JPH03501051A - 光学的な液面センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的な液面センサー 技術分野 本発明は一般に光学的な液面センサーに係わり、更に詳しくは、通常の光学的セ ンサーを化学的に腐食してしまうような腐食性の液体に使用するのに特に好適な 改良された液面センサーに関する。

背景技術 タンクやコンテナーの中の液体レベル即ち液面を測定し或いはモニターすること がしばしば必要となる。

この測定は通常はフロート形式の装置によって行われている。

しかしながら複数の光学的センサーによって液面を測定することも知られている 。これらの光学的センサーは、垂直方向に間隔を隔てた様々な高さ位置でタンク 壁に配置される。基本的には、透明な本体に円錐形もしくはプリズム状の先端部 分が備えられる。光にこの本体内部を先端部分に回かつて伝達され、先端部分の ２面で反射されて受信器へ回けて戻される。本体は典型的にはガラスで作られて おり、約１．５０の屈折率を有している。先端部分が液面よりも上方の空気に露 出されているならば、全ての光が本体内部に反射されることになる「臨界角」は 、次式から計算できる。即ち、 （１１ｓｉｎθ。＝ｎ２／ｎ工 ここで、θ。は「臨界角」、ｎ２は先端部分が露出されている流体（即ち空気） の屈折率、モしてｎ１ｔｚ先端部分の材質（即ちガラス）の屈折率である。従っ て空気の場合には”２　＝　１’、ｏ　Ｏであり゛、ガラスの場合にはｎ、＝ｉ 、ｓｏである。このようにこの等式は簡単に解くことができ、空気［対するガラ ス本体の「臨界角」は約４２°となる。一方、先端部分が水（即ちｎ＝１．３３ ）のような液体中に沈んでいるならば、水に関する「臨界角」は約６２．５°と なる。

入射角が「臨界角」に等しいか、それより大きくなるようにプリズム面が研磨さ れているならば、センサー本体に沿って伝達された光の全てが本体内部に反射さ れ、入射光の１部といえども周囲の流体内部へ向けて屈折されること【工ない。

このことは「全反射」の現象として知られている。一方、入射角が「臨界角」よ りも小さいならば、光の１部だけが反射され、残りの光は先端部分の周囲の流体 内部へ向けて屈折されるのである。

知識並びに信じるところによれば、このような従来技術による装置は入射角（θ ｉ）が約４５°となるように一般に形成されてきた。従って、入射光は第１の面 に当たり、第２の面に向かつて反射されろ。しかる後入射光と実質的に平行な方 向へ本体を通って反射して戻される。同時に、この角度（即ち４５°）は空気／ ガラスの場合の「臨界角」（即ちθ。＝　４２０）よりも大きいので、「全反射 」は先端部分が空気に露出されたときに生じることになる。しかしながら、先端 部分が水中に沈んでいるときＫ　ｉＸ　、、入射角は水／ガラスの場合の「臨界 角」（即ちθ。＝　６２．５°）よりも小さくなる。従って、入射光ビームは２ 度にわたって液体中へ向けて屈折されることになる。最初の屈折は第１の面で起 こり、第２の屈折は第２の面で起こる。

この原理（即ち、先端部分が空気に露出されて（・るならば「全反射」が起こり 、先端部分が液体中に沈んでいるならば光は屈折されるということ）がタンク内 の液面測定に利用されてきた。例えば、センサーズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ）　（１９ ８６年１２月）〔５頁から〕に於けるラクセビーツ（Ｈａｋｕｃｅｗｉθ２）の 「液面検出のファイバー−光学的な方法」を参照されたい。上述したように、こ のような複数のセンサーが典型的には垂直方向に間隔を隔てた様々な位置でタン ク壁に取り付けられる。これらのセンサーは、液面よりも上方に位置するセンサ ーの方が、液体中に沈んだセンサーよりも大きな強さで反射するようになされる 。従って、内部反射光の強さに応じてそのセンサーが液面の上又は下に何れに位 置しているかを推論することができるのである。

しかしながら成る種の例に於いては、測定される流体がセンサー本体を構成する 材料を化学的に腐食してしまうことがある。例えば、一般的な光学材料であるガ ラスはフッ化水素酸（ＨＦ）　ｌｃよって化学的に腐食されてしまう。他の一般 的な材料であるサファイヤは硫酸（Ｈ２ＳＯ４）によって化学的に腐食されてし まう。、従って、これらの通常の材料ｔこのような不良環境にて使用することは 適当でない。

このような腐食性流体（例えばフッ化水素酸、硫酸等）は一般に「テフロン［Ｆ ］ＰＴＡ」（商標）として知られているポリテトラフルオロエチレン・テトラフ ルオロアルコキシ材料で作られたタンク内に収容されている。この材ａは米国プ ラウエア州つイルミントン１９８９８のイー・アイ・デュポン　ドウ　ヌムール ＆コーポレーション（工ｎｃ、）により装造されている。

