JP5070154B2 - 界面レベル検出方法及び界面レベル検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器や水平方向に配管された管等の内部空間に存する内容物における上側空間との界面の位置（界面レベル）を前記容器等の外部から検出するための界面レベル検出方法及び界面レベル検出装置に関する。

従来から容器に充填された液化石油ガスの液面の高さ、即ち液面レベルを当該容器の外部から検出する検出方法としては、特許文献１に記載の検出方法が知られている。

この方法では、まず、内容物（液化石油ガス）が充填された容器の外周面が所定時間加熱される。この加熱後、前記容器の外周面における前記内容物が溜まっている位置からその上側に形成された空間（以下、単に「上側空間」とも称する。）と対応する位置にかけて、複数箇所の温度が測定される。即ち、前記内容物と前記上側空間との界面（液面）を上下方向に横切るような方向に沿って複数箇所の温度がそれぞれ対応する位置に配置された温度検出手段によって測定される。そして、各温度検出手段で検出された温度と外気温度との差が求められ、前記容器の外周面における検出温度が外気温度とほぼ同等若しくはそれより低い場合に、その温度を検出した温度検出手段の位置が界面（液面）レベルと判断される。
特開２００５−３０８６７０号公報

前記の界面レベル検出方法では、温度が測定される被測温部材（容器）の表面温度が外気温度とほぼ同等若しくはそれより低くなった位置が界面レベルと判断される。そのため、前記容器の肉厚が大きい場合、当該容器の熱伝導率の影響で実際の界面より低い位置で界面レベルと判断され、界面レベルを正確に検出することができないといった問題が生じていた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、内部空間を有する被測温部材の前記内部空間に存する内容物の界面レベルを外部から精度よく検出することができる界面レベル検出方法、及び界面レベル検出装置を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る界面レベル検出方法は、内部空間を有する被測温部材において、前記内部空間内に存する内容物とその上側空間との界面の位置を外部から検出するための界面レベル検出方法であって、前記被測温部材の表面において、前記界面と前記内部空間を規定する前記被測温部材の内壁面との交線に対して交差する方向で且つ前記交線を横切るような線分上の温度分布が取得される温度測定ステップと、前記線分上の温度分布から当該温度分布に近似させた１次元関数が導出されると共にその変曲点が導出され、この導出された変曲点に基づいて前記界面の位置が検出される変曲点導出ステップとを備え、前記変曲点導出ステップは、前記１次元関数が連続する微小区間に区分けされ、一つの前記微小区間と当該一つの微小区間からｎ（ｎは自然数且つ１≦ｎ）区間離れた微小区間とからなる一対の微小区間の間の温度差がそれぞれ導出され、これら複数の温度差の値で構成される第２の階差数列が導出される階差数列導出ステップと、横軸を前記線分上の位置、縦軸を各一対の微小区間における前記温度差として前記第２の階差数列を構成する値がプロットされて得られたグラフから当該グラフにおける折れ曲がり点が導出される折れ曲がり点導出ステップとを有することを特徴とする。

かかる構成によれば、前記温度測定ステップにおいて、前記内容物と前記内部空間における前記内容物の上側に形成された空間（上側空間）内の空気との熱伝導率の違いが前記測温部材の表面における熱容量の違いとなり前記線分上の温度分布として現れる。このとき、前記界面の位置（界面レベル）は、前記表面における熱容量の変化の最も大きい位置であるため、前記温度分布を近似させた１次元関数において変曲点として現れる。そのため、前記変曲点導出ステップにおいて、前記温度分布に近似させた１次元関数が導出されると共にその変曲点の位置が導出され、この変曲点に基づいて前記界面レベルが求められる。

即ち、被測温部材の外部から当該被測温部材の表面における前記温度分布が取得され、当該温度分布に基づいて前記変曲点が導出されることで、前記界面レベルが精度よく導出される。

また、前記一対の微小区間の間の温度差に基づく第２の階差数列が導出されることで、各微小区間における前記測定誤差が平均（平滑化）される。そのため、前記折れ曲がり点導出ステップにおいて得られる前記第２の階差数列に基づくグラフのノイズ量が減少して滑らかなグラフとなり、前記折れ曲がり点の導出がより容易となる。その結果、前記同様、界面レベルの検出精度もより向上する。

また、前記温度測定ステップの前に、前記被測温部材の表面が均一若しくは略均一に加熱又は冷却される変温ステップをさらに備え、前記温度測定ステップでは、前記被測温部材の表面の前記加熱又は冷却部分において、前記線分上の温度分布が取得される構成が好ましい。

