JP3218204B2

JP3218204B2 - レベル測定装置および基準タンク

Info

Publication number: JP3218204B2
Application number: JP17737097A
Authority: JP
Inventors: 雅之村岡; 康二江本; 博弓削
Original assignee: 株式会社ワールドテック
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: JPH1123273A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レベル測定装置お
よびこれに用いられる基準タンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル掘削等のシールド工事では、掘
進機による施工の自動化が推進されている。掘進機に
は、掘進位置をリアルタイムで検出することが可能な掘
進位置測定システムが設置されている。掘進位置測定シ
ステムは、掘進機の方位およびレベルを検出するもので
あり、掘進機の方位角を検出するジャイロコンパス、お
よび掘進機のレベルを計測するレベル測定装置を備えて
いる。

【０００３】図７は掘進位置測定システムに設けられた
従来のレベル測定装置の構成および測定動作を示す模式
図である。従来のレベル測定装置は、液体を貯留した基
準タンク３４と、基準タンク３４内の液圧を検出する圧
力検出器３２と、基準タンク３４と圧力検出器３２とを
連結する連通管３３と、圧力検出器３２からの検出圧力
に基づいて掘進機３１の掘進レベルを算出する演算部３
５とを備える。

【０００４】基準タンク３４は掘進機３１の後方の基準
位置に設置され、圧力検出器３２は掘進機３１側の所定
位置に取り付けられる。掘進機３１の掘進方向が下り勾
配の場合には、圧力検出器３２は基準タンク３４の液面
よりも鉛直下方側となる。このため、圧力検出器３２に
は圧力検出器３２の圧力検知面から基準タンク３４の液
面までのレベル差Ｈ１に相当する液圧が加わる。圧力検
出器３２は、この液圧を検出して演算部３５に出力す
る。演算部３５は圧力検出器３２から出力された圧力に
基づいて基準タンク３４が設置された基準位置から圧力
検出器３２が位置する測定位置までのレベル差を算出す
る。そして、レベル差を累積することにより、レベル測
量の原点位置に対する測定位置のレベルが測定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シール
ド工事においては掘進機の掘進方向が上り勾配となる場
合もある。図７に示すように、上り勾配が急な場合、測
定位置の圧力検出器３２が基準位置の基準タンク３４の
液面よりも鉛直上方に配置される場合が生じる。この場
合には、基準タンク３４の液面と圧力検出器３２とのレ
ベル差Ｈ２に相当する液圧が圧力検出器３２において負
圧となる。このため、圧力検出器３２は基準タンク３４
の液体による液圧を計測することが不能となり、レベル
の測定ができなくなる。また、演算部３５は正の圧力に
基づいてレベル差を算出するように構成されており、負
の圧力が入力された場合にはレベル差を算出することが
できない。このような構造により、従来のレベル測定装
置では急な上り勾配におけるレベル測定を行うことがで
きなかった。

【０００６】また、従来の基準タンク３４は上端が開放
された筒状容器から構成されている。この基準タンク３
４内には液体が貯留され、その液面がレベル測定の基準
位置となる。そのため、液面の位置は常に一定に保持す
る必要がある。

【０００７】しかしながら、基準タンク３４内の液体は
蒸発や漏洩等によって減少し、液面位置が変動する。そ
こで、センサを用いて液面の変動量を適宜計測し、圧力
検出器３２からの出力に液面変動量を加味する補正を行
ってレベル差を算出する処理を行う必要があった。その
ため、高価なセンサを基準タンク３４に設ける必要があ
り、レベル測定装置が高価になる問題があった。また、
上端が開放されているので、液体が漏洩しやすく、その
ために、頻繁に液体を補給する必要があり、基準タンク
３４の取り扱いが煩雑であった。