この材料；工多くの腐食性液体による化学的な腐食に対して比較的鈍感である。

この理由のために、知識並びに信じるところによれば、このようなテフロン［Ｆ ］ＰＦＡ材料によってセンサ・・・一本体な作ることが提案されてきた０実際の ところ、このような材料でセンサー本体を形成することが特に提案されてきたが 、そのようなセンサー本体はプリズム先端部分が通常の４５°とされたものであ った。このような解決方法は地学作用の問題を多分適正に処理するものとはいえ 、成る種の液体に関しては適用できないと確信されろ。その理由は、テフａ７［ Ｆ］ＰＦＡ材料が約１゜３５の屈折率を有することにある。従って空気に関する 「臨界角」は約４８°となり、水（即ちｎ＝１．３３）に関する「臨界角」は約 ８００となる。換言すれば、先端部分の各傾斜面に於ける入射角を４５°として 光学的センサーをテフロン１ＰＦＡ材料で作るならば、この入射角は空気に関す る「臨界角」よりも常に小さい（Ｐ口ちθ１＝４５°く　θ。

＝４８°）ことになり、又、水に関する「臨界角」よりも常に小さい（即ちθ１ ＝４５°〈θ。＝８Ｄｏ）ことＫなり、先端部分が空気又は水の何れに露出され ているかに拘わらずに光は周囲の流体内部へ向けて屈折されることになる。従っ てこのような装置では、先端部分が空気で囲まれているときに成る強さの反射信 号を、又、先端部分が液体で囲まれているときには屈折することによってそれよ り弱い反射信号ｔそれぞれ選択的に発生するという「全反射」の原理を利用する ことができないことになる。更に、ガラス、サファイヤ等のような典型的な光学 的伝達材料は比較的透明であるの［Ｆ］ に対し、テフロン　ＰＦＡ材料は乳白色もしくは暗雲色をしている。従ってこの 材料を通る光の１部は拡散され、これにより内部反射ビームの強さが一層低減さ れることになる。

従って、知識並びに信じるところによれば、検出装置本体を化学的に腐食させる ような腐食性の液体１ｃ対して特に使用する上で、許容できる光学的な液面検出 装置を提供するための問題点は、依然として存在しているのである。

発明の説明 本発明は、改良された光学的センサーを広く提供する。この光学的センサーは、 屈折率の異なる第１および第２の流体に対して露出されるようＶＣなされる先端 部分で終端している光伝達本体と″、この本体を通して先端部分へ向けて光ビー ムを供給するための光源と、先端部分から本体を通して反射されて戻された光の 強さを測定するための受光器とを含んでいる。

１つの概念によれば、この改良には次のことが含まれる。即ち、先端部分は第１ 、第２および第３の面を有する（即ち、縦断面に於いて有する）。第１の面は、 光源からの入射光を受け入れてその光を第２の面へ向けて反射するように配置さ れる。第２の面は、第１の面からの光を受け入れてその光を第３の面へ回げて反 射するように配置される。第３の面は、第２の面から受け入れた光を受光器へ向 けて反射して戻すように配置される。これらの面の各々は先端部分が第１の流体 に露出されたときに入射角がその「臨界角」と等しいか又はそれより大きくなる ように傾斜されていて、ビームの実質的に全ての光が本体内部に反射するよ５に なされる。しかしながら少なくとも１つの面、好ましくは全ての面は、先端部分 が第２の流体に露出されたときに入射角がその「臨界角」よりも小さくなるよう に傾斜されておつ、入射光の大部分が第２の流体内部へ向けて屈折されるととも に、僅かな部分のみが受光器へ向けて反射されて戻されるようになされている。

これにより内部反射光の強さは、先端部分が第２の流体に露出されたときの方が 第１の流体に露出されたときよりも小さくなる。例として、第１の流体は空気又 はその他のガスとされ、第２の流体は適当な液体とされる。本体はテフａ７［Ｆ ］ＰＦＡ又は同様の材料で形成され、先端部分は切頭円錐形、切頭プリズム、又 はその他の形状輪郭とされることができる。

他の概念に於いて、改良には次のことが含まれる。

部ち、円錐形の先Ｆ！Ｍ部分と、適当な光源から光ビームを第１の横断面へ向け て導くための本体内部に備えられた第１の光ガイドと、第１の面で反射された光 を第２の横断面へ向けて伝達して受光器へ戻すようになすための本体内部に備え られた第２の光ガイドとが含まれる。これらの第１および第２の光ガイドを工、 先端部分が第１の流体に露出されたときＫは第１および第２の面の各ｋｌＣ入射 する光の入射角が第１の流体に関する「臨界角」と等しいか又はそれより大きく なるが、先端部分が第２の流体に露出されたときには第１および第２の面の少な くとも１つの面、好ましくは両方の面に入射する光の入射角が第２の流体に関す る「臨界角」よりも小さくなるように配置され、これにより受光器へ戻るように 反射される光の強さは、先端部分が第１の流体に露出されたときよりも先端部分 が第２の流体ＶＣ露出されたときの方が小さくなるようになされるのである。

更に他の概念に於いて、改良には次のことが含まれる。即ち、約１．３５の屈折 率を有する材料によって形成され、および／又は４５°以上の入射角を有して形 成された光伝達本体が含まれる。先端部分）工横断面内に複数の面を有し、光源 からの入射光が受光器へ回げて反射して戻されるような形状、寸法且つ配置とさ れるのである。各面の入射角は第１の流体に関する「臨界角」と等しいか又はそ れより大きくされる一方、第２の流体に関する「臨界角」よりは小さくされる。

