JP4115365B2 - レベル計測装置 - Google Patents

Description

本発明は液面または液境界面のレベルを検出測定するレベル計測装置に関する。

液体のレベル（液面高さや液境界面高さ）を液面感得体により計測するレベル計測装置は、ワイヤドラムに巻回された測長ワイヤの先端に液面感得体を備え、液面感得体に作用する液体からの浮力が一定となるようにレベル変化に応じてワイヤドラムを回転させて液面感得体を上下せしめ、ワイヤドラムの回転量からレベルを検出測定する構成となっている。

上述したレベル計測装置には、ワイヤドラムにマグネットカップリングを介して結合される検出軸を備え、マグネットカップリングの外輪マグネットと内輪マグネットとのずれを磁電変換器により検出し、上記ずれに応じて検出軸を回転させるとともに計測値を得るようにした構成のものがある（特許文献１参照）。

しかし、上述した従来の装置では磁電変換器をマグネットカップリングの外輪マグネットと内輪マグネット間に設けなければならず、これら外輪マグネットも内輪マグネットもともに回転部材であるので、磁電変換器を外輪、内輪のいずれに取り付けるにしても磁電変換器への電力供給用および出力導出用の導線を、スリップ・リングを介して外部に導出しなければならない。

上記スリップ・リングは使用の経過に伴う接点部分の磨耗や、その他の不具合に基づく接触不良が生じるおそれがあり、この接触不良は装置の動作不良の原因となって装置の信頼性を損なうことがある。
特公平５−３１９２８、第１−３頁、図１−図４

本発明は、回転部材に電気エネルギを要する部材を設ける必要がなく、したがって構造が簡単で電気系統の接触不良が生じるおそれはまずなく、安定性の高い正確なレベル計測を行なうことができる装置を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明のレベル計測装置は、先端に液面感得体たるディスプレーサを備えるワイヤが巻き付けられたワイヤドラムと、このワイヤドラムとマグネットカップリングにより結合する検出軸を備えていて、これらワイヤドラム側の機構と検出軸側の機構とが前記マグネットカップリングを構成するマグネット間にて区画され、レベルの変化に伴って生じるワイヤドラム側の回転変位と検出軸側の回転変位のずれに応じて検出軸を回転させてワイヤドラムの回転量と検出軸の回転量が同じになるように制御して検出軸の回転量からレベルを検出するレベル計測装置において、前記ワイヤドラム側の機構と検出軸側の機構とを区画し、ワイヤドラムと検出軸を支持する固定されたベースのワイヤドラム側と検出軸側にそれぞれ磁電変換器を設け、前記ワイヤドラムに、このワイヤドラムとともに回転し、前記ベースのワイヤドラム側に設けられた磁電変換器に対峙し、ワイヤドラムの回転に伴ってワイヤドラム側の磁電変換器に周期的な磁界の変化を生じせしめる前記カップリングマグネットとは独立した構成の磁気スケールを取り付け、また前記検出軸に、この検出軸とともに回転し、前記ベースの検出軸側に設けられた磁電変換器に対峙し、検出軸の回転に伴って検出軸側の磁電変換器に周期的な磁界の変化を生じせしめる前記カップリングマグネットとは独立した構成の磁気スケールを取り付け、前記ワイヤドラム側の磁電変換器と検出軸側の磁電変換器との出力に基づいて検出軸の回転量がワイヤドラムの回転量と同じになるように検出軸を回転せしめて、この検出軸の回転変位の蓄積データからレベルが検出されるようにした構成のものとしてある。

前記磁気スケールを、支持円板の周辺部における一方の面に、円周状に並ぶ多数の磁石を有し、かつ隣り合う磁石の磁極が互いに同じとなるように磁石を配設したもので構成し、また前記磁電変換器を磁電変換素子で構成したものとしてある。

また、前記磁気スケールを、支持円板の周辺部における一方の面に、磁性材よりなり、円周方向に波状をなす多数の凹凸を外側面に有するスケールリングを備えるもので構成し、また前記磁電変換器を磁電変換素子と、この磁電変換素子の磁気スケールとは反対側に設けた磁石で構成したものとしてある。

以下、本発明に係るレベル計測装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
ベース１は中央に前方へ突出する円筒状隔壁部２を有し、同隔壁部は前部が前壁２ａで塞がれているとともに後部が開口し、前壁の中央に水平固定軸３が貫通固定されている。

上記水平固定軸３の前側には、軸受４、４を介してスリーブ５が設けられ、同スリーブ５の外周にワイヤドラム６の前板部にあけた中央孔６ａが嵌合固定され、また同じくスリーブ外周にマグネットホルダ７が嵌合固定され、同ホルダの内周面にマグネットカップリングを構成する外輪マグネット８が設けられている。

