JP2008203206A - Liquid detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液体検知装置に関する。 The present invention relates to a liquid detection device.
従来、タンク内面に超音波の送信面ないし受信面を露出させる形で超音波送信部及び受信部を配置し、超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより液面高さを知ることができるようにした液面計が知られている(特許文献1,2)。しかし、この方式の液面計は容器内部に超音波送信部及び受信部を露出配置しなければならず、構造が複雑化する上、液面計を有さない容器へは適用できない難点がある。一方、対象となる容器の外側から非接触で液面を検知する方式として、容器壁を透過させる形で送信された超音波を反対側の壁(正反対側の鋼板材の壁で媒質との境界)で反射させ、再び容器壁を透過してトランスジューサまで戻ってくる反射波を検出し、液の有無を判断する方式が知られている(例えば特許文献3)。
Conventionally, an ultrasonic transmission unit and a reception unit are arranged so that the ultrasonic transmission surface or reception surface is exposed on the inner surface of the tank, and the time until the ultrasonic beam is reflected at the liquid surface position and returned is measured. There is known a liquid level gauge which can know the height of the liquid level (
しかし、上記透過型の液面検出方式には、超音波を送信後、反射波が戻ってくるまでの伝播遅延時間があり、反射経路に沿った超音波パルスの伝播距離が長く信号のロスが大きい欠点がある。信号のロスが大きいということは、結局のところ、駆動直後に容器に伝播する機械的振動ノイズや残響ノイズ、温度・経時変化によるトランスジューサの特性劣化(特に、ダンパー特性の劣化)、トランスジューサと容器との機械的な結合状態などの影響を受けやすいことを意味し、感度低下を招きやすいことは必至である。特に、容器壁部を透過する音波の信号レベル低下や、取り付け状態によるノイズの影響をとりわけ受けやすく、液の有無を判定する受信信号を検出する際のS/Nが悪化する問題がある。 However, the transmission-type liquid level detection method has a propagation delay time from when an ultrasonic wave is transmitted until the reflected wave returns, and the propagation distance of the ultrasonic pulse along the reflection path is long, resulting in a loss of signal. There are major drawbacks. After all, the loss of signal means that mechanical vibration noise and reverberation noise that propagates to the container immediately after driving, deterioration of the transducer characteristics due to temperature and aging (especially deterioration of damper characteristics), transducer and container This means that it is easily affected by the mechanical coupling state, etc., and it is inevitable that the sensitivity is easily lowered. In particular, there is a problem that the signal level of the sound wave transmitted through the container wall and the influence of noise due to the attachment state are particularly susceptible to the deterioration of the S / N when detecting the reception signal for determining the presence or absence of liquid.
結局、上記透過型方式では、S/N比の低下を防止するために、フィルタリングなどの複雑な信号処理や制御が必要となり、回路やソフトウェアの複雑化ひいては高コスト化が避け難い。また、検出周波数の決定や、回路ゲインあるいはコンパレータレベル等の設定・調整にも長時間を要し、液面判定の迅速性も損なわれやすくなる。 Eventually, in the above transmission type, complicated signal processing and control such as filtering are required to prevent a decrease in the S / N ratio, and it is difficult to avoid the complexity of the circuit and software and the increase in cost. Further, it takes a long time to determine the detection frequency and to set and adjust the circuit gain or the comparator level, and the speed of liquid level determination is likely to be impaired.
本発明の課題は、構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別できる液体検知装置を提供する。 An object of the present invention is to provide a liquid detection device that has a simple configuration and can determine the liquid presence state in a container from the outside of the container in a shorter time with good workability.
上記の課題を解決するために、本発明の液体検知装置は、
液体を収容した容器を被測定系として、該容器の壁部外面に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、被測定系に測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断する超音波出力部と、
測定実施位置に取り付けて使用され、測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動波形を検出する残響検出手段と、
減衰残響振動波形を積分する波形積分手段と、
該積分波形に反映される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定する液体有無判定手段と、
該判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the liquid detection device of the present invention is:
A container containing a liquid is used as a system to be measured, and is used by being attached to a measurement execution position determined on the outer surface of the wall of the container, and after inputting an ultrasonic beam for measurement to the system to be measured for a predetermined time, An ultrasonic output unit for blocking the input of the ultrasonic beam for measurement;
A reverberation detection means for detecting a damped reverberation vibration waveform after being cut off from the input of the measurement ultrasonic beam;
Waveform integration means for integrating the damped reverberation vibration waveform;
Liquid presence / absence determining means for determining the presence / absence of liquid at a measurement execution position in the container based on a difference in attenuation characteristics of the damped reverberation vibration reflected in the integrated waveform;
Liquid presence / absence determination result output means for outputting the determination result.
上記本発明の液体検知装置によると、液体を収容した容器を被測定系として、容器の壁部外側に取り付けた超音波出力部からの測定用超音波ビームにより音響励振し、測定用超音波ビームの入力遮断後の被測定系からの減衰残響振動波形に基づいて容器内の測定実施位置における液体の存在状態を検出する。すなわち、従来のごとく液体中へ伝播する励振音波の反射情報を検出するのではなく、駆動直後の被測定系からの残響情報を自由振動波形の形で検出するので、音波が媒質中を伝播する遅延時間が発生せず検出時間が早い。また、従来の透過型検出方式では、検知情報となる反射波に対し駆動直後の残響がノイズとして作用し、特に容器の寸法が小さい場合や、音速が大きい液体の場合、残響ノイズによるS/N比低下が避け難かった。しかし、この発明では、その残響情報がノイズではなく信号(シグナル)として逆に利用されるのであり、しかも、残響情報が検出される際には音響励振のための入力波は遮断された後なので、これがノイズ要因となることは原理的にありえない。従って、極めて安定で高感度な液体検出が可能となり、信頼性が大きく向上する。また、超音波ビームは指向性が高く、波形拡散によるロスも小さいので、より高感度な液体検出が可能である。 According to the liquid detection apparatus of the present invention, the ultrasonic wave for measurement is excited by the ultrasonic beam for measurement from the ultrasonic output unit attached to the outside of the wall of the container, with the container containing the liquid as the system to be measured. Based on the damped reverberation vibration waveform from the system to be measured after the input is cut off, the presence state of the liquid at the measurement position in the container is detected. That is, instead of detecting the reflected information of the excitation sound wave propagating into the liquid as in the past, the reverberation information from the measured system immediately after driving is detected in the form of a free vibration waveform, so that the sound wave propagates through the medium. There is no delay time and detection time is fast. Further, in the conventional transmission type detection method, reverberation immediately after driving acts on the reflected wave as detection information as noise, and particularly in the case of a small container size or a liquid with a high sound speed, the S / N due to reverberation noise. It was difficult to avoid a decrease in the ratio. However, in the present invention, the reverberation information is used as a signal (signal) instead of noise, and when the reverberation information is detected, the input wave for acoustic excitation is cut off. In principle, this cannot be a noise factor. Accordingly, extremely stable and highly sensitive liquid detection is possible, and the reliability is greatly improved. In addition, since the ultrasonic beam has high directivity and loss due to waveform diffusion is small, liquid detection with higher sensitivity is possible.
