JP2854546B2 - フラット形振動式レベルセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばタンクのよ
うな収納容器内に液体、粉体、粒状体などの被充填物を
充填するに際して、被充填物が所定高さレベルまで充填
されたか否かを検知するフラット形振動式レベルセンサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の用途に一般的に用いられ
ているレベルセンサとしては、特開昭６２−２９３１２
７号公報に充填面調節装置として記載されたものが知ら
れており、この装置は被充填物の収納容器に取り付られ
るもので、以下のような構成になっている。すなわち、
帯状の金属振動片の一端部に圧電素子を取り付けてなる
振動ロッドを、その１次振動モードの振動の節点が現れ
る２か所で、金属の薄膜からなる支持体によりそれぞれ
支持して、振動が前記収納容器に伝わるのを極力抑制し
ている。この両支持体を、振動ロッドにおける両節間を
覆う円筒状の保持管の両端開口部に溶接により取り付け
て、保持管から突出した振動ロッドの他端部を被充填物
の測定探針部としている。

【０００３】上記装置は、タンクのような収納容器への
充填動作に伴い上昇していく被充填物の充填面が振動ロ
ッドの他端側の測定探針部に接触すると、振動ロッドの
振動が抑制または停止され、それにより圧電素子からの
出力電圧が変化するので、この出力電圧の大小により被
充填物が所定高さレベルまで充填されたか否かを判別し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記装置で
は、被充填物が見かけの比重の大きなものである場合、
上記測定探針部は、被充填物により押圧力を受けて曲が
り易い。この測定探針部が曲がると、被充填物の高さレ
ベルを誤検出したり、振動ロッドが正常に振動しなくな
るなどの不都合が生じる。

【０００５】そこで、上記問題を解消するために、振動
ロッドを保持管から突出させないフラット形としたもの
がある。このフラット形は、振動ロッドに代えて被充填
物を検出するための振動膜を、保持管における被充填物
の収納容器内に進入させる先端開口部に閉塞状態に取り
付けるとともに、振動膜に一対の圧電素子を取り付けて
いる。そして、圧電素子の駆動により振動する振動膜に
被充填物が接触すると、振動膜の振動が抑制または停止
されて、圧電素子からの出力電圧が変化するので、この
出力電圧の大小により被充填物が所定高さレベルまで充
填されたか否かを判別できる。

【０００６】ところが、上記のような構成とすると、振
動膜の振動が保持管を通じて収納容器に伝わって洩れる
ので、一般に大重量物である収納容器によって振動膜の
振動が減衰されてしまい、被充填物の検出感度が著しく
低下する。そのため、所定の振幅の振動を得ようとする
と、圧電素子への供給電力を大きくしなければならず、
消費電力が増大する。また、収納容器による振動膜の振
動の減衰量がレベルセンサの収納容器への取付強度のば
らつきに応じて変化する。そのため、収納容器への取り
付け終了後に、たとえば、ゲイン調整器などにより振動
膜の振動強度を調整して所要の振幅を得られるようにす
る必要があり、到底実用化できない。

【０００７】そこで、本発明は、振動ロッドを突出させ
ないフラット形振動式としながらも、被充填物を接触さ
せて検出するための振動膜の振動が収納容器に伝わって
洩れることのないフラット形振動式レベルセンサを提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明のフラット形振動式レベルセンサは、先
端が被充填物の収納容器内に進出して配置される保持管
と、この保持管に保持されて保持管の軸方向に相対向す
る一対の振動膜と、この一対の振動膜の少なくとも一方
に振動を付加する加振器とを備え、前記一対の振動膜
は、それぞれ固有振動数が同一に設定されている。

【０００９】上記フラット形振動式レベルセンサは、液
体や粉体などを充填するタンクのような収納容器内に保
持管を進入させた状態で設置して、加振器を駆動して一
対の振動膜のうちの少なくとも一方に振動を付加する
と、この振動が保持管を通じて他方の振動膜を励振す
る。容器内部の被充填物が保持管の先端寄りの振動膜に
接触する高さレベルまで充填されると、その振動膜の振
動が被充填物により抑制されるので、加振器の電気信号
が変化し、この電気信号の変化により被充填物が所定の
高さレベルまで充填されたのを検出する。

