JP2010519531A - 流体面位置測定法及びそのためのシステム - Google Patents

Abstract

タンクに対する第１の位置からタンク内の流体表面に向かって超音波検知ビームを放射し、概してタンク底部に垂直でありタンク底部と交差する軸を定義する超音波検知ビームの経路の少なくとも一部を形成するための超音波放射手段であり第１の位置はタンク底部に近接する；第１の位置から偏した第２の位置においてタンク内の流体の表面から反射された超音波検知ビームからエコーを受信するための超音波受信手段；超音波検知ビームから受信するエコー及び第１の位置と第２の位置との間の距離を用いる少なくとも一つの流体面位置の決定手段、を含むタンク内の流体面位置を測定する超音波システム。そのようなシステムは導波路の使用を必要とせずに変換器の死角によって引き起こされる制限の排除を可能にする。参照ターゲットはタンク内の流体混合物の音速に関して、及び流体混合物密度の測定に関して、システムを較正するのに使用されてよい。

Description

本発明は、流体面位置測定に関する。より詳細には、本発明は、液体及び気体等のタンク中の流体面位置を、超音波を用いて測定するための方法及びシステムに関する。

超音波を用いる方法を含む、容器中の流体面位置を測定する多くの方法及びシステムが知られている。

これらの最近の技術の幾つかは不連続箇所を含む導波路に沿って伝わる超音波に基づき、導波路に沿った波形における変化が液体面位置の指標である。

他の方法によれば、導管内部で液面に向かって超音波ビームが放射され、エコーの受信の遅れは、エコー源からの距離、したがって液体面位置の指標である。

他の方法及びシステムはタンクの底部に取り付けられた単一の変換器を含み、その超音波ビームが流体の表面に向かって上方に向かうことができるようにする。

導波路又は導管の使用を含むか又は含まない、従来技術の全ての既知の超音波技術の欠点は、それらが変換器の死角に起因する制限を排除できないことである。

実は、この変換器の死角に相当する、タンク底部からの最小距離が測定できないことが既知の技術において見出された。従来技術において一般的に知られるように、超音波変換器の死角は変換器の表面から画像化され得る最も近い目標までの距離と等しい。これは、距離と等しい変換器のリングダウン時間に相当する。

米国特許出願第１１／０２９，４１５号明細書

より詳細には、本発明の第一の局面によれば、少なくとも一つの流体を含むタンク内の少なくとも一つの流体面位置を測定する方法が提供され、該方法は以下を含む。

・タンクに対して第１の位置からタンク中の少なくとも一つの流体表面に向かう超音波検知ビームを放射して、一般的にタンク底部に垂直である超音波検知ビーム経路の少なくとも一部を生成してタンク底部と交差する軸を定義する段階。第１の位置はタンク底部近傍である。

・第１の位置から偏した第２の位置において、タンク内の少なくとも一つの流体の表面から反射された超音波検知ビームからのエコーを受信する段階。

・超音波検知ビームから受信されたエコー、及び第１及び第２の位置の間の距離を用いて、少なくとも一つの流体面位置を決定する段階。

本発明の第２の局面によれば、タンク中において少なくとも一つの流体面位置を測定するためのセンサーアセンブリが提供され、該センサーアセンブリは以下を含む。

・一般的にタンク底部に平行である経路に沿って超音波検知ビームを放射するように、経路に沿って入る超音波エコーを受信するために、タンクに取り付けられた超音波変換器アセンブリ。超音波変換器アセンブリは死角によって特徴付けられる。

・タンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かう超音波検知ビームを反射するため、及びそこから受信した超音波エコーを反射して戻すため、超音波ビームの経路に沿ってタンクに取り付けられた一次リフレクタ。一次リフレクタは、少なくとも超音波変換器の死角の長さ、超音波変換器アセンブリから離隔される。

本発明の第３の局面によれば、タンク中において流体面位置を測定するためのセンサーアセンブリが提供され、該センサーアセンブリは以下を含む。

・タンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かう超音波検知ビームを放射するため、タンクに取り付けられた第１の超音波変換器。

・タンク内の少なくとも一つの流体の表面から反射された第１の検知ビームから超音波エコーを受信するための、第１の超音波変換器に隣接する、タンクに取り付けられた第２の超音波変換器。

本発明の第４の局面によれば、タンク内の少なくとも一つの流体面位置を測定するためのセンサーアセンブリが提供され、該センサーアセンブリは以下を含む。

・タンクに対する第１の位置からタンク内の少なくとも一つの流体表面に向かう超音波検知ビームを放射し、一般的にタンク底部に垂直でありタンク底部と交差する軸を定義する超音波検知ビームの経路の少なくとも一部を形成するための超音波放射手段。第１の位置はタンク底部に近接する。

・第１の位置から偏した第２の位置において、タンク内の少なくとも一つの流体表面から反射された超音波検知ビームからエコーを受信するための超音波受信手段。

・超音波検知ビームから受信するエコー及び第１の位置と第２の位置との間の距離を用いる、少なくとも一つの流体面位置の決定手段。

本発明の第５の局面によれば、流体混合物を含むタンク内の流体混合物面位置及び密度を測定するための統合された方法が提供され、該方法は以下を含む。

・ｉ）タンク内の流体混合物表面に向かって、及びｉｉ）タンクに対する第１の位置からタンク内の参照ターゲットに向かって、一般的にタンク底部に垂直でありタンク底部と交差する軸を定義する超音波検知ビームの経路の少なくとも一部を形成する、超音波検知ビームを放射する段階。第１の位置はタンク底部に近接する。

