JP5368409B2

JP5368409B2 - 受圧式液面計

Info

Publication number: JP5368409B2
Application number: JP2010229608A
Authority: JP
Inventors: 正治阿部; 巖山田; 洋一立花
Original assignee: Musasino Co Ltd
Current assignee: Musasino Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: JP2012083201A

Description

本発明は、受圧面の腐食や、水生生物、無機物等の付着を防止して、良好な測定精度を保つことのできる受圧式液面計に関するものである。

コンテナ船やタンカーのような船舶におけるバラストタンクや油タンク、水タンク等の液体を貯留するタンクには、液面の高さを検出するための液面計が設置されている。このような液面計の方式としては、磁気フロート式、気泡式、電気抵抗式、受圧式等が従来から知られている。

上述した液面計のうち、受圧式液面計は、他の方式の液面計と比べて構成が比較的単純で安価であるため、多くの船舶において採用されている。

図６に示すように、従来の受圧式液面計１は、本体部２と、図示せぬ外部装置と接続して本体部２に電源を供給するとともに情報を授受するための電線２３とを備えている。

本体部２は、ステンレス鋼等からなるハウジング２４内部に基板２２が収納されているとともに、液体内で使用される状態において下方となる部分に、外部圧力を感知する受圧部２１が設けられている。また、ハウジング２４には、ハウジング２４の温度を計測する図示せぬ温度計が設けられている。受圧部２１と温度計は基板に接続され、これらの構成部品間で電源の供給および情報の授受が行われる。

本体部２はタンクの底部に設置される。受圧部２１が周囲にある液体と直接接触して水圧を計測するとともに、温度計がハウジング２４の温度を計測する。このとき、ハウジング２４の温度は周囲の液体の温度であるとみなされる。そして、液面計内部に設けられている基板２２に搭載されている図示せぬ情報処理部によって、計測された液体の水圧と温度とに基づいて、タンク内部に収容されている液体の液面の高さが算出される。このような受圧式液面計１の受圧部２１として、例えば、薄いセラミックやステンレス鋼等からなる外部ダイヤフラムで受けた周囲の液体の圧力を、シリコンオイルなどを介してシリコン等からなる内部ダイヤフラムのセンサに伝達し圧力を検出する構成が広く採用されている。

一方、受圧部が外部の液体に直接触れないタイプの液面計としては、例えば特許文献１に記載されている気泡式液面計がある。気泡式液面計は、下端部が開口し、内部に気体を供給することのできる給気管が設けられている。そして、気泡式液面計を使用するときは、給気管を鉛直方向に向けて液体内に配置し、下端の開口から気泡が排出されるように気体を供給する。給気管内の内圧Ｐは、液体の深さＨに液体の密度ρを乗じたρＨに液体上部のガス圧を加えたもの（全圧）と等しくなる。検出された全圧から液体上部のガス圧を差し引いたものが液体のレベルに対応した圧力となり、この圧力から液面（液体のレベル）を求めることができる。

特開平８−０６８６８１号公報

しかし、従来の受圧式液面計１では、受圧部２１が周囲の液体に直接触れるため、貯留されている海水や化学薬品等による腐食や、水生生物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、珪酸等の付着により劣化し、受圧式液面計１の感度が低下する可能性があった。

また、気泡式液面計では、給気管内に気体を供給するための構成が必要となる。特に、貯留されている液体がバラスト水である場合には、水生生物や病原菌等が航海中に繁殖することを防ぐため、給気管内に供給される気体として窒素ガスを使用する必要がある。そのため、液面計の構成が複雑になり、高価なものとなってしまう。

そこで、本発明は、簡易な構成により受圧部の海水や化学薬品等による腐食や、水生生物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、珪酸等の付着による劣化を防止し、液面計の感度を良好に保つことができる受圧式液面計を提供することを目的とする。

本発明は、受圧部および前記受圧部からの情報を処理する情報処理部が設けられている本体部と、前記本体部と連結され前記受圧部周辺を覆うとともに、開口部が設けられているエアキャップと、を備え、前記受圧部が前記エアキャップの内部に溜まっている空気の気圧を計測し、計測された前記気圧に基づいて液面高さを測定することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、受圧部の周囲をエアキャップで覆い、周囲の液体の圧力をエアキャップ内部の空気を介して間接的に測定するため、受圧部の海水や化学薬品等による腐食や、水生生物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、珪酸等の付着による劣化を防止し、液面計の感度を良好に保つことができる受圧式液面計を提供することができる。

