JP2004325129A - 超音波レベル計の周波数選定方法及び超音波レベル計 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波レベル計の駆動周波数調整時において、容器に充填する液体の充填完了時点で前記容器底部から超音波を送信し、その液面からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、液面位置計測時と同等の増幅率可変範囲で、最適な駆動周波数を選定する。
【解決手段】超音波レベル計は、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液面位置を所定の時間間隔で検出し（Ｓ２）、検出した液面位置と、前回検出した液面位置との差異が所定値以内であるかどうか判断し（Ｓ３）、その結果、所定値以内に含まれ且つその状態が所定回数連続して検出された場合に充填完了と判定する。次に、超音波レベル計は、前記充填完了した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し（Ｓ１０）、計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する。
【選択図】 図５
【解決手段】超音波レベル計は、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液面位置を所定の時間間隔で検出し（Ｓ２）、検出した液面位置と、前回検出した液面位置との差異が所定値以内であるかどうか判断し（Ｓ３）、その結果、所定値以内に含まれ且つその状態が所定回数連続して検出された場合に充填完了と判定する。次に、超音波レベル計は、前記充填完了した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し（Ｓ１０）、計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計の周波数選定方法及び超音波レベル計、より詳細には、容器底面の外壁から超音波を送信し、内部の液界面からの反射波が戻ってくるまでの時間に基づいて容器内部の液面位置を検出する超音波レベル計の周波数選定方法に関する。
【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。
【０００３】
図８は、従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、図中、５０は超音波レベル計の制御部で、該制御部５０は、増幅率切り替え回路５１，ＡＭＰ（増幅回路）５２，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）５３，Ａ／Ｄコンバータ５４，ＣＰＵ５５，ＬＣＤ（表示部）５６，ＲＡＭ５７，ＲＯＭ５８，Ｄ／Ａコンバータ５９，ＶＣＯ（発振回路）６０，ゲート素子６１，ＤＲＶ（駆動回路）６２を有し、７０は超音波レベル計の超音波センサ（以下、センサという）で、制御部５０及び超音波センサ７０は有線又は無線で接続されているものとする。
【０００４】
まず、超音波の送信時において、Ｄ／Ａコンバータ５９は、ＣＰＵ５５からのデータを電圧に変換してＶＣＯ６０に入力する。ＶＣＯ６０は、Ｄ／Ａコンバータ５９からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子６１に入力する。ゲート素子６１は、ＣＰＵ５５からのパルス出力に基づいてＶＣＯ６０からの発振波をＤＲＶ６２に出力する。ＤＲＶ６２は、ゲート素子６１からの出力を高電位振幅に変換してセンサ７０を駆動する駆動信号を出力する。センサ７０は、ＤＲＶ６２からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波を送信する。
【０００５】
また、超音波の受信時において、センサ７０は、上記のように送信した超音波が容器内部の液面等の対象物に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号を増幅率切り替え回路５１に入力する。この増幅率切り替え回路５１は、周波数調整用の増幅率として０ｄＢ、液面位置計測用の増幅率として１７〜２０ｄＢのいずれかを選択可能に設けており、液面位置を計測する場合には１７〜２０ｄＢの高ゲインを選択し、周波数調整時には０ｄＢの低ゲインを選択するように設定されている。さらに、ＡＭＰ５２は、ＣＰＵ５５から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ５３は、ＡＭＰ５２からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。Ａ／Ｄコンバータ５４は、ＥＮＶＤＥＴ５３からのエンベロープ波形をデジタル変換してＣＰＵ５５に入力する。ＣＰＵ５５は、センサ７０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対象物までの距離を算出する。
【０００６】
ここで、液体を収容する容器の底部外壁面にセンサ７０を設置した場合、高精度な液面位置の計測を行うためには、容器底部の板厚に適したセンサ駆動周波数を選定してエコー波形の反射強度を十分に確保する必要がある。最適なセンサ駆動周波数は、センサ７０と容器底部の外壁面との接触状態によって経時変化することがあり、運用中に逐次、最適なセンサ駆動周波数を自動選定する方法が必要である。従来の超音波レベル計においては、センサ駆動周波数を変えながらエコー波形の波高レベルを計測し、波高レベルが最大となる周波数を選定していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液面位置が低い場合にはエコー強度が大き過ぎるため、エコー波形の波高レベルを計測できるようにするためには、周波数調整時の増幅率（低ゲイン）を、計測時の増幅率（高ゲイン）に対して大幅に低く変化させる必要があるなど、増幅率可変範囲を広く設計しておく必要があった。従って、従来の超音波レベル計には、周波数調整時の低ゲインに対応できるように広い範囲で増幅率を設定可能とするための駆動周波数調整用の低ゲイン設定回路が必要であった。更に、エコー波形の波高レベルを検出するために、Ａ／Ｄコンバータを用いて波高レベルをＣＰＵで処理可能なデジタル値に変換する必要があった。また、Ａ／Ｄコンバータの代わりに、コンパレータを用いる場合には、アンプの増幅率を細かく設定可能とする可変ゲインアンプが必要となる。
【０００８】
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、超音波レベル計の駆動周波数調整時において、容器に充填する液体の充填完了時点でその液面からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、液面位置計測時と同等の増幅率可変範囲で、最適な駆動周波数を選定できるようにすること、
また、駆動周波数の調整時に増幅率を低下させるための低ゲイン設定回路を不要とすることができる超音波レベル計を提供すること、をその目的とする。
【０００９】
【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の周波数選定方法において、前記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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出ステップと、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し、該計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定ステップとを有することを特徴としたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記液面から取得した反射波の反射強度が所定値以上となる周波数帯域に対して下限周波数及び上限周波数を設定し、該設定した下限周波数及び上限周波数のほぼ中間となる周波数を駆動周波数として選定することを特徴としたものである。
【００１１】
