JPH04168326A - 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、更に特定すれば複雑な形状の容器に収容された
液体の液面、例えば横型２重円筒体の間に形成された断
面が円環の塊状形槽の底部に収容された液体の液面を遠
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） 横型２重円筒体の間に形成された断面が円環状形槽の例
としては、例えば生体磁気測定装置に備えられた磁気遮
蔽装置用液体窒素貯蔵容器が挙げられる。

脳などの生体より発生する微弱な磁気を５ＱＵＩＤと称
される高感度磁気検出器で計測する生体磁気測定装置で
は、１０−　’　”テスラー程度の低い磁束密度の磁場
を測定するため地球磁場などの外界の磁場が邪魔になり
、それを遮蔽する必要がある。

そのため、高磁気遮蔽性及び低い運転コストの理由から
、液体窒素で超電導状態を実現できる最近開発された高
温超電導体を生体磁気測定装置用磁気遮蔽装置に使用す
る提案がなされている。

一般に、このような高温超電導体を用いた磁気遮蔽装置
は、高温超電導体の磁気シールドと液体窒素温度に保持
されたクライオスタンドから構成されている。地球磁気
を遮蔽したクライオスタンドの低磁場部分は、第２図と
第３図に示すように生体磁気を計測される患者が中に入
るように横型中空円筒体になっている。液体窒素を貯蔵
する液体窒素槽は、そのクライオスタンドの周囲を取り
囲んで同じく横型２重円筒形の環状体として形成されて
いる。液体窒素は、この横型２重円筒形の環状体の底部
に収容されている。液体窒素槽の液体窒素は外界から侵
入する熱のため蒸発して減少するので、液体窒素の液面
を常に監視して逐次必要量補給する必要がある。

このような液体窒素槽の液体窒素の液面を連続的に監視
し、かつ検出する液面レベル計として、従来からワイヤ
ーに吊るした浮き子を液面に浮かベワイヤーの長さから
液面を検出する浮き子穴液面レベル計、超音波又は電磁
波を発射して液面で反射して帰って来るまでの時間を計
測して液面を検出する液面レベル計、電気的に絶縁され
た２極電極を装入しその間の気体と液体の分量による静
電容量の変化を測定する静電容量型液面レベル計等が既
知である。

しかし、従来型液面レベル計を上述の横型２重円筒形液
体窒素槽に使用した場合、以下に述べるような問題を有
している。

即ち、浮き子式液面レベル計では、液面の上下に応じて
上下すべき浮き子及びワイヤーが容器側壁に接触して平
滑に動きに（く誤動作が生しやすい。

超音波を使用した液面レベル計は、直線的にしか伝播し
ない音波の性質から、横型２重円筒形液体窒素槽には本
来的に適用できない。湾曲した環状部経路を伝播させる
ための導波管を使用すれば、電波を液面に反射させる液
面レベル計を使用することはできる。しかし、装置が複
雑で、かつ高価であると言う問題に加えて、反射時間を
計測する時間計測器の時間分解能が一般に１０−９ｓｅ
ｃであることから、液面分解能は、１０ｃｍ程度である
。

ガス部と液部の誘電率の違いによる液面レベル計全体の
静電容量の変化を測定する静電容量式液面レベル計は、
気体と液体の誘電率の差が小さい場合例えば液体窒素の
場合、液面が変化しても静電容量の変化が小さくその測
定が困難で誤測定が生じる場合が多い。更に、電極間距
離に依存している静電容量を測定するためには、電極同
士が移動しないことが重要である。従って、機械的振動
に弱い問題点がある。

以上述べたように、横型環状部に収容された液体の液面
を検出するのに適当な工業的液面レベル計は、今のとこ
ろ見当たらない。

上述の状況に鑑み、本発明の目的は、構造が簡単でかつ
正確に液面を、特に横型２重円筒体の環状形槽等の複雑
な形状の容器に収容された液体の液面を検出する液面レ
ベル計を提供するにある。

（課題を解決するための手段） 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、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、第１高周波素子を通過した
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（例えばサーキュレ
ータ）と、並びに第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とがらなり、がっ第
２高周波素子に接続された端部と対向する端部が金属板
で閉止されている円筒形２重同軸管とを備え、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
から分岐された金属板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位相差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直流電圧信号を出力する。

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終端部の金属板で
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。

