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公開番号2024168932
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-05
出願番号2023086001
出願日2023-05-25
発明の名称非接触液面計
出願人公立大学法人秋田県立大学
代理人個人,個人,個人
主分類G01F 23/292 20060101AFI20241128BHJP(測定;試験)
要約【課題】熱流入を抑制しつつ液面の高さを測定できる小型の液面計を得る。
【解決手段】図3(a)においては液体200の表面がヘッド部10から近い場合、図3(b)においては液体200の表面がヘッド部10から遠い場合が、それぞれ示されている。結像レンズ12によって得られる画像の画角はFV1とFV2の間の範囲で共通とされ、この範囲内を撮像した画像が光ファイバー束13の入射側(下側)の端面となる焦点面FPに結像される。この画像は、点光源11A1、11B1で照射された液体200の表面の画像である。各反射点に対応した反射像11A2、11B2、11C2は、光ファイバー束13の出射側の端面の画像13A中において、図3(a)(b)の上側に示されるような位置関係となって現れる。解析部は、画像中における隣接する反射像の間隔より、液面の高さを算出することができる。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
液体の表面である液面の高さを測定する非接触液面計であって、
前記液面を上側から撮像して焦点面で結像させる結像部と、
水平面内において前記結像部の外側における互いに異なる位置に配置され、前記液面を上側から照明光で照射する複数の光源と、
を有するヘッド部と、
前記焦点面における、複数の前記光源の各々の前記液面における反射像を含む画像を撮影する撮像部と、
前記画像中において前記反射像を認識し、隣接する２つの前記反射像の間隔から前記液面の高さを算出する解析部と、
を具備することを特徴とする非接触液面計。
続きを表示（約 690 文字）【請求項２】
前記光源は、前記照明光を伝搬させる光ファイバーにおける出射側の端部で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の非接触液面計。
【請求項３】
複数の光ファイバーが束ねられた光ファイバー束が前記ヘッド部に固定され、
前記結像部は、前記光ファイバー束の入射側の端面を前記焦点面とし、
前記撮像部は、前記光ファイバー束の出射側の端面を前記ヘッド部の外部において撮影することを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触液面計。
【請求項４】
複数の前記光源は、水平面内において前記結像部を中心とした対称な位置に配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触液面計。
【請求項５】
前記液体を収容する容器に前記ヘッド部が装着された後で、複数の前記光ファイバーの出射側の端部が移動することにより、前記光源の位置が定められることを特徴とする請求項２に記載の非接触液面計。
【請求項６】
平面視において、３つの前記光源が前記結像部を中心とした正三角形の頂点上に配置されたことを特徴とする請求項４に記載の非接触液面計。
【請求項７】
前記照明光は前記光源からパルス状に発せられ、
前記光源から前記照明光が発せられるタイミングと前記撮像部が前記画像を撮影するタイミングとが同期して制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触液面計。
【請求項８】
前記照明光は複数の前記光源からパルス状に順次発せられることを特徴とする請求項７に記載の非接触液面計。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で液面の高さを測定する非接触液面計に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
液体（水等）の液面の高さ（水位）を測定する技術として、様々なものが知られている。例えば、特許文献１には、浮力によって液体表面で浮遊するフロートの高さを機械的に測定することによって液面の高さを認識する液面計が記載されている。また、特許文献２には、１対の電極が部分的に液体に浸漬するように設けられ、液面の高さに応じて電極と液体との間の接触面積が変化することによって電極間のインピーダンスが変化することを用いて、電気的に液面の高さを認識する液面計が記載されている。これらの液面計は、特に容器内における液面の測定に特に適している。
【０００３】
