JP4498312B2 - 水位検出装置並びに設備機器 - Google Patents

Description

本発明はショーケースを含む冷凍、冷蔵、空気調和装置などの設備機器内で発生するドレン水を貯留するドレンタンク内の水位を検出する水位検出装置並びにこの水位検出装置を備えた設備機器に関するものであり、特に、非接触で検出する水位検出装置の構造に関する。

従来のショーケースでは、下部に設けられたドレンタンクに溜まったドレン水が満水になる都度、人がドレンタンクを引き出して溜まった水を捨てていた。このドレンタンクの満水を自動報知するため、従来はフロートを利用した水位検出装置が用いられていた。この水位検出装置では、ドレンタンク内にフロートを設け、満水近くになると、所定の位置に設けられたリミットスイッチの接点が上昇したフロートにより押圧されて閉じることで電気的に警報信号を発するように構成されていた。しかし、この方式では、ドレンタンク内の水を捨てるために人がドレンタンクを引き出す際に、ドレンタンクの上部まで浮いたフロートと引出し側の壁がぶつかることがあり、この際にフロートが破壊されるという問題があった。そこで、フロートを使用することなく、満水を自動報知する水位検出装置の出現が望まれていた。

この問題を解決する手段として、圧電素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を利用した非接触の水位検出装置が知られている。この従来の水位検出装置では、ＰＺＴ振動子にパルス信号を加えることでＰＺＴ振動子を発振させ、この発振によって発生する信号を空中に放射する送信部と、空中に放射された信号がドレン水の水面で反射した反射信号を受信する受信部とを同じ位置に設ける。そして信号の送信時刻とドレン水の水面からの反射信号の受信時刻との時間差を測定することで、送信部から水面までの距離を測定し、予め測定済みの送信部から水底までの距離から、測定によって得られた送信部から水面までの距離を差し引くことで水位を算出する。

ところが、この従来の水位検出装置の基本構造は、ＰＺＴとこのＰＺＴに固着して共振させる共振金属板（アルミや鋼板など）の１次共振を利用していた。ＰＺＴの共振周波数は４０ｋＨｚ程度であり、超音波領域の周波数を放射（発振）している。従来のＰＺＴの構造では、振動発振子の共振周波数における鋭度（Ｑファクタと略す）が鋭く、その結果、ＰＺＴ振動子の振動の減衰が遅れる。即ち、ＰＺＴ振動子から発信する音波（送信信号）の残留成分がかなり長い間（数十μ〜数百μ秒間）続くため、発信部から反射面（水面）までの距離が数ｃｍ〜数十ｃｍという短い距離を伝搬する反射波（受信信号）が受信部に到達する時間は数百μ秒程度であり、この受信信号が受信部に到達したときでも送信信号の残留成分（いわゆる尾引き）が引き続き送信部から発射されており、受信部に到達した反射波はこの送信信号の残留成分によってマスクされてしまい受信信号を読み取れず、これにより水位検出が不可能になるという問題があった。
ちなみに、発信部から反射面（水面）までの距離が１０ｃｍの場合の発信から受信までにかかる時間は以下の式に示す通り約６００μ秒程度である。
２×１０／３４０×１０²＝０．５８８×１０^-3秒＝５８８μ秒

この問題を解決する手段として、送信部と受信部を同じ位置に配置するとともに、反射鏡を用いて送信部から反射面（水面）までの距離を伸ばすことで、反射波が受信部に到達するまでに送信部からの信号波を十分減衰させる技術が知られている。これにより、反射波の受信が可能になり、反射波の到達時間と、音速および予め測定した送受信部から水底までの距離から水位を算出することが可能になる（特許文献１参照）。

特開２００１−５９７６５号公報（図２）

しかしながら、特許文献１で示された従来の水位検出装置では、反射鏡を利用するために、反射鏡が必要となり費用がかさむだけでなく、据え付けのための作業が必要であり、更に反射波が正確に受信部に入射するように鏡の角度調整において精度を要するため調整作業に手間取るという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、反射鏡を利用することなく、簡単な方法で水位を検出可能で安価な水位検出装置並びに設備機器を得ることを目的とする。