・ａ）タンク内の流体表面から、及びｂ）第１の位置から偏した第２の位置における参照ターゲットから、反射された超音波検知ビームからエコーを受信する段階。

・超音波検知ビームから受信するエコー及び第１の位置と第２の位置との間の距離を用いて、流体混合物面位置を決定する段階。

・タンク内の流体混合物の温度を測定する段階。

・参照ターゲットから反射された超音波検知ビームからのエコー、及びタンク内の流体混合物の温度を用いて、流体混合物の密度を決定する段階。

本発明の第６の局面によれば、流体混合物の密度を測定するための方法が提供され、該方法は以下を含む。

・流体混合物を識別する段階。

・流体混合物の温度を測定する段階。

・流体混合物内の参照ターゲットに向かって超音波検知ビームを放射する段階。参照ターゲットは超音波検知ビームを放射する変換器から所定の距離の位置に配置される。

・参照ターゲットに向かって超音波検知ビームを放射した後、測定された時間遅れの後、参照ターゲットから反射された超音波検知ビームからのエコーを受信する段階。

・測定された時間遅れ、流体混合物の温度及び流体混合物の種類、を用いて、流体混合物中の少なくとも一つの流体の比を決定する段階。

ここで圧縮タンクは、気体又は液体又はそれらの混合物等の流体を含むための、例えばその頂部が閉じたか又は開いた任意の容器又は受容物を含むと解釈されるべきである。

タンクのための従来の超音波による面位置測定法及びシステムと比較して、本方法及びシステムはタンク内部又は側部に変換器を取り付けることを可能にし、アセンブリを道路の段差との偶発的な接触から保護することを可能にする。

本装置は、水と燃料等、流体の複数の液面を測定することを可能とする。

本発明によるタンク内の液面を測定するセンサーアセンブリは、音響ガイドを用いる従来技術の殆どの超音波ベースの液面測定システムと比較して以下の有利な点を提示する。

・死角の排除。

・タンクの傾きに対する適応を可能にする。

・システム内に含む部品が少ない。

・圧力解放のための開放を必要とせず、容易に設置するためタンク内部において潜った状態で操作し得る。

・導波路内において液体が目標を超える又は達しないことがない。

・導波路内において内部反射及び空気／ガスバブルの決定を必要としない。

・センサーアセンブリに、製品寿命にわたって不変でなくてはならない構成を有する導波路を含むという制限がない。

本発明の第１の例示的な実施形態による流体面位置測定システムの概略図であり、このシステムは内部の液体面位置を測定するためタンクに取り付けられて説明される。タンクは断面図で示される。 図２及び２ａは、本発明の第２及び第３の例示的な実施形態によるタンク中の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリを説明する概略図である。参照ターゲットの使用をさらに説明し、図２ａのアセンブリはタンク内部に取り付けられる。 図２及び２ａは、本発明の第２及び第３の例示的な実施形態によるタンク中の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリを説明する概略図である。参照ターゲットの使用をさらに説明し、図２ａのアセンブリはタンク内部に取り付けられる。 本発明の第４の例示的な実施形態による流体面位置測定システムの概略図であり、このシステムは内部の液体面位置を測定するためタンクに取り付けられて説明される。タンクは断面図で示される。 図３のシステムの概略図であり、図３及び４はタンクの傾きに適応させるためのビームエキスパンダーの使用を説明する。タンクは図４において傾いて説明される。 本発明の第５の例示的な実施形態による、ビームエキスパンダー、リフレクタ及び／又は参照ターゲットを用いてタンク中の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリの概略図である。 本発明の第６の例示的な実施形態による、ビームエキスパンダー、リフレクタ及び／又は参照ターゲットを用いてタンク中の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリの概略図である。 本発明の第７の例示的な実施形態による、ビームエキスパンダー、リフレクタ及び／又は参照ターゲットを用いてタンク中の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリの概略図である。 本発明の第８の例示的な実施形態による、ビームエキスパンダー、リフレクタ及び／又は参照ターゲットを用いてタンク中の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリの概略図である。 本発明の第９の例示的な実施形態による、ガソリン混合物中のエタノールの量を測定するための密度メータを組み込んだ、燃料パイプ断面の概略図である。 本発明の第１０の例示的な実施形態による流体面位置測定システムの概略図であり、このシステムは、液体面位置がタンク内部の一つの又は複数の所定の位置に達するとき検知するためタンクに取り付けられて説明される。タンクは断面図で示される。 本発明の第１１の例示的な実施形態による流体面位置測定システムの概略図であり、このシステムは、液体面位置がタンク内部の一つの又は複数の所定の位置に達するとき検知するためタンクに取り付けられて説明される。タンクは断面図で示される。 本発明の第１２の例示的な実施形態による流体面位置測定システムの概略図であり、このシステムは、液体面位置がタンク内部の一つの又は複数の所定の位置に達するとき検知するためタンクに取り付けられて説明される。タンクは断面図で示される。

本発明の他の目的、有利な点、及び特徴は、添付の図面を参照して例示によってのみ与えられる、説明される実施形態の以下の非制限的記載を読むことでより明白になるだろう。

以下の記載において、図面における同様の構造には同じ参照番号が与えられ、図を見易くするために、もしもそれらが既出の図に既に示されている場合、特定の要素は同じ図面に示されない。

本発明による第１の例示的な実施形態による面位置測定システム１０が、図１を参照して説明される。

システム１０は、液体の形態の流体１４で満たされた、タンク１２に取り付けられて説明される。以下に説明されるように、本発明による面位置測定システムは、タンク１２内で積層された分離された気体又は液体又はそれらの組み合わせの形態であってよい、タンク内の複数の流体の存在によりもたらされる複数の位置を測定することができる。

ここに記載されるように、システム１０は、底部１８からのタンク１２内の液体１４の面位置１６を測定することが可能である。以下の記載を読むことでより明らかになるように、タンク１２の底部に対する面位置１６以外の流体の相対的高さは、タンク１２内で測定システム１０を適切に位置決めすることによって、タンク１２内で測定され得る。

