WO2015083298A1

WO2015083298A1 - 水位センサ

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Publication number: WO2015083298A1
Application number: PCT/JP2014/001196
Authority: WO
Inventors: 勝山名
Original assignee: 株式会社岡崎製作所
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-06-11
Also published as: JPWO2015083298A1; US20170052053A1

Abstract

低廉で、精度も向上可能な水位センサを提供する。通電により発熱する発熱体９と、発熱体９に隣接して測温点１２３が配設された熱電対１２と、この発熱体９および熱電対１２を収容する保護管１３と、この保護管内に充填された絶縁物１４とを備える。発熱体９は、発熱源として白金抵抗体素子９を有する。

Description

水位センサ

　本発明は、発熱体と熱電対とを利用して、容器に収容された水の水位を検知する水位センサに関するものである。

　従来、この種の水位センサは、水位計として各種容器の水位を検出する工業用センサとして広く用いられている。例えば特許文献１に示す水位センサは、いわゆる加熱熱電対式水位計として、一方向に細長く延び通電により発熱する発熱線と、この発熱線に隣接して測温点が配設された熱電対と、この発熱線および熱電対を収容する保護管と、この保護管内に充填された絶縁物とを備え、長手方向を容器の深さ方向と一致させた状態で当該容器に配置される。この水位計は、水中時と気体中時とで発熱線から発生する熱の放熱量が異なるため、これらの各状態で熱電対の測温点において温度差が生じる点を利用して水位を検知する。すなわち、この水位センサは、発熱線に通電して発熱させ、水中にある場合は、気体中にある場合に比べて発生する熱の放熱量が多いために、発熱線ないしその近傍領域の温度が気体中にある場合に比べて低くなる。このため、この温度を熱電対により測定して、所定の基準温度よりも低い場合には水位センサが水中にあることを判別するものである。

　特許文献１に記載の水位センサは、発熱線が保護管の軸線方向に延びて、先端がＵ字状に折り曲げられている。なお、発熱線の素材は、ニクロム線が用いられてきた。

　ところで、この従来の加熱熱伝対式の水位センサは、発熱線が保護管の長手方向（軸線方向）に比較的広範に亘って延びているため、この発熱線の一部が水中にある場合には、熱電対の測温点が気体中にある場合でも十分な温度上昇が得られないことがある。このため、この水位センサでは、大雑把な水位を検出することはできるものの、精度としては十分なものではなかった。

　この場合、従来の水位計において、発熱線の長手方向の長さを短くすると、発熱線の発熱量の低下を招く。その結果、この水位計は、水中時にある場合と気体中時にある場合とで温度差が小さくなり、正確な水位の検知が困難になる。更に、この短い発熱線について十分な発熱量を得るために、この発熱線に大電流を流すと、大電流を通電するための大きな電源が必要になる。或いは、十分な発熱量を得るためにニクロム線を用いた発熱線を緻密に配置すると、この緻密に配置するための新たな設備や技術開発が必要になる。このように、従来の水位計において、単純に長手方向の長さを短くすると、水位検知システムを構築するにあたり費用増が懸念される。

特開平８－２２０２８４号公報

　本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、価格を抑制しつつ、精度も向上可能な水位センサを提供することを目的としている。

　上記課題を解決するために、この発明に係る水位センサは、通電により発熱する発熱体と、この発熱体に隣接して測温点が配設された熱電対と、この発熱体および熱電対を収容する保護管と、この保護管内に充填された絶縁物とを備え、上記発熱体は、発熱源として白金抵抗体素子を有することを特徴とするものである。なお、「発熱体に隣接して」とは、発熱体に接するものの他、この発熱体の近傍位置も含む概念である。

　既存の白金抵抗体素子は、温度測定のために広く用いられているが、この発明によれば、温度測定のために用いるのではなく、発熱体の発熱源として用いるので、既存のニクロム線を用いた発熱線を用いて同程度の発熱量を確保する場合に比べて、発熱体を安価でしかも小型にすることができる。

　すなわち、既存のニクロム線を発熱源とする発熱体では、白金抵抗体素子の大きさで十分な発熱量を得ることが困難であり、細径のニクロム線を用いた発熱線を緻密に配線してその発熱量が得られたとしても、製作費用の高価なものになることが想定される。これに対し、白金抵抗体素子は、測温抵抗体素子用の汎用品として安価に入手可能である。しかも小電流で十分な発熱量を得ることができるため、この水位センサを含む水位検知システムとしても費用を抑制することができる。

　従って、この発明によれば、長手方向に狭い範囲で十分な発熱量を得ることができる発熱体を安価にすることができるので、従来のニクロム線の発熱線を用いた水位センサと比べて、安価でありながら水位検知精度を改善したセンサとすることができる。

本発明の一実施形態に係る水位センサを用いた水位検知システムの概略を示す概念図である。同一実施形態に係る水位センサの一部断面図である。図２の水位センサに用いられる抵抗体素子の一例を示す断面図である。本発明の別の実施形態に係る水位センサの一部断面図である。本発明の更に別の実施形態に係る水位センサの一部断面図である。図５のＶＩ―ＶＩ線断面図である。

