JPS62242820A - 光フアイバ液面計 - 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」 この発明は、容器などに収容されている液体の液面の位
置を検出する光ファイバ液面計に関する。

「従来の技術」 第６図は従来の光ファイバ液面計の例を示す図である０
発光素子１）の出す照射光り、は光ファイバ１２に導か
れ光コネクタ等（図には示してない）により光結合され
た光方向性結合器１３の入射端１３八に入射され、入出
射＠１３Ｂから出射される。その入出射端１３Ｂには光
ファイバ１４が光結合して接続されており、照射光Ｌ１
はこの光ファイバ１４の端部から入射し、その他端１４
Ａへ伝搬する。この光ファイバ１４の他端１４Ａは液位
検出端部１５とされ、この例ではその端面１５Ａは光フ
ァイバ１４のファイバ軸に対し、ぼり４５度の角度で形
成され、かつその端面１５Ａは透明な平滑面とされてい
る。この光ファイバ液面計は、光ファイバ１４が被測定
・液１６面に対しは＼゛垂直なるように設置される。従
って、光ファイバ１４の液位検出端部１５の平滑面１５
Ａは、被測定液１６の液面に対しは７４５度の角度を成
し、光ファイバ１４の液位検出端部１５が被測定液１６
中にある浸漬状態から液位が下がって非浸漬状態になる
場合に、その端部平滑面１５Ａからの液切れが良いよう
に構成されている。

この光ファイバ液面計では光ファイバ１４の端部平滑面
１５Ａが、被測定液１６に浸漬され液１６と接触してい
る状態と、浸漬されてない非接触状態とで、平滑面Ｌ５
Ａでの光の屈折反射の態様に差が生じることが利用され
る。その態様の差から液位検出端部１５が浸漬状態にあ
るか非浸漬状態にあるかが判別され、被測定液１６の液
位が液位検出端部１５の位置より高いか低いかの検出が
できるように構成されている。

即ち、光ファイバ１４の屈折率をＨ６，光ファイバ１４
周囲（被測定液又は空気）の屈折率をｎｌとすると、透
明な平滑面Ｌ５Ａを境に光の屈折の式は ｎ　ｏ　Ｘ　Ｓｌｎ　１−ｎ　＋　Ｓｊｎ　ｒ（ｉ：入
射角、ｒ：屈折角） で表される。

従って、屈折角ｒは、 ｒ　＝ｓｉｎ−’　（（ｎｏ／　ｎ　＋）ｓｉｎ　ｉ　
〕−・−・（１）であるが、ｎｏ＞ｎｉの場合は入射角
ｉより屈折角ｒの方が大きくなり、屈折角ｒが９０度を
越えて全反射を生ずることがある。

第７図は液位検出端部１５が被測定液１６に浸漬され、
平滑面１５Ａが液１６と接触状態にある場合の様子を示
す図である０例えば、光ファイバ１４の屈折率ｎ０を１
．５、被測定？＆、１６の屈折率ｎ、を１．３とすると
、平滑面１５Ａを墳に屈折率の差は少な（、この場合は
式（１）から計算できるように、光ファイバ１４内から
平滑面１５Ａには５４５度で入射する照射光Ｌ１は全反
射の臨界角より小さいので、平滑面１５Ａを透過し、光
Ｌ２に示すように被測定液１６の中に散逸してゆく。

第８図は液位検出端部１５が被測定液１６に浸漬されて
ない状態の様子を示す図である。光ファイバ１４は空気
中にあり、空気の屈折率をはゾ１とすると、液位検出端
部１５の平滑面１５Ａを境に、光の媒質の屈折率の差が
太き（、この場合は式ｆｉｌで計算できるように、光フ
ァイバ１４内から平滑面ＬＥＡには７４５度で入射する
照射光Ｌ＋は全反射の臨界角より大きくで全反射される
。照射光Ｌ１は平滑面１５Ａで全反射され進行方向をは
＼゛９０９０度曲、光り、に示すようにファイバ１４の
開方向へその進路を変える。全反射された光り、の進む
光ファイバ１４周面には反射鏡１７が設けられ、光Ｌ３
はぼソ゛垂直に反射鏡１７に入射し、その反射光Ｌ４は
再び端部平滑面１５Ａに向かい平滑面１５Ａで再度全反
射され、液位検出光り、として光ファイバ１４内を元来
た方向へ戻ってゆく。

光ファイバ１４内を元来た方向へ戻ってゆ（光り、は光
方向性結合器１３に入出射端１３Ｂから入射し、入射し
た光は光方向性結合器１３の出射端１３Ｃから出射され
、光ファイバ１８に導かれて受光素子１９に受光される
。

