JPWO2010021027A1 - レベル測定システム - Google Patents

Abstract

容器内の測定物までの距離を測定するレベル測定器１１と、レベル測定器１１の出力をオンオフ信号に変換する信号処理部１２と、信号処理部１２からのオンオフ信号をアナログ信号に変換してレベル測定器１１の測定出力０〜Ｈに電源ユニット１３に接続される電源ライン１４、１４ａのループ電流Ｐ〜Ｑ（ｍＡ）を対応させて出力するループ電流制御部１５とを有するレベル測定システム１０において、レベル測定器１１の電源は、蓄電器４８と、ループ電流の回路に接続され蓄電器４８を定電流制御を行って充電する定電流充電回路４７と、蓄電器４８の電圧を降圧する直流降圧器４９と、蓄電器４８の充電が完了した後にオンとなって直流降圧器４９からレベル測定器１１に電源供給可能なスイッチ手段５０とを備える補助電源部５１から供給されている。なお、０＜Ｐ＜Ｑの関係を有する。

Description

本発明は、例えば容器内に溜まった液体、固体（粉体を含む）のレベルを測定する、容器上部に取り付けたマイクロ波レベル計等に最適に適用可能なレベル測定システムに関する。

従来、例えば、大型の容器内に溜まった原料の量（レベル）を測定する場合、マイクロ波レベル計が使用されていた。このマイクロ波レベル計は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載のように、水晶等を用いて高周波信号を発生し、これをアンテナから測定物に向けて照射し、その反射波の遅れ時間を計測して距離に換算し、出力するようになっている。

特開２００１−９１６４０号公報 ＷＯ２００６／１２２７７８号公報 特許３８４９８６０号公報 特開２００１−３１８８３７号公報

しかしながら、特許文献１、２記載の技術においては、測定した結果はデジタル信号、場合によってはアナログ信号に変えて、電源とは別ラインで制御装置やデータ保持装置に入力されていた。
ところが、このような方法では信号処理が面倒であるので、ＨＡＲＴ通信協会が提唱して、ＨＡＲＴ(Highway Addressable Remote Transducer)機器を用い、測定結果を４〜２０ｍＡの直流アナログ信号として送り、更に、この直流アナログ信号に高周波信号を重畳して、外部との通信を行うことも行われている（特許文献３参照）。

従来のＨＡＲＴ機器７９を使用したマイクロ波距離測定システム８０の概略を、図５（Ａ）に示すが、レベル計８１は電源ユニット８２と電源ライン８３で接続され電源供給を受け、同時に容器８４内の測定物８５とレベル計８１の距離データを、電源ライン８３にループ電流として出力する。電源ライン８３に載せたループ電流は電源ライン８３に接続された分散型制御システム（ＤＣＳ）８６で検知され距離データとして確認することが可能である（特許文献４参照）。

従来のマイクロ波距離測定システム８０の制御部分を図５（Ｂ）に示すが、マイクロ波発振部８７で高周波信号を発生させ、所定の信号処理を行って、アンテナ８８から測定物８５に向けて発射し、同じアンテナ８８で受信して、信号処理部８９で信号処理を行い、その反射波の遅れ時間からアンテナ８８と対象物８５間の距離を測定している。この場合、信号処理部８９の電源は微小であるので、ループ電流から給電され、マイクロ波発振部８７は電力が必要であるので、充電式の電源を構成するコンデンサ９０に蓄えた所定電圧の電荷をスイッチ手段９１を介して使用している。なお、９３はコンデンサ９０の電圧の最大値を決めるツェナーダイオードである。