これにより、先端部分が第１の流体に露出されたときには光源からの実質的に全 ての光が本体内部に反射されるが、先端部分が第２の流体に露出されたときには 光源からの光の僅かな部分だけが反射されて戻されるよ５になされる。

従って、本発明の全体的な目的は改良された光学的液面センサーを提供すること である。

他の目的は特に腐食性の流体に使用するようになされた改良された光学的液面セ ンサーを提供することである。

これらの又はその他の目的並びに利点は、前述又は後述する説明、図面および請 求の範囲の欄から明白となろう。

図面の簡単な説明 第１図は液体を収容するタンクの概略的な破断した垂直断面図であり、タンク内 の液面測定のために側壁を貫通した複数の垂直方向に間隔を隔てられた光学的セ ンサーを示している。

第２図は第１図に示されたセンサー本体の１つの拡大１−た破断じた縦方向の垂 直断面図である。

第６図は第２図に示された説の先端部分の更に拡大した概略図であって、先端部 分が空気に露出されたときの光路を示している。

第４図は第３図と同様な概略図であるが、先端部分が液体で囲まれたときに光の １部が屈折されることを示している。

第５図はテフロン［Ｆ］ＰＦＡで作られているが、第２図に示された提案済のセ ンサー本体と同じ物理的な寸法形状とされている提案済のセンサー本体の破断し た縦方向の垂直断面図である。

第６図は第５図に示されたセンサー本体の先端部分の拡大した概略図であって、 先端部分が空気で囲まれているときに光が屈折されることを示している。

第７図は第６図に示されたセンサー本体の概略図であって、先端部分が水で囲ま れたときに光が屈折されることを示している。

第８図は改良したセンサー本体の第１の形状を示す破断した縦方向の断面図であ り、この実施例は切頭円錐形の先端部分を宵している。

第９図は第８図に示された改良された先端部分の拡大された概略図であって、こ の改良された先端部分が空気に露出されたときの光反射路を示している。

第１０図は第９図と同様の概略図であるが、先端部分が液体中に沈んだときに光 が屈折されることを示している。

第１１図は変更された改良形態の概略図であり、出発側の光ガイドは円錐形の先 端部谷に於ける１つの横断面に対して光源からの光を向けるように配置され、又 、受光器側の光ガイドは第２の横断面で反射された光を受け入れろように配置さ れており、この図面は先端部分が空気で囲まれているときの反射光路？示してい る。

第１２図は第１１図に示された構造の概略図であるが、先端部分が液体で囲まれ たときに光の１部が屈折されることを示している。

発明の実施態様 始めに、幾つかの図面を通じて同じ符号は同じ構造部材、部分又は面を識別する ように意図されており、これらの部材、部分又は面は明細書全体によって記述さ れ説明されるのであって、この詳細説明は１つの必須部分ｔなしている。特に指 摘されないかぎり、図面は明細書とともに読み取られる（例えばクロス！・ツチ の付与、部品の配置、比率、角度等）ことを意図されている。又、図面は本発明 の記述全体の１部と見做されるべきである。後述する説明で使用しているように 、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」および「下」なる用語、並びに それらの形容詞的又は副詞的な派生語（例えば「水平方向に」、「右方向へ」、 「上方向へ」等）は、特定の図面が読者に向かう状態に於いての図示構造の配向 を簡単に示している。同様に、「内方へ」および「外方へ」は長手軸線又は回転 軸線の何れか適当な軸線に対する面の配向を全体的に示している。

さて図面を参照すれば、本発明は改良された光学的な検出装置２口ちセンサーを 提供する。このセンサーはフッ化水素酸（Ｈ，Ｆ）、硫酸（Ｈ２Ｓ０４）、硝酸 （ＨＮＯ３）、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯ１（）　、各種溶液 等のような様々な腐食性の液体のレベル即ち液面を測定するのに特に有効である と確信される。しかしながら、この改良されたセンサーはこれらの列挙した薬品 に使用するように制限されるものではなく、その他の種類の流体に対しても同様 に有用であることが明確に理解されるべきである。ここに使用するように、「流 体」なる用語は液体並びに気体即ちガスの両方を意味するように意図されている 。現在好ましいと考えられている実施例が説明としてのためにタンク又はコンテ ナー内の水面の検出に関連して説明されるが、先端部分の面が許容公差内にあり 且つ又受光器が反射光の強さの変化を検出するだけの十分な感度を有している限 りに於いて、本発明（工その他のガスおよび／又は液体の間の、或いは２つの異 なる液体（例えば油と水）の間の境界面を検出するのに使用することができる。

