JP2001242000A

JP2001242000A - 超音波レベル計

Info

Publication number: JP2001242000A
Application number: JP2000055855A
Authority: JP
Inventors: Eiji Hayashi; 榮二林; Akira Kataoka; 明片岡; Toshiro Kurihara; 敏郎栗原; Yoshinori Matsunaga; 義則松永; Hitoshi Ueda; 仁上田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2001-09-07
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP3849394B2

Abstract

(57)【要約】【課題】近距離を可能な限り測定するとともに遠距離
も測定することができる超音波レベル計を提供する。【解決手段】判定回路５５は、多重エコー波の間隔を
検出して、この間隔が広いときには第１エコー波を主エ
コー波と判定する。判定回路５５がエコー波の間隔が狭
いと判定したときには、第１エコー波が残留波と重なっ
ている可能性がある。主エコー検索回路は、第２エコー
波と第３エコー波との間の間隔に基づいて第１エコー波
の位置を演算する。圧電素子２０が浸水すると、エコー
波が大きくなって多重エコー波となって長時間にわたり
続く。判定回路５５は、多重エコー波の継続時間及びレ
ベルを検出して、その値が極端に大きくなったときには
浸水と判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を送信し
て反射面からのエコー波を受信面で受信し、この反射面
のレベルを測定する超音波レベル計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１７は、従来の超音波レベル計の一例
を示す図である。駆動回路１０は、トランスＴを介し
て、数十ＫＨｚの駆動周波数ｆｄで１ＫＶ_P-P〜２ＫＶ
_P-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列
駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して超音波送受信器
（圧電素子が使用される例が多いため、以後圧電素子と
いう）２０に印加される。

【０００３】圧電素子２０は、この駆動信号に応じて超
音波信号を送信すると共に反射した超音波を受信するセ
ンサとして働くもので、例えばＰＺＴ等が用いられる。
圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路
Ｄを介して受信回路３０に入力され、その後信号処理回
路３２に入力される。

【０００４】図１８は、従来の超音波レベル計において
多重エコー波が発生した状態を示す図である。従来の超
音波レベル計では、圧電素子２０が発信した超音波Ｐは
被反射物体で反射してエコー波Ｐ₁ となって圧電素子２
０に戻ってくる。そして、このエコー波Ｐ₁ は、圧電素
子２０で反射してから被反射物体で再び反射して、エコ
ー波Ｐ ₂ となって圧電素子２０に戻ってくる。このよ
うな超音波Ｐの多重反射により発生するエコー波Ｐ₁ ，
Ｐ₂ ，．．．は徐々に減衰して小さくなるが、エコー波
Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，．．．の信号レベルが略同じ大きさになる
ように、被反射物体までの距離に応じてゲインが上げら
れる。その結果、図１８に示すように、被反射物体まで
の距離が近い場合には、信号レベルが略同じ大きさであ
る多数のエコー波Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，．．．が発生する。例え
ば、距離Ｌｘが０．５ｍ程度の近距離である場合には、
１０個程度のエコー波が現れる。

【０００５】従来の超音波レベル計では、エコー波Ｐ
₁ ，Ｐ₂ ，．．．の信号レベルの最大値を１００％とし
たときに、この最大値の２０％〜２５％にしきい値を設
定して、測定可能範囲内における最小距離からエコー波
Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，．．．を順次検索する。そして、最初にし
きい値を超えるエコー波Ｐ₁ が主エコー波に決定され
て、圧電素子２０が超音波Ｐを送信してからこのエコー
波Ｐ₁ が到達するまでの時間が計測され、被反射物体ま
での距離Ｌｘが算出される。

