JP6208189B2 - 異種液境界面のレベル測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、タンク内で上下に分離されている複数層の液の境界面を精度良く測定するための異種液境界面のレベル測定方法に関するものである。
1個のタンク内に、密度が異なる例えば原油と水などの2種類の液体を上下2層に分離して収容した場合において、これらの境界面を正確に測定することを必要とすることがある。
このような場合の境界面の測定装置として、例えば特許文献1の複層液面計測装置が開示されている。
実開昭64−34521号公報
特許文献1はディスプレーサを使用した自動平衡式液面計の一例である。この自動平衡式液面計では、測定すべき境界面を持つ液からディスプレーサへの付着物がない場合には比較的正確な測定が可能である。
しかし、実際の境界面測定においては、上位液及び下位液のパラメータ情報として、上位液の密度ρ1、下位液の密度ρ2、上位液の粘度ν1、下位液の粘度ν2に関しては事前の正確な情報は少ない場合があり、特に粘度ν1、ν2については情報が殆どない場合がある。そこで、境界面測定では次のような課題が存在する。
タンク内に収納された特に上位液の粘度が下位液の粘度よりも高く、付着性を有する場合には、測定開始時にディスプレーサを下降してゆくと、ディスプレーサの下位液の接液表面に上位液の付着物が付着し、ディスプレーサの浮力に影響を与え、境界面のレベル測定に誤差をもたらす。また、付着物による液面追従性にも問題が生じ、これらの課題を解決するには、ディスプレーサへの上位液の付着物を許容範囲まで除去しなければならない。
即ち、上位液が付着物が付着し易い液体である場合に、前述したように最初にディスプレーサを浸漬してゆくと、境界面の近傍でディスプレーサの下位液との接液面及び境界面近傍で上位液の付着物が付着したり剥れたりして、目標とする境界面でのバランスが難しく、バランスをとるまでに時間がかかる。この場合に、ディスプレーサへの付着物を除去しながら、何度かやり直しをしなければバランスが得られないので、液面計の専門技術者、保守要員が、現場において手動調整を繰り返して正確な境界面レベルを検出するようにしている。
また、上位液、下位液の密度はレベル測定の原理に関係しているので、正確な数値が得られないと測定精度に影響をもたらす。
実際の測定においては、高さ30m程度の液面レベルに対し、3mm以内の精度が極めて厳しい測定精度を要求されているのが現状である。
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、異種液の境界面におけるディスプレーサにまつわる障害を排除し、境界面のレベル測定を正確に行い得る異種液境界面のレベル測定方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る異種液境界面のレベル測定方法は、タンク内に密度が異なる異種液を上位液と下位液として貯溜し、ドラムを回転操作することにより測長ワイヤにより吊り下げたディスプレーサを前記異種液間に浸漬して、前記異種液間の境界面のレベルを自動平衡式液面測定手段により測定をする場合において、前記ディスプレーサを前記異種液間に導き前記境界面のレベルを前記測長ワイヤの繰り出し長さにより測定する第1の工程と、前記ディスプレーサを前記異種液間から上昇させて前記上位液中において複数回上下動させて前記ディスプレーサに付着した付着物を除去すると共に、前記上位液の密度を検出し、前記境界面のレベルを測定する際の前記測長ワイヤの張力の設定値を変える第2の工程と、前記ディスプレーサを前記異種液間から下降させて前記下位液中において複数回上下動させて前記ディスプレーサに付着した付着物を除去すると共に、前記下位液の密度を検出し、前記境界面のレベルを測定する際の前記測長ワイヤの張力の設定値を変える第3の工程と、前記測長ワイヤの張力の設定値に基づいて、前記ディスプレーサを前記異種液間に導き、前記境界面のレベルを前記測長ワイヤの繰り出し長さにより測定する第4の工程と、前記第4の工程で測定した前記境界面のレベルと前回測定した前記境界面のレベルとの差が所定の閾値内にあるか否かを判定