光学的な液面検出装置は知られている。例えば、第１図（エタノン２０を概略的 に示しており、このタンク２０（工底部２１、側壁２２およびカバー２３を有し ていて、水のような液体りを収容している。液面上方のヘッド空間２４は空気の ようなガスで満たされており、このガス（工実質的に室温および大気圧であると 見做される。複数の垂直方向に間隔を隔てた光学的液面検出装置の幾つかに符号 ２５が付されている。これらの検出装置は側壁を貫通して形成された水平方向の 開口内にソール状態で嵌挿されており、右側の先端部分がタンク内に物理的に位 置されるようになされている。各検出装置とその組み合う側壁開口との間の結合 状態をシールするための特別な手段は、本発明の改良点の理解Ｋｎして二次的な ものと思われる。従って、この詳細は明瞭化のために省略する。このような結合 部（工１つ又はそれ以上の数の０１Ｊング（図示せず）等によって適当にシール されていると説明するだけで十分である。何れの場合に於いても、液体中に沈ん だこれらの検出装置は比較的弱い強さの内部反射の光学的信号を戻し、液面上方 に位置する検出装置はそれより強い信号を戻すのである。これらの信号から、液 面は異なる強さの光学的信号を与えている隣接する検出装置の間の何れかの位置 にあると推測することができるのである。明らかなように、隣接するセンサーの 間の垂直方向の間隔が大きければ指示される液面位置は粗くなる。

これに対して、検出装置がより接近配置されているならば、指示された測定位置 は一層正確となる。これらのセンサーの間の垂直方向の間隔は必要とされる精度 に基づいて主として要求されるのである。

従来技術の液面検出装置（第２図〜第４図）センサージＣ１９８６年１２月）〔 ５頁から〕に於けるラクセビーツの「液面検出のファイバー−光学的な方法」に 示され説明されているような従来技術の液面検出装置２５が第２図に示されてい る。これらは、タンク側壁２２の１部に取り付けられている。側壁は概略的に示 されており、タップ加工された水平方向の貫通穴２６が形成されていて、センサ ー本体の挿通部分を受け入れるようＶＣなっている。

このセンサーは、適当部分に水平軸線Ｘ−Ｘ回つに形成されている細長い特別な 形状の本体２８を有するものとして、且つ、タンク側壁２２の左０１１ｖｃ配置 される外側部分２９を有し、開口２（ｌ挿通する中間部分３０を有し、そしてタ ンク内部に物理的に位置されて先端部分３２で終端している内＠部分３１を有す るものとして、示されている。このセンサー本体は環状の垂直な左端面３３を有 し、又、この左端面から右方向へ延在する多角形面３４と、開口２６の周囲に於 ける側壁外面の左方向へ向いた縁部分に対して当接される右方向へ向かう環状の 垂直面３５と、開口２６のねじ部と螺合される外ねじ部３６と、外方向へ向がう 水平な円筒面３８と、外方向且つ右方向へ向がって収斂されて先端部分を形成す る円錐面３９とを順次（第２図にて左から右へ向かってンに有して形成された表 面を有している。円錐面３９の開先角度は９００である。

従って、各面（横断面に於げる）Ｅ工軸線Ｘ−ＸＩＣ対して図示したように４５ °の角度で傾斜されている。盲穴が左端面３３から本体内部に延在されて形成さ れ、１、つ又はそれ以上の数の光学ファイバー即ち導光部材（図示せず）を受け 入れて収容するようになっている。

更に詳しくはこの穴（工、左端面３３から右方向へ延在された内ねじ部４０と、 この内ねじ邪に続いて右方向へ延在され、左方向へ向いた円形の垂直な底面４２ と連続する内方向へ向いた水平の円筒面４１とによって形成されている（左から 右へ向けて）のである。本体２８はガラス又は同様な透明の光学的伝達材料によ って一体形放されている。その先端部分は実際には円錐形であるが、一般にプリ ズムと称される。

第３図は検出装置の先端部分が空気に露出されているとき、従って液体より上方 にあるとき、の光路を示している。軸線Ｘ−ＸＫ平行な出発側の水平な光ビーム ａ−ｂは入射角θ□にて面３９の１部に入射し、垂直光路ｂ−Ｃに沿って面３９ の他の部分へ再び入射角θ□にて入射するように下方へ反射される。そして水平 光路ｃ−ｄＶｃ沿って受光器へ向けて左方向へ反射される。受光器は受け取った 光学的信号の強さｔ測定するために配置されている。入射角θｉは入射ビーム即 ち入射光と面に対する法線（即ち垂直線）との間の角度である。同様に、反射角 θ、は反射光と法線との間の角度である。このような定義によっ、入射角と反射 角とは互いに等しい角度となる。従って、この形状の円錐形の先端部分に関して は次のよ５１Ｃ示される。即ち、 （２）　θ１＝θ、＝４５゜ 「全反射」現象が起こる「臨界角」θ。は次式から計算することができる。即ち 、 （３１ｓｉｎθ（Ｂ＝ｎ２／”１ ここで、ｎ２は先端部分が露出される流体の屈折率、コ１は本体２８を構成して いる材料の屈折率である。

ガラスでは”１＝　１．５０　、空気ではｎ２＝　１．００である。

従って、ガラス本体が空気によって囲まれているならば、 （４１ｓｉｎθ。＝１．ＯＣ１／１．５０＝０．６６７（５）　θ。＝４２゜ 入射角θ１が「臨界角」θ。と等しいか又はそれより大きいならば、面３９に入 射する入射光の全ては本体内部に反射され、周囲の空気中へ回げて屈折される光 は全く生じない。それ故に第２図〜第４図に示した形状のこの先端部分（即ちθ □＝４５０＞θ。＝４２０）に関しては、先端部分が空気に露出されたときに「 全反相現象が起こるのである。同時に、光路ｂ−ａは光路ａ−ｂＫ直角となり、 光路ｃ−ａは光路ｂ　−ｃＶｃｇ角となる。従って、この形状（即ち開先角度が ９ｏ０である）の円錐形の先端部分が強く望まれるのである。

