JPH0619432B2 - 液面高さ計測装置 - Google Patents

液面高さ計測装置

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JPH0619432B2
JPH0619432B2 JP187985A JP187985A JPH0619432B2 JP H0619432 B2 JPH0619432 B2 JP H0619432B2 JP 187985 A JP187985 A JP 187985A JP 187985 A JP187985 A JP 187985A JP H0619432 B2 JPH0619432 B2 JP H0619432B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の理用分野) 本発明は、光波を利用して被測距対象物までの距離を測
定する光波距離計に関するものであり、更に詳しくは、
その光波距離計を使用して被測距液面の高さを計測する
液面高さ計測装置に関するものである。この液面高さ計
測装置は、原油タンク内の原油液面の高さを測定する際
に使用される。
(先行技術) 本件出願人は、先に光波距離計を利用した液面高さ計測
装置を、特願昭58−138742号(発明の名称:光波距離計
用光学アダプタ、出願日:昭和58年7月30日)において
開示している。このものには、原油タンク内の原油液面
高さを計測する原油液面高さ計測装置が例示されてい
る。この装置では、電気系統を有する光波距離計本体を
原油タンクか遠く離れた管理棟内に設置し、測距光波を
被測距液面としての原油液面に照射し、かつその原油液
面において反射された反射測距光波を集光する対物光学
手段を原油タンク内に設置して、その対物光学手段と光
波距離計本体とを光波伝送路部材としてのオプティカル
ファイバを使用して光学接続し、光波距離計本体の測距
光波発生手段から所定の変調周波数で光学変調された測
距光波を発生させ、この測距光波をオプティカルファイ
バを介して対物光学手段に導いて、その測距光波により
原油液面を照射し、この原油液面において反射された反
射測距光波を再びその対物光学手段により集光し、その
反射測距光波をオプティカルファイバを介して光波距離
計本体の受光手段に導くようにしている。
(発明が解決しようとする問題点) ところで、液面高さは、測距光波と反射測距光波との間
の時間的遅れとしての位相差から測定されるものである
が、この液面高さ計測装置は、光波伝送路部材の全長を
含んだ測距距離を直接に測定するもので、液面高さは、
この測距距離から光波伝送路部材の全長を即知の物理量
としてこれを減じて求められるようにしている。
しかしながら、原油のタンクの大型化、多数の原油タン
クの集中管理に伴なって管理棟から各原油タンクまでの
距離が増大し、光波伝送路部材の全長もそれに伴なって
増大し、光波伝送路部材には、数十mから百数十mの長
さのものを必要とする。
ところが、光波伝送路部材は、その長さが増大するに伴
なって温度変化に伴なう伸長・収縮量が増大し、もはや
光波電路部材の全長を即知の物理量として扱うことはで
きず、この光波伝送路部材の温度変化に伴なう伸縮に基
づく測距誤差を生じる。この温度変化に伴なう光波伝送
路部材の伸縮に基づく測距誤差は、光波伝送路部材とし
て、屈折・反射光学系の光導波管を使用した場合にも生
じうる。
また、オプティカルファイバ内を伝送される測距光波と
反射測距光波との伝送距離差が、オプティカルファイバ
の全長に比例するため、これに基づいて測定光波と反射
測距光波との位相差がオプティカルファイバの長さの増
大に伴なって増加し、測距誤差を生じると共に、オプテ
ィカルファイバの配設途中の屈曲部、風による屈曲によ
っても距離光波と反射光波との位相差が変化し、これに
基づく測距誤差もオプティカルファイバの長さが増大す
るに伴なって増大する。
(発明の目的) 本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、光波伝送路部材の長さの増大に伴な
う測距誤差を極力解消することのできる液面高さ計測装
置を提供することにある。
(問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明の液面高さ計測装置
は、所定の変調周波数で変調された測距光波を発生する
