JP5707627B2

JP5707627B2 - レーザー式液面計

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Publication number: JP5707627B2
Application number: JP2012179950A
Authority: JP
Inventors: 哲北澤
Original assignee: KITAZAWA TECHNOLOGY OFFICE LTD.
Current assignee: KITAZAWA TECHNOLOGY OFFICE LTD.
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: JP2013253955A

Description

レーザー光を測定液面に浮かべたフロートに投射して、フロートまでの距離をレーザー距離計で測定することによるレーザー式液面計は公知技術として知られている。この方式によるレーザー式液面計は被接触方式のためにセンサー部の経年劣化が少なく、化学プラントの液面計、河川、用水路、貯水池などの水位測定に広く適用が可能である。しかし、従来、液面測定に適したレーザー距離計が高価であること。測定距離の校正および消波管内のフロートにレーザー光を正確に投射する方法が確立していないために普及が遅れている。レーザー距離計は建築現場用の距離測定用などとして低価格が進んでいる。本発明は広く産業上の利用に供するために、消波管を垂直に対して角度を付けて設置した場合についても測定液面の校正およびフロートに対する投射角度調整を容易化したレーザー式液面計を提供するものである。

レーザー距離計を用いた水位レベル計または液面レベル計の文献として下記が存在する。
特開平１０−２８１８５４号公報特開平０９−２０３６５２号公報特開平０１−１２３１１５号公報特開２００６−２５８５７９号公報特開２０１０−２４９７９０号公報

消波管中のフロートにレーザー光を投射し、反射レーザー光により水面までの距離を求めるレーザー距離計を用いたレーザー式液面計は公知技術として上記の文献に示されている。しかし、これらの文献に関して、測定距離の校正方法、フロートへの投射レーザー光の光軸合わせの方法は示されていない。
測定距離の校正方法は他方式の液面計を含めて一般に簡単で容易に行うことが困難である。細径で距離が長い消波管においてはフロートへ投射するレーザー光の光軸合わせを容易化することが重要である。本発明は垂直に対して角度を付けて設置した消波管に対して、も測定距離の校正方法とフロートへ投射するレーザー光の光軸合わせの方法を提供するものである。

液面計は化学プラントのタンクの液位、上水道、下水道などの水処理用の貯留槽、河川、農業用水路などの分野で広く用いられている。解決しようとする課題はこれらの分野で共通的な部分が大きいが、以下に河川、農業用水路など水位計に的を絞り課題を示す。
従来、代表的な水位計として、河川、用水路、ダム、貯水地などの水位計には、機械的な方法としてフロート式が使用されていた。この方式は水面の上昇下降にしたがって上下するフロートに取付けたワイヤを巻き込むリールの回転角度から水位を換算するもので水位計測精度として±１ｃｍ程度が得られるが、土木構造物として大きな測水筒を必要とする。このために最近ではダム、大河川などの他はあまり使用されていない。しかし、フロート式はフロートに取り付けたワイヤの伸び縮みなどの機械的な要因以外では誤差が生じないために、校正頻度を少なくしても精度が維持できる方式である。
測定水面にセンサー部を接触して水位測定する代表的接触式水位計として水圧式水位計が多く使用されている。この方式は水深に比例した水圧を感圧素子で測定するもので、大気圧と比較して測定するために大気開放チューブを必要とし、このチューブから感圧部に湿気が侵入したり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。このために接触式センサーの共通的課題である安定性が課題となっている。
非接触式水位計としては超音波式水位計に代わって最近では電波式水位計が用いられている。電波式水位計は水面にセンサー部が接触しないために、経年的に安定な測定ができる。
しかし、水面の浮遊物がある場合、誤差の原因となる。また、センサーからの距離によって、電波の放射角度が広がり、放射角度内に電波を遮断する障害物が存在すれば使用できない等の課題がある。
水圧式水位計、電波式水位計ともに、自己校正機能を持たないために水位計独自での校正ができない。このために、校正方法として、水位計の近傍に量水標を設けて、量水標のスケールを目視して測定値と比較して行う。
量水標の目盛りは最低１ｃｍ刻みであるが、波浪の影響などにより、現実的に±５ｃｍ程度の校正誤差が生じることが多い。
本発明のレーザー式水位計はフロート式のように規模の大きい測水筒を必要とせず、水圧式水位計のようにセンサーが水没していることによる接触式センサーに本質的な測定精度劣化の問題がなく、水圧式水位計、電波式水位計に共通な、自己校正の機能がない欠点を除去した自己校正機能を有し、実水位以外の水位で校正可能な水位計である。

