JP2011002326A - Ultrasonic liquid level meter - Google Patents

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Yoshihiro Sekine
良浩 関根
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic liquid level meter in which errors due to the plate thickness of a container bottom part hardly occur, when a liquid level is detected by an ultrasonic transducer mounted to the container bottom part.SOLUTION: When the ultrasonic transducer 2 is driven into a burst as changing its frequency to emit ultrasonic waves toward a liquid level via a bottom part of a container 30, extremum values periodically appear in detection information at each frequency generated in the ultrasonic transducer 2, with the driving corresponding to the appearance of plate-thickness natural frequencies of different orders. By taking advantage of this, it is possible to specify a plurality of plate-thickness natural frequencies of different orders of the bottom part of the container 30. When the height of a liquid level in the container 30 is computed, on the basis of received signals of liquid-level reflected waves RW at a driving frequency for liquid-level detection, by performing correction on the basis of a value of the plate thickness (t), it is possible to correctly specify the height of the liquid level at all times; even when the plate thickness of the container 30 has varied and reliability, for example, when a meter is read on the remaining quantity of gas in the container 30 is improved on the basis of the height of the liquid level.

Description

本発明は超音波液面計に関する。   The present invention relates to an ultrasonic liquid level gauge.

従来、容器底部下面に超音波トランスジューサを取り付け、容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、該測定用超音波が液面位置で反射して戻ってくるまでの伝播往復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超音波液面計が知られている(特許文献1、2)。   Conventionally, an ultrasonic transducer is attached to the lower surface of the bottom of the container, a measurement ultrasonic wave is sent out toward the liquid level through the bottom of the container, and the propagation round-trip time until the ultrasonic wave for measurement is reflected back at the liquid surface position There is known an ultrasonic liquid level gauge that can know the height of the liquid level by measuring (Patent Documents 1 and 2).

特許3378231号公報Japanese Patent No. 3378231 特許4083038号公報Japanese Patent No. 4083038

上記超音波液面計においては、測定により得られた往復伝播時間を実際の液面高さ情報に変換するために、液体の音速が正確に特定されている必要がある。しかし、音速は液体の種別(例えば、収容されている液体が都市ガスやLPGの場合はガスの組成)や温度によって変化するので、液面測定上の誤差要因となる。従来の超音波液面計では、音速一定の条件で伝播時間から液面高さが算出・出力されるようになっており、このような測定誤差解消のための補正を、その出力された液面高さを温度ないし組成を勘案して、ユーザーサイドでマニュアル計算により把握することが行われていた。しかし、このようなことは、わざわざ補正換算して液残量を把握せねばならず、利便性が悪く手間がかり、また、マニュアル計算により液面高さ(すなわち、容器中の液残量)を把握するにしても、温度やガス組成等に応じた補正係数をユーザーが把握していることが条件となるので、補正係数自体が未知であれば、そもそも対応不能であることはいうまでもない。   In the ultrasonic liquid level meter, in order to convert the round-trip propagation time obtained by measurement into actual liquid level information, the sound speed of the liquid needs to be specified accurately. However, since the speed of sound changes depending on the type of liquid (for example, the composition of the gas when the stored liquid is city gas or LPG) and the temperature, it becomes an error factor in liquid level measurement. In conventional ultrasonic level gauges, the liquid level is calculated and output from the propagation time under the condition that the sound speed is constant, and corrections for eliminating such measurement errors are performed. The surface height has been grasped by manual calculation on the user side, taking temperature and composition into consideration. However, such a thing has to be bothered and corrected to grasp the remaining amount of liquid, which is inconvenient and cumbersome, and the liquid level height (that is, the remaining amount of liquid in the container) is manually calculated. Even if it is grasped, it is a condition that the user knows the correction coefficient corresponding to the temperature, gas composition, etc., so it goes without saying that if the correction coefficient itself is unknown, it can not be handled in the first place. .

本発明の課題は、容器底部に取り付けた超音波トランスジューサにより液面検出する際に、種々の要因による測定誤差を簡便な方式により液面計側で自発的に補正することができ、ひいては測定精度を向上できる超音波液面計を提供することにある。   The problem of the present invention is that when the liquid level is detected by an ultrasonic transducer attached to the bottom of the container, the measurement error due to various factors can be corrected spontaneously on the liquid level meter side by a simple method, and thus the measurement accuracy It is to provide an ultrasonic liquid level gauge capable of improving the above.

課題を解決するための手段及び発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

上記の課題を解決するために、本発明の超音波液面計は、
液体を収容した容器からなる被測定系において容器底部に取り付けられ、該容器底部を介して液体中に測定用超音波を送出するとともに該測定用超音波の反射波を受信する超音波トランスジューサと、
超音波トランスジューサによる受信波形において、測定用超音波のメインローブに由来したメイン反射波形とサイドローブに由来したサイド反射波形とを分離して特定する反射波形特定手段と、
メイン反射波形とサイド反射波形との双方に基づいて容器中の液面位置に関する情報を生成する液面位置情報生成手段と、
生成した液面位置情報を出力する液面位置情報出力手段と、を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the ultrasonic liquid level meter of the present invention is
An ultrasonic transducer that is attached to the bottom of a container in a system to be measured that includes a container containing liquid, sends ultrasonic waves for measurement into the liquid via the bottom of the container, and receives reflected waves of the ultrasonic waves for measurement;
In the received waveform by the ultrasonic transducer, a reflected waveform specifying means for separating and specifying the main reflected waveform derived from the main lobe of the measurement ultrasonic wave and the side reflected waveform derived from the side lobe,
Liquid level position information generating means for generating information on the liquid level position in the container based on both the main reflection waveform and the side reflection waveform;
Liquid level position information output means for outputting the generated liquid level position information.

超音波トランスジューサが発する超音波ビームには、送信面の法線方向(すなわち、中心軸線方向)に生ずる音圧の高いメインローブ(主極)と、法線方向から外れた向きに斜めに広がりながら送出される音圧の低いサイドローブ(副極)とがある。従来の超音波液面計においては専らメインローブのみが用いられていたのに対し、本発明においてはサイドローブも併用し、メインローブに由来したメイン反射波形とサイドローブに由来したサイド反射波形との双方に基づいて容器中の液面位置に関する情報を生成するようにしたので、メインローブのみを用いる場合と比較して液面検出の精度を高めることができる。   The ultrasonic beam emitted from the ultrasonic transducer has a main lobe (main pole) with a high sound pressure generated in the normal direction of the transmission surface (that is, the central axis direction) and an obliquely expanding direction away from the normal direction. There is a side lobe (secondary pole) with a low sound pressure to be transmitted. In the conventional ultrasonic liquid level meter, only the main lobe is used, whereas in the present invention, the side lobe is also used, and the main reflection waveform derived from the main lobe and the side reflection waveform derived from the side lobe Since the information on the liquid level position in the container is generated based on both of the above, the accuracy of the liquid level detection can be improved as compared with the case where only the main lobe is used.

