JP3548092B2 - 液体検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下方向に延びた透明又は半透明な配管の内部で、液体のレベルが所定の基準水位に達しているか否かを検出する液体検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液体を貯蔵したタンクには、タンク内の液体のレベルを外部から見えるようにするために、タンクに連通した透明な配管を上下方向に延ばして備える。そして、この配管内の液体レベルが、所定の基準水位に達しているか否かを検出するために、液体検出装置が用いられる。
【０００３】
この種の液体検出装置の従来の一例として、図１１〜図１３には、実開昭５５−１１２２２３号公報に掲載されたものが示されており、このものは、配管４を間に挟んで投光器１と受光器２とを対向状態に備える。投光器１は、図１２に示すように、投光素子１１から出射した光を投光用凸レンズ１２を介して平行光にし、さらにスリット６１を通して配管４に照射する。一方、受光器２は、前記スリット６１に対向した遮蔽板６２の後方に、受光用凸レンズ２２及び受光素子２１を備える。そして、液体５が所定レベルに達して投受光器１，２間に液体５が有ると、図１２（ａ）に示すように、投光器１から出射された平行光が、液体５のレンズ効果によって遮蔽板６２へと集光され、その後方の受光用凸レンズ２２及び受光素子２１には光が受光されなくなる。一方、液体５が投受光器１，２間から無くなると、図１２（ｂ）に示すように、光は集光されず、受光用凸レンズ２２を介して受光素子２１に受光され、その受光素子２１の出力信号に基づき、液体５が検出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２に示すように、配管４は横割り面で見ると湾曲した形状をなし、液体が満たされたときにレンズ効果を奏する。また、配管の直径が異なる場合にはそれぞれレンズ効果による焦点距離が異なることがわかる。即ち、具体的には、図１４（Ａ）に示すように、例えば、直径ｄ１＝φ４ｍｍの配管で液体が満たされている場合において、その屈折率を１．３５とすると、その焦点距離はａ１＝３．９ｍｍでその主点は−２ｍｍである。一方、例えば、直径ｄ２＝φ１０ｍｍの配管ではその焦点距離はａ２＝９．６である。これらより、ｄ１＋ａ１＜ｄ２だから、直径ｄ１＝φ４ｍｍと直径ｄ２＝φ１０ｍｍの配管では、投受光の位置関係を調整する必要がある。
つまり、平行光を配管に入射させると下図の様に液体の無い場合に比較して液体の有る場合の受光信号が大きくなる位置（範囲ａ，範囲Ａ）に受光部を設置するとき、小さい直径の場合と大きい直径の場合でその位置が異なり、その都度受光位置を変更しなければならないというわずらわしさが生じる。
そして、投受光の位置関係を調整しないで使用できる条件は
ｄ１＋ａ１＞ｄ２ および ｄ１＋ａ１＜ｄ２＋ａ２ である。
この条件を満たし、ｄ２−ｄ１をできるだけ大きくするためには投光の光は発散させるのが好ましい。また、投光部は管の接近した位置から放射させるのがよい。図１５（Ｂ）において、液の無い場合に比較して液の有る場合に受光信号が大きく得られる範囲ａ，Ａは、図１５（Ａ）に比べて図１５（Ｂ）の方が広く、調整が容易であり、異なる直径の配管にも調整を要せず容易に取り付けることができる。
【０００５】
一方、図１１に示すように、配管４は縦割り面で見ると湾曲形状をなさず、レンズ効果を奏しない。従って、投光器１から出射される光は、配管４の縦割り面で見たときには、平行光であっても、単に２つの凸レンズ１２，２２の光軸を合わせるだけでよいので、光軸調整が困難ではない。ところが、仮に、配管４の縦割り面で見て放射光を配管４に与えると、例えば液体に気泡が生じたときに、その気泡の射影が受光器２側に広い範囲に亘り、受光強度を下げ、液体があるにも関わらず液体がないとの誤差検出を行う原因になり得る。或いは、配管内に液体が無いにもかかわらず、配管内に水滴が付着している場合には、水滴が凸レンズ効果を奏し、受光器２側に広い範囲に亘り受光強度を上げ、液体が無いにもかかわらず、液他があると誤検出を行う原因にもなりうる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、径の異なる配管に取り付けることができ、光軸調整が容易でかつ液体内に異物があっても、誤検出を行わない液体検出装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
＜請求項１の発明＞
