JP2004257983A - Ultrasonic level meter and liquid level detection method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計及び該レベル計を用いた液面検出方法、より詳細には、容器に収容された液化ガス等の内容物の液面を容器外部から検出するための超音波レベル計及び該レベル計を用いた液面検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
送受信兼用の超音波センサを用いた超音波レベル計は、超音波センサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。この超音波レベル計は、容器又は貯槽(以下、容器で代表するものとする)の板厚によって通過周波数帯域が異なることから、適用周波数範囲の異なる超音波センサを数種類用意し、容器の板厚範囲に適する超音波センサを選定していたが、多品種となってしまうため、量産効果が得にくく、低コスト化することが困難であった。そこで、適応周波数範囲の広い超音波センサを用いて、適応可能な容器板厚範囲を拡大させることで、多品種化を避けることが可能と考えられる。
【0003】
しかしながら、超音波センサの広帯域化による副作用として、S/N劣化が起きてしまい、安定した液面計測を行うことができない。板厚によっては、特に板厚が増加すると最適周波数の選定に対して、反射エコーレベルより残響波レベルが支配的になる方向で、S/Nの低下が起こり、単純なゲイン制御のみでは十分なS/Nを確保できなくなる。
【0004】
従来、超音波センサを用いた対象物検出方法として、容器外側部分に探触子を取り付けた状態で、対象物の検出を行う場合に、板厚及び材質がどのような容器に対しても使用可能な汎用性のある超音波センサを提供できるようにしたものが提供されている。これは、探触子からの発射波形及び反射波形のデータを入力し、波形の減衰特性の相違に基づいて探触子の圧電素子と容器との間の共振周波数を検出し、このとき検出した共振周波数を運転周波数として登録するようにしたものである。(例えば、特許文献1参照)
【0005】
【特許文献1】
特開2000−213979号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、広範囲の板厚に対して適応可能な周波数帯域の広い超音波センサを利用した場合でも、バンドパスフィルタの帯域を切り換えることでS/Nを低下させず、安定した液面検出を可能とすること、さらに、バンドパスフィルタの帯域切り換えに加えて、超音波センサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように変化させると共に、超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、残響により検出できない不感帯時間(距離)を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現できるようにすること、をその目的とし、広範囲の板厚に対して適用可能とすると共に、液面位置の低い場合から高い場合まで液面計測を可能とする超音波レベル計及び該超音波レベル計を用いた液面検出方法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波センサにより送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、前記容器の底板を透過する透過周波数成分に応じて周波数帯域を切り換えることにより前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出可能とする帯域可変フィルタと、該帯域可変フィルタにより抽出した信号を所定の増幅率で増幅する増幅手段と、該増幅手段の増幅率に基づき増幅された信号の中から前記液面からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出するエコータイミング検出手段と、該検出したエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出手段とを有することを特徴としたものである。
【0008】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記超音波センサは、前記制御部から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信することを特徴としたものである。
【0009】
請求項3の発明は、請求項1または2の発明において、前記制御部は、パルス信号の入力により前記超音波センサの駆動開始時点から前記液面からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、前記超音波センサの駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出する残響マージン検出手段を有することを特徴としたものである。
【0010】
請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれか1の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記残響マージン検出手段は、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記制御部は、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記周波数帯域を調整することを特徴としたものである。
【0011】
請求項5の発明は、請求項1ないし4のいずれか1の発明において、前記増幅手段は、前記帯域可変フィルタにより抽出した信号の増幅率を、前記超音波センサの駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより前記液面の位置に応じた増幅率を設定できるようにしたことを特徴としたものである。
【0012】
請求項6の発明は、請求項1ないし5のいずれか1の発明において、前記制御部は、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、該変化させた発振時間に応じてパルス信号を前記超音波センサに入力する超音波センサ駆動手段を有し、前記超音波センサは、前記超音波センサ駆動手段から入力されるパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら超音波を送信できるようにしたことを特徴としたものである。
【0013】
請求項7の発明は、請求項3ないし6のいずれか1の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記残響マージン検出手段は、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記増幅手段は前記超音波センサの駆動時点で増幅率を低下させ、該低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させると共に、前記超音波センサ駆動手段は前記超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させ、さらに、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記増幅率、発振時間、周波数帯域のいずれか1又は複数をそれぞれ調整することを特徴としたものである。
【0014】
請求項8の発明は、請求項1ないし7のいずれかに1の発明計において、前記容器内部の液面位置を検出する際に、前記超音波センサ駆動手段は、発振周波数を変化させながら前記超音波センサから超音波を複数回送信させ、前記制御部は、該送信させた各超音波について前記容器底板での残響の状態を分析することにより、前記容器の底部外壁面の超音波の透過に適した共振周波数を検出し、該検出した共振周波数を含む駆動周波数帯域で超音波を送信させるためのパルス信号を前記超音波センサに入力できるようにしたことを特徴としたものである。
【0015】
請求項9の発明は、請求項8の発明において、前記制御部は、前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えることにより、前記超音波センサから入力された信号の周波数成分から前記共振周波数を含む周波数成分を抽出できるようにしたことを特徴としたものである。
【0016】
請求項10の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計を用いた液面検出方法において、前記超音波センサにより送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、前記容器の底板を透過する透過周波数成分に応じて帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えることにより前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出する抽出ステップと、該抽出した信号を所定の増幅率で増幅する増幅ステップと、該増幅した信号の中から前記液面からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出するエコータイミング検出ステップと、該検出したエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出ステップとを有することを特徴としたものである。
【0017】
請求項11の発明は、請求項10の発明において、前記制御部から入力されるパルス信号に基づいて前記超音波センサから超音波を送信することを特徴としたものである。
【0018】
