JPH04168325A - 液面レベル計 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、液体の液面を連続的に計測するため−の液面
レベル計、更に特定すれば、液化ガス等の取扱に注意を
要する液体の液面を遠隔の制御室に伝達する液面レベル
計に関する。

（従来の技術） 従来から、取扱に注意を要する液体、例えば液化ガス等
の液体の液面検出には高周波を用いた液面レベル計の使
用が提案されいる。例えば、パルス状の電波を発射して
液面での反射時間を測定することにより液面を検出する
液面レベル計が特開昭第５６−１１９８１３号公開公報
に、及び同軸２重円筒と液面により閉じられた空洞の共
振波長を測定することにより液面を検出する液面レベル
計が特開昭第５２−２７６２号公開公報にそれぞれ開示
されている。

反射時間の測定による液面レベル計は、例えばタンク内
の液体の液面の上方にマイクロ波用アンテナを設け、発
振器から発振されたパルス状のマイクロ波を発射する。

マイクロ波は、液面で反射し、アンテナに入来するので
、発射から入来までの時間を計測器で計測することによ
り、液面位置を知ることができる。

共振波長の測定による液面レベル計は、一端を閉じた同
軸２重円筒の長さしとその共振波長λの関係、Ｌ＝ｎλ
／４（ｎは次数）の関係を利用する。仮に、ｎ＝１とす
れば、共振波長を測定し、その測定値を４で除した商が
空洞の長さしである。

ここで、同軸２重円筒管の下端は、液面によって閉じら
れているいるので、空洞の長さしは、同軸管の上端から
液面までの距離に等しい。そこで、発振器よりある周波
数範囲を掃引し反射波を測定して、共振周波数を計測す
ることにより、共振波長を計算し、次いで液面を検出す
るこ七ができる。

タンク内の液面レベルを測定する他の方法としては、超
音波液面計、静電容量型液面計、超電導液面計が、一般
に使用されている。

（発明が解決しようとする課題） 反射時間の測定に基づく液面レベル計は、マイクロ波を
パルス化する装置、発射後すぐに受信するための受信機
、及び時間計測を行う装置を必要とする。それぞれの装
置は、高い時間分解能を必要とするため、構成が複雑と
なりかつ高価である。

更に、時間計測器の時間分解能は、一般には１０１ｓｅ
ｃである事から、本液面レベル計の液面分解能は、１０
ｃｍ程度となることは避けられない。

共振波長の測定による液面レベル計は、液面により閉じ
られた空洞の共振周波数をカバーする周波数を掃引発振
する発振器を備え、フィードバック回路を用いて周波数
を追随する必要がある。掃引発振器は、高価な装置であ
り、一方フイードバック回路も複雑である。即ち、上記
従来型高周波液面レベル計は、一般に通常使用するには
高価過ぎる装置である。

超音波液面レベル計は、気相部のガスの種類、及びその
温度によって音速が大きく変わる。ガスの種類、更にガ
スの温度に応じ測定器を調整する必要があり、加えて高
価な液面レベル計なので、一般の液面測定には適当でな
い。

ガス部と液部の誘電率の違いに基づく液面レベル計全体
の静電容量の変化を測定することにより液面を検出する
静電容量型液面レベル計は、例えば液化ガスを測定する
場合液化ガスの気体と液体の誘電率の差が小さいため液
化ガス中にゴミ、特に霜が存在すると、それらの誘電率
が非常に大きいことにより誤動作することが珍しくない
。

超電導式液面レベル計は、主として液体ヘリウム用に使
用され、−船釣に使用できる液面レベル計ではない。

以上に述べた通り、高周波を使用にするものに限らず、
従来の液面レベル計の中には、構造が簡単で、操作が容
易で、かつ長期にわたり保守点検を必要しない廉価な遠
隔液面検出用液面レベル計は見当たらない。

上述した課題に鑑み、本発明の目的は、液面を、特に取
扱に注意を要する液体例えば液化ガス等の液面を正確に
検出し、かつ構造が簡単で廉価な液面レベル計を擾供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的は、次の特徴を有する本発明にががる液面レベ
ル計により達成される。その特徴とは、単一周波数の高
周波を発振する発振器と、発振器の出力端に接続され、
この発振器からの出力の一部を分岐する第１高周波素子
（例えば、方向性結合器）と、 第１高周波素子に接続され、発振器から出力された高周
波を通過させ、この高周波とは逆方向の高周波を分岐す
る第２高周波素子（例えば、サーキュレータ）と、 同軸状に配置された金属製内管と金属製外管からなる、
第２高周波素子に接続された円筒形２重同軸管と、並び
に 内管と外管との間の環状部に配設され、発振器から発振
された高周波を反射する、比重が測定すべき液体の比重
より小さい浮き子とを備え、更に、第１高周波素子から
分岐された高周波と、第２高周波素子から分岐された浮
き子からの反射高周波との位相差を直流電圧に変換する
第３高周波素子（例えば、ミキサー）を第１高周波素子
と第２高周波素子に接続し、第３高周波素子から出力さ
れた直流電圧を電圧測定装置で計測することにより、液
面の位置を検出することにある。

