JP2003294517A - 電子式多目的物質レベルセンサ - Google Patents

電子式多目的物質レベルセンサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 廉価で精密で軽量の、かつ使用が簡単な改良
型レベルセンサを提供する。 【解決手段】 物質の表面レベルまたは境界面レベルを
測定するセンサは、トランシーバ (12)と、部分的に物
質内に浸漬されたガイドワイヤ(14)をトランシーバ (1
2)に電気的に結合するための同軸ケーブル(16)の内部導
線(21)を備える。発射プレート (18)が同軸ケーブル(1
8)の外部シールド(19)に接続され、インピーダンス(20)
が発射プレート(18)をガイドワイヤ(14)に接続する。発
射プレート(18)はトランシーバ(12)に逆送される基準パ
ルスを発生させる。発射プレート(18)から伝送された電
磁波はガイドワイヤ(14)に沿って伝搬する。この電磁波
は表面または境界面によって反射され、発射プレート(1
8)により受信され、そこから反射パルスとしてトランシ
ーバ (12)に向け伝送される。トランシーバ(12)は基準
パルスと反射パルスとの間の時間遅延を測定し、発射プ
レート (48)に対する表面レベルまたは境界面レベルを
確定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にセンサに関
し、特に容器内や、リアクトル、導管、川床、潅漑水
路、コンベア、自立型パイル、その他種々のシステム内
の液体レベルおよび他の物質のレベル、並びにその状態
を正確に測定するためのレベルセンサに関するものであ
る。本発明は、また工作機械、油圧作動装置、および可
動部品を有する類似装置用の線形変位変換器に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】これまでに、液体のレベルや、2つの液
体間の境界面のレベルを測定するため、色々な装置が利
用されてきた。これらの装置は、通常、容器内のセンサ
と、センサから遠隔位置に向けてデータを送り、その位
置で液体のレベルを検出し、かつ容器内の液体のレベル
を表す使用可能な方式に変換する手段とから構成され
る。
【０００３】フロート式に代表される機械的および電気
機械的センサは、精度の信頼性に欠け、深いタンク、ま
たは腐食性の液体が充填されたタンク内で使用するには
困難が伴う。音波信号および超音波信号を使用する装置
は、音速が温度や湿度によって変動するため比較的不正
確である。超音波をベースとして使用するセンサは、超
音波信号が一般に、液面上にできる泡状の物質（または
泡）から反射されるため、正確な液体レベルについて測
定をすることができない。容量性レベルセンサを使用す
るときには、液体はセンサに接近していなければならな
いし、壁部に湿気があるとセンサの検出に誤りを生じ
る。また容量性センサでは、そのセンサが浸漬される液
体または混合物の状態に関する情報を得ることができな
い。
【０００４】周波数変調(FM)持続波(CW)レーダセンサ
も、容器内の液体のレベルを測定するために使用されて
きた。これらのセンサでは、自由伝搬レーダ信号が液体
の表面に向けて送出され、この表面から反射されて受信
機に送り戻され、信号の飛翔時間、従って基準点と液体
レベルとの間の距離が計測される。これらのレーダセン
サは高価で、かさばり、解像度も限られて通常6インチ
（約15cm）である。
【０００５】最も一般的な時間領域反射(TDR)システム
は、液体のレベルについて正確な示度を与え、液体レベ
ルの変化に関して迅速に反応するが、システムが適切に
機能するためには複雑で高価になる。このようなシステ
ムの1例が、ロス(Ross)に付与された米国特許第3,832,9
00号に記載されており、充填された含有液体中に浸漬し
た裸の同軸線を利用している。液面によって、同軸線内
に不連続性を引き起こし、それにより伝送線路に沿って
逆伝搬される基底帯域パルス信号の反射を生じさせる。
パルスが伝送された時間に対する、この反射が受信され
るまでの時間が、液体のレベルを確定する。しかし、伝
送路は詰まりやすいので、頻繁にクリーニングが必要で
ある。
【０００６】ロス(Ross)に付与された米国特許第3,995,
212号には液体のレベルを測定する装置が記載され、伝
送路の詰まり問題、および放射反射検出システムの複雑
性の軽減に対処することが意図されている。より具体的
には、この特許は、方向性結合器を介して遷移装置に結
合された、ナノ秒を下回る持続時間の基底帯域プローブ
パルスを発生するパルス発生器で構成した装置について
記述してある。上記の遷移装置はプローブパルスを導く
伝送線路を、パルス波がそれに沿って引き続き伝搬する
単一電線式伝送線路に変換する。この電線は、液体の表
面と垂直に液面を貫通するように配置される。液体表面
における誘電率により生じるプローブパルスの反射は、
電線沿いに遷移装置に向け逆伝搬し方向性結合器に結合
される。
【０００７】反射波のサンプルは、入射波のサンプルが
現れるポートを備える方向性結合器の反射ポートに結合
される。これらのポートはスイッチを介して、入射波と
反射波との間の遅延が測定されるレベルプロセッサに結
合してある。この遅延は、液体レベルの測定に利用され
る。しかし、この液体レベル検出システムは、比較的高
価で、かさばり、かつ導電性液体の深さの測定ができな
い。
【０００８】ラオ(Rao)らに付与された米国特許第4,48
9,601号は、基準レベル以上の導電性または非導電性液
体の高さを測定する装置について記述している。グボー
(Goubau)伝送線路が、入力端子からグボー線路の外部直
径以上の直径を備えた中空シリンダを有する接合部に向
けて伸長している。この接合部においてグボー線路は中
空シリンダの中へ伸長して同軸伝送線路を形成する。こ
の同軸伝送線路は液体内に垂直に浸漬され、液体表面の
上から表面下部のある基準レベル、通常は、液底にまで
伸長する。
【０００９】1個のパルスが入力端末でグボー線路に結
合され、表面波として接合部に到達するまで伸長し、接
合部にて2つのモード、すなわち同軸線路の外側上の表
面波モードと、同軸線路内部の横断電磁モードとに変形
される。遷移装置は、2つのモードに分配された相対パ
ワーの調整を行なう。反射が起こるのは、同軸線路の外
側を伝搬する表面波が液体の表面と遭遇するときであ
る。横断電磁モードは、全体的に同軸線路の中にとどま
り、後刻、液体表面下部の基準レベルに到達するまでは
反射されない。同軸線路の外側で反射された表面波と、
同軸線路内で反射された横断電磁モード波とは、同軸線
路沿いに逆伝搬して、やがて分離される反射表面波とし
てグボー線路に結合される。グボー線路上を伝搬する反
射波は、方向結合器に転送され受信機により検出され
る。受信されるパルスとパルスとの間の時間は、液体の
表面から基準レベルまでの距離に比例する。しかし、こ
の在来型のTDRレベル検出装置は、相対的に割高で、か
さばる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、未だ満たされ
ていない在来型の装置に関連した上述の関心事に対処し
て、適切な解決策を提供する、新規な物質レベルセンサ
に対する必要性が高まっている。この新規なレベルセン
サは、容器内や、リアクトル、導管、川床、潅漑水路、
コンベア、自立型パイル、その他種々のシステム内の液
体と他の物質のレベルおよび状態を正確に計測すること
が可能であるべきである。さらに、この新規なセンサ
は、工作機械、油圧作動装置、および可動部品を有する
