JP2008256451A - 超音波レベル計 - Google Patents

Abstract

【課題】容器の側部外壁面に取り付けられ、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播する微弱な超音波信号を検出し、この信号を検出した超音波トランスジューサの位置に基づいて液面レベルを直接検出する。
【解決手段】超音波レベル計は、容器３０の側部外壁３１に取り付けられ、容器内部に収容された液体の液面と平行な方向に超音波Ｗを伝播させると共に、反対側の側部内壁面からの反射波を受信する超音波トランスジューサ１０を備える。超音波レベル計は、超音波トランスジューサ１０を液面に対して垂直な方向に振動させ、振動により液面と平行な方向に超音波を送受信し、超音波トランスジューサ１０が受信する前記超音波の反射波の振幅レベルが最大値となるときの超音波トランスジューサ１０の位置に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波レベル計、より詳細には、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播する微弱な超音波信号を検出し、この信号を検出した超音波トランスジューサの位置に基づいて液面レベルを検出できる超音波レベル計に関する。

送受信兼用の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計は、超音波トランスジューサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。

このような超音波レベル計の場合、外部からの振動等により液界面が揺れ、収容された液体が泡立つことがあるが、この場合、超音波が高さの異なる液界面で反射してしまい、超音波の送信から受信までの時間を正確に計測できないという問題がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、液界面の揺れ、気泡の発生等に関係なく、液体残量を正確に測定できる界面検出装置が開示されている。これは、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間に基づいて、界面までの距離を検出する界面検出装置において、送信回数に応じて受信感度を変化させ、得られた受信信号のうち、最多頻度の受信信号の受信時間幅に基づいて、界面までの距離を決定するように構成されている。

なお、受信感度を変化させるとは、反射波に対する増幅の度合いを変化させることにより、反射波が閾値を越えるか否かで受信信号を選択する場合と、閾値を変化させることにより、反射波が閾値を超えるか否かで受信信号を選択する場合とを意味する。
特許第３７６０８３０号公報

従来技術においては、特許文献１に記載の液面検出装置のように、伝播時間計測を、送信回数制御と、増幅率、コンパレータ等の閾値を変化させながら、液面に対して超音波を送信し、液面からの反射波を受信することにより、液層と気層の境界となる液面レベルを検出する手法が一般的であった。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、容器の側部外壁面に取り付けられ、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播する微弱な超音波信号を検出し、この信号を検出した超音波トランスジューサの位置に基づいて液面レベルを直接検出できる超音波レベル計を提供すること、を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、容器の側部外壁面に取り付けられ、容器内部に収容された液体の液面と平行な方向に超音波を伝播させると共に、反対側の側部内壁面からの反射波を受信する超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計であって、超音波トランスジューサが受信する超音波の反射波に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面を検出する制御部を備えることを特徴としたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、超音波トランスジューサは、液面に対して垂直な方向に振動し、振動により液面と平行な方向に超音波を送受信することを特徴としたものである。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、超音波トランスジューサは、超音波トランスジューサと容器の側部外壁面とを音響結合させるための音響結合部を備え、音響結合部は、多価アルコールを主成分とし、比較的粘度の高い増粘材を添加したカプラントであることを特徴としたものである。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、制御部は、超音波トランスジューサが受信する超音波の反射波の振幅レベルが、所定の閾値と比較して、ＨｉｇｈからＬｏＷあるいはＬｏＷからＨｉｇｈへと論理値の状態が切り換わるときの超音波トランスジューサの位置に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面を検出することを特徴としたものである。

請求項５の発明は、請求項２の発明において、制御部は、超音波トランスジューサが受信する超音波の反射波の振幅レベルが最大値となるときの超音波トランスジューサの位置に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面を検出することを特徴としたものである。

請求項６の発明は、請求項２乃至５のいずれか１の発明において、制御部は、超音波トランスジューサによる計測結果に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播し受信される超音波の反射波よりも時間的に早く受信され且つ容器表面を伝播し受信される表面弾性波を、マスクして受信できなくすることを特徴としたものである。

請求項７の発明は、請求項２乃至５のいずれか１の発明において、制御部は、超音波トランスジューサによる計測結果に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播し受信される超音波の反射波よりも時間的に早く受信され且つ容器表面を伝搬し受信される表面弾性波を、識別して検出しないようにすることを特徴としたものである。