【００１０】ここで、両振動膜の固有振動数が同一に設
定されているため、他方の振動膜は、一方の振動膜の振
動に共鳴して、一方の振動膜に対し振幅および振動周波
数が同一で、かつ位相が１８０異なる振動が発生する。
したがって、両振動膜の振動は互いに打ち消しあって収
納容器に伝わらないので、振動膜の振動は、収納容器に
より減衰されることがなく、かつ収納容器への取付強度
のばらつきの影響を全く受けないことから、常に加振器
から受ける振動エネルギに対応した振幅を有する。ま
た、被充填物により曲げられ易い振動ロッドを備えてい
ないフラット形であるから、長期にわたり安定に作動さ
せることのできる高い信頼性を有する。

【００１１】本発明の一実施形態では、振動膜に重りが
取り付けられている。この重りにより振動膜の固有振動
周波数が低下して振動長さが短くなるので、レベルセン
サの小型化が実現される。

【００１２】また、前記加振器は圧電素子からなり、一
対の前記振動膜のうち前記保持管の先端寄りの一方の振
動膜に前記圧電素子が固定され、この圧電素子のリード
線が他方の振動膜の振動の節線を貫通して前記保持管の
後部に引き出されている構成とすることが好ましい。

【００１３】上記構成によれば、保持管の先端寄りに位
置する一方の振動膜は、収納容器内に進出して配置さ
れ、被充填物をこれが接触することにより検出するもの
であるから、この一方の振動膜を圧電素子で直接励振す
ることにより、この振動膜を確実に振動させて、被充填
物の検出の信頼性を向上させる。また、圧電素子のリー
ド線を、後方位置の他方の振動膜の振動の節点が現れる
節線を貫通して後方に引き出せば、このリード線は、不
動点である節線を貫通することから、他方の振動膜の振
動に対し何ら悪影響を与えない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の
一実施形態に係るフラット形振動式レベルセンサを示す
縦断面図、図２は図１のII−II線断面図である。これら
の図において、本体ケース部２と取付ソケット部３とが
後述の手段で結合されてなるケーシング１の先端部に、
円筒状の保持管４が溶接のような固定手段により連結さ
れている。保持管４の両端部には、それぞれ円形薄膜状
の第１および第２の振動膜７，８が保持管４の開口部を
気密に閉塞する状態で溶接により固着されている。両振
動膜７，８は同一材質で同一形状、同一寸法に形成され
ている。

【００１５】図３（ａ）は図１のＡ矢印方向から見た矢
視図を示す。保持管４の先端寄り（図１の左側）に位置
する第１の振動膜７の内面には、図２および図３（ａ）
に示すように、一対の圧電素子（加振器）９，１０が同
一水平面上に配置して貼り付けられており、これら圧電
素子９，１０には、図１の駆動回路部１１からリード線
１２を介して給電される。両振動膜７，８の相対向する
面における中央部には、図１および図３（ａ）に示すよ
うに、同一の円盤形状で、かつ同一重量の重り１３が、
これらの中心部にそれぞれねじ込まれた取付ねじ１４を
溶接して取り付けられている。

【００１６】上記駆動回路部１１は、図４に示すよう
に、商用交流電源１７の交流電力を整流回路１８で直流
電力に変換して一方の圧電素子９に給電する。この圧電
素子９は供給された電気エネルギを機械エネルギに変換
して第１の振動膜７に振動を付加する。この振動膜７の
振動による機械エネルギは他方の圧電素子１０により電
気エネルギに変換される。この圧電素子１０の出力電圧
は駆動回路部１１の帯域フィルタ１９で振動成分のみを
抽出され、帯域フィルタ１９の出力信号は増幅回路２０
で増幅されたのちに、整流回路１８の直流電力に重畳さ
れてリレー出力回路２１に入力される。リレー出力回路
２１は、所定の電気信号が入力されたときに、表示灯
（図示せず）を点灯させ、かつ図１のタンクのような収
納容器２２内への被充填物２４の供給機（図示せず）に
対し供給停止信号を出力して、被充填物２４の供給動作
を停止する。

