JPS63241427A - 光学式液面レベルセンサ - 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１ この発明は、光伝送体を伝搬する光の全反射角が周囲媒
質の屈折率に依存する性質を利用した光学式液面レベル
センサーに関するものである。。

［従来の技術１ 近年、産業ＨＩ測分野の液面副側におい−（、光ファイ
バ等の光伝送路を用いた計測セン量すが種々提案されＣ
いる。

これらの中には、光ファイバのクラッド部の一部を剥離
してコア部を露出させ、光フアイバ中の光透過量の変化
により液体の有無もしくは液面を検出するセンサ、らし
くは特開昭５ε３−１８１’２６号公報に開示された様
に入射光を伝送する第１の光路と反射光を伝送する第２
の光路を光ファイバで形成し、＋１Ｑ記光路の解放端と
なる光ファイバの一端にプリズムを付設した液面センサ
等が挙げられる。

［発明の解決しようとする問題点］ こうした従来型の′液面計測センサの曲名にＪ３いＣは
光ファイバのクラッド剥離部が、少者においてはプリズ
ムの部分がセンサとしで機能している。

このため液面レベルの測定領域は１点であり、１個のセ
ンナで連続した液面レベルの変化を測定することは不Ｉ
Ｊ能であった。これらの従来型装置で連続した液面レベ
ルの変化を測定するためには同様のセン！Ｖを多数並べ
る必皮があり、コストが高く分解能も不４分であるとい
う問題があった。

そこでこの発明は面述した様な従来型装置の欠点を改良
して、１台の装置で連続した液面レベルの測定が行なえ
、低コストで充分な分解能が得られる光学式液面レベル
センナを提供することを目的とする。

１問題点を解決するための手段１ この発明による光学式液面レベルセンサは、長毛方向の
所要間隔毎に複数個所形成され、液中に位置したときに
長毛方向の一端から入射する光をその端部方向に全反射
する反射境界面５ａ、５ｂ。

６ａ、６ｂ、７ａ、７．ｂを有する略棒状の光伝送体１
と、この光伝送体１の前記一端に設けられてこの光伝送
体１内に光を発光する発光部３ど、光伝送体１の一端に
設けられた発光部３ど並設されて光伝送体１内部からの
光を受光する受光部４を備えた点に特徴がある。

［実施例］ 以下、図示するこの発明による光学式液面レベルセンサ
の一実施例について説明する。

第１図及び第２図に、液面レベルセンサの比較的単純な
モデルが気相２中及び一部が液相１１中にある場合の光
伝搬特性を示した。

ここで、光伝送体１は回転軸と錐面とのなす角が４５°
の円錐を錐面の面積が等しくなるよう軸方向に３分割し
、各々の分割された円錐間をその切断面に対応し−Ｃ徐
々に小径となる円柱ひつないだ形状のアクリル又はガラ
ス等（゛構成されでいる。

この光伝送体１の一端には発光部３と受光部４とが設け
られ、各々発光ダイオードとフオ［・トランジスタとで
構成される。発光部３は光伝送体１内に一様な光を投射
するものであり、並設された受光部４は当該光伝送体１
内から入射する光量を測定１Ｊるムの′（゛ある。

ここで発光部３からの信号光は様々な角度を持つ工おり
、後で詳述する様に効率よく受光部に集光されるねりで
はイ【い。

このため、発光部３及び受光部４取付（プ喘部の当該発
光部３及び受光部４取イ・１個所を除く取付面に反射膜
を形成するか又は反射膜を取付【プで受光部とり゛れた
位置に達した信号光を反射膜等で再び反射きり、信り光
のイ１効利用を図ることが望ましい。

この光伝送体１（屈折率１．５）の周囲媒質が第１図の
気相２（屈折率１．６）ｔ’あるときの光の伝般を考え
ると、一般に周囲媒質が気相（ｌ１ｉ（折率Ｎａ）のと
き光伝送体（屈折−Ｉ　Ｎ　Ｉ’　）の中を伝般する光
の全反射角θａは ０ａ＝ｓ　ｉ　ｎ−’（Ｎａ／Ｎ　！”＞で表わされて
いる。