請求項８の発明は、請求項６又は７の発明において、制御部は、表面弾性波の伝搬時間を計測し、伝播時間に基づいて超音波トランスジューサの周囲温度を算出し、周囲温度に基づいて超音波の反射波の出現する時間を推定可能としたことを特徴としたものである。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、制御部は、表面弾性波を起点とし、表面弾性波より時間的に遅れてくる超音波の反射波が出現する範囲を検出範囲とし、検出範囲内に出現する信号の状態を判定することにより、容器内部の液層と気層の境界面を検出することを特徴としたものである。

請求項１０の発明は、請求項６乃至９のいずれか１の発明において、制御部は、表面弾性波の波形状態に基づいて、超音波トランスジューサの容器への密着状態の良否を判定することを特徴としたものである。

請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、制御部は、表面弾性波の波形状態を示す電圧データに対して、所定の電圧レベル以上の状態が所定時間以上継続するかどうかを判定することを特徴としたものである。

請求項１２の発明は、請求項１０の発明において、制御部は、表面弾性波の波形状態を示す電圧データを所定区間で時間積分した値が、所定値以上であるかどうかを判定することを特徴としたものである。

本発明によれば、容器の側部外壁面に取り付けられ、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播する微弱な超音波信号を検出し、この信号を検出した超音波トランスジューサの位置に基づいて液面レベルを直接検出できるため、簡単且つ正確に液残量（液面レベル）を検出することができる。

図１は、本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。図中、１０は超音波トランスジューサ、２０はコントローラ（制御部）、３０は液化ガスや灯油等を収容する貯槽又は容器（以下、容器で代表する）を示す。超音波レベル計は超音波トランスジューサ１０とコントローラ２０を備え、超音波トランスジューサ１０は、液面に対して垂直な方向に振動し、該振動により液面と平行な方向に超音波を送受信し、コントローラ２０は、超音波トランスジューサ１０が受信する超音波の反射波に基づいて容器内部の液層と気層の境界面を検出する。超音波トランスジューサ１０は、容器３０の側部外壁面に図示しないマグネット等により上下動可能に設置され、有線によりコントローラ２０に接続されている。

なお、超音波トランスジューサ１０とコントローラ２０との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者による故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。

上記のような構成において、例えば、液体の液面を検出しようとする際に、容器３０の外側から、その側部外壁面に向けて音響トランスジューサ１０を押し当てた状態で、上下に移動させながら、容器内部へ向けて超音波Ｗを送信すると、反対側の側部内壁面で反射して所定の時間内で再び戻ってくる。そして、超音波トランスジューサ１０が受信する超音波Ｗの反射波に基づいて液面レベルを検出する。

本発明においては、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播する超音波Ｗの反射波が特有の信号変化を示すことを利用する。この特有の信号変化を示す反射波（本明細書では揃断波（境界面を伝播する横波）といい、以下単に揃断波という）による超音波信号を検出することで、容器内部の液層と気層の境界面を判定し、このときの超音波トランスジューサ１０の位置に基づいて、液面の境界である液面位置を直接検出することができる。

図２は、本発明の超音波レベル計を構成するコントローラ２０の回路構成例を示すブロック図である。コントローラ２０は、ＡＭＰ（増幅回路）２１，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）２２，Ａ／Ｄコンバータ２３ａ，ＣＰＵ２４，ＬＣＤ（表示部）２５，ＲＡＭ２６ａ，ＲＯＭ２６ｂ，Ｄ／Ａコンバータ２３ｂ，ＶＣＯ（発振回路）２７，ゲート素子２８，ＤＲＶ（駆動回路）２９を備える。コントローラ２０と超音波トランスジューサ１０は有線または無線で接続されているものとする。

まず、超音波の送信時において、Ｄ／Ａコンバータ２３ｂは、ＣＰＵ２４からの入力データを電圧データに変換してＶＣＯ２７に入力する。ＶＣＯ２７は、Ｄ／Ａコンバータ２３ｂからの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子２８に入力する。ゲート素子２８は、ＣＰＵ２４からのパルス出力に基づいてＶＣＯ２７からの発振波をＤＲＶ２９に出力する。ＤＲＶ２９は、ゲート素子２８からの出力を高電位振幅に変換して超音波トランスジューサ１０を駆動する駆動信号を出力する。超音波トランスジューサ１０は、ＤＲＶ２９からの駆動信号の入力に基づいて、上記発振周波数で超音波を送信する。