本発明に係る水位検出装置は、台座と、正電極と負電極が接続された圧電素子から成る平板状の振動子と、振動子の振動と共振することで共振波を外部空間に発射する平板状の共振板と、共振波の内、主要な１次共振モードの波（以下、１次共振モード波という）を部分的に抑制するダンピング部材とをこの順に配置し、共振板の周縁近傍に、第１の距離までほぼ同じ太さの音響通路を形成し、さらに第１の距離から第２の距離まで徐々に拡大する音響通路を形成する壁を立設して成る音響通路外装部と、振動子の正電極と負電極にパルス信号（以下、送信信号という）を加えて振動子を振動させる送信部と、外部空間から入射した反射波によって発生する共振板の振動を振動子が受けてこの振動を変換して得られた電気信号（以下、受信信号という）を受信する受信部と、送信部が送信信号を送信した時刻と受信部が受信信号を受信した時刻に基づいて送信部と外部の水面との間の距離を測定し、予め測定済みの送信部と外部の水底との間の距離と、送信部と水面との間の距離との偏差から水位を算出し、この水位が所定の値を超えたら外部の警報装置に警報を発させる演算処理部と、を備え、ダンピング部材は、共振板の中心と共振板の周縁の中間の所定範囲の位置に配置され、音響通路外装部の内壁は音響通路開口部において、共振板の中心と共振板の周縁との半分の位置またはそれより共振板の中心側に位置し、共振によって発生する偶数次共振波モード波の腹を抑制し、共振によって発生する１次共振モード波を用いて送信部と水面との間の距離を測定するものである。

この発明では、送信部の１次共振の振動を発生する共振板の中心と共振板の周縁の中間の所定範囲の位置に任意のダンピング材料（例えばエポキシ樹脂など、以下、ダンピング部材という）を固着することで１次共振の振動を強制的に抑えるようにしたので、送信信号の残留成分を早期に減衰させることができる。従って、反射鏡を利用しなくても反射波の受信が可能となるため、簡単な方法で水位を検出可能で安価な水位検出装置を提供することが可能である。また、音響通路外装部の内壁は音響通路開口部において、共振板の中心と共振板の周縁との半分の位置またはそれより共振板の中心側に位置し、共振によって発生する偶数次共振波モード波の腹を抑制し、共振によって発生する１次共振モード波を用いて送信部と水面との間の距離を測定するので、簡単な方法で水位を検出可能で安価な水位検出装置を得ることが可能である。

実施の形態１．
図１はＰＺＴ振動子を用いて構成される水位検出装置を含むショーケースの全体構成を示す断面図である。図において、ショーケース１は熱交換器２と、この熱交換器２から発生するドレン水を集めて下方に流下するドレン管３と、このドレン管３から流下したドレン水を貯留するドレンタンク４と、このドレンタンク４の上面の開口部の上方に取り付けられたホーン５とから構成される。このホーン５は水位検出装置を構成する。また、このホーン５の超音波発信口は、開口部を介してドレンタンク４の水面を向くように配置されている。また、図中、波線はホーン５から送信された超音波と水面で反射された反射波を示す。

図２は、ホーン５の構成を示す構成図であり、図２（ａ）はホーン５の側面図、図２（ｂ）はホーン１０の上面図である。図２（ａ）に示すように、ホーン５は、台座６と、この台座６の上に取り付けられたＰＺＴ振動子７と、このＰＺＴ振動子７に貼り付けて設けられた共振金属板８と、この共振金属板８の中央に設けられた円環状のダンピング部材９と、上記共振金属板８の周囲に壁面を構成して取り付けられた音響通路外装部１０とから構成されており、この音響通路外装部１０の壁の肉厚を、音響通路開口部１１から音響通路先端部１２に向かって所定の距離まではほぼ同じ厚さにし、音響通路先端部１２近くで徐々に薄くなるように構成する（外壁はそのままにして内壁を徐々に薄く削り取っていく）。なお、ＰＺＴ振動子７は振動子を構成し、共振金属板８は共振板を構成する。またＰＺＴ振動子７には正電極と負電極が接続されており、図３に示す送信部１３からパルスを周期的に繰り返し発信させてこのパルス信号電圧をＰＺＴ振動子７に加えることによりＰＺＴ振動子７は発振する。