する第5の工程と、前記第5の工程において、今回と前回の測定値の差が所定の閾値内になければ、前記第2〜第5の工程を繰り返して新たな前記境界値のレベルを測定し、前回前記測定値との差が所定の閾値内にあれば、前記第4の工程で得られた測定値を前記境界面の正しい測定レベルとする第6の工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明に係る異種液境界面のレベル測定方法によれば、測定開始時の異種液の境界面位置のディスプレーサへの付着物を上下動動作により除去して、境界面での測定値の安定性を確保することができる。
自動平衡式液面計の概念図である。 自動平衡式液面計の一例の構成図である。 境界面を測定する工程のフローチャート図である。
本発明に係る方法を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は自動平衡式液面計の概念図、図2は自動平衡式液面計の一例の構成図である。上位液Xと下位液Yとに分離して貯溜されたタンクTの上方には、基台1に軸支されたドラムシャフト2に対しドラム3が直接又は電磁カップリングにより回転自在に連結され、ドラム3にはドラムシャフト2を介して駆動力が伝達されるようになっている。ドラム3には測長ワイヤ4が巻回されており、測長ワイヤ4の下端に止着されたディスプレーサ5がタンクT内に吊り下げられている。ディスプレーサ5は円錐形、円筒形、球体形など種々の形状を採用できるが、付着物が付着し難く、また付着しても剥離し易い形状とすることが好ましい。
また、基台1の他側にはモータ6が固定されており、モータ6の回転軸の回転は、プーリ7、ベルト8を介してウォームギア9に伝達されるようになっている。ウォームギア9はドラム3と同芯状態で回転するウォームホイール10のギアと噛合している。
ウォームホイール10の側面の中心を挟んだ上下の2個所には、コイルスプリング11a、11bの端部が固定されている。コイルスプリング11a、11bの他端はドラムシャフト2に固定されたバランスアーム12の両側に突設されたアーム12a、12bにそれぞれ取り付けられている。これらのコイルスプリング11a、11bは、左右のアーム12a、12bに対してほぼ直交して配されている。つまり、左方向に突出した下側のアーム12aには、コイルスプリング11aの下端が固着されており、右方向の上側のアーム12bには、コイルスプリング11bの上端が固着されている。
バランスアーム12には、先端にマグネット13を取り付けた固定アーム14が設けられている。このマグネット13の近傍のウォームホイール10の面には、マグネット13の磁束に感応し、バランスアーム12の回動変位つまり測長ワイヤ4の張力の変動を検出する磁気センサ15が固定さられている。磁気センサ15からの検知出力は、モータ6に駆動信号を供給するなどの演算制御を行うMPU等を搭載した演算制御回路16に入力されている。
演算制御回路16には電源、外部入力信号が入力されており、演算制御回路16の出力はモータ6に接続され、更に演算制御回路16から表示器17に液面測定信号が出力されている。外部入力信号としては、前述の磁気センサ15の出力以外に、上位液Xの液面Lxのレベルを測定する場合の指令信号Sx、上位液Xと下位液Yとの境界面Lxyのレベルを測定する場合の指令信号Sxyが設定入力可能とされている。
液面の測定に際しては、ディスプレーサ5の浮力は測長ワイヤ4の張力として検出され、この張力はドラム3を介してドラムシャフト2、バランスアーム12を経てコイルスプリング11a、11b、ウォームホイール10に伝達される。
演算制御回路16の出力によるモータ6の回転駆動力は、ウォームギア9を介してウォームホイール10に伝達され、更にコイルスプリング11a、11b及びバランスアーム12を介してドラムシャフト2に伝達されてドラム3が回転し、測長ワイヤ4の巻き取り及び繰り出しがなされる。バランスアーム12が測長ワイヤ4に加わる張力とコイルスプリング11a、11bの伸び張力とがバランスした位置でドラム3は停止する。
このドラム3の回転数、回転角を検出することにより、測長ワイヤ4の繰り出し量、巻き取り量は、ドラム3の回転として得られ、ディスプレーサ5の位置による液面レベルが計測され、この測定値は表示器17に表示される。