かかる構成によれば、外気や前記内容物の温度に関わらず、確実に前記被測温部材の表面が加熱又は冷却される。そのため、時間や気候等に左右されることなく前記被測温部材の表面が加熱又は冷却され、前記線分上で温度分布における高温部と低温部との温度差が大きくなり、前記変曲点の導出が容易となる。

また、上記課題を解消すべく、本発明に係る界面レベル検出装置は、内部空間を有する被測温部材における前記内部空間内に存する内容物の上側空間との界面の位置を外部から検出するための界面レベル検出装置であって、前記被測温部材の表面の温度分布を測定するための温度測定手段と、前記温度測定手段での測定結果に基づいて前記被測温部材における前記内容物の界面の位置を導出する界面レベル検出手段と、前記界面レベル検出手段によって導出された前記界面の位置を出力する出力手段とを備える。そして、前記界面レベル検出手段は、前記温度測定手段から得られた前記被測温部材の表面における前記界面と前記内部空間を規定する前記被測温部材の内壁面との交線に対して交差する方向で且つ当該交線を横切るような線分上での前記温度分布に基づいて、当該温度分布に近似させた１次元関数を導出するための１次元関数導出手段と、この１次元関数における変曲点を導出し、この導出した変曲点に基づいて前記界面の位置を検出するための変曲点導出手段とを有し、前記変曲点導出手段は、前記１次元関数を連続する微小区間に区分けし、一つの前記微小区間と当該一つの微小区間からｎ（ｎは自然数且つ１≦ｎ）区間離れた微小区間とからなる一対の微小区間の間の温度差をそれぞれ導出し、これら複数の温度差の値で構成される第２の階差数列を導出する階差数列導出手段と、横軸を前記線分上の位置、縦軸を各一対の微小区間における前記温度差として前記第２の階差数列を構成する値をプロットして得られたグラフから当該グラフにおける折れ曲がり点を導出する折れ曲がり点導出手段とを有することを特徴とする。

かかる構成によれば、前記温度測定手段によって前記表面温度を測定することで、前記内容物とその上側空間との熱伝導率の違いが前記測温部材の表面における熱容量の違いとして現れた前記線分上の温度分布が得られる。そして、１次元関数導出手段が前記温度分布に近似させた１次元関数を導出し、変曲点導出手段が前記１次元関数の変曲点の位置を導出することで、前記界面レベルが精度よく導出される。

また、前記階差数列導出手段が前記一対の微小区間の間の温度差に基づく第２の階差数列を導出することで、前記同様、各微小区間における前記測定誤差が平均（平滑化）される。そのため、前記折れ曲がり点導出手段において、前記同様、前記第２の階差数列に基づく前記グラフがノイズ量の減少した滑らかなグラフとなり、前記折れ曲がり点の導出が容易となる。その結果、界面レベルの検出精度が向上する。

また、前記温度測定手段は赤外線カメラで構成され、前記１次元関数導出手段は、前記赤外線カメラで得られた前記被測温部材の表面に沿った２次元の温度分布から前記線分上の１次元の温度分布を抽出する温度分布抽出手段を有する構成が好ましい。

かかる構成によれば、前記温度測定手段によって前記被測温部材から離れた位置での温度測定が可能となる。

このとき、前記赤外線カメラで測定した前記表面温度は、当該表面に沿った２次元の温度分布情報として取得されるが、前記温度分布抽出手段によって、この２次元の温度分布情報から前記線分上の１次元の温度分布を適宜抽出される。そして、前記抽出された１次元温度分布情報から、前記同様、前記変曲点導出手段によって変曲点の位置が導出され、この変曲点の位置に基づき前記界面レベルが検出される。

また、前記赤外線カメラでは測定対象物表面に沿った２次元の温度分布情報を取得できる。そのため、前記のように離れた位置から前記表面温度の測定が行われたとしても、前記赤外線カメラの測定領域内に前記線分を含むように測定し易く、よって、より確実に前記線分上の温度分布が取得される。

また、前記被測温部材の表面を加熱又は冷却するための変温手段をさらに備える構成が好ましく、この場合、前記変温手段は、ハロゲンランプ又はキセノンランプで構成されることが好ましい。