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る液体検出装置は、上下方向に延びかつ内部で液体のレベルが推移する透明又は半透明な配管を間に挟んで配置された投光部及び受光部と、受光部が受けた光の受光量に応じた受光信号と所定の基準値との大小関係を判別する比較部とを備え、その比較部による判別結果に基づき、投光部及び受光部の間の液体の有無を検出する液体検出装置において、投光部と配管との間には、投光用レンズが設けられ、その投光用レンズは、発光部から出射された光を、配管の縦割り面で見たときには、平行光にする一方、配管の横割り面で見たときには、放射光にするとともに、受光部と配管との間には、受光用レンズが設けられ、その受光用レンズは、配管の縦割り面で見たときには、投光用レンズから出射された平行光を受光部に集光するように構成されたところに特徴を有する。
【０００８】
この構成によれば、投光部からの光は、投光用レンズによって、配管の横割り面で見たときには、放射光とされる。そして、配管内に液体があるときには、そのレンズ効果によって、光が集光されて、受光部の受光強度が大きくなる一方、液体がないときには、レンズ効果を奏さず、放射光のまま受光部が受光して、受光強度が小さくなる。そして、これら受光強度の相違によって、液体の有無を検出することができる。このとき、投受光部に対して配管の大きさが異なっても液体の有無によって受光強度は相違する。したがって配管の大きさが異なるものにも光軸調整や投受光部の位置関係を調整しなくても液体の検出を行うことができ、従来のものよりも用途が拡大し、配管サイズのばらつきを気にする必要も無い。しかも、投受光部からの光は投光用レンズによって、配管の縦割り面で見たときには、平行光とされるから、液体内に異物があっても、その異物の射影が受光部側に広い範囲に亘ることがなくなり、受光強度への影響を抑えることができる。これにより、液体内の異物による誤検出を防ぐことができる。
【０００９】
なお、具体的に、投光用レンズは、上下左右前後にそれぞれ一対ずつの対向面を有した６面体で構成され、それら６面のうち配管に対面する投光用レンズの前端面は、前記配管の縦割り面で見ると、配管に向かって中央部分が突出した凸面構造をなし、前記配管の横割り面で見ると、配管に向かって中央部分が窪んだ凹面構造又は平坦になった平面構造をなした構成にすることで、その投光用レンズが、発光部から出射された光を、配管の縦割り面で見たときに、平行光にし、配管の横割り面で見たときに、放射光にすることができる。
【００１２】
なお、上記請求項１の発明において、前記比較部には、前記液体が有るときの受光強度に対応した第１基準値と、前記受光部が出力した受光信号との大小関係を判別する第１比較部と、前記液体が無いときの受光強度に対応した第２基準値と前記受光信号との大小関係を判別する第２比較部とが備えられ、前記第１及び第２の比較部による判別結果に基づき、前記受光信号が前記第２基準値を下回ったときには、異常を検出し、前記受光信号が前記第２基準値を上回りかつ前記第１基準値を下回ったときには、前記液体が無いことを検出し、さらに、前記受光信号が前記第１基準値を上回ったときには、前記液体が有ることを検出する判別手段を備えた構成してもよい。これにより、液体の有無以外に、液体検出装置の異常をも検出することができるようになり、液体検出の正確性が増す。
【００１６】
液体検出装置は、配管３１の途中部分に取り付けられるセンサヘッド部４０（図１参照）と、配管３１とは離して配置された電気回路部７０（図７参照）とを、一対の光ファイバー５５，５６（図３参照）で連絡してなる。
【００１７】
電気回路部７０には、図示しない投光素子と受光素子とが備えられており、投光素子には、一方のファイバー５５（これを、以下、適宜、「投光用光ファイバー５５」という）の基端面が突き合わされている。そして、この投光用光ファイバー５５の先端部が本発明の投光部５０（図３参照）を構成し、投光素子が駆動回路にて駆動されると、投光部５０（より詳細には、投光用光ファイバー５５の先端面５５Ａ）から光が出射される。また、受光素子には、他方の光ファイバー５６（これを、以下、適宜、「受光用光ファイバー５６」という）の基端面が突き合わされている。そして、この受光用光ファイバー５６の先端部が本発明の受光部５１を構成し、受光部５１（より詳細には、受光用光ファイバー５６の先端面５６Ａ）に受光された光が、前記受光素子に与えられる。
【００１８】
