JP2005009874A

JP2005009874A - Liquid level detector

Info

Publication number: JP2005009874A
Application number: JP2003170821A
Authority: JP
Inventors: Kenji Masuda; 堅司増田; Tomoki Sakamoto; 知己阪本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-01-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To constantly receive effective signal values by prescribing the appropriate range of the mounting interval of each ultrasonic element. <P>SOLUTION: A liquid level detector comprises an ultrasonic oscillation element 12 that is mounted to a first specified position on the wall of a container 1 for accommodating liquid and generates ultrasonic waves; and an ultrasonic reception element 14 that is mounted at a second specified position on the wall of the container 1 and receives ultrasonic waves. The ultrasonic reception element 14 receives elastic waves that are generated by the ultrasonic oscillation element 12 and are propagated on the wall of the container 1, and a determining means 15 determines the presence or absence of liquid in the container 1, based on the reception signal value. The first and second specified positions are arranged with an interval, where ratio (n) of a liquid presence signal value for indicating a liquid presence state to a liquid absence signal value for indicating a liquid absence state is within a specific range. Accordingly, an effective reception signal value can be obtained constantly. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液位検出装置に関し、特に、検出精度の向上対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液体を収容する容器の壁にラム波状の弾性波を伝搬させ、その弾性波が容器の内壁に接触する液体の存在によって減衰することを利用して液面位置を検出する液位検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記液位検出装置は、超音波を発生する超音波発振素子と超音波を受信する超音波受信素子とを備えている。これら超音波発振素子および超音波受信素子は、液体を収容する容器の壁のそれぞれの所定位置に第１ロッド部材および第２ロッド部材を介して取り付けられている。
【０００４】
上記液位検出装置では、超音波発振素子で発振された弾性波が第１ロッド部材から容器の壁、第２ロッド部材へと順に伝搬し、超音波受信素子で受信される。ここで、上記容器内に液体が存在している場合、容器の壁を伝搬する弾性波の一部は、壁を介して液中に伝搬されるので、超音波受信素子で受信される弾性波の強度が小さくなる。そして、この弾性波強度の大小に基づいて液体の有無を判定し、液面位置の検出を行うようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５７２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の液位検出装置では、超音波発振素子と超音波受信素子との取付間隔が何ら明示されておらず、この取付間隔によっては、超音波受信素子で検出される信号値（弾性波の強度に相当）の変動幅が過大または過小になるため、液体の有無の判別が困難になり、安定した液面位置の検出が行えないという問題があった。
【０００７】
具体的に、上記液位検出装置では、液無し状態を示す信号値を液無信号値とし、液有り状態を示す信号値を液有信号値としている。そこで、上記超音波発振素子と超音波受信素子との取付間隔が大きくなると、容器の壁における弾性波の伝搬距離が長くなり、液中に伝搬される弾性波の量が増大するため、超音波受信素子で受信される信号値全体が小さくなり、特に液有信号値が小さくなる。この液有信号値が過小になると、例えば、断線や地絡などの異常時の信号値との識別が困難になる。一方、上記超音波発振素子と超音波受信素子との取付間隔が小さくなると、容器の壁における弾性波の伝搬距離が短くなり、液中に伝搬される弾性波の量が減少するため、超音波受信素子で受信される液有信号値と液無信号値との差が小さくなる。これにより、容器内の液体の有無の判定が困難になる。
【０００８】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各超音波素子の取付間隔の適当な範囲を規定し、常に有効な信号値を受信することにより、安定した液面位置の検出が可能な装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
具体的に、請求項１に係る発明は、液体の収容容器（１）の壁の第１の所定位置に取り付けられ、超音波を発生する発生手段（１２）と、上記液体の収容容器（１）の壁の第２の所定位置に取り付けられ、超音波を受信する受信手段（１４）とを備える一方、上記発生手段（１２）が発生して収容容器（１）の壁を伝搬する弾性波を受信手段（１４）が受信し、この受信信号値に基づいて収容容器（１）内の液体の有無を判定する判定手段（１５）を備えた液位検出装置を前提としている。そして、上記収容容器（１）の壁を伝搬する弾性波の波長は、収容容器（１）の壁厚より十分に大きく設定されている。また、上記第１の所定位置と第２の所定位置とは、液有り状態を示す液有信号値の液無し状態を示す液無信号値に対する比ｎが所定の範囲内となる間隔を存して配置されている。
【００１０】
上記の発明によれば、収容容器（１）の壁を伝搬する弾性波の波長が収容容器（１）の壁厚より十分に大きいので、発生手段（１２）が発生した弾性波は、収容容器（１）の壁の第１の所定位置において確実にラム波状の弾性波に変換される。このラム波状の弾性波は、収容容器（１）の壁を伝搬し、第２の所定位置から受信手段（１４）に受信される。ところが、上記収容容器（１）内に液体が存在すると、収容容器（１）の壁を伝搬するラム波状の弾性波は、液中にも伝搬するため減衰する。このため、上記受信手段（１４）の受信信号値は、小さくなり、その受信信号値の大小に基づいて判定手段（１５）が収容容器（１）内の液体の有無を判定する。
【００１１】
ここで、上記第１の所定位置と第２の所定位置とは、液有り状態を示す液有信号値の液無し状態を示す液無信号値に対する比ｎが所定の範囲内となる間隔を存して配置されているので、収容容器（１）の壁を伝搬するラム波状の弾性波が適当に減衰し、受信手段（１４）で適当な強度の液有信号値が受信される。これにより、上記容器（１）内の液体の有無が確実に判別される。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、上記判定手段（１５）は、受信手段（１４）の受信信号値が基準値より大きいと液無しを判定し、受信手段（１４）の受信信号値が基準値より小さいと液有りを判定するように構成されている。そして、上記基準値は、調整可能に構成されると共に、常に液無信号値が基準値より大きくなるように、上限値が設定されている。
【００１３】
上記の発明では、液無信号値が変動すると、液有信号値も同様に変動する。これにより、上記液無信号値は、常に基準値より大きくなる一方、液有信号値は、常に基準値より小さくなるので、例えば、液無し状態を液有り状態に判定するといった誤判定が防止される。したがって、常に正常な液面位置の検出が行われる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、請求項２において、上記第１の所定位置と第２の所定位置との間隔をＬ（ｍｍ）、液無信号値をＸとした場合、上記基準値の上限値Ｗａは、
Ｗａ＝０．９×Ｘ−０．０５×Ｌ
の式に基づいて定められる。
【００１５】
上記の発明では、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔および液無信号値を設定すると、基準値の上限値が定まる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、請求項２において、上記第１の所定位置と第２の所定位置との間隔をＬ（ｍｍ）、液無信号値をＸとした場合、上記液有信号値の上限値Ｙａは、