何故ならば、戻り光路ｃ−ｄが出発側の光路ａ−１）に平行となるからである。

第４図は先端部分が空気の代わりに水で囲まれた場合に光路を概略的に示す図面 である。先端部分の形状は同じである。従って、 （６）　θ１＝θ、＝４５゜ しかしながら、水に関する屈折率はｎ＝１．３３である。

従って「臨界角」は次式によって計算されねばならない。即ち、 （７）　ｓｉｎθＯ＝”２／ｎ１＝１．３３／１．５０＝０．８８７（８）　θ 。＝　６２．５゜ このようにして、先端部分が水で囲まれているときには、第２図〜第４図に示さ れた特定の先端部分の形状に関しての入射角（θ１＝４５°）は「臨界角」（θ 。

＝６２．５０）よりも小さくなる。従って、位置すおよびＣＶｃ於いて元は水中 へ向かう屈折を起こし、位置ｄに達する残りの反射光の強さがこれによって低減 されることＫなる。屈折角θ２は次式によって計算できる。

即ち、 （９）　”ｌ　Ｓｉｎθ１　＝ｎ２　Ｓｉｎθ２このようにして第４図に示した 構造に関しては、ＱＱ）　ｓｉｎθ２　＝　（ｎｌ　／　”２　）　Ｓｉ”θ１ ＝（１，５０／１．３３）（０，７０７）＝０．７９７０Ｄ　θ２＝５３゜ それ故に、第２図〜第４図に示した装置は欧り巻き流体が空気又は水の何れかで あるかを識別するための液面検出装置として使用できるのである。先端部分が水 中に沈むと、入射角（θ□＝４５°ンは「臨界角」（θ。＝　６２．５°）より も小さくなる。従って、２箇所に於いて光が水中へ屈折を起こし、位置ｄへ反射 して戻る光の強さく工比較的弱くなる。一方、先端部分が空気に取り囲まれてい るならば、入射角（θ、＝４５’）は「臨界角」（θ。＝４２°）よりも大きく なる。従って、「全反射」が起こり、位ｇＬｄでの反射光の強さは比較的強くな る。このようにして、位置ｄに於ける反射光の強さの相違は、先端部分が液面の 上又は下の何れに位置するか？：表すのに使用できるのである。第２図〜第４図 に示し且つ上述した検出装置はそれ故に先端部分が空気に露出されているか液体 中に沈んでいるかの何れか？決定するよ５に作動できるのである。

変更された従来技術の検出装置（第５図〜第７図）成る種の光学的な品質の材料 は化学的に腐食されてしまうという理由で、そのような腐食性の流体の作用に耐 える材料でセンサー本体が作られることが提案された。そのような材料の１つが テフロン［Ｆ］ＰＦＡである。

これはタンクが典型的に作られる材料である。従って、テフロン［Ｆ］ＰＦＡで 形成されるが、第２図に示した形状輪郭の先端部分を有する検出装置の本体を構 成することが提案された。このように変更された検出装置が第５図に示されてい る。この検出装置は、他の材料で形ａされているという事実を除いて、全ての実 質的な点で検出装置２５と同じである。従って、既に説明した部品、部分又は面 を識別するために同じ符号が再び使用されている。

第６図はこの先端部分が空気に露出された場合の光路を示している。先端部分の 幾何学形状は前述したのと同じであるから、反射光路（即ちａ−１）、　１）− ｃ、　ｃ−ｄ）は同じであり、入射角（θ１）および反射角（θｒ）も先に説明 したのと同じである。従って、ａＺ　θ１＝θｒ＝４５゜ しかしながら、テフ０／［Ｆ］ＰＦＡの屈折率は約１．３５である。従って、先 端部分が空気に露出されたとき［ＩＸ、その「臨界角」は次のようになる。即ち 、Ｑｌ　ｓｉｎθｃ＝”２／”１４＝１−ＤＯ／１−３５＝０−７４１α４　θ 。＝４８゜ このようにしてこの実施例の場合には、先端部分が空気に露出されたときでさえ も入射角（θ１＝４５°）は「臨界角」（θ。＝４８０）よりも小さくなってし まうのである。従って、位置すおよびＣＶｃ於いて光が空気中へ屈折し、位置ｄ へ反射して戻されろ光の強さは低減されてしまうのである。空気の場合の屈折角 （θ２）は次式によって計算することができる。即ち、（１５ｎ１ｓｉｎθ、ｘ 　”　ｎ２　ｓｉｎθ２０Ｑ　ｓｉｎθ２＝　（Ｈ１／ｎ２）　ｓ１ｎθ１＝（ １，３５／１．００）（０，７０７）＝、０．９５４ａη　θ２　＝　７２．５ ０ 第７図はこの提案済の検出装置の先端部分が水中に沈んだときの光路を概略的に 示す図面である。先端部分の幾何学形状（工同じであるから、反射光路（即ち、 ａ−１）から’ｂ−ｃ、そしてＣ−ａへ至る）は同じである。しかしながら、水 中に沈んだときＩｆＣｋＳ、「臨界角」は次のようＫなる。即ち、 Ｑｌ　ｓｉｎθＣ＝　”２／”ｌ＝　１−３３／　１．３５　＝　０．９８５α ９　θ。＝８００ このようにして、入射角（θ１＝４５°）ハ「臨界角」（θ。＝８０°）よりも 小さいので、位置Ｃおよびｄに於いて光が水中へ回かつて屈折を起こす。この屈 折角は次のように計算される。即ち、 ＠　ｎ１Ｓｉｎθｌ　＝＝　ｎ２　Ｓｉｎθ２（ＩＩ）　ｓｉｎ　θ２　＝＝　 （ｎｌ　／　ｎ２　ン　ｓｉｎ　θ１＝（１，３５／１．３３）（０，７０７） ＝０．７１８の　０２＝４６゜ それ故に、ガラス（ｎ＝１．５０）からテフロンｏＰＦＡ（ｎ＝１．３５）へ本 体材料を変更する効果は、プリズム先端部分の輪郭！同じに維持した状態で、空 気および水の両方に関する「臨界角」に変化を生じる。上述したように、これに 於ける重要なことは両方の場合（即ち、空気に露出されるか水中に沈むかの場合 ）に於いて、４５°の円錐形先端部分に対する入射角は空気および水の両方に関 する「臨界角」よりも小さくなるのである（即ち、空気に関してθ□＝４５°く θ。＝４８゜となり、水に関してθ□＝４５°くθ。＝８０°となる）。

