JP2005221302A - 超音波式空中センサによる測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空中に設置された超音波センサによって被測定物までの距離を常に高精度に測定することができる超音波式空中センサによる測距方法を提供すること。
【解決手段】空中に設置された超音波センサ４から発信された超音波が排水２の自由表面（被計測物）で反射して帰ってくるまでの時間を計測し、その時間に基づいて超音波センサ４から前記排水２の自由表面までの距離Ｌを測定する超音波式空中センサによる測距方法において、前記超音波センサ４から前記排水２の自由表面までの間に複数の温度センサ５，６，７を設置し、各温度センサ５，６，７によって検出された温度に基づいて音速補正を行い、補正された音速に基づいて超音波センサ４から排水２の自由表面までの距離Ｌを求めることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空中に設置された超音波センサを用いて被計測物までの距離を測定する測距方法に関するものである。

例えば、液体の流量を計測する手段として三角堰が知られているが、この三角堰は、上流の液体面と堰の上縁（堰縁）との高さ（堰のヘッド）を測定し、これによって液体の流量を計測するものである。

ところで、このような三角堰による流量測定においては、堰のヘッドを超音波センサによって測定することが行われる。この場合、超音波センサは、三角堰の上方の空中に設置され、該超音波センサから発信された超音波が液面で反射して帰ってくるまでの時間（超音波の伝播時間）ｔを計測し、その時間ｔに基づいて水面までの距離Ｌを次式：
Ｌ＝ａ・ｔ／２ … （１）
（ａ：音速）
によって求め、この距離Ｌに基づいて堰のヘッドｈを算出する。尚、このように空中に設置された超音波センサによって液面までの高さを計測する技術は、種々の分野で利用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３２２７２１号公報

ところが、超音波の空中での伝播速度である音速ａ（ｍ／ｓ）は、空中の温度（気温）をＴ（℃）とすると、次式：
ａ＝３３０＋０．６Ｔ … （２）
で表される。即ち、音速ａは温度Ｔが高くなる程速くなる。

ところで、従来の超音波センサを用いた測距方法においては、温度Ｔの計測を超音波センサの近傍の１点のみで行い、この計測された温度Ｔに基づいて前記（２）式にて音速ａを求めていたため、超音波センサから被計測物までの超音波の伝播経路に沿って温度Ｔが変化する場合には、音速ａも同様に変化する。このため、従来のように１点で計測された温度Ｔに基づいて前記（２）式にて求めた音速ａを用いて前記（１）式にて距離Ｌを求めると、この距離Ｌに誤差が生じてしまうという問題があった。

例えば、三角堰による流量測定において、液体の温度が気温よりも高いために超音波センサから液体表面に向かって気温Ｔが上昇する場合には、音速ａも同様に上昇する。このため、従来のように超音波センサの近傍で計測された気温Ｔによって求めた音速ａに基づいて算出された距離Ｌは実際の値よりも小さくなってしまい、この誤差を含んだ距離Ｌに基づいて求められる堰のヘッドｈは実際の値よりも大きくなる。後述のように、三角堰により計測される液体の流量Ｑは堰のヘッドｈの５／２乗に比例する（Ｑ∝ｈ^5/2）ため、堰のヘッドｈの僅かな誤差が流量Ｑの大きな誤差となって表れる。

又、三角堰は屋外に設置されることが多く、この場合、太陽光が直接当たり、超音波センサ自身や温度計測部の温度が上昇し、超音波の伝播経路上の温度とは異なった温度を計測してしまい、音速の補正が正確に行われなくなるため、距離Ｌに誤差が生じてしまうという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、空中に設置された超音波センサによって被測定物までの距離を常に高精度に測定することができる超音波式空中センサによる測距方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空中に設置された超音波センサから発信された超音波が被計測物で反射して帰ってくるまでの時間を計測し、その時間に基づいて超音波センサから前記被計測物までの距離を測定する超音波式空中センサによる測距方法において、前記超音波センサから前記被計測物までの間に複数の温度センサを設置し、各温度センサによって検出された温度に基づいて音速補正を行い、補正された音速に基づいて超音波センサから被計測物までの距離を求めることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、空中に設置された超音波センサから発信された超音波が被計測物で反射して帰ってくるまでの時間を計測し、その時間に基づいて超音波センサから前記被計測物までの距離を測定する超音波式空中センサによる測距方法において、前記超音波センサから前記被計測物までの超音波の伝播経路に導管を設け、該導管内に乾燥気体を導入するとともに、導管内の温度を検知しながら超音波センサから被計測物までの距離を求めることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、複数の温度センサによって検出された温度に基づいてより細かく音速補正を行い、より正確に補正された音速に基づいて超音波センサから被計測物までの距離を求めるようにしたため、超音波センサから被計測物までの間に気温の変化があっても、空中に設置された超音波センサによって被測定物までの距離を常に高精度に測定することができる。