レーザー式水位計の測定原理は［特許文献５］特開２０１０−２４９７９０号公報レーザー式水位計に示したものと同一である。この測定原理は測定水面下に内部が空胴の消波管を設置する。レーザー距離計を消波管の上部にレーザー距離計の投射光軸位置を消波管の中心軸に合わせて設置し、消波管の中にレーザー距離計より投射レーザー光を送出する。
消波管内部の水面にフロートを浮力で浮かべておく、フロートは水面の上下によって水面と同じ距離を上下する。投射レーザー光はフロートにあたり、その拡散反射光をレーザー距離計で受信してフロートまでの距離を求める。
フロート上端と水面との距離（Ｌ）はフロートの浮力によって、常に一定に保たれているため、フロート上端と水面との距離Ｌをレーザー距離計で測定した距離に加えることにより、レーザー距離計と水面の距離を正確に求めることができる。
消波管は水面の波浪によるフロートの上下を押さえる機能、フロートの移動を消波管内におさめる機能とレーザー距離計とフロート間に障害物が入り込まないようにする機能を有するものとする。
また、消波管には水の浸入、排出および砂塵の排出用の複数の小孔またはメッシュ状の孔を設けるものとする。

本発明の構成、原理の説明を図１、図２に示す。図１は測定距離の校正時とレーザー光の光軸合わせ時の状態を示している。図２は通常の測定状態を示している。通常の測定状態では６レーザー距離計の１１測定基準面より、４投射レーザー光を２フロートに向け投射する。４投射レーザー光は１５フロートのレーザー光反射面で拡散反射し、５反射レーザー光が６レーザー距離計に戻りフロートまでの距離を測定する。
実際の１測定水面の位置はフロートの反射面よりフロートの浮力により一定の高さＬだけ低い位置にあるために、レーザー距離計で測定した値にＬを加えて水位を計算する。
Ｌはフロートが浮力で水面から浮上している高さでありフロートに固有の値である。
校正時はレーザー距離計とフロートの間には１３校正板をワイヤで吊して設置する。
校正板を吊り下げワイヤで吊り下げる方法は複数の方法が考えられる。いずれの方法も校正板に対する吊り下げワイヤの作用点は校正板反射面の中心とし、作用線は消波管の中心軸となるようにする。これにより校正板反射面は消波管中心軸に対して直角に保持される。図１の校正板の吊り上げ方式は校正板中心の３３引き上げワイヤの作用点をワイヤの支持点となると同時にリングをとおしてワイヤが移動可能なものとする。２２ワイヤ固定点でワイヤの片端を固定して、２０ワイヤ巻き上げ機によりワイヤの巻き上げができるようにしている。
図１において、校正時に２０ワイヤ巻き上げ機により、巻き上げているワイヤを延ばし、１３校正板を校正位置まで引き下げて停止する。
図１において測定距離の校正方法は校正位置で、１３校正板と１１測定基準面間の１２引き上げワイヤの長さを読みとり、この読み取り値から測定基準面と校正板間の垂直距離を求めて校正値とする。次に、この位置においてレーザー距離計で測定した測定水位、すなわち１１測定基準面から１３校正板までの距離を読みとり、被校正値として校正を行う。
レーザー光の光軸合わせについても、距離校正と同様に校正位置において行う。
消波管の断面中心にレーザー距離計の光軸を配置しているがレーザー距離計の光軸角度は配置精度により中心が微妙なずれが発生している。このずれを修正するために、レーザー距離計の光軸を左右、前後の角度を調整する７レーザー距離計微動回転機構をもうけるものとする。この回転機構は１４フランジに２１固定金物で固定されており、レーザー距離計の光軸を消波管中心軸に対し左右、前後に振ることができるものとする。振り角度の回転中心は消波管の断面中心の１１測定基準面になるようにする。
１３校正板の３４校正板反射面には投射レーザー光の光軸合わせを行うために、反射帯と無反射帯を同軸方向に交互に設ける。一般に反射帯は白色物体、無反射帯は黒色物体により構成する。反射帯と無反射帯のパターンの例を図３、図４、図５に示す。図３は校正板の中心部を無反射帯とした場合である。２４中心部の無反射帯（黒）の同軸方向外周部に２５周辺部の反射帯（白）を設ける。無反射帯よりの反射光は弱く、反射帯よりの反射光は強く、強弱の違いにより、２４中心部の無反射帯（黒）の反射か、２５周辺部の反射帯（白）の反射か判定する。７レーザー距離計微動回転機構により、投射レーザー光を前後、左右に振り、反射光弱の場合は無反射帯、反射光強の場合は反射帯と判定する。中心部無反射帯を検出したとき前後、左右の無反射帯の振り角度の中点を校正板の中心と判定して、この中点を消波管中心として光軸を合わせる。