超音波トランスジューサは、従来通り、板状の容器底部裏面に対しメインローブの液面反射波を直接受信可能な位置に取り付けることができる。液面によるメインローブの直接反射波形を受信することで、従来の液面系と同様に、該直接反射波形の情報を液面位置の基礎情報として用いることができる。他方、超音波トランスジューサの該取付形態を採用した場合、サイドローブはメインローブから側壁内面側に遠ざかりながら広がるように送出されるので、これを考慮して次のような構成を採用することができる。   The ultrasonic transducer can be attached to a position where it can directly receive the liquid surface reflected wave of the main lobe with respect to the back surface of the bottom of the plate-like container. By receiving the direct reflection waveform of the main lobe by the liquid level, the information of the direct reflection waveform can be used as the basic information of the liquid level position as in the conventional liquid level system. On the other hand, when the mounting form of the ultrasonic transducer is adopted, the side lobe is sent out so as to spread away from the main lobe toward the inner surface of the side wall, so that the following configuration can be adopted in consideration of this. .

すなわち、容器の側壁内面に、液面に向けてメインローブは通過させる一方、容器底部に対し超音波トランスジューサの受信面から外れた位置に反射波が入射するようにサイドローブを反射する反射部材を取り付ける。反射波形特定手段は、メインローブの液面反射波形をメイン反射波形として、容器底部に入射し該容器底部内を多重反射しつつ超音波トランスジューサの受信面に到達するサイドローブの波形をサイド反射波形として特定するものとして構成する。超音波トランスジューサから送信されたメインローブは液面で直角に反射し、無反射で超音波トランスジューサに戻ってくるので、液面高さによらず伝播経路は送信面法線方向と一致しており、伝播長は液面高さに比例して変化する。しかし、サイドローブは送信面法線方向に対して傾いている関係上、液面で反射させる形態を採用すると、該液面と容器側壁内面や底部内面にて繰り返し反射を起こし、その伝播経路は液面位置に応じて大きく変化する。そこで、上記の構成では、液面位置とは無関係にサイドローブに対して定常的な反射面を与える反射部材を容器内部に配置し、該反射部材によりサイドローブの反射位置を固定化したので、サイドローブの反射伝播経路が液面位置に影響されなくなり、サイド反射波形を考慮した液面位置算出アルゴリズムを大幅に簡略化できる。   That is, a reflecting member that reflects the side lobe so that a reflected wave is incident on the inner surface of the side wall of the container toward the liquid surface while the reflected wave is incident on the bottom of the container away from the receiving surface of the ultrasonic transducer. Install. The reflected waveform specifying means uses the liquid surface reflected waveform of the main lobe as the main reflected waveform, and reflects the side lobe waveform that enters the bottom of the container and multi-reflects within the bottom of the container while reaching the receiving surface of the ultrasonic transducer. As specified. The main lobe transmitted from the ultrasonic transducer is reflected at a right angle on the liquid level and returns to the ultrasonic transducer without reflection, so the propagation path matches the normal direction of the transmission surface regardless of the liquid level. The propagation length varies in proportion to the liquid level. However, because the side lobe is tilted with respect to the normal direction of the transmission surface, if the liquid surface is used for reflection, the liquid surface and the inner surface of the container side wall and the bottom surface are repeatedly reflected, and the propagation path is It changes greatly according to the liquid level position. Therefore, in the above configuration, a reflecting member that gives a stationary reflecting surface to the side lobe regardless of the liquid surface position is arranged inside the container, and the reflecting position of the side lobe is fixed by the reflecting member. The reflection propagation path of the side lobe is not affected by the liquid surface position, and the liquid surface position calculation algorithm considering the side reflection waveform can be greatly simplified.

具体的には、液面位置情報生成手段は、測定用超音波を送出してからメイン反射波形を検出するまでのメインローブの液面往復伝播時間を計測するメインローブ液面伝播時間計測手段と、測定用超音波を送出してからサイド反射波形を検出するまでのサイドローブの伝播時間を計測するサイドローブ伝播時間計測手段とを有するものとして構成できる。また、液面位置情報生成手段は、メインローブの液面往復伝播時間とサイドローブの伝播時間との双方に基づいて容器中の液面高さを液面位置に関する情報として演算するものとして構成できる。液面位置とは無関係にサイドローブの反射伝播経路が一定化することで、測定系に誤差要因が全く存在しなければサイドローブの伝播時間は一定となる。逆に言えば、サイドローブの伝播時間に変化が生ずれば、その変化は測定系に生じた誤差要因を反映したものとなる。上記の構成によれば、メインローブの液面往復伝播時間とサイドローブの伝播時間との双方に基づいて、測定系の誤差要因を考慮した液面高さの演算が簡単に実現できる。   Specifically, the liquid surface position information generating means includes a main lobe liquid surface propagation time measuring means for measuring the liquid surface reciprocating propagation time of the main lobe from the time when the measurement ultrasonic wave is transmitted until the main reflection waveform is detected. Further, it can be configured to have side lobe propagation time measuring means for measuring the propagation time of the side lobe from when the measurement ultrasonic wave is transmitted until the side reflection waveform is detected. Further, the liquid surface position information generating means can be configured to calculate the liquid surface height in the container as information on the liquid surface position based on both the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe and the propagation time of the side lobe. . Regardless of the liquid surface position, the reflection propagation path of the side lobe is made constant so that the propagation time of the side lobe is constant if there is no error factor in the measurement system. In other words, if a change occurs in the propagation time of the side lobe, the change reflects an error factor generated in the measurement system. According to the above configuration, it is possible to easily realize the calculation of the liquid level considering the error factor of the measurement system based on both the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe and the propagation time of the side lobe.

より具体的には、液面位置情報生成手段は、メインローブの液面往復伝播時間に基づいて容器中の液面高さを演算する液面高さ演算手段と、演算された液面高さをサイドローブの伝播時間に基づいて補正する液面高さ補正手段とを有するものとして構成できる。メインローブの液面往復伝播時間から演算される液面高さを、サイドローブの伝播時間に基づいて補正することで、簡便な手法により液面高さの特定精度を大幅に向上することができる。   More specifically, the liquid surface position information generating means includes a liquid surface height calculating means for calculating the liquid surface height in the container based on the liquid surface reciprocating propagation time of the main lobe, and the calculated liquid surface height. And a liquid level correction means for correcting the value based on the propagation time of the side lobe. By correcting the liquid surface height calculated from the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe based on the propagation time of the side lobe, the specific accuracy of the liquid surface height can be greatly improved by a simple method. .

