JP3891821B2

JP3891821B2 - 液位測定装置および方法

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Publication number: JP3891821B2
Application number: JP2001330411A
Authority: JP
Inventors: 憲明松村; 浩二横浜; 貞宏安部; 靖史伊藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Food and Packaging Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: JP2003130713A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液位測定装置に関するものである。さらに詳細には、本発明は、飲料充填機械の液位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビール、コーラ、ジュースなどの飲料は、工場で瓶やペットボトルなどの容器に充填され、市場に出荷される。充填するとき、所定の容量を充填する必要がある。充填する飲料を一定にするために、飲料充填機械の液位測定装置には、円筒電極センサが用いられている。
従来の円筒電極センサの電極部１０２を図１０に示す。従来の電極部１０２には、外部電極１０３と、外部電極１０３に絶縁材１０６で固定された内部電極１０５とを含む。電極部１０２の下部には、液が外部電極１０３で囲まれた空隙であるスリット１０４がある。
【０００３】
液位が上昇すると固定して設置されている内部電極１０５と外部電極１０３間の通電断面積が増大するので、この円筒電極センサの電気抵抗は減少する。この抵抗を測定することにより、所定の液位に近づいたら、飲料の充填速度を調節して、所定の液位で充填を止めるようにしている。しかし、充填する液の抵抗値は、充填する液の温度や濃度によっても変化しやすい。このため、飲料充填中にしばしば起こる充填する液の微妙な温度変化や微妙な濃度変化によって、抵抗値が変化してしまう。この結果、飲料充填において所定の液位で正確に充填を止めることができなくなるという問題がある。
【０００４】
この問題を図５Ａを用いて説明する。図５Ａは、内部電極１０２の下端からの距離ｘと、測定される抵抗値Ｒとの関係を示す。充填する液の温度が温度Ｔ₁から温度Ｔ₂に変化すると、距離ｘと充填する液の抵抗値Ｒとの関係を示す線（Ｔ₁）から線（Ｔ₂）に変わる。そうすると、同じ抵抗Ｒ₁が測定されたとしても、その値が距離ｘ₁を示すのか距離ｘ₂を示すのか判断するのが難しい。温度を１度測定したとしても、室温や液温のその後の変化につれて、測定された抵抗値から導きだす距離ｘは大きな誤差を含んでしまい、一定の液位にすることは困難である。このような測定された抵抗値から導き出す距離ｘが変化してしまうことと同様なことは、充填する液の温度の微妙な変化以外にも、充填する液の濃度の微妙な変化においても起こってしまうという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたのものであり、充填する液の温度変化や濃度変化が起きても、充填された液位を正確に測定する液位測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、棒状の内部電極であって、その先端から距離をおいて所定の長さの絶縁部を表面に有する内部電極と、内部電極の外側にある外部電極と、内部電極と外部電極との間の電気抵抗にもとづいて液面の高さを計算する液位測定装置を提供する。上述の液位測定装置は、内部電極および／または該外部電極に接続している演算処理部とを含み、前記外部電極を支持する外部電極支持体と、該外部電極支持体に接続している前記内部電極と接触する内部電極支持体と、該内部電極支持体を下方に押し下げる働きをする弾性体とをさらに含み、前記内部電極の上端部が凸面を有し、該内部電極支持体の下端部が凹面を有し、前記外部電極が前記内部電極とともに該外部電極支持体に挿入されたときに、該凸面と該凹面が接触して固定されるようになっている。ここで、弾性体とは、ばねなどの弾性があるものをいう。また、上述の液位測定装置は、内部電極および／または該外部電極に接続している演算処理部とを含み、前記外部電極を支持する外部電極支持体と、該外部電極支持体に接続している、前記内部電極と接触する内部電極支持体と、該内部電極支持体を下方に押し下げる働きをする弾性体とをさらに含み、前記内部電極の上端部が凹面を有し、該内部電極支持体の下端部が凸面を有し、前記外部電極が前記内部電極とともに該外部電極支持体に挿入されたときに、該凹面と該凸面が接触して固定されるようになっている。ここで、弾性体とは、ばねなどの弾性があるものをいう。前記凹面と前記凸面は、円すい面（テーパー面）であることが好ましい。好適には、演算処理部が、内部電極および／または該外部電極に接続している交流直流変換部と、この交流直流変換部につながり、電気抵抗にもとづき液面の高さを計算するＣＰＵ（中央処理装置）とを含むことが好適である。
【０００７】
好適には、上述の外部電極を筒状に形成し、内部電極を線状あるいは棒状に形成し、外部電極内に内部電極を同軸状に配設することが好ましい。好適には、絶縁部が前記内部電極の表面上にコーティングしてなることができる。また、前記絶縁部が前記内部電極の表面上にはめ込んだ絶縁体の輪であることもできる。
【０００８】
前記外部電極の先端部の内径が、該先端部以外の内径より大きいことが望ましい。本発明の液位測定方法は、上述の液位測定装置を用いて、液面が上昇してくるとき、前記外部電極と前記内部電極との間の抵抗値を連続的に測定して、前記絶縁部において一定となる抵抗値を基準にして、抵抗と液面の高さとの関係の校正を行うステップと、当該校正の結果に基づいて、前記絶縁部の上に達した液面の高さを前記内部電極と前記外部電極との間の抵抗値により測定するステップとを含む。