ただしＯａは光線と反射境界面の法線とのなり角を表ね
り。

ここぐＮ　ａ　＝　１　、０　、　Ｎ　ｆ　＝　１　、
５とするとＯａ　＝　／１．　ｉ　、ε３°と４にり入
射角θが４１．８°≦０≦９０°の範囲の光は企及ｑ４
される。

寸なわら、発光部３からの多モードな尤の中ｒ反射部５
ａに到達した信号光８は当該反射部５ａで４５°付近の
入射角を持つ信号光は全反射され、反射部５ｂ１．１１
．達Ｊる。この信号光（五反射部５ｂでも約４５°の入
射角を持ち、再び全反射され受光部４に到達する。

同様に、信号光９．１０’ｂ反射部５ａ、７ａで全反射
され、再び反射部６ｂ、７ｂで全反射され受光部４に到
達する。

また、第２図に示した様に反射部５ａ、５ｂが液相（屈
折率Ｎｅ）に浸されたときの信号光の伝般を考えると、
周囲媒質が液相１１（屈１１ｉ率Ｎｅ）のとき光伝送体
（ｌｉ′ｉ１折率Ｎ　ｆ　）の中を伝般する光の全反射
角θｅは θｅ＝ｓ　ｉ　ｎ−’（Ｎｅ／Ｎｆ） で表わされる。

ただし、θｅは光線と反ｔＪＪ境界面の法線とのなＪ角
を表ねｔ。ここｒ、Ｎｅ＝１．３３　（水）、Ｎｆ’＝
１．５とするとθｅ＝６２．５６となり、入射角θが６
２．５°≦０＜９０’の光が全反射される。

発光部３から反射境界面５　ａへの入射角約４５°の信
号光は反射境界面５ａで反射されることなく液相中を進
行し、信号光８は受光部４に；ヱせず、その分だけ当該
受光部４での光間が減鳥１する。

同様に、反射境界面６ａ、’ｌが液相に浸されると（ｉ
８光９，１０は反射境界面５ａ、７ａで反射されること
なく液相１１中に進行し受光部４には達し４にい。

こうしＣ１受光部４への反射光量により光伝送体１のど
の位置に液面レベルが達しているかを知ることができる
。

次に、第３図（２）、（ハ）に示したより具体的なしデ
ルで数値例を挙げで説明する。

ここで、回転軸と側面との’；ｌニー！ｊ角が４５°の
円錐１５をその回転軸方向に錐面１５，１４の面積が等
しくなる様に１２分割し、その切断面に対応して徐々に
小径となる円柱１３Ｔ：つないだ形状の光伝送体１の一
端に発光部３ど受光部４が取付られる。

空気中では、発光部３からの信号光は光伝送体１の反射
境界面である先端の円錐１５及び錐面１４−Ｑ全反射さ
れ相対する反射部ぐ再び全反射され受光部４に達する。

第４図に第３図に示した形状の光学式液面レベルセンサ
の出力特性を例示した。この出力特性は反射部に達する
信号光強度及び反射部で反射された信号光が相対する反
射部に達する信号光強度及び反射部で反射された信号光
が相対する反射部で反射され、受光部に達する経路を構
成できる面積に左右される。

尚、反射部に達する信号光強度は光伝送体１中を伝搬す
る光の減衰率、発光部３の指向特性及び発光部３と反射
部間の距離で決まる。

第３図に示す液面レベルセンサにおいては、光伝送体１
の下部程、信号光の伝搬経路が艮くなり信号光は減衰す
る。

しかし、発光部３の指向特性より下部のｈはと信号光強
度が強くなっていること、また反射部角度を４５°と固
定したため信号光を２度反用させ受光部４に導くよう作
用している反射部面積が発光部３との位置関係よりＦ部
程広い。これらのことより、光伝送体１の下部における
出力変化が大きく、上部程、出力変化が小さくなってい
る。第８図（２）、０に発光部３及び受光部４の上述し
た指向特性を明確にするための数値データを示した。

