JP2001194210A - 超音波液位計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液位測定の精度（分解能）の向上。 【解決手段】 液槽外壁面に２つの探触子５，６が取り
付けられている。上方の探触子５から液層１内に向けて
送信された超音波パルスが、液層壁内で多重反射を行っ
た後の遅れ時間を有するエコーパルスとして、下方の探
触子６に受信されるようになっている。受信したエコー
パルスの信号強度を、その遅れ時間毎に分離して検出す
る信号検出手段９が設けられている。また、信号検出手
段９によって検出された信号強度と遅れ時間とに基づい
て、両探触子５，６の取付位置に対する液槽１内部の液
位を換算する液位換算手段１０が設けられている。この
液位換算手段１０は、超音波パルスが液層壁内で多重反
射する際に縦波と横波とのモード変換を伴う場合を考慮
して液位の換算を行うように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば原子炉圧力
容器等の液槽内の液位を超音波を用いて液槽外部から計
測するための超音波液位計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子炉圧力容器等の液槽内の液位
を液槽外部から計測するための超音波液位計測装置とし
ては、液位が一定位置に対して上か下かを判別する強度
スイッチ方式のものがある。このような強度スイッチ方
式の技術として、液槽外壁面に設置した探触子からの超
音波送受信により液槽内の液相の有無を判断するものが
米国にて特許化されている（Siemens社：米国特許Ｎｏ.
４,９３４,１９１）。

【０００３】これは、液槽内に測定対象である液体がな
い場合には、液中に超音波が漏洩しないので、超音波の
反射エコー強度の減少が少ないが、液体がある場合に
は、水中に超音波が漏洩するため、反射エコー強度が減
少することを利用したものである。

【０００４】即ち、図４において、液槽１の内壁面１ｂ
が気相Ａに面している場合は、探触子ＳＥ１から液槽１
の壁材中に送信された超音波入射波Ｓ１は、壁材と気相
Ａとの音響インピーダンスの相違から、殆どの超音波が
反射する。従って、図５（ａ）に示すように、入射波Ｓ
１とほぼ同等のピーク値を有する反射波Ｓ２が探触子Ｓ
Ｅ１に戻ってくる。

【０００５】一方、液槽１の内壁面１ｂが液相Ｂに面し
ている場合は、探触子ＳＥ２から液槽１の壁材中に送信
された超音波入射波Ｓ３は、壁材と液相Ｂとの音響イン
ピーダンスの相違が気相Ａの場合より小さく、超音波が
液相Ｂ内に漏洩波Ｓ５として一部漏洩しする。このた
め、図５（ｂ）に示すように、入射波Ｓ３よりも低いピ
ーク値を有する反射波Ｓ４が探触子ＳＥ２に戻ってく
る。

【０００６】このように、超音波による強度スイッチ方
式は、気相部Ａと液相部Ｂに対する超音波の反射波ピー
ク値の相違から超音波探触子の正面における液槽１内の
液体の有無を検出する方式である。この場合、図４にお
いて、両探触子ＳＥ１，ＳＥ２の取り付け位置同士の間
に液位（液面Ｃの高さ）が位置している、という情報が
得られることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな強度スイッチ方式の液位計測では、隣り合う探触子
同士の取り付け間隔に応じた離散的な液位情報しか得ら
れず、精度の高い液位情報が得られない。また、探触子
における送信手段から１方向に送信された超音波に対す
る多重反射を受信することで液相の有無を判断している
ので、超音波送信方向に応じた位置で受信できるよう
に、探触子における受信手段を設置する必要がある。こ
のため、例えば原子炉の制御信号として用いる液位情報
を提供するには不十分である。

【０００８】本発明は、以上のような点を考慮してなさ
れたものであり、超音波の送受信手段（探触子）の設置
間隔に対してより細かい精度で、または、より少ない送
受信手段（探触子）の数で広い範囲の液位測定を行える
ような超音波液位計測装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の手段は、液槽外壁
面に取り付けられ、液層内に向けて超音波パルスを送信
するための送信手段と、液槽外壁面に、前記送信手段と
は垂直方向に間隔を置いて取り付けられ、前記送信手段
により送信された超音波パルスを、液層壁内で多重反射
を行った後の遅れ時間を有するエコーパルスとして受信
するための受信手段と、この受信手段が受信したエコー
パルスの信号強度を、その遅れ時間毎に分離して検出す
る信号検出手段と、この信号検出手段によって検出され
た信号強度と遅れ時間とに基づいて、前記送信手段およ
び前記受信手段の取付位置に対する液槽内部の液位を換
算する液位換算手段とを備えると共に、前記液位換算手
段は、前記超音波パルスが液層壁内で多重反射する際に
縦波と横波とのモード変換を伴う場合を考慮して液位の
換算を行うように構成されている、ことを特徴とする超
音波液位計測装置である。