請求項12の発明は、請求項10または11の発明において、パルス信号の入力により前記超音波センサの駆動開始時点から前記液面からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、前記超音波センサの駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出することを特徴としたものである。
【0019】
請求項13の発明は、請求項12の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記周波数帯域を調整することを特徴としたものである。
【0020】
請求項14の発明は、請求項10ないし13のいずれか1の発明において、前記帯域可変フィルタにより抽出した信号の増幅率を、前記超音波センサの駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより前記液面の位置に応じた増幅率を設定できるようにしたことを特徴としたものである。
【0021】
請求項15の発明は、請求項10ないし14のいずれか1の発明において、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、該変化させた発振時間に応じてパルス信号を前記超音波センサに入力し、該入力したパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら前記超音波センサから超音波を送信できるようにしたことを特徴としたものである。
【0022】
請求項16の発明は、請求項12ないし15のいずれか1の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記超音波センサの駆動時点で増幅率を低下させ、該低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させると共に、前記超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させ、さらに、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記増幅率、発振時間、周波数帯域のいずれか1又は複数をそれぞれ調整することを特徴としたものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明が適用される超音波レベル計を容器に設置した構成例を説明するための図で、図中、10はコントローラ(制御部)、20は超音波センサ(圧電センサ)、21は超音波センサ20から送信する超音波、17はコントローラ10の表示部、30は液化ガスや灯油等の液体を収容する貯槽又は容器(以下、容器で代表する)、31は液面である。超音波レベル計は、コントローラ10と超音波センサ20からなり、超音波センサ20は容器30の外部底面に図示しないマグネット等により設置され、有線によりコントローラ10に接続されている。尚、超音波センサ20とコントローラ10との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者により故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。また本例では、容器内部の液体の液面を検出対象として検出する場合を代表例として説明するが、本超音波レベル計により検出可能な対象物は液体の液面に限らず、例えば、固体物の検出にも適用可能である。
【0024】
上記のような構成において、例えば、液体の液面31を検出しようとする際に、作業者はコントローラ10を操作して、超音波センサ20から超音波21を送信し、主に液面31で反射して戻ってきた反射エコーを受信し、この受信した反射エコーに基づいて液面位置、すなわち液面31までの距離(以下、液面距離という)を算出し、さらに算出した液面距離に基づいて容器30内の液体容量を算出することができる。
【0025】
液面31の高さを検出する際に、超音波センサ20は、容器30の底部壁に向けて上方に超音波を送信する。送信した超音波は、液面31で反射して戻ってくるが、液面31の高さに応じて超音波センサ20が反射波を受信するまでの遅延時間が異なる。コントローラ10は、受信した反射波の遅延時間から液面距離を算出するためのデータ、例えば温度や伝播媒質(空気又は液体等)に応じた音速データ等を保持しており、このデータに基づいて液面距離を算出する。
【0026】
ここで、容器30の底部壁が、例えば鉄板である場合について、この鉄板に超音波センサ20を取り付けた際、この鉄板の板厚が大きくなるに従って、鉄板境界部で反射する音波の影響で残響特性が顕著になり、これにより、最低検出距離マージンを低下させてしまうため、特に近距離側での安定な液面検出が困難となってしまう。また、板厚の増加による鉄板透過周波数解の接近と、これと同時に鉄板の境界で反射する周波数解も増加し接近してくるため、超音波センサの残響波による自由振動領域に対して前記境界で反射してくるエコーが重なり、見かけ上残響波の大きい特性となる。本発明の超音波レベル計は、広範囲の板厚に対して適応可能な周波数帯域の広い超音波センサを利用した場合でも、バンドパスフィルタの帯域を切り換えることでS/Nを低下させず、安定した液面検出を可能とし、液面位置の低い近距離側において残響波を減衰させ、受信信号として必要な領域では帯域フィルタとしての効果を得るための帯域切り換えバンドパスフィルタを備えるものである。
【0027】
また、超音波センサ20と鉄板との音響結合により、センサ共振周波数帯域と、鉄板の透過周波数スペクトルとの関係から、鉄板を含むセンサ振動系の振動状態、すなわち残響波による自由振動の状態が変化してしまう。このため、液面位置が低い場合の液面を計測する際、液面からの反射波が自由振動内、すなわち残響波に重なってしまうことがある。このような場合、反射波を捕らえることができず、液面距離を計測できない不感帯時間(距離)が発生する。本発明の超音波レベル計は、残響波による影響を低減しつつ、反射エコーを受信するために必要な感度を維持できるようにして液面位置が低い場合から高い場合まで液面計測を可能とするものである。
【0028】
図2は、本発明の超音波レベル計の回路構成例について示した図である。本超音波レベル計のコントローラ10は、受信回路11,可変型バンドパスフィルタ(以下、可変型BPFという)12,増幅手段13,検波回路14,エコータイミング検出手段15,液面検出手段16,表示部17,残響マージン検出手段18,超音波センサ駆動手段19,図示しないCPUを有する。尚、超音波センサ20は、コントローラ10から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信するものとし、このパルス信号にはあらゆる周波数成分を含む矩形波パルス信号が望ましく、これにより容器30の板厚及び材質が変化した場合でも対応が可能となる。尚、本実施形態において、受信回路11と可変型BPF12とは別々に図示しているが、可変型BPF12を受信回路11に物理的に含めるように構成してもよい。
【0029】
以下、コントローラ10の動作について詳細に説明する。
可変型BPF12は、超音波センサ20により送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、容器30の底板を透過する透過周波数成分に応じて周波数帯域を切り換えることにより、前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出可能とする。例えば、容器30の底部鉄板に超音波センサ20を取り付けた状態で、図2に示すLCフィルタの過渡応答による減衰効果が得られる定数を3種類の周波数帯域で割り振らせ、各周波数帯域に応じたフィルタを適切に切り換えて、所定範囲の板厚に応じた全周波数帯域に対し残響特性、反射感度特性を両立させるようにする。
【0030】
図3は、本発明が適用される所定の板厚範囲に応じた可変型BPF12の回路構成例について示した図で、可変型BPF12は、切り換え部12aを有している。本実施形態の可変型BPF12は、板厚約4.5mm〜15mmに対応した周波数帯域として、650〜850kHz(フィルタA)、800〜1050kHz(フィルタB)、1000〜1300kHz(フィルタC)の3種類に割り振って適宜切り換えて使用するものとする。この場合、切り換え部12aにはOFF時のキャパシタンス値が100P以下のフォトモスを使用することで、帯域を損ねずに広帯域特性を実現することができる。また、フォトモスを同時にONさせることで、このキャパシタンス値によっては高次に帯域を広げる設計も可能となり、組み合わせによる広帯域化を実現することもできる。
【0031】
このように、可変型BPF12は、LCフィルタの過渡応答による減衰効果が得られる定数を3種類の周波数帯域で割り振らせ、板厚に応じた全周波数帯域に対して残響特性、反射感度特性を両立させることができる。コントローラ10は、容器30の底部板厚に基づいて、超音波センサ20の共振周波数と、実際に透過させる板厚固有周波数との関係で残響レベルが最大となる帯域に対して、可変型BPF12を切り換えて、大きく減衰効果を作用させる。また、板厚の範囲と、残響の絶対値レベルに基づいて、可変型BPF12の切り換えを最小数に抑えて組み合わせるようにする。上記板厚範囲(約4.5〜15mm)の場合には最小3段階の切り換えとする。このように切り換え数を最小限にすることで高速安定性を高めることができる。
【0032】
増幅手段13は、可変型BPF12により抽出した周波数成分に応じた信号を所定の増幅率で増幅する。エコータイミング検出手段15は、増幅手段13に設定した増幅率に基づいて液面31からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出する。液面検出手段16は、エコータイミング検出手段15により検出したエコータイミングに基づいて液面31の位置を検出する。
【0033】
残響マージン検出手段18は、パルス信号の入力により超音波センサ20の駆動開始時点から液面31からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、超音波センサ20の駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響、すなわち容器30の底板での反射波に起因する残響、あるいは駆動停止後の慣性による自己振動等に起因する残響などを含み、これら残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出する。