システム１０は、タンク１２内の液面１６を測定するため、アルゴリズムを用いて検知された信号を受け取りかつ読み取るコントローラ（図示せず）に結合されたセンサーアセンブリ１９を含む。コントローラは、タンク１２が車両のガスタンクであるとき、車両に搭載されたコントローラから、特定の目的のために構成されワイヤを用いてセンサーアセンブリ１９が接続された電気回路まで、様々な形態を取り得る。センサーアセンブリ１９は、あるいは又はさらに、ワイヤを用いずにコントローラに接続されてよい。コントローラは、センサーアセンブリ１９と一体化されてもよい。

センサーアセンブリ１９は、一般的にタンク１２の底部１８に対して平行である第１の水平経路２２に沿って超音波検知ビーム（図示されない）を放射するための、及び経路２２に沿って入るエコーを受信するための、タンク１２の外側の側壁に取り付けられた超音波変換器２０を含む。

変換器２０はタンクの外部フレームに結合され、操作の前に液体タンク１２を貫いて検知する、及び高さを体積に変換するため構成され及び較正される。そのような変換器に想到すること又は選択することは当業者の理解の範囲内であると考えられるので、詳細には記載しない。

アセンブリ１９は、液体１４の表面２６に向かって超音波検知ビームを反射するために、及び経路２２に沿って変換器２０に表面２６から受けたその指標である超音波エコーを反射して返すために、超音波ビームの経路２２に沿ってタンク１２に取り付けられたリフレクタ２４をさらに含む。

「経路」との表現は、ここでは変換器２０の視野を含むと解釈されるべきである（アセンブリ１９によって可能とされる）。超音波検知ビーム及び戻りの超音波エコーが必然的に例えば反対向きの方向で同じ経路を通ることを意味するとして解釈されるべきではない。

リフレクタ２４は、超音波変換器２０を特徴付ける死角を相殺するため超音波変換器２０から十分に離隔される。リフレクタ２４から変換器２０までの間の距離は、突発的な信号の放射の後、変換器２０が高い精度を有するようになるのに十分な時間を可能とする。

説明を目的として、図１においてタンク１２の寸法に対して変換器２０及びリフレクタ２４の寸法が誇張されていることに留意されたい。変換器２０及びリフレクタ２４はタンク１２に取り付けられ、液体２６の表面の方向にリフレクタ２４から発する検知ビームの一部がタンク１２の底部１８に出来るだけ近い位置から発することができるようにする。しかしながら、特定の用途において、液体面位置測定においてそのような精度は必要とされない。

リフレクタ２４は、流体内で超音波を反射する材料で作られた４５度の角を有する本体の一部を含む任意の形態を取ることができる。リフレクタ２４は、変換器２０とは独立にタンク１２に取り付けられてよく、又は変換器２０に取り付けられタンク１２に固定された単一の装置を形成してよい。

リフレクタ２４は超音波ビームのための、及び流体界面２６から反射したエコーのための折畳み要素（ｆｏｌｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）として働く。リフレクタ２４の使用は、超音波ビームがタンク１２の底部１８に平行に伸びることを可能にすることによって、タンク１２の底部１８に対して非常に低くてよい最小液面の検知を可能にする。図１に示されるセンサーアセンブリ構成によれば、単一の変換器２０が使用されてよく、変換器２０のアプローチリングはリフレクタ２４と変換器２０との間の距離が死角よりも大きい限り検知され得る最小面位置に影響しない。

システム１０がビームをその初期経路２２から９０度で反射させる４５度角を備えたリフレクタ２４を含む場合でさえ、本発明によるタンク内の流体面位置を測定するためのシステムはそのようなリフレクタに制限されない。さらなる例示的な実施形態（図示されない）によれば、他の角度で超音波ビームを反射するよう構成されたリフレクタが提供される。一般的にいえば、センサーアセンブリは、容器及びその内部の流体に適応された音響ビーム経路を生成する一つ以上のリフレクタを備え得る。例えば、システムは複数の方向変化を含むビーム経路を生成するよう構成されてよく、最近の燃料タンク内等タンク形状が不規則なとき有利な点であり得る。第１のリフレクタは一次リフレクタとみなされ、任意のさらなるリフレクタは二次リフレクタとみなされ得る。

リフレクタ２４は、特定の用途においてビーム角を形成する要素としてさらに働き得る。それは、返ってくるビームのコレクタとして用いられてもよい。

まとめると、以下の方法２００はタンク１２内の流体面位置１６を測定するシステム１０内で実行される。

２０２−超音波検知ビームは、タンク１２に対する第１の位置３０からタンク１２内の流体１４の表面２６に向かって放射され、概してタンク１２の底部に垂直であり、タンク１２の底部と交差する軸を定義する、超音波検知ビームの経路の一部を生成できるようにする。第１の位置３０は、検知ビームが反射されるリフレクタ２４の表面によって定義される。

２０４−第１の位置から偏した第２の位置３２における、タンク１２内の流体１４の表面２６から反射される超音波検知ビームからのエコーの受信。第２の位置３２は、超音波変換器の面によって画定される。

２０６−超音波検知ビームから受信されるエコー及び第１の位置３０と第２の位置３２との間の距離を用いる、流体面位置の測定。

上述のように、第１の位置３０はタンク１２底部に近接する。

段階２０６において、コントローラは第２の波が、用途、タンク１２の構成、及び／又はその中の流体１４の液面位置に応じて、変換器２０から、液体が気体と接する又はその上で他の流体と接する又は容器壁に接する面まで伝播するのに必要とされる時間を測定する。図１に説明される例において、この面は液体１４とその上の空気３４との間の界面２６によって定義される。この面２６は、変換器２０に戻るエコーを生成する部分的なリフレクタとして働く。コントローラはビームの飛行時間を測定し、流体１４中の既知の又は計算された音速に基づき、変換器２０と界面２６との間の距離を計算する。