具体的には、液体の非存在部では容器壁部の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。その結果、容器壁部を外から音響励振した場合、容器壁部は、壁部内に反射して戻る音波が主体的となるため内側の空間からは音響的に分離され、固体で構成された壁部の固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。この傾向は、容器側が内部摩擦の小さい金属にて構成されている場合に特に著しい。しかし、液体の存在部では、容器壁部の内側に液体が存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、壁部内面を経て内部摩擦の大きい液体内に漏れこむ音波比率が増加して振動減衰は著しくなる。従って、検出される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を容易に判定することができるのである。そして、減衰残響振動波形の積分値を用いて液体の有無を判定することで、突発的なノイズ等により波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。 Specifically, in the non-existing portion of the liquid, the inside of the container wall portion becomes a void, and the acoustic impedance difference with the wall portion inner surface as a boundary becomes very large. As a result, when the container wall portion is acoustically excited from the outside, the container wall portion is acoustically separated from the inner space because the sound waves reflected and returned into the wall portion are the main, and the wall made of solid Since the vibration continues in a form governed by the natural vibration of the part, the vibration is hardly attenuated. This tendency is particularly remarkable when the container side is made of a metal having low internal friction. However, since the liquid is present inside the container wall in the presence of the liquid, the above-described acoustic impedance difference is reduced, and the ratio of sound waves leaking into the liquid having a large internal friction through the wall inner surface is increased to vibrate. The attenuation is significant. Therefore, it is possible to easily determine the presence or absence of liquid at the measurement execution position in the container based on the difference in the attenuation characteristics of the detected damped reverberation vibration. By determining the presence or absence of liquid using the integrated value of the damped reverberation vibration waveform, it is possible to keep the determination error low even when the waveform is disturbed due to sudden noise or the like.
測定適用対象となる容器が金属タンク(特に鋼鉄製など、内部音響損失の比較的小さい材料で構成されたもの)である場合は、空の状態で残響が減衰し難く、液体を収容した状態との残響特性にも大きな差を生じ易いので、液体検出の精度が高い利点がある。この場合、超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に測定用超音波ビームを出力するように構成しておくとよい。 If the container to be measured is a metal tank (especially made of steel or other material with a relatively low internal acoustic loss), the reverberation is difficult to attenuate in an empty state, and it contains liquid. Therefore, there is an advantage that the liquid detection accuracy is high. In this case, the ultrasonic output unit is preferably attached to the metal wall portion of the metal tank and configured to output a measurement ultrasonic beam in the thickness direction of the metal wall portion.
液の存在部と液の非存在部との間で、減衰残響振動の減衰特性に波形の上で顕著な差が存在すれば、その差を数値化することにより液体の有無に係る判定を容易に実行することが可能となる。振動波形の減衰挙動を数値化する手法は種々存在し、そのいずれを用いてもよい。 If there is a significant difference in the damping characteristics of the damped reverberation between the presence of the liquid and the non-existence of the liquid, it is easy to determine the presence or absence of liquid by quantifying the difference. Can be executed. There are various methods for quantifying the damping behavior of the vibration waveform, and any of them may be used.
例えば、液体有無判定手段は、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、積分波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成できる。この方式によると、励振を遮断した後の経過時間を固定化して、積分波形のレベルを一律に測定することで、少ない液の存在の有無に係る判定を容易に行なうことができる。 For example, the liquid presence / absence determining means acquires the attenuation level of the damped reverberation vibration reflected in the integrated waveform when a predetermined time has elapsed after the input of the measurement ultrasonic beam is cut off, and the attenuation level is determined in advance. It can be configured that it is determined that there is liquid when it is less than a predetermined threshold and that there is no liquid when the threshold is also exceeded. According to this method, it is possible to easily determine whether or not there is a small amount of liquid by fixing the elapsed time after the excitation is cut off and uniformly measuring the level of the integrated waveform.
他方、液体有無判定手段は、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、積分波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成してもよい。この方式では、積分波形の時間変化を監視する必要が有り、そのサンプリング回数は増大するが、積分実行後に重畳するノイズ等による変化を誤差として容易に識別できるので、判定精度を高めることができる利点がある。 On the other hand, the liquid presence / absence determining means acquires the attenuation level of the damped reverberation vibration reflected in the integrated waveform when a predetermined time elapses after the input of the measurement ultrasonic beam is interrupted, and the attenuation level is determined in advance. It may be configured to determine that there is liquid when it is less than a predetermined threshold and that there is no liquid when the threshold is also exceeded. In this method, it is necessary to monitor the time change of the integrated waveform, and the number of samplings increases. However, since the change due to noise or the like superimposed after execution of integration can be easily identified as an error, it is possible to improve the determination accuracy. There is.
次に、本発明の液体検知装置には、減衰残響振動波形を包絡線検波する包絡線検波手段を設けることができる。そして、前述の波形積分手段は、該包絡線検波後の波形を積分処理するものとして構成できる。減衰残響振動波形を包絡線検波することで、その振幅の減衰挙動をより簡単かつ正確に把握でき、また、ノイズ等による波形の乱れの影響も一層受けにくくなるので、液体の有無判定をより正確に行なうことができる。 Next, the liquid detection device of the present invention can be provided with an envelope detection means for detecting an envelope of a damped reverberation vibration waveform. The waveform integration means described above can be configured to integrate the waveform after the envelope detection. Envelope detection of a damped reverberation waveform makes it easier and more accurate to understand the attenuation behavior of the amplitude, and makes it less susceptible to waveform disturbances due to noise, etc. Can be done.
包絡線検波手段は、残響検出手段からの減衰残響振動波形を増幅する波形増幅部と、増幅された減衰残響振動波形を半波整流する半波整流部と、該半波整流された減衰残響振動波形を包絡線検波部とを有する検波回路にて構成することができる。波形増幅出力を半波整流することで、本来の減衰振動波形の片側のピーク点を選択的に抽出することができ、これを包絡線検波することで、減衰判定に用いるのにより好都合な単調減少型(極性反転すれば単調増加型)の波形減衰曲線を得ることができる。 The envelope detection means includes a waveform amplification section that amplifies the damped reverberation vibration waveform from the reverberation detection means, a half-wave rectification section that rectifies the amplified damped reverberation vibration waveform by half-wave, and the half-wave rectified damped reverberation vibration. The waveform can be constituted by a detection circuit having an envelope detection unit. By half-wave rectifying the waveform amplification output, the peak point on one side of the original damped oscillation waveform can be selectively extracted, and by detecting the envelope, it is more convenient and monotonous for use in attenuation determination A waveform attenuation curve of a type (monotonically increasing type when polarity is inverted) can be obtained.
