JPH06167376A - 導光路集合体による液面位置の計測と信号伝達並びに表示のデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液面位置の２値計測とその信号の伝達と表示
を、耐熱、耐腐食性、耐溶解性あるいは静電気非帯電性
の一体構造物に行わせ、液面計測の信頼性と簡易性を向
上させ、応用範囲を拡大し、かつそのデバイスを低廉化
する。 【構成】 気体に接するときには全反射し計測対象液体
に接するときには透過する選択反射コーナー、入射端面
及び出射端面をもつ光ファイバーなどの要素導光路の複
数本をそれぞれの選択反射コーナーの垂直位置をずらせ
て配置すると同時に、それらの垂直順次に対応する順序
にそれぞれの出射端面を配列して構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、液面位置の計測及び
その信号の伝達と表示の全てを光ファイバー等の導光路
束を用いて行う技術である。これは光学的手段による遠
隔計測であるため、可燃性液体に対して本質安全システ
ムを可能にし、腐食性液体に対する接液物質に耐腐食性
物質を選ぶことができるので、従来より利用されている
液面計測デバイスを高度化するだけでなく、新しい利用
分野が開拓される。

【０００２】

【従来の技術】液面検出のために浮子を用い、浮子の位
置を電気的諸量即ち抵抗，容量，インダクタンスの変化
あるいは反射光の角度変化を計測するなどの方法が用い
られている。一方、電光変換発光素子から出た光が単一
の４５°直角プリズムで２回の全反射（切妻屋根型リフ
レクター）を経て光電変換受光素子に入射するシステム
が液体中に浸漬されるとき全反射条件が失われて電気信
号を与える方式がある。これらでは液面下あるいは液体
の蒸気中に電気エネルギーが導入される。電気絶縁の劣
化による漏電が生じ易いだけでなく、可燃性物質の場合
には着火源となる恐れがある。

【０００３】一方、例えば自動車の燃料タンク，タンク
ローリーあるいはタンカーの場合、液面と共に振動する
浮子の摩擦や騒音の防止のため装着するフッ素樹脂クッ
ションによって発生する静電気火花放電による着火を防
ぐため、接地回路が必要になる。

【０００４】酸などの腐食性液体に対しては、浮子や電
極が腐食する恐れがある。高温の水その他の液体に対し
ては、電気絶縁物の劣化あるいは電極金属成分の溶出の
恐れがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】浮子のような可動部を
不要とし、可燃性の測定対象物近傍に電気エネルギー導
入を不要とする。

【０００６】測定対象が、静電気を発生し易い可燃物で
あるときに静電気を発生しない材料，腐食性であるとき
に耐腐食材料，溶解性であるときに耐溶解材料，高温で
あるときには耐熱材料が容易に利用されるようにする。

【０００７】計測と得られた信号の伝達と表示を一体の
系に行わせて、装置を簡素にすると同時に遠隔計測が容
易に行えるようにする。

【０００８】測定の要素過程が本来的に２値信号を与え
るものであって、信号／雑音の比が高く従って計測，信
号伝達及び表示の信頼度の飛躍的向上が図れるようにす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】光ファイバー等の導光路
の入射端から入った光が導光路中を進行して接液・接気
端面に達したとき、その接液・接気端面が気体に接して
いる場合、導光路軸と光線のなす角の広い範囲にわたっ
て全反射を可能にするために、接液・接気端を、各面法
線が相互には直交し、導光路軸とはＣＯＳ^−１（１／√
３）の角を成す３面（コーナーキューブ型）あるいは４
５°の角を成す２面（切妻屋根型）で構成させる。導光
路軸に平行な光線が、上記の接液・接気端面が対象とす
る溶液に接しているならば液中に透過し、気体に接して
いるならば反射する条件を満たす屈折率をもつ導光路芯
材を、対象液体の屈折率を考慮してスネルの法則に適合
するように選ぶ。このような接液・接気端面を、選択反
射コーナーと呼ぶことにする。

【００１０】一本の導光路の一端を選択反射コーナー，
他端の一部を入射端面、残りを選択反射コーナーで反射
した光の出射端面に用いる。あるいは適当な位置で分岐
する導光路の非分岐部分の端を選択反射コーナー，分岐
した一方の枝路の端を入射端面，他方の枝路の端を出射
端面に用いる。

【００１１】入射光源には、自然光，種々の電光変換器
の発光などを必要に応じて利用する。自然光を使うとき
には、出射光を見やすくするためのフードを表示部分の
周りに設ける。レーザー光などの平行光線を使うときに
は導光路の入射端を平面とする。放射角度の分布する光
源を使うとき、入射端面を平面または凸曲面にする。出
射端面を目的に応じて、平面，凸曲面，凹曲面またはす
りガラス状にする。