【０００６】エコー波Ｐ₁ が到達するまでの時間の計
測、換言すればエコー波の位置の検出は、通常超音波発
信後（測定開始後）から連続して信号の受信と、その受
信信号の振幅チェックを行って、エコー位置を検出する
ようにしている。従来の超音波レベル計では、圧電素子
２０の送受信面の構造を斜めにカットしたり円錐状に変
形して、エコー波Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，．．．の減衰を順次大き
くしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１９は、従来の超音
波レベル計において測定可能範囲外の近距離でエコー波
が発生した状態を示す図である。図１９に示すように、
超音波レベル計の測定可能範囲が距離Ｌｘａ〜Ｌｘｂで
あるときに、主エコー波（第１エコー波）Ｐ₁ が距離Ｌ
ｘａよりも近くで発生すると、信号処理回路３２は第２
エコー波Ｐ₂ を主エコー波として検索する。このよう
に、主エコー波Ｐ₁ が測定可能範囲外（Ｌｘ１＜Ｌｘ
ａ）であると、第２エコー波Ｐ₂ を主エコー波として誤
って検索する。その結果、実際の距離よりも約２倍も遠
い距離を誤って測定してしまう。

【０００８】また、従来の超音波レベル計では、圧電素
子２０が超音波Ｐの発信を停止した後に、図１９に示す
ように数ｍｓの共振振動が残留波形として存在する。こ
のために、測定可能範囲を距離Ｌｘ１以内に設定する
と、残留波形が減衰する間に、被反射物体で反射したエ
コー波Ｐ₁ が現れて、このエコー波Ｐ₁ と残留波Ｐ'と
が重なりこれらの波形を区別することが困難になる。そ
の結果、残留波Ｐ'の信号レベルがしきい値を超えてい
ると、この残留波Ｐ'を主エコー波として検索するおそ
れがあり、主エコー波Ｐ₁ の検索が困難になる。

【０００９】さらに、従来の超音波レベル計では、測定
可能範囲を超えて水位が上昇すると、図１９に示す第２
エコー波Ｐ₂ や第３エコー波Ｐ₃ を主エコー波として検
索し、増水を未満水として誤って判断するおそれがあ
る。例えば、圧電素子２０が浸水したときには、超音波
Ｐの伝搬速度が空間に比べて約５倍増加する。

【００１０】この発明の課題は、反射面のレベルを正確
に測定することができるとともに、異常状態を検出する
ことができる超音波レベル計を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、以下のよう
な解決手段により、前記課題を解決する。なお、この発
明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これ
に限定するものではない。請求項１の発明は、超音波
（Ｐ）を送信して反射面からのエコー波を受信面（２
０）で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距
離計であって、前記受信面と前記反射面との間で前記超
音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波（Ｐ
₁ ，Ｐ₂ ，．．．）の間隔を検出する検出手段（５５）
と、前記検出手段の検出結果に基づいて、第１エコー波
を検索する検索手段（５６）とを含む超音波レベル計で
ある。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１に記載の超音
波レベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコ
ー波の間隔が所定値よりも大きいときには、前記第１エ
コー波が測定可能範囲内にあると判定することを特徴と
する超音波レベル計である。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の超音波レベル計において、前記検索手段は、前
記複数のエコー波の間隔が所定値よりも小さいときに
は、前記第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にある
と判定することを特徴とする超音波レベル計である。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載の超音波レベル計において、
前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔に基づいて
前記第１エコー波を検索することを特徴とする超音波レ
ベル計である。

【００１５】請求項５の発明は、超音波（Ｐ）を送信し
て反射面からのエコー波を受信面（２０）で受信し、こ
の反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前
記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波
（Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，．．．）の継続時間及びレベルを検出す
る検出手段（５５）と、前記検出手段の検出結果に基づ
いて、前記受信面が浸水した状態であると判定する判定
手段（５５）とを含む超音波レベル計である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施形態について詳しく説明する。図１は、この発明
の実施形態に係る超音波レベル計の構成図である。な
お、図１７に示す部分と同一の部分には同一の番号を付
して、その詳細な説明を省略する。

【００１７】この発明の実施形態に係る超音波レベル計
は、圧電素子２０から送信した超音波が液面で反射して
戻ってくるまでの往復時間を計測して、この液面のレベ
ルを測定する装置である。超音波レベル計は、図１に示
すように、駆動回路１０、圧電素子２０、受信回路３
０、２相同期積分回路４０、演算回路５０及び表示手段
６０を備えている。

