特開 2024-21425 液体レベルセンサ、液体貯留装置および薬注システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024021425

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】液体レベルセンサ、液体貯留装置および薬注システム

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/292 20060101AFI20240208BHJP

   C02F 1/66 20230101ALI20240208BHJP

   C02F 5/00 20230101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

G01F23/292 B

C02F1/66 530K

C02F1/66 530C

C02F5/00 610F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022124241

(22)【出願日】2022-08-03

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】手嶋 慎一郎

(72)【発明者】

【氏名】濱田 裕介

(72)【発明者】

【氏名】松村 涼

(72)【発明者】

【氏名】田窪 千菜

【テーマコード（参考）】

2F014

【Ｆターム（参考）】

2F014AB01

2F014FA01

(57)【要約】

【課題】結露による検出不良を抑制できる液体レベルセンサを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る液体レベルセンサ２０は、液体を貯留する液体タンク１０の上部に取り付けられ、上下に貫通するレーザ光路２１１を有するホルダ２１と、前記レーザ光路２１１の上端に配置され、前記レーザ光路２１１を通してレーザ光を照射する投光部および前記レーザ光の反射光を受光する受光部を有するレーザユニット２２と、を備え、前記ホルダ２１は、前記レーザ光路２１１を液体タンク１０の外部空間に連通させる通気孔２１２をさらに有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を貯留する液体タンクの上部に取り付けられ、上下に貫通するレーザ光路を有するホルダと、
前記レーザ光路の上端に配置され、前記レーザ光路を通してレーザ光を照射する投光部および前記レーザ光の反射光を受光する受光部を有するレーザユニットと、
を備え、
前記ホルダは、前記レーザ光路を液体タンクの外部空間に連通させる通気孔をさらに有する、液体レベルセンサ。

【請求項2】

前記レーザ光路は、上側に向かって縮径する円錐状である、請求項１に記載の液体レベルセンサ。

【請求項3】

前記ホルダは、下部外側に突出するフランジ部と、前記フランジ部より下方に突出する環状の突端部と、をさらに有する、請求項１または２に記載の液体レベルセンサ。

【請求項4】

請求項１または２に記載の液体レベルセンサと、
上部に前記ホルダが取り付けられるセンサ開口を有し、前記液体を貯留する液体タンクと、
を備える、液体貯留装置。

【請求項5】

前記液体タンクは、上部に前記センサ開口から独立して設けられる液体投入口をさらに有し、前記レーザユニットは、前記液体投入口よりも高い位置に配置される、請求項４に記載の液体貯留装置。

【請求項6】

請求項３に記載の液体レベルセンサと、
上部に外ねじが形成された筒状のセンサ取付部を有し、前記液体を貯留する液体タンクと、
前記外ねじに螺合し、前記フランジ部を前記センサ取付部の上端に押圧するナットと、
を備える、液体貯留装置。

【請求項7】

請求項４に記載の液体貯留装置と、
前記液体タンクから前記液体を排出する排出装置と、
前記排出装置を制御する排出制御部、並びに前記液体レベルセンサの検出値および前記排出装置への指令値に基づいて前記排出装置の動作状態を判定する動作状態判定部を有する制御装置と、
とを備える、薬注システム。

【請求項8】

前記動作状態判定部は、前記指令値の積算値が所定量だけ前記液体を排出させる値に達するごとに前記排出装置の動作状態を判定する、請求項７に記載の薬注システム。

【請求項9】

前記制御装置は、前記液体レベルセンサの検出値の移動平均に基づいて前記液体タンク内の前記液体の量を算出する液量算出部をさらに有し、
前記動作状態判定部は、前記液量算出部が前記移動平均を算出する期間よりも長い期間の前記液体レベルセンサの検出値の平均に基づいて前記排出装置の動作状態を判定する、請求項７に記載の薬注システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体レベルセンサ、液体貯留装置および薬注システムに関する。

【背景技術】

【0002】

液体貯留装置の液体レベル、つまり貯留されている液体の液面高さを検出する液体レベルセンサが広く利用されている。液体レベルセンサには様々な方式のものがあるが、液面にレーザ光を照射して液面での反射光を受光し、レーザ光の出射から反射光の受光までの時間からセンサと液面との距離を算出するＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の液体レベルセンサが知られている。

【0003】

液体レベルセンサについて、液体の特性を考慮して検出精度を向上する様々な提案がなされている。例として、液面の波打ちによる検出精度の低下を抑制するために、複数組のレーザ照射機および受光器を設け、複数の計測値の平均として液面高さを算出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－２５８２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