このＰＺＴ振動子７からの発振信号は共振金属板８に伝搬する。この共振金属板８の大きさをＰＺＴ振動子７から発振した信号周波数（約４０ｋＨｚ）に対応する半波長の大きさ、即ち空中の超音波の速度（音速）が３４０ｍのとき、波長をλとすると、共振金属板８の円板の直径を
λ／２＝３４０×１０³／（４０×１０³×２）＝４.２５ｍｍ
に構成することで、共振金属板８の中心部において腹を構成し、共振金属板８の周縁部において節を構成するドーム形の１次共振モード波が共振金属板８から発生する。
ここで、共振金属板８の中心と共振金属板８の周縁との中間の位置に所定の大きさの円環状のダンピング部材９を配置させることで、１次共振モード波の主要成分（いわゆる頭の部分）のみを発生し、１次共振モード波の残留成分（いわゆる尾の部分）の発生を抑制することができる。なお、ダンピング部材９が円環状に構成されているのは、１次共振モード波の残留成分の発生を効率的に抑えるには、このドーム形の１次共振モード波の中腹部を抑えるのに都合のよい円環状に構成するのが最適だからである。

なお、上記のダンピング部材９は、円環状に構成されているが、共振金属板８の中心に近づくほど薄く共振金属板８の周縁に近づくほど厚くなるような円板状に構成したものを用いてもよい。この場合にも１次共振モード波の主要成分のみを発生し、１次共振モード波の残留成分の発生を抑制することが可能である。

また、音響通路を上記のように構成することで、音響通路内の音響通路開口部１１から音響通路先端部１２までの空気圧は一定であり、共振金属板８には空気負荷がかかった状態になる。そして、共振金属板８が振動すると音響通路に詰まった空気を押し出すことになり、共振金属板８で発生する音波の粗密波と一致して、通路内の空気を一挙に音響通路先端部１２に集中放射することになる。
また、音響通路長をＬ₁とすると、このＬ₁を１次共振モード波の波長と一致するように構成する。即ち、１次共振モード波の波長をλとすると、
Ｌ₁＝λ＝８．５ｍｍ
こうすることで、音響通路の共鳴周波数とも一致することになり、音響通路先端部１２から放射する音波は大きな音響レベルを有するようになる。
また、空中伝搬によって減衰した１次共振モード波の放射信号（以下、送信信号ともいう）は、水面等の反射面から反射信号（以下、受信信号ともいう）として空中を伝搬する過程で更に減衰する。更に減衰した受信信号は音響通路に導かれ、再度、共振金属板８を振動することになる。この共振金属板８の振動がＰＺＴ振動子７を振動させ、ＰＺＴ振動子７から電気信号が発生する。この電気信号を受信した受信部では、図３に示すように受信部１４でフィルタをかけてノイズを取り、信号増幅を行った上で、波高値、入射時刻を計測し、演算処理部１５で送信時刻と受信時刻から水位を算出する。
なお、音響通路は、（空中に放射して）減衰または乱反射した４０ｋＨｚの超音波信号を、再度共振金属板８に導くための通路としての役目も果たす。

以上のＰＺＴ振動子７に加えられるパルスと、ＰＺＴ振動子７による送信波形と、受信波形との関係を図４に示す。図４では、送信部１３で発信されたパルス信号Ｓ₁がＰＺＴ振動子７に加えられると、ＰＺＴ振動子７が振動して、共振金属板８から残留成分の抑制された送信信号Ｓ₂が送られ、Ｔ時間経過してから反射によって返ってきた受信信号Ｓ₃が到達する。この時間Ｔにより送信部１３と水面との距離が算出できる。
なお、従来の場合には、共振金属板８から残留成分の抑制されない送信信号が送られるため、受信信号が到達した時点でも送信信号が十分減衰しないため、混在してしまい、受信信号の到達時刻を特定できない様子が示されている。