上記両光ファイバー５５，５６は、それらの先端側が、ブラケット４１に固定されている。ブラケット４１は、図３に示すように、所定の間隔を開けて対向配置された一対の脚部４２，４３の一端同士を連絡壁４４で架橋してなる。その一方の脚部４２（以下、適宜、「投光側脚部４２」という）の先端部のうち、相手側の脚部４３（以下、適宜、「受光側脚部４３」という）との対向面には、Ｖ字溝４５が形成されている。また、図２に示すように、投光側脚部４２には、配管３１に沿って上下に延びた被巻回壁４６，４６が形成され、さらに、それら被巻回壁４６，４６の先端を、投光側脚部４２の基端側から屈曲して延びた補強壁４７，４７に繋げて補強してある。そして、図３に示すように、前記Ｖ字溝４５の内側面を配管３１の周面に押し当て、図２に示すように、配管３１ごと被巻回壁４６，４６の外面にワイヤＷを巻回して、ブラケット４１が配管３１に固定されている。なお、図３の符号３１Ｘ，３１Ｙで示すように、配管の径が異なっても、それら配管３１Ｘ、３１Ｙの周面をやはりＶ字溝４５の内側面を押し当てて、ワイヤＷで固定することができる。
【００１９】
さて、投光側脚部４２には、図３に示すように、投光用レンズ８０が埋設されている。投光用レンズ８０の基端面８０Ｂには、隙間を隔てて投光部５０に突き合わされ、また、前端面８０Ｆは、前記Ｖ字溝４５の底部で露出されている。一方、受光側脚部４３には、受光用レンズ９０が埋設され、その基端面９０Ｂには、受光部５１に突き合わされ、また、前端面９０Ｆは、受光側脚部４３のうち投光用レンズ８０の前端面８０Ｆと対向位置で露出している。
【００２０】
これら両レンズ８０，９０は、それぞれの途中に、光の向きを９０度変えるプリズム部８０Ａ，９０Ａを備えているが、説明のために、図４には、プリズム部８０Ａ，９０Ａを無くして簡略化した両レンズ８０，９０が示されている。以下、図４〜図７に示基づいて説明する。まず、図４に示すように、両レンズ８０，９０は、共に、上下前後左右にそれぞれ一対ずつの対向面を有した６面体で構成されている。また、上下方向（配管３１の長手方向）と左右方向で対向する各対向面が平行になっており、さらに、上下より左右に扁平となって、その横方向の寸法は、配管３１の直径より小さい。
【００２１】
さて、両レンズ８０，９０は、図５に示すように配管３１の縦割り面で見ると、共に、配管３１に対向した前端面８０Ｆ，９０Ｆが、配管３１に向かって中央部分が突出した凸面構造をなし、基端面８０Ｂ，９０Ｂが、上下方向に真っ直ぐ延びた平面構造をなす。これにより、同図に示すように、配管３１の縦割り面で見たときには、投光部５０から出射された放射光は、投光用レンズ８０の前端面８０Ｆで平行光にされて配管３１を通過し、受光用レンズ９０の前端面９０Ｆがこれを受けて、受光部５１に集光する。
【００２２】
一方、図６に示すように、両レンズ８０，９０を、配管３１の横割り面で見ると、両レンズ８０，９０は異なる構造をなす。即ち、投光用レンズ８０は、その前端面８０Ｆが、配管３１に向かって中央部分が窪んだ凹面構造をなし、基端面８０Ｂが、配管３１に向かって中央部分が突出した凸面構造をなす。一方、受光用レンズ９０は、前端面９０Ｆ及び基端面９０Ｂが共に、横方向に平坦になっている。これにより、同図に示すように、配管３１の横割り面で見たときには、投光部５０から出射した放射光は、投光用レンズ８０の基端面８０Ｂで平行光にされて、投光用レンズ８０から出射されるときに、前端面８０Ｆの凹形状によって、放射状に発散して配管３１に照射される。
【００２３】
そして、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に対比したように、投光部５０から投光用レンズ８０を介して放射状に出射された光は、配管３１内に液体Ｌが有る無しに関わらず、受光部５１に受光されるが、液体Ｌによるレンズ効果の有無により、受光部５１の受光強度は、液体Ｌが有るときより、無いときの方が小さくなる。
【００２４】
次に、本実施形態の電気的構成を説明する。受光部５１が受光した光は、光ファイバー５５を介して図示しない受光素子に与えられ、受光素子は、受けた光の受光量に応じた受光信号を、図７に示した電気回路部７０の受光回路７１に出力する。受光回路７１は増幅回路を内蔵しており、受光素子から受けた受光信号を増幅して、比較回路７２に与える。
【００２５】
本実施形態では、比較回路７２は、一対のコンパレータ１，２を備えてなる。そして、コンパレータ１は、第１基準値と受光信号との大小関係を判別して、その大小関係に応じた２値信号を出力し、コンパレータ２は、第２基準値と、受光信号との大小関係を判別して、その大小関係に応じた２値信号を出力する。ここで、第１基準値は、前述したように、液体Ｌが有るときの受光強度に対応した電位に設定され、第２基準値は、液体Ｌが無いときの受光強度に対応した電位に設定されている。また、図７において、符号７３は、出力回路であって、前記コンパレータ１，２の出力結果に基づき、「液体有り」、「液体無し」及び「異常発生」に応じた３値の検出信号を出力する。