　以下、本発明に係る一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態の水位センサは、圧力容器や蒸気発生器内の水位など原子力施設の各種容器内の水位の他、水を貯留可能なあらゆる容器に適用可能であり、その用途を特に限定するものではない。

　（１）第１実施形態
　図１は、本発明の一実施形態に係る水位センサを用いた水位検知システムの概略を示す概念図である。

　この水位検知システム１は、内部に水が貯留されている貯留槽（容器）Ｔの水位を検知するものである。具体的には、水位検知システム１は、貯留槽Ｔの所定高さに配置された水位センサ２と、この水位センサ２に電力を供給する電源４と、水位センサ２からの情報に基づき温度を測定するとともに基準温度との高低を判断する温度測定器５とを備え、水位センサ２のケーブル６，７をそれぞれ、電源４，温度測定器５とに電気的に接続することにより、温度測定器５における上記判断に基づき水位センサ２の高さ位置まで水が達しているか否かを検知するものである。

　図２は、第１実施形態に係る水位センサ２を示す一部断面図である。なお、この図２において、後述する抵抗体素子、発熱用導線、熱電対線、および防水被覆部については断面ではなく、外観を示している。また、図３は、この水位センサ２に用いられる抵抗体素子の一例を示す断面図である。

　水位センサ２は、図２に示すように、通電により発熱する発熱体としての抵抗体素子９と、この抵抗体素子９に電気的に接続される一対の発熱用導線１１と、抵抗体素子９の表面に測温点１２３が配置された熱電対１２と、これらの抵抗体素子９および熱電対１２を収容する保護管１３と、この保護管１３内に充填された絶縁物１４とを備える。この水位センサ２は、一方向に細長く、その長手方向が貯留槽Ｔの深さ方向に一致する態様で当該貯留槽Ｔに配設されている。

　抵抗体素子９は、抵抗体が白金（Ｐｔ）からなる白金抵抗体素子である。この第１実施形態では抵抗体素子９は、公称抵抗値が１００Ω、具体的にはＰｔ１００（ＪＩＳ　Ｃ１６０４－１９９７準拠）に対応する測温抵抗体に用いられる既存の白金抵抗体素子が採用されている。本発明では、この抵抗体素子９は、本来の温度測定のために用いられるのではなく、発熱体として用いられている。

　なお、本実施形態の抵抗体素子９は、ＪＩＳ　Ｃ１６０４（１９９７年制定）に規定するＰｔ１００に用いられるものが採用されているが、この規格については、ＪＩＳ　Ｃ１６０４（２０１３年制定）や国際規格であるＩＥＣ６０７５１（２００８年制定）、或いはＡＳＴＭ　Ｅ１１３７（１９９５年制定）であってもよい。すなわち、抵抗体素子９は、ＪＩＳ、ＡＳＴＭやＩＥＣ、などの国家規格や国際規格に規定する、或いは過去に規定されていた白金測温抵抗体に用いられる抵抗体素子であれば、その種別は問わない。ただし、汎用性が高いという観点から、現在制定されている規格に規定されている測温抵抗体に用いられる白金抵抗体素子を採用するのが好ましい。

　この抵抗体素子９に用いられる白金は、ニクロム（ニッケルクロム）に比べて、融点（１７６８．３℃）が高いとともに、熱伝導率（７２Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）が高い。一方、白金は、ニクロムに比べて、線膨張係数（８．８×１０^－６・Ｋ^－１）が低い。従って、抵抗体素子９は、ニクロム線に比べて、過酷な環境においても、素子全体を満遍なく加熱することができるという点で有利である。

　更に詳細には、抵抗体素子９は、図３に示すように、いわゆる巻線型抵抗体素子が用いられている。すなわち、抵抗体素子９は、長手方向に沿った２つの貫通孔９１ａを有する柱状の絶縁碍子９１と、この貫通孔９１ａに挿通され当該貫通孔９１ａの先端側で折り返されたコイル状の白金抵抗線９２と、この白金抵抗線９２の両端部にそれぞれ電気的に接続された一対の内部導線９３と、絶縁碍子９１の各貫通孔９１ａ内に充填された素子用絶縁物９４と、絶縁碍子９１の両端を封止する封止部９５とを備える。

　絶縁碍子９１は、アルミナ、マグネシア、シリカ、もしくはこれらの混合物などを材料とするセラミックが用いられ、本実施形態では外観円柱状にされている。

　白金抵抗線９２は、例えば５０μｍ以下の極細の径のものが好適に用いられ、本実施形態では２５μｍのものが採用されている。なお、この白金抵抗線９２の径は、特に限定するものではないが、１２～２５μｍのものが好適に用いられる。また、本実施形態の白金抵抗線９２の折返し部分９２ａは、コイル状に形成されておらず、曲線状の素線とされている。更に、この白金抵抗線９２に用いられる白金は、上記規格に適合するものであればその種別は問わないが、本実施形態では不可避的に残存する不純物を含むものの、実質的には１００％の純度に近いものが用いられている。