類似装置用の線形変位変換器にも適用できるべきであ
る。
【００１１】従って、本発明の目的は、廉価で精密で軽
量の、かつ使用が簡単な改良型レベルセンサを提供する
ことにある。
【００１２】本発明の別の目的は、厳しい環境と複雑な
構造体内で使用するためコンパクトなサイズのレベルセ
ンサを提供することにある。
【００１３】本発明のさらに他の目的は、消費電力が極
めて少なく、また動作範囲が長い新規なレベルセンサを
提供することにある。
【００１４】本発明がなお他に目的とするところは、流
体と他の物質、たとえば粒状物質などのレベルと状態を
正確に測定するのに使用できる新規なレベルセンサを提
供することにある。
【００１５】本発明のさらなる目的は、平行移動測定用
として可動反射境界面を突き止めることができる新規な
レベルセンサを提供することにある。
【００１６】本発明の他の目的は、線形変位変換器とし
ても使用できるセンサを提供することにある。
【００１７】本発明がなおも他に利点とするところは、
測定されるべき正確な状態の液体レベルを検出し、泡状
の物質には通常、感知しないレベルセンサを提供するこ
とにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】手短にいうと、本発明の
上述した目的、および、さらなる目的と利点とは、新規
のレベルセンサによって実現されるものであり、この新
レベルセンサは極めて短い電気パルスの時間領域反射(T
DR)をベースとしている。パルスは、流体または固体物
質などの物質中に浸漬した伝送線路に沿って伝搬され
る。誘発基準反射と多重誘電境界面との間の時間差によ
って物質のレベルと状態の測定ができるようになる。
【００１９】センサは、大部分、回路素子と温度の変化
には無関係で、費用をかけずに製作できる。伝送線路
は、グボー線路、マイクロストリップ、同軸ケーブル、
対のリード線、共面ストリップまたは共面導波路とする
ことができる。一般に、伝送線路には、タンクまたは容
器の内部壁面に沿って配設したストリップが含まれる。
反射パルスも、オイルタンクの底に沈着したヘドロのよ
うに、流体内の層膜に関する情報を含有する。センサは
手で持ち運びができ、狭くて手が届かぬような場所でも
容易に使用できる。加えて、センサは、伝送線路に近接
した対象物について平行移動式に測定することもでき
る。
【００２０】自動車分野または類似した用途の分野で、
センサはガスタンク、クランクケース、変速機、後尾、
ブレーキ液タンク、フロントガラス水差し内、その他ク
リーニング機械の充填量、工業用大おけの充填量などの
測定用計量棒として使用することができる。また、この
センサは、トイレ、穀物のサイロ、ガソリンスタンドの
貯蔵タンク、超大型油タンカーなどで使用されているレ
ベルセンサを含め、ほとんどのレベルセンサに、とって
代わることができる。さらに、金属または誘電性の対象
物が伝送線路に近接あるいは接触して移動される機械位
置の調整や、リミットスイッチ、楽器用の線形変位変換
器としても使用することができる。
【００２１】センサには、単に単一のダイオードからな
る極めて簡単で低廉なサンプラーが備わっている。サン
プリングされる信号は１個の端子、すなわちダイオード
の陽極に加えられ、ゲートパルスが他の端子、すなわち
陰極に加えられる。さらに、共通問題であるサンプラー
（試料採取器）のブローバイ、すなわちサンプリング不
能について、信号入力からサンプラー出力へのスプリア
ス・カップリングは、問題の原因とはならない。理由
は、信号が高周波数成分とゼロ平均値だけしか持たない
からであり、これについては後程TDRシステム構成に関
連して説明する。限定された高周波帯域幅を有する増幅
器がサンプラーに接続してあり、これらの高周波数成分
を阻止する。このようにして、在来のサンプラー、Tekt
ronix Model S-4などに見出される複雑なブローバイ・
キャンセル回路は不要となる。
【００２２】さらに、本発明によるセンサは自己バイア
ス設計を具備し、平均的整流ゲートパルスが、約1V DC
の逆バイアスをサンプリング・ダイオードの両端に発生
させることにより、パルスが伝送される間中、ダイオー
ドの順方向電気伝導を防止する。1個のキャパシタ(C＝2
2 pF[ヒ゜コファラット゛])がこのバイアスに耐えて平滑化する一
方で、単一の接地された1メク゛オーム・バイアス抵抗がブリ
ーダを形成して、バイアス回路の絶対最小値を有するバ
イアス電圧を維持する。
【００２３】サンプルバッファ増幅器は、主に帯域幅の
範囲を定めるトランスインピーダンス増幅器を用いる。
トランスインピーダンス増幅器は、直流結合されてサン
プリング・ダイオードにおける順降下と逆バイアス変動
の影響を無くするようにする。なお、その高周波帯域幅
を、パルス繰返し周波数(PRF)以下に制限して、パルス
繰返し周波数(PRF)のパルス周波数が2MHzのときに生じ
るパルスーパルスバイアス変動の増幅を防止し、かつ、
ランダムノイズを平滑化する。
【００２４】このセンサは、さらに、受信ゲート経路内
で単純なRC遅延回路を用いる距離掃引回路を具備し、こ
の掃引回路は、4.7キロオーム 抵抗を介して供給される制御
距離遅延電圧に関して指数関数的な遅延機能を提示す
る。この距離掃引の独特な設計は、本発明によるセンサ
を、高価で複雑、高精度・高速・アナログ電流源、およ
び線形電圧ランプ遅延回路を形成する比較回路を必要と
する在来型のセンサと明白に区別するものである。
【００２５】等価時間(ET)指数関数的ランプが上記の実
時間指数関数的遅延ランプ回路に対する掃引基準入力と
して使用され、最少の成分を有する線形掃引遅延機能を
提供する。さらに、電源側で、実時間と等価時間のラン
プ振幅、および比較器機能（論理インバータにより形成
される）の決定しきい値(VTH＝Vcc/2)を同時に規定する
ため、距離掃引回路は相対的に電源(Vcc)の変動には影
響されない。これに関して、Vccが10%だけ増えると、ラ
ンプ振幅と決定しきい値電圧VTH も10%だけ増加する
が、実時間ランプのしきい値は変化せず（最大振幅の50
%）すなわち、電源Vcc側で10%増加しても同じ遅延が維
持される。このキャンセル作用は安定した少ない微小変
動のタイミングに非常に重要である。
【００２６】本発明によるセンサは、さらにディザPRF
回路を具備しており、この回路によって、同時に設けた
センサや、無線局のようなCWエミッタからの干渉を防止
する。ディザPRF回路は、また、ガイドワイヤや伝送線
路、またはセンサ先端からのスプリアス放出スペクトル
線を広げて、通信業務に対する干渉を低減し、特定周波
数におけるピーク振幅度を抑制する。
【００２７】本発明によるセンサは、また、伝送パルス
発生器とゲートパルス発生器の一部を形成し、かつ、マ
イクロ波シリコン・バイポーラ・トランジスタを駆動す
る高速CMOSまたはSchottkyTTL論理ゲート／インバータ
を有する高速パルス発生器を具備している。この極めて
廉価で取得できる高速パルス発生器は、消費電力も僅か
（たとえば、1mA未満）で、高速で動作する（すなわ
ち、遷移時間100ピコ秒）。この高速パルス発生器は、
高速転移の終りにトランジスタが飽和するため、リンギ
ングの無い非常に「きれいな」遷移を提供する。これに
代わる在来型の高速パルス発生器は、相対的に非常に高
価なステップ・リカバリ・ダイオードを主にベースとし
ている。
【００２８】本発明のセンサは、計画的なインピーダン
ス不整合をセンサ伝送線路の始端で用い、不整合箇所で
反射された基準パルスが、タイミングドリフト、すなわ
