｍ−Ｔｎ｜を求める工程と、前記差ΔＴを予め定めた閾値Ａとを式ΔＴ≧Ａにより比較する工程と、差ΔＴがΔＴ≧Ａであれば、液面に警戒すべき大きさの横揺れがあると判断し警報信号を発する工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る液面計の異常診断方法によれば、従来の液面計の機構を使用して、液面の警戒すべき大きな横揺れを検知した場合に警報信号を発する。

横揺れにより測長ワイヤが傾いた場合の説明図である。 横揺れ検知方法のフローチャート図である。 感度を高めた状態の液位変動のグラフ図である。 サーボバランス式液面計による液位測定の説明図である。 検出部の構成図である。 測長用ワイヤをディスプレーサに結び付けた状態の説明図である。

本発明を図１〜図３に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
本実施例では、タンク１内の液位を測定するサーボバランス式液面計において、例えば測長３０ｍの場合の横揺れにおける測長ワイヤ３による張力Ｔの変動を測定し、横揺れを警報する場合について説明する。

液面に横揺れがあると、図１に示すように、測長ワイヤ３により吊り下げられたディスプレーサ２は振れ角θの振り子運動をし、検出部で測定する張力Ｔの大きさは、ディスプレーサ２が受ける浮力の鉛直方向のベクトル分の大きさにより変化する。つまり、測長ワイヤ３が傾いていない場合の張力Ｔは液位そのものを示していると考えられるが、測長ワイヤ２が角度θ傾いていると、鉛直方向成分の張力が小さくなり、このとき得られる張力Ｔ’には横揺れの情報が含まれていることになる。

しかし、張力Ｔ’中の横揺れに関する信号は極めて微弱であり、通常の液面計で使用している張力Ｔの有効数値では、この測定値から横揺れの情報を抽出して、警戒すべき大きさの横揺れが生じているかどうかの判別は困難である。

従って、液位のみの情報である張力Ｔと、液面の横揺れの情報を含む張力Ｔ’との差Δから横揺れを検知するには、液位測定のための張力Ｔの見掛けの感度を高めて、つまり有効桁数を大きくして、差Δを精密に求める必要がある。

この差Δを求めるには、通常の液面制御とは異なるモードにおいて行わなければならず、また差Δを計算し警報信号を発するには、それなりの時間を要するので、本来の液位測定とは時間的に分かれたモードで行う必要がある。

図２は横揺れ検知方法のプログラムのフロ−チャート図である。この図２に示すフローチャート図のプログラムは、液面計に設けた演算制御回路１８によって実行することが好適である。液位測定中に所定の時間間隔で張力Ｔを２回求めてから、液位測定を一旦中断し、割り込みルーチンにより横揺れ検知に移行する。

図３は感度を高めた状態の張力Ｔの変動のグラフ図であり、スロッシング振動(地震動)による横揺れがある場合には、張力Ｔは周期的な変動により略正弦波状に変化し、横揺れの大きさは張力Ｔの振幅の大きさと比例すると考えられる。なお、周期は液を貯蔵した状態のタンク１の固有振動数に依存するので、横揺れの大きさに拘わらずその状態での周期はほぼ一定であると考えられる。

ステップＳ１における液位測定中に、例えば約１分ごとに、第１のサンプリング時間ｔｍにおいて張力Ｔｍの大きさを測定感度を大きくして測定し記録する。続いて、時間ｔｍから所定の時間間隔をおいた第２のサンプリング時間ｔｎにおいて同様に測定感度を大きくして張力Ｔｎを測定し、その大きさを記録する。第１、第２のサンプリング時間ｔｍ、ｔｎは変動の周期に対して無差別に選択し、時間ｔｍ、ｔｎの間隔は例えば数秒〜数１０秒である。通常の液位測定中では例えば０．１ｍｍの感度で測定しているが、横揺れを検知するための張力Ｔｍ、Ｔｎは例えば０．００１ｍｍの感度で求める。

第２のサンプリング時間ｔｎでの張力Ｔｎの測定後に、ステップＳ２で液位測定を中断する。

次にステップＳ３〜Ｓ４において、液位測定のメインルーチンに対して横揺れ検知のためのルーチンの割り込みにより異常診断を開始する。

ステップＳ３において、求めた２つの張力Ｔｍ、Ｔｎの差ΔＴの絶対値を求める。絶対値を求めるのは、張力Ｔｍ、Ｔｎの何れが大きいかが不明のためである。横揺れが存在する状態におけるサンプリング時間ｔｍ、ｔｎでの張力Ｔｍ、Ｔｎの差ΔＴは、時間ｔｍ、ｔｎ間における横振れの大きさを部分的に示していると考えられる。

張力Ｔｍ、Ｔｎ、差ΔＴの大きさについて具体的に考察すると、サンプリング時間ｔｍとｔｎの間で横揺れがあり、測長ワイヤ３が垂直方向からθ（ｒａｄ）だけ水平方向に振れたとすると、張力Ｔ’の値は（１）式となる。なお、演算を簡略化するためにディスプレーサ２の径については無視することにする。
Ｔ’＝Ｔ・ｃｏｓθ （１）
θは微小角であるので、ｃｏｓθ＝１−θ²／２となり、
ΔＴ＝Ｔ−Ｔ’＝Ｔ−Ｔ・ｃｏｓθ＝Ｔ・θ²／２ （２）