【０００９】
演算処理部が、内部電極と前記外部電極との間の電気抵抗にもとづいて計算された液面の高さを、液面が絶縁部にあるときの前記内部電極と前記外部電極との間の電気抵抗にもとづいて補正するとは、次のような方法をもって行う。図５Ｂに示すように、内部電極の下端から距離ａ離れた長さｌの絶縁部に液面があるとき（図５Ｂのグラフの横軸の距離がａからａ＋ｌのとき）、抵抗値は一定を示す。液の温度や濃度が変化して、内部電極下端からの距離（高さ）と抵抗値との関係を示す線Ｔ₃が線Ｔ₄に変化しても、この絶縁部において液面の高さにかかわらず、抵抗値が一定の値を示すことを利用し、線Ｔ₃と線Ｔ₄との抵抗値の差が一定であることから、予め線Ｔ₃が得られていれば線Ｔ₄を温度変化に対して補正することができる。よって、測定しようとする液の抵抗から内部電極下端からの補正された距離（高さ）が正確に分かる。
【００１０】
このようにして、本発明によれば、充填する液の温度変化や濃度変化が起きても、充填された液位を正確に測定する液位測定装置を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面にもとづいて、本発明にかかる液位測定装置の好適な実施の形態を説明する。本発明にかかる液位測定装置は、主に、内部電極と、内部電極と相対的に固定されている外部電極と、これらの電極からの信号を演算処理する演算処理部を設ける。
図１は、本発明にかかる液位測定装置１に使用する電極部２の構成を例示した断面図である。この電極部２は、筒状の外部電極３と、該外部電極３内に同軸状に設けた線状または棒状の内部電極５とを備える。測定する液面と垂直となるように配設される。外部電極３は、その下端部にその長手方向に沿ったスリット４が形成され、内部電極５は、絶縁材６を介して外部電極３に支持されている。なお、内部電極５の下端は外部電極３の下端よりも若干上方に位置されている。内部電極５の表面には、絶縁部７を設ける。図２に示すように、絶縁部７は、アルミナ膜７ａ、樹脂ポリイミド系コーティング７ｂ、はめ込み型樹脂チューブリング７ｃが好ましいが、電気を絶縁できる材料ならばよく、限定されるものではない。また内部電極５は、チタン、ＳＵＳ３１６が好ましいが、限定されるものではない。この絶縁部７は、内部電極５の下端から所定の距離をおいて設けられており、所定の長さを有する。したがって、絶縁部７の下方では内部電極５を構成する導電体（補償電極部９）が露出しており、絶縁部７の上部でも同様に導電体（測定電極部８）が液に接触できるように露出している。
【００１２】
図３に示したのは、本発明にかかる液位測定装置１の演算処理部２０である。この演算処理部２０が、内部電極５につながった交流直流変換部２１と、この交流直流変換部２１につながり、電気抵抗にもとづき液面の高さを計算するＣＰＵ２４とを含む。演算処理部２０により、ＣＰＵ２４につながり、計算された液面の高さにもとづいた液の充填バルブの開閉に関する命令を出力する出力回路２５とをさらに設けてもよい。また、ＣＰＵ２４につながった通信インターフェース２３によって液位設定を行う。また、内部電極５と交流直流変換部２１との間には抵抗部２６を設けてもよい。また、この抵抗部２６に交流電圧２７をつなげ、また、交流電圧２７にアース２８をつなげる。図３のように外部電極３をアース２９にして、内部電極５を演算処理部２０に接続する。なお、内部電極５をアースにして、外部電極３を演算処理部２０に接続することもできる。または、両電力３、５を演算処理部２０に接続することもできる。
【００１３】
この演算処理部２０により、内部電極５と外部電極３との間の電気抵抗にもとづいて計算された液面の高さを、液面が絶縁部にあるときの内部電極５と外部電極３との間の電気抵抗にもとづいて補正する。図５Ｂに示すように、内部電極の下端から距離ａ離れた長さｌの絶縁部に液面があるとき（図５Ｂのグラフの横軸の距離がａからａ＋ｌのとき）、抵抗値は一定を示す。液の温度が変化して、距離と抵抗値との関係を示す線Ｔ₃から線Ｔ₄に変化しても、この絶縁部において液面の高さにかかわらず抵抗値が一定の値を示すことを利用し、線Ｔ₃と線Ｔ₄との抵抗値の差が一定であるので、予め線Ｔ₃が得られていれば線Ｔ₄を温度変化や濃度変化に対して補正することができる。よって、測定しようとする液の抵抗から、内部電極下端からの補正された距離（高さ）が正確に分かる。つまり、本実施の形態の液位測定装置では、内部電極３の途中を絶縁することにより、図５Ｂのグラフの抵抗値の一定の値（図５Ｂのグラフの横軸の距離がａからａ＋ｌのときの平坦部）の特性を得られるようになる。この一定の値（平坦部）を基準にして、校正（検定）を行い、実質的に容器３３に液を充填するときに毎回、校正（検定）可能にし、高精度な液面の高さの検出を可能となる。このようにして、図５Ａのように従来の液位測定装置では出来なかった、容器に充填する際に液の温度、濃度の微妙な変化による抵抗値の変化に関わらず、図５Ｂの抵抗値の一定値の平坦部を利用することにより、精密に液面の高さを測定できるようになる。
ここで、液面の高さを測定する際に、図６のように、外部電極の先端部の内径Ｄ₁が、該先端部以外の内径Ｄ₂より大きいことが望ましい。この理由を図６および図７を用いて次に説明する。なお、図６は本実施の形態の液位測定装置に係る外部電極３の下端先端の拡大概念図である。また、図７は本実施の形態の液位測定装置に係る外部電極３、内部電極５の下端先端の拡大概念図である。「大学課程電磁気学演習」（若桑光雄著、昭晃堂、第３５版、昭和５６年３月３０日発行、第２０３頁）に記述されているように、長さｌ、内、外の半径をそれぞれａ、ｂの共軸円筒導体の間に導伝率ｋの物質を満たし、内筒から外筒に向かって放射状に電流Ｉを流すとき、両筒間の抵抗Ｒ、電圧Ｖおよび中心軸からの距離γ（a＜ｒ＜ｂ）の点における外筒に対する電位V’は次の方法により求められる。まず、内・外の円筒間をきわめて薄い共軸円筒の重なりと考え、そのうち半径ｒ、厚さｄｒの円筒をとり、その抵抗を求めると、この円筒の側面積
Sは、数式（１）で表される。
【数１】

