JP2009041991A - 可搬式液体検知ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 容器の壁部外面に取り付けて液体（液面位置）を測定する際に、検出感度を維持するための流動性結合剤の塗布作業を簡略化することができるとともに、超音波ビームの出力面となる容器接触面を損傷から保護して耐久性の向上を図ることができる可搬式液体検知ユニットを提供する。
【解決手段】 キャップ体４の蓋部４ａの内面には、反射板５が装着されている。筒状部４ｂの長手方向中間部には、内周面から内側に突出するとともに、音響インピーダンス整合層２を挿通させるための挿入孔４ｅを有する区画壁４ｄが形成されている。区画壁４ｄによって、キャップ体４の装着状態で、反射板５の裏面と容器接触面２ａとの離間距離Ｄが一定に維持される。蓋部４ａと区画壁４ｄとの間に、シリコーンジェルＪを収容するための保持部４ｃが区画形成されている。
【選択図】 図６Ａ

Description

本発明は可搬式液体検知ユニットに関する。

従来より、タンク（容器）の外側から非接触で液面を検知する液体検知ユニット、いわゆる超音波レベル計（液面計）の一例として、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１，２参照）。

これらの液体検知ユニットでは、超音波出力部の超音波送信面（又はその超音波送信面を保護するためにさらに密着配置された音響インピーダンス整合層の超音波送信面との密着側とは反対側の先端面）が、被測定系をなす液体を収容した容器の壁部外面と接触する容器接触面を構成する。そして、容器接触面が液体ないしジェル状の流動性結合剤を介して容器の壁部外面に密着して配置されることによって、容器接触面と容器の壁部外面との間の音響インピーダンスを整合させて検出感度を維持することができる。

特開２００１−２４１９９７号公報 特開２００１−３０４９４０号公報

ところが、従来の液体検知ユニットでは、超音波ビームの出力面となる容器接触面は一般に平坦に形成されているので、その容器接触面に流動性結合剤を付着させても、流動性結合剤がすぐに取れて適量を保持できなくなるという課題があった。このため、計測作業者は、液体検知ユニットを容器（タンク）に組み付けて液面位置を測定する毎に、流動性結合剤の塗布（付着）を試みなければならず、非効率であった。また、容器接触面は液体検知ユニット（のケース）から露出しているため、不注意により液体検知ユニットを落下させたり、他物に衝突させたりすると、容器接触面（超音波出力部や音響インピーダンス整合層）が損傷を受けるおそれがある。

本発明の課題は、容器の壁部外面に取り付けて液体（液面位置）を測定する際に、検出感度を維持するための流動性結合剤の塗布作業を簡略化することができるとともに、超音波ビームの出力面となる容器接触面を損傷から保護して耐久性の向上を図ることができる可搬式液体検知ユニットを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の可搬式液体検知ユニットは、
液体を収容した容器を被測定系として、その容器の壁部外面に定められた測定実施位置に着脱可能に取り付けて使用される可搬式液体検知ユニットであって、
前記被測定系を励振するための測定用超音波ビームを超音波送信面から出力可能な超音波出力部と、
前記超音波出力部の超音波送信面、又はその超音波送信面にさらに密着配置された音響インピーダンス整合層の前記超音波送信面との密着側とは反対側の先端面が外部に露出して前記容器の壁部外面と接触する容器接触面を構成するように、少なくとも前記超音波出力部が内部に収納配置されたケース体と、
前記容器の壁部外面から離脱した非測定時に、前記容器接触面を外側から覆う形で前記ケース体に装着されるキャップ体とを備え、
前記キャップ体の内部には、前記容器接触面と容器の壁部外面との間の音響インピーダンスを整合させるための整合材料である流動性結合剤を収容する保持部が形成され、
前記キャップ体を前記ケース体に装着したときには前記容器接触面が前記保持部に挿入され、前記キャップ体を前記ケース体から外したとき前記保持部の流動性結合剤が前記容器接触面に付着し、前記容器に取り付けて液体を測定する際に前記容器接触面が前記流動性結合剤を介して前記容器の壁部外面に接触することを特徴とする。

このような可搬式液体検知ユニットには、キャップ体の内部に流動性結合剤（例えばジェル状のシリコーン）を収容する保持部が形成されている。したがって、キャップ体をケース体から外したとき保持部の流動性結合剤が容器接触面に付着し、容器に取り付けて液体を測定する際に容器接触面が流動性結合剤を介して容器の壁部外面に接触する。このように、超音波センサ（容器接触面）と被測定系（容器の壁部外面）とを音響結合するための流動性結合剤を測定毎に容器接触面に塗布する必要がなく、検出感度を維持するための流動性結合剤の塗布作業を簡略化することができる。また、保管時・移動時等にキャップ体をケース体に装着したときには容器接触面が保持部に挿入されるので、超音波ビームの出力面となる容器接触面を損傷（割れ、汚れ等）から保護して耐久性の向上を図ることができる。