第５図（０，（ハ）、（φ、＠にはこの発明の別の実施
例を示した。ここでは同図（ω、（ハ）の側面図及び底
面図に示した様に底面の側面のなす角が４５°の四角錐
を中心軸に対して垂直に切断し、その底面及び切断面を
四角柱でつないだ形状により光伝送体１を構成したちの
ぐある。こうしで構成される光伝送体１の上面に同図（
へ）で示した位ｊノに発光部３を配置すれば、同図（０
にそのＣ−Ｃ線断面図を示した様に光伝搬経路が構成さ
れる。

また、第６図（ω、（ハ）、　（（Ｊ、　（ｄ）、　（
（りに示したらう１つ別の実施例では、前記第５図（２
）、（ハ）に示した光伝送体１に＋４３いて、四角錐及
び四角錐台の２組の相対する側面の１組をずらした形状
により構成したちのであり、同図（ハ）に示した発光部
３の配置をとれば同図（Ｑに示した光伝搬経路が構成さ
れる。

ここで、反射境界面５８．６ａ、７ａ又は５ｂ。

６ｂ、７ｂの何れか一方に反射１１ｑ又は反ＩＪ’ｌ板
を取り付けた構成として光伝送体１の加工時の表面粗さ
及び光学的精度を補償しＣ反射光の伝搬経路を確保する
こともでさる。

ここで、第５図及び第６図に示した実施例とｂ、図示し
た光伝搬経路に対して軸方向に９）０°回転した側面で
の光伝搬は、受光部４に到１？１６信号光強度が充分で
ない場合や、伝ｍ経路が構成されない場合もあるが、例
示した様な発光部３及び受光部４の配置をとれば、液面
レベルの測定は支μ−なく行なうことがＣきる。

また、第６図（ｅ）に示したように光伝送体１上面の角
部に２つの発光部３を配；４して反％ｌ光吊を！１大さ
ｌ！、ＳＮ比を改善すること乙できる。

さらに、第７図（）、（ハ）、（０に示した実ｆｉｌ１
例では発光部３からの信号光を受光部４に効率Ｊ、く集
光するため、反射境界面の角度調整を行ったしのである
。ここでは、発光部３及び受光部４を光伝送体１の回転
軸中心付近に設け、この発光部３からの信号光を受光部
４に集光する為に、第７図面に示した様に光伝送体１の
先端に行くに従って反射境界面の角度を次第に増して行
き、同図（へ）に示した光伝搬経路を構成できる。

このように、発光部３からの（ｄ号光を効率よく受光部
４に集光するよう反ｑ・１境界面の角度を調節するごと
によりＳ／Ｎ比を改善でき、より高分解能の光学式液面
レベルレンナを構成できる。この実施例において、ざら
に反射境界面での反射効率を高める為に、この反ｒＪ１
境界面を外側に膨らむレンズ状に形成づ”ることもでき
る。＜Ｓｔよ発光部からの信５シ光が反射され受光部に
達する反射光ｔ７５、Ｎは発光部から直接受光部に達す
−る漏洩光１１１及びしン１す）６１間からの光である
。） また、第９図に示した様に光伝送体１の一端の光入射面
をレンズ状に加工し、その中心に受光部４を配置すると
共に発光部３を所定距離だけ光入射面よりＦ方に配置す
ることらできる。こうした構成とづれば、発光部３から
の光はレンズ状の光入射面により、光伝送体１内を平行
光線どして進み、各反射部５．６．７では４５°の角度
で反射　４されることとなり、ＳＮ比が改ｉ＋Ｊされる
。