液体レベルセンサは、液体貯留装置の蓋体に配設されることが多い。蓋体によって封止された液体貯留装置のヘッドスペースは、液体の溶媒の蒸気で満たされ得る。このような場合、雰囲気温度の低下により液体レベルセンサのレーザ光出射部に結露が付着し、検出が阻害される場合がある。

【0006】

このため、本発明は、結露による検出不良を抑制できる液体レベルセンサ、液体貯留装置および薬注システム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】

【0007】

本発明の一態様に係る液体レベルセンサは、液体を貯留する液体タンクの上部に取り付けられ、上下に貫通するレーザ光路を有するホルダと、前記レーザ光路の上端に配置され、前記レーザ光路を通してレーザ光を照射する投光部および前記レーザ光の反射光を受光する受光部を有するレーザユニットと、を備え、前記ホルダは、前記レーザ光路を液体タンクの外部空間に連通させる通気孔をさらに有する。

【0008】

上述の液体レベルセンサにおいて、前記レーザ光路は、上側に向かって縮径する円錐状であってもよい。

【0009】

上述の液体レベルセンサにおいて、前記ホルダは、下部外側に突出するフランジ部と、前記フランジ部より下方に突出する環状の突端部と、をさらに有してもよい。

【0010】

本発明の一態様に係る液体貯留装置は、上述の液体レベルセンサと、上部に前記ホルダが取り付けられるセンサ開口を有し、前記液体を貯留する液体タンクと、を備える。

【0011】

上述の液体貯留装置において、前記液体タンクは、上部に前記センサ開口から独立して設けられる液体投入口をさらに有し、前記レーザユニットは、前記液体投入口よりも高い位置に配置されてもよい。

【0012】

本発明の別の態様に係る液体貯留装置は、上述の液体レベルセンサと、上部に外ねじが形成された筒状のセンサ取付部を有し、前記液体を貯留する液体タンクと、前記外ねじに螺合し、前記フランジ部を前記センサ取付部の上端に押圧するナットと、を備える。

【0013】

本発明の一態様に係る薬注システムは、上述の液体貯留装置と、前記液体タンクから前記液体を排出する排出装置と、前記排出装置を制御する排出制御部、並びに前記液体レベルセンサの検出値および前記排出装置への指令値に基づいて前記排出装置の動作状態を判定する動作状態判定部を有する制御装置と、とを備える。

【0014】

上述の薬注システムにおいて、前記動作状態判定部は、前記指令値の積算値が所定量だけ前記液体を排出させる値に達するごとに前記排出装置の動作状態を判定してもよい。

【0015】

上述の薬注システムにおいて、前記制御装置は、前記液体レベルセンサの検出値の移動平均に基づいて前記液体タンク内の前記液体の量を算出する液量算出部をさらに有し、前記動作状態判定部は、前記液量算出部が前記移動平均を算出する期間よりも長い期間の前記液体レベルセンサの検出値の平均に基づいて前記排出装置の動作状態を判定してもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、結露による検出不良を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係る薬注システムを示す斜視図である。

【図2】図１の薬注システムの正面図である。

【図3】図１の薬注システムの概略構成図である。

【図4】図１の薬注システムの液体レベルセンサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明をする。図１は、本発明の一実施形態に係る薬注システム１を示す斜視図である。図２は、薬注システム１の正面図である。図３は、薬注システム１の概略構成図である。

【0019】

発明の一実施形態に係る薬注システム１は、液体を貯留する液体貯留装置１００と、液体貯留装置１００から液体を排出する排出装置２００と、液体貯留装置１００および排出装置２００に関する制御を行う制御装置３００と、を備える。薬注システム１は、例えば水処理設備において被処理水に薬液を注入するために用いられる。したがって、薬注システム１が取り扱う液体としては、例えばｐＨ調整剤、スケール防止剤、腐食防止剤等の薬液が想定される。

【0020】

液体貯留装置１００は、それ自体が本発明に係る液体貯留装置の一実施形態である。液体貯留装置１００は、液体を貯留する液体タンク１０と、液体タンク１０に貯留される液体の高さを検出する液体レベルセンサ２０と、液体レベルセンサ２０を液体タンク１０に取り付けるナット３０と、を備える。また、液体貯留装置１００は、液体タンク１０の液面の高さを目視確認するためのチューブラ式液面計４０をさらに備える。

