JP2013156194A

JP2013156194A - 液面レベル計測装置及び方法

Info

Publication number: JP2013156194A
Application number: JP2012017903A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yamashita; 善弘山下; Yuka Takada; 夕佳高田; Kazumi Watabe; 和美渡部; Makoto Ochiai; 誠落合
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-15
Also published as: WO2013114752A1

Abstract

【課題】外乱に対する耐性が高く、さらに容器に収容された液体の液面レベルを簡単な構成で高精度に計測する技術を提供する。
【解決手段】液面レベル計測装置１０は、液面３１から一部が露出するように液体３２に浸漬する振動伝播部材１２と、この振動伝播部材１２の端部に設けられその長手方向に振動３３を伝播させる圧電素子１１と、液面３１で反射する振動３３の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部２０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いる液面レベル計測技術に関する。

原子力および火力化学プラントの容器の液面レベルを超音波により計測する技術が知られている。
このうち、液面の上部に超音波の送受信器を設け、送信された超音波が気相を伝播して液面に反射し、再び気相を伝播して受信されるまでの往復時間から液面レベルを導く方式がある（例えば、特許文献１〜３）。

また、液体容器の底面から導波管を鉛直方向に立設し、この導波管の下端内側に超音波の送受信器を設け、送信した超音波が導波管内側の液相を上方に伝播し、液面に反射して下方に伝播して受信されるまでの往復時間から液面レベルを導く方式がある（例えば、特許文献４）。
さらに、上端に振動子が設置された導波管を、部分的に液体へ浸漬させ、この導波棒の共振特性から液面レベルを導く方式がある（例えば、特許文献５）。

特開２００９−２７１０５６号公報特開２０００−００９５１９号公報特開平０８−２４８１７７号公報特開平０５−２７３０３３号公報特開平０９−２３６４７５号公報

ところで、前記した特許文献１〜３の技術は、気相間の温度ゆらぎの影響を受けて測定誤差が大きくなったり、液面の波立ち，泡立ち，浮遊物等により反射波が戻りにくくなり測定不能に陥ったりする課題があった。
また、特許文献４の技術は、他の周辺機器との整合性を考慮する際に、設計上の制約が多い課題があった。
また、特許文献５の技術は、液面レベルを導く拠り所となる導波棒の共振特性が、その他のさまざまな影響因子に大きく依存するために、解析が困難な課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、外乱に対する耐性が高く、さらに容器に収容された液体の液面レベルを簡単な構成で高精度に計測する技術を提供することを目的とする。

液面レベル計測装置において、液面から一部が露出するように液体に浸漬する振動伝播部材と、前記振動伝播部材の端部に設けられその長手方向に振動を伝播させる圧電素子と、前記液面で反射する前記振動の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、外乱に対する耐性が高く、さらに容器に収容された液体の液面レベルを簡単な構成で高精度に計測する技術が提供される。

本発明に係る液面レベル計測装置の実施形態を示す概念図。ガイド波の速度分散曲線を示すグラフ。（Ａ）振動伝播部材の実施形態を示す構成図、（Ｂ）振動伝播部材の他の実施形態を示す構成図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように液面レベル計測装置１０は、液面３１から一部が露出するように液体３２に浸漬する振動伝播部材１２と、この振動伝播部材１２の端部に設けられその長手方向に振動３３を伝播させる圧電素子１１と、液面３１で反射する振動３３の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部２０と、を備えている。

このように液面レベル計測装置１０が構成されることにより、容器３０に収容される液体３２の液面３１のレベルを、この容器３０側に固定される振動伝播部材１２が長手方向に占める範囲において検出することができる。

振動伝播部材１２は、図１において圧電素子１１の両端を挟持する一対（二枚）の板状体で構成されている。これにより、圧電素子１１により励起した振動３３を、液面レベルの検出に効率利用することができる。
なお、振動伝播部材１２の形態は、特に限定はなく、一枚の板状体で構成してもよい。つまり振動伝播部材１２は、液面３１から長手形状の一部が露出するように液体３２に浸漬し、圧電素子１１から出力される振動３３を長手方向に伝播させる機能を有するものであれば適宜採用される。

圧電素子１１に電気パルス信号２６が入力すると、振動伝播部材１２の端部から長手方向に超音波の振動３３が伝播する。圧電素子１１により励起される超音波のうちＬモード（Longitudinal-mode）のガイド波３３Ａは、振動伝播部材１２の長手方向に長距離伝播する特性を有している。

そして、液面３１（気体と液体３２の界面）における音響インピーダンスの相違に基づいてガイド波３３Ａの一部が反射して、振動伝播部材１２を逆方向に伝播するエコー波３３Ｂとなって圧電素子１１に到達する。このエコー波３３Ｂを入力した圧電素子１１は、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換した応答信号２７を出力する。
信号処理部２０は、出力した電気パルス信号２６と入力した応答信号２７との時間差から、振動３３が振動伝播部材１２の露出部分を往復する伝播時間ｔを求め、この伝播時間ｔに基づいて液面レベルを導く。

信号処理部２０は、電気パルス信号２６を圧電素子１１に送信する信号送信部２１と、圧電素子１１から応答信号２７を受信する信号受信部２２と、出力した電気パルス信号２６及び入力した応答信号２７の時間差から振動３３の伝播時間ｔを導く伝播時間導出部２３と、この伝播時間ｔに基づいて液面レベルを演算する液面レベル演算部２４と、演算した液面レベルの情報を外部に無線伝送する伝送部２５と、から構成されている。