また、図２（ｂ）に示すように、音響通路開口部１１は上面から見ると円板状に開口されており、音響通路先端部１２は略方形状に開口されている。図５に音響通路先端部１２の方形状開口が示されている。
一般に、絞りは開口長に反比例し、開口長が長いほど絞りは良く効いて指向性は狭くなる。また、絞りは周波数に反比例し、周波数が高いほど絞りが良く効いて指向性は狭くなる。
従って、指向性をΘ、定数をｍ₁、ｍ₂、ｍ₃、音速をＣ、開口長をｄ、送信信号の周波数をｆ、角速度をωとすると、以下の式が成り立つ。
sinΘ＝ｍ₁／（ｄ×ｆ）＝ｍ₂／（ｄ×ω）＝ｍ₃×Ｃ／（ｄ×ω）
但し、ｍ₂＝ｍ₁×２π、ｍ₃＝ｍ₂／Ｃ
従って、
Θ＝arcsin（ｍ₃×Ｃ／（ｄ×ω））
が成り立つ。ここで、ｍ₃の値は２．２であることが実験により知られている。
よって、
Θ＝arcsin（２．２×Ｃ／（ｄ×ω））……………………（１）
が成り立つ。

図５（ａ）または図５（ｂ）において、音速をＣ、角速度をω、音響通路開口部１１の直径（口径）をφ₂、音響通路先端部１２の方形状開口のＸ軸の開口長をａ、Ｚ軸の開口長をｂとすると、音響通路から放射する超音波のＸ軸の指向性（音の進行方向）Θ_XおよびＺ軸の指向性Θ_Zは、上記の式（１）のｄにa、ｂをそれぞれ代入して以下の式で決定することができる。
Θ_X＝arcsin（２．２×Ｃ／（ａ×ω））
Θ_Z＝arcsin（２．２×Ｃ／（ｂ×ω））
なお、音響通路先端部１２は図６に示すように円板状に開口されてもよい。この場合、音速をＣ、角速度をω、音響通路開口部１１の直径をφ_a、音響通路先端部１２の円板状開口部の直径をφ_bとすると、音響通路から放射する超音波の指向性Θは、上記の式（１）のｄにφ_bを代入して以下の式で決定することができる。
Θ＝arcsin（２．２×Ｃ／（φ_b×ω））
以上のように、超音波の指向性は、音響通路開口部１１の大きさで決まるのではなく、音響通路先端部１２の開口の大きさで決まる。

また、図２（ａ）の共振金属板８の中心部と共振金属板８の周縁部に節を構成し、共振金属板８の中心部と共振金属板８の周縁部との中間の位置に腹を構成する２次共振モードの波（いわゆる２次高調波であり、周波数は１次共振モード波の２倍の約８０ｋＨｚである）が発生しうるが、この２次共振モードの腹は音響通路外装部１０によって物理的に押さえつけられているため、２次共振モード波の発生は強制的に抑制される。

なお、１次共振モード波と２次共振モード波の周波数と振幅（レベル）の関係を図７に示す。図７に示すように、１次共振モード波の発生も２次共振モード波の発生も抑制しない従来の方法では実線で示すように１次共振モード波（周波数ｆ１）は強く、２次共振モード波（周波数ｆ２）はある程度強いレベルで発生するが、本実施の形態によれば、１次共振モード波はダンピング部材９によってある程度抑制されるので、１次共振モード波（周波数ｆ１）のレベルは所定のレベルまで弱くなり、２次共振モード波（周波数ｆ２）は音響通路外装部１０によって完全に抑制されるので、２次共振モード波は発生しないことが分かる。

なお、３次以上の奇数次共振モードの波も発生するが、その振幅は１次および２次に比べて十分小さいため、ダンピング部材９でほぼ０のレベルまで抑制できる。また、４次以上の偶数次共振モードの波も発生しうるが、２次共振モードの波と同様に音響通路外装部１０によって物理的に押さえつけられ強制的に抑制されるため、発生しない。

