JPH04343031A - 超音波測定用導波管及び液状物の液面検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液状物、殊に高温の液
状物を容れた槽や容器内の液面の高さや狭い空間内にお
ける液面などの超音波計測若しくは検知等目的に有効に
利用しうる導波管及び該管を用いた高温液状物の液面検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

■　　背景 超音波計測は、液面などの高さの検出に広く利用されて
いるが、送受信素子の振動によるエラーを防止するため
、最少検出可能距離として少なくとも３０ｃｍは必要で
あるので、対象液面の高さがトランスジューサーから３
０ｃｍ未満であるような狭い空間内での距離測定には利
用できない。また、トランスジューサーの送受信素子は
、比較的熱に弱いため、測定環境温度が数百度又はそれ
以上にもなる高温環境下での測定にも利用できない。し
かるに、測定環境温度がそのような高温となる事例は、
工業的に、例えばナトリウム、アルミナ、弗素などの製
造における溶融塩電解法、溶融金属染色法、鋼のシンタ
リングにおける溶融塩類浴、溶融紡糸法では、溶融状態
の繊維素材（ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィ
ン等の合成樹脂）の溶融槽、ホットメルト用接着剤の溶
融槽、ダイキャストにおけるアルミニウム合金の溶融槽
、ガラスカレット溶融用のタンク窯、フロート法板ガラ
スの製造における錫などの低融点金属の溶融槽など、多
数存在する。そしてこれら何れの事例においても、液面
制御が工程管理上重要である。

【０００３】■　　従来技術の問題点そこで、超音波計
測が困難な工業分野では、これまで二本の電極を溶融物
内へ差し込み、電極間の電気抵抗や電気容量の変化を利
用して液面の高さを検出する方法（従って、一定の高さ
範囲を検出するためには２組の電極を使用する）が行わ
れて来たが、被溶融物の種類により電極が腐食してしま
って長期の使用に耐えず、さりとて電極材料として白金
などの貴金属を用いると、コストが非常に高くつくとい
う問題があった。加えて、電気抵抗を利用する方法は、
非導電性の対象物には利用できず、また電気容量測定法
は、槽の素材による影響を受けるので用途が限られてお
り、しかも測定データの精度が低いという問題を抱えて
いる。

【０００４】そこで非接触型の液面検出装置として、特
殊な金属による内張りを施された窒化硅素製案内管の内
部に誘導コイルを収めた検出器が、例えばアルミニウム
の熔湯レベルの検出用に開発されているが、高価である
のみでなく、熔湯等と接触する案内管の腐食が著しいた
め、保守費用が非常に高くつくという欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上の実情に鑑み、本
発明は、超音波測定用の新規な導波管を開発することに
より、非接触的測定技術の適用範囲を広げ、超音波を利
用した、狭い空間内や高温環境下における液面高さ検出
技術における上記問題点の欠点を解決することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

■　　概念 上述のように、融点の高い素材や材料を溶融させるため
の溶融槽内は、一般に窒素等の不活性ガスを用いてシー
ルするのが普通である。またシールを行わない場合でも
、熱効率を高めるため可及的閉鎖的とするのが通常であ
る。このため、槽内の空間温度が非常に高くなるので、
常温の空間内や海水中の距離測定に常用される超音波ト
ランスジューサーを設置することはできない。また狭い
空間内での超音波計測は、トランスジューサーから対象
液面までの距離が短すぎる関係で発射エコーによる影響
を受け、これまた計測が不可能である。このように、超
音波による計測は、環境温度及び測定距離という二つの
因子により技術的に困難であるとされていた。

【０００７】しかるに、本発明者は研究の結果、管の一
端から発した超音波は、たとえ管が湾曲していても主と
して管の内部を伝わって目標物に到達し、その反射音の
一部が発振位置へ戻ること、及び反射音の波形を解析す
ることによって、発振位置から目標物までの距離を計測
できることを見出した。更に進んで、発明者は、管の出
口側開口面が測定対象物に対し傾斜しているとき、対象
物から最初に反射されて来る音波は、該管の突端からの
反響の影響を受けなくなるという注目すべき事実を突き
止めた。

【０００８】即ち、図１〜図５は、上記知見に到達した
実験事実の大要を示す。図１の導波管なしにトランスジ
ューサー２から４８ｋＨＺ　の超音波を目標（ブロック
壁）Ｔに発射したときの反射波は、トランスジューサー
の先端から壁面までの実測値１７９．５ｃｍ　に対し液
晶表示装置に１８２．５　ｃｍとして現れ、殆ど誤差が
ないことが判る。因に、この誤差は測定時の温度、気圧
などによるものであるので、補正が可能である。