請求項３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の周波数選定方法において、前記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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出ステップと、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、該計測した立ち上がりタイミングが最小となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定ステップとを有することを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記周波数選定ステップにおいて、前記液面から取得した反射波の立ち上がりタイミングが所定時間以下となる周波数帯域に対して下限周波数及び上限周波数を設定し、該設定した下限周波数及び上限周波数のほぼ中間となる周波数を駆動周波数として選定することを特徴としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項３又は４の発明において、前記液面から取得する反射波は、第１反射波であることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記周波数選定ステップにおいて、前記充填完了と判定した時点で増幅率を低下させると共に前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波を取得できたかどうか判定し、その判定の結果、前記液面からの反射波が取得できない場合、前記低下させた増幅率を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の駆動周波数を変化させて前記液面からの反射波を取得できたかどうか判定するステップを、少なくとも１つ以上の反射波を取得できるまで繰り返すことを特徴としたものである。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１の発明において、前記容器の液体充填時において前記液面検出ステップにて前回計測した液面位置を記憶して有し、前記周波数選定ステップにおいて、前記液面検出ステップにて次に計測した液面位置と、前記記憶した前回の液面位置との差異が所定値以内に収まり且つその状態が所定回数連続して検出された場合に充填完了と判定することを特徴としたものである。
【００１６】
請求項８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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出手段と、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し、該計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定手段とを有することを特徴としたものである。
【００１７】
請求項９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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出手段と、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、該計測した立ち上がりタイミングが最小となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定手段とを有することを特徴としたものである。
【００１８】
【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場合の構成例を説明するための図で、図中、１０は制御部（以下、コントローラという）、３０は超音波センサ（圧電センサ）、３１は超音波センサ３０から送信する超音波、１５はコントローラ１０の表示部、４０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）、４１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３０からなり、超音波センサ３０は容器４０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３０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。
【００１９】
上記のような構成において、例えば、液体の液面４１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３０から超音波３１を送信し、主に液面４１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４１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４０内の液体容量を算出することができる。
【００２０】
液面４１の高さを検出する際に、超音波センサ３０は、容器４０の底部外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４１で反射して戻ってくるが、液面４１の高さに応じて超音波センサ３０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。
【００２１】
本発明の超音波レベル計は、駆動周波数の調整時において、容器４０に充填する液体の充填完了時点で、その液面４１からの反射エコー、すなわち実使用範囲の上限付近での液面４１からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、最適な駆動周波数を選定できるようにすること、また、これにより、駆動周波数調整時の増幅率可変範囲を、計測時の増幅率可変範囲と同等に設計可能とし、駆動周波数調整用の低ゲイン設定回路を不要とすることができること、をその目的としており、そのために下記の図２に示す回路構成を有するものとする。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、超音波レベル計のコントローラ１０は、ＡＭＰ（増幅回路）１１，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）１２，ＣＭＰ（コンパレータ）１３，ＣＰＵ１４，ＬＣＤ（表示部）１５，ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１７，Ｄ／Ａコンバータ１８，ＶＣＯ（発振回路）１９，ゲート素子２０，ＤＲＶ（駆動回路）２１を有し、３０は超音波レベル計の超音波センサ（以下、センサという）で、コントローラ１０及び超音波センサ３０は有線又は無線で接続されているものとする。ＲＯＭ１７には、液面検出手段１７ａ及び周波数選定手段１７ｂがプログラムとして格納されており、ＣＰＵ１４は、本発明の駆動周波数選定処理を行う際に、上記プログラムを読み出して実行する。尚、上記プログラムはＲＡＭ１６に格納してもよい。
【００２３】
図１及び図２において、超音波の送信時に、Ｄ／Ａコンバータ１８は、ＣＰＵ１４からのデータを電圧に変換してＶＣＯ１９に入力する。ＶＣＯ１９は、Ｄ／Ａコンバータ１８からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子２０に入力する。ゲート素子２０は、ＣＰＵ１４からのパルス出力に基づいてＶＣＯ１９からの発振波をＤＲＶ２１に出力する。ＤＲＶ２１は、ゲート素子２０からの出力を高電位振幅に変換してセンサ３０を駆動する駆動信号を出力する。センサ３０は、ＤＲＶ２１からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波３１を送信する。
【００２４】
また、超音波の受信時において、センサ３０は、上記のように送信した超音波３１が容器４０の液面４１に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号をＡＭＰ１１に入力する。ＡＭＰ１１は、ＣＰＵ１４から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ１２は、ＡＭＰ１１からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。ＣＭＰ１３は、ＥＮＶＤＥＴ１２からのエンベロープ波形と基準電位とを比較し、エンベロープ波形が基準電位を越えたとき、論理値１をＣＰＵ１４に出力する。ＣＰＵ１４は、センサ３０により超音波３１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液面４１までの距離を算出する。
【００２５】