本発明に係る受圧式液面計の実施例を示す断面図である。図１の受圧式液面計が投入された貯水タンクに液体が注入される様子を順に示す断面図である。エアキャップ開口部の各種変形例を示す斜視図である。エアキャップの開口部に取り付けられる緩衝板の例を示す斜視図である。本発明に係る受圧式液面計の別の実施例を示す断面図である。従来の受圧式液面計を示す断面図である。

以下、本発明に係る受圧式液面計の実施例について、図を用いて説明する。なお、上述した従来の受圧式液面計と同じ構成部分については、同じ符号を付してある。

図１に示すように、本実施例に係る受圧式液面計１は、本体部２と、本体部２に連結されている電線２３と、本体部２の下方に取り付けられたエアキャップ３とを備えている。

本体部２は、従来の受圧式液面計と同様のものであり、ステンレス鋼等からなるハウジング２４内部に基板２２が収納されているとともに、液体内で使用される状態において下方となる部分に、外部圧力を感知する受圧部２１が設けられている。また、ハウジング２４には、ハウジング２４の温度を計測するための図示せぬ温度計が設けられている。受圧部２１と温度計は基板に接続され、これらの構成部品間で電源の供給および情報の授受が行われる。本体部２は、タンクの底部に設置される。

なお、受圧部２１としては、従来の受圧式液面計と同様に、薄いセラミックやステンレス等からなる外部ダイヤフラムで受けた周囲の液体の圧力を、シリコンオイルなどを介してシリコン等からなる内部ダイヤフラムのセンサに伝達し圧力を検出する構成を用いることができる。

本体部２の下方には、受圧部２１を覆うように、筒状のエアキャップ３が取り付けられている。エアキャップ３は筒状の部材であり、一方の端部が受圧部２１を覆うように本体部２に取り付けられているとともに、他方の端部は開口部３１となっている。図２Ａに示すように、受圧式液面計１が液体外部にあるときには、受圧式液面計１の周囲にある周辺大気が開口部３１を経てエアキャップ３の内部に進入可能となっている。

一方、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、受圧式液面計１が液体内に位置する状態では、エアキャップ３内に進入していた周辺大気がエアキャップ３内に閉じ込められる。この閉じ込められた空気により、受圧部２１への液体の接触が効果的に防止される。また、閉じ込められた空気は、水圧により圧縮されるとともに、液体がエアキャップ３内に水圧に応じた量だけ進入する。

なお、水圧によりエアキャップ３内部に進入してくる液体が受圧部２１に触れることがないよう、エアキャップ３は、開口部３１から受圧部２１までの距離が充分に確保されている構成となっている。

エアキャップ３の素材としては、ステンレス鋼管、銅管、真鍮管、その他の金属管、塩ビ管、ポリカーボネート管、ＦＲＰ管、その他のプラスチック管等を好適に用いることができる。また、エアキャップ３は本体部２に固定されていてもよいが、着脱可能とすれば、定期的な点検やメンテナンスを容易に行うことができる。

また、エアキャップ３内部に液体が進入するときに液流が乱れ、飛散した液体が受圧部２１に接触することを防止するためには、エアキャップ３の内部への液体の進入をスムーズにすることが好ましい。そこで、図３Ａや図３Ｂに示すように、開口部３１の周辺に切り欠きを設けてもよい。図３Ａには円弧状の切り欠き３２を、図３Ｂには楔形の切り欠き３３を示したが、切り欠きの形状および個数はこれらに限らず、液体の進入をスムーズにできるものなら好適に用いることができる。

また、エアキャップ３内部に液体が進入するときに液流が乱れ、飛散した液体が受圧部２１に接触することを防止するためには、液体がエアキャップ３内部に穏やかに進入することが好ましい。そこで、図４に示すように、複数の小孔４１が形成された緩衝板４を開口部３１の開口面に対して水平に設けてもよい。緩衝板４は、受圧式液面計１が投げ込み式または携帯型である場合に特に有効である。

なお、エアキャップ３内部に進入する液流の乱れを防止するため、開口部３１を水平方向に設けるのではなく、水平方向に傾斜して設けてもよい。開口部３１が傾斜している場合、受圧式液面計１が液体に投入されるときに開口部３１が下方から段階的に水面に触れていくこととなる。そのため、開口部３１が水面に触れる際の衝撃を緩和し、エアキャップ３内部に進入する液流の乱れを防止することができる。

また、バラスト水が貯留されているタンク内で受圧式液面計１を用いる場合には、エアキャップ３の内部に溜まっている気体中の酸素が水生生物の生育に寄与することがないよう、酸素をなるべく少なく保つことが好ましい。そのため、エアキャップ３内部に、脱酸素剤を取り付けるための取付部を設けてもよい。脱酸素剤をエアキャップ３内部に取り付けることで、エアキャップ３内部の酸素量を少なく保つことができ、バラスト水中の水生生物の育成を効果的に防止することができる。