上位液Xの液面Lxのレベルの計測と、上位液Xと下位液Yとの境界面Lxyのレベルの計測とは、それぞれのディスプレーサ5のバランス停止位置に至る制御方法が異なる。これらの場合についてのディスプレーサ5のバランス停止位置の決め方を、諸元を次のように設定して説明する。
T1:上位液Xの液面Lxのレベル測定時における測長ワイヤ4の張力
T2:上位液Xと下位液Yとの境界面Lxyのレベル測定時における測長ワイヤ4の張力
V:ディスプレーサ5の体積
W:ディスプレーサ5の質量
ρ1:上位液Xの密度
ρ2:下位液Yの密度
R:ドラム3の半径
k:コイルスプリング11a、11bのばね定数
r:コイルスプリング11a、11bの取付半径
p:上位液Xの液面Lxのレベル測定時におけるコイルスプリング11a、11bの伸び
q:境界面Lxyのレベル測定時におけるコイルスプリング11a、11bの伸び
先ず、上位液Xの液面Lxのレベル測定時におけるバランスを考えると、次の2式が成立する。
T1+(V/2)・ρ1=W ・・・(1)
T1・R=2・p・k・r ・・・(2)
これらの(1)、(2)式から求められるコイルスプリング11a、11bの伸びpから、液面Lxのレベル測定時におけるバランスアーム12のバランス停止位置(バランス中点)が決まる。このときの磁気センサ15での検知出力の値は、密度ρ1を入力し、(1)、(2)式から得られるバランス停止位置における測長ワイヤ4の張力T1の設定値Saとして、演算制御回路16に記憶されており、この設定値Saは演算制御回路16に指令信号Sxが設定入力されたときに使用される。
指令信号Sxを演算制御回路16に入力すると、液面Lxの測定時における設定値Saが選択される。演算制御回路16はモータ6を駆動してディスプレーサ5を上位液Xの液面Lxまで降下し、バランスが得られて停止し、液面Lxが測定される。
ここで、例えば液面Lxのレベルが上昇すると、ディスプレーサ5の浸漬量が大きくなって浮力が増加するので、コイルスプリング11a、11bの伸びpが小さくなる。これによりバランスアーム12が回動し、マグネット13と磁気センサ15の相対位置が変化することで、この変化量に伴い磁気センサ15の出力が増大する。
磁気センサ15の出力が入力する演算制御回路16では、磁気センサ15の出力と該当の設定値Saとを比較し、この比較値がゼロになるまで、測定ワイヤ2の巻き取り方向にモータ6が回転するように、モータ6に信号を供給する。これにより、ウォームギア9を介してウォームホイール10が回転し、バランスアーム12等を介してドラム3がドラムシャフト2により回転して測長ワイヤ4が巻き取られ、磁気センサ15とマグネット13との相対位置が変動前の状態のバランス停止位置まで戻り停止し、新たな液面Lxが測定される。
また、液面Lxのレベルが下降すると、ディスプレーサ5の浮力が減少し、コイルスプリング11a、11bが伸び、磁気センサ15の出力が減少する方向にマグネット13と磁気センサ15の相対位置が変化する。これにより、上述した逆の動作によりバランス停止位置までモータ6が逆転するので、ドラム3は測長ワイヤ4の繰り出し方向に回転し、このときのドラム3の回転数から上位液Xの液面Lxが測定される。
この液面Lxのレベル測定においても、上位液Xの密度ρ1が不正確な場合や、ディスプレーサ5に付着物が付着する虞れがある場合には、(1)式が精度良く成立しないので、後述する境界面Lxyの測定と同様に、ディスプレーサ5を上下動して付着物を除去し、更には上位液Xの密度ρ1を測定することが必要ではあるが、ここではその説明は省略する。
次に、上位液Xと下位液Yの境界面Lxyのレベル測定時におけるバランスを考えると、次の2式が成立する。
T2+(V/2)・ρ1+(V/2)・ρ2=W ・・・(3)
T2・R=2・q・k・r ・・・(4)
これらの(3)、(4)式からコイルスプリング11a、11bの伸びqが求められ、境界面Lxyのレベル測定時におけるバランスアーム12のバランス停止位置が決まる。このときの磁気センサ15による検知出力の値は、密度ρ1、ρ2を推定値を使用する。境界面Lxyのレベル測定時の(3)、(4)式から得られるバランス停止位置における測長ワイヤ4の張力T2の設定値Sbは演算制御回路16に記憶されており、この設定値Sbは演算制御回路16に接続される指令信号Sxyが入力されたときに使用される。