【００１７】上記駆動回路部１１と圧電素子９，１０と
を接続するためのリード線１２は、図１の第２の振動膜
８の挿通孔２４および取付ソケット部３の貫通孔２７を
通って後方へ引き出されている。さらに、リード線１２
は、このリード線１２が挿通されたゴムのような固定用
弾性体２８が、支持板２９に貫通固定された支持筒体３
０内に圧入されて、それにより押し潰す状態に変形され
た弾性体２８に保持されて、支持筒体３０を介し支持板
２９に支持されている。また、本体ケース部２の先端部
がガスケット３１を介在して取付ソケット部３の後端部
の段部に嵌め合わされるとともに、本体ケース部２にシ
ール材３２を介して本体ケース部２に当てがわれた前記
支持板２９を、固定ねじ３３で取付ソケット部３に固定
することにより、本体ケース部２と取付ソケット部３と
が気密に連結されている。本体ケース部２の後端開口
は、図１に示すパッキン３４を介在してケースカバー３
７により閉塞されている。

【００１８】上述の構成としたフラット形振動式レベル
センサは図１の収納容器２２の側壁における所定高さ位
置に装着される。すなわち、収納容器２２の側壁におけ
る被充填物２３を充填すべき高さ位置に対応した部位に
は取付孔３８が形成されており、この取付孔３８に、雌
ねじ部を有するソケット３９が嵌め込まれて溶接により
固定されている。フラット形振動式レベルセンサは、ケ
ーシング１の取付ソケット部３に形成されたテーパーね
じ部４０をソケット３９の雌ねじ部にねじ込み、かつ取
付ソケット部３の外方への膨出部４１をガスケット３１
を介在してソケット３９の端部に押し付けることによ
り、保持管４を収納容器２２内に進出させた状態で収納
容器２２に気密に取り付けられている。このレベルセン
サは、従来センサのような収納容器２２内に突出する振
動ロッドを備えないフラット形であるから、振動ロッド
が曲がるといった問題が生じない。

【００１９】つぎに、前記レベルセンサの作用について
簡単に説明する。保持管４の先端寄りの第１の振動膜７
に取り付けられた圧電素子９は、図４の駆動回路部１１
の整流回路１８から直流電力を供給されて、この直流電
力に含まれたノイズ成分により振動して第１の振動膜７
に振動を付加する。収納容器２２内の被充填物２３の充
填面Ｈが図１に図示するように第１の振動膜７の下方に
ある場合には、他方の圧電素子１０に含まれる振動成分
が図４の帯域フィルタ１９で抽出されて、増幅回路２０
で増幅されたのちに、整流回路１８の直流電力に重畳さ
れてリレー出力回路２１に入力される。被充填物２３の
充填面Ｈが第１の振動膜７に接触する高さ位置まで上昇
すると、被充填物２３により第１の振動膜７の振動が抑
制または停止され、圧電素子１０の出力電圧に振動成分
が含まれなくなる。そのため、リレー出力回路２１は、
整流回路１８からの直流電力のみが入力されることか
ら、表示灯を点灯させて充填完了を報知し、かつ、図１
の被充填物２３の供給機に対し供給停止信号を出力す
る。

【００２０】ところで、上記のフラット形振動式レベル
センサでは、第１の振動膜７がその周縁部を保持管４に
固定されていることから、図３（ｂ）に２点鎖線で模式
的に示すように、第１の振動膜７が２次振動モードで励
振される。この第１の振動膜７の振動が保持管４を通じ
て第２の振動膜８に伝わり、この第２の振動膜８もその
周縁部を保持管４に固定されていることから、図３
（ｂ）に示すように、第１の振動膜７と同様に２次振動
モードで励振される。ここで、両振動膜７，８は同一材
質で同一形状、同一寸法に形成されており、かつ両振動
膜７，８に取り付けられた各重り１３，１３が同一重量
を有している。すなわち、両振動膜７，８の固有振動数
が同一に設定されているから、第２の振動膜８は、図５
に示す作動状態の縦断面図から明らかなように、第１の
振動膜７に共鳴して、第１の振動膜７に対し同一の振動
数で、かつ逆位相（１８０°ずれた位相）で振動する。