このコンデンサ９０への充電は、抵抗９２を介する電圧源を元にしているので、一般的に所定の電圧に充電するのに時間がかかる。電源電圧が低い場合等の状況においては、コンデンサ９０を所定の電圧に充電するのにかなりの時間がかかり、レベル計８１の作動の周期が長くなって、時間と共に変動する測定物に対して距離測定の応答性が悪いという問題があった。なお、このような問題は、同じようなシステムを使用する超音波レベル計においても共通に発生する問題であった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、レベル測定器の計測周期が短く、距離測定に対する応答性のよい、内部に充電式電源を備えたレベル測定システムを提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るレベル測定システムは、容器の上位置に取付けられ、該容器内の測定物までの距離を測定するレベル測定器と、該レベル測定器の出力をオンオフ信号に変換する信号処理部と、該信号処理部からのオンオフ信号をアナログ信号に変換して前記レベル測定器の測定出力０〜Ｈに電源ユニットに接続される電源ラインのループ電流Ｐ〜Ｑ（ｍＡ）を対応させて出力するループ電流制御部とを有するレベル測定システムにおいて、
前記レベル測定器の電源は、蓄電器（キャパシター）と、前記ループ電流の回路に接続され前記蓄電器を定電流制御を行って充電する定電流充電回路と、前記蓄電器の電圧を降圧する直流降圧器と、前記蓄電器の充電が完了した後にオンとなって前記蓄電器から前記直流降圧器を介して前記レベル測定器に電源供給可能なスイッチ手段とを備える補助電源部から供給されている。なお、０＜Ｐ＜Ｑの関係を有する。

また、第２の発明に係るレベル測定システムは、第１の発明に係るレベル測定システムにおいて、前記信号処理部及び前記補助電源部の合計駆動電流の最小値がＰ（ｍＡ）である。

第３の発明に係るレベル測定システムは、第１、第２の発明に係るレベル測定システムにおいて、前記信号処理部から出力されるオンオフ信号は、ＰＷＭ信号であって、前記ループ電流制御部のフィルターを介してアナログ信号に変換されている。

第４の発明に係るレベル測定システムは、第１〜第３の発明に係るレベル測定システムにおいて、前記信号処理部は、前記レベル測定器からのアナログ信号をデジタル信号に変換して記録保持し、前記レベル測定器の非作動時にも前記オンオフ信号を出力している。

第５の発明に係るレベル測定システムは、第１〜第４の発明に係るレベル測定システムにおいて、前記レベル測定器は、前記容器の上位置に取り付けて、マイクロ波を発射し、反射波の遅れ時間から該容器内の測定物のレベルを測定するマイクロ波レベル計である。

そして、第６の発明に係るレベル測定システムは、第１〜第５の発明に係るレベル測定システムにおいて、前記ループ電流の回路にはＨＡＲＴ機器が接続され、前記ループ電流に高周波信号を重畳させて、前記信号処理部の制御を行っている。なお、信号処理部からＨＡＲＴ機器を介して信号を得ることもできる。

本発明に係るレベル測定システムは、容器の上位置に取付けて容器内の測定物までの距離を測定するレベル測定器の電源に、主電源となる蓄電器を定電流充電回路を介して充電する回路を使用しているので、蓄電器の電圧が高くなっても一定電流で充電することが可能となり、蓄電器の充電時間を定電圧電源で充電するより短くすることができる。
そして、この蓄電器の電圧は高く、降圧する直流降圧器を介してレベル測定器に出力するようにしているので、十分な電圧でレベル測定器を稼働させることができる。
このように、蓄電器の充電時間を短くすることができるので、スイッチ手段がオンとなる周期を短くすることができ、これによってレベル測定器の測定回数を多くすることができて、容器内の測定物の動きをより短時間ピッチで測定可能となる。

本発明の一実施例に係るレベル測定システムの全体構成図である。 同詳細ブロック図である。 同フロー図である。 （Ａ）は定電流充電回路の一例を示す図面であり、（Ｂ）は定電圧充電回路の一例を示す図面である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来例に係るマイクロ波距離測定システムのブロック図である。

