JPH07280625A

JPH07280625A - 光波レベル計

Info

Publication number: JPH07280625A
Application number: JP6089143A
Authority: JP
Inventors: Yoshiisa Narutaki; 能功鳴瀧; Katsutoshi Sato; 勝利佐藤; Masayuki Toda; 正之渡田
Original assignee: M II C ENG SERVICE KK; Opt KK
Current assignee: M II C ENG SERVICE KK; Opt KK
Priority date: 1994-04-04
Filing date: 1994-04-04
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】容器内の引火性液体の液面レベルを安全に高精
度で測定する。【構成】引火性液体が入れられた容器内等危険区域に設
置される光ヘッド２と、容器より遠く離れた監視室等安
全区域に設置される本体３との間に光学的に接続される
第１、第２及び第３中継器４，５，６を備える。本体３
が、変調された往路光を第１中継器４を経て液体の液面
８に投射する発光素子１１と、この液面で散乱した復路
光を第２中継器５を経て受光する受光素子１２と、発光
素子１１に供給した変調信号と受光素子１２からの信号
に基づいて光ヘッド２と液面８との間の距離を算出する
制御回路１３とを含む。容器内には、液面８上に不活性
ガスを充填させる。光ヘッド２は、第１中継器４を経由
した往路光の一部を校正光として取出すビームスプリッ
タ１４を含み、本体３は、この校正光を第３中継器６を
経由して受光する光ポート１８を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばガソリン等の引
火性液体のタンク内に設置される光ヘッドとの間に、半
導体レーザ、ＬＥＤ或はＳＬＤによる変調光を授受し
て、液面までの距離を測定する光波レベル計に関する。

【０００２】

【従来の技術】変調光の位相差で目標物までの距離を測
定する光波距離計は、米国特許第３，６１９，０５８
号、特開昭４７−３２８５２号、特開昭５５−１１９０
８２号、特開昭５７−３０６３号、特開昭６０−２１１
３８０〜２１１３８２号及び特願平２−３０５５７１号
に開示されている。これらの光波距離計は、内部に所定
長の校正光路を形成し、この校正光路による測定値で目
標物までの外部測定値を校正して、測定精度を向上させ
ている。

【０００３】従来、殆どの光波距離計は、変調光を目標
物に投射し、その散乱光の一部を受光する光学系と、変
調光の位相差を電子的に処理する電気系とが同一の筺体
に内蔵されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、従来の光波距
離計は、電源を投入或は遮断する時に電源スイッチの接
点間でスパークが発生する恐れがあり、或はシャッタ板
を回動させる電気モータのブラシ間にもスパークが発生
する恐れがある。また、往路光及び復路光用の光学系を
分離して２本の光ファイバケーブルで延長する方法も考
えられるが、これら光ファイバケーブルの長さ及び温度
係数によって測定値に相当の誤差が生じる。例えば、１
度ＣでＫm＝５ppmの温度係数を持つ光ファイバにおいて
は、３００メートルの長さで５０度Ｃ変化した時に７５
mmの誤差が生じる。

【０００５】本発明は、上述した問題点に鑑み、光学系
と、電気系とを分離し、これらの間を例えば少なくとも
２本の光ファイバケーブルで連結して光信号の授受を行
って、引火性液体が入れられた容器内の液面までの距離
を安全に行える光波レベル計を提供することを目的とす
る。また、光学系と電気系とを連結する２本の光ファイ
バケーブルの設置長さ及び温度係数による測定誤差を、
校正用の第３の光ファイバケーブルを用いて補償し、同
時に光ファイバケーブルの膨張係数をも補償することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による光波レベル
計は、光ヘッドと、この光ヘッドとの間で変調光を授受
する本体と、これら光ヘッド及び本体間に光学的に接続
される第１及び第２中継器とを備え、前記本体は、変調
された往路光を第１中継器及び光ヘッドを経て目標物に
投射する発光素子と、この目標物で散乱した復路光を光
ヘッド及び第２中継器を経て受光する受光素子と、発光
素子に供給した変調信号と受光素子からの信号に基づい
て光ヘッドと目標物との間の距離を算出する制御回路と
を含むことを特徴とする。

【０００７】前記光ヘッドは、第１中継器を経由した往
路光の一部を校正光として取出すビームスプリッタを含
み、前記本体は、この校正光を第３中継器を経由して受
光する光ポートを含み、更に目標物で散乱した復路光を
集光する対物レンズと、集光された復路光を反射させ
て、第２中継器の一端面に合焦させる平面鏡とを備え
る。