図１に示すワイヤ引き上げ方式では４投射レーザー光および５反射レーザー光が１３校正板の近傍で１２引き上げワイヤに投射されることがある。この投射レーザー光はワイヤに当たり、吸収、散乱される。この結果、レーザー距離計の受信光として、図３の校正板の場合、２４中心部の無反射帯（黒）からの反射光が減少したことになり周辺部と中心部の反射光の強弱の比は大きくなる。このため２４中心部の無反射帯（黒）を検出したとき前後、左右の無反射帯の振り角度の中点を校正板の中心と判定して、この中点を消波管中心として光軸を合わせることができる。
図４は校正板の中心部を反射帯とした場合である。２７中心部の反射帯（白）の同軸方向外周部に２８周辺部の無反射帯（黒）を設ける。反射帯よりの反射光は強く、無反射帯よりの反射光は弱く、強弱の違いにより、２７中心部の反射帯（白）の反射か、２８周辺部の無反射帯（黒）の反射か判定する。７レーザー距離計微動回転機構により、投射レーザー光を前後、左右に振り、反射光弱の場合は無反射帯、反射光強の場合は反射帯と判定する。中心部反射帯を検出したとき前後、左右の反射帯の振り角度の中点を校正板の中心と判定して、この中点を消波管中心として光軸を合わせる。
図４の校正板の中心部を反射帯とした場合は図１に示すワイヤ引き上げ方式では４投射レーザー光および５反射レーザー光が１３校正板の近傍で１２引き上げワイヤに投射されることがある。この投射レーザー光はワイヤに当たり、吸収、散乱される。この結果、レーザー距離計の受信光として、図４の校正板の場合、２７中心部の反射帯（白）からの反射光が減少したことになり、２８周辺部無反射帯（黒）との反射光との差が小さくなるために、図４の校正板のパターンは図１に示すワイヤ引き上げ方式には適さない。図４の校正板のパターンは図６に示す校正板中心部に引き上げワイヤがない場合に適用できる。校正板に接続するワイヤの支持点である力点は校正板中心にないが、作用点は校正板の中心にあり、作用線は校正板の中心で消波管の中心軸と一致しており、校正板の反射面は作用線と直角となっている。
消波板のパターンとして、図５に示す３０中心部白色、同軸方向に３１第１外周部黒色、３２第２外周部白色の繰り返しパターンおよび白黒を逆転したパターンが考えられる。
この繰り返しパターンは投射レーザー光の校正板反射面の最外周部の白、黒パターンの検出に有効である。
吊り下げワイヤで吊り下げている校正板は反射面の中心の作用線が消波管中心軸と一致し反射面が作用線と直角をなして、上下する必要がある。消波管の中心軸が垂直線から傾いて設置した場合、消波管中心軸と作用線がずれることになる。このため消波管が垂直線から傾いてもずれが発生しないようにする必要がある。これは校正板側面にすべり回転機構を設けて、消波管とすべり回転で接触して校正板を上下するようにする。このようにした構成を図７に示す。消波管が垂直線に対して、角度θ傾いて設置されている場合も校正板は回転すべり機構により、消波管の内面をガイドとして消波管中を上下する。この場合、消波管中心軸と校正板の吊り下げワイヤによる作用線は一致することになり、消波管中心軸に対して校正板反射面は直角となる。図８に１３校正板、３消波管、１６回転すべり機構の関係を示す。回転すべり機構は消波管に接する部分は自由に回転する回転体から校正され、消波管に接して上下する時に消波管内壁面との摩擦を減らすために回転しながら上下する。
消波管と回転すべり機構との間隔は消波管の内径、校正板の外径寸法を考慮したものとし、最小間隔になるように設計する。これによって消波管中心軸とワイヤで吊した校正板中心軸は同一の作用線上とすることができる。図９は回転すべり機構として、ボールキャスターの原理を応用したもので、３５ボールが消波管に接触時回転することにより、接触摩擦抵抗を減らしている。図１０は回転すべり機構として、車輪の原理を応用したもので、３６車輪が消波管に接触時回転することにより、接触摩擦抵抗を減らしている。