測距光波発生手段と、 前記測距光波を被測距液面に向かって照射し、該被測距
液面において反射された反射測距光波を集光する対物光
学手段と、 該対物光学手段に導かれた反射測距光波を受光する受光
手段と、 前記測距光波発生手段を前記対物光学手段に光学接続し
て前記測距光波を前記対物光学手段に導く往路用光波伝
送部材と、該対物光学手段を前記受光手段に光学接続し
て前記反射測距光波を前記受光手段に導く復路用光波伝
送路部材とを有し、前記測距光波と前記反射測距光波と
に基づいて前記被測距液面の高さを計測する液面高さ計
測装置であって、 前記測距光波発生手段は、互いに波長が異なる液面高さ
計測用測距光波と光波伝送路部材長さ計測用測距光波と
を切換えて発生可能とされ、かつ、前記対物光学手段に
は、前記往路用光波伝送路部材から出射された液面高さ
計測用測距光波を前記被測距液面に導き、前記往路用光
波伝送路部材から出射された光波伝送路部材長さ計測用
測距光波は前記対物レンズの手前で反射させて前記復路
用光波伝送路部材を経由させることにより前記受光手段
に導く測距光波選択手段が設けられ、前記両光波伝送部
材の全長を含んだ距離データから両光波伝送路部材の全
長を差し引いて液面高さを求める演算手段を備えている
ことを特徴とする。
(作 用) このものによれば、光波伝送路部材長さ計測用測距光波
に基づいて、光波伝送路部材の長さを事前に測定し、そ
の後、液面高さ計測用測距光波に基づいて光波伝送路部
材の長さを含んだ測距距離を測定し、事前に測定された
光波伝送路部材の長さをその測距距離から減算すること
により、光波伝送路部材の長さに基づく測距誤差を取り
除いて液面高さを測定することができる。
(実施例) 以下に本発明に係る液面高さ計測装置を原油タンク内の
原油液面の高さ計測に適用した実施例について図面を参
照しつつ説明する。
第1図において、Mは管理棟、Tは原油タンクであっ
て、管理棟Mは防爆の観点から原油タンクTより遠く離
れて設置されている。管理棟Mには、電気系統を有する
光波距離計本体1が設置されており、原油タンクTの天
井には、対物光学手段としての対物光学系ユニット101
が吊架されている。対物光学系ユニット101は、測定光
波を被測距液面としての原油液面Sに向かって照射し、
この原油液面Sにおいて、反射された反射距光波を集光
する機能を有する。光波距離計本体と対物光学系ユニッ
ト101とは、光波伝送路部材としてのオプティカルファ
イバ102を介して光学的に接続されている。液面高さ計
測装置100は、その光波距離計本体1と対物光学系ユニ
ット101とオプティカルファイバ102とから概略構成され
るものである。
対物光学系ユニット101は、第2図に示すように、対物
レンズ41を有しており、対物レンズ41は原油液面Sに対
向して臨んでいる。光波距離計本体1は、所定の変調周
波数で光学変調された測距光波を発生する測距光波発生
手段と、対物光学系ユニット101に導かれた反射測距光
波を受光する受光手段とを有している。オプティカルフ
ァイバ102は、測距光波発生手段を対物光学系ユニット1
01に光学接続する往路用オプティカルファイバ104と、
対物光学系ユニット101を受光手段に光学接続する復路
用オプティカルファイバ105とからなっており、符号104
a,105aは各オプティカルファイバ104,105の入射面、符
号104b,105bは各オプティカルファイバ104,105の出射面
を示している。
往路用オプテイカルファイバ104の入射面104aはレンズ2
05に臨んでおり、その出射面104bは反射プリズム40の反
射面40aに臨んでいる。復路用オプテイカルファイバ105
の入射面105aは反射プリズム40の反射面40bに臨んでお
り、その出射面105bはレンズ206に臨んでいる。測距光
波発生手段は、発光ダイオード203a,203bを有してお
り、発光ダイオード203a,203bは互いに波長の異なる測
距光波を発生するものである。発光ダイオード203aは、
たとえば、中心波長が820nmの近赤外光を発光し、発光
ダイオード203bは、たとえば、中心波長が860nmの近赤
外光を発生するもので、発光ダイオード203aにより発生
された近赤外光は、光波伝送路部材長さ計測用測用光波
として使用され、発光ダイオード203bにより発生された
近赤外光は、液面高さ計測用測距光波として使用され