【００１０】この第１の手段によれば、送信手段と受信
手段と間での超音波反射位置と液位との相対的関係によ
って、液相内壁面から液相に漏洩する超音波強度が変化
し、これに伴って、受信手段で受信される超音波エコー
パルスの信号強度も変化する。このことにより、信号検
出手段において、受信手段で受信された特定の遅れ時間
を有するエコーパルスの信号強度に基づいて、送信手段
および受信手段の取付位置に対する液位を換算すること
ができる。

【００１１】この場合、信号検出手段は、モード変換を
考慮することで、超音波パルスが縦波または横波のみで
伝播する場合のみならず、横波と縦波が混在した複雑な
伝播を行う場合も対象として液位を換算することにな
る。このような横波と縦波が混在した超音波の伝播で
は、縦波または横波のみの場合よりも反射位置の間隔が
狭くなる。このことにより、モード変換を考慮せずに縦
波または横波だけを対象とした場合に比べて、液位測定
の分解能を大幅に向上させることができる。

【００１２】具体的には、液位換算手段を以下の第２ま
たは第３の手段のように構成することができる。

【００１３】第２の手段は上記第１の手段において、前
記液位換算手段は、ある遅れ時間を有するエコーパルス
について、予め信号強度の基準値を設定し、この基準値
に対する、前記信号検出手段によって検出された信号強
度の割合から減衰率を求め、当該エコーパルスの多重反
射回数に対して、液層内壁における界面状態およびモー
ド変換の状態による反射率の違いと、前記減衰率とに基
づいて、液相−壁材界面での反射回数と気相−内壁界面
での反射回数とを計算し、当該エコーパルスの全反射回
数に対する、液相−壁材界面または気相−壁材界面での
反射回数から、前記送信手段および受信手段の取付位置
に対する液位を、当該エコーパルスにおける特定の反射
位置同士の間の区間的な相対位置として決定するように
構成されているものである。

【００１４】第３の手段は上記第２の手段において、前
記液位換算手段は更に、異なる遅れ時間を有する複数の
エコーパルスについて、各エコーパルス毎に決定された
前記区間的な相対位置の情報を組み合わせることによ
り、液層内の液位を換算するように構成されているもの
である。

【００１５】この第３の手段によれば、第２の手段にお
いて、液位測定の分解能をより一層向上させることがで
きる。

【００１６】第４の手段は上記第１の手段において、前
記液位換算手段は、特定の遅れ時間範囲内にあるエコー
パルス信号の加算値に基づいて、液槽内部の液位を換算
するように構成されているものである。

【００１７】第５の手段は、上記第１乃至第４のいずれ
かの手段において、前記液位換算手段によって換算され
た液位を出力する液位出力手段を更に備えたものであ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明に
よる超音波液位計測装置の実施の形態について説明す
る。図１乃至図３は、本発明による超音波液位計測装置
の実施の形態を説明するための図である。

【００１９】［全体構成］まず図１は、本実施形態の超
音波液位計測装置の全体構成を示すブロック図である。
図１において、液体を貯蔵した（例えば炭素鋼製の）液
槽１の外壁面１ａに、複数（図１では２つ）の超音波探
触子５，６が取り付けられている。そのうち上方の超音
波探触子（送信手段）５は、超音波発信装置７に接続さ
れ、液槽１内に向けて超音波パルスを送信できるように
構成されている。具体的には、超音波発信装置７から発
せられた電気信号が超音波パルスに変換され、探触子５
から液槽１内に向けて送信されるようになっている。

【００２０】探触子５から液槽１内に向かって送信され
た超音波は、例えば矢印１２で示す音線のように伝播す
る。すなわち、送信された超音波は液槽内壁面１ｂにて
反射し、その反射波は再び液槽外壁面１ａに到達し、さ
らに反射を繰り返す（図１では探触子５，６間で１回だ
け反射する場合が示されている）。

