JP2724058B2 - 比重計および水位計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、液体の比重およびレ
ベル（水位）を簡略な構成で正確に読み取ることのでき
る比重計および水位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体の比重を計測する装置として液中に
浮子を入れ、その浮き沈みによって比重を計測する装置
が実用化されている。すなわち、浮子を測定したい比重
にしておき、浮子が沈むとその比重よりも液体の比重が
小さく、浮子が浮くとその比重よりも大きいことが検出
できるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような比
重計では液体の比重が一定値よりも大きいか小さいかの
計測しかできない欠点があった。また、このような構成
では液体の水位を計測することは不可能であった。

【０００４】この発明の目的は、簡略な構成でリニアな
計測が可能な比重計および水位計を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の比重計は、液
中に投入して設置される錘または浮子を一方の端部に係
止する弾性体と、この弾性体の他方の端部を支持する台
部とを備え、前記弾性体および台部の一方にホール素子
を、他方に磁石をそれぞれ対向して設けるとともに、 錘
または浮子を係止した前記弾性体の一方の端部以外を密
閉したことを特徴とする。

【０００６】この発明の水位計は、変動する液面を跨い
で液タンクの深さ方向のほぼ全体にわたる長さの錘また
は浮子と、この錘または浮子を係止する弾性体と、この
弾性体を支持する台部とを備え、前記弾性体および台部
の一方にホール素子を、他方に磁石をそれぞれ対向して
設け、 前記錘または浮子は、その断面形状が前記液タン
クの断面形状と略相似であることを特徴とする。

【０００７】

【作用】この発明の比重計は、錘または浮子を液中に没
して設け、この錘または浮子を弾性体の一方の端部に係
止している。この弾性体の他方の端部は台部に固定され
ている。そして この比重計は、錘または浮子を係止し
ている弾性体の一方の端部以外を密閉している。錘また
は浮子の体積は一定であるため、この錘または浮子に作
用する浮力は液の比重に比例する。

【０００８】この錘または浮子を係止する弾性体に浮力
（または浮力を減じた重さ）が作用して弾性体を変形さ
せる。弾性体および台部にはホール素子と磁石が対向し
て設けられているため、この変形によって両者の距離が
変動する。ホール素子に一定のバイアス電流を流してお
けば、出力端子から磁界の強さすなわち磁石との距離に
比例した電圧が出力される。この出力電圧をスケーリン
グすることにより、液体の比重を検出することができ
る。また比重計は、錘または浮子を係止している弾性体
の一方の端部以外を密閉しているため、比重計本体を液
中に没して使用することもできる。この場合には、弾性
体の一方の端部に錘または浮子を係止するための糸等を
短くすることができ、液の揺れ等による計測誤差を小さ
くすることができる。

【０００９】また、この発明の水位計は、液タンクの深
さ方向のほぼ全体にわたる長さの錘または浮子を変動す
る液面を跨ぐように設けた。液体のレベル（水位）によ
って錘または浮子の液中に没する部分の体積が変動し、
その受ける浮力も変動する。この浮力の変動を上記比重
計と同様にホール素子の出力電圧の変動として検出する
ことにより、液体のレベルを検出することができる。さ
らに、錘または浮子は、液タンクの断面形状と略相似な
形に形成しているので、液タンクの形状がどのような形
状であっても液タンク内の液量に比例した出力を得るこ
とができる。すなわち、液タンクの形状がどのような形
状であっても、液タンク内の液量を検出することができ
る。

【００１０】

【実施例】図１はこの発明の実施例である比重計の外観
図、図２は同比重計の概略構成図である。比重計本体１
はポリプロピレン形成された箱状のものであり、内部に
ホール素子４，台部７，回路部８を有している。また、
台部７には板バネ（弾性体）２がネジ止め固定されてい
る。この板バネ２は本体１上部の切欠部に舌状に突出し
ており、板バネ２が本体１から突出する部分はシリコン
樹脂によって密閉されている。板バネ２の下面には微小
な磁石３が固定されている。この磁石３は前記ホール素
子４と対向する位置に、シリコン樹脂で覆われて固定さ
れている。また、この板バネ２の自由端には糸６により
錘５が係止される。本体１には穴１ａが開設されてお
り、糸６を本体１下方に通過させている。比重計使用時
には少なくとも糸６に係止された錘５が液中に没せられ
る。なお、本体１の切欠部は蓋９で閉じられる。

