JPH06229813A - 低温用液面計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） ［目的］ 低温液体の容器内液面の高さを測定し、容器
充填率の相関的要素として目盛った発光素子ドットグラ
フ表示で前記高さを示す低温液面計の開発。 ［構成］ 電気的に同軸型コンデンサーを形成する筒状
の容量検針センサーを、低温液体貯蔵タンク内に吊り下
げ固定して、該センサーの中空部にタンク内液面と同じ
高さ位置になるように液体を導入するように構成する。
該センサーの電気容量を計測し且つ計測容量に相関しタ
ンク内液面に比例した量を表わす発光素子によるドット
グラフ表示手段を備えた電気回路装置をタンク外に附設
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、容器中の液体窒素等の
低温液体の充填率に対する相関的要素として液面の高さ
を測定する低温用液面計に関する。

【０００２】

【従来の技術】可搬式低温液体貯蔵タンクの液面は、こ
れまで通常、浮子及びバランススプリングと伝達ギヤー
及び指示針などの組合せからなる計器で計測していた。
ところで、このような機械的作動装置、殊に微妙な動き
を必要とする計測装置は、これを取付けた貯蔵タンクが
トラック等の運送手段で搬送され、また、施設の中で移
動されるために、その際の衝撃や強い振動を受け易く、
これにより計測機械の精密作動部分に及ぼされる機械的
ストレスで、このような計器の計測値表示が不正確にな
ることが多く発生していた。

【０００３】そして、医療機関あるいは生物研究所など
のような場所でのこの種低温液体の重要な用途では、貯
蔵タンク内の液体残容量を常に正確に知っておくことが
必要で、それが不正確な場合には大変危険であり、人命
にかかわることすらある。また、先端技術産業で用いら
れる場合では、この液体残容量の不適正な計測が経済的
損失をもたらすこともある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では、
計器における機械的可動部分を殆どなくすことにより、
従来の計器が持つ前述の欠陥を解消して、常に精度の高
い計測結果を得ることの出来る計器を開発することであ
り、具体的には貯蔵タンク内の低温液体のガス位相と液
体位相との各誘電率の相違に着目して開発したものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気的に同軸
型コンデンサーを形成する筒状の容量検針センサーを、
低温液体貯蔵タンク内に吊り下げ固定して、該センサー
の中空部にタンク内液面と同じ高さ位置になるように液
体を導入するように構成する一方、該センサーの電気容
量を計測し且つ計測容量に相関しタンク内液面に比例し
た量を表わす発光素子によるドットグラフ表示手段を備
えた電気回路装置をタンク外に附設してなることを特徴
とする。

【０００６】そして、前記容量検針センサーが円筒計導
管と該導管の中心に支持された導軸とからなり、該導管
と導軸との間に電気絶縁性のスペーサーを長手向きに間
隔を置いて配置すると共に、該導管の前記スペーサーを
挟んだ両側位置に液体および気体の流通が自由な小孔を
設けることによって、より実用的な装置を得ることが出
来る。また、前記回路装置を収納するケースの一部に複
数個の表示用小窓を開穿し、これ等小窓に向けて表示用
発光ダイオードを夫々配置して有効である。

【０００７】

【作用】低温液体貯蔵タンク内に設置する容量検針セン
サーは、タンク内の液体窒素などの低温液の液面までの
液体を十分に満たすことの出来る浸透性の空気／ガスコ
ンデンサーであって、液体がコンデンサーの中空部を満
たす度合に応じて、その電気容量がガスと液との層にお
ける誘電率の相違によって変化する。この変化を電気的
出力信号として検出し、回路処理によりこれを電気的強
弱に応じた段階的信号となして各段の表示用発光素子を
点灯させるように機能する。

【０００８】そして、円筒形導管の中心にスペーサーに
よって固定された導軸の相違で、同軸形のコンデンサー
が外部からの衝撃振動に耐える強固な構造体として形成
される。この場合に、スペーサの両側の導管位置に開穿
した小孔が、該スペーサーにより区画された導管内の中
空部（エアーギャップ）に液面の高さに応じて逐次注水
又は排水する充填又は出口孔として及びガスのそれとし
て機能し、これによりタンク内液面の高さと同軸コンデ
ンサー内液面の高さとの一致が計られる。回路装置収納
ケースの一部に設けた表示内小窓に、発光素子を夫々配
置することによって、これが点発光による簡便なグラフ
表示として機能する。

【０００９】

【実施例】次に、添附図面を参照して本発明の実施例に
ついて詳述する。図１は低温液体貯蔵タンクに配備した
本発明液面計の一実施例を一部縦断して示す側面図で、
外槽１及び内槽２との断熱二重槽からなる貯蔵タンクに
は、その内部中心位置に同軸コンデンサーからなる容量
検針センサー３が吊り下げた状態で取付け口４に固定し
てあり、該取付け口４の上部外方に後述する電気回路を
内蔵し表示手段を備えた電子装置ケース５を設置してあ
る。その他、６は保圧コイル、７は外槽安全弁を示す。