本実施例に係る受圧式液面計１では、従来の受圧式液面計と同様に、温度計でハウジング２４の温度を計測するようにするとよい。計測されたハウジング２４の温度は、タンク内に貯留されている液体の温度であるとみなされる。一方、受圧部２１は従来の受圧式液面計と異なり、エアキャップ内部に溜まっている空気の圧力を測定する。そして、液面計内部に設けられている基板２２に搭載されている図示せぬ情報処理部によって、計測されたエアキャップ３内の空気圧と、液面計周囲の液体の温度とに基づいて、タンク内部に収容されている液体の液面の高さが算出される。

本実施例に係る受圧式液面計１による、エアキャップ３内の空気圧と、タンク内の液体の温度とに基づく液面の高さの算出方法について説明する。

図２Ｃに示すように、液体の水面から受圧部２１の受圧面までの水深をＨ_１、エアキャップ３内に進入した液体の水面から受圧面までの距離をｃ、エアキャップ３の開口部３１からエアキャップ３内に進入した液体の水面までの距離（エアキャップ内の水深）をｄ、開口部３１からタンクの底までの距離をｂとすると、タンクの底から液面までの距離、すなわち液面の高さＨは数１式で表すことができる。

（数１）
Ｈ＝Ｈ_１＋ｃ＋ｄ＋ｂ

ここで、ｂが予め設定されている値である場合、すなわち、受圧式液面計１が予め定められた位置にある場合には、Ｈ_１、ｃおよびｄを求めることでＨを求めることができる。

ここで水面からエアキャップ３内の水面までの水深をＨ_２とすると、Ｈ_２は数２式で表すことができる。

（数２）
Ｈ_２＝Ｈ_１＋ｃ

すなわち、上記数１式は、Ｈ_２を用いて数３式で表すことができる。

（数３）
Ｈ＝Ｈ_２＋ｄ＋ｂ

受圧面にかかる圧力をＰｓ、液体密度をρ、大気圧をＰａとすると、Ｐｓは数４式で表すことができる。なお、Ｐｓ、Ｐａはいずれも絶対圧を示している。

（数４）
Ｐｓ＝Ｐａ＋ρ（Ｈ_１＋c）＝Ｐａ＋ρＨ_２

この数４式より、Ｈ_２は数５式で表すことができる。

（数５）
Ｈ_２＝（Ｐｓ−Ｐａ）／ρ

また、ｃとｄはともに水圧により変化する値であるが、それらの和、すなわちＤ＝ｃ＋ｄはエアキャップ３内部の高さ、すなわち、開口部３１から受圧面までの高さとなる。このＤはエアキャップ３ごとに予め決まっている一定の値であるため、ｄは数６式で表すことができる。

（数６）
ｄ＝Ｄ−ｃ

液面の高さＨを示す上記数３式に、上述した数５式および数６式を代入すると、以下の数７式が導き出される。

（数７）
Ｈ＝（Ｐｓ−Ｐａ）／ρ＋（Ｄ＋ｂ）−ｃ

この数７式においては、Ｐｓ、Ｐａ、ρ、Ｄ、ｂの各パラメータは予め決められている一定の値、または測定可能な値であるため、ｃを算出することにより、液面の高さＨを求めることができる。

ここで、ある気体について、ｐを圧力、Ｖを体積、γを湿り空気の比熱比Ｃｐ／Ｃｖとしたときのポアソンの関係式は、数８式で表すことができる。

（数８）
ｐＶ^γ＝ｃｏｎｓｔ

この数８式を、漲水前後のエアキャップ３内の気体について適用することで、ｃを算出することができる。なお、ｃｏｎｓｔは定数を示している。

具体的には、漲水前のエアキャップ３内の気圧はＰａ、エアキャップ３の容積をＶａとすると、上記数８式より、以下の数９式を導くことができる。

（数９）
ＰａＶａ^γ＝ｃｏｎｓｔ

また、Ｖａは、エアキャップ３内部の高さをＤ、エアキャップ３の断面積をＡとすれば、Ｖａは数１０式のように表すことができる。

（数１０）
Ｖａ＝Ａ・Ｄ

この数１０式を数９式に代入して、数１１式を得る。

（数１１）
Ｐａ（Ａ・Ｄ）^γ＝ｃｏｎｓｔ

一方、漲水後のエアキャップ３内の気圧Ｐｓは数４式よりＰａ＋ρＨ_２で表される。また、漲水による水圧で圧縮された後のエアキャップ３内の空気の体積をＶ_２とすると、上記数８式より、数１２式を導くことができる。