【0034】
超音波センサ駆動手段19は、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、変化させた発振時間に応じてパルス信号を超音波センサ20に入力することができる。超音波センサ20は、超音波センサ駆動手段19から入力されるパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら超音波を送信することが可能となる。この場合、超音波センサ駆動手段19は、容器30と超音波センサ20との共振周波数を含む発振周波数の範囲で、それぞれの発振周波数に応じたパルス信号を、例えば50μsから5μsおきに最大100μmまで超音波センサ20に入力するようにしてもよい。
【0035】
ここで、容器30の板厚に対する超音波の透過率をよくするためには、容器30の板厚や材質に応じて、超音波センサ20から送信する超音波の駆動周波数を最適に、すなわち共振周波数にて超音波センサ20を駆動するように設定する必要がある。通常は容器30に合わせて、超音波センサ20及び駆動周波数をカスタマイズして共振周波数にて最適に駆動するようにしている。しかし、超音波センサ20の駆動周波数を可変式にして超音波センサの容器への取り付け時に、容器30と超音波センサ20との共振周波数を求めて、その共振周波数を超音波センサ20の駆動周波数として設定するようにしてもよい。この場合、超音波センサ駆動手段19は、パルス信号の発振周波数を変化させながら超音波センサ20から超音波を複数回送信させ、送信させた各超音波の残響の状態を分析することにより、容器30の底部外壁面の超音波の透過に適した共振周波数を検出し、検出した共振周波数を含む駆動周波数帯域で超音波を送信させるためのパルス信号を超音波センサ20に入力する。上記残響の状態を分析する手法の一例として、共振時と非共振時との残響の減衰度が異なるため、この減衰度を見ることによって共振周波数を検出することができる。
【0036】
通常、共振周波数については、材料の持つ固有値であるので、容器30の板厚、材質から求めることができる。しかし、超音波センサ20と容器30の結合はグリス等により行うのが一般的で、この場合、超音波センサ20の整合層と容器30が理想的に結合されるので、超音波センサ20と容器30とを合わせた共振周波数となってしまう。よって、必ずしも容器30のもつ共振周波数と一致しない。そこで、超音波センサ20と容器30の結合を樹脂材料(シリコンシート)にすると、超音波センサ20と容器30の結合による影響が少なく、超音波センサ20を容器30の共振周波数で駆動すればよく、容易に共振周波数を得ることができる。
また、容器30の材質がわかっている場合は容器30の板厚を逆算して求めることができるので、例えば、前述したように、液面高さを残量にして変換して表示する場合、容器30の寸法から容器30の体積を求めるだけでなく、さらに板厚情報を考慮して容器30の体積を求めることができるので、特に小型で板厚が厚い容器30の場合、より正確に残存量を求めることができる。
【0037】
また、表示部17は、液面検出手段16において検出した液面位置に関する情報を表示する。
【0038】
ここで、液面31までの距離を検出する際に、残響マージン検出手段18は、超音波センサ20の駆動時に所定の増幅率(前回設定時又は初期設定時のもの)に基づいて残響マージンを検出し、検出した残響マージンが所定値以下の場合、コントローラ10は、容器30の底板での残響の周波数成分に応じて可変型BPF12の周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、液面31からの反射エコー信号を特定できるように周波数帯域を調整する。
【0039】
本発明によると、広帯域の超音波センサを使用した場合でも、容器底板の板厚に応じた透過周波数成分のみを抽出することができるため、不要なノイズを除去することができる。
また、帯域可変型BPFを、比較的安価なLCフィルタ回路とスイッチ素子とから構成される簡単な回路により構成することで、コストパフォーマンスの向上を図ることができる。
また、狭帯域センサを用いた場合以上の十分なS/Nを確保することができるため、超音波センサ駆動時において十分なS/Nを確保しつつ、低消費電力化することができ、その結果、小容量の電池が使用可能となり、長寿命化が可能となる。
【0040】
図4は、本発明の超音波レベル計の他の回路構成例について示した図である。本実施形態における超音波レベル計のコントローラ10は、受信回路11,可変型BPF12,時変特性増幅手段13a,時変特性補正手段13b,検波回路14,エコータイミング検出手段15,液面検出手段16,表示部17,残響マージン検出手段18,超音波センサ駆動手段19,図示しないCPUを有する。尚、超音波センサ20は、コントローラ10から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信するものとし、このパルス信号にはあらゆる周波数成分を含む矩形波パルス信号が望ましく、これにより容器30の板厚及び材質が変化した場合でも対応が可能となる。尚、本実施形態において、受信回路11と可変型BPF12とは別々に図示しているが、可変型BPF12を受信回路11に物理的に含めるように構成してもよい。
【0041】
本実施形態におけるコントローラ10の回路構成と、図1に示したコントローラ10の回路構成との相違点は、増幅手段13の代わりに、時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13bを有する点である。従って、その他の各手段については同様であるため、ここでの説明は省略するものとする。
時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13bは、超音波センサ20により送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、入力した信号の増幅率を超音波センサ20の駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより、液面31の位置に応じて増幅率を調整し、その調整値を設定する。本実施形態の超音波レベル計は、時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13b,超音波センサ駆動手段19,可変型BPF12を適宜組み合わせて制御することによって、安定した残響特性、反射感度特性を実現させ、液面位置が低い場合における液面計測までも可能とするものである。
【0042】
ここで、液面31までの距離を算出する際に、残響マージン検出手段18は、超音波センサ20の駆動時に所定の増幅率(前回設定時又は初期設定時のもの)に基づいて残響マージンを検出し、検出した残響マージンが所定値以下の場合、時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13bは、超音波センサ20の駆動時点で増幅率を低下させ、低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させる。この際、超音波センサ駆動手段19は、超音波センサ20に入力するパルス信号の発振時間を変化させる。さらに、容器30の底板での残響の周波数成分に応じて可変型BPF12の周波数帯域を切り換える。上記増幅率及び発振時間を変化させる条件は任意に設定可能で、発振時間を固定して増幅率だけ変化させてもよい。コントローラ10は、前記検出した残響マージンが前記所定値以上になり、且つ、液面31からの反射エコー信号を特定できるように増幅率,発振時間及び周波数帯域のいずれか1又は複数をそれぞれ調整する。
【0043】
以下、上記した増幅率,発振時間の調整に関して図4に基づいて具体的に説明する。
図4に示す時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13bにおいて、トランジスタQ1のAMP回路で、初段AMPのエミッタ抵抗R10と、初段ベースにカップリングC7を含めて、このエミッタ抵抗R10とカップリングC7とを適切に調整し、初段AMPの時定数による時間的な不感帯時間(距離)を与え、反射波の遅延時間が早い場合(近距離の場合)、トランジスタQ2は完全には動作せず、時間(距離)に対してAMPゲインを変化させる。これにより、本発明の超音波レベル計は、残響特性と感度特性の両立を図ることができる。
【0044】
時変特性増幅手段13aにおいて、トランジスタQ2の直流バイアス電圧として、1.0Vを与え、端子:TEST1とグランドとの間に、すなわち入力側の双方向ダイオードD1により可変型BPF12を介した後の電圧レベルが±(0.6〜0.7)Vにクランプされるため、コンデンサC1に対して、流入又は流出する電流が変化する。この時、トランジスタQ2のベースバイアス電位は約0.3〜1.7Vの範囲で駆動周波数に応じて周期的に変化してくる。コンデンサC7に対して、トランジスタQ2側のインピーダンスと、ダイオードD1側のインピーダンスの大小関係により時定数が異なり、トランジスタQ2側の時定数が長いため、トランジスタQ2のバイアスは時間と共に1.0Vより平均的に低い電位に偏ってくる。
【0045】
超音波センサ20の駆動による強制振動でセンサが駆動されるまではこの周期で低いバイアスがコンデンサC7にかかり、電荷がチャージされ、強制振動が終わると、回路の自由振動の周期で、同様のバイアス変化に偏りを持ちながら、ダイオードD1側の電位は0Vに収束した後でもトランジスタQ2側の入力インピーダンスとコンデンサC7の時定数により、暫くの間トランジスタQ2は低バイアスされ、最終的には元の1.0Vに収束する。この間の1.0Vに対する低バイアスの電位が時間と共に復帰するバイアスの傾斜により、時間に対する信号増幅率を液面距離に対して徐々に高くさせることができる。
【0046】