例えば、液面位置情報生成手段は、サイドローブの伝播時間に基づいて液体中の音速を演算する音速演算手段と、メインローブの液面往復伝播時間と、サイドローブの伝播時間に基づいて演算された音速とに基づいて容器中の液面高さを演算する液面高さ演算手段とを有するものとして構成できる。液体の種別が相違したり、あるいは液面検出温度が変化する場合は液体中の音速が変化したりする。サイドローブの伝播経路が一定であれば、液体中の音速が変化することにより伝播時間が変化するので、当該サイドローブの伝播時間の計測結果から液体中の音速を正確に特定することができる。そして、その特定された音速とメインローブの液面往復伝播時間とを用いれば、容器中の液面高さを正確に算出することができる。液体中の音速は、例えばサイドローブの伝播時間と音速との関係を予め伝播時間/音速情報として記憶保持ないし取得しておくことで、簡単に特定することができる。   For example, the liquid surface position information generating means is calculated based on the sound speed calculating means for calculating the sound speed in the liquid based on the propagation time of the side lobe, the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe, and the propagation time of the side lobe. And a liquid level calculating means for calculating the liquid level in the container based on the sound speed. If the type of liquid is different or the liquid level detection temperature changes, the speed of sound in the liquid changes. If the propagation path of the side lobe is constant, the propagation time changes due to the change of the sound speed in the liquid, so that the sound speed in the liquid can be accurately identified from the measurement result of the propagation time of the side lobe. Then, using the identified sound velocity and the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe, the liquid surface height in the container can be accurately calculated. The speed of sound in the liquid can be easily specified by, for example, storing or holding in advance the relationship between the propagation time of the side lobe and the sound speed as propagation time / sound speed information.

この場合、容器内に収容可能な液体の種別と各液体の音速との相関を特定する液体種別・音速相関情報を取得する液体種別・音速相関情報取得手段を設けることができる。液体種別・音速相関情報取得手段は、例えば液体種別・音速相関情報の記憶手段(メモリ)として構成してもよいし、液体種別・音速相関情報を無線ないし有線にて通信取得する通信手段として構成してもよい。例えば、容器に収容される液体が都市ガスやLPGなど複数種類の炭化水素の混合物の場合は、その組成に応じて液体中の音速が変化するので、これを液体種別・音速相関情報として事前に取得・把握しておくことにより、サイドローブの伝播時間の計測結果から特定された音速から液体の組成を特定することが可能となる。そこで、音速演算手段が演算する音速に対応する液体種別を、液体種別・音速相関情報を参照して特定する液体種別特定手段と、特定された液体種別を出力する液体種別出力手段とを設けることで、容器中の液体種別が不明の場合は、演算により得られた音速からこれを逆特定でき、その特定結果を出力することができる。   In this case, it is possible to provide a liquid type / sound speed correlation information acquisition unit for acquiring a liquid type / sound speed correlation information for specifying a correlation between the type of liquid that can be stored in the container and the sound speed of each liquid. The liquid type / sound velocity correlation information acquisition unit may be configured as, for example, a storage unit (memory) of the liquid type / sound velocity correlation information, or may be configured as a communication unit that acquires the liquid type / sound velocity correlation information by wireless or wired communication. May be. For example, when the liquid contained in the container is a mixture of a plurality of types of hydrocarbons such as city gas and LPG, the speed of sound in the liquid changes according to its composition. By acquiring and grasping it, it becomes possible to specify the composition of the liquid from the sound speed specified from the measurement result of the propagation time of the side lobe. Therefore, a liquid type specifying means for specifying the liquid type corresponding to the sound speed calculated by the sound speed calculating means with reference to the liquid type / sound speed correlation information, and a liquid type output means for outputting the specified liquid type are provided. Thus, when the type of liquid in the container is unknown, it can be reversely specified from the speed of sound obtained by calculation, and the specified result can be output.

次に、本発明の超音波液面計には、容器内の液体の温度を測定する温度測定手段と、音速演算手段が演算する音速又は液面高さ演算手段が演算する液面高さを、測定された温度にて補正する温度補正手段とを備えるものとして構成できる。液体の音速(ひいてはその音速に基づいて算出される液面高さ)は、液体の温度によって変化するので、容器内の液体の温度を測定により特定できれば、音速ひいては液面高さをより精密に補正できる。特に、液体の種別による音速変化と、液体の温度による音速変化とが競合する場合でも、液体の温度が測定により別途特定されることにより、液体の種別による音速変化のみをサイドローブの伝播時間から特定することで液面高さを正確に求めることができる。この場合、サイドローブ伝播時間と音速との関係(伝播時間/音速情報)を、種々の温度毎に用意しておき、測定された温度に対応する伝播時間/音速情報を用いて、液面高さ算出のための音速を正確に特定することが可能となる。   Next, in the ultrasonic liquid level meter of the present invention, the temperature measuring means for measuring the temperature of the liquid in the container and the sound speed calculated by the sound speed calculating means or the liquid level calculated by the liquid level calculating means are calculated. And a temperature correction means for correcting at the measured temperature. The sound speed of the liquid (and hence the liquid level calculated based on the speed of sound) varies depending on the temperature of the liquid. If the temperature of the liquid in the container can be determined by measurement, the sound speed and therefore the liquid level height can be more accurately determined. Can be corrected. In particular, even when the change in sound speed due to the type of liquid competes with the change in sound speed due to the temperature of the liquid, the temperature of the liquid is separately specified by measurement, so that only the change in sound speed due to the type of liquid is determined from the propagation time of the side lobe By specifying, the liquid level can be accurately obtained. In this case, the relationship between the side lobe propagation time and the sound speed (propagation time / sound speed information) is prepared for each of various temperatures, and the liquid level height is determined using the propagation time / sound speed information corresponding to the measured temperature. It is possible to accurately specify the speed of sound for calculation.