ち、距離読取りにおけるゼロオフセットを取り除くよう
に配してある。
【００２９】TDR（時間領域反射）の構成は (1) 伝送パ
ルス発生器からケーブルドライブノードまで接続された
小形 （すなわち 1pF)微分キャパシタと、(2) ドライブ
ノードから接地接続された50オーム終端抵抗と、(3) ドラ
イブノードに接続されたサンプリング・ダイオード と
から成っている。このように、本発明のTDR は、すべて
ではないにしろ、ほとんどの在来 TDR よりは簡略化さ
れている。一般に既存の TDR は抵抗を備えてキャパシ
タの代わりに使用しており、伝送パルス発生器により供
給されるパルスと区別するため、別個のパルス形成 ネ
ットワークが必要である。本発明のTDR で使用するキャ
パシタは、十分に小型ではあるが、ドライブノードに現
れる反射パルスに関して回路に負荷をかけない。従っ
て、これらのパルスは、抵抗が使用されている在来TDR
の場合のように減衰することがない。さらに、これらの
在来 TDR は、高価でロスが多い方向性結合器を多用し
ている。
【００３０】サンプリングダイオードの配向によって、
伝送パルスによる意図しないターンオンを防止し、ゲー
トパルスだけでターンオンされるようになる。伝送パル
スの持続時間の間、通常、直流バイアス電圧により逆バ
イアスされるダイオードは、伝送パルスによってさらに
逆方向にバイアスされ、ドライブノードから効果的に隔
離された状態を維持し、伝送パルスの最大振幅がケーブ
ルに送信され、最適SN比を得ることを可能にする。
【００３１】本発明のセンサは、組立用ツールとして、
または組立用ツールと一緒に使用することができる。た
とえば、センサをドリルと共に使用した場合、穿孔深さ
の正確な情報が得られる。また、自動車の電動開閉式窓
の安全性センサとして使用でき、ガイドワイヤが窓ガラ
スの中に埋め込まれ、手または対象物の近接によって反
射を生じさせ、この反射は窓モータへの電源を切断する
目的に検出される。
【００３２】
【発明の実施の形態】図１、2、及び図3は、本発明の好
ましい第1の実施態様により設計されたレベルセンサ10
の略図を表わす。レベルセンサ10は、一般にトランシー
バ 12を具備し、このトランシーバ 12は、50オーム同軸ケ
ーブルなどのケーブル16を介してガイドワイヤ、または
伝送線路14に電気的に連結している。発射プレート18は
ケーブル16のシールド19に接続され、鏡像電圧がシール
ド19上に誘導されないようにしてある。ケーブル16の内
部導線21がガイドワイヤ 14に接続してある。図3で示す
ように、ケーブル 16が発射プレート18に密封式、かつ
継目なしで接続され、抵抗20が発射プレート18の背面側
に位置決めされ、プラスチックの支持ハウジング24内に
埋め込まれている。
【００３３】トランシーバ 12は、ケーブル 16上を発射
プレート18に向け伝導される極度に短い電気パルスを発
生し、発射プレート18は送信アンテナの接地面としての
役割を果たし、かつこれらの電気パルスが近視野誘導電
磁(EM)波として発射されるのを援助する。このEM波は、
図示のようにその液面レベル23が測定される液体22内に
浸漬されたガイドワイヤ 14に沿って伝搬する。このEM
波が液体22の液面に到達すると、空気と液体間の境界面
により生じる不連続性のためEM波は部分的に反射され
る。
【００３４】反射波は、ガイドワイヤ 14沿いに受信ア
ンテナの接地面としての役割を果たす発射プレート18に
向け逆伝搬され、そこから反射パルスとしてトランシー
バ 12に向け伝送される。トランシーバ 12は伝送信号と
反射信号間の時間的遅延を測定し、その結果から発射プ
レート18に対する液面レベル23が確定される。
【００３５】反射パルスの規模Γは、以下の式に示すよ
うに空気の誘電率ε0と液体の誘電率εvatとに関連付け
られている。
【００３６】
【数１】Γ ＝ [1-(εvat/ε0)5]/[1+(εvat/ε0)5] トランシーバ 12は、パルスの往復移動時間を測定し、
標準電子カウンターすなわちディジタル表示に対する等
価時間(ET)ゲートを生成する。ゲートの持続時間は、等
価時間換算係数1.0インチ＝1.0 msにおいて、発射プレ
ート18と空気・液体境界面との間の距離が増えるに伴い
増大する。発射プレート18は、誘導波の発射を容易に
し、ケーブル 16に生じる帯電接地問題を最小限に抑え
る。
【００３７】センサ 10の重要な特徴は、計画的な反射
が発射プレート18に導入されることである。これに関し
て、発射プレート18とガイドワイヤ 14との間に接続さ
れた抵抗20は、EM波の部分的反射を生じさせる局部イン
ピーダンスの不連続性を提供するようにする。この反射
は、トランシーバ 12によって基準パルスまたは参照パ
ルスとして使用される。測定は基準パルスと反射パルス
との間で、トランシーバ12に対してではなく、むしろ発
射プレート18に対して行なわれ、従って、ケーブル 16
により導入されるエラーやドリフトは完全ではないにし
ても顕著に低減される。
【００３８】空気・液体境界面によっては反射されない
EM波は、液体22を経て、液体22を収納している容器また
は大おけ27の底部25に向けて入射伝搬を継続する。これ
らのEM波は底部25から反射され、ガイドワイヤ 14に沿
ってトランシーバ 12による処理のため逆伝搬される。
【００３９】この電磁波が入射伝搬中に他の2つの物質
の境界層、たとえば容器27の底部25に存在する気泡29や
固体被着物31などに遭遇すると、発射プレート18に向け
部分的に逆反射される。通常、本発明のセンサ 10は、
その伝搬経路に沿ったあらゆる不連続性を検出すること
ができ、さらにこのような不連続性の発射プレート18か
らの距離を測定することができる。
【００４０】本発明のセンサ 10の一般的な動作は、ト
ランシーバ 12からパルスを放射し、短時間(TSAMP)待機
した後、ゲートか窓を開いて反射パルスをサンプリング
する処理をベースとするものである。このプロセスは、
1MHzの速度で繰り返され、待ち時間TSAMPをインクリメ
ントする前に、約10-100の受信パルスが平均化される。
平均レベルが高いと、サンプリングされる信号に付随す
るランダムノイズが低減される。
【００４１】平均化されたパルスは、放射されたパルス
とゲート時間またはサンプラー回路の操作時間との間の
遅延により規定される一連の距離の内の特定の距離のパ
ルス反射率に対応する電圧レベルを備える。このプロセ
スは「距離ゲーティング」と呼ばれ、走査される表面レ
ベルと境界面についての深さ情報を提供する。
【００４２】本発明は、「距離ゲート」（すなわち走査
される領域）を等価時間にて掃引または走査する。距離
ゲートが表面レベルまたは境界面を通って移動すると、
距離ゲート内の反射率がトランシーバ 12により検出さ
れる。ゲートは通常、放射されるパルス幅に等しい持続
時間の間だけ開放状態に保たれる。本発明は、またトー
マス・イー・マックイーワン(Thomas E McEwan)に付与
され、“Wideband Receiver”「広帯域受信装置」と題
する米国特許第5,345,471号に記述された超広帯域受信
装置の概念を利用していおり、この文献を参照文献とし
て引用する。
【００４３】図4は、トランシーバ 12のブロック回路図
である。トランシーバ 12には、パルス繰返し周波数/パ
ルス繰返し間隔(PRF/PRI)発生器40の変調用、および1MH
z平均と1-10%のランダム変化、約1MHz すなわち1-10%PR
F ディザを有するPRFの作成用としてオプションのノイ
