JPS6128825A - 容器内流動材料のレベルを測定する方法および装置 - 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、導波管を介して送信機から供給されるマイク
ロ波信号により、容器に貯蔵されている流動材料のレベ
ルを測定する方法、並びにそれを実施するための装置に
関する。

前記導波管は、容器を経て下方へ垂゛直に伸び、かつ導
波管内の材料のレベルが、周囲の材料のレベルと等しく
なるよう、容器と連通し、また、前記信号は、面によっ
て反射されて導波管を通り、かつ電子ユニットで信号処
理された後、容器内の材料のレベルを決定するべく、受
信器へ導かれるようになっている。

（従来の技術） 米国特許第４’、　０４４．３５’５号明細書に開示さ
れている如く、タンクなどに入っている液体、若しくは
液体様材料のレベルを測定するのに、レーダーが使用さ
れることがある。空気中、若しくは他のガス中における
レーダー波の速度は、非常に安定しているので、良好な
精度が得られる。また、レーダーアンテナは、大変丈夫
な材料でつくることができるので、このようなレベル測
定器は、温度や、化学腐蝕や、機械的応力に対して相当
に過酷な状況の下で使用できる。

レーダーアンテナは、タンクの頂部にある孔に取り付け
ることができるので、設置が簡単であり、かつ又、保守
や交換を簡単に行なうことができる。

従来、レーダービームには、タンクにある筋違、梯子、
パイプなどの間を縫って、ある空間を設ける必要があり
、そのため、使用上の制限があった。

仮りに、直径りの丸いレーダーアンテナを使用するとし
たら、レーダービームの使用幅は、約λ／Ｄラジアンと
なるが、レーダービームの拡散境界を考慮に入れての乱
されないゾーンは、約２λ／Ｄラジアンの頂角を有する
円錐でなければならない。ここで、λは、レーダー搬送
波の波長を表わし、例えば３ａｎという値である。

各種の実際的な問題を考慮して、アンテナの直径は、あ
る制限内にとどめなければならず、かつ、搬送波の波長
は、レーダー送信機や他の要素が、高価であることと、
ＶＨＦの搬送波に対し微妙であるため、実際上、限度が
ある。

従って、レーダービームは、勝手に狭くできず、いろい
ろな使用面において、不都合が生じ、例えば、装置を、
姿勢や傾きが変わるようなタンカーに使用する場合など
全く不適当である。実際には、５〜１５度の角度が、代
表的な空間要件であると言える。これは、多くのタンク
には、自由空間伝搬を有するレーダーレベル測定器を取
り付けることができないことを意味する。

このことは、浮動ルーフを有するタンク、即ち。

内容量に直接基づいて浮動するルーフを備えたタンクに
ついても言える。

上述の制約を解消するため、タンクを経て下方に伸びる
導波管に、レーダー波を導く方法がある。

この方法によるレベル測定は、例えば米国特許第４，３
５９，９０８号明細書に開示されているように、すでに
、試みられてきているが、使用されるレーダー周波数範
囲に合わせるため、通常の導波管の直径を相当に小さく
しなければならないという、実際上の大きな制約を含ん
でいる。この導波管は、１モード伝搬を可能にする大き
さの、長方形若しくは円筒状の金属製パイプである。

円筒状導波管について言えば、波長λは、パイプの内径
の１．３乃至１．７倍にしなければならないことを意味
し、従って、代表的レーダー周波数に対し、パイプの直
径は、せいぜい数印程度にしかならない。

このような導波管には、次のような問題点かある。

タンクの中味が、ワックスに富んだ原油である場合、パ
イプが目詰りを起こす。

液体が外側と内側の間を淀みなく確実に往き来ｔ６よう
１ｏ４□１ｏより１．わ、い、□１ｏより１、　　　　
ル−ダ−波の伝搬に致命的な影響を受ける。

パイプの腐蝕が原因で、タンクの高さが通常のものであ
っても、パイプの頂部から底部に亘る送信は、実用にな
らないまでに減衰させられる。そのため、高価な材料を
使ってパイプを作るか、またはその内側を、貴金属で塗
被する必要が生じてくる。

