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JP7088532B2 - Level detector - Google Patents

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JP7088532B2
JP7088532B2 JP2018030442A JP2018030442A JP7088532B2 JP 7088532 B2 JP7088532 B2 JP 7088532B2 JP 2018030442 A JP2018030442 A JP 2018030442A JP 2018030442 A JP2018030442 A JP 2018030442A JP 7088532 B2 JP7088532 B2 JP 7088532B2
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level
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level detection
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智哉 吉田
一行 小林
浩二 山下
嘉二郎 渡邊
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関西オートメイション株式会社
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  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Description

本発明は、レベル検出装置に関し、特にマイクロ波を利用したレベル検出装置に関する。 The present invention relates to a level detection device, and more particularly to a level detection device using microwaves.

工業生産、農業生産、廃水処理や水資源の管理等の各種の分野において、液体や粉体の表面レベルの検出が必要とされている。特に、液体や粉体をタンク内に収納する場合において、タンク内の液体、粉体の表面レベルを検知するため、各種のレベル検出装置が用いられている。 Surface level detection of liquids and powders is required in various fields such as industrial production, agricultural production, wastewater treatment and water resource management. In particular, when the liquid or powder is stored in the tank, various level detection devices are used to detect the surface level of the liquid or powder in the tank.

例えば、特許文献1には、収納容器内に取り付けられて、収納容器内に突出した電極で静電容量を検知して、静電容量に逆比例した周波数で発振させ、その発振周期に基づいて収納物のレベル位置の検知信号を出力する静電容量式レベル検出装置が記載されている。 For example, in Patent Document 1, a capacitance is detected by an electrode mounted in a storage container and protruding into the storage container, oscillated at a frequency inversely proportional to the capacitance, and based on the oscillation cycle. A capacitive level detection device that outputs a detection signal of the level position of the stored object is described.

また特許文献2には、揺動中心の回りに揺動する羽根を駆動機で揺動させ、羽根の揺動角度が所定値以下になったことを検知して、羽根に接触した被測定物のレベルを検出するレベル検出回路を備えた振子式レベル検出装置が記載されている。 Further, in Patent Document 2, a blade that swings around the center of swing is swung by a drive machine, and it is detected that the swing angle of the blade is equal to or less than a predetermined value, and the object to be measured that comes into contact with the blade. A pendulum type level detector equipped with a level detection circuit for detecting the level of the above is described.

特許文献3には、容器の外壁に固定された探触子から容器の内側面に超音波を発射し、発射波および反射波の減衰時間の差異により、液体の有無を検出する超音波レベルセンサ装置が記載されている。 Patent Document 3 describes an ultrasonic level sensor that emits ultrasonic waves from a probe fixed to the outer wall of the container to the inner surface of the container and detects the presence or absence of liquid by the difference in decay time between the emitted wave and the reflected wave. The device is described.

特開2006-322770号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-322770 特開2006-145265号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-145265 特開2004-28765号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-28765

従来から使用されているレベル検出装置では、多くの場合、計測器の一部がタンク内に設置されている。例えば、特許文献1では電極をタンク内に配置しており、特許文献2でも、タンク内に羽根が設置されている。しかし、タンクの強度、密閉性を維持し、装置の取り付けやメンテナンスを簡便化するためには、タンク外からの計測が可能であることが好ましい。特に硫酸、塩酸、弗酸等の酸やアルカリ溶液等の腐食性物質を収納するタンク、毒性物質を収納するタンク、食品工業や製薬等の分野でコンタミネーションの回避が厳密に要求される用途に用いられるタンクなどでは、計測装置の保護、内容物の漏洩回避、タンク内への異物(外気、埃、雑菌など)の混入防止などの観点から、タンク外から計測可能なレベル検出装置が望まれている。特許文献3の超音波レベルセンサ装置は、タンク外部から液体の有無を判別し得るものであるが、超音波が伝播しにくい外壁(セラミック等)や空気が介在する場合には、超音波による計測は適用し難いという問題がある。 In the level detectors used in the past, in many cases, a part of the measuring instrument is installed in the tank. For example, in Patent Document 1, the electrode is arranged in the tank, and in Patent Document 2, the blade is installed in the tank. However, in order to maintain the strength and airtightness of the tank and to simplify the installation and maintenance of the device, it is preferable that the measurement can be performed from outside the tank. Especially for tanks that store corrosive substances such as acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and fluoroacid and alkaline solutions, tanks that store toxic substances, and applications where contamination avoidance is strictly required in fields such as the food industry and pharmaceuticals. In the tanks used, level detection devices that can measure from outside the tank are desired from the viewpoint of protecting the measuring device, avoiding leakage of contents, and preventing foreign substances (outside air, dust, germs, etc.) from entering the tank. ing. The ultrasonic level sensor device of Patent Document 3 can determine the presence or absence of liquid from the outside of the tank, but when an outer wall (ceramic, etc.) or air, which is difficult for ultrasonic waves to propagate, intervenes, measurement by ultrasonic waves is performed. Has the problem of being difficult to apply.

本発明は、タンクの密閉性を保持したまま、外部からタンク内部の液体やスラリーなどの流体や粉体の表面レベルを計測可能なレベル計を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a level meter capable of measuring the surface level of a fluid or powder such as a liquid or a slurry inside the tank from the outside while maintaining the airtightness of the tank.