【００１０】図２は前記同軸コンデンサーからなる容量
検針センサーの一実施例を示す縦断側面図である。この
容量検針センサーは、同軸コンデンサーを形成する内径
Ｄの円筒形導管８と、該導管８の中心に支持されている
径ｄの導軸９とから出来ている。また、導管８の長さＬ
は液体のタンク満杯時の液面の高さ位置と空の時の位置
との差に等しくなる長さになっている。

【００１１】導軸９は一連のナイロン樹脂製電気絶縁性
のスペーサー１０によって導管８の中心部に閉じ込めら
れている。このスペーサー１０は導軸９の廻りにぴった
り納まるような内径で作った短い管の形をしていて、外
径は僅かな摩擦力で導管８にすべり込ませることが出来
る程度になっている。コンデンサーの電気容量は導管８
の中止部から導軸９がずれると影響が起きるので、これ
を防止するために、通常使っている際に導軸９が曲がる
ことを防ぐことも考慮して、軸の長方向きに配置される
スペーサー１０の数をふやす必要がある。

【００１２】そして、防錆の為に導管８には非鉄材料を
使うことが望ましく、そこでこの導管８にはアルミニュ
ームを使用する。また、どこにでもある非鉄金属を管軸
材として使う場合には硬さが充分でない。従って充分な
硬さと耐食性を考え導軸９には銅メッキした鉄棒を使う
ことが好ましい。

【００１３】導管８の中を液体が自由に上下できるよう
にする為、導管８にスペーサーを挟むようにその真上と
真下に一連の小孔を開けることが必要である。このスペ
ーサー１０の真上にある小孔は充填孔１１であり、これ
は液量が上昇すると液が該孔１１から入り導管内の分量
を満たし、又、液面が下降すると、導管内の分量が該孔
１１から流出する。ここでいう導管内の分量とは上下二
つのスペーサー１０、導管８及び導軸９で閉じ込められ
る分量のことである。スペーサー１０の真下の孔は出口
孔１２で、これによって上下二つのスペーサーによって
閉じ込められた液量中のガスが液面の上昇時に逃げ出
し、また液面が下降する際にガスが分量内に入り込むこ
とになる。そして、一番上のスペーサー１０はエポキシ
セメントで導軸９および導管８に密着固定されている。

【００１４】一番上のスペーサー１０が位置するところ
に導管８に雌ネジ溝を切り、これに螺合するビスネジ１
４で締められるようになっている。このビスネジ１４で
電子回路とつながる電線１３の内の１本を固定し、又、
必要な場合には電線１３の緊張を防止する為の保護糸も
固定するようになしてある。そして、電線１３の他の１
本は導軸９の先端にハンダ付けしてある。

【００１５】図３は本発明液面計における電子装置での
信号処理の状況を示すブロック図であり、図４にそのた
めの具体的な回路構成を示す。発振器の増幅段として形
成される抵抗Ｒ１ａ〜Ｒ１ｃ及びＲ３、集積回路Ｕ１お
よびコンデンサーＣ５は、浮遊容量または寄生容量の設
計でレイアウトされるもので、その結果、この回路の振
動周波数は主に前段信号源の容量検針センサーからの信
号の値によって決定される。この発振器が選定する構成
要素のレイショーメトリック及び熱対応は熱変動又は電
圧変動に対してオシレイタードリフトを大幅に減少させ
ることが出来る。従って容量検針センサーに関しては作
動周波数は安定しており、かつ繰り返し作動が可能であ
る。周波数分配器としての集積回路Ｕ２は前段の発振器
の出力周期を延長させる為に使われ、更に浮遊容量およ
び精密パルス幅発生器のパラシティブ効果を減少させる
為に使用する。

【００１６】精密パルス幅発生器を形成する抵抗Ｒ６及
びＲ７、コンデンサーＣ１および集積回路Ｕ３ｂはハリ
ス社製（ＣＤ７４ＨＣ４５３８）ないしは同等の単安定
マルチバイブレーターに準拠したタイミング基準値を得
る。これは液体窒素容器に液体が半分入っている時、５
０％の反復使用率を出すように目盛をつけてある。電位
差計としての抵抗Ｒ６はこれにより通常の生産時に起こ
り得る構成要素の変更補正および目盛調整を行うことが
可能である。

