Method and apparatus for determining the orientation of the measuring device

本発明は、容器内の媒体の限界レベルや充填レベルを判定し、及び／または監視する測定装置に関し、この測定装置は、少なくとも一のセンサ部と測定送信部とを含む。

本願譲受人によって、マイクロパイロット（Micropilot）やプロソニック（Prosonic）の商標の下で測定装置の製造販売も行われている。 これらの装置は、伝搬時間の測定方法に応じて動作して、容器内の媒体の充填レベルを判断し、及び／または監視する機能を提供する。 伝搬時間の測定方法においては、例えば、超音波が音響変換器を介して送信され、あるいは、マイクロ波もしくはレーダ波がアンテナを介して送信され、媒体表面で反射したエコー波が、距離に依存する信号の移動時間の後に戻って来て受信される。 既知の伝搬速度を利用して、伝搬時間から、容器内の媒体の充填レベルを計算することができる。 この場合、エコー曲線は、時間や伝搬距離の関数として受信信号の振幅を表しており、エコー曲線の各測定値は、所定の距離離れた表面上において反射した測定信号の振幅に対応している。

この測定方法が反射原理を用いているため、測定装置が伝搬時間の測定方法に従って動作する場合には、測定信号の品質やエコー曲線の品質は、設置位置に強く依存することがある。 例えば、
−媒体の反射特性や、
−構造と関連する、送信素子の放射ローブ中の攪乱要素や、
−十分なバルクの円錐形や、
−容器内の充填装置及び攪拌機構や、
−センサ部に媒体が付着する形態については、測定装置の信頼性や有効性、並びにこれらから認識される測定値に強い影響を与える。 測定信号に対するこれら影響因子による影響は、センサ部の設置の最適化で最小化できる。 例えば自由放射するマイクロ波の測定技術や超音波の測定技術のような伝搬時間測定法（「飛行時間」測定法ともいう）の場合は、アンテナの設置位置や音響変換器の設置位置をそれぞれ利用して、最適の測定実施により、測定状況を最適化することが重要である。

アンテナや音響変換器の最適な向き定めに関する今日の技術水準では、例えばタンク等の容器内の測定状況を評価できるよう、オペレータは、センサ部の位置を段階的に変化させて、ディスプレイ上に現れる、個々の設置されているアンテナや音響変換器の位置に対する特徴変数（例えば、デシベル表示での充填レベル・エコーの振幅強度）を観察しなければならない。 しかし、こうした既知の特徴変数からは、容器内のアンテナや音響変換器の向きや設置状況に関して、何ら総括的な情報は得られない。 充填レベル・エコーの振幅強度のみ考慮することができるということがほとんどである。

更には、今日の技術水準においては、エコーの作用を時間の関数として測定装置やネットワーク・サービスツールのディスプレイ上に表すことが可能となっており、こうして、センサ部の現在の位置に対する現在の測定状況を確認することが可能となっている。 エコー曲線や履歴データを表示部に視覚化する装置等は、独国特許出願第１００５２８３６号より公知である。 この装置のデメリットは、測定装置の様々な設置状況に対する測定信号同士を互いに視覚的に比較することができないこと、また、データ量が多大であるために、表示が非常に遅いことである。

充填レベル測定装置の機械的向き定め装置を用いて設置位置を変更する装置については、独国特許出願１０１０６１７６号により公知である。 更には、平面アンテナの放射特性を変更する装置については、独国特許出願第１０１４９８５１号より公知である。 測定構造内での流量計側装置の不良設置状況を検出する装置は、独国特許出願第１０２３０６０７号により公知である。 この公開公報においては、渦の流量計測システムの不良設置状況を検出して、対応するエラー報告を制御システムに送信する装置が開示されている。 これらの例の向き定め装置のデメリットは、測定装置の調整や向き定めのために、オペレータには多大な量の技術的な知識やノウハウが必要とされることにある。

更には、本願譲受人は、リキファント（Liquiphant）やソリファント（Soliphant）の商標の下で、特には振動音叉のような振動素子の振動挙動の変化によって、容器内の媒体の限界レベルに従った測定装置の製造販売を行っている。