このとき、超音波出力部は、被測定系からの残響超音波及び被測定系における反射超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段又は反射超音波検出手段に兼用され、
キャップ体は、容器接触面からビーム出力方向に所定距離離間して対向配置される蓋部を有し、
キャップ体をケース体に装着した状態で、超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部がキャップ体の蓋部からの残響情報又は反射情報を検出することによって超音波トランスジューサの作動確認が可能となる。

このように、キャップ体をケース体に装着した状態で、超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき（すなわち空打ちしたとき）、超音波出力部によるキャップ体の蓋部からの残響情報又は反射情報の検出の有無によって、超音波トランスジューサが正常に作動するか否かを自己診断する機能（すなわち故障を判定する機能）を備えることができる。したがって、液体検知ユニットの容器接触面を容器の壁部外面に接触させなくても、超音波トランスジューサ自身が測定用超音波ビームを正常出力できるか否かや、超音波トランスジューサが超音波を受信して液体（液面位置）を測定できるか否かを確認することができる。

ところで、可搬式液体検知ユニットの超音波出力部は、被測定系からの残響超音波及び被測定系における反射超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段又は反射超音波検出手段に兼用される。したがって、上記した自己診断機能は、残響超音波検出方式（被測定系からの残響超音波を検出する方式）及び反射超音波検出方式（被測定系からの反射超音波を検出する方式）のいずれの液体検知ユニット（すなわち超音波レベル計（液面計））にも備えることができる。なお、反射超音波検出方式には、側壁透過内面反射超音波検出方式（容器の側壁を透過し反対側の容器側壁の内面で反射した超音波を検出する方式）と、底壁透過液面反射超音波検出方式（容器の底壁を透過し液面で反射した超音波を検出する方式）とが含まれるが、本発明は主として側壁透過内面反射超音波検出方式に適用される。

例えば、反射超音波検出方式の可搬式液体検知ユニットの場合、
キャップ体の蓋部内面には超音波出力部から出力された測定用超音波ビームを反射するための反射体が装着され、
キャップ体をケース体に装着した状態で、超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部がキャップ体の反射体からの反射情報を検出することによって超音波トランスジューサによる液体検知が可能であるか否かの確認を可能とすることができる。

このように、キャップ体の蓋部内面に装着された反射体（例えば反射板）と、キャップ体の保持部に収容された流動性結合剤（例えばシリコーンジェル）とを用い、測定用超音波ビームを出力した超音波出力部が反射体からの反射超音波を受信するかを監視する。これにより、超音波トランスジューサによって液体検知ユニットが液体（液面位置）を測定できる状態か否かを確認することができる。なお、反射体には、アルミニウム及びアルミニウム合金、黄銅（真鍮）等が用いられる。

具体的には、キャップ体をケース体に装着した状態で、超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部が測定用超音波ビーム出力時の自己残響超音波を検出することにより、超音波トランスジューサ自体の作動が正常であるか否かの確認を可能とすることができる。このように、測定用超音波ビーム出力時の自己残響超音波を超音波出力部が検出していれば、超音波トランスジューサ自体の作動は正常である（故障は発生していない）と直ちに確認できる。

また、キャップ体をケース体に装着した状態で、超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部が測定用超音波ビーム出力時の自己残響超音波を検出し、かつ反射体からの反射超音波の検出レベルが所定値未満であることを検出することにより、キャップ体の保持部に収容された流動性結合剤の残存量の確認を可能とすることができる。このように、測定用超音波ビーム出力時の自己残響超音波を超音波出力部が検出していても、反射体からの反射超音波の検出レベルが低ければ、保持部に収容された流動性結合剤の残存量（収容量）が少なくなり検出感度が低下することを前もって報知することができる。

そして、キャップ体の内部には、容器接触面と反射体との離間距離を一定に維持するとともに、保持部を区画するための区画壁を形成することができる。このような区画壁をキャップ体の内部に形成することによって、容器接触面と反射体との離間距離や保持部での流動性結合剤の収容量を一定に維持しやすくなり、超音波トランスジューサによって液体検知ユニットが液体（液面位置）を測定できる状態か否かを一層精度よく確認することができる。なお、容器接触面と反射体との離間距離Ｄは、反射超音波到達時間をＴ０、音速をＣとしたとき、
Ｄ≒Ｔ０×Ｃ
とすれば、反射体からの反射超音波の検出精度が向上する。

