JP4707417B2

JP4707417B2 - レベル計測装置

Info

Publication number: JP4707417B2
Application number: JP2005066668A
Authority: JP
Inventors: 慶彦砂川
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: JP2006250669A

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ない。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。

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。

固定側から回転体へ電力を供給する手段としては、回転トランスを用いることも考えられる。しかし、回転体側では繊細なアナログ回路のために安定化電源が必要となり、また固定側では、回転トランスを経由しての電力供給のための発振回路が必要となる。

また、検出出力を回転体側から固定側へ伝達する手段としては、フォトカプラで信号伝達を行うことも考えられる。このとき、回転体側では、アナログ信号を増幅して、さらに、Ｖ／Ｆ（電圧〜周波数）変換回路により周波数変換する必要がある。また固定側では、検出、伝達される周波数信号を再び電圧に変換するために、Ｆ／Ｖ変換回路を必要とする。

しかし、回転体側に複雑かつ繊細な回路を構成することとなり、機構が大型化し、生産コストの上昇を招く原因となっている。また、回転体上の磁電変換器による変位検出回路、Ｖ／Ｆ変換回路は、ともに様々な環境への適応が難しく、また経年劣化に対する安定性も図りがたいという問題がある。

特公平５−３１９２８、第１−３頁、図１−図４

本発明は、回転体部に複雑なアナログ回路を不要とし、信号をロジックレベルで取り扱い可能とすることにより、装置の小型化、生産コストの低減化を図ることのできるレベル計測装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るレベル計測装置の代表的な構成は、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、該ワイヤドラムと同軸上で相対的に回転可能な検出軸とを備え、レベルの変化に伴って生じる前記ワイヤドラム側の回転変位と前記検出軸側の回転変位のずれに応じて前記検出軸を回転させ、前記ワイヤドラムの回転量と前記検出軸の回転量が同じになるように制御し、前記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、前記ワイヤドラムと共に回転する第一の板部材と、前記検出軸と共に回転する第二の板部材とを有し、該第一および第二の板部材を対向して配置し、それぞれ回転中心を中心とする同一半径の円周上に円弧状のスリットを設け、前記第一および第二の板部材を挟んで対向する発光素子および受光素子を、前記スリットと同一円周上に多数配列し、前記ワイヤドラム側の回転変位と前記検出軸側の回転変位のずれを前記第一および第二の板部材に設けたスリットの重なりである通光部の幅によって検知し、これに基づいて前記ワイヤドラムの回転量と前記検出軸の回転量が同じになるように制御され、前記通光部の幅は、前記発光素子から発せられた光を通光部を通して検知した受光素子の数によって検出することを特徴とする。

また、前記第一および第二の板部材に設けた円弧状のスリットの長さはほぼ同じであって、前記ワイヤドラム側の回転変位と前記検出軸側の回転変位にずれがない状態において、前記第一および第二の板部材は前記スリットの長さのほぼ半分の位相差を有し、前記通光部の幅が前記スリットの長さのほぼ半分であることを特徴とする。

また、前記ワイヤドラムと前記検出軸とは、回転方向に弾性変形可能な継手によって接続されていることを特徴とする。

また、多数配列した前記発光素子および受光素子は、一つの発光素子において発光させると共に対となる受光素子のみにおいて検知を行い、これを順次循環して行うことを特徴とする。

本発明に係るレベル計測装置の実施例について、図を用いて説明する。図１はスリットを有する板部材を説明する図、図２（ａ）はレベル計測装置の概略構成を説明する図、図３は投光基板および受光基板を説明する図である。

まず、図２（ａ）を用いてレベル計測装置の全体構成について説明する。ワイヤドラム１は、先端に液面感得体たるディスプレーサ２を備えるワイヤ３が巻き付けられている。ワイヤドラム１には、ワイヤを均等に巻き取るための溝１ａを、密なる螺旋状に切り込み加工されている。ワイヤドラムの軸１ｂは、不図示のケーシングに固定保持されたベアリング４ａ、４ｂ、および検出軸６に内蔵されたベアリング４ｃによって、回転自在に軸支されている。