Ｙａ＝０．８×Ｘ−０．１×Ｌ
の式に基づいて定められる。
【００１７】
上記の発明では、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔および液無信号値を設定すると、液有信号値の上限値が定まる。
【００１８】
また、請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項において、上記液有信号値には、異常時の信号値とを識別するための下限値が設定されている。
【００１９】
上記の発明では、液有信号値が例えば断線や地絡などの異常時に受信される極めて小さい信号値より常に大きい値になる。したがって、上記液有信号値と異常時の信号値とが確実に判別されるので、液有り状態を検出する検出精度が向上する。
【００２０】
また、請求項６に係る発明は、請求項５において、上記液無信号値をＸとした場合、上記液有信号値の下限値Ｙｂは、
Ｙｂ＝０．１×Ｘ
の式に基づいて定められる。
【００２１】
上記の発明では、液無信号値を設定すると、液有信号値の下限値が定まる。
【００２２】
また、請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか１項において、上記第１の所定位置と第２の所定位置との間隔は、収容容器（１）の壁を伝搬する弾性波の波長より十分に大きく設定されている。
【００２３】
上記の発明では、収容容器（１）の壁を伝搬した弾性波の強度が波長の大きさに関係なく、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔によって変化する。
【００２４】
また、請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れか１項において、上記第１の所定位置と第２の所定位置との間隔は、３０〜１００ｍｍの範囲内である。
【００２５】
上記の発明では、受信手段（１４）で適当な強度の液有信号値が受信される。これにより、上記容器（１）内の液体の有無が確実に判別される。
【００２６】
また、請求項９に係る発明は、請求項７において、上記第１の所定位置と第２の所定位置との間隔をＬ（ｍｍ）、収容容器（１）の液体の音響インピーダンスをＺＬ、収容容器（１）の壁の音響インピーダンスをＺＳ、定数をｋ３とした場合、上記液有信号値の液無信号値に対する比ｎは、
ｎ＝ｅｘｐ（−ｋ３×Ｌ×ＺＬ／ＺＳ）
の式に基づいて定められる。
【００２７】
上記の発明では、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔、収容容器（１）の液体の音響インピーダンス、収容容器（１）の壁の音響インピーダンスおよび定数を設定すると、液有信号値の液無信号値に対する比が定まる。
【００２８】
また、請求項１０に係る発明は、請求項９において、上記定数ｋ３が０．１２である。
【００２９】
上記の発明では、液有信号値の液無信号値に対する適当な比が定まる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態の液位検出装置（１０）は、箱状の鉄製容器（１）の外壁面に取り付けられている。この容器（１）は、液体を収容する収容容器を構成している。
【００３２】
上記液位検出装置（１０）は、第１のロッド部材（１１）と、第２のロッド部材（１３）と、超音波発振素子（１２）と、超音波受信素子（１４）とを備えている。上記第１および第２のロッド部材（１１，１３）は、棒状に形成されると共に、全長に亘って雄ネジが形成されている。この第１および第２のロッド部材（１１，１３）は、容器（１）の外壁面における第１の所定位置および第２の所定位置にそれぞれ取り付けられ、第１の所定位置と第２の所定位置とを結ぶ線が容器（１）内の液面と平行になるように配置されている。なお、上記第１および第２のロッド部材（１１，１３）の配置は、これに限られるものではなく、第１の所定位置と第２の所定位置とを結ぶ線が容器（１）内の液面と垂直になるようにしてもよい。
【００３３】
上記超音波発振素子（１２）および超音波受信素子（１４）は、第１および第２のロッド部材（１１，１３）の端部に取り付けられている。上記超音波発振素子（１２）は、超音波を発生する発生手段を構成し、超音波受信素子（１４）は、超音波を受信する受信手段を構成している。
【００３４】
図４に示すように、上記各超音波素子（１２，１４）は、棒状の取付ロッド（２１）を備えている。この取付ロッド（２１）は、一方の片側に雌ネジが形成された雌ネジ部（２１ａ）と、他方の片側に雄ネジが形成された雄ネジ部（２１ｂ）とを有している。上記各超音波素子（１２，１４）は、圧電素子（２３）、第２のナット（２４）、座金（２５）、絶縁用ワッシャ（２６）および電極（２７）を備え、取付ロッド（２１）の雄ネジ部（２１ｂ）には、座金（２５）、絶縁用ワッシャ（２６）、電極（２７）、座金（２５）、圧電素子（２３）、座金（２５）、電極（２７）、絶縁用ワッシャ（２６）および座金（２５）が順に第２のナット（２４）で固定されている。
【００３５】
上記液位検出装置（１０）は、各ロッド部材（１１，１３）が各超音波素子（１２，１４）の取付ロッド（２１）における雌ネジ部（２１ａ）および第１のナット（２２）にネジ締結されている。
【００３６】
また、上記液位検出装置（１０）は、各超音波素子（１２，１４）に被せられたキャップ（３０）を備えている。該キャップ（３０）内には、モールド剤が封入されている。つまり、上記圧電素子（２３）や電極（２７）などがモールド剤で覆われている。このモールド剤が封入されたキャップ（３０）は、圧電素子（２３）や電極（２７）などの電気部品を防水するためのものである。
【００３７】
次に、上記液位検出装置（１０）における弾性波の伝搬について説明する。なお、ここでは、分かり易く説明するため、図１に示すように、各ロッド部材（１１，１３）を第１の所定位置と第２の所定位置とを結ぶ線が容器（１）内の液面と垂直になるように配置した場合に基づいて説明する。
【００３８】
図２に示すように、上記液位検出装置（１０）では、電気信号が電極（２７）を通して圧電素子（２３）に印加されると、超音波発振素子（１２）がバースト状の弾性波を発生し、この弾性波が第１のロッド部材（１１）を縦波として伝搬し（矢示Ａ参照）、第１のロッド部材（１１）と容器（１）の壁との固定部においてラム波状の弾性波に変換されて容器（１）の壁を伝搬する（矢示Ｂ参照）。ここで、例えば、容器（１）内に液体が存在している場合、ラム波状の弾性波は、一部が容器（１）の壁を介して液体に縦波として伝搬する（矢示Ｄ参照）ため、強度が減衰する。上記ラム波状の弾性波は、第２のロッド部材（１３）と容器（１）の壁との固定部において再び縦波の弾性波に変換されて第２のロッド部材（１３）を伝搬し（矢示Ｃ参照）、超音波受信素子（１４）に受信される。
【００３９】
また、上記液位検出装置（１０）では、ラム波の波長が容器（１）の壁厚より十分大きくなるように、圧電素子（２３）の共振周波数が設定されている。これにより、ロッド部材（１１，１３）を伝搬する縦波は、ラム波に効率よく変換される。本実施形態では、例えば、容器（１）の壁厚が２ｍｍ、壁材質（鉄）におけるラム波の速度が約２５００ｍ／ｓ、圧電素子（２３）の共振周波数が１６５ｋＨｚに設定されている。この場合、ラム波の波長は、１５．１ｍｍであり、容器（１）の壁厚より十分大きい。また、上記第１の所定位置と第２の所定位置との間隔、つまり各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）は、ラム波の波長より十分大きくなるように設定されるものとする。
【００４０】
また、上記液位検出装置（１０）は、判定手段（１５）を備えている。この判定手段（１５）は、超音波受信素子（１４）の受信信号値に基づいて容器（１）内の液体の有無を判定するように構成されている。
【００４１】
次に、上記超音波受信素子（１４）の受信信号値と各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）との関係について説明する。
【００４２】
図５に示すように、上記判定手段（１５）は、超音波受信素子（１４）の受信信号値が閾値（Ｗ）より大きいと液無しを判定し、受信信号値が閾値（Ｗ）より小さいと液有りを判定するように構成されている。上記超音波受信素子（１４）の受信信号値は、容器（１）内の液面位置によって変動する（線図Ｅ参照）。具体的に、上記液面位置が各超音波素子（１２，１４）の取付位置以下では、受信信号値が大きくなり、液面位置が各超音波素子（１２，１４）の取付位置以上では、受信信号値が小さくなる。なお、上記閾値（Ｗ）は、基準値を構成し、液無し状態を示す液無信号値（Ｘ）と液有り状態を示す液有信号値（Ｙ）との中間値に設定されている。
【００４３】
ここで、上記受信信号値について説明する。図６に示すように、上記超音波発振素子（１２）にパルス状の発振波形（Ｆ）が印加されると、遅延時間（Ｈ）が経過した後に、超音波受信素子（１４）で受信波形（Ｇ）が検出される。上記受信信号値は、受信波形（Ｇ）のうち演算区間（Ｉ）の受信波形のみを演算して得られる信号値である。上記遅延時間（Ｈ）は、超音波発振素子（１２）が発生した超音波が第１のロッド部材（１１）、容器（１）の壁および第２のロッド部材（１３）を伝搬する時間に相当するように設定されている。なお、上記演算区間（Ｉ）の受信波形のみを検出することによって、周囲で反射されて回り込んできた弾性波や残響による受信波形が除かれる。
【００４４】