流体面位置１６は、流体１４中の音速及び垂直経路２８内の総移動時間に基づき測定される。水平経路２２は計算では除外され、これはコントローラで実行される。

変換器２０は図１においてタンク１２の側部の外側に取り付けられて説明されているが、変換器２０は流体１４中に沈んだ密閉された装置の形態であってもよい。

変換器は密閉された筐体（図示されない）内に封入されてタンク１２内に取り付けられてもよい。リフレクタ３０はもちろんタンク１２内に完全に沈められる。特定の用途において、部分的に沈められたリフレクタ３０が提供されてよい。タンク１２が腐食性の流体を含まない場合、又は封入された変換器若しくは筐体が腐食性材料に耐性を有する場合、システムの残りは上述のままで変換器２０は流体に直接沈められてよい。

本発明の第２の例示的な実施形態によるタンク内の流体面位置を測定するセンサーアセンブリ３６が、図２を参照して記述される。センサーアセンブリ３６はアセンブリ１９と同じなので、及び簡潔さを目的として、二つのアセンブリ１９及び３６の間の相違のみがここで説明される。

タンク側壁３８の外側に取り付けられた超音波変換器２０、及び図１を参照して上述されたように動作可能なように取り付けられたリフレクタ２４に加えて、センサーアセンブリは参照ターゲット４０を含む。センサーアセンブリ３６はシステム４２の一部であり、コントローラをさらに含む（図示されない）。

参照ターゲット４０は、本体、又はタンク１２の床面１８に及び／若しくはリフレクタ２４に取り付けられた物体の形態であり、経路２２に沿って配置されることができるようにする。ターゲット４０は変換器２０からの超音波ビームを妨げないように十分に小さい。それは同様に、変換器２０死角の外に配置される。

第２の例示的な実施形態によれば、参照ターゲットは、そのタンク１２の側壁３８、すなわち変換器２０に対する距離４４が変更可能なように、タンク１２の床面１８にレール４３を介してスライド可能に取り付けられる

参照ターゲット４０はタンク１２内に含まれる流体又は流体混合物内の音速に関するシステム４２の較正を可能にする。従来技術においてよく知られると考えられるように、タンク内の音速は、流体温度、流体又は混合物の性質、又は流体内の音速の変化に寄与する任意の他のパラメータで変化し得る。これらのパラメータはどれも時間が経つにつれて変化し得るので、参照ターゲット４０を用いて、タンク内の任意の流体面位置測定を実行しつつ初期の較正が行われてよく、その後例えばタンク１２の形状の変化に対処するため固定された又は可変の間隔でさらなる較正が実行され得る。

ターゲット４０、リフレクタ２４、及び／又は変換器２０は組み合わされてよく、又は単一の装置の一部であってよく、又はシステム４２内の部品数を低減できるようにするため、及び設置を容易にするため本体であってよく、又はタンク１２の床若しくはタンク１２内部に設置されたポンプに独立に取り付けられてよい。同様に、センサーアセンブリ１０を参照して議論されてきたように、アセンブリ３６は底部以外の位置で、又は底部近傍でタンク１２に取り付けられてよく、他の参照に対する流体高さの測定ができるようにする。

ターゲット４０から反射されて戻ってくるエコー、及び変換器２０からの超音波ビームの放射と、対応する戻ってきたエコーとの間の遅れは、既知のパラメータがコントローラに供給されるときさらなる情報を計算するためコントローラによって使用され得る。

例えば、複数の既知の流体がタンク内で混合されたとき、流体混合物比の実態が決定され得、以下のパラメータを提供する。様々な混合比における音速、参照ターゲット４０から変換器２０までの距離４４、及び、例えばタンク内に温度計を加えることによって測定され得る、混合物温度。

例えば、ガソリン中のエタノールの含有量を測定するため、混合物中の音速は混合物中のエタノールの分率に依存する。音速は、混合物温度にも依存する。故に、温度が与えられれば、参照ターゲットへの飛行時間及び距離４４、音速及び比率はコントローラによって計算することができる。

反対に、タンク内の既知の流体又は流体混合物の温度はコントローラによって計算されることができ、参照ターゲット４０から変換器２０への距離４４を提供し、及び混合物中の比率がわかる。

当業者には明白であるように、変換器とリフレクタ２４との間の参照ターゲット４０を提供することは、流体の性質及び上述の平均流体温度に関連して反射表面２６への超音波飛行時間の較正を可能にする。

特定の用途において、リフレクタ２４は参照ターゲットとして使用されてよく、及び同様にタンク壁である。

参照によってここに組み込まれる、発明者Ａｇａｍらの、ＵＳ−２００６−０１６９０５５−Ａ１の下で２００６年８月３日に発行された、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｆｌｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ ｉｎ ａ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ」と題された、米国特許出願第１１／０２９，４１５号明細書に記載されるものと同様の自己較正法は、コントローラによってさらに実行され得る。上記明細書に記載された「導波路」の使用は本発明による方法及びシステムにおいてもちろん必要とされない。

さらなる例示的実施形態（図示されない）によれば、変換器２０は並んで変換器２０と同様にタンクに取り付けられた二つの変換器によって置き換えられてよい。二つの変換器はターゲット４０及びリフレクタ２４に向かって超音波検知ビームを送るエミッタ、及びそこから反射されるエコーを収集する受信器を含む。

本発明の超音波センサーアセンブリの第３の例示的な実施形態（図２ａ参照）によれば、アセンブリ３６からの一つ又は二つの変換器４５はタンク底部の内部に取り付けられる。

図３及び４は、本発明の第４の例示的実施形態による、タンク１２内の流体面位置を測定する超音波センサーアセンブリ４６を説明する。アセンブリ４６はアセンブリ１９と同様であるので、これらの二つのアセンブリの間の相違のみがここに記載される。