以上、この発明の一実論例について記載したが、１？ｆ
ｒｒ請求の範囲に記載した技術的範囲の：ｉＳ　Ｔｒｉ
内で種々の変更が可能である。

［発明の効果１ この発明による光学式液面レベルヒンリは、次に述べろ
様４【効果をイｒする。

液面の連続した変位量を１木の光伝送体の中での友０４
光１１として４測でき、＋１４造が１１１純、■１つ小
型化できる。

また、純光学的な手法を用いＣ液面レベルを計ぷ１しＪ
るため、ガソリンタンク等の爆発の危険のある所ひし特
別４１防爆Ｊ３首を講することなく使用でさる１、 ざらに、各反ｑ・１境界面のピッチ、面積及び角度の調
節、受・発光特性の選択を行うことに、Ｊ：り液面レベ
ルに対するレンＩす出力＃５Ｔｔ１１を自由に変えるこ
とができ、小両用ガソリンタンク等のへ雑なタンク形状
に合わ［！た出力特性を容易に１没計できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の光伝送体の周囲媒″Ｃ１が
空気である時の信号光の伝１１Ｆ２経路を示す概略図、
第２図は第１図の光伝送体の一部が液相と接している時
の信号光の伝搬経路概略図、第３図（８）。 （ハ）は１２の反則境界面を右するｊ：り具体的な実施
例の１丁面図及び底面図、第４図は第３図の実施例の液
面レベルセンサの出力特性図、第５図（ω、（ハ）。 （弓、（（力は別な実施例の正面図及び底面図、第６図
（０，夜）、（ロ）、　＜（ｆ）　、　（ｅ）はもう一
つ別な実施例の正面図及び底面図、第７図く０．（ハ）
、（へ）は他の実施例の各々正面図及び上面図及び（ロ
）の八−へ線断面図、第８図（ａ）、（［，１第３図（
の、０に示した実施例の発光部及び受光部の指向感度特
性図、第９図はさらに別の実施例の構成図である。 １・・・光伝送体、２・・・気相、３・・・発光部、４
・・・受光部、５　ａ　、　５　ｂ　、　６　ａ　、　
６　Ｌ）　、　７　ａ　。 ７ｂ・・・反則境界面、８．９．１０・・・信号光、１
１・・・液相、１２・・・信号光、１３・・・円上）、
１４・・・円２１１台（反ＯＡ境界面）、１５・・・円
錐（反射境界面）、１６・・・信号光。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）長手方向の所要間隔毎に複数個所形成され、液中
   に位置したときに長手方向の一端から入射する光を当該
   端部方向に全反射する反射境界面を有する略棒状の光伝
   送体と、 当該光伝送体の前記一端に設けられて当該光伝送体内に
   光を発光する発光部と、 前記光伝送体の前記一端に設けられた前記発光部と並設
   され、当該光伝送体内部からの光を受光する受光部とを
   備えた光学式液面レベルセンサ。
2. （２）前記光伝送体の反射境界面は前記光伝送体の軸方
   向に分割された複数個の円錐面を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光学式液面レベルセンサ
   。
3. （３）前記光伝送体の反射境界面は前記光伝送体の軸方
   向に分割された複数個の角錐面を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光学式液面レベルセンサ
   。
4. （４）前記複数個の反射境界面の各々の一部分は常に反
   射する様構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項、第２項及び第３項記載の光学式液面レベルセンサ
   。
5. （５）前記反射境界面は外側に膨らむ様にレンズ状に形
   成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
   項及び第３項記載の光学式液面レベルセンサ。
6. （６）前記光伝送体の前記一端はレンズ状に形成される
   と共に前記発光部は該一端より所定間隔だけ離間して設
   けられたことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
   項、第３項、及び第４項記載の光学式液面レベルセンサ
   。
7. （７）前記発光部は複数個設けられていることを特徴と
   する特許請求範囲第１項、第２項、第３項、第４項及び
   第５項記載の光学式液面レベルセンサ。