上記遅延時間（Ｈ）は、超音波の伝搬距離および超音波の速度によって定められる。上記超音波の速度は、温度によって変動する。上記超音波の速度が変動すると、遅延時間（Ｈ）が変動し、演算区間（Ｉ）で得られる受信信号値が変動する。また、上記超音波発振素子（１２）の圧電素子（２３）は、温度依存性があり、温度によって印加電圧から超音波への変換効率または超音波強度から信号電圧への変換効率が変動する。上記圧電素子（２３）の変換効率が変動すると、受信信号値も変動する。
【００４５】
具体的に、図７の領域Ｋに示すように、上記超音波の速度変動による受信信号値の変動は、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）によって異なり、最大０．０５％／ｍｍである。つまり、上記各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）が１００ｍｍの場合、受信信号値は５％変動する。なお、この測定は、上述した条件（壁厚２ｍｍ、圧電素子（２３）の共振周波数１６５ｋＨｚ）で且つ、発振回数３回、演算区間（Ｉ）２４μｓ、温度が−１０℃〜１１０℃まで変化する条件の下で行われた。
【００４６】
また、図７の領域Ｊに示すように、上記圧電素子（２３）の変換効率の変動による受信信号値の変動は、温度が−１０℃〜１１０℃まで変化する条件下において、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）に拘わらず、最大５％である。
【００４７】
図８に示すように、例えば、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）を１００ｍｍ、液無信号値を１００、液有信号値を８６とした場合、閾値は、９３で設定される（線図Ｍ参照）。ここで、温度が変動すると、上記液無信号値１００および液有信号値８６が１０％変動し、それぞれ９０および７７になる（線図Ｎ参照）。これにより、上記液無信号値９０は、閾値９３より小さくなり、判定手段（１５）が液無し状態を液有り状態と誤判定する。
【００４８】
そこで、上記閾値の上限値および液有信号値の上限値を以下の通り設定する。図９に示すように、まず、上記閾値の上限値は、電気的機械的ノイズを避けるため、温度による受信信号値の変動領域ＪおよびＫより５％以上小さくなるように設定する（線図Ｏ参照）。また、上記液有信号値の上限値は、閾値の上限値が液有信号値の上限値と液無信号値１００との中間値になるように設定される（線図Ｐ参照）。例えば、上記各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）が１００ｍｍの場合、閾値の上限値は、８５になり、液有信号値の上限値は、７０になる。つまり、上記閾値の上限値Ｗおよび液有信号値の上限値Ｙａは、下記の式（１）および式（２）に基づいて定められる。
【００４９】
Ｗ＝０．９×Ｘ−０．０５×Ｌ（１）
Ｙａ＝０．８×Ｘ−０．１×Ｌ（２）
ここに、上記Ｘは、液無信号値を示す。
【００５０】
図１０に示すように、上記液有信号値の下限値を設定する（線図Ｒ参照）。具体的に、上記液有信号値の下限値は、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）に拘わらず、液無信号値Ｘの１０％になるように設定される。この１０％は、断線や地絡などの異常時の信号値に対する余裕幅５％に、電気的機械的ノイズを避けるための余裕幅５％を加えた値である。なお、図１０の線図Ｑは、液有信号値の上限値Ｙａを示す。つまり、上記液有信号値の下限値Ｙｂは、下記の式（３）に基づいて定められる。
【００５１】
Ｙｂ＝０．１×Ｘ（３）
次に、図１１に示すように、第１の液体、第２の液体および第３の液体の３数種の液体について液有信号値を測定してプロットした。この全ての液体の液有信号値は、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）が５０ｍｍおよび９０ｍｍにおいて、液有信号値の上限値（線図Ｑ参照）と液有信号値の下限値（線図Ｒ参照）との間に入っている。なお、上記第１の液体は、例えば、水である。
【００５２】
ここで、容器（１）の壁を無限平面として考えると、容器（１）の壁を伝搬するラム波は、第１のロッド部材（１１）と容器（１）の壁との取付部から円状に広がる。そして、このラム波の強度Ｖは、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）の二乗に反比例し、下記の式（４）に基づいて定められる。なお、この式（４）は、液無信号値に相当する。
【００５３】
Ｖ＝Ｖ０×ｋ１／Ｌ^２（４）
ここに、上記Ｖ０およびｋ１は、初期強度および定数である。
【００５４】
一方、上記容器（１）内に液体が存在する場合、容器（１）の壁を伝搬するラム波は、第１のロッド部材（１１）と容器（１）の壁との取付部から円状に広がると共に、一部が液体に伝搬するため、減衰する。この場合、上記ラム波の波長は、容器（１）の壁厚より十分大きく、且つ、各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）より十分小さいので、波長の影響を無視できるとしてランバート則に従うとすると、ラム波の強度Ｖは、下記の式（５）に基づいて定められる。なお、この式（５）は、液有信号値に相当する。
【００５５】
Ｖ＝Ｖ０×ｋ１×ｅｘｐ（−ｋ２Ｌ）／Ｌ^２（５）
ここに、上記ｋ２は、定数である。
【００５６】
上記液有信号値の液無信号値に対する比ｎは、上記式（５）を式（４）で割って下記の式（６）になる。
【００５７】
ｎ＝ｅｘｐ（−ｋ２Ｌ）（６）
ここで、上記定数ｋ２は、ランバート則における吸収係数であり、壁から液中への超音波エネルギーの放散され易さを表すものである。この場合、液中には、縦波として放出されるので、液の音響インピーダンスと壁材質の音響インピーダンスとの比に比例するものと考えられる。したがって、上記定数ｋ２は、下記の式（７）に基づいて定められる。
【００５８】
ｋ２＝ｋ３×ＺＬ／ＺＳ（７）
ここに、上記ｋ３、ＺＬおよびＺＳは、定数、液の音響インピーダンスおよび壁材質の音響インピーダンスである。
したがって、上記式（６）は、下記の式（８）になる。
【００５９】
ｎ＝ｅｘｐ（−ｋ３×Ｌ×ＺＬ／ＺＳ）（８）
図１３に示すように、上記式（８）による線図（Ｓ，Ｔ，Ｕ）と図１１の実測値とを比較すると、ほぼ一致している。したがって、上記式（８）は、十分に有効である。具体的に、各線図（Ｓ，Ｔ，Ｕ）は、ＺＬおよびＺＳに図１２で示す値をそれぞれ代入し、液無信号値を１００として定数ｋ３に適当な値を代入することによって得られる。そして、上記各線図（Ｓ，Ｔ，Ｕ）が液有信号値の上限値（線図Ｑ）と下限値（線図Ｒ）との間に入る区間に対応して各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）が設定される。例えば、第３の液体の場合、取付間隔（Ｌ）は、約１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内で設定される。つまり、上記取付間隔（Ｌ）が３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内であれば、３種類の液体全てにおいて、液有信号値は、設定された液有信号値の上限値と下限値との間に入る。なお、上記定数ｋ３は、一例として０．１２（実験的数値）とした。
【００６０】
−実施形態の効果−
以上説明したように、本実施形態によれば、上記式（８）に基づき、液有信号値の液無信号値に対する比を容易に定めることができる。これにより、実測しなくても、適当な受信信号値を得るための各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）を設定することができる。この結果、常に正常な液面位置の検出を行うことができる。
【００６１】
また、上記各超音波素子（１２，１４）の取付間隔（Ｌ）を３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定するようにしたので、水である第１の液体のように低音響インピーダンスの液から第３の液体のように高音響インピーダンスの液まで十分対応可能な装置を提供することができる。
【００６２】
また、閾値を調整可能に構成し、液無信号値が常に閾値より大きくなるように設定したので、温度変動によって液無信号値および液有信号値が変動しても、閾値は、常に液無信号値と液有信号値との間に存在する。これにより、例えば、液無し状態を液有り状態に判定するといった誤判定を防止することができる。したがって、常に正常な液面位置の検出を行うことができる。
【００６３】
また、上記式（１，２，３）に基づき、閾値、液有信号値の上限値および下限値を容易に定めることができる。
【００６４】
また、上記液有信号値を断線や地絡などの異常時の受信信号値より常に大きくなるように設定したので、上記液有信号値と異常時の信号値とを確実に判別することができる。これにより、常に安定した液面位置の検出を行うことができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、液有信号値の液無信号値に対する比ｎが所定の範囲内となるように第１の所定位置と第２の所定位置との間隔を設定したので、受信手段（１４）で適当な液有信号値を得ることができる。これにより、上記容器（１）内の液体の有無を確実に判別することができ、安定した液面位置の検出を行うことができる。
【００６６】
また、請求項２に係る発明によれば、基準値を調整可能に構成し、常に液無信号値が基準値より大きくなるように基準値の上限値を設定するようにしたので、例えば、液無信号値が変動した場合、同様に液有信号値も変動し、基準値は、常に液無信号値と液有信号値との間に入る。これにより、例えば、液無し状態を液有り状態に判定するといった誤判定を防止することができる。したがって、常に正常な液面位置の検出を行うことができる。