また、超音波の受信時において、超音波トランスジューサ１０は、容器内部の液面と平行な方向へ向けて超音波を送信すると、反対側の側部内壁面で反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号をＡＭＰ２１に入力する。ＡＭＰ２１は、ＣＰＵ２４から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ２２は、ＡＭＰ２１からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。Ａ／Ｄコンバータ２３ａは、ＥＮＶＤＥＴ２２からのエンベロープ波形をデジタル変換してＣＰＵ２４に入力する。ＣＰＵ２４は、本発明の液面レベル計による液面レベル検出処理（後述）を実行する。

図３は、本発明の液面レベル計を構成する超音波トランスジューサ１０の設置状態を説明するための図である。図中、３１は容器３０の側部外壁、３２は気層、３３は液層、３４は気層３２と液層３３の境界面を示す。なお、液層３３の液体としては、比較的粘性の高いものが望ましく、例えば、汚泥、オイル、油などを好適に用いることができる。

前述の図１で説明したように、液体の液面を検出しようとする際、容器３０の外側から、その側部外壁３１に向けて超音波トランスジューサ１０を押し当てた状態で、上下に移動させながら、容器内部へ向けて超音波Ｗを送信すると、反対側の側部内壁で反射して所定の時間内で再び戻ってくる。そして、超音波トランスジューサ１０が受信する超音波Ｗの反射波に基づいて液面レベルを検出する。

図３に示すように、容器内部の液層３３と気層３２の境界面近傍を伝播する超音波Ｗの反射波は横波の揃断波となり、一方、液層３３の中を伝播する超音波Ｗの反射波はわずかな縦波のみとなる。そこで、上記揃断波による横波の超音波信号を検出することで、容器内部の液層３３と気層３２の境界面３４を判定し、このときの超音波トランスジューサ１０の位置に基づいて、液面の境界である液面位置を直接検出することができる。

例えば、後述の図８に示すように、境界面近傍を伝播する揃断波よりも時間的に早く受信され且つ容器表面を伝播する表面弾性波は不要な信号であるため、この不要な信号（波形Ｗ１）を除いたマスク時間ｔｍ以降に出現する波形Ｗ２を境界面近傍の揃断波信号として検出し、さらに、後述の図７に示すように、波形Ｗ２のピークレベルを検出することで、液面の高さ（レベル）を検出できる。

このように、容器の側部外壁面に取り付けられ、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播する微弱な超音波信号（揃断波）を検出し、この信号を検出した超音波トランスジューサの位置に基づいて液面レベルを直接検出できるため、簡単且つ正確に液残量（液面レベル）を検出することができる。

図４は、本発明の超音波レベル計を構成する超音波トランスジューサ１０の構成例を示す図である。図中、１１は音響整合部で、該音響整合部１１は、超音波トランスジューサ１０の放射面であり、揃断波を発生させる圧電素子を内蔵し、外部（コントローラ１０）より印加される電気信号により、超音波伝播方向と垂直な方向へと振動を発生する。音響整合部１１に内蔵される圧電素子は、超音波伝播方向（液面と平行な方向）と垂直な方向（図の上下方向）に振動する。

この機械振動による応力（揃断力）が、容器内部に収容された液体の、液層と気層の境界面３４へと上下振動する振動を伝播させ、この振動により、振動方向とは垂直な揃断波を伝播させる。さらに、超音波トランスジューサ１０から送信された揃断波は反対側の容器内壁面で反射して再び超音波トランスジューサ１０へ戻ってくる。超音波トランスジューサ１０で揃断波を受信することによって、液層と気層と境界を検出することができる。

このように、振動状態が超音波伝播方向と垂直関係となる超音波トランスジューサを用いて、効率良く揃断波を発生させられるので、容器内部の液層と気層の境界面に、微弱な揃断波信号を効率良く伝播させ、液体の有無を検出することができる。超音波トランスジューサが液面レベルに対応する位置で直接動作し、境界面を直接捉えることができるため、高精度に液残量（液面レベル）を計測することができる。

図５は、本発明の超音波レベル計を構成する超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。図中、１２は音響結合部で、該音響結合部１２は、超音波トランスジューサ１０と容器の側部外壁面とを音響結合させるための結合材であって、例えば、グリセリン，マンニトール，ソルビトールなどの多価アルコールを主成分とし、比較的粘度の高い増粘材を添加した液状カプラント（又は液状グリス）で構成される。

図５に示すように、超音波トランスジューサ１０の放射面であり、揃断波を発生させる圧電素子を内包した音響整合部１１の先端に、増粘材が添加された、比較的粘度の高い液状カプラント１２を設ける。この液状カプラント１２は超音波トランスジューサ１０の放射面もしくは容器との接合面（超音波トランスジューサ１０を密着固定する箇所）に充分に塗布され、超音波トランスジューサ１０を容器の外壁に押し当てたときに音響的に安定な状態で結合させる。これにより、液面検出に必要な揃断波を効率良く発生させ伝播させることができる。

