JPH03502732A - 光学的液位センサ - 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】 本発明は一般的には光学的液位センサの分野に関し、特に、従来から光学要素の 材質である通常の材料（例えば、ガラス、サファイヤ等）を化学的に腐食する可 能性のある各種の腐食性流体に対して特に用いるのに適した屈折形式および吸収 形式の光学的液位センサの改良に関タンク、容器あるいはその地形式の槽中にお ける特定の液体の液位、検出することが度々望まれる。ある用途においては、液 体の上方のヘッドスペースに適当なガス（例えば空気、蒸気等）が介在している ことがある。他の用途においては、特定の液体（例えば水）の面の上に、別のよ り濃度の低い液体（例えば油）が浮遊していることがある。

容器中の液体の液位を測定あるいはモニタすることに対して多様の技術が存在し ている。非光学的技術の中では、最も一般的なものは馴みのあるサイトゲージや 各種のフロート作動式機構である。

最近、液体の液位を光学的に検出するために各種の別の技術が開発されてきた。

その一つの技術によれば、従来の光ファイバに円錐形チップの形態でプリズム端 を設け、前記円錐形チップは、ファイバに沿って伝播し、チップの面に衝突する 光線の入射角（θ、）が空気に対すす る前記チップ材料の「臨界角」　（θ　）より大きいが、その液位を検出すべき 特定の液体に対する前記チップ材料の「臨界角」よりは小さくなるように形成さ れている。

従って、前記チップが液体の面より上方にある場合、ファイバを通して伝達され る光線の概ね全部が光ファイバを通して適当な光電検出器に向かって内反対され る。しかしながら、プローブのチップが液体中に沈んでいると、光線は液体へ屈 折される。従って、光電検出器に戻される光線の強度を用いて、プローブチップ が液面より上にあるか、下にあるか指示することができる。前記並びにその他の 光学的技術は（１９８６年１２月の）センサー誌におけるラクスビッチの「光フ ァイバの液位検出法」の５頁（Ｒａｋｕｃｅｖｉｃ＋　、　　”Ｆｉｂｅ＋−Ｏ ｐｈｃｍｅｌｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｌｅｗｅｌｓｅｗｃｉｎｇ　”　、　Ｓｅｎ＋ｏ ｒｓ　　（Ｄｅｃ、１９８６）　　［ｔｌ　ｐ、　　５　　！ｔｓｃＱ、］に示 され、かつ説明されている。

前記の技術は非腐食性流体および（または）室温でのある種の流体に対しては作 用しうるが、その他の流体は、多くの光学要素が形成されている材料を化学的に 腐食することが知られている。例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）はガラスを腐食さ せ、硫酸（Ｈ５ｏ４）はサファイヤ（Ａｌ□０３）を腐食する。従って、前述の 材料で作られた光学要素はこれらの腐食性の液体に露出するには不適である。前 記腐食性流体は通常、プラウエア州１９８９、ウイルミントンのイ・アイ−デュ ポン　ド　ヌムル社（Ｅ、　１．　ｄａ　Ｐａｎｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏｎ＋ｓ　＆ 　Ｃｏ、　（Ｉｎｃ、）、ＷｉｌｌＩ＋ｉｎｇｌｏｎ。

Ｄｅｌｘｖａｒｅ）により製造されており一般的に「テフロンＰＦＡＪとして知 られるポリテトラフルオロエチレン過フルオｏフルコキシ（ｐｅ＋−１１ｕｏｕ ｒｏｘｌｋｏｕ）材から作られたタンクに貯えられる。前記材料は前述の流体に よる化学的腐食に対して比較的抵抗力があるが、実際問題として従来の光学要素 （例えばサファイヤ、ガラス等）を該流体と共に用いることができない。

このため、前述の「テフロンＰＦＡＪ材料から作られた特殊形状のセンサチップ を形成することが提案されてきた。例えば、１９８８年３月２２日に出願され、 その全体の開示を参考のために本明細書に含め、かつ本特許願の譲受人に譲渡さ れているトレゲイ（ＴｒＢＢ）の国際特許願番号第ＰＣＴ／ＵＳ　　８８１００ ９０７号の「光学的液位センサ」　（“０ｐｔｉｃ！ｌ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｌｅｙ ｅｌ　５ｅｎｓｏｒ”）を参照のこと。この形式のセンサは、液体とその上方の ガスとの間に明白かつ明確な変移部分がある場合、安定作動でき（即ち、室温に おける空気、水に対して２０：１以上の乾湿信号比を発生させることができるカ リ、その上にセンサを装着しているタンクが加熱され、および（または）加熱さ れた液体が前記タンクへ汲み入れる場合、別の配慮を行う。例えば、蒸気が形成 、即ち凝縮され、および（または）ガス泡がプローブチップ上に集まる可能性が ある。温度差による前記の蒸気、泡および（または）凝縮によりセンサチップの 外面が混合した気相／液相に露出されることになる。特定のプローブチップの形 状に対する屈折対「全白反射」の原理は、プローブ材とチップの外面を湿らせる 流体の相対屈折率によって決まるので、前述の混合した気相／液相にチップの表 面を露出させる結果、理想的に高い「乾」光学的戻り信号の強度が低下すること により有効乾湿信号比を低減させる。事実、乾湿信号比は温度と反比例して変化 するように見える。従って、蒸気、フィルム、霧および凝固部に対する感度が低 下し、従って使用した流体の温度およびその他の作動条件に対する感度の低下し た光学的液位センサを改良することが望ましい。

発明の開示 本発明は改良した形態の屈折形式および吸収形式の光学的液位センサ並びに特定 の液体の液位を検出する改良方法を提供する。

本発明は一局面によれば、凹みと、該凹みに面し、その液位を検出すべき特定の 液体に露出するようにされた面を有する本体を含む改良された光学的液位センサ を提供する。前記本体は前記面に位置し、そこを通って光線が前記凹みへ伝達し うる第１の窓を有し、かつ前記面に位置され、そこを通って光線が凹みから出て いくことができる第２の窓を有する。第２の窓は、第１の窓における点が液中に 沈んでいるときのみ、第１の窓を通る光線を受は取るよう第１の窓に関連して位 置し、かつ配置されている。本発明のこの局面はまた、光源、第１の窓を通して 光源から凹みへ光線を伝達さる伝達手段、第２の窓を通る光線を受は取る一次受 取り手段を含む。従って、前記−次受取り手段により受は取られる光線の強度が 前記第１の窓上の点が液中に沈んでいるか否かを指示できる。希望に応じて、− 次受取り手段により受は取られた光線の強度の関数として一次電気信号を発生さ せるために一次検出器を採用すればよい。好適実施例においては、第１の窓上の 点が液体の面より上方にある場合、光線が第３の窓を通して二次検出器へ向かっ て屈折するような位置において本体の面に第３の窓を設けている。−次および二 次検出器により発生した信号は相互に比較され相互の確証を行う。本体の凹みへ 入る光線は液位の関数として一方の窓から他方の窓へ選択的に屈折させ、および （または）前記凹みを出ていく光線の強度は、光線が凹みを出ていくにつれて吸 収によって減少していく。

このように、使用時、改良されたセンサの屈折形態が、凹みを有し、かつ該凹み に面し、その液位を検出すべき特定の液体に露出するようにされた面を有する本 体において液位を検出する独特の方法を実行する。前記本体は、該本体の面に位 置し、そこを通って光線が凹みへ入っていくことのできる第１−の窓を有し、か つ前記面に位置し、そこを通って光線が凹みから出ていくことのできる第２の窓 を有する。前記第１の窓は、その上の検出点が液中に沈んでいるときのみ第１の 窓を通る光線を受は取るように第１の窓に関連して位置し、かつ配置されている 。