ところで、円筒形２重同軸管を進行する高周波の基本モ
ードはＴＥＭモードで、その電磁界分布は、Ｅ’＝Ｅｏ
−ｅ−ｊｋｇ ここで、Ｅｒ：同軸管環状部内での半径方向の電界強度 Ｅｏ＝電場の振幅 ｒ：　環状部の半径方向の位置 ｊ：　虚数 Ｚ：　同軸管軸上の長手方向の位置 Ｈθ：同軸管環状部内の角度方向での 磁界強度 μ、環状部内の透磁率 ε：環状部内の誘電率 に−ωｆｒＴである。

管内波長λは、ｋとの間に次の関係を有する。

λ＝２π／に一２π／（ωＪＴア） 即ち、管内波長λは、円筒形２重同軸管内の誘電率の平
方根に反比例する。例えば、窒素の場合、気体の誘電率
は１．００であるのに対し、液体の誘電率は、１．４４
となり、管内波長は１　／１．２倍になる。

従って、第３高周波素子で、例えばミキサーで発振器か
らの入射波と円筒形２重同軸管の端部の金属板で反射さ
れた反射波の位相差を検出すると、高周波から見た線路
長さは、液体に浸漬した長さだけ長くなり、位相変化と
して測定できる。

実施例に基づいて添付図面を参照して、本発明をより詳
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１の実施例を図解
的に示している。

横型２重円筒体の内筒体３と外筒体５の間の環状形の容
器７に収容された液体９、本実施例では液体窒素の液面
１１の位置を検出するために、液面レベル計１は、その
上部部分を容器７の外部に露出して容器の外筒体５の胴
板に固定され、環状形に湾曲した下部部分を液体９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
周波と円筒形２重同軸管の端部金属板からの反射高周波
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１３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
される高周波の周波数は、後述の円筒形２重同軸管の端
部金属板が液体に接触していない時と、容器上端に迄液
体が充満している時の反射波の位相変化がπ／２となる
ようにする。本実施例の場合、次のようにして６０Ｍｔ
ｌｚの周波数を選定した。即ち、被測定レベル長さをＬ
とすると、液が無い場合のＬ内での往復を考慮した位相
は、２Ｌ／λ＝２πｎ＋Φ、（ｎ＝ｏ・・１Φ。；位相
の任意定数 一方、液が１００％まで有る場合、液中の波長λ”は、
λ“−λ／１．２　、従って、 λ／λ”＝２Ｌ／（λ／１．２） ＝２πｎ＋Φ。＋π／２ （２Ｌ／λ）　Ｘｌ、２　＝　２　Ｌ／λ十π／２従っ
て、０．４ＸＬ／λ−π／２ ところで、λ＝Ｃ／ｆ　　、λ［ｍ］　　＝３０００／
ｆ［ＭＨｚｌであるから、λを上の式に代入すると、ｒ
　＝３０００／（０，４Ｌ）　ｘπ／２ここで、Ｌは［
ｃｍｌ、ｆは［ＭＨｚｌ　である。今、Ｌ−１，９６ｒ
ｎとすると、ｆ　＝６０ＭＨｚ　となる。

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１５と、方向性結合器１５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１７と、サ
ーキュレータ１７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重同軸管工９から構成されている
。

方向性結合器１５の分岐波ポートとサーキュレータ１７
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２１にそれぞれ接続されている。

発振器１３から発振された高周波は、方向性結合器１５
においてその一部が分岐され、ミキサー２１に入力され
、ミキサー２１での参照高周波となる。

方向性結合器１５で分岐されなかった高周波は、サーキ
ュレータ１７を経由円筒形２重同軸管１９に入射する。

方向性結合器１５とサーキュレータ１７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
周波線路では５０Ωを選択するのが一般的であり、線路
上に整合されていない部分が存在すると、反射率−（２
０Ｚｌ　）　／　（ｚｏ　十Ｚ＋　）　［Ｚｏ　；線路
のインピーダンス５０Ω、ＺＩ；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２重同軸管の反射と干渉し、測定誤
差を生じるからである。

円筒形２重同軸管１９は、同軸の金属製内管２３と金属
製外管２５から形成され、上部端部でサーキュレータ１
３に接続されている。円筒形２重同軸管１９は、環状形
容器７の長手方向軸に直交する環状形容器の横断面に形
成された円環の中心線に円筒形２重同軸管の長手方向軸
を沿わせて湾曲して下方に延在し、容器の最下端で終端
部になっている。

下部の一部は、容器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２３及び外管２５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２
３は外径４ｎ＋＋ｎ、外管２５は内径９．２　ｍｍに形
成されている。