従来の水位計の課題を解決することにより以下の効果が得られる。
第１に、最近、河川、用水路、調整池等の水位計として水圧式水位計および電波式水位計が多く用いられている。水圧式はセンサー部が接触式のため使用環境にもよるが頻繁に校正しないと精度の維持ができない欠点を有している。電波式は非接触式のため校正頻度は水圧式に比較して少ないが水面浮遊物により誤差を生じる欠点を有している。両方式の課題は水位計単体での校正ができないことである。いずれも近傍に設置している量水標の目盛りと対比または校正時に量水標に相当する目盛板を設置して測定値を校正する必要がある。本発明のレーザー式液面計は液面計単体での校正を可能とし、精度維持の向上と保守の容易化を実現している。
第２に、消波管中の投射レーザー光がフロートに正確に投射するための光軸合わせ機能を組込み、設置現場での調整を容易化している。
第３に、河川、用水路、調整池などでは水位計設置個所として、垂直断面が確保できない場合がある。本発明のレーザー式液面計では設置断面が傾斜している場合にも適用できる。

図１に示すワイヤ引き上げ方式は１台のワイヤ巻き上げ機によって校正板の位置を設定でき距離校正、光軸合わせが容易となる。しかし、この方式は投射レーザー光および反射レーザー光が校正板の近傍で引き上げワイヤに投射され吸収、散乱される。図３に示す校正板の場合、中心部分が無反射帯のため、ワイヤによる大きな散乱でない限り、中心部無反射帯から反射光が単に減少したことになるため、光軸合わせには影響がない。散乱を小さくするため、ワイヤは黒色の光吸収体により構成し、かつワイヤをできる限り細径化する。

図１において、６レーザー距離計微動回転機構の構成方法として、カメラの微動雲台、機器の姿勢調整や試料の傾斜回転などに使用する垂直Ｚ軸に対してＸＹ平面を自由に傾ける２軸傾斜ステージと呼ばれる微動回転機構を採用する。２軸傾斜ステージは±３度の角度調整ができ、ツマミ１回転でステージを４５秒回転できる製品がある。

フロートは白色処理を施して、投射光を拡散反射するようにする。より良好な反射を行うために、フロート上部表面に方向性反射材料を配置することにより最適の反射状態とすることができる。方向性反射材料は反射光が投射方向と同じ方向に戻る反射特性を有する。
フロート上部に方向性反射材料を配置して、５反射レーザー光を４投射レーザー光の方向に反射させるようする。方向性反射材料から反射した５反射レーザー光は４投射光と同一方向に対して狭い反射角で反射し、レーザー距離計で効率良く受信できる。方向性反射材料は小さなプリズムを多数並べてシート状としたものが実用化されている。また、３消波管は鋼管、塩化ビニル管などが用いられるが管内面の光学的反射率が大きい場合、大きな反射光がレーザー受光器に入ると距離測定の障害となる。この反射光がレーザー受光器へ入る量を小さくするために必要により黒色塗装処理を行い、反射光を吸収する。