【０００９】次に図２のトランスジューサーを短いパイ
プ３内に収めて同様に超音波を発射した場合は、意外な
ことにパイプの先端３ａからの反射波（ノイズ）が強く
現れ、液晶表示装置（ＬＣＤ）に７０．２６　ｃｍの距
離（実際の値は６８．５ｃｍ）を表示した。

【００１０】次いで、図３のようにパイプ３の全長を４
００　ｃｍに伸ばしたところ、実長６０９　ｃｍに対し
４００．３６ｃｍなる値が表示され、この場合も管３の
先端部からの反射波が測定を妨害した。

【００１１】しかし図４のように、図３のパイプの出口
側先端部３ａを４５°にカットすると、これまた意外な
ことに、パイプ先端部からの反射波が消滅し、実長と実
測値が一致した。

【００１２】そこで図５の如く、先端をカットしたパイ
プを９０°曲げてテストしたところ、パイプの曲がりに
よるノイズは発生するものの、最初の反射波は、ほぼ正
確にトランスジューサーから壁面までの実距離に対応し
ていること（実距離５２０　ｃｍに対し、表示距離５１
５　ｃｍ）が判った。従って、トランスジューサーから
パイプ先端までの距離が既知であれば、該先端から測定
対象面までの距離を殆ど正確に測定できることになる。 因に、溶融塩、熔湯などの物体は、密度が大きく、かつ
殆ど平面でもあるので、反射波の強度は一層大である。

【００１３】■　　概要 以上の知見に基づき、本発明は、先端部が斜めに開口す
る湾曲管であることを特徴とする超音波測定用導波管及
び先端部が斜めに開口する湾曲した導波管の該開口部を
液状物を容れた槽の液面に臨ませると共に、該管の他端
開口部に超音波トランスジューサーを密着させて取り付
けたことを特徴とする液状物の液面検出装置を要旨とす
る。以下、発明を構成する諸要素等につき項分けして説
明する。

【００１４】■　　超音波トランスジューサーここに超
音波トランスジューサーとしては、超音波技術において
電気的エネルギー⇔機械的エネルギーの相互変換機能を
有する既存の又は今後開発さるべき材料、例えばニッケ
ル振動子、フェライト振動子などの磁気ひずみ振動子、
ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛等の圧電振動子、ジルコン
酸・チタン酸鉛セラミックのような電気ひずみ振動子が
利用される。発振には、例えばこれらの材料から作られ
たコアの巻線に直流のバイアス磁界をかけてパルス発振
させ、目標物からのパルスを同一素子で受けて電気信号
に変換し、これを増幅及び検波してブラウン管オッシロ
スコープ等で観察したり又はＡ／Ｄ変換器を通じてデジ
タル表示させたり又は所定の閾値を超えた際に警報を発
しさせたりすることができる。これら超音波パルスの発
振や受信したパルスの増幅、表示、解析などの技術は周
知の事項であるので、詳説は省略する。

【００１５】■　　導波管 導波管となるのは、通常の引き抜き法等で作成された継
ぎ目のない鋼管、銅管黄銅管、チタン管などが推奨され
る。管の内面における傷は、パルス波形を乱して観測を
困難にするので、シーム鋼管などの使用は避けるべきで
ある。可能ならば、電解研磨などにより内面が平滑に仕
上げられた管の使用が望ましい。

【００１６】以上の導波管の一端は、対象溶融物等を容
れた槽又は容器の側壁部又は天井若しくは天板部を貫き
、その開口面は斜めに対象液状物に臨む。従って、該液
状物に臨む管は、湾曲して槽の壁又は天井若しくは天板
を貫く必要がある。湾曲すべき角度は普通９０°である
が、特に直角に限る訳ではなく、取付位置如何によって
は、より大きな又は小さい曲げ角度、二以上の同一又は
反対方向への屈曲、三次元空間内での曲がりなど、種々
の湾曲状態をとることができる。

【００１７】また管の先端開口面の角度は、通常計測対
象面に対し４５°前後であるが、格別正確に４５°近辺
であらねばならぬことはない。なお、湾曲部の凹凸は波
形を乱す主因となるので、可能な限り一体の湾曲管とす
るのが好ましいが、実質的に平滑であれば継ぎ目付管も
利用できる。

【００１８】上記トランスジューサーは、槽外の管の他
端に、好ましくはＯリング等のシール乃至緩衝手段を介
して取り付けられる。音波の伝達効率を上げるため、ト
ランスジューサーの外壁は管の内壁に密着しているのが
望ましい。