かかる構成によれば、外気や前記内容物の温度に関わらず、確実に前記被測温部材の表面の加熱又は冷却が可能となる。そのため、時間や気候等に左右されることなく前記被測温部材の表面が加熱又は冷却される。特に、前記ハロゲンランプやキセノンランプが用いられることで、離れた位置からでも前記被測温物の表面への光（加熱光）の照射が可能となる。そのため、前記被測温部材が高所等、測定位置から離れた位置に配置されている場合でも足場等を組むことなく容易に加熱することが可能となる。

以上より、本発明によれば、内部空間を有する被測温部材の前記内部空間に存する内容物の界面レベルを外部から精度よく検出することができる界面レベル検出方法、及び界面レベル検出装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る界面レベル検出装置（以下、単に「検出装置」とも称する。）は、容器や管等の内部空間を有する部材（被測温部材）において、前記内部空間に存する内容物とその上面との界面の位置（界面レベル）を外部から検出するための装置である。この装置では、前記内部空間に溜まった液体やヘドロ等の内容物の界面レベルを前記内容物とその上側の空間に満たされている空気等との熱伝導率の違いを利用して外部からの検出を可能としている。

尚、前記内容物は、液体やヘドロ等の流動性を有するもの（本実施形態においては水）であるが、これに限定されず、径の小さな粒状物の集合体等であってもよい。即ち、管内や容器内に溜まった（又は収容された）状態の前記粒状物の集合体等とその上側の空間との界面が水平若しくは略水平となり、且つ前記粒状物の集合体等と上側の空間を満たす空気等との熱伝導率の大きさが異なるようなものであればよい。

具体的には、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る検出装置１０は、赤外線カメラ（温度測定手段）１２と、この赤外線カメラ１２が接続され、界面レベルを導出するための検出装置本体（界面レベル検出手段）２０と、検出装置本体２０に接続され、前記導出された界面レベルｓｌを表示するためのモニタ（出力手段）１４とを備える。

赤外線カメラ１２は、被測温部材Ｔの表面における各部位の温度を測定することで温度分布を得ることができるものであり、被測温部材Ｔの表面に沿って２次元の温度分布を得ることができる。

検出装置本体２０は、赤外線カメラ１２から送られてくる被測温部材Ｔの表面温度の測定結果（２次元の温度分布）に基づいて界面レベルｓｌを導出するためのものであり、１次元関数導出手段２２と変曲点導出手段２８とを備える。

１次元関数導出手段２２は、赤外線カメラ１２での被測温部材Ｔの表面温度の測定結果から取得した１次元の温度分布に基づいて、当該温度分布に近似させた１次元関数ｆ（ｘ）（図８（ａ）及び図１０（ａ）参照）を導出するためのものであり、本施形態においては、２次元温度分布一時記憶手段２４と１次元温度分布抽出手段２６とを有する。２次元温度分布一時記憶手段（以下、単に「２次元分布記憶手段」とも称する。）２４は、赤外線カメラ１２での前記表面温度の測定結果を一時的に記憶する手段であり、１次元温度分布抽出手段２６は、２次元分布記憶手段２４で一時的に記憶した前記測定結果から後述する測定ラインＬ上での温度分布を抽出するための手段である。

変曲点導出手段２８は、前記１次元関数ｆ（ｘ）における変曲点ｐｆ（図８（ａ）及び図１０（ａ）参照）を導出し、この導出した変曲点ｐｆに基づいて界面レベル（界面の位置）ｓｌを検出するものであり、本実施形態においては、階差数列導出手段３０と折れ曲がり点導出手段３４とを有する。階差数列導出手段３０は、１次元関数ｆ（ｘ）を微小区間に区分けし、この区分けした微小区間における温度値を並べた数列に対する階差数列を導出する手段であり、折れ曲がり点導出手段３４は、前記階差数列を構成する値をプロットしてグラフ化することで（図８（ｂ）及び図１０（ｂ）参照）、１次元関数ｆ（ｘ）の変曲点ｐｆを導出する手段である。

モニタ（出力手段）１４は、ＣＲＴ、ＬＣＤ等で構成される。本実施形態において、出力手段１４は、画面を通じて界面レベルｓｌを作業者等が取得できるように構成されているが、プリンタ等の印刷手段であってもよい。又、両方を備えていてもよい。

本実施形態に係る検出装置１０は、以上の構成からなり、次に、この検出装置１０の作用について図２も参照しつつ説明する。尚、本実施形態においては、被測温部材Ｔを水平若しくは略水平に配管されている管とし、その表面温度が測定されることで、その内部（内部空間）に溜まっている水の液面レベル（界面レベル）ｓｌが検出される。