受光素子１９は光−電気変換８１能により、その受光面
に受ける光の光強度に応じた電気信号を出力する。

第９図は受光素子１９が出力する検出信号の例を示す図
である。その検出信号が大きければ（Ｓｏ）、被測定液
１６は光ファイバ１４の液位検出端部１５が位置する高
さＨｏより液面の位置、即ち液位が下であると判断され
、また検出信号が小さければ（Ｓｌ）、被測定液１６の
液位は液位検出端部１５の設置位置１）゜よりも高い位
置にあると判断される。

「発明が解決しようとする問題点」 このような、従来の光ファイバ液面計では被測定液の液
面の位置が、ある高さＨ６より裔いかひくんかという一
点のみの液面レベルの判定が可能なだけである。従って
、液面の位置を木目細かく知ることはできなかった。

また、発光素子は温度変化、経時変化などにより発光強
度が変化するので、正確な液面位置の検出や、誤動作な
どをすることがあった。

「問題点を解決するための手段」 発光素子からの光を光分岐合成手段によりｎ個に分岐し
て入出射端から出射し、その入出射端から入射した光を
１つに合成して出射端から出射させ、１つの分岐光を安
定化用受光素子により受光し、その出力を光出力安定化
手段に供給し、発光素子の発光出力を安定化させると共
に、光分岐合成手段の残りの分岐光を光ファイバに入射
させ、その各光ファイバの他端に被測定液と接触してい
るか否かにより、分岐伝搬光を透過又は反射させる液位
検出端部をもうける。

さらに、光分岐合成手段の光出射端からの合成光を供給
され、その光出力のレベルを判定することにより、幾つ
の液位検出端部が被測定液に接触しているか否かを検知
する。

「実施例」 第１図はこの発明の実施例を示す構成図である。

この考案では発光素子２１の出す照射光り、は光分岐合
成手段２２に入射され、ｎ個（ｎは３以上の整数）の入
出射端から分岐して出射される。また、各入出射端から
入射した光は、合成光とされ出射端から出射される。こ
の光分岐合成手段２２には、例えばスターカプラ２２が
用いられる。第２図はスターカブラ２２の構造を示す図
である。

スターカブラ２２は複数の光ファイバ２３．２４゜〜２
８の端面同志を揃え或いは対向させて、その端面を互い
に融着されて構成される。光ファイバ内に導かれた光は
スターカブラの融ｚ部を介して、互いに対向して融着さ
れた光ファイバへ相互に入出射することができる。第１
図は２本の光ファイバ２３．２４と４本の光ファイバ２
５．２Ｇ、〜２８とが互いに対向され、それらの端面２
３Ａ。

２４Ａ、〜２８Ａが融着されて構成された２×４の光入
出射端２３Ｂ、２４Ｂ、〜２８Ｂをもつスターカブラを
用いた例を示す。

この例では、２つの光入出射Ｅ２３　Ｂ、　　２４　Ｂ
の一方は光入射端２３Ｂとされ、発光素子２１からの照
射光が導光用光ファイバ３１を経て光結合された光入射
端２３Ｂに入射するようにされる。

スターカブラ２２に入射した照射光は４つの光に分岐さ
れ、それぞれ光入出射端２５Ｂ、２６Ｂｊ〜２８Ｂから
取り出される。第１光入出射端２５Ｂから出射された分
岐光Ｌｈは光結合された導光用光ファイバ３２に導かれ
、安定化用受光素子３３の受光面に受光される。安定化
用受光素子３３はその受光面に入射した光り、の強さに
応じた電気信号を出力する。

安定化用受光素子３３の出力する電気信号は光出力安定
化手段３４に供給される。光出力安定化手段３４は発光
素子２１の発光強度を一定に保持させるために設けられ
、一定の電流を発光素子２１に供給するものであり、Ａ
ＰＣ回路（Ａ　ｕｊｍａｔｉｃｒ’　ｏｗｅｒ　　Ｃｏ
ｎｔｒｏｌ　　Ｃ１ｒｃｉｕｔ）　　と称されるφ第３
図は、そのＡＰＣ回路３４の構成例を示すブロック図で
ある０発光素子２１を駆動する信号ｖｃが駆動回路３５
に供給され、この駆動回路３５により発光素子２１は発
光制御される０発光素子２１の発する光の一部は受光素
子３３に受光される。

この考案では、発光素子２１の出す光はスターカプラ２
２内で分割されその入出射端２５Ｂから光ファイバ３２
を介して受光素子３３に与えられることになる。受光素
子３３は供給された光の強さに応じた電気信号を出力す
る。この電気信号は増幅器３６を介して駆動回路３５に
負帰還される。