コントローラ１０の液面検出手段１７ａは、センサ３０により超音波３１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液面位置を所定の時間間隔で定期的に検出する。周波数選定手段１７ｂは、液面検出手段１７ａで検出した液面位置に関する情報に基づいて容器４０の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、充填完了と判定した時点でセンサ３０の駆動周波数を変化させながら液面４１からの反射波の反射強度を計測し、計測した反射強度が最大となるようにセンサ３０の駆動周波数を選定する。
【００２６】
別の実施形態として、周波数選定手段１７ｂは、液面検出手段１７ａで検出した液面位置に関する情報に基づいて容器４０の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、充填完了と判定した時点でセンサ３０の駆動周波数を変化させながら液面４１からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、計測した立ち上がりタイミングが最小となるようにセンサ３０の駆動周波数を選定するようにしてもよい。
【００２７】
図３は、液面距離と反射エコーの反射強度との関係を示す特性曲線の一例を示した図である。図１に示した容器４０の縦寸法（高さ）が、例えば２４００ｍｍの場合、液体の充填は、通常２０００ｍｍ前後まで行われる。本例の場合、液面距離２０００ｍｍでの反射強度は、液面距離１００ｍｍでの反射強度に比べ、約３０ｄＢ減衰する。適正な駆動周波数が選択されていれば、反射強度が上記のように約３０ｄＢ減衰してもＡＭＰ１１の増幅率を減衰相当分だけ高いゲインに設定することで反射エコーを確実に検出することができ、液量計測が可能となる。従って、計測時には、逐次、ＡＭＰ１１の増幅率をコントロールして、液面距離による減衰があった場合でも反射エコーが取得できるようにしている。
【００２８】
ここで、本発明の超音波レベル計には、放出モード及び充填モードが設定可能である。まず、放出モードにおいて、収容する液体の放出時には比較的緩やかな液量変化が想定されるため、数時間間隔で計測が行われる。一方、充填モードにおいて、例えば１０分〜２０分間で液体容量が２０％から８０％程度まで急速に上昇するため、計測間隔は放出モードとは異なる。充填作業者は、充填開始前に超音波レベル計の充填スイッチ（図示せず）を操作し、充填時に液面計測モード（すなわち、充填モード）に設定する。
【００２９】
上記充填モードにおいて、通常、約５〜１０秒間隔で計測が行われ、放出モードへは自動的に切り替わる。これは、液量増加を監視し、もし液量の増加がないと判断した場合、充填完了と判定し、放出モードに移行し、計測間隔を上記のように数時間間隔に設定する。
【００３０】
上記充填完了の判定方法として、例えば、前回計測した液面距離を記憶しておき、その記憶した前回の液面距離と、次に計測した液面距離との差異ｄが所定値以内かどうかを計測毎に調べ、その差異ｄが所定値以内に収まった時点で充填完了と判定してもよい。さらに、液面ゆれ等による誤検知を考慮して、差異ｄが所定値以内に収まった状態が、例えば１０回（約５〜１０秒間隔）、すなわち５０秒〜１００秒の間連続して検出された場合に充填完了と判断するようにしてもよい。尚、上記の検出回数は任意に設定することができる。また、他の判定方法として、計測した液面位置が所望の液面位置を示した時点で充填完了と判定してもよい。本発明の超音波レベル計は、上記のように充填完了と判定した時点で最適な駆動周波数を選定する動作を行う。
【００３１】
図４は、反射強度に依存するコンパレータ波形の立ち上がりタイミングの一例について説明するための図である。図４（Ａ）は、反射強度が強い場合のエンベロープ波形を示した図で、図４（Ｂ）は、反射強度が強い場合のコンパレータ波形を示した図である。また、図４（Ｃ）は、反射強度が弱い場合のエンベロープ波形を示した図で、図４（Ｄ）は、反射強度が弱い場合のコンパレータ波形を示した図である。
【００３２】
図４（Ｃ）に示すように、図４（Ａ）に示すエンベロープ波形と比較して反射強度が弱いとエンベロープ波形の立ち上がりの傾斜が緩やかとなるために、図４（Ｄ）に示すように、図４（Ｂ）に示すコンパレータ波形と比較してコンパレータ波形の立ち上がりタイミングに遅れが生じる。本発明は、このコンパレータ波形の立ち上がりタイミングの遅れを利用することで、周波数選定を行う形態もとることができる。
【００３３】
図５は、本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の一例を説明するためのフロー図ある。まず、容器に液体を充填する充填モードにし、液体の充填を開始する（ステップＳ１）。液体の充填開始から液面位置を所定の時間間隔で定期的にチェックし（ステップＳ２）、液面位置の計測時に、前回計測時の液面位置からの上昇変化が所定値以内かどうか判断し（ステップＳ３）、上昇変化が所定値以上、すなわち充填が完了していない場合（ＮＯの場合）、上記ステップＳ２に戻り液面位置のチェックを続ける。
【００３４】
次に、上記ステップＳ３において、上昇変化が所定値以内の場合（ＹＥＳの場合）、その状態が所定回数連続して検出できたかどうか判断し（ステップＳ４）、所定回数連続して検出できなかった場合（ＮＯの場合）、液面ゆれ等による誤検出と判断し、上記ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。また、上記ステップＳ４において、所定回数連続して検出できた場合（ＹＥＳの場合）、充填完了と判定する（ステップＳ５）。
【００３５】
以下、最適な駆動周波数の選定方法として、本例では、反射波の反射強度、すなわち、取得した反射波の反射強度が最大であることを選定条件に用いる場合について説明する。
まず、上記ステップＳ５において充填完了と判定した後に、アンプの増幅率を最低に設定する（ステップＳ６）。この状態で、例えば、今まで駆動周波数として選択していた周波数ｆ０を中心とした範囲ｆ０±３０ｋＨｚの範囲を、２ｋＨｚ刻みで駆動周波数を変化させながら（ステップＳ７）、反射エコー（反射波）の有無を調べる処理（周波数スキャン）を行う（ステップＳ８）。
【００３６】
上記ステップＳ８において、どの周波数に対しても反射エコーが取得されない場合（ＮＯの場合）、アンプを１段階高い増幅率に設定し（ステップＳ９）、上記ステップＳ７に戻り、駆動周波数を変化させながら、反射エコーの有無を調べる処理（周波数スキャン）を繰り返す。このように、上記ステップＳ７，ステップＳ８，ステップＳ９の処理を反射エコーが少なくとも１つの駆動周波数について取得できるまで繰り返して行う。
【００３７】
次に、上記ステップＳ８において、反射エコーが少なくとも１つ以上取得された場合（ＹＥＳの場合）、取得した時点で反射エコーの反射強度が計測されている状態であるため、その反射強度が所定値以上となる駆動周波数帯域を調べる（ステップＳ１０）。また、上記所定値を設けずに、計測した反射エコーの中から、最大の反射強度を示した反射エコーに応じた周波数を駆動周波数としてもよい。
【００３８】
次に、上記ステップＳ１０において取得した駆動周波数帯域に対して下限周波数をｆａ１，上限周波数をｆａ２として設定し、最適な駆動周波数ｆａｍは、ｆａ１とｆａ２との中央点として選定する（ステップＳ１１）。これは、後述する図７（Ａ）に反射強度のグラフとして示す。尚、上記ステップＳ１１に示す関係を式で表現すると、下記の通りとなる。
ｆａｍ＝（ｆａ１＋ｆａ２）／２ ・・・式（１）
【００３９】
また、上記式（１）によると、最適な駆動周波数ｆａｍは、ｆａ１とｆａ２との中央点として選定されるが、駆動周波数ｆａｍは、このｆａ１とｆａ２との中央点付近（範囲は予め設定可能とする）の周波数であってもよい。
【００４０】
本発明によると、充填完了と判断した場合に最適な駆動周波数を選定することができる。すなわち、充填完了時点の液面距離は、次回の充填までの放出モードにおける最大液面距離であり、最適周波数の選定時に、放出モードでの計測条件において液面距離による減衰効果を最も利用できる条件で行うことになる。従って、従来のように駆動周波数選定のための低ゲイン切り替え回路を付加する必要がなくなる。
【００４１】
図６は、本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の他の例を説明するためのフロー図ある。まず、容器に液体を充填する充填モードにし、液体の充填を開始する（ステップＳ２１）。液体の充填開始から液面位置を所定の時間間隔で定期的にチェックし（ステップＳ２２）、液面位置の計測時に、前回計測時の液面位置からの上昇変化が所定値以内かどうか判断し（ステップＳ２３）、上昇変化が所定値以上、すなわち、充填が完了していない場合（ＮＯの場合）、上記ステップＳ２２に戻り液面位置のチェックを続ける。