【００１８】受信回路３０は、プリアンプＡｌと、Ｄ／
Ａ変換器ＤＡＣと、メインアンプＡ２とが直列接続され
たものである。プリアンプＡｌは圧電素子２０からのエ
コー信号を受けるが、圧電素子２０に与えられた駆動信
号と同時に振幅の影響を取り除くために、ダイオード回
路Ｄにより駆動信号にリミッタをかけて信号を受信す
る。

【００１９】Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、デジタル・アナロ
グ変換処理と共に、プリアンプＡｌから入力された波形
信号に対してＴＶＧ（Time Variable Gain）処理を行う
ことができるように構成されている。このＴＶＧ処理と
は、距離や湿度、反射面の状態などによって変化する超
音波の減衰特性に合わせて、ゲインを増加させるように
する処理手段である。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、距離や湿
度などによってエコー波の減衰量が変化するときに、反
射面が遠くにあっても、このエコー波が一定出力になる
ようにゲインを可変する。

【００２０】メインアンプＡ２は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ
の信号を受信して適宜に増幅し、その出力を２相同期積
分回路４０に与えている。

【００２１】２相同期積分回路４０は、Ｘ位相積分部分
４１、Ｙ位相積分部分４２より構成される。Ｘ位相積分
部分４１は、第１の同期積分回路とも呼ばれ、フリップ
フロップ４３、Ｘ位相側スイッチ４４、Ｘ位相積分回路
４５及びＡ／Ｄ変換器４６で構成される。Ｙ位相積分部
分４２は、第２の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフ
ロップ４３、Ｙ位相側スイッチ４７、Ｙ位相積分回路４
８及びＡ／Ｄ変換器４９で構成される。

【００２２】なお、フリップフロップ４３には駆動回路
１０の出力が印加され、Ｐ出力がＸ位相側スイッチ４４
に印加され、Ｑ出力がＹ位相側スイッチ４７に印加され
る。Ｐ出力とＱ出力は、位相が四半周期ずれたもので、
オンオフのデューティ比はいずれも５０％になってい
る。

【００２３】これにより、上記第１の同期積分回路４１
では、圧電素子２０を駆動する駆動周波数の位相（これ
を第１の位相と呼ぶ）でエコー信号が同期積分され、そ
の積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出
力される。他方、上記第２の同期積分回路４２では、前
記第１の位相とは四半周期離れた第２の位相で同期積分
され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変
換して出力される。なお、エコー波に重畳するノイズ信
号は一般的に正負の領域をランダムに持っており、上記
の積分によりこのノイズ成分は除去される。

【００２４】演算回路５０は、２相同期積分回路４０か
らの時系列の各積分値Ｘ，Ｙをそれぞれ記憶手段（図示
せず）に記憶し、その後積分値Ｘ，Ｙの有極加算、積分
値Ｘ，Ｙの合成を行い、その合成信号のピークの位置と
大きさからエコーの到来位置を求める。演算回路５０
は、データ重ね回路５１、移動加算回路５２、ピーク位
置検索回路５３、基準化回路５４、判定回路５５及び主
エコー検索回路５６を備えている。演算回路５０は、受
信回路３０のＤＡＣのＴＶＧを制御する機能も有する。

【００２５】表示手段６０は、液面のレベルを表示した
り、主エコー波が測定可能範囲外にあるときにオーバー
レンジ表示をしたり、圧電素子２０が浸水したときに浸
水表示をする。

【００２６】次に、この発明の実施形態に係る超音波レ
ベル計の動作を説明する。駆動回路１０は、トランスＴ
を介して、駆動周波数ｆｄ＝４０ＫＨｚで０．８ＫＶ
_P-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列
駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して圧電素子２０に
印加される。駆動回路１０は、近距離測定用に圧電素子
２０を１６パルス駆動し、遠距離測定用に圧電素子２０
を６４パルス駆動して超音波を送受信し、演算回路５０
がエコー位置を検出する。圧電素子２０で受信されたエ
コー信号はダイオード回路Ｄを介して受信回路３０に入
力する。