２フロートは３消波管の中で水面に浮力で浮いている。フロートのレーザー反射面は白色材料により構成されている。フロートが汚損した場合、レーザー光の反射率が低下して距離計としての機能が果たせなくなる可能性がある。このために、フロートを消波管より取りだして、クリーニングまたは交換が必要となる。
消波管よりフロートを引き上げ取りだす方法として、１３校正板の下部および２フロートの表面を磁石または磁性体とすることにより磁力でフロートを引き上げる。
この場合の結合方法の組み合わせは下記とする。
校正板、フロートともに磁石
校正板は磁石、フロートは磁性体
校正板は磁性体、フロートは磁石
なお、引き上げたフロートを消波管内に戻す方法はフロートの上面、下面ともに磁性体または磁石によって構成し、消波管上部より管内にフロートを落下させる。この方法により、上下面が逆になっても、磁力により保守時に引き上げができる。

出願当初の特許請求の範囲を付記する。
１．付記１
（イ）消波管、レーザー距離計、フロートを有し、測定液中に内部が空胴の消波管を設置する。レーザー距離計を消波管の上部に配置して、消波管の中心軸にレーザー距離計の投射レーザー光の光軸を合わせて送出する。
（ロ）消波管内部の液面にフロートを浮力で浮かべておく、フロートは液面の上下によって液面と同じ距離を上下する。
（ハ）投射レーザー光はフロートに投射され、その反射レーザー光をレーザー距離計で受信してフロートまでの距離を求め、液面に換算する。
（ニ）測定液面を校正するための校正板を有するものとする。校正板はレーザー距離計とフロート間にワイヤで吊り下げる。吊り下げワイヤの作用点は校正板中心とし作用線は消波管中心軸と一致するようにする。この場合、校正板反射面は作用線と直角となる。
（ホ）校正板は吊り下げワイヤの長さを調整することにより、消波管の中心軸に対して校正板の反射面は直角状態を保持して上下する。レーザー距離計の測定基準面と校正板の距離は吊り下げワイヤの上げ下げ距離を測定することにより容易に知ることができる。
（ヘ）吊り下げワイヤの任意位置での測定基準面から校正板までの長さは、校正板の正確な位置を示しており、この長さを吊り下げワイヤに付加された目盛りにより測定して測定基準面と校正板反射面の距離に換算して校正値とする。このための目盛りを有するものとする。
（ト）校正板にレーザー光を投射して、校正板の反射帯による反射をレーザー距離計で測定して被校正値とする。
（チ）上記の校正値と被校正値を比較することにより任意位置において測定距離校正を行うものとする。
（リ）校正後は通常の液面測定状態に戻すために、校正板を上部に引き上げ、レーザー距離計とフロート間に配置している校正板を取り除き、投射レーザー光を、フロートに投射して反射光がレーザー距離計で受光可能な状態とする。レーザー距離計で測定した距離は上記（チ）項により校正する。
（ヌ）以上の構成と液面測定値の校正方式を特徴とするレーザー式液面計
２．付記２
（イ）付記１によるレーザー式液面計において、消波管中心軸を基準として、レーザー距離計の光軸を左右、前後に角度を調整できるレーザー距離計微動回転機構を有するものとする。
（ロ）校正板の光反射面には同軸方向に無反射帯と反射帯の繰り替えしパターンを有するものとする。中心部が無反射帯の場合は次の外周部は反射帯とする。中心部が反射帯の場合は次の外周部は無反射帯とする。
（ハ）反射帯、無反射帯による反射レーザー光の違いは吸収、散乱の差によりレーザー距離計で受信光の強、弱により判定できる。
（ニ）請求項１に示した距離校正時と同様に校正板をレーザー距離計とフロート間に吊り下げワイヤを延ばして引き下げ、任意位置で光軸合わせを行う。
（ホ）微動回転機構により、投射レーザー光を前後、左右に振り、上記（ハ）項により受信光弱の場合は無反射帯よりの反射、受信光強の場合は反射帯と判定する。
（ヘ）校正板の中心部を無反射帯とした場合は微動回転機構により、投射レーザー光を前後、左右に振り、受信光の強、弱により、周辺部の反射帯、中心部の無反射帯を検出する。中心部無反射帯を検出したとき前後、左右の無反射帯の振れ角度の中点を校正板の中心と判定して、この中点を消波管中心として光軸を合わせる。
（ト）校正板の中心部を反射帯とした場合は微動回転機構により、投射レーザー光を前後、左右に振り、受信光弱、受信光強により、周辺部の無反射帯、中心部の反射帯を検出する。中心部反射帯を検出したとき前後、左右の反射帯の振れ角度の中点を校正板の中心と判定して、この中点を消波管中心として光軸を合わせる。
（チ）以上の構成と投射レーザー光の光軸合わせ方式を特徴とするレーザー式液面計
３．付記３
付記１および付記２によるレーザー式液面計において、校正板側面にすべり回転機構を設けて、消波管とすべり回転で接触して校正板を上下することを特徴とするレーザ式液面計。