【００４２】
次に、上記ステップＳ２３において、上昇変化が所定値以内の場合（ＹＥＳの場合）、その状態が所定回数連続して検出できたかどうか判断し（ステップＳ２４）、所定回数連続して検出できなかった場合（ＮＯの場合）、誤検出として判断し、上記ステップＳ２３に戻り処理を繰り返す。また、上記ステップＳ２４において、所定回数連続して検出できた場合（ＹＥＳの場合）、充填完了と判定する（ステップＳ２５）。
【００４３】
以下、最適な駆動周波数の他の選定方法として、本例では、第１反射波の立ち上がりタイミングが最小であることを選定条件に用いる場合について説明する。まず、上記ステップＳ２５において充填完了と判定した後に、アンプの増幅率を最低に設定する（ステップＳ２６）。この状態で、例えば、今まで駆動周波数として選択していた周波数ｆ０を中心とした範囲ｆ０±３０ｋＨｚの範囲を、２ｋＨｚ刻みで駆動周波数を変化させながら（ステップＳ２７）、反射エコー（反射波）の有無を調べる処理（周波数スキャン）を行う（ステップＳ２８）。
【００４４】
上記ステップＳ２８において、どの周波数に対しても反射エコーが取得されない場合（ＮＯの場合）、アンプを１段階高い増幅率に設定し（ステップＳ２９）、上記ステップＳ２７に戻り、駆動周波数を変化させながら、反射エコーの有無を調べる処理（周波数スキャン）を繰り返す。このように、上記ステップＳ２７，ステップＳ２８，ステップＳ２９の処理を反射エコーが少なくとも１つの駆動周波数について取得できるまで繰り返して行う。
【００４５】
次に、上記ステップＳ２８において、反射エコーが少なくとも１つ以上取得された場合（ＹＥＳの場合）、取得した反射エコーの中から全ての第１反射エコーの立ち上がりタイミングを計測し（ステップＳ３０）、第１反射エコーの立ち上がりタイミングの最小値ｔｍｉｎを求める（ステップＳ３１）。次に、その立ち上がりタイミングの最小値ｔｍｉｎよりも所定時間、例えば、約０．２μｓ遅い時間をスライス時間（ｔｓ＝ｔｍｉｎ＋０．２）とおいて、第１反射エコーの立ち上がりタイミングがスライス時間ｔｓ以下の駆動周波数帯域を調べる（ステップＳ３２）。尚、本例は、第１反射エコーに限らず、第２反射エコー以降の反射エコーを用いてもよい。
【００４６】
次に、上記ステップＳ３２において、スライス時間ｔｓ以下の立ち上がりタイミングを有する第１反射エコーに応じた駆動周波数帯域に対して下限周波数をｆｂ１，上限周波数をｆｂ２として設定し、最適な駆動周波数ｆｂｍは、ｆｂ１とｆｂ２との中央点として選定する（ステップＳ３３）。これは、後述する図７（Ｂ）に第１反射波の立ち上がりタイミング変化のグラフとして示す。尚、上記ステップＳ３３に示す関係を式で表現すると、下記の通りとなる。
ｆｂｍ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２ ・・・式（２）
【００４７】
また、上記式（２）によると、最適な駆動周波数ｆｂｍは、ｆｂ１とｆｂ２との中央点として選定されるが、駆動周波数ｆｂｍは、このｆｂ１とｆｂ２との中央点付近（範囲は予め設定可能とする）の周波数であってもよい。
【００４８】
上記のように、スライス時間ｔｓ以下の立ち上がりタイミングを有する第１反射エコーに応じた駆動周波数帯域に基づいて最適な駆動周波数を選定することで、検出時間分解能が十分でない場合も考慮して最小値ｔｍｉｎと同値の周波数帯が検出された場合でも対応することができる。尚、検出時間分解能が十分である場合には、最小値ｔｍｉｎとなった周波数を最適な駆動周波数としてもよい。
【００４９】
また、最適な駆動周波数の他の選定方法として、反射エコーの波高レベルを選定条件に用いてもよい。すなわち、波高レベルが最大となる周波数を駆動周波数として直接求めても良く、あるいは、波高レベルが所定値以上となる周波数帯域の中心周波数を駆動周波数としてもよい。
【００５０】
本発明によると、第１反射波の立ち上がりタイミングを利用するため、アンプ出力の反射波形の振幅、検波回路のエンベロープ波形の振幅が飽和状態であっても、反射強度を把握することができる。従って、従来のように駆動周波数選定のための低ゲイン切り替え回路を付加する必要がなくなる。
【００５１】
図７は、センサ駆動周波数による反射強度及び第１反射波の立ち上がりタイミングの変化の一例を示す図である。図７（Ａ）は、容器の底板の板厚に応じて定まる通過周波数が約１０００ｋＨｚの場合について、任意の液面でセンサ駆動周波数による反射強度を示しており、前述の図５に示した式（１）の関係を示した図である。また、図７（Ｂ）は、容器の底板の板厚に応じて定まる通過周波数が約１０００ｋＨｚの場合について、任意の液面でセンサ駆動周波数による第１反射波の立ち上がりタイミングの変化Δｔを示しており、前述の図６に示した式（２）の関係を示した図である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によると、超音波レベル計の駆動周波数調整時において、容器に充填する液体の充填完了時点でその液面からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、液面位置計測時と同等の増幅率可変範囲で、最適な駆動周波数を選定することができるため、駆動周波数調整用の低ゲイン設定回路を不要とすることができ、安価で且つ高精度な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場合の構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【図３】液面距離と反射エコーの反射強度との関係を示す特性曲線の一例を示した図である。
【図４】反射強度に依存するコンパレータ波形の立ち上がりタイミングの一例について説明するための図である。
【図５】本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の一例を説明するためのフロー図ある。
【図６】本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の他の例を説明するためのフロー図ある。
【図７】センサ駆動周波数による反射強度及び第１反射波の立ち上がりタイミングの変化の一例を示す図である。
【図８】従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，５０…制御部（コントローラ）、１１，５２…ＡＭＰ、１２，５３…ＥＮＶＤＥＴ、１３…ＣＭＰ、１４，５５…ＣＰＵ、１５，５６…ＬＣＤ、１６，５７…ＲＡＭ、１７，５８…ＲＯＭ、１７ａ…液面検出手段、１７ｂ…周波数選定手段、１８，５９…Ｄ／Ａコンバータ、１９，６０…ＶＣＯ、２０，６１…ゲート素子、２１，６２…ＤＲＶ、３０，７０…センサ、３１…超音波、４０…容器、４１…液面、５１…増幅率切り替え回路、５４…Ａ／Ｄコンバータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計の周波数選定方法及び超音波レベル計、より詳細には、容器底面の外壁から超音波を送信し、内部の液界面からの反射波が戻ってくるまでの時間に基づいて容器内部の液面位置を検出する超音波レベル計の周波数選定方法に関する。
【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。
【０００３】
図８は、従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、図中、５０は超音波レベル計の制御部で、該制御部５０は、増幅率切り替え回路５１，ＡＭＰ（増幅回路）５２，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）５３，Ａ／Ｄコンバータ５４，ＣＰＵ５５，ＬＣＤ（表示部）５６，ＲＡＭ５７，ＲＯＭ５８，Ｄ／Ａコンバータ５９，ＶＣＯ（発振回路）６０，ゲート素子６１，ＤＲＶ（駆動回路）６２を有し、７０は超音波レベル計の超音波センサ（以下、センサという）で、制御部５０及び超音波センサ７０は有線又は無線で接続されているものとする。
【０００４】
まず、超音波の送信時において、Ｄ／Ａコンバータ５９は、ＣＰＵ５５からのデータを電圧に変換してＶＣＯ６０に入力する。ＶＣＯ６０は、Ｄ／Ａコンバータ５９からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子６１に入力する。ゲート素子６１は、ＣＰＵ５５からのパルス出力に基づいてＶＣＯ６０からの発振波をＤＲＶ６２に出力する。ＤＲＶ６２は、ゲート素子６１からの出力を高電位振幅に変換してセンサ７０を駆動する駆動信号を出力する。センサ７０は、ＤＲＶ６２からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波を送信する。