次に反射部材は、メイン反射波形により検出可能な最低液面位置又はそれよりも低位置に取り付けることができる。液面位置情報生成手段は、メイン反射波形とサイド反射波形との双方が検出されないことを条件として、液面高さが最低液面位置未満であると判定する最低液面判定手段を有するものとして構成できる。容器内の液面位置が低くなるとメイン反射波形の伝播時間が短くなり、メインローブ遮断後の残響にメイン反射波形が埋没しやすくなって、液面位置の特定精度が低下する。しかし、最低液面位置又はそれよりも低位置に反射部材を設けておけば、メイン反射波形が検知不能となっても、反射部材によるサイド反射波形が検知されるか否かに基づき、液面が最低液面位置未満にあるか否かを容易に特定できる。   The reflecting member can then be attached at the lowest liquid level position detectable by the main reflected waveform or at a lower position. The liquid surface position information generating means includes a minimum liquid surface determination means that determines that the liquid surface height is less than the minimum liquid surface position on condition that both the main reflection waveform and the side reflection waveform are not detected. Can be configured. When the liquid level position in the container is lowered, the propagation time of the main reflection waveform is shortened, the main reflection waveform is easily buried in the reverberation after the main lobe is cut off, and the accuracy of specifying the liquid level is lowered. However, if the reflecting member is provided at the lowest liquid level position or lower than that, even if the main reflected waveform cannot be detected, the liquid level is determined based on whether or not the side reflected waveform by the reflecting member is detected. It is possible to easily identify whether or not is below the lowest liquid level position.

本発明の超音波液面計には、超音波トランスジューサを予め定められた帯域内にて周波数を変更しつつ駆動することにより、個々の周波数におけるサイド反射波形の受信強度を特定し、該受信強度が最大化される周波数を見出して超音波トランスジューサの駆動周波数として設定する駆動周波数調整・設定手段を設けることができる。超音波の容器底部の透過効率は、超音波の周波数が容器底部の板厚固有周波数と一致している場合に最も良好となり、逆に、互いに隣りあう異次数の板厚固有周波数(隣接板厚固有周波数)の中間に超音波の周波数が位置するときに境界反射の影響が最も大となって、透過効率は極小化する。この事情は、メインローブとサイドローブとの双方について同様に成り立つ。サイドローブの送信強度はメインローブよりも小さいので、サイド反射波形検出に際して、その受信強度が最大化される周波数を選んで超音波トランスジューサを駆動することによりサイド反射波形の特定精度を高めることができる。   The ultrasonic liquid level meter of the present invention specifies the reception intensity of the side reflection waveform at each frequency by driving the ultrasonic transducer while changing the frequency within a predetermined band. It is possible to provide a drive frequency adjusting / setting means for finding a frequency at which the frequency is maximized and setting it as the drive frequency of the ultrasonic transducer. The transmission efficiency of the ultrasonic container bottom is the best when the ultrasonic frequency matches the plate thickness natural frequency of the container bottom, and conversely, the different plate thickness natural frequencies (adjacent plate thicknesses) adjacent to each other. When the frequency of the ultrasonic wave is located in the middle of the natural frequency), the influence of boundary reflection becomes the largest, and the transmission efficiency is minimized. This situation holds true for both the main lobe and the side lobe. Since the transmission intensity of the side lobe is smaller than that of the main lobe, when detecting the side reflection waveform, it is possible to increase the accuracy of specifying the side reflection waveform by driving the ultrasonic transducer by selecting the frequency at which the reception intensity is maximized. .

容器底部内面への超音波入射点における法線方向を基準に入射角度θを定義すれば、容器底部へ入射する縦波音波の波長をλ、容器底部の板厚をtとすると、共振条件では、
t/cosθ=m・λ/2 ‥(1)
あるいは、
λ=2t/(m・cosθ) ‥(1)’
である。従って、縦波の音速をCとすると、超音波入射角度方向における板厚固有周波数fは、
=C/λ ‥(2)
なので、(1)’(2)より、
=(m・cosθ)・C/2t ‥(3)
ここに、mは固有振動の次数を示す整数である。メインローブの容器底部への入射角度をθ、サイドローブの容器底部への入射角度をθとすれば、メイン反射波形の受信強度が最大化される周波数fmmは、
mm=(m・cosθ)・C/2t ‥(4)
であり、サイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fmsは、
ms=(m・cosθ)・C/2t ‥(5)
である。一般に、θ≠θであり、メイン反射波形を検出する際には超音波トランスジューサをfmmで駆動し、サイド反射波形を検出する際には超音波トランスジューサを、それとは異なるfmsで駆動することが、個々の反射波形のS/N比を向上する上で有利であるといえる。例えば、θ=90゜であり、θ<90゜の場合は、
mm=m・C/2t ‥(4)’
ms=(m・cosθ)・C/2t ‥(5)’
となる。
If the incident angle θ is defined with reference to the normal direction at the ultrasonic incident point on the inner surface of the bottom of the container, the wavelength of the longitudinal sound wave incident on the bottom of the container is λ, and the plate thickness of the bottom of the container is t. ,
t / cos θ = m · λ / 2 (1)
Or
λ = 2t / (m · cos θ) (1) ′
It is. Therefore, when the longitudinal wave sound velocity is C, thickness natural frequency f m in the ultrasonic incident angle direction,
f m = C / λ (2)
So from (1) '(2)
f m = (m · cos θ) · C / 2t (3)
Here, m is an integer indicating the order of the natural vibration. If the incident angle of the main lobe to the container bottom is θ m , and the incident angle of the side lobe to the container bottom is θ s , the frequency f mm at which the received intensity of the main reflected waveform is maximized is
f mm = (m · cos θ m ) · C / 2t (4)
The frequency f ms at which the reception intensity of the side reflection waveform is maximized is
f ms = (m · cos θ s ) · C / 2t (5)
It is. In general, θ m ≠ θ s , and when detecting the main reflection waveform, the ultrasonic transducer is driven at f mm , and when detecting the side reflection waveform, the ultrasonic transducer is driven at different f ms . This is advantageous in improving the S / N ratio of each reflected waveform. For example, if θ m = 90 ° and θ s <90 °,
f mm = m · C / 2t (4) ′
f ms = (m · cos θ s ) · C / 2t (5) ′
It becomes.

具体的には、容器底部の板厚方向の縦波振動に係る固有周波数を板厚固有周波数として、超音波トランスジューサを互いに異なる第一板厚固有周波数(例えば、上記のfmm)と第二板厚固有周波数(例えば、上記のfms)とにより逐次駆動する超音波駆動手段を設けることができる。反射波形特定手段は、超音波トランスジューサを第一板厚固有周波数にて駆動した場合の受信波形においてはメイン反射波形のみを特定し、同じく第二板厚固有周波数にて駆動した場合の受信波形においてはサイド反射波形のみを特定するものとして構成すればよい。 Specifically, with the natural frequency relating to the longitudinal wave vibration in the thickness direction of the container bottom as the plate thickness natural frequency, the ultrasonic transducer is different from the first plate thickness natural frequency (for example, f mm above) and the second plate. Ultrasonic driving means for sequentially driving with the thickness natural frequency (for example, the above f ms ) can be provided. The reflection waveform specifying means specifies only the main reflection waveform in the reception waveform when the ultrasonic transducer is driven at the first plate thickness natural frequency, and also in the reception waveform when the ultrasonic transducer is driven at the second plate thickness natural frequency. May be configured to specify only the side reflection waveform.