まず、太陽光によって暖められた管Ｔの表面における測定ラインＬを含む領域（測定領域）ｔの表面温度が赤外線カメラ１２で測定される（ステップ１）。

このように温度測定対象となる管Ｔの表面が太陽光によって暖められる場合、管Ｔの表面における内部の液面（界面）ｓに対応する位置ｓｌを挟んで上下両側での温度差が最も大きくなる時間帯での測定が好ましい。具体的には、太陽光が管Ｔの測定領域ｔを直接照射して加熱している時間帯が最もＳ／Ｎがよい状態で測定できる。

また、赤外線カメラ１２を用いて管Ｔの表面温度が測定されることで、測定場所から離れた位置に配置された管（被測温部材）Ｔの表面温度の測定が可能となる。例えば、高所に配管された管Ｔの表面温度が測定される際に、足場が組まれることなく離れた位置から容易に測定ができる。

さらに、前記のように赤外線カメラ１２では管Ｔの表面に沿った２次元の温度分布情報が取得されるため、離れた位置から管Ｔの表面温度が測定されたとしても、赤外線カメラ１２の測定領域ｔ内に測定ラインＬが含まれるように測定し易い。従って、赤外線カメラ１２を用いて管Ｔの表面の温度が測定されることで、前記離れた位置からの測定においても、より確実に測定ラインＬ上の温度分布の取得が可能となる。

赤外線カメラ１２で測定された表面温度（温度データ）、詳細には測定領域ｔにおける管Ｔの表面に沿った２次元の温度分布が検出装置本体２０に送られ、検出装置本体２０の１次元関数導出手段２２の２次元分布記憶手段２４に一時的に記憶される。（ステップ２）。

そして、１次元温度分布抽出手段２６が２次元分布記憶手段２４に記憶された前記２次元の温度分布を引き出し、この２次元の温度分布から管Ｔの表面における所定の線分（測定ライン）Ｌ上の温度分布（１次元の温度分布）を抽出する（ステップ３）。

測定ラインＬは、管Ｔの表面における管Ｔ内に溜まった水の液面ｓと管内周面（管内壁面）との交線に対して交差する方向で且つ当該交線を横切るような線分である（図１（ｂ）参照）。この測定ラインＬは、本実施形態においては、２次元分布記憶手段２４に記憶された２次元の温度分布情報がモニタ１４に温度分布画像として画面表示され、検出装置本体２０に接続されたマウスやジョイスティック等の入力手段（図示省略）によって前記画面上で指定される。

尚、本実施形態においては、測定ラインＬは、液面ｓと管内周面との交線（液面）と直交若しくは略直交するような線分であるが、前記交線と交差していれば当該交線に対して大きく傾斜していてもよい。また、測定ラインＬが前記のように任意に指定されてもよいが、あらかじめ温度測定時に１次元の温度分布を取得しようとするライン（線分）が設定され、このラインに対して液面ｓと管周面との交線が横切るように赤外線カメラ１２の画角が定められてもよい。この場合、温度測定時に１次元の温度分布を取得しようとする測定ラインＬを赤外線画像（２次元の温度分布画像）と同時にモニタ１４の画面上に表示するようにあらかじめ設定しておく。こうすることで赤外線カメラ１２の画角が容易に定められる。

１次元関数導出手段２２は、このようにして抽出した測定ラインＬ上の温度分布（１次元の温度分布）に基づき、この温度分布に近似させた１次元関数ｆ（ｘ）を導出し（ステップ４）、この１次元関数ｆ（ｘ）を変曲点導出手段２８の階差数列導出手段３０に送る。

階差数列導出手段３０は、１次元関数導出手段２２で導出した１次元関数ｆ（ｘ）を連続する微小区間に区分けし、各微小区間での値（温度値）を測定ラインＬ上の距離と対応づけて１次元温度分布の一時記憶手段（以下、単に「１次元分布記憶手段」）３２にそれぞれ記憶する。そして、階差数列導出手段３０は、隣り合う微小区間の間の温度差をそれぞれ導出し、これら複数の温度差の値で構成される階差数列を導出する（ステップ５）。即ち、前記連続する微小区間に区分けした各微小区間における温度値で数列が構成され、この数列の隣り合う数値同士の差が求められることで前記階差数列が導出される。この階差数列は、折れ曲がり点導出手段３４に送られる。