る。
光波距離計本体1は、発振器11が設けられており、そ
の発振周波数は15MHzに設定されており、その発振器11
の発振出力は分周器10と合成器13と第1切換器14とゲー
ト回路35とに入力されている。分周器10は、発振器11の
発振出力を分周して、発振周波数が3KHzの発振出力と発
振周波数が75KHzの発振出力とを発生する機能を有す
る。第1切換器14は、処理制御回路15において生成され
る制御信号16に基づいて、発振周波数が15KHzの発振出
力と発振周波数が75KHzの発振出力とを選択し、この各
発振出力は測距光波を光学変調するために使用される。
合成器13には、発振周波数が15MHzの発振出力と発振周
波数が3KHzの発振出力が入力されており、合成器13は、
この各発振出力に基づいて、発振周波数が14.997MHz(15
MHzと0.003MHzとの差によって求められる)の発振出力と
発振周波数が72KHz(3KHzの24倍)の発振出力とを生成す
る機能を有する。
合成器13において生成された発振出力は、第2切換器31
に入力され、この第2切換器31は処理制御回路15から出
力される制御信号16に基づいて制御される。また、第1
切換器14において選択された発振出力は、第3切換器20
1に入力され、第3切換器201は処理制御回路15において
生成された制御信号200に基づいて、発光ダイオード203
aと発光ダイオード203bとのいずれを発光させるかを選
択する機能を有する。発光ダイオード203aにおいて発生
された測距光波はハーフミラー204を透過してレンズ205
に導かれ、このレンズ205により入射面104aに結像さ
れ、発光ダイオード203bにおいて発生された測距光波は
ハーフミラー204において反射されてレンズ205に導か
れ、このレンズ205により入射面104aに結像され、ハー
フミラー204は中心波長が820nmの近赤外光は透過させる
が中心波長が860nmの近赤外光は反射するダイクロイッ
クミラーとして機能する。往路用オプティカルファイバ
104の入射面104aに導かれた測距光波は、この往路用オ
プティカルファイバ104内を伝送されてその射出面104b
に導かれ、この射出面104bから射出されて反射プリズム
40の反射面40aにおいて反射され、対物レンズ41が存在
する方向に導かれるようになっている。
対物レンズ41は、その焦点位置が光学的に射出面104bと
入射面105aとに一致するように設けられており、反射プ
リズム40と対物レンズ41との間には、その双方に所定の
間隔をあけて測距光波選択手段としての反射プリズム21
0が設置されている。この反射プリズム210は、ダイクロ
イックミラー面210a,210bを有しており、このダイクロ
イックミラー面210aは、中心波長が820nmの光波伝送路
部材長さ計測用測距光波は反射するが、中心波長が860n
mの液面高さ計測用測距光波は、透過する機能を有して
いる。この液面高さ計測用測距光波は、反射プリズム21
0を透過して対物レンズ41により平行光束に変換され、
原油液面Sにおいて反射され、反射測距光波となるもの
である。この反射測距光波は、対物レンズ41により再び
集光されて反射プリズム210を透過して反射プリズム40
の反射面40bに導かれ、この反射面40bにおいて反射され
て復路用オプティカルファイバ105の入射面105aに導か
れ、ここで結像されるものである。この液面高さ計測用
測距光波は、この復路用プティカルファイバ105内を伝
送されてその射出面105bに導かれ、レンズ206に向かっ
て射出されるものであり、レンズ206は測距光波を集光
して受光手段の一部を構成する受光ダイオード30の受光
面に結像させる機能を有している。光波伝送路部材長さ
計測用測距光波は、往路用オプティカルファイバ104内
を発射された後、反射プリズム210のダイクロック面210
a,210bにおいて反射され、対物レンズ41を経由せずに復
路用オプティカルファイバ105の入射面105aにその
まま導かれ、その復路用オプティカルファイバ105内を
伝送され、レンズ206により受光ダイオード30の受光面
上に結像されるものである。この受光ダイオード30は、
中心波長が820nmの測距光波と中心波長が860nmの測距光
波とを略等しい感度で光電変換する機能を有している。
この光電変換により生成された光電変換信号は、コンデ