また、上記マグネットホルダ７の最も前記ベース１寄りの外周にワイヤドラム側の磁気スケールを構成する第１の磁気スケール板９を設けてある。
なお、上記磁気スケールの詳細については後述する。

上述したワイヤドラム６およびその周辺部材はハウジング１０内に収容されていて、同ハウジングの下部開口１０ａを通してワイヤドラムからの測長ワイヤ１１が垂下し、同ワイヤの先端に、液面感得体たるディスプレーサ１２が吊り下げられている。

前記水平固定軸３の後側には、軸受１３、１３を介してスリーブ１４が設けられ、同スリーブの外周に前記マグネットカップリングを構成する内輪マグネット１５が取り付けられていて前記外輪マグネット８と前記円筒状隔壁２を挟んで対峙し、互いに磁気的に結合している。

そして、前記スリーブ１４の後端部には円板状の検出ベース１６が固定されていて、同検出ベースの後面中央に、後方へ延びる検出軸１７が検出ベースと一体に、かつ前記水平固定軸３と同心となるように設けられている。

上記検出軸１７まわりには、前面側が前記ベース１の後面とわずかな隙間をあけて対向する検出軸側の磁気スケールを構成する円板状の第２の磁気スケール板１８を設けてある。

また、検出軸１７まわりの後端寄りには歯車１９が取り付けられていて、同歯車にはステッピングモータ２０の軸に取り付けられたピニオン２１を噛合させてある。

しかして、前記第１の磁気スケール板９は支持円板９ａの周辺部における後面側にリング状の磁石列２２を設けたものとしてあり、磁石列２２まわりは固定カバー２３によって覆ってある。
上記磁石列２２は、円周方向に着磁された多数の磁石２２ａ、２２ａを隣り合う磁石の磁極が同じとなるように配設したものとしてある。

そして、第１の磁気スケール板９の磁石列２２に対峙するベース１の前面側には、磁電変換器たる第１のホール素子２４をその感磁面が磁石列に対向するように設けられていて、第１のホール素子からの出力ライン２５を制御回路２６の第１カウンタ２７に接続してある。

また、前記第２の磁気スケール板１８は支持円板１８ａの周辺部における前面側にリング状の磁石列２８を設けたものとしてあり、磁石列２８まわりは固定カバー２９によって覆ってある。
上記磁石列２８は、前述した第１の磁気スケール板９の磁石列２２と同様に、円周方向に着磁された多数の磁石２８ａ、２８ａを隣り合う磁石の磁極が同じとなるように配設したものとしてある。

そして、第２の磁気スケール板１８の磁石列２８に対峙するベース１の後面側には、磁電変換器たる第２のホール素子３０をその感磁面が磁石列２８に対向するように設けられていて、第２のホール素子からの出力ライン３１を制御回路２６の第２カウンタ３２に接続してある。

しかして、前記制御回路２６は第１のホール素子２４からの出力を得る第１カウンタ２７と、第２のホール素子３０からの出力を得る第２カウンタ３２により、後述する測定原理に基づいてワイヤドラム６と検出軸１７の回転変位がカウントされ、プロセッサ３３にてワイヤドラムと検出軸１７の回転量の違いが演算され、この演算結果に基づいて制御回路からステッピングモータ２０へ駆動制御ライン３４を介して制御信号が送られ、ステッピングモータはワイヤドラムの回転量と検出軸１７の回転量が同じとなるようにピニオン２１、歯車１９を介して検出軸を正逆駆動せしめるとともに、プロセッサからレベル値が出力される。

次ぎに、本発明の装置による測定原理について説明する。
図５は磁気スケールを構成する磁石列ＭＬにより発生する磁界の分布を示し、同図５においては説明のために磁石列を直線状に展開してある。
同図５の下部に示したグラフから明らかなように、磁石列ＭＬまわりの磁界は、各磁石Ｍ、Ｍの連接部をピークとなし、各磁石の長さの２倍の波長を有する略正弦波状に変化する。

すなわち、磁気スケールが回転すると、この磁気スケールに相対して設けられたホール素子からの出力は、上述した磁界分布の曲線と略同じ出力曲線をなし、したがってホール素子からの出力波形の周期をカウントすることにより、磁気スケールの回転量データを得ることができ、またホール素子から出力される電流の値を加味することによって精密な回転量データを得ることができる。

上述した原理に基づいて、第１の磁気スケール板９の回転量すなわちワイヤドラム６の回転量と、第２の磁気スケール板１８の回転量すなわち検出軸１７の回転量がそれぞれ第１のホール素子２４と第２のホール素子３０の出力から個別に得られ、検出軸１７の正確な回転駆動制御および正確なレベル計測が行なわれる。