【００１７】電圧変換器の抵抗Ｒ９、コンデンサーＣ２
および集積回路Ｕ４ａは、周波数効率を平均化にする為
に選定された低域フィルターである。この結果として得
た平均電圧を基準電圧で割ると５０％ＤＵの小エクスカ
ーションの数字で表わされる反復使用率と一致する。

【００１８】感度位取り及びクランピング回路における
抵抗Ｒ１０乃至Ｒ１７、ダイオードＣＲ１および集積回
路Ｕ４ｂの増幅器の部分はこの計器の誤差を補正するも
のである。このセクションのレジスター比を計測し多少
とも非直線使用率の伝達関数に対して最適の直線補間を
表示する。統計的には最大の誤差は窒素の液面が２５％
と７５％の時に起きる。その内、レイショーメトリック
出力クランプである抵抗Ｒ１３及びＲ１７とダイオード
ＣＲ１は少なくとも表示の１セグメントは必ず照明がつ
くことを確保するために機能する。ダイオードＣＲ１は
演算増幅器の帰還ループの範囲内にあるのでその電圧低
下は感度（ゲイン）と回路の位取りにほとんど影響を与
えない。

【００１９】表示セクションには集積回路Ｕ５、発光素
子ＬＥＤ１１０、抵抗Ｒ２１およびＲ１８が含まれる。
抵抗Ｒ１８は発光素子駆動電流を出して、該素子を明る
く点灯させる。表示電動部の集積回路Ｕ５には一連の電
圧コンパレーターがあり、又内蔵の基準値と発光素子駆
動出力も含んでいる。この装置に棒グラフ又は点グラフ
を表示するプログラムを組むことが可能であるが、本発
明の実施にあっては電池の寿命を延ばす為に点グラフ表
示を採用した。

【００２０】電圧調整器を構成するトランジスタＱ１、
Ｑ２、抵抗Ｒ１９、Ｒ２０およびコンデンサーＣ４はこ
の計量器の為に安定した電圧基準値を得るための低ドロ
ップアウト調整器として設定されている。絶対正確の要
求条件はレイショーメトリックの設計概念の応用で最低
に押えてある。

【００２１】バッテリー適正表示回路には抵抗Ｒ２２乃
至Ｒ２４、トランジスタＱ３およびダイオードＣＲ３が
組込まれている。トランジスタＱ３はバッテリー電圧の
計測部分と発光素子表示、ダイオードＣＲ３の限界電圧
を比較する電圧コンパレーターとして使用される。バッ
テリーの寿命が切れる設定値は約５ボルトである。トラ
ンジスタＱ３はコンパレーターとして使用するので、有
限感度はバッテリーの寿命が近づくにつれ発光素子表示
の光が徐々に薄くなる。これにより問題が起きている事
が判り、能力低下したバッテリーを交換する目安とな
る。バッテリーの逆極接続が偶発的に起きるのを防ぐ
為、ダイオードＣＲ２がバッテリーに並列に回路接続し
てある。

【００２２】図５は本発明液面計における電子装置ケー
スの一例を示す側面図である。電子装置ケースは二つの
主要部分で出来ている。すなわち、アルミダイキャスト
ケース１８に発光素子読み取り用として１０段階の小穴
１５が開穿してあり、また別の小穴１６が電池表示用と
して設けてある。そのケース１８には取り外しが出来る
蓋が有り、ケース１８の本体にネジ締めで止めてある。
また、耐食性金属継手１９の片方の先端にねじ部１７が
有り、前述の貯蔵タンク取付け口４に取りつくようにな
っている。又もう一方の端はケース１８に取りつき、継
手１９の軸回りに約３００度廻るようになっている。

【００２３】この電子回路はプリント回路基板の上に装
着されている。基板についている発光素子ＬＥＤ１１０
及びＣＲ３は全部ケースのそれぞれの小穴１５及び１６
に合った位置にある。基板をケースの中に納め、発光素
子がそれぞれの小穴１５及び１６と一致することを確認
してから、基板を接着剤で留めてある。ケースの底面に
は巾ａ（図示せず）、深さｂ（図示せず）の切込みがあ
りａの巾で開口部になっている。

【００２４】その他、この継手１９は図６に示すような
構成上の特徴がある。すなわち、径ｃ、高さｄの円柱軸
受けの円柱面にピンが最上方のところに打ち込んであ
る。軸受け面と大きい円柱、径ｇの平らな面の境目に溝
があり、溝の底が径ｆの円柱を規定している。径ｇの円
柱が容器の上に乗るケースを保持し、電源スイッチを入
れる十分な余裕を持たせている。円柱の両側に平行に平
らな面を加工してあり、継手を廻す為にレンチを使って
もよいようになっている。この円柱の底面にＯリングを
はめて貯蔵タンクを気密風閉する。継手１９の最末端に
は容器の入口ねじ山と合うネジを切ってある。継手１９
の軸に沿ってその真直に穴を開けてある。