【0021】

液体タンク１０は、液体レベルセンサ２０が用いるレーザ光を反射せず、かつ外光を遮断する材料から形成されることが好ましく、例えば樹脂製のタンクとすることができる。液体タンク１０の有効高さ（液体レベルセンサ２０の検出範囲）は、本発明の効果が特に顕著となる範囲として、好ましくは０．３ｍ以上１．０ｍ以下、より好ましくは０．４ｍ以上０．８ｍ以下とされる。このため、液体タンク１０の容量としては、１０Ｌ以上５００Ｌ以下が想定される。

【0022】

液体タンク１０は、上部に、液体レベルセンサ２０が取り付けられるセンサ開口１１を有するセンサ取付部１２と、センサ開口１１から独立して設けられる液体投入口１３を有する液体投入部１４と、を有する。センサ取付部１２は、センサ開口１１を封止するよう、液体レベルセンサ２０を取り付けるために、例えばねじ、フランジ、フェルール等の周知の継手構造を有し得る。本実施形態において、センサ取付部１２は、外ねじが形成された筒状に構成されている。液体投入部１４も、液体投入口１３を封止するための任意の継手構造を有し得る。本実施形態において、液体投入部１４は、センサ取付部１２と同様に外ねじを有する筒状に形成される。これにより、液体投入口１３は、内ねじを有する筒部と筒部の上端を封止する蓋部とを有するキャップ部材１５によって封止され得る。なお、センサ取付部１２および液体投入部１４の継手構造は、液体タンク１０の内圧の変動を防止するために、完全な気密構造とされないこと、例えばシール部材を使用しないことが好ましい。

【0023】

液体レベルセンサ２０は、それ自体が本発明に係る液体レベルセンサの一実施形態である。液体レベルセンサ２０は、図４および図５に詳しく示すように、液体タンク１０の上部のセンサ取付部１２に取り付けられるホルダ２１と、ホルダ２１の上端に取り付けられるレーザユニット２２と、を備える。本実施形態の液体レベルセンサ２０は、ホルダ２１とレーザユニット２２の間に挟み込まれるレンズ２３およびスペーサ２４と、ホルダ２１に固定され、レーザユニット２２を覆うケース２５と、をさらに備える。また、本実施形態の液体レベルセンサ２０でが、ホルダ２１とレンズ２３の間にはカバーパッキン２６が配設され、ホルダ２１とスペーサ２４の間には下側Ｏリング２７が配設され、スペーサ２４とレーザユニット２２の間には上側Ｏリング２８が配設され、ホルダ２１とケース２５の間にはケースパッキン２９が配設される。

【0024】

ホルダ２１は、レーザユニット２２を保持すると共に、レーザユニット２２の測定光の光路を提供する。ホルダ２１は、上下に貫通するレーザ光路２１１と、レーザ光路２１１を液体タンク１０の外部空間に連通させる１または複数の通気孔２１２と、下部外側に突出するフランジ部２１３と、フランジ部２１３より下方に突出し、レーザ光路２１１を取り囲む環状の突端部２１４と、を有する。また、ホルダ２１は、頂部にレンズ２３およびスペーサ２４を受け入れるよう形成される凹部２１５を有する。

【0025】

ホルダ２１は、レーザユニット２２を液体投入口１３よりも高い位置に保持することが好ましい。これにより、誤って液体タンク１０に液体を投入し過ぎた場合にもレーザ光路２１１の上部まで液体が入り込むことを防止できる。また、ホルダ２１は、金属等と比べて熱伝導率が低く、レーザユニット２２が用いるレーザ光を実質的に反射しないように着色された樹脂で形成されることが好ましい。

【0026】

レーザ光路２１１は、上側に向かって縮径する円錐状であることが好ましい。これにより、レーザ光路２１１の容積を比較的小さくして通気孔２１２から導入される外気により効果的に結露を抑制できる。円錐状のレーザ光路２１１の頂角としては、通気孔２１２から導入される外気を効果的に頂部に導いて結露を抑制するために、３０°以上６０°以下が好ましい。レーザ光路２１１の高さとしては、通気孔２１２から導入される外気で内部を置換し易くしつつ液体タンク１０の内部空間からの独立性を高めて液体タンク１０からの蒸気の進入を抑制するために、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましい。

【0027】

通気孔２１２は、ケース２５とナット３０の間に位置するよう形成され、レーザ光路２１１を外部空間に連通させる。通気孔２１２は、１つでもよいが、複数形成することによって、いずれかが液滴で封止されても他の通気孔２１２から外気を導入できる。具体的な通気孔２１２の数としては、ホルダ２１のコストおよび強度を考慮して、３または４とすることが好ましい。