また、検波回路は、波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去するバイアス直流成分除去部を有するものとして構成でき、半波整流部は、該バイアス直流成分を除去後の増幅入力波形を半波整流するものとして構成できる。バイアス直流成分は、増幅特性を改善するために波形増幅部側で意図的に付加されるものと、定常ノイズやドリフトの影響により不可避的に重畳されるものとの双方を概念として含む。いずれにしても、バイアス直流成分を除去することで、増幅出力波形の振幅中心を確定することができ、半波整流時における切り出し振幅の誤差を低減することができる。 In addition, the detection circuit can be configured to have a bias DC component removal unit that removes a bias DC component from the amplified output waveform from the waveform amplification unit, and the half-wave rectification unit has an amplified input waveform after removing the bias DC component. Can be configured as a half-wave rectifier. The bias direct current component includes both a concept that is intentionally added on the side of the waveform amplification unit in order to improve amplification characteristics and a concept that is inevitably superimposed due to the effects of stationary noise and drift. In any case, by removing the bias direct current component, it is possible to determine the amplitude center of the amplified output waveform, and it is possible to reduce the error of the clipping amplitude during half-wave rectification.
また、波形増幅部の増幅出力を測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部を組み込むこともできる。これにより、測定用超音波ビームの励振周波数に対応した必要な残響波形を抽出することができ、ノイズ振動や高調波による誤差の影響を低減することができる。 It is also possible to incorporate a waveform tuning unit that tunes the amplified output of the waveform amplification unit to the excitation frequency of the measurement ultrasonic beam. Thereby, a necessary reverberation waveform corresponding to the excitation frequency of the ultrasonic beam for measurement can be extracted, and the influence of errors due to noise vibration and harmonics can be reduced.
また、波形増幅部から分岐入力される増幅出力を積分演算する増幅出力積分部と、該増幅出力積分部の積分出力と検波回路からの包絡線検波出力との比較に基づいて、分岐減衰残響振動の減衰特性を反映した減衰反映信号を出力する積分比較演算部とを設けることができる。波形積分手段は該減衰反映信号を積分演算するものとして構成する。このように構成すると、増幅出力に温特や定常ノイズ等に由来した波形ドリフトが生じている場合、その積分演算波形との比較演算(差分を概念として含む)を行なうことでドリフト成分をキャンセルでき、その影響を簡単に低減できる。積分比較演算部は、減衰反映信号として積分出力と包絡線検波出力との二値比較結果を出力するものとして構成すれば、液体の有無を判定する演算をより簡便に行なうことができる。 In addition, an amplification output integration unit that integrates an amplification output that is branched and input from the waveform amplification unit, and a comparison between the integration output of the amplification output integration unit and the envelope detection output from the detection circuit, And an integral comparison operation unit that outputs an attenuation reflection signal that reflects the attenuation characteristics of the signal. The waveform integrating means is configured to integrate the attenuation reflected signal. With this configuration, if there is a waveform drift derived from temperature characteristics or stationary noise in the amplified output, the drift component can be canceled by performing a comparison operation (including the difference as a concept) with the integrated operation waveform. The effect can be easily reduced. If the integral comparison calculation unit is configured to output a binary comparison result between the integral output and the envelope detection output as the attenuation reflection signal, the calculation for determining the presence or absence of the liquid can be performed more easily.
本発明においては、前述の金属タンクが液体として液化ガス(液化石油ガス(LPG)や液化天然ガス(LNG)などの燃料用液化ガス、液化炭酸ガス、液化アンモニアガス、液体窒素などのボンベ、タンク、コンテナなどが主な用途である)を収容するものである場合、超音波を励振用測定プローブとして採用することの波及効果が高い。すなわち、液化ガスの場合密度が低く、タンク壁部とタンク内部との音響インピーダンス差が液有り状態と液無し状態とでそれほど大きくない。この場合、可聴帯音源を励振用測定プローブとして用いると残響挙動にも差を生じにくく、液体存在状態に係る正確な知見が得にくくなる。しかし、超音波ビームを用いれば液体存在状態に応じて残響挙動に大きな差を生じ、正確な液体検出が可能となる。 In the present invention, the above-mentioned metal tank is liquid as a liquefied gas (a liquefied gas for fuel such as liquefied petroleum gas (LPG) or liquefied natural gas (LNG), a cylinder or tank of liquefied carbon dioxide gas, liquefied ammonia gas, liquid nitrogen, etc. In the case of accommodating containers, etc.), the ripple effect of adopting ultrasonic waves as an excitation measurement probe is high. That is, in the case of liquefied gas, the density is low, and the acoustic impedance difference between the tank wall and the inside of the tank is not so large between the state with liquid and the state without liquid. In this case, when an audible band sound source is used as an excitation measurement probe, it is difficult to produce a difference in reverberation behavior and it is difficult to obtain accurate knowledge about the liquid presence state. However, if an ultrasonic beam is used, a large difference occurs in reverberation behavior according to the liquid presence state, and accurate liquid detection becomes possible.
本発明においては、超音波ビームによる励振を遮断した後の残響を検出するので、励振期間と残響検出期間とが時系列的に順次行なわれる形になる。従って、超音波出力部は、被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段に兼用されるものとして構成することができる。このようにすると、1個の超音波トランスジューサにより超音波送信部と残響検出部とを兼用でき、装置のコンパクト化及び低コスト化に寄与する。 In the present invention, since the reverberation after the excitation by the ultrasonic beam is cut off is detected, the excitation period and the reverberation detection period are sequentially performed in time series. Therefore, the ultrasonic output unit can be used as a reverberation detection means as an ultrasonic transducer that can output a measurement ultrasonic beam to the measurement target system and can also receive reverberation ultrasonic waves from the measurement target system. Can be configured. In this way, a single ultrasonic transducer can be used as both the ultrasonic transmission unit and the reverberation detection unit, which contributes to downsizing and cost reduction of the apparatus.
本発明の液体検出装置の原理においては、容器壁部に対する音響励振の周波数が容器壁部の固有振動数(倍音振動を含む)から大きく隔たっていると、液の非存在部であっても残響振動の減衰が著しくなるので、液存在部との間で減衰特性に差異を生じにくくなり、液体の有無の判定精度が低下することにつながる。従って、測定用超音波ビームの周波数については上記固有振動数に対応した値(例えば、固有振動数を中心とする±10%以内の所定幅に属する近傍値:望ましくは一致した値)に設定されていることが望ましい。該固有振動数は、容器壁部の材質や厚みにより異なる値を示すので、測定用超音波ビームの周波数も該材質や厚みに応じて最適の値に設定することが望ましいといえる。 In the principle of the liquid detection device of the present invention, if the frequency of the acoustic excitation with respect to the container wall is greatly separated from the natural frequency (including overtone vibration) of the container wall, reverberation occurs even in the absence of liquid. Since the damping of the vibration becomes remarkable, it becomes difficult to make a difference in the damping characteristic between the liquid existing portion and the accuracy of determining the presence / absence of the liquid is lowered. Therefore, the frequency of the ultrasonic beam for measurement is set to a value corresponding to the natural frequency (for example, a neighboring value belonging to a predetermined width within ± 10% centered on the natural frequency: preferably a matched value). It is desirable that Since the natural frequency shows different values depending on the material and thickness of the container wall, it can be said that it is desirable to set the frequency of the ultrasonic beam for measurement to an optimum value according to the material and thickness.