【０００５】
また、超音波の受信時において、センサ７０は、上記のように送信した超音波が容器内部の液面等の対象物に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号を増幅率切り替え回路５１に入力する。この増幅率切り替え回路５１は、周波数調整用の増幅率として０ｄＢ、液面位置計測用の増幅率として１７〜２０ｄＢのいずれかを選択可能に設けており、液面位置を計測する場合には１７〜２０ｄＢの高ゲインを選択し、周波数調整時には０ｄＢの低ゲインを選択するように設定されている。さらに、ＡＭＰ５２は、ＣＰＵ５５から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ５３は、ＡＭＰ５２からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。Ａ／Ｄコンバータ５４は、ＥＮＶＤＥＴ５３からのエンベロープ波形をデジタル変換してＣＰＵ５５に入力する。ＣＰＵ５５は、センサ７０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対象物までの距離を算出する。
【０００６】
ここで、液体を収容する容器の底部外壁面にセンサ７０を設置した場合、高精度な液面位置の計測を行うためには、容器底部の板厚に適したセンサ駆動周波数を選定してエコー波形の反射強度を十分に確保する必要がある。最適なセンサ駆動周波数は、センサ７０と容器底部の外壁面との接触状態によって経時変化することがあり、運用中に逐次、最適なセンサ駆動周波数を自動選定する方法が必要である。従来の超音波レベル計においては、センサ駆動周波数を変えながらエコー波形の波高レベルを計測し、波高レベルが最大となる周波数を選定していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液面位置が低い場合にはエコー強度が大き過ぎるため、エコー波形の波高レベルを計測できるようにするためには、周波数調整時の増幅率（低ゲイン）を、計測時の増幅率（高ゲイン）に対して大幅に低く変化させる必要があるなど、増幅率可変範囲を広く設計しておく必要があった。従って、従来の超音波レベル計には、周波数調整時の低ゲインに対応できるように広い範囲で増幅率を設定可能とするための駆動周波数調整用の低ゲイン設定回路が必要であった。更に、エコー波形の波高レベルを検出するために、Ａ／Ｄコンバータを用いて波高レベルをＣＰＵで処理可能なデジタル値に変換する必要があった。また、Ａ／Ｄコンバータの代わりに、コンパレータを用いる場合には、アンプの増幅率を細かく設定可能とする可変ゲインアンプが必要となる。
【０００８】
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、超音波レベル計の駆動周波数調整時において、容器に充填する液体の充填完了時点でその液面からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、液面位置計測時と同等の増幅率可変範囲で、最適な駆動周波数を選定できるようにすること、
また、駆動周波数の調整時に増幅率を低下させるための低ゲイン設定回路を不要とすることができる超音波レベル計を提供すること、をその目的とする。
【０００９】
【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の周波数選定方法において、前記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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出ステップと、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し、該計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定ステップとを有することを特徴としたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記液面から取得した反射波の反射強度が所定値以上となる周波数帯域に対して下限周波数及び上限周波数を設定し、該設定した下限周波数及び上限周波数のほぼ中間となる周波数を駆動周波数として選定することを特徴としたものである。
【００１１】
請求項３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の周波数選定方法において、前記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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出ステップと、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、該計測した立ち上がりタイミングが最小となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定ステップとを有することを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記周波数選定ステップにおいて、前記液面から取得した反射波の立ち上がりタイミングが所定時間以下となる周波数帯域に対して下限周波数及び上限周波数を設定し、該設定した下限周波数及び上限周波数のほぼ中間となる周波数を駆動周波数として選定することを特徴としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項３又は４の発明において、前記液面から取得する反射波は、第１反射波であることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記周波数選定ステップにおいて、前記充填完了と判定した時点で増幅率を低下させると共に前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波を取得できたかどうか判定し、その判定の結果、前記液面からの反射波が取得できない場合、前記低下させた増幅率を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の駆動周波数を変化させて前記液面からの反射波を取得できたかどうか判定するステップを、少なくとも１つ以上の反射波を取得できるまで繰り返すことを特徴としたものである。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１の発明において、前記容器の液体充填時において前記液面検出ステップにて前回計測した液面位置を記憶して有し、前記周波数選定ステップにおいて、前記液面検出ステップにて次に計測した液面位置と、前記記憶した前回の液面位置との差異が所定値以内に収まり且つその状態が所定回数連続して検出された場合に充填完了と判定することを特徴としたものである。
【００１６】
請求項８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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出手段と、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し、該計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定手段とを有することを特徴としたものである。
【００１７】
請求項９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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出手段と、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、該計測した立ち上がりタイミングが最小となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定手段とを有することを特徴としたものである。
【００１８】