任意であるが、前記本体の好適形態は、検出点が液面より上にあると第１の窓を 通る光線を受は取るように第１の窓に関連して本体の面に位置し、かつ配置した 第３の窓を有する。このように、本発明による改良方法は、第１の窓を通して光 線を凹みへ伝達し、検出点が液中に沈んでいる場合のみ前記光線を第２の窓に向 かって屈折させ、検出点が液体中に沈んでいないとき第３の窓に向かって光線を 任意的に屈折させ、第２と第３の窓の中の少なくとも一方を通過する光線の強度 を測定することにより検出点が液面より上にあるか下にあるかを示す段階を含む 。

前記装置の吸収形態では、使用時、第１の窓を通して凹みへ光線を伝達し、凹み 中の液体の量の関数として前記光線の特定の波長を選択的に吸収し、凹みから光 線を前記窓を通して伝達し、第２の窓を通過する光線の強度を測定することによ り測定された光線の強度の関数として凹み中の液体の量を指示する段階を含む方 法を実行する。

従って、本発明の全体的な目的は改良された光学的液位センサを提供することで ある。

別の目的は、光学的要素が一般的に作られている従来の材質を化学的に腐食させ るある種の液体の液位および（または）量を測定するために使用する改良センサ を提供することである。

別の目的は、屈折および吸収技術により特定の液体の液位を測定する改良方法を 提供することである。

さらに別の目的は露出されたプローブチップ上に形成されたフィルム、凝固滴お よび（または）２相状態に対して感応することが少ない改良された光学的液位セ ンサを提供することである。

これらおよびその他の目的および利点は前述並びに以下の説明、図面および請求 の範囲から明らかとなる。

図面の簡単な説明 第１図は密閉されたタンクの直立壁に装着された改良光学的液位センサの第１の 屈折形式の形態の部分正面図、第２図はタンクを断面で示す、センサの部分的な 右側面図、 第３図は第１図の線３−３に沿って全体的に視たプラグの拡大した部分的な縦断 面図、 第４図は、プラグ、入口および出口装具を外し、第２図の線４−４に沿った全体 的に視た、拡大した部分的な長手方向の垂直断面図、 第５図は、タンクが概ね空のときの、光源から二次検出器までの光路を示す、プ ラグの横方向の垂直断面図、第６図は、プラグに約半分液体が入っている場合の 光源から二次検出器までの光路を示す、第５図と全体的に類似の概略図、 第７図はプラグが概ね液体で一杯の場合の光源から一次検出器までの光路を示す 、第５図と全体的に類似の概略図、 第８図は第２の屈折形式の光学的液位センサの概略的な水平方向の縦断面図であ って、センサの凹みが液面より上にある場合の光路を示す図、 第９図は第８図の線９−９に沿って全体的に視た部分的な横方向垂直断面図、 第１０図は全体的に第８図と類似であるが、センサの凹みが液中に沈んでいると きの光路を示す概略図、第１１図は第１０図の線１１−１１に全体的に沿って視 た部分的な横方向の垂直断面図、 第１２図は、第３の吸収形式の光学的液位センサの概略的な水平方向の縦断面図 であって、センサの凹みが液面より上にあるときの光線の強度を示す図、第１３ 図は第１２図の線１３−１３に全体的に沿って視た部分的な横方向の垂直断面図 、 第１４図は第１２図と全体的に類似であるが、センサの凹みに液体が充たされて いるときの光路の徐々に低減している強度を示す概略図、 第１５図は第１４図の線１５−１５に全体的に沿って視た部分的な横方向の垂直 断面図である。

発明を実施する態様 まず、同じ部材、部分あるいは面が、この詳細説明が一体部分である全体の明細 書により記述或いは説明されるにつれて数葉の図面を通して一貫して前記同じ部 材、部分あるいは面を同じ参照番号で識別する意図であることを明確に理解すべ きである。特記なき限り、図面は明細書と共に読むべき（例えばハツチング、部 材の配置等）で、本発明の全体説明の一部と考えるべきである。以下の説明で使 用する、「水平」、「垂直」　「左」　「右」「上方」および「下方」並びにそ れらの形容詞および副詞（例えば「水平方向に」　「右方へ」　「上方へ」等） は特定の図がそれを読む人に対向する際の図示構造の方向を単に言及するもので ある。同様に「内方」および「外方へ」という用語も適宜、延長軸線あるいは回 転軸線に対する面の方向を言及する。

図面を参照すれば、本発明は、タンクあるいは容器中の従来の光学的材料（例え ばガラス、サファイヤ等）を腐食する可能性のある液体の液位を検出即ちモニタ する上で特に有用な改良光学的液位センサを提供する。しかしながら、前記の使 用流体は必ずしも腐蝕性の苛性あるいは酸性である必要はないことを明確に理解 すべきである。本明細書で使用する「流体」という用語は、包括的に液体あるい はガスのいずれかを言及する。従って、適当なガスあるいは蒸気がその上にある 液体の液位のモニタに用いることができる。代替的に、本発明によるセンサは、 別の液体（例えば油）がその上にある一方の特定液体（例えば水）の液位を検出 するために用いることができる。

いずれにしても、改良液位センサの３種類の現在好適な実施例を本明細書で開示 している。第１の屈折形態は第１図から第７図までに示す。第２の屈折形態を第 ８図から第１１図までに示し、第３の吸収形態を第１２図から第１５図までに示 す。これらの３形態について連続して以下説明する。

第１の屈折形態実施例（第１図−第７図）さて、第１図および第２図を参照すれ ば、全体的２０で指示する第１の形態の改良液位センサが、密閉タンク即ち容器 ２３の直立した側壁を貫通して設けられた水平方向のタップ孔２２とねじ係合し たプラグ２１と該プラグに装着したヨーク状本体２４を含んだものとして示され ている。側壁２２はいずれかの適当な材料で形成すればよいが、フッ化水素酸（ ＨＦ）　、硫酸（Ｈ２Ｓ０４）等と共に用いるために特にテフロンＰＦＡで形成 したものとして示している。一般的な光学材料であるガラスはフッ化水素酸（Ｈ Ｆ）により化学的に腐食され、一方サファイヤ（ＡＩＯ）は硫酸（Ｈ２Ｓ　０４ 　）により腐食される。側壁はタンクに面している右方に面した垂直の内面２５ と、反対側の左方に面する垂直の外面２６とを有するものとして示されている。

一体形成の円筒形のカラー２８が、側壁から左方かつ外方へ延び、改良センサを その上で装着できるようにする、水平方向に厚くされた部分を提供する。水平方 向のタップねじ孔２２は側壁の内面２５とカラー２８の末端の環状で垂直の左端 面２９との間を延びている。

第３図に最もよく示されているように、プラグ２１は、平坦な垂直の左端面３０ と、環状で垂直の右端面３１と、（第３図において左方から右方へ）順に、数個 所で３２で指示され、左端面３０の上下縁部から右方へ延びる一対の上下の平坦 な水平面即ち「平坦面」と、数個所で３３で指示し、前記平坦面から上下方向に 延びる一対の上下の平坦で垂直の弧面と、外方に面した水平方向の円筒形面３４ と、照面から右方へ連続し右端面３１に連通ずる軸線方向の外側にねじを切った 部分３５とを含む外面とを有する水平方向に細長く特殊形状の若干コツプ状の部 材である。希望に応じて、ねじ切り部分３５とタップねじ孔２２とは図示のよう に僅かに下方かつ内方にテーパを付はプラグを側壁にシールして装着しやすくで きる。