以上のように、送信部の１次共振の振動発生部分に任意のダンピング部材を固着することで１次共振の振動を強制的に抑えるようにしたので、送信信号の残留成分を早期に減衰させることができる。従って、反射鏡を利用しなくても反射波の受信が可能となる。１次共振モード波の送信時刻と反射波の受信時刻との偏差を測定することで、送信部から水面までの距離が算出できる。また、予め、送信部から水底までの距離を測定しておけば、送信部から水底までの距離と、送信部から水面までの距離との偏差を求めることにより水位を算出することができる。この水位が所定の値（閾値）を超えたら、外部の警報装置に警報を発させるようにすれば、ドレンタンクの満水を報知することができる。

本実施の形態１によれば、送信部の１次共振の振動発生部分に任意のダンピング部材を固着することで１次共振の振動を強制的に抑えるようにしたので、発信信号の残留信号を早期に減衰させることができる。従って、反射鏡を利用しなくても反射波の受信が可能となるため、簡単な方法で水位を検出可能で安価な水位検出装置を得ることが可能である。

実施の形態２．
実施の形態１では、送信部と水底との間の距離を予め別の方法により測定しておき、測定値をメモリに記録しておく必要があった。このため、別途メモリを設けなければならなかった。そこで、本実施の形態２では事前測定および事前記録を必要としない形態について説明する。
図８は音響通路外装部１０を外したホーン５の構成である。この場合には、適当な大きさの円環状のダンピング部材９を共振金属板８上の適当な位置に配置することで、１次共振モード波をある程度抑制するが、２次共振モード波を抑制しないように構成することが可能である。このようにすることで、１次共振モード波の振幅と２次共振モード波の振幅との差異を小さくすることが可能である。この場合、２次共振モード波は、１次共振モードよりも周波数が高いので、水面で反射されやすい。逆に、１次共振モードは２次共振モードよりも水中を透過しやすい。従って、図９に示すように１次共振モード波による水底からの反射波で送信部と水底との間の距離Ａを測定し、２次共振モード波による水面からの反射波で送信部と水面との距離Ｂを測定し、ＡとＢの偏差を水位とする。そして、この水位が所定の値（閾値）を超えたら、警報を発するようにすれば、ドレンタンク４の満水を報知することができる。
これにより、実施の形態１の効果に加え、予め送信部と水面との距離Ｂを測定しておく必要がなく、別途メモリを設ける必要もないという効果を奏する。さらに、ショーケース以外の池の底や深い水底など測定用のスケールなどが届かず人介では測定しにくい場所あるいは人介では誤差の発生し易い場所についても精度の高い水位検出が可能である。

実施の形態３．
図１０はホーン５の中心部に設けられた１次共振モード波の発生を物理的に押さえつけて抑制する円錐状の抑制部材１６である。この抑制部材１６は任意のダンピング部材を用いてもよいし、重い堅い部材を用いて固定してもよい。これにより、１次共振モード波の発生はほぼ完全に抑制され、殆ど発生しなくなる。
また、音響通路長をＬ₂とすると、このＬ₂を２次共振モード波の波長と一致するように構成する。即ち、空中の超音波の速度（音速）が３４０ｍのとき、２次共振モード波の波長をλ₂とすると、音響通路長を
Ｌ₂＝λ₂＝３４０×１０³／（８０×１０³）＝４.２５ｍｍ
に構成することで、共振金属板から発振した２次共振モード波はこのホーン５によりさらに共振されて送信される。この２次共振モード波を利用して実施の形態２と同様にしてドレンタンク４内の水位を検出することが可能である。この場合も、実施の形態２と同様の効果を奏する。
なお、本実施の形態３では１次共振モード波の発生を抑制する抑制部材１６として円錐状の抑制部材を用いたが、これに限らない。例えば、円柱状の抑制部材を用いても２次共振モード波の発生に殆ど影響を与えない。また効果も上記と同様である。

実施の形態４．
この実施の形態４では、図１１に示すように、１次共振モード波発生用のホーン５と２次共振モード波発生用のホーン５との２つのホーンを並べて設ける。また、１次共振モード波の送受信部と２次共振モード波の送受信部とを別々に設ける。そして、１次共振モード波の送信部からの１次共振モードの波のみの送信と受信、２次共振モードの送信部からの２次共振のみの送信と受信を同時あるいは交互に行うように信号制御部を構成する。そして、実施の形態２と同様に、１次共振モード波による水底からの反射波で送信部と水底との距離Ａを測定し、２次共振モード波による水面からの反射波で送信部と水面との距離Ｂを測定し、ＡとＢの偏差を水位とする。効果は実施の形態２と同様である。
なお、ホーンを切り替えて交互に行うようにすれば、送受信部を共通化することも可能である。