変換器２０及びリフレクタ２４に加えて、超音波センサーアセンブリ４６は、集められる超音波エネルギーを増大するビーム拡大器等のビームシェイパー及びコレクタをさらに含み、リフレクタ２４の下流でより幅広いビームを生成する。

リフレクタ２４の下流のビームサイズを増大することで、流体１４の表面２６から反射する、単一の超音波検知ビームによりもたらされる複数のエコーを形成する。図４に説明されるように、タンク１２が傾いているとき、反射されたビームは収集領域２４の外側で傾いてよい。ビームを広げることは、最後にエネルギーの一部が集められる確率を増大し、それによって面位置測定の実行を可能とする。そのようなビーム拡大器の使用なしでは、傾きを補償するために統計値が使用されなくてはならない場合がある。

図３及び４においてビーム拡大器はリフレクタ２４としても働く単一要素２４として説明されているが、ビーム拡大器及びビームコレクタは以下に記載されるようにリフレクタ２４又はタンク床１８に固定された独立した装置として提供され得る。

さらなる例示的実施形態において、ビーム形状変換器はビーム集中要素又は装置（図示されない）の形態である。

本発明の第５の例示的実施形態によるタンク（図示されない）内の流体面位置を測定するための超音波センサーアセンブリ５４を説明する図５に示されるように、ビーム拡大器が変換器２０上にさらに提供され得る。

アセンブリ５４は、超音波検知ビーム５８の幅を増大又は減少するよう、及びその変換器２４の収集断面を増大するよう、例えば変換器２０に動作可能に取り付けられた超音波ホーンの形態であってよい、収集開口部５６を備えた超音波変換器２０を含む。

超音波ホーンは従来技術において既知であると考えられるので、さらにより詳細に記載することはない。

ターゲット４０等の較正ターゲットは図５に示されていないが、図２に関連して上述されたように、流体１４中の音速の変化に対処するため、そのようなターゲットはアセンブリ５４又は２４に加えられることができる。

本発明のさらなる例示的実施形態に関連して明白となったように、本発明の範囲内で超音波センサーアセンブリにおける多くの他の変更が可能であり、例えば死角に固有の検知限界を最小化することを可能にする。

図６において、本発明の第６の例示的実施形態によるタンク（図示されない）内の流体面位置を測定するセンサーアセンブリ６０が示される。

アセンブリ６０は二つの並んだ変換器６６−６８、及び一体化されたリフレクタ／ターゲットアセンブリ７０を含む。二つの変換器６６−６８は、タンク側部の外側（図示されない）に取り付けられる。二つの変換器６６−６８のうち第１のものは、第１の水平経路７４に沿った超音波検知ビーム７２を放射する超音波エミッタ６６として働く。第２の変換器は第１経路７４に平行な第２の経路７６にのみ沿った流体から反射した超音波エコーを受信するための超音波受信器６８である。この方法は死角を排除することを可能にする一方で較正の実行も可能にする。

一体化されたリフレクタ／ターゲットアセンブリ７０は、超音波検知ビームを流体１４の表面２６に向かって反射するため、及び表面２６から受信した超音波エコーを変換器６８に反射して戻し経路７６に沿って指標とするため、経路７４−７６に沿ってタンクに取り付けられる。アセンブリ７０はターゲット部分７８及びリフレクタ部分７９を含む。ターゲット部分７８はエミッタ６６の視準線上にある。

アセンブリ６０の操作において、超音波エミッタ６６はビームを流体表面又は界面２６に向かって反射するリフレクタアセンブリ７０に向かって超音波ビームを放射する。界面２６から反射されたエコーはエミッタ６６の近傍に配置される受信器６８に反射され戻される。

変換器６６によって受信されるターゲット部分７８の指標であるエコーは、例えば上述したように流体混合物の変化に起因する、音速の相違に関してシステムを較正するため使用され得る。アセンブリ６０に加えて、システムは上述のようにコントローラを含む。

図７において、本発明の第７の例示的実施形態によるタンク（図示されない）内の流体面位置を測定するセンサーアセンブリ８０が示される。

センサーアセンブリ８０はアセンブリ１９と同様のものであり、簡潔にするため、二つのアセンブリ１９と８０との間の相違のみがここでさらに詳細に説明される。

アセンブリ８０は、第１の変換器２０の近傍に配置された超音波を放射及び受信することが可能である第２の変換器８２を含む。双方の変換器２０及び８２は、タンク（図示されない）内に取り付けられ、及びその底部（図示されない）に固定される。変換器２０及び８２は共に密閉される。それらは単一の覆いの中に組み立てられ、又はタンクに独立に固定されてよい。

リフレクタ２４に関する変換器２０の操作は図１を参照して説明される。

アセンブリ８０は、ターゲット４０（図２参照）と同様の較正ターゲット８４をさらに含み、該ターゲット４０はタンクに取り付けられて第２の変換器８２の超音波ビームの経路８６に沿って配置される。ターゲット８４はアセンブリ３６のターゲット４０と同じ目的を共有するが、簡潔にするためにここでは繰り返さない。ターゲット８４と第２の変換器８２とから構成される対は、ターゲット８４と第２の変換器８２とが動作可能であるように接続されている限り、経路２２に沿って並べられる必要がない。特定の用途において、タンク壁の一つ（図示されない）はターゲット８４として働いてよい。

図８において、本発明の第８の例示的実施形態によるタンク（図示されない）内の流体１４の面位置２６を測定するセンサーアセンブリ９０が示される。

アセンブリ９０は、超音波エミッタとして働く第１の変換器９２、及び超音波受信器として働く第２の変換器９４を含む。第１及び第２の変換器は互いに近接して、及び界面２６上の超音波検知ビーム９６によって引き起こされる反射が第２の変換器９４の視野９８の領域内であるように期待する流体界面２６に向けて、並んで取り付けられる。