他方、容器底部の板厚方向の縦波振動に係る固有周波数を板厚固有周波数として、互いに異なる第一板厚固有周波数と第二板厚固有周波数とを定めるとともに、第一板厚固有周波数による駆動波形と第二板厚固有周波数による駆動波形とを合成した合成駆動波形により超音波トランスジューサを駆動する超音波駆動手段を設けることもできる。反射波形特定手段は、合成駆動波形により超音波トランスジューサを駆動した場合に得られる受信波形のうち、第一板厚固有周波数による波形成分からメイン反射波形を特定し、第二板厚固有周波数による波形成分からサイド反射波形を特定するものとして構成する。このようにすると、超音波トランスジューサを上記合成駆動波形により1回駆動するだけで、メイン反射波形とサイド反射波形との双方を、それぞれ受信強度が最適化された形で同時に検出でき、個々の反射波形のS/N比向上を効率的に図ることができる。   On the other hand, the natural frequency related to the longitudinal wave vibration in the thickness direction of the bottom of the container is defined as the natural thickness of the plate, and the first natural thickness and the second natural frequency are different from each other. Ultrasonic drive means for driving the ultrasonic transducer with a composite drive waveform obtained by synthesizing the drive waveform and the drive waveform based on the second plate thickness natural frequency may be provided. The reflected waveform specifying means specifies the main reflected waveform from the waveform component of the first plate thickness natural frequency among the received waveforms obtained when the ultrasonic transducer is driven by the composite drive waveform, and the waveform of the second plate thickness natural frequency. The side reflection waveform is specified from the formation. In this way, it is possible to detect both the main reflection waveform and the side reflection waveform at the same time with the reception intensity optimized by driving the ultrasonic transducer once with the above composite drive waveform. It is possible to efficiently improve the S / N ratio of the waveform.

本発明の超音波液面計の取付形態を例示する模式図。The schematic diagram which illustrates the attachment form of the ultrasonic level gauge of this invention. 図1の超音波液面計の電気的構成を示すブロック図。The block diagram which shows the electrical structure of the ultrasonic liquid level meter of FIG. サイドローブに対する反射板の作用と、その反射波の伝播経路を説明する図。The figure explaining the effect | action of the reflecting plate with respect to a side lobe, and the propagation path of the reflected wave. 反射板の取付位置と液面位置との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the attachment position of a reflecting plate, and a liquid level position. LPGの音速の温度依存性の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the temperature dependence of the sound speed of LPG. 図1の超音波液面計の測定波形の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the measurement waveform of the ultrasonic liquid level meter of FIG.

本発明に係る超音波液面計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1は、容器30はLPGやLNG等の液化ガスや灯油等の液体を収容するものであり(本実施形態ではLPGとする)、超音波液面計1は、収容された液体の液面31の容器内底面からの高さ(ひいては、液体貯蔵量)を測定するためのものである。超音波液面計1は制御回路10と超音波トランスジューサ2とを要部とし、超音波トランスジューサ2は容器30の底部下面に図示しないマグネット等により設置され、ケーブルCを介して制御回路10に接続されている。超音波トランスジューサ2は、容器底部を介して液面31に向け測定用超音波PW(メインローブ)を送出し、該測定用超音波の液面反射波RW(メイン反射波)を受信する。   An embodiment of an ultrasonic liquid level gauge according to the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, a container 30 contains a liquid such as liquefied gas such as LPG or LNG, or kerosene (in this embodiment, LPG), and the ultrasonic liquid level gauge 1 is a liquid level of the contained liquid. This is for measuring the height of 31 from the bottom of the container (and hence the amount of liquid stored). The ultrasonic liquid level gauge 1 has a control circuit 10 and an ultrasonic transducer 2 as main parts, and the ultrasonic transducer 2 is installed on the bottom lower surface of the container 30 by a magnet (not shown) and connected to the control circuit 10 via a cable C. Has been. The ultrasonic transducer 2 sends a measurement ultrasonic wave PW (main lobe) toward the liquid surface 31 via the bottom of the container, and receives a liquid surface reflection wave RW (main reflection wave) of the measurement ultrasonic wave.

容器30は鋼鉄製のタンクであり、図2に示すように、その底面に圧電素子にて構成された超音波トランスジューサ2が、音響整合層3及びシリコーンシートからなる共振結合抑制層4を介して取り付けられている。超音波液面計1は、上記超音波トランスジューサ2により、容器30内の液面31の高さを、容器外から測定できるように構成されている。図2には、制御回路10の電気的構成をブロック図の形で示している。超音波トランスジューサ2は、板厚方向に分極処理された板状の圧電セラミック素子2Pと、該圧電セラミック素子2Pの各主表面を覆う形で該圧電セラミック素子2Pを挟んで対向形成された電極対2e,2eとを備える。この電極対2e,2eは、測定用超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック素子2P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素子2Pの振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。   The container 30 is a steel tank, and as shown in FIG. 2, an ultrasonic transducer 2 composed of a piezoelectric element on the bottom surface thereof is interposed through an acoustic matching layer 3 and a resonance coupling suppression layer 4 made of a silicone sheet. It is attached. The ultrasonic liquid level meter 1 is configured so that the height of the liquid level 31 in the container 30 can be measured from outside the container by the ultrasonic transducer 2. FIG. 2 shows the electrical configuration of the control circuit 10 in the form of a block diagram. The ultrasonic transducer 2 includes a plate-like piezoelectric ceramic element 2P polarized in the thickness direction, and an electrode pair formed so as to face each other across the piezoelectric ceramic element 2P so as to cover each main surface of the piezoelectric ceramic element 2P. 2e, 2e. The electrode pairs 2e and 2e serve as driving electrodes to which a driving voltage for ultrasonically vibrating the piezoelectric ceramic element 2P is applied when transmitting the ultrasonic beam for measurement, and when the reflected ultrasonic waves are received, It becomes an output electrode which outputs an electric signal accompanying vibration.

