JP2020101418A - 超音波液位測定装置並びに超音波センサの設置位置算出方法 - Google Patents
超音波液位測定装置並びに超音波センサの設置位置算出方法 Download PDFInfo
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Description
式1・・・タンク内面の傾斜角(θ1)=水中屈折角(θ2)
式2・・・タンク内面の傾斜角(θ1)−タンク外面の傾斜角(θ5)
=タンク内面側の鋼中屈折角(θ3)−タンク外面側の鋼中屈折角(θ4)=δ
式3・・・sinδ=sinθ4〔(Ro/Ri)cosθ4−√(1−(Ro/Ri)2・sin2θ4)
式4・・・cosθ6/ca = sinθ4/ct
式5・・・sinθ2/cw= sinθ3/ct
Riはタンク底部内面の曲率半径
Roはタンク底部外面の曲率半径
θ6は樹脂製の冶具のクサビ角
cwは水中の縦波音速
caは樹脂中の縦波音速
ctは鋼中の横波音速
である。
式1・・・タンク内面の傾斜角(θ1)=水中屈折角(θ2)
式2・・・タンク内面の傾斜角(θ1)−タンク外面の傾斜角(θ5)
=タンク内面側の鋼中屈折角(θ3)−タンク外面側の鋼中屈折角(θ4)=δ
式3・・・sinδ=sinθ4〔(Ro/Ri)cosθ4−√(1−(Ro/Ri)2・sin2θ4)
式4・・・cosθ6/ca = sinθ4/ct
式5・・・sinθ2/cw= sinθ3/ct
Riはタンク底部内面の曲率半径
Roはタンク底部外面の曲率半径
θ6は上記樹脂製の冶具のクサビ角で、超音波のタンク底部への入射角に対応し
cwは水中の縦波音速
caは樹脂中の縦波音速
ctは鋼中の横波音速
である。
本願の第1の発明に係る超音波液位測定装置によれば、上記超音波センサを、所定のクサビ角をもつ樹脂製の冶具を介して上記タンクの底部傾斜部に設置し、該超音波センサから発信され上記タンク底部の鋼板を透過して液体内を伝搬し、さらに液面での反射により反転してタンク底部側に伝搬する超音波の該液体内での経路が鉛直方向となるように構成しているので、上記タンクの底部中心に出口管等の機材が設置されていても、これに影響を受けることなく該出口管等から外れた傾斜部に超音波センサを設置して該タンク内の液位を正確に測定することができ、超音波センサの設置位置の自由度の高い超音波液位測定装置を提供することができる。
本願の第2の発明では、上記第1の発明に係る超音波液位測定装置において、上記超音波センサの上記タンク底部傾斜部への設置位置を、以下の式1〜式5によって規定される外面傾斜角(θ5)に対応する位置としたもので、該外面傾斜角(θ5)はタンク内面の傾斜角(θ1)と水中屈折角(θ2)とタンク内面側の鋼中屈折角(θ3)とタンク外面側の鋼中屈折角(θ4)と樹脂製冶具のクサビ角(θ6)のうちの何れか一つを決めることで自動的に決定されるようにしているので、これら各角度パラメータのうちの何れか一つを決定し、それに基づいて上記超音波センサの上記タンク底部傾斜部への設置位置決めることで、それに連係して自動的に「タンク内面の傾斜角(θ1)=水中屈折角(θ2)」の条件、即ち、タンク内の液体中における超音波経路が鉛直方向とされる条件も満たされ、その結果、液位測定の正確さが担保された超音波液位測定装置を提供することができる。
本願の第3の発明では、上記第2の発明に係る超音波液位測定装置において、上記外面傾斜角(θ5)を、上記水中屈折角(θ2)が17°〜24°の範囲となり、又は横波の鋼中屈折角(θ3)が40°〜60°の範囲となるように、設定しているが、この水中屈折角(θ2)が17°〜24°の範囲、及び横波の鋼中屈折角(θ3)が40°〜60°の範囲は、高いエネルギー透過率が得られる範囲、即ち、超音波の伝達効率が高い範囲であることから、超音波信号の検出効率が高く(検出感度が高く)、より高精度の液位測定が担保される。
本願の第4の発明に係る超音波液位測定装置では、上記超音波センサを、横波斜角の超音波センサで構成しているので、タンク底部の鋼板内におけるエネルギー透過率が高く、より高精度の液位測定が担保される。
本願の第5の発明では、底部が略半球状のタンク内に貯留された液体の液位を該タンクの底部傾斜部に設置した超音波センサから照射される超音波を用いて測定するに際し、上記超音波センサの上記タンクの底部傾斜部への設置位置を算出する超音波センサの設置位置算出方法であって、以下の式1〜式5に基づいて算出される外面傾斜角(θ5)であって、タンク内面の傾斜角(θ1)と水中屈折角(θ2)とタンク内面側の鋼中屈折角(θ3)とタンク外面側の鋼中屈折角(θ4)と上記樹脂製の冶具のクサビ角(θ6)のうちの何れか一つを決めることで自動的に決定される外面傾斜角(θ5)に対応する位置を、上記超音波センサの上記タンクの底部傾斜部への設置位置として算出するようにしているので、タンク内の液体中における超音波経路が鉛直方向となる条件を満たすような超音波センサの設置位置が演算にて正確に求められるため、該超音波センサを用いた液位測定の正確さが担保される。