アセンブリ９０は、上述のように流体１４内の音速の変化に関してシステムを較正するためにタンク壁（図示されない）又は第１若しくは第２の変換器９２又は９４に固定されたターゲット１００をさらに含む。ターゲット１００はそのような較正が用途によって必要とされないときに省略することができる。第１及び第２の変換器９２及び９４はタンク壁の外部又は内部に固定される。それらは共に容器に入れられるか又は独立にタンクに固定される。

センサーアセンブリ３６、４６、５４、６０、８０、及び９０は全て上述の方法２００の下で操作されることに留意されたい。

図９は、本発明の第９の例示的実施形態によるセンサーアセンブリ１０６を含む密度メータ１０４を組み込むパイプ１０２を示す。

センサーアセンブリ１０６は以下の例外があるがアセンブリ９０と同一である：ターゲット１００は省略され、サーミスタ１０８がさらに提供される。しかしながら、以下の記載を読むことでさらに明らかになるように、密度メータは独立型として使用されてよく、又はアセンブリ１９、３６、４６、５４、６０、８０、及び９０等の流体面位置センサーアセンブリの一部として使用されてよい。

センサーアセンブリ１０６及びサーミスタ１０８はどちらも封入体１１１の高い床１１０に固定され、該封入体は各々が封入体１１１内の燃料のための入口及び出口を定義する第１及び第２の向かい合った開口部１１２−１１４をさらに含む。封入体１１１及びより詳細には床１１０の壁（変換器１０６及び特定の用途ではコントローラを保護する）はステンレス鋼等硬い材料でできている。センサー１０６及び電子装置（図示されない）の流体による腐蝕に対する保護に加えて、封入体１１１の壁１２２が較正ターゲットとして使用される。

サーミスタ１０８及びセンサーアセンブリ１０６の変換器９２−９４はコネクタ１１６を介して又は従来のワイヤレス装置を用いてコントローラ（図示されない）に結合される。そのような装置は従来技術で良く知られていると考えられるので、簡潔のため、さらに詳細に述べることはしない。

封入体１１１はクランプ１１８を通じてその入口及び出口１１２−１１４を介してパイプ１０２に取り付けられ、封入体がパイプ１０２の拡張された部分を定義するようにしてよい。他の代替的な又はさらなる手段が封入体１１１をパイプ１０２に取り付けるため使用されてよい。

高くなった床以外の手段が、変換器９２−９４、サーミスタ１０８及び／又は電子装置を封入体１１１内の液体又は流体から保護するために使用されてよい。これらの部品は封入体１１１の外側に単に取り付けられてもよく、又は封入体１１１内の保護箱（図示されない）内に取り付けられてよい。

操作において、封入体１１１はそれがパイプ１０２内を移動するように流体によって満たされる（矢印１２０を参照されたい）。サーミスタ１０８は封入体１１１内の流体温度を測定し、コントローラは、センサーアセンブリ１０６に戻すため変換器の面に対向する封入体の表面１２２上で反射される、エミッタ９２によって放射される超音波パルスの時間を測定する。測定された飛行時間は混合物温度を提供する音速の計算を可能にする。この情報及び混合物を構成する流体が何であるか、は混合物原料の比を計算するためコントローラ（図示されない）によって使用される。

本発明の第１０の例示的実施形態によるタンク内の流体面位置を測定するためのセンサーアセンブリ１２４が、図１０を参照して説明される。上述のセンサーアセンブリと同様に、アセンブリ１２４はその変換器の死角の制限を打ち消すように構成される。しかしながら、以下の記載を読むことでより明らかになるように、センサーアセンブリ１２４はスィッチモードで操作する。

センサーレベルスィッチアセンブリ１２４は、概してタンク１２の底部１８に平行である第１の水平経路に沿って超音波検知ビーム１２８を放射するために、及び同じ経路に沿って入ってくる超音波エコーを受信するために、側方タンク１２外側に取り付けられた超音波変換器１２６を含む。

変換器１２６はタンク外側の枠に結合され、液体タンク１２を通じた検知操作の前に構成され、及び較正される。変換器１２６は、底部１８に対して、検知が所望される位置においてタンク１２に固定される。

操作において、変換器１２６は、検知ビーム１２８が例えば液体であってよい第１の流体１３０内、例えば空気若しくは他の気体であってよい第２の流体１３２内、又は二つの流体１３０−１３２の間の界面内を移動するかどうかに応じて異なる信号を生成する。タンク１２内の流体の性質、及び対応する超音波の特徴を提供すると、変換器１２６はこれらの流体のデジタルレベルセンシングスィッチとして働くことができる。上述のデジタルレベルセンシング法は死角によってもたらされるどのような測定上の制限も受けないことに留意されたい。

同様に、図１１に示されるように、複数の変換器１２６（三つ示される）が、タンク１２の底部１８に概して平行である複数の対応する超音波検知ビーム１３４−１３８を送るためタンクの高さに沿って様々な高さで提供され得、流体１４２の面位置１４０がタンク１２の対応する高さに達するとき独立に始動される複数のデジタルレベルセンシングスィッチを形成する。

そのようなデジタルレベルセンシングスィッチの数は変更されてよく、タンク１２の高さに沿ったそれらの位置も同様である。同様にコントローラ（図示されない）はタンク１２内の一つ又は複数の流体の信号の特徴を認識するよう構成されてよく、選択された一つ又は複数の流体の面位置がスィッチの高さに達するとき、各スィッチが始動できるようにする。

最後の測定又は全ての変換器１２６は同一の処理のため全ての三つの変換器１２６からの信号を受信するよう構成された単一のコントローラ（図示されない）に接続され得るので、変換器１２６の各々は、対応する経路１３４、１３６、又は１３８を横切る流体の性質が変化したかどうかを測定するため、そこに接続された変換器１２６からの信号を受信及び分析するよう構成された個々のコントローラ（図示されない）に接続されてよい。もちろん、後者の場合、コントローラは受信された特定の信号を対応する変換器に関連付けることを可能にする。