また、特許文献３には、液体（水）の斜め上側から一定のパターンでレーザ光を照射し、水面におけるこのレーザ光の反射の形状を撮像して認識し、この形状から水位を認識する装置が記載されている。この技術は、特にマンホール内の水（水面）に対する測定に適している。特許文献１に記載の技術においてはフロートが、特許文献２に記載の技術においては電極が、それぞれ直接液体と接するのに対し、この技術においては測定のために液体と直接接する構造物は存在せず、代わりに液体はレーザ光で照射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２１－８１３１８号公報
特開２０１８－１５５５７８号公報
特開２０２０－８４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
測定の対象となる液体が例えば水である場合には、特許文献１～３に記載の技術は非常に有効である。一方、測定の対象となる液体としては、様々なものがあり、例えばその中には、沸点が低いために低温に維持される液体水素（－２５３℃）、液体窒素（－１９６℃）、液化アンモニア（－３３℃）、液化天然ガス（－１６２℃）等がある。これらの液体はいずれもタンク内に収容されて用いられ、この際にその残量の管理のためにその液面の高さを認識することが望まれる。
【０００６】
特許文献１、２に記載の技術は、このようなタンク内における液面の測定には適しているものの、このために用いられるフロート（特許文献１）、電極（特許文献２）が液体と直接接し、これらを介した低温の液体に対する熱流入が問題となった。すなわち、これらによって液面を高精度で測定できる一方で、この熱流入によって液体が気化しやすくなった。また、フロートや電極に関わる構造を予め容器内に設ける必要があり、これらの構造や、電気的配線を介しても容器内への熱流入が発生するため、この観点からも低温の液体に対しては適用が困難であった。また、電極間に電流を流す特許文献２に記載の技術においては、液体の種類によっては、液体が単に気化しやすいだけでなく、過電流や火花放電による火災や爆発の可能性もある。
【０００７】
特許文献３に記載の技術においては、このように液体と直接接する構成要素は用いられないため、これによる熱流入は発生しない。しかしながら、一定の強度のレーザ光を一定パターンで走査して照射することにより、やはり液体に対する熱流入が発生し、これにより液体が気化しやすくなった。また、このようにレーザ光を走査し、かつその反射像を撮像するための撮像装置を設けることが必要となるため、装置が大規模となり、例えば小型の容器内の液体に対する測定は困難であった。このため、熱流入を抑制しつつ液面の高さを測定できる小型の液面計が望まれた。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明は、液体の表面である液面の高さを測定する非接触液面計であって、前記液面を上側から撮像して焦点面で結像させる結像部と、水平面内において前記結像部の外側における互いに異なる位置に配置され、前記液面を上側から照明光で照射する複数の光源と、を有するヘッド部と、前記焦点面における、複数の前記光源の各々の前記液面における反射像を含む画像を撮影する撮像部と、前記画像中において前記反射像を認識し、隣接する２つの前記反射像の間隔から前記液面の高さを算出する解析部と、を具備することを特徴とする。
本発明において、前記光源は、前記照明光を伝搬させる光ファイバーにおける出射側の端部で構成されたことを特徴とする。
本発明において、複数の光ファイバーが束ねられた光ファイバー束が前記ヘッド部に固定され、前記結像部は、前記光ファイバー束の入射側の端面を前記焦点面とし、前記撮像部は、前記光ファイバー束の出射側の端面を前記ヘッド部の外部において撮影することを特徴とする。
本発明において、複数の前記光源は、水平面内において前記結像部を中心とした対称な位置に配置されたことを特徴とする。
本発明は、前記液体を収容する容器に前記ヘッド部が装着された後で、複数の前記光ファイバーの出射側の端部が移動することにより、前記光源の位置が定められることを特徴とする。
本発明は、平面視において、３つの前記光源が前記結像部を中心とした正三角形の頂点上に配置されたことを特徴とする。
本発明において、前記照明光は前記光源からパルス状に発せられ、前記光源から前記照明光が発せられるタイミングと前記撮像部が前記画像を撮影するタイミングとが同期して制御されることを特徴とする。
本発明において、前記照明光は複数の前記光源からパルス状に順次発せられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は以上のように構成されているので、熱流入を抑制しつつ液面の高さを測定できる小型の液面計を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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