符号の説明

１０：レベル測定システム、１１：マイクロ波レベル計、１２：信号処理部、１３：電源ユニット、１４、１４ａ：電源ライン、１５：ループ電流制御部、１６、１７：水晶発信器、１８、１９：波形成形回路、２０、２１：周波数変換器、２２、２３：バンドパスフィルター、２４：周波数調整回路、２５：アンプ、２６：方向性結合器、２７：同軸導波変換器、２８：アンテナ、２９：アンプ、３０：ミキサー、３１：アンプ、３２：バンドパスフィルター、３３：オペアンプ、３４：ログアンプ、３５：ＣＰＵ、３８：フィルター、３９：オペアンプ、４０：定電流回路、、４３：抵抗、４４：オペアンプ、４５：抵抗、４６：ＤＣ／ＤＣコンバータ、４７：蓄電回路、４８：コンデンサ、４８ａ：オペアンプ、４９：直流降圧器、５０：リレー（スイッチ手段）、５１：電源（補助電源部）、５３：抵抗、５４：ＤＣＳ、５６：ＨＡＲＴモデム

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施例に係るレベル測定システム１０は、容器の上位置に取り付けられ、容器内の測定物までの距離を測定するレベル測定器の一例であるマイクロ波レベル計１１と、マイクロ波レベル計１１の出力をオンオフ信号に変換する信号処理部１２と、信号処理部１２からのオンオフ信号をアナログ信号に変換してマイクロ波レベル計１１の測定出力０〜Ｈに電源ユニット１３に接続される電源ライン１４、１４ａのループ電流Ｐ〜Ｑ（ｍＡ）を対応させて出力するループ電流制御部１５とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。

マイクロ波レベル計１１は、図２に示すように、それぞれ３．６ＭＨｚを基本として１２Ｈｚだけ発振周波数の異なる２つの水晶発信器１６、１７を有し、波形成形回路１８、１９で１ｎｓのパルスに変換した後、周波数変換器２０、２１及び後続するバンドパスフィルター２２、２３で２６ＧＨｚを基本とする例えば１ｎｓのパルスに変換する。２４は周波数調整回路で水晶発信器１６、１７が正確に１２Ｈｚの周波数差を有するように制御する。

バンドパスフィルター２２を通過した信号はアンプ２５で増幅され、方向性結合器２６、同軸導波変換器２７を介してアンテナ２８に送られる。アンテナ２８から送信されたマイクロ波パルスは測定物で反射し、アンテナ２８で受信され、方向性結合器２６及びアンプ２９を介してミキサー３０で、バンドパスフィルター２３を通過した高周波信号とミックスされる。これによって、測定した距離の信号を含む低周波信号に変換されて距離信号となるので、アンプ３１で増幅されて信号処理部１２に入力される。

信号処理部１２では、この距離信号はバンドパスフィルター３２で不要な高周波分は除去され、オペアンプ３３、ログアンプ３４を介して増幅された信号が、ＣＰＵ３５に入力される。このＣＰＵ３５はそのトリガー信号（クロック）に水晶発振器１６、１７から得られるパルス信号を使用し、全体の同期を図っている。なお、ＣＰＵ３５に接続されるＳＲＡＭは一次記憶を、ＥＥＰＲＯＭにはこのＣＰＵ３５を作動させるプログラムが記載されている。そして、この信号処理部１２で、距離信号はオンオフ信号の一例であるＰＷＭ（Pulse Wide Modulation)信号に変換される。なお、ＰＷＭ信号はデジタル信号であるので、マイクロ波レベル計１１からの測定信号が信号処理部１２に入力すると、その値を記憶し、マイクロ波レベル計１１からの信号がなくなっても継続的に同一のＰＷＭ信号を発生し続ける。

なお、この実施例におけるレベル測定器は、マイクロ波パルスを発生しアンテナから測定物に向けて発射し、その反射波の遅れ時間から距離を測定するという周知構造のマイクロ波レベル計であったが、例えば、特許文献１、2（特開平２００１−９１６４０号公報、ＷＯ２００６／１２２７７８号公報）等で知られている周知のマイクロ波レベル計に置き換えることもできる。そして、信号処理部１２で周知の方法で、ＰＷＭ信号に変換してもよい。