　一方、素子用絶縁物９４は、無機絶縁材粉末であり、アルミナ、マグネシア、シリカもしくはこれらの混合物などを材料とする粉末が用いられる。封止部９５も、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコン、もしくはこれらの混合物を主成分とする接着剤が通常使用され、エポキシ樹脂などのエナメルが用いられる場合もある。

　この抵抗体素子９は、形状や寸法を特に限定するものではないが、本実施形態では、上記のように外観円柱体とされ、その寸法は直径が２ｍｍであり、長さ（軸線方向）が１０ｍｍのものが用いられている。この抵抗体素子９の寸法については、可及的狭い範囲で効率的に発熱させる観点からより小型のものが好ましく、径については５ｍｍ以下、更に好ましくは３ｍｍ以下のものが良い。また抵抗体素子９の長さについては２５ｍｍ以下、好ましくは１５ｍｍ以下、更に好ましくは１０ｍｍ以下のものが良い。

　また、本実施形態の抵抗体素子９は、公称抵抗値が１００Ωのものが用いられているが、所定の発熱量を担保する観点から、少なくとも１０Ω以上のものから用いることができ、好ましくは５０Ω以上、更に好ましくは１００Ω以上のものが良い。なお、この公称抵抗値は、所定の誤差を有するものであっても良い。

　この抵抗体素子９は、上記したようにＪＩＳに規定するＰｔ１００に用いられる素子が採用されているが、上記したように、規格については国際規格であっても、各国国内規格であってもよく、また新旧いずれの規格であってもよい。例えば、抵抗素子９は、ＪＩＳ、旧ＪＩＳ、ＩＥＣに規定するＰｔ１０、Ｐｔ１００、Ｐｔ５００、Ｐｔ１０００（それぞれＰｔは白金を、Ｐｔに続く数字は０℃における公称抵抗値を示す。ＪＩＳでの表現であって、ＩＥＣ，ＡＳＴＭではこのような表現はないが、以下、ＪＩＳの表現で記述する。）やＪＰｔ５０、ＪＰｔ１００に用いられる素子であっても差し支えない（Ｊは旧ＪＩＳにおける参考規格を示す。）。ただし、十分な発熱量を得る観点から公称抵抗値については１００Ω以上のものを採用するのが好ましい。発熱量を考慮しつつ、市場に多く出回っている汎用品であり、安価に入手可能という観点から、ＪＩＳ　Ｃ１６０４（１９９７年制定又は２０１３年制定）或いはＩＥＣ６０７５１（２００８年制定）に規定するＰｔ１００に用いられる抵抗体素子が最良である。ＪＩＳ，ＩＥＣ或いはＡＳＴＭに規定する許容差のクラス、規定電流、使用温度区分、使用温度範囲については、使用状況に応じて適宜選択することができる。

　更に、本実施形態の抵抗体素子９は、上述したように、巻線型素子が用いられているが、この抵抗体素子の種類は特に限定するものではなく、例えばセラミックやアルミナ等の薄膜基板上に白金薄膜を蒸着などにより成形して白金抵抗体とし、その表面にガラスやセラミック等の絶縁コーティング層が設けられた、いわゆる薄膜型抵抗体素子であっても良い。巻線型抵抗体素子、および薄膜型抵抗体素子のいずれの型もＪＩＳ或いはＩＥＣで規定するＰｔ１００として広く安価で市販されており、後述するように水位センサを安価かつ小電流で十分な発熱量を得る発熱体として用いることができる。

　発熱用導線１１は、電源ケーブル６の導体であり、抵抗体素子９と図１に示した電源４とを電気的に接続するものであって、第１実施形態では銅線が採用されている。この発熱用導線１１は、一対設けられ、それぞれ抵抗体素子９の一対の内部導線９３に電気的に接続されている。また、発熱用導線１１は、内部導線９３に接続される先端端子部を除き、液密に被覆する防水被覆部１６によって防水処理が施されている。すなわち、電源ケーブル６は、発熱用導線１１と、防水被覆部１６とを主要構成部材としている。この防水被覆部１６は、必要のない部分を省略してもよい。

　この防水被覆部１６は、第１実施形態では、防水性の合成樹脂により形成されており、より具体的には、フッ素樹脂（中でもＦＥＰ）が採用されている。なお、防水被覆部１６内の一対の発熱用導線１１は、相互の短絡を防ぐために各線が絶縁被覆され、その外に防水被覆部１６が形成されている。防水被覆部１６の先端部は、保護管１３内に配置され、絶縁物１４によって確実な防水処理が施されるものとなされている。

　なお、この第１実施形態における防水被覆部１６を構成する防水性の合成樹脂としては、フッ素樹脂の他、シリコンゴムやエチレンプロピレンゴム等、その他、公知の防水性の合成樹脂を採用することも可能である。