限界レベルや充填レベル、その他の媒体のプロセス変数のそれぞれを判定する現状技術としては、いわゆる振動音叉（例えば、欧州特許第０４４４１７３号）や、片ロッド（例えば、国際公開第２００４／０９４９６４号）や、振動素子としての薄膜振動子が公知である。 個々の計測において使用すると、振動可能部の機械的振動のパラメータ（振動振幅、共振周波数、周波数に対する位相差）が、媒体との接触や媒体の特性に依存する、という事実が存在する。 こうして、例えば、特に液体の媒体が到達して振動可能部の少なくとも一部を覆うと、振動の周波数や振幅が減少する。 液体の媒体は、センサの振動体、すなわち、例えば振動音叉、片ロッド、または薄膜に作用する。 その一方で、質量により引かれるにつれて、振動周波数は低下し、またその一方で、機械的ダンパにより、振動の振幅が低下する。 したがって、振動周波数あるいは振幅の低下より、装置の実施形態や設置位置により決まる充填レベルに媒体が達したことが、推測可能となる。 更には、振動周波数は、例えば媒体の粘度にも依存している（例えば、欧州特許第１３２５３０１号を参照）。

個々の機械的振動可能部を励起させるために、ピエゾ素子がしばしば使用される。 ピエゾ素子は、逆に機械的な振動の電気信号への変換も行う。 更には、応用例によっては、振動可能部の電磁励起も可能である。

現状技術においては、センサ部が自己監視を行うよう設計する取り組み、すなわち、センサまたは個々のセンサの構成のそれぞれが適切に動作可能であるか否かを検査するよう設計する取り組みも行われている。 この場合は、特に、振動可能部の機能的能力、すなわち、媒体に接触しているために最大の負荷にさらされている構成部品の機能的能力が、公知の測定方法ではチェックされないことが問題となる。 しかし、正確な測定には、センサ部の設置位置を保障することが必要である。

本発明は、自体の最適化された向きを認識し、監視することを特徴とする測定装置を提供することを目的の１つとする。

この目的は、請求項１に記載されている装置によって達成される。

他の実施形態は、従属請求項２乃至１０に記述されている。

本発明については、以下に添付の図面に基づきより詳細に説明する。 簡単のため、同一の部分については図面中では等しい参照文字を使用している。 図面は、以下の内容を示す。

容器上に配置される本発明の測定装置の実施形態の例である。

本発明の測定装置のための、本発明の測定送信部の実施形態の例である。

図１は、容器２上のノズル４に取り付けられ、容器２内の媒体５または充填物質５の充填レベル２１を認識するために伝搬時間計測方法を使用する、測定装置１ａを示す。

測定装置１、１ａは、大抵の応用例においては、容器２上のノズル４内のフランジ６を介して固定されている。 しかし、測定装置１、１ｂを容器２内のねじ式の開口７内にねじ込むことによって固定してもよい。 図１は、耐圧・気密のボールジョイントのような、機械的向き定め装置３を介してセンサ部８の機械的な向き定めを行う場合を示している。 しかし、例えば、回転装置、回転するウェッジ、フランジ組立体等の他の向き定め装置３を向き定め装置３として使用することも可能である。

図１に示す測定装置１は、基本的には、容器２内に配置されるセンサ部８、及び密閉されている容器２の外側の筐体内に配置される測定送信部２１から構成される。 センサ部８は、ここでは特に音響変換器８ａについては、ノズル４を介して容器２に導入されて、「両側」フランジ６を利用して容器２上に固定されている。 「両側」とは、フランジが、ジョイントボールのボールの両側に圧力をかけ、これにより、向きへの回転にしたがって向きを維持することができることを指している。 機械的向き定め装置３は、測定装置１ａが容器２に固定される領域内に設ける。 機械的向き定め装置３は、駆動部１９を介して異なる向きに随意に自動的に傾斜されることができ、この場合、単に駆動部自体によって向きを維持可能であることもある。 測定装置１ａは、電源ライン２４を有し、フィールドバス２３と接続されている。 測定送信部２１に組み込まれているのは、傾斜センサ（inclination sensorまたはtilt sensor）１４であり、傾斜センサ１４は、向きの測定値１５を認識する。 この認識された向きの測定値１５は、測定装置１、１ａ、１ｂの表示部９に視覚的にまたは聴覚的に表わされる。 入力部１０は、測定装置１、１ａ、１ｂとの情報のやりとりを可能にする。