【０００８】また、光ヘッドは、対物レンズに同軸配置
されて、前記往路光を案内する分離体を含む。この分離
体は、対物レンズを貫通するように配置され、外周面に
光吸収材が塗布された円筒部材が好ましい。また、発光
素子は、レーザ光を放射する半導体レーザ、発光ダイオ
ード或はスーパールミネセントダイオードである。

【０００９】本発明による別の光波レベル計は、上述の
対物レンズ及び平面鏡の代りに、前記目標物で散乱した
復路光を集光しながら反射させて、前記第２中継器の一
端面に合焦させる凹面鏡を備える。前記本体には、復路
光と校正光とを所定の時間比率で切換えるシャッタが配
置される。このシャッタは、復路光用に略Ｃ字状の長孔
が形成され、校正光用に開口が形成された回転自在の円
板或は液晶シャッタを含む。

【００１０】本発明による更に別の光波レベル計は、引
火性液体が入れられた容器内に設置される光ヘッドと、
この容器外に設置される本体と、これら光ヘッド及び本
体間に光学的に接続される第１及び第２中継器とを備
え、前記本体は、変調された往路光を第１中継器を経て
液体の液面に投射する発光素子と、この液面で散乱した
復路光を第２中継器を経て受光する受光素子と、発光素
子に供給した変調信号と受光素子からの信号とに基づい
て光ヘッド及び目標物間の距離を算出する制御回路とを
含み、前記容器内には、液面上に不活性ガスが充填され
る。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明による光波レベル計の実施例
を図面を参照して説明する。

【００１２】図１は、本発明による光波レベル計１の実
施例を示している。この光波レベル計１は、光ヘッド２
と、この光ヘッド２との間で変調光を授受する本体３
と、これら光ヘッド２及び本体３間に光学的に接続され
る第１中継器４、第２中継器５及び第３中継器６とを備
えている。この光ヘッド２は、通常危険区域内の引火性
液体の容器７或はタンク内の最上部に下向きに設置され
る。一方、本体３は、引火性液体の容器７から遠隔の例
えば監視室内等の安全区域に設置される。

【００１３】この本体３は、図２に示すように、例えば
１５０ｋＨｚ或は１５ＭＨｚで変調された往路光を第１
中継器４及び光ヘッド２を経て目標物即ち引火性液体の
液面８に投射する発光素子１１と、この液面８で散乱し
た復路光を光ヘッド２及び第２中継器５を経て受光する
受光素子１２と、発光素子１１に供給した変調信号と受
光素子１２からの信号に基づいて光ヘッド２及び液面８
間の距離を算出する制御回路１３とを含む。

【００１４】各中継器４〜６は、両端面が鏡面仕上げさ
れた光ファイバケーブルが用いられる。各光ファイバケ
ーブルは、コアとクラッドとの屈折率が段階的或は徐々
に異なった１本のガラス或はプラスチックファイバ或は
光ファイバの束からなる。

【００１５】一方、光ヘッド２は、第１中継器４を経由
した往路光の一部を校正光として取出すビームスプリッ
タ１４と、液面８で散乱した復路光を集光する対物レン
ズ１５と、集光された復路光を反射させて、第２中継器
５の一端面１６に合焦させる平面鏡１７とを含み、本体
３は、校正光を第３中継器６を経由して受光する光ポー
ト１８を含む。

【００１６】まず、発光素子１１には、ＬＥＤ（発光ダ
イオード）、特に８５０nm波長の赤外線を発光する超高
輝度のＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、
或は６４０nm波長のコヒーレントなレーザ光を放射する
半導体レーザが用いられる。この発光素子１１と第１中
継器４の一端面との間には、発光素子１１の往路光を同
一端面に合焦させる凸レンズ２０が設けられるが、発光
素子１１の発光窓に直接光ファイバを差し込んで、この
凸レンズを省略してもよい。

【００１７】一方、第１中継器４の他端面は、光ヘッド
２に配置され、その前側に発光素子１１の往路光を例え
ば約３mmφの平行光にさせるコリメートレンズ２１が同
軸配置される。この平行光の一部はビームスプリッタ１
４で反射後、校正光として凸レンズ２２によって第３中
継器６の一端面に合焦させられる。平行光の大部分は、
平面鏡１７及び対物レンズ１６を貫通して同軸配置され
た円筒部材２３を通って、タンク（図示略）内の引火性
液体の液面８に照射される。液面８で散乱した復路光
は、対物レンズ１５で集光され、平面鏡１７で反射され
て、第２中継器５の一端面１６に合焦させられる。

