JPS6144324A - 流体レベル測定装置 - Google Patents

流体レベル測定装置

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JPS6144324A
JPS6144324A JP60104904A JP10490485A JPS6144324A JP S6144324 A JPS6144324 A JP S6144324A JP 60104904 A JP60104904 A JP 60104904A JP 10490485 A JP10490485 A JP 10490485A JP S6144324 A JPS6144324 A JP S6144324A
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JP
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fluid
measuring device
electrode
level measuring
fluid level
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JP60104904A
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Inventor
ハリー　フレドリツク　コツサー
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Gemalto Terminals Ltd
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Schlumberger Electronics UK Ltd
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/24—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid

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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

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、流体レベルの測定に係り、特に、内部圧力変
化を受ける密閉容器例えばボイラ内の流体レベルを測定
する装置に係る。
従来の技術 流体レベルの検出においては１例えば、ボイラ内の水位
が下がるにつれて電極対間の導電性媒体が水から蒸気に
変化する時の流体の抵抗率の相違を利用して流体レベル
が検出されている。当該測定範囲にわたって複数の検出
器を設置して検出結果を表示することにより水位が指示
される。
発明が解決しようとする問題点 このような方式はそれ自体一応有効であるが、例えば、
ボイラ内の蒸気の上で水位を検出する場合には、エラー
を招くことが明らかである。
多くの使用目的、例えば、流体入力弁の比例制御におい
ては、流体レベルを連続的に出力することが所望される
。このような出力は、レベル検出器によって与えられる
が、個々の検出器からの信号を合成しなければならず、
然も、分解能の高いシステムでは、多数の検出器が必要
とされるという欠点があるのに加えて、密封状態が破壊
されるおそれが強くなるという欠点もある。
高圧ボイラ系統においては、別個の側部タンクにセンサ
を設け、このタンクとボイラの圧力容器とが共通のレベ
ルであるという仮定に基づいて、このタンクを当該測定
レベル範囲にわたってボイラの圧力容器に接続するのが
一般的となっている。
本発明による流体レベル測定装置は、第１の一対の電極
間に現われる流体による第１の導電路の電気的インピー
ダンスを測定する手段と、第２の一対の電極間に現われ
る流体による第２の導電路の電気的インピーダンスを測
定する手段とを具備し、この導電路は□、当該測定範囲
にわたって流体レベルと共に変化し、第１の対の電極は
、当該測定範囲より低い流体によって第１の導電路が確
立されるように当該測定範囲にわたって絶縁された表面
を有し、そして更に、流体レベル測定装置は、上記経路
のインピーダンス比に比例する項を含む電気出力信号を
発生する手段を具備する。
各々の電極対について一方の電極が電気的に共通であり
、出力イｎ号が電位差計的に取り出されるのが便利であ
る。共通の電極は、確認を行なえるように電気的に個別
のセグメントを有することができる。流体が導電性容器
に収容される場合には、この容器が電極として働く。
本発明の好ましい態様においては、第１の電極対が、そ
