JP2008070387A - 音響による液位検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容器内液相中に気相や固相がある場合にも、確実で安定した判定が行える音響による液位検出方法及び装置を提供する。
【解決手段】斜角の超音波センサ３を容器外壁面に当て、超音波を容器１内の液面２１の下方側（液相側）から液面２１方向に向かって送信する。超音波は、液面２１が容器内壁１１と接する境界部（液面コーナ）１２すなわち表面張力の接触角で成す液面で反射し、その反射波Ｒを超音波センサ３（３１または３２）で受信する。
【選択図】図８

Description

本発明は、容器の外から音響センサにより容器内の液位を検出する音響による液位検出方法及び装置の改良に関し、特に、圧力タンク内のエチレンの液位等の検出に好適な液位検出方法及び装置に係る。

従来から、容器の外壁面から音響的手段により内部の液位を計測する多くの方法が知られている。まず、（１）特許文献１及び特許文献２では、超音波を入射した壁面の対向側の内壁面反射波を容器内の液相を通して受信し液相の有無を検出するとともに、この対向側内壁面からの反射波のみを受信する工夫により、液位を確実に判定しようとしている。また、（２）特許文献３には、容器の外壁面から容器内液中の斜め上方に向かって超音波を発射し、液面と容器内壁が接するコーナ部から反射して戻ってきた超音波を検出し、その伝播時間から液面を検出することが開示されている。更に、（３）特許文献４及び特許文献５には、超音波センサを設置した側の内壁面からの反射波を受信し、容器内液相の有無による壁内の多重反射波の減衰特性の違いから液位を判定することが開示されている。

特開昭６１−３０１２号公報 特開平８−１３６３２０号公報 特開平５−１３３７９２号公報 特開平１１−２１８４３６号公報 特開２０００−１２１４１０号公報

上記従来技術（１）や（２）では、超音波が容器内液相中を伝播して対向側の内壁面またはコーナ部で反射して戻ってくることを利用するものであるため、液相中に気相や固相があると、気相または固相によって超音波が散乱・減衰し、対向側の内壁面やコーナ部からの反射波が得られず、確実で安定した液位判定はできない。

また、従来技術（３）では、超音波センサを設置した側の内壁面からの（多重）反射波が液相の存在で大きく減衰することを利用している。しかし、容器の材質がプラスチック系で液体の音響インピーダンスとの差が小さい場合には、容器内の液相により反射波は例えば３０％程度に減衰し顕著であるが、容器が鋼材のタンクの場合には、液相の存在によっても９４％までしか減衰せず、判定が必ずしも確実ではない欠点がある。

本発明の目的は、容器内液相中に気相や固相がある場合にも、確実で安定した判定が行える音響による液位検出方法及び装置を提供することである。

本発明の望ましい実施態様においては、音響センサにより、容器の外から容器内の液位を検出する液位検出方法において、容器の外壁に配置した音波送受信器から前記容器壁内へ斜角に音波を送信するステップと、この音波が容器壁内を伝播し，容器内液面と容器内壁との境界部で反射した音波を前記送受信器もしくは別の受信器で受信するステップと、その反射波の受信タイミングから液位を判定するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の望ましい他の実施態様においては、音響センサにより、容器の外から容器内の液位を検出する液位検出装置において、容器の外壁に配置され，前記容器壁に斜角に超音波を送信しかつほぼ同方向からの超音波を受信する超音波送受信器と、超音波を送信後の所定の時間内における前記超音波の受信を観測する受信信号観測部と、前記受信信号観測部の観測結果から液位を判定する液位判定部とを備えたことを特徴とする。

本発明のこれら望ましい実施態様によれば、容器内液相中に気相や固相が存在しても、容器内液位を容器外面から安定して確実に検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施例における液位検出方法の原理説明図である。図において、圧力タンク等の容器１内にはエチレン等の液体（液相）２が存在し、その液位は液面２１である。超音波送受信器（以下、単にセンサと呼ぶ）３は、図のセンサ３１や３２で示すように容器外壁に複数個設置され、あるいは１個のセンサが容器外壁に沿って上下方向に移動可能に配置される。センサ３から容器内に向かって、ほぼ水平方向に超音波を送信すれば、センサ３は液相２中の気相４や固相５による散乱反射波Ｎを受信する。通常エチレンは沸騰しており、多くの気相４が存在する。