時変特性補正手段13bは、エミッタ抵抗をメイン抵抗R10に対して抵抗R11,R12,R13,・・・と必要に応じて、抵抗数、抵抗値を任意に決定することで微妙なゲイン勾配を与えることができる。さらには、コンデンサC7を切り換える代わりに、スイッチS7でコンデンサC8、抵抗R14に切り換えて使用するようにしてもよい。この場合、ゲイン勾配の範囲をさらに拡大することが可能となる。この際のスイッチS4,S5,S6,・・・の切り換えは図示しないCPUからの信号で行うものとする。
【0047】
ここで、時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13bにおいて調整された増幅率及び/又はパルス信号の発振時間、及び可変型BPF12において切り換えられた周波数帯域に基づいて液面31からの反射エコー信号を特定し、特定した反射エコー信号に応じた超音波伝播時間を計測した後、液面検出手段16は、上記計測した超音波伝播時間から液面31までの距離を算出し、算出した距離算出値を表示部17に表示させる。この際、液面検出手段16は、算出した距離算出値に基づいて容器30内部に貯留されている液体の体積を算出可能とし、算出した液体の体積を液容量情報として表示部17に表示させるようにしてもよい。
【0048】
上述のように調整した後の増幅率,発振時間,周波数帯域に基づく残響レベル及び感度レベルにおいて、例えば、超音波センサ20から超音波を送信してから、反射エコー信号を受信するまでの動作を所定回数行ない、それぞれ計測した超音波伝播時間にバラツキが無く、それらの平均値が許容値以内に入っていることが確認できた場合に、そのときの距離算出値を出力するようにしてもよい。この際、上記平均値が許容値以内に入らない場合は、増幅率,発振時間,及び周波数帯域のいずれか1又は複数の調整を繰り返し行なって、残響レベル及び感度レベルを再度調整する。
【0049】
図5は、超音波センサ20の周波数帯域と、容器30の底部板厚との関係における特性曲線を示す図で、41はフィルタC,43はフィルタB,45はフィルタAである。本例では、超音波センサ20の適応可能な周波数帯域を880〜1350kHzとし、この周波数帯域に対して3段階のフィルタを用意しておく。
この3種類のフィルタを、それぞれフィルタC,フィルタB,フィルタAとする。42はフィルタC(41)とフィルタB(43)とがオーバーラップする帯域で、44はフィルタB(43)とフィルタA(45)とがオーバーラップする帯域である。
【0050】
前記したように、反射感度を必要レベル以上確保し、最低検出距離を一定レベル以下(例えば、100mm以下)に制御させる方法はこれまで困難であった。
これは、容器30の底部板厚の増加に伴い周波数解も増加し、解と解との間隔が狭くなってくる。また、同時に容器30の底部境界で反射する超音波の影響で残響特性も顕著となってくるため、この影響によって最低検出距離マージン、すなわち残響マージンを低下させてしまう。この結果、液面位置が低い場合において安定した液面検出を行なうことが難しかった。
【0051】
そこで、上記3種類のフィルタA,B,Cを適切に切り換える。例えば、板厚約9.0mmを境に残響マージンが低下してくる。センサ反共振周波数近傍を境にして周波数帯域を2分化し、これに応じて超音波受信時において容器30の底部を透過する透過周波数帯域とLCフィルタとを適応させて十分な減衰特性を得られるように、フィルタB(43)、フィルタC(41)のいずれかに切り換える。これにより、容器30の底部板厚の増加による残響波を低減し、安定な反射感度特性に制御することができる。この際、周波数帯域境界においてフィルタB(43)又はフィルタC(41)の選択では感度特性が重視されるため、初段AMPの時定数を調整して近距離感度を損なわずに、残響特性を確保できる周波数帯域に調整する。
【0052】
基本的には、フィルタB(43)を基準としてフィルタC(41)又はフィルタA(45)へ切り換えるが、この可変型BPF12は、周波数情報によって最適なフィルタ選択を行なうことができるため、これらの情報や、現在の液面位置情報などに基づいて、時変特性増幅手段13a及び時変特性補正手段13bを組み合わせることにより、任意の液面位置に対して最適な調整値、すなわち最適な周波数帯域,増幅率に調整することが可能となる。
【0053】
図6は、本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の一例を示した波形図で、図中、51はコレクタ出力波形、52は反射波波形である。本例は図4に示した回路構成に基づいて説明するものとする。図6(A)に示すコレクタ出力波形51に基づく反射波波形52において、板厚みの増加による残響レベルの増加を可変型BPF12の切り換えで対応した結果について示しているが、まだ反射波波形52の残響レベルが大きいことがわかる。さらに、図6(B)において、図6(A)に示すコレクタ出力波形51にエミッタ抵抗を可変させてゲイン勾配を変化させ、そのゲイン勾配を変化させた後のコレクタ出力波形51の状態を示しており、そのゲイン勾配の変化に応じて、反射波波形52の残響を低減できていることがわかる。
【0054】
図7は、本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の他の例を示した波形図で、図中、53は反射波波形である。本例は図4に示した回路構成に基づいて説明するものとする。図7(A)に示す反射波波形53から、可変型BPF12の周波数帯域の切り換えによる低周波数側の固有周波数解において、広帯域の超音波センサ20を用いた場合に、高周波数解の影響で残響が発生してしまう。そこで、図7(B)に示すように、可変型BPF12のフィルタを切り換えることにより、超音波センサ20の帯域中心(約1070kHz付近)へ収束させ、残響の発生を抑えることができる。
【0055】
図8は、本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。本例では、可変型BPF12のフィルタ切り換え処理の流れについて図2に示した回路構成に基づいて説明する。まず、超音波センサ20及びコントローラ10を容器30に設置し、コントローラ10において、初期設定を行なう(ステップS1)。次に、コントローラ10から超音波センサ20にパルス信号を入力して超音波センサ20を駆動させ(ステップS2)、超音波センサ20から送信された超音波に対する反射波(反射エコー)の波形を検波し(ステップS3)、その検波した反射波を受信するまでの超音波伝播時間に基づいてエコータイミングを計測する(ステップS4)。次に、超音波センサ20駆動時の残響状態をチェックし(ステップS5)、残響状態に問題なければ(OKの場合)、すなわち残響マージンが所定値以上であれば、液面検出値(液面距離)を出力し(ステップS7)、液面検出要求の待機状態(ステップS8)に移行する。
【0056】
上記ステップS5において、残響状態に問題がある場合(NGの場合)、フィルタ切り換え処理を行い(ステップS6)、その結果をステップS1に戻り、コントローラ10に設定する。ここで、ステップS6において、フィルタ切り換え処理として、例えば、前述の図5に示したフィルタ特性の場合において、フィルタB(43)→フィルタA(45)、フィルタB(43)→フィルタC(41)の2種類の切り換えを行なう。
【0057】
図9は、本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。本例では、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理の流れについて図4に示した回路構成に基づいて説明する。まず、超音波センサ20及びコントローラ10を容器30に設置し、コントローラ10において、初期設定を行なう(ステップS11)。次に、コントローラ10から超音波センサ20にパルス信号を入力して超音波センサ20を駆動させ(ステップS12)、超音波センサ20から送信された超音波に対する反射波(反射エコー)の波形を検波し(ステップS13)、その検波した反射波を受信するまでの超音波伝播時間に基づいてエコータイミングを計測する(ステップS14)。次に、超音波センサ20駆動時の残響状態をチェックし(ステップS15)、残響状態に問題なければ(OKの場合)、すなわち残響マージンが所定値以上であれば、液面検出値(液面距離)を出力し(ステップS17)、液面検出要求の待機状態(ステップS18)に移行する。
【0058】
上記ステップS15において、残響状態に問題がある場合(NGの場合)、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理を行い(ステップS16)、その結果をステップS11に戻り、コントローラ10に設定する。ここで、ステップS16において、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理として、下記に示す(1)、(2)、(3)の処理を適宜組み合わせて行なう。
(1)AMPゲインの切り換えを行なう。これは、例えば、図4に示したスイッチS4→S5→S6→S7→(S4)→の順番で切り換えることで行なう。
(2)センサ駆動時間(tn)を変更する。これは、例えば、tn(単位:μs)=50→55→60→65→(最大100)まで順次切り換えて行なう。
(3)前述の図5に示したフィルタ特性の場合において、フィルタB(43)→フィルタA(45)、フィルタB(43)→フィルタC(41)の2種類の切り換えを行なう。
【0059】
図10は、本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図で、図10(A)は、上述の図9に示した処理フローを詳細に説明したものである。図11は、図10(A)に示した処理フローに対応した出力波形及びゲイン勾配変化パラメータについて示した図である。図10(A)において、まず、超音波センサ20に入力するセンサ駆動バーストパルス時間を設定する(ステップS21)。このとき、センサ駆動周波数可変Vcoを作動させる。また、ピークサーチ用のコンパレータレベルを図11(B)に示すコンパレータレベル(1)に設定し、AMPゲインを図4に示した回路構成におけるスイッチS4に設定し、可変型BPF12を前述の図5に示すフィルタB(43)に設定する。次に、ステップS21において設定した各条件に基づいて超音波センサ20は、超音波を送信し、その超音波に対する反射エコーの分析処理/統計処理を行なって、コンパレータレベル(1)以上のピーク電圧を示す反射エコーをサーチする(ステップS22)。