ンサ50を介して増幅器32に入力されて増幅され、その増
幅信号が混合器33に入力されている。この混合器33に
は、第1切換器14が15MHzの発振出力を選択したときに
第2切換器31から14.997MHzの発振出力が入力され、第
1切換器14が75KHzの発振出力を選択したときに第2切
換器31から72KHzの発振出力が入力されるものである。
処理制御回路15において生成された制御信号16は、第2
切換器31から出力される発振出力を選択させる機能をも
有する。混合器33は、第2切換器31からの発振出力と増
幅器32からの光電変換信号とに基づいて、周波数が3HKz
のサイン波状ビート信号を形成するものである。このサ
イン波状ビート信号は、波形整形器34に入力されて周波
数が3KHzの矩形波信号に変換される。
ゲート回路35には、分周器10において生成された3KHzの
周波数を有する発振出力がスタート信号として入力され
ると共に、波形整形器34において生成された矩形波信号
がストップ信号として入力されている。ゲート回路35
は、そのスタート信号に基づいて周波数が15MHzの発振
出力の通過を開始させ、ストップ信号に基づいて周波数
が15MKzの発振出力の通過を停止させる。このゲート回
路35は、計数器36に接続されており、計数器36は、スタ
ート信号が入力されてからストップ信号が入力されるま
での間にゲート回路35を通過した15MHzの発振周波数を
有する発振出力のパルス個数を計数する機能を有する。
この計数器36の計数により、測距光波と反射測距光波と
に基づく位相差が測定され、ここでは、この計数器36
は、この位相差測定をN回実行するもので、処理制御回
路15では、そのN回の位相差測定の平均値を求めて、以
下に説明する所定の演算処理を行なって液面計測データ
を算出し、表示器39に表示させるものである。
いま、光波伝送路部材長さ計測用測距光波によって測定
した光波伝送路部材102の全長の平均値をl、液面高さ
計測用測距光波によって測定した測距距離の平均値を
L、対物レンズ光学形ユニット101の先端から原油タン
ク底面Bまでの距離をVとすると、液面高さHは、 H=V−(L−l) の式に基づいて求められる。
なお、光学変調周波数としての15MHzの発振出力は、波
長が20mの変調光波液に相当して測距範囲が10m以下の精
度測定の際に使用され、光学変調周波数としての75KHz
の発振出力は、波長が4Kmの変調光波に相当し、測距範
囲が2Km以上の粗測定に使用され、これら両測定データ
を合成して高さ10m以上の大型原油タンクTの液面高さ
を1mm単位の高精度で測定できる。
次に本実施例に係る原油液面高さ測定装置の測定ステッ
プを説明する。
(1)精密測定の場合 a:リファレンスモード ステップ1. 処理制御回路15からの制御信号16に基づい
て第1切換器14に発振周波数が15MHzの発振出力を選択
させ、第2切換器31に発振周波数が14.997MHzの発振出
力を選択させる。
ステップ2. 処理制御回路15からの制御信号200に基づ
いて第3切換器200により、発光ダイオード203aを発光
させ、中心波長が820nmの光波伝送路部材長さ計測用測
距光波を発生させる。
ステップ3. 光波伝送路部材長さ計測用測距光波は、ハ
ーフミラー204を透過して往路用オプティカルファイバ1
04に導かれ、この往路用オプティカルファイバ104内を
伝送され、反射プリズム40,210により反射されてそのま
ま復路用オプティカルファイバ105に導かれ、復路用オ
プティカルファイバ105内を伝送されて受光ダイオード3
0に受光される。
ステップ4. 混合器33は、受光ダイオード30からの光電
変換信号と第2切換器31からの発振出力とに基づいて発
振周波数が3KHzのサイン波状ビート信号を生成する。
ステップ5. 波形整器34よりサイン波状ビート信号を矩
形波信号に変換する。
ステップ6. ゲート回路35は発光ダイオード203aの発光
に同期して15MHzの発振周波数の発振出力の通過を開始
させ、矩形波信号に基づいて発振出力の通過を停止させ
る。
ステップ7. 計数器36により発振出力のパルス個数をカ
ウントし、位相差を求める。
ステップ8. 処理制御回路15により、計数器36において
計数された計数値を距離データに変換し、これを光波伝
送路部材102の全長データl1としてメモリする。
