JP4004148B2 - 振動式レベル検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は振動式レベル検出装置に関し、たとえば、粉流体や液体などのレベルの変化を検出するような振動レベル検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動式レベル検出装置の一例として、特開平６−１０２０７９号公報において、音片振動子を用いた例が記載されている。この振動レベル検出装置は、頂部が支持された振動片の一方を容器内に挿入し他端の先端付近の側面に磁性体を設けた振動片と、その振動片の磁性体に適当な空間距離を隔てて挟み込むように配置した加振コイルおよび受信コイルと、受信コイルの信号を増幅後加振コイルに加える増幅部と、受信コイルに発生する受信信号の大きさにより出力信号を出力する出力部とから構成されている。
【０００３】
このように構成された振動レベル検出装置において、増幅回路の増幅度を上げると、ある点で磁性体の微動→受信コイルに電圧誘起→増幅回路で増幅→加振コイルに印加→磁界が発生して磁性体を吸引（反発）→磁性体が大きく振動→受信コイルに発生する電圧が増加→振動片の振動が一定値で継続する。この振動継続状態に容器内に挿入した振動片に粉体などが接触すると、加振値に比べて受信コイルに誘起する電圧が低下し、この低下具合により出力信号を出力する。
【０００４】
しかしながら、この振動式レベル検出装置においては、電磁石で発生した振動を効率よく振動片の粉体接触部に伝える必要があるため、タンクの内部と外部を隔絶するとともに、振動片をその振動を拘束しないように、シリコンゴムなどからなる薄膜板などの柔軟な部材で支持している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の振動式レベル検出装置においては、加振コイルと受信コイルが近くにあるために加振コイルで発生した磁界が受信コイルに到達して大きな起電力となるため、粉体のありなしで変化する振動体の僅かな減少に伴う磁性体と受信コイル相互間で変化する僅かな起電力の変化が検出しにくく、軽比重の粉体を計ることができない。
【０００６】
また、振動板側面に取付けた磁性体に適当な空間を隔てて振動板の長手方向に対して磁界方向が直角となる向きに加振コイルと受信コイルとを振動板を挟んで配置するために、比較的大きな空間が必要となり、小型化する上で問題があった。また、振動片をタンクに取付ける際、振動片をその振動を拘束しないように薄板膜で支持する必要があるために機械的強度が弱いという欠点がある。
【０００７】
一方、加振手段としてチタン酸鉛ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃ −ＰｂＺｒＯ₃ ）を主成分とする圧電素子を振動板の一部に取付け、圧電素子に増幅回路から出力される高電圧を加え、圧電素子に発生した機械的歪みを振動板に伝達して、計測に必要な振動を発生させる方法も従来から考えられている。
【０００８】
ところが、圧電素子に印加する駆動電圧と発生する振動の強さ（振動振幅）は正比例の関係にあり、通常数十から数百ボルトと一般的な回路電圧に比べると高電圧であり、この高電圧のために回路電圧とは別に回路内で発生させる別回路が必要となる。
【０００９】
また、高電圧が印加されている部分の耐電圧や絶縁性能にも十分配慮が必要であるとともに誤って人など触れた場合、感電のおそれがあり危険である。さらに、印加電圧が高いとともに圧電素子自体も衝撃や振動で高電圧を発生するため、高電圧による空中放電が発生する危険性があり、引火性ガスや引火性蒸気中における使用には制限を受ける。
【００１０】
しかも、圧電素子の材料であるチタン酸鉛ジルコン酸鉛などの強誘電体は、ペロブスカイト形と呼ばれる結晶構造を持っており、この結晶構造は室温状態では正方晶系の結晶構造をもち、自発分極による圧電効果を生じる。しかし、温度が高くなり立方晶系の構造へ移行すると自発分極を持たなくなり、圧電効果を失ってしまう。この結晶構造が正方晶系から立方晶系に相転移する温度をキュリー点と呼び、室温からキュリー点に向かい徐々に圧電効果が弱まり、キュリー点に達した段階でなくなる。したがって、加振手段として圧電素子を使用している場合、キュリー点を越える温度での使用は不可能であるとともにキュリー点以下の温度であっても温度が異なれば圧電素子の加振効率に変化が生じ、厳密な意味では検出感度に差ができるという問題点がある。
【００１１】