【００２５】組立にはａ巾の切込に継手１９を挿入し、
巾ｅの溝をケースの底面にかみ合わせる。円柱径ｆはａ
より数千分の１吋小さ目であるので、これを自由に廻す
ことが出来る。薄いゴムワッシャーを径ｆの部分の廻り
にかぶせ径ｇの部分とケースの外側の間に入れる。ｅの
寸法はケースの肉厚とゴムワッシャーの厚みが加わった
ものであり、これによって組み立ての締まり嵌めがケー
ス１８をしっかりと保持し、かつ水分に対してこの切込
みを密封する事が出来る。勿論その後に、ケース１８は
継手１９の軸の廻りを廻ることにならねばならない。

【００２６】ケース１８の蓋をケースに取り付ける際、
蓋の内面のふちが径ｃの軸受面にピンｈの下で接触する
ことになる。ピンｈの長さは、先端が蓋の反対側の底板
に接するが蓋には接触しない。従ってケース１８は約３
００度継手の軸を中心として回転することになる。この
ピンｈの目的は３００度以上ケースが廻ることを防ぐも
のであり、配線のよじれや切断を防止することにある。

【００２７】電気信号を継手１９を通して伝える為に、
一対のエナメル絶縁銅単線１３が継手の中心穴を通って
おり、この穴をエポキシセメントで密封してある。テフ
ロン被覆絶縁したより線が導軸９の下端にハンダづけさ
れ、前述の容量検針センサーにつながり、また、より線
は単線の上端にハンダづけされ電子部分と接続されて、
前述の電子装置の機能動作が行なわれるように回路を接
続する。

【００２８】

【発明の効果】このように、本発明液面計は、低温液体
の容器内ガス位相と液位相との誘電率の相違に基き、容
器内の液量に比例した電気的信号として検知し、これを
発光素子の点灯によるグラフ表示するように構成したの
で、先ず、機構作動部に機械的な稼動部分をほとんど用
いておらず、これによる従来計器における諸欠陥を一挙
に解決することが出来ると共に、本発明液面計は小嵩軽
量にして容器への一体取付けが容易であるなど、その効
果が実用に供して極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明液面計を装着した低温液体容器を一部縦
断して示す構成図である。

【図２】本発明液面計における容量検針センサーの一実
施例を示す縦断側面図である。

【図３】本発明液面計における電子装置の信号処理の過
程を示すブロック図である。

【図４】本発明液面計における電子装置の一実施例を示
す回路図である。

【図５】本発明液面計における電子装置ケースの一例を
示す正面図である。

【図６】本発明液面計における電子装置ケースの継手部
を拡大して示す正面図である。

【符号の説明】

１ 外槽 ２ 内槽 ３ 容量検針センサー ４ 取付け口 ５ 電子装置ケース ６ 保圧コイル ８ 円筒形導管 ９ 管軸 １０ セパレータ １１ 充填孔 １２ 出口孔 １５、１６ 小穴 １８ アルミダイキャストケース １９ 継手 Ｒ１乃至Ｒ２４ 抵抗 Ｃ１乃至Ｃ５ コンデンサー Ｕ１乃至Ｕ５ 集積回路 Ｑ１乃至Ｑ３ トランジスター ＬＥＤ１１０及びＣＲ３ 発光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー エス．レビン アメリカ合衆国 02173 マサチュセッツ 州 レキシントン，ターニング ミル ロ ード 59 (72)発明者 ジェイムス エイ．カロン アメリカ合衆国 02155 マサチュセッツ 州 メッドフォード，コート ストリート 48

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気的に同軸型コンデンサーを形成する
   筒状の容量検針センサーを、低温液体貯蔵タンク内に吊
   り下げ固定して、該センサーの中空部にタンク内液面と
   同じ高さ位置になるように液体を導入するよう構成する
   一方、該センサーの電気容量を計測し且つ計測容量に相
   関しタンク内液面に比例した量を表わす発光素子による
   ドットグラフ表示手段を備えた電気回路装置をタンク外
   に附設してなることを特徴とする低温用液面計
2. 【請求項２】 前記容量検針センサーが円筒計導管と該
   導管の中心に支持された導軸とからなり、該導管と導軸
   との間に電気絶縁性のスペーサーを長手向きに間隔を置
   いて配置すると共に、該導管の前記スペーサーを挟んだ
   両側位置に液体および気体の流通が自由な小孔を設けて
   なる請求項１記載の低温用液面計
3. 【請求項３】 前記回路装置を収納するケースの一部に
   複数個の表示用小窓を開穿し、これ等小窓に向けて表示
   用発光素子を夫々配置してなる請求項１記載の低温用液
   面計