ズ発生器39が備わっている。 ディザは、発射プレート1
8からの放射スペクトラムを広げて、RFスペクトラムの
ユーザとの潜在的な干渉を低減し、またガイドワイヤ 1
4に現れる外部からの干渉信号のサンプルをランダム化
する。
【００４４】発射プレート18における受信された信号ま
たはパルスは、ランダム化されたサンプルがゼロ平均値
になるようにサンプリングかつ平均化され、これによっ
てRF送信装置など他の出所源からの干渉が大部分除去さ
れる。所望のエコーはディザによる影響を受けない。そ
れは、これらのエコーは伝送されて間もなく一定の時間
において受信され、次の繰返し間隔が生じる時間には影
響されないからである。ディザを与えることは、通常の
RFユーザとのスペクトラム両立性を与え、多数のセンサ
を近接して使用できるようにする。他のパルスシステム
によって放射された短いパルスをサンプリングする機会
は不規則であり、少ない。他のパルスシステムからの十
分なパルスを逐次サンプリングして、干渉性の検出可能
な信号を確立できる確率は、全ての実用目的において事
実上ゼロである。
【００４５】1MHz パルス繰返し周波数/繰返し間隔(PRF
/PRI)発生器40からのパルスは、2つの経路、すなわち伝
送経路42 とゲート経路 44に沿って入力される。伝送経
路42では、 PRF/PRI発生器40はパルス発生器 46を駆動
する。このパルス発生器46は、5Vで立ち上がり時間200
ピコ秒のステップ状パルスを提供し、それはキャパシタ
48(C =1pF)によりエッジを微分されて200ピコ秒幅のイ
ンパルスとなる。キャパシタ48の出力におけるインパル
スは、ケーブル 16に加えられ、そこから発射プレート1
8に送られる。
【００４６】発射プレート18は、表面レベル23または多
重物質境界面層から反射されたパルスをピックアップ
し、それらをケーブル 16を介してサンプルホールド回
路 50に送る。ケーブル 16の特性インピーダンス(Zo)に
等しい値を持つ終端抵抗(RT) 51がケーブル 16の基端部
に配したノード54と接地との間に接続されて、ノード54
とケーブル 16の先端部に配したノード56間における種
々の不連続性間の三重遷移反射を最小限に抑える。ノー
ド56は、特性インピーダンスZo の抵抗よりも大きい抵
抗 20に接続され、それにより反射、又は基準パルスの
振幅が空気／液体境界面からの反射と等しくなるように
設定される。
【００４７】サンプルホールド回路 50もノード54に接
続され、ゲート用経路44に加えられる一連のゲートパル
スにより2MHzの速度でゲートされる。サンプルホールド
回路50は、スイッチ又はサンプラー52と、サンプリング
された反射パルスを保持するため接地接続された保持キ
ャパシタ59とを備えている。サンプラー52は、ゲートパ
ルスによって一連の交代開閉を行なうように駆動され
る。ゲートパルスは、発射プレート18が伝送インパルス
を放射した時から約5-10ナノ秒の遅延距離にわたって遅
延される。ゲートパルスのタイミングは、掃引距離遅延
発生器53によって40Hzの掃引速度で、各ゲートパルスが
全遅延距離について各1/40秒に線形掃引されるように制
御される。これにより、サンプルされた電圧がホールド
キャパシタ59の両端に現われるが、これはサンプルホー
ルド回路 50の入力に見られる実時間反射パルスの等価
時間(ET)の複製である。言い換えれば、ナノ秒の時間ス
ケールで現われる波形が、ミリ秒の時間スケールで現わ
れる同一形状の波形に変換されるということである。
【００４８】距離遅延発生器53は、5V、立ち上がり時間
200ピコ秒のステップ状パルスを発生するパルス発生器5
5を駆動する。パルス発生器 55の出力はキャパシタ57に
よりエッジ微分され幅200ピコ秒のインパルスとなり、
サンプルホールド回路 50に加えられる。
【００４９】キャパシタ 59のサイズは十分に大きいた
め、各サンプルはキャパシタ 59を部分的に充電するだ
けであり、終端抵抗 51(RT)の両端に現われる信号と平
衡状態に達するには約10ないし100のサンプルが必要で
ある。一設計例として、キャパシタ 59は約22ピコファ
ラッドの大きさである。抵抗RTと並列のインピーダンス
Z 0とキャパシタ 59のキャパシタンスとの積は、ゲート
パルスの幅よりも遥かに大きい時定数を生じるため、キ
ャパシタ 59を充電するには多くのパルスが必要であ
る。たとえば、200ピコ秒のパルスが発射プレート18か
ら伝搬されると、反射されるパルスはゲートパルスと合
致する。受信された各パルスは、サンプルホールド回路
50のキャパシタ 59上に増分電圧変化△Vを生じるが、
正味のキャパシタ電圧は平均サンプルホールド回路 50
の出力である。増分△Vは受信パルス全体の1/Nで(△V=1
/N）、Nは平均されたサンプル数であり、通常、約10〜1
00である。Nは任意の値を仮定していることが理解され
るべきである。
【００５０】サンプルホールド回路 50のノイズ電圧
は、平均サンプル数の平方根に関連する定数、この場合
は10倍、およびシステムのPRF及びサンプラーの瞬間帯
域幅に対する平均回路の有効な時定数に関連する定数、
即ち、サンプルホールド回路50によりサンプリングされ
たデータの特性から生じた定数などによって低減され
る。要するに、２GHzの帯域幅（すなわち伝搬パルスの
帯域幅）を有する回路と比較して20dBを超えるノイズ低
減が達成される。
【００５１】サンプルホールド回路 50の出力側にある
等価時間の複製を、少なくとも100の利得と、10Hz〜10K
Hzの通過帯域を有する増幅器61に供給し、ピーク値がほ
ぼ1Vの等価時間振幅を得る。増幅器61の出力は、基準反
射パルスと空気・液体反射パルスとの間のタイミング関
係を示すアナログ信号を提供する。
【００５２】正と負のしきい値比較器63、64が、それぞ
れ増幅器61の出力に接続され、発射プレート18からの等
価時間基準パルス、及び、表面レベル23または境界面層
からの反射されたパルスを検出すると共に、セットーリ
セット・フリップフロップ66を切り換えて距離カウンタ
・ゲートパルスを生成する。
【００５３】セットーリセット・フリップフロップ66の
出力と PRF/PRI発生器40の出力とは、ANDゲート68に入
力され、その出力が距離カウンタ70に送られる。距離カ
ウンタ70 は2MHzの速度でクロックされ、高度の距離分
解能を得ることができる。ガイドワイヤ 14の等価時間
スケールファクタ1.0ms=1.0インチに対して、2MHz速度
の各距離カウンタ・パルスは0.5ミリ秒(mils)、すなわ
ち0.0005インチ(1インチ× 0.5μs/1.0ms)に相当する。
【００５４】一つの実験において観察されたジッタは、
1/40秒の測定更新間隔において、0.001インチrmsほどで
あった。距離カウンタ70は、平均化の目的用に測定値を
蓄積してジッタを軽減する。距離カウンタ70の出力は表
示装置72を駆動し、また、リセットする前にプロセッサ
（図示していない）に転送することもできる。
【００５５】センサ 10の精度は広い温度範囲にわたり
0.1インチ（約0.25cm）未満だけの変動である。このよ
うな好ましい安定性は、(1)基準パルスを使用して直接
伝送経路42やゲート経路44、およびケーブル 16におけ
るタイミングオフセット・ドリフトを除去したこと、
(2)ほぼ等振幅の基準および反射パルス検出しきい値+V
THおよび-VTHの使用によるパルス振幅変動の最少化、
(3)距離遅延53および距離ランプ回路77内での安定性RC
部品の使用、などに由来するものである。
