JP6208189B2

JP6208189B2 - 異種液境界面のレベル測定方法

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Publication number: JP6208189B2
Application number: JP2015188246A
Authority: JP
Inventors: 芳次勝呂; 拓寿柚下; 良介二瓶
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP2017062197A

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に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、前回の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

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に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、前回の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。
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。