【００１８】第２中継器５の他端面は、本体３内に配置
され、その前側に他端面からの復路光を例えば約３mmφ
の平行光にさせるコリメートレンズ２４が同軸配置され
る。このレンズ２４の前側には、光量を調整するＮＤフ
ィルタ２５、シャッタ板２６、第２のビームスプリッタ
２７、凸レンズ２８及び受光素子１２が光学的に同軸配
置されて、外部測定時のシャッタの開口時には、他端面
からの復路光を平行光にし、その後受光素子１２の受光
面に合焦させている。

【００１９】複数のＮＤフィルタ２５を保持する保持盤
３０は、中心がモータ３１の出力軸に固定され、その回
りに等間隔に複数の円形の穴が形成される。各穴には、
１つの穴を除いて例えば２倍、４倍等の濃度を持つＮＤ
フィルタが順次取付られている。保持盤３０の周辺部に
は各穴と対応してエンコーダ即ち位置合わせ用の小穴
と、特定の穴に対応したインデックス用の小穴が各々形
成される。

【００２０】これらの小穴は、ホトインタラプタ或はホ
トリフレクタからの角位置信号及びインデックス信号で
検出される。即ち、制御回路１３は、例えばＮＤフィル
タの濃度を濃くしたい時に、モータ３１を制御して、保
持盤３０を次の位置合わせ用の小穴を角位置信号で検出
するまで例えば時計方向に回転させる。この小穴を検出
した時には、平面鏡１７及び第２中継器５を経由した復
路光が特定のＮＤフィルタに光学的に位置合わせされて
いる。また、インデックス信号は、例えば最も濃度の濃
いＮＤフィルタを示している。この保持盤３０は、減速
機構（図示略）の出力軸に軸支されて、この減速機構に
回転を伝達するモータ３１で角駆動させてもよい。

【００２１】光ヘッド２には、往路光が対物レンズ１５
の裏面等で乱反射して受光素子１２に漏れるのを防止す
る分離体２３が取付られる。この分離体２３は、往路光
に光学的に同軸配置されて、往路光を外部にのみ案内す
る金属製の円筒部材、高屈折率のガラス円柱或は円筒面
に金属を蒸着したガラス円柱を含んでいる。勿論、対物
レンズ１５は、反射防止膜を１層或は多層に塗布或は蒸
着してもよい。

【００２２】この分離体２３は、対物レンズ１５及び平
面鏡１７を各々貫通して配置されている。この分離体２
３は、平面鏡１７のみを貫通し、先頭の環状面が対物レ
ンズ１５に当接するようにしてもよい。また分離体２３
は、先頭の環状面及び後尾の楕円環状面が対物レンズ１
５及び平面鏡即ちビームスプリッタ１７と各々当接する
ように配置されてもよい。

【００２３】一方、液面８までの測定値を校正する所定
長の校正光路内に設けられるビームスプリッタ（ダイク
ロイックミラー）１４は、往路光から校正光を分割し
て、同校正光を凸レンズ２２を経て第３中継器６の一端
面に合焦させている。第３中継器６の他端面（光ポート
１８）は、本体３に配置されて、その前側に他端面から
の校正光を例えば約３mmφの平行光にさせるコリメート
レンズ３４が同軸配置される。このレンズ３４の前側に
は、光量を調整するＮＤフィルタ３５、シャッタ板２
６、プリズム３６、第２のビームスプリッタ２７、凸レ
ンズ２８及び受光素子１２が順次光学的に同軸配置され
て、校正時のシャッタの開口時には、他端面からの校正
光を平行光にし、その後受光素子１２の受光面に合焦さ
せている。

【００２４】複数のＮＤフィルタ３５を保持する保持盤
３７は、中心がモータ３８の出力軸に固定され、その構
成が前述の保持盤３０と略同一である。従って、第２の
角位置信号及び第２のインデックス信号は、操作者が例
えばＮＤフィルタの濃度を濃くしたい時に用いられる。

【００２５】更に、円形のシャッタ板２６は、モータ４
０により一定角速度で時計方向に回転駆動されている。
このシャッタ板２６には、図３に示すように、往路光及
び校正光の通過時間を所定の比率に設定するＣ字状の長
孔４１及び括弧状のセクタ穴４２が同軸的に各々形成さ
れると共に、これら往路光及び校正光の通過時刻を制御
回路１３に送るインデックス４３が周辺部に形成され
る。このインデックス４３は、例えば米粒大の丸穴或は
接着された磁石で、フォトカプラ或は磁気ホール素子で
検出される。