【００５６】距離遅延発生器53のタイミング遅延は、ラ
ンプ発生器77から送られるランプ信号に応じて制御され
る。ランプ信号は、液体レベル23に出入すると予測され
る反射に相当する遅延距離の全域を距離遅延発生器53に
より掃引させるようにする。
【００５７】ランプ発生器 77は40 Hz走査発振器78によ
って駆動される。この40 Hz発振周波数は、在来のディ
ジタル周波数分周器を用いた2MHz PRF/PRI発生器40から
代わりに得られることが理解されるべきである。2MHz P
RF/PRI発生器40の出力はANDゲート 68に接続される。比
較器64が増幅器61からの等価時間基準パルスを検出する
と、フリップフロップ 66がセットされてAND ゲート 68
に2MHzクロックを距離カウンタ 70に給送できるように
なる。距離カウンタ 70は、増幅器 61からの等価時間液
体レベル反射パルスがしきい値を超えるのを比較器63が
検出するまで2MHzの速度でカウントを続ける。その時点
でフリップフロップ 66はリセットされ、AND ゲート 68
を不能にし、距離カウンタ 70を停止させる。そこで、
距離カウンタ 70内のデータは、バス79を経て信号プロ
セッサ（図示していない）および／または液体レベル表
示装置72へ供給される。
【００５８】また、各40 Hzランプの立上がりエッジで
距離カウンタにリセット信号が供給され、次の掃引に備
えて距離カウントをゼロにリセットする。この立上がり
エッジは、距離掃引の開始を信号で合図し、かつモニタ
・オシロスコープやデータ転送回路の同期をとるために
も使用することができる。
【００５９】等価時間(ET)スケールファクタに影響を及
ぼす、距離ランプ・タイミング内のドリフトに起因する
測定のずれは、距離ランプ発生器77を用いて除去するこ
とができる。この距離ランプ発生器77は、D/Aコンバー
タ(DAC)に接続されたPRFによりクロックされた距離カウ
ンタを基にディジタル式に増分されたランプ電圧を供給
するものである。この場合、PRF内に変動があると距離
ランプのタイムスケールに悪影響を及ぼすが、距離カウ
ンタ 70と距離ランプ発生器77とは比率式のため、この
変動を取り消すことができる。たとえば、PRFが減少す
ると、距離ランプはその全域にわたるサイクルタイムを
延ばして距離カウンタゲートパルスの幅を拡張するが、
この拡張されたパルスは、より低速なPRFをゲートする
ため、ゲートされるパルス数は元のままである。
【００６０】この二重カウンタ装置により、ドリフトの
唯一の未補償供給源となるのは実時間距離遅延回路を形
成するRC ネットワークであろう。百万/℃ドリフトあた
り30部品未満の、ほとんどの測定に適する低廉なRC部品
が入手できる。RC ネットワーク内のドリフトは、セン
サのスケールファクタのみ、すなわちガイドワイヤ 14
の見かけ上の長さにのみ悪影響を及ぼす。ゼロオフセッ
ト、又は、表面レベル23または境界面層に対する発射プ
レート18の位置は、基準パルスを用いて固定される。
【００６１】図5A及び図5Bは、センサ 10の好ましい実
施態様の回路図例である。ノイズ発生器39は、1993年 4
月 12日トーマス・イー・マックイーワン(Thomas E Mc
Ewan)により提出され、“Ultra-Wideband Radar Motion
Sensor”「超広帯域レーダ動作センサ」と題する、同
時係属米国特許出願第08/044,717号に記述されており、
この全てを参考文献としてここに挙げる。PRF/PRI発生
器40には直列に接続された2個のインバータ100と101(74
ACO4)が備わっている。フィードバック経路がインバー
タ100の入力とインバータ101の出力間に伸びており、直
列のキャパシタ103(C=22ヒ゜コファラット゛)を具備している。抵
抗 104(R=10 キロオーム)がインバータ100の入力と出力端子
間に接続してある。
【００６２】高速パルス発生器46は、その入力がインバ
ータ101の出力に接続してあるインバータ105(74ACO4)を
具備している。遅延トリマー半固定抵抗器107をインバ
ータ105の入力と任意に直列接続できる。インバータ105
の電源ピンが +5V電源バスとバイパスキャパシタ109(C=
0.01ファラット゛)とに接続してある。インバータ105の出力が
抵抗 110(R=22オーム)およびキャパシタ 112(C=10ヒ゜コファラット
゛)に直列に接続してある。抵抗 115(R=1キロオーム)が同時に
キャパシタ 112と、トランジスタ118(BFR92)のベースに
接続してある。トランジスタ118のコレクタが抵抗120(R
=1kオーム)を経て+5V電源バスに接続してある。
【００６３】キャパシタ 48は、トランジスタ118のコレ
クタと、50オーム同軸ケーブル 16の基端部、終端抵抗 5
1、およびサンプルホールド回路 50とを接続するノード
54との間に接続してある。実施例では、同軸ケーブル 1
6はさらに、正方形状で約2インチ（約5.0cm）の側面寸
法（他の寸法も可能）を有する発射プレート18に接続し
てある。
【００６４】サンプラ52は、ショットキーダイオード(H
P HSMS2810)、および一端がダイオード52に接続され、
他端が抵抗 125(R=100オーム）を経てアースに接続された
ホールドキャパシタ 59とを具備している。キャパシタ
57(C=0.5ヒ゜コファラット゛)はキャパシタ 59とパルス発生器44
間に接続してある。
【００６５】パルス発生器 44は、そのコレクタがキャ
パシタ 57と、抵抗 127(R=1キロオーム)を経て+5V電源バスと
に接続してあるトランジスタ126(BFR92)を具備してい
る。トランジスタ126のエミッタは接地され、そのベー
スはバイアス抵抗130(R=1キロオーム)に接続されている。パ
ルス発生器 44は、その入力が距離遅延発生器53に接続
され、その出力が抵抗 133(R=22オーム）とキャパシタ 134
(C=10ヒ゜コファラト゛)とを経てトランジスタ126のベースに直
列に接続されたインバータ131(l1=74ACO4)をさらに具備
している。
【００６６】距離遅延発生器53は、抵抗 140(R=4.7キロオー
ム）の一端に接続した第1の入力端子139を具備してい
る。抵抗 140の他端は、抵抗 142(R=10キロオーム)を経て+5V
電源バスに接続され、抵抗 144(R=4.7キロオーム）を経てラ
ンプ発生器77に接続され、可変シャントキャパシタ 146
(Cは2〜6ヒ゜コファラット゛）に接続され、また第1のインバータ
150(I1=74AC04)に接続される。この簡単なRC遅延回路(1
44,146)は、それに印加される制御距離遅延電圧に関し
て指数的遅延機能を提供する。この第1のインバータ150
の出力は、可変抵抗器149を経てインバータ131の入力に
接続した第2のインバータ151(I1=74AC04)の入力に接続
してある。抵抗 149の出力は、シャントキャパシタ 155
(C=4.7ヒ゜コファラット゛)に接続してある。
【００６７】ランプ発生器77は、一端が40Hz走査発振器
78の出力側に接続され、他端が抵抗152(R=1キロオーム)を経
てトランジスタ154(2N2222)ベースに接続されたキャパ
シタ153を具備している。トランジスタ154のベースは、
バイアス抵抗 156(R=10キロオーム)に接続してある。トラン
ジスタ154のエミッタは接地してある。ランプタイミン
グキャパシタ 157(C=1マイクロファラット゛)は、トランジスタ154
のコレクタと接地間に接続してある。