測定装置１、１ａ、１ｂとセンサ部８は、それぞれ機械的向き定め装置３によって駆動部１９を用いて第１の設置位置２２ａから第２の設置位置２２ｂへと移動する。 測定装置１の傾きの変化は、組み込まれている傾斜センサ１４を通して確認され、向きの測定値１５として、例えば表示部９等のディスプレイに、視覚的に表わされる。 更には、測定装置１、１ａ、１ｂの向きを、音響トーン信号のトーンレベルに基づき、表示部９からオペレータにシグナルで知らせることとしてもよい。 この実施形態の場合においては、表示部９内にトーンエミッタが存在していることが必要である。

測定装置１へのエネルギー供給は、供給ライン２４を介して行われ、リモートコントロールステーションや他の測定装置１との通信は、ＰＲＯＦＩＢＵＳ−ＰＡ（プロセスオートメーション用ＰＲＯＦＩＢＵＳ）やＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ＦＩＥＬＤＢＵＳのような任意の公知の通信規格のいずれかを通じ、フィールドバス２３を介して行われる。 特に、測定装置１にフィールドバス２３を介して必要なエネルギーを供給することとしてもよい。 このためには、測定装置１は、４−２０ｍＡ、２コンダクタ測定装置の規格および仕様に応じて設計されるのが望ましい。 フィールドバス２３を介しての起動装置８及び測定装置１のそれぞれからリモートコントロールステーションへの通信リンクを通じて、起動しコントロールステーションからの評価を受けた測定装置１が、自動向き定めプロシージャを行うこととすることもできる。

充填レベル測定装置１ａの機能については、以下のとおりである。 測定装置１やセンサ部８から、広帯域のマイクロ波や超音波のパルス信号が、測定空間や容器２内に送信される。 センサ部８の放射による円錐内にある、例えば攪乱要素のような物体や充填物質５の表面では、波は、その表面に対して法線方向に関して測定した等しい角度で反射の法則にしたがって、反射して戻ってくる。 このように、センサ部８の放射ローブ内にある各表面上においては、反射信号は、入射角や反射体の材料に依存して、反射してセンサ部８に戻ってくる。 充填物質５の表面から反射されて戻ってくる測定信号の伝搬時間より、充填物質５の充填レベル２１が算出される。 また、充填レベル測定装置１ａのセンサ部８の向き定めは、ＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous-Wave）方式の場合にも必要であり、その場合にも実行される。

測定装置１のユーザインタフェースにおける選択機能を介して、または初始動に基づき、測定装置１は、センサ部８の向き定めを行うことのできる動作モードへと切り替えを行う。

図２は、測定装置１、１ａ、１ｂの起動モードを概略的に説明する図である。 測定装置１、１ａ、１ｂは、例えば、向きの測定値１５、または場合によっては、エラー報告１６を表示する表示部９と、測定装置１、１ａ、１ｂ及び通信部１３を介して接続されているコントロールステーションとの情報のやり取りのための入力部１０とを含む。 傾斜センサ１４の向きの測定値１５は、データ処理部１１で処理され、メモリ部１２に格納される。 測定装置１、１ａ、１ｂは、データインタフェース１３やデータ線を介して他の測定装置１やコントロールステーションと通信を行う。 測定装置１、１ａ、１ｂ及びコントロールステーションの間の通信は、２コンダクタあるいは４コンダクタの技術においては、同一のデータ線を介しての測定装置１、１ａ、１ｂのエネルギー供給を介して、同様に行うことができる。 更には、無線を介して無線通信を行うこととすることもできる。 表示部９、入力部１０、データ処理部１３、位置センサ１４、及び／またはメモリ部１２は、センサ部８内または測定装置１の測定送信部２１内のいずれかに配置することができる。 あるいは、これらをセンサ部８及び測定送信部２１内の両方に同時に組み込まれることとしてもよい。