（作　用） 第１高周波素子と第２高周波素子からの２個の高周波の
間の位相差を検出する第３高周波素子、例えばミキサー
は、２個の同一周波数の信号を入力するとその２個の信
号の位相差に応じたＤＣ信号を出力する。

一方、単一周波数を出力する発振器の出力端に接続され
た第２高周波素子、例えば方向性結合器は、主線路の信
号の一部を分岐して取り出し、ミキサーに入力する。こ
の信号は、ミキサーでの位相差検出の参照信号となる。

主線路側では、発振器からの高周波とは逆方向の逆方向
信号（浮き子からの反射信号）を分岐する第２高周波素
子、例えばサーキュレータを方向性結合器に接続する。

発振器を出た高周波信号は、方向性結合器、サーキュレ
ータを経て液貯蔵用タンク内に取り付けである円筒形２
重同軸管に入力する。入力された高周波は、円筒形２重
同軸管の内管と外管との間の環状部の液面に浮いている
浮き子の面で反射され、サーキュレータに戻る。戻った
信号は、サーキュレータで主線路から分岐されてミキサ
ーに入力される。

ミキサー位置を始点として円筒形２重同軸管の往復の線
路長をＬとすると、ミキサーからのＤＣ出力の電圧■は
、 ■″、ａ　Ｘ５ｉｎ（２πＬ／λ） λ：発振器からの高周波の波長 ａ：ミキサー最大出力 となる。液面の上下に応じて浮き子が上下すると線路長
しが変化する。Ｌの変化に従い、上記式によりミキサー
のＤＣ出力電圧が変化するので、ＤＣ電圧を測定すれば
、液面位置を上記式に従って検出することができる。

実施例に基づき添付図面を参照して、本発明を以下によ
り詳細に説明する。

（実施例） 第１図は、本発明に係る液面レベル計の実施例を図解的
に示している。

タンク３に収容された液体５、例えば液化ガスの液面７
の位置を検出するために、液面レベル計１は、その上部
部分をタンク３の外部に露出してタンク３の上部鏡板に
固定され、下部部分を液体５に浸漬させて、第１図に示
すように取り付けである。

液面レベル計１の上部部分は、高周波を発振し、発振高
周波と液面に浮く浮き子からの反射高周波との位相差か
ら液面の位置を検出する装置とその導波管部品から主と
して構成されている。

高周波を発振する高周波発振器９が上部部分の最上部に
配置されている。好適には、高周波発振器９から発振さ
れる高周波の波長は、検出する液面の最低位置と最高位
置との距離の８倍程度に選定する。本例の場合、液面の
最低位置と最高位置との距離を３０ｃｍとして、ｆ＝　
（Ｃ／Ｌ）／８の式により（液面の最低位置と最高位置
の距離、即ち測定レヘルの差の長さり、＝０．３　ｔａ
　、電磁波の速度をＣ１周波数をｆとする）、後述の同
軸管内での管内波長がその８倍に相当する１２５ＭＨｚ
の周波数を選定した。

発振器９から発振された高周波の主線路は、発振器９の
出力端に接続された第１高周波素子、本実施例の場合方
向性結合器１１と、方向性結合器１１に接続された第２
高周波素子、本実施例の場合サーキュレータ１３と、サ
ーキュレータ１３に接続された液面レベル計１の下部部
分を構成する円筒形２重同軸管１５から構成されている
。

方向性結合器１１の分岐波ポートとサーキュレータ１３
の反射波出口ポートとは、２個の高周波の位相差を直流
電圧に変換する第３高周波素子、本実施例の場合ミキサ
ー１７にそれぞれ接続されている。

発振器９から発振された高周波は、方向性結合器１１に
おいてその一部が分岐され、ミキサー１７に入力され、
ミキサー１７での参照高周波となる。

方向性結合器１１で分岐されなかった高周波は、サーキ
ュレータ１３を経由円筒形２重同軸管１５に入射する。

方向性結合器１１とサーキュレータ１３からなる高周波
主線路は、５０Ωに整合され線路上で反射が生じないよ
うに構成されている。尚、５０Ωに整合した理由は、高
周波回路では５０Ωを選択するのが極めて一般的であり
、線路上に整合されていない部分が存在すると、反射率
＝（ｚｏ−Ｚｌ）／（ＺＯ＋　２＋）　（２０；線路の
インピーダンス、この場合５０Ω、Ｚ、：整合されてい
ない部分のインピーダンス）の反射率で反射が生じ、そ
の反射波により、目的とする液面での反射波に乱れを起
こし測定誤差を生じるからである。

円筒形２重同軸管１５は、上部端部でサーキュレータ１
３に接続され、軸方向を垂直に下方に延在して下部終端
部が自由端になっている、同軸の金属製内管１９と金属
製外管２１から形成されている。下部の一部は、タンク
３内の液体に浸漬されている。