【００２６】図１には、液面８からの変調復路光が長孔
４１を通過して受光素子１２で受光され、変調校正光が
シャッタ板２６で遮断される状態が示される。この状態
において、発光素子１１に供給した出力変調波と、受光
素子１２から得られる入力変調波との位相差が例えば１
０回計測されて、これらの合計値を平均して最終的に距
離に換算している。

【００２７】校正状態では、校正光がセクタ穴４２を通
過して受光素子１２に到達して、入出力変調波の位相差
が１回測定されて、気温或は気圧等による測定誤差を補
償している。また、距離測定が精度よく実施されるよう
に、シャッタ板２６が１回転する毎に、１０サイクルの
外部距離測定時間及び１サイクルの校正時間が割り当て
られている。従って、シャッタ板２６に設けられた距離
測定用のＣ字状の長孔４１の円弧角が校正用セクタ穴４
２のそれより１０対１に割り当てられている。これら長
孔４１及びセクタ穴４２は、シャッタ板２６の回転軸を
中心として同軸配置された２つの円に各々挟まれて、各
円弧角が略３００度：３０度になるようにフライス盤で
形成される。

【００２８】従来の光波レベル計はシャッタ板を時計或
は反時計方向に間欠回動させていたが、本発明では、シ
ャッタ板２６を一方向に回転させて、往路光と校正光と
を所定の時間比率（例えば１０対１）で切換えているの
で、外部測定値の精度を増加させながら、校正測定値で
迅速に校正することができる。

【００２９】これら中継器４〜６は光ヘッド部と、延長
部と、本体部とに区画されてもよい。この場合、延長部
は、３つの中継路が１本のケーブル内に集積され、両側
に３つの光ポートを持つ雄及び雌型の光コネクタが接続
される。また、本体部は、例えば雄型の光コネクタの対
応のポートに光学的に接続される３本の光ファイバケー
ブルが分離して対応の箇所に接続される。光ヘッド部も
同様に雌型の光コネクタの対応のポートに光学的に接続
される３本の光ファイバケーブルが分離して対応の箇所
に接続される。

【００３０】図４は、光波レベル計１の第２の実施例を
示す部分断面図である。この実施例では、シャッタ板２
６及びモータ４０の代りに、印加電圧の極性で透明或は
不透明となる２つの液晶シャッタが設けられている。第
１の液晶シャッタ５１はコリメートレンズ２４の前側に
光学的に同軸配置され、第２の液晶シャッタ５２がコリ
メートレンズ３４の前側に光学的に同軸配置される。こ
の配列においては、往路光による測定時間と校正光によ
る測定時間との比率を制御回路１３からの電気信号によ
り任意に容易に調節できる。しかも、モータやシャッタ
板のような機械部品が無いので、信頼性が増加する。

【００３１】また、図２に示す単眼同軸方式の光ヘッド
の代わりに、複眼方式の光ヘッドを用いている。この場
合、反射鏡１７及び分離体２３が省略できる。更に、別
の実施例では、図２に示す対物レンズ１５、反射鏡１７
及び分離体２３の代りに、略中央に往路光用の穴が明け
られた１枚の凹面鏡を用いることができる。この凹面鏡
は、復路光の集光と第２中継器５の一端面１６への合焦
とが同時にでき、従って、高価で比較的重い対物レンズ
を省略でき、軽量化とコストダウンとを達成できる。

【００３２】ビームスプリッタは、適宜コールドミラー
或はコールドフィルタを用いてもよい。分離体は、管状
即ち円筒状を図示したが、高透過率コアと高屈折率クラ
ッドとを有する例えば３mm径の光ファイバ、髪の毛の細
さの光ファイバを束ねた結束ファイバ或は中実のガラス
円柱であってもよい。さらに、この分離体の円周面に光
吸収手段（例えば黒色の皮膜）を設けることにより復路
光の乱反射を防ぐこともできる。

【００３３】なお、レーザ光を用いて液面８までの距離
を測定し、校正光の測定値を用いて液面８までの距離の
測定値を校正する制御回路１３は、従来周知の光波距離
計と同様の回路構成を適用することができる。