指令信号Sxyを演算制御回路16に入力すると、境界面Lxyの測定時における設定値Sbが選択される。これにより、ディスプレーサ5は上位液X中を降下し、下位液Yとの境界面Lxyのレベルでバランスし停止する。
この場合に、境界面Lxyの上昇又は下降があると、液面Lxの場合と同様に磁気センサ15の出力が増大又は減少する。境界面Lxyの測定時における設定値Sbと磁気センサ15からの検出出力が演算制御回路16で比較されて、比較値に基づいてモータ6が測定ワイヤ2の巻き取り方向又は繰り出し方向に回転される。モータ6はバランスアーム12が変動前のバランス停止位置まで戻ると停止される。これにより、境界面Lxyの変位に伴いディスプレーサ5は連続的に追従し、上位液Xと下位液Yとの境界面Lxyのレベルを測定することができる。
しかし、2層の液体、特に上位液Xの性状がディスプレーサ5に対して付着性を有する場合には、測定開始時においてディスプレーサ5が上位液X中を下降中に上位液Xによる付着物が付着する。更に、ディスプレーサ5の一部が下位液Y中に浸漬すると、付着物が剥離してゆくので、ディスプレーサ5の浮力が変化し、ディスプレーサ5は正確な境界面Lxyでバランスされることがなく、不安定な状態が続くことになる。つまり、境界面Lxy自体に変化が生じていないにも拘わらず、ディスプレーサ5が上下動してハンチングし測定値が不安定となる。
即ち、自動平衡液面計の通常の機能のみを用いて測定を行うと、(3)式の第3項の下位液Yによるディスプレーサ5の浮力(V/2)・ρ2は、付着物により体積V/2が見掛け上大きくなるので、その分だけ張力T2が小さくなる。このため、張力T2が設定値Sbとなるように測長ワイヤ4を巻き上げて浮力を調整する。この調整により、正確な境界面Lxyよりも稍々上位位置が測定値となる。
この状態において、ディスプレーサ5への付着物は徐々に剥がれて下位液Y中に分離してゆくので、下位液Y中のディスプレーサ5の見掛け上の体積は減少してゆき、張力T2は大きくなる。これにより、ディスプレーサ5は若干降下し、この降下に伴って上位液Xから下位液Yに移動した部分のディスプレーサ5に新たに付着物に付着することを繰り返す。また、ディスプレーサ5が境界面Lxyでバランスしても、更には密度ρ1、ρ2が正しく設定されていなければ境界面Lxyを正しく測定できるとは限らない。
図3は本実施例において、測定開始時において、ディスプレーサ5への付着物を除去しながら、境界面Lxyでのバランスを調整する場合のフローチャート図である。ただし、調整中における境界面Lxy自体は安定した状態にあることを前提とし、上位液Xは付着性を有し、下位液Yは殆ど有しないものとする。
(1)ステップS1:通常の自動平衡液面計の機能により境界面Lxyのレベル測定を行う。このとき得られたディスプレーサ5の位置を仮のレベル測定値L1とする。なお、ディスプレーサ5を上位液X中を下降してゆく過程で、ディスプレーサ5には付着物が付着するので、最初のレベル測定値L1には相当の誤差が含まれていることが多い。
(2)ステップS2:演算制御回路16の出力によりディスプレーサ5を上位液X中に上昇し、ディスプレーサ5を上下約50mmの距離を1回/1秒程度の時間をかけて、10〜20回程度上下動する。これにより、ディスプレーサ5への付着物は剥離されてかなり除去される。
(3)ステップS3:演算制御回路16において、(3)式を変形した(3’)式及び(4)式から、上位液Xの密度ρ1を求める。
T2+V・ρ1=W
(4)ステップS4:ディスプレーサ5を下位液Y中に降下し、ステップS2と同様にディスプレーサ5を上下動し、ディスプレーサ5への付着物を除去する。
(5)ステップS5:次の(3)式を変形した(3”)式及び(4)式から下位液Xの密度ρ2を求める。
T2+V・ρ2=W
(6)ステップS6:ディスプレーサ5を徐々に境界面Lxyのレベル測定値L1の近傍に導き、境界面Lxyのレベル測定を行う。