【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場合の構成例を説明するための図で、図中、１０は制御部（以下、コントローラという）、３０は超音波センサ（圧電センサ）、３１は超音波センサ３０から送信する超音波、１５はコントローラ１０の表示部、４０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）、４１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３０からなり、超音波センサ３０は容器４０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３０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。
【００１９】
上記のような構成において、例えば、液体の液面４１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３０から超音波３１を送信し、主に液面４１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４１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４０内の液体容量を算出することができる。
【００２０】
液面４１の高さを検出する際に、超音波センサ３０は、容器４０の底部外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４１で反射して戻ってくるが、液面４１の高さに応じて超音波センサ３０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。
【００２１】
本発明の超音波レベル計は、駆動周波数の調整時において、容器４０に充填する液体の充填完了時点で、その液面４１からの反射エコー、すなわち実使用範囲の上限付近での液面４１からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、最適な駆動周波数を選定できるようにすること、また、これにより、駆動周波数調整時の増幅率可変範囲を、計測時の増幅率可変範囲と同等に設計可能とし、駆動周波数調整用の低ゲイン設定回路を不要とすることができること、をその目的としており、そのために下記の図２に示す回路構成を有するものとする。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、超音波レベル計のコントローラ１０は、ＡＭＰ（増幅回路）１１，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）１２，ＣＭＰ（コンパレータ）１３，ＣＰＵ１４，ＬＣＤ（表示部）１５，ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１７，Ｄ／Ａコンバータ１８，ＶＣＯ（発振回路）１９，ゲート素子２０，ＤＲＶ（駆動回路）２１を有し、３０は超音波レベル計の超音波センサ（以下、センサという）で、コントローラ１０及び超音波センサ３０は有線又は無線で接続されているものとする。ＲＯＭ１７には、液面検出手段１７ａ及び周波数選定手段１７ｂがプログラムとして格納されており、ＣＰＵ１４は、本発明の駆動周波数選定処理を行う際に、上記プログラムを読み出して実行する。尚、上記プログラムはＲＡＭ１６に格納してもよい。
【００２３】
図１及び図２において、超音波の送信時に、Ｄ／Ａコンバータ１８は、ＣＰＵ１４からのデータを電圧に変換してＶＣＯ１９に入力する。ＶＣＯ１９は、Ｄ／Ａコンバータ１８からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子２０に入力する。ゲート素子２０は、ＣＰＵ１４からのパルス出力に基づいてＶＣＯ１９からの発振波をＤＲＶ２１に出力する。ＤＲＶ２１は、ゲート素子２０からの出力を高電位振幅に変換してセンサ３０を駆動する駆動信号を出力する。センサ３０は、ＤＲＶ２１からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波３１を送信する。
【００２４】
また、超音波の受信時において、センサ３０は、上記のように送信した超音波３１が容器４０の液面４１に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号をＡＭＰ１１に入力する。ＡＭＰ１１は、ＣＰＵ１４から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ１２は、ＡＭＰ１１からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。ＣＭＰ１３は、ＥＮＶＤＥＴ１２からのエンベロープ波形と基準電位とを比較し、エンベロープ波形が基準電位を越えたとき、論理値１をＣＰＵ１４に出力する。ＣＰＵ１４は、センサ３０により超音波３１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液面４１までの距離を算出する。
【００２５】
コントローラ１０の液面検出手段１７ａは、センサ３０により超音波３１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液面位置を所定の時間間隔で定期的に検出する。周波数選定手段１７ｂは、液面検出手段１７ａで検出した液面位置に関する情報に基づいて容器４０の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、充填完了と判定した時点でセンサ３０の駆動周波数を変化させながら液面４１からの反射波の反射強度を計測し、計測した反射強度が最大となるようにセンサ３０の駆動周波数を選定する。
【００２６】
別の実施形態として、周波数選定手段１７ｂは、液面検出手段１７ａで検出した液面位置に関する情報に基づいて容器４０の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、充填完了と判定した時点でセンサ３０の駆動周波数を変化させながら液面４１からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、計測した立ち上がりタイミングが最小となるようにセンサ３０の駆動周波数を選定するようにしてもよい。
【００２７】
図３は、液面距離と反射エコーの反射強度との関係を示す特性曲線の一例を示した図である。図１に示した容器４０の縦寸法（高さ）が、例えば２４００ｍｍの場合、液体の充填は、通常２０００ｍｍ前後まで行われる。本例の場合、液面距離２０００ｍｍでの反射強度は、液面距離１００ｍｍでの反射強度に比べ、約３０ｄＢ減衰する。適正な駆動周波数が選択されていれば、反射強度が上記のように約３０ｄＢ減衰してもＡＭＰ１１の増幅率を減衰相当分だけ高いゲインに設定することで反射エコーを確実に検出することができ、液量計測が可能となる。従って、計測時には、逐次、ＡＭＰ１１の増幅率をコントロールして、液面距離による減衰があった場合でも反射エコーが取得できるようにしている。
【００２８】
ここで、本発明の超音波レベル計には、放出モード及び充填モードが設定可能である。まず、放出モードにおいて、収容する液体の放出時には比較的緩やかな液量変化が想定されるため、数時間間隔で計測が行われる。一方、充填モードにおいて、例えば１０分〜２０分間で液体容量が２０％から８０％程度まで急速に上昇するため、計測間隔は放出モードとは異なる。充填作業者は、充填開始前に超音波レベル計の充填スイッチ（図示せず）を操作し、充填時に液面計測モード（すなわち、充填モード）に設定する。
【００２９】
上記充填モードにおいて、通常、約５〜１０秒間隔で計測が行われ、放出モードへは自動的に切り替わる。これは、液量増加を監視し、もし液量の増加がないと判断した場合、充填完了と判定し、放出モードに移行し、計測間隔を上記のように数時間間隔に設定する。
【００３０】
上記充填完了の判定方法として、例えば、前回計測した液面距離を記憶しておき、その記憶した前回の液面距離と、次に計測した液面距離との差異ｄが所定値以内かどうかを計測毎に調べ、その差異ｄが所定値以内に収まった時点で充填完了と判定してもよい。さらに、液面ゆれ等による誤検知を考慮して、差異ｄが所定値以内に収まった状態が、例えば１０回（約５〜１０秒間隔）、すなわち５０秒〜１００秒の間連続して検出された場合に充填完了と判断するようにしてもよい。尚、上記の検出回数は任意に設定することができる。また、他の判定方法として、計測した液面位置が所望の液面位置を示した時点で充填完了と判定してもよい。本発明の超音波レベル計は、上記のように充填完了と判定した時点で最適な駆動周波数を選定する動作を行う。
【００３１】