よって、この円筒の全抵抗ｄRは数式（２）で表される。
【数２】

数式（２）を距離ｒをaからｂまで積分すると、数式（３）のように全抵抗Rが求められる。
【数３】

図７のように、本実施の形態の内部電極５の外径をｄとし、外部電極３の内径をＤ、液面の高さをＬとすれば、数式（４）にａ＝ｄ／２、ｂ＝Ｄ／２を代入でき、数式（４）のように表される。
【数４】

数式（４）で分かることは、外部電極３の内径のＤを内部電極５の外径のｄに比べて大きくすれば、内部電極５と外部電極３との間の合成抵抗Ｒは液面の高さＬに対する反比例して小さくなる変化が大きくなり、測定しやすくなる。オームの法則である数式（５）を利用して、液面の高さを測定することができる。
【数５】

【００１４】
したがって、液面が絶縁部にあるときの内部電極５と外部電極３との間の電気抵抗にもとづいて測定された抵抗と液面の高さとの間の関係を補正するとき次のようになる。液面が絶縁部７にある際に、図５（Ｂ）のように、抵抗が一定になるので、この一定になったときの抵抗値Ｒ₄を求める。予め実験をして、ある温度で内部電極下端からの距離（高さ）と抵抗値の関係を示す線Ｔ₃を基準線として得ておく。そうすれば、線Ｔ₃上の抵抗が一定となるＲ₃も当然得ているので、基準抵抗値Ｒ₃と新たに測定された抵抗値Ｒ₄との差にもとづいて、内部電極下端からの補正された距離（高さ）を得ることができる。また、液面を絶縁部より距離がある（高い）所望の値Ｍにするには、予め求めている線Ｔ₃上での抵抗Ｒ₅と基準値Ｒ₃との差を、Ｒ₄から減じて求められる目標液面の抵抗であるＲ₆を求められる。よって、この目標液面の抵抗Ｒ₆で液の充填を止めるべく出力回路は液体充填弁４０を閉めるように出力する。
【００１５】
また、変形した実施の形態として、予め、絶縁部７の最上境界を、充填する液の所望の液面にしておく。液を充填したときに、絶縁部７を超えて抵抗が下がり始めた瞬間をとらえ、液体充填弁４０を閉めるようにすることもできる。しかし、この形態であると、充填する液面の高さ、すなわち、液体充填弁４０を止める高さを固定してしまうので、いろいろな充填する液面の高さに対する汎用性がかけることになる。
【００１６】
図４は、本発明にかかる液位測定装置１を利用した液体充填装置３０の要部断面図である。図８は、本発明にかかる液位測定装置１を適用した液体充填装置３０の要部断面図である。図９は、本発明にかかる液位測定装置を適用した液体充填装置の要部断面図である。
液体充填弁４０は、貯蔵容器４５に貯留された液（例えば、コーラ、ビール等の飲料）を容器３３に充填するものであり、貯蔵容器４５とともに周知の回転式液体充填機械の一部を構成する。貯蔵容器４５は中空の環状体からなり、その軸線を中心として回転しうるように支持されている。また、液体充填弁４０は、貯蔵容器４５の底部に液体供給管４４を介して連結され、貯蔵容器４５の周方向に所定の間隔で多数個配列している。
【００１７】
液体充填弁４０は、中空構造のハウジング３５と、このハウジング３５の中空部４６を貫通する態様でこのハウジング３５に上下動可能に支持されたステム３９とを備えている。ステム３９は、下端部に弁体３６を形成するとともに、内部にその軸線に沿ったガス通路３７を形成してある。そして、その上部に駆動シリンダ４１を連結するとともに、下端部に電極部２を取り付けてある。また、貯蔵容器４５と液体充填弁４０とを結ぶカウンタライン４２が取り付けてある。
【００１８】
図８に拡大して示すように、容器３３は、センタリングカップ５３により中央に固定される。電極部２は、ベントチューブとしての機能も併せ持つ筒状の外部電極３と、この外部電極３の軸線上に位置された内部電極５とを備えている。外部電極３は、その上端に絶縁材５７が装着され、内部電極５を外部電極３の中央に位置するように支持されている。そして、その外周面に通気孔５６に液３４が侵入するのを予防するためのスプレッダ５５を突設してあるとともに、その下端より所定長上方の部位に通気孔５６を形成してある。通気孔５６は外部電極３の内部は細管となっているので、外部液面の揺れの伝播を防止（防波効果）するために設けてある。