【０００８】本発明の目的は、基準位置に対して測定位
置が上り傾斜および下り傾斜のいずれにおいても安価に
レベル測定が可能なレベル測定装置を提供することであ
る。

【０００９】さらに、本発明の他の目的は、液面位置を
一定に保持することが容易な基準タンクを提供すること
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段および発明の効果】第１の
発明に係るレベル測定装置は、基準位置に対する測定位
置のレベルを測定するレベル測定装置であって、液体を
貯留する基準タンクと、基準タンクに連結された連通管
と、連通管の端部に接続され、基準タンク内の液体によ
る液圧を検出する圧力検出部と、圧力検出部の出力をレ
ベル情報に変換する変換手段とを有し、基準タンクは測
定位置および基準位置のうち高い方の位置に配置され、
圧力検出部は測定位置および基準位置のうち低い方の位
置に配置され、変換手段は、基準タンクが基準位置に配
置されかつ圧力検出部が測定位置に配置された場合と、
基準タンクが測定位置に配置されかつ圧力検出部が基準
位置に配置された場合とで、正負が逆の極性の値を有す
るレベル情報を出力し、基準タンクが、上面の一部に上
面開口部を有する液体貯留部と、液体貯留部の上方に上
面開口部で液体貯留部に連通して一体的に設けられた液
体補給部とを有し、液体貯留部の上面の他の部分に孔部
が形成され、液体貯留部の下面に連通管に連結される孔
部が設けられ、液体補給部の上面に開閉可能な液体補給
口が設けられたものである。

【００１１】第１の発明に係るレベル測定装置において
は、変換手段が基準タンクと圧力検出部の配置位置に基
づいて正負が逆の極性の値を有するレベル情報を出力す
ることができる。すなわち、変換手段は、圧力検出部が
検出した圧力に基づいて演算し、逆の極性の値を有する
レベル情報を出力する。あるいは、変換手段は、配置さ
れる位置に応じて圧力を逆の極性の値として検出する圧
力検出部の出力に基づいて逆の極性の値を有するレベル
情報を出力する。これにより、基準位置に対して測定位
置が高い位置から低い位置に変化する場合、あるいはそ
の逆の場合であっても、正しいレベルを算出することが
できる。

【００１２】この場合、液体貯留部内の液体は液体補給
部から補給され、その液面が常に上面の孔部と同一の位
置に保持される。これにより、高価なセンサを用いて液
面を監視する必要がなくなり、基準タンクを小型軽量に
かつ安価に構成することができる。また、液体貯留部の
上面の孔部を除いて基準タンク全体が密閉されているの
で、作業中に液体の漏洩が減少する。加えて、液体の減
少分は液体補給部から補給される。これにより、作業者
による頻繁な液体の補給が不要となり、基準タンクの取
り扱いが容易となる。

【００１３】第２の発明に係る基準タンクは、上面の一
部に上面開口部を有する液体貯留部の上方に上面開口部
で液体貯留部に連通する液体補給部が一体的に設けら
れ、液体貯留部の上面の他の部分に孔部が形成され、液
体貯留部の下面に液体を導出するための孔部が設けら
れ、液体補給部の上面に開閉可能な液体供給口が設けら
れたものである。

【００１４】この場合、液体貯留部内の液体は液体補給
部から補給され、その液面が常に孔部と同一の位置に保
持される。これにより、高価なセンサを用いて液面を監
視する必要がなくなり、基準タンクを小型軽量にかつ安
価に構成することができる。また、液体貯留部の上面の
孔部を除いて基準タンク全体が密閉されているので、作
業中に液体の漏洩が減少する。加えて、液体の減少分は
液体補給部から補給される。これにより、作業者による
頻繁な液体の補給が不要となり、基準タンクの取り扱い
が容易となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例による掘進
位置測定システムの構成図であり、図２は掘進位置測定
システムのブロック図である。掘進位置測定システム
は、シールド掘進機１の方位角を測定するためのジャイ
ロコンパス５を備える。ジャイロコンパス５はシールド
掘進機１の真北からのずれ角あるいは基準点からのずれ
角を検出し、管制箱６を通じて演算部７に出力する。管
制箱６はジャイロコンパス５を駆動するとともにジャイ
ロコンパス５が検出した方位角を演算部７に出力する。

