JP6985662B2 - Liquid level distance measuring device and multi-point liquid level distance collective measurement system - Google Patents

Liquid level distance measuring device and multi-point liquid level distance collective measurement system Download PDF

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Description

本発明は、液面距離測定装置、及び多地点液面距離一括計測システムに関する。 The present invention relates to a liquid level distance measuring device and a multipoint liquid level distance collective measuring system.

河川や貯水池等の水位を測定する液面距離測定装置として、水底の水圧を検知して水深を測定するものや、フロートを液面に浮かべ、このフロートをレーザー測距器によって距離を測定し、液面までの距離を水位として測定する装置が知られている。 As a liquid level distance measuring device that measures the water level of rivers and reservoirs, one that measures the water depth by detecting the water pressure at the bottom of the water, or a float that floats on the liquid surface and measures the distance with a laser rangefinder. A device that measures the distance to the liquid level as the water level is known.

フロート式の水位計として、フロートが上下動可能かつ浮遊しないためのガイドを設け、風雨等により液面が波立つことによってフロートが激しく上下動することを抑制するため、当該フロートを管で覆った水位計が発案されている(特開平10−281854号公報)。この水位計によれば、液面の波の影響等を除去して精度の高い水位の測定ができるとされているが、水位計が大がかりな装置となり生産コストが増大すると共に、設置場所が限定される等のおそれがある。また、水位計が管で覆われているため、急激な増水等の変化に対応することができないおそれがある。 As a float-type water level gauge, a guide was provided to prevent the float from moving up and down and floating, and the float was covered with a pipe to prevent the float from moving up and down violently due to the rippling of the liquid level due to wind and rain. A water level gauge has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 10-281854). According to this water level gauge, it is said that it is possible to measure the water level with high accuracy by removing the influence of waves on the liquid level, but the water level gauge becomes a large-scale device, the production cost increases, and the installation location is limited. There is a risk of being damaged. In addition, since the water level gauge is covered with a pipe, it may not be possible to respond to changes such as a sudden increase in water.

特開平10−281854号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-281854

上記不都合に鑑みて、本発明は、簡易な構成で安定して高精度に液面距離を計測することができる液面距離計測装置、及び簡易な構成で一括して高精度に多地点の液面距離を計測することができる多地点液面距離計測システムを提供することを目的とする。 In view of the above inconvenience, the present invention has a liquid level distance measuring device capable of measuring the liquid level distance stably and with high accuracy with a simple configuration, and a liquid at multiple points collectively with a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a multipoint liquid level distance measuring system capable of measuring a surface distance.

上記課題を解決するためになされた本発明に係る一態様は、基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を計測する装置であって、パルス光を発光する光源と、上記パルス光を液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、上記反射光及び戻り光を受光する受光部と、上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部とを備え、上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有し、上記光学系がシュバルツシルト光学系であることを特徴とする液面距離計測装置である。 One aspect of the present invention made to solve the above problems is to measure the distance between the reference surface and the liquid surface based on the light receiving time difference between the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface. A light source that emits pulsed light, a light transmitting / receiving unit that sends the pulsed light to the liquid surface and receives the return light, a light receiving unit that receives the reflected light and the return light, and the above. It is equipped with a signal processing unit that calculates the liquid level distance from the light receiving time difference between the reflected light and the return light, and the light transmission / reception unit makes the reference reflection surface and the pulsed light into a parallel light bundle and collects the return light. It is a liquid level distance measuring device characterized by having an optical system to be used and the optical system is a Schwarzschild optical system.

当該液面距離計測装置は、光送受部に含まれるシュバルツシルト光学系が、液面を照射する出射光を平行光線束として液面に照射することができ、所定の光量で所定の範囲の液面を照射することができる。また、液面で反射される戻り光は当該光学系によって集光されるため、液面で反射される戻り光を効率的に集光することができる。よって、液面に波や泡が存在して照射光の一部が乱反射した場合であっても、液面の他の部分で反射した戻り光を集光することができるため、水面が安定していない動揺液面の場合であっても、液面距離を計測することができる。従って、フロート等の光反射部材を必要とせず、簡易な構成とすることができると共に、液面距離を安定して計測することができる。また、光送受部が有する反射基準面で反射される反射光と、液面で反射される戻り光とを受光した時間差から当該基準面と液面との距離を算出するため、水圧変化で水深を測定する水位計等と比して、急激な増水等の変化に対する追従性に優れ、かつ液体の比重値に影響されることなく高精度に液面距離を計測することができる。 In the liquid level distance measuring device, the Schwarzschild optical system included in the light transmission / reception unit can irradiate the liquid surface with the emitted light irradiating the liquid surface as a bundle of parallel light rays, and the liquid in a predetermined range with a predetermined amount of light. The surface can be illuminated. Further, since the return light reflected on the liquid surface is collected by the optical system, the return light reflected on the liquid surface can be efficiently collected. Therefore, even if waves or bubbles are present on the liquid surface and a part of the irradiation light is diffusely reflected, the return light reflected by the other part of the liquid surface can be condensed, so that the water surface is stable. The liquid level distance can be measured even in the case of a non-swaying liquid level. Therefore, a light reflecting member such as a float is not required, a simple configuration can be obtained, and the liquid level distance can be measured stably. In addition, since the distance between the reference surface and the liquid surface is calculated from the time difference between the reflected light reflected by the reflection reference surface of the light transmission / reception unit and the return light reflected by the liquid surface, the water depth changes due to the change in water pressure. Compared to a water level gauge or the like that measures the liquid level, it has excellent followability to changes such as a sudden increase in water, and can measure the liquid level distance with high accuracy without being affected by the specific gravity value of the liquid.

上記課題を解決するためになされた本発明の別の態様に係る液面距離計測装置は、液面へのパルス光の発光と、上記液面で反射した戻り光の受光との時間差から上記液面の距離を計測する装置であって、パルス光を発光する半導体光源と、上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する反射部とを備え、上記半導体光源が上記液面からの戻り光を受光する受光部を兼ねることを特徴とする。 The liquid level distance measuring device according to another aspect of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, has the above-mentioned liquid from the time difference between the emission of the pulsed light to the liquid surface and the reception of the return light reflected by the above-mentioned liquid surface. A device for measuring the distance between surfaces, including a semiconductor light source that emits pulsed light and a reflecting portion that combines the pulsed light into a bundle of parallel rays and condenses the return light. The semiconductor light source is the liquid. It is characterized in that it also serves as a light receiving unit that receives the return light from the surface.

当該液面距離計測装置は、半導体光源が受光部を兼ねるため、より簡易な構成の液面距離計測装置とすることができる。 Since the semiconductor light source also serves as a light receiving unit, the liquid level distance measuring device can be a liquid level distance measuring device having a simpler configuration.

上記課題を解決するためになされた本発明のさらに別の態様に係る多地点液面距離一括計測システムは、基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を、多地点で一括して計測するシステムであって、複数の波長を含むパルス光を発光する光源、上記パルス光から特定波長の光を分波する特定波長分波部、上記特定波長の光を上記液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、上記パルス光と、上記反射光及び戻り光とを伝播する光ファイバ、上記光ファイバを伝播する上記パルス光と上記反射光及び戻り光とを分配する光分配部、上記反射光及び戻り光を受光する受光部、及び上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部を備え、上記特定波長分波部及び光送受部が多地点に複数配され、上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有することを特徴とする。 The multipoint liquid level distance batch measurement system according to still another aspect of the present invention, which has been made to solve the above problems, is based on the light receiving time difference between the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface. A system that collectively measures the distance between the reference surface and the liquid surface at multiple points, a light source that emits pulsed light containing multiple wavelengths, and a specific wavelength that demultiplexes light of a specific wavelength from the pulsed light. Demultiplexing unit, light transmission / reception unit that sends light of the specific wavelength to the liquid surface and receives the return light, optical fiber that propagates the pulsed light, reflected light, and return light, and the optical fiber. The liquid level distance is calculated from the light distribution unit that distributes the pulsed light propagating and the reflected light and the return light, the light receiving unit that receives the reflected light and the return light, and the light receiving time difference between the reflected light and the return light. A signal processing unit is provided, and the specific wavelength demultiplexing unit and the light transmission / reception unit are arranged at a plurality of points. It is characterized by having an optical system that collects light.

例えば、河川の複数地点の水位変化を観測する場合、各地点に光源及び液面距離を算出する信号処理部を含む水位距離計測装置、及び計測結果を観測所に送信する送信機を配置すると、大規模で煩雑なシステムとなる。当該多地点液面距離一括計測システムによれば、光源及び液面距離を算出する信号処理部は観測所等に1つ配置され、液面に特定波長の光を送受する光送受部を複数の計測地点に配置し、光源及び信号処理部と各光送受部とが光ファイバで接続されることにより、簡易な構成で多地点の液面距離を一括して高精度に計測することができる。 For example, when observing changes in water level at multiple points in a river, a water level distance measuring device including a light source and a signal processing unit that calculates the liquid level distance, and a transmitter that transmits the measurement results to the observation station are installed at each point. It will be a large-scale and complicated system. According to the multipoint liquid level distance batch measurement system, one light source and a signal processing unit for calculating the liquid level distance are arranged at an observation station or the like, and a plurality of light transmission / reception units for transmitting / receiving light of a specific wavelength to the liquid surface are provided. By arranging the light source and signal processing unit at the measurement points and connecting each light transmission / reception unit with an optical fiber, it is possible to collectively measure the liquid level distances at multiple points with high accuracy with a simple configuration.

上記特定波長分波器が、3端子光サーキュレータと上記特定波長の光を反射する光デバイスを含むとよい。特定波長分波器が、3端子光サーキュレータと特定波長の光を反射する光デバイスとを含むことにより、光量損失の少なくすることができ、より安定した高精度な計測をすることができる。 The specific wavelength demultiplexer may include a three-terminal optical circulator and an optical device that reflects light of the specific wavelength. By including a 3-terminal optical circulator and an optical device that reflects light of a specific wavelength, the specific wavelength demultiplexer can reduce the amount of light loss and can perform more stable and highly accurate measurement.

上記特定波長分波器が、4端子光サーキュレータをさらに含むとよい。特定波長分波器が4端子光サーキュレータをさらに含むことにより、特定波長分波器をより簡易な構成とすることができると共に、光量損失をより少なくすることができ、さらに安定した高精度な測定をすることができる。 The specific wavelength demultiplexer may further include a 4-terminal optical circulator. By further including the 4-terminal optical circulator in the specific wavelength demultiplexer, the specific wavelength demultiplexer can be configured more simply, the light amount loss can be further reduced, and more stable and highly accurate measurement can be performed. Can be done.

