JP2019200053A - 液面計、および高位液面警報装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体等を貯蔵するタンクの液面監視において、簡素な構成で複数の送受信モジュールを有する液面計を提供する。【解決手段】 レーダー信号を送受信する、互いに独立した複数の送受信モジュール１１、１２と、前記複数の送受信モジュールが接続されていて、前記複数の送受信モジュールから送信される送信レーダー信号をレーダー波に変換する１個のトランスデューサ２０と、前記レーダー波を液面に向かって伝搬し、前記液面に反射されるレーダー波を前記トランスデューサに伝搬する導波管３０と、を備え、前記トランスデューサは、前記導波管により伝送される前記レーダー波を反射レーダー信号に変換して、前記複数の送受信モジュールに入力し、前記送受信モジュールの少なくとも１個は、前記送信レーダー信号および前記反射レーダー信号に基づいて前記液面の高さを計測する、液面計１。【選択図】図２

Description

本発明は、液面計、および高位液面警報装置に関する。

液体等を貯蔵するタンクの液面の高さを計測する、液面計が知られている。また、液面が所定の高さに達していることを検知して、警報を発する高位液面警報装置が知られている。

電波式の液面計および高位液面警報装置においては、送受信モジュールから送信される、すなわちレーダー信号が、トランスデューサにより電磁波、すなわちレーダー波に変換される。このレーダー波は液面に向かって伝搬され、液面から反射されて、トランスデューサによりレーダー信号に逆変換される。送受信モジュールは、逆変換されたレーダー信号に基づいて、液面の高さを推定する。従来、液面計および高位液面警報装置の故障に備え、複数の液面計および高位液面警報装置を１個の筐体に搭載して、１の液面を監視することがあった。しかしながら、各装置を収容する筐体以外の構成要素をすべて複数備えた構造にする必要があった。

そこで、簡素な構成で複数の送受信モジュールを有する液面計および高位液面警報装置が必要とされている。

特許文献１には、レーダアンテナと、機能的に独立した複数のレーダ計測チャネルと、前記複数のチャネルに接続され、前記複数のチャネルから前記アンテナに電磁波信号を送信する１個のフィーダと、を備える液体の液面高さを計測するシステムが開示されている。しかしながら、複数のチャネルから電磁波信号が送信されていることから、このシステムはチャネルごとにトランスデューサを備えていることが明らかである。

特許文献２には、各チャネルの特徴によって相互に区別可能な波が、別のレーダ測定チャネルによって同じアンテナを介して送信される構成が開示されている。しかしながら、複数のレーダ計測チャネルからの波が１個のアンテナからどのように送受信されるかについては開示がない。

特許文献３には、第１液面警報ユニットおよび第２液面警報ユニットが共通の導波管３０に接続されている高位液面警報装置が開示されている。しかしながら、第１液面警報ユニットおよび第２液面警報ユニットから電波が発信されることが記載されており、複数の液面警報ユニットが１個のトランスデューサに接続されている構成については開示がない。

米国特許第６７６５５２４号 特表２００３−５０３７２４号 特許第６２１１７２５号

本発明は、液体等を貯蔵するタンクの液面監視において、簡素な構成で複数の送受信モジュールを有する液面計を提供することを目的とする。

本発明にかかる液面計は、レーダー信号を送受信する、互いに独立した複数の送受信モジュールと、前記複数の送受信モジュールが接続されていて、前記複数の送受信モジュールから送信される送信レーダー信号をレーダー波に変換する１個のトランスデューサと、前記レーダー波を液面に向かって伝搬し、前記液面に反射されるレーダー波を前記トランスデューサに伝搬する導波管と、を備え、前記トランスデューサは、前記導波管により伝送される前記レーダー波を反射レーダー信号に変換して、前記複数の送受信モジュールに入力し、前記送受信モジュールの少なくとも１個は、前記送信レーダー信号および前記反射レーダー信号に基づいて前記液面の高さを計測する。