このように、液状カプラントは比較的粘度が高い増粘材が含まれているため、超音波トランスジューサの振動方向における応力成分を効率良く伝達でき、微弱な揃断波の損失を低減することができる。この結果、検出時におけるＳ／Ｎ向上を図ることができると共に、安定した液面計測を実現することができる。

図６は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。本例の場合、コントローラ２０は、超音波トランスジューサ１０が受信する揃断波の振幅レベルが、所定の閾値と比較して、ＨｉｇｈからＬｏＷあるいはＬｏＷからＨｉｇｈへと論理値の状態が切り換わるときの超音波トランスジューサ１０の位置に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面を検出する。

すなわち、図６に示すように、容器内部の液層と気層の境界面及びその近傍を伝播する微弱な揃断波による振幅レベルと、気層（気体中）及び液層（液体中）での揃断波による振幅ゼロレベルとの、ほぼ中間値の振幅レベルを検出用閾値として、予め計測して求めておく。そして、この閾値に対して、受信信号の状態変化がＨｉｇｈからＬｏｗへ、あるいは、ＬｏｗからＨｉｇｈへ切り換わる際の論理値判定を行う。

例えば、容器の最下面位置から、超音波トランスジューサ１０を移動させ、受信信号が順に、Ｌｏｗ（液層中），Ｈｉｇｈ（境界面近傍），Ｌｏｗ（気層中）へ状態変化した場合、最初に受信信号が、ＬｏｗからＨｉｇｈへと切り換わる境界での液面高さを“ｈａ”とし、次に受信信号がＨｉｇｈからＬｏｗへと切り換わる境界での液面高さを“ｈｂ”とした場合、液層と気層との境界面、すなわち液面レベルを“ｈｘ”とすると、液面レベルｈｘは、下記の式（１）から算出される。
ｈｘ≒（ｈａ＋２・ｈｂ）／３ …式（１）

このように、液層と気層の境界面及びその近傍を伝播する微弱な揃断波による振幅レベルと、気層（気体中）及び液層（液体中）での揃断波による振幅ゼロレベルとの、ほぼ中間値の振幅レベルを閾値とし、この閾値に対して、受信信号の状態変化がＨｉｇｈからＬｏｗへ、あるいは、ＬｏｗからＨｉｇｈへ切り換わる時の論理値に基づいて、超音波トランスジューサの取り付け固定位置を液面レベルとして簡単に、しかも短時間に算出することが可能となる。

図７は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例の場合、コントローラ２０は、超音波トランスジューサ１０が受信する揃断波の振幅レベルが最大値となるときの超音波トランスジューサ１０の位置に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面を検出する。

すなわち、図７に示すように、容器内部の液層と気層との境界面を伝播する微弱な揃断波の振幅レベルと、液面境界近傍の揃断波による振幅レベルと、気層及び液層での揃断波の振幅がゼロレベルとなる超音波トランスジューサ１０の各移動位置により変化する揃断波の振幅レベルとに基づいて液面レベルを検出する。具体的には、揃断波の振幅レベルが最大値となるピーク値Ｖ_Ｍａｘのみを検出する。

粘性のある液体中で、液層と気層との境界近傍を伝播する微弱な揃断波の振幅レベルにおいて、液面境界の揃断波による振幅レベルは、液層と気層との境界に超音波トランスジューサ１０の放射面の中央部が位置した時に最大となり、その振幅レベルをＶ_ＭＡＸとし、これに対応した液面レベルをｈ_Ｍとする。

すなわち、超音波トランスジューサ１０の放射面が、液層（液体中）及び気層（気体中）に位置した時が揃断波による振幅レベルが最小値となり、この時の揃断波による振幅レベル（ゼロレベル）であるＶ_ＭＩＮに対応した液面レベルをｈ_Ｌとする。例えば、超音波トランスジューサ１０を、信号レベルがＬｏｗとなる液層（液体中）の下から上に向けて移動させ、次に液層と気層の近傍となる境界面に近づくにつれ、その時の揃断波による振幅レベルが徐々に大きくなり、やがてはピークレベルの境界面へと近づき、その後は気層（気体中）で再び信号レベルが最小値となる。この間での超音波トランスジューサ１０の移動に伴う信号振幅のレベルが最大値となるピーク値Ｖ_Ｍａｘを示す液面レベルｈ_Ｍを液面の高さとして検出する。