少なくとも上記光送受部に含まれる上記光ファイバがデュアルモードファイバであるとよい。少なくとも上記光送受部の光ファイバをデュアルモードファイバとすることで、上記戻り光を受容するコア部分をマルチモードファイバのコア部分を用いることができ、シングルモードファイバのコア部分に戻らなかった光パルスも受容することができる。よって、戻り光の捕捉率を上げることができ、安定した高精度な測定をすることができる。 At least the optical fiber included in the optical transmission / reception unit may be a dual mode fiber. By using at least the optical fiber of the optical transmission / reception unit as a dual mode fiber, the core portion of the multimode fiber can be used as the core portion that receives the return light, and the optical pulse that does not return to the core portion of the single mode fiber. Can also be accepted. Therefore, the capture rate of the return light can be increased, and stable and highly accurate measurement can be performed.

以上説明したように、当該液面距離計測装置によれば、簡易な構成で安定して高精度に液面距離の計測をすることができる。また、当該多地点液面距離一括計測システムによれば、簡易な構成で一括して高精度に多地点の液面距離計測をすることができる。 As described above, according to the liquid level distance measuring device, it is possible to measure the liquid level distance stably and with high accuracy with a simple configuration. Further, according to the multipoint liquid level distance batch measurement system, it is possible to collectively measure the liquid level distance at multiple points with high accuracy with a simple configuration.

本発明の一実施形態である液面距離計測装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the liquid level distance measuring apparatus which is one Embodiment of this invention. 図1の液面距離計測装置が備える光送受部の構成を示す模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the structure of the light transmission / reception part provided in the liquid level distance measuring apparatus of FIG. 図2とは異なる光送受部の構成を示す模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the structure of the light transmission / reception part different from FIG. 本発明の他の実施形態に係る液面距離計測装置の構成を示す模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the liquid level distance measuring apparatus which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態に係る多地点液面距離一括計測システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the multipoint liquid level distance batch measurement system which concerns on another Embodiment of this invention. 図5の多地点液面距離一括計測システムが備える特定波長分波部の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the specific wavelength demultiplexing part provided in the multipoint liquid level distance batch measurement system of FIG. 図6とは異なる特定波長分波部の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the specific wavelength demultiplexing part different from FIG. 図7の特定波長分波部が特定波長以外の波長の光を伝送する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode that the specific wavelength demultiplexing part of FIG. 7 transmits light of a wavelength other than the specific wavelength. 図6、図7とは異なる特定波長分波部の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the specific wavelength demultiplexing part different from FIG. 6 and FIG. 図9の特定波長分波部が特定波長以外の波長の光を伝送する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode that the specific wavelength demultiplexing part of FIG. 9 transmits the light of the wavelength other than the specific wavelength. 図5の多地点液面距離一括計測システムが備える光送受部の構成を示す模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical transmission / reception unit included in the multipoint liquid level distance batch measurement system of FIG.

以下、本発明の実施の形態を、適宜図を参照して詳説する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

[液面距離計測装置]
[第一実施形態]
本発明の一実施形態に係る液面距離計測装置1は、図1に示すように、光源2、光カプラ3、光送受部4、受光部5、及び信号処理部6を主に備え、電気ハーネス7さらに有する。液面距離計測装置1は、容器Aの液面Wにパルス光を照射し、この反射光を受光することで液面Wの距離を計測することができる。
[Liquid level distance measuring device]
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the liquid level distance measuring device 1 according to the embodiment of the present invention mainly includes a light source 2, an optical coupler 3, a light transmitting / receiving unit 4, a light receiving unit 5, and a signal processing unit 6 and is electrically operated. It also has a harness 7. The liquid level distance measuring device 1 can measure the distance of the liquid level W by irradiating the liquid surface W of the container A with pulsed light and receiving the reflected light.

<光源>
光源2は、パルス光を発光して光カプラ3に送出する。光源2は、パルス光を発光できるものであれば特に限定されず、例えばパルスジェネレーターを用いたレーザダイオード(Laser Diode:LD)、LED(Light Emitting Diode)等の公知のものを使用することができる。なお、パルス光とは、狭い(短い)時間間隔で点滅を繰り返す光のことをいう。
<Light source>
The light source 2 emits pulsed light and sends it to the optical coupler 3. The light source 2 is not particularly limited as long as it can emit pulsed light, and for example, a known light source such as a laser diode (LD) using a pulse generator and an LED (Light Emitting Diode) can be used. .. The pulsed light refers to light that repeatedly blinks at narrow (short) time intervals.

光源2が発光する光のパルス幅の下限値、すなわち光源2が発光している時間長さの下限値は、特に限定されないが、可能な限り狭い発光時間とすることが好ましい。パルス幅を狭くすることで、高分解能性能を実現することができる。ただし、受光器の帯域に比べて狭すぎるパルス幅は、計測されるパルス振幅(パルス高さ、すなわち信号成分)を大きくするという観点からは無駄になるおそれがある。具体的には、例えば、10GHz帯域の受光回路を使用して、ガウス型のパルス波形とした場合、パルス幅の下限値としては44psとすることができる。一方、パルス幅の上限値としては、特に限定されないが、計測対象の液面の最短距離から決定することができる。すなわち、基準反射面から計測対象の液面までの距離が最短となる距離によって求めることができる。具体的には、例えば、基準反射面から計測対象の液面までの最短距離が15cmとなる場合では、液面距離を計測するためのパルス幅の上限値としては1ns、当該最短距離が150cmとなる場合では、パルス幅上限は10nsとすることができる。 The lower limit of the pulse width of the light emitted by the light source 2, that is, the lower limit of the length of time that the light source 2 emits is not particularly limited, but it is preferable to set the emission time as narrow as possible. High resolution performance can be realized by narrowing the pulse width. However, a pulse width that is too narrow compared to the band of the receiver may be wasted from the viewpoint of increasing the measured pulse amplitude (pulse height, that is, signal component). Specifically, for example, when a Gaussian pulse waveform is obtained by using a light receiving circuit in a 10 GHz band, the lower limit of the pulse width can be 44 ps. On the other hand, the upper limit of the pulse width is not particularly limited, but can be determined from the shortest distance of the liquid level to be measured. That is, it can be obtained by the distance at which the distance from the reference reflection surface to the liquid surface to be measured is the shortest. Specifically, for example, when the shortest distance from the reference reflection surface to the liquid surface to be measured is 15 cm, the upper limit of the pulse width for measuring the liquid level distance is 1 ns, and the shortest distance is 150 cm. In this case, the upper limit of the pulse width can be 10 ns.

パルス間隔、すなわち一つのパルス光が発光されてから次のパルス光が発光されるまでの光源2が発光を停止している時間間隔は、特に限定されないが、可能な限り狭いパルス間隔とすることが好ましい。パルス間隔を狭くすることで、より頻繁にパルス光を送信することができるため、液面が動揺している場合に液面が平坦になる瞬間にパルスを照射できる確率を向上させることができる。ただし、基準反射面から計測対象の液面までの距離が最大となる距離によって、パルス間隔はその下限値が制限される。具体的には、例えば、1地点のみの液面距離計測で、光源2から光送受部4(測定地点)までを配線用の光ファイバで接続し、この光ファイバの長さが10m、基準反射面から液面までの最大距離が30mとなる場合、パルス間隔の下限値としては300nsとすることができる。また、多地点液面距離一括計測の場合も同様に、最も遠い計測地点が10km、すなわち光源と測定地点とを結ぶ光ファイバの長さが10kmであり、この光ファイバの伝搬遅延が5μs/kmとして、基準反射面から液面までの最大距離が30mとなる場合、パルス間隔の下限値としては100μsとすることができる。 The pulse interval, that is, the time interval during which the light source 2 stops emitting light from the emission of one pulse light to the emission of the next pulse light is not particularly limited, but the pulse interval should be as narrow as possible. Is preferable. By narrowing the pulse interval, the pulsed light can be transmitted more frequently, so that when the liquid level is shaking, the probability that the pulse can be irradiated at the moment when the liquid level becomes flat can be improved. However, the lower limit of the pulse interval is limited by the maximum distance from the reference reflection surface to the liquid surface to be measured. Specifically, for example, in the liquid level distance measurement at only one point, the light source 2 to the optical transmission / reception unit 4 (measurement point) are connected by an optical fiber for wiring, and the length of this optical fiber is 10 m, and the reference reflection is performed. When the maximum distance from the surface to the liquid surface is 30 m, the lower limit of the pulse interval can be set to 300 ns. Similarly, in the case of multipoint liquid level distance batch measurement, the farthest measurement point is 10 km, that is, the length of the optical fiber connecting the light source and the measurement point is 10 km, and the propagation delay of this optical fiber is 5 μs / km. When the maximum distance from the reference reflection surface to the liquid surface is 30 m, the lower limit of the pulse interval can be 100 μs.

<光カプラ>
光カプラ3は、光源2が発光するパルス光と、光送受部4が有する基準反射面で反射される反射光及び液面Wで反射される戻り光とを分岐する。具体的には、光カプラ3は、光源2が発光したパルス光を光送受部4に向けて反射させ、基準反射面で反射される反射光及び液面Wで反射される戻り光を透過して受光部5に受光させる。光カプラ3は、パルス光と反射光及び戻り光とを分岐可能なものであれば特に限定されず、例えばビームスプリッタ(Beam Splitter:BS)、光サーキュレータ等の公知のものを使用することができる。
<Optical coupler>
The optical coupler 3 branches the pulsed light emitted by the light source 2, the reflected light reflected by the reference reflecting surface of the light transmission / reception unit 4, and the return light reflected by the liquid surface W. Specifically, the optical coupler 3 reflects the pulsed light emitted by the light source 2 toward the light transmission / reception unit 4, and transmits the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface W. The light is received by the light receiving unit 5. The optical coupler 3 is not particularly limited as long as it can branch the pulsed light, the reflected light and the return light, and for example, a known one such as a beam splitter (BS) or an optical circulator can be used. ..

<受光部>
受光部5は、反射光及び戻り光を受光し、この光信号を電気信号に変換する。変換された電気信号は電気ハーネス7によって信号処理部6に送信される。受光部5は、受光した光信号を電気信号に変換できるものであれば特に限定されず、フォトダイオード(Photo Diode:PD)等の公知のものを使用することができる。
<Light receiving part>
The light receiving unit 5 receives the reflected light and the return light, and converts this optical signal into an electric signal. The converted electric signal is transmitted to the signal processing unit 6 by the electric harness 7. The light receiving unit 5 is not particularly limited as long as it can convert the received optical signal into an electric signal, and a known one such as a photodiode (Photo Diode: PD) can be used.