【0060】
上記ステップS22において反射エコーをサーチした結果、コンパレータレベル(1)以上のピーク電圧を示した反射エコーを、反射第1エコーとして確定し、すなわち液面距離を確定し(ステップS23)、運用時のコンパレータレベルを図11(B)に示すコンパレータレベル(2)に設定する(ステップS24)。次に、コンパレータレベル(1)及びコンパレータレベル(2)に基づいて残響マージン、すなわち最低検出距離が決定される。この残響マージンとは、図11(B)に示す点線で丸く囲った部分である。次に、上記残響マージンが所定値以上かどうかチェックし(ステップS25)、残響マージンが所定値以上の場合(OKの場合)、上記ステップS23において確定した液面距離計測値を出力する(ステップS29)。
【0061】
上記ステップS25において、上記残響マージンが所定値以下の場合(NGの場合)、ステップS26において、
(1)AMPゲインの切り換えを行なう。これは、例えば、図4に示したスイッチS4→S5→S6→S7→(S4)→の順番で切り換えることで行なう。
(2)センサ駆動時間(tn)を変更する。これは、例えば、tn(単位:μs)=50→55→60→65→(最大100)まで切り換えて行なう。
(3)前述の図5に示したフィルタ特性の場合において、フィルタB(43)→フィルタA(45)、フィルタB(43)→フィルタC(41)の2種類の切り換えを行なう。
この際のゲイン勾配変化パラメータを図11(C)に示す。図11(D)は、図11(C)に示すtn=55且つスイッチS7をパラメータとして設定した状態の波形を示した図で、図11(B)に示す波形と比較して残響マージンが大きくなり、残響が低減されている状態であることがわかる。このようにゲイン勾配変化パラメータにより増幅率、センサ駆動時間(tn)、及びフィルタを調整することで、増幅率(AMPゲイン)の最適値を設定すると共に、センサ駆動時間(tn)を設定する(ステップS27)。
【0062】
上記ステップS27において設定した計測条件に基づいて、超音波センサ20を駆動させ、波形検波、エコータイミングを検出した後、取得した反射エコーの感度及び残響レベルを確認し(ステップS28)、感度及び残響レベルに問題がなければ(OKの場合)、上記エコータイミングに基づいて算出される液面距離計測値を出力する(ステップS29)。上記ステップS28において反射エコーの感度及び残響レベルに問題があれば(NGの場合)、ステップS26に戻り、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理を繰り返し行なう。
【0063】
【発明の効果】
本発明によると、広範囲の板厚に対して適応可能な周波数帯域の広い超音波センサを利用した場合でも、バンドパスフィルタの帯域を切り換えることでS/Nを低下させず、安定した液面検出を可能とする。
また、バンドパスフィルタの帯域切り換えに加えて、超音波センサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように変化させると共に、超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、残響により検出できない不感帯時間(距離)を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現することができる。
また、広範囲の容器板厚に対して適用可能とすると共に、液面位置の低い場合から高い場合まで液面計測を可能とする超音波レベル計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される超音波レベル計を容器に設置した構成例を説明するための図である。
【図2】本発明の超音波レベル計の回路構成例について示した図である。
【図3】本発明が適用される所定の板厚範囲に応じた可変型BPFの回路構成例について示した図である。
【図4】本発明の超音波レベル計の他の回路構成例について示した図である。
【図5】超音波センサの周波数帯域と、容器の底部板厚との関係における特性曲線を示す図である。
【図6】本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の一例を示した波形図である。
【図7】本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の他の例を示した波形図である。
【図8】本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図9】本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。
【図10】本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。
【図11】図10(A)に示した処理フローに対応した出力波形及びゲイン勾配変化パラメータについて示した図である。
【符号の説明】
10…コントローラ(制御部)、11…受信回路、12…可変型BPF、12a…切り換え部、13…増幅手段、13a…時変特性増幅手段、13b…時変特性補正手段、14…検波回路、15…エコータイミング検出手段、16…液面検出手段、17…表示部、18…残響マージン検出手段、19…超音波センサ駆動手段、20…超音波センサ(圧電センサ)、21…超音波、30…容器、31…液面、41…フィルタC、43…フィルタB、45…フィルタA、42,44…オーバーラップ帯域、51…コレクタ出力波形、52,53…反射波波形。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic level meter and a liquid level detecting method using the level meter, and more specifically, an ultrasonic level for detecting the liquid level of contents such as liquefied gas contained in a container from outside the container. The present invention relates to a liquid level meter and a liquid level detecting method using the level meter.
[0002]
[Prior art]
An ultrasonic level meter that uses a transmission / reception ultrasonic sensor measures the time it takes to transmit an ultrasonic wave from the ultrasonic sensor and receive its reflected wave, and calculates the distance to the target based on that time. Since the distance to the object can be accurately and easily measured, it is used for various purposes. Since the passing frequency band varies depending on the thickness of a container or a storage tank (hereinafter, referred to as a container), several types of ultrasonic sensors having different applicable frequency ranges are prepared, and the thickness of the container is measured. Although an ultrasonic sensor suitable for the range was selected, it was difficult to obtain a mass production effect and to reduce the cost because of the variety of products. Therefore, it is considered possible to avoid diversification by using an ultrasonic sensor having a wide adaptive frequency range to expand the range of the applicable container thickness.
[0003]
However, S / N degradation occurs as a side effect of the wide band of the ultrasonic sensor, and stable liquid level measurement cannot be performed. Depending on the plate thickness, especially when the plate thickness increases, the S / N ratio decreases in a direction in which the reverberation wave level becomes more dominant than the reflected echo level with respect to the selection of the optimum frequency, and simple gain control alone is not sufficient. S / N cannot be secured.