このように、容器内部の液層と気層の境界面を伝播する微弱な揃断波の振幅レベルと、液面境界近傍の揃断波による振幅レベルと、気層及び液層での揃断波の振幅がゼロレベルとなる超音波トランスジューサの各移動位置により変化する揃断波の振幅レベルとに基づいて液面レベルを検出でき、しかも振幅レベルが最大値となるピーク値のみを検出するだけでよいため、簡単且つ高精度に液面レベルを計測することができる。

図８は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。図８（Ａ）は駆動信号の波形を示し、図８（Ｂ）は受信信号の波形を示す。本例の場合、コントローラ２０は、超音波トランスジューサ１０による計測結果に基づいて、容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播し受信される揃断波Ｗ２よりも時間的に早く受信され、容器表面を伝播し受信される表面弾性波Ｗ１を、ハードウェアによりマスクして受信できなくするか、あるいは、ソフトウェアにより識別して検出しないようにする。

すなわち、図８に示すように、液面境界面を伝播し受信される揃断波Ｗ２よりも時間的に早い（手前の）信号であって、容器表面を伝播し受信される表面弾性波Ｗ１は、検出に不要となるノイズであるため、ハードウェアによるマスク時間ｔｍを設けて、この表面弾性波Ｗ１の信号を受信できなくするか、あるいは、ソフトウェアによりデジタル的に識別し、表面弾性波Ｗ１の信号を検出しないようにする。これにより、液面検出に必要となる揃断波Ｗ２の信号のみを検出し、液面の高さを算出することができる。

このように、液面の有無による液面境界を判定する信号（液層と気層との境界面を伝播する揃断波）より時間的に早く、容器表面を伝播する表面弾性波などの不要なノイズを、ハード的にマスクし、受信できなくさせるか、ソフト的に識別して認識しないようにすることで、検出時のＳ／Ｎ向上を図ると共に、安定した高精度な計測を実現できる。

図９は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。図９（Ａ）は駆動制御信号の波形を示し、図９（Ｂ）は駆動信号の波形を示し、図９（Ｃ）は受信信号の波形を示す。本例の場合、コントローラ２０は、表面弾性波Ｗ１の伝搬時間を計測し、伝播時間に基づいて超音波トランスジューサ１０の周囲温度を算出し、周囲温度に基づいて揃断波Ｗ２の出現する時間を推定可能とする。

すなわち、図９に示すように、液面判定には不要となる信号で、容器表面を伝播する表面弾性波Ｗ１の特定のゼロクロス信号（ゼロクロスポイントＰ）までの伝播時間ｔｓを計測することで、周囲温度Ｔａの変化ΔＴで微妙に変化する表面弾性波Ｗ１の音速変化ΔＣによる伝播時間ｔｓ’を算出する。この伝播時間ｔｓ’から周囲温度Ｔａの変化ΔＴが算出できるので、容器内部の媒質（粘性液体）の音速変化による揃断波Ｗ２の伝播時間の変化を推定し、この時の温度による検出信号（揃断波Ｗ２）の出現位置（検出範囲）の妥当性を判断する。そして、妥当と判断された検出範囲内で受信される揃断波Ｗ２による信号により液面の高さを算出する。

任意の温度における容器表面の表面弾性波Ｗ１の伝播速度Ｃと、表面弾性波Ｗ１のゼロクロスポイントＰまでの伝播時間ｔｓは、
伝播速度Ｃ＝Ａ・Ｔａ−Ｂ …式（２）
伝播時間ｔｓ＝π・Ｄ／Ｃ …式（３）
となる。但し、Ａ，Ｂは容器固有の温度係数、Ｄは容器の直径である。
上記式（２）及び（３）から、この時の周囲温度Ｔａ（絶対温度）は、
周囲温度Ｔａ＝（π・Ｄ／ｔｓ＋Ｂ）／Ａ …式（４）
で表せる。

また、周囲温度ＴａがΔＴ変化するとその伝播速度は、
Ｃ＋ΔＣ＝Ａ・（Ｔａ＋ΔＴ）−Ｂ …式（５）
となり、その時の温度変化による伝播時間は、
伝播時間ｔｓ’＝π・Ｄ／（Ｃ＋ΔＣ） …式（６）
となり、この伝播時間ｔｓ’の変化による温度は、
Ｔａ＋ΔＴ＝（π・Ｄ／ｔｓ’＋Ｂ）／Ａ …式（７）
で表せる。