さらに、キャップ体には、超音波出力部から反射体へ向けて出力された測定用超音波ビームのうち反射体からキャップ体自身に伝播するノイズ成分を超音波出力部に到達して検出される前に減衰させるために減衰部を形成することができる。このような減衰部を形成することによって、反射体で反射された反射超音波を検出する際に、反射体からキャップ体を通り超音波出力部に伝播してノイズ成分となる直達波や表面弾性波が、超音波出力部で検出される前に減衰される。よって、超音波トランスジューサによる液体検知が可能であるか否かを確認する際に、直達波や表面弾性波による誤診断を防止することができる。

例えば、容器接触面と反射体との離間距離を一定に維持するために剛性を有する合成樹脂材料でキャップ体を構成するとともに、ノイズ成分を減衰するために弾性を有し振動を生じやすい弾性材料で減衰部を構成することができる。キャップ体の本体部分を比較的剛性の高い合成樹脂材料で構成して、容器接触面と反射体との離間距離を一定に維持することによって、超音波トランスジューサによる液体（液面位置）の測定可否を精度よく確認することができる。一方では、キャップ体の減衰部を比較的高弾性で振動を生じやすい弾性材料で構成することによって、ノイズ成分となる直達波や表面弾性波を減衰部で振動させて減衰することができる。なお、合成樹脂材料として、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の剛性の高い材料を用いることができる。また、弾性材料として、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）等のゴムやエラストマーのような高弾性材料を用いることができる。

また、キャップ体は蓋部の外周縁部から筒状に突出してケース体に嵌合する筒状部を有するとともに、減衰部を筒状部の内周面から内側に向かい周方向に沿って突出形成することができる。このように、キャップ体の本体部分を筒状部とし、減衰部を筒状部の内周面から突出形成することによって、直達波や表面弾性波が伝播するときの沿面距離（表面を迂回して伝播する距離）を大きくすることができる。したがって、直達波や表面弾性波の減衰率を高め、超音波トランスジューサによる液体（液面位置）の測定可否の際の誤診断を防止することができる。

このように、容器が金属タンクであり、超音波出力部は金属タンクの金属壁部に取り付けられ、その金属壁部の厚さ方向に測定用超音波ビームを出力することによって、残響超音波検出方式及び反射超音波検出方式のいずれの可搬式液体検知ユニットにも適用することができる。この場合、測定適用対象となる金属タンクは、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とすることができる。また、金属タンクは、車両、船舶ないし航空機（特に、自動車）に搭載された燃料タンクとすることができる。なお、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）を収容するものとできる。

（実施例）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の可搬式液体検知ユニットによる液体検知の一例を示す外観説明図、図２は図１の容器内部を示す断面説明図である。液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）からなる液体Ｌを収容した金属タンク１０（容器）が被測定系２００を構成している。金属タンク１０は鋼鉄製であり、側壁部１０Ｓの壁厚はほぼ一様である。また、底面部１０Ｂ及び天面部１０Ｕの壁厚もほぼ一様である。また、天面部１０Ｕの上部中央には圧力制御弁が組み込まれたガス取出部１１が形成されている。超音波レベル計１００（可搬式液体検知ユニット）によって、金属タンク１０の外側から非接触で液体Ｌの有無又は液面ＬＶ（液表面）の位置を検知することができる。

超音波レベル計１００は、液体Ｌを収容した金属タンク１０（被測定系２００）に向けて押圧された形でタンク側壁部１０Ｓの壁部外面１０ａに取り付けられている。そのため、取り付けられた状態においては、金属タンク１０側に向けて一定の保持力（一般的にはマグネットによる保持力）Ｆが作用している（図２参照）。この超音波レベル計１００は、金属タンク１０の側壁部１０Ｓの壁部外面１０ａに対し、保持力Ｆによって金属タンク１０内の検知対象となる特定の液面ＬＶ（液面レベル）に対応した液体検知位置に取り付けられて、各液体検知位置における液体Ｌの有無、即ちその液面ＬＶに液体Ｌが達しているか否かを検知可能となっている。本実施形態においては、超音波レベル計１００は、金属タンク１０の側壁部１０Ｓを透過し反対側の側壁の内面で反射した超音波を検出する側壁透過内面反射超音波検出方式によって、金属タンク１０内の液体情報（液面ＬＶの位置）を金属タンク１０外から測定できるように構成されている。

