JP6549798B2 - 指示可能な指示体付きフロート式液面計 - Google Patents

Description

本発明は、液位を計測する装置に関し、特に、指示可能な指示体付きフロート式液面計に関する。

従来の現場形液面指示計器には、ガラスゲージ式、リードスイッチ（コラム）式、フロート式、二色式水位計などのタイプがある。ガラスゲージ式のものは、近距離の目測しかできず、粉塵に被覆されるか媒質に汚染されると目測が難しくなり、耐圧性が限られる。リードスイッチ（コラム）式のものは、構造がより複雑でかつ文字化けになりやすいだけでなく、フロート内における磁石鋼に熱消磁のような問題が存在する。これは、長期にわたって使用することに影響を及ぼす。例えば、輸入されたマグネットフロート式液面計は、耐高温性に優れるが、しかし４〜５年間の使用後、フロート内における磁石鋼が消磁するため、フロートを交換しなければならない。二色式水位計は、媒質の適用範囲が狭く、さらに耐圧性が限られる。なお、ガラスゲージ式液面計または二色式水位計は、断熱構造を用いることができず、エネルギー消費が大きくなってしまう。

例えば、中国特許出願ＺＬ９３２１３４６１．０号が開示したように、構造がシンプルであり、使用温度範囲が広くなり、指示体が位置する指示体管内において液体の指示体への浮力によってフロートの負荷が軽減されるという長所を有するが、しかし、フロートとの摩擦でも指示体との摩擦でもは摺動摩擦であるため、摩擦係数が大きくなると、摩擦力が大きくなって、計測の精度と感度に影響を与え、さらに使用不可能になるという短所を有する。具体的には、中国特許出願ＺＬ２００９１０２１９６８１．ｘ号の明細書に記載の計算結果からは、明らかである。

また、中国特許出願ＺＬ９９２３４７２．９号が開示したものは、構造がシンプルであり、使用温度範囲が広くなるが、しかし、同様に、摩擦力が大きくなって計測の精度と感度に影響を与え、さらに計器が使用不可能になるという上記特許出願のような短所が存在する。

また、中国特許出願ＺＬ８８２１８６５０．７号が開示したように、構造がシンプルであるだけでなく、液位指示器（浮標）をボールに換えることにより、摩擦力が大きく低減するという長所を有するが、しかし、下記の三つの短所を有する。一番目は、浮子との摩擦が摺動摩擦で、摩擦係数及び摩擦力が大きいため、計測の精度と感度に影響を与えることである。二番目は、浮子の重さを増やすために、浮子内に円周方向に磁石鋼が設置されるため、浮子の体積を大きくしなければならないことである。三番目は、磁石鋼の消磁温度によって該液面計の使用温度が制限されることである。

また、中国特許出願ＺＬ２００４１００１５４１６．７号が開示したように、該液面計の高圧ボイラーへの応用をうまく解決したが、しかし、磁気カーには四つの輪などの部品が必要である。そうでなければ、指示体は横揺れまたは縦揺れが生じるため使用できなくなる。このようにして、構造が複雑になると、磁気カーの重さが増加し、そして、フロートの負荷が増加する。これは、浮子の重さの増加に相当することである。したがって、高温高圧または高圧低密度の媒質への使用を満たすことができず、信号の遠距離伝送が連続しない。なお、該特許出願においては、前記浮子とチャンバーとの間は摺動摩擦であるため、前述したように、摩擦力が大きくて計測の精度及び感度に影響を与えるなどの問題が存在する。

前述したように、複数の従来の液面計は、表面温度が高いため、火傷しやすいか、可燃性と爆発性のある媒質が漏れると火事や爆発を引き起こしやすいような多くの安全上の問題を有する。

また、中国特許出願ＺＬ２００９１０２１９６８４．３号が開示したように、前記浮標付きの浮子式液面計は、高温高圧または高圧低密度の媒質に使用される場合、浮標の構造が複雑になるにつれて、製造コストが益々上昇してしまう。一方では、部品が多いと、故障率が高くなるため、使用上の信頼性に影響を与えるとともに、メンテナンスコストは高くなる。他方では、フロート内に磁石鋼が装設され、磁石鋼の熱消磁の制限を受け、該フロートの両半球殻を溶接接続するのは不可能になってしまうため、該フロートの製造は、難しくなる。なお、使用時、磁石鋼に熱消磁の問題が存在する。

同様に、中国特許出願ＺＬ２００９１０２１９６８１．ｘが開示したように、現場形浮子式液面計には上述した問題が存在する。

また、中国特許第ＣＮ１０３４１１６５２号が開示したように、浮子は、非球型とし摩擦力が大きいため、同様に、前記特許出願の問題が存在する。なお、前記オイル残量ゲージ固定器内にレールが設けられ、レール内に磁性インジケータが設置される。磁性インジケータは扇形とし、このような構造のあるオイル残量ゲージ固定器は重心が下方にあるが、しかし、前記オイル残量ゲージ固定器が垂直であることを保証しにくい。そして、該オイル残量ゲージ固定器は、複数回の上下往復移動中において徐々に元の位置から逸脱しやすい。

また、中国特許出願ＺＬ２０１２１０１４０３４５．８が開示したように、指示体に軸とリンクと重錘が設けられることにより、指示体の重心が下方にあることを保証することができる。しかし、依然として軸の軸線が水平であることを保証できない。即ち、指示体が垂直に上下移動することを保証できない。実際には、指示体は使用過程中において徐々に逸脱するようになる。前記液面計は、レンジが小さい場合、正常に使用するが、しかし、レンジが大きい場合、細かく調節しなければならない。そうでなければ、ズレの可能性が大きく、あるいはズレの距離が長くなる。即ち、精度上または信頼性上の問題が存在する。また、指示体に軸とリンクと重錘が設けられるため、下記の問題が生じる。一番目は、指示体の重さが増加することである。二番目は、機械的摩擦力が増加すると、精度に影響を与えることである。三番目は、構造がより複雑になるにつれて、コストが大幅に増加することである。四番目は、部品が多いと、使用上の信頼性に影響を与えることである。五番目は、磁石鋼の径方向の磁力が不均一になると、精度に影響を与えることである。