【００２７】図２は、この発明の実施形態に係る超音波
レベル計における主エコー波の判定範囲を示す図であ
り、図２（ａ）は１６パルス送信時の判定範囲を示し、
図２（ｂ）は６４パルス送信時の判定範囲を示す。図２
（ｂ）に示す６４パルス送信時では、１．５ｍ〜２０ｍ
を測定可能範囲としており、測定可能範囲内の最小距離
が１．５ｍであって、２番目のエコー波（第２エコー
波）は３ｍの位置にあり、３番目のエコー波（第３エコ
ー波）は４．５ｍの位置にある。この測定可能範囲内で
は、第２エコー波、第３エコー波の減衰量が大きいため
に、１番目のエコー波（主エコー波）の検出を誤ること
がない。一方、図２（ａ）に示す１６パルス送信時で
は、０．５ｍ〜２．５ｍを測定可能範囲としており、距
離が１ｍ以内では第２エコー波の減衰量が少なく、距離
が０．５ｍになると第３エコー波、第４エコー波と高次
のエコー波まで減衰量が少ない。このために、この実施
形態では、６４パルス送信時には主エコーの判定を行わ
ず、１６パルス送信時にのみ０．５ｍから３．６ｍまで
を主エコー波の判定範囲とする。

【００２８】Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、２相同期積分回路
４０が処理するエコー波をある程度の一定レベルにする
ために、エコー波が戻ってくるまでの時間（距離）に応
じてゲインをコントロールする。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ
は、エコー波のレベルが小さいときにはゲインを上げ、
エコー波のレベルが大きいときにはゲインを下げて、エ
コー波のレベルを検出可能な大きさに調節する。

【００２９】２相同期積分回路４０は、所定周期（例え
ば、１２セル周期）で積分を行う。ここで、セルとは、
２相同期積分回路４０が積分値を計測するときのワンス
テップの時間幅をいう。２相同期積分回路４０は、１２
セルごとのデータを１つのブロックデータとして扱う。
１２セルは音速時間距離でほぼ１４．４ｃｍに相当す
る。ただし、１２セル目はリセット期間である。

【００３０】この実施形態では、１２セルを１ブロック
として扱うため、エコー到達距離の分解能としては約
７．２ｃｍとなる。なお、１２セルごとにリセットする
のは、エコー位置検出にとってはそれで必要十分であ
り、また２相同期積分回路４０の積分器のドリフト等を
考慮すると１２セル目でリセットするのが好適であるか
らである。しかしながら、本願発明は１２セル目に限定
するものではなく、例えば１０セル〜１００セル範囲内
の任意のセルを採用することができる。ただし、あまり
長くすると検出分解能が悪化するばかりでなく、積分器
のドリフト等が影響して好ましくない。

【００３１】図３は、この発明の実施形態に係る超音波
レベル計における１６パルス駆動時の超音波送信とエコ
ー位置の検出範囲との関係を示す図である。ここで、パ
ルス駆動は、超音波送受信器のパルス送信に対応するた
め、パルス送信とも言う。図３に示すように、エコー位
置の検出は、パルス駆動直後（送信開始０セル）から幅
広く行うのではなく、図示のように意味のある有効な範
囲（この範囲をＷＳ（Window Search）と呼ぶ）に限定
して行うようにしている。１６パルス駆動時では、７４
セル（約４６．２５ｃｍ）でスタートして５７８セル
（約３６１ｃｍ）で終了する。２相同期積分回路４０
は、１２セル周期毎に積分のセット及びリセット（Ｓ／
Ｒ）を繰り返す。このときに、ＴＶＧ処理は、ＷＳの全
測定範囲において行われる。

【００３２】図４は、この発明の実施形態に係る超音波
レベル計におけるＸ位相積分部分及びＹ位相積分部分の
動作を説明するための図である。図４（ａ）はＸ位相積
分回路及びＹ位相積分回路のＯＮ動作を示し、図４
（ｂ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＲＥＳＥ
Ｔ動作を示し、図４（ｃ）はＸ位相積分回路の出力波形
を示し、図４（ｄ）はＹ位相積分回路の出力波形を示
す。