の長さに沿って先端部分以外絶縁被膜を有する導電性ロ
ットと、そのまわりの導電性円筒とによって形成され、
上記ロッドの先端のまわりの流体によって第１の導電路
が確立され、そして第２の電極対は、円筒と容器との間
に形成される。
インピーダンス比の項に適用する比例係数は。
レベルと共に実質的に直線的に変化する出力（８号を発
生するように測定範囲にわたって変化するのが好ましい
、これは、測定範囲に対し１つ以上の電極の使用面積を
変えることによって行なわれ、例えば、電極に付着され
る絶縁被膜の量を変えることによって行なわれるが、電
極から得た信号を、測定範囲にわたって非直線的に伝達
する関数を有する回路に送ることによって行なわれるの
が好ましい、このような回路の伝達関数は１例えば、側
部アーム容器における密度変動によって生じるレベルエ
ラーを補償するような項を含むのが便利である。
本発明の特徴及び効果を理解するため、添付図面を参照
して本発明の詳細な説明する。
実施例 容器１０（第１図）において、流体１２のレベル１１が
測定される。ｍ極構造体１４は、その先端１５が流体１
２の電低レベル１６より下となりそしてこの構造体１４
が当該測定筒ｇ１７全体に及ぶように挿入される。を極
構造体１４は、先端部１５以外の長さに沿って絶縁液＠
１９を有する中心導電性ロッド１８と、上記先端部１５
に対して絶縁被膜１０１を有する周囲の導電性円筒１０
０とを備えている。この被膜は、ｍ要なものではないが
、導通を防止し、従って、Ｚｌの前にＺＸの低下を確立
する。容器１０自体は、導電性であり、更に別の電極を
稙成する０表面１０２．１０３及び１０４へ接続を行な
うことにより（図示せず）１種々の導電路のインピーダ
ンスを測定できることが明らかである。
第１電極であるロッド１８と第２電極である円筒１００
との間の電気的なインピーダンスは、これら電極間の領
域の流体１２を介しての導電路のインピーダンスであり
、これが第２図に２１で概略的に示されている。ロッド
１８に付着された絶縁被膜１９は、この導電路を、先端
部１５における電極間の流体に実質上限定する。先端部
は、最少流体１６より下に配置されているので、この経
路のインピーダンスは、常に、流体によるものとなる。
同様に、第１電極として働く円筒１００と第２電極とし
て働く容器１０との間の電気的インピーダンス（ＺＸ）
は、これら電極間の領域の流体を介しての導電路による
ものである。絶縁液［１０１は、この導電路を、先端部
１５から上の領域に実質上限定する。この第２の導電路
のインピーダンスは、容器１０内の流体１２のレベルと
共に変化することが明らかである。
導電路のインピーダンスは、次のように表わされること
が分かっている。
２πス 但し、 ｄ工は、ロッド１８の直径（ｌｏｗ）であり、ｄ２は１
円筒１００の内径（２１膣）であり。
ｄユは、円筒１００の°外径（２４ＩＩｎ＋）であり、
Ｄは、容器１０の内径（５２ｎｎ＋）であり、ｈは、先
端部１５の長さく１６ｎｎ）であり、Ｘは、最低レベル
１６より上の流体レベルであり、そして ρは、流体の抵抗率である。括弧内の数値は。
典型的な実際の値である。
インピーダンスの比を考慮することにより、ρに拘りの
ない流体レベルＸの式を導き出すことができる。Ｚｘ及
びＺｌは共通の円筒電極１００を介して電気的に直列に
なっているがら、これを行なう便利な方法は、これら直
列接続体に既知の電圧（ＶＩ）を印加し、この共通の電
極から電位差計的に出力信号（Ｖ、）を取り出すことで
ある。
電位差計としては、 Ｚｘ Ｚ、＋Ｚｘ Ｋ□ ＝　□・ＶＩ Ｋ１＋に、Ｘ であり、ここで。
Ｋｔ＝ｌｏｇｚａ（Ｄ／ｄａ）　　　　　　（０，３３
６）Ｋ、　＝　［ｌｏｇｚ　ｏ　（ｄｘ　／ｄｔ　）］
／　ｈ　　　（０、３３６）となる。
■。は、流体レベル１２を表わす信号を与えることが明
らかである。定数項を典型的な値とした場合のＶ、とＸ
との間の関係が第３図に曲＃！３０で示されている。電
極構造体を当該レベル範囲よりも長く構成することによ
り、当該測定範囲１７は曲線３０の部分３１に限定され
、これは、３２．３３のように簡単に直線近似される。
従って。
上記の出力信号ｖ０は、入力と出力との間の種々の比例
定数によって流体レベルと共に実質的に直線的に変化す
る出力信号を効果的に発生する回路へ送られる。入力Ｖ
ｉｎと出力Ｖｏｕｔとの間の関係を定める伝達関数４０
（第４図）を有する回路は、■、に応答して信号り、を
発生する０以上に述べた測定装置の場合、レベル（Ｘ）
に伴う出力（Ｌ、）の変化が第３図に曲［３３で示され
ており、これは、当該測定範囲１７にわたって実質的に
直線的であることが明らかである。以下１本発明の実施
例について更に詳細に説明する。
インピーダンスス工及びＺｘは、電位差計的に構成され