本発明によれば、簡素な構成で複数の送受信モジュールを有する液面計を提供することができる。

本発明にかかる液面計の実施の形態を示す縦断面図である。 上記液面計の機能ブロック図である。 本発明にかかる液面計の第２実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明にかかる液面計の第３実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明にかかる液面計の第４実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明にかかる液面計の第５実施形態を示す機能ブロック図である。

●液面計（１）
以下、本発明にかかる液面計の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１において、液面計１は、タンク内に貯蔵された被測定物としての液体等の高さを計測、又は液面が所定の高さにあるか否かを判定する装置である。

図１に示すように、液面計１は、筐体１０と、液面計測モジュール１１と、液面警報モジュール１２と、トランスデューサ２０と、導波管３０と、を備える。液面計測モジュール１１および液面警報モジュール１２は、送受信モジュールの例である。

筐体１０は、液面計測モジュール１１および液面警報モジュール１２、ならびにそれぞれの動作回路等を保持している略円筒形の部材である。筐体１０は、図示を省略されたタンクの上面に固定されている。筐体１０および筐体１０内部は、導波管３０を除いてタンク内の液体から遮蔽されている。筐体１０の上部は、蓋４０により密閉されている。

筐体１０の下端には、平面視において略円形の取付フランジ４１が溶接などの手段によって固着され、取付フランジ４１は筐体１０の底板となっている。取付フランジ４１には孔が穿設され、後述する導波管３０が上記孔を貫いて筐体１０の外部へ突出している。

なお、取付フランジ４１は、筐体１０と一体に成形されていてもよい。

液面計測モジュール１１は、電波方式により液面の高さを計測するモジュールである。図２に示すように、液面計測モジュール１１は、高周波エネルギー、すなわちレーダー信号の送信部１１１、受信部１１２、および計測部１１３を備える。送信部１１１および受信部１１２は、トランスデューサ２０と接続されている。送信部１１１は、トランスデューサ２０に向かってレーダー信号を送信する。受信部１１２は、トランスデューサ２０からのレーダー信号を受信する。計測部１１３は、送信部１１１から送信されるレーダー信号（以下、「送信レーダー信号」ともいう。）と、受信部１１２により受信されるレーダー信号（以下、「反射レーダー信号」ともいう。）と、に基づいて、液面の高さを算出する。

液面警報モジュール１２は、電波方式により液面が所定の高さに達しているか否かを判定するモジュールである。液面警報モジュール１２は、レーダー信号の送信部１２１、受信部１２２、および判定部１２３を備える。送信部１１１および受信部１１２は、トランスデューサ２０と接続されている。送信部１２１は、トランスデューサ２０に向かって送信レーダー信号を送信する。受信部１２２は、トランスデューサ２０からの反射レーダー信号を受信する。判定部１２３は、送信レーダー信号および反射レーダー信号に基づいて、液面が所定の高さに達しているか否かを判定する。

液面計測モジュール１１および液面警報モジュール１２は、互いに独立したモジュールであり、別個のケーブルによりトランスデューサ２０が有する複数のポートにそれぞれ直接接続されている。

トランスデューサ２０は、液面計測モジュール１１および液面警報モジュール１２から送信される送信レーダー信号をレーダー波に変換する構成である。トランスデューサ２０は、液面計測モジュール１１および液面警報モジュール１２の数に対応する複数の入出力ポート２１、２２と、入力される送信レーダー信号が変換されて生成されるレーダー波を、導波管３０の管内部に向かって送信し、液面に反射されて管内部を伝達されるレーダー波を受信するレーダー波送受信部２３と、を有する。本実施形態においては、送受信モジュールの総数が２個であるので、トランスデューサ２０の入出力ポートは２個であるが、入出力ポートを３個以上有するトランスデューサであってもよい。