いずれにせよ、測定用超音波ビームの周波数を最適化するには、容器上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置を選択して種々の周波数にて減衰残響振動の計測を行ない、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間(残響時間)が最大化されるように周波数を選択するとよい。例えば、容器側壁部の上部や、確実に液が存在しない容器最上面部(天面部)に測定実施位置を定めることで、液無し状態で残響時間が最大となる条件を容易に決定でき、液の有無をより確実に判定できるようになる。 In any case, in order to optimize the frequency of the ultrasonic beam for measurement, the measurement execution position, which is known in advance to be free of liquid on the container, is selected, and attenuation reverberation vibration is measured at various frequencies. The frequency may be selected so that the attenuation time (reverberation time) until the attenuation level reaches a predetermined reference level after the input of the measurement ultrasonic beam is cut off is maximized. For example, by setting the measurement position at the top of the container side wall or the top surface of the container (top surface) where there is no liquid, the conditions for maximizing the reverberation time in the absence of liquid can be easily determined. The presence or absence of can be determined more reliably.
測定対象となる容器が常に同じであれば、上記周波数は、一度最適値に設定してしまえば超音波トランスジューサの経時劣化等に伴う微調整を除けば、以降は同じ周波数での測定を継続すればよい。しかし、1つの検出装置で、容器壁部の材質や厚みの異なる任意の容器での測定に対応できるようにするためには、測定用超音波ビームの周波数を可変に構成し、測定対象容器が変更されるたびに、個々の容器に最適に周波数に調整しつつ用いることが必要である。すなわち、測定用超音波ビームの周波数は、測定対象となる容器に応じて可変設定可能としておくことが望ましい。 If the container to be measured is always the same, once the above frequency is set to the optimum value, measurement at the same frequency can be continued thereafter, except for fine adjustment associated with deterioration of the ultrasonic transducer over time. That's fine. However, in order to be able to cope with the measurement in any container with different material and thickness of the container wall with one detection device, the frequency of the ultrasonic beam for measurement is configured to be variable, and the container to be measured is Each time it is changed, it is necessary to use it while adjusting the frequency optimally for each individual container. That is, it is desirable that the frequency of the ultrasonic beam for measurement can be variably set according to the container to be measured.
本発明の液体検知装置により、該容器内の液体深さ方向において互いに異なる測定実施位置にて残響情報を検出すれば、個々の測定実施位置における残響情報の検出結果に基づいて、容器内の液面位置を反映した液面位置反映情報を出力することができる。この場合、容器壁部に対する音響励振手段及び残響検出手段の取り付け位置を容器深さ方向に順次変えながら測定を行ない、その検出状態が液有り状態(ないし液無し状態)から液無し状態(ないし液有り状態)に変化する位置を読み取ることで、液面位置を知ることができる。例えば、容器側壁部に対し複数の音響励振手段及び残響検出手段を容器深さ方向に所定の間隔で複数組取り付け、どの位置の残響検出手段までが液有り状態となっているかに応じて液面位置を知ることも可能である。 If reverberation information is detected at different measurement execution positions in the liquid depth direction in the container by the liquid detection device of the present invention, the liquid in the container is based on the detection results of the reverberation information at the individual measurement execution positions. Liquid surface position reflection information reflecting the surface position can be output. In this case, measurement is performed while sequentially changing the mounting positions of the acoustic excitation means and the reverberation detection means to the container wall in the container depth direction, and the detection state is changed from the liquid state (or no liquid state) to the liquid state (or liquid). The position of the liquid level can be known by reading the position that changes to the presence state. For example, a plurality of sets of acoustic excitation means and reverberation detection means are attached to the container side wall at a predetermined interval in the container depth direction, and the liquid level depends on which position of the reverberation detection means is in a liquid presence state. It is also possible to know the position.
本発明に係る液体検知装置の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1は、測定対象となる容器の一例を示すものであり、LPG又はLNGの金属タンク190として構成されている。金属タンク190は鋼鉄製であり、円筒状の側壁部200の上下に、底面部202及び天面部203をそれぞれ溶接部201により接合した構造を有する。側壁部200の壁厚はほぼ一様であるが、溶接部201の位置では溶接ビードの形成により局所的に厚みが増した形となっている。底面部202及び天面部203は、側壁部200と同一材質及び厚みの鋼板をカップ状にプレス成形したものであり、いずれも外周縁部が側壁部200との溶接部201に向けて滑らかにつながる湾曲面形態とされている。また、天面部203の上部中央には圧力制御弁が組み込まれたガス取出部203Vが形成されている。該金属タンク190に上記LPGないしLNGからなる液体Lが収容され、被測定系を構成する。
An embodiment of a liquid detection device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a container to be measured, and is configured as an LPG or