湾曲して環状形容器７に装着された円筒形２重同軸管１
９の下部終端部は、円筒形２重同軸管の環状部を伝播し
てきた高周波を反射するため金属板２７で閉止されてい
る。金属板による閉止は、同時に内管２３と外管２５と
の相互位置関係の保持と相互の電気的短絡の機能も有す
る。

尚、円筒形２重同軸管１９の内管２３と外管２５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容器
７との液面とを一致させるために、外管２５の壁には、
多数の細孔が設けである。

円筒形２重同軸管１９の下部終端部の金属板２７で反射
された高周波は、円筒形２重同軸管１５の環状部を戻り
、サーキュレータ１７を経てミキサー２１に入る。

円筒形２重同軸管１９が液に接触していない状態で、ミ
キサー２１の出力信号、即ち直流電圧が零ボルトになる
ように、方向性結合器１５とミキサー２１とを接続する
線路を固定してサーキュレータ１７とミキサー２１とを
接続する線路の長さを変えることにより、反射された高
周波での線路長さを予め調整しておく。容器７の液面１
１が上昇して円筒形２重同軸管１９の長さのＸ％が液体
に浸漬すると、ミキサー２１からの直流電圧出力■は、 Ｖ　−Ｖ。Ｘ５ｉｎ（０，０１５７Ｘ　Ｘ）　　となる
。

尚、上記の式は、ミキサー出力がＳｉｎで近似でき：か
つ液面０％と１００％での位相差がπ／２となるように
周波数、レベル計長さを設定したので、Ｓｉｎの括弧の
中は［（π／　（２Ｘ１００））　ＸＸ　（％）］、即
ち（０，０１５７ＸＸ）　と誘導される。

ここで、■。は、位相差がπ／２のとき、即ち液体が容
器上部まで充満しているとき（１００％）のミキサー２
１の直流電圧出力である。λは波長である。

この出力を電圧計２９で直接測定することもできるが、
好適には波形変換回路３１を介して正弦波出力をリニア
出力に変換し、電圧計２９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、１ｃ＋ｎであ
った。

本実施例では、円筒形２重同軸管の内管と外管との間に
適宜スペーサーを配設し、相互の位置関係を維持して正
確な円筒形２重同軸管を形成し液面の位置検出の正確さ
を確保することができる。

更に、本実施例では、環状形の横型容器に収容された液
体の液面を検出するために円形に湾曲させた円筒形２重
同軸管を使用したが、通常の円筒体等の貯蔵槽では、直
線状の円筒形２重同軸管を使用して本発明に係る液面レ
ベル計を使用することができる。更に、円筒形２重同軸
管の長手方向軸線が容器の垂直断面の中心線に一致する
ように形成された円筒形２重同軸管を使用することによ
り、本発明に係る液面レベル計を環状形より複雑な形状
の容器に収容された液面の検出に適用できる。

（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して液面の位置を検出している
ので、複雑な形状の容器に収容された液面の位置を従来
の液面レベル計に比較してより正確にかつ誤動作なく検
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重同軸管のみを必要とし、かつその他の部
分は数十ＭＨｚ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。

本発明は、複雑な形状の容器に収容された取扱に注意を
要する液体の液面検出に最適な液面レベル計を提供する
ことにより、かかる液体を収容する容器を備えた装置の
操作性の向上、例えば液体窒素を使用する生体磁気測定
装置の操作性の向上に寄与する。

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、液体を収容する容器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。 第２図は、長手方向軸に直交する方向の生体磁気測定装
置の図解的断面図； 第３図は、長手方向軸に沿った生体磁気測定装置の図解
的断面図である。 １・・・液面レベル計 ３・・・容器の内筒体 ５・・・容器の外筒体 ７・・・容器 ９・・・液体 １１・・・液面 １３・・・高周波発振器 １５・・・方向性結合器 １７・・・サーキュレータ １９・・・円筒形２重同軸管 ２１・・・ミキサー ２３・・・内管 ２５・・・外管 ２７・・・円筒形２重同軸管の終端部を閉止する金属板
２９・・・電圧計 ３１・・・波形変換回路 ４１・・・高感度磁気検出器 ４２・・・高温超電導体磁気シールド ４３・・・クライオスタット ４５・・・ベツド ４６・・・低磁気空間 ４８・・・液体窒素槽 同　　弁理士　　　仁　　平　　　　　孝第１図

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、並
   びに 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とからなり、かつ前記第２高周波
   素子に接続された端部と対向する端部が金属板で閉止さ
   れている円筒形２重同軸管とを備え、 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金属板からの反射
   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
   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位相差電圧を電圧測
   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。