なお、ステップS3、S5で新たな密度ρ1、ρ2を検出すると、検出した密度ρ1、ρ2で演算した(3)式により、張力T2の計算設定値Sbを変更して測定を行う。そして、得られた境界面Lxyの測定値L2を得る。
(7)ステップS7:新たな測定値L2と前回の測定値L1との差を求める。
(8)ステップS8:測定値L2と測定値L1との差が所定の閾値内にあれば、測定値L2は正しい測定値と判断し、測定を終了する。この閾値は測定値L2と測定値L1との差が殆どなく、差を許容しても測定値L2が目的の精度内にあることが確認できる数値とする。
差が閾値内になければ、ディスプレーサ5から付着物が十分に除去できないか、或いは密度ρ1、ρ2が正しく測定できないことが考えられ、再度測定を行う必要がある。今回の測定値L2をL1に置換してステップS2に戻り、ステップS2〜S6により再度新たな測定値L2を求める。
(7)再び、今回の測定値L2と前回の測定値L1との差を求め、この差が閾値内になるまで、ステップS2〜S8を繰り返す。
なお、密度ρ1、ρ2の測定についても、ステップS2、S4を繰り返えすほどディスプレーサ5への付着物は少なくなるので、ステップS3、S5でもその都度、密度ρ1、ρ2を測定した方が密度測定の精度が向上する。
ステップS2、S4における上下動は、上位液X、下位液Yの性状、例えば密度や粘度、付着物の種類により上下動時間、速度、上下動範囲を適宜に定めることが望ましい。
なお、本発明に係る方法は、必ずしも境界面Lxyの測定開始時にのみ適用するのではなく、通常の境界面Lxyの測定中においても、例えば数時間おきに、本発明の方法により、ディスプレーサ5を上下動して新たな正しい測定レベルを得るようにすることができる。
また実施例では、2種の異種液について説明したが、タンク内に3種以上の異種液が分離して貯溜されている場合にも、本発明を適用することができる。
2 ドラムシャフト
3 ドラム
4 測長ワイヤ
5 ディスプレーサ
6 モータ
9 ウォームギア
10 ウォームホイール
11a、11b コイルスプリング
12 バランスアーム
13 マグネット
15 磁気センサ

Claims (2)

  1. タンク内に密度が異なる異種液を上位液と下位液として貯溜し、ドラムを回転操作することにより測長ワイヤにより吊り下げたディスプレーサを前記異種液間に浸漬して、前記異種液間の境界面のレベルを自動平衡式液面測定手段により測定をする場合において、
    前記ディスプレーサを前記異種液間に導き前記境界面のレベルを前記測長ワイヤの繰り出し長さにより測定する第1の工程と、
    前記ディスプレーサを前記異種液間から上昇させて前記上位液中において複数回上下動させて前記ディスプレーサに付着した付着物を除去すると共に、前記上位液の密度を検出し、前記境界面のレベルを測定する際の前記測長ワイヤの張力の設定値を変える第2の工程と、
    前記ディスプレーサを前記異種液間から下降させて前記下位液中において複数回上下動させて前記ディスプレーサに付着した付着物を除去すると共に、前記下位液の密度を検出し、前記境界面のレベルを測定する際の前記測長ワイヤの張力の設定値を変える第3の工程と、
    前記測長ワイヤの張力の設定値に基づいて、前記ディスプレーサを前記異種液間に導き、前記境界面のレベルを前記測長ワイヤの繰り出し長さにより測定する第4の工程と、
    前記第4の工程で測定した前記境界面のレベルと前回測定した前記境界面のレベルとの差が所定の閾値内にあるか否かを判定する第5の工程と、
    前記第5の工程において、今回と前回の測定値の差が所定の閾値内になければ、前記第2〜第5の工程を繰り返して新たな前記境界値のレベルを測定し、前回前記測定値との差が所定の閾値内にあれば、前記第4の工程で得られた測定値を前記境界面の正しい測定レベルとする第6の工程と、
    を備えたことを特徴とする異種液境界面のレベル測定方法。
  2. 前記上位液、下位液の性状によって、前記ディスプレーサの上下動の大きさ、周期、時間を可変することを特徴とする請求項1に記載の異種液境界面のレベル測定方法。
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