そして、液体検知装置1は、上記の金属タンク190内の液体Lの存在状態、具体的には液面LVの位置を、タンク外から測定できるように構成されている。液体検知装置1は、具体的には、該容器190の側壁部200の外面に対し、液深さ方向の任意位置に押し当て可能な(つまり、ユーザーの欲する任意の測定実施位置に取り付け可能な)超音波トランスジューサ2を有している。該超音波トランスジューサ2は、容器190の側壁面200を介して被測定系(液体Lを収容した金属タンク190)を音響励振する音響励振手段と、該音響励振手段による被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段とを兼ねる。具体的には、超音波トランスジューサ2は、被測定系を励振する励振用測定プローブとして所定の周波数の測定用超音波ビームSWを金属側壁部200の厚さ方向に出力する超音波出力部の機能と、その測定用超音波ビームSWの出力を遮断したときの被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部の機能とを合わせ有するものである。
And the
図2は、液体検知装置1の構成例を、その電気的構成とともに示す概念図である。該液体検知装置1は、ユーザーが手で保持可能な樹脂等で構成された筐体3を有し、その先端面に超音波トランスジューサ2がはめ込まれている。超音波放出面となる超音波トランスジューサ2の前端面は、筐体3の前端に形成された開口内に位置し、その表面に密着する形で音響インピーダンス整合層2Pが取り付けられている。音響インピーダンス整合層2Pは、超音波トランスジューサ2(圧電セラミック)と容器側壁部200(鋼鉄)との中間(望ましくは両者の幾何学平均値)の音響インピーダンスを有するとともに、容器側壁部200に押し付けられたときに追従変形してその外面に密着できる柔軟弾性材料(例えば、シリコーン樹脂)にて構成されている。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration example of the
超音波トランスジューサ2は、駆動回路101からの駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、残響超音波の受信により電気信号(受信信号)を信号処理回路103に出力する超音波受信機能とを複合して備える。具体的には、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板21と、該圧電セラミック振動板21の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板21を挟んで対向形成された電極対1e,1eとを備える。この電極対1e,1eは、超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック振動板21を超音波振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極となり、残響超音波の受信時には圧電セラミック振動板21の振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。これら電極対1e,1eと、駆動回路101及び信号処理回路103との接続切替は切替スイッチ101sにより行なわれる。
The
駆動回路101は、出力周波数が可変に構成された発振回路(ここでは、VCO(Voltage Controlled Oscillator)101bと、その発振回路101bの出力を増幅して圧電セラミック振動板21へ駆動信号として出力する主回路(アンプ)101aとを有する。発振回路101bの出力周波数は、周波数設定部102から入力される周波数指示電圧に応じて変更される。
The
図18は、駆動回路101の構成例を示すものであり、マイコン100によってデジタル情報として与えられる周波数指示電圧値がD/A出力ポートからアナログ指示電圧としてVCO10bの指示電圧入力端子SCKに入力される。VCO10bは出力端子OUから、当該指示電圧に一義的に対応した周波数の方形波パルス信号からなる基本信号(A)を出力する。一方、マイコン100からは、バースト波の駆動持続時間を規定する駆動時間パルス信号(B)が出力され、上記基本信号(A)とともに主回路101aに入力される。主回路101aでは、上記2つの出力(A,B)が変調制御用ゲートIC51に入力され、駆動時間パルス信号を上記基本信号で変調したバースト駆動信号が生成される。バースト駆動信号は、バッファ回路(シンク電流確保のため、並列接続された複数のバッファIC(ここでは、論理積ゲートで代用している)で構成している:出力側にはプルダウン抵抗R51が挿入されている)IC52,IC53を介して、信号Cとして駆動トランジスタTr51の制御端子(ここでは、パワーMOSFETのゲート端子)に入力される。
FIG. 18 shows a configuration example of the
次に、主回路101aは、一端が駆動電源(VB)に接続さるとともに、他端がプルダウン抵抗R52を介して接地された駆動コイルL51を有する。そして、それら駆動コイルL51とプルダウン抵抗R52との接続点からは、超音波トランスジューサ2の駆動ラインが分岐しており、該ライン上には調整抵抗R53と、並列の双方向ダイオード対D51,D52からなるインピーダンス変換用のブートストラップ回路51が設けられている。そして、上記接続点から別に分岐する駆動制御ライン上に上記の駆動トランジスタTr51が設けられている。バースト駆動信号(C)がLレベルのとき、駆動トランジスタTr51は遮断状態となり、駆動コイルL51には電磁エネルギーが蓄積される。そして、バースト駆動信号(C)がHレベルに変化すると駆動トランジスタTr51は導通状態となり、駆動コイルL51に蓄積された電磁エネルギーが誘導電流となって放出され、駆動ラインを介して超音波トランスジューサ2に供給される。
Next, the
図3は信号処理回路103の構成例を示すもので、圧電セラミック振動板21からの減衰振動波形を増幅するアンプ103a、増幅された減衰振動波形を包絡線検波する検波回路103b、その検波出力を積分する積分回路103c、該積分回路からの出力を閾値Vthと比較して液有無に関する判定信号を出力する判定回路103dとを有する。検波回路103bは種々の構成が可能であるが、本実施形態では、入力側にて不要なバイアス直流成分(例えば、アンプ103を単極性増幅とする場合に、アンプ入力信号に作為的に重畳される増幅用バイアス電流である)を除去するバイアスカットコンデンサC1と、そのバイアスカット後の交流入力波形を半波整流する整流用ダイオードD1と、半波整流後の波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部とを有している。リップル除去部は、抵抗R1とコンデンサC2とで構成された簡易ローパスフィルタ回路であり、リップルを十分除去しつつも半波整流波形のピーク点を包絡線結合した減衰波形は損なわれないように時定数が設定される。
FIG. 3 shows an example of the configuration of the
また、積分回路103cは、抵抗R2とコンデンサC3とで構成されているが、コンデンサC3の容量は、規定のタイミングtmまでの減衰波形入力に伴い、判定に支障のない程度まで出力電圧が上昇する程度に上記のリップル除去部よりも大きく設定されている。判定回路は、この積分出力電圧を、閾電圧Vth(抵抗ハーフブリッジ(R3,R4)による電源電圧Vccの抵抗分圧電圧として与えられている)と比較して、その比較結果を二値出力するコンパレータIC1にて構成されている。そして、図4に示すように、コンパレータIC1の出力レベルにより液有りと液無しとが判別可能となる。この実施形態では、積分出力電圧が閾電圧Vthよりも大きい場合にはコンパレータIC1の出力が液無しを示すHレベルとなり、逆の場合に液有りを示すLレベルとなる。
The integrating
図2に戻り、上記の駆動回路101、切替スイッチ101s、周波数設定部102、信号処理回路103は、これらの動作シーケンス制御を司るマイコン100に接続されている。また、該マイコン100には入力部105と表示部104も接続されている。入力部105は押しボタンスイッチやキーボードなどで構成され、液体検知の開始トリガー操作や、周波数設定処理に使用される。また、表示部104は液体有無の検出判定結果を出力するものであり、例えばLED点灯部として構成されている。図1に示すごとく、本実施形態では、液無しの場合に点灯する第一LED104a(例えば、赤色)と、液有りの場合に点灯する第二LED104b(例えば、緑色)とで構成されているが、これを1つのLEDの点灯状態で識別させることも可能である(例えば、液有り=連続点灯、液無し=点滅点灯)。また、測定モード表示(例えは、液検出モードと周波数設定処理モード)や操作誘導情報の出力等も可能とするために、表示部104を液晶ディスプレイ等の表示パネルにて構成することも可能である。
Returning to FIG. 2, the
以下、液体検知装置1の動作について説明する。図1に示すように、まず、超音波トランスジューサ2上の音響インピーダンス整合層2Pの表面(以下、検知面という)を、容器190上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置PR(ここでは容器頂面部203の上面に設定されている)に押し付けて周波数設定を行なう。この設定時の動作の詳細は液体有無検知処理と関連が深いので後述する。
Hereinafter, the operation of the
周波数設定が完了すれば、容器190の側壁部200の外面に対し、所望の測定実施位置に検知面を押し当て、図2の入力部105から測定開始入力を行なう(例えば、入力部105に含まれる「測定」ボタンを押すなど)。すると、マイコン100は測定駆動プログラムを起動し、測定処理を開始する。図5は、その処理の流れを示すフローチャートである。まず、S1にて、超音波トランスジューサ2を駆動回路104に接続する駆動接続状態に切替スイッチ101Sが切り替わり、駆動回路104は設定された周波数にて駆動交流電圧を超音波トランスジューサ2に印加する。これにより、超音波トランスジューサ2から測定用超音波ビームSWが上記の測定実施位置にて側壁部200に向け出力され、これを音響励振する。