それゆえにこの発明の主たる目的は、機械的強度が強く、駆動電圧も低くて使用環境に制限を受けることがないような振動式レベル検出装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、その基部を固定端となし、その先端部を閉塞部で閉塞された自由端とする検出パイプ部と、検出パイプ部の内部に設けられ、その一端が閉塞部に固着され、その他端に磁石が設けられて自由端とされる細長い振動片と、検出パイプ部の内部に振動片の軸方向と向き合うように配置され、振動片を励振させて検出パイプ部と閉塞部と振動片とを折返し振動させる電磁石と磁石とによる加振手段と、検出パイプ部に設けられ、折返し振動の振動状態を検出する検出手段とを備えて構成される。
【００１３】
請求項２に係る発明では、請求項１の磁石は永久磁石であり、請求項３では電磁石である。
【００１４】
請求項４に係る発明では、請求項１の検出パイプ部の固定端側内面にねじが形成されていて、さらにその一端に電磁石が取付けられ、その他端の外周面に検出パイプ部の内面のねじに螺合するねじが形成された中空の内部ロッドを含む。
【００１５】
請求項５に係る発明は、その基部を固定端となし、その先端部を閉塞部で閉塞された自由端とする検出パイプ部と、検出パイプ部の内部に設けられ、その一端が閉塞部に固着され、その他端に磁性体が設けられて自由端とされる細長い振動片と、検出パイプ部の内部に振動片の軸方向と向き合うように配置され、振動片を励振させて検出パイプ部と閉塞部と振動片とを折返し振動させるための電磁石と磁性体とによる加振手段と、検出パイプ部に設けられ、折返し振動の振動状態を検出する検出手段を備えて構成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の振動式レベル検出装置の断面図と電気系統のブロック図である。
【００１７】
図１（ａ）において、検出パイプ部１は、その基部１１が固定端とされ、その先端部が閉塞部１２で閉塞されて自由端とされ、折返し片持ち梁を構成している。検出パイプ部１の内部には、細長い矩形状の振動片２が設けられる。すなわち、振動片２の一端は検出パイプ部１の閉塞部１２に固着され、他端には永久磁石３が設けられて自由端とされる。
【００１８】
さらに、振動片２の軸方向と向き合うように電磁石４が検出パイプ部１の内壁に密着するように取付けられる。電磁石４が交流電流で駆動されると、電磁石４が発生する磁界と、永久磁石３の磁界の吸引反発作用により、振動片２と閉塞部１２と検出パイプ部１が基部１１を固定端として折返し片持ち梁の振動を発生させる。
【００１９】
検出パイプ部１の基部１１側の内側の壁には歪み検出素子５が設けられる。歪み検出素子５は検出パイプ１の基部１１側の振動振幅状態を検知して電気信号に変換し、増幅回路６に与える。増幅回路６は入力された信号を増幅して再び電磁石４に入力する。
【００２０】
図２はこの発明の一実施形態の動作モードを説明するための図である。図２を参照して、この発明の一実施形態の具体的な動作について説明する。電磁石４に加えられる電流の極性と電磁石４に発生する磁界の関係が図１（ｂ）に示す関係であるとすると、電磁石４の永久磁石３に向き合う極がＮ極となり、振動片２に取付けられた永久磁石３のＳ極との間には吸引力が生じ、永久磁石３のＮ極との間には反発力が生じ、振動片２の自由端は図１（ｂ）において上側に力を受けて変位することになる。このときの、振動片２と閉塞部１２と検出パイプ部１の振動モードは図２（ａ）から（ｂ）に示す状態になる。
【００２１】
逆に、電磁石４に加わる電流の極性を逆にすると、図１（ｃ）に示すように、電磁石４の永久磁石３に向かい合う側の極性が逆転してＳ極となり、振動片２の永久磁石のＳ極と反発し、Ｎ極と吸引するために、振動片２の自由端は下側に力を受け、図２（ｂ）に示す状態から図２（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ）に示すように振動モードが変化する。したがって、電磁石４に加わる電流の極性を折返し片持ち梁の振動系の固有振動周波数に合わせて切換えることにより、振動を生じ、継続させることができる。
【００２２】
しかも、この実施形態によれば、永久磁石３と電磁石４とによる加振手段や歪み検出手段５として圧電素子を使用していないので、本来的に安全防爆に適し、さらに検出精度を高めることができる。しかも、検出パイプ部１の基部１１を固定端とし、容器などに固定することができるので、折返し振動の振動モードは容器による構造や材質や質量または当該装置の装着方法に影響されず、装着時の調整も不要にできる。
【００２３】