　熱電対１２は、公知の熱電対であり、異なる金属から構成される熱電対線１２１，１２２の接合部が測温点１２３となり、測温点１２３の温度によって発生する熱起電力が異なることを利用した温度センサである。この熱電対１２の種類は特に限定するものではなく、Ｔ熱電対等であってもよいが、第１実施形態ではＫ熱電対が採用されている。この熱電対線１２１，１２２はケーブル７の導線であって、上記発熱用導線１１と同様に、先端部の所定範囲を除き、液密に被覆する防水被覆部１７によって防水処理が施されている。すなわち、熱電対用ケーブル７は、熱電対線１２１，１２２と、防水被覆部１７とを主要構成部材としている。なお、この熱電対線１２１，１２２は、本実施形態では、ケーブル７の内部導線としても用いられているが、ケーブル７の内部導線と別体に構成してこの内部導線に電気的に接続されるものであってもよい。また、この防水被覆部１７は、必要のない部分を省略してもよい。

　この防水被覆部１７は、防水被覆部１６と比較して、被覆の対象が熱電対線１２１，１２２と発熱用導線１１とで異なるのみで、その他の構成は、先端部が保護管１３内に配置されている点、各導線が絶縁被覆されている点も含め、同じであるので、防水被覆部１７の詳細については説明を省略する。

　この熱電対１２の測温点１２３は、抵抗体素子９の表面に当接する態様で配設されている。具体的には、測温点１２３は、抵抗体素子９の長手方向（軸線方向）の中央部に当接状態に配置され、抵抗体素子９の温度を測定するものとなされている。なお、この測温点１２３は、第１実施形態では確実な測温の観点から抵抗体素子９の表面に当接状態に配置されているが、抵抗体素子９ないしその近傍領域の温度を測定可能であれば、抵抗体素子９に対して離間配置されているものであっても良い。この場合でも、測温点１２３は、抵抗体素子９の長手方向の何れかの部位に対応して配置されるのが好ましい。

　保護管１３は、抵抗体素子９および熱電対１２の測温点１２３を収容するものであり、筒状にされている。具体的には、保護管１３内には、抵抗体素子９が長手方向を保護管１３の軸線方向に沿う（ないしは略沿う）態様で収容されている。

　第１実施形態では、保護管１３は、有底円筒状にされているが、充填される絶縁材１４が防水性のものであれば、両端開口型の筒体を用いることもできる。この保護管１３の素材については、第１実施形態では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が用いられるが、水位センサの設置場所を考慮して適宜選択することができ、銅、耐食耐熱超合金などのその他の金属やシリコンゴム、エポキシ樹脂などの硬化性樹脂を用いるものであっても良い。この保護管１３の寸法は、抵抗体素子９および熱電対１２の一部を収容可能であれば、特に限定するものではないが、第１実施形態では抵抗体素子９の寸法に照らして、外径６．０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのものが用いられている。なお、保護管１３の各寸法について、外径は１０．０ｍｍ以下が好ましく、肉厚は０．７ｍｍ以下が好ましく、長さは５０ｍｍ以下が好ましい。保護管の外径、肉厚が過大であると、水中時と気体中時の温度差が縮まって水位検知の精度が落ち、また、熱容量が増して水位検知に遅れが生じるからである。

　保護管１３内への水の浸入は、発熱導線１１、内部導線９３、熱電対線１２１，１２２の短絡を招き、また耐水性のない抵抗体素子９もあるので、防止することが必要である。第１実施形態では、後述するように、絶縁物１４として防水性樹脂が採用されているため、保護管１３は気密、液密にされていなくても良いが、絶縁物１４が防水性のないものであれば、水の浸入を確実に防止するために、接着剤などを用いて気密および液密にされるのが良い。

　絶縁物１４は、保護管１３の内部に充填され、発熱用導線１１，熱電対線１２１，１２２の短絡を防止するものでもある。第１実施形態では、絶縁物１４として、電気絶縁性に加え、防水性を有するものが採用され、発熱用導線１１および熱電対線１２１，１２２の先端部について、各防水被覆部１６，１７の先端部を含め、この絶縁物１４により封止されている。

　具体的には、絶縁物１４は、シリコンゴムが採用されているが、エポキシ樹脂等、その他、防水性を有する絶縁性樹脂を用いても良い。また、絶縁物１４について、防水性が必要でない場合には、無機絶縁材粉末、具体的にはアルミナ、マグネシア、シリカ、若しくはこれらの混合物などを材料とする粉末を用いても良い。

　一方、図１に戻って、電源４は、水位センサ２に電力を供給するものであり、第１実施形態の水位センサ２は、抵抗体素子９への通電が１２０ｍＡ程度で必要な発熱量が得られるので、電源４として乾電池、太陽電池等の小型で簡易なものを使用できる。通電電流については、充分な発熱量を確保する観点から適宜選択されるが、抵抗体素子９の規定電流に対して２０倍から６００倍の電流を通電させるのが好ましい。試作試験では、太陽電池パネルと蓄電池とを組み合わせた１２Ｖの電源により１２０ｍＡの電流を流して発熱させるとともに温度測定器５もこの電源で動かすことにより、常時、水位が精度良く検知できることを確認した。このことは、１００Ｖ等の工場電源のない場所でも水位検知ができる利点もあることを示している。