代替的に、あるいは追加して、適当なＯリング（図示せず）等を設けてプラグと 側壁との間で液密シール係合を保証することができる。凹みは右方の端面からプ ラグ中へ左方へ延びるものとして示されている。特に、前記凹みは、右端面３１ から左方へ延び、右方に向いた円形の垂直の底面４０と連通ずる内方に面した水 平方向の円筒形の面３９により順次囲まれている。

第２図に示すように、プラグの右端部分は側壁のタップねじ孔２２と液密シール するようねじ込まれ、「平坦部分Ｊ３２．３２は適当な回転工具（図示せず）と の係合に利用できる。プラグの内側凹みもタンク内の流体と露出されるので、該 凹みも前記テフロンＰＦＡ材料で形成することが好ましい。この点に関して、押 出しされたテフロンＰＦＡは特性的に白色であり、若干ミルクの色に似ており、 一方成形されたテフロンＰＦＡは、あたかもミルクが水で何回も薄められたかの ような実質的に乳白色が少なくなる。換言すれば、成形されたテフロンＰＦＡは 、押出しされたものより著しく曇りが少なく裸眼にもより透明である。このよう に、プラグは、光線を通せるようにするため、硫酸やフッ化水素酸のような化学 薬品と作用する場合は成形されたテフロンＰＦＡで形成することが好ましい。

さて第１図、第２図および第４図を参照すれば、本体２４は外方に面する多角形 の局面により分離された平坦な垂直の前面４１及び後面４２を有する水平方向に 細長く特殊形状のブロック状部材として示されている。特に、前記外面は（第４ 図において時計方向に進めて）順に、上方に面した平坦な水平面４３、上方かつ 右方に面し傾斜した平坦面４４、右方に面した平坦な垂直面４５、下方かつ右方 に面し傾斜した平坦面４６、下方に面した平坦な水平面４８、および、そこから 上方へ続き上面４３の左縁端に接続する左方に面した平坦な垂直面４９とを含む 。前記本体には、前面４１と後面４２との間を延びる内方に面する水平方向の円 筒形の面５０により画成された中央の長手方向の貫通孔が設けられている。垂直 の貫通孔５１が上面４３から本体へ下方に穿孔され、偏位位置で貫通孔壁５０と 交差し、そこから下方へ継続し底面４８と連がる。特に、孔５１の垂直軸線ｘ− ｘが前記孔５０の約８５度の円弧距離を占める。別の云い方をすれば、前記孔５ １の垂直軸線は約０．７５Ｒの偏位距離により貫通孔５０の中心の左方に隔置さ れている。Ｒは貫通孔５０の半径である。前記孔５１の上下の縁端部分は、５２ で数個所で示すように内側にねじを切ったものとして示している。

タップねじ孔５３が面４５から本体へ左方に延び孔５０の壁と連通し、止めねじ ５４を受は入れる（第１図および第２図）。前記止めねじは本体とプラグとの間 の相対回転を阻止するよう選択的に緊締することができる。

別の孔５５が面４６から上方かつ左方へ穿孔され孔５０の壁と交差する。前記孔 の軸線ｙ−ｙは面４６に対して概ね垂直であって、垂直方向に対して約２６度の 角度傾斜し、かつ約０．５７５Ｒの偏位距離だけ孔５１の壁の中心から隔置して いる。面４６に隣接する孔５５の縁部は５６で示すように内側にねじが切られて いる。軸線Ｘ−Ｘとｙ−ｙとは共通の垂直平面に配置されている。

好適実施例においては、本体２４は、例えば適当な黒いプラスチックのような不 透明の材料で形成されている。

１７かしながら、前記本体はまた、希望に応じ着色したり、あるいは着色してい ない成形あるいは押出しテフロンＰＦＡで形成することも可能である。

第１図および第２図に示すように、プラグは側壁のタップねじ孔２２と液密シー ル係合するようにねじ込まれ、本体をその上に滑り込ませ、プラグの外面３４は 本体の孔５０の壁と面するように配置される。本体が希望する作動位置にあると 、止めねじ５４はプラグに本体をしっかりと取り付け、その間の相対回転を阻止 するように選択的に緊締することができる。第１図と第２図とに最もよく示すよ うに、全体的に５７で示す取付具が本体の孔５１の上部分にねじ込まれ、光ファ イバ５８を介して光源Ｅと連通する。取付具５７は規準レンズ（図示せず）を含 むことによって前記取付具を出ていく光線が垂直方向で、かつ孔５１の軸線に対 して概ね平行となることが好ましい。全体的に５９で示す第２の取付具が本体の 孔５６にねじ込まれ、光ファイバ６０を介して一次光学検出器Ｄ１と連通ずる。

全体的に６１で示す第３の取付具が孔５１の下部分にねじ込まれ、光ファイバ６ ２を介して二次光学検出器Ｄ２と連通ずる。取付具５９と６１とは受光した光線 を光ファイバ６０．６２の端部にそれぞれ集中させる集光レンズ（図示せず）を 含むことができる。

第１の実施例の作動を第５図から第７図までに対比的に示している。第５図は、 若干の液体を入れたものとして示しているがプラグの凹みが概ね空である場合の 光線の軌道を示している。第６図はプラグの凹みに約半分の液体が入っている場 合の光線の軌道を示し、第７図はプラグの凹みが液体で概ね一杯の場合の軌道を 示す。各種の液位がこれらの図においてして示されている。上方の孔５１と整合 している半透明のプラグの部分が、光源りにより放射された光線がそこを通って プラグの凹みへ入りうる第１の窓を構成し、一方傾斜した孔５５と下方の孔５１ と整合したプラグの部分が、それぞれ光線がそこを通って凹みから出ていくこと のできる第２と第３の窓を構成する。

入射角（θ、）と屈折角（θ　）との間の関係を規定ｒ する一般式は、 （１）η山θ、＝η２山θ。

であって、ηｌは入射角が発生する材料、物質あるいは流体の屈折率で、η２は そこへ光線が屈折される材料、物質あるいは流体の屈折率である。空気に対して は、η＝ｉ、ｏｏで、水に対してはη＝１．３３、成形されているか押出しされ ているかにかかわらずテフロンＰＦＡに対してはη＝１．３５である。

このように、第５図においては、光源Ｅから放射される光線は空気中を（孔の軸 線ｘ−ｘと一致したものとして示す）軌道ａ−ｂに沿って下方へ進み、プラグの 外面３４上の点すに入射する。もしη。が空気の屈折率であり、かつη　がプラ グが形成されている材料の屈折率であるとすれば、θｌは（光線が入射する面に 対して直角の線に関して常に測定される）入射角であり、かつθ２は（これも前 記の直角の線に関して測定される）屈折角θ２である。

これを式（１）に代入すれば、 （２）　　　η　日ｐθ１＝η、　ｓｉｎθ２または （３）山θ２＝（η、／ηｐ）山θ１ となる。このように、入射光線ａ−ｂは軌道ｂ−ｃに沿って点すにおいてプラグ へ屈折される。光線ｂ−ｃは入射角θ３で点Ｃにおいてプラグの内面３９に入射 し、さらに軌道ｃ−ｄに沿って液体の面より上の空気へさらに屈折される。前記 軌道ｃ−ｄは点Ｃまで引かれた半径方向の線に対して屈折角θ４に位置している 。従って、（４）　　　η　ｓｉｎ　θ３＝η　ｓｉｎ　θ４または （５）　　山θ４＝（η、／η、）山θ３となる。