【００２１】上記探触子５より下方に位置する超音波探
触子（受信手段）６は、超音波受信装置８に接続され、
上記のように反射した超音波パルスをエコーパルスとし
て受信するように構成されている。具体的には、探触子
６に入射したエコーパルスが、超音波受信装置８で受信
強度に応じた強度の電気信号に変換されるようになって
いる。

【００２２】この超音波受信装置８には順次、信号検出
手段９、液位換算手段１０および液位出力手段１１が接
続されている。信号検出手段９は、超音波受信装置８が
変換したエコーパルスの信号強度を、その遅れ時間毎に
分離して検出するように構成されている。ここで、「遅
れ時間」は、超音波パルスが発信されてからエコーパル
スとして受信されるまでの時間であり、液相壁内での超
音波の速度と伝播経路長によって決まる。

【００２３】また、液位換算手段１０は、信号検出手段
９によって検出された信号強度と遅れ時間とに基づい
て、探触子５および６の取付位置に対する液槽１内部の
液位（気相Ａと液相Ｂとの界面である液面Ｃの位置）を
換算するように構成されている。そして、液位出力手段
１１は、液位換算手段１０によって換算された液位を、
例えば数値表示、あるいは液槽高さに対する相対的な高
さの表示等の形で出力するように構成されている。

【００２４】ここで、液槽内壁面での超音波の反射にお
いては、材料界面に超音波が入射すると、反射波・屈折
波として縦波、横波の２種類が発生することが知られて
いる。この場合、入射波と同じ種類の反射波は入射角と
等しい反射角で反射する。これに対して、異なる種類の
反射波については、音速と入射角・反射角の間に以下の
関係（Snellの法則）が成り立つことが知られている。 ｖ₁／sinθ＝ｖ₂／sinψ …（１） ただし、 ｖ₁：縦（横）波音速 ｖ₂：横（縦）波音速 θ：入射角 ψ：反射角 このような縦波−横波変換現象をモード変換と呼ぶ。そ
して、多重反射の過程でモード変換が発生すると、入射
角と反射角の異なる反射が起こる。液槽壁を構成する固
体中では通常、縦波音速が横波音速より速いことを考慮
すると、上記（１）式より、縦波入射（反射）角に対し
て横波反射（入射）角が常に小さくなることがわかる。
そして、超音波の反射がこのような現象を伴って両壁面
１ａ，１ｂ間で繰り返されることになる。

【００２５】このような反射が繰り返されるときに、反
射面が液相Ｂに接している場合には、液相Ｂ中に伝播す
る屈折率が気相Ａ中に伝播する屈折率に比べて大きいた
め、超音波の反射率が低下する。そして、探触子５から
送信された超音波パルスは、その送信角度によって、探
触子５，６間の異なる位置での多重反射を経て、他方の
探触子６で受信される。

【００２６】このときの受信エコーパルスの強度低下の
度合いから、多重反射の間に液相Ｂに接した面で反射し
た回数と、気相Ａに接した面で反射した回数とが決定さ
れる。すなわち、送信側の探触子５と受信側の探触子６
との間に位置する気相Ａと液相Ｂとの界面（液面）Ｃの
位置が、多重反射した超音波エコーパルスの受信強度変
化と対応するようになっている。

【００２７】そして、異なる経路を伝播した（従って異
なる遅れ時間を有する）複数の超音波エコーパルスから
得られる液相Ｂ下での反射回数の情報を総合すること
で、探触子５および６の取付位置に対する液槽１内部の
液位が求められる。

【００２８】すなわち、受信されたエコーパルス信号
は、その反射回数、伝播距離、伝播速度、モード変換の
回数などに応じて、例えば図３に示すように、それぞれ
異なる強度と遅れ時間とを有した複数のエコーピークと
して表れる。そこで、信号検出手段９は、上述したよう
に、互いに異なるエコーパルスの信号強度を、その遅れ
時間毎に分離して検出するように構成されている。例え
ば、図３における縦波伝播のエコー３１とモード変換伝
播のエコー３２のように、各伝播過程毎のエコーパルス
信号強度の分離・検出（識別）が可能である。