【００１２】上記の導光路の複数本を、それぞれの選択
反射コーナーに異なる垂直位置をとらせて束ね、それら
の垂直位置の順序に応じて出射端面を配位する。液面計
測の高い分解能を要するときには細い導光路を多数本用
いる。ただし、液面が低下して液面上に出た選択反射コ
ーナー端面に界面張力による液滴が残らないように、隣
接する選択反射コーナーを結ぶ線が円錐螺旋をつくるよ
うに要素導光路を束ねるなど”水切り”のよい構成とす
る。接液している端面を透過した光が底面で反射し再び
いずれかの接液コーナーから入射して出射端面に達しな
い程度に液体容器底面の反射率を小さくする。自動車の
燃料タンクなどのように液面が揺れるときには、導光路
束を筒で被い、筒内の液面振動を平滑化するのに適した
大きさの輸送インピーダンスを与える穴をその筒に設け
る。

【００１３】例えば、満あるいは空等の特定の注意ある
いは警戒の液面位置の表示などの必要に対しては、導光
路の入射端にスペクトルの異なる個別光源を用いるか、
着色フィルターまたは着色導光路あるいは太さの異なる
導光路を用いるか、同一液面に複数個の選択反射コーナ
ーを用いる。発音等の警報あるいは制御又は信号をコン
ピューターに入力させるなどのための電気信号を必要と
するときには、出射端面にディスクリート光電変換器あ
るいは１次元イメージセンサーを設ける。光による直接
表示と光電変換のための光信号は、同一導光路からのエ
ネルギー分岐あるいは同一液面にある並列導光路の役割
分担のいずれかの方式により得る。

【００１４】特殊の場合を除き、可視領域において、気
体の屈折率ｎ_ｇ≦１．００２、液体の屈折率ｎ_１＝１．
３０〜１．６５である。一方、導光路芯材料として用い
得る固体物質すなわち石英ガラスを含む各種光学ガラス
及びスチロールやアクリルなどの透明プラスックスの屈
折率ｎ_ｇ＝１．４４〜２．１８である。耐腐食性、耐溶
出性および耐熱性、さらに信号伝達路の可撓性と長さな
ど必要条件に応じて導光路材料を選ぶ。

【００１５】

【作用】選択反射コーナーがコーナーキューブの場合に
ついて説明する。この端面の三つの稜に対して成す導光
路軸の角は等しく、ｃｏｓ^−１（１／√３）≒５５°で
ある。放射角度分布をもつ光源から入射しても、通常の
光ファイバー中を進行する光線の大部分は導光路軸に関
してほぼ±１５°の角度範囲内にある。詳細な計算と実
験によれば、導光路軸に関してほぼ±１５°の角度範囲
内にある光線は、選択反射コーナーにおいて導光路軸に
平行な光線と同じように振る舞う。選択反射コーナーが
気体に接しているとき、光線はコーナーキューブの三つ
の端面でそれぞれ１回ずつ反射して入射光線と平行に導
光路中を進行する。選択反射コーナーが液体に接してい
るとき、光線は三つの端面のいずれかを透過して液体中
に漏れ出し出射端には到達しない。かくて、出射端の明
暗は、選択反射コーナーが液面の上にあるか液面下にあ
るかの２値信号を与える。切妻屋根型選択反射コーナに
ついても基本的には同様の現象が生じる。

【００１６】太い導光路を用いるとき、選択反射コーナ
ー端面の垂直成分距離は長くなる。液体の界面張力の働
きにもかかわらず、この垂直成分距離の中間に液面が存
在するときには、選択反射コーナー端面の下部では透
過、上部では反射が起こるので、透過光量は液面の移動
に伴って連続的に変化する。選択反射コーナー端面の全
域が液面から離れる時、透過光量はゼロになる。

【００１７】入射端面を凸曲面にするときには、放射角
度分布の大きい光源を用いたときにも、その光線が入射
端面で屈折を受け、導光路軸に平行な光線の割合が増
し、液体に接しているとき選択反射コーナーの透過漏洩
光線の割合が増す。従って、明と暗のコントラストが向
上する。出射端面を凹曲面あるいはすりガラス状にする
ときには、出射光の放射角度分布が広がり出射光の視認
性が向上し、凸曲面にするときには、出射光の集束性が
増大し光電変換時に隣接する出射光の干渉が減少する。

