JP4829450B2 - レベル・トランスミッタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工業的又は非工業的生産行程での生産物の嵩高さ（レベル）を計測すること、特に、電磁波レベル・ゲージを用いた貯蔵容器、例えば貯蔵タンク内の生産物のレベルの計測に関する。
この種の生産物（液体又は固形物）のレベル計測は、非接触計測が望ましい。特に望ましい非接触計測技術としては、マイクロ波を用いるものが挙げられる。生産物の表面で反射されたマイクロ波は分析されて、マイクロ波の行程からその距離が演算される。演算された距離と生産物を収納する容器の高さがわかると、生産物の収納レベルが決定される。電磁波の群速度は、真空中の光速度を媒体の絶縁定数の平方根で割った値に等しいことが知られているから、電磁波が走行した距離は、走行時間と媒体の絶縁定数が判れば決定することができる。そして走行時間は透過電磁波に対する反射電磁波の移相を計測することによって定まる。さらに、この走行時間は、パルス信号か又は周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーのような、周知のレーダー技術を用いて計測することもできる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロセス制御工業におけるレベル・トランスミッタは、通常約５〜６ＧＨｚの周波数領域で作動している。これらはかなり大きなアンテナを持ち、したがって貯蔵容器の中に大きな開口を必要とする。通常、約6インチ（約１５２ｍｍ）かそれ以上の径の開口が、アンテナを容器内に取付け収納するために必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように大きな貯蔵容器開口と大きなアンテナは、以下に述べるような種々の問題点の発生源となる。すなはち、一方ではこのように大きな開口を密封することが困難であること、他方、大きなアンテナによる容器内での電磁波の伝播が、濃縮物の形成によって妨げられる問題がある。また、多くの貯蔵容器にとって、６インチ（約１５２ｍｍ）かそれ以上の直径の開口を造ることは、可能ではあっても好ましいことではない。
【０００４】
したがって、レベル・トランスミッタにおいて、貯蔵容器内へのアンテナ収納開口を直径が１．５インチ（約３８ｍｍ）未満の広さ、望ましくは１インチ（約２５ｍｍ）または、３／４インチ（約１９ｍｍ）もしくは１／２インチ（約１３ｍｍ）まで小さくすることができれば、充分に小型のレベル・トランスミッタを備えることができる。このようなレベル・トランスミッタには、貯蔵容器内の小さな開口に適合する小型のアンテナが必要になる。
【０００５】
そのための１つの解決手段は、ロッド・アンテナを用いることである。しかしながら、今まで貯蔵容器内でロッド・アンテナを用いることは、信号精度が低下するという不都合が発生していた。これらの貯蔵容器では挿入用の開口ハウジングに多少の延長フランジが設けられているが、小型直径の開口ハウジングにはそれに対応して小型直径のフランジが設けられ、その中にロッド・アンテナが包囲され延伸している。このアンテナから信号が放射される時、誤ったエコーがこのフランジによって発生するという問題が生じる（図３ａ）。この問題の一解決策として、ドイツ特許ＤＥ１９６４１０３６のように、フランジによって包囲されるロッド・アンテナの部分にメタルケーシングを設けることが挙げられる（図３ｂ）。しかしこの種の解決策は他の問題、すなはちアンテナの延伸部が容器内に突出しているために、容器内の生産物があるレベルを超えて溢れた場合、アンテナに生産物が付着して凝縮し、機能低下を来たらす原因となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかしながら、この種のアンテナは５〜６ＧＨｚの信号を充分な容量で送ることはできないから、通常容器の開口が４インチ（約１０２ｍｍ）未満の広さのものに角形のアンテナを用いることは不可能である。これに対し、６ＧＨｚ以上、場合によっては２０ＧＨｚ又はそれ以上の高周波で作動する充分小型型のアンテナを、直径４インチ（約１０２ｍｍ）未満の広さ、場合によっては直径１．５インチ（約３８ｍｍ）の広さのアンテナ挿入用開口に設置することによって、上記課題が解決されることが判った。
【０００７】
レベル計測に際して電磁波の周波数を高めることは、アンテナおよび貯蔵容器の挿入用開口の広さを小型にすることができるだけでなく、小さい開口ハウジングに装置する小口径のホーン・アンテナを用いるので、ロッド・アンテナを狭いノズルの中に配置する時に発生する偽のエコーや人工信号によって計測が阻害されることがなくなる。
【０００８】
その他のアンテナ、いわゆるマイクロストリップ・アンテナやパッチ・アンテナを用いることもできる。これは半導体工業で良く知られているように、典型的に円形の基板の上に、食刻構造を載置することにより形成する。もし周波数を充分に５．８ＧＨｚ以上にすることができれば、この食刻構造は極めて薄くし、又その種のアンテナの直径は非常に小さくすることができるので、アンテナの容量は比較的小さくすることが可能である。貯蔵容器の開口ハウジングのフランジがホーン・アンテナを設置するには小さすぎるか、又はフランジそのものが無い場合には、マイクロストリップ・アンテナを用いることが、この小型容量のために非常に好ましいこととなる。