<電気ハーネス>
電気ハーネス7は、受光部5と信号処理部6とを接続する。受光部5が光信号から変換した電気信号は、電気ハーネス7によって信号処理部6に送信される。
<Electric harness>
The electric harness 7 connects the light receiving unit 5 and the signal processing unit 6. The electric signal converted from the optical signal by the light receiving unit 5 is transmitted to the signal processing unit 6 by the electric harness 7.

<信号処理部>
信号処理部6は、受光部5が受光した反射光の受光タイミングと戻り光の受光タイミングとの時間差を計測して、基準反射面と液面Wとの距離を算出する。この計測結果は、図示しない表示器、例えば液晶ディスプレイ等に表示される。信号処理部6としては、特に限定されず、例えばパルスアナライザ、オシロスコープ等の公知のものを使用することができる。
<Signal processing unit>
The signal processing unit 6 measures the time difference between the light receiving timing of the reflected light received by the light receiving unit 5 and the light receiving timing of the return light, and calculates the distance between the reference reflecting surface and the liquid surface W. This measurement result is displayed on a display (not shown) such as a liquid crystal display. The signal processing unit 6 is not particularly limited, and for example, a known one such as a pulse analyzer or an oscilloscope can be used.

<光送受部>
光送受部4は、光カプラ3が反射して放射状に広がるパルス光を平行光線束として、液面Wに対して略垂直に照射する。また、このパルス光が液面Wで反射される戻り光を受光部5に集光する。光送受部4は、光カプラ3が反射して放射状に広がるパルス光を平行光線束にすると共に、液面Wからの戻り光を受光部5に集光するための光学系を有する。光送受部4は、パルス光の一部を液面Wに照射させることなく反射し、この反射光を受光部5に受光させるための基準反射面を含む。この基準反射面で反射される反射光を受光部5が受光したタイミングと液面Wで反射される戻り光を受光したタイミングとを信号処理部6が計測することで、液面Wまでの距離が算出される。
<Optical transmission / reception unit>
The light transmission / reception unit 4 irradiates the pulsed light reflected by the optical coupler 3 and spreading radially as a parallel light bundle as substantially perpendicular to the liquid surface W. Further, the return light reflected by the liquid surface W of this pulsed light is focused on the light receiving unit 5. The light transmission / reception unit 4 has an optical system for condensing the return light from the liquid surface W on the light receiving unit 5 while forming a parallel light bundle of pulsed light reflected by the optical coupler 3 and spreading radially. The light transmission / reception unit 4 includes a reference reflection surface for reflecting a part of the pulsed light without irradiating the liquid surface W with the liquid surface W and causing the light receiving unit 5 to receive the reflected light. The distance to the liquid surface W is measured by the signal processing unit 6 by measuring the timing at which the light receiving unit 5 receives the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the timing at which the return light reflected by the liquid surface W is received. Is calculated.

〔光学系〕
光学系は、光カプラ3が反射する放射状の光を平行光線束とすると共に、液面Wで反射される戻り光を当該端部に集光する。当該光学系は、シュバルツシルト光学系である。シュバルツシルト光学系は、図2で示すように、凸面鏡8と凹面鏡9を含み、光カプラ3が反射する放射状の光を凸面鏡8が反射し、この凸面鏡8の反射光を凹面鏡9がさらに反射することで、容易に平行光線束とすることができる。また、凸面鏡8の天頂部の一部を光カプラ3が反射する放射状の光線軸中心と垂直な平面に形成することで、この平面を基準反射面10とすることができる。当該平面が、光カプラ3が反射する放射状の光の一部を正反射し、基準反射面10の反射光として受光部5に受光される。当該平面以外の凸面鏡8で反射された光は凹面鏡9でさらに反射され、液面Wを照射し、液面Wで反射した光の一部が液面Wの戻り光として凹面鏡9及び凸面鏡8を反射して受光部5に集光される。
〔Optical system〕
In the optical system, the radial light reflected by the optical coupler 3 is made into a parallel light bundle, and the return light reflected by the liquid surface W is focused on the end portion. The optical system is a Schwarzschild optical system. As shown in FIG. 2, the Schwarzschild optical system includes a convex mirror 8 and a concave mirror 9. The convex mirror 8 reflects the radial light reflected by the optical coupler 3, and the concave mirror 9 further reflects the reflected light of the convex mirror 8. Therefore, a parallel light bundle can be easily formed. Further, by forming a part of the zenith portion of the convex mirror 8 on a plane perpendicular to the center of the radial ray axis reflected by the optical coupler 3, this plane can be used as the reference reflection surface 10. The plane positively reflects a part of the radial light reflected by the optical coupler 3, and is received by the light receiving unit 5 as the reflected light of the reference reflecting surface 10. The light reflected by the convex mirror 8 other than the plane is further reflected by the concave mirror 9, irradiates the liquid surface W, and a part of the light reflected by the liquid surface W is used as the return light of the liquid surface W to use the concave mirror 9 and the convex mirror 8. It is reflected and focused on the light receiving unit 5.

また、凸面鏡8の中心部が開口部11を有し、この開口部11の中心軸が、光カプラ3が反射する放射状の光線軸中心上にあるのが好ましい。開口部11を有することで、光カプラ3が反射する放射状の光線の一部が開口部11を通過し、直接液面Wを照射することができる。また、液面Wで反射される戻り光の一部が開口部11へ導入されて、受光部5に入射することができる。よって、光源2のパルス光及び液面Wの戻り光の光損失を抑制することができる。 Further, it is preferable that the central portion of the convex mirror 8 has an opening 11 and the central axis of the opening 11 is on the center of the radial ray axis reflected by the optical coupler 3. By having the opening 11, a part of the radial light rays reflected by the optical coupler 3 can pass through the opening 11 and directly irradiate the liquid surface W. Further, a part of the return light reflected by the liquid surface W can be introduced into the opening 11 and incident on the light receiving portion 5. Therefore, it is possible to suppress the light loss of the pulsed light of the light source 2 and the return light of the liquid surface W.

光学系は、レンズで構成することも可能である。例えば、図3に示すように、レンズ12とレンズホルダ13とレンズ保護ガラス14とレンズホルダ13を固定するカバー15とカバーガラス16とを有するものとすることができる。 The optical system can also be composed of a lens. For example, as shown in FIG. 3, it may have a lens 12, a lens holder 13, a lens protective glass 14, a cover 15 for fixing the lens holder 13, and a cover glass 16.

(レンズ)
レンズ12は、光カプラ3が反射する放射状の光を平行光線束とし、液面Wで反射される戻り光を受光部5に集光する。レンズ12としては、放射状の光を平行光線束とすること、及び平行光線束を集光することができるものであれば特に限定されず、例えばコリメータレンズ等の公知のものを使用することができる。
(lens)
The lens 12 uses the radial light reflected by the optical coupler 3 as a bundle of parallel light rays, and collects the return light reflected by the liquid surface W on the light receiving unit 5. The lens 12 is not particularly limited as long as it can form a radial light bundle into a parallel light bundle and can collect the parallel light bundle, and for example, a known lens such as a collimator lens can be used. ..

(レンズホルダ、レンズ保護ガラス)
レンズホルダ13は、レンズ12を保持し、レンズ保護ガラス14を有する。レンズホルダ13は、円筒状、角筒状等の筒状で形成され、底部が開口している。一方の底部にはレンズ保護ガラス14を有し、レンズ12を保護すると同時に、レンズ保護ガラス14の一方の表面を反射基準面とする。光カプラ3が反射する放射状の光の一部は、当該レンズ保護ガラス14の一方の表面で反射して、反射光として受光部5に入射する。光カプラ3が反射する放射状の光の他の一部は、レンズ保護ガラス14を透過して、レンズ12で平行光線束とされ、液面Wを照射する。レンズ12は、レンズホルダ13内で、光カプラ3が反射する放射状の光線束の中心軸上にレンズ12のレンズ面の中心軸が重なるように配置される。
(Lens holder, lens protection glass)
The lens holder 13 holds the lens 12 and has a lens protective glass 14. The lens holder 13 is formed in a cylindrical shape such as a cylindrical shape or a square tubular shape, and has an open bottom. A lens protective glass 14 is provided on one bottom to protect the lens 12, and at the same time, one surface of the lens protective glass 14 is used as a reflection reference surface. A part of the radial light reflected by the optical coupler 3 is reflected by one surface of the lens protection glass 14 and is incident on the light receiving unit 5 as reflected light. The other part of the radial light reflected by the optical coupler 3 passes through the lens protection glass 14, is formed into a bundle of parallel light rays by the lens 12, and irradiates the liquid surface W. The lens 12 is arranged in the lens holder 13 so that the central axis of the lens surface of the lens 12 overlaps the central axis of the radial light bundle reflected by the optical coupler 3.

(カバー)
レンズホルダ13は、カバー15に収納されていることが好ましい。レンズホルダ13が、カバー15及びカバーガラス16内に収納されることで、外乱の影響を抑制することができ、特に当該液面距離計測装置1が屋外で使用される場合、風雨等の影響を抑制することができる。
(cover)
The lens holder 13 is preferably housed in the cover 15. By housing the lens holder 13 in the cover 15 and the cover glass 16, the influence of disturbance can be suppressed, and particularly when the liquid level distance measuring device 1 is used outdoors, the influence of wind and rain and the like can be suppressed. It can be suppressed.

(カバーガラス)
カバー15は、カバーガラス16を有することが好ましい。また、カバーガラス16は、光カプラ3が反射する放射状の光線の中心軸に対してガラス面を垂直にした状態から1度以上30度以下傾斜して配置されるのが好ましい。光カプラ3が反射する放射状の光線の中心軸に対してガラス面を垂直に配置した場合、当該光線の一部がカバーガラス16で正反射することで、液面Wに向かう光量の損失が発生するおそれがあり、また当該正反射した光が受光部5に入射することで、測定ノイズになるおそれがある。ガラス面を光カプラ3が反射する放射状の光線の中心軸に対して垂直にした状態から、ガラス面の傾斜が1度未満である場合、正反射を抑制できないおそれがある。一方、当該傾斜が30度以上である場合、カバーガラス16及びカバー15が、不必要に大きくなるおそれがある。カバーガラス16としては、光を透過するものであれば特に限定されないが、液面Wの計測に必要とする波長の光のみを透過し、他の波長を透過させないフィルターであることが好ましい。液面Wの計測に使用されない波長の光を透過させないことで外乱の影響を抑制し、測定ノイズが低減されて、より精度の高い計測をすることができる。
(cover glass)
The cover 15 preferably has a cover glass 16. Further, it is preferable that the cover glass 16 is arranged so as to be inclined by 1 degree or more and 30 degrees or less from the state where the glass surface is perpendicular to the central axis of the radial light rays reflected by the optical coupler 3. When the glass surface is arranged perpendicular to the central axis of the radial light rays reflected by the optical coupler 3, a part of the light rays is specularly reflected by the cover glass 16, and a loss of the amount of light toward the liquid surface W occurs. In addition, the specularly reflected light may be incident on the light receiving unit 5 to cause measurement noise. If the inclination of the glass surface is less than 1 degree from the state where the glass surface is perpendicular to the central axis of the radial light rays reflected by the optical coupler 3, specular reflection may not be suppressed. On the other hand, when the inclination is 30 degrees or more, the cover glass 16 and the cover 15 may become unnecessarily large. The cover glass 16 is not particularly limited as long as it transmits light, but a filter that transmits only light having a wavelength required for measuring the liquid level W and does not transmit other wavelengths is preferable. By not transmitting light having a wavelength that is not used for measuring the liquid level W, the influence of disturbance is suppressed, measurement noise is reduced, and more accurate measurement can be performed.