上記中国特許出願ＣＮ１０３４１１６５２が開示する前記液面計には、同様に、上記問題が存在する。

出願人は、新しく開示する関連特許出願を加味し、更なる研究で以下を発見した。

中国実用新案特許ＺＬ２０１４２０６４０２１５．５に開示された指示体または表示可能な浮標付きフロート式液面計には、さらに以下のような問題が顕著に存在する。

一番目は、摩擦力が大きいと、タイムラグが大きいため、精度が低くなることである。具体的には、輸入された複数種類のリニア軸受とリニアガイドレールとの間の相対移動に対する試験を複数回だけ行った結果、リニア軸受とリニアガイドレールとの間の摩擦力による問題を避けることができない。中国産のリニア軸受とリニアガイドレールとの間の摩擦力がより大きいため、これらを備える液面計は、いずれも感度が不十分であるだけでなく、精度が低くかつタイムラグが大きい。
発明者らは、実験に基づき以下を証明した。具体的には、上昇時３ｍｍだけ遅延し、バックラッシュが８ｍｍとする。リニア軸受自体が重いと、指示体の重さが必然的に増加するため、吸着の保持に必要な磁力が大きくなるにつれて、機械的摩擦力がさらに増大する。これによって、フロートによる浮力がより大きくなるのが必要である。このように、より多くの関連問題をもたらす。二番目は、コストが高止まりしていることである。具体的には、輸入されたリニア軸受は、約５０元／１個である。アルミニウム合金で製造される中国産のリニアガイドレールは、メートル当たり約６〜７元であるが、輸入されたものは、メートル当たり約１００元である。レンジが大きい場合、総コストに割合を大きく占める。ここで、指示体のその他の部品に掛かるコストを計上していない。三番目は、ガイドレールは、剛性が悪いことである。具体的には、円柱形リニア軸受と係合する円柱形リニアガイドレールは、ガイドレールの長さを長くすると剛性が低下になる。ガイドレールは、指示体とフロートとが磁気結合力の作用を受ける状態で、フロートチャンバーへ曲がるため、レンジが大きい場合、そのまま使用されない。このようなガイドレールを使用しようとする場合、剛性を向上する必要がある。一つは付属品を増設することである。このようにして開放型のリニア軸受を使用しなければならない。二つは、ガイドレールの直径を増加することである。このようにしてリニア軸受の重さが必然的に増加するにしたがって機械的摩擦力が増加し、そして、フロートは、重さが増加するにつれて液体に没入するため、使用されない。四番目は、ガイドレールは、継手が多く、リニアガイドレールとリニア軸受との係合に要求される精度が高いことである。具体的には、リニアガイドレールは、機械的精密加工を行ったものである。機械的精密加工を行うとき、ガイドレールの剛性に対する要件に制限される。そのため、一方では、各本のガイドレールを長く加工することができない。液面の計測に用いるレンジが大きい場合、複数本のガイドレールを連結する必要がある。したがって、ガイドレール同士の連結精度を保証しなければならないのは、難しいことである。連結精度の保証を得なければ、リニア軸受は二本のガイドレールの連結箇所に係止するおそれがある。他方では、剛性を向上するためにガイドレールの直径を増加すると、継手の数が少なくなることができる。しかし、このようにして、リニア軸受のサイズが必然的に増加し、そして、指示体の重さが増加する。同様に、この負荷を受けているフロートが液体中に没入してしまった結果は、液面計が使用不可能になる。五番目は、軸受はメンテナンスが不可能であることである。具体的には、リニア軸受は、入った不純物を清掃しにくい構造を有する。不純物が入った場合、リニア軸受を交換しなければならない。したがってコストが増加してしまう。従来のフロート式液面計は、高温高圧時、使用が可能である。しかし、電子部品の耐熱性要件に制限されるため、トランスミッタに近接する部分に対して断熱手段の増設を禁止して、ヒートシンクなどの放熱手段を増設する必要がある。そのため、エネルギーを消費するか火傷しやすいなどの問題が生じる。

欧米等の国から輸入されたマグネットフロート式液面計は、５〜１０万元／台と高価である。耐高温と耐高圧を同時に実現できないという問題だけでなく、熱消磁という問題が存在する。使用数年後、マグネットフロートを交換する必要がある。マグネットフロートを交換するために、着脱や密封の交換や水圧試験や気密試験を行う必要がある。耐高温が可能なマグネットフロートは、価格が一万元／個を超えるものである。調査によると、輸入されたマグネットフロートは、高温下で使用される場合、耐用年数が約４〜５年とし、石油化学業界の設備のオーバーホール期間は３年間である。輸入されたマグネットフロートを、３年間を置いて交換する必要があるので、該液面計に掛かられるコストが高すぎるのが明らかである。

中国特許出願ＺＬ９３２１３４６１．０号 中国特許出願ＺＬ２００９１０２１９６８１．ｘ号 中国特許出願ＺＬ９９２３４７２．９号 中国特許出願ＺＬ８８２１８６５０．７号 中国特許出願ＺＬ２００４１００１５４１６．７号 中国特許出願ＺＬ２００９１０２１９６８４．３号 中国特許第ＣＮ１０３４１１６５２号 中国特許出願ＺＬ２０１２１０１４０３４５．８号 中国実用新案登録出願ＺＬ２０１４２０６４０２１５．５号

従来技術に存在する上記問題に鑑み、本発明は、より一層シンプルで科学的な構造を有し、確実に使用できかつ製造しやすく、従来技術の不足を補い、関連分野のニーズを効果的に満たす、高精度かつ低コストのフロート式液面計を提供することを目的とする。