本発明のレベル検出装置は、収納物を収納するタンクの外壁に、前記収納物のレベルをマイクロ波を用いて検出するレベルセンサを設けたレベル検出装置である。このレベル検出装置において、レベルセンサはタンクの外方に露出して取り付けられたものとすることができる。このレベル検出装置によれば、マイクロ波を用いることによって、タンクの密閉性を保持したままタンク内部の流体(液体、スラリー)や粉体のレベルを検出することができる。またレベルセンサはタンクの外方に露出しているので、レベルセンサの保守点検が容易である。 The level detection device of the present invention is a level detection device provided with a level sensor for detecting the level of the stored items by using microwaves on the outer wall of a tank for storing the stored items. In this level detector, the level sensor can be mounted exposed to the outside of the tank. According to this level detection device, by using microwaves, it is possible to detect the level of fluid (liquid, slurry) or powder inside the tank while maintaining the airtightness of the tank. Moreover, since the level sensor is exposed to the outside of the tank, maintenance and inspection of the level sensor is easy.

前記レベル検出装置は、タンク内の収納物から反射して前記レベルセンサが受信するマイクロ波の第1信号レベルと、タンクの内面またはタンクに設けた反射板から反射して前記レベルセンサが受信するマイクロ波の第2信号レベルとの差に基づき、測定位置における前記収納物の有無を検知するように構成されたレベル検出装置であってもよい。例えば、前記レベル検出装置は、前記レベルセンサが受信するマイクロ波の出力直流電圧を、タンクが空の場合や検出位置に収納物がない場合にタンクの内面または反射板から反射されて検知される値と、測定時に検知される値で対比することにより、測定位置における収納物の有無を検知するものであってもよい。 The level detection device receives the first signal level of the microwave reflected from the contents in the tank and received by the level sensor, and reflected from the inner surface of the tank or the reflecting plate provided in the tank to be received by the level sensor. It may be a level detection device configured to detect the presence / absence of the contained object at the measurement position based on the difference from the second signal level of the microwave. For example, the level detection device detects the output DC voltage of the microwave received by the level sensor by being reflected from the inner surface of the tank or the reflector when the tank is empty or when there is no stored object at the detection position. By comparing the value with the value detected at the time of measurement, the presence or absence of stored items at the measurement position may be detected.

前記レベル検出装置は、前記レベルセンサがマイクロ波を発振する発振器と、前記マイクロ波を本体外に発信する第一のアンテナと、反射されたマイクロ波を受信する第二のアンテナを備え、前記第1および第2のアンテナの前面を含むアンテナ面と、タンクの外面との間にギャップが設けられており、前記信号レベル差が最大となるように前記ギャップの大きさが設定されているレベル検出装置であってもよい。例えば、前記レベルセンサは、タンクの外壁に設置されたセンサ位置決め部材と、前記位置決め部材に設置されたセンサ本体とを備え、前記センサ本体のアンテナ面と前記タンク外壁との距離を前記位置決め部材によって調整可能とされたものであってもよい。このような構成のレベル検出装置によれば、収納物の種類に応じてレベル検出の感度を最適化することができる。所定レベルでの収納物の有無を一個のセンサで検知できるため、検出にかかる構成を簡略化することができる。 The level detection device includes an oscillator in which the level sensor oscillates microwaves, a first antenna that transmits the microwaves to the outside of the main body, and a second antenna that receives the reflected microwaves. A level detection in which a gap is provided between the antenna surface including the front surface of the first and second antennas and the outer surface of the tank, and the size of the gap is set so as to maximize the signal level difference. It may be a device. For example, the level sensor includes a sensor positioning member installed on the outer wall of the tank and a sensor body installed on the positioning member, and the distance between the antenna surface of the sensor body and the tank outer wall is determined by the positioning member. It may be adjustable. According to the level detection device having such a configuration, the sensitivity of level detection can be optimized according to the type of stored items. Since the presence or absence of stored items at a predetermined level can be detected by a single sensor, the configuration for detection can be simplified.

前記レベル検出装置は、前記タンクの内部に、前記レベルセンサに対向して配置されて、前記マイクロ波を反射する反射板を備えた、レベル検出装置であってもよい。これにより反射板がタンクの外方に存在しないのでタンクがコンパクトになる。ただし、前記タンクの外壁面上に、前記レベルセンサに対向して配置されて、前記マイクロ波を反射する反射板を備えた、レベル検出装置であってもよい。 The level detection device may be a level detection device having a reflector arranged inside the tank facing the level sensor and reflecting the microwave. This makes the tank compact because the reflector does not exist outside the tank. However, it may be a level detection device having a reflector arranged on the outer wall surface of the tank facing the level sensor and reflecting the microwave.

前記レベル検出装置において、前記レベルセンサとしてはマイクロ波ドップラーセンサを使用することができる。 In the level detection device, a microwave Doppler sensor can be used as the level sensor.

本発明のレベル検出装置によれば、液体、スラリー、粉体などのレベルをタンクの密閉性を保持したまま検出することができる。本発明のレベル検出装置は、検知にマイクロ波を用いるので、センサと収納物の間に空気が介在するような場合でも、収納物の有無を検知することができる。 According to the level detection device of the present invention, the level of liquid, slurry, powder, etc. can be detected while maintaining the airtightness of the tank. Since the level detection device of the present invention uses microwaves for detection, it is possible to detect the presence or absence of stored items even when air is present between the sensor and the stored items.