ところで、マグネットカップリングを構成する前記外輪マグネット８と内輪マグネット１５との回転位置関係は無負荷の場合と負荷が掛かっている平衡状態とでは異なり、図６（ａ）に示されるように無負荷の状態では外輪マグネット８と内輪マグネット１５は互いの異なる磁極が放射状に並ぶ回転位置関係となる。

しかし、ワイヤの張力すなわちディスプレーサ１２に掛かる重力からディスプレーサへの浮力を引いた力により外輪マグネット８に円周方向の力Ｆが掛かると、内輪マグネット１５はモータの静止トルクによって回転位置が保持されるので、図６（ｂ）に示されるように内輪マグネット１５に対して外輪マグネット８が角度θだけ力Ｆの作用方向に回転した状態で平衡する。

したがって、本発明の装置においては上述した図６（ｂ）に示される平衡状態で第１のカウンタ２７と第２のカウンタ３２のデータを合わせておく。
その後、液面Ｌが変位して外輪マグネット８が上述した平衡状態からわずかに回転すると、この回転変位量が第１のホール素子からの出力に基づいて第１のカウンタ２７におけるカウントデータが変化し、第２のカウンタ３２におけるカウントデータとの差異が生じるので、この差異をなくす方向にステッピングモータ２０を駆動せしめて内輪マグネット１５を外輪マグネットの回転に追従させ、第１のカウンタと第２のカウンタのカウントデータが同じすなわち平衡状態に維持される。

そして、上記カウントデータの変化から液面Ｌの変位量が検出され、この変位量の蓄積データからレベルが得られる。

次ぎに、磁気スケールの他の例について説明する。
上述した実施例のものでは、磁気スケールに磁石を円周状に配設したものを採用しているが、この磁気スケールはその回転に伴って磁気検出器たるホール素子に周期的な出力変化を生じせしめる構成のものであればよく、磁気スケールに磁石を設けない場合の磁気スケールの例を図７乃至９に示す。

図７は第１の磁気スケール板３５すなわちワイヤドラム側の磁気スケール、図８は第２の磁気スケール板すなわち検出軸１７側の磁気スケールをそれぞれ示している。
第１の磁気スケール板３５は、支持円板３７の外周辺寄りにおける一方の側面に磁性材たる軟鉄材よりなり、円周方向に波状をなす多数の凹凸を外側面に有するスケールリングを３８備えるもので構成してあり、また第２の磁気スケール板３６も同様に、支持円板３９の外周辺寄りにおける一方の側面に磁性材たる軟鉄材よりなり、円周方向に波状をなす多数の凹凸を外側面に有するスケールリングを４０備えるもので構成してある。

そして、ベース１におけるワイヤドラム側の側面には、前記第１の磁気スケール板３５のスケールリング３８に対峙する位置に、磁電変換器４１を設けてあり、この磁電変換器４１はスケールリングに対峙する第１のホール素子４２と、その背面側に設けられ、磁極がホール素子に磁束を貫通させる方向となるように設けた磁石４３とよりなる。
しかしてスケールリング３８が回転すると、スケールリングの凹凸が磁石４３に対して交互に接近し、したがって磁石からの磁束が凹凸の交互の到来に応じて周期的に変化し、この周期的な磁束の変化によって第１のホール素子を透過する磁束の密度変化が変化するのをカウントして第１の磁気スケール板の回転すなわちワイヤドラムの回転量が検出される。

同様に、ベース１における検出軸１７側の側面には、前記第２の磁気スケール板３６のスケールリング４０に対峙する位置に、磁電変換器４４を設けてあり、この磁電変換器４４はスケールリングに対峙する第２のホール素子４５と、その背面側に設けられ、磁極がホール素子に磁束を貫通させる方向となるように設けた磁石４６とよりなる。
しかしてスケールリング４０が回転すると、スケールリングの凹凸が磁石４６に対して交互に接近し、したがって磁石からの磁束が凹凸の交互の到来に応じて周期的に変化し、この周期的な磁束の変化によって第２のホール素子を透過する磁束の密度変化が変化するのをカウントして第２の磁気スケール板の回転すなわち検出軸の回転量が検出される。

上述した実施例においては、ディスプレーサを液面Ｌに追従させて液面のレベルを計測する構成としてあるが、２種類以上の比重の異なる液体の界面にディスプレーサを位置させ、この界面にディスプレーサを追従させて界面のレベルを計測する構成とする場合もある。

本発明によれば、ワイヤドラムとともに回転する部材と、検出軸とともに回転する部材のいずれにおいても、回転を検知、検出するための部材に対して電力を供給したり、信号を出力したりするための導線等のエレメントが一切不要となり、したがって構造が簡単であり、上記エレメントにおける接触不良等の故障のおそれをなくすことができ、信頼性の高いレベル計測装置を提供することができる。