本発明の解決手段は以下のように実現される。
フロートチャンバーと、強磁性材質（強磁性材料）のフロートと、スケールと、フロートチャンバーの外方に位置する指示体と、指示体用ガイドレールを備えた指示可能な指示体付きフロート式液面計において、
前記指示体は、磁石鋼と、フレームと、前記フレーム内に水平に固定されかつ位置される回転系とを備え、
前記回転系は、前記フレームに支持固定されかつ地面に平行である軸と、円周表面に沿って半径方向凹溝が設けられる回転輪と、内輪が前記軸と係合され、外輪が前記回転輪と係合されかつともに回転される回転軸受と、を備え、
前記軸と、前記回転輪と、前記回転軸受とが同軸であり、
前記磁石鋼は、前記フロートチャンバーに最も近接する前記フレームの外側面に固定され、磁極が前記フロートに対向し、
前記指示体用ガイドレールは、前記フレーム内を挿通されかつ前記磁石鋼と前記回転系との間に位置し、
前記回転輪は、前記磁石鋼と前記フロートとの間の磁気結合力を介して、凹溝が前記指示体用ガイドレールの作業面に当接され、前記指示体用ガイドレールに沿って上下に転動（移動）することを特徴とする指示可能な指示体付きフロート式液面計。

また、フロートチャンバーにより近接する前記指示体用ガイドレールの側面に、ガイドレール補強リブ板が上から下へ設けられる。これによって、前記指示体用ガイドレールの剛性が向上し、液面計の計測精度を保証するような効果を実現する。

また、真上から見ると、前記回転輪の半径方向凹溝の形状は、係合されている前記指示体用ガイドレールの係合箇所の形状に合わせる。

例えば、前記指示体用ガイドレールは、円柱形ガイドレールであり、前記回転輪の半径方向凹溝は、係合されている前記円柱形ガイドレールの係合箇所の円弧面に合わせる凹状円弧形の凹溝である。

前記凹状円弧形の凹溝の直径は、円柱形ガイドレールの直径より大きい。

また、前記指示体用ガイドレールは、円柱形ガイドレールであり、前記回転輪の半径方向凹溝は、台形凹溝である。これによって、台形凹溝付きの回転輪は、構造がプーリと同様である。前記回転輪の台形凹溝は、前記回転系が磁石鋼とフロートとの間の磁気結合力の作用を受けている状態で、少なくとも台形斜辺からなる２つの内斜面に、前記円柱形ガイドレールの作業面に当接しかつ前記円柱形ガイドレールに沿って上下に転動する。

また、前記指示体用ガイドレールは直方体形状の指示体用ガイドレールである。前記回転輪の半径方向凹溝は、矩形凹溝である。前記矩形凹溝の内側の両平行面間のピッチは、係合されているガイドレールの両外側表面間のピッチより大きい。

なお、前記回転系は、二セットである。二セットの前記回転系は、同一の前記フレーム内に上下平行に設置される。かつ２本の軸の軸線を含む平面は、地面に垂直である。これによって、指示体が移動する過程中において、磁石鋼は、軸を回って上下回転するのを低減し、精度と信頼性を向上する。

また、前記液面計は、非強磁性の透明材質からなる密閉式の指示体収容室をさらに含む。前記指示体収容室は、前記フロートチャンバーに隣接して設置されかつ互いに軸線が平行であり、前記指示体と前記ガイドレールは、前記指示体収容室内に収容される。実際に使用するとき、密閉する筐体内に前記指示体を入れなければならいのは、一般的である。これによって、雨、雪、氷、粉塵などが使用に影響するのを防ぐことができる。

フロートの浮力をバランスするために、フロートに上向きの持ち上げ力を与える必要がある。例えば、前記指示体収容室内に、液体媒質を注入し、あるいは、浮標を設置してもよい。前記浮標は、前記指示体と、前記指示体に固定される浮子とを含む。

浮標は、前記指示体に浮子を固定したものである。かつ前記指示体収容室内に液体媒質を注入して前記浮標に浮力を提供する。観察を容易にし、摩擦力を低減し、計測精度を向上し、使用時揮発の影響を避けるために、指示体収容室内における液体媒質は、変圧器油または食用油などのような潤滑性能のある透明な媒質を用いる。

また、フロートは、高温高圧または高圧低密度の媒質を用いる場合、壁厚が厚いので、比重が大きい。比重が被測定媒質のものより大きなると、フロートの重力をバランスするためにフロートに上向きの持ち上げ力を与える必要がある。なお、前記技術的解決手段に基づき、連結ワイヤを有しかつ前記指示体の真上に固定される定滑車システムをさらに増設する。前記連結ワイヤは、片端がカウンタウェイトに連結され、他端が前記フレームに連結されるような技術的解決手段を採用してもよい。

直方体形ガイドレールと、半径方向凹溝が矩形凹溝の回転輪との間の摩擦力を算出するという例としては、応力解析に関し図９（ａ）〜（ｂ）に示すように、地面に垂直な上下方向に、矩形凹溝のある回転輪と直方体形ガイドレールとの接触長さが４０ｍｍとし、指示体の重さＷが４０グラムとし、矩形凹溝のある回転輪に用いる材料の膨張係数が直方体形ガイドレールの膨張係数より大きいとする。加熱されると、矩形凹溝のある回転輪と直方体形ガイドレールとの軸方向のズレが０．１ｍｍになる。このような場合に、矩形凹溝のある回転輪は、上端が直方体形ガイドレールの片側の外壁に当接され、下端が直方体形ガイドレールの他側の外壁に当接される可能性がある。矩形凹溝のある回転輪の軸線を中心として応力解析を行い、フロートとの間のバランスが取れる時、指示体が受けている上向きの引っ張り力と前記重さＷとの関係は、Ｆ＝Ｗ＝４０グラムとなる。矩形凹溝のある回転輪は、上下両端が直方体形ガイドレールに作用する横方向の水平分力のＮとＮ’との間の関係は、以下の数式のとおりである。即ち、

上下両端の総水平分力は、即ちＮ＋Ｎ’＝０．１＋０．１＝０．２グラムであり、鋼材と鋼材との間の機械的摩擦係数は、Ｋ＝０．２である。これによって、指示体が受けている上下方向に沿う機械的摩擦力は、（Ｎ＋Ｎ’）×ｋ＝０．０４グラムである。