図２は、本発明の第１の実施例における液位検出方法による受信波形説明図である。超音波センサ３が容器１内液面２１よりも下方に位置する、すなわちセンサ３１の位置にあるときの受信波形は、図２（ａ）液相有りに示すようになり、送信パルスＴの後に、最初の内壁面反射波Ｂ１以降に、液相２中の気相４や固相５からの散乱反射波Ｎ（Ｎ１〜Ｎ４）が受信される。超音波センサ３を上方に移動して、容器１内液相２の上面２１より上の超音波センサ３２の位置に移動させると、その受信波形は図２（ｂ）液相無しに示すようになり、内壁面反射波Ｂ１及びその多重反射波Ｂ２、Ｂ３…のみが受信される。従って、超音波センサ３を複数設けるか、あるいは１個のセンサを移動させながら、内壁面反射波Ｂ１及びその多重反射波Ｂ２、Ｂ３…の間に受信する気相４や固相５からの散乱反射波Ｎ（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３…）の有無を監視することによって、液相２内に気相４や固相５を含む場合にも、容器１内の液位を検出できる。また、液相２内に気相４や固相５を含まない場合には、対向側の内壁面の反射波Ａを検出することで液位を検出できることは言うまでもない。

図３は、容器壁が薄い場合の本発明の第１の実施例における液位検出方法による液相が存在する場合の受信波形説明図である。同図（ａ）、（ｂ）に示すように、内壁面反射波Ｂ１及びその多重反射波Ｂ２、Ｂ３…の受信時刻以降から、本来対向側の内壁面反射波Ａが受信される時刻までの間に受信する液相２中の気相４や固相５による散乱反射波Ｎ（Ｎ１，Ｎ２…）を監視すれば、センサの高さ位置における液相２及び気相４や固相５の有無を検出できるので、同様にして容器１内の液位を判定できる。

図４は、本発明の第一実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図である。超音波センサ３として、多数（Ｎ個）のセンサ３１，３２，…３Ｎが容器１の壁面に沿って上下方向に列設されている。切替え回路６は、信号処理及び液位判定部９からの切替え信号によって、これらの超音波センサ３群を電気的に切替え、順次タンク１内液相２中の気相４や固相５からの反射波Ｎを受信する。反射波の受信状況は、超音波送受信部７、受信信号観測部８を介して観測され、信号処理及び液位判定部９にて液位を判定する。

図５は、図４の本発明の第一実施例による液位検出方法の処理フロー図である。まず、ステップ５０１で感度調整の後、センサ３１をＯＮにする初期条件設定を行う。ステップ５０２では、気相４や固相５からの反射波Ｎ波または対向内壁面反射波Ａ波の有無を判断し、無ければステップ５０３にて次のセンサをＯＮして再びステップ５０２の判断を行う。これをＮ波またはＡ波を検出するまで繰り返し、ステップ５０４へ進む。ステップ５０４では、受信したセンサのナンバーすなわち上下方向の位置を確認する。予め設定された複数のセンサの取付位置から、どのセンサが受信したかが分かれば液位を検出できる。これによってステップ５０５にて液位を判定し、その結果を表示する。

本実施例によれば、順次センサを切替えることによって、気相４や固相５からの反射波Ｎあるいは対向内壁面反射波Ａが無くなりあるいは現れるセンサ位置から、液位を知ることができ、気相４や固相５が多く、対向内壁面反射波Ａが得られにくい液体２であっても、確実に液位を判定できる。

図６は、本発明の第二実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図である。図４と同一符号はほぼ同様の機能を持つものであり重複説明は省略する。この実施例においては、センサ３は１個とし、駆動及び位置測定部１０で上下方向に駆動するとともにその現在位置を測定する。符号３１及び３２は、移動した１個のセンサの２つの位置を表すものである。

図７に、図６の本発明の第二実施例における液位判定のフローチャート図を示す。最初、ステップ７０１において、超音波センサ３を容器外壁面に音響的に接触し、容器内壁面反射波Ｂ等を受信して感度など装置の初期設定を行う。次に、ステップ７０２で、受信波形から容器１内液相２中の気相４や固相５による散乱反射波Ｎまたは対向内壁面反射波Ａの有無を判断する。反射波ＮまたはＡを確認した場合は、ステップ７０３に進み、超音波センサ３を上方に移動させ、ステップ７０４にて反射波ＮやＡの消失を確認するまでセンサ３の移動を繰返す。反射波ＮやＡの消失を確認すれば、ステップ７０５でその時点の超音波センサ位置を駆動及び位置測定部１０で測定する。前記ステップ７０２で、最初から反射波ＮもＡもが無かった場合には、ステップ７０６に進んで、逆にセンサ３を下方へ移動させる。同様にステップ７０７で反射波ＮまたはＡの出現を確認するまでセンサ３を移動させ、ステップ７０５でそのセンサ位置を測定する。この結果によりステップ７０８にて液位を判定する。

なお、超音波センサ３の移動や位置読み取りは手動、自動いずれでもよい。

以上の図４〜７にて説明した本発明の第一、第二実施例においては、特に、エチレン等の気泡４の多い液相２の液位測定の場合には、散乱反射波Ｎのみを受信し、対向内壁面反射波Ａはタイミング的に受信しないように構成しても、液位判定は十分に可能である。この場合、あらかじめ超音波センサの位置と受信信号情報から真の液位の位置を把握した状態で、データを収集し、その結果により受信パターン情報と判定結果のモデルを作っておき、実際の測定に当っては、このようなモデルデータと比較することで液位を判定するようにすれば、液位をさらに精度良く判定できる。