<利点>
当該液面距離計測装置1は、平行光線束を液面Wに照射するため、当該平行光線束の少なくとも一部を液面Wで反射される戻り光として受光することができる。従って、液面Wに波や泡が一部に存在する等の全面が平坦でない液面の場合でも、液面Wまでの距離を安定して計測することができる。連続して複数回の計測を行った際に異なる計測が得られた場合には、液面Wに波や泡が存在する等と判断して、異なる計測結果の平均値を算出する、又は極端に異なる計測結果を排除する等して、液面Wまでの距離を高精度に計測することができる。また、当該液面距離計測装置1は、光の空間での伝搬遅延を光速で除することで距離に換算するため、測定誤差要因がほとんどなく、高精度な液面距離計測をすることができる。
<Advantage>
Since the liquid level distance measuring device 1 irradiates the liquid surface W with a parallel light beam bundle, at least a part of the parallel light beam bundle can be received as return light reflected by the liquid surface W. Therefore, even when the entire surface of the liquid surface is not flat, such as the presence of waves or bubbles in a part of the liquid surface W, the distance to the liquid surface W can be stably measured. If different measurements are obtained when performing multiple measurements in succession, it is judged that there are waves or bubbles on the liquid level W, and the average value of the different measurement results is calculated or extreme. It is possible to measure the distance to the liquid level W with high accuracy by excluding different measurement results. Further, since the liquid level distance measuring device 1 converts the propagation delay in the space of light into a distance by dividing it by the speed of light, there is almost no measurement error factor, and high-precision liquid level distance measurement can be performed. ..

[第二実施形態]
本発明の別の実施形態に係る液面距離計測装置20について、図4を用いて説明する。なお、上述した液面距離計測装置と同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。
[Second Embodiment]
The liquid level distance measuring apparatus 20 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same configuration as the above-mentioned liquid level distance measuring device will be described by using the same reference numerals.

液面距離計測装置20は、パルス光を発光する半導体光源21、発光されたパルス光を平行光線束にする反射部22を主に備え、半導体光源21を発光させる順バイアス回路部23、半導体光源21に逆バイアスをかけて半導体光源21を受光素子とさせる逆バイアス回路部24、半導体光源21が発光したタイミングと受光したタイミングとの時間差から液面距離を計算する信号処理部6、及び半導体光源21と順バイアス回路部23と逆バイアス回路部24と信号処理部6とを接続する電気ハーネス25を有する。 The liquid level distance measuring device 20 mainly includes a semiconductor light source 21 that emits pulsed light, a reflecting unit 22 that makes the emitted pulsed light into a bundle of parallel rays, a forward bias circuit unit 23 that emits the semiconductor light source 21, and a semiconductor light source. A reverse bias circuit unit 24 that applies a reverse bias to 21 to make the semiconductor light source 21 a light receiving element, a signal processing unit 6 that calculates the liquid level distance from the time difference between the timing when the semiconductor light source 21 emits light and the timing when the semiconductor light source 21 receives light, and a semiconductor light source. It has an electric harness 25 that connects 21, the forward bias circuit unit 23, the reverse bias circuit unit 24, and the signal processing unit 6.

<半導体光源>
半導体光源21は、パルス光を発光して反射部22で反射させて、このパルス光を液面Wに照射すると共に、反射部22で反射された液面Wが反射した戻り光を受光する。受光した光信号を電気信号に変換して、電気ハーネス25によって信号処理部6に送信する。半導体光源21は、反射部22の反射面の全面にパルス光を照射するため、パルス光を拡散するためのレンズ等を含むことができる。半導体光源21としては、特に限定されず、例えばLD、LED等の公知のものが使用することができるが、中でも広角に光を発光することができ、逆バイアスを印加することにより光を受光することができるLEDを使用することが好ましい。
<Semiconductor light source>
The semiconductor light source 21 emits pulsed light and reflects it by the reflecting unit 22, irradiates the liquid surface W with the pulsed light, and receives the return light reflected by the liquid surface W reflected by the reflecting unit 22. The received optical signal is converted into an electric signal and transmitted to the signal processing unit 6 by the electric harness 25. Since the semiconductor light source 21 irradiates the entire surface of the reflecting surface of the reflecting unit 22 with the pulsed light, it can include a lens or the like for diffusing the pulsed light. The semiconductor light source 21 is not particularly limited, and for example, known ones such as LD and LED can be used, but among them, light can be emitted at a wide angle and light is received by applying a reverse bias. It is preferable to use an LED that can be used.

<反射部>
反射部22は、半導体光源21によって発光されるパルス光を平行光線束として液面Wに反射する。また、反射鏡22は、照射して液面Wで反射される戻り光を半導体光源21に集光する。反射面の鏡面加工としては、光を反射するものであれば特に限定されないが、液面Wの計測に必要とする波長の光のみを反射し、他の波長を反射させないコーティング等がされていることが好ましい。液面Wの計測に使用されない波長の光を反射させないことで外乱の影響を抑制し、測定ノイズが低減されて、より精度の高い計測をすることができる。
<Reflective part>
The reflecting unit 22 reflects the pulsed light emitted by the semiconductor light source 21 on the liquid surface W as a bundle of parallel light rays. Further, the reflecting mirror 22 collects the return light that is irradiated and reflected by the liquid surface W on the semiconductor light source 21. The mirror surface processing of the reflecting surface is not particularly limited as long as it reflects light, but is coated with a coating that reflects only light having a wavelength required for measuring the liquid surface W and does not reflect other wavelengths. Is preferable. By not reflecting light of a wavelength that is not used for measuring the liquid level W, the influence of disturbance is suppressed, measurement noise is reduced, and more accurate measurement can be performed.

<順バイアス回路部>
順バイアス回路部23は、順バイアス回路及びパルスジェネレーターを含み、半導体光源21に順バイアスをかけてパルス光を発光させる。
<Forward bias circuit section>
The forward bias circuit unit 23 includes a forward bias circuit and a pulse generator, and applies a forward bias to the semiconductor light source 21 to emit pulsed light.

<逆バイアス回路部>
逆バイアス回路部24は、逆バイアス回路を含み、半導体光源21が発光していないタイミングで半導体光源21に逆バイアスをかけて液面で反射される戻り光を受光する受光器とする。順バイアス回路部23と逆バイアス回路部24とは、一体で構成することも可能である。
<Reverse bias circuit section>
The reverse bias circuit unit 24 includes a reverse bias circuit, and is a light receiver that receives the return light reflected on the liquid surface by applying a reverse bias to the semiconductor light source 21 at the timing when the semiconductor light source 21 does not emit light. The forward bias circuit unit 23 and the reverse bias circuit unit 24 can be integrally configured.

<信号処理部>
本実施形態での信号処理部6は、順バイアス回路部23が半導体光源21を発光させたタイミングと、逆バイアス回路24が半導体光源21に逆バイアスをかけて半導体光源21が液面Wで反射される戻り光を受光したタイミングとの時間差から、液面Wまでの距離を算出する。液面Wの距離としては、測定対象の底部から液面Wまでの高さ、或いは半導体光源21の高さ等を仮想的に基準面として当該基準面から液面Wまでの距離、又は液面Wの時間あたりの変化量等を計測することができる。
<Signal processing unit>
In the signal processing unit 6 of the present embodiment, the timing at which the forward bias circuit unit 23 causes the semiconductor light source 21 to emit light and the reverse bias circuit 24 apply a reverse bias to the semiconductor light source 21 so that the semiconductor light source 21 reflects at the liquid surface W. The distance to the liquid level W is calculated from the time difference from the timing at which the return light is received. The distance of the liquid level W is the distance from the reference surface to the liquid level W, or the liquid level, with the height from the bottom of the measurement target to the liquid level W or the height of the semiconductor light source 21 as a virtual reference surface. It is possible to measure the amount of change of W per hour and the like.

<電気ハーネス>
電気ハーネス25は、半導体光源21と順バイアス回路部23と逆バイアス回路部24とを接続する。具体的には、順バイアス回路部23から順バイアス信号を半導体光源21に送信、逆バイアス信号部24から逆バイアス信号を半導体光源21に送信、及び半導体光源21が受光した信号を信号処理部6に送信する。
<Electric harness>
The electric harness 25 connects the semiconductor light source 21, the forward bias circuit unit 23, and the reverse bias circuit unit 24. Specifically, the forward bias circuit unit 23 transmits a forward bias signal to the semiconductor light source 21, the reverse bias signal unit 24 transmits a reverse bias signal to the semiconductor light source 21, and the signal received by the semiconductor light source 21 is a signal processing unit 6. Send to.

具体的には、例えば半導体光源21をLEDとした場合、順バイアス回路部23から順バイアスのパルスをLEDに印加して発光させ、液面からの戻り光を逆バイアス回路部24から逆バイアスしたLEDをフォトダイオードとして受光する。電気ハーネス25を同軸ケーブルとして、当該同軸ケーブルの特性インピーダンスに対してLEDの直列抵抗と終端抵抗の和が整合するように終端抵抗値を選択する。LEDに逆方向に流れる光電流による終端抵抗両端の電圧低下を信号処理部6に含まれる測定パルス受信回路で受信して、信号処理部6にて発光及び受光のパルスの相対遅延を計測する。発光及び受光のパルス時間幅が、発光した光の液面距離伝搬時間よりも大きくなる場合、受光パルスを微分処理、原パルス波形の立ち上がりに相当する発光パルスの遅れを計測することで、液面距離伝搬時間を計測することができる。 Specifically, for example, when the semiconductor light source 21 is an LED, a forward bias pulse is applied to the LED from the forward bias circuit unit 23 to emit light, and the return light from the liquid surface is reverse biased from the reverse bias circuit unit 24. The LED receives light as a photodiode. Using the electric harness 25 as a coaxial cable, a terminating resistance value is selected so that the sum of the series resistance and the terminating resistance of the LED matches the characteristic impedance of the coaxial cable. The voltage drop across the terminating resistor due to the light current flowing in the opposite direction to the LED is received by the measurement pulse receiving circuit included in the signal processing unit 6, and the signal processing unit 6 measures the relative delay of the light emitting and receiving pulses. When the pulse time width of light emission and light reception is larger than the liquid level distance propagation time of the light emitted, the light reception pulse is differentiated and the delay of the light emission pulse corresponding to the rise of the original pulse waveform is measured to measure the liquid level. The distance propagation time can be measured.