図３は、可搬式液体検知ユニット（超音波レベル計）の構成例をその電気的構成とともに示す模式図である。超音波レベル計１００は、ユーザーが手で保持可能な樹脂等で構成されたケース体３を有し、その先端内部に円柱状の超音波トランスジューサ１（超音波出力部；反射超音波検出部）がはめ込まれて（収納配置されて）いる。超音波送信面１ａ（超音波放出面）となる超音波トランスジューサ１の前端面は、ケース体３の前端に形成された開口内に位置し、その超音波送信面１ａに密着する形で、超音波トランスジューサ１よりやや小径で円柱状の音響インピーダンス整合層２が取り付けられている。

音響インピーダンス整合層２は、超音波トランスジューサ１（圧電セラミック）とタンク側壁部１０Ｓ（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。また、音響インピーダンス整合層２の、超音波送信面１ａとの密着側とは反対側の先端面２ａが、ケース体３の外部に露出して金属タンク１０の側壁部１０Ｓの壁部外面１０ａと接触する容器接触面を構成する。音響インピーダンス整合層２は、先端面２ａ（容器接触面）がタンク側壁部１０Ｓに押し付けられたときに追従変形してその壁部外面１０ａに密着できるように、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。

超音波トランスジューサ１は、駆動回路１０１からの駆動電圧の印加により測定用超音波ビームＳＷを送出する超音波送出機能と、反射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（反射超音波検出機能）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１ｖと、圧電セラミック振動板１ｖの各主表面を覆う形で圧電セラミック振動板１ｖ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、測定用超音波ビームＳＷの送信駆動時には圧電セラミック振動板１ｖ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、反射超音波の受信時には圧電セラミック振動板１ｖ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との接続切り替えは切替スイッチ１０１ｓにより行なわれる。

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。

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１０７に接続されている。また、マイコン１０７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視覚的に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。さらに、ソナー１０６は、液体有無の検出判定結果を音響的に出力するものである。

次に、図４に示す液体検知処理のフローチャートについて、図３を参照しつつ説明する。まず、Ｓ１にて入力部１０５から測定開始入力を行なうと、Ｓ２にて切替スイッチ１０１ｓが超音波トランスジューサ１を駆動回路１０１に接続する駆動接続状態に切り替わり、駆動回路１０１は周波数設定部１０２で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１に印加する。これにより、超音波トランスジューサ１から測定用超音波ビームＳＷが測定実施位置にてタンク側壁部１０Ｓに向け出力され、これを音響励振する。次に、Ｓ３にて切替スイッチ１０１ｓは超音波トランスジューサ１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る。そして、Ｓ４にて超音波トランスジューサ１による音響励振後に、金属タンク１０の側壁部１０Ｓを透過し反対側の側壁の内面で反射して再び側壁部１０Ｓを透過する反射超音波が所定時間Ｔ内に超音波トランスジューサ１で検出されたか否かを確認する。なお、反射超音波の到達時間はマイコン１０７の内蔵クロック等で計測できる。

ところで、図２に示すように、液体Ｌの非存在部（液無し部）では金属タンク１０の側壁部１０Ｓの内側が空隙となり、液体Ｌの存在部（液有り部）では、側壁部１０Ｓの内側に液体Ｌが存在する。一般に金属タンク１０内で媒質となる液体の密度は気体の密度に比して極めて大きい（例えば約１０^３倍）。したがって、図５に示すように、液有り部においては、金属タンク１０の側壁部１０Ｓを透過し反対側の側壁の内面で反射して再び側壁部１０Ｓを透過し、超音波トランスジューサ１で検出される。しかし、液無し部では、超音波の拡散によって超音波トランスジューサ１で反射波が検出されない。

図４に戻り、所定時間Ｔ内に反射超音波が超音波トランスジューサ１で検出されれば（Ｓ４でＹＥＳ）、Ｓ５にて表示部１０４及びソナー１０６によって液有り出力がなされてリターンする。一方、所定時間Ｔ内に反射超音波が超音波トランスジューサ１で検出されなければ（Ｓ４でＮＯ）、Ｓ６にて表示部１０４及びソナー１０６によって液無し出力がなされてリターンする。

図６Ａはキャップ体装着状態における可搬式液体検知ユニット（超音波レベル計）の内部構造を例示する断面図、図６Ｂは同じくキャップ体離脱状態の断面図である。図６Ａに示すように、超音波レベル計１００は、上記した超音波トランスジューサ１，音響インピーダンス整合層２，ケース体３の他に、金属タンク１０の側壁部１０Ｓ（図３参照）から離脱した非測定時に、容器接触面２ａ（音響インピーダンス整合層２の先端面）を外側から覆う形でケース体３に装着されるキャップ体４を備えている。また、図６Ｂに示すように、液体Ｌの測定（図３参照）のためにキャップ体４をケース体３から離脱したとき、容器接触面２ａには、その容器接触面２ａと金属タンク１０の壁部外面１０ａとの間の音響インピーダンスを整合させて検出感度を維持するための整合材料としてシリコーンジェルＪ（流動性結合剤）が塗布される。