検出軸６は、ステッピングモータなどのモータ５から駆動を伝達されて回転する。検出軸６とワイヤドラムの軸１ｂとは、コイルスプリング付き継手７によって接続されている。従ってワイヤドラム１はモータ５の駆動力により、巻き取り方向、繰り出し方向の双方向に回転可能となっている。

図２（ｂ）はコイルスプリング付き継手７を説明する図である。コイルスプリング付き継手７は、コイルスプリング７ａの両端にボス７ｂ、７ｃを備えた構造をしている。ボス７ｂはワイヤドラムの軸１ｂに固定されており、他方のボス７ｃには検出軸６に固定するためのビス７ｄを備えている（図２（ａ）参照）。上記構成のコイルスプリング付き継手７は回転方向に弾性変形可能である。

従ってワイヤドラム１は、モータ５の駆動により検出軸６と共に回転できるばかりでなく、コイルスプリング付き継手７により検出軸６に対して相対的に回動可能となっている。具体的には、ワイヤ３の張力（ディスプレーサ２の重量）に応じてコイルスプリング７ａが弾性変形し、検出軸６との相対的な位相が変位する。

ディスプレーサ２が液面Ｓに正しく位置しているとき（規定喫水）、ワイヤ３の張力は、ディスプレーサ２の重量から、ディスプレーサ２が液体から受ける浮力を引いた分の荷重がかかっている。このときコイルスプリング７ａは上記荷重に応じた分だけ弾性変形しているが、この状態を、ワイヤドラム１側の回転変位と検出軸６側の回転変位にずれがない状態（正規位相）とする。

液面Ｓが下がると、ディスプレーサ２にかかる浮力が少なくなるため、ワイヤ３の張力が大きくなり、ワイヤドラム１はコイルスプリング付き継手７の弾性力によって繰り出し方向へと変位する。この位相の変位を後述する機構によって検知すると、モータ制御装置13はモータ５を動作させて、検出軸６をワイヤ繰り出し方向へと回転させる。そしてワイヤドラム１と検出軸６との相対的な位相が正規位相に至るまで回転させることにより、ディスプレーサ２を液面Ｓに対し正しく位置させることができる。

液面Ｓが上がると、ディスプレーサ２が液体につかる量が増えるため、浮力が大きくなってワイヤ３の張力が小さくなり、ワイヤドラム１はコイルスプリング付き継手７の弾性力によって巻き取り方向へと変位する。この位相の変位を後述する機構によって検知すると、モータ制御装置13はモータ５を動作させて、検出軸６をワイヤ巻き取り方向へと回転させる。そしてワイヤドラム１と検出軸６との相対的な位相が正規位相に至るまで回転させることにより、ディスプレーサ２を液面Ｓに対し正しく位置させることができる。

このようにしてディスプレーサ２を常に液面Ｓに対して正しく位置させることができ、ワイヤ３の繰り出し量をモータ５のステップ数により、または検出軸６の回転量をカウントすることにより検知し、液面の高さを知ることができる。

次に、ワイヤドラム１と検出軸６との相対的な位相の変化を検知するための機構について説明する。

図２（ａ）に示すように、ワイヤドラムの軸１ｂには、ワイヤドラム１と共に回転する第一円板８（第一の板部材）が取り付けられている。検出軸６には、これと共に回転する第二円板９（第二の板部材）が取り付けられている。第一円板８および第二円板９は検出軸６の回転軸と直交する平面内に配置され、隣接対向して配置されている。

図１（ａ）に示すように、第一円板８および第二円板９には、それぞれ回転中心を中心とする同一の半径Ｒの円周上に円弧状のスリット８ａ、９ａを設けている。従って第一円板８のスリット８ａと第二円板９のスリット９ａが重なった部分には、通光部14（開口部）が形成される。

図１（ｂ）は２枚の板部材を重ねた場合の通光部を説明する図である。本実施例においてスリット８ａ、９ａの円弧の長さはほぼ等しく、円弧の長さは１８０°となっている。そして、ワイヤドラム１側の回転変位と検出軸６側の回転変位にずれがない状態（正規位相）において、スリット８ａ、９ａの位相差を９０°とし、通光部14の幅がスリット８ａ、９ａの長さのほぼ半分となるよう調整している。