【００３４】容器７内の例えばガソリン等の引火性液体
の液面上の空間には通常大気中の空気が充満されてい
る。この空気とガソリンとが最適な混合比になった場合
には、引火性或は爆発性の気体が生成される恐れがあ
る。また、日中の温度変化から光ヘッド内の部品に曇り
或は水滴が凝結して測定精度を悪化させる恐れがある。
これらを予防するために、容器７内の空間には、図１に
示すように乾燥チッソガス或は炭酸ガス等の不活性ガス
が入口９から充填されている。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光波
レベル計は、引火性液体の容器内の液面レベルを安全に
計測することができる。また、光学系と電気系とを連結
する２本の光ファイバケーブルの設置長さ及び温度係数
による測定誤差を、校正用の第３の光ファイバケーブル
を用いて補償し、同時に光ファイバケーブルの膨張係数
をも補償することができる。また、シャッタが所定の時
間比率例えば往路光の測定回数を１０、校正光のそれを
１の割合で交互に切換えているので、液面８までの距離
が迅速に正確に測定することができる。不活性ガスの充
填で、内部の光学機器が曇らず、正確な計測が安全に実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光波レベル計の設置状況を示す概
略図である。

【図２】本発明による光波レベル計の第１実施例を示す
概略部分断面図である。

【図３】図２に示す光波レベル計のシャッタ板の平面図
である。

【図４】本発明による光波レベル計の第２実施例を示す
概略部分断面図である。

【符号の説明】

１光波レベル計２光ヘッド３本体４第１中継器５第２中継器６第３中継器７容器８液面１１発光素子１２受光素子１３制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤勝利東京都町田市三輪町315−１株式会社オプテック内 (72)発明者渡田正之広島県広島市中区江波沖町５番１号エムイーシーエンジニアリングサービス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ヘッドと、この光ヘッドとの間で変調光
を授受する本体と、これら光ヘッド及び本体間に光学的
に接続される第１及び第２中継器とを備え、前記本体は、変調された往路光を前記第１中継器及び光
ヘッドを経て目標物に投射する発光素子と、この目標物で散乱した復路光を前記光ヘッド及び第２中
継器を経て受光する受光素子と、前記発光素子に供給した変調信号と前記受光素子からの
信号に基づいて前記光ヘッドと前記目標物との間の距離
を算出する制御回路とを含むことを特徴とする光波レベ
ル計。
【請求項２】前記光ヘッドは、前記第１中継器を経由し
た前記往路光の一部を校正光として取出すビームスプリ
ッタを含み、前記本体は、この校正光を第３中継器を経由して受光す
る光ポートを含む請求項１に記載の光波レベル計。
【請求項３】前記光ヘッドは、前記目標物で散乱した復
路光を集光する対物レンズと、集光された前記復路光を反射させて、前記第２中継器の
一端面に合焦させる平面鏡とを備えた請求項２に記載の
光波レベル計。
【請求項４】前記光ヘッドは、前記対物レンズに同軸配
置されて、前記往路光を案内する分離体を含む請求項３
に記載の光波レベル計。
【請求項５】前記分離体は、前記対物レンズを貫通する
ように配置される請求項４に記載の光波レベル計。
【請求項６】前記分離体は、外周面に光吸収材が塗布さ
れた円筒部材である請求項４に記載の光波レベル計。
【請求項７】前記光ヘッドは、前記目標物で散乱した復
路光を集光しながら反射させて、前記第２中継器の一端
面に合焦させる凹面鏡を備えた請求項２に記載の光波レ
ベル計。
【請求項８】前記本体には、前記復路光と前記校正光と
を所定の時間比率で切換えるシャッタが配置される請求
項２に記載の光波レベル計。
【請求項９】前記シャッタは、前記復路光の通過位置に
略Ｃ字状の長孔が形成され、前記校正光の通過位置に開
口が形成された回転自在の円板を含む請求項８に記載の
光波レベル計。
【請求項１０】前記シャッタは、前記復路光と前記校正
光とを所定の時間比率で切換える液晶シャッタを含む請
求項８に記載の光波レベル計。
【請求項１１】引火性液体が入れられた容器内に設置さ
れる光ヘッドと、この容器外に設置される本体と、これ
ら光ヘッド及び本体間に光学的に接続される第１及び第
２中継器とを備え、前記本体は、変調された往路光を前記第１中継器を経て
前記液体の液面に投射する発光素子と、この液面で散乱した復路光を第２中継器を経て受光する
受光素子と、前記発光素子に供給した変調信号と前記受光素子からの
信号に基づいて前記光ヘッドと前記目標物との間の距離
を算出する制御回路とを含み、前記容器内には、前記液面上に不活性ガスが充填される
ことを特徴とする光波レベル計。