図８は、本発明の第三実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図である。斜角の超音波センサ３を容器外壁面に当て、超音波を容器１内の液面２１の下方側（液相側）から液面２１方向に向かって送信している。超音波は液面２１が容器内壁１１と接する境界部（液面コーナ）１２すなわち表面張力の接触角で成す液面で反射し、その反射波Ｒは超音波センサ３（３１または３２）で受信できる。

図９は、図８の実施例における受信波形説明図である。液面２１の位置は、超音波センサ３を上下方向に移動して前記反射波Ｒの最大受信強度位置において、超音波送信時刻Ｔ１から反射波Ｒを受信する時刻Ｔ２までの時間Ｔｈと、容器壁内への超音波入射角度θ、容器壁の厚さＬ及び容器壁材中の超音波音速等から算出できる。たとえば図８に示すように、容器壁中にθ度で超音波を入射すると、超音波入射点位置から液面２１までの距離ΔＹは、式（１）で算出できる。

ΔＹ＝（ｔａｎ^−１θ）×Ｌ …（１）
したがって、液位Ｐは、センサ位置をＰ３１とすれば、（２）式で求められる。

液位Ｐ＝Ｐ３１＋ΔＹ …（２）
この場合、容器内壁面１１から液面コーナ１２までの距離は無視しているが、必要に応じてこの距離を加味して計算したり校正することもできる。また、超音波を送信した時刻Ｔ１から反射波Ｒを受信するまでの時間Ｔｈは、超音波センサ３内の距離とその音速、容器壁中の距離とその音速及び容器内壁面から液面コーナ１２までの距離とその音速によって計算できる。

図１０は、図８，９の実施例における処理フローチャートである。ステップ１０１で初期設定後、ステップ１０２でセンサ３を液面２１より下方から上方に移動させ、ステップ１０３にてコーナ反射波Ｒの受信を確認できるまで繰返す。反射波Ｒを検出すると、ステップ１０４にて音響センサ３を上下に移動して、ステップ１０５で反射波Ｒの振幅がピークを示す位置又は消滅する位置を特定する。内壁１１への超音波の到達点が液面コーナ１２を過ぎると、コーナ反射波Ｒは受信できなくなる。したがって、コーナ反射波Ｒがピークとなる位置又は消滅する位置を液位Ｐと判定する。ステップ１０７でセンサ位置Ｐ３１と距離ΔＹから前述のようにして液位Ｐを判定する。

図１１は、本発明による第四実施例の液位検出装置の全体構成ブロック図である。図８と同一符号は殆ど同一機能を持つものであり重複説明は避ける。本実施例では、容器壁中に横波で伝播し、内壁面で一種の縦波にモード変換され、壁面に沿って伝播する波（クリーピング波と呼ばれる）の反射を利用する。本構成では音響センサの種類が異なり、今まで垂直に伝播する超音波を利用していたが、ここでは超音波を特定の角度で斜めに入射する。鋼中への縦波の入射角度θを７０〜９０度で入射すると、３０〜３３度の横波が発生する。タンク（容器）１の内壁１１に到達した横波は内壁１１面に沿って伝播するクリーピング波となる。クリーピング波は液中に漏れ込みながら伝播し、液面２１のコーナ１２の表面張力による曲線部で反射して散乱し、同じ経路を戻る波を同じセンサ３１で受信する。あるいは、散乱した反射波を別のセンサ３２で受信しても良い。また、超音波アレイセンサ等を用いて前記コーナ１２からの反射波を最適条件で常に効率良く受信しても良い。さらに、液位が上下に揺動する場合や容器内壁面１１と液面２１の接触角が鈍角になる場合には、超音波を容器１内液相２の液面２１の上方側（気相側）から送受信して液位を検出することもできる。

図１２は、図１１の実施例における液位検出方法の処理フローチャートである。このフローチャートはセンサ３１で受信する場合である。ステップ１２１で初期設定後、ステップ１２２でセンサ３を液面２１より下方から上方に移動させ、ステップ１２３にてコーナ反射波Ｒの受信を確認できるまで繰返す。反射波Ｒを検出すると、ステップ１２４にて音響センサ３を上下に移動して、ステップ１２５で反射波Ｒが消滅する位置を特定する。受信したコーナ反射波はセンサが液面コーナ部に近づくに連れて時間的に速く受信され、内壁面への超音波の到達点がコーナ部を過ぎるとコーナ反射波は受信できなくなる。従ってコーナ反射波が消滅する位置を持って液位と判定する。ステップ１２６で、コーナ反射波Ｒが消滅するセンサ位置を測定し、ステップ１２７でセンサ位置Ｐ３１と距離ΔＹから前述のようにして液位Ｐを判定する。