次に、図１を参照しながら、この信号処理部１２から出力するＰＷＭ信号を、測定距離に対応したループ電流に変換し、更にこのループ電流からマイクロ波レベル計１１を駆動させる補助電源部５１について説明する。
信号処理部１２からのＰＷＭ信号は、フィルター３８を通じてアナログ信号に変換される。このアナログ信号はマイクロ波レベル計１１で測定されたアンテナ２８から測定物までの距離（０〜Ｈ）に対応する電圧となる。

このアナログ信号は、オペアンプ３９を経由して定電流回路４０に入力され、電源ライン１４（＋側）、１４ａ（−側）に流れるループ電流をアナログ信号に対応して調整する。ライン１４、１４ａ間のループ電流は、抵抗４３で検知され、オペアンプ４４を介してオペアンプ３９にフィードバックされる。ライン１４からの電流Ａ１（２ｍＡ）は、抵抗４５を介してＤＣ／ＤＣコンバータ（直流降圧回路）４６に接続され、信号処理部１２に電源供給される。なお、電源ライン１４、１４ａ間の電圧は１８〜３６Ｖとするのが好ましい。

また、ループ電流Ｌから分岐する電流Ａ２が、定電流充電回路から構成される蓄電回路４７を介してコンデンサ４８を充電する。なお、蓄電回路４７は、抵抗４５によって検知されるＤＣ／ＤＣコンバータ（直流降圧回路）４６に供給される電流Ａ１（正確には、電流Ａ１に対する電圧）がオペアンプ４８ａを介して入力されている。また、抵抗４３によって検知される定電流回路４０の電流Ａ３（正確には、電流Ａ３に対する電圧）がオペアンプ４４を介して蓄電回路４７に入力されている。

コンデンサ４８は、直流降圧器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４９が接続され、スイッチ手段の一例であるリレー５０を介してマイクロ波レベル計１１に電源を供給している。なお、蓄電回路（定電流充電回路）４７、コンデンサ（蓄電器）４８、及び直流降圧器４９、リレー（開閉器）５０を有して、マイクロ波レベル計１１へ電力を供給する補助電源部５１が構成されている。ここで、直流降圧器49は例えば１８Ｖ（コンデンサ４８の電圧）から３Ｖ（マイクロ波レベル計１１の電源電圧）に電圧を落としている。

このレベル測定システム１０に供給される電源は、全て電源ユニット１３から供給され、このループ電流Ｌ（Ｐ〜Ｑ）ｍＡは、マイクロ波レベル計１１の測定距離０〜Ｈに対応している。このループ電流Ｌは抵抗５３の両端の電圧をＤＣＳ（分散型制御システム）５４で測定して距離信号に変換される。

また、信号処理部１２で生成された距離データ、波形データ及びマイクロ波レベル計１１のパラメータ（例えば、測定スパン）は、ＨＡＲＴモデム（ＨＡＲＴ機器の一例）５６を用いて定電流回路４０で電源ライン１４、１４ａに乗せてＨＡＲＴ通信を行うことができる。そして、このＨＡＲＴ通信によって、ＤＣＳ５４での距離データ、波形データ及びマイクロ波レベル計１１のパラメータが表示変更可能となる。なお、ＨＡＲＴ通信、ＨＡＲＴモデム（ＨＡＲＴ機器）は、ループ電流Ｌに高周波信号を重畳して、信号処理部１２の制御を行っているが、これらの回路については周知であるので、詳しい説明を省略する。

このレベル測定システム１０の主たる動作は、信号処理部１２のＣＰＵ３５に接続されているメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）に格納されているプログラムによって行われるので、図３を参照しながら、その動作を説明する。
測定開始の信号（例えば、電源ユニット１３のオンによって発生）がオンになると、リレー５０をオフにする（ステップＳ１）。これによって、マイクロ波レベル計１１に必要な電力を蓄電回路４７内の定電流充電回路を介してコンデンサ４８に蓄電する。