<利点>
当該液面距離計測装置20は、半導体光源21が発光と受光を兼ねるため、より簡易な構成で液面Wの距離を計測することができる。また、反射部22のサイズを小さくすることで、大型の液面距離計測装置の設置が困難な挟所に、当該液面距離計測装置20を設置することができる。さらに、反射部22のサイズを大きくすることで、容易に大きい平行光線束を得ることができるため、液面Wへの照射面積を大きくすることができ、濁流や大波等、液面Wが大きく荒れて不安定な動揺液面の場合でも、液面Wの距離を安定して高精度に計測することができる。また、半導体光源21をインコヒーレント光源とした場合、液面Wを照射する光が鉛直平面波とされないため、液面Wで反射された戻り光の受光確率を向上させることができ、動揺液面の計測を容易により安定して高精度に計測することができる。
<Advantage>
In the liquid level distance measuring device 20, since the semiconductor light source 21 has both light emission and light reception, the distance of the liquid level W can be measured with a simpler configuration. Further, by reducing the size of the reflecting portion 22, the liquid level distance measuring device 20 can be installed in a place where it is difficult to install a large liquid level distance measuring device. Further, by increasing the size of the reflecting portion 22, a large parallel light beam bundle can be easily obtained, so that the irradiation area to the liquid surface W can be increased, and the liquid surface W such as a turbid flow or a large wave becomes large. Even in the case of a rough and unstable swaying liquid surface, the distance of the liquid surface W can be measured stably and with high accuracy. Further, when the semiconductor light source 21 is used as an incoherent light source, the light irradiating the liquid surface W is not regarded as a vertical plane wave, so that the reception probability of the return light reflected by the liquid surface W can be improved, and the shaking liquid surface can be improved. Measurement can be performed easily, more stably, and with high accuracy.

[多地点液面距離一括計測システム]
[第三実施形態]
本発明の別の実施形態に係る多地点液面距離一括計測システム30について、適宜図を用いて説明する。なお、上述した液面距離計測装置と同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。
[Multi-point liquid level distance batch measurement system]
[Third Embodiment]
The multipoint liquid level distance batch measurement system 30 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to appropriate figures. The same configuration as the above-mentioned liquid level distance measuring device will be described by using the same reference numerals.

多地点液面距離一括計測システム30は、図5に示すように、複数の波長を含むパルス光を発光する光源31、上記パルス光からそれぞれ特定波長の光を分波する特定波長分波部32、上記特定波長の光を液面Wに照射する光送受部33、上記パルス光と後述する基準反射面で反射される反射光及び液面Wで反射される戻り光とを伝播する光ファイバ34、光ファイバ34中の上記パルス光と反射光及び戻り光とを分配する光分配部35、反射光及び戻り光の光信号を受光して電気信号に変換する受光部36及び信号処理部37を主に備える。 As shown in FIG. 5, the multipoint liquid level distance batch measurement system 30 has a light source 31 that emits pulsed light including a plurality of wavelengths, and a specific wavelength demultiplexing unit 32 that demultiplexes light of a specific wavelength from the pulsed light. The light transmission / reception unit 33 that irradiates the liquid surface W with light having the specific wavelength, and the optical fiber 34 that propagates the pulsed light, the reflected light reflected by the reference reflecting surface described later, and the return light reflected by the liquid surface W. The light distribution unit 35 that distributes the pulsed light, the reflected light, and the return light in the optical fiber 34, the light receiving unit 36 that receives the optical signals of the reflected light and the return light and converts them into an electric signal, and the signal processing unit 37. Mainly prepare.

多地点液面距離一括計測システム30は、光ファイバ34に伝播されるパルス光を増幅するための送信側光増幅部38と、反射光及び戻り光を増幅するための受信側光増幅部39と、受光部36が変換した電気信号を信号処理部37に送信する電気ハーネス7と、光ファイバ34の終端部に配置される光ファイバ終端器(不図示)とをさらに有することができる。 The multipoint liquid level distance batch measurement system 30 includes a transmission side light amplification unit 38 for amplifying pulsed light propagated through an optical fiber 34, and a reception side light amplification unit 39 for amplifying reflected light and return light. Further, an electric harness 7 for transmitting an electric signal converted by the light receiving unit 36 to the signal processing unit 37, and an optical fiber terminator (not shown) arranged at the terminal portion of the optical fiber 34 can be further provided.

<光源>
光源31は、複数の波長を含むパルス光を発光し、光ファイバ34に送出する。光源31は、複数の波長を含むパルス光を発光できるものであれば特に限定されず、例えばパルスジェネレーターを用いた波長掃引型レーザー、スーパーコンティニウム光源等の公知のものを使用することができる。
<Light source>
The light source 31 emits pulsed light including a plurality of wavelengths and sends it to the optical fiber 34. The light source 31 is not particularly limited as long as it can emit pulsed light including a plurality of wavelengths, and for example, a known light source such as a wavelength sweep type laser using a pulse generator or a supercontinuum light source can be used.

<光増幅器>
送信側光増幅器38は光源31が発光する光を増幅させ、受信側光増幅器39は基準反射面で反射される反射光及び液面Wで反射される戻り光を増幅させることで、パルス光と反射光及び戻り光とを安定した光信号とする。送信側光増幅器38と受信側光増幅器39とは、同一の光増幅器を使用することができる。光増幅器としては、特に限定されるものでなく、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器(Erbium−Doped Fiber Amplifier:EDFA)等の公知のものを使用することができる。
<Optical amplifier>
The transmitting side optical amplifier 38 amplifies the light emitted by the light source 31, and the receiving side optical amplifier 39 amplifies the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface W to obtain pulsed light. The reflected light and the return light are regarded as stable optical signals. The same optical amplifier can be used for the transmitting side optical amplifier 38 and the receiving side optical amplifier 39. The optical amplifier is not particularly limited, and for example, a known one such as an erbium-dropped fiber amplifier (EDFA) can be used.

<光ファイバ>
光ファイバ34は、光源31、特定波長分波部32、光送受部33、光分配部35、及び受光部36を連通し、パルス光と反射光及び戻り光とを伝播する。また、光送受部33に含まれる光ファイバ34は、端部を液面Wに向けて略垂直に固定され、当該端部がパルス光を液面Wに向けて出射すると共に、液面からの戻り光を受容する。光ファイバ34は、光を効率的に伝送できるものであれば特に限定されず、例えば、シングルモードファイバ(Single Mode Fiber:SMF)、マルチモードファイバ(Multi Mode Fiber:MMF)等の公知のものを使用することができる。
<Optical fiber>
The optical fiber 34 communicates with the light source 31, the specific wavelength demultiplexing unit 32, the light transmission / reception unit 33, the light distribution unit 35, and the light receiving unit 36, and propagates the pulsed light, the reflected light, and the return light. Further, the optical fiber 34 included in the optical transmission / reception unit 33 is fixed at its end substantially vertically toward the liquid surface W, and the end portion emits pulsed light toward the liquid surface W and is emitted from the liquid surface. Accepts the return light. The optical fiber 34 is not particularly limited as long as it can efficiently transmit light, and for example, a known one such as a single mode fiber (Single Mode Fiber: SMF) and a multimode fiber (Multi Mode Fiber: MMF) can be used. Can be used.

少なくとも光送受部33に含まれる光ファイバ34は、デュアルモードファイバ(Dual Mode Fiber:DMF)であることが好ましい。DMFは、SMF及びMMFの両方の特性を有するため、例えば、光源31が発光するパルス光を光の分散の少ないSMFで送信し、SMFよりコア径の大きなMMFで、液面Wで反射される戻り光を受容することができる。よって、効率的に光源が発光するパルス光を液面Wに照射することができると共に、効率的に戻り光を受容することができ、安定して高精度な液面距離計測をすることができる。 At least, the optical fiber 34 included in the optical transmission / reception unit 33 is preferably a dual mode fiber (DMF). Since the DMF has the characteristics of both SMF and MMF, for example, the pulsed light emitted by the light source 31 is transmitted by the SMF having less light dispersion, and is reflected by the liquid surface W by the MMF having a larger core diameter than the SMF. Can accept return light. Therefore, the pulsed light emitted by the light source can be efficiently applied to the liquid surface W, and the return light can be efficiently received, so that stable and highly accurate liquid level distance measurement can be performed. ..

また、その他で使用される光ファイバ34としては、SMFであることが好ましい。その他で使用される光ファイバ34を、光の分散の少ないSMFとすることで、例えば数十km先の遠隔地の計測も可能とすることができる。 The optical fiber 34 used elsewhere is preferably SMF. By using an optical fiber 34 used for other purposes as an SMF having a small dispersion of light, it is possible to measure a remote place, for example, several tens of kilometers away.

当該多地点液面距離一括計測システムに用いられるDMFのMMF部のコア径としては、特に限定されるものではないが、一般的な100μmとすることができる。MMF部のコア径の下限としては、150μmが好ましく、200μmがより好ましい。MMF部のクラッド径を大きくすることで、戻り光を受容する確率(捕捉率)を向上させることができる。当該DMFのSMF部のコア径としては、特に限定されるものではないが、一般的な10μmとすることができる。 The core diameter of the MMF portion of the DMF used in the multipoint liquid level distance batch measurement system is not particularly limited, but can be a general 100 μm. The lower limit of the core diameter of the MMF portion is preferably 150 μm, more preferably 200 μm. By increasing the clad diameter of the MMF portion, the probability of receiving return light (capture rate) can be improved. The core diameter of the SMF portion of the DMF is not particularly limited, but can be a general 10 μm.