図１に示すように、導波管３０は、筐体１０の底面をなす取付フランジ４１に垂直に、底面から所定の長さ下方に伸びた中空の筒であり、本実施の形態では円筒である。導波管３０は、設置時において液面方向に伸びている。導波管３０の下端は開放されていて、下端がタンク内の液体に浸漬し、管内部に液体が浸入可能になっている。管内部に浸入する液体の液位は、タンク内の液体の液位と同一である。導波管３０は、トランスデューサ２０から送信されるレーダー波を液面に向かって伝搬し、導波管３０に浸入した液体に反射されるレーダー波をトランスデューサ２０に向かって伝搬する。導波管３０の材質は、例えば金属であり、本実施の形態ではステンレス鋼である。

導波管３０は、下端が液体に浸漬しているときに測定可能である。導波管３０の長さは、任意である。

液面計測モジュール１１は、トランスデューサ２０および導波管３０を通じて、導波管３０内部の液面に向かってレーダー波を発信し、液面で反射された反射レーダー波に基づいて、タンク内の液面の高さを算出する。同様に、液面警報モジュール１２は、タンク内の液面が所定の高さ、すなわち警報点に達しているかどうかを判定する。液面高さ、および液面が警報点に達しているか否かの情報は、ユーザインタフェースに適宜表示される。使用者は、ユーザインタフェースを通じて、タンク内の液面の高さを把握することができる。

導波管３０はレーダー波を透過しない。したがって、導波管３０の内側にレーダー波を伝搬させることにより、レーダー波が拡散せず、レーダー波を少ない減衰で液面まで伝搬させることができる。レーダー波は導波管３０の内部のみを伝播するので、レーダー波がタンク内に設置されたはしごやポンプなどに到達して反射することがない。すなわち、導波管を用いた液面計および液面警報装置によれば、意図しない反射による誤計測のおそれが軽減される。

導波管３０は、ホーンアンテナに比べて水平方向に広がらない形状であるため、狭いスペースに配置することができる。

複数の送受信モジュールからのレーダー信号が、１個のトランスデューサによりレーダー波に変換される構成によれば、トランスデューサを複数備える必要がないので省スペース化が可能であり、より簡素かつ安価な構成で複数の送受信モジュールによる監視を行うことができる。

なお、２個の送受信モジュールは、両方が液面計測モジュールであってもよいし、両方が液面警報モジュールであってもよい。２個の液面警報モジュールと、トランスデューサと、導波管とは、液面警報装置を構成する。２個の送受信モジュールが同一の液面を計測、又は液面の高さを監視している構成によれば、いずれかのモジュールが異なる計算結果を出している場合には、異常が発生していることを判断できる。

２個の送受信モジュールが共に液面警報モジュールである場合、各送受信モジュール１１、１２は、異なる液位を警報点として監視することが可能である。例えば、送受信モジュール１１は溢位液面警報モジュールとして、送受信モジュール１２は高位液面警報モジュールとして設定することができる。高位液面警報モジュールは、タンク内の液体が所定量を超えていることを予備的に警報するユニットである。溢位液面警報モジュールとは、高位液面警報モジュールの警報点を超えて、タンク内の液体の液面が溢れ出る限界にまで達していることを警報するモジュールである。

送受信モジュール１２は、送受信モジュール１１の故障に備える予備ユニットとして、通常使用時には非通電としてもよい。この場合、送受信モジュール１２は、送受信モジュール１１の故障を検知して動作を開始する。その際、送受信モジュール１２は、送受信モジュール１１が監視していた警報点の情報を共有して、当該警報点を監視することができる。

送受信モジュールは、受信される反射レーダー信号が当該送受信モジュールからの送信レーダー信号に基づいて生成されるレーダー信号であるか、別の送受信モジュールからの送信レーダー信号に基づいて生成されるレーダー信号であるかを区別可能である。例えば、２個の送受信モジュールがそれぞれ異なる周波数のレーダー波を送受信するように構成してもよい。また、２個の送受信モジュールがレーダー波を送受信するタイミングをあらかじめ定め、交互に送受信するようにしてもよい。さらに、２個の送受信モジュールは、他方からのレーダー信号に基づくレーダー波が送信されているか否かをそれぞれ判定し、他方のユニットからのレーダー信号に基づいてレーダー波を送信していないときに自身のレーダー信号に基づくレーダー波を送信するように構成してもよい。