なお、以上の各実施の形態では、ＰＺＴを振動子として例に挙げたが、これに限らない。たとえば、セラミック型の圧電素子あるいは高分子型の圧電素子など、任意の圧電素子であればよい。

本発明の実施の形態１におけるＰＺＴ振動子を用いて構成される水位検出装置を含むショーケースの全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるホーン５の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＰＺＴ振動子と送受信回路との関係を示す構成図である。 本発明の実施の形態１におけるＰＺＴ振動子と送受信回路によるパルス信号とＰＺＴ振動子を介した共振金属板の送受信信号とのタイミング関係を示す図である。 本発明の実施の形態１における音響通路先端部の方形状開口を示す図である。 本発明の実施の形態１における音響通路先端部の円板状開口を示す図である。 本発明の実施の形態１における１次共振モードの波と２次共振モードの波の周波数と振幅（レベル）の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２におけるホーン５の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるホーン５とドレンタンク４との配置関係を示した図である。 本発明の実施の形態３における２次共振モード波のみを発生するホーン５の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における１次共振モード波発生用のホーン５と２次共振モード波発生用のホーン５との２つのホーンを並べて設けた例を示す説明図である。

符号の説明

１ ショーケース、２ 熱交換器、３ ドレン管、４ ドレンタンク、５ ホーン、６ 台座、７ ＰＺＴ振動子、８ 共振金属板、９ ダンピング部材、１０ 音響通路外装部、１１ 音響通路開口部、１２ 音響通路先端部、１３ 送信部、１４ 受信部、１５ 演算処理部、１６ 抑制部材。

Claims (4)

1. 台座と、
   この台座の上に取り付けられ、正電極と負電極が接続された圧電素子から成る平板状の振動子と、
   この振動子の前記台座と反対側の面に設けられ、前記振動子の振動と共振することで共振波を外部空間に発射する平板状の共振板と、
   この共振板の前記振動子と反対側の面に設けられ、前記共振波の内、主要な１次共振モードの波（以下、１次共振モード波という）を部分的に抑制するダンピング部材と、
   前記共振板の前記ダンピング部材側の面の周縁近傍に、第１の距離までほぼ同じ太さの音響通路を形成し、さらに第１の距離から第２の距離まで徐々に拡大する音響通路を形成する壁を立設して成る音響通路外装部と、
   前記振動子の正電極と負電極にパルス信号（以下、送信信号という）を加えて前記振動子を振動させる送信部と、
   外部空間から入射した反射波によって発生する前記共振板の振動を前記振動子が受けてこの振動を変換して得られた電気信号（以下、受信信号という）を受信する受信部と、
   前記送信部が送信信号を送信した時刻と前記受信部が受信信号を受信した時刻に基づいて前記送信部と外部の水面との間の距離を測定し、予め測定済みの送信部と外部の水底との間の距離と、前記送信部と水面との間の距離との偏差から水位を算出し、この水位が所定の値を超えたら外部の警報装置に警報を発させる演算処理部と、
   を備え、
   前記ダンピング部材は、前記共振板の中心と前記共振板の周縁の中間の所定範囲の位置に配置され、
   前記音響通路外装部の内壁は音響通路開口部において、前記共振板の中心と前記共振板の周縁との半分の位置またはそれより前記共振板の中心側に位置し、前記共振によって発生する偶数次共振波モード波の腹を抑制し、前記共振によって発生する１次共振モード波を用いて送信部と水面との間の距離を測定することを特徴とする水位検出装置。
2. 前記ダンピング部材は、前記共振板の略中央を中心とする円環状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の水位検出装置。
3. ダンピング部材は、前記共振板の中心に近づくほど薄く、前記共振板の周縁に近づくほど厚くなるような円板状に構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水位検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水位検出装置を備えたことを特徴とする設備機器。

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