コンデンサ４８の端子間電圧が規定以上になる（ステップＳ２）と、リレー５０をオンにする（ステップＳ３）。リレー４０がオンになると、マイクロ波レベル計１１がオンになって、マイクロ波レベル計１１からトリガー信号が信号処理部１２に出力される（ステップＳ４）。この場合、マイクロ波レベル計１１が比較的大電力を必要とすると、コンデンサ４８に十分な容量を有する大型のコンデンサを使用し、必要な電圧は直流降圧器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４９で降圧する。

次に、マイクロ波レベル計１１の測定が完了したことを確認して、リレー５０をオフにする（ステップＳ５）。マイクロ波レベル計１１のアナログ信号から距離を計算する処理を行い（ステップＳ６）、フィルター３８に合成したＰＷＭ信号を送信する（ステップＳ７）。このレベル測定システム１０においては、コンデンサ４８の充電が定電流充電回路を用いて行うので、従来の定電圧充電回路を用いて充電を行う場合より早く、これによって、マイクロ波レベル計１１を作動させる周期が短くなり、測定物の高さ変化に対してより高速の精度の高いレベル測定が行える。

また、定電流回路４０に流れる電流をＡ３とすると、ループ電流Ｌは、Ａ１＋Ａ２＋Ａ３となる。Ａ１は通常２ｍＡであり、Ａ２も最低２ｍＡに設定されているので、Ａ３が０ｍＡの場合にはループ電流Ｌの最低値Ｐは４ｍＡとなる。従って、この実施例では、ループ電流Ｌが４ｍＡの場合、マイクロ波レベル計１１の距離測定値０に対応させている。そして、ループ電流Ｌが２０ｍＡ（最大値Ｑ）の場合、マイクロ波レベル計１１の最大距離測定値Ｈ（例えば、５０ｍ）に対応させている。

一方、信号処理部１２で使用する電流も、内部のＣＰＵ３５の動作状況で多少変わり、蓄電回路４７に充電する電流も、２ｍＡより多い方が充電時間が短くなる。従って、ループ電流Ｌが４ｍＡを超える場合（即ち、測定距離が０を超える場合）には、蓄電回路４７を流れる電流を２ｍＡより大きくなるようにしている。これは、抵抗４３を流れる電流を検知して、蓄電回路４７にフィードバックして蓄電回路４７の充電電流を増加している。更に、抵抗４５を流れる電流を検知して、蓄電回路４７の電流を制御している。充電回路４７の充電電流は一定値があるが、ループ電流Ｌが４ｍＡを超え２０ｍＡ以下の場合には、（Ｌ−Ａ１−Ａ３）＝Ａ２（ｍＡ）の一定の電流値でコンデンサ４８を充電することになる。

コンデンサ４８の充電電圧は１８Ｖで、充電が完了すると、充電完了であることを信号処理部１２で検知し、マイクロ波レベル計１１に給電する。マイクロ波レベル計１１に給電すると、コンデンサ４８の電圧が下がって、再度充電を始め、コンデンサ４８の電圧が規定以上になったことで、直流降圧器４９を介してマイクロ波レベル計１１に給電する。なお、コンデンサ４８の両端に図示しないツェナーダイオードが設けられ、コンデンサ４８の電圧が一定以上にならないようにしていると共に、蓄電回路４７に常時一定の電流Ａ２が流れるようにしている。

即ち、コンデンサ４８が充電中であっても、充電が完了した後であっても、ループ電流Ｌ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３を維持するように、定電流回路４０を制御している。これらの制御はアナログで行っているが、ＡＤ変換してデジタルで制御することもできる。
以上の操作によって、コンデンサ４８を定電流充電回路からなる蓄電回路４７で充電しているので、より高速にコンデンサ４８の充電が可能となる。