従って、こりよ５に変更された装置では、検出装置の先端部分が液面の上又は下 にある場合の相違を見極めるのに「全反射」と屈折との相対的な原理を利用する ことはできないのである。

他の間Ｍｈｘテフロン［Ｆ］ＰＦＡ、　７！ｌ″にガラスやサファイヤのようＶ Ｃハ光学的π透明でないことである。実際のところ、押出加工した場合には、テ フロンｏＰＦＡは白色となってしま５゜これに関して重要なことは、テフロン■ ＰＦＡは化学的な腐食に対して耐えることはできても、半透明でしかないという ことである。従って、光路ａ−１）−ｃ−ｄｌＣｌＣ光の反射は拡散されてしま い、位置ｄに到達する反射光の強さ；工このような拡散によって一層弱められて しまうのである。

上述したその他の不都合に直面して、後述するように改良した先端部分の形状を 発明したのである。

第１の改良した先端部分（第８文〜第１０図）第８図を参照すれば、全体を符号 ４１で示されている改良された検出装置の先端部分が考案されたのであり、先端 部を除いてこれ迄説明してきたものと実質的に同じである。従って、同じ符号が これ迄説明してきたのと同じ構造部分を示すのに使用されている。顕著な相違点 は先端部分が外方向へ且つ右方向へ向かう切頭円錐面を有し、この切頭円錐面が 右方向へ同かう円形の垂直な右端面４５で終端している点である。この本体もま たテフロン［Ｆ］ＰＦＡで形成されているが、押出加工されていたことに代えて モールド成形されているのである。モールド成形と押出加工との相違は、モール ド底形が一層透明な状態を形成し、押出加工によるような曇りが少ないことであ る。押出加工されたテフロン［Ｆ］ＰＦＡは白色で、全乳色に多少似た色ｔして いることｔ特徴とする。これに対して、モールド成形された材料は曇りが少なく 、ミルクを何回も水で薄めたような状態であることを特徴とする。従って、モー ルド成形したテフロン［Ｆ］ＰＦＡ　Ｙ使用することによって内部反射光の拡散 はかなり低減することができるのである。

第９図は第８図に示した切頭円錐形の先端部分の拡大概略図であり、先端部分が 空気に露出されたときの反射光路を示している。光源からの光は、本体を通して 水平な光路ａ−ｂＫ沿って位置ｂＫて面４４の１点に入射てるように伝達されろ 。この光は、位置すにて下方向且つ右方向へ光路ｂ−ＣＶｃ沿って反射され、位 置Ｃにて面４５の１点に入射するようになされる。位置Ｃにて光は光路ｃ−ｄに 沿って反射され、位置ｄ［て面４４の他の部分に入射するようになされる。更に この光は、位置ａＶｃて水平光路ｄ−θに沿って反射されて受光器へ向けて戻さ れる。光路ａ−ｂおよびｄ−θはそれぞれ軸線Ｘ−Ｘと実質的に′平行とされる 。切頭円錐面４４は右方向へ回かつて仮想角度６０°にて収斂している。従って 、軸線Ｘ−Ｘを含め平面を通して見た場合、断面に於ける３つの先端部分の面は 互いに１２０°の角度をなすように配回されているのである。

従って位置す、Ｃおよびｄに於ける入射角θ１は６００であり、又、定義により これらの３つの位置に於げる反射角θ、も６００となる。弐〇って表されるよう に、先＠部分が空気に露出されたときのこの材料の「臨界角」θ。は約４８°で ある。入射角がこの「臨界角」よりも大きいことから（即ち、θ１＝６０°〉θ 。＝４８°）、全ての光は本体内部に反射する。空気中へは全く屈折しないので ある。従って、位置θに於ける反射光の強さは比較的高いのである。