伝搬速度は、パイプの太さとレーダー周波数によって、
大いに影響される。そのため、高い精度を得るためには
、これらの値を、正確に一定に保つことが、絶対的に必
要となる。

本発明では、これらの問題点を解決するため、レーダー
放射が、あらゆる不要な導波管モードを抑制して導くこ
とができるような相当に大きな導波管が使用される。こ
の導波管として、多くの場合、タンクに現在取り付けら
れているパイプに使用できる。

このことは、場合に応じて、パイプの太さをいろいろ変
え、有用な構造に仕立てられることを意味する。また、
可成りの量の錆や、オイルの被膜があっても支障のない
ようにすることが必要である。

実際の場合における１対の計算式が、大きな円形導波管
を使用できる意味を表わしている。

導波管によって、距離を測定する場合、実際の距離りよ
り大きい見かけ上の距離Ｌ５が得られ、かつ商は、次式
によって表わすことができる。

■ 上式において、λは、３Ｇに設定され、がっλＣは、導
波管の限界波長（遮断波長）を表わし。

基本モードに対するその値は、パイプの直径の１．７１
倍である。

上式から、λ０がλに比べ大きい場合、言い換えれば、
パイプの直径が、波長λに比べ大きい場合、真の値りに
近い実測値Ｌ５が得られることが分かる。

逆に、導波管が１モード伝搬を有する場合、λは、λ０
の７５〜１００％であり、かつＬＳは、Ｌより相当大き
くなる。いま仮に、搬送周波数であって、それとともに
λが変化する場合、商Ｌ　ｓ　／　Ｌは変化する。また
、変化量が小さい場合、Ｌ　５　／　Ｌの相対的変化は
、λ若しくはλ。の相対的変化に比例するようになる。

この比例定数は、変形すると、次の式で与えられる。

λ ［１−（π）２］に １モード伝搬を有する通常の導波管に対し、この係数は
一般に２７３である。原油を測定する際、約１０−４の
測定精度が要求される。これは、２０ｍの距離に対して
、最大誤差２ｎｗｎであることを意味する。その際、同
じ精度が、パイプの直径と周波数について要求されるが
、実際問題それは不可能である。

代わりに、例えば、直径２５印のパイプと３ｃｍの波長
を用いると、係数は、５／１０００に落ちる。直径の精
度と周波数の精度が、妥当である１％のオーダーにのっ
ているとすれば、１０−という相対的精度が得られる。

導波管における減衰は、壁面の抵抗ロスによって生じ、
それの計算式は、導波管に関するいくつかのハンドブッ
クに記載されている。例えば、マルキュビッツ（Ｍａｒ
ｃｕｖｉｃｚ）著、「導波管ハンドブックＪ（Ｗａｖｅ
ｇｕｉｄｅ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、マグロ−ヒル（Ｍｃ
ＧｒａｗＨｉｌｌ）、１９５１年に記載されている。

銅製の１モード導波管を用い、その直径が約２ａｎ、λ
＝３ｃｍとすると、２５ｍ長の導波管を往復する間の減
衰は、約１０ｄＢである。仮に、ステンレス・スチール
を使うと、減衰は、約１０倍（１００ｄＢ）高くなる。

これは、減衰があまりに激しくて、正確なレベル測定に
は使えない。

別に、同じ波長の信号を、例えば直径２５ａｎのパイプ
に通してやれば、減衰は、１／４０に下がり、スチール
製パイプを使っても、減衰は、２．５ｄＢとなる。実際
に、減衰は、パイプの内側に堆積した油のために大きく
なるが、作動中の低下に対しで十分な余裕を持たせてお
けば、理想的な場合の低減衰が可能である。

パイプの直径が大きくなると、減衰が減少する理由は、
よく知られているように、壁部の面電流が、導波管の同
様に、大きな転換エネルギーとともに、減少することで
ある。従って、同じ理由で、通常の直径を有する導波管
に穿設される数以上の孔を、大径のパイプ表面に設ける
のがよい。