本発明の一実施形態にかかる、レベル検出装置の構成を示す、概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the level detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 表1に示された条件で計算した場合において、タンクが空の場合(実線)と、測定位置に収納物がある場合(破線)の出力直流電圧およびその差(点線)の、センサ変位に対応する変動を示す図である。When calculated under the conditions shown in Table 1, it corresponds to the sensor displacement when the tank is empty (solid line) and when there is an item at the measurement position (broken line) and the output DC voltage and the difference (dotted line). It is a figure which shows the fluctuation. 実施例2において、アクリルタンク内の水を厚さ20mmのアクリル板を介して計測した場合の実測値において、タンクが空の場合(実線)と、測定位置に収納物がある場合(破線)の出力直流電圧およびその差(点線)の、センサ変位に対応する変動を示す図である。In Example 2, when the water in the acrylic tank is measured through an acrylic plate having a thickness of 20 mm, the measured values are when the tank is empty (solid line) and when there is a stored object at the measurement position (dashed line). It is a figure which shows the fluctuation corresponding to the sensor displacement of an output DC voltage and the difference (dotted line). 本発明の一実施形態にかかる、レベル検出装置のセンサの配置状態を示す断面図(センサ本体については側面図)である。It is sectional drawing (the side view about the sensor main body) which shows the arrangement state of the sensor of the level detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 図4と同様の構成において、タンク内に反射板を設置した場合の断面図である。It is sectional drawing when the reflector is installed in the tank in the same structure as FIG. 電磁波を透過しないタンクの壁に電磁波を透過する物質からなる窓を設け、図4と同様のセンサを設置して粉体状の収納物を測定する場合を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a case where a window made of a substance that transmits electromagnetic waves is provided on the wall of a tank that does not transmit electromagnetic waves, and a sensor similar to that in FIG. 4 is installed to measure a powdery stored object. 本発明のレベル検出装置を液体タンクのレベルスイッチに用いた場合の一構成例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows one configuration example when the level detection apparatus of this invention is used for the level switch of a liquid tank. 実施例4において、収納物(灰)のレベルを変化させた場合の、センサ出力の経時的変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the sensor output when the level of the stored matter (ash) is changed in Example 4. FIG.

本発明のレベル検出装置は、収納物を収納するタンクの外壁に、前記収納物のレベルをマイクロ波を用いて検出するレベルセンサを設けたレベル検出装置である。以下、図面を参照して、本発明の実施形態にかかるレベル検出装置を説明する。なお各図面において、対応する構成には同一の符号を付して説明を省略する。 The level detection device of the present invention is a level detection device provided with a level sensor for detecting the level of the stored items by using microwaves on the outer wall of a tank for storing the stored items. Hereinafter, the level detection device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same reference numerals are given to the corresponding configurations, and the description thereof will be omitted.

図1は、本発明の一実施形態にかかるレベル検出装置の構成を示す概念図である。本実施形態のレベル検出装置1は、タンク2の壁20の外壁面20a上に設置されて、タンク壁20の外方に露出するレベルセンサ10と、タンクの収納部をはさんで、前記レベルセンサ10に対向する位置で、タンクの外壁面上に設置された反射器(反射板)13とを備えている。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a level detection device according to an embodiment of the present invention. The level detection device 1 of the present embodiment is installed on the outer wall surface 20a of the wall 20 of the tank 2, sandwiching the level sensor 10 exposed to the outside of the tank wall 20 and the storage portion of the tank, and the above-mentioned level. A reflector (reflector) 13 installed on the outer wall surface of the tank is provided at a position facing the sensor 10.

レベルセンサ10は、タンク外壁3に設置されたセンサ位置決め部材(センサガイド)12と、前記センサ位置決め部材12により保持されたセンサ本体11とからなる。センサ本体11前面のアンテナ面11cつまり出射面と、タンクの外壁面20aの間には、所定のギャップ(空気層)Gが設けられており、センサ位置決め部材12は、前記ギャップGの間隔zを調整可能となるように構成されている。センサ本体11は、高周波を発生する発振器11dと、発信用のアンテナ11aと、受信用のアンテナ11bと、混合器11fとを備えている。発振器11dに交流入力Aが供給され、混合器11fからセンサ出力信号Sが出力される。 The level sensor 10 includes a sensor positioning member (sensor guide) 12 installed on the tank outer wall 3 and a sensor main body 11 held by the sensor positioning member 12. A predetermined gap (air layer) G is provided between the antenna surface 11c on the front surface of the sensor main body 11, that is, the exit surface, and the outer wall surface 20a of the tank, and the sensor positioning member 12 sets the gap z between the gaps G. It is configured to be adjustable. The sensor main body 11 includes an oscillator 11d that generates high frequencies, an antenna 11a for transmission, an antenna 11b for reception, and a mixer 11f. The AC input A is supplied to the oscillator 11d, and the sensor output signal S is output from the mixer 11f.

図1に示す構成において、発信アンテナ11aから発信されたマイクロ波は、図に実線、破線、一点鎖線で示すように、タンク外壁面20a(または後述するセンサカバーのセンサ側壁面)、タンク壁20と収納物3(または空気)との界面(タンク壁内面20b)、収納部21をはさんで対向するタンク内壁面20c、その外側のタンク外壁面にとりつけられた反射器(反射板)13でそれぞれ反射して受信アンテナ11bで受信される。センサからの出力Sは、送信電圧E(t)と受信電圧E(t)の積の直流成分であり、この積で表れる周波数2fの成分は、フィルター(図示せず)で除去される。タンクに収納物がある場合の出力直流電圧E、およびタンクが空の場合の出力直流電圧Eは、それぞれ次式(1)、(2)で表される。 In the configuration shown in FIG. 1, the microwaves transmitted from the transmitting antenna 11a are the tank outer wall surface 20a (or the sensor side wall surface of the sensor cover described later) and the tank wall 20 as shown by the solid line, the broken line, and the alternate long and short dash line in the figure. At the interface between the container 3 (or air) (tank wall inner surface 20b), the tank inner wall surface 20c facing the storage unit 21, and the reflector (reflector plate) 13 attached to the tank outer wall surface outside the tank. Each is reflected and received by the receiving antenna 11b. The output S from the sensor is a DC component of the product of the transmission voltage E e (t) and the reception voltage Er (t), and the frequency 2f component appearing in this product is removed by a filter (not shown). .. The output DC voltage Em when there is an item in the tank and the output DC voltage E 0 when the tank is empty are expressed by the following equations (1) and (2), respectively.