例えば、Ｌ＝３０ｍのタンク１内の内径６インチの保護筒４内にディスプレーサ２を吊り下げた場合について、ΔＴの値を計算する。ディスプレーサ２を質点とみなし、ディスプレーサ２の端部が保護筒４に触れる程度の横揺れがあると、次式となる。
θ＝（６／２）・２５．４ｍｍ／３０ｍ＝２．５４・１０^-3ｒａｄ＝０．１５゜
θ²＝２．５４²・１０^-6＝６．４５・１０^-6・θ²／２＝３．２・１０^-6
従って、（２）式から（３）式となる。
ΔＴ＝Ｔ・３．２・１０^-6≒３Ｔ・１０^-6≒６・１０^-4ｇｒ重 （３）

このことから、差ΔＴが６・１０^-4ｇｒ重以上となると、ディスプレーサ２が保護筒４の内側に触れる大きさの横揺れが生じていると判断できる。この大きさの差ΔＴは液位に換算すると、０．１ｍｍ程度となる。

ステップＳ４において、得られた差ΔＴについて、所定の閾値Ａと比較する。この閾値Ａは測長ワイヤ３の延命を考慮した値であり、タンク１の形状、液の種類、密度、粘度、測長ワイヤ３の材質、径などを勘案して決定され、例えばディスプレーサ２が保護筒４に触れる程度の大きさの横揺れを基準としている。

張力Ｔｍ、Ｔｎは張力Ｔの周期変動に対し無差別にサンプリングして得られているので、実際に警戒すべき横揺れが生じていても、サンプリング時間ｔｍ、ｔｎによっては、求めた差ΔＴは変動を部分的に検出するだけなので、差ΔＴが小さいと横揺れがないと検出してしまうことも多い。また、このサンプリング時間ｔｍ、ｔｎがタンク１の固有振動数と関連付けられていると、正弦波状である張力の同じ個所を抽出してしまうことにもなるので、サンプリング時間ｔｍ、ｔｎは規則性を持たせることなく、ランダムに定めることが好ましい。

横揺れが生じている場合に、横揺れの大きさについては張力Ｔが変化するので、波の立ち上り、立ち下りにおける傾斜角の大きさが差ΔＴの振幅として現われる。そして、サンプリング時間ｔｍ、ｔｎを変動周期に対して様々に変化させて、差ΔＴを求める、つまりステップＳ１〜Ｓ４を何回も繰り返す。これにより、ディスプレーサ２が保護筒４に触れる程度の横揺れが生じていれば、差ΔＴを複数回求めることにより、ΔＴ≧Ａのデータが得られることになるので、これにより警戒すべき横揺れがあると判断することができる。
なお、実際には液の横揺れがなくとも、タンク１への液の注水、排水時にはΔＴ≧Ａとなることが十分あり得るので、これらの場合には横揺れの検知は無視するか、実施しないようにすることが好適である。

ステップＳ４において、ΔＴ＜Ａであれば、ステップＳ１に戻り、液位測定を再開する。

また、ステップＳ４でΔＴ≧Ａであれば、ステップＳ５に進み、警戒すべき横揺れが発生しているとして、警報信号を発信する。警報信号を発信した後は再びステップＳ１で液位測定を再開する。

ステップＳ５で横揺れの異常信号が得られた後には、操作員が判断して測長ワイヤ３の巻き上げ等の措置を行う。或いは、プログラムにより、異常信号が得られると、自動的に測長ワイヤ３を巻き上げて液位測定を中止するようにすることもできる。

１ タンク
２ ディスプレーサ
３ 測長ワイヤ
４ 保護筒

Claims (4)

1. ディスプレーサを吊り下げる測長ワイヤの張力の変動によりタンク内の液位測定を行うサーボバランス式液面計において、
   前記液位測定中に、所定の時間間隔で２回のサンプリング時間ｔｍ、ｔｎでの張力Ｔｍ、Ｔｎを測定する工程と、
   前記液位測定を中断し、前記張力Ｔｍ、Ｔｎの差ΔＴ＝｜Ｔｍ−Ｔｎ｜を求める工程と、
   前記差ΔＴを予め定めた閾値Ａとを式ΔＴ≧Ａにより比較する工程と、
   差ΔＴがΔＴ≧Ａであれば、液面に警戒すべき大きさの横揺れがあると判断し警報信号を発する工程と、
   を有することを特徴とする液面計の異常診断方法。
2. 前記横揺れ検知のための張力Ｔｍ、Ｔｎの測定は、前記液位測定のための張力測定よりも感度を高めて行うことを特徴とする請求項１に記載の液面計の異常診断方法。
3. 前記閾値Ａは得られた差ΔＴが警戒すべき横揺れである場合の基準値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計の異常診断方法。
4. 前記警報信号が発せられると、前記測長ワイヤを用いて前記ディスプレーサを引き上げることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液面計の異常診断方法。

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