このキャップ体４は、容器接触面２ａからビーム出力方向に所定距離離間して対向配置される円盤状の蓋部４ａと、蓋部４ａの外周縁部から円筒状に突出してケース体３に嵌合する筒状部４ｂとを有する。キャップ体４の蓋部４ａの内面には、超音波トランスジューサ１から出力された測定用超音波ビームＳＷ（図３参照）を反射するために、アルミニウム製で円盤状の反射板５（反射体）が装着されている。また、筒状部４ｂの長手方向中間部には、内周面から内側に突出するとともに、音響インピーダンス整合層２を挿通させるための挿入孔４ｅを有する円環状の区画壁４ｄが形成されている。この区画壁４ｄによって、図６Ａに示すキャップ体４の装着状態で、反射板５の裏面と容器接触面２ａ（音響インピーダンス整合層２の先端面）との離間距離Ｄが一定に維持される。そして、蓋部４ａ（正確には反射板５）と区画壁４ｄとの間に、シリコーンジェルＪを収容するための保持部４ｃが区画形成されている。

図６Ａに示すように、キャップ体４をケース体３に装着したときには容器接触面２ａが保持部４ｃ内に挿入される。また、図６Ｂに示すように、キャップ体４をケース体３から外したときには保持部４ｃのシリコーンジェルＪが容器接触面２ａに付着する。さらに、図３に示すように、金属タンク１０の側壁部１０Ｓに取り付けて液体Ｌを測定する際には、容器接触面２ａがシリコーンジェルＪ（図３では図示省略）を介して金属タンク１０の壁部外面１０ａに接触する。

したがって、超音波トランスジューサ１（容器接触面２ａ）と被測定系２００（金属タンク１０の壁部外面１０ａ）とを音響結合するためのシリコーンジェルＪを測定毎に容器接触面２ａに塗布する必要がなく、検出感度を維持するためのシリコーンジェルＪの塗布作業を簡略化することができる。そして、保管時・移動時等にキャップ体４をケース体３に装着したときには，容器接触面２ａが保持部４ｃに挿入されるので、測定用超音波ビームＳＷの出力面となる容器接触面２ａを損傷（割れ、汚れ等）から保護して耐久性の向上を図ることができる。

図６Ａに示すように、キャップ体４をケース体３に装着した状態で、超音波レベル計１００の入力部１０５を操作して超音波トランスジューサ１から測定用超音波ビームＳＷ（図３参照）を出力（空打ち）したとき、超音波トランスジューサ１がキャップ体４の反射板５からの反射超音波（反射情報）を検出する。これによって、超音波トランスジューサ１の作動確認と超音波トランスジューサ１による液体検知が可能であるか否かの確認が可能となり、超音波レベル計１００は自己診断機能（故障判定機能）を備えることができる。つまり、超音波レベル計１００の容器接触面２ａを金属タンク１０の壁部外面１０ａに接触させなくても、超音波トランスジューサ１自身が測定用超音波ビームＳＷを正常出力できるか否かや、超音波トランスジューサ１が反射板５からの反射超音波を受信して液体Ｌ（液面ＬＶの位置）を測定できるか否かを確認することができる。

そして、超音波レベル計１００による自己診断機能の精度を高めるために、キャップ体４には、保持部４ｃを形成する筒状部４ｂに、円環状の弾性部４ｆ（減衰部）が挟持されている。この弾性部４ｆは、超音波トランスジューサ１から反射板５へ向けて出力された測定用超音波ビームＳＷのうち反射板５からキャップ体４（筒状部４ｂ）に伝播するノイズ成分（例えば、直達波や表面弾性波）が、超音波トランスジューサ１に到達して検出される前に減衰させる機能を有する。このような弾性部４ｆを形成することによって、反射板５で反射された反射超音波を超音波トランスジューサ１で検出する際に、反射板５からキャップ体４を通り超音波トランスジューサ１に伝播してノイズ成分となる直達波や表面弾性波が、超音波トランスジューサ１で検出される前に減衰される。これによって、超音波トランスジューサ１による液体検知が可能であるか否かを確認する際に、直達波や表面弾性波による誤診断を防止することができる。