[0004]
Conventionally, as an object detection method using an ultrasonic sensor, when detecting an object with a probe attached to the outer part of the container, it is used for any thickness and material of the container There has been provided an ultrasonic sensor capable of providing a possible versatile ultrasonic sensor. This involves inputting data of the emission waveform and reflection waveform from the probe, detecting the resonance frequency between the piezoelectric element of the probe and the container based on the difference in the attenuation characteristics of the waveform, and detecting at this time. The resonance frequency is registered as an operation frequency. (For example, see Patent Document 1)
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-213979
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances. Even when an ultrasonic sensor having a wide frequency band that can be applied to a wide range of plate thicknesses is used, the band of the band-pass filter can be switched to change the S-band. / N is not reduced, stable liquid level detection is possible, and in addition to the band switching of the band-pass filter, the amplification factor of the signal increases with time starting from the drive timing of the ultrasonic sensor. By changing the oscillation time of the pulse signal input to the ultrasonic sensor, the dead band time (distance) that cannot be detected due to reverberation can be adjusted, so that stable reverberation characteristics and sensitivity characteristics can always be realized. The purpose of this is to make it applicable to a wide range of plate thicknesses and to enable liquid level measurement from low to high liquid level positions. There is provided a liquid level detection method using the wave level meter and ultrasonic level meter.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An invention according to
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the ultrasonic sensor transmits an ultrasonic wave based on a pulse signal input from the control unit.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the control unit transmits the ultrasonic wave from the start of driving the ultrasonic sensor to the reception of a reflected echo from the liquid surface by inputting a pulse signal. Along with measuring the time, measure the driving reverberation time until the reverberation of the ultrasonic wave detected immediately after the driving of the ultrasonic sensor from the start of driving decreases to a predetermined level, and the measured ultrasonic propagation time and the driving reverberation A reverberation margin detecting means for detecting a difference from time as a reverberation margin is provided.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method of any one of the first to third aspects, when detecting the position of the liquid surface, the reverberation margin detecting means sets a predetermined amplification factor when the ultrasonic sensor is driven. The reverberation margin is detected based on the detected reverberation margin, and when the detected reverberation margin is equal to or less than a predetermined value, the control unit switches the frequency band of the band variable filter according to a frequency component of reverberation at the container bottom plate. The frequency band is adjusted so that the reverberation margin obtained is equal to or larger than the predetermined value and the reflected echo signal from the liquid surface can be specified.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the present invention, the amplifying means converts an amplification factor of the signal extracted by the band variable filter into a time starting from when the ultrasonic sensor is driven. The amplification factor can be set according to the position of the liquid surface by changing the amplification factor so as to increase accordingly.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the control unit changes the oscillation time of the pulse signal by changing the number of pulses or the pulse width of the pulse signal. An ultrasonic sensor driving means for inputting a pulse signal to the ultrasonic sensor according to the oscillation time, wherein the ultrasonic sensor has a driving frequency corresponding to the pulse signal input from the ultrasonic sensor driving means. Ultrasonic waves can be transmitted while changing the driving time.