従って、温度変化としては、
ΔＴ＝｛π・Ｄ・（１／ｔｓ’−１／ｔｓ）｝／Ａ …式（８）
となる。ここで、容器内部の揃断波Ｗ２の出現位置は温度に応じて変化する。本例の場合、図中Ｘ部に示すように、温度Ｔ１〜Ｔａ〜Ｔ２間で揃断波Ｗ２の出現位置が変化する。ΔＴの大きさが分かれば、容器内部の媒質の音速変化による伝播時間のズレを推定できるので、この時の温度における揃断波Ｗ２の検出範囲の妥当性を判断することができる。この結果に基づいて、手前に出現する不要信号（表面弾性波Ｗ１）のマスク時間を変化させ、揃断波Ｗ２のみが検出範囲で検出されるようにして、液面レベルを算出する。

このように、図８に示した例とは逆に、液面判定には不要となる信号の、容器表面を伝播する表面弾性波の特定のゼロクロス信号を計測することで、周囲温度を算出し、この周囲温度における検出範囲内の信号の出現する位置の妥当性を判断できるため、ノイズとの識別マージンを向上させ、境界面の検出Ｓ／Ｎを向上させることができる。

図１０，図１１は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。図１０（Ａ）は駆動信号の波形を示し、図１０（Ｂ）は受信信号の波形を示す。
また、図１１（Ａ）は駆動制御信号の波形を示し、図１１（Ｂ）は駆動信号の波形を示し、図１１（Ｃ）は受信信号の波形を示す。

本例の場合、コントローラ２０は、表面弾性波Ｗ１を起点とし、表面弾性波Ｗ１より時間的に遅れてくる揃断波Ｗ２が出現する範囲を検出範囲（検出ウインドウ）４１とし、この検出ウインドウ４１内に出現する信号の状態を判定することにより、容器内部の液層と気層の境界面を検出する。

すなわち、図１０及び図１１に示すように、境界面を伝播し受信される揃断波Ｗ２より、時間的に早く到達する手前の信号となる表面弾性波Ｗ１における特定のゼロクロスポイントＰを起点とし、さらに、前述の図９で説明したように、表面弾性波Ｗ１のゼロクロスポイントＰの温度変化に伴うシフト量から、容器内の温度における伝播速度を推定し、温度に応じた揃断波Ｗ２の出現する位置をおおよそ把握できる。このことから、時間的に遅れて到着する信号の検出範囲が妥当かどうかを推定する。この検出範囲を検出ウインドウ４１として設定し、検出ウインドウ４１内に出現する信号の有無や信号レベルなどにより、液面の境界を検知し液面レベルを算出する。

このように、境界面近傍を伝播する揃断波よりも時間的に早く到達する手前の表面弾性波信号を起点とし、容器内の温度における検出信号（揃断波）との関係から、温度による検出信号の出現する位置のシフト量がおおよそ把握できる。このため、時間的に遅れて到着する揃断波信号の検出範囲を規定して、この検出範囲内に出現する信号の有無や信号レベルなどを判定すればよく、見かけ上検出Ｓ／Ｎが向上し、境界面を高精度に検出することができる。

図１２は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。図１２（Ａ）は駆動制御信号の波形を示し、図１２（Ｂ）は駆動信号の波形を示し、図１２（Ｃ）は受信信号の波形を示す。本例の場合、コントローラ１０は、表面弾性波Ｗ１の波形状態に基づいて、超音波トランスジューサ１０の容器への密着状態の良否を判定する。

すなわち、図１２に示すように、容器内部の液層と気層の境界面を伝播し受信される揃断波信号より、時間的に早く到達し、容器表面を伝播する表面弾性波Ｗ１の波形において、所定のゼロクロスポイントＰの後の電圧レベルが規定のレベル以上である場合、超音波トランスジューサ１０の容器への密着状態は良好と判断される。また、密着状態が良好と判断された場合にのみ、その後の液面計測を実行し、液面の有無を判定する。

このように、容器表面を伝播する表面弾性波の波形状態を元に、超音波トランスジューサの容器への密着（取り付け）状態を把握できるため、密着状態が良好な場合にのみ、液面計測を実行し、液面の有無を判定することができる。このため、無駄な計測（誤計測）を低減でき、計測回数を最小限に抑え、消費電力の低減化が図れると共に、液面計測時の安定性が確保できるため、高精度な検出が可能となる。