なお、モータ５を回転させた場合は第一円板８及び第二円板９は共に回転するが、ディスプレーサ２が規定喫水にあるとき、すなわちワイヤドラム１と検出軸６が正規位相にあるときは、通光部14は常に９０°となる。

正規位相における９０°の位相差を持たせるための第一円板８と第二円板９のずらし方は、ディスプレーサ２の喫水が下がってワイヤドラム１が繰り出し方向に回転した場合に通光部14が広がるように配置する。これは逆に定義しても問題はないが、本実施例では説明の便宜上、上記のように定義する。

一方、図２（ａ）に示すように、第一円板８および第二円板９を挟むようにして、投光基板10、受光基板11が配設されている。これら投光基板10、受光基板11は不図示のケーシングに固定的に取り付けられている。

図３（ａ）に示すように、投光基板10の第一円板８側には、スリットの半径Ｒと同一半径の円周上に、発光素子としてのＬＥＤが多数配列されている。また図３（ｂ）に示すように、受光基板11の第二円板９側には、スリットの半径Ｒと同一半径の円周上に、受光素子としてのフォトＭＯＳが多数配列されている。

すなわち投光基板10と受光基板11とは、部品実装面が第一円板８および第二円板９を挟んで対向しており、発光素子と受光素子とは対となって同じ個数、例えば１００個の素子が等間隔で配列されている。対向させて使用するものであるから、その対関係は、投光基板10の発光素子の並びを時計回りにＬ００〜Ｌ９９と定義すれば、受光基板11の受光素子の並びは反時計回りにＦ００〜Ｆ９９となる。

そして発光素子Ｌによって光を発し、受光素子Ｆによって光を検知した場合には、その受光素子Ｆは通光部14と対向していることになる。従って、全ての受光素子Ｆについてスキャンし、受光した受光素子Ｆを数えることにより、通光部14の幅（円弧の長さ）を知ることができる。

発光素子と受光素子の制御は、図２（ａ）に示すバランサー制御部12によって行う。バランサー制御部12は、まず発光素子Ｌ００を投光状態にするタイミングで、これと対をなす受光素子Ｆ００のみを感知可能状態とする。これは、対以外の、斜め方向からの光を受光してしまうと、通光部14を実際より広く感知してしまうからである。

そして、この投光状態、受光感知可能状態を、Ｌ００とＦ００、Ｌ０１とＦ０１、というように順次行い、Ｌ９９とＦ９９まで来たら、再びＬ００とＦ００の〜と循環して高速に常時スキャニングする。これにより、例えばＦ９８，Ｆ９９，Ｆ００，Ｆ０１のように素子の配列の継ぎ目も含めて、受光した受光素子Ｆが連続して何個並ぶかを検出する。

上記構成によれば、通光部14は回転方向におけるあらゆる位置に形成される場合があるが、通光部14がどの位置にある場合でも、その幅を正しく検知することができる。ディスプレーサ２が規定喫水にあるとき、通光部14は９０°なのであるから、本実施例では１００／４、すなわち２５個の受光素子が受光する。

液位が下降して、ディスプレーサ２の喫水が低下すれば、浮力が低下し、ワイヤ３の張力が増大するため、ワイヤドラム１のトルクが増大して通光部14が拡張する。そして受光した受光素子Ｆの数が２５個より増加するため、モータ制御装置13は受光素子数が２５個となるまでワイヤ繰り出し方向へモータ５を駆動させる。逆に液位が上昇してディスプレーサ２の喫水が深くなれば、ワイヤドラム１のトルク減少により通光部14が縮小する。そして受光した受光素子Ｆの数が２５個より減少するため、モータ制御装置13はワイヤ巻き取り方向へモータ５を駆動させる。

なお、本実施例においては、１００対の発光素子と受光素子を用いたデジタル方式であるために、液位の計測値は（ワイヤドラム１の円周）／１００程度の誤差を生じる可能性がある。しかし、素子を微細化したり、千鳥配置することによって分解能を増加させることができ、またコイルスプリング付き継手７のバネ定数を小さくすることで精度の低下は防止可能である。