b:液面高さ計測モード ステップ9. 処理制御回路15からの制御信号200に基づ
いて第3切換器201を切換え、発光ダイオード203bを発
光させて、中心波長860nmの液面高さ計測用距光波を発
生させる。
ステップ10. この液面高さ計測用測距光波は往路用オ
プティカルファイバ104内を伝送されて対物レンズ41に
導かれ、原油液面Sを照射し、原油液面Sにおいて反射
された反射測距光波は再び対物レンズ41により集光さ
れ、復路用オプティカルファイバ105内を伝送されて受
光ダイオード30に受光される。
ステップ11. ステップ4からステップ8までに記載の
手順を踏んで、距離データを精密測距距離データL1とし
てメモリする。
(2)粗測定の場合 a.リファレンスモード ステップ12. 処理制御回路15は、制御信号16に基づい
て第1切換器14に周波数が75HKzの発振出力を選択さ
せ、第2切換器31に周波数が72HKzの発振出力を選択さ
せる。
ステップ13. ステップ2からステップ8までに記載の
手順を踏んで、粗測定の場合の全長データl2を求め、精
測定の場合の全長データl1とこの全長データl2とから光
波伝送路部材の全長lを算出する。
すなわち、粗測定により例えば「m」の単位で全長12
の数値を求め、精測定で例えば「mm」の単位で全長1
1の数値を求め、全長11の「m」以下の数値と全長1
2の「m」以上の数値とにより、全長1を「…m…cm
…mm」として求める。
b.液面高さ計測モード ステップ14. ステップ9からステップ11に記載の手順を
踏んで、粗測定の場合の測距データL2を求める。
ステップ15. この粗測定の場合の測距データL2と精測
定の場合の測距データL1とに基づいて、光波伝送路部材
の長さを含んだ測距データLを求める。
ステップ16. 距離データVと、測定データLと、全長
データlとに基づいて演算し、原油液面高さデータHを
求め、この原油液面高さデータHに基づいて液面高さ値
を表示器39により表示させる。
第3図は、本発明に係る液面高さ測定装置の第2の実施
例を示す対物光学系ユニット101の光学系路図であっ
て、測距光波選択部材を、反射プリズム40と往路用オプ
ティカルファイバ104との間に設置したダイクロイック
ミラー301と、反射プリズム40と復路用オプティカルフ
ァイバ105との間に設置したダイクロイックミラー302
と、ダイクロイックミラー301において反射された測距
光波をダイクロイックミラー302に導くためのコリメー
タレンズ303,304と反射ミラー305,306と
から構成したものであり、ダイクロイックミラー30
1,302は液面高さ計測用測距光波は透過させるが、
光波伝送路部材長さ計測用測距光波は反射する機能を有
している。
第4図および第5図は、本発明に係る液面高さ測定装置
の第3の実施例を示す対物光学系ユニット101の光学系
路図であり、このものでは、対物レンズ41の中心部分を
第6図に示すように、測距光波を平行光束に変換して原
油液面Sに円形部41bとして使用し、周辺部が反射測距
光波を集光する集光部41aとして使用するようにしてい
る。このものでは、測距光波選択手段は、傾斜ミラー40
0と、レンズ403とオプティカルファイバ404と、コリメ
ータレンズ405と、ダイクロイックミラー406と、コリメ
ータレンズ407,408とから構成され、ダイクロイックミ
ラー406はコリメータレンズ407,408の間に設置されてい
る。傾斜ミラー400は反射面401Aとダイクロイック開口4
02とを有し、往路用オプティカルファイバ104から出射
された光波伝送路部材長さ計測用測距光波は反射面401A
とダイクロイック開口402の両方により反射され、レン
ズ403によりオプティカルファイバ404の入射面404aに導
かれ、オプティカルファイバ404内を伝送されて出射面4
04bから出射され、コリメータレンズ405により平行光束
に変換され、ダイクロイックミラー406により反射され
てコリメータレンズ408を介して復路用オプティカルフ
ァイバ105に導かれ、この復路用オプティカルファイバ1
05内を伝送されて受光素子30に導かれるものである。
液面高さ計測用測距光波は、ダイクロイック開口402を
透過したもののみが対物レンズ41の円形部41bに導か
れ、反射面401Aにおいて反射されたものはオプティカル
ファイバ404に導かれ、その出射面404bから出射されて