【００６７】
また、請求項３に係る発明によれば、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔および液無信号値を設定することにより、基準値の上限値を定めることができる。これにより、例えば、液無し状態を液有り状態に判定するといった誤判定を防止することができる。
【００６８】
また、請求項４に係る発明によれば、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔および液無信号値を設定することにより、液有信号値の上限値を定めることができる。これにより、上記受信手段（１４）の受信信号値が液有信号値の上限値を越えない範囲で、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔を設定することができる。
【００６９】
また、請求項５に係る発明によれば、液有信号値に、異常時の信号値とを識別するための下限値を設定するようにしたので、断線や地絡などの異常時の信号値より常に大きな値の液有信号値を得ることができる。したがって、上記液有信号値と異常時の信号値とを確実に判別することができ、正常な液面位置の検出を行うことができる。
【００７０】
また、請求項６に係る発明によれば、液無信号値を設定することにより、液有信号値の下限値を定めることができる。これにより、断線や地絡などの異常時の信号値より常に大きな値の液有信号値を得ることができる。
【００７１】
また、請求項７に係る発明によれば、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔が収容容器（１）の壁を伝搬する弾性波の波長より十分大きくなるように設定したので、収容容器（１）の壁を伝搬した弾性波の強度が波長の大きさに関係なく、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔によって変化する。
【００７２】
また、請求項８に係る発明によれば、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔を３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内になるように設定したので、受信手段（１４）で適当な液有信号値を得ることができる。これにより、上記容器（１）内の液体の有無を確実に判別することができる。
【００７３】
また、請求項９に係る発明によれば、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔、収容容器（１）の液体の音響インピーダンス、収容容器（１）の壁の音響インピーダンスおよび定数を設定することにより、液有信号値の液無信号値に対する比を定めることができる。これにより、受信手段（１４）で適当な液有信号値を得るための、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔を設定することができる。
【００７４】
また、請求項１０に係る発明によれば、定数ｋ３を０．１２としたので、受信手段（１４）で適当な液有信号値を得るための、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液位検出装置の取付要領を示す概略斜視図である。
【図２】液位検出装置における弾性波の伝搬を示す図である。
【図３】実施形態に係る液位検出装置の取付要領を示す概略斜視図である。
【図４】実施形態に係る超音波素子およびロッド部材を示す構成図である。
【図５】液面位置と受信信号値の関係を示す特性図である。
【図６】時間と発振波形および受信波形との関係を示す特性図である。
【図７】温度依存性による受信信号値の変動領域を示す特性図である。
【図８】温度変動に伴う液無信号値と閾値との関係を示す特性図である。
【図９】取付間隔に対する閾値の上限および液有信号値の上限を示す特性図である。
【図１０】取付間隔に対する液有信号値の上限および下限を示す特性図である。
【図１１】各種液体における液有信号値を図１０にプロットした特性図である。
【図１２】各種液体および壁材質の音響インピーダンスを示した表である。
【図１３】各種液体における液有信号値の液無信号値に対する比と取付間隔との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
（１）容器
（１０）液位検出装置
（１１）第１のロッド部材
（１２）超音波発振素子（発生手段）
（１３）第２のロッド部材
（１４）超音波受信素子（受信手段）
（１５）判定手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid level detection device, and particularly relates to measures for improving detection accuracy.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a liquid level detection that detects the liquid surface position by propagating a lamb wave-like elastic wave to the wall of the container containing the liquid and attenuating the elastic wave due to the presence of the liquid in contact with the inner wall of the container An apparatus is known (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
The liquid level detection device includes an ultrasonic oscillation element that generates ultrasonic waves and an ultrasonic reception element that receives ultrasonic waves. The ultrasonic oscillating element and the ultrasonic receiving element are attached to respective predetermined positions of the wall of the container that stores the liquid via the first rod member and the second rod member.
[0004]
In the liquid level detection device, the elastic wave oscillated by the ultrasonic oscillation element propagates in order from the first rod member to the wall of the container and the second rod member, and is received by the ultrasonic reception element. Here, when a liquid is present in the container, a part of the elastic wave propagating through the wall of the container is propagated into the liquid through the wall, so that the elastic wave received by the ultrasonic receiving element is used. The strength of is reduced. The presence or absence of liquid is determined based on the magnitude of the elastic wave intensity, and the liquid level position is detected.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-5725 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional liquid level detection device, the attachment interval between the ultrasonic oscillation element and the ultrasonic reception element is not specified at all, and depending on the attachment interval, the signal value ( Since the fluctuation range (corresponding to the intensity of the elastic wave) is too large or too small, it is difficult to determine the presence or absence of liquid, and there is a problem that stable liquid surface position cannot be detected.