軌道ｃ−ｄに沿って空気中へ屈折した光線は再び点ｄにおいてプラグの内面３９ に入射する。しかしながら、線ｃ−ｄは二等辺三角形ｃ−ｄ−ｏの底辺であり、 他の辺（ｏ−ｄおよびｏ−ｃ）は面３９の半径に等しい。二等辺三角形の底角は その定義により等しいので、必然的に底角ｄ−ｃ−ｏおよびｃ−ｄ−０も等しい ことになる。

角度ｄ−ｃ−ｏは屈折角θ４であり、従ってｃ−ｄ−。

もθ４に等しい。このように、軌道ｃ−ｄに沿った光線は入射角θ４で面３９の 点ｄに入射し、軌道ｄ−ｅに沿ってプラグに屈折される。これを一般式（１）に 代入すると、軌道ｄ−ｅの屈折角θ　は以下のように計算される。

「 （６）山＃、＝（ｉｌ／ｌコマ山＃ｉ＝（萼ハｐ）山θ４＝＄１１＄３入射角θ ２でプラグの外面５０の点ｅに入射する入射光ｄ−ｅは二次検出器Ｄ　に向かっ て屈折角θｌで軌道ｅ−ｆに沿って空気を通してさらに屈折される。光線ａ−ｂ −ｃ−ｄ−ｅ−ｆは一次検出器Ｄｌに向けられないことに注目のこと。

第６図は、プラグの凹みが液体が半分より僅かに多く充されている別の状態を示 す。光源Ｅから放射された光線はこれも軌道ａ−ｂに沿って下方へ進み、プラグ の外面３４上の点すに入射する。点すにおける入射角もθ　であって屈折角はこ れもθ２である。このように、軌道ｂ−ｃに沿った屈折した光線は入射角θ３に おいてプラグの内面３９の点Ｃに入射する。前記入射光線は、全て前述のように 屈折角θ４で軌道ｃ−ｄに沿って下方へ屈折される。軌道ｃ−ｄに沿った光線は 入射角零で液体の水平方向の上面に入射する。従って、空気と液体のそれぞれの 屈折率は著しく相違するので（たとえばη空気＝１．００でη水＝１．３３）、 液面下の軌道ｄ−ｅに沿った屈折角はｔｉｎ　Ｏ°＝０のため概ね軌道ｃ−ｄと 整合する。このように、ｃ−ｄ−ｅの点は概ね直線に沿って位置する。軌道ｃ− ｄ−ｅに沿った光線も入射角θ４で、プラグの内面３９の点ｅに入射し、光線は 再び軌道ｅ−ｆに沿ってプラグを通してプラグの外面３４の点ｆまで屈折され、 さらに軌道ｆ−ｇに沿って二次検出器Ｄ２に向かって屈折される。しかしながら 、もし本体が、液体の屈折率に概ね等しい屈折率を有する材料で作られていると すれば（例えばη水＝１．３３でァ、。、、ＦＡ＝１．３５）、屈折角θ　は入 射角ｆ θｉと概ね等しい。このように、Ｃｄ　　ｅ　　ｆの点は概ね直線に沿って位置 する。このように、第６図において点Ｃとｅとの間に液位が有るとすれば、光線 ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ−ｇは一次検出器ＤＩに向って孔５５中へは屈折されな い。

第７図は、点Ｃが液面より下にある第３の状態を示す。

これは必ずしもプラグが完全に液体で充されていることを意味するのでなく、点 Ｃが液中にあることを意味する。

この場合、軌道ａ−ｂに沿って光源Ｅから放射される光線は入射角θ１でプラグ の外面の点すに入射し、屈折角θ２で軌道ｂ−ｃに沿ってプラグ中へ屈折される 。軌道ｂ−ｃに沿ったこの光線は入射角θ３でプラグの内面３９の点Ｃに入射す る。しかしながら、もし液体がプラグの材質の屈折率と概ね等しい屈折率を有す るとすれば（例えばη水＝１．３３　　ηカフ０ア、ＦＡ＝１．３５）、光線は 入射角θ３と概ね等しい屈折角θ、で軌道ｃ−ｄに沿って液中へ屈折する。この ように、軌道ｃ−ｄに沿った光線は面３９の点ｄに入射するが軌道ｄ−ｅに沿っ て孔５５へ屈折する。点ｃ−ｏ−ｄは二等辺三角形を形成するので、点ｄにおけ る入射角も概ね角度θ３と等しい。もしプラグ材と液体とが同じ屈折率を有して いるものとすれば、入射角と屈折角とは概ね同じで、点ｂ−ｃ−ｄ−ｅは概ね直 線に位置する。軌道ｄ−ｅの光線は入射角θ２でプラグの外面３４の点ｅに入射 し、かつ空気を通して軌道ｅ−ｆに沿って一次検出器Ｄ１に向かって屈折される 。軌道ｅ−ｆは孔５５の軸線ｙ−ｙと概ね一致する。

このように、第１の実施例は広義には、液位が特点の検出点（即ち点Ｃ）より下 方にある場合、光線は孔５５へ屈折されて一次検出器に向けられないよう計画し ている。しかしながら、液位が特点の点（即ち点Ｃ）より極僅かに上方にあると 、光源から放射された光線は一次検出器に向かって屈折される。−次検出器ＤＩ により受は取られた前記光線の強度が、液位が特定の検出点より上方にあるか下 方にあるかを指示するために用いることができる。検出器は、それが受は取った 光線の強度を示すアナログ信号を発生させることが好ましい。このように、プラ グが空のときに発生した信号は背景の光線あるいは検出器へ入る浮遊光線の強度 を示しうる。同様に、プラグが液体で一杯のときに発生する信号は屈折された光 線および背景の光線あるいは浮遊光線による最大の信号を指示しうる。これらの 「乾」および「湿」信号を用いて、本装置を特定の信号−ノイズ比に対して較正 し、点（即ち点Ｃ）が液中にあるか否かを安定して指示するために使用しうる。

また、本発明は、屈折された光線、あるいは検出点（即ち点Ｃ）が液面より上方 の場合屈折された光線の少なくとも一部を受は取るよう代替的な受取り開口およ び第２の検出器ｐ２を設けうることを計画している。このように、液体が検出点 （即ち点Ｃ）より下方にあると、二次検出器により発生した信号は光路の一員性 をテスト即ちモニタするために用いうる。実際に、−次および二次検出器Ｄ　　 、Ｄ２により発生した信号を用いて相互に確認を行うことができる。例えば、− 次検出器により発生した強い信号は液体が点Ｃより上方にあることを示す。

同時に、二次検出器により発生した弱い信号は一次検出器からの指示された強い 信号を確認するために用いることができる。逆に、−次検出器から発生した弱い 信号は液位が検出点より下にあることを指示し、かつ同時に交互の検出器により 発生した弱い信号はその事実を確認する。さらに、これらの２個の信号は相互に 関連して使用されると、本装置が正しく機能しており、かつ光路が遮断されなか ったことを示す。このように、２個の信号が相互に対比して、かつ協働して用い られると、電気用語で云うＯＲゲートと全く同様に光路の一貫性を散発的あるい は連続的にモニタするために用いることができる。

本実施例の別の独特の特徴は、本装置は、タンク中の液体が加熱されたときプラ グの内面３９で形成するフィルムや凝固物に対して比較的感応せず、また液体よ り上方のベッドスペースあるいは液の目減りによる空間の蒸気による「霧」に対 しても比較的に感応しない。