【００２６】
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
本実施形態の液体検出装置を配管３１に取り付け、起動スイッチ（図示せず）をオンする。すると、投光部５０から放射光が出射され、これが、投光用レンズ８０に入光するときに、配管３１の横割り面で見たときには、入光面となる基端面８０Ｂにて平行光に変えられ（図６参照）、投光用レンズ８０の前端面８０Ｆまで進む。ここで、投光用レンズ８０の前端面８０Ｆは、配管３１の横割り方向で、凹面構造をなすから、その前端面８０Ｆから出射した光は、配管３１の横割り方向で、放射光にされて配管３１に与えられる。そして、配管３１内の液体Ｌがあるときには、図６（Ｂ）に示すように、そのレンズ効果によって、光が集光されて、受光部５１の受光強度が大きくなる。一方、液体Ｌがないときには、図６（Ａ）に示すように、レンズ効果を奏さないから放射光が集光されず、受光強度が小さくなる。このとき、投受光レンズ８０，９０および投受光部５０，５１に対して配管３１の直径が異なるものについても、液体の有無によって受光強度は相違する。したがって光軸調整や投受光部の位置関係を厳密に行わなくても液体Ｌの検出を行うことができ、従来のものよりも用途が拡大し、配管サイズのばらつきを気にする必要も無い。
【００２７】
また、本実施形態では、投光部５０からの放射光を、一度、基端面８０Ｂで平行光にしてから、再度、放射光に戻しているが、これにより、配管３１に接近した位置から放射光を出射することができ、以下のような作用効果を奏する。即ち、配管３１から離れた位置から放射光を与えると、図８（Ａ）と図８（Ｂ）とに対比して示すように、配管３１の直径の大きさの相違によって、配管３１を通過した光の集光点Ｐ１が異なる。このため、図８（Ｂ）に示すように、小さい径の配管３１Ｙでは、受光部５１の手前に集光点Ｐ１が位置して、受光部５１には、その集光点Ｐ１から放射した光が与えられ、受光強度が液体Ｌの有無によって相違しなくなり、液体Ｌを検出できなくなる。あるいは、それを回避すべく、投受光部５０，５１の配置を逐一変える必要が生じる。しかし、配管３１に接近した位置から放射光を出射した場合には、そのようなことはなく、本実施形態では、投光部５０からの放射光を、一度、基端面８０Ｂで平行光にしてから、再度放射光に戻すことで、配管３１に接近した位置から放射光を出射したから、配管３１の径の大小に関わらず、液体Ｌの有無を検出することができる。
【００２８】
上述の如く、液体Ｌの有無によって受光部５１の受光強度が変わると、これら受光強度に対応した大きさの受光信号が、受光素子から出力される。すると、受光回路７１を介して、この受光信号が、コンパレータ１，２に取り込まれる。そして、各コンパレータ１，２において、受光信号が、第１及び第２の基準値より大きいか否かを判断いて、出力回路７３から、「液体有り」又は「液体無し」に対応した検出信号が出力される。ここで、本実施形態では、投光部５０からの光は、配管３１の縦割り面で見たときには、投光用レンズ８０によって平行光とされるから、図５に示すように、液体Ｌに気泡や凝固物等の異物Ｚが生じたときに、その異物Ｚが受光部５１側に広い範囲の射影になることはなく、受光強度への影響を抑えることができる。これにより、液体Ｌ内の異物Ｚによる誤検出を防ぐことができる。
【００２９】
さらに、例えば、光ファイバー５５が途中で断線した場合には、投光部５０から光が出射されず、受光部５１は光を受光できなくなり、受光素子からの受光信号のレベルが、所定値以下（例えば、０［Ｖ］）になる。すると、この受光信号がコンパレータ２に取り込まれて、第２基準値を下回ったと判別されて、異常検出信号が出力回路７３から出力される。
【００３０】
このように、本実施形態の液体検出装置によれば、配管３１を通過させる光を、配管３１の横割り面で見たときに、放射光にすることで、配管が異なるものにも光軸調整や投受光部の位置関係を調整しなくても液体の検出を行うことができ、従来のものよりも用途が拡大し、配管サイズのばらつきを気にする必要もない。縦割り面で見たときに平行光としたから、液体内に気泡等の異物があっても、液体がないときの配管内に水滴が付着しても、その影響を抑え、誤検出を除くことができる。しかも、光ファイバー５５，５６の断線等の異常を検出可能としたことで、液体検出の正確性が増す。
【００３１】
＜本発明の技術的範囲に含まれない参考例＞