【００２９】［モード変換を考慮した場合の関係］ここ
で、縦波と横波が混在する場合、すなわち縦波−横波の
モード変換を考慮した場合に成立する種々の関係につい
て、図２を参照して説明する。図２に示すように、超音
波探触子間隔をｄ、液槽壁厚さをＬとする。また、縦
波、横波の音速をそれぞれｖ₁、ｖ₂とし、ある点で反射
した縦波、横波の反射角をそれぞれθ、ψとする。

【００３０】まず、縦波と横波の関係として、上記
（１）式の関係が成立する。また、ある場所で超音波が
反射し、次の反射位置までの行路長が縦波と横波とで、
それぞれｌ₁、ｌ₂のとき、 ｌ₁＝Ｌ／cosθ，ｌ₂＝Ｌ／cosψ …（２） と表現できる。

【００３１】この（２）式から、ある反射位置から次の
反射位置までの縦波、横波の伝播時間τ₁、τ₂は、それ
ぞれ、 τ₁＝ｌ₁／ｖ₁＝Ｌ／ｖ₁cosθ，τ₂＝ｌ₂／ｖ₂＝Ｌ／ｖ₂cosψ …（３） となる。

【００３２】さて、液槽内壁面１ｂでの反射回数（多重
反射回数）がｎ回である場合、ある反射から次の反射ま
でを１つの行路とすると、液槽外壁面１ａでの反射を挟
んで、全行路数は２ｎである。この全行路数２ｎのう
ち、縦波伝播がｊ回、横波伝播がｋ回であるとすれば、 ２ｎ＝ｊ＋ｋ …（４） であり、送信から受信までの総伝播時間τについて以下
の（５）式が成立する。 τ＝ｊτ₁＋ｋτ₂＝ｊτ₁＋（２ｎ−ｊ）τ₂ …（５） 次に、探触子間隔ｄと、縦波入射角度θや反射回数ｎ，
ｊなどのと間に成りたつ関係を定式化すると以下の
（６）式のようになる。

【００３３】 ｄ＝ｊl₁sinθ＋(２ｎ−ｊ)l₂sinψ ＝ｊＬtanθ＋(２ｎ−ｊ)Ｌtanψ ＝Ｌ（ｊtanθ＋(２ｎ−ｊ)tan(sin^-1(ｖ₂sinθ／ｖ₁))） …（６） ただし、各変数の変域は以下の通りである。

【００３４】０≦ｎ≦Ｎ_max ０≦ｊ≦ｎ ０≦θ≦π／２ この場合、未知数はｎ，ｊ，θである。そこで、実測条
件におけるｄ，Ｌおよびｖ_１，ｖ_２が決まったとき、
（ｎ，ｊ）について成立する組み合わせを求め、その
（ｎ，ｊ）の組合せを元に、その時の制約条件に合致す
るようなθの値を逆算するような処理が必要となる。

【００３５】横波または縦波のみの場合にはｄ＝２ｎＬ
tanθという関係が成立するが、縦波と横波が混在する
場合の関係式（上記（６）式）は、これに比べて上記の
ような複雑な数値処理が必要とされる。

【００３６】反射回数と縦波による伝播経路、横波によ
る伝播経路および送信時の超音波入射角といったパラメ
ータにより送受信経路が決定されるだけでなく、横波、
縦波が混在する場合には、さらに送信から受信までの間
の各反射段階でのモード変換の発生の有無の組み合わせ
により、反射位置がそれぞれ異なるのである。

【００３７】一方、モード変換を考慮したときの超音波
反射位置の換算については、伝播時間の考慮だけでは不
十分である。縦波または横波のみでモード変換を考慮し
ない場合であれば、伝播時間と伝播経路とは１対１に対
応する。しかしながら、モード変換を加味すると、その
モード変換を伴う反射がどの位置で発生したかにより、
伝播時間が同じであっても伝播経路が異なる、という現
象が起こる。

【００３８】すなわち、探触子間隔ｄ、液槽壁厚さＬな
どの他に、多重反射回数ｎと縦波伝播回数ｊ（若しくは
横波伝播回数ｋ）が決まることで、初めて反射位置が定
められる。この場合、液槽内壁１ｂでのｎ回の反射のう
ちｉ回目の反射位置は、その反射位置までの（２ｉ−
１）回ある経路のうち、ｍ回が縦波伝播である、とすれ
ば、送信位置からｉ回目の反射位置までの高さの差は、 Ｄ_i＝ｍl₁sinθ＋（(２ｉ−１)−ｍ）l₂sinψ ＝ｊＬtanθ＋（(２ｉ−１)−ｍ）Ｌtanψ …（７） ただし、 ０≦ｍ≦ min（２ｎ−ｊ，２ｉ−１） ０≦ｉ≦ｎ である。この（７）式において、反射角θ，ψは多重反
射回数ｎおよび縦波伝播回数ｊの関数である。