【００１６】また、掘進位置測定システムはシールド掘
進機１のレベルを測定するためのレベル測定装置を備え
る。レベル測定装置は圧力検出器２、連通管３、基準タ
ンク４、および演算部７から構成される。基準タンク４
は内部に液体を貯留し、圧力検出器２に対して液圧を付
与するものである。

【００１７】図３は、基準タンクの一例を示す断面図で
ある。基準タンク４は主タンク１１と補給タンク１５と
を備える。主タンク１１の上端は開放されており、下端
は接続部１２を介して連通管３に接続されている。補給
タンク１５は密閉構造を有しており、その下端には主タ
ンク１１に液体を供給する供給配管１３が接続されてい
る。供給配管１３の途中には開閉弁１４が設けられてい
る。補給タンク１５の上端には補給タンク１５の内部に
液体１９を補充するための補充口１７が取り付けられて
おり、補充口１７には開閉弁１６が設けられている。主
タンク１１と補給タンク１５とは支持プレート１８に上
下方向に移動可能に取り付けられている。

【００１８】使用状態において、基準タンク４の主タン
ク１１には液体１９が上端まで充填される。また、補給
タンク１５の内部には補給用の液体１９が充填され、上
端の開閉弁１６は閉じられ、下端の開閉弁１４は開放さ
れている。供給配管１３の下端は主タンク１１の上面と
面一になるように配置されている。

【００１９】なお、主タンク１１の上端には、ごみや異
物の侵入防止用のメッシュ材を設けてもよい。

【００２０】図３に示す状態において、主タンク１１内
の液面１９ａは位置Ｐに静止している。すなわち、主タ
ンク１１内の液面１９ａには外気の大気圧が鉛直上向き
に作用する。また、補給タンク１５側からは、鉛直下向
きに液柱Ｈによる正圧と補給タンク１５内の負圧領域１
５ａの負圧との総圧力が作用する。この両者は大きさが
等しく作用方向が反対となる。これにより、液面１９ａ
は位置Ｐに静止する。

【００２１】また、主タンク１１内の液体が漏洩等によ
り減少すると、供給配管１３の下端から外気が補給タン
ク１５内に侵入する。これによって補給タンク１５内の
液体１９が主タンク１１内に流れ込み、主タンク１１内
の液面１９ａの位置が元の位置Ｐに復帰するとともに液
面１９ａに作用する大気圧と補給タンク１５側からの総
圧力とが再び平衡状態となる。このような作用により、
主タンク１１の液面１９ａが位置Ｐに常に一定に保持さ
れる。

【００２２】図４は基準タンクの他の例を示す断面図で
ある。この基準タンク４は中央部分が括れた円筒状の容
器２１から構成される。容器２１は中央の括れ部２１ｃ
を挟んで下側に液体貯留部２１ａが形成され、上側に液
体補給部２１ｂが形成されている。液体貯留部２１ａの
下端には連通管３を接続する接続部２３が形成されてい
る。また、液体貯留部２１ａの上面には開口２２が形成
されている。開口２２は、内部の液体１９がこぼれ難
く、かつごみや異物が入り難い程度に小さく形成される
ことが好ましい。この場合には、開口２２を指先で容易
に閉塞して接続口２４から液体１９を内部に充填するこ
とができる。また、開口２２の上面をメッシュ材で覆っ
てごみや異物の侵入を防止してもよい。

【００２３】液体補給部２１ｂの上面には、容器２１の
内部に液体を補充するための補充口２４が形成されてい
る。補充口２４は開閉弁２５により開閉自在に構成され
ている。