<光分配部>
光分配部35は、光源31が発光するパルス光と、光送受部33が有する基準反射面で反射される反射光及び液面Wで反射される戻り光とを分岐する。具体的には、光分配部35は、光源31が発光したパルス光を特定波長分波部32に向けて送出し、基準反射面で反射される反射光及び液面Wで反射される戻り光を分岐して受光部5に送出する。光分配部35は、パルス光と反射光及び戻り光とを分岐可能なものであれば特に限定されず、例えば光サーキュレータ等の公知のものを使用することができる。
<Light distribution unit>
The light distribution unit 35 branches the pulsed light emitted by the light source 31, the reflected light reflected by the reference reflecting surface of the light transmitting / receiving unit 33, and the return light reflected by the liquid surface W. Specifically, the light distribution unit 35 sends out the pulsed light emitted by the light source 31 toward the specific wavelength demultiplexing unit 32, and the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface W. Is branched and sent to the light receiving unit 5. The light distribution unit 35 is not particularly limited as long as it can branch the pulsed light, the reflected light, and the return light, and for example, a known light such as an optical circulator can be used.

<特定波長分波部>
特定波長分波部32は、光源31のパルス光から特定の波長の光を取り出して、この特定波長光を光送受部33へ送出する。取り出された特定波長光以外の波長の光は特定波長分波部32を通過し、次の特定波長分波器へ送信される。特定波長分波部32としては、複数の波長を含む光から特定の波長の光を取り出すことができるものであれば特に限定されず、例えば図6で示すように、一対の光合分波器40を含むものとすることができる。一対の光合分波器40を含むことで、個々の特定波長分波部32で所望する波長の光のみを取り出すことができる。
<Specific wavelength demultiplexer>
The specific wavelength demultiplexing unit 32 extracts light having a specific wavelength from the pulsed light of the light source 31, and sends the specific wavelength light to the light transmission / reception unit 33. The extracted light having a wavelength other than the specific wavelength light passes through the specific wavelength demultiplexer 32 and is transmitted to the next specific wavelength demultiplexer. The specific wavelength demultiplexer 32 is not particularly limited as long as it can extract light having a specific wavelength from light containing a plurality of wavelengths. For example, as shown in FIG. 6, a pair of optical demultiplexers 40 Can be included. By including the pair of optical duplexers 40, only the light having a desired wavelength can be taken out by each specific wavelength demultiplexer 32.

(光合分波素子)
一対の光合分波器40を含む特定波長分波部32によって所望する波長を取り出すには、光ファイバ34aを伝播する複数の波長を含む光が光分波素子40aによって所定の波長毎に分波される。所定の波長毎に分波された中から波長λ(1)の光を取り出して光ファイバ34bに分岐し、図示しない光送受部33へと送信する。他の波長の光は、光合波素子40bによって一つの光にまとめられ、光ファイバ34c送信される。続いて、波長λ(2)の波長の光を取り出すには上記同様に、光ファイバ34cを伝播する複数の波長を含む光を光分波素子40cによって所定の波長毎に分波し、所定の波長毎に分波された中から波長λ(2)の光を取り出して光ファイバ34dに分岐し、上記光送受部33とは異なる光送受部33へと送信する。他の波長の光は、光合波素子40dによって一つの光にまとめられ、光ファイバ34eへと送信される。
(Optical demultiplexing element)
In order to extract the desired wavelength by the specific wavelength demultiplexing unit 32 including the pair of optical demultiplexers 40, the light including a plurality of wavelengths propagating through the optical fiber 34a is demultiplexed by the optical demultiplexing element 40a at predetermined wavelength intervals. Will be done. Light having a wavelength λ (1) is taken out from the demultiplexed light at a predetermined wavelength, branched into an optical fiber 34b, and transmitted to an optical transmission / reception unit 33 (not shown). Lights of other wavelengths are combined into one light by the photosynthetic element 40b and transmitted by the optical fiber 34c. Subsequently, in order to extract light having a wavelength of wavelength λ (2), light containing a plurality of wavelengths propagating through the optical fiber 34c is demultiplexed by an optical demultiplexing element 40c at a predetermined wavelength in the same manner as described above. Light of wavelength λ (2) is taken out from the demultiplexed light for each wavelength, branched into the optical fiber 34d, and transmitted to a light transmission / reception unit 33 different from the light transmission / reception unit 33. Light of other wavelengths is combined into one light by the photosynthetic element 40d and transmitted to the optical fiber 34e.

光送受部33から光ファイバ34bを伝播する波長λ(1)の反射光及び戻り光は、他の波長の光と共に光ファイバ34aに伝送され、受光部36へと送信される。他の光送受部33から光ファイバ34dを伝播する波長λ(2)の反射光及び戻り光は、他の波長の光と共に、光ファイバ34cに伝送され、受光部36へと送信される。 The reflected light and the return light of the wavelength λ (1) propagating from the light transmission / reception unit 33 to the optical fiber 34b are transmitted to the optical fiber 34a together with the light of other wavelengths and transmitted to the light receiving unit 36. The reflected light and the return light of the wavelength λ (2) propagating from the other light transmission / reception unit 33 through the optical fiber 34d are transmitted to the optical fiber 34c together with the light of the other wavelength and transmitted to the light receiving unit 36.

(光サーキュレータ)
特定波長分波部32が、3端子光サーキュレータ41と上記特定波長の出射光を反射する光デバイスであるブラッグ格子光ファイバ(Fiber Bragg Grating:FBG)42を含むと良い。3端子光サーキュレータ41とFBG42とを含むことにより、簡易な構成で特定の波長の光を取り出すことができ、光損失を抑制することができる。
(Optical circulator)
The specific wavelength demultiplexing unit 32 may include a 3-terminal optical circulator 41 and a Bragg grating optical fiber (FBG) 42, which is an optical device that reflects the emitted light of the specific wavelength. By including the 3-terminal optical circulator 41 and the FBG 42, light having a specific wavelength can be extracted with a simple configuration, and light loss can be suppressed.

特定波長分波部32が3端子光サーキュレータ41とFBG42を含む構成で、波長λ1の光を取り出す場合について、図7を用いて説明する。光ファイバ34aを伝播する複数の波長を含む光は、3端子光サーキュレータ41aによって光ファイバ34fに伝送される。波長λ(1)の光は、波長λ(1)の光のみを反射することができるFBG42aによって反射され、3端子光サーキュレータ41aによって光ファイバ34gに伝送される。さらに波長λ(1)の光は、3端子光サーキュレータ41bにより光ファイバ34bに伝送され、図示されない光送受部33に向かう。光送受部33から光ファイバ34bを伝播する波長λ(1)の反射光及び戻り光は、3端子光サーキュレータ41bにより光ファイバ34hに伝送される。波長λ(1)の戻り光は、光ファイバ34hの一端に配置される波長λ(1)の光のみを反射することができるFBG42bによって反射され、3端子光サーキュレータ41bによって光ファイバ34gに伝送され、さらに3端子光サーキュレータ41aによって光ファイバ34aへと伝送され、受光部36へと送信される。 A case where the specific wavelength demultiplexing unit 32 includes the 3-terminal optical circulator 41 and the FBG 42 and extracts the light having the wavelength λ1 will be described with reference to FIG. 7. Light containing a plurality of wavelengths propagating through the optical fiber 34a is transmitted to the optical fiber 34f by the three-terminal optical circulator 41a. The light of wavelength λ (1) is reflected by the FBG 42a, which can reflect only the light of wavelength λ (1), and is transmitted to the optical fiber 34 g by the three-terminal optical circulator 41a. Further, the light having the wavelength λ (1) is transmitted to the optical fiber 34b by the three-terminal optical circulator 41b and directed to the light transmission / reception unit 33 (not shown). The reflected light and the return light of the wavelength λ (1) propagating from the optical transmission / reception unit 33 to the optical fiber 34b are transmitted to the optical fiber 34h by the three-terminal optical circulator 41b. The return light of the wavelength λ (1) is reflected by the FBG 42b that can reflect only the light of the wavelength λ (1) arranged at one end of the optical fiber 34h, and is transmitted to the optical fiber 34g by the three-terminal optical circulator 41b. Further, it is transmitted to the optical fiber 34a by the 3-terminal optical circulator 41a and transmitted to the light receiving unit 36.

光ファイバ34aを伝播する波長λ(1)以外の波長λ(1+n)の光は、図8で示すように、3端子光サーキュレータ41aによって光ファイバ34fに伝送される。波長λ(1+n)の光は、波長λ(1)の光のみを反射することができるFBG42aを通過して、光ファイバ34iを伝播し、3端子光サーキュレータ41cによって光ファイバ34cに伝送される。光ファイバ34cを伝播する波長λ(1+n)の反射光及び戻り光は、3端子光サーキュレータ41cによって光ファイバ34jに伝送され、FBG42bを通過し、光ファイバ34hを伝播して、3端子光サーキュレータ41bによって光ファイバ34gに伝送され、さらに3端子光サーキュレータ41aによって光ファイバ34aに伝送されて、受光部36へと送信される。 Light having a wavelength λ (1 + n) other than the wavelength λ (1) propagating through the optical fiber 34a is transmitted to the optical fiber 34f by the three-terminal optical circulator 41a as shown in FIG. Light of wavelength λ (1 + n) passes through FBG42a, which can reflect only light of wavelength λ (1), propagates through the optical fiber 34i, and is transmitted to the optical fiber 34c by the three-terminal optical circulator 41c. The reflected light and return light of wavelength λ (1 + n) propagating through the optical fiber 34c are transmitted to the optical fiber 34j by the 3-terminal optical circulator 41c, pass through the FBG 42b, propagate through the optical fiber 34h, and propagate through the optical fiber 34h, and the 3-terminal optical circulator 41b. Is transmitted to the optical fiber 34g, further transmitted to the optical fiber 34a by the 3-terminal optical circulator 41a, and transmitted to the light receiving unit 36.

特定波長分波部32が4端子光サーキュレータ43をさらに含むのがより好ましい。4端子光サーキュレータ43をさらに含むことで、特定波長分波部32をより簡易な構成とすることができ、光損失をより抑制することができる。 It is more preferable that the specific wavelength demultiplexing unit 32 further includes a 4-terminal optical circulator 43. By further including the 4-terminal optical circulator 43, the specific wavelength demultiplexing unit 32 can be made into a simpler configuration, and the optical loss can be further suppressed.