また、特に図示していないが、液位の現場表示は検出軸６と連動する指針、カウンター等により容易に実現可能である。モータ５がステッピングモータである場合には、液位のある時点の実測値を記憶させ、その後は、モータの駆動ステップの量をその実測値に加算すれば、ディジタル表示などの電子式表示も可能である。この場合、当然であるが、ステップ数をディスプレーサ２の移動量に変換してから加算する。

更に、液位が移動中で通光部14が９０°でないときも液位の指示に反映させたい場合には、検出軸６の回転量（またはモータ５の駆動量）によって求められた液位に対し、通光部14の角度と９０°との差をディスプレーサ２の移動量に換算して、補正することができる。これにより、液位表示の反応速度を向上させることができる。

本発明によれば、回転体部に複雑なアナログ回路が不要であるため、機構を薄くすることが可能であり、また電源も簡単な整流と平滑化を行えばよく、安定化電源までは不要である。また、信号をロジックレベル（Ｈ／Ｌで制御する回路）で取り扱い可能であるため、簡便となる。ロジック構成は多少複雑になったとしても、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）などを利用することにより、省スペース化、コスト低減化を図ることができる。したがって、全体的に、装置の小型化、生産コストの低減化を図ったレベル計測装置を提供することができる。

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利用することができる。

スリットを有する板部材を説明する図である。レベル計測装置の概略構成を説明する図である。投光基板および受光基板を説明する図である。

符号の説明

Ｆ …受光素子
Ｌ …発光素子
Ｒ …半径
Ｓ …液面
１ …ワイヤドラム
１ａ …溝
１ｂ …ワイヤドラムの軸
２ …ディスプレーサ
３ …ワイヤ
４ａ …ベアリング
４ｂ …ベアリング
４ｃ …ベアリング
５ …モータ
６ …検出軸
７ …コイルスプリング付き継手
７ａ …コイルスプリング
７ｂ …ボス
７ｃ …ボス
７ｄ …ビス
８ …第一円板
８ａ …スリット
９ …第二円板
９ａ …スリット
10 …投光基板
11 …受光基板
12 …バランサー制御部
13 …モータ制御装置
14 …通光部

Claims

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、該ワイヤドラムと同軸上で相対的に回転可能な検出軸とを備え、レベルの変化に伴って生じる前記ワイヤドラム側の回転変位と前記検出軸側の回転変位のずれに応じて前記検出軸を回転させ、前記ワイヤドラムの回転量と前記検出軸の回転量が同じになるように制御し、前記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、
前記ワイヤドラムと共に回転する第一の板部材と、前記検出軸と共に回転する第二の板部材とを有し、該第一および第二の板部材を対向して配置し、それぞれ回転中心を中心とする同一半径の円周上に円弧状のスリットを設け、
前記第一および第二の板部材を挟んで対向する発光素子および受光素子を、前記スリットと同一円周上に多数配列し、
前記ワイヤドラム側の回転変位と前記検出軸側の回転変位のずれを前記第一および第二の板部材に設けたスリットの重なりである通光部の幅によって検知し、これに基づいて前記ワイヤドラムの回転量と前記検出軸の回転量が同じになるように制御され、
前記通光部の幅は、前記発光素子から発せられた光を通光部を通して検知した受光素子の数によって検出することを特徴とするレベル計測装置。
前記第一および第二の板部材に設けた円弧状のスリットの長さはほぼ同じであって、前記ワイヤドラム側の回転変位と前記検出軸側の回転変位にずれがない状態において、前記第一および第二の板部材は前記スリットの長さのほぼ半分の位相差を有し、前記通光部の幅が前記スリットの長さのほぼ半分であることを特徴とする請求項１記載のレベル計測装置。
前記ワイヤドラムと前記検出軸とは、回転方向に弾性変形可能な継手によって接続されていることを特徴とする請求項１記載のレベル計測装置。
多数配列した前記発光素子および受光素子は、一つの発光素子において発光させると共に対となる受光素子のみにおいて検知を行い、これを順次循環して行うことを特徴とする請求項１記載のレベル計測装置。