Figure 0007088532000001
Figure 0007088532000001

Figure 0007088532000002
Figure 0007088532000002

上の式において、fはキャリア周波数、Eは伝送電圧、Eroはタンク壁(またはセンサカバー)からの受信電圧、Erc、E rcは収納物からの受信電圧、E rmは、反射器からの受信電圧、2Dはアンテナの間隔、cは光速、cはタンク壁をマイクロ波が透過する速度、cmは収納物中のマイクロ波速度、lcはタンク壁の厚み、lは収納物の厚み(タンクの内径)である。 In the above equation, f is the carrier frequency, E e is the transmission voltage, E ro is the reception voltage from the tank wall (or sensor cover), E rc , E * rc is the reception voltage from the stored items, and E * rm is. Received voltage from the reflector, 2D is the antenna spacing, c 0 is the speed of light, c c is the speed at which microwaves pass through the tank wall, cm is the microwave speed in the container, lc is the thickness of the tank wall, l T Is the thickness of the stored item (inner diameter of the tank).

一例として、各パラメータを下記の表1のように設定した場合の、E(破線)およびE(実線)の値、及び両者の差ΔE(点線)=E-Eを、変位zを横軸にとってプロットしたものを図2に示す。 As an example, when each parameter is set as shown in Table 1 below, the values of Em (broken line) and E o (solid line), and the difference between the two ΔE (dotted line) = Em −E 0 are displaced z. Is shown in FIG. 2 as a plot with the horizontal axis.

Figure 0007088532000003
Figure 0007088532000003

図2に見られるように、ギャップGの間隔zを調整することにより、ΔEの大きさを調整することができ、センサからの出力信号S(直流電圧)により、収納物の有無を検知することができる。 As seen in FIG. 2, the magnitude of ΔE can be adjusted by adjusting the gap z of the gap G, and the presence or absence of stored items is detected by the output signal S (DC voltage) from the sensor. Can be done.

上記の式は、タンクの外壁面に反射器を設置した場合について記載しているが、反射板を用いない場合には、E rmを0とすればよい。なお実際の装置の使用にあたっては、収納物に応じてΔEが最大となるようにギャップを調整し、レベル検出装置として使用すればよい。一例として図3に、後述する実施例2で実際に測定されたE(実線)、Em(破線)、ΔE(点線)の例を示す。 The above formula describes the case where the reflector is installed on the outer wall surface of the tank, but when the reflector is not used, E * rm may be set to 0. In the actual use of the device, the gap may be adjusted so that ΔE becomes maximum according to the stored items, and the device may be used as a level detection device. As an example, FIG. 3 shows an example of E 0 (solid line), Em (broken line), and ΔE (dotted line) actually measured in Example 2 described later.

図4に、本発明にかかるレベルセンサ10をタンクに設置する部分の断面図を示す(センサ本体については側面図)。本実施形態では、タンク壁20はアクリルのような樹脂製である。センサ位置決め部材12は、タンクの外壁面20aに固定されている。固定には、ボルトのような締結手段12aを用いてもよい。例えば、センサ本体11の外面の一部に雄ねじ11eを形成し、位置決め部材12に形成された雌ねじ12eにねじ込んでもよい。その際、ねじ込む深さにより、アンテナ面11cと外壁面20aとのギャップGの間隔zを調整し、被検体である収納物の信号強度を検知する際の信号強度を最大化するように調整する。 FIG. 4 shows a cross-sectional view of a portion where the level sensor 10 according to the present invention is installed in the tank (side view of the sensor body). In this embodiment, the tank wall 20 is made of a resin such as acrylic. The sensor positioning member 12 is fixed to the outer wall surface 20a of the tank. Fastening means 12a such as a bolt may be used for fixing. For example, a male screw 11e may be formed on a part of the outer surface of the sensor main body 11 and screwed into the female screw 12e formed on the positioning member 12. At that time, the distance z of the gap G between the antenna surface 11c and the outer wall surface 20a is adjusted according to the screwing depth so as to maximize the signal strength when detecting the signal strength of the stored object as the subject. ..

なお、タンクが樹脂、セラミック等の電磁波(本発明ではマイクロ波)を通す素材で構成されている場合は、上述の実施形態のようにタンク外部にセンサを設置すればよいが、タンクが電磁波を通さない素材で構成されている場合、タンクの壁に開口を設け、電磁波を通す素材からなる窓で開口を塞いでもよく、あるいは、電磁波を通す素材からなるカバーをつけたセンサをタンク内に突出させてもよい。つまり、レベルセンサ10はタンク壁20から外部に露出するようにタンク壁に取り付ければよい。レベルセンサ10がタンクの外方に露出していることにより、レベルセンサの保守点検が容易となり、またタンクの収納物に応じてギャップGを調整することができる。但し必要に応じ、センサのアンテナ面をタンク内部に配置してもよい。また図4では、レベルセンサと反射板をタンク外壁面に設置する場合について示したが、必要に応じ、反射板をタンク内部に配置してもよい。 When the tank is made of a material such as resin or ceramic that allows electromagnetic waves (microwaves in the present invention) to pass through, a sensor may be installed outside the tank as in the above embodiment, but the tank emits electromagnetic waves. If it is made of a material that does not allow electromagnetic waves to pass through, an opening may be provided in the wall of the tank and the opening may be closed with a window made of a material that allows electromagnetic waves to pass through, or a sensor with a cover made of a material that allows electromagnetic waves to pass through may protrude into the tank. You may let me. That is, the level sensor 10 may be attached to the tank wall so as to be exposed to the outside from the tank wall 20. Since the level sensor 10 is exposed to the outside of the tank, maintenance and inspection of the level sensor can be facilitated, and the gap G can be adjusted according to the contents of the tank. However, if necessary, the antenna surface of the sensor may be arranged inside the tank. Further, although FIG. 4 shows a case where the level sensor and the reflector are installed on the outer wall surface of the tank, the reflector may be arranged inside the tank if necessary.