また、レベルの変化を検出する構成にスプリングバランス機構を使用しないので、スプリングのヒステリシス、経年変化の影響を受けることなく正確な計測を行なうことができる。

本発明に係る装置の構成を示す縦断面図。 磁電変換器と磁気スケールとの関係を拡大して示す縦断面図。 第１の磁気スケール板の一部を破断して示す側面図。 第２の磁気スケール板の一部を破断して示す側面図。 磁石列と磁界分布との関係を示すグラフ。 マグネットカップリングにおける外輪マグネットと内輪マグネットとの回転位置の関係を示し側面図であり、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は平衡状態を示す。 第１の磁気スケール板の他の例を示す側面図。 第２の磁気スケール板の他の例を示す側面図。 他の例における磁電変換器と磁気スケールとの関係を拡大して示す横断平面図。

符号の説明

１ ベース ２ 円筒状隔壁部
３ 水平固定軸 ４ 軸受
５ スリーブ ６ ワイヤドラム
７ マグネットホルダ ８ 外輪マグネット
９ 磁気スケール板 １０ ハウジング
１１ 測長ワイヤ １２ ディスプレーサ
１３ 軸受 １４ スリーブ
１５ 内輪マグネット １６ 検出ベース
１７ 検出軸 １８ 磁気スケール板
１９ 歯車 ２０ ステッピングモータ
２１ ピニオン ２２ 磁石列
２３ 固定カバー ２４ 第１のホール素子
２５ 出力ライン ２６ 制御回路
２７ 第１カウンタ ２８ 磁石列
２９ 固定カバー ３０ 第２のホール素子
３１ 出力ライン ３２ 第２カウンタ
３３ プロセッサ ３４ 駆動制御ライン
３５ 第１の磁気スケール板 ３６ 第２の磁気スケール板
３７ 支持円板 ３８ スケールリング
３９ 支持円板 ４０ スケールリング
４１ 磁電変換器 ４２ 第１のホール素子
４３ 磁石 ４４ 磁電変換器
４５ 第２のホール素子 ４６ 磁石

Claims (3)

1. 先端に液面感得体たるディスプレーサを備えるワイヤが巻き付けられたワイヤドラムと、このワイヤドラムとマグネットカップリングにより結合する検出軸を備えていて、これらワイヤドラム側の機構と検出軸側の機構とが前記マグネットカップリングを構成するマグネット間にて区画され、レベルの変化に伴って生じるワイヤドラム側の回転変位と検出軸側の回転変位のずれに応じて検出軸を回転させてワイヤドラムの回転量と検出軸の回転量が同じになるように制御して検出軸の回転量からレベルを検出するレベル計測装置において、
   前記ワイヤドラム側の機構と検出軸側の機構とを区画し、ワイヤドラムと検出軸を支持する固定されたベースのワイヤドラム側と検出軸側にそれぞれ磁電変換器を設け、
   前記ワイヤドラムに、このワイヤドラムとともに回転し、前記ベースのワイヤドラム側に設けられた磁電変換器に対峙し、ワイヤドラムの回転に伴ってワイヤドラム側の磁電変換器に周期的な磁界の変化を生じせしめる前記カップリングマグネットとは独立した構成の磁気スケールを取り付け、
   また前記検出軸に、この検出軸とともに回転し、前記ベースの検出軸側に設けられた磁電変換器に対峙し、検出軸の回転に伴って検出軸側の磁電変換器に周期的な磁界の変化を生じせしめる前記カップリングマグネットとは独立した構成の磁気スケールを取り付け、
   前記ワイヤドラム側の磁電変換器と検出軸側の磁電変換器との出力に基づいて検出軸の回転量がワイヤドラムの回転量と同じになるように検出軸を回転せしめて、この検出軸の回転変位の蓄積データからレベルが検出されるように構成してなるレベル計測装置。
   
2. 前記磁気スケールは、支持円板の周辺部における一方の面に、円周状に並ぶ多数の磁石を有し、かつ隣り合う磁石の磁極が互いに同じとなるように磁石を配設したもので構成し、また前記磁電変換器を磁電変換素子で構成してなる請求項１に記載のレベル計測装置。
3. 前記磁気スケールは、支持円板の周辺部における一方の面に、磁性材よりなり、円周方向に波状をなす多数の凹凸を外側面に有するスケールリングを備えるもので構成し、また前記磁電変換器を磁電変換素子と、この磁電変換素子の磁気スケールとは反対側に設けた磁石で構成してなる請求項１に記載のレベル計測装置。

Images