具体的には、キャップ体４の本体部分は剛性を有するポリアセタール（ＰＯＭ）で構成されているので、反射板５の裏面と容器接触面２ａとの離間距離Ｄを一定に維持して、超音波トランスジューサ１による液体Ｌ（液面ＬＶの位置）の測定可否を精度よく確認することができる。一方、弾性部４ｆは、上記ノイズ成分を減衰するために弾性を有し振動を生じやすいアクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）で構成されているので、ノイズ成分となる直達波や表面弾性波を弾性部４ｆで振動させて減衰を促すことができる。

図８は自己診断機能を有する超音波レベル計１００に好適な表示部１０４を例示する。この表示部１０４には、以下に示す複数（例えば５個）のＬＥＤ１０４ａ〜１０４ｅが配置されている。
（１）キャップ体４がケース体３に装着されたとき点灯して、この状態では液体Ｌ（液面ＬＶの位置）の測定ができないことを表示する「キャップ装着」ＬＥＤ１０４ａ（第一表示手段）；
（２）同じくキャップ体４がケース体３に装着されたとき点灯して、入力部１０５を操作して超音波トランスジューサ１から反射板５に向けて測定用超音波ビームＳＷ（図３参照）を出力（空打ち）して自己診断できることを表示する「空打ち」ＬＥＤ１０４ｂ（第二表示手段）；
（３）空打ち自己診断の結果、キャップ体４を外して液体Ｌ（液面ＬＶの位置）の測定ができることを点灯表示する「測定可」ＬＥＤ１０４ｃ（第三表示手段）；
（４）空打ち自己診断の結果、超音波トランスジューサ１等が故障している（使用不可）ことを点灯表示する「センサ異常」ＬＥＤ１０４ｄ（第四表示手段）；
（５）空打ち自己診断の結果、保持部４ｃのシリコーンジェルＪの残量が少（補充要請）又は無し（測定不可）であることを点滅又は点灯表示する「ジェル無」ＬＥＤ１０４ｅ（第五表示手段）。

次に、図７に示す自己診断処理のフローチャートについて、図６Ａ，図６Ｂ，図８，図９を参照しつつ説明する。まず、キャップ体４をケース体３に装着すると、Ｓ１１にて「キャップ装着」ＬＥＤ１０４ａが点灯するとともに、Ｓ１２にて「空打ち」ＬＥＤ１０４ｂが点灯する。ここでＳ１３にて入力部１０５から自己診断開始入力を行なうと、超音波トランスジューサ１から測定用超音波ビームＳＷが反射板５に向け出力される。

このとき、超音波レベル計１００が正常に機能していれば、超音波トランスジューサ１で検出される信号は、図９のタイミングチャートにおいて超音波検出信号（１）のように表れる。すなわち、測定用超音波ビームＳＷの出力に伴って（同時に）自己残響超音波信号ｗ０が検出され、そのＴ０時間後に反射板５からの反射超音波信号ｗ１の到着が検出される。その後も、Ｔ０を周期としほぼ同じレベル（例えばＶＳ以上の電圧レベル）で、反射板５からの反射超音波信号ｗ２，ｗ３，ｗ４，…の到着が次々に検出される。つまり、測定用超音波ビームＳＷは、反射板５の裏面と容器接触面２ａとの離間距離Ｄを繰り返し往復するので、超音波トランスジューサ１は、離間距離Ｄの往復に要する時間Ｔ０を周期とする反射超音波信号列ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４，…を検出する。

なお、反射板５の裏面と容器接触面２ａとの離間距離Ｄは、反射超音波到達時間をＴ０、音速をＣとしたとき、
Ｄ≒Ｔ０×Ｃ
とすれば、反射板５からの反射超音波信号列ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４，…の検出精度が向上する。また、超音波トランスジューサ１による反射超音波の検出は、反射超音波信号列ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４，…をすべて検出する必要はなく、ｎ番目の反射超音波が、ｎ×Ｔ０（ｎは任意の自然数）経過時に到達したかを検出すればよい。

図７に戻り、Ｓ１４にて、超音波トランスジューサ１で検出された超音波検出信号において、自己残響超音波信号ｗ０を検出したかを判断する。自己残響超音波信号ｗ０を検出していれば（Ｓ１４でＹＥＳ）、次にＳ１５にてｎ番目（例えば３番目）の反射超音波信号をｎ×Ｔ０経過時に検出したかを判断する。３番目の反射超音波信号ｗ３を３×Ｔ０経過時に検出していれば（Ｓ１５でＹＥＳ）、さらにＳ１６にてｎ番目（例えば３番目）の反射超音波信号が所定レベル以上であるかを判断する。３番目の反射超音波信号ｗ３が所定レベルＶＳ以上であれば（Ｓ１６でＹＥＳ）、Ｓ１７にて「測定可」ＬＥＤ１０４ｃを点灯表示してリターンする。以上のパターンは、超音波トランスジューサ１で検出された信号が、図９の超音波検出信号（１）である場合に該当し、「キャップ体４を外して液体Ｌの測定可」であることを報知する。