本実施例では、熱伝導を小さくして液体への熱の進入を
抑えるため、同軸管の内管１９及び外管２１とも厚さ０
．５　ｍｍのステンレス系薄肉管を使用し、かつ同軸管
のインピーダンスを５０Ωにするために同軸管の内管１
９は外径４ｍｍ、外管２１は内径９．２　ｍｎ＋に形成
されている。内外管の下部終端部２３は、後述の浮き子
２５を離脱させないためと内管１９と外管２１の相互の
位置関係の保持のために、板、細帯状棒等により相互に
固定されている。尚、円筒形２重同軸管１５の内管１９
と外管２１との間の環状部に液体を自由に出入させて環
状部の液面とタンク３の液面とを一致させるために、外
管２１の壁には、多数の細孔が設けである。

同軸管の内管１９と外管２１との間の環状部には、ドー
ナツ型のステンレス鋼製中空金属円筒形浮き子２５が内
管１９を包囲する形で挿入されている。浮き子２５は、
常時液面に浮き、液面の変動に応じ環状部を平滑に上下
する。尚、浮き子２５は、他の材質として銅、アルミニ
ューム等も使用できが、液面の上に存在するタンク３内
のガスの誘電率の１０倍以上の誘電率を有し、高周波の
５０％を反射し、液体の比重より小さい比重の材質であ
れば、必ずしも金属である必要はなく高分子材料等も使
用できる。

浮き子２５で反射された高周波は、円筒形２重同軸管１
５の環状部を戻り、サーキュレータ１３を経てミキサー
１７に入る。

浮き子２５が円筒形２重同軸管１５の下部終端部に位置
する状態において、方向性結合器１１経由ミキサー１７
に達する発振高周波入力側線路長さと、方向性結合器１
１及びサーキュレータ１３を経て浮き子２５に達し、反
射してサーキュレータ１３を経てミキサー１７に達する
反射波側線路長の差を高周波の波長の整数倍に調整する
。即ち、ミキサー１７からのＤＣ出力を０■に調整する
。タンク３内の液面がＸｃｍ上昇し、それに応じて浮き
子２５がＸｃＩＩｌ上昇すると、ミキサー１７からのＤ
ＣＣ出力は、Ｖ　＝ＶｏＸｓｉｎ（４ｘ　Ｘ　／λ）と
なる、但し、ｖｏは、位相差が（１／４）λの時のミキ
サー１７のＤＣ信号の最大出力であり、λは波長である
。

この出力を電圧計２７で直接測定することもできるが、
好適には波形変換回路２９を介して正弦波出力をリニア
出力に変換し、電圧計２７で測定し液面レベルを直読す
る。

本実施例の液面レベル計の液面分解能は、１ｍｍ以下で
あった。

（発明の効果） 本発明に係る液面レベル計は、金属製円筒形２重同軸管
を反射波の線路に使用し、更に高周波素子であるミキサ
ーを位相差の測定に使用することにより液面の位置を検
出しているので、従来の液面レベル計に比較して正確な
位置を検出することができる。

一方、本発明に係る液面レベル計は、接液部品として金
属製円筒形２重同軸管と浮き子のみを必要とし、かつそ
の他の部分は１００ＭＨｚ台の単一周波数を発振する発
振器と、ミキサーと、及び簡単な電気回路から構成され
ているので、長期にわたり殆ど保守点検を必要とするこ
となく、正確な液面の位置を遠隔の制御室に自動的に伝
達することができる。従って、取扱に注意を要する液体
、例えば液化ガス等の危険な液体の液面検出に最適な液
面レベル計を提供し、化学工場、石油精製工場等の装置
の運転と保守において安全の向上に寄与する。

更に、本発明に係る液面レベル計は、廉価な構成部品に
より構成されているので、全体として製作コストが低い
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、液体を収容するタンクに取り付けた本発明に
係る液面レベル計の実施例を図解的に示している。 １・・・液面レベル計 ３・・・タンク ５・・・液体 ７・・・液面 ９・・・高周波発振器 １１・・・方向性結合器 １３・・・サーキュレータ １５・・・円筒形２重同軸管 １７・・・ミキサー １９・・・内管 ２１・・・外管 ２３・・・円筒形２重同軸管の終端部 ２５・・・浮き子 ２７・・・電圧計 ２９・・・波形変換回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単一周波数の高周波を発振する発振器と、この発振
   器の出力端に接続され、前記発振器からの出力の一部を
   分岐する第１高周波素子と、 前記第１高周波素子に接続され、前記第１高周波素子を
   通過した前記発振器からの高周波を通過させ、この高周
   波とは逆方向の高周波を分岐する第２高周波素子と、 前記第２高周波素子に接続され、同軸状に配置された金
   属製内管と金属製外管からなる円筒形２重同軸管と、並
   びに 前記内管と前記外管との間の環状部に配設され、前記発
   振器から発振された高周波を反射する、比重が測定すべ
   き液体の比重より小さい浮き子とを備え、 更に、前記第１高周波素子から分岐された高周波と、前
   記第２高周波素子から分岐された前記浮き子からの反射
   高周波との位相差を電圧に変換する第３高周波素子を前
   記第１高周波素子と前記第２高周波素子に接続し、前記
   第３高周波素子から出力された電圧を電圧測定装置で計
   測することにより、液面の位置を検出することを特徴と
   する液面レベル計。