[0007]
Specifically, in the liquid level detection device, the signal value indicating the absence of liquid is defined as a liquid absence signal value, and the signal value indicating the presence of liquid is defined as a liquid presence signal value. Therefore, if the mounting interval between the ultrasonic oscillation element and the ultrasonic reception element is increased, the propagation distance of the elastic wave on the wall of the container is increased, and the amount of elastic wave propagated in the liquid is increased. The entire signal value received by the receiving element becomes small, and particularly the liquid signal value becomes small. When this liquid presence signal value becomes too small, for example, it becomes difficult to distinguish from a signal value at the time of abnormality such as disconnection or ground fault. On the other hand, if the mounting interval between the ultrasonic oscillation element and the ultrasonic receiving element is reduced, the propagation distance of the elastic wave on the container wall is shortened, and the amount of the elastic wave propagated in the liquid is reduced. The difference between the liquid presence signal value and the liquid non-signal value received by the receiving element is reduced. This makes it difficult to determine the presence or absence of liquid in the container.
[0008]
The present invention has been made in view of such a point, and the object of the present invention is to define an appropriate range of the mounting interval of each ultrasonic element and to stably receive an effective signal value at all times. It is an object of the present invention to provide an apparatus capable of detecting the liquid level position.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Specifically, according to the first aspect of the present invention, the generating means (12) attached to the first predetermined position of the wall of the liquid container (1) and generating ultrasonic waves, and the liquid container (1) ) And a receiving means (14) for receiving ultrasonic waves, and an elastic wave generated by the generating means (12) and propagating through the wall of the container (1) Is assumed to be a liquid level detection device provided with determination means (15) for determining the presence or absence of liquid in the container (1) based on the received signal value. The wavelength of the elastic wave propagating through the wall of the storage container (1) is set sufficiently larger than the wall thickness of the storage container (1). The first predetermined position and the second predetermined position have an interval in which the ratio n of the liquid presence signal value indicating the liquid presence state to the liquid no signal value indicating the liquid absence state is within a predetermined range. Are arranged.
[0010]
According to the above invention, since the wavelength of the elastic wave propagating through the wall of the storage container (1) is sufficiently larger than the wall thickness of the storage container (1), the elastic wave generated by the generating means (12) In the first predetermined position of the wall of (1), it is reliably converted into a lamb wave elastic wave. This Lamb wave-like elastic wave propagates through the wall of the container (1) and is received by the receiving means (14) from the second predetermined position. However, when liquid is present in the container (1), the Lamb wave-like elastic wave propagating through the wall of the container (1) is also attenuated because it propagates in the liquid. For this reason, the reception signal value of the reception means (14) becomes small, and the determination means (15) determines the presence or absence of liquid in the container (1) based on the magnitude of the reception signal value.
[0011]
Here, the first predetermined position and the second predetermined position are intervals in which the ratio n of the liquid presence signal value indicating the liquid presence state to the liquid no signal value indicating the liquid absence state is within a predetermined range. Therefore, the Lamb wave-like elastic wave propagating through the wall of the container (1) is appropriately attenuated, and the liquid signal value having an appropriate strength is received by the receiving means (14). Thereby, the presence or absence of the liquid in the said container (1) is discriminate | determined reliably.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the determination means (15) determines the absence of liquid when the reception signal value of the reception means (14) is greater than a reference value, and the reception means (14) If the received signal value is smaller than the reference value, the presence of liquid is determined. The reference value is configured to be adjustable, and an upper limit value is set so that the no-liquid signal value is always larger than the reference value.
[0013]
In the above invention, when the liquid non-signal value varies, the liquid presence signal value also varies. As a result, the liquid no-signal value is always larger than the reference value, while the liquid presence signal value is always smaller than the reference value. For example, erroneous determination such as determining a liquid-free state to a liquid-present state is prevented. The Accordingly, the normal liquid level position is always detected.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, when the interval between the first predetermined position and the second predetermined position is L (mm) and the liquid non-signal value is X, the reference value The upper limit value Wa is
Wa = 0.9 × X−0.05 × L
It is determined based on the formula of
[0015]
In the above invention, when the interval between the first predetermined position and the second predetermined position and the liquid no-signal value are set, the upper limit value of the reference value is determined.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, when the interval between the first predetermined position and the second predetermined position is L (mm) and the liquid no-signal value is X, the liquid signal The upper limit value Ya of the value is
Ya = 0.8 * X-0.1 * L
It is determined based on the formula of
[0017]
In the above invention, when the interval between the first predetermined position and the second predetermined position and the liquid no signal value are set, the upper limit value of the liquid presence signal value is determined.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, a lower limit value for identifying the signal value at the time of abnormality is set in the liquid signal value.
[0019]
In the above invention, the liquid presence signal value is always larger than an extremely small signal value received at the time of abnormality such as disconnection or ground fault. Accordingly, since the liquid presence signal value and the signal value at the time of abnormality are reliably discriminated, the detection accuracy for detecting the liquid presence state is improved.
[0020]
Further, in the invention according to claim 6, when the liquid no signal value is X in claim 5, the lower limit value Yb of the liquid signal value is
Yb = 0.1 × X
It is determined based on the formula of
[0021]
In the above invention, when the liquid no-signal value is set, the lower limit value of the liquid presence signal value is determined.
[0022]
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the distance between the first predetermined position and the second predetermined position is an elasticity that propagates through the wall of the storage container (1). It is set to be sufficiently larger than the wave wavelength.
[0023]
In said invention, the intensity | strength of the elastic wave which propagated the wall of the storage container (1) changes with the space | interval of a 1st predetermined position and a 2nd predetermined position irrespective of the magnitude | size of a wavelength.
[0024]
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the distance between the first predetermined position and the second predetermined position is in the range of 30 to 100 mm.
[0025]
In the above invention, the liquid signal value having an appropriate strength is received by the receiving means (14). Thereby, the presence or absence of the liquid in the said container (1) is discriminate | determined reliably.
[0026]
According to a ninth aspect of the present invention, in the seventh aspect, the distance between the first predetermined position and the second predetermined position is L (mm), and the acoustic impedance of the liquid in the storage container (1) is ZL. When the acoustic impedance of the wall of the container (1) is ZS and the constant is k3, the ratio n of the liquid presence signal value to the liquid no signal value is
n = exp (−k3 × L × ZL / ZS)
It is determined based on the formula of
[0027]
In the above invention, when the interval between the first predetermined position and the second predetermined position, the acoustic impedance of the liquid in the container (1), the acoustic impedance of the wall of the container (1) and the constant are set, the liquid presence signal The ratio of the value to the no liquid signal value is determined.
[0028]
In a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, the constant k3 is 0.12.
[0029]
In the above invention, an appropriate ratio of the liquid presence signal value to the liquid non-signal value is determined.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
As shown in FIG. 3, the liquid level detection apparatus (10) of this embodiment is attached to the outer wall surface of a box-shaped iron container (1). The container (1) constitutes a storage container for storing a liquid.