図5は、タンク内に反射板13を設置した状態を示している。また前述のとおり、反射板は必須の構成ではなく、場合によっては、反射板を用いなくてもよい。タンク内の収納物の比誘電率が比較的高い場合、反射板なしに収納物を検出することができる。またタンク壁が電磁波を通さない素材からなる場合、レベルセンサからのマイクロ波がセンサと反対側のタンク壁で反射される際の反射強度が高いで、反射板は不要である。 FIG. 5 shows a state in which the reflector 13 is installed in the tank. Further, as described above, the reflector is not an indispensable configuration, and in some cases, the reflector may not be used. If the relative permittivity of the stored items in the tank is relatively high, the stored items can be detected without a reflector. Further, when the tank wall is made of a material that does not allow electromagnetic waves to pass through, the reflection intensity when microwaves from the level sensor are reflected by the tank wall on the opposite side of the sensor is high, and a reflector is unnecessary.

図6は、電磁波を通さない素材で構成されたタンク壁20の開口部に電磁波を通す素材(例えば樹脂)の窓21を設けてレベルセンサ10を装着した状態を示す。ここでレベルセンサ10は、図4で示したレベルセンサと同様の構成をとる。窓21を透過した電磁波(破線)は、収納物3(粉体)で反射してレベルセンサ10の受信アンテナで受信される。収納物3がない場合、レベルセンサ10の反対側の内壁面20cから反射したマイクロ波がレベルセンサ10の受信アンテナによって受信される。 FIG. 6 shows a state in which a window 21 made of a material (for example, resin) that allows electromagnetic waves to pass through is provided in an opening of a tank wall 20 made of a material that does not allow electromagnetic waves to pass through, and a level sensor 10 is attached. Here, the level sensor 10 has the same configuration as the level sensor shown in FIG. The electromagnetic wave (broken line) transmitted through the window 21 is reflected by the stored object 3 (powder) and received by the receiving antenna of the level sensor 10. When there is no storage object 3, the microwave reflected from the inner wall surface 20c on the opposite side of the level sensor 10 is received by the receiving antenna of the level sensor 10.

図4から図6に示すそれぞれの構成において、収納物がある場合と収納物がない場合とでは、レベルセンサ10からの出力信号Sは(特定のz値以外では)異なり、その差異により、測定部位における収納物の有無を判定することができる。すなわち、それぞれの実施形態において、収納物がある場合と、ない場合のレベルセンサ10からの出力電圧を測定し、位置決め部材12で電圧差が最大となるように、センサ本体11の位置を調整し、レベル検出装置として使用すればよい。 In each of the configurations shown in FIGS. 4 to 6, the output signal S from the level sensor 10 differs (except for a specific z value) between the case where there is a stored object and the case where there is no stored object, and the measurement is performed based on the difference. It is possible to determine the presence or absence of stored items at the site. That is, in each embodiment, the output voltage from the level sensor 10 with and without the stored items is measured, and the position of the sensor main body 11 is adjusted so that the voltage difference is maximized by the positioning member 12. , It may be used as a level detection device.

本発明のレベル検出装置1に使用されるレベルセンサ10としては、マイクロ波ドップラーセンサを用いることができる。マイクロ波の発信アンテナと、受信アンテナを備えたセンサとしては、自動車や人などの動作検知用に、ドップラーセンサが開発されている。
使用されるマイクロ波の周波数は、例えば、10.5GHz~10.55GHzであってもよく、24.05GHz~24.25GHzであってもよい。発明の構成上は限定されないが、実用的には、法令により使用が許可されている周波数を用いる必要があり、日本では、上記の周波数がセンサ用途として許可されている。他の周波数帯が許可されている国では、別の周波数を用いてもよい。
As the level sensor 10 used in the level detection device 1 of the present invention, a microwave Doppler sensor can be used. As a sensor equipped with a microwave transmitting antenna and a receiving antenna, a Doppler sensor has been developed for motion detection of automobiles and people.
The frequency of the microwave used may be, for example, 10.5 GHz to 10.55 GHz or 24.05 GHz to 24.25 GHz. Although not limited in terms of the configuration of the invention, in practice, it is necessary to use a frequency permitted by law, and in Japan, the above frequency is permitted for sensor applications. In countries where other frequency bands are allowed, different frequencies may be used.