　温度測定器５は、熱電対１２の熱起電力から測温点１２３における温度を測定するものであり、第１実施形態では所定の温度（基準温度）を超える場合に報知する機能を併せもつ。この基準温度については、水位センサ２よりも水位が低下したときに測定される温度に基づき、予め定められている。従って、この温度測定器５は、熱電対１２により測定された温度が基準温度よりも超えたときに水位センサ２よりも水位が低下したことを報知するものとなされている。なお、温度測定器の報知機能については、基準温度よりも低下した場合に報知するようにしても良い。また、これらの電源４、および温度測定器５は、公知のものであるので、詳しい説明は省略する。

　このように構成された水位センサ２は、例えば次のようにして水位を検知する。

　すなわち、まず電源４を入れ、抵抗体素子９に通電すると、抵抗体素子９は発熱する。このとき、貯留槽Ｔの水位が図１中に実線で示すように水位センサ２まで達している場合には、抵抗体素子９から生じた熱が絶縁物１４および保護管１３を通じて水中に効率的に放熱される。このため、測温点１２３での温度上昇が抑制され、熱電対１２による測定温度が後述する気体中にある場合の測定温度に比べて低い温度として温度測定器５において測定される。この温度が温度測定器５において基準温度と比較され、水位センサ２までに水位が達していることを判断することができる。

　一方、貯留槽Ｔの水位が、図１中に二点鎖線で示すように水位センサ２まで達していない場合には、抵抗体素子９から生じた熱が水中にある場合に比べて放熱されず、このため測温点１２３での温度が上昇する。従って、熱電対１２による測定温度が水中にある場合の測定温度に比べて高い温度が温度測定器５において測定され、この温度測定器５において基準温度と比較され、測定温度が基準温度よりも高いと判定して、水位が水位センサ２よりも下がったことを報知する。

　この第１実施形態による水位センサ２によれば、発熱体として抵抗体素子９が採用されているため、小型で十分な発熱量を担保することができる。このため、貯留槽Ｔの高さ方向についても、従来のニクロム線を用いた発熱線を用いたセンサと比べて短くできる。従って、この水位センサ２によれば、長手方向に短いため、水位の検知範囲も狭くすることができ、これにより水位検知精度が大幅に向上する。

　より具体的には、このように構成された水位センサ２は、ＪＩＳ、ＩＥＣ或いはＡＳＴＭに規定されているＰｔ１００の測温抵抗体に用いられる抵抗体素子９を、本来の温度測定のために用いるのではなく、発熱体として用いているため、既存のニクロム線を用いた発熱線を用いて同程度の発熱量を確保する場合に比べて、発熱体を安価で小型にすることができ、小型にすることにより水位検知精度の改善を大幅に図ることができる。

　すなわち、水位センサにおける従来の発熱体として最も一般的なニクロム線により１００Ωの電気抵抗値を得ようとすると、径０．５ｍｍのニクロム線を用いたとしても１８ｍ程度の長さが必要になり、生産費用を抑制しつつ上記のような抵抗体素子９と同等の大きさに収めるのは困難である。従って、ニクロム線を発熱体として電源４と同程度の電源で所定の発熱量を得るためには、センサの大型化を招く。このような大型のセンサでは、一部が水中に浸かった場合など正確な水位検知がなされない場合があり、水位検知精度が低下する。一方、ニクロム線の長さを短くして抵抗体素子９と同程度の大きさにすると、電気抵抗値が小さくなる分を通電する電流の増加で補わなければならず、発熱量を維持するために電源が大型化し、水位検知システム全体を安価にすることができなくなる。

　これに対し、第１実施形態の水位センサ２によれば、発熱体として既存の白金抵抗体素子９を用いているため、この抵抗体素子９を汎用品として安価に入手可能であり、しかも小型かつ小電力で十分な発熱量を得ることができるため、この水位センサ２を含む水位検知システム１として費用を抑制しつつ、水位検知精度を大幅に改善することができる。

　また、この水位センサ２は、発熱用導線１１と熱電対線１２１，１２２とがそれぞれ防水被覆部１６，１７により液密に被覆されているので、防水機能が高まり、これに伴い利便性も向上する。

　（２）第２実施形態
　次に、本発明の別の実施形態について、図４に基づいて説明する。図４は、この第２実施形態の水位センサを示す、図２に相当する断面図である。

　この第２実施形態の水位センサ１０２は、発熱用導線、および熱電対線の防水被覆構造についてのみ、第１実施形態の水位センサ２と異なる。すなわち、第１実施形態の水位センサ２は、発熱用導線１１および熱電対線１２１，１２２のそれぞれについて、個別に防水被覆部１６，１７によって防水被覆が施されていたが、第２実施形態の水位センサ１０２では、発熱用導線１１１および熱電対線１２１，１２２を一括して防水被覆を施している点で異なる。