【００６８】40 Hz走査発振器 78には、直列に接続した
2個のNANDゲート 160、161が備わっており、NANDゲート
161の出力がランプ発生器77のキャパシタ 153に接続し
てある。NANDゲート 160の入力側はキャパシタ 165(C=
0.01ファラット゛)を経てNANDゲート161の出力に接続してあ
る。NANDゲート 161の入力も抵抗 162(R=2.2メク゛オーム)を
経てその出力に接続してある。NANDゲート 161の出力は
抵抗 166(R=10キロオーム)を経て“SYNC”端子に接続してあ
る。“SYNC”端子はテストの目的で同期用パルスをオシ
ロスコープ（図示していない）に給送する。
【００６９】図5Bについて説明する。増幅器 61の入力
はショットキー・ダイオード52の陰極に接続され、ま
た、ホールドキャパシタ 59に抵抗 170(R=10キロオーム)を介
して接続してある。増幅器 61には、一端をバイアス抵
抗 174(R=1メク゛オーム)に接続し、他端をインバータ175(MC1
4069)に接続したキャパシタ 172(C=0.1マイクロファラット゛)が備
わっている。インバータ175は、キャパシタ 177(C=100ヒ
゜コファラット゛)と抵抗 179(R=2.2メク゛オーム)とを並列に配置して
形成したフィードバックRC回路に接続してある。インバ
ータ175の出力は、インバータ180(I3=MC14069)の入力に
キャパシタ 181(C=2マイクロファラット゛)と抵抗 183(R=100キロオー
ム)を経て接続してある。インバータ180は、キャパシタ
185(C=470pF)と抵抗 188(R=470キロオーム)とを並列に配置し
て形成したフィードバックRC回路に接続してある。
【００７０】正のしきい値比較器 63 は、一端をインバ
ータ180の出力に接続し、他端をバイアス抵抗 192(R=1メ
ク゛オーム)およびインバータ193(MC14069)の入力とに接続し
た入力抵抗 190(R=330キロオーム)を具備している。インバー
タ193の電源ピンは、+5V電源バスに抵抗 195(R=1キロオーム)
を介して接続してあり、さらにバイパスキャパシタ196
(C=100マイクロファラット゛)にも接続してある。
【００７１】負のしきい値比較器 64は、一端をインバ
ータ180の出力に接続した入力抵抗 200(R=330キロオーム)を
具備している。入力抵抗 200の他端は、バイアス抵抗 2
02(R=680キロオーム)を介して+5V電源バスに接続され、ま
た、インバータ203(I3=MC14069)の入力に接続してあ
る。
【００７２】セット-リセット フリップフロップ 66
は、2個のNANDゲート 210, 212(74HC00)を具備してお
り、インバータ215の電源ピンは、+5V電源バスとバイパ
スキャパシタ 215(C=0.01マイクロファラット゛)に接続してある。
NANDゲート 210の入力の1つが、インバータ193の出力に
ダイオード219を経て接続してあり、さらに抵抗 217(R=
1.5メク゛オーム)を介して+5V電源バスにも接続してある。ダ
イオード219の陽極がタイミングキャパシタ 220(C=0.00
3マイクロファラット゛)に接続してある。インバータ203の出力が
インバータ204(I3=MC14069)を経てNANDゲート 212の入
力に接続してある。
【００７３】図6は、発射プレート18に生じるET基準パ
ルスと、ガイドワイヤ 14の1インチ（約2.5cm）と8イン
チの浸漬レベルに対する空気・液体反射パルスP(1)、P
(2)それぞれのオシロスコープでのトレースを表わす。
空気・液体反射パルスは、ほぼ200ピコ秒の幅（持続時
間）である。距離カウンタ 70のゲートパルスは、基準
反射パルスの目盛りTM1が開始、空気・液体反射パルス
の目盛りTM2が終了マークで、これにより液体レベル23
上でのガイドワイヤ 14の長さが測定される。
【００７４】当業者には、本発明の上記記述を検討した
後、本発明の範囲を逸脱すること無く種々の修整が行わ
れることが明白となろう。たとえば、前述の回路図は個
別の部品に関連して記述されているが、同回路は、公知
の集積回路技術によって統合、かつ小型化されるもので
ある。発射プレート18は、種々のプレーナおよび非プレ
ーナ形状と幾何学的寸法をとることができ、たとえば不
規則な形状の容器上で使用できるような輪郭を持たせる
ことができる。
【００７５】伝送線路すなわちガイドワイヤ 14には、
色々な設計が考えられる。たとえば、単線、二線、誘電
体で分離した二線式、中空管、管外部の流体サンプル電
磁波用の誘電コア壁または溝壁付きの導電性管、誘電体
管、その他の変種である。また、ガイドワイヤ 14とし
て、既存容器の金属構造部材を使用することもできよ
う。
【００７６】図7は、液体277を収納する誘電体または金
属容器275の斜視、切欠略図である。同図において、ガ
イドワイヤはマイクロストリップ278であって、容器275
の内面280に取り付け、軸方向に所定の深さまで伸長す
る。この特定の実施態様において、発射プレートは厳密
には必要としないが、しかし、不連続性インピーダンス
と共に基準パルスを導入するため、マイクロストリップ
の上端に抵抗20を備える必要がある。マイクロストリッ
プ278は、反射パルスの規模にはほとんど影響しない保
護絶縁コーティングで被覆することができる。
【００７７】図3は、センサ 10の線形変位モードを示す
もので、電磁ガイドワイヤ 14は、通常、自由空間内に
突出して、金属または誘電体の対象物28がガイドワイヤ
14と接触、あるいは近接するように配置または移動さ
せられ、センサ 10の作動に関連して前述したように、
測定可能な反射が作り出される。ガイドワイヤ 14はマ
イクロストリップ、または伝送路型の他のタイプで形成
することができる。
【００７８】図8は、本発明によるセンサ 10を用いたド
リル300など工具の側面図である。センサ 10によって穿
孔用ドリルの刃先302が表面レベル303を超えて貫通する
深さ(P)を正確に測定することができる。ドリルの刃先
先端307と発射プレート18間の距離(L)が固定されるよう
に発射プレート18がドリル本体305に固着してある。た
とえば、いくつかの応用例で、距離(L)はドリルの刃先3
02の全長と等しくなる。穿孔作業が始まると、センサ 1
0が発射プレート18と表面レベル303間の距離(S)を測定
し、貫通深さ(P)の正確な測定値を式 P＝L-S によって
得る。
【００７９】創意に富む物質レベルセンサの固有の実施
態様について図解と記述を行なってきたが、装置、パラ
メータ、材料、製法、用途および操作法についての修正
や変更は、本発明の範囲から逸脱することなく当業者に
とって明白になろう。
【００８０】
【発明の効果】本発明によれば、廉価で精密で軽量の、
かつ使用が簡単な改良型レベルセンサを提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第1の好ましい実施態様によ
って位置決めされた物質レベルセンサの側面図
【図２】図２は、図1のセンサの平面図
【図３】図３は、図1及び図２のセンサの側面図
【図４】図４は、図1〜図3のセンサを形成する電気回路
のブロック図
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは図1〜図4のセンサの詳細な
回路線図
【図６】図６は、図1〜図5のセンサの一部を形成する発
射プレートで生じる等価時間の基準パルスについてオシ
ロスコープによるトレース、および1インチ(約 2.5cm )