[0013]
In the invention according to
[0014]
The invention according to
[0015]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to the eighth aspect, the control unit switches a frequency band of the band variable filter to obtain a frequency including the resonance frequency from a frequency component of a signal input from the ultrasonic sensor. It is characterized in that components can be extracted.
[0016]
An invention according to
[0017]
According to an eleventh aspect, in the tenth aspect, an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic sensor based on a pulse signal input from the control unit.
[0018]
According to a twelfth aspect of the present invention, in accordance with the tenth or eleventh aspect of the present invention, the ultrasonic wave propagation time from when the ultrasonic sensor starts to be driven to when a reflected echo from the liquid surface is received is measured by inputting a pulse signal. Measuring the driving reverberation time until the reverberation of the ultrasonic wave detected immediately after the driving of the ultrasonic sensor from the start of driving decreases to a predetermined level, and calculates the difference between the measured ultrasonic propagation time and the driving reverberation time. It is characterized in that it is detected as a reverberation margin.
[0019]
According to a thirteenth aspect of the present invention, when detecting the position of the liquid level, a reverberation margin is detected based on a predetermined amplification factor when the ultrasonic sensor is driven, and the detected reverberation margin is detected. Is less than or equal to a predetermined value, while switching the frequency band of the band variable filter according to the frequency component of the reverberation at the container bottom plate, the detected reverberation margin is equal to or more than the predetermined value, and the reflection from the liquid surface The frequency band is adjusted so that an echo signal can be specified.
[0020]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in any one of the tenth to thirteenth aspects, the amplification factor of the signal extracted by the band variable filter is increased with time starting from when the ultrasonic sensor is driven. The amplification factor can be set in accordance with the position of the liquid surface by changing the value to.
[0021]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in any one of the tenth to fourteenth aspects, the number of pulses or the pulse width of the pulse signal is changed to change the oscillation time of the pulse signal. In response, a pulse signal is input to the ultrasonic sensor, and ultrasonic waves can be transmitted from the ultrasonic sensor while changing a driving time at a driving frequency according to the input pulse signal. is there.
[0022]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the method of any one of the twelfth to fifteenth aspects, when detecting the position of the liquid level, the reverberation margin is detected based on a predetermined amplification factor when the ultrasonic sensor is driven. When the detected reverberation margin is equal to or less than a predetermined value, the amplification factor is reduced at the time of driving the ultrasonic sensor, and the reduced amplification factor is changed so as to increase at a predetermined ratio according to time, While changing the oscillation time of the pulse signal input to the ultrasonic sensor, and further switching the frequency band of the band variable filter according to the frequency component of the reverberation in the container bottom plate, the detected reverberation margin is the predetermined value As described above, and adjusting any one or more of the amplification factor, oscillation time, and frequency band so that a reflected echo signal from the liquid surface can be specified. It is obtained by the butterfly.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a view for explaining a configuration example in which an ultrasonic level meter to which the present invention is applied is installed in a container. In the figure, 10 is a controller (control unit), 20 is an ultrasonic sensor (piezoelectric sensor),
[0024]
In the above-described configuration, for example, when trying to detect the
[0025]
When detecting the height of the
[0026]
Here, in the case where the bottom wall of the
[0027]
In addition, due to the acoustic coupling between the
[0028]
FIG. 2 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the ultrasonic level meter of the present invention. The
[0029]
Hereinafter, the operation of the
The
[0030]
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the
[0031]
As described above, the
[0032]
The
[0033]
The reverberation margin detecting means 18 measures the ultrasonic propagation time from the time when the
[0034]
The ultrasonic
[0035]
Here, in order to improve the transmittance of the ultrasonic waves with respect to the plate thickness of the
[0036]
Usually, the resonance frequency is a unique value of the material, and can be obtained from the thickness and material of the
In addition, when the material of the
[0037]
The
[0038]
Here, when detecting the distance to the
[0039]
According to the present invention, even when a broadband ultrasonic sensor is used, only a transmission frequency component corresponding to the thickness of the container bottom plate can be extracted, so that unnecessary noise can be removed.
Further, by configuring the band variable BPF with a simple circuit including a relatively inexpensive LC filter circuit and a switch element, cost performance can be improved.
Further, since a sufficient S / N can be ensured as compared with the case of using the narrow band sensor, it is possible to reduce power consumption while securing a sufficient S / N when driving the ultrasonic sensor. As a result, a small-capacity battery can be used, and the life can be extended.
[0040]
FIG. 4 is a diagram showing another example of the circuit configuration of the ultrasonic level meter of the present invention. The
[0041]
The difference between the circuit configuration of the
The time-varying characteristic amplifying unit 13a and the time-varying characteristic correcting unit 13b input a signal corresponding to a reflected wave of the ultrasonic wave transmitted by the
[0042]
Here, when calculating the distance to the
[0043]
Hereinafter, the adjustment of the amplification factor and the oscillation time will be specifically described with reference to FIG.
In the time-varying characteristic amplifying means 13a and the time-varying characteristic correcting means 13b shown in FIG. 4, the AMP circuit of the transistor Q1 includes the emitter resistor R10 of the first-stage AMP and the emitter resistor R10 including the coupling C7 in the first-stage base. When the ring C7 is appropriately adjusted to give a time dead zone time (distance) based on the time constant of the first-stage AMP, and when the delay time of the reflected wave is short (for a short distance), the transistor Q2 does not operate completely. AMP gain is changed with respect to time (distance). Thus, the ultrasonic level meter of the present invention can achieve both reverberation characteristics and sensitivity characteristics.
[0044]
In the time-varying characteristic amplifying means 13a, a voltage of 1.0 V is applied as a DC bias voltage of the transistor Q2, and a voltage between the terminal: TEST1 and the ground, that is, the voltage after passing through the
[0045]
Until the sensor is driven by the forced vibration due to the driving of the
[0046]
The time-varying characteristic correction means 13b determines the delicate gain gradient by arbitrarily determining the number of resistors and the resistance value of the emitter resistor with respect to the main resistor R10 as resistors R11, R12, R13,. Can be given. Further, instead of switching the capacitor C7, the switch S7 may be used by switching to the capacitor C8 and the resistor R14. In this case, the range of the gain gradient can be further expanded. At this time, the switches S4, S5, S6,... Are switched by a signal from a CPU (not shown).