折れ曲がり点導出手段３４は、横軸を測定ライン上の位置、縦軸を各微小区間における温度差として前記階差数列を構成する値をプロットし、得られたグラフから当該グラフにおける折れ曲がり点ｂｐを導出する（ステップ６：図８（ｂ）及び図１０（ｂ）参照）。

変曲点導出手段２８は、このようにして導出された測定ラインＬにおける折れ曲がり点ｂｐの位置を界面レベルｓｌとして出力（送信）してモニタ１４に表示させる（ステップ７）。また、検出装置本体２０は、導出された変曲点ｐｆの測定ラインＬ上の位置、即ち、界面レベルｓｌを記憶する検出結果記憶手段（図示省略）も備えている。

尚、本実施形態において測定ラインＬは１本のラインで構成される。しかし、複数の測定ラインＬ，Ｌ，…が設定され、並列処理が行われてもよい。この場合、各測定ラインＬでの界面レベルｓｌが平均されることで正確な界面レベルｓｌの検出が可能となる。また、内容物の種類（粘度の高い流動体や粒状物の集合体等）によっては傾斜した界面ｓが形成されている場合があるが、このような場合でも、界面ｓと内周面との交線の正確な検出が可能となる。また、赤外線カメラ１２での測定を続けつつ前記のデータ処理が次々に行われることで、リアルタイムでの界面レベルｓｌの検出が可能となる。

以上のように、赤外線カメラ（温度測定手段）１２によって管（被測温部材）Ｔの表面温度が測定されることで、水（内容物）とその上側空間に満たされた空気との熱伝導率の違いが管Ｔの表面における熱容量の違いとして現れた測定ラインＬ上の温度分布（１次元関数ｆ（ｘ））が得られる。

このとき、管Ｔの表面における液面（界面）ｓに対応する位置は前記熱容量の変化の最も大きい位置であるため、測定ラインＬ上の温度分布を近似させた１次元関数ｆ（ｘ）において変曲点ｐｆとして現れる。そのため、１次元関数ｆ（ｘ）が導出されると共にその変曲点ｐｆの位置が導出されることで、この変曲点ｐｆに基づいて導出された液面レベルｓｌが出力される。このように変曲点ｐｆに基づいて液面レベルｓｌを導出することで、管Ｔの熱伝導率や肉厚の大小に影響されず、精度よく液面レベルｓｌの導出が可能となる。

本実施形態において変曲点ｐｆは、１次元関数ｆ（ｘ）を微小区間に区分けして得た数列の階差数列が導出され、この階差数列を構成する値がプロットされて得られたグラフから折れ曲がり点ｂｐとして導出している。このように階差数列を構成する値がグラフにプロットされることで、微小区間の間の温度差における極値である前記グラフの折れ曲がり点ｂｐとして変曲点ｐｆが導出される。

通常、測定された管Ｔの表面温度には測定誤差が含まれるため、測定ラインＬ上の温度分布は、滑らかな線分で表される１次元関数とならずノイズを含む（図３参照）。そのため、前記のように階差数列が導出されてグラフ化されることで、前記誤差（ノイズ）の含まれた状態であっても折れ曲がり点ｂｐの検出が、微分処理によって変曲点ｐｆを導出するよりも容易に行われる。その結果、液面レベルｓｌの検出が精度よく行われる。

尚、本発明の検出装置１０は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、本実施形態においては、太陽光によって加熱された管Ｔの表面温度が測定されているが、このように加熱に限定される必要はない。

即ち、被測温部材Ｔの表面が冷却されてもよい。このように冷却されても、取得される測定ラインＬ上の温度分布には、内容物とその上側の空間と熱伝導率の違いによる被測温部材Ｔの表面の熱容量の違いが表れる。そのため、前記同様にこの温度分布に近似させた１次元関数ｆ（ｘ）が導出され、その変曲点ｐｆが導出されることで界面レベルｓｌが検出される（図１０（ａ）及び図１０（ｂ）参照）。

また、太陽光や気温によって被測温部材Ｔの表面に温度変化を与える必要はなく、加熱光照射機や冷風機等の変温手段が用いられて被測温部材Ｔの表面が加熱又は冷却されるように構成されてもよい。このような構成とすれば、外気や内容物の温度に関わらず、確実に被測温部材Ｔの表面の加熱又は冷却が可能となる。そのため、時間や気候等に左右されることなく被測温部材Ｔの表面が加熱又は冷却される。特に、変温手段としてハロゲンランプやキセノンランプが用いられることで、離れた位置からでも被測温部材Ｔの表面への光（加熱光）の照射が可能となる。そのため、被測温部材Ｔが高所等、測定位置から離れた位置に配置されている場合でも、足場等を組む必要がなく容易に加熱することが可能となる。