【００３９】仮に、多重反射回数ｎと縦波伝播回数ｊが
一定の場合には、液位識別分解能の最小値ΔＤは、反射
角θ，ψの値毎に以下の（８）式のように求められる。 ΔＤ＝Ｌ（tanθ−Ｌtanψ） …（８） 図２には、上記のようなモード変換を考慮した場合に、
同じ多重反射回数であっても、モード変換の組み合わせ
によって反射位置の異なる様子が示されている。図２で
は、図１と同様に液槽外壁面１ａに取り付けた超音波探
触子５から超音波パルスを送信し、その多重反射のエコ
ーパルスを超音波探触子６で受信する構成となってい
る。

【００４０】図２において、超音波パルスの各伝播経路
が２４ａ〜２４ｍの音線で例示されている。このうち、
実線矢印の音線２４ａ，２４ｃ，２４ｆ，２４ｇ，２４
ｋ，２４ｍは縦波伝播を示し、破線矢印の音線２４ｂ，
２４ｄ，２４ｈ，２４ｊ，２４ｌは横波伝播を示してい
る。また、これらの伝播経路に対応する反射位置が２３
ａ〜２３ｊで示されている。この場合、両探触子５，６
間を繋ぐ各伝播経路中、それぞれ２箇所の反射位置でモ
ード変換が発生したものと仮定している。

【００４１】このようなモード変換を伴う多重反射にお
いては、Snellの法則（上記（１）式参照）から、横波
の反射角が縦波の反射角に比べ小さくなる。従って、同
じ反射回数の経路であっても、モード変換の発生位置に
よって途中の反射位置が変化し、図２に２３ｄ，２３
ｅ，２３ｆで示すように、液槽内壁面１ｂでの反射位置
に微妙なずれが生ずる。

【００４２】この場合、超音波反射位置の分解能、すな
わち液位分解能ΔＤは、上記（８）式の通りΔＤ＝Ｌ
（tanθ−tanψ）である。そして、このように同じ反射
回数、伝播時間でも異なる経路を辿るという現象は、縦
波または横波のみの超音波エコーの伝播過程では見られ
ないものであり、液位の変化に対してより高い分解能で
超音波エコーの受信強度が変化することになる。従っ
て、このようなモード変換現象の考慮により、縦波また
は横波のみの伝播を想定した場合に比べて、反射位置の
間隔が狭くなり、より細かい精度での液位測定が可能と
なる。

【００４３】なお、多重反射回数ｎの増大に伴ってθ、
ψはともに単調に減少し、上記（８）式における（tan
θ−tanψ）も単調に減少する。従って、多重反射回数
ｎを増やすほど液位分解能ΔＤが向上することになる。

【００４４】ここで、図２に示す場合に基づいて、具体
的な条件を仮定して液位分解能ΔＤを求めてみる。図２
では、多重反射回数ｎ＝３、縦波伝播回数ｊ＝４の場合
の伝播経路が示されているが、反射回数ｉ＝２に相当す
る内壁面１ｂでの反射位置が、モード変換の発生位置に
よって異なる（２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ）ことがわか
る。仮に、液槽壁厚さＬ＝１００ｍｍ、探触子間隔ｄ＝
１５０ｍｍ、縦波音速ｖ ₁＝５９５０ｍ／ｓ、横波音速
ｖ₂＝３２４０ｍ／ｓとすると、超音波入射角θ，ψ
は、それぞれθ＝１６.６°，ψ＝８.９°であり、伝播
時間τ＝１３３マイクロ秒である。（なお、ｎ＝３，ｊ
＝６の場合は、θ＝１４.０°，τ＝１０４マイクロ秒
である。）

【００４５】この時、超音波の伝播経路としては、図２
に示すような組み合わせが考えられるが、ｉ＝２に相当
する３つの反射位置２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ同士の間隔
は、上記（８）式よりそれぞれ、 ΔＤ＝１００（tan１６.６°−tan８.９°）＝１４.１
ｍｍ である。