【００３３】図４（ａ）（ｂ）に示すように、Ｘ位相積
分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、７４セル
目（ＷＳスタート点）でＯＮ動作（積分開始）して１１
セル分（積分区間：３８０．５μｓ）だけ積分を続け、
８５セル目から８６セル目までの１セル分（リセット区
間：３４．５８６μｓ）だけリセットする。そして、Ｘ
位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、８
６セル目でＯＮ動作を再び開始する。このように、Ｘ位
相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、１２
セル周期（Interval：４１５．０４μｓ）を１ブロック
として、ＷＳの全範囲（７４セルから５７８セルまで）
でセット及びリセットを繰り返す。その結果、図４
（ｃ）（ｄ）に示すように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ
位相積分回路積分器４８からそれぞれ鋸刃状波形（積分
波形）を得ることができる。

【００３４】図５は、この発明の実施形態に係る超音波
レベル計におけるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するための
図である。図５（ａ）はＸ側Ａ／Ｄ変換器による変換デ
ータを示し、図５（ｂ）はＹ側Ａ／Ｄ変換器による変換
データを示し、図５（ｃ）はこれらの変換データを合成
した合成データを示す。

【００３５】Ａ／Ｄ変換器４６，４９は、図４（ｃ）
（ｄ）に示す積分波形をセル毎にＡ／Ｄ変換する。ここ
で、図５（ａ）（ｂ）に示すＢ１ｘ，Ｂ２ｘ，Ｂ３
ｘ，．．．及びＢ１ｙ，Ｂ２ｙ，Ｂ３ｙ，．．．は１２
セル毎のブロックを意味し、ｄｌ〜ｄｌｌは各ブロック
内の１１個のＡ／Ｄ変換データである。

【００３６】データ重ね回路５１は、図５（ｃ）に示す
ように、各ブロックごとにＡ／Ｄ変換値を有極加算す
る。有極加算とは、データの極性を正負そのままで単純
に加算（例えば、Ｂ１ｘの有極加算＝ｄ１＋ｄ２
＋．．．＋ｄ１１）することを言う。有極加算は、同期
積分値のノイズを打ち消すための手法であり、ノイズは
正負に積分されて有極加算によりキャンセルされ、信号
分Ｂｄのみが現れる。そして、各ブロックごとに、Ｘ側
とＹ側についてそれぞれ有極加算結果の絶対値をとり、
それを合成加算（例えば、Ｂｄ１の合成加算＝｜Ｂ１ｘ
の有極加算｜＋｜Ｂ１ｙの有極加算｜）する。図５
（ｃ）に示すＢｄｌ，Ｂｄ２，Ｂｄ３，．．．は、各ブ
ロック毎の合成データである。

【００３７】図６は、この発明の実施形態に係る超音波
レベル計における移動加算によるピーク値の検出動作を
説明するための図であり、図６（ａ）は図５（ｃ）の合
成データを示し、図６（ｂ）は移動加算とエコー波の検
索動作を示し、図６（ｃ）は基準化動作を示す。

【００３８】移動加算回路５２は、図６（ａ）（ｂ）に
示すように、データ重ね回路５１が出力した合成データ
について、図５（ｃ）に示すＢ１からＢ４２（ＷＳ終
点）まで２ブロックづつ移動加算（例えば、Ｂｄ１＋Ｂ
ｄ２，Ｂｄ２＋Ｂｄ３，Ｂｄ３＋Ｂｄ４，．．．）を行
う。ここでは、２ブロックづつの移動加算とした。２ブ
ロックとしたのは、エコー波形はブロックに対して任意
に到来するが、１６パルス駆動においては少なくとも２
ブロックを合成することで１６パルスすべてのエコー波
の積分値を捕らえることができるためである。

【００３９】ピーク位置検索回路５３は、図６（ｂ）に
示すように、全ブロック内でピーク値（合成データ＝Ｂ
ｄｎ＋Ｂｄ（ｎ＋１）の最大値Ｂｄｎｍａｘ）を検出
してこのピーク値の２０％をしきい値に選び、このしき
い値を超えたブロックを検索する。