　具体的には、この水位センサ１０２は、銅線からなる発熱用導線１１に代え、熱電対線１２１，１２２と同一の素材である熱電対素線（具体的にはＫ熱電対線）からなる一対の発熱用導線１１１を備え、この発熱用導線１１１と熱電対線１２１，１２２とを一括して防水被覆部１１６で防水被覆が施されている。この防水被覆部１１６は、第１実施形態の防水被覆部１６と同様に、フッ素樹脂等の防水性の合成樹脂からなり、各線１１１，１２１，１２２の相互短絡を防止するために各線が絶縁被覆され、その外に防水被覆が施されている点も第１実施形態と同様である。

　また、この水位センサ１０２は、防水被覆部１１６で発熱用導線１１１と熱電対線１２１，１２２とを一括して防水被覆しているので、この一括されたケーブルとしては第１実施形態のケーブルと比べて細くすることができ、これにより保護管１１３の外径を第１実施形態の保護管１３よりも細くすることができる。このため、この第２実施形態の水位センサ１０２では、保護管１１３の外径が細くされているので、内外の熱伝達を効率的に行うことができ、これにより第１実施形態の水位センサ２と比べて精度と応答性を向上させることができる。

　また、発熱用導線１１１として、熱電対線１２１，１２２と同一の素材からなるものを採用しているため、２対纏めて防水被覆が施されている市販の熱電対ケーブルを利用することができ、この熱電対線のうち一対の熱電対線を本来の熱伝線として、他の一対を発熱用導線１１１として利用することができ、これにより経済性についての改善効果を得ることができる。また、以上述べた以外の効果、特徴は、第１実施形態と同様である。

　（３）第３実施形態
　次に、本発明の更に別の実施形態について、図５に基づいて説明する。図５は、この第３実施形態の水位センサを示す、図２に相当する断面図である。図６は、図５のＶＩ―ＶＩ線断面図である。

　この第３実施形態の水位センサ２０２は、発熱用導線、および熱電対線の防水被覆部の具体的構造について、第２実施形態の水位センサ２と異なる。すなわち、第２実施形態の水位センサ１０２は、発熱用導線１１１および熱電対線１２１，１２２を一括して防水性の合成樹脂によって防水被覆が施されていたが、第３実施形態の水位センサ２０２では、発熱用導線１１１および熱電対線１２１，１２２を一括してシース用絶縁物２１７を介在させて収容した金属シース管２１６で防水被覆を施している点で異なる。すなわち、この第３実施形態の防水被覆部は、この金属シース管２１６および無機絶縁材粉末のシース用絶縁物２１７とを備えた、いわゆるＭＩケーブルによって構成されている。この水位センサ２０２は、保護管１１３が細径にされている点、発熱用導線１１１として熱電対線１２１，１２２と同一の素材が用いられている点等については、これらの作用も含め、第２実施形態の水位センサ１０２と同様である。

　具体的には、この水位センサ２０２の防水被覆部は、発熱用導線１１１および熱電対線１２１，１２２の各先端部を残してこれらを収容する金属シース管２１６と、この金属シース管２１６内に充填されたシース用絶縁物２１７とを有し、金属シース管２１６の先端部が保護管１１３内に挿入された状態で当該保護管１１３に対して気密および液密に接合されている。

　金属シース管２１６は、保護管１１３と接合可能な金属であれば、具体的構成を特に限定するものではないが、ここでは第２実施形態の保護管１１３と同様にステンレス鋼が用いられている。シース用絶縁物２１７は、無機絶縁材であるマグネシアの粉末が用いられているが、具体的構成を問わず、マグネシア粉末に代えて、アルミナ粉末、シリカ粉末等の無機絶縁材粉末を用いるものであっても良い。

　この金属シース管２１６は、先端部を保護管１１３内に挿入した状態で、当該保護管１１３の基端部において全周溶接されて気密および液密状態で保護管１１３に接合されている。なお、この接合方法については、両者を液密および気密に接合可能であれば特に限定するものではなく、全周溶接に代えて、全周ろう付けするものであっても良い。

　金属シース管２１６が保護管１１３に液密に接合されているので、保護管１１３内に充填される絶縁物１４については防水性が要求されておらず、また気密に接合されているので、吸湿性があってもよいため、無機絶縁材粉末が充填されている。絶縁材粉末は湿分を吸収して絶縁が低下する特性を持つが、金属シース管２１６が保護管１１３に気密に接合されているので、絶縁物１４が無機絶縁材粉末であっても、絶縁が低下して水位検知に悪影響を及ぼすことがない。このことは、シース用絶縁物２１７の無機絶縁材粉末についても同様である。