前述のハンドブックに示されている装置によれば、従来
の理由で、導波管の基本モード、即ち（Ｈ□□を使うこ
とが受は入れられてきた。

しかし、錆ついた壁部や孔などの影響に対する許容誤差
を改善するため、Ｈｏ１伝搬モードを使うのが好ましい
とされている。このモードは、導波管の壁部に相当低い
電流が生じるので、ロスが少なくなる。ロスが少ない上
に、Ｈｏ□モードの重要な特徴は、パイプの壁部におけ
る全電流が、周辺方向に流れ、そのため、いまあるパイ
プの接続部からもたらされる妨害が問題にならなくなる
点である。

本発明による導波管を用いて、正確な距離測定を行なう
ために必要なことは、あらゆる不要な伝搬モードを抑制
することである。もしそうでないと、一般に異なる伝搬
モードは、パイプ中で異なる速度を持っているので、正
常なエコーが、異なる距離からくる複数のエコーとして
解釈されてしまう。

不要モードと所望モードとの間の商に基づく代表的要求
値は、２５ｄＢになる。言い換えれば、不要モードのエ
ネルギーは、５％以下である。これは、導波管の上端に
設けられている測定装置について言えば、大きい要求値
である。

この要求値は、一方で、不要モードにおける放射エネル
ギーを十分に低くさせる必要があり、また一方、不要モ
ードにおける到来エネルギーに対する感度を、十分に低
くさせる必要がある。後者の場合、パイプ壁部の孔によ
り、不要モードに広がり、かつ受信機に到達するエネル
ギーを持たないようにしなければならない。

（本発明の目的） 本発明の目的は、容器に貯蔵されている液体若しくはそ
の他の流動材料のレベルを、レーダーによって正確に測
定するための方法および装置を提供することである。

本発明を使用すれば、容器を経て伸びるパイプを導波管
として用いる際に起こる前述の問題点を解決することが
できる。

浮動ルーフを有する地上に設置されたタンクにこの方法
を使用するため、タンクの改良に必要以上の費用をかけ
ないで済む簡単なレーダー装置を取り付けることで、目
的が達成できる。

（実　施　例） 以下、本発明による好適実施例を、添付の図面を参照し
て詳細に説明する。

第１図に示すように、本発明は、地面（２）の基礎に構
築され、かつ貯蔵中、浮動ルーフ（４）によって保護さ
れている大量のオイル若しくは他の流動材料（３）が入
っているタンク（１）内のレベル（１０）を測定するの
に用いられる。このタンク（１）は、直径が約１０（ｈ
＋ｙｎもある大型のものであり、高さに僅かの差位があ
っても、それが量的に相当大きなものとなり、かつ損益
を分けるような経済的価値を持つので、タンクの内容量
をできるだけ正確に決めるため、材料のレベルは、正確
に測定されなければならない。

タンク（１）の頂部には、プラットホーム（５）があり
、このプラッホームには、階段（６）が設けられており
、かつレベルを測定するのに用いられる導波管（７）の
上端が固着されている。

導波管（７）は、浮動ルーフ（４）の開口（８）を経て
、かつタンク底部の下方へ垂直に伸び、そこに取り付け
られる。導波管（７）には、その全長にわたって、十分
大きく、かつ近接して離隔した孔（９）が穿孔されてい
る。導波管の内部は、外側と連通し、かつ、第２図に示
す如く、導波管中のレベル（１０）は、周囲の液体の高
さ、即ちルーフ（４）の下側の高さになっている。

従来のタンクの中にある同じ導波管は、もともと機械的
測定装置として用いられるフロートを入れるためにつく
られたものであり、従って、その直径は、通常、２０〜
３０ａｎ程度であることが望ましいとされている。

もし、このような貯蔵構造を有するものを、レ　　　　
　　１−ダー測定装置に切り換える際、従来のタンクの
基本的構成を変えずに設置することができる。また、フ
ロートによる測定のために使われてきた大きなパイプを
、引続いて使用できるとしたら、大いに価値のあること
である。

基本的に異なるものとするため、このような大きさのオ
イル・タンクを、空中線放射に基づくレーダー測定装置
に改造するには、膨大な費用がかかり、また、特にタン
クが浮動ルーフを備えている場合、作業が困難であるの
で、実際問題として、手のくだしようがない。