図２のグラフは、ガイド波の速度分散曲線を示す。
ここで、Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、Ｌモードのガイド波の基本振動成分及びその整数倍の振動数を有する高調波成分に対応し、Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２は、Ｓモードのガイド波の基本振動成分及びその整数倍の振動数を有する高調波成分に対応している。
そして、この速度分散曲線の横軸パラメータは、伝播するガイド波の周波数と振動伝播部材１２の形状因子とその弾性係数との積で表される。

従って、振動伝播部材１２の形状及び弾性率並びに応答信号２７の周波数が定まれば、図２に基づいて、この振動伝播部材１２を伝播するガイド波３３Ａ及びそのエコー波３３Ｂの伝播速度ｖを導くことができる。
液面レベル演算部２４は、この伝播速度ｖを装置定数として扱うことができ、伝播時間導出部２３で取得した伝播時間ｔを次式（１）に代入し、圧電素子１１から液面３１までの距離ｈを演算し、液面レベルを求めることができる。
ｈ＝ｔ×ｖ／２（１）

ちなみに、この伝播速度ｖは、振動伝播部材１２の厚さを２ｍｍとし、圧電素子１１で励起されるガイド波３３Ａが０．５ＭＨｚとすると、その積は１ＭＨｚ・ｍｍとなり、図２の分散曲線のＬ０から３ｋｍ／ｓｅｃとなる。そして、伝播時間ｔが１ｍｓｅｃであるとすると、距離ｈは１．５ｍとなる。

このように構成される液面レベル計測装置１０は、振動伝播部材１２が液体３２に浸漬する範囲において液面３１の変化を連続的に検出することができ、さらに信号処理部２０における消費電力を少なく抑えることができる。
また、伝送部２５を設けて液面レベルの情報を無線伝送することによりオペレータは、作業現場に張り付くことなく、この液面レベルを監視することができる。

これにより、電力供給源として環境発電等により蓄電可能な低容量の二次電池を採用することができ、液面レベル計測装置を恒久的にメンテナンスフリーで動作させることができる。さらに、ケーブル類を敷設する必要が無くなることで現場における作業性と利便性が向上する。

図３（Ａ）は、液体容器３０（図１）に固定される振動伝播部材１２Ａの実施形態を示している。なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
この振動伝播部材１２Ａは、その上端が圧電素子１１に固定され、下端が固定部材３７に固定されている。そして、この圧電素子１１及び固定部材３７は、液体容器３０に支持される支持部材３５に固定されている。

さらに、この支持部材３５には、振動伝播部材１２Ａの異常振動に伴う過剰な撓み変形を防止するガード部材３６が設けられている。
このガード部材３６は、通常計測時において振動伝播部材１２Ａとは非接触で、その長手方向に添って複数配列している。さらにこれらガード部材３６は、低剛性の伝播部材１２Ａを、外部の応力から保護する役目も担っている。

図３（Ｂ）は、振動伝播部材１２Ｂの他の実施形態を示している。
本実施形態において振動伝播部材１２Ｂは、圧電素子１１の両端を挟持する中空管で構成されている。
この振動伝播部材１２Ｂの断面は、図示される円形に限定されるものではなく、楕円、矩形等も含み、その内周面に圧電素子１１の両端が接する構成を有する。
そして、振動伝播部材１２Ｂの断面形状、直径、肉厚に対応して更新した形状因子に基づいて、速度分散曲線（図２）からガイド波の伝播速度ｖを導く。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の液面レベル計測装置によれば、振動伝播部材を液体に部分浸漬させて超音波が水面で反射して往復伝播するのに要する伝播時間を導くことにより、液面レベルを簡単な構成で高精度に計測することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…液面レベル計測装置、１１…圧電素子、１２（１２Ａ，１２Ｂ）…振動伝播部材、２０…信号処理部、２１…信号送信部、２２…信号受信部、２３…伝播時間導出部、２４…液面レベル演算部、２５…伝送部、２６…電気パルス信号、２７…応答信号、３０…液体容器、３１…液面、３２…液体、３３Ａ（３３）…ガイド波（振動）、３３Ｂ（３３）…エコー波（振動）、３５…支持部材、３６…ガード部材、３７…固定部材。

Claims

液面から一部が露出するように液体に浸漬する振動伝播部材と、
前記振動伝播部材の端部に設けられその長手方向に振動を伝播させる圧電素子と、
前記液面で反射する前記振動の伝播時間に基づいて液面レベルを導く信号処理部と、を備えることを特徴とする液面レベル計測装置。
請求項１に記載の液面レベル計測装置において、
前記振動伝播部材は、前記圧電素子の両端を挟持する一対の板状体であることを特徴とする液面レベル計測装置。
請求項１に記載の液面レベル計測装置において、
前記振動伝播部材は、前記圧電素子の両端を挟持する中空管であることを特徴とする液面レベル計測装置。
請求項１から請求項３に記載の液面レベル計測装置において、
前記信号処理部は、環境発電により蓄電された二次電池から駆動電力が供給され、前記液面レベルの情報を無線伝送することを特徴とする液面レベル計測装置。
液面から一部が露出するように液体に浸漬する振動伝播部材の端部に設けられた圧電素子から長手方向に伝播して前記液面で反射する振動の伝播時間に基づいて液面レベルを導くことを特徴とする液面レベル計測方法。