【００１８】それぞれの選択反射コーナーの垂直位置が
順次に異なる複数本の上記の導光路の出射端面を選択反
射コーナーの垂直位置順序に対応するように配列してあ
るとき、液面位置が一目瞭然に表示される。可撓性に富
む光ファイバー束を用いるとき、表示部の配列は自由に
できる。

【００１９】光の強弱と発光部位の移動を組み合わせ
て、液面位置を連続的に表示させるときには、導光路を
適当な太さに選び、隣接する導光路の選択反射コーナー
端面の最低レベルと最上レベルを対応させ、各導光路の
出射端面を密接して配列させる。

【００２０】

【実施例】水位計の一例を図１について説明する。正方
形断面をもつアクリル樹脂製の導光路は上部で垂直部分
１と湾曲部分２に分岐する。１の上端に発光ダイオード
３を設ける。２の端面を出射端面４とする。下端にコー
ナーキューブを形成させる。即ち、導光路軸に一致する
対角線をもつ立方体の一隅の３稜３面によって選択反射
コーナー５を形成させる。５の端面を除く部分にテフロ
ン薄膜をコートしてクラッドを形成させる。１を通って
５に達した光線は、５が水面下にあるときには水中に透
過し（図１−ｂ）、５が水面上にあるときには５の第１
面，第２面および第３面で１回ずつ反射する（図１−
ａ）。第３面の反射光線は第１面の入射光線に平行であ
る。ただし、第３面を図示できないので、途中の光線を
正確に描かず点線で表示してある。第３面の反射光線の
一部は２を通って４から出射する。

【００２１】この要素導光路１１本を束ねてステンレス
スチールパイプに収め、それぞれの選択反射コーナー５
の垂直位置を順次等間隔にシフトさせておく。出射端面
４を選択反射コーナー５と同順で垂直に配列する。最下
部の出射端面にはフォトトランジスタを装着し、その出
射端面が発光するときに水量不足の発音警報を出す回路
に接続する。残りの１０個の出射端面をフード付き窓枠
内に収める。

【００２２】実験の結果、選択反射コーナーが液面より
も上にある導光路の出射端面は明るく発光し、液面下に
浸漬している導光路の出射端面からは全く発光が認めら
れなかった。

【００２３】

【発明の効果】液面の計測と計測信号の伝達と表示を一
体構成の導光路の束によって光学的に行うことによって
得られる効果は次の様である。

【００２４】計測、伝達及び表示を一体物に行わせるの
で製作が簡便かつ安価である。

【００２５】浮子を不要とする。

【００２６】電気エネルギーを液体に近付けないので可
燃物に対する”本質安全”計測を可能にする。

【００２７】ガラス質材料が使えるので、高温、腐食
性、溶解性あるいは静電気発生性の高い液体を計測対象
にすることができる。

【００２８】本質的に２値計測を要素過程としておりか
つ光通信であるため、計測、伝達および表示の信頼度が
高い。

【００２９】各種光ファイバーが利用できるので遠隔計
測が容易である。

【００３０】必要に応じて容易に電気信号に変換でき
る。

【００３１】使用条件によっては、自然光を入射光に、
従って計測光及び表示光に利用でき、人工のエネルギー
源を全く要しない。

【００３２】携帯が容易であり、野外使用が容易であ
る。

【００３３】導光路の太さと本数を選ぶことにより、計
測の分解能、感度および精密度を広範囲に調整できる。

【００３４】必要に応じて、液面位置を連続量として計
測し表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】液面位置の計測・信号伝達・表示用導光路束デ
バイスの要素導光路の実施例の構造と構成を示す概略図
である。

【符号の説明】

１ 導光路の垂直部分 ２ 導光路の湾曲部分 ３ 発光ダイオード ４ 出射端面 ５ コーナーキューブ型選択反射コーナー ６ 光線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバー等の導光路の一端をコーナ
   ーキューブ型もしくは切妻屋根型構造とし、導光路内を
   進行してきた光がこの端面に検出対象とする液体が接す
   るときに透過し気体が接するときに全反射する選択反射
   コーナー機能を与える屈折率をもつコア材料からなる複
   数の導光路を、それぞれの選択反射コーナーの垂直位置
   を順次に異なった高さに配列し、その配列順序に対応し
   て反射光の出射端を配列することによって液面位置を光
   の２値信号に変換し伝達し表示するデバイス。
2. 【請求項２】 請求項１のデバイスにおいて、反射光の
   出射端に光電変換器を付すことにより液面位置の光信号
   を電気信号に変換することを特徴とする液面位置計測デ
   バイス。