【００２１】したがって、保持管４には、図５に示すよ
うに、両端部の一方側（図の上方側）を互いに反対方向
に引っ張ろうとする同一の引張力Ｂ１，Ｂ２と、両端部
の他方側（図の下方側）を互いに反対方向に圧縮しよう
とする同一の圧縮力Ｃ１，Ｃ２とが、図の上部と下部に
おいて交互に発生する。前記引張力Ｂ１とＢ２、圧縮力
Ｃ１とＣ２はそれぞれが互いに打ち消し合うので、両振
動膜７，８の振動は、保持管４の壁内で消滅して、図１
の取付ソケット部３に伝わらない。すなわち、圧電素子
９により振動を付加された第１の振動膜７の振動は、取
付ソケット部３を介して収納容器２２に洩れないため、
重量物である収納容器２２により減衰されることがな
い。それにより、第１の振動膜７は、圧電素子９から一
定の振動エネルギを与えらることにより、被充填物２３
を確実に検出するのに十分な所定の振幅で振動する。し
かも、第１の振動膜７の振動の振幅は、取付ソケット部
３の収納容器２２への取付強度のばらつきとは無関係
に、常に圧電素子９とこれへの供給電力とにより決定さ
れる一定値となる。

【００２２】また、上記の実施形態では、両振動膜７，
８に同一重量の重り１３をそれぞれ取り付けている。こ
の重り１３により振動膜７，８の固有振動周波数が低下
して、その振動長さが短くなるので、振動膜７，８の形
状を小さくして、レベルセンサを小型化できる。

【００２３】さらに、上記の実施形態では、圧電素子
９，１０のリード線１２を後方へ引き出すために第２の
振動膜８に設ける挿通孔２４が、図３（ａ），（ｂ）に
１点鎖線で示すように、２次振動モードで振動する第２
の振動膜８の節線４２上に配設されている。この節線４
２上の各点は不動であるから、第２の振動膜８は、挿通
孔２４にリード線１２を貫通させたことによって何ら影
響を受けることなく振動する。

【００２４】なお、上記の実施形態では、被充填物２３
の圧力に抗して確実な振動を得るために、一対の圧電素
子９，１０を被充填物２３が接触する第１の振動膜７に
直接取り付けているが、圧電素子９，１０を第２の振動
膜８に取り付けたり、または、一対の圧電素子９，１０
の一方を振動膜７，８の一方に、圧電素子９、１０の他
方を振動膜７、８の他方に取り付けたり、あるいは、両
振動膜７，８のそれぞれに一対の圧電素子９，１０を取
り付けて、合計二対の圧電素子９，１０を備える構造と
しても、上述とほぼ同様の効果を得ることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、被充填物
を振動膜に接触させて検出するので、検知部として振動
ロッドを設けた従来センサの問題を解消できる。また、
保持管にこれの軸方向に相対向して保持させた一対の振
動膜をそれぞれ同一の固有振動数に設定したので、両振
動膜が共鳴して同一振動数で、かつ互いに逆位相で振動
し、各々の振動が保持管で互いに打ち消し合う。そのた
め、振動膜の振動は、収納容器に伝わって洩れることが
ないので、収納容器により減衰されることがなく、かつ
収納容器への取付強度のばらつきの影響を全く受けな
い。したがって、振動膜を常に所定の振幅で振動させて
被充填物を高精度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るフラット形振動式レ
ベルセンサを示す縦断面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】（ａ）は図１のＡ矢印方向から見た矢視図、
（ｂ）は振動膜の振動モードを（ａ）に対応させて示し
た模式図である。

【図４】同上センサにおける駆動回路部のブロック構成
図である。

【図５】同上センサの作動状態を示す要部の簡略縦断面
図である。

【符号の説明】

４…保持管、７，８…振動膜、９，１０…圧電素子（加
振器）、１２…リード線、１３…重り、２２…収納容
器、２３…被充填物、４２…節線。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端が被充填物の収納容器内に進出して
   配置される保持管と、 この保持管に保持されて保持管の軸方向に相対向する一
   対の振動膜と、 この一対の振動膜の少なくとも一方に振動を付加する加
   振器とを備え、 前記一対の振動膜は、それぞれ固有振動数が同一に設定
   されているフラット形振動式レベルセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記振動膜に重りが
   取り付けられているフラット形振動式レベルセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記加振器
   は圧電素子からなり、一対の前記振動膜のうち前記保持
   管の先端寄りの一方の振動膜に前記圧電素子が固定さ
   れ、この圧電素子のリード線が他方の振動膜の振動の節
   線を貫通して前記保持管の後部に引き出されているフラ
   ット形振動式レベルセンサ。