「θ1」・・タンク内面の傾斜角
「θ2」・・水中屈折角
「θ3」・・タンク内面側の鋼中屈折角
「θ4」・・タンク外面側の鋼中屈折角
「θ5」・・タンク外面の傾斜角
「θ6」・・冶具のクサビ角
タンク内面の傾斜角(θ1)=水中屈折角(θ2)・・・(式1)
タンク内面の傾斜角(θ1)−タンク外面の傾斜角(θ5)
=タンク内面側の鋼中屈折角(θ3)−タンク外面側の鋼中屈折角(θ4)=δ・・・(式2)
sinδ=sinθ4〔(Ro/Ri)cosθ4−√(1−(Ro/Ri)2・sin2θ4)・・・(式3)
cosθ6/ca = sinθ4/ct・・・(式4)
sinθ2/cw= sinθ3 /ct・・・(式5)
また、(θ6)は上記冶具4のクサビ角、(Ri )はタンク底部内面の曲率半径、(Ro )はタンク底部外面の曲率半径である。
なお、上記(式3)は、鋼板31の厚さd(=Ro−Ri)が曲率半径(Ri)と比較して小さい場合(d≪Ri)には、次の近似式が使える。
δ=(d/Ri)tanθ4[rad]・・・(式3´)
この場合は、上記(式1)〜(式5)において、上記クサビ角「θ6」を既知として、タンク外面の傾斜角(θ5)に対応する位置を求め、ここを上記超音波センサ11の設置位置とする。この位置に上記超音波センサ11を設置することで、タンク1の液内の超音波経路が常に鉛直方向となり、上記超音波センサ11から超音波が発信された時点から、液面において垂直反射して上記超音波センサ11に受信されるまでの時間(超音波伝搬時間)が常に正確に測定される。
(液位)H = cw{(T/2)−(L1/c1 )−(L0/ca)}・・・(式6)
ここで、上記(式6)の(L1 )は上記冶具4の寸法から決まる定数であり、(L1 )はタンク底部1bの幾何学的形状や鋼中屈折角(θ4)入力依存し、以下の(式7)で与えられる。
L1 =√{Ri 2+Ro 2(2cos2θ4−1)−2Rocosθ4√(Ri 2−Ro 2sin2θ4)}
・・・(式7)
なお、上記(式7)は、鋼板31の厚さd(=Ro−Ri)が曲率半径(Ri)と比較して小さい場合(d≪Ri)には、次の近似式が使える。
L1=d/cosθ4{1+(dtan2θ4/2Ri)}・・・(式7´)
上記鋼中屈折角(θ4)には、超音波伝達効率の観点から利用できる範囲に制限がある。即ち、図3には、超音波が鋼板31から液体を透過し、液面で反射して、再び鋼板31まで戻ってくるまでの超音波の伝達効率を示している。ここで、横軸は水中屈折角(θ1)、縦軸はエネルギー透過率であって、このエネルギー透過率が100%に近いほど、エネルギー損失が少なく、超音波の伝達効率が高いことを意味する。
(1)本願発明に係る超音波液位測定装置においては、上述のようにして上記超音波センサ11を適正位置に設置することで常にタンク1内の液中における超音波経路が鉛直方向となるようにしていることから、上記タンク1の底部中心に出口管2等の機材が設置されていても、これに影響を受けることなく該出口管2等から外れた傾斜部に超音波センサを設置して該タンク内の液位を正確に測定することができ、設置位置についての自由度の高い超音波液位測定装置を提供することができる。
2 ・・出口管
3 ・・管壁
4 ・・冶具
10 ・・液位測定装置
11 ・・超音波センサ
31 ・・鋼板
Claims (5)
- 底部が略半球状のタンク内に貯留された液体の液位を超音波センサから照射される超音波を用いて測定する超音波液位測定装置であって、
上記超音波センサを、所定のクサビ角をもつ樹脂製の冶具を介して上記タンクの底部傾斜部に設置し、該超音波センサから照射され上記タンク底部の鋼板を透過して液体内に入射した後、液面での反射により反転してタンク底部側に伝搬する超音波の該液体内での経路が鉛直方向となるように構成したことを特徴とする超音波液位測定装置。 - 請求項1において、
上記超音波センサの上記タンク底部傾斜部への設置位置が、以下の式1〜式5によって規定される外面傾斜角(θ5)に対応する位置であって、該外面傾斜角(θ5)はタンク内面の傾斜角(θ1)と水中屈折角(θ2)とタンク内面側の鋼中屈折角(θ3)とタンク外面側の鋼中屈折角(θ4)と樹脂製の冶具のクサビ角(θ6)のうちの何れか一つを決めることで自動的に決定されることを特徴とする超音波液位測定装置。
ここで、
式1・・・タンク内面の傾斜角(θ1)=水中屈折角(θ2)
式2・・・タンク内面の傾斜角(θ1)−タンク外面の傾斜角(θ5)
=タンク内面側の鋼中屈折角(θ3)−タンク外面側の鋼中屈折角(θ4)=δ
式3・・・sinδ=sinθ4〔(Ro/Ri)cosθ4−√(1−(Ro/Ri)2・sin2θ4)
式4・・・cosθ6/ca = sinθ4/ct