【０００９】
周波数を５．８ＧＨｚ以上にする、又は１０ＧＨｚ、より好ましくは１０ＧＨｚ以上、さらに好ましくは２０ＧＨｚ、最も好ましくは２４ＧＨｚまたはそれ以上の数値に設定すれば、容器の開口とそれに挿入するホーン・アンテナの直径を１．５インチ（約３８ｍｍ）またはそれ未満、特に１インチ（約２５ｍｍ）未満、３／４インチ（約１９ｍｍ）もしくは１／２インチ（約１３ｍｍ）まで小さくすることができ、そのように小さくしても、フランジを用いることなく、貯蔵容器に密着したレベル・トランスミッタとして使用することが可能である。
【００１０】
直径が約１インチ（約２５ｍｍ）のものを製作し密封することは容易である。これらは従来の広い開口をシールするためのフランジに比べると、より好ましいものである。
正確なレベル計測を行うためには、幅広い絶対周波数帯域の信号を用いることが必須である。アンテナの絶対信号帯域の増大は、平均駆動周波数の増加によって達成されるので、周波数の増加は信号の発信経路をより正確に決定することになり、従って貯蔵容器内の内容物のレベルをより正確に計測することになる。
【００１１】
【発明の概要】
この発明のレベル・トランスミッタは、周波数を５．８ＧＨｚ以上にする、又は１０ＧＨｚ、より好ましくは１０ＧＨｚ以上、さらに好ましくは２０ＧＨｚ、最も好ましくは２４ＧＨｚまたはそれ以上の数値に設定したマイクロ波を用いて、容器内の生産物の嵩高さを計測するものである。
【００１２】
この発明のレベル・トランスミッタは、容器の内容物の表面積に比べて実質的により小さい領域の容器の開口が、直径６インチ（約１５２ｍｍ）かその未満の広さ、特に４インチ（約１０２ｍｍ）未満の広さ、望ましくは１．５インチ（約３８ｍｍ）未満の広さ、さらに望ましくは１インチ（約２５ｍｍ）または、３／４インチ（約１９ｍｍ）もしくは１／２インチ（約１３ｍｍ）の広さまで小さくしたものに挿入し、開口のノズル内に包囲して設置するに充分小型のアンテナを含んでいる。アンテナと機能的に連結された１つの電磁波発信装置がこのアンテナを介して信号を容器内に送る。１つの電磁波レシーバが容器内で反射した信号を受信する。放射および受信用アンテナは、開口のノズル内に実質的に包囲されるホーン・アンテナ、開口のノズル内に完全に包囲されるマイクロストリップ・アンテナまたはパッチ・アンテナであるのが望ましい。電磁波発信装置と電磁波受信装置に付属した計測回路が、信号の伝送と反射信号の受信に基づいて容器内の生産物の嵩高さ、すなはちレベルを表示する。出力回路がこの生産物の嵩高さに関する情報を操作者に伝えるようにし、または生産物の容器内への供給装置等を自動的に制御する二系統のワイヤによるプロセス制御ループに連結している。
【００１３】
【発明の実施例】
図１は、生産物６を貯蔵するコンテナまたは貯蔵容器８に、操作可能なように取付けられた、この発明のレベル・トランスミッタ７を示す概念図である。生産物６は液体でも固体でもよく、または液体と固体の混合物であってもよい。レベル・トランスミッタ７は、図２により詳細に示すように、ハウジング２、ホーン・アンテナ４およびこのトランスミッタ７を貯蔵容器８に機械的に結合するようにした機構３とからなる。この機構３は約１．５インチ（約３８ｍｍ）径のネジからなり、貯蔵容器８の開口１１内に緊密に取付けられる。開口１１は結合手段３のネジ山に合致するネジ溝が形成されている。
【００１４】
ホーン・アンテナ４は周波数２４ＧＨｚのマイクロ波信号９を放射し、この信号波が生産物６の表面で反射し、ハウジング２内の電磁波受信機で受信される。ハウジング２内の計測回路がハウジング２内の電磁波発信源とハウジング２内の電磁波受信機とに連結され、ハウジング２内の電磁波受信機で受信した電磁波の反射信号９、１０によって、生産物６の嵩高さを決定する。
【００１５】
この発明によれば、レベル・トランスミッタ７は生産物６の嵩高さに関する情報を、ワイヤ１を介して出力装置５に伝える。出力装置５の１つの実施形態としては、操作員のために表示するメータがあり、また他の形態としては、二系統のワイヤによるプロセス自動制御ループのための電気信号装置がある。
【００１６】
ハウジング２内に配置される電気回路には、計測回路と出力回路とが含まれる。
この計測回路と出力回路の設計は周知の手法が用いられ、この発明の範囲には含まれない（ドイツ連邦共和国マールブルグ所在エンドレス・アンド・ハウザー社ヒューゴ・ラング、ウオルフガング・リブケ著ＩＳＡ論文「製造工程内で液体及び固体のレベルを計測するためのマイクロ波パルスを用いたスマート・トランスミッタ」を参照、また米国特許第５，６７２，９７５号明細書を参照のこと、その全内容が引用されている）。
【００１７】
図3ｃはドイツ特許１９６４１０３６号明細書の文脈で記載されたロッド・アンテナに代るものとして、２４ＧＨｚのホーン・アンテナを示す。ここではこの発明の好ましい実施例をしめしたが、この発明の精神を逸脱しない範囲内で、当業者が形態及び細部を変更することは許容される。