第２の実施例（第８図−第１１図） さて第８図および第１０図を参照すれば、全体的に６５で指示する第２の、屈折 形式の光学的液位センサが、適当な液体を入れたタンク（完全に示していない） の側壁６８に装着した逆子字形中空本体６６を含むものとして概略図示されてい る。前記本体は、水平方向に細長い中央部分６９と、この中央部分をタンクの内 側と連通させる直立の管状首部分７０とを含む特殊形状の部材として示されてい る。本体の中央部分はそれぞれ環状の垂直方向の左右端面７１．７２と、その間 を延びる外方に面した水平方向円筒形の面３４とを有する。中央部分はまた、環 状垂直方向の左右端面７４．７５と、その間を延びる内方に面し水平方向円筒形 の面７６とにより画成される内側の長手方向凹みを有する。首部分７０は中央部 分６９をタンクの壁６８に接続し、かつ中央部分の凹みをタンクの内部と連通さ せる薄肉の円筒形チューブとして示されている。軸線方向内方かつ左方に面する 切頭円錐形面７７が面７１．７４の間を延び、適当な光源Ｅと連通ずる光ファイ バ７９の、全体的に７８で示す端部取付具を受は入れ収容する。軸線方向内方か つ右方に面する切頭円錐形面８０は面７２．７４の間を延び、適当な一次光線検 出器ＤＩと連通ずる別の光ファイバ８２の、全体的に８１で示す、端部取付具を 受は入れ、かつ収容する。一対の軸線方向に隔置した左右の垂直方向のディスク 状窓８３．８４がそれらの周囲でくぼんだ内面７６にシールされて固定され、か つ中央部分の凹みを「乾」左方室８５、「湿」中間室８６および「乾」右方室８ ８に分割するように位置している。

左方室８５には分出する光線を受は取るよう規準レンズ８９が位置しており、該 光線の展開はその送入ファイバ７９を離れ、第１の窓８３を通して垂直方向に通 るものとして点線で示されている。プリズム要素９０が「湿」室８６に作動配置 されている。特に、要素９０は窓８３に当接する左方に面した垂直方向円形の面 を有し、中央部分の内面７６に当接する円筒形の周面を有し、かつ前記中央部分 の長手方向軸線に対して約４５度の鋭角の総合角度で配置された、長円形の平坦 な垂直面９１を有する。集光レンズ９２が「乾」室８８内に作動配置され、第２ の窓８４を通る光線をファイバ８２の入口端に向かって導く。別の横方向の窓、 即ち第３の窓９３が「乾」室８８の側壁を貫通して設けられ、ファイバ９４を介 して二次光線検出器Ｄ２と連通ずる。全体のセンサ本体は使用流体による化学的 腐食に耐えるのに適した材料から形成されている。従って、前述した例において 、センサ本体は押出しあるいは成形のいずれかのテフロンＰＦＡで形成すればよ い。８３．８４および９３は光学的により透明な成形テフロンＰＦＡから形成す るのが好ましい。

このように、前記窓は、もし同じ材料で作られるのであれば、本体と一体に形成 するか、あるいは別々に形成し、溶着あるいは接着により本体に適当に固定すれ ばよい。

レンズ８９．９２は、それぞれ、「乾」室８５．８Ｂに位置するので、従ってガ ラス等で形成すればよい。プリズム要素９０は使用流体に露出されるので、成形 テフロンＰＦＡから形成することが好ましい。使用流体が非腐食性であれば、本 体６６は凹みへ入ってくる浮遊光線の量を最小にするために不透明であることが 好ましいいずれか適当なプラスチックから形成すればよい。

進入してくるファイバ７９からセンサ本体へ入る光線はレンズ８９で集められ、 窓８３を通して垂直方向に通ってプリズム要素９１へ入る。センサ本体が第８図 および第９図に示すように液位より上にあり、そのため中間室８６が概ね空気で 充たされているとすれば、プリズム要素９０を通過する光線は該要素９０から離 れる方向に下方かつ左方へ要素の面９１で屈折され集光レンズ９２と横方向の窓 ９３とを通ってファイバ９４へ入り、二次検出器Ｄ２に向って導かれる。

第１０図と第１１図とは「湿」中間室が液体で概ね充たされた状態を示す。水の 屈折率（即ち、η水＝１．３３）は概ねテフロンＰＦＡの屈折率（即ちηテ、。

、ＰＦＡ＝１．３５）と同じである。従って、前記中間室８６が概ね液中に沈む と、面９１から液中への屈折角は概ね入射角θ、と同じで、集光レンズ９２を■ 通る光線はファイバ８２に向かって導かれ一次検出器Ｄ１まで伝達する。もし「 湿」室８６が極部分的に液体で充たされているとすれば、液面より下の光線は第 ２の窓に向かって屈折され、一方液面より上の光線は横窓に向かって屈折される 。

各検出器は、受は取った光信号の強度を測定して、好ましくはアナログ電気信号 を発生させる。このように、−次検出器ＤＩにより発生した「低」信号はレンズ の面９１が液位より上方にあることを示し、「高」信号は前記面が液位より下方 にあることを示し、「中間」の信号はレンズ面が極部分的に水につかっているこ とを示す。

逆に、二次検出器Ｄ２が発生する「高」信号はレンズの面９１が液位より上方に あることを示し、「低」信号はレンズの面が液中に沈んでいることを示し、「中 間」信号はレンズの面が極一部液中につかっていることを示す。

各検出器の出力信号は適当に較正すればよい。第１の実施例のように、−次およ び二次検出器が受取った信号は、電気用語で云うＯＲゲートのように、相互に協 働、かつ関連して使用され、光路の光学的一貫性をモニタする。

第３の実施例（第１２図−第１５図） さて第１２図および第１４図を参照すれば、全体的に１００で指示する第３の吸 収型光学的液位センサが、これも６８で示すタンクの側壁に取り付けられた本体 ６６′を含むものとして概略図示されている。本体６６′は、プリズムレンズ９ ０、第３の窓９３、ファイバ９４および二次検出器Ｄ２を全て省略した以外は第 ２の実施例の本体６６′　と概ね同一である。それ以外は、本体６６′は本体６ ６と同じであり、前述した対応する部分あるいは面を示すために同じ参照番号に プライム記号を付したものを使用している。

しかしながら、第１と第２の実施例は、液位が第１の窓にある検出点より上方か 下方かによって第２と第３の窓の間で光線が選択的に屈折するようにしたが、第 ３の実施例は屈折の原理では作動しない。むしろ、そこを通過する光スペクトル の赤外線領域および赤外線に近い領域における特定の波長をある種の液体、顕著 な例としては水および酸が吸収するという原理に基づいて作動する。

第１２図はセンサ本体が液面より上方にあり、中間室８６′が空気で充たされて いる状況を示す。従って、光源Ｅからの光線はファイバ１９′及び固定具７８′ を介して「乾」室８５′中−・伝達される。規準レンズ８９′が固定具８９′を 出る分出光線を直角（即ち垂直）に第１の窓８３′を通って中間室８６′へ入る ようにさせる。

前記の光線は室８６′内の空気を通過し、かつ第２の窓８４′を通る。レンズ９ ２′は受は取った光線を固定具８１′の受取り端に向かって集中させ、前記固定 具はファイバ８２′を介して検出器りと連通ずる。この検出器は、受は取られた 特定の波長における光線の強度の関数として電気出力信号を発生するように配置 されている。

この信号の大きさは、前記波長における光線が光源Ｅから検出器りまでの光路に おいてどの程度吸収されたかを示す。

第１４図は、センサの中間室８６′が概ね液体で充たされている状態を示す。空 気と異なり、液体は光線が通過せざるをえない流体の長さの関数として特定の波 長で光線を吸収する。従って、第１の窓８３′を通る光源Ｅからの光路は前述も のと同じであり、室８６′へ入る前記光線の強度は液中を通るにつれて徐々に減 衰するものとして示される。第２の窓８４′から検出器までの光路は第１２図の 場合と同じである。