変換器１２６はタンク１２内に挿入されてもよい。より詳細には、図１２に示されるように、変換器は耐流体チューブガイド１４４内に取り付けられてよい。図１０を参照して説明されたタンク１２に対するそれらの取り付けと同様に、タンク１２の底部１８に概して平行であるビーム経路１４８−１５２に沿って超音波検知ビームを送るため、変換器１２６はチューブの内部面１４６に結合され、及びチューブ壁を通じて検知操作前に構成及び較正される。

図１０、１１、又は１２において説明されるセンサーアセンブリの任意の一つを備えるタンク内の流体レベルを測定するためのシステムは、コントローラに以下のパラメータを提供するタンク１２内の流体混合物を測定するのにさらに使用することができる：様々な混合物に対する音速、変換器と対向するタンク壁との間の距離、及び混合物温度。上述のように、混合物温度はタンク１２内に、コントローラに接続された、例えばサーミスタ（図示されない）を提供することによって得ることができる。

同様に、デジタルレベルセンシングスィッチを含む任意の上述のシステムは、例えば図２を参照して上述されるように、タンク１２内の環境条件内の変化に関してシステムを較正するため、図２におけるターゲット４０等の参照ターゲット（図示されない）をさらに含む。

本発明はその応用において添付の図に説明された及び上記記載された構成及び部分の詳細に制限されないことが理解されるべきである。本発明は他の実施形態であってよく、また様々な方法で実施されることができる。同様に、ここで使用される表現又は専門用語は制限ではなく説明を目的としていることは理解されるべきである。したがって、本発明はその例示的な実施形態によって上述のように記載されているが、添付されたクレームにおいて定義される本発明の精神、範囲、及び性質から逸脱することなく、修正することができる。

１２ タンク
１８ 底部
２０ 変換器
２４ リフレクタ
２６ 液体表面

Claims (37)