【００４０】基準化回路５４は、図６（ｃ）に示すよう
に、全ブロック内でしきい値２０％以上のブロックを
「１」とし、しきい値２０％以下のブロックを「０」と
して、Ｂ１からＢ４１（約３．６ｍ／２３°Ｃ）までコ
ンパレートする。基準化回路５４は、「１」が続いてい
る場合には最初の「１」を第１エコーＢｎａとし、一回
でも「０」があればリセットして、つぎに現れる「１」
を第２エコーＢｎｂとする。図６（ｃ）に示すように、
多重エコーでは、第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎ
ｂ，第３エコーＢｎｃ，．．．と続く。ここで、Ｂのサ
フィックスは１２セル毎のブロック位置を示す。この実
施形態では、１２セルを１ブロックとしているために、
第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，．．．は１２セ
ル（１ブロック）毎の判別となり、個々の距離計算は約
７．５ｃｍの分解能となる。

【００４１】判定回路５５は、図６（ｃ）に示す第１エ
コーＢｎａの「１」が連続して５個以内であって、か
つ、ｎｂ−ｎａが６以上であるときには、第１エコーＢ
ｎａが主エコーであると判定する。また、判定回路５５
は、第１エコーＢｎａのみが存在し第２エコーＢｎｂ以
降が存在しないときにも、第１エコーＢｎａが主エコー
であると判定する。なお、判定回路５５は、主エコーが
第２エコー、第３エコーの場合については判定しない。

【００４２】図７は、測定可能範囲内に主エコー波があ
るときの図であり、図７（ａ）は実験データであり、図
７（ｂ）は模式図である。図８は、測定可能範囲内に主
エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図で
ある。図７及び図８に示すように、多重エコーでは、複
数のエコー波が略等間隔で続く。主エコー検索回路５５
は、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエ
コー波との間の間隔を検出し、この間隔がある程度大き
いときには、最初に検出されたエコー波が測定可能範
囲内にあり第１エコー波（主エコー波）であると判定す
る。具体的には、図７（ｂ）に示すように、最初に検出
されたエコー波Ｂ₁ とその次に検出されたエコー波Ｂ₂
との間の間隔が、最初に検出されたエコー波Ｂ₁ と原点
０との間隔に略等しい（Ｌ₂ ＝２Ｌ₁ ）ときには、最初
に検出されたエコー波Ｂ₁ が第１エコー波であると判定
される。

【００４３】一方、第１エコー波が０．５ｍ以下である
ときには、ｎａとｎｂとの間の間隔が狭くなる。また、
これらの間隔がさらに狭くなると、残留波同士が重なり
全体が大きなエコー波となって現れて、エコー波と残留
波との判別が不明確になる。特に、反射の弱い物体の場
合には、エコー波と残留波との判別が困難になる。判定
回路５５は、図６（ｃ）に示す第１エコーＢｎａ，第２
エコーＢｎｂ，．．．のうち「１」が連続して６個以上
続く部分があり、かつ、ｎｂ−ｎａが５以下であるとき
には、第１エコーＢｎａは第２エコー波又は高次エコー
波であると判定し、第１エコー波が測定可能範囲外であ
ると判定する。

【００４４】図９は、測定可能範囲外の近距離に主エコ
ー波があるときの図であり、図９（ａ）は実験データで
あり、図９（ｂ）は模式図である。図１０は、測定可能
範囲外の近距離に主エコー波があるときの実験データと
平均値とを示す図である。主エコー検索回路５５は、最
初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波
との間の間隔を検出し、この間隔が狭いときには最初の
エコー波が主エコー波ではなく、主エコー波は残留波と
重なっていると判定する。具体的には、図９（ｂ）に示
すように、最初に検出されたエコー波Ｂ₂ とその次に検
出されたエコー波Ｂ₃ との間の間隔が、最初に検出され
たエコー波Ｂ₂ と原点０との間隔に比べて狭い（Ｌ₃−
Ｌ₂ ＜Ｌ₂ ）ときには、最初に検出されたエコー波Ｂ₂
が第１エコー波ではないと判定される。主エコー検索
回路５５は、エコー波Ｂ₃ とエコー波Ｂ₂ との間の間隔
を、エコー波Ｂ₂ と原点０との間隔から減算して、残留
波に重なっているエコー波（主エコー波）Ｂ₁ の位置を
検索する。表示手段６０は、主エコー検索回路５５が検
索した主エコー波の位置（レベル）を表示する。