[0047]
Here, the reflection from the
[0048]
At the reverberation level and sensitivity level based on the amplification factor, oscillation time, and frequency band adjusted as described above, for example, the operation from transmitting the ultrasonic wave from the
[0049]
FIG. 5 is a diagram showing a characteristic curve in the relationship between the frequency band of the
These three types of filters are referred to as filter C, filter B, and filter A, respectively.
[0050]
As described above, it has been difficult heretofore to secure a reflection sensitivity equal to or higher than a required level and control the minimum detection distance to a predetermined level or lower (for example, 100 mm or lower).
This is because the frequency solution increases as the bottom plate thickness of the
[0051]
Therefore, the three types of filters A, B, and C are appropriately switched. For example, the reverberation margin decreases at a thickness of about 9.0 mm. A frequency band is divided into two parts around the vicinity of the sensor anti-resonance frequency, and a sufficient attenuation characteristic can be obtained by adapting the transmission frequency band transmitting through the bottom of the
[0052]
Basically, the filter is switched to the filter C (41) or the filter A (45) based on the filter B (43). Since the
[0053]
FIG. 6 is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform with respect to time in the ultrasonic level meter of the present invention. In FIG. 6,
[0054]
FIG. 7 is a waveform diagram showing another example of a voltage waveform with respect to time in the ultrasonic level meter of the present invention. In FIG. 7,
[0055]
FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of a liquid level detection method using an ultrasonic level meter to which the present invention is applied. In this example, the flow of the filter switching process of the
[0056]
If there is a problem in the reverberation state (NG) in step S5, a filter switching process is performed (step S6), and the result is returned to step S1 and set in the
[0057]
FIG. 9 is a flowchart for explaining another example of the liquid level detection method using the ultrasonic level meter to which the present invention is applied. In this example, the flow of the time-varying characteristic correction processing and the filter switching processing will be described based on the circuit configuration shown in FIG. First, the
[0058]
In step S15, when there is a problem in the reverberation state (in the case of NG), time-varying characteristic correction processing and filter switching processing are performed (step S16), and the result returns to step S11 and is set in the
(1) AMP gain is switched. This is performed, for example, by switching in the order of the switches S4 → S5 → S6 → S7 → (S4) → shown in FIG.
(2) Change the sensor drive time (tn). This is performed by sequentially switching, for example, tn (unit: μs) = 50 → 55 → 60 → 65 → (maximum 100).
(3) In the case of the filter characteristics shown in FIG. 5 described above, two types of switching are performed: filter B (43) → filter A (45), filter B (43) → filter C (41).
[0059]
FIG. 10 is a flowchart for explaining another example of the liquid level detection method using the ultrasonic level meter to which the present invention is applied. FIG. 10A is a processing flow shown in FIG. 9 described above. Is described in detail. FIG. 11 is a diagram illustrating an output waveform and a gain gradient change parameter corresponding to the processing flow illustrated in FIG. In FIG. 10A, first, a sensor drive burst pulse time to be input to the
[0060]
As a result of the search for the reflected echo in step S22, the reflected echo having a peak voltage equal to or higher than the comparator level (1) is determined as the first reflected echo, that is, the liquid surface distance is determined (step S23). The comparator level is set to the comparator level (2) shown in FIG. 11B (step S24). Next, a reverberation margin, that is, a minimum detection distance is determined based on the comparator level (1) and the comparator level (2). The reverberation margin is a portion circled by a dotted line shown in FIG. Next, it is checked whether or not the reverberation margin is equal to or greater than a predetermined value (step S25). If the reverberation margin is equal to or greater than a predetermined value (OK), the measured liquid level distance determined in step S23 is output (step S29). ).
[0061]
If the reverberation margin is equal to or smaller than a predetermined value (NG) in step S25, in step S26,
(1) AMP gain is switched. This is performed, for example, by switching in the order of the switches S4 → S5 → S6 → S7 → (S4) → shown in FIG.
(2) Change the sensor drive time (tn). This is performed by, for example, switching from tn (unit: μs) = 50 → 55 → 60 → 65 → (maximum 100).
(3) In the case of the filter characteristics shown in FIG. 5 described above, two types of switching are performed: filter B (43) → filter A (45), filter B (43) → filter C (41).
The gain gradient change parameter at this time is shown in FIG. FIG. 11D is a diagram showing a waveform when tn = 55 shown in FIG. 11C and the switch S7 is set as a parameter, and the reverberation margin is larger than the waveform shown in FIG. 11B. It can be seen that the reverberation is reduced. By adjusting the gain, the sensor drive time (tn), and the filter in accordance with the gain gradient change parameter, the optimum value of the gain (AMP gain) is set and the sensor drive time (tn) is set ( Step S27).
[0062]
Based on the measurement conditions set in step S27, the
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when an ultrasonic sensor having a wide frequency band applicable to a wide range of plate thicknesses is used, S / N is not reduced by switching the band of the band-pass filter, and stable liquid level detection is performed. Is possible.
Further, in addition to the band switching of the band-pass filter, the driving timing of the ultrasonic sensor is used as a starting point to change the amplification factor of the signal according to time so as to increase, and the oscillation time of the pulse signal input to the ultrasonic sensor is changed. By changing them, the dead zone time (distance) that cannot be detected due to reverberation can be adjusted, and always stable reverberation characteristics and sensitivity characteristics can be realized.
In addition, it is possible to provide an ultrasonic level meter that can be applied to a wide range of container plate thicknesses and that can measure the liquid level from a low level to a high level.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example in which an ultrasonic level meter to which the present invention is applied is installed in a container.
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration example of an ultrasonic level meter of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration example of a variable BPF according to a predetermined plate thickness range to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram showing another example of the circuit configuration of the ultrasonic level meter of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a characteristic curve in a relationship between a frequency band of an ultrasonic sensor and a bottom plate thickness of a container.
FIG. 6 is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform with respect to time in the ultrasonic level meter of the present invention.
FIG. 7 is a waveform diagram showing another example of a voltage waveform with respect to time in the ultrasonic level meter of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of a liquid level detection method using an ultrasonic level meter to which the present invention is applied.
FIG. 9 is a flowchart for explaining another example of the liquid level detection method using the ultrasonic level meter to which the present invention is applied.
FIG. 10 is a flowchart for explaining another example of the liquid level detection method using the ultrasonic level meter to which the present invention is applied.
FIG. 11 is a diagram illustrating an output waveform and a gain gradient change parameter corresponding to the processing flow illustrated in FIG.
[Explanation of symbols]
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