上記レベル検出装置は、タンク内の収納物が所定のレベルになった場合に収納物の投入を停止または開始するレベルスイッチとしても利用できる。
図7は、本発明のレベル検出装置を液体タンク2に設置した場合の例を示す概略断面図である。タンク2の上方は、第1の弁4Aを介して流入路5Aに接続されており、下方は第2の弁4Bを介して放出路5Bに接続されている。本発明のレベル検出装置1A、1B(この場合はセンサ10A、10B)がタンク壁20の所定位置に二個設置されており、検出装置と弁は、コントローラ6に接続されている。検出装置1A、1Bにおいて、レベルセンサ10A、10Bは感度が最大となるように設置間隔2Dが調整されている。例えば、第2の弁4Bを開放してタンク内の液体3を放出する場合に、液面が第2の検出装置1Bの測定レベルより低下すると、コントローラ6は出力電圧の変化を検知し、第2の弁4Bを閉じる指令を発する。次いで、第1の弁4Aが開放され、タンク2内に液体3が補充される。液面が第1の検出装置4Aの測定レベルを超えると、コントローラ6は出力電圧の変化を検知し、第1の弁4Aを閉鎖する。このようにして、タンク2内の収納物3のレベルを両センサ10A、10Bの間となるように保持することができる。
The level detection device can also be used as a level switch for stopping or starting loading of stored items when the stored items in the tank reach a predetermined level.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example when the level detection device of the present invention is installed in the liquid tank 2. The upper part of the tank 2 is connected to the inflow path 5A via the first valve 4A, and the lower part is connected to the discharge path 5B via the second valve 4B. Two level detection devices 1A and 1B (in this case, sensors 10A and 10B) of the present invention are installed at predetermined positions on the tank wall 20, and the detection device and the valve are connected to the controller 6. In the detection devices 1A and 1B, the installation intervals 2D of the level sensors 10A and 10B are adjusted so as to maximize the sensitivity. For example, when the second valve 4B is opened to discharge the liquid 3 in the tank and the liquid level drops below the measurement level of the second detection device 1B, the controller 6 detects a change in the output voltage and the second Issue a command to close the valve 4B of 2. Next, the first valve 4A is opened, and the liquid 3 is replenished in the tank 2. When the liquid level exceeds the measurement level of the first detection device 4A, the controller 6 detects a change in the output voltage and closes the first valve 4A. In this way, the level of the stored object 3 in the tank 2 can be held so as to be between the sensors 10A and 10B.

[実施例1]
被検体1として、発泡率99%、比誘電率1.006の発泡スチロール(厚み150mm)、被検体2として、容積144mm×144mm×144mm(幅150mm)のアクリルタンクに水(比誘電率80)を溜めたものを用意した。また反射板として面積365mm×365mm、厚み0.3mmの銅板をセンサ側の発泡スチロールの外面またはアクリルタンクの外壁面から0.15m、0.30m、0.60m、3.00mの位置に設置した。またセンサを発泡スチロールの外面または、アクリルタンクの外壁面に直接設置した場合、厚み1mmのポリテトラフルオロエチレンカバーを設けた場合、厚み3mmのアクリルカバーを設けた場合の3条件で実験を行った。センサとしては、周波数24.15GHzのマイクロ波ドップラーセンサ(関西オートメイション製)を用い、アンテナ面をセンサ先端面より0.5mm毎に15mmの位置まで移動した場合の出力電圧、収納物の有無による電圧差を求めた。結果を表2に示す。
[Example 1]
As the subject 1, foamed styrene (thickness 150 mm) having a foaming rate of 99% and a relative permittivity of 1.006, and as the subject 2, water (relative permittivity 80) is placed in an acrylic tank having a volume of 144 mm × 144 mm × 144 mm (width 150 mm). I prepared what I had stored. Further, as a reflector, a copper plate having an area of 365 mm × 365 mm and a thickness of 0.3 mm was installed at positions of 0.15 m, 0.30 m, 0.60 m, and 3.00 m from the outer surface of the expanded polystyrene on the sensor side or the outer wall surface of the acrylic tank. The experiment was conducted under three conditions: when the sensor was directly installed on the outer surface of Styrofoam or the outer wall surface of the acrylic tank, when a polytetrafluoroethylene cover having a thickness of 1 mm was provided, and when an acrylic cover having a thickness of 3 mm was provided. A microwave Doppler sensor (manufactured by Kansai Automation) with a frequency of 24.15 GHz is used as the sensor, and it depends on the output voltage when the antenna surface is moved to a position of 15 mm every 0.5 mm from the sensor tip surface and the presence or absence of stored items. The voltage difference was calculated. The results are shown in Table 2.

Figure 0007088532000004
Figure 0007088532000004

表2において、T1は、センサカバーとして1mm厚のポリテトラフルオロエチレン、A3は3mm厚のアクリルをそれぞれ使用し、T1A3は、3mm厚のアクリルセンサカバーの前に、さらに1mm厚のポリテトラフルオロエチレンを設置した場合、A3a1A3は、3mmアクリル(タンク壁)と1mmの間隔(空気層)をあけて、厚さ3mmのアクリルを設置した場合を示す。 In Table 2, T1 uses 1 mm thick polytetrafluoroethylene as a sensor cover, A3 uses 3 mm thick acrylic, and T1A3 uses 1 mm thick polytetrafluoroethylene in front of the 3 mm thick acrylic sensor cover. When installed, A3a1A3 indicates a case where acrylic having a thickness of 3 mm is installed with a space of 1 mm (air layer) from 3 mm acrylic (tank wall).

比較的高い誘電率を有する水の場合、カバー、タンク壁面の素材、反射板の位置によって、電圧差の極大値の平均値と極小値の平均値はあまり変化しない。また、表には示さないが、反射板を用いない場合でも、物質の存在が確認できた。これは、電磁波の大部分が被検体である水によって反射されることによると考えられる。他方、誘電率の低い発泡スチロールの場合、センサの近傍の0.15m位置に反射板を設置することにより、感度の向上が明瞭に認められる。電圧差の極大値と極小値が現れる空間周期は6.5~7mmであり、24.15(GHz)の半波長6.2mmに近い。この例では、ギャップG(図1)の位置調整による最大感度の探索は7mm程度までの調整範囲で行えばよいことがわかる。なお、発泡スチロールによる実験は、比誘電率の低い粉体を測定する場合の模擬実験と見ることができるので、本発明のレベル検出装置は、粉体の測定にも有用であることがわかる。 In the case of water having a relatively high dielectric constant, the average value of the maximum value and the average value of the minimum value of the voltage difference do not change much depending on the position of the cover, the material of the tank wall surface, and the reflector. In addition, although not shown in the table, the presence of the substance could be confirmed even when the reflector was not used. It is considered that this is because most of the electromagnetic waves are reflected by the water as the subject. On the other hand, in the case of expanded polystyrene having a low dielectric constant, improvement in sensitivity is clearly recognized by installing a reflector at a position of 0.15 m near the sensor. The spatial period in which the maximum and minimum values of the voltage difference appear is 6.5 to 7 mm, which is close to the half wavelength of 6.2 mm at 24.15 (GHz). In this example, it can be seen that the search for the maximum sensitivity by adjusting the position of the gap G (FIG. 1) may be performed within an adjustment range of up to about 7 mm. Since the experiment using foamed styrol can be seen as a simulated experiment in the case of measuring a powder having a low relative permittivity, it can be seen that the level detection device of the present invention is also useful for measuring the powder.