[0032]
The liquid level detection device (10) includes a first rod member (11), a second rod member (13), an ultrasonic oscillation element (12), and an ultrasonic reception element (14). Yes. The first and second rod members (11, 13) are formed in a rod shape, and a male screw is formed over the entire length. The first and second rod members (11, 13) are respectively attached to the first predetermined position and the second predetermined position on the outer wall surface of the container (1), and the first predetermined position and the second predetermined position are provided. It arrange | positions so that the line which connects a position may become in parallel with the liquid level in a container (1). In addition, arrangement | positioning of the said 1st and 2nd rod member (11, 13) is not restricted to this, The line | wire which connects a 1st predetermined position and a 2nd predetermined position in a container (1) It may be perpendicular to the liquid level.
[0033]
The ultrasonic oscillation element (12) and the ultrasonic reception element (14) are attached to the end portions of the first and second rod members (11, 13). The ultrasonic oscillation element (12) constitutes a generating means for generating ultrasonic waves, and the ultrasonic receiving element (14) constitutes a receiving means for receiving ultrasonic waves.
[0034]
As shown in FIG. 4, each of the ultrasonic elements (12, 14) includes a rod-shaped mounting rod (21). The mounting rod (21) has a female screw part (21a) in which a female screw is formed on one side and a male screw part (21b) in which a male screw is formed on the other side. Each of the ultrasonic elements (12, 14) includes a piezoelectric element (23), a second nut (24), a washer (25), an insulating washer (26), and an electrode (27), and a mounting rod (21). The male screw portion (21b) includes a washer (25), an insulating washer (26), an electrode (27), a washer (25), a piezoelectric element (23), a washer (25), an electrode (27), and an insulating material. A washer (26) and a washer (25) are fixed in order with a second nut (24).
[0035]
In the liquid level detection device (10), the rod members (11, 13) are connected to the female screw portion (21a) and the first nut (22) of the mounting rod (21) of each ultrasonic element (12, 14). Screws are fastened.
[0036]
Moreover, the said liquid level detection apparatus (10) is provided with the cap (30) covered on each ultrasonic element (12,14). A mold agent is sealed in the cap (30). That is, the piezoelectric element (23), the electrode (27), etc. are covered with the molding agent. The cap (30) in which the molding agent is sealed is for waterproofing electrical components such as the piezoelectric element (23) and the electrode (27).
[0037]
Next, propagation of elastic waves in the liquid level detection device (10) will be described. Here, for easy understanding, as shown in FIG. 1, a line connecting each rod member (11, 13) between the first predetermined position and the second predetermined position is a liquid in the container (1). A description will be given based on the case of being arranged perpendicular to the surface.
[0038]
As shown in FIG. 2, in the liquid level detection device (10), when an electric signal is applied to the piezoelectric element (23) through the electrode (27), the ultrasonic oscillation element (12) generates a burst-like elastic wave. The generated elastic wave propagates through the first rod member (11) as a longitudinal wave (see arrow A), and a lamb wave shape is formed at the fixing portion between the first rod member (11) and the wall of the container (1). Is propagated through the wall of the container (1) (see arrow B). Here, for example, when the liquid is present in the container (1), a part of the Lamb wave-like elastic wave propagates as a longitudinal wave to the liquid through the wall of the container (1) (see arrow D). Therefore, the strength is attenuated. The Lamb wave-like elastic wave is again converted into a longitudinal elastic wave at the fixing portion between the second rod member (13) and the wall of the container (1) and propagates through the second rod member (13) ( Received by the ultrasonic wave receiving element (14).
[0039]
In the liquid level detection device (10), the resonance frequency of the piezoelectric element (23) is set so that the wavelength of the Lamb wave is sufficiently larger than the wall thickness of the container (1). Thereby, the longitudinal wave which propagates a rod member (11, 13) is efficiently converted into a Lamb wave. In this embodiment, for example, the wall thickness of the container (1) is set to 2 mm, the Lamb wave velocity in the wall material (iron) is set to about 2500 m / s, and the resonance frequency of the piezoelectric element (23) is set to 165 kHz. In this case, the wavelength of the Lamb wave is 15.1 mm, which is sufficiently larger than the wall thickness of the container (1). Further, the interval between the first predetermined position and the second predetermined position, that is, the mounting interval (L) between the ultrasonic elements (12, 14) is set to be sufficiently larger than the wavelength of the Lamb wave. And
[0040]
The liquid level detection device (10) includes a determination unit (15). The determination means (15) is configured to determine the presence or absence of liquid in the container (1) based on the received signal value of the ultrasonic receiving element (14).
[0041]
Next, the relationship between the reception signal value of the ultrasonic receiving element (14) and the mounting interval (L) between the ultrasonic elements (12, 14) will be described.
[0042]
As shown in FIG. 5, the determination means (15) determines the absence of liquid when the received signal value of the ultrasonic receiving element (14) is larger than the threshold value (W), and the received signal value is smaller than the threshold value (W). And the presence of liquid. The received signal value of the ultrasonic receiving element (14) varies depending on the liquid level position in the container (1) (see diagram E). Specifically, when the liquid level position is equal to or less than the mounting position of each ultrasonic element (12, 14), the received signal value is large, and when the liquid level position is equal to or higher than the mounting position of each ultrasonic element (12, 14), The received signal value becomes smaller. The threshold value (W) constitutes a reference value and is set to an intermediate value between a liquid absence signal value (X) indicating a liquid absence state and a liquid presence signal value (Y) indicating a liquid presence state.
[0043]
Here, the received signal value will be described. As shown in FIG. 6, when the pulsed oscillation waveform (F) is applied to the ultrasonic oscillation element (12), the reception waveform is received by the ultrasonic reception element (14) after the delay time (H) has elapsed. (G) is detected. The received signal value is a signal value obtained by calculating only the received waveform in the calculation section (I) of the received waveform (G). The delay time (H) is a time during which the ultrasonic wave generated by the ultrasonic oscillation element (12) propagates through the first rod member (11), the wall of the container (1), and the second rod member (13). It is set to correspond. By detecting only the received waveform in the calculation section (I), the received waveform caused by the elastic wave or the reverberation reflected around is removed.
[0044]
The delay time (H) is determined by the ultrasonic propagation distance and the ultrasonic velocity. The speed of the ultrasonic wave varies depending on the temperature. When the speed of the ultrasonic wave fluctuates, the delay time (H) fluctuates, and the received signal value obtained in the calculation section (I) fluctuates. The piezoelectric element (23) of the ultrasonic oscillation element (12) has temperature dependence, and the conversion efficiency from the applied voltage to the ultrasonic wave or the conversion efficiency from the ultrasonic intensity to the signal voltage varies depending on the temperature. When the conversion efficiency of the piezoelectric element (23) varies, the received signal value also varies.
[0045]
Specifically, as shown in a region K in FIG. 7, the variation in the received signal value due to the variation in the ultrasonic velocity varies depending on the mounting interval (L) of each ultrasonic element (12, 14), and the maximum is 0.05. % / Mm. That is, when the mounting interval (L) between the ultrasonic elements (12, 14) is 100 mm, the received signal value varies by 5%. This measurement is performed under the above-described conditions (wall thickness 2 mm, resonance frequency 165 kHz of the piezoelectric element (23)), the number of oscillations is 3, the calculation interval (I) is 24 μs, and the temperature changes from −10 ° C. to 110 ° C. Made under conditions.
[0046]
Further, as shown in a region J of FIG. 7, the variation of the received signal value due to the variation of the conversion efficiency of the piezoelectric element (23) is caused under the condition that the temperature varies from −10 ° C. to 110 ° C. Regardless of the mounting interval (L) of (12, 14), the maximum is 5%.