【００４６】同様にして、ｎ＝５，ｊ＝８の場合の反射
角θ，ψおよび反射位置間隔ΔＤを求めると、それぞれ
θ＝９.４°，ψ＝５.１°でΔＤ＝７.６ｍｍとなり、
多重反射回数ｎの増加に伴って、反射位置間隔ΔＤは狭
くなり、従って液位識別分解能は増加する。

【００４７】一方、縦波または横波のみの反射における
反射位置間隔は、ｎ＝３のときでｄ／２ｎ＝１５０／６
＝２５ｍｍ、ｎ＝５のときでｄ／２ｎ＝１５０／１０＝
１５ｍｍである。従って、同じ多重反射回数ｎであれ
ば、モード変換を考慮した効果として、より高い（この
場合は約２倍の）分解能が達成されている。

【００４８】［液位換算手段における処理］次に、上記
液位換算手段１０における具体的な処理内容について説
明する。まず、ある特定の遅れ時間を有するエコーパル
スに関して説明する。液位換算手段１０においては、特
定の遅れ時間を有するエコーパルスについて、予め実験
等によって得られた信号強度（強度）の基準値が設定さ
れている。そして、この基準値に対する、上記信号検出
手段９によって検出された信号強度の割合から、液位測
定時のエコーパルスの減衰率が求められる。

【００４９】次に、当該エコーパルスの多重反射回数ｎ
に対して、液層内壁１ｂにおける界面状態（液相または
気相）およびモード変換の状態による反射率の違いと、
上記減衰率とに基づいて、「液相−壁材界面での反射回
数」と「気相−内壁界面での反射回数」とが計算され
る。

【００５０】そして、当該エコーパルスの全反射回数ｎ
に対する、「液相−壁材界面または気相−壁材界面での
反射回数」から、両探触子５，６の取付位置に対する液
位が、当該エコーパルスにおける特定の反射位置同士の
間の区間的な相対位置として決定される。この場合、反
射位置の高さは上記（７）式によって求められる。

【００５１】例えば、図２において「気相−内壁界面で
の反射回数」が２回（「液相−内壁界面での反射回数」
が３回）である場合は、反射位置２３ｄ−２３ｅ間に液
面Ｃがあることになる。

【００５２】以上のようにして、ある特定の遅れ時間を
有するエコーパルスに基づく液位測定が行われるが、液
位換算手段１０は更に、異なる遅れ時間を有する複数の
エコーパルスについて同様の処理を行う。そして、各エ
コーパルス毎に決定された上記区間的な相対位置の情報
を組み合わせることにより、液層１内のより詳細な液位
を換算するようになっている。

【００５３】ここで、上記の「液相−壁材界面での反射
回数」と「気相−内壁界面での反射回数」との計算は、
具体的には以下に説明するような（９）式に基づいて行
われる。

【００５４】今、２つの超音波探触子５，６間に液面Ｃ
があり、多重反射回数ｎと縦波伝播回数ｊで規定される
超音波エコーパルスの受信信号強度Ｉ_n,jは、次の
（９）式で表される。