さらに、永久磁石３を設けた振動片２と電磁石４が検出パイプ部１内部で長手方向に一列に並ぶため、小さな空間にでも配置できる。さらに、折返し片持ち梁の振動モードを用いることにより、振動体をたとえばシリコンのような柔軟なものでかつ薄膜状のもので支持する必要がなく、タンク側壁に強固に固定することが可能となり、十分な強度を確保でき、さらに耐食性なども向上できる。
【００２４】
図３はこの発明の他の実施形態を示す図である。前述の図１に示した実施形態は、電磁石４を検出パイプ部１の内壁に密着させるようにしたが、密着させるためには取付の困難さを伴うおそれがある。そこで、この図３に示した実施形態では、電磁石４を内部ロッド１３の一端に取付け、内部ロッド１３の他端を検出パイプ部１の基部１１側の内面に固定するようにしたものである。すなわち、振動片２に取付けられた永久磁石３に対向するように、中空の内部ロッド１３の先端に電磁石４が取付けられる。内部ロッド１３の他端の外周面には、雄ねじが形成され、検出パイプ部１の内面には雌ねじが形成されていて、内部ロッド１３が検出パイプ部１内にねじ止めされる。なお、内部ロッド１３の外周面と検出パイプ部１の内周面との間には一定の隙間が形成されている。
【００２５】
検出パイプ部１の根元側には、歪み検出素子５が貼り付けられる。しかし、検出パイプ部１の根元部の内側に歪み検出素子５を貼り付けるのは製作上不可能であるため、内部ロッド１３の内面に取付けられる。内部ロッド１３は検出パイプ部１にねじにより螺合されているので、検出パイプ部１の根元に生じる振動による歪みを内部ロッド１３に伝達して検出することができる。
【００２６】
なお、内部ロッド１３の機能は電磁石４の支持と検出パイプ部１の根元の歪みの検出素子５への伝達のためであり、振動板振動との共鳴作用など振動モードに関与するものではない。
【００２７】
この実施形態では、検出パイプ部１や振動片２の振動方向は永久磁石３の分極方向と同じ向きとなり、歪み検出素子５もその方向に最も感度が高くなるように、内部ロッド１３を検出パイプ部１に対してねじを回して合わせることができる。この場合、永久磁石３と電磁石４との間のギャップ間距離も変化するが、図４に示すように、ギャップ間距離が１ｍｍと２ｍｍとの間で変化したとしても振動強度の変化はわずかとなる。したがって、歪み検出素子５をその感度が最も高くなるように内部ロッド１３を検出パイプ部１に対してねじを回して調整するのが好ましい。
【００２８】
もちろん、ギャップ間距離が一定で歪み検出素子５の感度が高くなるように内部ロッド１３に対して歪み検出素子５が単独で調整できるようにしてもよい。
【００２９】
図５は図３に示した実施形態の周波数特性を示す図である。図５から明らかなように、電磁石４に加える電流の周波数を３２５Ｈｚとした場合、非常に先鋭度（Ｑ）の高い振動を得ることができ、他の周波数では殆ど振動が発生しないことを確認できた。
【００３０】
図６はこの発明のさらに他の実施形態を示す図である。図１に示した実施形態では、検出パイプ部１の基部１１側に歪み検出素子５を取付けるようにしたが、この図６に示した実施形態では、検出パイプ部１の閉塞部１２の内面に検出パイプ部１の振動の加速度を検出する加速度センサ２１を取付けたものである。そして、加速度センサ２１で加速度を検出して、その検出出力を増幅回路６に与え、検出された加速度信号を増幅回路６で増幅し、電磁石４に与える。
【００３１】
図７（ａ）はこの発明のさらに他の実施形態を示す図である。この実施形態は、図１に示した永久磁石３に代えてバイアス電磁石１０を振動片２の先端に設けたものである。このバイアス電磁石１０のバイアスコイルには、バイアス回路２０から一定の直流電圧が印加され、図７（ｂ）に示すように上側にＮ極，下側にＳ極が発生し、振動片２の自由端を上側に押し上げる。そして、図１の実施形態と同様にして、電磁石４に加える電流の極性を切換えることにより、図７（ｃ）に示すように、電磁石４のＳ極とＮ極が入れ代わり、振動片２の自由端を下に押し下げ、振動片２が振動を生じる。
【００３２】
図８（ｂ）はこの発明のさらに他の実施形態を示す図である。前述の図１に示した実施形態では、振動片２の先端に電磁石４と対向するように永久磁石３を設けるようにしたが、この図８に示した実施形態では、永久磁石３に代えて鉄などの磁性体８，９を用いるようにしたものである。すなわち、振動片２の先端部には断面Ｌ字状の磁性体８が固着され、電磁石４にも同様に断面Ｌ字状の磁性体９が固着される。
【００３３】
電磁石４に電圧を印加すると、電磁石４に発生した磁力で振動片２の先端の磁性体８は図８（ｂ）に示すように、電磁石４に固着されている磁性体９に吸い寄せられるため、振動片２の先端が上方向に押し上げられる。