[0047]
As shown in FIG. 8, for example, when the mounting interval (L) of each ultrasonic element (12, 14) is 100 mm, the liquid non-signal value is 100, and the liquid presence signal value is 86, the threshold is set to 93. (See diagram M). Here, when the temperature fluctuates, the liquid no-signal value 100 and the liquid presence signal value 86 fluctuate by 10% to 90 and 77, respectively (see diagram N). Thereby, the liquid no-signal value 90 becomes smaller than the threshold value 93, and the determination means (15) erroneously determines that no liquid is present as a liquid present.
[0048]
Therefore, the upper limit value of the threshold value and the upper limit value of the liquid presence signal value are set as follows. As shown in FIG. 9, first, the upper limit value of the threshold value is set to be 5% or more smaller than the fluctuation regions J and K of the received signal value due to temperature in order to avoid electromechanical noise (diagram O reference). The upper limit value of the liquid presence signal value is set such that the upper limit value of the threshold value is an intermediate value between the upper limit value of the liquid presence signal value and the liquid no signal value 100 (see diagram P). For example, when the mounting interval (L) of each of the ultrasonic elements (12, 14) is 100 mm, the upper limit value of the threshold value is 85, and the upper limit value of the liquid presence signal value is 70. That is, the upper limit value W of the threshold value and the upper limit value Ya of the liquid presence signal value are determined based on the following formulas (1) and (2).
[0049]
W = 0.9 × X−0.05 × L (1)
Ya = 0.8 * X-0.1 * L (2)
Here, X represents a liquid no signal value.
[0050]
As shown in FIG. 10, the lower limit value of the liquid presence signal value is set (see diagram R). Specifically, the lower limit value of the liquid presence signal value is set to be 10% of the liquid non-signal value X regardless of the attachment interval (L) of each ultrasonic element (12, 14). This 10% is a value obtained by adding a margin width of 5% for avoiding electromechanical noise to a margin width of 5% with respect to a signal value at the time of abnormality such as disconnection or ground fault. In addition, the diagram Q of FIG. 10 shows the upper limit value Ya of the liquid presence signal value. That is, the lower limit value Yb of the liquid presence signal value is determined based on the following equation (3).
[0051]
Yb = 0.1 × X (3)
Next, as shown in FIG. 11, the liquid presence signal values were measured and plotted for the three kinds of liquids of the first liquid, the second liquid, and the third liquid. The liquid presence signal values of all the liquids are the upper limit value (see diagram Q) of the liquid presence signal value and the liquid presence signal value when the mounting interval (L) of each ultrasonic element (12, 14) is 50 mm and 90 mm. Between the lower limit values (see diagram R). The first liquid is, for example, water.
[0052]
Here, when the wall of the container (1) is considered as an infinite plane, the Lamb wave propagating through the wall of the container (1) is circular from the attachment portion between the first rod member (11) and the wall of the container (1). Spread in shape. The intensity V of the Lamb wave is inversely proportional to the square of the mounting interval (L) of each ultrasonic element (12, 14) and is determined based on the following equation (4). In addition, this Formula (4) is corresponded to a liquid no signal value.
[0053]
V = V0 × k1 / L ² (4)
Here, V0 and k1 are initial strength and constant.
[0054]
On the other hand, when the liquid exists in the container (1), the Lamb wave propagating through the wall of the container (1) is circular from the attachment portion between the first rod member (11) and the wall of the container (1). And partly propagates to the liquid and thus attenuates. In this case, the wavelength of the Lamb wave is sufficiently larger than the wall thickness of the container (1) and sufficiently smaller than the mounting interval (L) of each ultrasonic element (12, 14), so that the influence of the wavelength can be ignored. If the Lambert law is followed, the intensity V of the Lamb wave is determined based on the following equation (5). In addition, this Formula (5) is corresponded to a liquid presence signal value.
[0055]
V = V0 * k1 * exp (-k2L) / L ² (5)
Here, k2 is a constant.
[0056]
The ratio n of the liquid presence signal value to the liquid non-signal value is obtained by dividing the above equation (5) by the equation (4) to the following equation (6).
[0057]
n = exp (−k2L) (6)
Here, the constant k2 is an absorption coefficient in Lambert's law, and represents the ease with which ultrasonic energy is diffused from the wall into the liquid. In this case, since it is emitted into the liquid as a longitudinal wave, it is considered to be proportional to the ratio between the acoustic impedance of the liquid and the acoustic impedance of the wall material. Therefore, the constant k2 is determined based on the following equation (7).
[0058]
k2 = k3 × ZL / ZS (7)
Here, k3, ZL and ZS are constants, acoustic impedance of the liquid and acoustic impedance of the wall material.
Therefore, the above equation (6) becomes the following equation (8).
[0059]
n = exp (−k3 × L × ZL / ZS) (8)
As shown in FIG. 13, when the diagram (S, T, U) according to the above equation (8) is compared with the actually measured values of FIG. Therefore, the above equation (8) is sufficiently effective. Specifically, each diagram (S, T, U) is obtained by substituting the values shown in FIG. 12 for ZL and ZS, and substituting an appropriate value for the constant k3 with the liquid no signal value being 100. Then, each ultrasonic element (12, S, T, U) corresponds to a section in which each of the diagrams (S, T, U) falls between the upper limit value (diagram Q) and the lower limit value (diagram R) of the liquid presence signal value. The mounting interval (L) of 14) is set. For example, in the case of the third liquid, the attachment interval (L) is set within a range of about 10 mm to 100 mm. That is, if the mounting interval (L) is within a range of 30 mm to 100 mm, the liquid presence signal value falls between the upper limit value and the lower limit value of the set liquid presence signal value in all three types of liquids. . The constant k3 is set to 0.12 (experimental numerical value) as an example.
[0060]
-Effect of the embodiment-
As described above, according to the present embodiment, the ratio of the liquid signal value to the liquid non-signal value can be easily determined based on the above equation (8). Thereby, even if it does not measure, the attachment space | interval (L) of each ultrasonic element (12, 14) for obtaining a suitable received signal value can be set. As a result, the normal liquid level position can always be detected.
[0061]
In addition, since the mounting interval (L) of each of the ultrasonic elements (12, 14) is set within the range of 30 mm to 100 mm, the first acoustic liquid such as water is used for the first time. Thus, it is possible to provide a device that can sufficiently cope with a liquid having a high acoustic impedance such as the liquid 3.
[0062]
In addition, the threshold value is configured to be adjustable, and the liquid no-signal value is always set to be larger than the threshold value. It exists between the signal value and the liquid presence signal value. Thereby, for example, it is possible to prevent an erroneous determination such as determining the absence of liquid state to the liquid presence state. Therefore, it is possible to always detect a normal liquid level position.
[0063]
Further, based on the above formulas (1, 2, 3), the threshold value, the upper limit value and the lower limit value of the liquid presence signal value can be easily determined.
[0064]
In addition, since the liquid signal value is set to be always larger than the reception signal value at the time of abnormality such as disconnection or ground fault, it is possible to reliably determine the liquid signal value and the signal value at the time of abnormality. . Thereby, the stable liquid surface position can always be detected.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the invention, the distance between the first predetermined position and the second predetermined position so that the ratio n of the liquid presence signal value to the liquid non-signal value is within a predetermined range. Therefore, an appropriate liquid signal value can be obtained by the receiving means (14). Thereby, the presence or absence of the liquid in the said container (1) can be discriminate | determined reliably, and the detection of the stable liquid level position can be performed.