また、１次元関数導出手段２２と変曲点導出手段２８との間にローパルフィルターが設けられ、導出された１次元関数ｆ（ｘ）がローパスフィルタ処理されるように構成されてもよい。このように構成されることで、折れ曲がり点ｂｐが導出される際に、前記グラフにおける測定誤差に基づくノイズ量が減少してより滑らかなグラフとなる。その結果、折れ曲がり点ｂｐの導出がより容易となり、界面レベルｓｌの検出精度がより向上する。

また、本実施形態において、変曲点導出手段２８における階差数列導出手段３０では、１次元関数ｆ（ｘ）が連続する微小区間に区分けされ隣り合う微小区間の間の温度差がそれぞれ導出され、これら複数の温度差の値で構成される階差数列が導出されている。しかし、前記階差数列を構成する値（温度差の値）は、隣り合う微小区間の間の温度差に限定される必要はない。

即ち、１次元関数ｆ（ｘ）が連続する微小区間に区分けされ、一つの微小区間と当該一つの微小区間からＮ（Ｎは自然数且つ１≦Ｎ）区間離れた微小区間とからなる一対の微小区間の間の温度差がそれぞれ導出される。そして、これら複数の温度差の値で構成される階差数列が導出されるようにしてもよい。このようにすることで、階差数列導出手段３０が前記一対の微小区間の間の温度差に基づく階差数列を導出することで、各微小区間における測定誤差が平均（平滑化）される。そのため、折れ曲がり点導出手段３４において、前記階差数列に基づくグラフがノイズ量の減少した滑らかなグラフとなり、折れ曲がり点ｂｐの導出が容易となる。即ち、前記のローパスフィルタ処理と同様に測定誤差に基づくノイズを削減することができる。その結果、界面レベルｓｌの検出精度が向上する。

具体的には、図３に示されるように、実測された測定ラインＬ上の１次元の温度分布（１次元関数）ｆ１（ｘ）は、管Ｔの表面における温度分布のむらや前記表面からの熱の放射むら等に起因する測定誤差の影響で小刻みに波打っている。そのため、この温度分布から単純に微小区間に区分けされ階差数列が求められ（階差数列処理され）、前記のように階差数列を構成する値がプロットされてグラフ化されると、図４（ａ）に示されるように、ノイズが大きくなる。このグラフからでも折れ曲がり点ｂｐの特定は可能であるが、精度のよい折れ曲がり点の特定は容易でない。

そこで、前記微小区間に区分けされ、Ｎ区間離れた一対の微小区間の間の温度差に基づく階差数列が導出されて、前記同様にグラフ化されたものが図４（ｂ）に示される。この図からもわかるように、グラフのノイズが減少し、滑らかなグラフとなる。そのため、前記の単純に階差数列処理されたグラフに比べ折れ曲がり点ｂｐの位置の特定がより容易になる。尚、この場合でも、前記の測定誤差をグラフから完全に取り除くことはできず、前記測定誤差の影響が残り折れ曲がり点ｂｐが複数表れたように見えることがあるが、階差数列を構成する値の絶対値（微小区間の間の温度差）が最も大きい位置を折れ曲がり点ｂｐとすることで精度よく界面レベルｓｌの検出が可能となる。

また、本実施形態においては、管（被測温部材）Ｔの内部空間に水（内容物）が溜まっている（存する）状態での界面レベルｓｌの検出が行われている。しかし、これに限定されず、内容物が溜まっていない状態で界面レベルｓｌの検出が行われてもよい。この場合、本実施形態に係る界面レベル検出方法によれば、被測温部材Ｔの内部空間に内容物が存するか否かの判断を行うことも可能となる。

具体的には、例えば、晴天の日の１４：００に太陽光によって加熱された管Ｔの表面における測定ラインＬに沿った温度分布を測定（実測）した結果を図５（ａ）に示す。このときの管Ｔの内部空間には内容物が無い状態である。この図において、横軸の左側が管の上部、右側が管の下部となる。この図（グラフ）から管Ｔの上部は太陽光によって加熱され易いため温度が高くなっているのがわかる。このような温度分布は、管Ｔの内部に常温に近い流体（内容物）がある場合に得られるときがある。そのため、この１次元の温度分布のみからでは、管Ｔの内部空間に内容物が存するか否かの判断が不可能である。