When the frequency setting is completed, the detection surface is pressed against a desired measurement execution position against the outer surface of the
図7Aに示すように、この駆動交流電圧の印加はパルス状のバースト駆動入力波形にて行なわれ、例えば10〜50μs程度に定められた印加パルス期間tnが完了すれば強制的に遮断される。そして、その遮断とともに切替スイッチ101Sは、超音波トランスジューサ2を信号処理回路103に接続する信号検出接続状態に切り替わり、励振遮断後の容器190からの残響振動を超音波トランスジューサ2により検出する。実際には、切替スイッチ101Sの切替動作に要する期間等を勘案し、励振遮断後一定の遅延時間Δt経過してから残響振動の検出が開始される。
As shown in FIG. 7A, the drive AC voltage is applied with a pulsed burst drive input waveform, and is forcibly cut off when the applied pulse period tn set to about 10 to 50 μs is completed. At the same time, the
図6は、その残響振動の検出波形の一例を示すもので、液体Lの非存在部(液無し部)では容器190側壁部200の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。側壁部200に入力された測定用超音波ビームは、壁部内面にてほぼ全反射して金属製の側壁部200内に戻り、側壁部200の材質及び厚さにて決まる固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。その結果、図6の上に示すように、残響の尾引きが非常に長くなる。しかし、液体Lの存在部(液有り部)では、側壁部200の内側に液体Lが存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、側壁部200を透過して内部摩擦の大きい液体L内に漏れこむ音波比率が増加するので振動減衰は著しくなる。
FIG. 6 shows an example of a detection waveform of the reverberation vibration. In the non-existing portion (liquid-free portion) of the liquid L, the inner side of the
そこで、液有り部と液無し部との間で、図6のごとく生ずる波形の差を識別するのに好都合な数値パラメータを上記減衰残響振動波形から抽出し、パラメータ値を閾値と比較することで、液体Lの有無に係る判定を容易に実行できる。例えば、図7A及び図7Bに示すように、測定用超音波ビームSWの入力を遮断後に予め定められ時間tsを経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映したパラメータを減衰レベル情報として取得し、図7Aのごとく当該パラメータに反映された減衰レベルが予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく図7Bに示すように閾値未満の場合に液体有り、と判定することができる。 Therefore, by extracting from the damped reverberation vibration waveform a numerical parameter convenient for discriminating the difference in waveform generated as shown in FIG. 6 between the portion with liquid and the portion without liquid, and comparing the parameter value with a threshold value. The determination relating to the presence or absence of the liquid L can be easily executed. For example, as shown in FIGS. 7A and 7B, a parameter reflecting the attenuation level of the damped reverberation when a predetermined time ts has elapsed after the input of the measurement ultrasonic beam SW is cut off is used as the attenuation level information. As shown in FIG. 7A, it can be determined that there is no liquid when the attenuation level reflected in the parameter exceeds a predetermined threshold, and there is liquid when the attenuation level is less than the threshold as shown in FIG. 7B.
図2の信号処理回路では、図8に示すごとく、減衰振動波形をアンプ103aにて増幅し(ステップ1)、検波回路103bにより半波整流し(ステップ2)、さらにその半波整流波形を包絡線検波し(ステップ3)、その包絡線検波波形を積分回路103cにより、図7A及び図7Bの期間tsに渡って積分演算する(ステップ4)。そして、図9に示すように、その期間tsが終了するタイミング(遮断後Δtを経過したタイミングを時間起点としてtsだけ計測するようにしてもよいし、バースト駆動開始時のタイミングを時間起点として、図7Aのtn+Δt+tsに相当するtmだけ時間計測するようにしてもよい)にて、その積分出力電圧を閾電圧Vthと比較するコンパレータIC1の出力(液面判定信号)を読み取る(図5:S3)。液有り部では波形減衰が速いので積分出力の増加が鈍くなり、逆に液無し部では波形減衰が遅いので積分出力は素早く増加する。従って、上記時刻での積分出力をサンプリングしたとき、図4に示すように、該液面判定信号がHレベルであれば液無し出力となり(図5:S4→S5)、Lレベルであれば液有り出力となる(図5:S4→S6)。
In the signal processing circuit of FIG. 2, as shown in FIG. 8, the damped oscillation waveform is amplified by the amplifier 103a (step 1), half-wave rectified by the
表示部104は、液面判定信号を受けて対応する表示状態となる。例えば、図1に示すように、Hレベルであれば液無しを示す第一LED104a(例えば、赤色)が点灯し、Lレベルであれば液有りを示す第二LED104b(例えば、緑色)が点灯する。これにより、装置1の検知面を押し当てた位置、すなわち測定実施位置に液体が存在しているか否かがわかる。そこで、側壁部200上にて測定実施位置を上側から下方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部104が液無しを示す表示状態から液有りを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。また、逆に、測定実施位置を下側から上方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部104が液有りを示す表示状態から液無しを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。
The
なお、図9に示すように、上記積分出力(減衰残響振動の減衰レベル)が予め定められた参照レベルVRに到達するまでの減衰時間tdをマイコン100にて計測し、当該減衰時間tdが予め定められた閾値を超える場合に液体有り、同じく閾値未満となる場合に液体無しと判定するように処理を行なうこともできる。
As shown in FIG. 9, the
前述の周波数設定処理については、図1のように、容器頂面部203など、液体無しとなることが予め知れている測定実施位置PRに検知面を押し当て、周波数設定処理モードにて液体検知装置1を動作させる。図3において液体検知装置1は、低周波数側もしくは高周波数側から周波数を段階的にスイープしながら駆動交流電圧をバースト出力し、その遮断後にて時間tsだけ経過したときの前述の積分出力値を、A/D変換器IC2を介して直接モニタリングする。そして、その積分出力値が最大となる周波数(つまり、図7Aに示すように、減衰の尾引きが最も大きくなる周波数)を読み取って、測定用周波数として設定する。
As for the frequency setting process described above, as shown in FIG. 1, the liquid detection device is pressed in the frequency setting process mode by pressing the detection surface against a measurement execution position PR that is known to be free of liquid, such as the container