【００２４】この基準タンク４は、開口２２における液
面１９ａが位置Ｐに常に一定に保持される。すなわち、
液体貯留部２１ａ内の液体１９が開口２２を通して漏洩
等により減少すると、補給貯留部２１ｂ側から液体が補
給される。そして、位置Ｐにおいて、容器２１内の液柱
Ｈによる正圧と負圧領域２６における負圧との総圧力
と、開口２２を通して液面１９ａに作用する大気圧とが
釣り合う。これにより、液面１９ａが位置Ｐに保持され
る。

【００２５】図１および図２において、圧力検出器２
は、圧力を受けて撓むダイヤフラムと、ダイヤフラムの
撓みを電気信号に変換する圧電素子とにより構成され
る。ダイヤフラムの一面には連通管３を通して基準タン
ク４内の液体１９による液圧が作用し、他面には大気圧
が作用する。そして両者の圧力差に応じてダイヤフラム
が撓む。ダイヤフラムの撓みは圧電素子により電気信号
に変換され、演算部７に出力される。

【００２６】演算部７は圧力検出器２からの出力信号に
基づき、圧力検出器２が検出した圧力に基づいて基準位
置と測定位置とのレベル差を算出する。基準位置はシー
ルド掘進機１が一定距離掘進するたびに順次移動され
る。そこで、演算部７は基準位置が移動するたびに測定
したレベル差を累積して掘進開始のレベル原点位置から
の累積値を算出する。

【００２７】レベル差およびその累積値の算出において
は、基準タンク４および圧力検出器２の配置位置に応じ
てレベル差の方向性が考慮される。例えば、下り勾配に
おいて圧力検出器２がシールド掘進機１（測定位置）に
配置され、基準タンク４が基準位置に配置された場合に
は、算出したレベル差は基準位置から鉛直下向きを示
す。また、上り勾配において基準タンク４がシールド掘
進機１（測定位置）に配置され、圧力検出器２が基準位
置に配置された場合には、算出したレベル差は基準位置
から鉛直上向きを示す。そして、演算部７は符号が付さ
れたレベル差をディスプレイ８に表示させるとともに、
Ｉ／Ｏインタフェース（入出力インタフェース）９に出
力する。

【００２８】また、演算部７はジャイロコンパス５が検
出した方位角の出力信号を受け取り、ジャイロコンパス
５の据え付け誤差等の補正処理を行った後、ディスプレ
イ８に表示させるとともにＩ／Ｏインタフェース９に出
力する。

【００２９】ディスプレイ８は演算部７により算出され
たシールド掘進機１の掘進方位や掘進レベルを表示す
る。

【００３０】Ｉ／Ｏインタフェース９は、演算部７から
の出力を地上に設置された監視コンピュータ１０に出力
するとともに、シールド掘進機１に設けたシールドジャ
ッキストローク計、ローリング計、ピッチング計からの
検出信号を受け取り、監視コンピュータ１０に出力す
る。

【００３１】監視コンピュータ１０はジャイロコンパス
５や圧力検出器２等からの情報に基づいてシールド掘進
機１の掘進位置や姿勢を求め、掘進計画に基づいてシー
ルド掘進機１の掘進動作を監視する。

【００３２】ここで、ジャイロコンパス５および管制箱
６が本発明の方位測定手段に相当し、圧力検出器２、連
通管３、基準タンク４がレベル測定手段に相当し、演算
部７が変換手段に相当し、ディスプレイ８が表示手段に
相当する。さらに、主タンク１１が本発明の液体貯留部
に相当し、補給タンク１５が液体補給部に相当し、液体
貯留部２１ａの開口２２が液体貯留部の上面の孔部に相
当し、接続部１２，２３が液体貯留部の下面の孔部に相
当し、補充口１７，２４が液体供給口に相当する。

【００３３】次に、上記の掘進位置測定システムにおけ
るレベル測定動作について説明する。図５はレベル測定
動作の説明図である。レベル測定動作は、レベル原点位
置から開始し、一定の掘進距離ごとにレベル測定装置を
移動させながら各移動区間ごとのレベル差を算出し、か
つその累積値を算出することにより測定位置の掘進レベ
ルを求める。