請求項２記載の発明によれば、超音波センサから被計測物までの超音波の伝播経路に導管を設けるとともに、該導管内に、所定温度の乾燥空気を導入するようにしたため、超音波の伝播経路である導管内は全域に亘って均一の温度に保たれ、導管内での音速は一定となり、結露の発生もなく、空中に設置された超音波センサによって被測定物までの距離を常に高精度に測定することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜第１発明＞
図１は第１発明における三角堰による流量測定法を示す水路の断面図、図２は三角堰の正面図である。

図１及び図２において、１は上面が開放された断面矩形の水路（開渠）であって、この水路１には例えば排水２が流れている。そして、水路１の端部には三角堰３が設けられており、排水２は三角堰３を通過して水路１外へと排出される。

ここで、上記三角堰３は、図２に示すように、頂角α（本実施の形態では、α＝９０°）の倒立三角形の切欠きを堰とし、角を挟む２辺３ａを薄刃として構成され、水路１を流れる排水２は、図１に示すように、三角堰３を通過する際に絞られて噴流となって水路１外へと排出される。

而して、三角堰３を越える排水２の流量Ｑは、三角堰３の堰縁３ｂから排水２の自由表面（上流の水位）までの垂直距離である堰のヘッドｈを測定することによって次式によって求められる。

Ｑ＝Ｋ・ｈ^5/2 … （３）
（Ｋ：流量係数）
ところで、本実施の形態においては、堰のヘッドｈは、三角堰３よりも上流の排水２の上方に設置された超音波式空中センサ（以下、単に超音波センサと称する）４によって、該超音波センサ４から排水２の自由表面までの距離Ｌを測定することによって求められるが、排水２の温度と気温の差が大きい場合、例えば気温が５℃で排水２の温度が２５℃である場合（温度差２０℃）を想定すると、気温は超音波センサ４から排水２の自由表面に向かって図３に示すように次第に上昇する。尚、図３において、横軸は超音波センサ４からの距離、縦軸は気温Ｔ（℃）である。

従って、前記（２）式によって求められる音速ａは超音波センサ４からの排水２の自由表面（液面）に向かって次第に大きくなる。このため、本実施の形態では、超音波センサ４から排水２の自由表面までの間に複数の温度センサ５，６，７を設置し、各温度センサ５〜７によって検出された温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃に基づいて音速補正を行い、補正された音速に基づいて超音波センサ４から排水２の自由表面までの距離Ｌを求めるようにした。

具体的には、図１及び図２に示すように、超音波センサ４から排水２の自由表面までの距離Ｌを略３等分して距離Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃の区間１，２，３を想定し、各区間１〜３の中間高さ位置に温度センサ５，６，７をそれぞれ設置した。

而して、超音波センサ４から一定の時間間隔で超音波が排水２の自由表面に向かって発信されると、その超音波は排水２の自由表面で反射して超音波センサ４によって受信されるが、それまでの時間（超音波の伝播時間）ｔは不図示の計測手段によって計測される。

又、各温度センサ５〜７にてその位置における気温Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃が検出されると、不図示の演算手段によって各区間１〜３における音速（平均値）ａ₁，ａ₂，ａ₃（ｍ／ｓ）が前記（２）式によってそれぞれ次のように求められ、その結果を図示すると図４に示すようになる。尚、図４において、横軸は超音波センサからの距離、縦軸は音速（ｍ／ｓ）である。

ａ₁＝３３０＋０．６Ｔ₁
ａ₂＝３３０＋０．６Ｔ₂ … （４）
ａ₃＝３３０＋０．６Ｔ₃
ここで、距離Ｌ₁とＬ₂は既知であるため、区間１，２を超音波が通過する時間ｔ₁，ｔ₂はそれぞれ次式によって求められる。