[0066]
According to the second aspect of the invention, the reference value is configured to be adjustable, and the upper limit value of the reference value is set so that the liquid non-signal value is always larger than the reference value. When the no-signal value fluctuates, the liquid signal value also fluctuates in the same manner, and the reference value always falls between the liquid no-signal value and the liquid signal value. Thereby, for example, it is possible to prevent an erroneous determination such as determining the absence of liquid state to the liquid presence state. Therefore, it is possible to always detect a normal liquid level position.
[0067]
According to the invention of claim 3, the upper limit value of the reference value can be determined by setting the interval between the first predetermined position and the second predetermined position and the no-liquid signal value. Thereby, for example, it is possible to prevent an erroneous determination such as determining the absence of liquid state to the liquid presence state.
[0068]
According to the invention of claim 4, the upper limit value of the liquid presence signal value can be determined by setting the interval between the first predetermined position and the second predetermined position and the liquid no signal value. Thereby, the interval between the first predetermined position and the second predetermined position can be set in a range in which the received signal value of the receiving means (14) does not exceed the upper limit value of the liquid presence signal value.
[0069]
According to the invention of claim 5, since the lower limit value for identifying the signal value at the time of abnormality is set to the signal value with liquid, the signal value at the time of abnormality such as disconnection or ground fault A liquid signal value having a larger value can be obtained at any time. Therefore, the liquid presence signal value and the signal value at the time of abnormality can be reliably discriminated, and the normal liquid surface position can be detected.
[0070]
Moreover, according to the invention which concerns on Claim 6, the lower limit of a liquid presence signal value can be defined by setting a liquid no signal value. As a result, it is possible to obtain a liquid signal value that is always larger than the signal value at the time of abnormality such as disconnection or ground fault.
[0071]
According to the invention of claim 7, since the interval between the first predetermined position and the second predetermined position is set to be sufficiently larger than the wavelength of the elastic wave propagating through the wall of the container (1). The intensity of the elastic wave propagated through the wall of the storage container (1) changes depending on the interval between the first predetermined position and the second predetermined position regardless of the magnitude of the wavelength.
[0072]
According to the eighth aspect of the present invention, since the distance between the first predetermined position and the second predetermined position is set to be in the range of 30 mm to 100 mm, an appropriate liquid is received by the receiving means (14). A signal value can be obtained. Thereby, the presence or absence of the liquid in the said container (1) can be determined reliably.
[0073]
According to the ninth aspect of the present invention, the distance between the first predetermined position and the second predetermined position, the acoustic impedance of the liquid in the storage container (1), the acoustic impedance of the wall of the storage container (1), and a constant By setting the ratio, it is possible to determine the ratio of the liquid presence signal value to the liquid non-signal value. Thereby, the interval between the first predetermined position and the second predetermined position for obtaining an appropriate liquid signal value in the receiving means (14) can be set.
[0074]
According to the tenth aspect of the present invention, since the constant k3 is set to 0.12, the first predetermined position and the second predetermined position for obtaining an appropriate liquid signal value by the receiving means (14). And the interval can be set.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a mounting procedure of a liquid level detection device.
FIG. 2 is a diagram showing propagation of elastic waves in the liquid level detection device.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing an attachment point of the liquid level detection device according to the embodiment.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating an ultrasonic element and a rod member according to the embodiment.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the liquid level position and the received signal value.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between time, an oscillation waveform, and a reception waveform.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a fluctuation region of a received signal value due to temperature dependency.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between a liquid no-signal value and a threshold value associated with temperature fluctuations.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the upper limit of the threshold and the upper limit of the liquid presence signal value with respect to the mounting interval.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing an upper limit and a lower limit of the liquid presence signal value with respect to the mounting interval.
11 is a characteristic diagram in which liquid presence signal values in various liquids are plotted in FIG.
FIG. 12 is a table showing acoustic impedances of various liquids and wall materials.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between the ratio of the liquid presence signal value to the liquid non-signal value in various liquids and the mounting interval.
[Explanation of symbols]
(1) Container
(10) Liquid level detection device
(11) First rod member
(12) Ultrasonic oscillator (generation means)
(13) Second rod member
(14) Ultrasonic wave receiving element (receiving means)
(15) Determination means

Claims

Generating means (12) attached to a first predetermined position of the wall of the liquid container (1) and generating ultrasonic waves;
While being provided at a second predetermined position on the wall of the liquid container (1) and receiving means (14) for receiving ultrasonic waves,
The receiving means (14) receives the elastic wave generated by the generating means (12) and propagating through the wall of the container (1), and based on the received signal value, the presence or absence of liquid in the container (1) is determined. A liquid level detection device comprising a determination means (15) for determining,
While the wavelength of the elastic wave propagating through the wall of the container (1) is set sufficiently larger than the wall thickness of the container (1),
The first predetermined position and the second predetermined position are arranged with an interval in which the ratio n of the liquid signal value indicating the liquid presence state to the liquid non-signal value indicating the liquid absence state is within a predetermined range. A liquid level detection device characterized by being provided.

In claim 1,
The determination means (15) determines the absence of liquid when the reception signal value of the reception means (14) is larger than the reference value, and determines presence of liquid when the reception signal value of the reception means (14) is smaller than the reference value. Composed of
The reference level is configured to be adjustable, and an upper limit value is set so that the no-liquid signal value is always larger than the reference value.

In claim 2,
When the interval between the first predetermined position and the second predetermined position is L (mm) and the liquid no signal value is X,
The upper limit value Wa of the reference value is
Wa = 0.9 × X−0.05 × L
A liquid level detection device characterized by being determined based on the formula:

In claim 2,
When the interval between the first predetermined position and the second predetermined position is L (mm) and the liquid no signal value is X,
The upper limit value Ya of the liquid signal value is
Ya = 0.8 * X-0.1 * L
A liquid level detection device characterized by being determined based on the formula:

In any one of Claims 1-4,
The liquid level detecting device, wherein a lower limit value for identifying a signal value at the time of abnormality is set in the liquid presence signal value.

In claim 5,
When the liquid no signal value is X,
The lower limit value Yb of the liquid presence signal value is
Yb = 0.1 × X
A liquid level detection device characterized by being determined based on the formula:

In any one of Claims 1-6,
The liquid level detection device according to claim 1, wherein the distance between the first predetermined position and the second predetermined position is set sufficiently larger than the wavelength of the elastic wave propagating through the wall of the container (1).

In any one of Claims 1-7,
The liquid level detection device according to claim 1, wherein the distance between the first predetermined position and the second predetermined position is in a range of 30 to 100 mm.

In claim 7,
The distance between the first predetermined position and the second predetermined position is L (mm), the acoustic impedance of the liquid in the container (1) is ZL, the acoustic impedance of the wall of the container (1) is ZS, and the constant is k3. If
The ratio n of the liquid presence signal value to the liquid no signal value is:
n = exp (−k3 × L × ZL / ZS)
A liquid level detection device characterized by being determined based on the formula:

In claim 9,
The liquid level detecting device, wherein the constant k3 is 0.12.