[実施例2]
厚み3mmのアクリルタンク(A3)に水を収納し、これにさらに厚み20mmのアクリルおよび/または厚み20mmの天然ゴム(R20)を積層したものを用い、これに実施例1と同じセンサを設置してタンク外からの検出実験を行った。反射板は使用しなかった。その結果を表3に示す。また一例として、厚さ20mmのアクリル板とタンク壁を介して計測を行った場合(A23)のグラフを図3に示す。図3は、実線はタンクが空の場合、破線がレベル検出位置に水がある場合の出力直流電圧を示し、点線は両者の差ΔE(スケールは異なる)を示す。
[Example 2]
Water is stored in an acrylic tank (A3) having a thickness of 3 mm, and an acrylic having a thickness of 20 mm and / or a natural rubber (R20) having a thickness of 20 mm is laminated thereto, and the same sensor as in Example 1 is installed therein. A detection experiment was conducted from outside the tank. No reflector was used. The results are shown in Table 3. Further, as an example, FIG. 3 shows a graph of the case where measurement is performed through an acrylic plate having a thickness of 20 mm and a tank wall (A23). In FIG. 3, the solid line shows the output DC voltage when the tank is empty, the broken line shows the output DC voltage when there is water at the level detection position, and the dotted line shows the difference ΔE (the scale is different) between the two.

Figure 0007088532000005
表3に見るように、タンク壁面の厚さと素材により、出力最大値は変化する。他方、z=5~100mmの範囲で、出力が最大値となるときに、空タンクとの出力差も最大になっていた。したがって、レベル計としての使用にあたっては、タンクに水があるときに出力最大となる条件に変位(z値)を設定すればよい。
Figure 0007088532000005
As shown in Table 3, the maximum output value changes depending on the thickness and material of the tank wall surface. On the other hand, in the range of z = 5 to 100 mm, when the output reached the maximum value, the output difference from the empty tank also became the maximum. Therefore, when using it as a level meter, the displacement (z value) may be set under the condition that the output is maximized when there is water in the tank.

[実施例3]
JISZ1710に規定されるポリエチレン樹脂タンクを用意し、タンク壁に直接マイクロ波ドップラーセンサを設置した場合、20mmのアクリル樹脂を介して測定した場合(A20)、厚さ20mmの天然ゴムを介して測定した場合(R20)、厚さ3mmのアクリル樹脂、厚さ20mmの天然ゴム、厚さ20mmのアクリル樹脂の3層(A3R20A20)をタンク壁に積層し、それぞれ最外層上にマイクロ波ドップラーセンサを設置し、タンク内の灯油を検出する実験を行った。反射板は使用しなかった。その結果を表4に示す。表4に示すように、タンク壁の条件によって異なるが、変位zの調整により、電圧差が検出された。
[Example 3]
When a polyethylene resin tank specified in JISZ1710 was prepared and a microwave Doppler sensor was installed directly on the tank wall, measurement was performed via 20 mm acrylic resin (A20), and measurement was performed via natural rubber having a thickness of 20 mm. Case (R20), three layers (A3R20A20) of acrylic resin with a thickness of 3 mm, natural rubber with a thickness of 20 mm, and acrylic resin with a thickness of 20 mm are laminated on the tank wall, and a microwave Doppler sensor is installed on the outermost layer of each. , An experiment was conducted to detect kerosene in the tank. No reflector was used. The results are shown in Table 4. As shown in Table 4, a voltage difference was detected by adjusting the displacement z, although it depends on the conditions of the tank wall.

Figure 0007088532000006
Figure 0007088532000006

[実施例4]
レベルセンサの用例として、陶器製の火鉢の中の灰の検知を火鉢の外から検出する実験を行った。反射板は使用しなかった。センサによる出力測定開始後、10秒~17秒で、火鉢内の灰をセンサレベルより上まで積み重ね、34~44秒の間に、灰をかき出してセンサレベルより低くした。この間のドップラーセンサの出力レベルを図8に示す。この実験では、計測は肉厚のセラミック(火鉢の壁)を介して行われており、灰のレベルもセンサ前方で均一ではないので、空気も介在するが、図8に見られるように、壁面近傍の灰のレベルの変化が、センサ出力の変化として検出された。
[Example 4]
As an example of the level sensor, an experiment was conducted to detect ash in a pottery brazier from outside the brazier. No reflector was used. The ash in the brazier was piled up above the sensor level 10 to 17 seconds after the start of the output measurement by the sensor, and the ash was scraped out to be lower than the sensor level within 34 to 44 seconds. The output level of the Doppler sensor during this period is shown in FIG. In this experiment, the measurement was done through a thick ceramic (brazier wall), and the ash level was not uniform in front of the sensor, so air was also present, but as seen in FIG. 8, the wall surface. Changes in the level of nearby ash were detected as changes in sensor output.