特定波長分波部32が4端子光サーキュレータ43をさらに含む構成で、波長λ(1)の光を取り出す場合について、図9を用いて説明する。光ファイバ34aを伝播する複数の波長を含む光は、4端子光サーキュレータ43によって光ファイバ34kに伝送される。波長λ(1)の光は、波長λ(1)の光のみを反射することができるFBG42cによって反射され、4端子光サーキュレータ43によって光ファイバ34bに伝送され、図示されない光送受部33へと向かう。光送受部33から光ファイバ34bを伝播する波長λ(1)の反射光及び戻り光は、4端子光サーキュレータ43により光ファイバ34lに伝送され、光ファイバ34lの一端に配置される波長λ(1)の光のみを反射することができるFBG42dによって反射される。さらに、4端子光サーキュレータ43によって光ファイバ34aに伝送され、受光部36へと送信される。 A case where the specific wavelength demultiplexing unit 32 further includes the 4-terminal optical circulator 43 and extracts the light having the wavelength λ (1) will be described with reference to FIG. Light containing a plurality of wavelengths propagating through the optical fiber 34a is transmitted to the optical fiber 34k by the 4-terminal optical circulator 43. The light having the wavelength λ (1) is reflected by the FBG 42c capable of reflecting only the light having the wavelength λ (1), transmitted to the optical fiber 34b by the 4-terminal optical circulator 43, and directed to the light transmission / reception unit 33 (not shown). .. The reflected light and the return light of the wavelength λ (1) propagating from the optical transmission / reception unit 33 to the optical fiber 34b are transmitted to the optical fiber 34l by the 4-terminal optical circulator 43, and the wavelength λ (1) arranged at one end of the optical fiber 34l. ) Is reflected by the FBG 42d, which can reflect only the light. Further, it is transmitted to the optical fiber 34a by the 4-terminal optical circulator 43 and transmitted to the light receiving unit 36.

光ファイバ34aを伝播する波長λ1以外の波長λ(1+n)の光は、図10で示すように、4端子光サーキュレータ43によって光ファイバ34kに伝送され、波長λ(1)の光のみを反射することができるFBG42cを通過し、光ファイバ34mを伝播して、3端子光サーキュレータ41dによって光ファイバ34cに伝送される。光ファイバ34cを伝播する波長λ(1+n)の反射光及び戻り光は、3端子光サーキュレータ41dによって光ファイバ34nに伝送されFBG42dを通過し、光ファイバ34lを経て4端子光サーキュレータ43によって光ファイバ34aに伝送され、受光部36へと送信される。 As shown in FIG. 10, the light having a wavelength λ (1 + n) other than the wavelength λ1 propagating through the optical fiber 34a is transmitted to the optical fiber 34k by the 4-terminal optical circulator 43 and reflects only the light having the wavelength λ (1). It passes through the capable FBG 42c, propagates through the optical fiber 34m, and is transmitted to the optical fiber 34c by the three-terminal optical circulator 41d. The reflected light and the return light having a wavelength λ (1 + n) propagating through the optical fiber 34c are transmitted to the optical fiber 34n by the 3-terminal optical circulator 41d, pass through the FBG 42d, pass through the optical fiber 34l, and are passed through the optical fiber 34l by the 4-terminal optical circulator 43. Is transmitted to the light receiving unit 36.

<光送受部>
光送受部33は、光ファイバ34の端部を略垂直に液面Wに向け、特定波長光を液面Wに照射する。また、この特定波長光の液面Wで反射した戻り光を光ファイバ34の端部に集光し、受光部36に伝送させる。光送受部33は、光ファイバ34の端部から出射されて放射状に広がる特定波長光を平行光線束にすると共に、液面Wからの戻り光を光ファイバ34の端部に集光するための光学系を有する。また、光ファイバ34の端部から出射される特定波長光の一部を液面Wに照射させることなく反射して、この反射光を受光部36に伝送させるための基準反射面を有する。この基準反射面からの反射光を受光部36が受光したタイミングと液面Wからの戻り光を受光したタイミングとを信号処理部37が計測することで、液面Wまでの距離が算出される。
<Optical transmission / reception unit>
The light transmission / reception unit 33 directs the end portion of the optical fiber 34 toward the liquid surface W substantially vertically, and irradiates the liquid surface W with light having a specific wavelength. Further, the return light reflected by the liquid surface W of the specific wavelength light is collected at the end of the optical fiber 34 and transmitted to the light receiving unit 36. The light transmission / reception unit 33 is for forming parallel light bundles of specific wavelength light emitted from the end of the optical fiber 34 and spreading radially, and for concentrating the return light from the liquid surface W on the end of the optical fiber 34. It has an optical system. Further, it has a reference reflecting surface for reflecting a part of the specific wavelength light emitted from the end portion of the optical fiber 34 without irradiating the liquid surface W and transmitting the reflected light to the light receiving unit 36. The distance to the liquid surface W is calculated by measuring the timing at which the light receiving unit 36 receives the reflected light from the reference reflecting surface and the timing at which the return light from the liquid surface W is received by the signal processing unit 37. ..

〔光学系〕
光学系は、光ファイバ34の端部から出射される放射状の特定波長光を平行光線束とすると共に、液面Wで反射される戻り光を当該端部に集光する。光学系は、当該端部で出射される放射状の光を平行光線束とし、戻り光を当該端部に集光することができる構成であれば特に限定されるものではなく、例えば図8に示すように、レンズ12とレンズホルダ45と光ファイバ34の端部をレンズホルダ45に固定するファイバコネクタ46とカバー47とカバーガラス16を有するものとすることができる。或いは、上述したシュバルツシルド光学系とすることも可能である。
〔Optical system〕
The optical system forms a radial specific wavelength light emitted from the end of the optical fiber 34 as a parallel light bundle, and collects the return light reflected by the liquid surface W on the end. The optical system is not particularly limited as long as it has a configuration in which the radial light emitted at the end thereof is a bundle of parallel light rays and the return light can be focused on the end portion, and is shown in FIG. 8, for example. As described above, it is possible to have a fiber connector 46, a cover 47, and a cover glass 16 for fixing the end portions of the lens 12, the lens holder 45, and the optical fiber 34 to the lens holder 45. Alternatively, the above-mentioned Schwarzschild optical system can be used.

(レンズホルダ)
レンズホルダ45は、光ファイバ34の端部とレンズ12とを保持する。レンズホルダ45は、円筒状、角筒状等の筒状で形成され、一方が有底であり、他方が開口している。有底部には貫通孔を有し、これに光ファイバコネクタ46によって光ファイバ34の端部が嵌挿される。光ファイバ34の端部は、レンズホルダ45内に特定波長光を送出する。レンズ12は、レンズホルダ45内に、光ファイバ34の端部から出射される光線束の中心軸上にレンズ12のレンズ面の中心軸が重なるように配置される。光ファイバ34の端部から出射された特定波長光はレンズ12によって平行光線束とされ、液面Wへと向かう。液面Wで反射される戻り光は、レンズ12によって光ファイバ34の端部に集光され光ファイバ34を伝播し、受光部36で受光される。
(Lens holder)
The lens holder 45 holds the end of the optical fiber 34 and the lens 12. The lens holder 45 is formed in a cylindrical shape such as a cylinder or a square cylinder, one of which is bottomed and the other of which is open. The bottomed portion has a through hole, and the end portion of the optical fiber 34 is fitted into the through hole by the optical fiber connector 46. The end of the optical fiber 34 sends light of a specific wavelength into the lens holder 45. The lens 12 is arranged in the lens holder 45 so that the central axis of the lens surface of the lens 12 overlaps the central axis of the light beam emitted from the end portion of the optical fiber 34. The specific wavelength light emitted from the end of the optical fiber 34 is made into a bundle of parallel rays by the lens 12 and heads toward the liquid surface W. The return light reflected by the liquid surface W is collected by the lens 12 at the end of the optical fiber 34, propagates through the optical fiber 34, and is received by the light receiving unit 36.

(カバー)
レンズホルダ45は、カバー47に収納されていることが好ましい。レンズホルダ45が、カバー47及びカバーガラス16内に収納されることで、外乱の影響を抑制することができ、特に当該液面距離計測装置1が屋外で使用される場合、風雨等の影響を抑制することができる。
(cover)
The lens holder 45 is preferably housed in the cover 47. By housing the lens holder 45 in the cover 47 and the cover glass 16, the influence of disturbance can be suppressed, and particularly when the liquid level distance measuring device 1 is used outdoors, the influence of wind and rain and the like can be suppressed. It can be suppressed.

〔基準反射面〕
基準反射面は、光ファイバ34の端部から出射された特定波長光の一部を反射して、反射光を受光部36に送信する。基準反射面としては、特に限定されず、例えば光ファイバ34の端部を基準反射面とすることができる。或いは、カバーガラス16を基準反射面とすることも可能である。
[Reference reflection surface]
The reference reflecting surface reflects a part of the specific wavelength light emitted from the end of the optical fiber 34, and transmits the reflected light to the light receiving unit 36. The reference reflecting surface is not particularly limited, and for example, the end portion of the optical fiber 34 can be used as the reference reflecting surface. Alternatively, the cover glass 16 can be used as the reference reflecting surface.

<受光部>
受光部36は、光送受部33が備える基準面で反射される反射光と液面Wで反射される反射光とを受光して電気信号に変換し、この電気信号は電気ハーネス7を通じて信号処理部37に送信される。受光部36としては、特に限定されず、例えばフォトダイオード等の公知のものを使用することができる。
<Light receiving part>
The light receiving unit 36 receives the reflected light reflected by the reference surface included in the light transmitting / receiving unit 33 and the reflected light reflected by the liquid surface W and converts them into an electric signal, and this electric signal is signal-processed through the electric harness 7. It is transmitted to the unit 37. The light receiving unit 36 is not particularly limited, and a known one such as a photodiode can be used.

<信号処理部>
信号処理部37は、受光部36が変換した電気信号を受信して液面距離を算出する。具体的には、光送受部33から送信された特定波長の基準反射面の反射光及び液面Wの戻り光を受光部36が電気信号に変換し、信号処理部37に送信する。信号処理部37は、基準反射面の反射光を受光したタイミングと液面Wの戻り光を受光したタイミングとの差から、基準反射面から液面Wまでの距離を算出し、図示しない表示器、例えば液晶ディスプレイ等に表示する。
<Signal processing unit>
The signal processing unit 37 receives the electric signal converted by the light receiving unit 36 and calculates the liquid level distance. Specifically, the light receiving unit 36 converts the reflected light of the reference reflecting surface having a specific wavelength and the return light of the liquid surface W transmitted from the light transmitting / receiving unit 33 into an electric signal, and transmits the light to the signal processing unit 37. The signal processing unit 37 calculates the distance from the reference reflecting surface to the liquid surface W from the difference between the timing at which the reflected light of the reference reflecting surface is received and the timing at which the return light of the liquid surface W is received, and is a display (not shown). For example, it is displayed on a liquid crystal display or the like.