測定距離の校正時とレーザー光の光軸合わせの状態を示している。通常の距離測定状態を示している。投射レーザーの光軸合わせのための、中心部が無反射帯の校正板パターンを示している。投射レーザーの光軸合わせのための、中心部が反射帯の校正板パターンを示している。投射レーザーの光軸合わせのための、中心部が白色、第１外周部黒色、第２外周部白色反射帯の校正板パターンおよび白黒反射体の逆転パターンを示している。引き上げワイヤの支持点が校正板の中心にない場合のワイヤ引き上げ方式の例を示している。消波管が垂直に設置できない場合について測定距離の校正とレーザー光の光軸合わせの状態を示している。校正板と消波管および回転すべり機構の関係を示している。回転すべり機構にボールキャスターを応用した例を示している。回転すべり機構に車輪を応用した場合の例を示している。

Claims

消波管と、
前記消波管の内部に配置され、測定液面に浮かぶフロートであって、上面にレーザー光を反射する光反射面を備える前記フロートと、
目盛りが付された引き上げワイヤと、
前記消波管の内部において前記フロートよりも上部に配置され、前記引き上げワイヤで吊り下げられ、上面にレーザー光を反射する光反射面を備える校正板であって、前記測定液面の液面測定時には取り外し可能な前記校正板と、
前記引き上げワイヤの巻き上げにより前記校正板を上下に移動するワイヤ巻き上げ機と、
前記消波管の上部に配置され、校正時には、測定基準面から前記校正板までの距離である被校正値を測定し、前記液面測定時には、前記測定基準面から前記フロートまでの距離を測定するレーザー距離計と
を具備し、
前記目盛りを読み取ることで得られる前記測定基準面から前記校正板までの距離を校正値として、前記被校正値を校正可能である
レーザー式液面計。
消波管と、
前記消波管の内部に配置され、測定液面に浮かぶフロートであって、上面にレーザー光を反射する光反射面を備える前記フロートと、
目盛りが付された引き上げワイヤと、
前記消波管の内部において前記フロートよりも上部に配置され、前記引き上げワイヤで吊り下げられ、上面にレーザー光を反射する光反射面を備える校正板であって、前記測定液面の液面測定時には取り外し可能な前記校正板と、
前記引き上げワイヤの巻き上げにより前記校正板を上下に移動するワイヤ巻き上げ機と、
前記消波管の上部に配置され、校正時には、測定基準面から前記校正板までの距離である被校正値を測定し、前記液面測定時には、前記測定基準面から前記フロートまでの距離を測定するレーザー距離計と
を具備し、
更に、前記消波管の中心軸を基準として、前記レーザー距離計の光軸の角度を左右及び前後に調整できるレーザー距離計微動回転機構を具備し、
前記校正板の中心部には、レーザー光を反射する反射帯またはレーザー光を吸収する無反射帯が設けられ、
前記校正板の中心部に前記反射帯が設けられる場合には、前記反射帯の外周に、前記反射帯と同心となるように無反射帯が設けられ、
前記校正板の中心部に前記無反射帯が設けられる場合には、前記無反射帯の外周に、前記無反射帯と同心となるように反射帯が設けられ、
前記光軸を左右および前後に調整し、前記反射帯と前記無反射帯の左右の境界および前後の境界について、前記微動回転角度の中点角度を求めて左右および前後の光軸中心として校正可能である
レーザー式液面計。
請求項１または請求項２に記載のレーザー式液面計において、前記校正板の側面には、すべり回転機構が設けられ、前記校正板は、前記消波管とすべり回転で接触して上下動可能であるレーザー式液面計。