【００１１】図３は前記回路部８の概略構成を示す図で
ある。ホール素子４にはバイアス電圧Ｖｂが印加され
る。このバイアス電圧Ｖｂは１．８Ｖ程度の定電圧であ
る。すなわち、このホール素子は定電圧駆動される。ホ
ール素子４の検出電極は２端子ともオペアンプ２０の入
力端子に接続されている。アンプ２０はホール素子４の
両電極の電位差を増幅する。この出力はオペアンプ２１
の一方の端子に入力される。他方の端子にはボリューム
２３を介してバイアス電圧が入力される。このバイアス
電圧は出力の０点設定用のバイアス電圧である。オペア
ンプ２１の出力はさらにアンプ２２で増幅されるが、ア
ンプ２１とアンプ２２との間にはボリューム２４が挿入
されてゲインを調節可能にしている。比重計設置後、ボ
リューム２３，２４を適当に調節することにより、その
測定対象に合わせたスケーリングをすることができる。

【００１２】錘５が液中に没せられると、液の比重に応
じた浮力を受け、糸６−板バネ２に掛かる重さが減少す
る。このとき糸６に掛かる重さ（力）をＦ，錘５の空気
中での重さをＷ，錘５の体積をＶ，液の比重をαとする
と、 Ｆ＝Ｗ−αＶ である。したがって、比重αが変動すると、Ｆも変動す
ることになる。ところで、板バネ２は、この自由端に掛
かる力Ｆにしたがってたわみδを生じる。たわみδが微
小な範囲ではたわみδとＦとは比例する。また、この先
端部のたわみδと磁石３の位置におけるたわみも微小範
囲では比例する。また、磁石３〜ホール素子４の距離
と、ホール素子４の発電出力とは、適当な距離範囲では
比例関係（一次関数関係）にある。したがって、ボリュ
ーム２３で０点を調整し、ボリューム２４でゲインを適
当に調整することにより、検出された比重を所望の電圧
値として出力することができ、そのままＡ／Ｄ変換する
ことによって、ディジタル制御装置の入力として用いる
ことも可能である。

【００１３】図４（Ａ),（Ｂ),（Ｃ）は、同比重計を液
タンクにおいて使用する場合の態様を示した図である。
同図（Ａ）は液タンク１１の上部に支持台１３を設け、
これに比重計１を設置した例である。比重計１から錘５
を液中１２に釣り下げている。支持台１３はタンクの蓋
を用いることが可能である。また、同図（Ｂ）は支持台
を液中に設け、本体１も液に没して設置した例である。
本実施例の比重計本体１は板バネ２の自由端のみを液中
に露出すればよいのみであり、他の部分は密閉可能であ
るため、このように本体を液中に没しても何ら支障なく
動作させることができる。このように液中に没して設置
することにより、糸６の長さを短くでき、揺れなどによ
る計測誤差を少なくすることができる。

【００１４】さらに、同図（Ｃ）は錘５に代えて浮子１
０を糸６に取りつけた例を示している。浮子１０は液１
３よりも比重が小さいものであるため、浮力がまさり浮
き上がろうとする。そこで、比重計本体１を液タンク底
面に設置し、糸６，板バネ２を用いて浮子１０に下向き
の力を与えて静止させている。この方式では、 Ｆ＝αＶ−Ｗ となるため、Ｆを小さくでき、微小なαの変動でもＦの
変動率を大きくすることができる。錘５を設置した場合
でもＷをαＶに近づけることによってＦを小さくするこ
とが可能であるが、この場合には錘の比重が液の比重に
近くなり、錘が液中で不安定になる欠点がある。なお、
静水のように液面のレベルが全く変動しない場合には錘
や浮子を一部液上に露出させた状態で設置することもで
きる。

【００１５】また、上記の比重計を液体の比重（４℃時
の水の密度との比）を計測する装置として説明したが、
全く同様の構成で液体の密度（一定体積（１ｃｍ³ ）当
たりの質量）を計測する装置として適用することができ
る。