【0028】

通気孔２１２は、ホルダ２１の高さを不必要に増大させないよう水平に形成されてもよい。また、通気孔２１２は、径方向に形成されてもよく、例えば接線方向等の傾斜方向に形成されてもよい。通気孔２１２の径としては、液滴等で閉塞を防止しつつホルダ２１の高さを抑制するために、２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましい。

【0029】

フランジ部２１３は、センサ取付部１２の上端、つまりセンサ開口１１の周囲に当接し、ホルダ２１を液体タンク１０に対して位置決めするために用いられる。本実施形態において、フランジ部２１３は、ナット３０によってセンサ取付部１２の上端に押圧される設計であるため、比較的幅の狭い簡素な平板リング状の構成であるが、例えばボルト穴を有する構成、ヘルールによって保持可能なテーパ構造を有する構成等も採用可能である。

【0030】

突端部２１４は、フランジ部２１３よりも下方に突出し、レーザ光路２１１の内面を伝い降りる液滴を液体タンク１０の内部に落下させ、液体がフランジ部２１３とセンサ取付部１２との隙間に浸入することを防止する。これにより、液体タンク１０に貯留される液体が外部に染み出すことがないので、多様な薬液を比較的安全に取り扱うことができる。

【0031】

液体レベルセンサ２０は、レーザユニット２２が通気孔２１２により外部と連通するレーザ光路２１１を通してレーザ光を投光および受光する。外気温度が低下して、液体タンク１０のヘッドスペースの内壁に結露が生じる場合であっても、液体タンク１０のヘッドスペースの内圧低下により通気孔２１２からレーザ光路２１１に外気が吸い込まれ、液体の蒸気の濃度が低下するので、レーザ光路２１１には結露が生じにくい。このため、液体レベルセンサ２０は、結露によってレーザ光の投光および受光が阻害されることによる検出不良を抑制できる。

【0032】

レーザユニット２２は、レーザ光路２１１の上端に配置され、レーザ光路２１１を通してレーザ光を照射する投光部およびレーザ光の反射光を受光する受光部を有する。投光部と発光部とが別々に設けられてもよいが、本実施形態のレーザユニット２２は、基板２２１と、基板に実装され、レーザダイオードからなる投光部およびフォトダイオードからなる受光部を有する単一のセンサチップ２２２と、を有する構成とされている。

【0033】

レーザユニット２２は、例えば基板２２１を貫通するユニット固定ネジ２２３によってホルダ２１に取り付けられる。基板２２１は、スペーサ２４を介してレンズ２３を凹部２１５の底面に圧接し、レーザ光路２１１を封止する。

【0034】

レンズ２３は、レーザユニット２２の投光部から出射されるレーザ光を適切に液面に照射し、液面の反射光がレーザユニット２２の受光部に適切に入射するよう、レーザ光を調整する。また、レンズ２３は、レーザ光路２１１を封止し、液体タンク１０の内部の気体がレーザユニット２２に接触することを防止するカバーとしても機能する。

【0035】

スペーサ２４は、センサチップ２２２を収容する開口を有し、センサチップ２２２が直接レンズ２３に圧接されることを防止する。

【0036】

ケース２５は、センサチップ２２２とは接触しないようホルダ２１に取り付けられ、レーザユニット２２を収容する密閉空間を形成する。つまり、ケース２５は、レーザユニット２２を保護する外装部材である。

【0037】

ナット３０は、液体タンク１０のセンサ取付部１２の外ねじに螺合し、ホルダ２１のフランジ部２１３をセンサ取付部１２の上端に押圧する。つまり、ナット３０は、液体レベルセンサ２０を液体タンク１０に固定する固定部材である。

【0038】

排出装置２００は、制御装置３００から指示される量だけ液体タンク１０から液体を送出するポンプを有する周知の液体供給装置である。

【0039】

制御装置３００は、例えばメモリ、プロセッサ等を有し、適切な制御プログラムを実行する１または複数のコンピュータ装置によって構成され得る。なお、制御装置３００は、薬注システム１の他の構成要素と一体に設けられる必要はなく、その一部または全体が複数の薬注システム１および他の機器を遠隔制御する集中制御装置であってもよく、一部または全体がネットワーク上に分散配置されるクラウドコンピュータであってもよい。制御装置３００は、排出装置２００を制御する排出制御部３０１と、液体タンク１０が貯留する液体の量を算出する液量算出部３０２と、排出装置２００の動作状態を判定する動作状態判定部３０３と、を有する構成とされ得る。なお、制御装置３００の構成要素は、制御装置３００の機能を類別したものであって、物理構成およびプログラム構成において明確に区分できるものでなくてもよい。