【００１９】
外部電極３の上端部は、弁体３６の下端部にねじ５９により螺着され、また内部電極５の上端部は、上記ステム３９の絶縁材５７により設置された支持ロッド５０の下端部にテーパー面（円すい面）５８において固定されている。この支持ロッド５０は、内部電極５を接触して支持するための支持体である。内部電極５は上端部のテーパー面(円すい面）５８と、中間のねじ５９の部分において、外部電極３に固定されている。外部電極３をねじ５９にねじこむと、内部電極５の上端部のテーパー面が支持ロッド５０の下端部のテーパー面に接触し、固定される。また、支持ロッド５０は上端部から図９のようにばねなどの弾性体５１によって、上部から押さえつけられ支持されてもよい。このテーパー面（円すい面）５８の凹凸は、支持ロッド５０側に凹面、内部電極５側に凸面を形成することが望ましい。しかし、逆に、この凹凸は、支持ロッド５０側に凸面、内部電極５側に凹面を形成することでもよい。
【００２０】
駆動シリンダ４１が伸長作動すると、ステム３９が下動する。これにともない弁体３６の下面側に設けられたパッキン５２がハウジング３５に設けられた弁座５４に当接して、この液体充填弁４０が閉止状態になる。このような作用をもつ液体充填弁４０に開閉の指示の出力を、図３の演算処理部２０は電極部２で得られた抵抗にもとづく液面の高さにもとづいて行う。
【００２１】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、充填する液の温度変化や濃度変化が起きても、充填された液位を正確に測定する液位測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる液位測定装置に適用する電極部の構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明にかかる液位測定装置に適用する内部電極の構成を示す図である。
【図３】本発明にかかる液位測定装置の実施形態を示す回路図である。
【図４】本発明にかかる液位測定装置を適用した液体充填装置の要部断面図である。
【図５】本発明にかかる液位測定装置の電極部で測定される抵抗値と内部電極下端からの距離との関係を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる液位測定装置の外部電極の先端部の好ましい例を示した要部断面図である。
【図７】本発明にかかる液位測定装置の要部断面図である。
【図８】本発明にかかる液位測定装置を適用した液体充填装置の要部断面図である。
【図９】本発明にかかる液位測定装置を適用した液体充填装置の要部断面図である。
【図１０】従来の液位測定装置に適用する電極部の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１液位測定装置
２電極部
３外部電極
４スリット
５内部電極
６絶縁材
７絶縁部
７ａアルミナ膜
７ｂ樹脂ポリイミド系コーティング
７ｃはめ込み型樹脂チューブリング
８測定電極部
９補償電極部
２０演算処理部
２１交流直流変換器
２２アナログデジタル変換器
２３通信インターフェース
２４ＣＰＵ
２５出力回路
２６抵抗部
２７交流電圧
２８アース
２９アース
３０液体充填装置
３３容器
３４液
３５ハウジング
３６弁体
３７ガス通路
３８支持ロッド
３９ステム
４０液体充填弁
４１シリンダ
４２カウンタライン
４３液
４４液体供給管
４５貯蔵容器
４６中空部
５０支持ロッド
５１ばね（弾性体）
５２パッキン
５３センタリングカップ
５４弁座
５５スプレッダ
５６通気孔
５７絶縁材
５８テーパー面（円すい面）
５９ねじ