【００１８】
このようにして、ある場合にはアンテナとして、ロッド・アンテナを用いるか、より好ましくは、図４ａおよび図４ｂに示す幾つかの実施形態において、マイクロストリップまたは「パッチ」アンテナ１２を、ハウジング２に連結した機械的結合手段３に取付けて使用することもある。図４ａの線Ａから見たパッチ・アンテナ１２の拡大詳細図が、マイクロストリップまたはパッチ・アンテナのパターンを示している。パッチ・アンテナ１２は非常に小さいので、図１に示すような一般的な容器の開口のノズル内に、完全に包囲するように設置することができる。マイクロストリップまたはパッチ・アンテナは極めてコンパクトであり、かつその容積は微小であるので、貯蔵容器がホーン・アンテナを用いるには短か過ぎたり、または容器８の開口１１のフランジが極めて短いような場合に、特に適している。
【００１９】
特殊な用途に適合するために、マイクロ波の周波数は２４ＧＨｚより低いものが選択されるが、より望ましくは２４ＧＨｚより高い周波数であった方がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のレベル・トランスミッタを備えた貯蔵容器内の生産物を示す断面図である。
【図２】 図１に示すこの発明のレベル・トランスミッタの詳細図である。
【図３ａ】 従来のロッド・アンテナを容器の狭いフランジ部分に取付けた状態を断面で示す詳細図である。
【図３ｂ】 従来のロッド・アンテナを容器の狭いフランジ部分に金属ケーシングを取付けて延長した状態を示す詳細図である。
【図３ｃ】 この発明の、ホーン・アンテナを容器の狭いフランジ部分の略全長にわたって伸張させた状態を示す詳細図である。
【図４ａ】 この発明のレベル・トランスミッタの他のアンテナの実施例を示す側面図である。
【図４ｂ】 図４ａのアンテナの平面を示す拡大図である。
【符号の説明】
１ ワイヤ
２ ハウジング
３ 機構
４ ホーン・アンテナ
５ 出力装置
６ 生産物
７ レベル・トランスミッタ
８ 貯蔵容器
９、１０ 信号
１１ 開口
１２ パッチ・アンテナ

Claims (8)

1. 容器の内容物の表面積に比べて実質的により小さい広さの開口を有する貯蔵容器における、内容物の嵩高さを電磁波を用いて計測するレベル・トランスミッタにおいて、
   約２４ＧＨｚかそれ以上の周波数を有する電磁波を発生させるマイクロ波発生源と、
   このマイクロ波発生源と機能的に連結され、口径が４インチ（約１０２ｍｍ）未満の広さであるこの容器の開口に、電磁波を容器内に送るように取りつけられたマイクロ波ホーン・アンテナと、
   容器内の生産物の表面から反射して戻った電磁波を検出し、その信号により容器内の生産物の嵩高さを計測するように、前記アンテナと機能的に連結されたマイクロ波受信装置と、
   この容器の開口のネジ溝に合致し、このネジ溝に結合するネジ山を有し、この開口内に緊密に取り付けられる、レベル・トランスミッタを容器に密着させる機構と、を備え、
   前記アンテナは、この容器の開口に挿入し、この開口のノズル内に包囲して設置するのに充分小型のものである、レベル・トランスミッタ。
2. 前記マイクロ波アンテナはホーン・アンテナであり、このマイクロ波アンテナの全長は容器に取付けられたノズルに実質的に包囲され、容器内に電磁波を伝送するよう、容器の開口に連結している、請求項１に記載のレベル・トランスミッタ。
3. 前記マイクロ波アンテナはマイクロストリップ・アンテナであり、このマイクロ波アンテナの全長は容器に取付けられたノズルに完全に包囲され、容器内に電磁波を伝送するよう、容器の開口に連結している、請求項１に記載のレベル・トランスミッタ。
4. 小出力のマイクロ波発生源と、小出力のマイクロ波受信装置と、生産物の嵩高さに関する情報を計測し、二系統ワイヤによるプロセス制御ループによって出力装置に伝えるようにした、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレベル・トランスミッタ。
5. アンテナのための開口が直径約１．５インチ（約３８ｍｍ）未満の広さである貯蔵容器に設置可能な、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレベル・トランスミッタ。
6. アンテナのための開口が直径１インチ（約２５ｍｍ）未満の広さである貯蔵容器に設置可能な、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレベル・トランスミッタ。
7. アンテナのための開口が直径３／4インチ（約１９ｍｍ）の広さである貯蔵容器に設置可能な、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレベル・トランスミッタ。
8. アンテナのための開口が直径１／２インチ（約１３ｍｍ）の広さである貯蔵容器に設置可能な、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレベル・トランスミッタ。

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