フロートチャンバー内における液体媒質は、水である場合、４℃になると比重が１ｇ／ｃｍ^３である。そして、フロートの直径Ｄが１００ｍｍであり、フロートの半分が液体に没入すると、液面の変化量が１ｍｍだけであるとする。このような場合、浮力の変化量が５×５×３．１４×０．１×１＝７．８５グラムである、これによって、上記０．４グラムの機械的摩擦力の液面計測への影響はほとんどない。

また、前記液面計は、指示体収容室内の上方に位置し、指示体収容室の外側に固定される磁石鋼との間の磁気結合力によって固定される予備指示体をさらに含む。磁石鋼は、締付け部材によって指示体収容室の外側に固定される。

液体内に含まれる不純物のフロートの回転への悪影響を避けるために、指示体に近接する側の前記フロートチャンバーの内壁に、突起状のフロートレールが設けられる。上下移動しているフロートがフロートチャンバーの内壁に密接しないように、例えば２本のフロートレールが設けられてもよい。

指示体とレールとの間の摩擦力を低減するために、前記指示体用ガイドレールと密着する前記回転輪の凹溝箇所の作業面に、ポリテトラフルオロエチレンが被覆される。

耐高温性、耐圧性、耐食性及びフロートの比重の低減を考慮すると、前記強磁性材質のフロートの外面に炭素繊維が保護層として被覆される。高強度、耐高温性、耐食性特に低密度を持つ炭素繊維を用いると、フロート全体の比重が低減する。これによって、フロートは、高温高圧または高圧低密度の媒質だけでなく、腐食性の媒質に適用することができる。同様に、前記フロートの外面に、ポリテトラフルオロエチレンが保護層として被覆されても良い。

また、耐高温性、耐圧性および耐食性を考慮すると、前記強磁性材質のフロートの外面に、３０４、３１６またはＣｒＭｏ鋼などの耐高温の高合金鋼材質が保護層として被覆される。また、前記フロートは、２Ｃｒ１３のような強磁性材質の高合金鋼のような材料を用いる。

同様に、耐食性を考慮すると、前記フロートチャンバーは、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなプラスチックまたはガラス等で作製され、或いは、内壁に耐腐食層が裏打ちされる。

液面の指示が明瞭で目立つために、前記指示体に赤い色などのようなマークが塗り付けられ、及び／または前記指示体表面に発光層が被覆される。前記発光層は、レアアース自発光材料を採用してもよい。

使用時、フロートと指示体とは、両者間の磁気結合力が弱くなると、互いに離脱する。両者を新たに吸着させるために、指示体収容室を備えない場合、磁石鋼を手で持ちながらフロートの位置を探した後、指示体を手でフロートの近くに移動後、手から放す。これに対して、指示体収容室を備える場合、指示体収容室の外側の磁石鋼を手で持ちながら指示体を吸引してフロートの近くに移動させてから磁石鋼を取り外す。指示体の位置がフロートに合わせるか否かを、磁石鋼で探したフロートの位置を指示体の位置と比較することにより、確認することができる。

また、断熱かつ省エネの要件を可能にするのを考慮すると、前記フロートチャンバーの外壁と、指示体または指示体収容室との間に、保温層または保冷層が設けられてもよい。前記保温層は、ナノセラミック材料とケイ酸塩またはケイ酸アルミニウム繊維とで作製され断熱材、あるいは、アルミノケイ酸マグネシウム材料を採用し、厚さが数ミリメートルとしてもよい。前記保冷層は、ポリウレタンまたはポリ尿素ウレタンなどの保冷材を採用してもよい。本発明に記載の前記液面計の磁石鋼とフロートとの間のピッチが１２ミリメートルとするのは可能であるため、フロートチャンバー全体に対して保温を行うのを考慮しもよい。保温されると指示にまったく影響しないため、省エネができ、磁石鋼の消磁が遅れる。

事故で磁石鋼が高所から落下して壊れるのを防止するために、前記指示体収容室内の下方にバネを固定するか、或いは軟質材料を充填する。

球状フロートの重さを低減するため、フロートを中空のものにする。

遠距離の伝送を可能にするため、磁石鋼の近くに上から下へ磁気感知素子が配置される。

本発明の指示可能な指示体付きフロート式液面計の作動原理は、以下のとおりである。

半分が液体に没入するとき、フロートが受けている浮力Ｆ１は、フロートの重さＧ１と指示体の重さＧ２と機械的摩擦力ｆとの和であり、即ちＦ１＝Ｇ１＋Ｇ２＋ｆである。

カウンタウェイトを掛ける場合、半分が液体に没入するとき、フロートが受けている浮力Ｆ１と、カウンタウェイトの重さＧ３との和は、フロートの重さＧ１と指示体の重さＧ２と機械的摩擦力ｆとの和である。即ちＦ１＋Ｇ３＝Ｇ１＋Ｇ２＋ｆである。

フロートチャンバー内に位置するフロートが指示体に吸着されたまま、液面が昇降すると、力のバランスが崩れる。フロートは、液面の昇降に伴って指示体を昇降させる。浮標のポインタがスケールの位置に合わせることにより、液位を指示することができる。

また、前記浮標の比重が指示体収容室内における液体媒質のものより小さいとき、指示体収容室内に液体媒質を注入する場合、半分が液体に没入するときフロートが受けている浮力Ｆ１と、浮標が受けている浮力Ｆ２との和は、フロートの重さＧ１と指示体の重さＧ２と機械的摩擦力ｆとの和であり、即ちＦ１＋Ｆ２＝Ｇ１＋Ｇ２＋ｆである。両方向間の力のバランスは、磁気結合力によって取れる。即ち、浮標は、フロートとの磁気結合を介してフロートチャンバー内のフロートに上向きの持ち上げ力を与えることができる。フロートチャンバーに位置するフロートは、浮標と電気結合したままである。液面が昇降する場合、力のバランスが崩れるとき、フロートは、液面の昇降に伴って浮標を昇降させ、浮標のポインタがスケールの位置に合わせることにより、液位を指示することができる。