【0040】

排出制御部３０１は、操作プログラム、外部信号等に従って、排出装置２００を制御する。例として、排出制御部３０１は、薬注システム１により水処理剤を投入する水処理設備において、水質等を監視しながら設備全体を管理する主制御装置からの要求信号に応じて排出装置２００を適切な量だけ動作させるような指令値を入力する構成とされ得る。

【0041】

液量算出部３０２は、液体レベルセンサ２０の検出値に基づいて、液体タンク１０内の液体の量の現在値を算出する。液量算出部３０２は、例えば散乱光、液面の揺れ等に起因する誤差を低減するために、液体レベルセンサ２０の検出値の移動平均に基づいて、液体タンク１０内の液体の量を算出することが好ましい。液量算出部３０２が液体レベルセンサ２０の検出値を平均する時間範囲の下限としては、十分な測定精度を得るために、１０秒が好ましく、３０秒がより好ましい。一方、液量算出部３０２が液体レベルセンサ２０の検出値を平均する時間範囲の上限としては、リアルタイムに液量を確認するために、５分が好ましく、３分がより好ましい。

【0042】

動作状態判定部３０３は、液体レベルセンサ２０の検出値および排出装置２００への指令値に基づいて排出装置２００の動作状態を判定する。つまり、動作状態判定部３０３は、排出装置２００への指令値に基づく液体の排出量の理論値と、液体レベルセンサ２０により確認される液体タンク１０内の液体の実際の減少量と、の差が大きい場合には、排出装置２００の動作不良等の異常の可能性があると判定する。

【0043】

動作状態判定部３０３は、液量算出部３０２が移動平均を算出する期間よりも長い期間の液体レベルセンサ２０の検出値の平均に基づいて排出装置２００の動作状態を判定することが好ましい。液量算出部３０２による液体の現在量の算出よりもさらに誤差が小さくなる長時間の平均値により液体の実際の減少量を確認することで、排出装置２００の動作状態をより正確に判定できる。動作状態判定部３０３が液体レベルセンサ２０の検出値を平均する時間範囲の下限としては、十分な測定精度を得るために、１時間が好ましく、３時間がより好ましい。一方、動作状態判定部３０３が液体レベルセンサ２０の検出値を平均する時間範囲の上限としては、動作不良の発見の遅れを抑制するために、２４時間が好ましく、１２時間がより好ましく、６時間さらに好ましい。また、動作状態判定部３０３は、液体が補充されたと判断される場合や電源が遮断されたと判断される場合には、それらに起因する誤った判定を防止するために、動作状態の判定を行わないよう構成されてもよい。

【0044】

動作状態判定部３０３は、指令値の積算値が所定量（演算排出量）だけ液体を排出させる値に達するごとに排出装置２００の動作状態を判定することが好ましい。一定の時間間隔で動作状態を判定すると、判定区間における液体排出量が小さい場合に判定精度が低下するおそれがある。このため、排出装置２００の液体排出量の理論値が所定の演算排出量となるごとに液体レベルセンサ２０の検出値に基づいて実際の液量を算出し、前回の液量の算出値との差分である実際の排出量と演算排出量との差を確認することで、判定精度を担保することができる。演算排出量としては、液体タンク１０の容量の１％以上５％以下が好ましく、２％以上３％以下がより好ましい。

【0045】

以上の構成を有する薬注システム１は、結露による測定不良を抑制できる液体レベルセンサ２０を備えるため、排出装置２００の動作状態を正確に確認できるので、正確な薬液投入を担保することができる。

【0046】

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更および変形が可能である。液体レベルセンサにおいて、レンズは、省略またはフィルタ、カバーガラス等と置換されてもよい。また、レーザユニットがレンズ等を有し、レーザ光路に露出してもよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 薬注システム
１０ 液体タンク
１１ センサ開口
１２ センサ取付部
１１ センサ開口
１３ 液体投入口
１４ 液体投入部
１５ キャップ部材
２０ 液体レベルセンサ
２１ ホルダ
２２ レーザユニット
２３ レンズ
２４ スペーサ
２５ ケース
２６ カバーパッキン
２７ 下側Ｏリング
２８ 上側Ｏリング
２９ ケースパッキン
３０ ナット
１００ 液体貯留装置
２００ 排出装置
２１１ レーザ光路
２１２ 通気孔
２１３ フランジ部
２１４ 突端部
２１５ 凹部
２２１ 基板
２２２ センサチップ
３００ 制御装置
３０１ 排出制御部
３０２ 液量算出部
３０３ 動作状態判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】