図４は、反射強度に依存するコンパレータ波形の立ち上がりタイミングの一例について説明するための図である。図４（Ａ）は、反射強度が強い場合のエンベロープ波形を示した図で、図４（Ｂ）は、反射強度が強い場合のコンパレータ波形を示した図である。また、図４（Ｃ）は、反射強度が弱い場合のエンベロープ波形を示した図で、図４（Ｄ）は、反射強度が弱い場合のコンパレータ波形を示した図である。
【００３２】
図４（Ｃ）に示すように、図４（Ａ）に示すエンベロープ波形と比較して反射強度が弱いとエンベロープ波形の立ち上がりの傾斜が緩やかとなるために、図４（Ｄ）に示すように、図４（Ｂ）に示すコンパレータ波形と比較してコンパレータ波形の立ち上がりタイミングに遅れが生じる。本発明は、このコンパレータ波形の立ち上がりタイミングの遅れを利用することで、周波数選定を行う形態もとることができる。
【００３３】
図５は、本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の一例を説明するためのフロー図ある。まず、容器に液体を充填する充填モードにし、液体の充填を開始する（ステップＳ１）。液体の充填開始から液面位置を所定の時間間隔で定期的にチェックし（ステップＳ２）、液面位置の計測時に、前回計測時の液面位置からの上昇変化が所定値以内かどうか判断し（ステップＳ３）、上昇変化が所定値以上、すなわち充填が完了していない場合（ＮＯの場合）、上記ステップＳ２に戻り液面位置のチェックを続ける。
【００３４】
次に、上記ステップＳ３において、上昇変化が所定値以内の場合（ＹＥＳの場合）、その状態が所定回数連続して検出できたかどうか判断し（ステップＳ４）、所定回数連続して検出できなかった場合（ＮＯの場合）、液面ゆれ等による誤検出と判断し、上記ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。また、上記ステップＳ４において、所定回数連続して検出できた場合（ＹＥＳの場合）、充填完了と判定する（ステップＳ５）。
【００３５】
以下、最適な駆動周波数の選定方法として、本例では、反射波の反射強度、すなわち、取得した反射波の反射強度が最大であることを選定条件に用いる場合について説明する。
まず、上記ステップＳ５において充填完了と判定した後に、アンプの増幅率を最低に設定する（ステップＳ６）。この状態で、例えば、今まで駆動周波数として選択していた周波数ｆ０を中心とした範囲ｆ０±３０ｋＨｚの範囲を、２ｋＨｚ刻みで駆動周波数を変化させながら（ステップＳ７）、反射エコー（反射波）の有無を調べる処理（周波数スキャン）を行う（ステップＳ８）。
【００３６】
上記ステップＳ８において、どの周波数に対しても反射エコーが取得されない場合（ＮＯの場合）、アンプを１段階高い増幅率に設定し（ステップＳ９）、上記ステップＳ７に戻り、駆動周波数を変化させながら、反射エコーの有無を調べる処理（周波数スキャン）を繰り返す。このように、上記ステップＳ７，ステップＳ８，ステップＳ９の処理を反射エコーが少なくとも１つの駆動周波数について取得できるまで繰り返して行う。
【００３７】
次に、上記ステップＳ８において、反射エコーが少なくとも１つ以上取得された場合（ＹＥＳの場合）、取得した時点で反射エコーの反射強度が計測されている状態であるため、その反射強度が所定値以上となる駆動周波数帯域を調べる（ステップＳ１０）。また、上記所定値を設けずに、計測した反射エコーの中から、最大の反射強度を示した反射エコーに応じた周波数を駆動周波数としてもよい。
【００３８】
次に、上記ステップＳ１０において取得した駆動周波数帯域に対して下限周波数をｆａ１，上限周波数をｆａ２として設定し、最適な駆動周波数ｆａｍは、ｆａ１とｆａ２との中央点として選定する（ステップＳ１１）。これは、後述する図７（Ａ）に反射強度のグラフとして示す。尚、上記ステップＳ１１に示す関係を式で表現すると、下記の通りとなる。
ｆａｍ＝（ｆａ１＋ｆａ２）／２ ・・・式（１）
【００３９】
また、上記式（１）によると、最適な駆動周波数ｆａｍは、ｆａ１とｆａ２との中央点として選定されるが、駆動周波数ｆａｍは、このｆａ１とｆａ２との中央点付近（範囲は予め設定可能とする）の周波数であってもよい。
【００４０】
本発明によると、充填完了と判断した場合に最適な駆動周波数を選定することができる。すなわち、充填完了時点の液面距離は、次回の充填までの放出モードにおける最大液面距離であり、最適周波数の選定時に、放出モードでの計測条件において液面距離による減衰効果を最も利用できる条件で行うことになる。従って、従来のように駆動周波数選定のための低ゲイン切り替え回路を付加する必要がなくなる。
【００４１】
図６は、本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の他の例を説明するためのフロー図ある。まず、容器に液体を充填する充填モードにし、液体の充填を開始する（ステップＳ２１）。液体の充填開始から液面位置を所定の時間間隔で定期的にチェックし（ステップＳ２２）、液面位置の計測時に、前回計測時の液面位置からの上昇変化が所定値以内かどうか判断し（ステップＳ２３）、上昇変化が所定値以上、すなわち、充填が完了していない場合（ＮＯの場合）、上記ステップＳ２２に戻り液面位置のチェックを続ける。
【００４２】
次に、上記ステップＳ２３において、上昇変化が所定値以内の場合（ＹＥＳの場合）、その状態が所定回数連続して検出できたかどうか判断し（ステップＳ２４）、所定回数連続して検出できなかった場合（ＮＯの場合）、誤検出として判断し、上記ステップＳ２３に戻り処理を繰り返す。また、上記ステップＳ２４において、所定回数連続して検出できた場合（ＹＥＳの場合）、充填完了と判定する（ステップＳ２５）。
【００４３】
以下、最適な駆動周波数の他の選定方法として、本例では、第１反射波の立ち上がりタイミングが最小であることを選定条件に用いる場合について説明する。まず、上記ステップＳ２５において充填完了と判定した後に、アンプの増幅率を最低に設定する（ステップＳ２６）。この状態で、例えば、今まで駆動周波数として選択していた周波数ｆ０を中心とした範囲ｆ０±３０ｋＨｚの範囲を、２ｋＨｚ刻みで駆動周波数を変化させながら（ステップＳ２７）、反射エコー（反射波）の有無を調べる処理（周波数スキャン）を行う（ステップＳ２８）。
【００４４】
上記ステップＳ２８において、どの周波数に対しても反射エコーが取得されない場合（ＮＯの場合）、アンプを１段階高い増幅率に設定し（ステップＳ２９）、上記ステップＳ２７に戻り、駆動周波数を変化させながら、反射エコーの有無を調べる処理（周波数スキャン）を繰り返す。このように、上記ステップＳ２７，ステップＳ２８，ステップＳ２９の処理を反射エコーが少なくとも１つの駆動周波数について取得できるまで繰り返して行う。
【００４５】
次に、上記ステップＳ２８において、反射エコーが少なくとも１つ以上取得された場合（ＹＥＳの場合）、取得した反射エコーの中から全ての第１反射エコーの立ち上がりタイミングを計測し（ステップＳ３０）、第１反射エコーの立ち上がりタイミングの最小値ｔｍｉｎを求める（ステップＳ３１）。次に、その立ち上がりタイミングの最小値ｔｍｉｎよりも所定時間、例えば、約０．２μｓ遅い時間をスライス時間（ｔｓ＝ｔｍｉｎ＋０．２）とおいて、第１反射エコーの立ち上がりタイミングがスライス時間ｔｓ以下の駆動周波数帯域を調べる（ステップＳ３２）。尚、本例は、第１反射エコーに限らず、第２反射エコー以降の反射エコーを用いてもよい。
【００４６】
次に、上記ステップＳ３２において、スライス時間ｔｓ以下の立ち上がりタイミングを有する第１反射エコーに応じた駆動周波数帯域に対して下限周波数をｆｂ１，上限周波数をｆｂ２として設定し、最適な駆動周波数ｆｂｍは、ｆｂ１とｆｂ２との中央点として選定する（ステップＳ３３）。これは、後述する図７（Ｂ）に第１反射波の立ち上がりタイミング変化のグラフとして示す。尚、上記ステップＳ３３に示す関係を式で表現すると、下記の通りとなる。
ｆｂｍ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２ ・・・式（２）
【００４７】
また、上記式（２）によると、最適な駆動周波数ｆｂｍは、ｆｂ１とｆｂ２との中央点として選定されるが、駆動周波数ｆｂｍは、このｆｂ１とｆｂ２との中央点付近（範囲は予め設定可能とする）の周波数であってもよい。
【００４８】
上記のように、スライス時間ｔｓ以下の立ち上がりタイミングを有する第１反射エコーに応じた駆動周波数帯域に基づいて最適な駆動周波数を選定することで、検出時間分解能が十分でない場合も考慮して最小値ｔｍｉｎと同値の周波数帯が検出された場合でも対応することができる。尚、検出時間分解能が十分である場合には、最小値ｔｍｉｎとなった周波数を最適な駆動周波数としてもよい。