タンクが、主として上で述べた性能を維持しうるよう、
タンクに設置できる測定装置を提供する問題に対して取
り得る本発明の解決手段は、タンクのパイプを導波管（
７）として使用し、この導波管（７）に、モード発生器
（１１）により発生するマイクロ波信号を送信すること
である。モード発生器（１１）は、導波管（７）につけ
られ、かつ信号伝搬のただ一つの主モードを生成するよ
うに配置される。

図示の如く、モード発生器（１１）は、同軸ケーブル（
１３）により送信機（図示せず）に結合されている円筒
状導波管（１２）からなり、送信機は、プラットホーム
（５）上方のハウジング（１４）に取り付けられている
電子ユニットに含まれている。

導波管（１２）の直径は、供給される信号の波長に関連
し、モード（Ｈ１□）’（ＥＯｌ）だけが送信されるよ
うな直径とし、かつ、対称性の助けを借りて、導波管は
、後者のモードだけが信号中にあるようにできる。導波
管は、下向き放射器（１５）へ続いている。この放射器
（１５）は、アンテナ・ホーンの形につくられ、かつ例
えば、６０度のローブ幅と、電場が放射状に向くような
Ｅ。１キャラクタ−のフィールド・イメージとを有する
アンテナ・ビームを生成する。

図示のモード発生器（１１）は、２重反射式であり、放
射方向に交互に配置された２つの反射器（１６）（１７
）からなっている。

平面状か、若しくは放物面状の第１反射器は、例えばプ
ラスチックからつくられた誘電シェルからなり、その片
面、好ましくはその上側には、第３図に示すように、好
ましくは、印刷されたリードパターンとしてつくられた
、放射状に広がるコンダクタ（１８）からなる装置が設
けられる。

コンダクタの相互の距離は、非常に狭いので、アンテナ
・示−ン状の放射器（１５）から放射されるＥｏ、モー
ドは、大部分、正に連続金属面と同じように反射される
。

図示の如く、長手のタンク導波管（７）の上方部分を構
成する金属パイプ（１９）によって支持されている第２
反射器（１７）は、反射器（１６）から上方へ発散方向
に伝搬するレーダー・ビームが、２次反射の際、平行面
状に、かつパイプ（１９）の垂直下方を向くように、放
物状か、若しくは類似の形状をなしている。

反射器（１７）は、プラスチック板（２０）でつくるこ
とができる。この際、プラスチック板の上側部分。

即ちホーン型放射器（１５）の半径方向外側に当たると
ころには、金属蒸着が施される。従って、プラスチック
板（２０）のこの部分全体は、金属膜（２１）で覆われ
る（第５図参照）。

ホーンの直径に対応数プラスチック板（２０）の中心部
を除き、プラスチック板（２０）の下側には、下部反射
器（１６）の放射状コンダクタ（１８）と同じように近
接した渦巻き状リード（２２）からなる印刷されたコン
ダクタ・パターンが設けられる。

実際の誘電体において、　０．２５λの板の厚さととも
にリード・パターンは、渦巻に対して垂直なＥ−ベクト
ルを持つ電磁波が、渦巻と平行なＥ−ベクトルを持つ波
に対して１．８０度の遅れをもって反射する、という特
徴を有している。

リードの渦巻形状は、リード上のすべての点における接
線が、渦巻きパターンの中心から同じ点を通る半径に対
し、α＝４５°なる角度を形成するようにつくられる。

従って、結果的に、Ｈｏ１モードは、下方反射により、
Ｈ０□モードに変換される。

言い換えれば、この時点で、電場は、周辺方向をとる。

そのほか、放射の不必要なモードは、同時に反射して消
えて行く。第２図に示されているように、反射器（１７
）は、主放射器（１５）と結合される。　　　　　　　
　）下方へ伝搬する際、モード発生器によって生成され
るＨ８１モードは、下部反射器（１６）を通過して行く
。Ｈｏ１モードの場は、上述した方向を持っているので
、信号は、それが、場に対して垂直に伸びているコンダ
クタ（１８）を通過し、かつコンダクタを支持している
シェルを通過する際、悪い影響を受けないで済む。