このように、この形式のものは光線が液中を通るにつれて、光線が特定の波長で 選択的に吸収されるという原理に基づいて作動する。従って、検出器により検出 される前記波長の光線の強度は、中間室８６′が液面の上方にあるか下方にある かを示すことができる。前記波長における単位長さ！当りの強度の損失は以下の ように表現できる。

（７）　　　ｄＢ／／＝（２０／Ｌ）ｌｏｇ（Ｖ、／Ｖ、）ｄ　Ｂ／／は単位長 さ当りの（デシベルで表わした）前記波長における強度の損失を示し、Ｌは窓（ ８３’、８４′の間の中間室８６′の軸線方向長さであり、ｖｄは前記室８６′ が液面より上方にあるとき（即ち「乾」のとき）検出器が発生する信号で、■　 は前記室８６′が液体で一杯のとき（即ち「湿」のとき）検出器が発生する信号 である。

修正形態 本発明は多様な変更や修正が可能なものと企図している。

たとえば、プラグおよび（または）本体はいずれか適当な材料で形成できる。光 源は典型的にはレーザダイオード、ＬＥＤ等でよい。もし使用流体が従来の光学 的材料（例えばガラス、サファイヤ等）を腐食させるものであるとすれば、プラ グおよび（または）本体は、フッ化水素酸あるいは硫酸の場合、テフロンＰＦＡ のような化学的腐食に対して概ね感応しないいずれかの適当な材料から形成すれ ばよい。本発明による方法と装置とは、例えば硝酸（ＨＮＯ３）　、硫酸（Ｈ２ Ｓ０４）、りん酸（Ｈ３ＰＯ３）、フッ化水素酸（ＨＦ）バッファしたフッ化水 素酸（ＮＨ，Ｆ）苛性カリ（ＫＯＨ）等の腐食性流体との使用に限定されるので はなく、広範囲の種類のその他の液体および（または）ガスと共に使用しうる。

このように、本発明の原理を空気および水に関して述べてきたが、これらの流体 は単なる例示であることを明確に理解すべきである。

第１図から第１１図までに示す屈折タイプのセンサのプラグは勿論光線が各種の 窓を介してプラグの凹みへ入り、かつそこから出ていくことができるよう透明あ るいは少なくとも半透明にすべきである。しかしながら、本体自体はいずれか適 当な材料で形成でき、かつ浮遊した外からの光がプラグの凹みへ進入するのを最 小にするため不透明とすればよい。

本体の凹みは必ずしも内方に向いた円筒形面で画成する必要はない。前記面は、 窓が相互に関連して適当に位置している限りは希望に応じて半円筒形でよく、あ るいはその他の何らかの回転面、多角形面あるいは部分的に円弧状部分的に多角 形の面から形成できる。最低、１個の検出器を採用して受は取った光線の強度を 測定する必要がある。もっとも２個の検出器の方が、いずれかが発生した信号の 対比や確証上好ましいが、付随する電子要素（図示せず）が希望に応じて光路を 連続的、間欠的あるいは散発的にモニタできるようにする。

希望に応じて面９１は、照面が空気に対して露出されたとき、適当に置き直した 横方向窓９３に向かってレンズ９０へ入る光線の全てが内反射するように空気に 対して、臨界角あるいはそれより大きい角度で特に傾斜させてもよい。「臨界角 」とは「全白反射」現象が発生する角度のことである。前記「臨界角」は以下の 式により計算できる。

（８）　　　ｓｉｎ　θ　＝（η　／η　）ｔ　　　　　　　　１　　　　　　 ｐ η　とη　とは空気およびプリズム要素材の屈折率であ朧　　　　　ｐ る。このように、もし、要素９０がテフロンＰＦＡ　（即ちη＝１．３５）で形 成されるとすれば、空気に対するこの材料の「臨界角」は約４８度である。水に 対するテフロンＰＦＡの「臨界角」は約８０度である。従って、もし要素の面９ １が空気および水に対するテフロンＰＦＡの「臨界角」である４８度と８０度と の間であれば、要素９０へ入る全ての光線は、前記要素の面９１が空気に露出さ れると横方向窓９３に向かって要素で内反射されるが、水に露出されると第２の 窓８４、レンズ９２および外へ出ていくファイバ８２の光線受は取り端に向かっ て屈折される。このように、屈折形式の第２の実施例は、プリズム要素が、中間 室８６が、ガスで充たされたとき、希望に応じて屈折原理、あるいは「全白反射 」原理のいずれかを用いるよう形成しうろことを企図している。屈折形式の実施 例の代案としての「全白反射」を用いることは任意であり、面９１上の曇り、フ ィルム形成物等に敏感である。

吸収形式の第３の実施例においては液体は光源から放射された光線の特定の波長 を吸収できねばならず、かつ検出器は前記波長において受は取られた光線の強度 を測定できねばならない。

このように、本明細書で開示し、かつ請求している改良された屈折形式および吸 収形式の液位センサは、液体より上方のヘッドスペースにおける蒸気や霧の介在 、露出されたプローブチップ上のフィルムや凝固小滴の形成および流体の温度に 対する感応性を好ましい程度に低下できることが判る。屈折形式センサは屈折に 関して「全白反射」原理で作動するのでなく、受取り点までの特定の円弧距離に 沿っである量の流体を通して光線が屈折せねばならぬという原理に基づいて作動 する。また、吸収形式のセンサも、光線がある量の流体を通過せねばならぬとい う原理に基づいて作動する。従って、改良された装置は面を単に湿らせることと は対照的にある量へ流体の介在を必要とする。実際に、温度を上げると、吸収形 式のセンサは１００：１程度の湿／乾信号比を提供し、屈折形式のセンサは２０ ：１程度の湿／乾信号比を提供する。これらの値は、リン酸に対して前述のよう に温度を上げて、約３：１の信号比を提供した前記国際特許出願番号筒ＰＣＴ／ ＵＳ　　８８１００９０７号に開示の反射／屈折形式のものと対応すべきである 。

また、本発明の原理は本明細書に開示の特定の構造形態に限定されないことを理 解すべきである。例えば、もし直立した円筒形タンク即ち容器が、例えばテフロ ンＰＦＡのような適当な材料から形成されるとすれば、第１と第２の窓（並びに 任意に第３の窓も）は、光線がタンクを横切って、直径方向あるいは弦方向のい ずれかに向けられるように側壁に位置させるか、該側壁と一体に形成するか、あ るいは該側壁の一部とできる。従って、液位に応じて、前記光線は一次および二 次検出器まで伝達するように第２と第３の窓の間で選択的に屈折させればよい。

もし前記タンクが直立した長方形あるいは多角形の側壁を有しているとすれば、 光線は、隅部等を形成する２個の壁の間で、横方向方法にわたって、あるいは一 対角的併テ導くことができる。

従って、改良された光学的液位センサのある好適実施例を示し、かつ説明し、そ れらのある変更や修正につき述べてきたが、当該技術分野の専門家は以下の請求 の範囲に規定し、かつ区別している本発明の精神から逸脱することなく各種の付 加的な変更や修正が可能なことを直ちに認めるであろう。