次に、コンデンサ４８を、本発明のように定電流充電回路で充電した場合の方が、従来例のように定電圧充電回路で充電した場合より優位であることについて説明する。
いま、コンデンサＣ（コンデンサ４８と同じ）＝４７０μＦを使用し、Ｑ＝８ｍＣを溜めるのに必要な時間を求める。
定電流充電回路の場合、図４（Ａ）に示すように、コンデンサＣを定電流Ｉ＝２ｍＡが流れるとした場合には、充電時間ｔ１＝Ｑ／Ｉ＝８ｍＣ／２ｍＡ＝４秒となる。

一方、定電圧充電回路の場合、図４（Ｂ）に示すように、コンデンサＣに流れる最大電流Ｉｍａｘを２ｍＡとした場合、抵抗Ｒは９ｋΩとなるから、Ｖｂ＝ＶR＋Ｖｃとなるので、この微分方程式を解くと、充電時間ｔ２＝−ＲＣln（１−Ｑ／（ＣＶｂ））となって、ｔ２＝−９ｋΩ×４７０μＦ×ln（１−８ｍＣ／（４７０μＦ×１８Ｖ））＝１２．３秒となる。
従って、定電流充電回路は、定電圧充電回路に比較して格段に速くコンデンサ４８を充電できることになる。

前記実施例において、マイクロ波レベル計に本発明を適用した例を示したが、例えば、測定器本体に電力を要する超音波レベル計であっても本発明は適用される。
また、この実施例においては、ループ電流を４〜２０ｍＡとした場合の例を説明したが、測定値０〜Ｈに対して、ループ電流をＰ〜Ｑ（Ｑ＞Ｐ＞０）ｍＡとするレベル測定システムであれば、他の電流範囲に対応させることもできる。

マイクロ波レベル計や超音波レベル計において、本発明を適用すると、より高速に測定データを得られるので、測定高さや測定距離が短時間内に変化する物質の測定が可能となる。

Claims (6)

1. 容器の上位置に取付けられ、該容器内の測定物までの距離を測定するレベル測定器と、該レベル測定器の出力をオンオフ信号に変換する信号処理部と、該信号処理部からのオンオフ信号をアナログ信号に変換して前記レベル測定器の測定出力０〜Ｈに電源ユニットに接続される電源ラインのループ電流Ｐ〜Ｑ（ｍＡ）を対応させて出力するループ電流制御部とを有するレベル測定システムにおいて、
   前記レベル測定器の電源は、蓄電器と、前記ループ電流の回路に接続され前記蓄電器を定電流制御を行って充電する定電流充電回路と、前記蓄電器の電圧を降圧する直流降圧器と、前記蓄電器の充電が完了した後にオンとなって前記蓄電器から前記直流降圧器を介して前記レベル測定器に電源供給可能なスイッチ手段とを備える補助電源部から供給されていることを特徴とするレベル測定システム。
   なお、０＜Ｐ＜Ｑの関係を有する。
2. 請求項１記載のレベル測定システムにおいて、前記信号処理部及び前記補助電源部の合計駆動電流の最小値がＰ（ｍＡ）であることを特徴とするレベル測定システム。
3. 請求項１及び２のいずれか１記載のレベル測定システムにおいて、前記信号処理部から出力されるオンオフ信号は、ＰＷＭ信号であって、前記ループ電流制御部のフィルターを介してアナログ信号に変換されていることを特徴とするレベル測定システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載のレベル測定システムにおいて、前記信号処理部は、前記レベル測定器からのアナログ信号をデジタル信号に変換して記録保持し、前記レベル測定器の非作動時にも前記オンオフ信号を出力していることを特徴とすることを特徴とするレベル測定システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載のレベル測定システムにおいて、前記レベル測定器は、前記容器の上位置に取り付けて、マイクロ波を発射し、反射波の遅れ時間から該容器内の測定物のレベルを測定するマイクロ波レベル計であることを特徴とするレベル測定システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１記載のレベル測定システムにおいて、前記ループ電流の回路にはＨＡＲＴ機器が接続され、前記ループ電流に高周波信号を重畳させて、前記信号処理部の制御を行っていることを特徴とするレベル測定システム。

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