音響整合層3は、圧電セラミック素子(ペロブスカイト型酸化物:例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛など)よりも大きい音響インピーダンス密度を有する材料で構成することが望ましい。音響インピーダンスは材料の密度ρと音速Cとの積に音波通過断面積Sを乗じた値S・ρ・Cとして定義され、特に密度ρと音速Cとの積ρ・Cを固有音響インピーダンスないし音響インピーダンス密度と称する。このような音響整合層の構成材料としては、アルミニウムないしその合金(例えばAl−Mg系合金、Al−Mg−Cu系合金、Al−Zn−Mg系、Al−Li系合金など)、マグネシウムないしその合金(例えば、Mg−Zn系合金、Mg−Al−Zn系合金、Mg−Zr系合金など)、チタンないしその合金、ベリリウム、ステンレス鋼などの金属系材料や、共振結合抑制層よりも硬質の樹脂材料、例えばABS樹脂等を採用するのが特に好適である。これらのうち、特に、音響インピーダンス密度の値において音速Cの寄与が大きい材料(具体的には、C/(ρ・C)1/2の値が1を超える材料)を採用することが望ましい。C/(ρ・C)1/2の値は、より望ましくは1.3以上であり、これに該当する材料としてアルミニウム(1.54)、マグネシウム(1.58)、ABS樹脂(1.46)、ガラス(1.46)、ベリリウム(2.62)を例示できる。 The acoustic matching layer 3 is made of a material having an acoustic impedance density higher than that of a piezoelectric ceramic element (perovskite oxide: for example, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, lanthanum lead zirconate titanate). It is desirable to do. The acoustic impedance is defined as a value S · ρ · C obtained by multiplying the product of the material density ρ and the sound velocity C by the sound wave cross-sectional area S, and in particular, the product ρ · C of the density ρ and the sound velocity C is the specific acoustic impedance or sound. This is called impedance density. Examples of the material for the acoustic matching layer include aluminum or an alloy thereof (for example, an Al—Mg alloy, an Al—Mg—Cu alloy, an Al—Zn—Mg alloy, an Al—Li alloy, etc.), magnesium or an alloy thereof. Alloys (for example, Mg—Zn alloys, Mg—Al—Zn alloys, Mg—Zr alloys, etc.), titanium or alloys thereof, beryllium, stainless steel, and other metal materials, and harder than resonance coupling suppression layers It is particularly preferable to employ a resin material such as ABS resin. Among these, it is particularly desirable to employ a material (specifically, a material in which the value of C / (ρ · C) 1/2 exceeds 1) in which the acoustic velocity C has a large contribution in the value of the acoustic impedance density. The value of C / (ρ · C) 1/2 is more preferably 1.3 or more, and the corresponding materials are aluminum (1.54), magnesium (1.58), ABS resin (1.46). ), Glass (1.46), and beryllium (2.62).

超音波トランスジューサ2が発する超音波ビームには、送信面の法線方向(すなわち、中心軸線方向)に生ずる音圧の高いメインローブML(主極)と、法線方向から外れた向きに斜めに広がりながら送出される音圧の低いサイドローブSL(副極)とがある。本実施形態においてはメインローブMLとサイドローブSLとを併用し、メインローブMLに由来したメイン反射波形とサイドローブSLに由来したサイド反射波形との双方に基づいて容器中の液面位置に関する情報を生成する。   The ultrasonic beam emitted from the ultrasonic transducer 2 is inclined obliquely in a direction away from the normal direction and a main lobe ML (main pole) having a high sound pressure generated in the normal direction (that is, the central axis direction) of the transmission surface. There is a side lobe SL (secondary pole) with low sound pressure that is transmitted while spreading. In the present embodiment, the main lobe ML and the side lobe SL are used in combination, and information on the liquid level position in the container based on both the main reflection waveform derived from the main lobe ML and the side reflection waveform derived from the side lobe SL. Is generated.

超音波トランスジューサ2は、板状の容器底部30Bの裏面に対しメインローブMLの液面反射波を直接受信可能な位置に取り付けられている。容器30の本体30Mは円筒状に構成される一方、底部30Bは下向きに凸となる半回転楕円体状に形成され、本体30Mの下側の開口を塞ぐように溶接接合されている。超音波トランスジューサ2は送信面の中心を通る法線(つまり、メインローブMLのビーム中心線が本体30Mの中心軸線と一致するように、容器底部30Bの裏面中央に取り付けられている。これにより、超音波トランスジューサ2から送出されたメインローブMLは容器底部30Bを板厚方向に横切って液中へ透過し、さらに液面31で直角に反射され、その反射波が超音波トランスジューサ2の送信面に無反射で戻ってくるようになっている。   The ultrasonic transducer 2 is attached to a position at which the liquid surface reflected wave of the main lobe ML can be directly received with respect to the back surface of the plate-like container bottom 30B. While the main body 30M of the container 30 is formed in a cylindrical shape, the bottom 30B is formed in a semi-rotary ellipsoid shape that protrudes downward, and is welded and joined so as to close the lower opening of the main body 30M. The ultrasonic transducer 2 is attached to the center of the back surface of the container bottom 30B so that the normal passing through the center of the transmission surface (that is, the beam center line of the main lobe ML coincides with the center axis of the main body 30M. The main lobe ML sent from the ultrasonic transducer 2 passes through the container bottom 30B in the plate thickness direction and penetrates into the liquid, and is reflected at a right angle by the liquid surface 31, and the reflected wave is reflected on the transmission surface of the ultrasonic transducer 2. It comes back with no reflection.

他方、サイドローブSLは、メインローブMLから側壁内面側に遠ざかりながら広がるように送出される。他方、容器30の本体30Mの側壁内面には、液面31に向けてのメインローブMLは反射せず(つまり、液面31に向けた通過は許容する)、サイドローブSLは反射する反射板(反射部材)30Kが取り付けられている。超音波トランスジューサ2のサイドローブSLの放射角度と放射面の寸法、及び反射板30Kの容器半径方向長さは、容器底部30Bに対し超音波トランスジューサ2の受信面から外れた位置に反射波が入射するように定められている。   On the other hand, the side lobe SL is sent out so as to spread away from the main lobe ML toward the inner surface of the side wall. On the other hand, the main lobe ML toward the liquid surface 31 is not reflected on the inner surface of the side wall of the main body 30M of the container 30 (that is, the passage toward the liquid surface 31 is allowed), and the side lobe SL is reflected. (Reflection member) 30K is attached. The radiation angle of the side lobe SL and the size of the radiation surface of the ultrasonic transducer 2 and the length of the reflector 30K in the radial direction of the container are such that the reflected wave is incident on the container bottom 30B at a position off the receiving surface of the ultrasonic transducer 2. It is stipulated to do.

反射板30Kにより反射して、回転楕円体曲面をなす容器底部30Bの底面に入射したサイドローブSLは、該底面で反射された後、入射時とほぼ同じ伝播軌跡をたどって再び超音波トランスジューサ2で受信される音波と、容器底部30B内部に入射して多重反射しながら再び超音波トランスジューサ2で受信される音波とを生じ、これら音波が、図6に示すように、メインローブMLによる反射波形であるメイン反射波形(A)とは別に、サイド反射波形(B)として検出されることとなる。   The side lobe SL reflected by the reflecting plate 30K and incident on the bottom surface of the container bottom 30B having a spheroid curved surface is reflected on the bottom surface, and then follows the same propagation locus as that at the time of incidence, and again the ultrasonic transducer 2 And the sound wave received by the ultrasonic transducer 2 again while being reflected in the container bottom 30B, and these sound waves are reflected by the main lobe ML as shown in FIG. In addition to the main reflection waveform (A), the side reflection waveform (B) is detected.