それから、マイクロ波信号は、液面に到達し、そこで反
射されるべく、タンクの導波管（７）を通って下方へ進
み、アンテナ放射器（１５）および同軸ケーブル（１３
）のところへ戻ってくる。エコー信号は、ケーブルによ
って、電子ユニット用ハウジング（１４）の中にある受
信機へ導かれ、そこで、従来の方法で、送信信号と受信
信号とのミキシングが行なわれ、それから、進行時間、
即ち液面（１０）までの距離に基づいて、材料レベルの
決定が行なわれる。

エコー信号がパイプを通って上方へ進行する間、孔（９
）があるため、信号エネルギーの一部は、主モード（Ｈ
，よ）を除いて、伝搬モードに変換され、かつこれらは
、一部、下部反射器（１６）へ戻ってくる。

しかし、この反射器にある放射格子状コンダクタ（１８
）は、これらの偽エコーが、更に伝搬したり。

アンテナ放射器（１３）の内部に到達するのを防止する
。そのため、この反射器は、このように、モード・フィ
ルターとして作用する。

本発明は、この明細書において例示した実施例に限定さ
れない。

反射器（１６）　（１７）の代わりに、モード発生器に
送信板を設け、その両面に、第４図示のような渦巻きパ
ターンを配し、それによって、送信板の下から出される
Ｅ０１モード信号を、主モードとなるＨｏ１に変換され
るようにすることができる。板から出される放射ビーム
を平行化するため、導波管（７）と同じ直径のレンズを
用いることができる。

改良された図示の構成からなる測定装置は、本発明が、
導波管として、０．２〜０．５ｍの直径を有する在来の
パイプを用いている大型のタンクに取り付ける際に好適
である。

パイプがそれより小さい場合、モード発生器として、例
えばマリエ（Ｍａｒｉδ）転換のような公知のＨ８□−
Ｈよ□転換を、円錐直径アダプタと組み合わせて使用で
きるが、モードを抑制する必要があるので、このような
組合わせは、関心のもたれる多くの実用場面において、
非常に長くなってしまう。

マイクロウェーブ・ジャーナル（ＭｉｃｒｏνａｖｅＪ
　ｏｕｒｎａｌ、）　（１９８２年１２月）に記載され
ている「導波管技術の実情Ｊ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈ
ｅ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ａｒｔ）なる論文に、非円錐
筒を用いた成る改良例が開示されている。この筒をパイ
プの中で吊り下げられれば、主伝搬モードとしてのＨ８
、と組み合わせることによって、実際に筒を使うことが
できる。その際、長さはあまり問題にならず、Ｈｏ□の
特殊な特性によって、パイプと筒との間の整合性に対す
る要求は緩和される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好適な実施例であるオイル・タンク
の縦断面図である。 第２図は、第１図示のタンクにおいて導波管として使用
されているパイプの上部に取り付けられている本発明に
よるモード発生器を示す縦断面図である。 第３図は、第２図示の装置の一部であるモード・フィル
ターの平面図である。 第４図は、第２図示の装置の一部である反射器の底面図
である。 第５図は、第４図における線■−ｖについての縦断面図
である。 （１ノタンク　　　　　　　　　（２〕地面（３）流動
材料　　　　　　　（４）浮動ルーフ（５）プラットホ
ーム　　　　（６）階段（７）導波管　　　　　　　　
（８）開口（９）孔　　　　　　　　　　（１０）レベ
ル（１１）モード発生器　　　　　（１２）導波管（１
３）同軸ケーブル　　　　　（１４）ハウジング（１５
）放射器　　　　　　　　（１６）　（１７）反射器（
１８）コンダクタ　　　　　　（１９）金属パイプ（２
０）プラスチック板　　　　（２１）金属膜（２２）リ
ード 図面の浄書（内容：二変更なし） 手続補正Ｗ）：（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和６０年特許願第８９８６８号 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　　　　　サーブ　マリーン　エレクトロニクス
アクチェブーラク ４、代理人