そこで、図５（ａ）のデータに階差数列処理を施した結果を図５（ｂ）に示す。この図５（ｂ）においては、明確な折れ曲がり点ｂｐが現れていないことがわかる。このように管（被測温部材）Ｔの内部空間に内容物が無い状態では、１次元の温度分布に階差数列処理を施しても折れ曲がり点ｂｐが現れてこない。

以上より、本実施形態によれば、測定ラインＬに沿った１次元の温度分布に階差数列処理を施し、折れ曲がり点ｂｐが現れるか否かをみることで、まず、被測温部材の内部空間に内容物が存するか否かを容易に判断することができることがわかる。そして、折れ曲がり点ｂｐがある場合は、その位置をみることで界面レベルｓｌの検出がなされる。

また、本実施形態においては、温度測定手段（赤外線カメラ）１２での測定によって、２次元の温度分布が得られるが、図６に示されるように、測定ラインＬに沿って互いに間隔をおいて複数の温度計１２ａ，１２ａ，…が配置され、各温度計１２ａによって測定ラインＬ上の対応する部位の温度がそれぞれ測定されてもよい。このように温度が測定されても、測定ラインＬ上の１次元の温度分布が得られる。

温度計１２ａは、赤外線カメラ１２のように、離れた位置から温度を測定するものでなく、被測温部材Ｔの表面に接触させて温度測定が行われる接触式温度計であってもよい。接触式温度計１２ａは、汎用品が種々販売されており、簡単且つ安価な構成での温度測定が可能となる。また、接触式温度計１２ａを用いることで、被測温部材Ｔの表面と温度計１２ａとの間の空気等の影響による測定誤差がなく、精度よく確実に被測温部材Ｔの表面温度の測定が可能となる。

前記実施形態の検出装置１０を用い、図７に示されるような厚さ６ｍｍの被測温部材Ｔで構成された容器内に２７℃の水と２７℃のガスとが収容された解析モデルを用いて界面レベルｓｌを検出する場合のシミュレーションを行った。被測温部材Ｔを構成する軟鋼の特性（材料定数）は、下表に示す。

その結果を図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す。図８（ａ）は測定ラインＬ上の１次元の温度分布（１次元関数）ｆ（ｘ）を示し、図８（ｂ）は前記１次元の温度分布を前記実施形態における階差数列処理を行った結果を示す。このように、界面レベルｓｌは、階差数列を構成する値をプロットしたグラフの折れ曲がり点ｂｐ、即ち、１次元関数の変曲点ｐｆの位置から精度よく検出できることが確認できる。

また、図９に示されるような外気よりも内容物（水）の温度が高い解析モデルを用い、前記同様にシミュレーションを行った。この場合、外気の方が内容物よりも温度が低いため、太陽光で加熱される場合と異なり、被測温部材Ｔの表面が外気によって冷却されることとなる。その結果を図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す。この図からもわかるように、内容物の温度が外気より高い場合（又は被測温部材Ｔの表面を冷却した場合）でも、前記の実施形態同様に精度よく界面レベルｓｌの検出が可能であることが確認できる。

（ａ）は、本実施形態に係る界面レベル検出装置のブロック図であり、（ｂ）は被測温部材の表面における測定ラインを示す概略図である。 同実施形態に係る界面レベル検出装置での界面レベルの検出のフローを示す図である。 実測での測定ライン上の１次元の温度分布を示す図である。 １次元関数を階差処理した結果を示す図であって、（ａ）は実測値をそのまま階差数列処理した図であり、（ｂ）はＮ個離れた微小区間の間での温度差を用いて階差数列処理した図である。 （ａ）は、内容物のない被測温部材における実測での測定ライン上の１次元の温度分布を示す図であり、（ｂ）は、図５（ａ）を階差数列処理した結果を示す図である。 他実施形態に係る界面レベル検出装置のブロック図である。 外気よりも内容物の温度が低い場合の解析モデルを示す図である。 図７の解析モデルにおける（ａ）は測定ライン上の温度分布を示し、（ｂ）は、図８（ａ）を階差数列処理したグラフを示す。 外気よりも内容物の温度が高い場合の解析モデルを示す図である。 図９の解析モデルにおける（ａ）は測定ライン上の温度分布を示し、（ｂ）は、図１０（ａ）を階差数列処理したグラフを示す。