図１３は、本発明による液位検出装置の第五実施例の全体構成ブロック図である。本構成の音響センサ３０は、数十ヘルツ〜数百キロヘルツ内の音波受信器で、容器１の内部で発生する気相４の破裂音や発生音を受信するのみで、自身では音波を発生しない。この実施例においても類似物の重複説明は避ける。これまでの実施例と構成は似ているが、異なるのは受信のみのセンサ３０（３０１，３０２、…３０Ｎ）のほか、超音波送受信部７に代えて単なる音波受信部７０で良く、またセンサ３０の各位置における受信信号の基準パターンを蓄積したデータ１３を用意している。

図１４は、本発明の第五実施例による液位検出方法の処理フローチャートである。ステップ１４１で初期設定を行い、ステップ１４２で受信信号を取り込む。ステップ１４３では、受信信号を前記の基準パターン１３のどれかに合致するかどうかを照合し、合致しなければステップ１４５で次のセンサに切替える。合致すればステップ１４６にて仮の水位として判定し、ステップ１４７ですべてのセンサでの終了を確認する。そしてステップ１４８にて最終水位の判定を行い、結果を表示する。このように、センサ３０１〜３０Ｎを切替えて受信信号を受信する度に前記の基準パターン１３のどれかに合致するかどうかを照合し、合致すれば仮の水位として判定し、最終的には全部のセンサの受信信号の合致状況を総合的に判断して水位を決定している。水位決定に当っては、水位の付近に設置した２個以上のセンサの受信信号パターンが基準パターンとほぼ合致することを確認することが望ましい。このとき、受信信号に対して、破裂音発生位置の位置標定、相関処理、周波数分析等の処理法を適用しても良い。

以上の実施例において、容器が高温あるいは低温状態にある場合には、高温用及び低温用の音響センサを使い分けて液位を検出することもできる。

以上の実施例によれば、容器内液相中に発生する気相や固相からの反射波並びに容器内液面と内壁面との境界部（液面コーナ）からの反射波を検出して液位を検出することにより、容器内の液相中に気相や固相が存在し、対向する容器の内壁面からの反射波を得にくい場合にも、液位を容器外面から安定・確実かつ簡単な構成で検出することができる。

本発明の一実施例における液位検出方法の原理説明図。 本発明の一実施例における液位検出方法による受信波形説明図。 容器壁が薄い場合の本発明の一実施例の液位検出方法による受信波形説明図。 本発明の第一実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図。 本発明の第一実施例による液位検出方法の処理フロー図。 本発明の第二実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図。 本発明の第二実施例による液位検出方法の処理フロー図。 本発明の第三実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図。 本発明の第三実施例の液位検出方法における受信波形説明図。 本発明の第三実施例による液位検出方法の処理フロー図。 本発明の第四実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図。 本発明の第四実施例による液位検出方法の処理フロー図。 本発明の第五実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図。 本発明の第五実施例による液位検出方法の処理フロー図。

符号の説明

１…容器、２…液相、２１…液面、３，３１，３２，３Ｎ…超音波送受信器（超音波センサ）、３０，３０１，３０２，３０Ｎ…音波受信器（受信のみの音波センサ）、４…気相、５…固相、６…切替え回路、７…超音波送受信部、７０…音波受信部、８…受信信号観測部、９…信号処理及び液位判定部、１０…駆動及び位置測定部、１１…容器内壁、１２…境界部（液面コーナ）、１３…受信信号の基準パターン蓄積データ、Ｔ…送信波、Ａ…対向する容器内壁からの反射波、Ｂ…送受信器を配置した容器壁の内壁からの反射波、Ｎ…気相や固相からの反射波、Ｒ…境界部（液面コーナ）からの反射波。

Claims (2)

1. 音響センサにより、容器の外から容器内の液位を検出する液位検出方法において、容器の外壁に配置した音波送受信器から前記容器壁内へ斜角に音波を送信するステップと、この音波が容器壁内を伝播し，容器内液面と容器内壁との境界部で反射した音波を前記送受信器もしくは別の受信器で受信するステップと、その反射波の受信タイミングから液位を判定するステップとを含むことを特徴とする音響による液位検出方法。
2. 音響センサにより、容器の外から容器内の液位を検出する液位検出装置において、容器の外壁に配置され，前記容器壁に斜角に超音波を送信しかつほぼ同方向からの超音波を受信する超音波送受信器と、超音波を送信後の所定の時間内における前記超音波の受信を観測する受信信号観測部と、前記受信信号観測部の観測結果から液位を判定する液位判定部とを備えたことを特徴とする音響による液位検出装置。

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