【００４９】
また、最適な駆動周波数の他の選定方法として、反射エコーの波高レベルを選定条件に用いてもよい。すなわち、波高レベルが最大となる周波数を駆動周波数として直接求めても良く、あるいは、波高レベルが所定値以上となる周波数帯域の中心周波数を駆動周波数としてもよい。
【００５０】
本発明によると、第１反射波の立ち上がりタイミングを利用するため、アンプ出力の反射波形の振幅、検波回路のエンベロープ波形の振幅が飽和状態であっても、反射強度を把握することができる。従って、従来のように駆動周波数選定のための低ゲイン切り替え回路を付加する必要がなくなる。
【００５１】
図７は、センサ駆動周波数による反射強度及び第１反射波の立ち上がりタイミングの変化の一例を示す図である。図７（Ａ）は、容器の底板の板厚に応じて定まる通過周波数が約１０００ｋＨｚの場合について、任意の液面でセンサ駆動周波数による反射強度を示しており、前述の図５に示した式（１）の関係を示した図である。また、図７（Ｂ）は、容器の底板の板厚に応じて定まる通過周波数が約１０００ｋＨｚの場合について、任意の液面でセンサ駆動周波数による第１反射波の立ち上がりタイミングの変化Δｔを示しており、前述の図６に示した式（２）の関係を示した図である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によると、超音波レベル計の駆動周波数調整時において、容器に充填する液体の充填完了時点でその液面からの反射エコーの減衰効果を利用することにより、液面位置計測時と同等の増幅率可変範囲で、最適な駆動周波数を選定することができるため、駆動周波数調整用の低ゲイン設定回路を不要とすることができ、安価で且つ高精度な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場合の構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【図３】液面距離と反射エコーの反射強度との関係を示す特性曲線の一例を示した図である。
【図４】反射強度に依存するコンパレータ波形の立ち上がりタイミングの一例について説明するための図である。
【図５】本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の一例を説明するためのフロー図ある。
【図６】本発明が適用される超音波レベル計の周波数選定方法の他の例を説明するためのフロー図ある。
【図７】センサ駆動周波数による反射強度及び第１反射波の立ち上がりタイミングの変化の一例を示す図である。
【図８】従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，５０…制御部（コントローラ）、１１，５２…ＡＭＰ、１２，５３…ＥＮＶＤＥＴ、１３…ＣＭＰ、１４，５５…ＣＰＵ、１５，５６…ＬＣＤ、１６，５７…ＲＡＭ、１７，５８…ＲＯＭ、１７ａ…液面検出手段、１７ｂ…周波数選定手段、１８，５９…Ｄ／Ａコンバータ、１９，６０…ＶＣＯ、２０，６１…ゲート素子、２１，６２…ＤＲＶ、３０，７０…センサ、３１…超音波、４０…容器、４１…液面、５１…増幅率切り替え回路、５４…Ａ／Ｄコンバータ。
Claims (9)
- 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の周波数選定方法において、前記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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出ステップと、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し、該計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定ステップとを有することを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 請求項１に記載の超音波レベル計の周波数選定方法において、前記液面から取得した反射波の反射強度が所定値以上となる周波数帯域に対して下限周波数及び上限周波数を設定し、該設定した下限周波数及び上限周波数のほぼ中間となる周波数を駆動周波数として選定することを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 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の周波数選定方法において、前記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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出ステップと、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、該計測した立ち上がりタイミングが最小となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定ステップとを有することを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 請求項３に記載の超音波レベル計の周波数選定方法において、前記周波数選定ステップにおいて、前記液面から取得した反射波の立ち上がりタイミングが所定時間以下となる周波数帯域に対して下限周波数及び上限周波数を設定し、該設定した下限周波数及び上限周波数のほぼ中間となる周波数を駆動周波数として選定することを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 請求項３又は４に記載の超音波レベル計の周波数選定方法において、前記液面から取得する反射波は、第１反射波であることを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 請求項１乃至５のいずれか１に記載の超音波レベル計の周波数選定方法において、前記周波数選定ステップにおいて、前記充填完了と判定した時点で増幅率を低下させると共に前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波を取得できたかどうか判定し、その判定の結果、前記液面からの反射波が取得できない場合、前記低下させた増幅率を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の駆動周波数を変化させて前記液面からの反射波を取得できたかどうか判定するステップを、少なくとも１つ以上の反射波を取得できるまで繰り返すことを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 請求項１乃至６のいずれか１に記載の超音波レベル計の周波数選定方法において、前記容器の液体充填時において前記液面検出ステップにて前回計測した液面位置を記憶して有し、前記周波数選定ステップにおいて、前記液面検出ステップにて次に計測した液面位置と、前記記憶した前回の液面位置との差異が所定値以内に収まり且つその状態が所定回数連続して検出された場合に充填完了と判定することを特徴とする超音波レベル計の周波数選定方法。
- 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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出手段と、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の反射強度を計測し、該計測した反射強度が最大となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定手段とを有することを特徴とする超音波レベル計。
- 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液面位置を所定の時間間隔で検出する液面検出手段と、該検出した液面位置に関する情報に基づいて前記容器の液体充填時に充填完了したかどうか判定し、該充填完了と判定した時点で前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら前記液面からの反射波の立ち上がりタイミングを計測し、該計測した立ち上がりタイミングが最小となるように前記超音波センサの駆動周波数を選定する周波数選定手段とを有することを特徴とする超音波レベル計。
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