1. 少なくとも一つの流体を含むタンク内の少なくとも一つの流体面位置を測定する方法であって、以下の段階を含む方法：
   ・タンクに対して第１の位置からタンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かって超音波検知ビームを放射して、概してタンク底部に垂直である超音波検知ビーム経路の少なくとも一部を生成してタンク底部と交差する軸を定義する段階。第１の位置はタンク底部近傍である。
   ・第１の位置から偏した第２の位置において、タンク内の少なくとも一つの流体の表面から反射された超音波検知ビームからのエコーを受信する段階。
   ・超音波検知ビームから受信されたエコー、及び第１及び第２の位置の間の距離を用いて、少なくとも一つの流体面位置を決定する段階。
2. タンクに対する第１の位置からタンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かって超音波検知ビームを放射する前記段階は、タンク底部に概して平行である第２の位置からの超音波検知ビームの放射、及び第１の位置からのタンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かう超音波検知ビームの反射を含む、請求項１に記載の方法。
3. 同じ変換器が前記超音波検知ビームの放射と前記エコーの受信とを実行する、請求項１に記載の方法。
4. 第１の変換器が前記超音波検知ビームの放射を実行し、第２の変換器が前記エコーの受信を実行する、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも一つの流体面位置の決定が、少なくとも一つの流体の密度を計算するため少なくとも一つの流体内の音速の使用をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 少なくとも一つの流体内の音速の決定をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも一つの流体内の音速を決定する段階は、
   ｉ）タンク内に取り付けられたターゲットに向かって超音波検知ビームをさらに放射する段階、ｉｉ）そこからのターゲット指標からのエコーを受信する段階、及びｉｉｉ）段階ｉ）と段階ｉｉ）との間の遅れを決定する段階、を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ターゲットがタンク壁である、請求項７に記載の方法。
9. 以下をさらに含む、請求項１に記載の方法：
   ｉ）タンク内に取り付けられたターゲットに向かって超音波検知ビームをさらに放射する段階、ｉｉ）そこからのターゲット指標からのエコーを受信する段階、及びｉｉｉ）ターゲットと超音波検知ビームを放射する変換器との間の所定の距離を用いて段階ｉ）と段階ｉｉ）との間の遅れを決定する段階、及びｉｖ）他を提供する以下のパラメータの一つを決定する段階：少なくとも一つの流体の種類、少なくとも一つの流体内の音速、少なくとも一つの流体の温度、及び少なくとも一つの流体のうち少なくとも一つの流体の一つの比。
10. 少なくとも一つの流体が複数の積層された流体を含む、請求項１に記載の方法。
11. エコーが複数の積層された流体の間の界面から反射された超音波検知ビームの指標であり、少なくとも一つの流体面位置が複数の積層された流体によって画定される複数の流体面位置を含み、複数の流体面位置の各々は超音波検知ビームから受信されるエコーと、及び第１の位置と第２の位置との間の距離とを用いて決定される、請求項１０に記載の方法。
12. 少なくとも一つの流体が液体及び気体を含む、請求項１に記載の方法。
13. タンク内の少なくとも一つの流体面位置を測定するためのセンサーアセンブリであって、以下を含むセンサーアセンブリ：
    ・概してタンク底部に平行である経路に沿って超音波検知ビームを放射するように、経路に沿って入る超音波エコーを受信するため、タンクに取り付けられた超音波変換器アセンブリ；超音波変換器アセンブリは死角によって特徴付けられる；
    ・タンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かって超音波検知ビームを反射するため、及びそこから受信した超音波エコーを反射して戻すため、超音波ビームの経路に沿ってタンクに取り付けられた一次リフレクタ；一次リフレクタは、少なくとも超音波変換器の死角の長さ、超音波変換器アセンブリから離隔される。
14. 少なくとも一つの流体内の音速に関してセンサーアセンブリを較正するため参照ターゲットをさらに含む、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
15. 参照ターゲットは一次リフレクタである、請求項１４に記載のセンサーアセンブリ。
16. 参照ターゲットに向かって超音波較正ビームをさらに放射する超音波変換器アセンブリである、請求項１４に記載のセンサーアセンブリ。
17. 超音波変換器アセンブリが、超音波検知ビームを放射するための、及び超音波エコーを受信するための、単一の超音波変換器を含む、請求項１４に記載のセンサーアセンブリ。
18. 参照ターゲットが概してタンク底部に平行である経路に沿って超音波変換器と一次リフレクタとの間に配置される、請求項１７に記載のセンサーアセンブリ。
19. 参照ターゲットが一次リフレクタに取り付けられる、請求項１７に記載のセンサーアセンブリ。
20. 検知ビームを変換するためのビーム形状変換器をさらに含む、請求項１７に記載のセンサーアセンブリ。
21. ビーム形状変換器が一次リフレクタの一部である、請求項２０に記載のセンサーアセンブリ。
22. 超音波変換器がタンクに取り付けられ、タンク底部近傍で超音波検知ビームを放射することができる、請求項１７に記載のセンサーアセンブリ。
23. 超音波検知ビームを変換するためのビーム形状変換器をさらに含む、請求項２２に記載のセンサーアセンブリ。
24. ビーム形状変換器は超音波変換器に取り付けられる、請求項２３に記載のセンサーアセンブリ。
25. 超音波変換器アセンブリがタンク側壁の外側に取り付けられる、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
26. 超音波変換器アセンブリが密閉されてタンク内に取り付けられる、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
27. 一次リフレクタと超音波変換器アセンブリとが互いに組み立てられた、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
28. 一次リフレクタが４５°の部分を含み、該部分が超音波検知ビームを少なくとも一つの流体の表面に向かって概して底部に平行である経路から９０°で反射する、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
29. 一次リフレクタと少なくとも一つの流体の表面との間の二次音響ビーム経路を生成するための、少なくとも一つの二次リフレクタをさらに含む、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
30. 超音波変換器アセンブリが概してタンク底部に平行である経路に沿って超音波検知ビームを放射する第１の超音波変換器と、超音波検知ビームと平行である経路に沿って入る超音波エコーを受信するため第１の超音波変換器の近傍に取り付けられた第２の変換器とを含む、請求項１３に記載のセンサーアセンブリ。
31. タンク内の流体面位置を測定するセンサーアセンブリであって、以下を含むセンサーアセンブリ：
    ・タンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かって超音波検知ビームを放射するための、タンクに取り付けられた第１の超音波変換器、
    ・タンク内の少なくとも一つの流体の表面から反射された第１の検知ビームからの超音波エコーを受信するための、第１の超音波変換器の近傍でタンクに取り付けられた第２の超音波変換器。
32. 少なくとも一つの流体内の音速に関してセンサーアセンブリを較正するための参照ターゲットをさらに含む、請求項３１に記載のセンサーアセンブリ。
33. 参照ターゲットが超音波検知ビームと部分的に交差する、請求項３２に記載のセンサーアセンブリ。
34. タンク内の少なくとも一つの流体面位置を測定するセンサーアセンブリであって、以下を含むセンサーアセンブリ：
    ・タンクに対する第１の位置からタンク内の少なくとも一つの流体の表面に向かって超音波検知ビームを放射し、概してタンク底部に垂直でありタンク底部と交差する軸を定義する超音波検知ビームの経路の少なくとも一部を形成するための超音波放射手段。第１の位置はタンク底部に近接する。
    ・第１の位置から偏した第２の位置において、タンク内の少なくとも一つの流体の表面から反射された超音波検知ビームからエコーを受信するための超音波受信手段。
    ・超音波検知ビームから受信するエコー及び第１の位置と第２の位置との間の距離を用いる、少なくとも一つの流体面位置の決定手段。
35. 少なくとも一つの流体が少なくとも一つの液体及び気体を含む、請求項３４に記載のセンサーアセンブリ。
36. 流体混合物を含むタンク内の流体混合物面位置及び密度を測定するための統合された方法であって、以下を含む方法。
    ・ｉ）タンク内の流体混合物表面に向かって、及びｉｉ）タンクに対する第１の位置からタンク内の参照ターゲットに向かって、概してタンク底部に垂直でありタンク底部と交差する軸を定義する超音波検知ビームの経路の少なくとも一部を形成する、超音波検知ビームを放射する段階。第１の位置はタンク底部に近接する。
    ・ａ）タンク内の流体表面から、及びｂ）第１の位置から偏した第２の位置における参照ターゲットから、反射された超音波検知ビームからエコーを受信する段階。
    ・超音波検知ビームから受信するエコー及び第１の位置と第２の位置との間の距離を用いて、流体混合物面位置を決定する段階。
    ・タンク内の流体混合物の温度を測定する段階。
    ・参照ターゲットから反射された超音波検知ビームからのエコー、及びタンク内の流体混合物の温度を用いて、流体混合物の密度を決定する段階。
37. 流体混合物の密度を測定するための方法であって、以下を含む方法：
    ・流体混合物を識別する段階。
    ・流体混合物の温度を測定する段階。
    ・流体混合物内の参照ターゲットに向かって超音波検知ビームを放射する段階。参照ターゲットは超音波検知ビームを放射する変換器から所定の距離の位置に配置される。
    ・参照ターゲットに向かって超音波検知ビームを放射した後、測定された時間遅れの後、参照ターゲットから反射された超音波検知ビームからのエコーを受信する段階。
    ・測定された時間遅れ、流体混合物の温度及び流体混合物の種類、を用いて、流体混合物中の少なくとも一つの流体の比率を決定する段階。

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