と8インチ(約 20cm )各レベルに浸漬された空気・流体
の反射パルスを表わす図
【図７】図７は、壁部に沿ったマイクロストリップ伝送
線路センサを有する容器の切欠略図
【図８】図８は、ドリルの深さを測定するため本発明の
センサを用いたドリルの側面図
【符号の説明】
１２ トランシーバ １４ ガイドワイヤ １６ 同軸ケーブル １８ 発射プレート ２０ インピーダンス
【手続補正書】
【提出日】平成１５年５月２７日（２００３．５．２
７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マッキーワン，トーマス，イー. アメリカ合衆国，94550 カリフォルニア 州，リバーモア，カイロ ストリート 1734 Ｆターム(参考） 2F014 FC01 GA01

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物質の表面レベルまたは境界面レベルを
    測定するセンサであって、 電気的伝送パルスを発生するトランシーバ と、 少なくとも部分的に前記物質内に浸漬されたガイドワイ
    ヤと、 前記トランシーバと前記ガイドワイヤを電気的に結合す
    る導電体と、 前記ガイドワイヤとの結合点にて前記導電体に接続され
    た発射プレートと、を備え、 前記伝送パルスは、前記導電体上を前記発射プレートに
    向けて伝導し、 前記発射プレートは、送信アンテナの接地面として機能
    し、前記電気的伝送パルスが近視野誘導電磁(EM)波とし
    て発射されることを援助し、さらに前記トランシーバへ
    送り戻される基準パルスを生成し、 前記EM波は、前記ガイドワイヤに沿って伝搬し、前記表
    面または前記境界面によって少なくとも部分的に反射さ
    れ、 前記反射EM波は、前記ガイドワイヤに沿って前記発射プ
    レートに向けて逆伝搬し、前記発射プレートは受信アン
    テナの接地面として機能し、前記反射EM波は、前記発射
    プレートから反射パルスとして前記トランシーバに向け
    て伝送され、 前記トランシーバは、前記基準パルスと前記反射パルス
    間の時間遅延を決定し、前記発射プレートに対する前記
    表面レベルまたは境界面レベルを確定することを特徴と
    するセンサ。
  2. 【請求項２】 前記導電体は内部導線と外部シールドを
    有する同軸ケーブルであり、前記発射プレートは前記外
    部シールドに接続されて該プレート上における鏡像電圧
    の誘発を防止し、前記内部導線は前記ガイドワイヤに接
    続することを特徴とする請求項1記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記発射プレートと前記ガイドワイヤ間
    に接続され、前記EM波を部分的に反射して前記基準パル
    スを生成する局部的なインピーダンスの不連続生じさせ
    て、前記基準パルスと前記反射パルス間で行われる測定
    において前記同軸ケーブルにより導入されるエラーとド
    リフトを低減するインピーダンスを有することを特徴と
    する請求項2記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 前記トランシーバは、前記基準パルス
    と反射パルスの往復移動時間を測定してカウンタに対す
    る等価時間(ET)ゲートを生成し、前記ETゲートの時間
    は、前記発射プレートと物質表面または境界面間のと距
    離が長くなるのに伴い増大することを特徴とする請求項
    1記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記トランシーバは、パルス繰返し周波
    数／パルス繰返し間隔(PRF/PRI)発生器と、前記PRF/PRI
    発生器の変調用ノイズ発生器と、を有し、10kHz−10Mhz
    平均と前記平均について約1-10%の不規則変化（ディ
    ザ）を有するPRFを生成し、 前記ディザは、前記発射プレートからの放射スペクトラ
    ムを広げ、RFスペクトラムユーザとの潜在的干渉を低減
    するとともに、前記ガイドワイヤに現われる外部干渉信
    号のサンプルをランダム化することを特徴とする請求項
    1記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 前記トランシーバは前記反射パルスをサ
    ンプリング及び平均化する手段を有し、ランダム化され
    たサンプルの平均値をゼロにすることにより他の出所か
    らの干渉を実質的に除去することを特徴とするた請求項
    1記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 前記トランシーバは、伝送経路とゲート
    経路とに同時に接続されたパルス繰返し周波数／パルス
    繰返し間隔(PRF/PRI)発生器を有することを特徴とする
    請求項1記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 前記トランシーバは、前記PRF/PRI発生
    器に接続され、10ナノ秒未満の立ち上がり時間ステップ
    状パルスを発生するパルス発生器と、 前記ステップ状パルスをエッジ微分して10ナノ秒幅未満
    のインパルスを生成する微分器と、を備え、 前記インパルスは、前記同軸ケーブル、及び、該ケーブ
    ルから前記発射プレートに加えられることを特徴とする
    請求項7記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 前記ガイドワイヤはマイクロストリップ
    伝送線路である請求項1記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 物質の表面レベルまたは境界面レベル
    を検出する方法において、 導線をガイドワイヤに電気的に結合する工程と、 発射プレートを前記導線とガイドワイヤとの間に接続す
    る工程と、 前記ガイドワイヤを少なくとも部分的に前記物質内に浸
    漬する工程と、 電気的伝送パルスを前記導電体内に入力する工程であっ
    て、前記伝送パルスを前記導電体上で前記発射プレート
    に向けて伝導させ、前記発射プレートを送信アンテナの
    接地面として機能させ、かつ前記電気パルスが近視野誘
    導電磁(EM)波として前記ガイドワイヤ内に発射されるの
    を援助し、さらに前記導線内に送り戻される基準パルス
    を生成する工程と、 期間(TSAMP)を待機する工程と、 前記EM波を、前記ガイドワイヤに沿って伝搬させ、前記
    表面または前記境界面によって少なくとも部分的に反射
    させる工程と、 前記反射EM波を、前記ガイドワイヤに沿って前記発射プ
    レートに向け逆伝搬させ、該発射プレートを受信アンテ
    ナの接地面として機能させ、前記反射EM波を、前記発射
    プレートから反射パルスとして前記導線に向けて伝送す
    る工程と、 ゲートをオープンして前記反射パルスがサンプルされる
    ようにする工程と、 前記待機工程とオープン工程を約10kHz乃至10MHzの速度
    で繰返し、期間(TSAMP)の増分に先立ち約10乃至10,000
    の反射パルスの平均化を可能にする工程と、 前記基準パルスと前記反射パルス間の時間遅延を決定
    し、前記発射プレートに対して前記表面レベルまたは境