【００４５】図１１は、超音波の送信直後に主エコー波
があるときの実験データである。図１２は、超音波の送
信直後に主エコー波があるときの実験データと平均値と
を示す図である。図１１及び図１２に示すように、距離
が５ｃｍ程度の測定可能範囲外では、残留波同士が重な
り合って全体が大きなエコー波となって現れる。この場
合には、表示手段６０がオーバーレンジ表示する。

【００４６】図１３は、開水路流量計内の通常面と浸水
面とを示す図である。図１４は、超音波送受信面が浸水
したときの実験データである。図１５は、超音波送受信
面が浸水したときの実験データと平均値とを示す図であ
る。図１６は、この発明の実施形態に係る超音波レベル
計における浸水時の基準化動作を示す図である。

【００４７】図１３に示す開水路流量計は、パーマ・ボ
ーラスフリューム（以下、ＰＢフリュームという）であ
る。このＰＢフリュームは、下水などの円形管路内に設
置され、図示しないスロート部と呼ばれる絞り部の上流
側水位を超音波レベル計によって測定し流量を演算する
流量計である。図１３に示すように、ＰＢフリューム内
で水位が上昇すると、圧電素子２０が浸水することがあ
る。超音波は、伝達媒体が気体（空気）から液体（水）
に変化すると、速度が約５倍になるとともに、伝達損失
が大幅に減少する。その結果、図１４及び図１５に示す
ように、エコー波が大きくなるとともに、多重エコー波
となって長時間（距離３ｍ以上）にわたり続く。判定回
路５５は、多重エコー波の継続時間とレベルとを検出し
て、これらの値が極端に大きくなったときには浸水と判
定する。判定回路５５は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣが狭い範
囲でゲインをコントロールしており、かつ、図１６に示
すように、Ｂｎａの「１」がほとんどであるときには浸
水状態であると判定する。

【００４８】この発明の実施形態に係る超音波レベル計
には、以下に記載するような効果がある。（１）この実施形態では、圧電素子２０と液面との間
で超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波
の間隔を検出し、この間隔に基づいて第１エコー波が測
定可能範囲内にあるか否かを判定する。このために、第
１エコー波が測定可能範囲外にあるときに、第２エコー
波や第３エコー波を誤って主エコー波として測定するこ
とがなくなり、主エコー波を正確に捉えることができ
る。

【００４９】（２）この実施形態では、第１エコー波
が測定可能範囲外の近距離にあるときには、複数のエコ
ー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索する。このた
めに、測定可能範囲外の近距離において、多重波と重な
って検出が困難な第１エコー波を、検出可能な第２エコ
ー波と第３エコー波との間の間隔から演算することがで
きる。

【００５０】（３）この実施形態では、超音波が多重
反射したときに発生する複数のエコー波の継続時間及び
レベルを検出し、この検出結果に基づいて圧電素子２０
が浸水した状態であると判定する。このために、従来の
超音波レベル計では表示せずに放置されていた異常状態
（浸水状態）を検出し表示することができるとともに、
フィールド機器として超音波レベル計を広く使用するこ
とができる。

【００５１】この発明は、以上説明した実施形態に限定
するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、
これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形
態では、液面のレベルを測定する超音波レベル計を例に
挙げて説明したが、反射面からのエコー波を受信してこ
の反射面までの距離を測定する超音波距離計についても
適用することができる。また、この実施形態では、最初
に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波と
の間の間隔を検出しているが、Ｎ番目のエコー波とＮ＋
１番目のエコー波との間の間隔を検出してもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による
と、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー
波の間隔に基づいて第１エコー波を検索するので、反射
面のレベルを正確に測定することができる。また、この
発明によると、超音波が多重反射したときに発生する複
数のエコー波の継続時間及びレベルに基づいて、受信面
が浸水した状態であるか否かを判定するので、以上状態
を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態に係る超音波レベル計の構
成図である。