[実施例5]
低誘電率の被検体をセンサで検知する際の反射板の効果を検討するため、発泡率99%、比誘電率1.007のサンプル1と、発泡率97%、比誘電率1.015の発泡スチロールをはさんで、30mm×27mm、30mm×11mm、30mm×6mmの三種類の銅製の反射板をドップラーセンサのアンテナ面に対し25mm離間して設置し、さらにアンテナ面と反射板の間が空気の時に出力が0Vとなるようにセンサの変位zを調整し、アンテナ面と反射板の間にサンプルをはさんだ場合の0Vからの出力電力の変化を読みとった。その結果を表5に示す。
[Example 5]
In order to examine the effect of the reflector when detecting a subject with a low dielectric constant with a sensor, Sample 1 with a foaming rate of 99% and a relative permittivity of 1.007 and Sample 1 with a foaming rate of 97% and a relative permittivity of 1.015. Three types of copper reflectors of 30 mm x 27 mm, 30 mm x 11 mm, and 30 mm x 6 mm are installed with foamed styrol sandwiched between them at a distance of 25 mm from the antenna surface of the Doppler sensor, and when there is air between the antenna surface and the reflector. The displacement z of the sensor was adjusted so that the output became 0V, and the change in the output power from 0V when the sample was sandwiched between the antenna surface and the reflector was read. The results are shown in Table 5.

Figure 0007088532000007
Figure 0007088532000007

表5に示すように、反射板を用いることにより、比誘電率の低いサンプルについても、レベル検出装置としての利用が可能であることがわかる。この結果から、粉体などの比誘電率の低い試料についても、例えば図1や図6に示す反射板13を用いることにより、レベル計測が容易になると期待できる。 As shown in Table 5, it can be seen that by using the reflector, even a sample having a low relative permittivity can be used as a level detection device. From this result, it can be expected that even for a sample having a low relative permittivity such as powder, the level can be easily measured by using the reflector 13 shown in FIGS. 1 and 6, for example.

本発明のレベル検出装置によれば、密閉タンク内の流体や粉体のレベルの計測をタンク外から好適に行うことができる。レベル検出装置のセンサとしては、普及率の高い、ドップラーセンサを用いることができ、簡便かつ安価な構成とすることができる。 According to the level detection device of the present invention, the level of the fluid or powder in the closed tank can be suitably measured from outside the tank. As the sensor of the level detection device, a Doppler sensor having a high penetration rate can be used, and a simple and inexpensive configuration can be used.

1 レベル検出装置
10 センサ
11 センサ本体
12 位置決め部材
13 反射器(反射板)
11a 出力アンテナ
11b 受信アンテナ
11c アンテナ面
11d 高周波発振器
11e ネジ山
2 タンク
20 タンク壁
20a タンク壁外面
20b、20c タンク壁内面
21 窓(カバー)
1 Level detection device 10 Sensor 11 Sensor body 12 Positioning member 13 Reflector (reflector)
11a Output antenna 11b Receiving antenna 11c Antenna surface 11d High frequency oscillator 11e Thread 2 Tank 20 Tank wall 20a Tank wall outer surface 20b, 20c Tank wall inner surface 21 Window (cover)

Claims (4)

収納物を収納するタンクの外壁に、前記収納物のレベルをマイクロ波の発振および受信により検出するレベルセンサが設けられ、
前記レベルセンサは、タンクの外壁の外方に露出して取り付けられており、
タンク内の収納物から反射して前記レベルセンサが受信するマイクロ波の第1信号レベルと、タンクの内面またはタンクに設けた反射板から反射して前記レベルセンサが受信するマイクロ波の第2信号レベルとの差に基づき、
測定位置における前記収納物の有無を検知するように構成されたレベル検出装置において、
前記レベルセンサはマイクロ波を発振する発振器と、前記マイクロ波を本体外に発信する第一のアンテナと、反射されたマイクロ波を受信する第二のアンテナを備え、前記第1および第2のアンテナの前面を含むアンテナ面と、タンクの外面との間にギャップが設けられており、前記信号レベル差が最大となるように前記ギャップの大きさが設定されているレベル検出装置
A level sensor that detects the level of the stored items by oscillating and receiving microwaves is provided on the outer wall of the tank that stores the stored items.
The level sensor is exposed and attached to the outside of the outer wall of the tank.
The first signal level of the microwave reflected from the contents in the tank and received by the level sensor, and the second signal of the microwave received by the level sensor reflected from the inner surface of the tank or the reflector provided on the tank. Based on the difference from the level
In a level detection device configured to detect the presence or absence of the stored object at the measurement position ,
The level sensor includes an oscillator that oscillates microwaves, a first antenna that emits the microwaves to the outside of the main body, and a second antenna that receives the reflected microwaves, and the first and second antennas. A level detection device in which a gap is provided between the antenna surface including the front surface of the tank and the outer surface of the tank, and the size of the gap is set so as to maximize the signal level difference .
請求項1に記載のレベル検出装置において、前記タンクの内部に、前記レベルセンサに対向して配置されて、前記マイクロ波を反射する反射板を備えた、レベル検出装置。 The level detection device according to claim 1 , wherein the level detection device includes a reflector arranged inside the tank so as to face the level sensor and reflect the microwave. 請求項1に記載のレベル検出装置において、前記タンクの外壁面上に、前記レベルセンサに対向して配置されて、前記マイクロ波を反射する反射板を備えた、レベル検出装置。 The level detection device according to claim 1 , wherein the level detection device includes a reflector arranged on the outer wall surface of the tank so as to face the level sensor and reflect the microwave. 請求項1からのいずれか一項に記載のレベル検出装置において、前記レベルセンサはマイクロ波ドップラーセンサであるレベル検出装置。 The level detection device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the level sensor is a microwave Doppler sensor.
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