ｔ₁＝２Ｌ₁／ａ₁
ｔ₂＝２Ｌ₂／ａ₂
従って、排水２の水位の変化によって変動する区間３の距離Ｌ３ を超音波が通過する時間ｔ３ は次式によって求められる。

ｔ₃＝ｔ−（ｔ₁＋ｔ₂） … （５）
ここで、ｔは実測された時間である。

上記（５）式によって区間３の距離Ｌ₃を超音波が通過する時間ｔ₃が求められると、前記（４）式によって求められた区間３における音速ａ₃を用いて区間３の距離Ｌ₃が次式によって求められる。

Ｌ₃＝ａ₃・ｔ₃／２ … （６）
以上のようにして区間３の距離Ｌ３ が求められると、超音波センサ４から排水２の自由表面までの距離Ｌが次式によって求められる。

Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂＋Ｌ₃ … （７）
ここで、図１及び図２に示す超音波センサ４から三角堰３の堰縁３ｂまでの距離Ｌ₀は既知であるため、堰のヘッドｈは次式によって求められる。

ｈ＝Ｌ₀−Ｌ
… （８）
そして、上記（８）式によって堰のヘッドｈが求められると、排水２の流量Ｑが前記（３）式によって求められる。

以上において、本実施の形態では、超音波センサ４から排水２の自由表面までの間を３つの区間１，２，３に区画し、各区間１〜３に設置された各温度センサ５〜７によって検出された温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃ に基づいて各区間１〜３での音速ａ₁，ａ₂，ａ₃を求め、つまり音速補正を行い、この補正された音速ａ₁，ａ₂，ａ₃に基づいて超音波センサ４から排水２の自由表面までの距離Ｌを求めるようにしたため、超音波センサ４から排水２の自由表面までの間に気温の変化があっても、距離Ｌを常に高精度に測定することができ、この距離Ｌに基づいて堰のヘッドｈ及び排水の流量Ｑを正確に求めることができる。

尚、本実施の形態では、超音波センサ４と排水２の自由表面までの間に３つの温度センサ５，６，７を設置したが、温度センサの数は限定されず、その数が増加する程、より正確な測定が可能となる。

＜第２発明＞
次に、第２発明の実施の形態について説明する。

図５は超音波センサ４を用いて容器８内の液体９のレベルｈを測定する方法を示す概略図であり、本実施の形態は、空中に設置された超音波センサ４から液体９の表面までの超音波の伝播経路に導管１０を設け、該導管１０内に乾燥空気を導入するとともに、導管１０内の温度を温度センサ１１で検知しながら超音波センサ４から液体９の表面までの距離Ｌを求めることを特徴とする。

ここで、前記導管１０は、断熱性の高い材質で円筒状に成形され、その内部の超音波センサ４の近傍には前記温度センサ１１が設置されている。又、導管１０内にはコンプレッサ１２から導出するエアホース１３が挿入されており、エアホース１３の途中には熱交換器１４が設けられている。

而して、本実施の形態においても、空中に設置された超音波センサ４を用いて該超音波センサ４から液体９の表面までの距離Ｌを測定することによって、容器８内の液体９のレベルｈを求めることができる。

即ち、超音波センサ４から一定の時間間隔で超音波が液体９の表面に向かって発信されると、その超音波は液体９の表面で反射して超音波センサ４によって受信されるが、本実施の形態では、コンプレッサ１２から吐出される乾燥空気が熱交換器１４によって所定の温度に加熱された後、エアホース１３から道管１０内へと導入される。

ここで、液体９の温度と気温の差が大きい場合、例えば気温が５℃で液体９の温度が２５℃である場合（温度差２０℃）であっても、超音波センサ４から液体９の表面までの超音波の伝播経路に断熱性の高い導管１０が設けられるとともに、該導管１０内に、液体９の温度に等しい２５℃の乾燥空気が導入されているため、超音波の伝播経路である導管１０内は全域に亘って略２５℃の均一の温度に保たれ、導管１０内の上下方向の温度分布は略均一となる。尚、熱交換器１４においては、コンプレッサ１２から吐出される乾燥空気は温度３０℃の熱媒との熱交換によって２５℃に加熱される。