【図２】この発明の実施形態に係る超音波レベル計にお
ける主エコー波の判定範囲を示す図であり、（ａ）は１
６パルス送信時の判定範囲を示し、（ｂ）は６４パルス
送信時の判定範囲を示す。

【図３】この発明の実施形態に係る超音波レベル計にお
ける１６パルス駆動時の超音波送信とエコー位置の検出
範囲との関係を示す図である。

【図４】この発明の実施形態に係る超音波レベル計にお
けるＸ位相積分部分及びＹ位相積分部分の動作を説明す
るための図である。（ａ）はＸ位相積分回路及びＹ位相
積分回路のＯＮ動作を示し、（ｂ）はＸ位相積分回路及
びＹ位相積分回路のＲＥＳＥＴ動作を示し、（ｃ）はＸ
位相積分回路の出力波形を示し、（ｄ）はＹ位相積分回
路の出力波形を示す。

【図５】この発明の実施形態に係る超音波レベル計にお
けるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するための図である。
（ａ）はＸ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、
（ｂ）はＹ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、
（ｃ）はこれらの変換データを合成した合成データを示
す。

【図６】この発明の実施形態に係る超音波レベル計にお
ける移動加算によるピーク値の検出動作を説明するため
の図であり、（ａ）は図５（ｃ）の合成データを示し、
（ｂ）は移動加算とエコー波の検索動作を示し、（ｃ）
は基準化動作を示す。

【図７】測定可能範囲内に主エコー波があるときの図で
あり、（ａ）は実験データであり、（ｂ）は模式図であ
る。

【図８】測定可能範囲内に主エコー波があるときの実験
データと平均値とを示す図である。

【図９】測定可能範囲外の近距離に主エコー波があると
きの図であり、（ａ）は実験データであり、（ｂ）は模
式図である。

【図１０】測定可能範囲外の近距離に主エコー波がある
ときの実験データと平均値とを示す図である。

【図１１】超音波の送信直後に主エコー波があるときの
実験データである。

【図１２】超音波の送信直後に主エコー波があるときの
実験データと平均値とを示す図である。

【図１３】開水路流量計内の通常面と浸水面とを示す図
である。

【図１４】超音波送受信面が浸水したときの実験データ
である。

【図１５】超音波送受信面が浸水したときの実験データ
と平均値とを示す図である。

【図１６】この発明の実施形態に係る超音波レベル計に
おける浸水時の基準化動作を示す図である。

【図１７】従来の超音波レベル計の一例を示す図であ
る。

【図１８】従来の超音波レベル計において多重エコー波
が発生した状態を示す図である。

【図１９】従来の超音波レベル計において測定可能範囲
外の近距離でエコー波が発生した状態を示す図である。

【符号の説明】

１０駆動回路２０圧電素子３０受信回路４０２相同期積分回路５０演算回路５５判定回路５６主エコー検索回路Ｐ超音波Ｐ' 残留波Ｐ₁ 第１エコー波Ｐ₂ 第２エコー波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松永義則東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内 (72)発明者上田仁東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内Ｆターム(参考） 2F014 FB01 GA01 5J083 AA02 AC05 AC17 AF01 BA01 BE06 BE18 BE49 CA01 CB03 CC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波を送信して反射面からのエコー波
を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音
波距離計であって、前記受信面と前記反射面との間で前記超音波が多重反射
したときに発生する複数のエコー波の間隔を検出する検
出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、第１エコー波を検
索する検索手段と、を含む超音波レベル計。
【請求項２】請求項１に記載の超音波レベル計におい
て、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よ
りも大きいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲
内にあると判定すること、を特徴とする超音波レベル計。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の超音波レ
ベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よ
りも小さいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲
外の近距離にあると判定すること、を特徴とする超音波レベル計。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載の超音波レベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔に基づいて
前記第１エコー波を検索すること、を特徴とする超音波レベル計。
【請求項５】超音波を送信して反射面からのエコー波
を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音
波距離計であって、前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー
波の継続時間及びレベルを検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記受信面が浸水
した状態であると判定する判定手段と、を含む超音波レベル計。