従来技術に比べて、本発明の技術的解決手段の有益な効果は明らかで、以下のとおりである。

昇降時、指示体（または磁石鋼）とフロートとの間は、従動性に優れ、タイムラグが短く、精度がより高い。または、指示体の構造がシンプルであり、非常に軽量であり、関連部品の材料はアルミニウムである。部品は、小型、薄型、軽量である。重さが軽減するため、小型の磁石鋼または小さい磁力によって吸着を実現することができる。これによって、さらに摩擦力が低減し、精度が向上するのが可能である。このようにして文字化けが生じるとか、構造が複雑であるとか、部品が多いとか、コストが高いようなリードスイッチ式液面計という問題が生じることはないため、レンジが大きい場合、より一層優位性が示される。一つの指示体をもって複数のリードスイッチに代える。数値を読みにくいガラス液面計のような問題だけでなく、エネルギー消費量が大きいガラス液面計またはリードスイッチ式液面計のような問題を解決することができる。さらに、摩擦力が大きく、精度が低く、タイムラグが長く、使用上の信頼性が悪いなどのリニア軸受を採用する液面計のような多くの不足を解決することができる。これによって、本発明は、計測時、液位を正しく指示しないか、あるいは信頼性が悪い従来技術のような問題を解決するだけでなく、コストパフォーマンスが高く、広範囲の汎用性を有し、特に、このような構造を有する液面計を、高温高圧または高圧低密度の媒質などの液位の計測に用いるような世界的な問題と、液位の計測時、ガラス液面計を使用できないケースは多いような問題を解決した。

また、それは、製造コストや使用コストやメンテナンスコストがいずれも大幅に削減されるため、より多くのユーザーのニーズを満たすようになる。数十元／個のリニア軸受や、数百元／メートルのリニアガイドレールのコストと比較すると、本発明の指示体全体は、約１０元程度である。具体的には、指示体用ガイドレールは、数元／メートル程度である。本発明は、指示体用ガイドレールと回転輪との係合精度への要件が低く、指示体用ガイドレールをアルミ型材で一次成形して再加工を不要とすることにより、コストを大幅に削減することができる。

また、製造とメンテナンスは、より容易になる。高精度のあるガイドレールを長く製造するのが難しい。レンジが大きい場合、現場では複数本しか組み合わせないのが難しいことであるという問題を避けるために、本発明は、アルミ型材で一次成形された１本の指示体用ガイドレールの長さが、少なくとも６メートルとすることにより、ガイドレール同士の継手の数を減らし、コストを削減するだけでなく、製造とメンテナンスをよりシンプルにし、使用の信頼性がより高い。

また、指示体及び回転系の構造がシンプルであり、製造、組立、調整、取付と現場校正だけでなく、今後のメンテナンスは、いずれもより容易になる。

また、重さが軽減された指示体は、密度が低い液体に適用されるため、広範囲に適用することができる。なお、重さが軽減された指示体は、多くの場合に釣合い重りを増加しなくても使用されることができる。

また、フロートチャンバーの外方に位置する指示体の磁石鋼は、フロートチャンバーから遠く離間されるため消磁しにくいが、消磁しても容易に交換される。これによって、マグネットフロートを交換する時、着脱や密封の交換や水圧試験や気密試験などを行うための一連の対応、及び損失を避け、特に輸入されたマグネットフロートの交換に生じる大きい損失を避けることができる。

予備指示体を増設することにより、指示体を交換する従来のような対応を不要とする。

また、指示体のポインタを、赤い色としてあるいは発光材料で製造する場合、その指示と表示が非常に目立って直感的である。

本発明は、保護層を備えるため、液面計の耐高温や耐高圧や耐食の性能をより効果的に改善することができる。例えば、強磁性材質のフロートの外面に防食層が被覆されることにより、フロートの耐高温、耐高圧、耐食の性能がさらに向上するのが可能である。

本発明は、断熱層または保冷層を設けることにより、省エネルギー効果を実現することができる。フロートチャンバーの外壁に保温を行うことができる。保温層は、厚さが数ミリメートルまでとすれば、要件を満たすことができる。なお、本発明のものは、たとえば、火事や爆発や火傷を引き起こし、コールドレグ配管に着霜や凍結が生じることはなく、より安全に使用することができる。

高温高圧に使用する円筒型液面計は、電子部品の耐温の要件に制限されるため、トランスミッタに近接する部分に対して断熱手段の増設を禁止して、ヒートシンクなどの放熱手段を増設する必要がある。これによって、本発明は、エネルギーを消費するか火傷しやすいなどのような問題が生じるような恐れはない。

以上のように、発明者らは、６年間以上連続して行われた理論的研究と多くの試験や実験とに基づき、本発明の構造によって従来技術の様々な不足を克服し、早急に解決を必要とする本分野の技術的課題を解決するのを証明した。本発明の技術効果は、機械的摩擦力が大幅に低減し、タイムラグが短く、精度が高く、構造がよりシンプルであり、コストが大幅に削減され、安定性と信頼性が飛躍的に向上するだけでなく、総合性能指標に欧米などの国から輸入されたマグネットフロート式液面計よりも優れることである。輸入品を代替するだけでなく、輸出品として外国為替を稼ぎ、広い応用見通しを有する。

図１は、実施例１の構造概略図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３（ａ）〜（ｂ）は、台形凹溝のある回転輪が指示体用ガイドレールと係合するこを示す二つの概略図である。 図４は、実施例２の構造概略図である。 図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。 図６は、実施例３の上から下への二つの回転輪の構造概略図である。 図７は、実施例４の構造概略図である。 図８は、実施例５の構造概略図である。 図９（ａ）は、矩形凹溝のある回転輪とガイドレールとの間の摩擦力の応力解析図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の左側面図である。