従って、超音波センサ４から発信された超音波は、内部温度が略均一な導管１０内を一定の速度（音速ａ）で伝播し、音速ａは、温度センサ１１によって検出された温度Ｔに基づいて下記式によって求められる。

ａ＝３３０＋０．６Ｔ … （２）
従って、超音波センサ４から液体９の表面までの距離Ｌは、超音波の伝播時間をｔとすると、次式：
Ｌ＝ａ・ｔ／２ … （１）
によって求められる。

ここで、超音波センサ４から容器８の底面までの距離Ｌ₀は既知であるため、容器８内の液体９のレベルｈは次式によって算出される。

ｈ＝Ｌ₀−Ｌ … （９）
以上において、本実施の形態では、超音波センサ４から液体９の表面までの超音波の伝播経路に断熱性の高い導管１０を設けるとともに、該導管１０内に、所定温度の乾燥空気が導入されるため、超音波の伝播経路である導管１０内は全域に亘って略均一の温度に保たれ、超音波センサ４から液体９の表面までの間に気温の変化があっても、導管１０内での音速ａは一定となり、前記第１発明のように複数の温度センサ５〜７によって検出された温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃に基づいて音速ａを補正することなく正確な測距が可能となる。

このように、導管１０内に設置された１つの温度センサ１１によって検出された温度Ｔに基づいて音速ａを求め、この音速ａに基づいて超音波センサ４から液体９の表面までの距離Ｌを求めることができるため、超音波センサ４から液体９の表面までの間に気温の変化があっても、距離Ｌを常に高精度に測定することができ、この距離Ｌに基づいて液体９のレベルｈを正確に求めることができる。

尚、図６に示すように導管１０の下端部を液体９内に浸漬させ、或は図７に示すように導管１０をその下端外周に設けられたリング状のブイ１５に働く浮力によって液体９の表面上に浮かせるようにすれば、液体９のレベルｈの変動とは無関係に、超音波センサ４から液体９の表面までの超音波の伝播経路を導管１０によって確実に断熱することができ、導管１０内の温度を一層均一に保つことができる。尚、導管１０内に導入された乾燥空気は、導管１０の下部に形成された孔１６から外に排出される。

本発明は、三角堰による流量測定や容器内の液体のレベルの測定のみならず、空中に設置された超音波センサを用いて任意の被計測物までの距離を測定する方法に対して広く利用され得るものである。

第１発明における三角堰による流量測定法を示す水路の断面図である。 三角堰の正面図である。 超音波センサからの距離と気温との関係（温度分布）を示す図である。 超音波センサからの距離と音速との関係を示す図である。 第２発明において超音波センサを用いて容器内の液体レベルを測定する方法を示す概略図である。 第２発明の別形態としての導管の設置方法を示す側断面図である。 第２発明の別形態としての導管の設置方法を示す側断面図である。

符号の説明

１ 水路
２ 排水
３ 三角堰
４ 超音波センサ
５〜７ 温度センサ
８ 容器
９ 液体
１０ 導管
１１ 温度センサ
１２ コンプレッサ
１３ エアホース
１４ 熱交換器
１５ ブイ
１６ 孔

Claims (2)

1. 空中に設置された超音波センサから発信された超音波が被計測物で反射して帰ってくるまでの時間を計測し、その時間に基づいて超音波センサから前記被計測物までの距離を測定する超音波式空中センサによる測距方法において、
   前記超音波センサから前記被計測物までの間に複数の温度センサを設置し、各温度センサによって検出された温度に基づいて音速補正を行い、補正された音速に基づいて超音波センサから被計測物までの距離を求めることを特徴とする超音波式空中センサによる測距方法。
2. 空中に設置された超音波センサから発信された超音波が被計測物で反射して帰ってくるまでの時間を計測し、その時間に基づいて超音波センサから前記被計測物までの距離を測定する超音波式空中センサによる測距方法において、
   前記超音波センサから前記被計測物までの超音波の伝播経路に導管を設け、該導管内に乾燥気体を導入するとともに、導管内の温度を検知しながら超音波センサから被計測物までの距離を求めることを特徴とする超音波式空中センサによる測距方法。

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