このようにして発光素子は一定の強さの光を発光するこ
とができる。

他の第２．第３．第４光入出射端２６Ｂ、２７Ｂ。

２８Ｂには光ファイバ３７，３８．３９がそれぞれ光結
合して接続される。これら第２．第３．第４光ファイバ
３７．３８．３９は互いには＼平行して延長され、また
それらの長さはそれぞれ異なるファイバ長とされる。そ
れら光ファイバ３７゜３８．３９が延長された他端はそ
れぞれ液位検出端部４１．４２．４３とされる。それら
の液位検出端部４１　４２，４３は、この例では従来通
り４５度の角度で透明な平滑面４１　Ａ、４２Ａ、４３
Ａとされている。

これら第１．第２．第３液位検出端部４１．４２．４３
は、既に説明したように、被測定液１６と接触している
か否かによってそれぞれの端部平滑面４１Ａ。

４２Ａ、４３Ａに入射する各分岐照射光Ｌ？、Ｌｌｌ。

Ｌ、の屈折反射の態様は異なる。被測定液１６と接触状
態にある場合には各分岐照射光Ｌ７．Ｌｌ、Ｌ。

は端部平滑面４ＬＡ、４２Ａ、４３Ａを抜け、被測定液
１６中に散逸し、非接触状態にある場合には端部平滑面
４１八、４２Ａ、４３八でそれぞれ全反射され、さらに
それらの各全反射光は光ファイバ３７，３８．３９周面
に設けられた反射！４５゜４［ｉ、４７でそれぞれ反射
され、液位検出光Ｌ　ｌ　ｌ　ｒＬ　Ｉ　Ｚ＋　Ｌ　ｌ
　１として元きた経路を辿って再びそれぞれの光入出射
端２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂからスターカプラ２２内に戻
ってゆく。これらの光Ｌ　Ｉ　ｌ　＋Ｌ１□、Ｌ１．は
スターカプラ２２内の融着部で合成光Ｌ１４とされ、出
射端２４　Ｂから出射される。

このようにスターカプラ２２内で合成された合成光り、
は光結合された光ファイバ４８に導かれ、更にレベル判
定手段４９に液位検出光り、として供給される。レベル
判定手段４９は供給された液位検出光Ｌ１４を受光器に
より受光し、光の強さに応じた電気信号に変換する。更
に、その電気信号の大きさが判別され、被測定液１６の
液位がどのレベルにあるかを知ることができる。

第４図は液位検出信号と液位との関係の例を示す波形図
である。液位が低い場合には、第１．第２、第３液位検
出端部４１，４２．４３はいずれも被測定液１６とは接
触することはなく、従って、発光素子２１の照射光の各
分岐照射光Ｌｔ、Ｌｓ、Ｌ。

はそれぞれの液位検出端部４１，４２．４３の平滑面４
１Ａ、４２Ａ、４３Ａ及び反射鏡４５，４６゜４７で２
度の全反射及び反射により、スターカプラ２２へ戻って
くる。従って、３つの液位検出端部４１．４２．４３か
らの検出光Ｌ　＋　ｌ＋　Ｌ　ＩＺ＋　Ｌ　＋　３がス
ターカプラ２２を介してレベル判定手段４９に供給され
、この例ではレベル判定手段４９は第２レベルＳ１の信
号が与えられたことが検知される。つまり、被測定液の
液位はＨｏより低いことが判る。（第４図−■） 第１図の実施例に示されているように、被測定？＆１６
の液位が第１液位検出端部４１と第２液位検出端部４２
との間にあるときには、第１液位検出端部４１では照射
光り、はその平滑面４１Ａから被測定液１６中に散逸し
てしまうが、第２．第３液位検出端部４２，４３では、
平滑面４２Ａ。

４３Ａで分岐照射光Ｌｌ、Ｌ９が全反射されスターカプ
ラ２２に戻ってくる。従って、２つの液位検出端部４２
．４３からの検出光Ｌｌ！＋　　Ｌｌｆｆがスターカプ
ラ２２を介してレベル判定手段４９に供給されることに
なり、レベル判定手段４９では第２レベルＳ１　の信号
が与えられたことが検知される。

つまり、液位は高さＨｏからＨ＋　の間にあることが判
る。（第４図−■） 被測定ｔ（ｌ　Ｌ　６の液位が第２液位検出端部４２と
第３液位検出端部４３との間にあるときには、第１、第
２液位検出端部４Ｌ、４２からは分岐照射光Ｌ）、Ｌｓ
が散逸し、第３液位検出端部４３のみから検出光Ｌ１４
が戻るだけである。レベル判定手段４９では第３レベル
Ｓ２の信号が検知される。