高い測定精度を得るための基本的な要素の１つは、相応の高いＳ／Ｎ比であり、これは、レーダアンテナ方式のセンサ部８のアンテナ利得が高い場合に達成される。 これに常に関連してくる要素としては、例えばタンク壁のような攪乱要素が放射ローブに記録されないようにするための、相応のビーム集束がある。 例えば、２６ＧＨｚのパラボラアンテナの場合、開口角は、およそ５°となる。 センサ部８をこのような強い集束アンテナとすることの大きなデメリットは、媒体５の表面に対するセンサ部の向きに対する感度が高くなってしまうことにある。 垂直面からほんの数度ずれるだけで、多大な信号ロスにつながってしまい得る。

あるいは、既に述べたように、アンテナ方式のセンサ部８は、最大信号振幅を取得することに基づきその向きを決めてもよい。 しかし、この場合、サービスツールへのデータ送信が遅くなりすぎ、傾きの変化に対する反応が非常に遅くなってしまう。 このため、このような調整機会は、実際上は有益でない。

今後のレーダ式充填レベル測定装置１、１ａは、おそらくは８０ＧＨｚまでの周波数で機能し、それによって、アンテナの放射プロファイルは、更に高集束となるであろう。 しかし、この場合、不利な影響を防ぐためには、測定装置１、１ａの正確な向きが絶対的に必要となるであろう。

更には、高精度の測定を保障するために、傾斜センサ１４は、測定装置１の動作中、測定装置１の向きを監視して、測定装置１が正しい向きにないかどうかを検出することもできる。 測定装置１の向きの変化の原因には、例えば、風や雪によるウェザリングも含まれることがある。 プラントでの組立て行為であっても、測定装置１の傾きの変化につながり得る。

傾斜センサ１４は、測定装置１内または測定装置１上の任意の位置に設置される、例えば３軸傾斜計であり得る。 好ましくは、こうした傾斜計は、測定送信部１８内の回路基板上に設置される。 次いで、傾斜センサ１４の値を登録して、向きの測定値１５等をメモリ部１２に格納するために、測定装置１は、一旦は正しい位置に配置される必要がある、すなわち、垂直な位置に配置される必要がある。 電子準位、傾斜センサ１４及び傾斜計は、それぞれマイクロメカニカルコンポーネント（ＭＥＭＳ）として作られており、他の電子部品と同様に処理することができる。

測定装置１、１ａ、１ｂの向きの監視には、測定送信部１８が向きの測定値１５についての限界値２０が格納されているメモリ部１２を有することと、認識した向きの測定値１５がこれら限界値２０の範囲外にある場合には、測定装置１がエラー報告１６を出力するとが含まれる。

例えば、測定装置１、１ｂは、自動的に設置位置や向きのそれぞれに対応するよう構成されてもよい。 振動素子８ｂを有する限界レベルの測定装置１ｂについては、正確な測定を行うことができ、測定装置１、１ｂの機能性及び有効性を保証することができるように、振動素子８ｂとしての振動音叉の音叉先端の向き及び位置を知ることが重要である。 更には、測定装置１、１ｂの正確な向きを認識することにより、測定値及び測定装置１、１ｂの構成の妥当性のテストを行うことが可能となる。

１ 測定装置 １ａ 充填レベル測定装置 １ｂ 限界レベル測定装置 ２ 容器 ３ 向き定め装置 ４ ノズル ５ 充填物質、媒体 ６ フランジ ７ ねじ式の開口 ８ センサ部 ８ａ 超音波センサ ８ｂ 振動部 ９ 表示部 １０ 入力部 １１ データ処理部 １２ メモリ部 １３ 通信部 １４ 傾斜センサ、位置センサ １５ 向きの測定値 １６ エラー報告 １７ 攪乱エコー、攪乱信号 １８ 測定送信部 １９ 駆動部 ２０ 限界値 ２１ 充填レベル ２２ 設置位置 ２２ａ 第１の設置位置 ２２ｂ 第２の設置位置 ２３ フィールドバス ２４ 電源ライン