【００１９】

【作用】トランスジューサーからの超音波パルスは、導
波管内を伝わって槽内の液面に達した後、反射されて再
び導波管内を伝わってトランスジューサーに戻り、送信
から受信までの経時的遅れから対象物までの距離が観測
される。図５の示す実験事実から、導波管内を傳播して
受信素子に到達するまでの反射波の内、最先の反射波が
管の先端面から対象物（目標）までの距離に対応してい
るので、該最初の反射波が帰還するまでの時間を計測す
ると共に、トランスジューサーの位置から管の突端まで
の距離を差し引くことにより、該突端部から目標までの
距離を正確に計測することができる。なお、最初の反射
波が帰還してから１０ミリ秒程度の間、ノイズ音が観測
されるが、最初の反射波のみをピックアップするように
電気的に構成することにより、これらの後続ノイズによ
る悪影響を回避することができる。

【００２０】かつ本発明装置では、トランスジューサー
の突端位置から対象液面までの距離だけが問題で、導波
管の長さによる影響を受けないため、例えばホットメル
ト接着剤容器などの狭い空間内での液面測定が可能とな
るのみでなく、導波管の長さを充分長く取れるためトラ
ンスジューサーを高温による劣化から保護することがで
きるから、長期に亙り安定した液面の検出が可能である
。なお、管の外周面を冷媒で冷却するか又はトランスジ
ューサーの管内挿入部の周囲乃至先端から３０ｃｍ程度
の距離以内の管壁に孔を穿ち、該孔を経て管内に冷たい
気体を送りこむことにより、トランスジューサーの過熱
をより軽減することができる。後の冷却方式を採用する
場合、送気さるべき気体としては、必要に応じ不活性ガ
スが選択される。

【００２１】■　　用途 以上の説明から明らかなように、本発明導波管及びその
超音波計測技術への応用対象は、主として狭い空間内に
おける液面の検知や高温環境下における液面の検出であ
るが、より一般的な液面検出及び液体と類似の挙動を示
す粉粒体の表面検知にも利用できることは当然である。 例えば、粉粒体を容れた槽やホッパーなど、超音波トラ
ンスジューサーが粉塵による悪影響を受ける恐れのある
環境下における表面検出の目的にも当然応用できる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により発明実施の態様を説明す
るが、例示は単に説明用のものであって、発明思想の制
限又は限定を意味するものではない。

【００２３】図６は、本発明装置とその適用法の一例を
模型的に示す図である。

【００２４】装置１は、トランスジューサー２と導波管
３とからなる。該トランスジューサー２は、導波管３の
外端開口部に緊密に嵌挿されている。なお、トランスジ
ューサー２には、パルス発生器４、増幅器５及び指示装
置６が夫々接続されている。

【００２５】前記導波管３は、水平に伸びて高温液状物
貯槽８の側壁８ａを貫いた後、下方へ向け直角に湾曲３
ｂし、その先端開口面３ａは、約４５°の角度で該貯槽
８内の溶融液状物９の液面９ａに臨む。

【００２６】送気管７はトランスジューサー２よりやや
前方の導波管壁に開口７ａし、外部圧力源よりの弱加圧
気体を導波管内に送り込んで該管を冷却することにより
、トランスジューサーの過熱を防止する。

【００２７】トランスジューサー２を作動させると、超
音波Ｓは導波管３内を伝わって液面９ａに達した後、そ
の反射波Ｓ’は再び導波管内を通って受信素子５に達し
、増幅器５で増幅された後、指示装置６に導波管３の突
端部３ａ’　から液面までの距離を指示させる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明は、超音波測
定用の新規な導波管を開発すると共に、該導波管を利用
して狭い空間内や高温環境下における高温の液面の高さ
を非接触的に検出する手段を提供できたことにより、関
連産業の工程管理の向上及び合理化に貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】〜

【図５】本発明装置の原理を説明する図。

【図６】本発明装置とその適用法の一例を模型的に示す
図。

【符号の説明】

１：発明装置の全体 ２：１のトランスジューサー ３：導波管 ３ａ：３の先端部 ３ａ’　３の突端部 ３ｂ：３の湾曲部 ４：パルス発生器 ５：増幅器 ６：指示装置 ７：送気管 ７ａ：７の開口部 ８：高温液状物貯槽 ８ａ：８の側壁 ９：高温液状物 ９ａ：９の液面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　先端部が斜めに開口する湾曲管である
   ことを特徴とする超音波測定用導波管。
2. 【請求項２】　　導波管が槽から直角に湾曲する請求項
   １の導波管。
3. 【請求項３】　　導波管の内部が平滑である請求項１又
   ２の導波管。
4. 【請求項４】　　先端部が斜めに開口する湾曲した導波
   管の該開口部を液状物を容れた槽の液面に臨ませると共
   に、該管の他端開口部に超音波トランスジューサーを密
   着させて取り付けたことを特徴とする液状物の液面検出
   装置。
5. 【請求項５】　　導波管がトランスジューサーの周囲又
   はそれよりやや前方に気体送入用の入り口を有する請求
   項４の装置。