１．フロート
２．フロートチャンバー
３．円柱形のガイドレール
３’．直方体形ガイドレール
４．定滑車
５．連結ワイヤまたは連結ベルト
６．スケール
７．ガイドレール補強リブ板
８．指示体
８−１，８−１’．回転軸受
８−２．磁石鋼
８−３．，８−３’．軸
８−４，８−４’．回転輪
８−５．矩形フレーム
８−４１．回転輪の円弧形の凹溝
８−４２．回転輪の矩形凹溝
８−４３．回転輪の台形凹溝
９．カウンタウェイト
１０．指示体収容室
１１．フロートチャンバー内における液体媒質
１２．浮子
１３．予備指示体を固定するための外付け磁石鋼
１４．予備指示体
１５．指示体収容室内における液体媒質
１６．フロートレール。

実施例１

（１）基本型
指示可能な指示体付きフロート式液面計は、図１〜２に示すように、非強磁性材質のフロートチャンバー２と、フロートチャンバー２内における強磁性材質の球型フロート１と、フロートチャンバー２の外方に隣接して設置されるスケール６と、円柱形のガイドレール３と、透明な非強磁性材質から密閉式の指示体収容室１０とを備える。前記スケール６と円柱形のガイドレール３と指示体収容室１０とは、それぞれ軸線が互いに平行でかつ前記フロートチャンバー２の軸線に平行である。指示体８と円柱形のガイドレール３とは、それぞれ指示体収容室１０内に収容される。

フロートチャンバー２により近接する前記円柱形のガイドレール３の側面に上から下へガイドレール補強リブ板７が設けられる。

前記指示体８は、磁石鋼８−２と矩形フレーム８−５と回転系とを含む。前記回転系は、回転軸受８−１と、軸８−３と、円周表面に沿って半径方向凹溝が設けられる回転輪８−４とを含む。

前記矩形フレーム８−５は、水平面に垂直である４つの側面Ｘ１、側面Ｘ１、側面Ｙ１、側面Ｙ２を有する。

前記磁石鋼８−２は、前記フロートチャンバー２と矩形フレーム８−５との間に位置され、かつ前記フロートチャンバー２に近接する前記矩形フレーム８−５の側面Ｘ１の外側に固定され、磁極が前記フロート１に対向する。

前記軸８−３は、地面に平行であり、前記矩形フレーム８−５の２つの互いに平行な側面Ｙ１及び側面Ｙ２とに支持される。２つの平行な前記側面Ｙ１と前記側面Ｙ２は、いずれも磁石鋼が固定される前記側面Ｘ１に垂直な平面である。

前記回転系は、互いに同軸の回転輪と、回転軸受と、軸とを含む。前記回転輪は、円周表面に沿って半径方向凹溝が設けられる。前記回転軸受は、内輪が前記軸と締り嵌めされ、外輪が前記回転輪と締り嵌めされかつともに回転される。

前記円柱形のガイドレール３は、前記矩形フレーム８−５内を挿通され、前記磁石鋼８−２と回転系との間に位置する。

前記回転系において、前記回転輪８−４は、磁石鋼８−２とフロート１との間の磁気結合力を介して、凹溝が前記円柱形ガイドレール３の作業面に当接し、前記円柱形ガイドレールに沿って上下回転することができる。前記回転輪の半径方向凹溝は、円柱形のガイドレールの円弧面と係合する内凹円弧形の凹溝８−４１である。

前記回転輪の半径方向凹溝は、図３（ａ）〜（ｂ）に示すように、台形凹溝８−４３としてもよい。即ち、前記台形凹溝８−４３は、外側が広く内側が狭いようなベルトプーリの構造に同様である。前記回転輪の台形凹溝８−４３は、図３（ａ）に示すように、前記磁石鋼とフロートとの間の磁気結合力を介して、少なくとも台形斜辺からなる２つの内斜面に、前記円柱形ガイドレール３に当接し、かつ前記円柱形ガイドレール３に沿って上下に転動する。また、前記回転輪の台形凹溝８−４３は、図３（ｂ）に示すように、台形凹溝８−４３の３つの内側面に、前記円柱形ガイドレール３に当接し前記円柱形ガイドレール３に沿って上下に転動する。

（２）保護型
悪天候の計器への影響、および防塵防水を考慮すると、前記液面計は、透明な非強磁性材質からなる密閉式の指示体収容室１０をさらに備える。指示体収容室１０は、前記フロートチャンバー２に隣接して設置され、両者の軸線が互いに平行である。前記指示体８と円柱形ガイドレール３とは、前記指示体収容室１０内に取り付けられる。前記指示体収容室１０の内部は、上方へ投影する投影寸法が指示体よりもやや大きいが、上方から下へ見ると、構造が長方形の筐体である。前記指示体収容室１０の内部は、常温下で、上方へ投影した矩形の投影寸法が、指示体の各側よりも０．０５−０．０８ミリメートルだけ大きいことが好ましい。前記指示体収容室１０は、高温または低温に用いられる場合、指示体収容室１０と指示体８の熱による膨張収縮量をそれぞれ加味するのが必要である。

（３）定滑車型
なお、フロート１は、高温高圧あるいは高圧低密度媒質に用いる場合、厚さが厚いので比重が被測定媒質より大きい。そして、フロート１の重さとのバランスを取るために、フロート１に上向きの持ち上げ力を与える必要がある。そのため、上記技術的解決手段に基づき、定滑車４とカウンタウェイト９と、連結ワイヤまたは連結ベルト５とを増設してもよい。
前記定滑車４は、指示体収容室１０の内側の上方に固定される。連結ワイヤまたは連結ベルト５は、定滑車４を巻掛け、両端がそれぞれ前記カウンタウェイト９と、指示体８の矩形フレーム８−５とに連結される。