補正書の翻訳文提出書　（ＲａｍＭ１８４条の７組組平成２年６月６日 １　、　特許圧１１１７）表示　ＰＣＴ／ｕｓ８１１１０３６８５３、特許出願 人 ウオルデン　アベニュー　２３００ 氏名（名称）　コナックス　バッファロウ　コーポレーション４、代理人 補正請求の範囲 （１９８９年６月１３日　国際特許局受領、元の請求の範囲第１項から第２５項 までを（３頁分の）補正請求の範囲第１項から第１３項までと置き換える。）１ 、容器内の液体の液位を検出する光学的液位センサにおいて、 光源と、 前記容器に装着された第１の窓と、 前記第１の窓を介して前記光源から前記容器へ光線を伝達する伝達手段と、 前記容器に装着した第２の窓と、 前記第２の窓を通過する光線の強度を測定するように作動配置された一次検出手 段と、 前記容器に装着した第３の窓と、 前記第３の窓を通過する光線の強度を測定するように作動配置された二次検出手 段と、 前記−次および二次検出手段により測定される光線の強度の関数として前記光源 および前記−次および二次検出手段との間の光路の一貫性をモニタする比較手段 とを含むことを特徴とする光学的液位センサ。

２、　請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記窓がテフロンＰＦＡ材で 形成されていることを特徴とする光学的液位センサ。

３、　請求の範囲第２項に記載のセンサにおいて、前記テフロンＰＦＡ材が成形 されることを特徴とする光学的液位センサ。

４、　請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記−次検出手段が、該手段 により受は取られた光線の強度の関数として一次電気信号を発生させるように配 置されていることを特徴とする光学的液位センサ。

５、　請求の範囲第４項に記載のセンサにおいて、前記二次検出手段が、該手段 により受は取られた光線の強度の関数として二次電気信号を発生させるように配 置されていることを特徴とする光学的液位センサ。

６、　請求の範囲第５項に記載のセンサにおいて、前記信号の各々の大きさは関 連の検出手段により受は取られた光線の強度に概ね比例していることを特徴とす る光学的液位センサ。

７、　請求の範囲第６項に記載のセンサにおいて、前記比較手段が、前記−次お よび二次電気信号の和の関数として光路の一貫性をモニタするように配置されて いることを特徴とする光学的液位センサ。

８、　請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記−次検出手段が、前記第 １の窓が前記液体中に沈んでいるとき、前記第１の窓を通して伝達される光線を 受は取る位置において前記容器に配設されていることを特徴とする光学的液位セ ンサ。

９、　　請求の範囲第８項に記載のセンサにおいて、前記二次検出手段が、前記 第１の窓が前記液体中に沈んでいないとき前記第１の窓を通して伝達される光線 を受は取る位置において前記容器に配置されていることを特徴とする光学的液位 センサ。

１０、　　　請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、特定の波長の前記光線 が前記液体により吸収されることを特徴とする光学的液位センサ。

＋１．　　請求の範囲第１０項に記載のセンサにおいて、前記−次および二次検 出手段が前記特定の波長における光線の強度を測定するように配設されているこ とを特徴とする光学的液位センサ。

１２、　　　容器に面する面を有し、また前記面に設けられ、そこを通って光線 が前記容器へ入ることができる第１の窓と、前記面に設けられ、そこを通って光 線が前記容器から出ていくことができる第２と第３の窓を有する容器であって、 前記第２と第３の窓が相互から隔置されている容器中の液体の液位を検出する方 法において、前記第１の窓を通して前記容器へ光線を伝達し、前記第１の窓が前 記液体中に沈むと、前記第１の窓を通して前記第２の窓まで光線を導き、 前記第１の窓が前記液中に沈んでいないと、前記第１の窓を通る光線を前記第３ の窓まで導き、前記第２の窓を通過する前記の導かれた光線の強度を測定し、 前記第３の窓を通る前記の導かれた光線の強度を測定し、 前記第２と第３の窓を通過する光線の測定された強度を比較する段階を含み、そ れにより 前記の測定された光線の強度の関数として前記窓の間の光路の一貫性を検出する ことを特徴とする液位を検出する方法。

１３、　　容器に面し、かつその液位を検出すべき特定の流体に露出するように された容器であって、前記面に位置し、それを通して光線が前記容器へ入ること ができる第１の窓と、前記面に位置し、かつそこを通って光線が前記容器から出 ていくことができる第２の窓とを有し、前記窓の間の光路が前記容器中の流体の 特性により影響されない容器中の液体の液位を検出する方法において、前記第１ の窓を通して前記容器中へ光線を伝達し、前記容器中の流体の関数として選定さ れた波長の前記光線を選択的に吸収し、 第２の窓を通して前記容器から光線を伝達し、前記の選定された波長において前 記第２の窓を通過する光線の強度を測定する段階を含み、それにより前記第１の 窓が前記容器中の液位の上方にあるか下方にあるかを示すことを特徴とする液位 を検出する方法。