上述のような構成により、一方の送受信モジュールのレーダー波が他方の送受信モジュールに干渉するのを防ぐことができる。

送受信モジュール１１と送受信モジュール１２の警報点は、ソフトウェア的に書き換え可能である。送受信モジュール１１および送受信モジュール１２は、それぞれの警報点を記憶している、図示を省略された上位制御装置に接続されている。上位制御装置に記憶された警報点を書き換えることにより、物理的な設計変更を行うことなく各送受信モジュール１１、１２の警報点を変更することができる。この構成により、警報を発する距離に応じて製品の大きさを決める必要がない。すなわち、装置の大量生産性が大幅に向上する。

各送受信モジュール１１、１２の警報点は、上位制御装置に記憶されていてもよいし、各送受信モジュール１１、１２に記憶されていてもよい。

各送受信モジュール１１、１２の警報点の変更は、手動で書き換えてもよいし、上位制御装置により自動的に変更されるように構成してもよい。また、監視する警報点を周期的に変更してもよい。具体的には、１回目の判定においては液位Ａ、２回目の判定においては液位Ａとは異なる液位Ｂ、３回目の判定においては液位Ａおよび液位Ｂとは異なる液位Ｃを警報点として液面判定を行い、４回目以降はこれを繰り返す。この場合、１つの送受信モジュールで液位Ａ、ＢおよびＣの監視が可能である。この場合の警報点の周期的な変更は、上位制御装置による自動的変更で容易に実現できる。

このように、警報点が自動的に変更される構成により、１つの送受信モジュールで複数の警報点を監視可能である。警報の種類は、高位液面警報および溢位警報に加えて、高位液面警報の警報点よりも液位の低い予告警報としてもよい。予告警報を発報可能とすることで、液位の監視をより確実に行うことができる。

また、警報点が自動的に変更される構成により、一方の送受信モジュールが故障した場合にも、故障した送受信モジュールが監視すべき警報点を他方の送受信モジュールにより監視することができる。例えば、送受信モジュール１１が故障したことを検知して、送受信モジュール１２は、送受信モジュール１１の警報点と送受信モジュール１２の警報点とを交互に判定する。送受信モジュール１２は、送受信モジュール１１の予備機として動作することができる。逆に、送受信モジュール１１は、送受信モジュール１２の予備機として動作することができる。

●各送受信モジュールの動作
送受信モジュール１１、１２は、それぞれ一定の時間間隔で交互にレーダー信号をトランスデューサに向かって送信する。各送受信モジュールは、図示を省略された検知部により他の送受信モジュールがレーダー信号を発信しているか否かを検知し、他の送受信モジュールがレーダー信号を発信しているときにはレーダー信号を発信しない。したがって、トランスデューサ２０は、送受信モジュール１１、１２から送信されるレーダー信号を交互にレーダー波に変換し、当該レーダー波を液面に向けて発信する。言い換えれば、送受信モジュール１１、１２は、時分割制御により１つの導波管で２点の警報点を監視している。

各送受信モジュール１１、１２は、他方の送受信モジュールがレーダー信号を発信していないときにレーダー信号を発信するように、前記レーダー信号を発信するタイミングがあらかじめ定められていてもよい。このとき、各送受信モジュールは、他方の送受信モジュールがレーダー信号を発信しているか否かのステータスを共有する、ステータス共有機能を備える。このステータス共有機能は、複数実装された送受信モジュール相互間における通信手段によって実現させる。具体的には、フォトカプラ等を用いた光学的結合方式、または絶縁トランスを用いた電磁的な結合方式により、他の送受信モジュールがレーダー信号を発信しているかどうか判定する。