ており、適当な電圧ＶＩの信号発生器ＳＯ（第５図）に
よって作動される。ＶＩは、電極に電位がか＼るのと、
電極構造体及び容器に電気メツキ作用が生じるのとを回
避するために、交流信号である。これにより生じる信号
ｖ０は、！！流器５１によって全波整流され、負の直流
レベルが反転増巾器Ｓ２へ送られる。利得を定める抵抗
器５３．５４及び５５は、抵抗器５３及び５４によって
入力レンジＯないし１ボルトにおいて増巾器の利得が決
定されそして抵抗器５３．５４．５５によってレンジ１
ないし３ボルトにおいて利得が決定されるようにバイア
スされる。抵抗器５４゜５５の値は、ダイオードの導通
特性を加味し、直線セグメントを丸めて、所要の曲線３
０に対してより正確な適合部４２を得るように１選択さ
れる。
増ｒｌ器の入力において０，５ｖを差し引くことにより
、回路の伝達関数が伝達関数４０（ｉ４図）に合致する
ようにされる。出力電圧り、は、レンジＯないし５ボル
トにおいては流体レベルと共に変化し、表示装置や、流
量制御弁のようなアクチュエータに容易に接続すること
ができる。
ボイラ設備に適した本発明の更に別の実施例について以
下に述べる。
測定範囲１７に対してボイラ６１内の水６０のレベル１
１　（第６図）を測定する流体レベル測定装置において
は、最低水位１６より下の第１点６２と、最高水位より
上（即ち、蒸気中）の第２点６３とにおいて圧力容器１
０がボイラに接続され、水位ｘ（１１）が同じになるよ
うにされる。
１極構造体１４は、上記の条件に基づいて圧力容器に挿
入され１便利なやり方で電気的な接続部１０２．１０３
．１０４が形成される。前記で述べたように、電圧ｖ０
は、水位Ｘの測定値を与えるように更に処理される０本
発明の特定の効果は。
単一のプローブを圧力容器内に挿入するだけで直線的な
連続出力が得られ、やっかいなシール部の数を減少でき
ることである。
高圧ボイラの場合には、上記のような側部アーム型の測
定装置は、多数の効果を発揮する。ボイラ室に外部から
異物が入り込むことはなく、流路６２及び６３に弁を設
けた場合には、測定装置を密閉状態で遮断し、排出流路
６４を経てその中の流体を排出し、ボイラには拘りなく
測定装置を修理及び校正することができる。然し乍ら、
感知位置が離れているために、幾つかの問題が生じる。
圧力容器は、熱損失によりボイラよりも低い温度となり
、従って、圧力容器内の水温がボイラの水温より低くな
る。それ故、計測水の密度がボイラ内の水の密度より大
きくなり、計測水のレベルがボイラ内の水のレベルより
低い状態で系が平衡状態に達する。このような密度エラ
ーは、ボイラと圧力容器との間及び圧力容器の壁に沿っ
て熱伝導性を高くし、水位より上の容器面もしくは凝縮
により放出された熱を水へと戻すことにより、成る程度
は改善される。然し乍ら、特に、高圧（１００バール以
上）系統の場合には、このエラーが顕著なものとなる。
側部アーム式の測定装置の場合には、上記の密、！！！
エラーＬ二より、指示されたレベル７０（ｉ７図）がボ
イラ内の実際のレベル７１からずれる。
このようなエラーは、特定の設備に対しその大きさを決
めて、必要とされる補正量を所要の補正項７２について
設定することができる１曲線７２は、当該測定筒ｔ！ｌ
１１７にわたってＨａ−Ｈｂを計算することによって得
られ、ここから、各レベルに適した補正電圧７３（Ｖｃ
）が導出される。必要な補正は、直線７４．７５によっ
て近似することもでき、これを伝達関数４０（第４図）
に重畳して。
補正出力４１が与えられる。これは、抵抗比５３・５４
及び５３・５５（第５図）を変えることによって簡単に
行なえることが明らかであろう。
ボイラ系統では、レベル測定及び制御装置が故障すると
、潜在的に重大な損害をもたらす、従って、測定結果の
確認が必要となる。これは、二重の測定装置によって行
なわれるが、本発明では。
全装置を２つ設ける必要がない、むしろ、電極構造体の
一部をセグメント化し、所望の多数の実際上独立した測
定値を取り出すようにする。
例えば、第８図の電゛極構造体８０では、ロッド電極８
２を取り巻く円筒８１が２つの電気的に別々の電極８３
及び８４にセグメント化される。
圧力容器８５によってもう１つの電極が与えられる。従
って、電極構造体８２．８３．８５及び８２．８４．８
５を各々用いて２つの測定装置が形成される。
本発明の別の態様においては、ロッド電極及び円筒電極
の周囲に、第３の電極を構成する更に別の円筒が設けら
れる。このような構成は、流体容器を電極として便宜上
使用できない場合、例えば、流体容器が非金属であった
り或いは不規則な形状をしていたりする場合、もしくは
、汚染のない流体において測定を行なわねばならない場
合に効果的であることが明らかである。