Claims

棒状の内部電極であって、その先端から距離をおいて所定の長さの絶縁部を表面に有する内部電極と、該内部電極の外側にある外部電極と、該内部電極と該外部電極との間の電気抵抗にもとづいて液面の高さを計算する液位測定装置において、
前記内部電極および／または前記外部電極に接続している演算処理部とを含み、前記外部電極を支持する外部電極支持体と、該外部電極支持体に接続している前記内部電極と接触する内部電極支持体と、該内部電極支持体を下方に押し下げる働きをする弾性体とをさらに含み、前記内部電極の上端部が凸面を有し、該内部電極支持体の下端部が凹面を有し、前記外部電極が前記内部電極とともに該外部電極支持体に挿入されたときに、該凸面と該凹面が接触して固定されるようになっていることを特徴とする液位測定装置。
棒状の内部電極であって、その先端から距離をおいて所定の長さの絶縁部を表面に有する内部電極と、該内部電極の外側にある外部電極と、該内部電極と該外部電極との間の電気抵抗にもとづいて液面の高さを計算する液位測定装置において、
前記内部電極および／または前記外部電極に接続している演算処理部とを含み、前記外部電極を支持する外部電極支持体と、該外部電極支持体に接続している、前記内部電極と接触する内部電極支持体と、該内部電極支持体を下方に押し下げる働きをする弾性体とをさらに含み、前記内部電極の上端部が凹面を有し、該内部電極支持体の下端部が凸面を有し、前記外部電極が前記内部電極とともに該外部電極支持体に挿入されたときに、該凹面と該凸面が接触して固定されるようになっていることを特徴とする液位測定装置。
前記凹面と前記凸面は、円すい面であることを特徴とする請求項１または２に記載の液位測定装置。
前記演算処理部が、前記内部電極および／または該外部電極に接続している交流直流変換部と、該交流直流変換部につながり、前記電気抵抗にもとづき液面の高さを計算するＣＰＵとを含むことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の液位測定装置。
前記外部電極を筒状に形成し、前記内部電極を線状に形成し、前記外部電極内に前記内部電極を同軸状の配設したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液位測定装置。
前記絶縁部が、前記内部電極の表面上にコーティングしてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液位測定装置。
前記絶縁部が、前記内部電極の表面上にはめ込んだ絶縁体の輪であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液位測定装置。
前記外部電極の先端部の内径が、該先端部以外の内径より大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の液位測定装置。
請求項１から８のいずれかの液位測定装置を用いて、液面が上昇してくるとき、前記外部電極と前記内部電極との間の抵抗値を連続的に測定して、前記絶縁部において一定となる抵抗値を基準にして、抵抗と液面の高さとの関係の校正を行うステップと、当該校正の結果に基づいて、前記絶縁部の上に達した液面の高さを前記内部電極と前記外部電極との間の抵抗値により測定するステップとを含む液位測定方法。