ダイクロイックミラー406に平行光束として投光される
が、このダイクロイックミラー406は液面高さ計測用測
距光波を透過するべく機能するので、復路用オプティカ
ルファイバ105に導かれず、測距への影響が防止され
る。対物レンズ41の円形部41bに導かれた液面高さ計測
用測距光波は、原油液面Sにおいて反射され、反射測距
光波として対物レンズ41に導かれ、この対物レンズ4
1の集光部41aにより集光され、反射面401Bにおいて
反射され、コリメータレンズ407により平行光束に変換
され、ダイクロイックミラー406を透過してコリメータ
レンズ408に導かれ、このコリメータレンズ408により入
射面105aに結像され、復路用オプティカルファイバ105
内を伝送されて受光ダイオード30により受光されるもの
である。
以上実施例においては、測距光波と反射測距光波との位
相差に基づいて液面高さを測定するものとして説明した
が、測距光波と反射測距光波とに基づいて測距光波の液
面到達時間差を求めて測距するパルス方式の光波距離計
を利用した液面高さ計測装置にも本発明を適用できる。
(発案の効果) 本発明は、以上説明したように、液面高さを測定するに
際して、光波伝送路部材の長さを未知の物理量として事
前に測定するようにしたので、光波伝送路部材の長さの
増大に伴なう測距誤差の増大化を防止できることとな
り、液面高さの計測精度の向上をより一層期待できると
いう効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る液面高さ計測装置を原油タンク
の液面高さは計測装置に使用した実施例を示す模式図、
第2図は第1図に示されている光波距離計本体1と対物
光学系ユニットの詳細説明図、第3図は本発明に係る液
面高さ計測装置の第2の実施例を示す図であって、その
対物光学系ユニットの光学系路図、第4図ないし第6図
は本発明に係る液面高さ計測装置の第3の実施例を示す
図であって、第4図、第5図はその対物光学系ユニット
の光学系路図、第6図は、第4図と第5図とに示されて
いる対物レンズの平面図である。 1 ……光波距離計本体、30……受光ダイオード、 40……反射プリズム、41……対物レンズ、 100……液面高さ計測装置、 101……対物光学系ユニット、 102……オプティカルファイバ、 104……往路用オプティカルファイバ、 105……復路用オプティカルファイバ、 203a,203b……発光ダイオード、 210……反射プリズム、M……管理棟、 S……原油液面、T……原油タンク。 H……液面高さ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の変調周波数で変調された測距光波を
    発生する測距光波発生手段と、 前記測距光波を被測距液面に向かって照射し、該被測距
    液面において反射された反射測距光波を集光する対物光
    学手段と、 該対物光学手段に導かれた反射測距光波を受光する受光
    手段と、 前記測距光波発生手段を前記対物光学手段に光学接続し
    て前記測距光波を前記対物光学手段に導く往路用光波伝
    送路部材と、該対物光学手段を前記受光手段に光学接続
    して前記反射測距光波を前記受光手段に導く復路用光波
    伝送路部材とを有し、前記測距光波と前記反射測距光波
    とに基づいて前記被測距液面の高さを計測する液面高さ
    計測装置であって、 前記測距光波発生手段は、互いに波長が異なる液面高さ
    計測用測距光波と光波伝送路部材長さ計測用測距光波と
    を切換えて発生可能とされ、かつ、前記対物光学手段に
    は、前記往路用光波伝送路部材から出射された液面高さ
    計測用測距光波を前記被測距液面に導き、前記往路用光
    波伝送路部材から出射された光波伝送路部材長さ計測用
    測距光波は前記対物レンズの手前で反射させて前記復路
    用光波伝送路部材を経由させることにより前記受光手段
    に導く測距光波選択手段が設けられ、前記両光波伝送路
    部材の全長を含んだ距離データから両光波伝送路部材の
    全長を差し引いて液面高さを求める演算手段を備えてい
    ることを特徴とする液面高さ計測装置。
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