符号の説明

１０ 検出装置
１２ 赤外線カメラ（温度検出手段）
ｂｐ 折れ曲がり点
ｆ（ｘ） １次元関数
Ｌ 測定ライン
ｐｆ 変曲点
ｓ 液面（界面）
ｓｌ 界面（液面）レベル（界面（液面）の位置）
Ｔ 管（被測温部材）

Claims (6)

1. 内部空間を有する被測温部材において、前記内部空間内に存する内容物とその上側空間との界面の位置を外部から検出するための界面レベル検出方法であって、
   前記被測温部材の表面において、前記界面と前記内部空間を規定する前記被測温部材の内壁面との交線に対して交差する方向で且つ前記交線を横切るような線分上の温度分布が取得される温度測定ステップと、
   前記線分上の温度分布から当該温度分布に近似させた１次元関数が導出されると共にその変曲点が導出され、この導出された変曲点に基づいて前記界面の位置が検出される変曲点導出ステップとを備え、
   前記変曲点導出ステップは、前記１次元関数が連続する微小区間に区分けされ、一つの前記微小区間と当該一つの微小区間からｎ（ｎは自然数且つ１≦ｎ）区間離れた微小区間とからなる一対の微小区間の間の温度差がそれぞれ導出され、これら複数の温度差の値で構成される第２の階差数列が導出される階差数列導出ステップと、
   横軸を前記線分上の位置、縦軸を各一対の微小区間における前記温度差として前記第２の階差数列を構成する値がプロットされて得られたグラフから当該グラフにおける折れ曲がり点が導出される折れ曲がり点導出ステップとを有することを特徴とする界面レベル検出方法。
2. 請求項１に記載の界面レベル検出方法において、
   前記温度測定ステップの前に、前記被測温部材の表面が均一若しくは略均一に加熱又は冷却される変温ステップをさらに備え、
   前記温度測定ステップでは、前記被測温部材の表面の前記加熱又は冷却部分において、前記線分上の温度分布が取得されることを特徴とする界面レベル検出方法。
3. 内部空間を有する被測温部材における前記内部空間内に存する内容物の上側空間との界面の位置を外部から検出するための界面レベル検出装置であって、
   前記被測温部材の表面の温度分布を測定するための温度測定手段と、
   前記温度測定手段での測定結果に基づいて前記被測温部材における前記内容物の界面の位置を導出する界面レベル検出手段と、
   前記界面レベル検出手段によって導出された前記界面の位置を出力する出力手段とを備え、
   前記界面レベル検出手段は、前記温度測定手段から得られた前記被測温部材の表面における前記界面と前記内部空間を規定する前記被測温部材の内壁面との交線に対して交差する方向で且つ当該交線を横切るような線分上での前記温度分布に基づいて、当該温度分布に近似させた１次元関数を導出するための１次元関数導出手段と、この１次元関数における変曲点を導出し、この導出した変曲点に基づいて前記界面の位置を検出するための変曲点導出手段とを有し、
   前記変曲点導出手段は、前記１次元関数を連続する微小区間に区分けし、一つの前記微小区間と当該一つの微小区間からｎ（ｎは自然数且つ１≦ｎ）区間離れた微小区間とからなる一対の微小区間の間の温度差をそれぞれ導出し、これら複数の温度差の値で構成される第２の階差数列を導出する階差数列導出手段と、
   横軸を前記線分上の位置、縦軸を各一対の微小区間における前記温度差として前記第２の階差数列を構成する値をプロットして得られたグラフから当該グラフにおける折れ曲がり点を導出する折れ曲がり点導出手段とを有することを特徴とする界面レベル検出装置。
4. 請求項３に記載の界面レベル検出装置において、
   前記温度測定手段は赤外線カメラで構成され、
   前記１次元関数導出手段は、前記赤外線カメラで得られた前記被測温部材の表面に沿った２次元の温度分布から前記線分上の１次元の温度分布を抽出する温度分布抽出手段を有することを特徴とする界面レベル検出装置。
5. 請求項３又は４に記載の界面レベル検出装置において、
   前記被測温部材の表面を加熱又は冷却するための変温手段をさらに備えることを特徴とする界面レベル検出装置。
6. 請求項５に記載の界面レベル検出装置において、
   前記変温手段は、ハロゲンランプ又はキセノンランプで構成されることを特徴とする界面レベル検出装置。

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