【００５５】 Ｉ_n,j＝ＵＥ₁・ａ(ｎ,ｊ)・(α_l)^ω(α_g)^w・(β_l)^ξ(β_g)^x・(γ_l)^η(γ_g)^y ・(δ_l)^ζ(δ_g)^z・Ω・σ・ｂ(ｎ,ｊ)・ＵＥ₂・Ｖ₁ …（９） ただし、 ＵＥ₁：印可電圧から中心軸上に送信される超音波への
変換係数 ａ(ｎ，ｊ)：送信側探触子から角度θ_ｎ方向に送信され
る超音波の相対強度 α_l（θ_n）：液相−壁材界面での縦波超音波の反射率 α_g（θ_n）：気相−壁材界面での縦波超音波の反射率 β_l（θ_n）：液相−壁材界面での横波超音波反射率 β_g（θ_n）：気相−壁材界面での横波超音波反射率 γ_l（θ_n）：液相−壁材界面でのモード変換（縦波→横
波）超音波反射率 γ_g（θ_n）：気相−壁材界面でのモード変換（縦波→横
波）超音波反射率 δ_l（θ_n）：液相−壁材界面でのモード変換（横波→縦
波）超音波反射率 δ_g（θ_n）：気相−壁材界面でのモード変換（横波→縦
波）超音波反射率 ω：液相−壁材界面での縦波入射−縦波反射回数 ｗ：気相−壁材界面での縦波入射−縦波反射回数 ξ：液相−壁材界面での横波入射−横波反射回数 ｘ：気相−壁材界面での横波入射−横波反射回数 η：液相−壁材界面での縦波入射−横波反射回数 ｙ：気相−壁材界面での縦波入射−横波反射回数 ζ：液相−壁材界面での横波入射−縦波反射回数 ｚ：気相−壁材界面での横波入射−縦波反射回数 Ω：受信側探触子の立体角 σ：壁材中を伝播する間の減衰率 ｂ(ｎ，ｊ)：角度θ_n方向から入射する超音波に対する
受信側探触子の相対感度 ＵＥ₂：入射した超音波から電気信号電圧への変換係数 Ｖ₁：送信側探触子への印可電圧 この（９）式によれば、両探触子５，６間の液槽内壁面
１ｂが全て気相に面しているときには、ω＝ξ＝η＝ζ
＝０であり、その時に受信信号強度Ｉ_n,jは最大にな
る。また、両探触子５，６間の液槽内壁面１ｂが全て液
相に面しているときには、ｗ＝ｘ＝ｙ＝ｚ＝０であり、
超音波が液相内に漏洩するため、受信信号強度Ｉ_n,jは
最小になる。

【００５６】そして、液面Ｃがその中間位置にある場合
には、先に述べた反射位置と液面Ｃとの位置関係から、
受信信号強度Ｉ_n,jはそれらの最大値と最小値との中間
の強度となる。このとき、「液相−壁材界面での反射回
数」は（ω＋ξ＋η＋ζ）回であり、「気相−内壁界面
での反射回数」は（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ）回である。

【００５７】すなわち、液位が上下すると、液槽内壁面
１ｂにおける各エコーパルスの反射位置と液面Ｃとの相
対位置が変化し、液中に漏洩する割合が変化するので、
受信強度も変化する。例えば、冠水状態から液位を低下
させていく場合を考えると、液面Ｃが超音波反射位置を
通過する度に液相Ｂ内に漏れる超音波が減少し、エコー
パルスの受信強度が増大して行く。そして、液面Ｃが受
信側の探触子６よりも下に至った段階で受信強度が最大
となる。

【００５８】［変形例］次に、本実施形態の超音波液位
計測装置の変形例について説明する。

【００５９】上述した実施形態では、各遅れ時間毎の超
音波エコーパルスの受信強度に着目し、その強度変化を
微視的に観測することで液位の変化が測定される。これ
に対して、上記液位換算手段１０において、図３に示す
ような異なる遅れ時間で受信された複数の超音波エコー
パルスのうち、特定の遅れ時間範囲内にあるエコーパル
ス信号の加算値に基づいて、液位を換算するように構成
してもよい。

【００６０】すなわち、上記の信号検出手段９および液
位換算手段１０において、エコーパルス信号の電圧値
（又はその絶対値）を特定時間区間で加算処理し、その
加算値の変化に基づいて液位の換算を行うこともでき
る。

【００６１】この場合、特定の時間区間内のエコーパル
ス信号全体の加算値の変化だけではなく、ある特定の時
間区間を更に細かい時間区間に分割し、その分割された
時間区間同士での相対的な変化を液位の換算に利用する
こともできる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来よりも液位測定の分解能を大幅に向上させることがで
きるので、超音波の送受信手段の設置間隔に対してより
細かい精度で、または、より少ない送受信手段の数で広
い範囲の液位測定を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波液位計測装置の一実施形態
を示すブロック図。