（数１２）
（Ｐａ＋ρＨ_２）Ｖ_２ ^γ＝ｃｏｎｓｔ

また、Ｖ_２は、エアキャップ３内に進入した液体の水面から受圧面までの距離ｃと、エアキャップ３の断面積Ａより、数１３式で表すことができる。

（数１３）
Ｖ_２＝Ａ・ｃ

数１３式を数１２式に代入し、数１４式を得る。

（数１４）
（Ｐａ＋ρＨ_２）（Ａ・ｃ）^γ＝ｃｏｎｓｔ

漲水前のエアキャップ３内の気体についてのポアソン関係式である数１１式と、漲水後のエアキャップ３内の気体についてのポアソン関係式である数１４式とはいずれも右辺が同じ定数となる。そこで、数１１式、数１４式および数４式から、数１５式を得ることができる。

（数１５）
Ｐａ（Ａ・Ｄ）^γ＝（Ｐａ＋ρＨ_２）（Ａ・ｃ）^γ
＝［Ｐａ＋ρ（Ｈ_１＋ｃ）］（Ａ・ｃ）^γ
＝Ｐｓ（Ａ・ｃ）^γ

この数１５式より、数１６式を得る。

（数１６）

既知の値であるエアキャップ３内部の高さＤ、湿り空気の比熱比γ、大気圧Ｐａおよび受圧部２１により測定された圧力Ｐｓをそれぞれ数１６式に代入することで、エアキャップ３内に進入した液体の水面から受圧面までの距離ｃが求められる。そして、算出されたｃの値を数７式に代入することで、液面の高さＨを算出することができる。

上述した実施例に係る受圧式液面計１では、従来の受圧式液面計の受圧部の周辺にエアキャップを設け、エアキャップ内の空気圧を測定することで水圧を間接的に測定する。このような簡易な構成により、受圧部に液体が直接触れることを防止することができ、受圧部への海水や化学薬品等による腐食や、水生生物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、珪酸等の付着による劣化を防止し、液面計の感度を良好に保つことができる。

なお、上述した実施例においては、図１に示すように、本体部２とエアキャップ３は、本体部２とエアキャップ３の連結箇所である連結面５と、エアキャップ３の開口部３１により規定される開口面とが平行となるように連結されている。しかし、本発明においては、漲水後に、エアキャップ３内部に、受圧部に液体が触れない程度の充分な量の空気が留まる構成であればこの態様に限られない。

例えば、図５に示すように、本体部２をタンク６の外部に設け、タンク６に形成した連通孔を介して本体部２とエアキャップ３が連結され、連結面５とエアキャップ３の開口面とが直交するなど、非平行となっている構成としてもよい。この場合でも、エアキャップ３の開口面が水面と平行になることで、漲水後にエアキャップ３内に空気が留まる構成となっている。そして、上述した実施例と同様に、受圧部に液体が直接触れることを防止することができ、海水や化学薬品等による腐食や、水生生物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、珪酸等の付着による劣化を防止し、液面計の感度を良好に保つことができる。また、受圧式液面計およびタンクの設計の自由度を高めることができる。

１受圧式液面計
２本体部
２１受圧部
２２基板
２３電線
３エアキャップ
３１開口部
３２、３３切り欠き
４緩衝板
４１小孔
５連結面
６タンク
７液体

Claims

受圧部および前記受圧部からの情報を処理する情報処理部が設けられている本体部と、
前記本体部と連結され前記受圧部周辺を覆うとともに、開口部が設けられているエアキャップと、を備え、
前記受圧部が前記エアキャップの内部に溜まっている空気の気圧を計測し、計測された前記気圧に基づいて液面高さを測定する受圧式液面計。
前記エアキャップの前記開口部に切り欠きが設けられている請求項１記載の受圧式液面計。
前記エアキャップの前記開口部に、小孔が設けられた緩衝板が取り付けられている請求項１または２記載の受圧式液面計。
前記エアキャップは着脱式である請求項１乃至３のいずれかに記載の受圧式液面計。
前記本体部に対する前記エアキャップの連結面と、前記エアキャップの前記開口部の開口面とが平行である請求項１乃至４のいずれかに記載の受圧式液面計。
前記本体部に対する前記エアキャップの連結面と、前記エアキャップの前記開口部の開口面とが非平行である請求項１乃至４のいずれかに記載の受圧式液面計。
前記エアキャップ内部に脱酸素剤取付部が設けられている請求項１乃至６のいずれかに記載の受圧式液面計。