式5・・・sinθ2/cw= sinθ3/ct
Riはタンク底部内面の曲率半径
Roはタンク底部外面の曲率半径
θ6は樹脂製の冶具のクサビ角で、超音波のタンク底部への入射角に対応し
cwは水中の縦波音速
caは樹脂中の縦波音速
ctは鋼中の横波音速
である。 - 請求項2において、
上記外面傾斜角(θ5)を、上記水中屈折角(θ2)が17°〜24°の範囲となり、又は上記タンク外面側の鋼中屈折角(θ4)が40°〜60°の範囲となるように、設定したことを特徴とする超音波液位測定装置。 - 請求項1〜3において、
上記超音波センサは、横波斜角の超音波センサであることを特徴とする超音波液位測定装置。 - 底部が略半球状のタンク内に貯留された液体の液位を該タンクの底部傾斜部に設置した超音波センサから照射される超音波を用いて測定するに際し、上記超音波センサの上記タンクの底部傾斜部への設置位置を算出する超音波センサの設置位置算出方法であって、
以下の式1〜式5に基づいて算出される外面傾斜角(θ5)であって、タンク内面の傾斜角(θ1)と水中屈折角(θ2)とタンク内面側の鋼中屈折角(θ3)とタンク外面側の鋼中屈折角(θ4)と上記樹脂製の冶具のクサビ角(θ6)のうちの何れか一つを決めることで自動的に決定される外面傾斜角(θ5)に対応する位置を、上記超音波センサの上記タンクの底部傾斜部への設置位置として算出することを特徴とする超音波センサの設置位置算出方法。
ここで、
式1・・・タンク内面の傾斜角(θ1)=水中屈折角(θ2)
式2・・・タンク内面の傾斜角(θ1)−タンク外面の傾斜角(θ5)
=タンク内面側の鋼中屈折角(θ3)−タンク外面側の鋼中屈折角(θ4)=δ
式3・・・sinδ=sinθ4〔(Ro/Ri)cosθ4−√(1−(Ro/Ri)2・sin2θ4)
式4・・・cosθ6/ca = sinθ4/ct
式5・・・sinθ2/cw= sinθ3/ct
Riはタンク底部内面の曲率半径
Roはタンク底部外面の曲率半径
θ6は上記樹脂製の冶具のクサビ角で、超音波のタンク底部への入射角に対応し
cwは水中の縦波音速
caは樹脂中の縦波音速
ctは鋼中の横波音速
である。
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JP2018238908A JP7188696B2 (ja) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | 超音波液位測定装置並びに超音波センサの設置位置算出方法 |
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CN115752661A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-03-07 | 陕西师范大学 | 基于lamb波离面能量特性的液位标定方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5856930U (ja) * | 1981-10-13 | 1983-04-18 | 株式会社東芝 | 配管内液位検出装置 |
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---|---|---|---|---|
JP6129480B2 (ja) | 2012-04-02 | 2017-05-17 | 四国電力株式会社 | 超音波液位測定装置 |
JP5856930B2 (ja) | 2012-09-03 | 2016-02-10 | シャープ株式会社 | 無線通信端末、方法、およびプログラム |
JP6765811B2 (ja) | 2015-12-28 | 2020-10-07 | 三菱パワー株式会社 | 液位計測システム及び液位計測方法 |
-
2018
- 2018-12-20 JP JP2018238908A patent/JP7188696B2/ja active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5856930U (ja) * | 1981-10-13 | 1983-04-18 | 株式会社東芝 | 配管内液位検出装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115752661A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-03-07 | 陕西师范大学 | 基于lamb波离面能量特性的液位标定方法 |
CN115752661B (zh) * | 2022-11-18 | 2024-03-26 | 陕西师范大学 | 基于lamb波离面能量特性的液位标定方法 |
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