【００３４】レベル測定装置では、圧力検出器２に常に
正の差圧が付加されるように基準タンク４および圧力検
出器２の配置が決定される。また、演算部７には、水平
状態における基準タンク４の液面レベルと圧力検出器２
の設置レベルとのレベル差が予め入力される。そして、
このレベル差の検出出力が０となるように演算処理が行
われる。

【００３５】下り勾配の場合には、図５（ａ）に示すよ
うに、圧力検出器２を測定位置であるシールド掘進機１
に配置し、基準タンク４をシールド掘進機１の後方に設
定した基準位置Ｐｄに配置する。このようなレベル測定
装置の配置形態の情報は、作業者によって演算部７に入
力される。圧力検出器２は基準タンク４と圧力検出器２
との間の液圧と大気圧との差圧を検出し、演算部７に出
力する。

【００３６】演算部７はレベル測定装置の配置形態を考
慮して、圧力検出器２から出力された圧力信号に基づい
てレベル差を算出する。算出されたレベル差は正負の符
号（極性）が付されている。例えば、鉛直下方をレベル
の負の極性に設定した場合には、算出したレベル差ＬＣ
１は負の値で算出される。また、演算部７はここまでに
累積されたレベル差Ｌ₀に、算出したレベル差ＬＣ１を
加えて掘進作業のレベル原点位置Ｐａからの累積レベル
Ｌを算出する。算出されたレベル差ＬＣ１および累積レ
ベルＬはディスプレイ８に表示される。

【００３７】図６はディスプレイの表示例を示す模式図
である。図５（ａ）に対応した表示例が図６（ａ）に示
される。ディスプレイ８の所定の表示画面８ａではジャ
イロコンパス５により検出されたシールド掘進機１の真
方位と圧力検出器２により検出された累積レベルとが表
示されている。さらに、他の表示画面８ｂでは、測定位
置の現在レベルと目標レベルとが表示されている。ここ
で、現在レベルは鉛直下向きを示す負の値で表示されて
いる。

【００３８】次に、図５（ｂ）に示すように、掘進方向
が上り勾配に転じた場合には、基準タンク４を測定位置
であるシールド掘進機１に配置し、圧力検出器２を基準
位置Ｐｄに配置する。そして、レベル測定装置の配置形
態の情報を作業者が演算部７に入力する。この状態で上
り勾配の作業が進行する。

【００３９】圧力検出器２は基準タンク４と圧力検出器
２との間の液圧と大気圧との差圧を検出し、検出信号を
演算部７に出力する。演算部７はレベル測定装置の配置
形態を考慮し、検出信号に基づいてレベル差ＬＣ２を算
出する。ここでは、測定位置が基準位置Ｐｄに対して鉛
直上方にあるため、レベル差ＬＣ２は正の値で算出され
る。さらに、演算部７は算出したレベル差ＬＣ２とこれ
までの累積レベルＬ₀とを加算し、現在の測定位置にお
ける累積レベルＬを算出する。算出結果はディスプレイ
８に表示される。

【００４０】図６（ｂ）は図５（ｂ）に対応するディス
プレイの表示画面の模式図である。ディスプレイ８の所
定の表示画面８ｃでは上記と同様にジャイロコンパス５
による真方位と圧力検出器２に基づく累積レベルとが表
示されている。他の表示画面８ｄでは測定位置での現在
のレベルとのその目標レベルとが示されている。現在レ
ベルは鉛直上向きを示す正の値で示されている。

【００４１】このように、本発明の掘進位置測定システ
ムにおいては、レベル測定装置の基準タンク４と圧力検
出器２との配置位置を交換可能とし、かつ演算部７がレ
ベル差の方向性を考慮して掘進レベルを算出するように
構成されている。これにより、掘進方向が下り勾配のみ
ならず上り勾配の場合にも連続してレベル測定を行うこ
とができる。