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波管（７）を介して送信機から供給されるマイ
   クロ波信号を使って、容器（１）に貯蔵されている流動
   材料（３）のレベル（１０）を測定する方法であって、 前記導波管（７）は、容器を経て下方へ垂直に伸び、か
   つ該導波管（７）内の材料のレベル（１０）が、周囲の
   材料のレベルと等しくなるよう、容器（１）と連通して
   おり、また、前記信号は、前記レベル（１０）で反射さ
   れて導波管（７）を通り、かつ電子ユニットで信号処理
   された後、容器（１）内の材料のレベル（１０）を決定
   しうるようになっている受信機へ導かれるようになって
   おり、かつ 導波管（７）の直径の数分の１程度の波長を有するマイ
   クロ波信号が、一つだけの信号の主伝搬モードを生成す
   るモード発生器（１１）により、導波管（７）へ供給さ
   れるようになっていることを特徴とする容器内流動材料
   のレベル測定方法。
2. （２）Ｈｏｎ型か、またはＥｏｎ型の対称的に変わりう
   る伝搬モードが、モード発生器（１１）から供給される
   ようになっていることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項に記載の容器内流動材料のレベル測定方法。
3. （３）容器（１）内の流動材料のレベル測定装置であっ
   て、導波管（７）にマイクロ波信号を供給するための送
   信機（１４）と、反射されたマイクロ波信号を受信する
   ための受信機と、受信信号を用いることによって、容器
   中の材料のレベル（１０）を決定しうるようになってい
   る電子ユニットとから成り、前記導波管（７）は、容器
   （１）を経て垂直に下方へ伸び、かつマイクロ波信号を
   反射する該導波管（７）内の材料のレベル（１０）が、
   周囲における材料のレベル（１０）と等しくなるよう、
   容器（１）と連通している測定装置において、 送信機（１４）と導波管（７）との間に、一つだけの信
   号の主伝搬モードを生成しうるモード発生器（１１）が
   あり、かつ導波管（７）の直径が、波長より相当に大き
   いことを特徴とする容器（１）内の流動材料のレベル測
   定装置。
4. （４）信号の１主モードがＨ＿０＿１モードであり、か
   つ導波管（７）が円形断面を有しており、モード発生器
   （１１）が、送信機に接続され、かつマイクロ液信号を
   Ｅ＿０＿１型の信号に変換しうるようになっている主放
   射器（１５）と、変換された信号を、導波管（７）によ
   って供給されるＨ＿０＿１型の信号に変えるモード変換
   機とからなることを特徴とする特許請求の範囲第（３）
   項に記載のレベル測定装置。
5. （５）モード変換器が、変換の際、面平行状態に信号を
   反射する下向きの反射器（１７）であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（４）項に記載のレベル測定装置。
6. （６）下向きの反射器（１７）が、放物状であり、かつ
   誘電板（２０）からなり、その上側（２１）は、電気的
   に導電性であり、一方、下側は、渦巻き状のリード（２
   ２）からなる導電パターンを備えていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（５）項に記載のレベル測定装置。
7. （７）渦巻き状リード（２２）において、その上のすべ
   ての点の接線は、反射器の半径に対し約４５度の角度（
   α）を形成するようになっていることを特徴とする特許
   請求の範囲（６）項に記載のレベル測定装置。
8. （８）フィルターが、受信器の前に置かれ、かつ、例え
   ば、導波管（７）に孔（９）があることにより、該導波
   管に発生する不要のモードを阻止しうるようになってい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項乃至第（
   ７）項のいずれかに記載のレベル測定装置。
9. （９）フィルターが、上向きの反射器（１６）からなっ
   ており、この反射器（１６）は、導波管（７）と主放射
   器（１５）との間に置かれ、かつＥ＿０＿１型のマイク
   ロ波信号を下向きの反射器（１７）に対して反射させ、
   該反射器（１７）によって反射されたマイクロ波信号が
   、変換され、しかも影響を受けずに、上向き反射器（１
   ６）を貫通しうるようになっていることを特徴とする特
   許請求の範囲第（４）項乃至第（８）項のいずれかに記
   載のレベル測定装置。
10. （１０）上向き反射器（１６）が、半径方向のコンダク
    タからなるリード・パターン（１８）を有することを特
    徴とする特許請求の範囲第（９）項に記載のレベル測定
    装置。