これに対して、自己残響超音波信号ｗ０を検出していなければ（Ｓ１４でＮＯ）、Ｓ１８にて「センサ異常」ＬＥＤ１０４ｄを点灯表示してリターンする。このパターンは、超音波トランスジューサ１で検出された信号が、図９の超音波検出信号（２）である場合に該当し、超音波トランスジューサ１等が故障して「使用不可」であることを報知する。

次に、３番目の反射超音波信号ｗ３を３×Ｔ０経過時に検出していなければ（Ｓ１５でＮＯ）、Ｓ１９にて「ジェル無」ＬＥＤ１０４ｅを点灯表示してリターンする。このパターンは、超音波トランスジューサ１で検出された信号が、図９の超音波検出信号（３）である場合に該当し、保持部４ｃのシリコーンジェルＪの残量が無くなり（又は極めて僅少で）、上記離間距離ＤにシリコーンジェルＪの空白領域が発生しているため、「液体Ｌの測定不可」であることを報知する。

さらに、３番目の反射超音波信号ｗ３’が所定レベルＶＳ以上でなければ（Ｓ１６でＮＯ）、Ｓ２０にて「ジェル無」ＬＥＤ１０４ｅを点滅表示してリターンする。このパターンは、超音波トランスジューサ１で検出された信号が、図９の超音波検出信号（４）である場合に該当し、保持部４ｃのシリコーンジェルＪの残量が少であるため、上記離間距離ＤにシリコーンジェルＪの空白領域が発生しないように「保持部４ｃへの補充要請中」であることを報知する。

このように、測定用超音波ビームＳＷ出力時の自己残響超音波信号ｗ０を超音波トランスジューサ１が検出していても、反射板５からの反射超音波信号ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４，…のいずれかの検出レベルがＶＳを下回れば、保持部４ｃに収容されたシリコーンジェルＪの残存量（収容量）が少なくなり検出感度が低下することを前もって報知することができる。

（変形例）
図１０はキャップ体の変形例を示す。図１０のキャップ体４では、筒状部４ｂの内周面から内側に向かう円環状の突出部４ｇ（減衰部）が、複数列（例えば２列）にわたり突出形成されている。このように、突出部４ｇを筒状部４ｂの内周面から突出形成することによって、直達波や表面弾性波が伝播するときの沿面距離（表面を迂回して伝播する距離）を大きくすることができる。したがって、直達波や表面弾性波の減衰率を高め、超音波トランスジューサ１による液体Ｌ（液面ＬＶの位置）の測定可否の際の誤診断を防止することができる。

なお、図１０（変形例）において図６（実施例）と共通する機能を有する部分には同一符号を付して説明を省略する。また、図７のＳ１５，Ｓ１６において、判断対象となる反射超音波信号は３番目でなくてもよい。

本発明の可搬式液体検知ユニットによる液体検知の一例を示す外観説明図。 図１の容器内部を示す断面説明図。 図１の可搬式液体検知ユニットの構成例をその電気的構成とともに示す模式図。 液体検知処理を示すフローチャート。 液体検知処理において超音波トランスジューサによる超音波の発受信例を表わすタイミングチャート。 キャップ体装着状態における可搬式液体検知ユニットの内部構造を例示する断面図。 キャップ体離脱状態における可搬式液体検知ユニットの内部構造を例示する断面図。 自己診断処理を示すフローチャート。 表示部を例示する説明図。 自己診断処理において超音波トランスジューサによる超音波の発受信例を表わすタイミングチャート。 キャップ体の変形例を示す断面図。

符号の説明

１００ 超音波レベル計（可搬式液体検知ユニット）
２００ 被測定系
１ 超音波トランスジューサ（超音波出力部；反射超音波検出部）
１ａ 超音波送受信面
２ 音響インピーダンス整合層
２ａ 先端面（容器接触面）
３ ケース体
４ キャップ体
４ａ 蓋部
４ｂ 筒状部
４ｃ 保持部
４ｄ 区画壁
４ｅ 挿入孔
４ｆ 弾性部（減衰部）
４ｇ 突出部（減衰部）
５ 反射板（反射体）
１０ 金属タンク（容器）
１０Ｓ タンク側壁部（容器壁部）
１０ａ タンクの壁部外面（容器の壁部外面）
Ｄ 反射板裏面と音響インピーダンス整合層先端面との離間距離
Ｊ シリコーンジェル（流動性結合剤）
Ｌ 液体
ＬＶ 液面（液表面）
ＳＷ 測定用超音波ビーム