【００４２】なお、上記実施例において、圧力検出器２
はダイヤフラムを用いた形式のみならず、液圧を検出可
能なものであれば他の形式のものであってもよい。

【００４３】また、上記実施例においては、測定位置の
上下変動の方向性を考慮したレベル差が演算部７の演算
処理によって算出される例について説明したが、測定位
置の上下変動の方向性に応じて検出圧力に対する正特性
の出力と逆特性の出力とを切り換えることが可能な圧力
検出器を用いてレベル差を算出するように構成してもよ
い。例えば、正特性では、圧力検出範囲の０％圧力に対
して１Ｖの電圧値または４ｍＡの電流値を出力し、１０
０％圧力に対して５Ｖの電圧値または２０ｍＡの電流値
を出力し、逆特性では、０％圧力に対して５Ｖの電圧値
または２０ｍＡの電流値を出力し、１００％圧力に対し
て１Ｖの電圧値または４ｍＡの電流値を出力する。

【００４４】さらに、本発明の掘進位置測定システムあ
るいはレベル測定装置はシールド掘進機１以外のものの
測量にも適用することができる。特に、レベル測定装置
は、沈下計や定盤のレベル計等に適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による掘進位置測定システムの
構成図である。

【図２】図１の掘進位置測定システムのブロック図であ
る。

【図３】基準タンクの一例を示す断面図である。

【図４】基準タンクの他の例を示す断面図である。

【図５】レベル測定動作を示す説明図である。

【図６】ディスプレイの表示画面の例を示す模式図であ
る。

【図７】従来のレベル測定装置の動作を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１シールド掘進機２圧力検出器３連通管４基準タンク５ジャイロコンパス６管制箱７演算部８ディスプレイ９Ｉ／Ｏインタフェース１１主タンク１３供給配管１５補給タンク２１容器２１ａ液体貯留部２１ｂ液体補給部２１ｃ括れ部２２開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−219776（ＪＰ，Ａ) 特開平２−54091（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−9567（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 15/00 - 15/14 G01C 5/04 G01C 9/18 - 9/36 E21D 1/00 - 9/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基準位置に対する測定位置のレベルを測
定するレベル測定装置であって、液体を貯留する基準タンクと、前記基準タンクに連結された連通管と、前記連通管の端部に接続され、前記基準タンク内の液体
による液圧を検出する圧力検出部と、前記圧力検出部の出力をレベル情報に変換する変換手段
とを有し、前記基準タンクは前記測定位置および前記基準位置のう
ち高い方の位置に配置され、前記圧力検出部は前記測定
位置および前記基準位置のうち低い方の位置に配置さ
れ、前記変換手段は、前記基準タンクが前記基準位置に配置
されかつ前記圧力検出部が前記測定位置に配置された場
合と、前記基準タンクが前記測定位置に配置されかつ前
記圧力検出部が前記基準位置に配置された場合とで、逆
の極性の値を有するレベル情報を出力し、前記基準タンクは、上面の一部に上面開口部を有する液体貯留部と、前記液体貯留部の上方に前記上面開口部で前記液体貯留
部に連通して一体的に設けられた液体補給部とを有し、前記液体貯留部の前記上面の他の部分に孔部が形成さ
れ、前記液体貯留部の下面に前記連通管に連結される孔部が
設けられ、前記液体補給部の上面に開閉可能な液体供給口が設けら
れたことを特徴とするレベル測定装置。
【請求項２】上面の一部に上面開口部を有する液体貯
留部の上方に、前記上面開口部で前記液体貯留部に連通
する液体補給部が一体的に設けられ、前記液体貯留部の前記上面の他の部分に孔部が形成さ
れ、前記液体貯留部の下面に液体を導出するための孔部が設
けられ、前記液体補給部の上面に開閉可能な液体供給口が設けら
れたことを特徴とする基準タンク。