通常の場合、上下方向にフロート１と指示体８との引張力を保持するように、カウンタウェイト９の重さＧ３は、指示体８の重さＧ２より大きい。これによって、フロート１と指示体８の磁石鋼８−２との間は、磁気結合力がなくなるため、タイムラグが生じるのを避けることができる。該引張力の大きさは、指示体及びフロートが移動中に受けている機械的摩擦力ｆより大きいが、かつフロート１と指示体８の上下方向の最大の磁気結合力から、前記機械的摩擦力ｆを差し引いたものより小さい。フロート１の重さＧ１は、カウンタウェイト９の重さＧ３から、指示体８の重さＧ２を差し引いたものより大きいが、かつ磁気結合力がフロート１と指示体８との離脱まで小さくなるのに必要な引張力から、機械的摩擦力ｆを差し引いたものより小さい。さらに、安全限界を加味する。例えば、フロート１の重さＧ１から、半分が液体に没入したフロート１が受けている浮力Ｆ１を差し引いたものは、カウンタウェイト９の重さＧ３から、指示体８の重さＧ２と機械的摩擦力ｆとの和を差し引いたものに等しい。この際には、磁気結合力は、カウンタウェイト９の重さＧ３から、指示体８の重さＧ２と機械的摩擦力ｆとの和を差し引いたものより大きいのが必要である。

実施例２

本実施例の指示可能な指示体付きフロート式液面計は、図４〜５に示すように、実施例１に記載の保護型と比べて、前記指示体用ガイドレールが直方体形ガイドレール３’である点で異なる。前記回転輪８−４の半径方向凹溝は、矩形凹溝８−４２である。前記矩形凹溝８−４２の両平行面間のピッチは、ガイドレール３’の両外表面間のピッチより大きい。前記回転輪８−４は、指示体８の磁石鋼８−２とフロート１との磁気結合力を介して、前記直方体形ガイドレール３’の作業表面に沿って上下に転動する。

なお、消磁による磁石鋼８−２の交換を避けるために、前記液面計の指示体収容室１０内部の上方に予備指示体１４が設置され、かつ指示体収容室１０の外側に、締付部材によって予備指示体を固定するための磁石鋼１３が固定される。前記磁石鋼１３と前記予備指示体１４の磁石鋼との磁気結合力によって予備指示体１４が固定される。

実施例３

本実施例の指示可能な指示体付きフロート式液面計は、図６に示すように、上記液面計に基づき、指示体８を改良したものである。即ち、前記指示体８は、回転輪８−４、８−４’と、軸８−３、８−３’と、回転軸受８−１、８−１’とが含まれる二セットの前記回転系を備える。二セットの前記回転系は、同一の前記矩形フレーム８−５内に上下平行に位置される。２本の軸８−３、８−３’の軸線を含む平面が地面に垂直であることにより、指示体８の上下移動過程中において軸回りの回転が生じることを避けるため、使用上の精度と信頼性が向上する。

実施例４

本実施例の指示可能な指示体付きフロート式液面計は、図７に示すように、各種の前記液面計の技術的解決手段に基づき、フロート１の浮力のバランスを取る必要性を加味したものである。前記指示体８の下方に浮子１２を固定することにより、浮標を構成する。前記浮子１２は、前記指示体８の上方に位置され、そして、前記指示体収容室１０内に液体媒質１５が注入される場合、前記指示体または浮標に浮力を提供することができる。

前記指示体の比重は、前記指示体収容室１０内における液体１５の比重より小さい。指示体８が受けている浮力Ｆ２から指示体の重さＧ２を差し引いたものは、バランスが取れた状態で、フロート１の重さＧ１から、フロート１のやや半分が液体に没入した時フロートが受けている浮力Ｆ１を差し引いたものに等しい。即ち、Ｆ２−Ｇ２＝Ｇ１−Ｆ１である。

実施例５

図８に示すように、各種類の上記液面計に基づき、さらにフロートチャンバー内における液体媒質１１に含まれている不純物のフロート１の転動への影響を避けるために、指示体８に近接する側の前記フロートチャンバー２の内壁には、２本の突起状のフロートレール１６が設けられる。これによって、フロート１は、上下移動を行うとき、前記球形のレール１６に支持されるため、フロートチャンバー２の内壁に直接接触しないことにより、不純物によって阻止されることを避けることができる。

異なる技術効果を加味すると、上記実施例が提供する各種類の液面計を、さらに改良することができる。

例えば、回転輪と指示体用ガイドレールとの間の摩擦力を軽減するため、前記回転輪８−４の半径方向凹溝の作業表面、即ち前記凹溝がリニアガイドレールと係合してレールに沿って転動する係合面に、ポリテトラフルオロエチレンが保護層として被覆されてもよい。

耐高温性、耐圧性、耐食性及びフロート１の比重の軽減を考慮すると、前記強磁性材質のフロート１の外面に、炭素繊維が保護層として被覆されてもよい。

耐食性を考慮すると、前記強磁性材質のフロート１の外側にポリテトラフルオロエチレンなどが保護層として被覆される。

耐高温性、耐圧性、耐食性を考慮すると、前記強磁性材質のフロート１の外側に、３０４、３１６またはＣｒＭｏ鋼などのような耐高温の高合金鋼材質が保護層として被覆されてもよい。あるいは、２Ｃｒ１３のような高合金鋼でフロートを製造してもよい。

同様に、耐食性を考慮すると、前記フロートチャンバー２は、ポリテトラフルオロエチレンのようなプラスチック、またはガラスで製造されてもよい。また、フロートチャンバーの内壁に、耐腐食層が裏打ちされる。

液面の指示が明瞭で目立つために、前記指示体８に、赤い色などのようなマーク、及び／またはレアアース自発光材料層が塗り付けられてもよい。

断熱かつ省エネを実現するために、前記フロートチャンバー２の外壁と指示体８または指示体収容室１０との間に、保温層または保冷層が設けられてもよい。例えば、断熱に、ケイ酸アルミニウムマグネシウム材料や、ナノセラミック材料とケイ酸塩またはケイ酸アルミニウム繊維とで構成される断熱材料を用いてもよい。要件を満たす材料の厚さは、数ミリメートルであってもよい。保冷に、ポリウレタンまたはアルミン脂材料を用いてもよい。これによって、省エネを実現することができる。

事故で指示体８が高所から落下して壊れるのを防止するために、指示体収容室１０内の下方にバネを設置するか、あるいは軟質材料を充填してもよい。

球形のフロート１の重さを軽減するために、フロート１を中空のものにしてもよい。

観察を容易にし、摩擦力を低減し、計測精度を向上し、使用時揮発の影響を避けるために、指示体収容室１０内における液体媒質１５は、変圧器油または食用油などのような潤滑性能のある透明な媒質を用いる。