Claims (10)

1. 液体を収容した容器を被測定系として、その容器の壁部外面に定められた測定実施位置に着脱可能に取り付けて使用される可搬式液体検知ユニットであって、
   前記被測定系を励振するための測定用超音波ビームを超音波送信面から出力可能な超音波出力部と、
   前記超音波出力部の超音波送信面、又はその超音波送信面にさらに密着配置された音響インピーダンス整合層の前記超音波送信面との密着側とは反対側の先端面が外部に露出して前記容器の壁部外面と接触する容器接触面を構成するように、少なくとも前記超音波出力部が内部に収納配置されたケース体と、
   前記容器の壁部外面から離脱した非測定時に、前記容器接触面を外側から覆う形で前記ケース体に装着されるキャップ体とを備え、
   前記キャップ体の内部には、前記容器接触面と容器の壁部外面との間の音響インピーダンスを整合させるための整合材料である流動性結合剤を収容する保持部が形成され、
   前記キャップ体を前記ケース体に装着したときには前記容器接触面が前記保持部に挿入され、前記キャップ体を前記ケース体から外したとき前記保持部の流動性結合剤が前記容器接触面に付着し、前記容器に取り付けて液体を測定する際に前記容器接触面が前記流動性結合剤を介して前記容器の壁部外面に接触することを特徴とする可搬式液体検知ユニット。
2. 前記超音波出力部は、前記被測定系からの残響超音波及び前記被測定系における反射超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段又は反射超音波検出手段に兼用され、
   前記キャップ体は、前記容器接触面からビーム出力方向に所定距離離間して対向配置される蓋部を有し、
   前記キャップ体を前記ケース体に装着した状態で、前記超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部が前記キャップ体の蓋部からの残響情報又は反射情報を検出することによって前記超音波トランスジューサの作動確認を可能とする請求項１に記載の可搬式液体検知ユニット。
3. 前記キャップ体の蓋部内面には前記超音波出力部から出力された測定用超音波ビームを反射するための反射体が装着され、
   前記キャップ体を前記ケース体に装着した状態で、前記超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部が前記キャップ体の反射体からの反射情報を検出することによって前記超音波トランスジューサによる液体検知が可能であるか否かの確認を可能とする請求項２に記載の可搬式液体検知ユニット。
4. 前記キャップ体を前記ケース体に装着した状態で、前記超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部が前記測定用超音波ビーム出力時の自己残響超音波を検出することにより、前記超音波トランスジューサ自体の作動が正常であるか否かの確認を可能とする請求項３に記載の可搬式液体検知ユニット。
5. 前記キャップ体を前記ケース体に装着した状態で、前記超音波出力部から測定用超音波ビームを出力したとき、その超音波出力部が前記測定用超音波ビーム出力時の自己残響超音波を検出し、かつ前記反射体からの反射超音波の検出レベルが所定値未満であることを検出することにより、前記キャップ体の保持部に収容された流動性結合剤の残存量の確認を可能とする請求項３又は４に記載の可搬式液体検知ユニット。
6. 前記キャップ体の内部には、前記容器接触面と反射体との離間距離を一定に維持するとともに、前記保持部を区画するための区画壁が形成されている請求項３ないし５のいずれか１項に記載の可搬式液体検知ユニット。
7. 前記キャップ体には、前記超音波出力部から前記反射体へ向けて出力された測定用超音波ビームのうち前記反射体から前記キャップ体自身に伝播するノイズ成分を前記超音波出力部に到達して検出される前に減衰させるための減衰部が形成されている請求項３ないし６のいずれか１項に記載の可搬式液体検知ユニット。
8. 前記キャップ体は、前記容器接触面と反射体との離間距離を一定に維持するために剛性を有する合成樹脂材料で構成されるとともに、前記減衰部は前記ノイズ成分を減衰するために弾性を有し振動を生じやすい弾性材料で構成されている請求項７に記載の可搬式液体検知ユニット。
9. 前記キャップ体は前記蓋部の外周縁部から筒状に突出して前記ケース体に嵌合する筒状部を有するとともに、
   前記減衰部は前記筒状部の内周面から内側に向かい周方向に沿って突出形成されている請求項７又は８に記載の可搬式液体検知ユニット。
10. 前記容器が金属タンクであり、前記超音波出力部は前記金属タンクの金属壁部に取り付けられ、その金属壁部の厚さ方向に前記測定用超音波ビームを出力するものである請求項１ないし９のいずれか１項に記載の可搬式液体検知ユニット。

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