　このように、第３実施形態の水位センサ２０２によれば、上記第１および第２実施形態と同様に、小型電源で作動し、水位を精度良くかつ迅速に検知することができ、水位検知精度の大幅な改善がなされる。加えて、この水位センサ２０２によれば、第２実施形態と異なり、防水被覆部や絶縁物について、防水性の合成樹脂が用いられておらず、金属シース管２１６や無機絶縁粉末によって構成されているため、防水性の合成樹脂を用いる場合に比べて、耐熱性が向上し、数百℃の環境下においても使用可能となる。

　次に、第３実施形態の水位センサ２０２の試験結果について説明する。抵抗体素子９として、直径が０．８ｍｍ、長さ（軸線方向）１０ｍｍの巻線型抵抗体素子で、ＪＩＳ　Ｃ１６０４に規定されるＰｔ１００の測温抵抗体に用いられる既存の抵抗体素子を用い、保護管１１３を、外径１．８ｍｍ、肉厚０．０６ｍｍ、長さ約３０ｍｍとした水位センサ２０２により試験を行ったデータを以下に示す。試験は、室内温度と同温度の室内に置かれた水の水位を検知対象として行った。

　具体的には、抵抗体素子９に通電して、水位センサ２０２が水中時にある場合と、空気中時（気体中時）にある場合との温度差を測定し、この温度差が１０℃以上である場合に精度の良い水位検知が可能であることを判断するものである。

　すなわち、電源電圧を約２Ｖで、２０ｍＡの電流を抵抗体素子９に通電させた場合には、水中時と空気中時との測定温度差は１３℃あり、また電源電圧を約３Ｖで、３０ｍＡの電流を抵抗体素子９に通電させた場合には、水中時と空気中時との測定温度差は２９℃あった。

　この結果は、２Ｖ、２０ｍＡ程度の極めて小規模の電流であっても、精度良い水位検知が可能であることを示しており、また、抵抗体素子９のＪＩＳ　Ｃ１６０４に示される規定電流２ｍＡの少なくとも１０倍の電流で同様の水位検知が可能であることも示している。

　なお、以上に説明した水位センサは、本発明の水位センサの一例であり、その具体的構成等についてはその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。

　上記各実施形態の水位センサ２，１０２，２０２では、設置場所の温度変動が小さい場合における具体的構成について説明しているが、温度変動が大きい場合には以下のような構成を追加することにより貯留槽Ｔの水位を精度良く検知することができる。

　すなわち、設置場所の温度変動が大きい場合には、その温度変動が水位センサ２の熱電対線１２１，１２２による測温点１２３の測定温度に影響を与えるために、この熱電対１２による単独の測定温度ではその高低により水位センサ２が水中にあるか、気体中にあるかを判別することができなくなる。このような場合には、貯留槽Ｔ内の温度を測定する温度センサを別途設け、この温度センサによる測定温度と熱電対１２による測定温度の差を監視することにより、水位を正確に検知することができる。

　なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明の一態様が主に含まれている。

　この発明に係る水位センサは、通電により発熱する発熱体と、この発熱体に隣接して測温点が配設された熱電対と、この発熱体および熱電対を収容する保護管と、この保護管内に充填された絶縁物とを備え、上記発熱体は、発熱源として白金抵抗体素子を有することを特徴とするものである。なお、「発熱体に隣接して」とは、発熱体に接するものの他、この発熱体の近傍位置も含む概念である。

　この発明によれば、既存の白金抵抗体素子を、本来の温度測定のために用いるのではなく、発熱体の発熱源として用いるので、既存のニクロム線を用いた発熱線を用いて同程度の発熱量を確保する場合に比べて、発熱体を安価でしかも小型に構成することができる。

　従って、この発明によれば、長手方向に狭い範囲で十分な発熱量を得ることができる発熱体を安価に構成することができるので、従来のニクロム線を用いた発熱線を用いた水位センサと比べて、安価でありながら水位検知精度を改善したセンサとすることができる。

　なお、測温点の設置場所について、例えば具体的に発熱体の上下方向（長手方向）の発熱密度が一様である場合には、測温点は、長手方向中央部に設置されるのが好ましい。すなわち、発熱体の長手方向中央部が最も温度が高くなるため水中と気体中での温度差が大きく、熱電対による水中か気体中かの判別が精度良くできるからである。

　市販されている抵抗体素子は、大別すると、コイル上の白金抵抗線を２つの貫通孔を持つセラミック碍子に往復して挿入し、貫通孔に絶縁粉末を充填して同抵抗線を固定した巻線型抵抗体素子、セラミック等の薄膜上に白金薄膜を成形して白金抵抗線とし、その表面に絶縁コーティングした薄膜型抵抗体素子の２種類がある。

　上記巻線型抵抗体素子の大きさは一般に、長さが長くとも２０ｍｍ程度、径は太くとも３ｍｍ程度で、薄膜型抵抗体素子はさらに小さい。

　この発明において、上記白金抵抗体素子は、上記保護管に収納可能であればその大きさを特に限定するものではないが、上記保護管の軸線方向の長さが２５ｍｍ以下のものであるのが好ましく、更に同軸線方向の長さが１５ｍｍ以下のものが良く、１０ｍｍ以下のものが更に好ましい。