本実施形態は、図９及び図１０に示されており、以下、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明し、同一の構成に関しては、同一符号を付して重複説明は省略する。
【００３２】
本実施形態の液体検出装置における投光部５０は、複数の投光用光ファイバー５５の各先端部を発光部１００として、これら発光部１００を、配管３１の長手方向に沿って、互いに所定の間隔を開けて配列してなる。一方、受光部５１は、複数の受光用光ファイバー５６の各先端部を小受光部１０１として、これら小受光部１０１を、配管３１を間に挟んで前記各発光部１００に対向させてなる。
【００３３】
このような構成としても、図１０に示すように、投光部５０からの光を、配管３１の横割り面で見て放射光とすることができるから、配管３１の直径が異なるものについても、液体の有無によって受光強度が相違する。従って、光軸調整や投受光部の位置関係の調整を厳密に行わなくても、液体の検出を行うことができ、従来のものよりも用途が拡大し、配管サイズのばらつきを気にする必要も無い。
しかも、投光部５０を構成する複数の発光部１００は、配管３１の長手方向に沿って配列されているから、図９に示すように、かりに、液体Ｌに気泡や凝固物等の異物が生じ、あるいは、気体内に水滴などが付着して、１つの発光部１００の前方に異物Ｚが位置していても、それ以外の発光部１００からの光が受光部５１側に与えられ、異物Ｚによる受光強度への影響を抑えることができる。これにより、液体内に気泡等の異物があっても、液体がな無いときの配管に水滴が付着していても、その影響を抑えて誤検出を防ぐことができる。
【００４２】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００４３】
（１）前記各実施形態では、配管３１は透明であったが、配管は半透明なものであってもよい。
【００４４】
（２）前記第１実施形態では、光ファイバー５５，５６の先端部を投受光部５０，５１として、ブラケット４１に固定した構成であったが、投光素子及び受光素子を、投光部及び受光部としてブラケットに固定し、それら投受光素子から配線を延ばして電気回路部に連絡した構成としてもよい。
【００４５】
（３）前記第１実施形態では、両レンズ８０，９０は、屈曲して途中にプリズム部８０Ａ，９０Ａを備えていたが、図４に簡略して示したもののように、プリズム部を備えない構成でもよい。
【００４６】
（４）前記第１実施形態では、投光用レンズ８０は、図６に示したように、基端面８０Ｂが凸面形状をなし、前端面８０Ｆが凹面形状をなしていたが、これら基端面８０Ｂ及び前端面８０Ｆをともに平面形状にしてもよい。そのようにしても、前端面８０Ｆから放射光を出射することができるからである。但し、前記第１実施形態のように基端面８０Ｂを凸面形状、前端面８０Ｆを凹面形状にすれば、前述したように、配管３１に接近した位置から光を放射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に液体検出装置の側断面図
【図２】液体検出装置の側面図
【図３】液体検出装置の平断面図
【図４】投光用レンズの斜視図
【図５】配管の縦割り面で見た断面図
【図６】配管の横割り面で見た断面図
【図７】液体検出装置の電気的構成を示すブロック図
【図８】配管の径の相違による問題点を示す概念図
【図９】参考例の液体検出装置の側断面図
【図１０】その液体検出装置の平断面図
【図１１】従来の液体検出装置の側断面図
【図１２】液体検出装置の原理を示す概念図
【図１３】液体検出装置のブラケットを示す斜視図
【図１４】従来の問題点を説明するための概念図
【図１５】従来の問題点を説明するための概念図

Claims (1)

1. 上下方向に延びかつ内部で液体のレベルが推移する透明又は半透明な断面円形の配管を間に挟んで配置された投光部及び受光部と、
   前記受光部が受けた光の受光量に応じた受光信号と所定の基準値との大小関係を判別する比較部とを備え、その比較部による判別結果に基づき、前記投光部及び受光部の間の液体の有無を検出する液体検出装置において、
   前記投光部と前記配管との間には、投光用レンズが設けられ、その投光用レンズは、前記発光部から出射された光を、前記配管の縦割り面で見たときには、平行光にする一方、前記配管の横割り面で見たときには、放射光にするとともに、
   前記受光部と前記配管との間には、受光用レンズが設けられ、その受光用レンズは、前記配管の縦割り面で見たときには、前記投光用レンズから出射された前記平行光を前記受光部に集光するように構成されたことを特徴とする液体検出装置。

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