国際調査報告

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．凹みと、前記凹みに面し、その液位を検出すべき特定の液体に露出するよう にされた面とを有するプラグであって、そこを通って光線が前記凹みへ入ること のできる第１の窓を前記面に位置させ、そこを通って光線が前記凹みから出てい くことのできる第２の窓を前記面に位置させ、前記第１の窓が前記液中に沈んで いるときのみ前記第１の窓を通って概ね軸方向に通る光線を受け取るように前記 第２の窓が前記第１の窓に関連して位置しているプラグと、 光源と、 前記光源から前記第１の窓を通して前記凹みへ光線を伝達する手段と、 前記第２の窓を通して前記凹みから出てくる光線を受け取る一次受取り手段とを 含み、それにより前記一次受取り手段により受け取られた光線の強度が前記第１ の窓が前記液体に沈んでいるか否かを指示することを特徴とする光学的液位セン サ。
2. ２．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記本体と窓とがテフロンＰＦ Ａ材料から形成されていることを特徴とする光学的液位センサ。
3. ３．請求の範囲第２項に記載のセンサにおいて、前記窓が成形されたテフロンＰ ＦＡ材料から形成されていることを特徴とする光学的液位センサ。
4. ４．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、さらに前記一次受取り手段によ り受け取られた光線の強度の関数として一次電気信号を発生させる一次検出器を 含むことを特徴とする光学的液位センサ。
5. ５．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記液体の面より上方の空間が ガスによって占められていることを特徴とする光学的液位センサ。
6. ６．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記本体が、前記第１の窓が前 記液体の面の上方にあるときのみ前記第１の窓を通過する光線を受け取るように 第３の窓を第１の窓に関連して前記面上に位置させており、さらにセンサが 前記第３の窓を通る光線を受け取る二次受取り手段を含み、それにより 前記二次受取り手段により受け取られた光線の強度が前記第１の窓が前記液体中 に沈んでいるか否かを示すことを特徴とする光学的液位センサ。
7. ７．請求の範囲第６項に記載のセンサにおいて、さらに 前記二次受取り手段により受け取られる光線の関数として二次電気信号を提供す る二次検出器を含むことを特徴とする光学的液位センサ。
8. ８．請求の範囲第７項に記載のセンサにおいて、更に 一次および二次電気信号の関数としてセンサの光学的一貫性を検出する比較手段 を含むことを特徴とする光学的液位センサ。
9. ９．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記窓が前記液体の屈折率と概 ね同じ屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする光学的液位セン サ。
10. １０．請求の範囲第６項に記載のセンサにおいて、さらに、前記液体に露出され ていない場合前記第２の窓に向かって光線を導くように前記第１の窓に隣接して 前記凹みに配設されているプリズム要素を含むことを特徴とする光学的液位セン サ。
11. １１．請求の範囲第１０項に記載のセンサにおいて、前記凹み中の流体に露出さ れる前記プリズム要素の面に入射する光線の入射角は、前記液体より上方の流体 に対する臨界角より大きく、そのため前記要素の面が前記流体に露出されると光 線が前記要素の内部で反射されることを特徴とする光学的液位センサ。
12. １２．請求の範囲第１１項に記載のセンサにおいて、前記要素の面に入射する光 線の入射角が、前記液体に対する臨界角より小さいことによって、前記要素の面 が前記液体に沈んでいるとき光線が前記液体に屈折されることを特徴とする光学 的液位センサ。
13. １３．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、前記本体の面が回転面である ことを特徴とする光学的液位センサ。
14. １４．請求の範囲第１３項に記載のセンサにおいて、前記面が円筒形であること を特徴とする光学的液位センサ。
15. １５．請求の範囲第６項に記載のセンサにおいて、前記第３の窓が前記凹みの側 面に位置し、前記第２の窓が前記凹みの端面に位置していることを特徴とする光 学的液位センサ。
16. １６．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、特定の波長において光線が前 記液体によって吸収されることを特徴とする光学的液位センサ。
17. １７．請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、光線が前記凹み中の流体によ り前記第２の窓に対して選択的に屈折されることを特徴とする光学的液位センサ 。
18. １８．凹みと、前記凹みへ面し、その液位を検出すべき特定の液体に露出するよ うにされた面とを有するプラグであって、前記面に位置され、そこを通うて光線 が前記凹みへ入りうる第１の窓と、前記面に位置され、そこを通って光線が前記 凹みから出ていくことが可能な第２の窓とを有し、前記の第１の窓が前記液体中 に沈んでいるときのみ前記第１の窓を軸線方向に通過する光線を受けとるように 前記第１の窓に関連して前記第２の窓が位置しているプラグにおける液体の液位 を検出する方法において、 前記第１の窓を通して前記凹みの光線を伝達し、前記第１の窓が前記液体中に沈 んでいるときのみ光線を前記第２の窓を通して屈折させ、 前記第２の窓を通る光線の強度を測定する段階を含み、それにより 前記第１の窓が前記液体の面より上方にあるか下方にあるかを検出することを特 徴とする液位を検出する方法。
19. １９．凹みと、前記凹みに面し、その液位を検出すべき特定の流体に露出するよ うにされた面を有するプラグであって、前記面に位置し、かつそこを通って光線 が前記凹みへ入りうる第１の窓と、前記面に位置し、かつそこを通って光線が前 記凹みから出ていくことができる第２の窓とを有し、前記液体中に前記第１の窓 が沈んでいるときのみ前記第１の窓を通過する光線を受け取るように前記第２の 窓が前記第１の窓に関連して位置、かつ配置されており、前記プラグが前記面に 位置し、かつそこを通って液体が前記凹みから出ていくことができる第３の窓を 有し、前記第３の窓が、前記第１の窓が前記液体中に沈んでいないとき前記第１ の窓を通過する光線を受けとるように前記第１の窓に関連して位置かつ配置され ているプラグ中の液体の液位を検出する方法において、前記第１の窓を通して前 記凹みへ光線を伝達し、前記第１の窓が前記液体中に沈んでいると、前記第１の 窓から前記第２の窓に向かって光線を屈折させ、前記第１の窓が前記液中に沈ん でいないとき前記第１の窓から前記第３の窓に向かって光線を屈折させ、前記窓 の少なくとも一方を通過する光線の強度を測定する段階を含むことによって、 前記第１の窓が前記液体の面より上方にあるか、下方にあるかを示すことを特徴 とする液位を検出する方法。
20. ２０．請求の範囲第１９項に記載の方法において、さらに、 前記第２の窓を通る光線の強度を測定し、前記第３の窓を通過する光線の強度を 測定し、前記第２と第３の窓を通過する光線の強度を比較する付加的な段階を含 むことを特徴とする液位を検出する方法。
21. ２１．前記凹みに面し、その液位を検出すべき特定の液体に露出するようにされ た面を有するプラグであって、前記面に位置し、かつそこを通って光線が前記凹 みへ入ることができる第１の窓と、そこを通って光線が前記凹みから出ていくこ とができる第２の窓とを有し、前記窓の間の光路が前記凹み内の流体の特性によ り影響を受けないプラグの凹みにおける液体の液位を検出する方法において、 前記第１の窓を通して前記凹みへ光線を伝達し、前記凹み中の液体の液位の関数 として前記光線の選定された波長を選択的に吸収し、 前記凹みから前記第２の窓を通して光線を伝達し、前記の選定された波長におい て前記第２の窓を通過する光線の強度を測定する段階とを含み、それにより前記 の測定された光線の強度の関数として前記凹みにおける液体の液位を示すことを 特徴とする液位を検出する方法。
22. ２２．容器に面した面を有し、また前記面に位置しそこを通って光線が前記容器 へ入ることができる第１の窓と、前記面に位置しそこを通って光線が前記容器か ら出ていくことができる第２の窓を有する容器における液体の液位を検出する方 法において、 前記第１の窓を通して前記容器へ光線を伝達し、前記第１の窓が通前記容中に沈 んでいるときのみ前記第２の窓を通過するように前記容器中に液体を屈折させ、 前記第２の窓を通る光線の強度を測定する段階を含み、それにより前記第１の窓 が前記液体の面の上方にあるか下方にあるかを検出することを特徴とする液位を 検出する方法。
23. ２３．容器に面し、かつその液位を検出べき特定の液体に露出するようにされた 面を有し、前記面に位置しそこを通って光線が前記容器へ入ることができる第１ の窓と、前記の面に位置し、そこを通って液体が前記凹みから出ていくことがで きる第２と第３の窓とを有する容器であって、前記第２の窓は前記第１の窓を通 り、液体により屈折される光線を受け取るよう前記第１の窓に関連して位置かつ 配置されており、前記第３の窓は前記第１の窓を通り、かつ前記液体より上方の 流体により屈折される光線を受け取るように前記第１の窓に関連して位置かつ配 置されしている容器中の液体の液位を検出する方法において、 前記第１の窓を通して光線を前記容器へ伝達し、前記第１の窓が前記液体中に沈 んでいると前記第１の窓から前記第２の窓に向って光線を屈折させ、前記第１の 窓が前記液体の液位より上方にあるとき前記第１の窓から前記第３の窓に向かっ て光線を屈折させ、前記第２および第３の窓の少なくとも一方を通過する光線の 強度を測定する段階を含み、それにより前記第１の窓が前記液体の面の上方にあ るか下方にあるかを示すことを特徴とする液位を検出する方法。
24. ２４．請求の範囲第２３項に記載の方法において、さらに 前記第２の窓を通過する光線の強度を測定し、前記第３の窓を通過する光線の強 度を測定し、前記第２と第３の窓を通過する光線の強度を比較する付加的な段階 をさらに含むことを特徴とする液位を検出する方法。
25. ２５．容器に面し、その液位を検出すべき特定の液体に露出するようにされた面 を有する容器であって、前記面に位置し、そこを通って光線が前記容器へ入るこ とができる第１の窓と、そこを通って光線が前記容器から出ていくことができる 第２の窓を有し、前記窓の間の光路が前記容器中の流体の特性により影響を受け ない、容器中の液体の液位を検出する方法において、前記第１の窓を通して光線 を前記容器へ伝達し、前記凹みにおける流体の関数として選定した波長の前記光 線を選択的に吸収し、 前記第２の窓を通して前記凹みから光線を伝達し、前記の選定した波長における 前記第２の窓を通過する光線の強度を測定する段階を含み、それにより前記第１ の窓が前記容器中に液体の液位の上方であるか、下方であるかを示すことを特徴 とする液位を検出する方法。