なお、包絡線検波波形の積分値を用いることで、突発的なノイズ等により元の減衰振動波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。しかし、減衰振動波形の乱れの影響がそれほど大きくない場合には、半波整流した減衰振動波形を包絡線検波せずに波形積分するように構成してもよい。この場合の信号処理回路103は、図10に示すごとく、検波回路103bの包絡線検波部を省略し、半波整流部103b’のみを残した構成とすればよい。
By using the integral value of the envelope detection waveform, it is possible to keep the determination error low even when the original damped vibration waveform is disturbed by sudden noise or the like. However, if the influence of the disturbance of the damped vibration waveform is not so great, the half-wave rectified damped vibration waveform may be integrated without performing envelope detection. As shown in FIG. 10, the
次に、図11は、図3をさらに発展させた信号処理回路103の例を示すものである。波形増幅部を構成するアンプ103aは、超音波トランスジューサ2からの減衰振動波形がベース入力される増幅用トランジスタTr101を有する。そのコレクタ及びエミッタにはゲイン決定用抵抗R101,R103が挿入されている。また、エミッタ側には、コレクタ側の増幅出力を測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部が組み込まれている。波形同調部は、この実施形態では、励振周波数近傍で低インピーダンス化するRC直列回路(コンデンサC101と抵抗R102)をエミッタと並列に挿入する形で設けている。
Next, FIG. 11 shows an example of a
次に、検波回路103eは次のように構成されている。まず、アンプ103aからの増幅出力は、半波整流部を兼ねた検波用トランジスタTr202のベースに入力される。検波出力は検波用トランジスタTr202のエミッタ側にて取り出され、その出力系路上には、波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去する直流カットコンデンサ(バイアス直流成分除去部)C202が挿入されている。そして、そのエミッタ接地経路上には、波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部が、互いに並列接続された抵抗R206とコンデンサC203とからなるRCローパスフィルタの形で挿入されている。
Next, the
また、アンプ103aからの増幅出力は、半波整流部を兼ねた積分用トランジスタTr201のベースに分岐入力される。該積分用トランジスタTr201はプルダウン抵抗R203,R204によりエミッタフォロワ回路を構成し、積分時定数を決定するための抵抗R201及びコンデンサC201とともに増幅出力積分部を構成するとともに、その積分演算出力がエミッタ側から取り出される。
The amplified output from the
上記の包絡線検波波形出力と、増幅出力の積分演算出力とは積分比較演算部をなすコンパレータIC201に入力される。該コンパレータIC201は、積分出力と包絡線検波出力との比較結果を二値出力する。なお、減衰残響振動波形は直流カットコンデンサC202により接地レベルを基準として振幅中心電圧が定められるが、これをもとに形成される包絡線検波出力電圧に対しR203,R204の分圧比で定まる積分演算出力の分圧電圧を、調整用抵抗R206を介してバイアス電圧として重畳させることにより、上記包絡線検波出力を任意のベース電圧レベルにシフトさせることができるようになっている(この実施形態では、抵抗R204がベース電圧レベル設定用の可変抵抗とされている)。つまり、包絡線検波出力に対する上記積分出力の相対的な切り出し閾値を可変に設定することができる。
The envelope detection waveform output described above and the integral calculation output of the amplified output are input to the
コンパレータIC201の二値出力は下段の積分回路103fに出力されるが、コンパレータIC201の出力側には、信号電源ラインVccとの間に挿入されたプルアップ抵抗R209と、出力制御用コンパレータIC202が接続されている。出力制御用コンパレータIC202は、マスク信号発生回路103gからのマスク信号を基準電圧(信号電源Vccを抵抗ハーフブリッジR207,R208により分圧することにより作られる)と比較するものである。そして、マスク信号電圧レベルと基準電圧との大小関係が出力マスク側に有効化される条件を充足すると、出力制御用コンパレータIC202の出力はL(接地)レベルとなり、検波回路103eのコンパレータIC201の出力が出力制御用コンパレータIC202側に引き込む形で接地側にバイパスされる。これにより、コンパレータIC201の積分回路103f側への出力は遮断される。他方、マスク信号電圧レベルと基準電圧との大小関係が出力許容側に有効化される条件を充足すると、出力制御用コンパレータIC202の出力はH(接地)レベルとなる。これにより、検波回路103eのコンパレータIC201の出力がプルアップされ、その二値出力(減衰反映信号)が積分回路103f側へ出力される。
The binary output of the comparator IC201 is output to the lower integration circuit 103f. On the output side of the comparator IC201, a pull-up resistor R209 inserted between the signal power supply line Vcc and an output control comparator IC202 are connected. Has been. The output control comparator IC202 compares the mask signal from the mask
マスク信号は、超音波トランスジューサ2の駆動遮断後における前述の一定期間tsだけ検波回路103eの出力を取り出し、他の期間の信号を液有無判定に考慮されないようにマスクするためのものである。この実施形態では、このマスク信号は、コンパレータIC202に二値のレベル信号として入力することができ、この場合は、例えば図2のマイコン100のポートから出力するように構成すればよい。しかし、本実施形態では、マスク信号発生回路103gは、マイコン100のポートを節約するために、マイコン100に対する外付け回路にてマスク信号発生回路103gを構成している。
The mask signal is for taking out the output of the
具体的には、該マスク信号発生回路103gは、超音波トランスジューサ2の駆動/遮断を指令する駆動/遮断指令信号を流用してマスク信号を発生するように構成されている。すなわち、規定する駆動/遮断信号にて超音波トランスジューサ2の駆動遮断タイミングを規定するレベルエッジを図示しない単安定回路(図示せず)に入力し、その単安定回路からのパルスを抵抗ハーフブリッジR401,R402を介してコレクタフォロワ回路をなすマスク信号発生トランジスタTr401のベースに入力する(ここでは、遮断後直ちにパルスを発生させるようにしているが、前述の遅延時間Δtだけ遅延させてパルスを発生させるように構成することもできる)。
Specifically, the mask
マスク信号発生トランジスタTr401のコレクタ側は信号電源Vccにプルアップ抵抗403を介して接続され、接地されるエミッタとの間に信号レベル保持用のコンデンサC401が挿入されている。マスク信号発生トランジスタTr401は単安定回路からのパルス入力期間だけ導通するが、マスク信号となるそのコレクタ出力は、コンデンサC401の放電時定数で定まる上記パルス長よりも長い所定期間(前述の時間tsとなるように調整される)だけ、マスク信号レベルを閾値未満、すなわち、非マスクとなる条件を充足するように保持される。 The collector side of the mask signal generating transistor Tr401 is connected to the signal power source Vcc via a pull-up resistor 403, and a signal level holding capacitor C401 is inserted between the emitter and the grounded emitter. The mask signal generation transistor Tr401 is turned on only during the pulse input period from the monostable circuit, but its collector output as a mask signal has a predetermined period longer than the pulse length determined by the discharge time constant of the capacitor C401 (the time ts described above). The mask signal level is kept below the threshold value, that is, the condition for non-masking is satisfied.