遠距離の伝送を可能にするために、前記指示体８の磁石鋼８−２の近くに上から下へ磁気感知素子が配置される。

使用時、フロート１と指示体８とは、磁気結合力が弱くなるにつれて、互いに離脱することがある。両者を新たに吸着させるために、指示体収容室１０を備えない場合、磁石鋼を手で持ちながらフロート１の位置を探した後、指示体８を手でフロートの近くに移動し、手から放す。指示体収容室１０を備える場合、磁石鋼を手で持ちながら指示体を吸引してフロートの近くに移動させてから、磁石鋼を取り外すことができる。

発明者らは、設備管理に数年の経験を持っており、圧力容器と配管を設計し、複数種類の液面計を鋭意研究し、多くの実験を行った。精度とコストと使用上の信頼性とメンテナンスの可能性などを総合的に考慮するのに、６年間以上の時間が掛かった。かつ、省エネ、適用可能な工程要件、市場のニーズ、加工の可能性、メンテナンスコストなどの様々な要因への考慮に基づき、フロートやフロートチャンバーの強度を算出し、材料を選出し、技術案を作成する。本発明の技術案は、最終的にこのように作成される。本発明は、例えば高温高圧または高圧低密度の媒質などの液位を計測するような様々で異なる場合のニーズに適用する液面計に存在する課題、ならびに、多くの場合使用できないガラス液面計に存在する課題などを解決するのを目的とする。

以上に記載されたものは，本発明の好ましい具体的な実施形態に過ぎず，本発明の保護範囲はこれに限定されるものではなく，いかなる当業者が本発明に開示されている技術範囲内に，本発明の技術的解決手段及びその発明の思想に応じて加えた同等の交換又は変更は，いずれも本発明の保護範囲内に入るべきである。

Claims (14)

1. フロートチャンバーと、強磁性材質のフロートと、スケールと、フロートチャンバーの外方に位置する指示体と、指示体用ガイドレールとを備えた指示可能な指示体付きフロート式液面計であって、
   前記指示体は、磁石鋼と、フレームと、前記フレーム内に水平に固定されかつ位置される回転系とを備え、
   前記回転系は、前記フレームに支持固定されかつ地面に平行である軸と、円周表面に沿って半径方向凹溝が設けられる回転輪と、内輪が前記軸と係合され、外輪が前記回転輪と係合されかつともに回転される回転軸受と、を備え、
   前記軸と、前記回転輪と、前記回転軸受とが同軸であり、
   前記磁石鋼は、前記フロートチャンバーに最も近接する前記フレームの外側面に固定され、磁極が前記フロートに対向し、
   前記指示体用ガイドレールは、前記フレーム内を挿通されかつ前記磁石鋼と前記回転系との間に位置し、
   前記回転輪は、前記磁石鋼と前記フロートとの間の磁気結合力を介して、凹溝が前記指示体用ガイドレールの作業面に当接され、前記指示体用ガイドレールに沿って上下に転動することを特徴とする指示可能な指示体付きフロート式液面計。
2. フロートチャンバーにより近接する前記指示体用ガイドレールの側面に、ガイドレール補強リブ板が上から下へ設けられることを特徴とする請求項１に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
3. 前記回転輪の半径方向凹溝の形状は、係合されている前記指示体用ガイドレールの係合箇所の形状に合わせられていることを特徴とする請求項１または２に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
4. 前記指示体ガイドレールは、円柱形ガイドレールであり、
   前記回転輪の半径方向凹溝は、係合されている前記円柱形ガイドレールの係合箇所の円弧面に合わせる凹状円弧形の凹溝であることを特徴とする請求項３に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
5. 前記指示体用ガイドレールは、円柱形ガイドレールであり、
   前記回転輪の半径方向凹溝は、台形凹溝であり、
   前記回転輪の台形凹溝は、前記回転系が磁石鋼とフロートとの間の磁気結合力の作用を受けている状態で、少なくとも台形斜辺からなる２つの内斜面に、前記円柱形ガイドレールの作業面に当接しかつ前記円柱形ガイドレールに沿って上下に転動することを特徴とする請求項１または２に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
6. 前記指示体用ガイドレールは、直方体形状のガイドレールであり、
   前記回転輪の半径方向凹溝は、矩形凹溝であることを特徴とする請求項３に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
7. 前記回転系は、二セットであり、
   二セットの前記回転系は、同一の前記フレーム内に上下平行に設置され、
   かつ２本の軸の軸線を含む平面は、地面に垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
8. 前記フロートチャンバーに隣接して設置されかつ互いに軸線が平行であり、内部に前記指示体と前記ガイドレールとが収容され、非強磁性の透明材質からなる密閉式の指示体収容室をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
9. 前記指示体収容室内には、液体媒質が注入されかつ浮標が設置され、
   前記浮標は、前記指示体と、前記指示体に固定される浮子とを含むことを特徴とする請求項８に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
10. 指示体収容室内の上方に位置し、指示体収容室の外側に固定される磁石鋼によって固定される予備指示体をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
11. 連結ワイヤを有しかつ前記指示体の真上に固定される定滑車システムをさらに含み、
    前記連結ワイヤは、片端がカウンタウェイトに連結され、他端が前記フレームに連結されることを特徴とする請求項１、２、８、９または１０のいずれかに記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
12. 強磁性材質からなる前記フロートの外面には、炭素繊維、ポリテトラフルオロエチレン材質または高合金鋼材質が保護層として被覆されることを特徴とする請求項１、２、８、９または１０のいずれかに記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
13. 指示体に近接する側の前記フロートチャンバーの内壁には、突起状のフロートレールが設けられることを特徴とする請求項１、２、８、９または１０のいずれかに記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。
14. 前記回転輪の内凹円弧形の凹溝の直径は、円柱形ガイドレールの直径より大きいことを特徴とする請求項４に記載の指示可能な指示体付きフロート式液面計。

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