図１３は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。図１３（Ａ）は駆動制御信号の波形を示し、図１３（Ｂ）は駆動信号の波形を示し、図１３（Ｃ）は受信信号の波形を示す。本例の場合、コントローラ２０は、表面弾性波Ｗ１の波形状態を示す電圧データに対して、所定の電圧レベル以上の状態が所定時間以上継続するかどうかを判定する。

すなわち、図１３に示すように、容器内部の液層と気層の境界面を伝播し受信される揃断波信号より、時間的に早く到達し、容器表面を伝播する表面弾性波Ｗ１の波形において、超音波トランスジューサ１０の容器への密着状態の良否を判定する際、所定のゼロクロスポイントＰの後の電圧レベルが規定のレベル以上となる信号の時間幅（パルス幅τ_Ａ）が、所定時間以上となる場合、超音波トランスジューサ１０の容器への密着状態は良好と判断される。また、密着状態が良好と判断された場合にのみ、その後の液面計測を実行し、液面の有無を判定する。

このように、超音波トランスジューサの容器への密着状態の良否を判定する尺度として、規定の電圧レベル以上における信号の時間幅の状態のみで判定できるため、簡単な回路構成で、しかも短時間での計測が可能となり、消費電力の低減化、さらには低コスト化を図ることができる。

図１４は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。図１４（Ａ）は駆動制御信号の波形を示し、図１４（Ｂ）は駆動信号の波形を示し、図１４（Ｃ）は受信信号の波形を示す。本例の場合、コントローラ２０は、表面弾性波Ｗ１の波形状態を示す電圧データを所定区間で時間積分した値が、所定値以上であるかどうかを判定する。

すなわち、図１４に示すように、容器内部の液層と気層の境界面を伝播し受信される揃断波信号より、時間的に早く到達し、容器表面を伝播する表面弾性波Ｗ１の波形において、超音波トランスジューサ１０の容器への密着状態の良否を判定する際、予め計測しておいた、表面弾性波Ｗ１の所定のゼロクロスポイントＰまでの時間データを元に、積分区間を指定し、この積分区間内で、表面弾性波Ｗ１による信号を半波整流し、エンベロープ検波した結果を積分回路で平均化処理し、その時の平均値の電圧データに基づいて、超音波トランスジューサ１０の容器への密着状態の良否を判定する。また、密着状態が良好と判断された場合にのみ、その後の液面計測を実行し、液面の有無を判定する。

このように、超音波トランスジューサの容器への密着状態の良否を判定する尺度として、所定の時間範囲（積分範囲）内での電圧値のみで判定できるため、検出時間が大幅に短縮できると共に、消費電力の低減化を図ることができる。

図１５，図１６は、本発明に係る検波回路及び積分回路による検出回路の一例を示す回路図である。図中、コントローラ２０の検出回路は、検波回路２０１と積分回路２０２を備える。検波回路２０１は、規定の積分時間エリアで表面弾性波Ｗ１が入力されると、この表面弾性波Ｗ１による信号を整流，検波する。そして、積分回路２０２は、検波回路２０１で検波された信号を時間で積分し、その積分結果（電圧値）を出力する。

図１５において、検波回路２０１は、増幅器により増幅された表面弾性波の信号を包絡線検波し、積分回路２０２は、その検波出力を積分し、その積分値Ｖｏｕｔが規定の電圧α以上であれば、超音波トランスジューサ１０が容器３０と密着していると判断する。検波回路２０１は、直流バイアスをカットするバイアスカットコンデンサＣ１と、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するリップル除去部とを有する。このリップル除去部は、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、リップルを充分除去しつつも半波整流波形のピーク点を包絡線検波結合した減衰波形（弾性波の波形）は損なわないレベルに時定数が設定されている。また、積分回路２０２は、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３とで構成され、その積分出力の値Ｖｏｕｔが閾値α以上と判定された場合に取り付けが良好と判断する。

図１６において、検波回路２０１は、コンデンサＣ１により直流カットされた弾性波の信号を、検波トランスＴＦを介してトランジスタＴＲにより半波整流し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２により包絡線検波する。積分回路２０２は、検波回路２０１で適当なレベルに検波された信号を積分する。そして積分した値を閾値αと比較し、ＩＣにより閾値α以上と判定された場合には“Hｉｇｈ”を出力し、そうでない場合には“Lｏｗ”を出力する。“Ｈｉｇｈ”が出力された場合には超音波トランスジューサ１０が容器３０と密着していると判断する。積分回路２０２は、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３により、検波された信号の立ち上がり波形を損ねないレベルに設定し、その後、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ４の時定数により積分した電圧を抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の分圧で決まる閾値αと比較する。検波トランスＴＦは、入力信号（本例の場合、弾性波信号）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（図中右側のコイル）がコンデンサＣ２と結合して同調部を形成する。