積分回路103fは、次のように構成されている。検波回路103eのコンパレータIC201の出力は、エミッタフォロワ回路を構成する積分制御トランジスタTr301のベースに入力される。積分制御トランジスタTr301のエミッタには、コンデンサC301と抵抗R302からなる増幅出力積分部が接続される。なお、コンデンサC301と並列接続されるR302は、積分出力遮断時にコンデンサC301を所定の時定数で放電させる放電用抵抗である。積分制御トランジスタTr301はコンパレータIC201の出力がHレベルのとき導通し、同じくLレベルのとき遮断される。その結果、上記の増幅出力積分部は、コンパレータIC201の出力がHレベルの期間のみ積分制御トランジスタTr301のエミッタ側出力電圧を積分する形となる。この積分出力が、判定回路をなす液有無判定用コンパレータIC301に入力され、閾電圧(抵抗ハーフブリッジ(R303,R304)による電源電圧Vccの抵抗分圧電圧として与えられている)と比較され、その比較結果が液有無判定信号としてコンパレータIC301から二値出力される。
The integrating circuit 103f is configured as follows. The output of the comparator IC201 of the
図12及び図13を用いて、図11の信号処理回路103の動作を説明する。図12に示すように、マイコン100からの駆動/遮断指令信号により、超音波トランスジューサは一定期間強制的にバースト駆動され、その後、その駆動が遮断される。そして、その遮断後、一定期間tsだけ、前述のマスク信号発生回路103gからのマスク信号(図11:C)の出力がLレベル、すなわち、非マスク状態となる。
The operation of the
図11にAにて示す包絡線検波出力は、Bに示す積分演算出力とコンパレータIC201にて比較される。図13の上に示すように、液なし状態では包絡線検波出力Aはゆっくりとしか減衰せず、液あり状態では逆に速やかに減衰する。他方、前述の増幅出力積分部の積分時定数は、積分演算出力Bの液なし状態と液あり状態との間での電圧の時間増加率の差が包絡線検波出力Aの減衰率の差よりも十分小さくなるように設定されている。その結果、図13の中段に示すように、コンパレータIC201に入力される包絡線検波出力と積分演算出力との大小関係が反転するまでの時間(つまり、コンパレータIC201が出力反転するまでの時間)には、液なし状態と液あり状態とで大きな差を生ずる。 The envelope detection output indicated by A in FIG. 11 is compared with the integral calculation output indicated by B by the comparator IC201. As shown in the upper part of FIG. 13, the envelope detection output A is attenuated only slowly in the absence of liquid and is rapidly attenuated conversely in the presence of liquid. On the other hand, the integration time constant of the amplification output integration unit described above is that the difference in the time increase rate of the voltage between the liquid absence state and the liquid presence state of the integral calculation output B is based on the difference in the attenuation rate of the envelope detection output A. Is set to be sufficiently small. As a result, as shown in the middle part of FIG. 13, the time until the magnitude relationship between the envelope detection output input to the comparator IC201 and the integral calculation output is inverted (that is, the time until the output of the comparator IC201 is inverted). Produces a large difference between the absence of liquid and the presence of liquid.
上記の時間を直接計測することにより、液の有り無しを判定することももちろん可能であるが、上記図11の回路では、図13の下段に示すように、コンパレータIC201の二値出力(減衰反映信号)を上記期間tsだけ積分した値(図11E)を液有無判定に用いる。すなわち、積分回路103fにおいて、該積分値EはコンパレータIC301にて閾値Vthと比較される。このコンパレータIC301の出力は、図3の回路と全く同様にして液有無判定出力として使用される。 Of course, it is possible to determine the presence or absence of liquid by directly measuring the above time. However, in the circuit of FIG. 11, the binary output (attenuation reflection) of the comparator IC201 is shown in the lower part of FIG. A value obtained by integrating the signal) for the period ts (FIG. 11E) is used for liquid presence / absence determination. That is, in the integration circuit 103f, the integration value E is compared with the threshold value Vth by the comparator IC301. The output of the comparator IC301 is used as a liquid presence / absence determination output in the same manner as the circuit of FIG.
なお、図3及び図11の各回路にて使用される包絡線検波回路、半波整流回路あるいは積分回路は、上記開示されたものに限定されない。図14及び図15は、検波トランスTF501を用いた包絡線検波回路の例を示すものであり、コンデンサC501にて直流カットされた減衰振動波形信号は検波トランスTF501を介して、トランジスタTr501(図14)ないしダイオードD501(図15)にて半波整流され、その下段に挿入された並列RC部(R501,C502)にて包絡線検波される。検波トランスTF501は、入力信号に対するインピーダンス変換部を形成するとともに、二次側コイルがコンデンサC502と結合して同調部を形成する。また、図16に示す回路では、減衰振動波形信号がインピーダンス変換用のオペアンプIC601に入力され、その出力と負期間経路との間に挿入されたダイオードD601が半波整流部を形成する。また、積分回路は、図17に示すように、オペアンプIC701の負帰還部にコンデンサC701及び積分時定数決定用の抵抗R701を組み合わせたアクティブ型積分回路として構成することが可能である。 Note that the envelope detection circuit, the half-wave rectification circuit, or the integration circuit used in each circuit of FIGS. 3 and 11 is not limited to the one disclosed above. 14 and 15 show an example of an envelope detection circuit using a detection transformer TF501, and a damped oscillation waveform signal that has been DC-cut by a capacitor C501 is passed through a detection transformer TF501 to form a transistor Tr501 (FIG. 14). ) To half-wave rectified by the diode D501 (FIG. 15), and envelope detection is performed by the parallel RC section (R501, C502) inserted in the lower stage. The detection transformer TF501 forms an impedance conversion unit for an input signal, and a secondary coil is combined with a capacitor C502 to form a tuning unit. In the circuit shown in FIG. 16, the damped oscillation waveform signal is input to the operational amplifier IC 601 for impedance conversion, and the diode D601 inserted between the output and the negative period path forms a half-wave rectifier. Further, as shown in FIG. 17, the integrating circuit can be configured as an active integrating circuit in which a capacitor C701 and a resistor R701 for determining an integration time constant are combined with a negative feedback portion of an operational amplifier IC701.
1 液体検知装置
2 超音波トランスジューサ(音響励振手段、残響検出手段)
SW 測定用超音波ビーム
L 液体
100 マイコン(液体有無判定手段)
103 信号処理回路(液体有無判定手段)
103e 検波回路
104 表示部(液体存在状態情報出力手段)
190 容器
200 金属側壁部
1
Ultrasonic beam for SW
103 Signal processing circuit (liquid presence / absence judging means)
190
Claims (15)
前記測定実施位置に取り付けて使用され、前記測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動波形を検出する残響検出手段と、
前記減衰残響振動波形を積分する波形積分手段と、
該積分波形に反映される前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定する液体有無判定手段と、
該判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、
を備えたことを特徴とする液体検知装置。 A container containing a liquid is used as a system to be measured, which is attached to a measurement execution position determined on the outer surface of the wall of the container, and the measurement ultrasonic beam is input to the system to be measured for a predetermined time. Then, an ultrasonic output unit for blocking the input of the ultrasonic beam for measurement,
Reverberation detection means for detecting a damped reverberation vibration waveform after the input of the ultrasonic beam for measurement is used by being attached to the measurement execution position;
Waveform integrating means for integrating the attenuated reverberation vibration waveform;
A liquid presence / absence determining means for determining the presence / absence of the liquid at the measurement execution position in the container based on a difference in attenuation characteristics of the damped reverberation vibration reflected in the integrated waveform;
A liquid presence / absence determination result output means for outputting the determination result;
A liquid detection device comprising:
前記波形積分手段は、該包絡線検波後の波形を積分処理するものである請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液体検知装置。 Envelope detection means for detecting the attenuated reverberation vibration waveform with an envelope,
4. The liquid detection device according to claim 1, wherein the waveform integration unit integrates the waveform after the envelope detection. 5.
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