送受信モジュール１１、１２は、周波数分割制御により１つの導波管３０で２点の警報点を監視してもよい。すなわち、送受信モジュール１１により発信されるレーダー信号を変換して生成されるレーダー波の周波数と、送受信モジュール１２により発信されるレーダー信号を変換して生成されるレーダー波の周波数と、が異なるように構成してもよい。この場合、送受信モジュール１１、１２により発信されるレーダー波は互いに干渉しないため、２つの送受信モジュールは異なる警報点を同時に監視することができる。

●液面計１の校正機能
液面計１は、電磁波により基準位置を判定可能な基準物を設置し、運用上常に基準位置と計測位置を比較校正する機能を有するように構成することができる。この機能を実現するには、例えば、送受信モジュール１１、１２に対して予め位置を定められた基準物をタンク内空間に設置する。基準物としては、例えば、液面計１の測定方向に直交する反射面を持つ平板状物体を用いることができる。平板状物体の形状は適宜である。

送受信モジュール１１、１２に対する基準物の位置、すなわち基準位置は、上位制御装置等に記憶させておく。

基準物は、タンク内の送受信モジュール１１、１２の検知範囲内に配置する。配置の形態としては、例えば導波管３０に基準物を設置する。基準物が導波管３０に設置されていることにより、液面計１を設置するだけで、基準物をタンク内に配置することができる。すなわち、基準物を液面計１と独立して設置する場合と比較して、タンク内に基準物を設置する作業が不要になる。

また、導波管３０そのものが基準物であってもよい。すなわち、送受信モジュール１１、１２は、導波管３０の下端を基準位置とし、導波管３０の下端で反射する電磁波を計測してもよい。

送受信モジュール１１、１２は、基準物との実際の位置を定期的に計測し、基準位置と比較する。計測位置と基準位置が異なる場合、液面計１は、計測位置と基準位置に基づいて計測結果を校正する。計測位置と基準位置が大きく異なる場合、液面計１は、ユーザインタフェースを通じてアラームを発し、送受信モジュール１１、１２が正しく動作していない可能性があることを使用者に通知する。

●液面計（２）
本発明に係る液面計の第２実施形態について、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。第２実施形態の液面計は、複数の送受信モジュールが、分配合成器を介してトランスデューサに接続されている点において、第１実施形態と異なる。

図３に示すように、液面計１０１の送受信モジュール１１と送受信モジュール１２は、分配合成器２４に接続されている。

分配合成器２４は、一方側に複数個の第１ポート２４１、２４２、他方側に１個の第２ポート２４３を有する部材である。分配合成器２４は、第１ポート２４１、２４２に入力されるエネルギーを合成して第２ポート２４３に出力する。また、分配合成器２４は、第２ポート２４３に入力されるエネルギーを第１ポート２４１、２４２に分配して出力する。

第１ポート２４１、２４２は、それぞれ送受信モジュール１１、１２に接続されている。第２ポート２４３は、トランスデューサ２０に接続されている。送受信モジュール１１、１２の送信部１１１、１２１から出力される送信レーダー信号は、第１ポート２４１、２４２から分配合成器２４に入力され、第２ポート２４３から出力される。また、トランスデューサ２０により変換されて生成される、反射波のレーダー信号は、第２ポート２４３から分配合成器２４に入力されて、送受信モジュール１１、１２の受信部１１２、１２２に入力される。

なお、送受信モジュール１１、１２は、液面警報モジュールおよび液面計測モジュールを含む概念であり、一方が液面計測モジュール、他方が液面警報モジュールであってもよいし、双方が液面計測モジュール又は液面警報モジュールであってもよい。

本構成によれば、入出力ポートが１個のトランスデューサ２０であっても、複数個の送受信モジュールとレーダー信号を送受信することができる。

●液面計（３）
本発明に係る液面計の第３実施形態について、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。第３実施形態の液面計は、３個以上の送受信モジュールを備えている点において、第１実施形態と異なる。なお、以降の説明における送受信モジュールは、液面計測モジュールおよび液面警報モジュールのいずれであってもよい。