<利点>
当該多地点液面距離一括計測システム30は、光源31が発光するパルス光を分岐することで、複数の計測地点をツリー型のネットワークで一括計測するため、それぞれの計測地点に光源31、受光部36、信号処理部37等を配備する必要がなく、またそれぞれの計測地点に電源を供給する必要もないため、簡易な構成で多地点の液面距離を一括して計測することができる。また、光源31及び受光部36と複数の光送受部33とを光ファイバ34で接続するため、雷害等を受けにくく、誘導電流の影響も少ない。よって、信号送受信の安定性に優れ、遠隔地の液面距離を高精度に計測することができる。さらに、光パルスを使用するため、超音波や電波を使用する方式に比べて、マンホールや洞穴等の狭い空間においても非接触で液面高さが計測可能であり、光の空間での伝搬遅延を光速で除することで距離に換算するため、測定誤差要因がほとんどなく、高精度な距離計測をすることができる。加えて、機械部品が使用されないため、摩耗や錆び等による劣化がほとんどなく、耐久性に優れる。
<Advantage>
Since the multipoint liquid level distance batch measurement system 30 collectively measures a plurality of measurement points with a tree-type network by branching the pulsed light emitted by the light source 31, the light source 31 and the light receiving unit are at each measurement point. Since it is not necessary to deploy 36, a signal processing unit 37, etc., and it is not necessary to supply power to each measurement point, it is possible to collectively measure the liquid level distances at multiple points with a simple configuration. Further, since the light source 31 and the light receiving unit 36 are connected to the plurality of light transmitting / receiving units 33 by the optical fiber 34, the light source is less susceptible to lightning damage and the influence of the induced current is small. Therefore, the stability of signal transmission / reception is excellent, and the liquid level distance at a remote place can be measured with high accuracy. Furthermore, because it uses an optical pulse, it is possible to measure the liquid level without contact even in a narrow space such as a manhole or a cave, compared to a method that uses ultrasonic waves or radio waves, and the propagation delay in the space of light. Is converted to the distance by dividing by the speed of light, so that there is almost no measurement error factor and high-precision distance measurement can be performed. In addition, since no mechanical parts are used, there is almost no deterioration due to wear or rust, and the durability is excellent.

[その他の実施形態]
本発明の液面距離計測装置及び多地点液面距離一括計測システムは、上記実施形態に限定されるものではない。
[Other embodiments]
The liquid level distance measuring device and the multipoint liquid level distance collective measuring system of the present invention are not limited to the above-described embodiment.

上述した光源、信号処理部、光カプラ又は反射光分配部、及び受光部に換えて、OTDR(Optical Time−Domain Reflectometer)を使用することも可能である。 It is also possible to use an OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer) in place of the light source, signal processing unit, optical coupler or reflected light distribution unit, and light receiving unit described above.

第一実施形態では、光源2、光カプラ3及び受光部5を一体の構成としたが、光ファイバでそれぞれを連通し、当該光ファイバの一方の端部が光送受部4に光パルスを出射する構成とすることもできる。 In the first embodiment, the light source 2, the optical coupler 3, and the light receiving unit 5 are integrally configured, but each of them is communicated with each other by an optical fiber, and one end of the optical fiber emits an optical pulse to the optical transmission / reception unit 4. It can also be configured to be.

第二実施形態では、信号処理部6が、順バイアス回路部23が半導体光源21を発光させたタイミングと、逆バイアス回路24が半導体光源21に逆バイアスをかけて半導体光源21が液面Wで反射される戻り光を受光したタイミングとの時間差から、液面Wまでの距離を算出するとしたが、当該液面距離計測装置に反射基準面を配置して、当該反射基準面からの反射光を受光したタイミングと液面Wで反射される戻り光を受光したタイミングとの時間差から、液面Wまでの距離を算出することも可能である。或いは、反射部22の頂点を反射基準面として、当該頂点で正反射する光を反射光とすることができる。 In the second embodiment, the signal processing unit 6 causes the semiconductor light source 21 to emit light at the timing when the forward bias circuit unit 23 causes the semiconductor light source 21 to emit light, and the reverse bias circuit 24 applies a reverse bias to the semiconductor light source 21 so that the semiconductor light source 21 is at the liquid level W. The distance to the liquid level W was calculated from the time difference from the timing when the reflected return light was received. However, the reflection reference surface is arranged in the liquid level distance measuring device to measure the reflected light from the reflection reference surface. It is also possible to calculate the distance to the liquid surface W from the time difference between the timing at which the light is received and the timing at which the return light reflected by the liquid surface W is received. Alternatively, the apex of the reflecting unit 22 can be used as the reflection reference plane, and the light that is specularly reflected at the apex can be used as the reflected light.

また、上述した液面距離計測装置は、液面距離計測に限られず、平行光線束を水平方向に測定対象物に向けることで、測距計とすることができる。 Further, the liquid level distance measuring device described above is not limited to the liquid level distance measurement, and can be used as a distance measuring meter by directing a bundle of parallel light rays in a horizontal direction toward an object to be measured.

本発明の液面距離計測装置及び多地点液面距離一括計測システムは、上述のように、液面に波や泡が存在する場合でも安定して正確な測定ができるため、小型容器の液面距離計測から、河川、湖、海の水位観測まで好適に用いられる。 As described above, the liquid level distance measuring device and the multipoint liquid level distance collective measuring system of the present invention can perform stable and accurate measurement even when waves or bubbles are present on the liquid level, so that the liquid level in a small container can be measured. It is suitably used from distance measurement to water level observation of rivers, lakes and seas.

1、20 液面距離計測装置
2、31 光源
3 光カプラ
4、33 光送受部
5、36 受光部
6、37 信号処理部
7、25 電気ハーネス
8 凸面鏡
9 凹面鏡
10 基準反射面
11 開口部
12 レンズ
13、45 レンズホルダ
14 レンズ保護ガラス
15、47 カバー
16 カバーガラス
21 半導体光源
22 反射部
23 順バイアス回路部
24 逆バイアス回路部
30 多地点液面距離一括計測システム
32 特定波長分波部
34、34a〜34n 光ファイバ
35 光分配部
38 送信側光増幅部
39 受信側光増幅部
40 光合分波器
40a、40c 光分波素子
40b、40d 光合波素子
41、41a〜41d 3端子光サーキュレータ
42、42a〜42d ブラッグ格子光ファイバ(FBG)
43 4端子光サーキュレータ
46 光ファイバコネクタ
A 容器
W 戻り光
1,20 Liquid level distance measuring device 2,31 Light source 3 Optical coupler 4,33 Light transmission / reception part 5,36 Light receiving part 6,37 Signal processing part 7,25 Electric harness 8 Convex mirror 9 Concave mirror 10 Reference reflection surface 11 Opening 12 Lens 13, 45 Lens holder 14 Lens protection glass 15, 47 Cover 16 Cover glass 21 Semiconductor light source 22 Reflector 23 Forward bias circuit section 24 Reverse bias circuit section 30 Multipoint liquid level distance batch measurement system 32 Specific wavelength demultiplexer 34, 34a ~ 34n Optical Fiber 35 Optical Distributor 38 Transmitter Optical Amplifier 39 Receiver Optical Amplifier 40 Optical Demultiplexer 40a, 40c Optical Demultiplexer 40b, 40d Optical Combiner 41, 41a to 41d 3 Terminal Optical Circulator 42, 42a ~ 42d Bragg lattice optical fiber (FBG)
43 4 terminal optical circulator 46 optical fiber connector A container W return light

Claims (4)

基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を計測する装置であって、
パルス光を発光する光源と、
上記パルス光を液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、
上記反射光及び戻り光を受光する受光部と、
上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部と
を備え、
上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有し、
上記光学系が、凸面鏡及び凹面鏡を含むシュバルツシルト光学系であり、
上記凸面鏡の中心部に開口が形成されていることを特徴とする液面距離計測装置。
A device that measures the distance between the reference surface and the liquid surface based on the light receiving time difference between the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface.
A light source that emits pulsed light and
An optical transmission / reception unit that sends the pulsed light to the liquid surface and receives the return light.
A light receiving unit that receives the reflected light and the return light,
It is equipped with a signal processing unit that calculates the liquid level distance from the light receiving time difference between the reflected light and the return light.
The light transmitting / receiving unit has a reference reflecting surface and an optical system for condensing the return light while forming a parallel light bundle of the pulsed light.
The optical system, Ri Schwarzschild optical system der including convex mirror and concave mirror,
Liquid level distance measuring apparatus characterized that you have opening is formed in the center of the convex mirror.
基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を、多地点で一括して計測するシステムであって、
複数の波長を含むパルス光を発光する光源、
上記パルス光から特定波長の光を分波する特定波長分波部、
上記特定波長の光を上記液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、
上記パルス光と、上記反射光及び戻り光とを伝播する光ファイバ、
上記光ファイバを伝播する上記パルス光と上記反射光及び戻り光とを分配する光分配部、
上記反射光及び戻り光を受光する受光部、及び
上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部
を備え、
上記特定波長分波部及び光送受部が多地点に複数配され、
上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有し、
上記特定波長分波部が、3端子光サーキュレータと、4端子光サーキュレータと、上記特定波長の光を反射する光デバイスとを含むことを特徴とする多地点液面距離一括計測システム。
It is a system that collectively measures the distance between the reference surface and the liquid surface at multiple points based on the light receiving time difference between the reflected light reflected by the reference reflecting surface and the return light reflected by the liquid surface.
A light source that emits pulsed light containing multiple wavelengths,
A specific wavelength demultiplexer that demultiplexes light of a specific wavelength from the pulsed light,
An optical transmission / reception unit that sends light of the specific wavelength to the liquid surface and receives the return light.
An optical fiber that propagates the pulsed light and the reflected light and the return light.
An optical distribution unit that distributes the pulsed light propagating through the optical fiber and the reflected light and the return light.
It is equipped with a light receiving unit that receives the reflected light and the return light, and a signal processing unit that calculates the liquid level distance from the light receiving time difference between the reflected light and the return light.
The above-mentioned specific wavelength demultiplexing section and light transmission / reception section are arranged at multiple points.
The optical transceiver unit is the reference reflecting surface, and thereby into a parallel light beam of the pulse light, possess an optical system for condensing the return light,
A multipoint liquid level distance batch measurement system characterized in that the specific wavelength demultiplexing unit includes a 3-terminal optical circulator, a 4-terminal optical circulator, and an optical device that reflects light of the specific wavelength.
少なくとも上記光送受部に含まれる上記光ファイバが、デュアルモードファイバである請求項に記載の多地点液面距離一括計測システム。 The multipoint liquid level distance batch measurement system according to claim 2 , wherein at least the optical fiber included in the optical transmission / reception unit is a dual mode fiber. 上記光学系がシュバルツシルト光学系である請求項2又は請求項に記載の多地点液面距離一括計測システム。 The multipoint liquid level distance batch measurement system according to claim 2 or 3 , wherein the optical system is a Schwarzschild optical system.
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