図3に示すように、液体の音速V1と容器底部30Bをなす金属(鋼鉄)中の音速V2との比から、液体から容器底部30Bに入射するサイドローブSLの全反射臨界角度θsを計算により規定することができる。例えば、具体的には、反射板30Kによるサイドローブ反射波の、容器底部30Bへの入射角度をθ1とし、入射後の音波の屈折角度をθ2とすると、スネルの法則により、
sinθ2/sinθ1=V2/V1 ‥(6)
あるいは、
θ2=Sin−1{sinθ1・(V2/V1)} ‥(6)’
となる。臨界角度θsは、
sinθs=V1/V2 ‥(7)
であり、例えばV1=760m/sec、V2=5900m/sとすると、
θs=7.401°‥(8)
となる。従って、入射角度θ1が該θsより小さくなるように、サイドローブSLの角度と放射面の寸法、及び反射板30Kの容器半径方向長さを規定しておけば、サイドローブSLの一部が容器底部30Bに必ず入射でき、容器底部30B内を多重反射伝播して超音波トランスジューサ2に到達するサイド反射波形を発生させることができる。例えば、θ1=5゜のときは、容器底部30B内に進入するサイドローブの屈折角θ2は(6)より、42.58゜と計算される。
As shown in FIG. 3, the total reflection critical angle θs of the side lobe SL incident on the container bottom 30B from the liquid is calculated from the ratio between the sound speed V1 of the liquid and the sound speed V2 in the metal (steel) forming the container bottom 30B. Can be prescribed. For example, when the incident angle of the sidelobe reflected wave by the reflector 30K to the container bottom 30B is θ1, and the refraction angle of the sound wave after the incidence is θ2, according to Snell's law,
sin θ2 / sin θ1 = V2 / V1 (6)
Or
θ2 = Sin −1 {sin θ1 · (V2 / V1)} (6) ′
It becomes. The critical angle θs is
sin θs = V1 / V2 (7)
For example, when V1 = 760 m / sec and V2 = 5900 m / s,
θs = 7.401 ° (8)
It becomes. Therefore, if the angle of the side lobe SL, the size of the radiation surface, and the length of the reflecting plate 30K in the radial direction of the container are defined so that the incident angle θ1 is smaller than the angle θs, a part of the side lobe SL is the container. A side reflection waveform that can be incident on the bottom 30B and propagates through the container bottom 30B through multiple reflections and reaches the ultrasonic transducer 2 can be generated. For example, when θ1 = 5 °, the refraction angle θ2 of the side lobe entering the container bottom 30B is calculated as 42.58 ° from (6).

図2は、制御回路10の電気的構成を示すものである。制御回路10はマイコン100を有し、超音波トランスジューサ2の電極対2e,2eは、切替スイッチ104及び反射超音波計測部103を介してマイコン100の入出力部99に接続されている。マイコン100は、該入出力部99と、処理主体となるCPU98、その作業エリアとなるRAM96及び制御プログラム(超音波トランスジューサ2の駆動制御(切替スイッチ104によるモード切替処理を含む)及び液面高さの算出処理制御とを行なう)を格納したROM97とを有する。入出力部99には、測定された液面高さを表示出力するモニタ94と、容器底部の板厚値の入力等に使用するキーボード95(入力部)が接続されている。   FIG. 2 shows the electrical configuration of the control circuit 10. The control circuit 10 includes a microcomputer 100, and the electrode pairs 2 e and 2 e of the ultrasonic transducer 2 are connected to the input / output unit 99 of the microcomputer 100 via the changeover switch 104 and the reflected ultrasonic measurement unit 103. The microcomputer 100 includes the input / output unit 99, a CPU 98 as a processing body, a RAM 96 as a work area, a control program (including drive control of the ultrasonic transducer 2 (including mode switching processing by the changeover switch 104), and a liquid level height. And a ROM 97 which stores the calculation processing control of Connected to the input / output unit 99 are a monitor 94 that displays and outputs the measured liquid level height, and a keyboard 95 (input unit) used for inputting the thickness value of the bottom of the container.

また、超音波トランスジューサ2には、マイコン100からの指令により動作する切替スイッチ104を介して、駆動回路105と受信回路103とが接続されている。駆動回路105は、マイコン100からの制御パルス信号を受けてバーストパルス駆動信号を発生し、切替スイッチ104を介して超音波トランスジューサ2へ出力する。駆動周波数は、マイコン100による制御パルス信号の周波数設定値に応じて変更可能である。   In addition, a drive circuit 105 and a reception circuit 103 are connected to the ultrasonic transducer 2 via a change-over switch 104 that operates according to a command from the microcomputer 100. The drive circuit 105 receives a control pulse signal from the microcomputer 100, generates a burst pulse drive signal, and outputs the burst pulse drive signal to the ultrasonic transducer 2 via the changeover switch 104. The drive frequency can be changed according to the frequency setting value of the control pulse signal by the microcomputer 100.

また、受信回路103は、受信信号から不要残響波等をフィルタリングするフィルタ103a、フィルタリング後の受信信号を増幅するアンプ103b、受信振動波形を包絡線検波する検波回路103c、及び、検波後の受信信号を解析し、残響信号レベルや液面反射信号レベルを特定するとともに、超音波トランスジューサ2へのバースト矩形波の出力タイミングに対応してマイコン100から出力されるトリガ信号を受けて起動し、液面反射信号を受信するまでの伝播時間を計測する信号処理部103dを有する。   The reception circuit 103 includes a filter 103a for filtering unnecessary reverberation waves and the like from the reception signal, an amplifier 103b for amplifying the reception signal after filtering, a detection circuit 103c for detecting an envelope of the reception vibration waveform, and a reception signal after detection And the reverberation signal level and the liquid surface reflection signal level are specified, the trigger signal output from the microcomputer 100 is received in response to the output timing of the burst rectangular wave to the ultrasonic transducer 2, and the liquid level is activated. A signal processing unit 103d that measures the propagation time until the reflected signal is received is included.