本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。 本発明の超音波レベル計を構成するコントローラの回路構成例を示すブロック図である。 本発明の液面レベル計を構成する超音波トランスジューサの設置状態を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計を構成する超音波トランスジューサの構成例を示す図である。 本発明の超音波レベル計を構成する超音波トランスジューサの他の構成例を示す図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。 本発明に係る検波回路及び積分回路による検出回路の一例を示す回路図である。 本発明に係る検波回路及び積分回路による検出回路の他の例を示す回路図である。

符号の説明

１０…超音波トランスジューサ、２０…制御部（コントローラ）、２１…ＡＭＰ（増幅回路）、２２…ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）、２３ａ…Ａ／Ｄコンバータ、２３ｂ…Ｄ／Ａコンバータ、２４…ＣＰＵ、２５…ＬＣＤ（表示部）、２６ａ…ＲＡＭ、２６ｂ…ＲＯＭ、２７…ＶＣＯ、２８…ゲート素子、２９…ＤＲＶ（駆動回路）、３０…容器、３１…側部外壁、３２…気層、３３…液層、３４…境界面、４１…検出ウインドウ。

Claims (12)

1. 容器の側部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面と平行な方向に超音波を伝播させると共に、反対側の側部内壁面からの反射波を受信する超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計であって、
   前記超音波トランスジューサが受信する前記超音波の反射波に基づいて、前記容器内部の液層と気層の境界面を検出する制御部を備えることを特徴とする超音波レベル計。
2. 請求項１に記載の超音波レベル計において、前記超音波トランスジューサは、前記液面に対して垂直な方向に振動し、該振動により前記液面と平行な方向に超音波を送受信することを特徴とする超音波レベル計。
3. 請求項２に記載の超音波レベル計において、前記超音波トランスジューサは、該超音波トランスジューサと前記容器の側部外壁面とを音響結合させるための音響結合部を備え、
   前記音響結合部は、多価アルコールを主成分とし、比較的粘度の高い増粘材を添加したカプラントであることを特徴とする超音波レベル計。
4. 請求項２に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波トランスジューサが受信する前記超音波の反射波の振幅レベルが、所定の閾値と比較して、ＨｉｇｈからＬｏｗあるいはＬｏｗからＨｉｇｈへと論理値の状態が切り換わるときの前記超音波トランスジューサの位置に基づいて、前記容器内部の液層と気層の境界面を検出することを特徴とする超音波レベル計。
5. 請求項２に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波トランスジューサが受信する前記超音波の反射波の振幅レベルが最大値となるときの前記超音波トランスジューサの位置に基づいて、前記容器内部の液層と気層の境界面を検出することを特徴とする超音波レベル計。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波トランスジューサによる計測結果に基づいて、前記容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播し受信される前記超音波の反射波よりも時間的に早く受信され且つ前記容器表面を伝播し受信される表面弾性波を、マスクして受信できなくすることを特徴とする超音波レベル計。
7. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波トランスジューサによる計測結果に基づいて、前記容器内部の液層と気層の境界面近傍を伝播し受信される前記超音波の反射波よりも時間的に早く受信され且つ前記容器表面を伝搬し受信される表面弾性波を、識別して検出しないようにすることを特徴とする超音波レベル計。
8. 請求項６又は７に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記表面弾性波の伝搬時間を計測し、該伝播時間に基づいて前記超音波トランスジューサの周囲温度を算出し、該周囲温度に基づいて前記超音波の反射波の出現する時間を推定可能としたことを特徴とする超音波レベル計。
9. 請求項８に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記表面弾性波を起点とし、該表面弾性波より時間的に遅れてくる前記超音波の反射波が出現する範囲を検出範囲とし、該検出範囲内に出現する信号の状態を判定することにより、前記容器内部の液層と気層の境界面を検出することを特徴とする超音波レベル計。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記表面弾性波の波形状態に基づいて、前記超音波トランスジューサの前記容器への密着状態の良否を判定することを特徴とする超音波レベル計。
11. 請求項１０に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記表面弾性波の波形状態を示す電圧データに対して、所定の電圧レベル以上の状態が所定時間以上継続するかどうかを判定することを特徴とする超音波レベル計。
12. 請求項１０に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記表面弾性波の波形状態を示す電圧データを所定区間で時間積分した値が、所定値以上であるかどうかを判定することを特徴とする超音波レベル計。

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