図４に示すように、液面計１０２は、２個の入出力ポート２１、２２を有するトランスデューサ２０を備える。入出力ポート２１は、送受信モジュール１１と接続されている。入出力ポート２２は、分配合成器２４の第２ポート２４３に接続されている。分配合成器２４の第１ポート２４１、２４２は、送受信モジュール１２、１３とそれぞれ接続されている。

また、第４実施形態として、図５に示すように、液面計１０３は、２個の入出力ポート２１、２２のそれぞれに分配合成器２４、２５の第２ポート２４３、２５３が接続されている。分配合成器２４の第１ポート２４１、２４２、分配合成器２５の第１ポート２５１、２５２には、それぞれ送受信モジュール１１、１２、１３、１４が接続される。

さらに、第５実施形態として、図６に示すように、液面計１０４は、トランスデューサ２０の入出力ポート２１に分配合成器２４が接続され、分配合成器２４の第１ポート２４１、２４２がそれぞれ別の分配合成器２５、２６の第２ポート２５３、２６３に接続されている。

本構成によれば、２個の入出力ポートを有するトランスデューサ２０と、２個の第１ポートを有する分配合成器を組み合わせることで、３個以上の送受信モジュールからのレーダー信号を、１個のトランスデューサでレーダー波に変換し、１個の導波管から液面に向かって伝播させることができる。

１ 液面計
１１ 液面計測モジュール（送受信モジュール）
１２ 液面警報モジュール（送受信モジュール）
２０ トランスデューサ
３０ 導波管

Claims (6)

1. レーダー信号を送受信する、互いに独立した複数の送受信モジュールと、
   前記複数の送受信モジュールが接続されていて、前記複数の送受信モジュールから送信される送信レーダー信号をレーダー波に変換する１個のトランスデューサと、
   前記レーダー波を液面に向かって伝搬し、前記液面に反射されるレーダー波を前記トランスデューサに伝搬する導波管と、
   を備え、
   前記トランスデューサは、前記導波管により伝送される前記レーダー波を反射レーダー信号に変換して、前記複数の送受信モジュールに入力し、
   前記送受信モジュールの少なくとも１個は、前記送信レーダー信号および前記反射レーダー信号に基づいて前記液面の高さを計測する、
   液面計。
2. レーダー信号を分配および合成する分配合成器をさらに備え、前記複数の送受信モジュールは前記分配合成器に接続されていて、前記複数の送受信モジュールから送信されるレーダー信号は前記分配合成器を介して前記トランスデューサに入力される、請求項１記載の液面計。
3. 前記トランスデューサは複数のポートを備え、前記複数のポートは前記複数の送受信モジュールのそれぞれに接続されていて、前記トランスデューサにより生成されるレーダー波は前記複数のポートを介して前記複数の送受信モジュールのそれぞれに入力される、請求項１又は２記載の液面計。
4. 前記送受信モジュールは、受信される反射レーダー信号が当該送受信モジュールからの送信レーダー信号に基づいて生成されるレーダー信号であるか、別の前記送受信モジュールからの送信レーダー信号に基づいて生成されるレーダー信号であるかを区別可能である、請求項１乃至３のいずれかに記載の液面計。
5. 前記複数の送受信モジュールのうち、少なくとも１個は前記液面の高さを計測する液面計測モジュールであり、別の少なくとも１個は前記液面が所定の高さに達していることを検知して警報を発する液面警報モジュールである、請求項１乃至４のいずれかに記載の液面計。
6. レーダー信号を送受信する、互いに独立した複数の送受信モジュールと、
   前記複数の送受信モジュールが接続されていて、前記複数の送受信モジュールから送信される送信レーダー信号をレーダー波に変換する１個のトランスデューサと、
   前記レーダー波を液面に向かって伝搬し、前記液面に反射されるレーダー波を前記トランスデューサに伝搬する導波管と、
   を備え、
   前記トランスデューサは、前記導波管により伝送される前記レーダー波を反射レーダー信号に変換して、前記複数の送受信モジュールに入力し、
   前記送受信モジュールの少なくとも１個は、前記液面が所定の高さに達していることを検知して警報を発する、
   高位液面警報装置。

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