さて第１０図を参照すれば、先端部分が水中に沈んだならば、「臨界角」は上述 した式α９に示したように８００となる。しかしながら入射角はこの「臨界角」 よりも小さくなるので（即ち、θ１＝６０°くθ。＝８０°）、位置ｂ１Ｃおよ びｄのそれぞれに当たる光の成る部分は水中へ向けて屈折されることＫなる。そ の屈折角；；次の通りである。即ち、 ｉ　ｎｌ５ｉｎθｔ　＝ｎ２　ｓｉｎθ２＠　ｓｉｎ　θ２　：＝　（ｎｌ　／ 　ｎ２　ン　ｓｌｎ　θ１＝　ｃｌ、３５／１．３３）（０，８，，６７）＝０ ．８８０ｒ２四　θ２　＝　６２０ 更に、第２図および第５図に示した円錐形の先端部分に関する場合と違って、こ れらの３つの位置（即ちｂｌＣおよびｄ）から水中へ向けて光が屈折されること になる。このことは位置ｅＫ於ける反射光の強さを一層弱めることＫなるのであ る。

このよ５にして、本発明１工腐食性の液体（例えば、ＨＦ、　ｕ２ｓｏ、その他 ）Ｋよる腐食作用に耐える材料（例えば、テフロン［Ｆ］ＰＦＡその他）Ｋよっ て作ることができる改良された光学的な液面検出装置を提供するのである。出し 卯工によるのでなくモールドられされた材料′ｊｉｒ：使用することによって、 反射光の拡散の問題（・工軽減された。同時に、改良された先端部分のこの形状 は、このような材料の屈折率（例えばｎ　＝　１．３５　）と組み合って、先端 部分が空気に露出された場合にそれ自体で「全反射」の原理を役立て、先端部分 が液体中に沈んだ場合には屈折を引き起こして効果を上げろようになすのである 。

篤２の改良された先端部分（第１１図〜篇１２図）ここで第１１９乞参照すれば 、改良されたセンサー本体の変更形態が１２０°の角度で収斂する右方向且つ外 方向へ向いた円錐面４６を有するものとして示されている。出発側の光ガイド４ ８１工水平方向に対して下方向へ３００の角度だけ曲げられており、位置すに於 ける入射角θ１が６００となるようにされている。光路１）−ｃｌ工垂直であり 、位ｆＣＫ於ける入射角θ１は６００とされている。光路ｃ−ｄＩＣ沿って伝達 される光は戻り光ガイド４日の下方向へ曲げられた端部に受け入れられる。先端 部分５０もまたテフロン［Ｆ］ＰＦＡ又は同様な材料によって形成されている。

先端部分が空気に露出されると、「臨界角」θ。は式０めで示されたように約４ ８°となる。入射角（θ１＝６００）＋ｓこの「臨界角」（θ。＝４８°）より もよりも大きいので、実質的に全ての光が本体内部て反射されることになる。

第１２図は第１２図に示された先端部分が水中に沈んだ状態ビ示している。幾何 学形状は同じであるので０１＝６０°である。しかしながら水に対する「臨界角 」弐〇９で示したように約８０°である。θ、＝６００＜θ。＝８００であるの で、位置ＣおよびｄＶｃ於いて光は水中へ向けて屈折され、点ｄに於ける光の強 さはそれ故に低減されろことになる。

変更例 本発明は多くの変化および変更が行なえるということｔ特に予測するものである 。図示実施例に於いてｌ工検出装置即ちセンサーはその先端部分が水又は空気の 何れに露出されているかを検出し決定するために使用された。しかしながら、こ れらの流体は例としてのものであり、添付された請求の範囲に記載された範囲を 制限する意図があるわけではない。本発明は、テフロン＠　ＰＦＡだげを使用す るように限定されることはない。

更に、先端部分の面のなす角度は望まれろならば、本体材料の屈折率および先端 部分が露出される第１および第２の流体の屈折率を許容するように、如何様にも 変更できるのである。第８図に示された先端部分は切頭円錐形であるが、これに 代えてその他の切頭プリズム形および蹄状形を使用することができるのである。

それ故に、改良された液面検出装置の好ましい実施例が図示され説明され、その 幾つかの変更例が説明されたが、当業者には以下の請求の範囲によって定義され 識別された本発明の精神から逸脱せずに付随する他の様々な変形例および変更例 がなし得ることを認識できろであろう。