つまり、液位は裔さＨ，から■Ｉ２までの間にあること
が判る。（第４図−〇） 被測定液１６が非常に多く、全ての液位検出端部４１．
４２．４３が浸漬状態にある場合には、分岐照射光Ｌ？
、Ｌ１．Ｌ９は各液位測定端部４１゜４２．４３でいず
れも全反射されることなく被測定液１６中に散逸し、殆
どレベル判定手段４９には戻ってくることはない、従っ
て、液位は高さ１）２以上であることが判る。（第４図
−■）この例では各液位検出端部４１，４２．４３の平
滑面４１Ａ、４２Ａ、４３Ａは各ファイバ３７゜３８．
３９軸に対してはゾ４５度になるように構成されている
が、平滑面４１Ａ、４２Ａ、４３Ａの形成角度は４５度
に限らない。例えば、第５図に示すように、ファイバ軸
に対して直角になるように形成しても良い。即ち、第５
図Ａに示すように、被測定液１６と接触している場合に
は照射光ＬＩＳは光ファイバ内から被測定液１６中に光
ＬＩ＆のように散逸してゆくが、第５図Ｂに示すように
、被測定液１６と接触してない場合には、光Ｌ１５は平
滑面には一゛垂直に入射することになり、従って、端部
平滑面でフレネル反射された光Ｌｌ？がそのまま光分岐
結合器２２に戻されるように構成してもよい。この場合
は、各液位検出端部に反射鏡を設ける必要はなく安価な
光ファイバ液面計を構成することができる。

以上の説明では、２×４のスターカプラを用いて３点の
液位検出が可能な場合について説明したが、この発明は
３点の液位検出のみに限るものでなく、より多くの分岐
端をもつ光分岐合成器を用いることにより、より多くの
点での液位検出が可能となり、木目細かな液位検出が可
能であり、この発明は頗る有効である。

「発明の効果」 従来の光ファイバ液面計ではルヘルの液位しか検出でき
なかったが、この発明では、光を多分岐する光分岐合成
器を用い、かつ発光素子の発光■を検出して発光量を一
定に制御する帰還回路を設けた。従って、多レベルの光
−電気信号を判定することが可能となり、多レベルの液
位を誤りなく検出することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光ファイバ液面計の実施例を示す構
成図、第２図は光分岐合成手段として用いるスターカプ
ラの構造の例を示す図、茅３図はＡ２０回路の例を示す
図、第４図はレベル判定手段に供給される液位検出信号
の例を示す図、第５図は液位検出用光ファイバの液位検
出端部の他の例を示す構成図、第６図は従来の光ファイ
バ液面計の例を示す図、第７図は光ファイバ液面計の液
位検出端部の例を示し、液位検出端部が被測定液、に浸
漬され液と接触している時の光路を示す図、第８図は液
位検出端部が被測定液に浸漬されていない時の光路を示
す図、第９図は従来の光ファイバ液面計で検出される液
位検出信号の例を示す図である。 １）：発光素子、１２：光ファイバ、１３：光分岐結合
器、１４：光ファイバ、１５：液位検出端部、１６：被
測定液、１７：反射鏡、１８：光ファイバ、１９：受光
素子、２１：発光素子、２２：光分岐結合手段（スター
カプラ）、２３：光ファイバ、２４：光ファイバ、２５
：光ファイバ、２６：光ファイバ、２７：光ファイバ、
２８：光ファイバ、３１：光ファイバ、３２：光ファイ
バ、３３：安定化用受光素子、３４：Ａ２０回路、３５
：駆動回路、３６：増幅器、３７：光ファイバ、３８：
光ファイバ、３９：光ファイバ、４１：第１液位検出端
部、４２：第２　′ａ位検出端部、４３：第３液位検出
端部、４５：反射鏡、４６：反射鏡、４７：反射鏡、４
８：光ファイバ、４９ニレベル判定手段。 特許出願人　日本航空電子工業株式会社代　　理　　人
　　草　　　野　　　　　　　　　卓第１回 表イα欣出端部 牛　２図 オ　４図 オ令 牛５図 Ａ　　　　　　　　　　　　　　９ 十　６旧 堡　５夜位諌出端部 、、７囮　　　　　　　オ８０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子と、 その発光素子からの光が入射され、その光をｎ（ｎは３
   以上の整数）に分岐し、かつその分岐に入射された光を
   合成して出射端へ出射する光分岐合成手段と、 その光分岐合成手段の１つの分岐より出射される光を電
   気信号に変換する安定化用受光素子と、その安定化用受
   光素子の出力が入力され、上記発光素子の光出力を一定
   に保持する光出力安定化手段と、 上記光分岐合成手段の上記残り各分岐端に一端が光結合
   され、ほゞ平行して延長され、長さが異なり、かつ他端
   が被測定液と接触しているか否かにより伝搬光を透過さ
   せる状態と反射させる状態とに切り替わる（ｎ−１）本
   の光ファイバと、上記光分岐合成手段の出射端より光が
   入射され、その光出力レベルを判定するレベル判定手段
   とを具備する光ファイバ液面計。