【００１６】図５はこの発明の実施例であるレベル計
（水位計）を示す図である。この図においてレベル計本
体３０は上述した比重計本体１と全く同様の構成である
ため説明を省略する。レベル計の場合、糸６に釣り下げ
られる錘３１は比重計に比して非常に長いものになって
いる。これら錘の長さによって計測範囲が決定されるか
らである。すなわち、錘３１のうち液中にある部分は浮
力を受けて軽くなり、空気中にある部分はそのままの重
さであるため、液中に没している部分の長さと空気中に
ある部分の長さでレベルが検出される。このため、全て
が液中に没してしまうとそれ以上のレベルを計測でき
ず、全てが空気中に出てしまうとそれ以下のレベルが計
測できないためである。なお、錘３１の上下方向の移動
は、液面の高さの変化に比べて微小なものである。すな
わち、液タンク１１内の液量（液面の高さ）が変化して
も、錘３１は上下方向にほとんど移動しない。ここで、 Ｆ＝Ｗ−αａｘ である。ここでａは錘の断面積，ｘは液中に没している
長さである。このＦ（糸６−板バネ２に掛かる重さ）に
よって液レベルを読み取ることができる。このレベル計
においてもボリューム２３，２４を適当に調整すること
により、出力電圧と実際のレベルとを的確に対応付けた
スケーリングが可能となる。

【００１７】なお、この実施例では錘３１を釣り下げた
構成としているが、浮子を引き下ろす構成（図４（Ｃ）
のような構成）にしてもよい。この場合には、液中の部
分が受ける浮力が空気中にある部分の重さよりも大きい
範囲で計測が可能である。

【００１８】さらに、液タンクが直方体または円筒形の
一様な形状でない場合、例えば図６に示すような壺形の
場合には、錘も同様の形状（タンクの形状を横に縮小し
た形状）にすることにより、出力電圧が液レベルでなく
液量に比例したものとなる。

【００１９】すなわち、タンクの断面積が大きい部分で
は錘の断面積が大きくなって、浮力を多くうけ、タンク
の断面積が小さい部分では逆に錘の断面積も小さくなっ
て受ける浮力も小さい。このような構成にすることによ
り、錘が受ける浮力の変化と液の量の変化とが比例する
ようになりどのような形状のタンクであっても液量に比
例した出力を得ることができるようになる。

【００２０】なお、比重が変動する液のレベルを計測す
る場合には、上述した比重計と併用するようにすればよ
い。

【００２１】また、本体の構成は図１，図２に示したも
のに限定されず、図７（Ａ),（Ｂ）に示すようにコイル
バネを用いて構成することもできる。さらに、弾性体を
用いたものであればどのように構成することも可能であ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載した発明
によれば、簡略な構成で液体の比重を検出することがで
きるため、コストダウンにつながり、また、密閉が可能
であるため、比重計本体を液中に没して使用することも
できる。この場合には、弾性体の一方の端部に錘または
浮子を係止するための糸等を短くすることができ、液の
揺れ等による計測誤差を小さくすることができる。 ま
た、請求項２に記載した発明によれば、錘または浮き子
は、液タンクの断面形状と略相似な形に形成しているの
で、液タンクの形状がどのような形状であっても液タン
ク内の液量に比例した出力を得ることができる。すなわ
ち、液タンクの形状がどのような形状であっても、液タ
ンク内の液量を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例である比重計の斜視図

【図２】同比重計の概略構造図

【図３】同比重計の回路部の構成を示す図

【図４】同比重計の使用の態様を示す図

【図５】この発明の実施例であるレベル計の使用態様を
示す図

【図６】レベル計の他の態様を示す図

【図７】この発明の他の実施例を示す図

【符号の説明】

２−板バネ（弾性体）、３−磁石、４−ホール素子、
５，３１，３３−錘、１０−浮子。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液中に投入して設置される錘または浮子
   を一方の端部に係止する弾性体と、この弾性体の他方の
   端部を支持する台部とを備え、 前記弾性体および台部の一方にホール素子を、他方に磁
   石をそれぞれ対向して設けるとともに、 錘または浮子を係止した前記弾性体の一方の端部以外を
   密閉した ことを特徴とする比重計。
2. 【請求項２】 変動する液面を跨いで液タンクの深さ方
   向のほぼ全体にわたる長さの錘または浮子と、この錘ま
   たは浮子を係止する弾性体と、この弾性体を支持する台
   部とを備え、 前記弾性体および台部の一方にホール素子を、他方に磁
   石をそれぞれ対向して設け、 前記錘または浮子は、その断面形状が前記液タンクの断
   面形状と略相似である ことを特徴とする水位計。