浄書（内容；ニア５となし） 手続補正書（自発） 平成１年　１２　月ｌろ日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．屈折率の異なる第１および第２の流体に露出されるようになされる先端部分 にて終端する光伝達本体と、前記本体を通して前記先端部分ヘ光ビームを供給す るための光源と、前記本体を通して前記先端部分から反射されて戻された光の強 さを測定するための受光器とを有する光学的な検出装置に於いて、前記先端部分 が第１、第２および第３の横断面を有しており、前記第１の面は光源からの入射 光を受け入れてその光を第２の面ヘ向けて反射するように配置され、前記第２の 面は第１の面からの受け入れた光を第３の面ヘ向けて反射するように配置され、 前記第３の面は第２の面から受け入れた光を受光器ヘ向けて反射するように配置 されており、これらの面の各々は先端部分が第１の流体に露出されたときに入射 角がその臨界角と等しいか又はそれより大きくなるように傾斜されていて、ビー ムの実質的に全ての光が本体内部に反射するようになされており、又、少なくと も１つの面は、第２の流体に露出されたときに入射角がその臨界角よりも小さく なるように傾斜されていて、入射光の１部が第２の流体内部ヘ向けて屈折される ようになされており、 これにより内部反射光の強さは、先端部分が第２の流体に露出されたときの方が 第１の流体に露出されたときよりも小さくなるようにされている、ことを特徴と する改良された検出装置。 ２．請求項１に記載された改良検出装置であつて、先端部分が第２の流体に露出 されたときには前記面の各々に対する入射角がその臨界角よりも小さいことを特 徴とする改良検出装置。 ３．請求項１に記載された改良検出装置であつて、前記センターフイードが切頭 円錐形であることを特徴とする改良検出装置。 ４．請求項１に記載された改良検出装置であつて、第１の流体がガスであり、第 ２の流体が液体であることを特徴とする改良検出装置。 ５．請求項１に記載された改良検出装置であつて、第１の流体が約１．００の屈 折率の空気であり、第２の流体が約１．３３の屈折率の液体であり、本体の屈折 率は約１．３５であることを特徴とする改良検出装置。 ６．請求項５に記載された改良検出装置であつて、本体がテフロン（Ｒ）ＰＦＡ で形成されることを特徴とする改良検出装置。 ７．請求項６に記載された改良検出装置であつて、前記面の各々に対する入射角 が約６０°であることを特徴とする改良検出装置。 ８．屈折率の異なる第１および第２の流体に露出されるようになされる円錐形の 先端部分にて終端する光伝達本体と、前記本体を通して前記先端部分ヘ光ビーム を供給するための光源と、前記本体を通して前記先端部分から反射されて戻され た光の強さを測定するための受光器とを有しており、又、前記円錐形の先端部分 は前記光源から本体を通して受け入れた光を第２の面ヘ向けて反射するための第 １の面を有しており、又、前記第２の面は前記第１の面から受け入れた光を前記 受光器ヘ向けて反射させるように配置されており、又、前記本体は前記光源から 前記先端部分の軸線に平行な光路に沿つて与えられた光の入射角が第１および第 ２の流体の各々に関する臨界角よりも小さくなるような屈折率の材料によつて形 成されている、光学的な検出装置に於いて、 光源からの光ビームを前記第１の面ヘ向けて導くための本体内部に備えられた第 １の光ガイドと、第２の面から反射された光を前記受光器ヘするための本体内部 に備えられた第２の光ガイドと、前記第１および第２の光ガイドは、先端部分が 第１の流体に露出されたときには第１および第２の面の各々に入射する光の入射 角が第１の流体に関する臨界角と等しいか又はそれより大きくなるが、先端部分 が第２の流体に露出されたときには第１および第２のそれぞれに入射する光の入 射角が第２の流体に関する臨界角よりも小さくなるように配置されていることと 、これにより受光器ヘ向けて反射された光の強さは、先端部分が第１の流体に露 出されたときよりも先端部分が第２の流体に露出されたときの方が小さくなるよ うになされていることと、 を特徴とする改良された検出装置。 ９．屈折率の異なる第１および第２の流体に露出されるようになされる先端部分 にて終端する光伝達本体と、前記本体を通して前記先端部分ヘ光ビームを供給す るための光源と、前記本体を通して前記先端部分から反射されて戻された光の強 さを測定するための受光器とを有する光学的な検出装置に於いて、前記本体が約 １．４１よりも大きくない前記第１および第２の流体のそれぞれに関する屈折率 を有する材料で形成されており、先端部分は複数の面を有して光源からの入射光 が受光器ヘ向けて反射して戻されるような形状且つ寸法とされており、各面の入 射角は第１の流体に関する臨界角と等しいか又はそれより大きくされるが、第２ の流体に関する臨界角よりは小さくされており、 これにより、先端部分が第１の流体に露出されたときには光源からの実質的に全 ての光が本体内部に反射されるが、先端部分が第２の流体に露出されたときには 光源からの光の僅かな部分だけが反射されるようになされている、 ことを特徴とする改良された検出装置。 １０．請求項９に記載された改良検出装置であつて、前記先端部分が２つの面を 有していることを特徴とする改良検出装置。 １１．請求項１０に記載された改良検出装置であつて、前記先端部分が円錐形で あることを特徴とする改良検出装置。 １２．請求項９に記載された改良検出装置であつて、前記先端部分が横断面に３ つの面を有していることを特徴とする改良検出装置。 １３．請求項１２に記載された改良検出装置であつて、前記先端部分が切頭円錐 形であることを特徴とする改良検出装置。 １４．請求項１０に記載された改良検出装置であつて、前記本体の材料がテフロ ン（Ｒ）ＰＦＡであることを特徴とする改良検出装置。 １５．請求項１０に記載された改良検出装置であつて、第１の流体がガスであり 、第２の流体が液体であることを特徴とする改良検出装置。