    界面レベルを確定する工程と、を備えることを特徴とす
    る検出方法。
  11. 【請求項１１】 前記伝送パルスは約10ナノ秒未満の立
    ち上がり時間を有することを特徴とする請求項10記載の
    検出方法。
  12. 【請求項１２】 物質の表面レベルまたは境界面レベル
    を測定するセンサであって、 電気的伝送パルスを発生するパルス発生器と、 少なくとも部分的に前記物質内に浸漬されたガイドワイ
    ヤと、 前記パルス発生器と前記ガイドワイヤを電気的に結合さ
    せ、前記伝送パルスを前記ガイドワイヤに対して近視野
    誘導電磁(EM)波として伝導して、前記EM波が前記表面ま
    たは前記境界面により少なくとも部分的に反射されて対
    応する電気的反射パルスに変換されるようにする導電体
    と、 単一ダイオードからなり、前記反射パルスをサンプリン
    グするサンプラーと、 前記伝送パルスと反射パルス間の時間的遅延を決定し
    て、前記表面レベルまたは境界面レベルを確定する手段
    と、を備えることを特徴とするセンサ。
  13. 【請求項１３】 物質の表面レベルまたは境界面レベル
    を測定するセンサであって、 電気的伝送パルスを発生するパルス発生器と、 少なくとも部分的に前記物質内に浸漬されたガイドワイ
    ヤと、 前記パルス発生器と前記ガイドワイヤを電気的に結合さ
    せ、前記伝送パルスを前記ガイドワイヤに対して近視野
    誘導電磁(EM)波として伝導して、前記EM波が前記表面ま
    たは前記境界面により少なくとも部分的に反射されて対
    応する電気的反射パルスに変換されるようにする導電体
    と、 前記反射パルスを受取るサンプルホールド回路と、 前記サンプルホールド回路に伝送されるゲートパルスの
    タイミングを調整する指数的距離遅延回路と、 前記伝送パルスと反射パルス間の時間的遅延を決定し、
    前記表面レベルまたは境界面レベルを確定する手段と、
    を備えることを特徴とするセンサ。
  14. 【請求項１４】 前記指数的距離遅延回路は、指数的遅
    延関数を提供するRC遅延回路を備えることを特徴とする
    請求項13記載のセンサ。
  15. 【請求項１５】 前記指数的距離遅延回路は、等価時間
    指数的ランプをさらに有し、該ランプは線形掃引遅延機
    能を提供するために前記RC遅延回路への掃引入力として
    用いられることを特徴とする請求項14記載のセンサ。
  16. 【請求項１６】 前記サンプルホールド回路は、ホール
    ドキャパシタ、及び、単一のダイオードからなるサンプ
    ラーを備えることを特徴とする請求項13記載のセンサ。
  17. 【請求項１７】 各ゲートパルスは遅延距離にわたり線
    形に掃引されて前記ホールドキャパシタの両端にサンプ
    ル電圧が現われるようにし、かつ前記反射パルスの等価
    時間複製であるサンプル電圧が前記ホールドキャパシタ
    の両端に現われるようにすることを特徴とする請求項16
    記載のセンサ。
  18. 【請求項１８】 物質の表面レベルまたは境界面レベル
    を測定するセンサであって、 パルス繰返し間隔発生器と、 前記パルス繰返し間隔発生器に接続された伝送パルス発
    生器と、 前記伝送パルス発生器に接続された微分キャパシタと、 前記微分キャパシタから接地接続された終端抵抗と、 前記微分キャパシタと前記終端抵抗に接続された第1の
    端部を有する導線と、 前記導線の第2の端部に接続され、かつ物質内に浸漬可
    能の伝送線路と、 前記導線の第1の端部に接続された第1の入力を有する高
    入力インピーダンス・サンプラと、 前記サンプラの出力に接続されたホールドキャパシタ
    と、 前記パルス繰返し間隔発生器に接続された第1の入力を
    有するランプ遅延発生器と、 前記ランプ遅延発生器に接続された遅延パルス発生器
    と、 前記遅延パルス発生器に接続され、かつ前記サンプラの
    第2の入力に接続された遅延パルス微分キャパシタと、
    を備えることを特徴とするセンサ。
  19. 【請求項１９】 前記ランプ遅延発生器の第2の入力に
    接続された等価時間ランプ発生器を備えることを特徴と
    する請求項18記載のセンサ。
  20. 【請求項２０】 前記ランプ発生器は指数的電圧出力を
    有することを特徴とする請求項19記載のセンサ。
  21. 【請求項２１】 前記ランプ遅延発生器は、入力の関数
    として指数的遅延を生じさせることを特徴とする請求項
    20記載のセンサ。
  22. 【請求項２２】 前記ランプ発生器は、前記ランプ遅延
    発生器の時定数より少ない指数時定数を有することを特
    徴とする請求項21記載のセンサ。
  23. 【請求項２３】 前記ランプ発生器はミリ秒の時定数を
    有し、前記ランプ遅延発生器はナノ秒の時定数を有する
    ことを特徴とする請求項22記載のセンサ。
  24. 【請求項２４】 前記ホールドキャパシタに接続された
    増幅器と、 前記増幅器に接続された第1と第2の比較器と、 前記第1の比較器に接続されたセット入力と、前記第2の
    比較器に接続された第2の入力とを備えるセット／リセ
    ット フリップフロップと、を備え、 該第1の比較器は基準入力-VTH を有し、第2の比較器は
    基準入力 +VTHを有することを特徴とする請求項18記載
    のセンサ。
  25. 【請求項２５】 前記セット／リセット フリップフロ
    ップに接続された第1の入力と、前記パルス繰返し間隔
    発生器に接続された第2の入力とを有するゲートと、 前記ゲートに接続された距離カウンタと、を備え、前記
    フリップフロップは前記ゲートを使用可能及び不能とす
    ることを特徴とする請求項24記載のセンサ。
  26. 【請求項２６】 前記ランプ発生器および前記距離カウ
    ンタに接続された走査発振器をさらに備えることを特徴
    とする請求項25記載のセンサ。
  27. 【請求項２７】 前記走査発振器は前記パルス繰返し間
    隔発生器の整数分の一で動作することを特徴とする請求
    項26記載のセンサ。
  28. 【請求項２８】 前記パルス繰返し間隔発生器に接続さ
    れ、該パルス繰返し間隔発生器にディザを重畳するノイ
    ズ発生器を備えることを特徴とする請求項18記載のセン
    サ。
  29. 【請求項２９】 前記伝送パルス発生器と前記遅延パル
    ス発生器とのいずれかが、論理ゲートと、前記論理ゲー
    トにより駆動されるバイポーラトランジスタと、を備え
    ることを特徴とする請求項18記載のセンサ。
  30. 【請求項３０】 前記ランプ遅延発生器は直列抵抗およ
    び接地分路された可変キャパシタを有し、前記ランプ発
    生器は直列接続された抵抗及びキャパシタを備えること
    を特徴とする請求項21記載のセンサ。
  31. 【請求項３１】 前記導線の第２の端部に接続された発
    射プレートを更に備えることを特徴とする請求項12乃至
    24の何れか１つに記載のセンサ。
  32. 【請求項３２】 前記サンプラはダイオードである請求
    項18記載のセンサ。
  33. 【請求項３３】 前記増幅器はトランス・インピーダン
    ス増幅器である請求項24記載のセンサ。
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