【図２】図１に示す超音波液位計測装置に関して、モー
ド変換の考慮により横波・縦波超音波が混在する条件下
での超音波伝播の状態を模式的に示す図。

【図３】図１に示す超音波液位計測装置において、受信
された超音波エコーパルス波形の例を示すグラフ。

【図４】従来の超音波液位計測装置の例を示す模式図。

【図５】図４に示す超音波液位計測装置において、受信
された超音波の信号強度を（ａ）気相部と（ｂ）液相部
とで、それぞれ例示したグラフ。

【符号の説明】

１ 液槽 １ａ 外壁面 １ｂ 内壁面 ５ 超音波探触子（送信手段） ７ 超音波送信装置 ６ 超音波探触子（受信手段） ８ 超音波受信装置 ９ 信号検出手段 １０ 液位換算手段 １１ 液位出力手段 ２３ａ 内壁面第１回反射位置（縦波） ２３ｂ 外壁面第１回反射位置（モード変換１回の波） ２３ｃ 外壁面第１回反射位置（モード変換０回の波） ２３ｄ 内壁面第２回反射位置（モード変換１回の波） ２３ｅ 内壁面第２回反射位置（モード変換１回の波） ２３ｆ 内壁面第２回反射位置（モード変換０回の波） ２３ｇ 内壁面第２回反射位置（モード変換２回の波） ２３ｈ 内壁面第２回反射位置（モード変換１回の波） ２３ｊ 内壁面第３回反射位置(縦波) ２４ａ，２４ｃ，２４ｆ，２４ｇ，２４ｋ，２４ｍ 縦
波超音波の音線 ２４ｂ，２４ｄ，２４ｈ，２４ｊ，２４ｌ 横波超音波
の音線 ３１ 縦波の超音波エコーパルス ３２ モード変換を伴う超音波エコーパルス Ａ 気相部 Ｂ 液相部 Ｃ 液面 θ 超音波の入射角 ψ （モード変換を起こした）超音波の反射角 ｄ 超音波探触子間隔 Ｌ 液槽壁厚さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒 川 勝 廣 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４−１ 東 京電力株式会社技術開発センター内 (72)発明者 佐久間 正 剛 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 波 平 英 夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 上 妻 由 佳 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 佐 藤 道 雄 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 2F014 AB01 AC05 FB10 GA01 2G075 AA01 BA03 CA04 DA06 FA11 FB04 FB07 FB15 GA21

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液槽外壁面に取り付けられ、液層内に向け
   て超音波パルスを送信するための送信手段と、 液槽外壁面に、前記送信手段とは垂直方向に間隔を置い
   て取り付けられ、前記送信手段により送信された超音波
   パルスを、液層壁内で多重反射を行った後の遅れ時間を
   有するエコーパルスとして受信するための受信手段と、 この受信手段が受信したエコーパルスの信号強度を、そ
   の遅れ時間毎に分離して検出する信号検出手段と、 この信号検出手段によって検出された信号強度と遅れ時
   間とに基づいて、前記送信手段および前記受信手段の取
   付位置に対する液槽内部の液位を換算する液位換算手段
   とを備えると共に、 前記液位換算手段は、前記超音波パルスが液層壁内で多
   重反射する際に縦波と横波とのモード変換を伴う場合を
   考慮して液位の換算を行うように構成されている、こと
   を特徴とする超音波液位計測装置。
2. 【請求項２】前記液位換算手段は、 ある遅れ時間を有するエコーパルスについて、 予め信号強度の基準値を設定し、 この基準値に対する、前記信号検出手段によって検出さ
   れた信号強度の割合から減衰率を求め、 当該エコーパルスの多重反射回数に対して、液層内壁に
   おける界面状態およびモード変換の状態による反射率の
   違いと、前記減衰率とに基づいて、液相−壁材界面での
   反射回数と気相−内壁界面での反射回数とを計算し、 当該エコーパルスの全反射回数に対する、液相−壁材界
   面または気相−壁材界面での反射回数から、前記送信手
   段および受信手段の取付位置に対する液位を、当該エコ
   ーパルスにおける特定の反射位置同士の間の区間的な相
   対位置として決定するように構成されている、ことを特
   徴とする請求項１記載の超音波液位計測装置。
3. 【請求項３】前記液位換算手段は更に、異なる遅れ時間
   を有する複数のエコーパルスについて、各エコーパルス
   毎に決定された前記区間的な相対位置の情報を組み合わ
   せることにより、液層内の液位を換算するように構成さ
   れている、ことを特徴とする請求項２記載の超音波液位
   計測装置。
4. 【請求項４】前記液位換算手段は、特定の遅れ時間範囲
   内にあるエコーパルス信号の加算値に基づいて、液槽内
   部の液位を換算するように構成されている、ことを特徴
   とする請求項１記載の超音波液位計測装置。
5. 【請求項５】前記液位換算手段によって換算された液位
   を出力する液位出力手段を更に備えた、ことを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波液位計測装
   置。