　このように構成すれば、より狭い範囲で十分な発熱量を市販の白金抵抗体素子を使用することにより得ることができるので、安価であることと水位検知精度の更なる改善を両立することができる。

　なお、この場合、白金抵抗体素子の縦、横（縦、横の概念の中には径を含む）、長さのうちの最大長が保護管の軸線方向に対し直交する方向に沿うように保護管内に収容されるものであってもよいが、白金抵抗体素子の上記最大長が保護管の軸線方向に沿うように収容されれば、保護管の径を小さく構成することができるので好ましい。

　この発明において、白金抵抗体素子の公称抵抗値は特に限定するものではないが、１０Ω以上のものを用いるのが好ましく、更に１００Ω以上のものが好ましい。この場合には、ＪＩＳＣ１６０４に規定するＰｔ１００に適合するものであるのが更に好ましい。なお、「ＪＩＳＣ１６０４に規定するＰｔ１００に適合するもの」とは、ＪＩＳＣ１６０４に規定するＰｔ１００の測温抵抗体に用いられる白金抵抗体素子をいう。

　このように構成すれば、小電流で十分な発熱量を得ることができ、しかもＪＩＳＣ１６０４に規定するＰｔ１００に適合するものであれば汎用性が高くより安価に、しかも小電流で十分な発熱量を得ることができる発熱体を構成することができる。

　発熱量は電流の２乗と電気抵抗との積に比例するが、既存のニクロム線を用いた発熱体では、白金抵抗体素子の大きさで白金抵抗体と同程度の電気抵抗を得ることは容易ではない。従来の発熱線で最も一般的なニクロム線により１０Ωの電気抵抗を得ようとすると、径が０．５ｍｍと細いニクロム線を用いたとしても１．８ｍ程度の長さが必要である。これを上述の抵抗体素子の大きさに収めるのは、高度な緻密配置が求められ、実現できたとしても生産費用が高いものとなる。１００Ωの抵抗値を得ようとするとその１０倍の長さが必要で、その傾向はさらに高まる。また、電気抵抗を高くせずに通電する電流を多くして発熱量を得ようとすると、電流出力の大きな電源とする必要があり、電流出力は電源の規模と直結するため、上述のように電源が大型化し、水位検知システムが高価なものになる欠点が生じる。

　次に、保護管内への水の浸入は、発熱体の導線、熱電対の短絡を招き、また耐水性のない白金抵抗体素子もあるので、防止することが必要である。上記絶縁物は、上記保護管が防水機能を有していれば防水性のあるものでなくても良いが、上記保護管に防水機能がなければ、防水性のある絶縁性樹脂であることが好ましい。

　このように構成すれば、保護管内への水の浸入を確実に防止することができる。

　また、この発明において、上記発熱体に電気的に接続される発熱用導線と、この発熱用導線および上記熱電対を構成する熱電対線の少なくとも一部を液密に被覆する防水被覆部とを更に備えるのが好ましい。

　このように構成すれば、水位センサの防水機能が高まり、これに伴い利便性も向上する。

　この場合、上記防水被覆部の具体的構成については、特に限定するものではないが、上記防水被覆部は、上記発熱用導線および上記熱電対線の少なくとも一部を収容する金属シース管と、この金属シース管内に充填されたシース用絶縁物とを有し、上記保護管は、一端が気密および液密に封止されるとともに、他端が上記金属シース管に気密および液密に接合されているのが好ましい。

　このように構成すれば、水位センサの剛性を高めることができ、また各素材として耐高温性材料の採用が可能で、高温雰囲気でも使用できるため、利便性が向上する。

Claims

　通電により発熱する発熱体と、この発熱体に隣接して測温点が配設された熱電対と、この発熱体および熱電対を収容する保護管と、この保護管内に充填された絶縁物とを備え、
　上記発熱体は、発熱源として白金抵抗体素子を有することを特徴とする水位センサ。
　上記白金抵抗体素子は、上記保護管の軸線方向の長さが２５ｍｍ以下のものであることを特徴とする請求項１記載の水位センサ。
　上記白金抵抗体素子は、公称抵抗値が１０Ω以上のものを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水位センサ。
　上記白金抵抗体素子は、ＪＩＳＣ１６０４に規定するＰｔ１００に適合するものであることを特徴とする請求項３記載の水位センサ。
　上記絶縁物は、防水性のある絶縁性樹脂であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水位センサ。
　上記発熱体に電気的に接続される発熱用導線と、この発熱用導線および上記熱電対を構成する熱電対線の少なくとも一部を液密に被覆する防水被覆部とを更に備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の水位センサ。
　上記防水被覆部は、上記発熱用導線および上記熱電対線の少なくとも一部を収容する金属シース管と、この金属シース管内に充填されたシース用絶縁物とを有し、上記保護管は、一端が気密および液密に封止されるとともに、他端が上記金属シース管に気密および液密に接合されていることを特徴とする請求項６に記載の水位センサ。