JP2013156194A - 液面レベル計測装置及び方法 - Google Patents
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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
【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)。
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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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)
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。
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。
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。
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。
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 (5)
- 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。
Priority Applications (2)
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JP2012017903A JP2013156194A (ja) | 2012-01-31 | 2012-01-31 | 液面レベル計測装置及び方法 |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2012017903A JP2013156194A (ja) | 2012-01-31 | 2012-01-31 | 液面レベル計測装置及び方法 |
Publications (1)
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-
2012
- 2012-01-31 JP JP2012017903A patent/JP2013156194A/ja active Pending
- 2012-12-18 WO PCT/JP2012/082842 patent/WO2013114752A1/ja active Application Filing
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