第９図に示された本発明の更に別の実施例について以下
に説明する。
側部アーム式の容器９０は、前記のポート９１及び９２
により、水位を測定しようとするボイラに接続すること
ができる。ロッドとして形成された第１電極９３及び円
筒として形成された第２電極９４は、セラミックの絶縁
モールド９５に取り付けられ、フランジ９６により、容
器９０へ延び込むようにクランプされる。測定しようと
するはゾ最低レベルにおいて電極の下端と容器との間に
絶縁スペーサリング９７．９８が取り付けられる。ロッ
ド及び円ｎ電極の各外部延長部９０２゜９０３及び容器
９０には、電気端子９９．９ｏＯ１９０１が設けられる
。
この構成によれば、流体レベルを表わす導電路がロッド
電極９３と円筒電極９４の内面との間に確立される１円
筒電極の外面は、例えばセラミックもしくはＰＴＦＥの
絶縁Ｊ５９０４を支持している。最低流体レベルより下
に延びた円筒電極９４の非絶縁部分９０５と容器９０と
の間には、流体レベルによって変化しない導電路が形成
される。
円筒９４は、２つの導電路間の共通電極を構成し。
それ故、容器９０内の流体レベルを表わす信号は前記し
たように電位差計的に取り出され、容器９０と円筒電極
９４との間は既知のインピーダンスの経路であり、そし
て円匈９４とロッド電極９３との間の経路は流体レベル
と共にインピーダンスが変化することが明らかである。
。 蒸気が充満する容器内の水位について考えると、円ＷＪ
電極９４に接合点をもつ抵抗電位差計が形成される。ロ
ッド及び容器に各々設けられた端子９９と９０１との間
に電圧を印加すると、流体レベルを表わす電圧がこの接
合点から取り出される。端子９０１がアースされている
と考えると、円筒延長部９０５と容器９０との間の導電
路の不変抵抗にまたがって出力電圧が発生する。従って
、この出力電圧は、流体レベルの上昇につれて印加する
。本発明のこの構成は、装置の故障が重大な結果を招く
ような制御用途に特に効果的である。
接続部が切れるような回路の故障の場合は、強制的にゼ
ロ出力が発生され、これは、このような故障の場合に例
えばボイラを停止できるような低レベル信号である。こ
こに示す実施例は、流体レベルに過渡状態が生じるよう
な用途に適している。
ロッド９３と円筒９４との間の流体のレベルによって色
々な導電路が確立され、二九！士例九！ｆはね飛びや攪
拌に対して緩衝作用を果たす、この装置の過渡性能は、
円＠９４の通気穴９０４の大きさによって影響される。
連続的な出力以外の流体レベルの指示が要求される場合
には、第１０図に示すような別のロソド電極１００が使
用される。この電極は、セラミックもしくはＰＴＦＥ被
膜で形成されたバンド１ｏ１及び１０２のような絶縁バ
ンドを支持している。このような電極は、第９図を参照
して述べたものとこの電極以外は同じである構成におい
て使用される。この変更された電極１００は、出力に非
直線的な特性を与え、流体レベルが上昇して非絶縁部分
例えば１０３に達した時には出力に比較的大きな変化が
生じ、そして流体レベルが絶縁部分より上昇すると、出
力の変化が比較的小さなものとなることが明らかであろ
う。
流体レベルの指示を与える回路（第１１図）においては
、第１０図について述べた形式の電極から得られる出力
電圧が入力１１０に送られる。
この信号は、整流器１１°１によって整流され（交流励
起を用いていると仮定すれば）、比較器１１２のような
複数の比較器に送られ、各比較器は、主基準電圧１１４
を分割する電圧分割器１１３の種々の点へ別々に接続さ
れることによって別々の基準電圧を受ける。比較器の数
は、ロッド電極の非絶縁部分の数と同じであり、各基皐
電圧は、実質的に、流体が各々の非絶縁部分のレベルに
ある時に予想される電圧となるように構成される。これ
らの比較器は、その各々の状態に基づいて、インジケー
タ１１４のような赤のインジケータ（蒸気を指示する）
或いはインジケータ１１５のような緑のインジケータ　
（水を指示する）を駆動するように構成される。
このような非直線的な出力電圧特性は、比較器の擬似動
作のおそれを少なくするようにレベルに伴なう段々の変
化によって多数の比較を行なうのに適していることが明
らかである。前記の密度エラーのようなエラーに対して
は、絶縁部分の間隔及び長さを変えることによって成る
程度の補償が与えられる。レベルの指示範囲は、特定の
用途にもよるが、数百ミリメータないし数メータである
。セグメント式の電極を用いて指示を行なう場合の効果
は、所要のレベル範囲に従って絶縁部分の長さを選択す
ることにより標準的な回路（第１９図）をいかなる範囲
にも使用できることである。
例えば、特定セグメントの長さを、当該レベル範囲に比
例させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、流体レベル測定装置を示す図、第２図は、第
１図の装置の部分■を詳細に示す図。 第３図は、典型的な出力特性を示す図、第４図は、伝達
関数を示す図、 第５図は、第４図の伝達関数を有する回路を示す図、 第６図は、高圧ボイラのための側部アーム式測定装置を
示す図。 第７図は、更に別の出力特性を示す図、第８図は、セグ
メント電極を有する装置の平面図（例えば、第１図の■
からみた図）、第９図は、別の側部アーム式測定装置を
示す図、 第１０図は、セグメント電極を示す図、そして 第１１図は、指示回路を示す図である。 １０・・・容器　　１１・・・レベル １２・・・流体　　１４・・・電極構造体１５・・・先
端部　１６・・・最低レベル１７・・・当該測定範囲 １８・・・導電性ロッド １９・・・絶縁被膜 １００・・・導電性の円筒 １０１・・・絶縁被膜 図面の浄書（内容に亥更なし） Ｆｔａ、　４ Ｆｔａ、９ 手続補正音（方式） ２、発明の名称　　　　流体レベル測定装置３、補正を
する者 事件との関係　　出願人 名称　　　シュラムバーガー　エレクトロニクス（ニー
ケイ）　　リミテッド ４、代理人

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）第１の一対の電極間に現われる流体による第１の
    導電路の電気的インピーダンスを測定する手段と、第２
    の一対の電極間に現われる流体による第２の導電路の電
    気的インピーダンスを測定する手段とを具備し、この導
    電路は、当該範囲にわたって流体レベルと共に変化し、
    第１の対の電極は、当該範囲より低い流体によって第１
    の導電路が確立されるように当該範囲にわたって絶縁さ
    れた表面を有し、そして更に、上記経路のインピーダン
    ス比に比例する項を含む電気出力信号を発生する手段を
    具備することを特徴とする流体レベル測定装置。
  2. （２）上記出力信号を電位差計式に取り出せるように各
    電極対に対して１つの電極が電気的に共通の電極とされ
    た特許請求の範囲第（１）項に記載の流体レベル測定装
    置。
  3. （３）上記共通電極は、確認を行なえるように電気的に
    個別のセグメントを有する特許請求の範囲第（２）項に
    記載の流体レベル測定装置。
  4. （４）流体を収容する容器を備えていて、この容器が電
    極として働く特許請求の範囲の前記各項いずれかに記載
    の流体レベル測定装置。
  5. （５）第１の電極対は、当該測定範囲にわたりその長さ
    に沿って絶縁面を有している導電性ロッドと、その周り
    の導電性円筒とによって形成され、ロッド先端のまわり
    の流体によって第１導電路が確立される特許請求の範囲
    の前記各項いずれかに記載の流体レベル測定装置。
  6. （６）第１の電極対は、当該測定範囲にわたりその長さ
    に沿って絶縁外面を有した導電性円筒と、その周りの電
    極とによって形成され、上記円筒の非絶縁部分のまわり
    の流体によって第１導電路が確立される特許請求の範囲
    第（１）項ないし第（５）項のいずれかに記載の流体レ
    ベル測定装置。
  7. （７）上記絶縁面は、当該測定範囲にわたる種々の点に
    非絶縁部を設けるように、離間絶縁セグメントで形成さ
    れる特許請求の範囲第（５）項又は第（６）項に記載の
    流体レベル測定装置。
  8. （８）上記セグメントの間隔は、同一ではない特許請求
    の範囲第（７）項に記載の流体レベル測定装置。
  9. （９）上記絶縁セグメントの長さは、所要のレベル範囲
    に基づいて選択する特許請求の範囲第（７）項に記載の
    流体レベル測定装置。
  10. （１０）インピーダンスの比の項に比例する係数を与え
    る手段を具備し、この係数は、レベルと共に実質的に直
    線的に変化する出力信号を発生するように測定範囲にわ
    たって変えられる特許請求の範囲の前記各項いずれかに
    記載の流体レベル測定装置。
  11. （１１）電極から得られた信号は、測定範囲に対して非
    直線的な伝達関数をもった回路に送られる特許請求の範
    囲第（９）項に記載の流体レベル測定装置。
  12. （１２）上記回路は、補償を与える項を含む特許請求の
    範囲第（１０）項に記載の流体レベル測定装置。
JP60104904A 1984-05-16 1985-05-16 流体レベル測定装置 Pending JPS6144324A (ja)

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