【００３４】
この状態で、電磁石４に印加されている電圧を取除くと、振動片２が持っている弾性力により、静止状態の位置を通りすぎ、図８（ｃ）に示す位置まで振り戻す。したがって、電磁石４に印加する電圧（電流）を加えたり、取除いたりすることで、その周期と同じ周期の機械的振動を振動片２に生じさせ、検出パイプ部１を振動させることができる。この振動は図１と同様にして歪み検出素子５で検出される。
【００３５】
なお、上述の各実施形態では、増幅回路６に入力された信号を増幅して再び電磁石４に供給させて自励発振するようにしたが、これに限ることなく他励発振系やＰＬＬの追従系に適用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、検出パイプ部の内部に振動片の先端部に設けられた電磁石または永久磁石または磁性体と向き合うように電磁石を配置し、検出パイプ部と閉塞部と振動片とを折返し振動させ、検出手段でこの折返し振動を検出するようにしたので、加振手段や検出手段として圧電素子を使用する必要がなく、安全防爆に適し、しかも検出パイプ部の基部を固定端として容器などに固定することができ、折返し振動の振動モードは容器などの構造や材質や質量や装着方法に影響を得ることがなく、装着時の調整も不要にできる。さらに、検出パイプ部内部で振動片と電磁石や永久磁石や磁性片を一列に並べるように配置することにより、小さな空間にも設置できる。さらに、折返し片持ち梁の振動モードを用いることにより、振動体を柔軟でかつ薄膜状のもので支持する必要がなく、タンクなどの側壁に強固に固定することが可能となり、十分な強度を確保でき、耐食性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の振動式レベル検出装置の断面構造および制御系のブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態における振動モードを示す図である。
【図３】この発明の他の実施形態を示す図であり、電磁石４を内部ロッド１３で保持するようにした例を示す。
【図４】ギャップ間距離と振動強度との関係を示す図である。
【図５】図３に示した実施形態の周波数特性を示す図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態を示す図であり、検出パイプ部１の閉塞部１２側に加速度センサ２１を設けた例を示す。
【図７】振動片２の先端にバイアス電磁石を配置した例を示す図である。
【図８】この発明のさらに他の実施形態を示す図であって、振動片２の電磁石４にそれぞれ対向して磁性片を配置した例を示す図である。
【符号の説明】
１ 検出パイプ部
２ 振動片
３ 永久磁石
４ 電磁石
５ 歪み検出素子
６ 増幅回路
７ 検出回路
８，９ 磁性体
１０ バイアス電磁石
１１ 基部
１２ 閉塞部
１３ 内部ロッド
２１ 加速度センサ
２０ バイアス回路

Claims (4)

1. その基部を固定端となし、その先端部を閉塞部で閉塞された自由端とする検出パイプ部、
   前記検出パイプの内部に設けられ、その一端が前記閉塞部に固着され、その他端に前記検出パイプ部の長手方向に対して磁界が直角となる向きに磁石が設けられて自由端とされる細長い振動片、
   前記検出パイプ部の内部に前記振動片の軸方向と向き合うように配置され、前記磁石に向かい合う側の磁極を印加される電流の極性に応じて切換えることにより前記振動片を励振させて前記検出パイプ部と前記閉塞部と前記振動片とを折返し振動させるための電磁石と、前記磁石とによる加振手段、および
   前記検出パイプ部に設けられ、前記折返し振動の振動状態を検出する検出手段を備えた、振動式レベル検出装置。
2. 前記振動片に取付けられた磁石は永久磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の振動式レベル検出装置。
3. 前記振動片に取付けられる磁石は電磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の振動式レベル検出装置。
4. 前記検出パイプ部の固定端側内面にはねじが形成されていて、さらに
   その一端に前記電磁石が取付けられ、その他端の外周面に前記検出パイプ部の内面のねじに螺合するねじが形成された中空の内部ロッドを含むことを特徴とする、請求項１に記載の振動式レベル検出装置。

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