測定に際しては、マイコン100からのスイッチ制御信号により、切替スイッチ104が超音波トランスジューサ2をバースト矩形波駆動回路105に接続し、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波(メインローブ及びサイドローブ)がバースト矩形波として送出されるように駆動される。駆動動作の詳細は、特許文献1,2により周知なので詳細な説明は省略する。測定用超音波の送出後は、マイコン100からのスイッチ制御信号により、切替スイッチ104が超音波トランスジューサ2の接続状態を受信回路103側に切り替える。これにより、測定用超音波PWの液面での反射波が超音波トランスジューサ2により受信される。   In measurement, the changeover switch 104 connects the ultrasonic transducer 2 to the burst rectangular wave drive circuit 105 in response to a switch control signal from the microcomputer 100, and the measurement ultrasonic waves (main lobe and side lobe) are set at a predetermined drive frequency. ) Is transmitted as a burst rectangular wave. Since the details of the driving operation are well known from Patent Documents 1 and 2, detailed description thereof is omitted. After the measurement ultrasonic wave is transmitted, the changeover switch 104 switches the connection state of the ultrasonic transducer 2 to the receiving circuit 103 side in accordance with a switch control signal from the microcomputer 100. Thereby, the reflected wave at the liquid level of the measurement ultrasonic wave PW is received by the ultrasonic transducer 2.

受信回路103は、受信信号から不要残響波等をフィルタリングするフィルタ103a、フィルタリング後の受信信号を増幅するアンプ103b、受信振動波形を包絡線検波する検波回路103c、及び、検波後の受信信号を解析し、残響信号レベルや液面反射信号レベルを特定するとともに、超音波トランスジューサ2へのバースト矩形波の出力タイミングに対応してマイコン100から出力されるトリガ信号を受けて起動し、液面反射信号を受信するまでの往復伝播時間(図1にて、入射波PWと反射波RWの各伝播時間の合計)を計測する信号処理部103dを有する。   The reception circuit 103 includes a filter 103a that filters unnecessary reverberation waves and the like from the received signal, an amplifier 103b that amplifies the filtered received signal, a detection circuit 103c that detects an envelope of the received vibration waveform, and analyzes the received signal after detection The reverberation signal level and the liquid surface reflection signal level are specified, and the trigger signal output from the microcomputer 100 is activated in response to the output timing of the burst rectangular wave to the ultrasonic transducer 2, and the liquid surface reflection signal is activated. Signal processing section 103d that measures the round-trip propagation time (in FIG. 1, the total propagation time of incident wave PW and reflected wave RW).

図6に示すように、超音波トランスジューサ2を、予め設定された液面検知用駆動周波数faの駆動パルスにて超音波トランスジューサ2をバースト駆動し、駆動パルスを遮断すると、超音波トランスジューサ2の検出出力には容器底部30Bによる残響信号が現れる(これは、マイクロコンピュータ100側にてマスク時間tmxを設定することにより測定から除外できる)。   As shown in FIG. 6, when the ultrasonic transducer 2 is burst-driven with a drive pulse having a preset liquid level detection drive frequency fa and the drive pulse is cut off, the ultrasonic transducer 2 is detected. A reverberation signal from the container bottom 30B appears in the output (this can be excluded from the measurement by setting the mask time tmx on the microcomputer 100 side).

図3のごとく、容器30の内部に反射板30Kを設けることで、超音波トランスジューサ2の受信波形には、容器底部30を透過して液面31で反射したメインローブMLによる反射エコー信号(メイン反射波形(A))に加え、反射板30KによるサイドローブSLの反射エコー信号(サイド反射波形(B))が現れる。超音波トランスジューサ2の駆動を開始してからメイン反射波形(A)が検出されるまでの時間t1は、メインローブMLの液面までの往復伝播時間であり、基本的にはこの往復伝播時間で液中の音速を除した値の1/2が超音波トランスジューサ2の超音波放出面から液面までの距離(つまり、液面高さ)を反映した情報として算出される。すなわち、往復伝播時間をt1、液体中の音速をCとすれば、液面高さhは、
h=(t1/2)・C
としてマイコン100により算出される。
As shown in FIG. 3, by providing the reflector 30K inside the container 30, the received waveform of the ultrasonic transducer 2 is reflected in the echo signal (main echo transmitted by the main lobe ML transmitted through the container bottom 30 and reflected by the liquid surface 31). In addition to the reflected waveform (A)), a reflected echo signal (side reflected waveform (B)) of the side lobe SL by the reflector 30K appears. The time t1 from the start of driving the ultrasonic transducer 2 until the main reflected waveform (A) is detected is the reciprocating propagation time to the liquid surface of the main lobe ML, and basically this reciprocating propagation time. 1/2 of the value obtained by dividing the speed of sound in the liquid is calculated as information reflecting the distance from the ultrasonic emission surface of the ultrasonic transducer 2 to the liquid surface (that is, the liquid surface height). That is, if the round-trip propagation time is t1, and the sound speed in the liquid is C, the liquid level height h is
h = (t1 / 2) · C
As calculated by the microcomputer 100.

一方、メインローブMLの往復伝播時間は液面31の高さが低くなるほど(つまり、容器30内の液体残量が少なくなるほど)短くなり、ある最低液面高さ(図4:hmin)未満になると、メイン反射波形(A)は残響信号に埋没して検出不能となる。そして、サイド反射波形(B)を作る反射板30Kの位置は、この最低液面高さhminに対応する高さ、具体的には、該反射板30KによるサイドローブSLの反射波が、残響信号に埋没しない最低限の伝播時間を生ずる高さ位置に設定されている。 On the other hand, the reciprocating propagation time of the main lobe ML becomes shorter as the height of the liquid surface 31 becomes lower (that is, as the remaining amount of liquid in the container 30 decreases), and is less than a certain minimum liquid surface height (FIG. 4: h min ). Then, the main reflected waveform (A) is buried in the reverberation signal and cannot be detected. The position of the reflection plate 30K that forms the side reflection waveform (B) is a height corresponding to the minimum liquid level height h min , specifically, the reflected wave of the side lobe SL by the reflection plate 30K is reverberant. It is set at a height that produces a minimum propagation time that is not buried in the signal.

上記のような反射板30Kを設けることにより、メイン反射波形(A)とサイド反射波形(B)の出現形態は、液面31の位置に応じて次のようなものとなる。
(1)液面31が反射板30Kよりも高位置にある場合は、サイド反射波形(B)とメイン反射波形(A)とは双方ともに検出され、かつ、サイド反射波形(B)がメイン反射波形(A)よりも必ず先に現れる。また、サイドローブSLの強度はメインローブMLよりも低いので、サイド反射波形(B)の検出強度はメイン反射波形(A)よりは低くなる。
(2)液面31が反射板30Kよりも低位置にある場合は、サイド反射波形(B)とメイン反射波形(A)とがともに残響信号に埋没し、検出不能となる。換言すれば、サイド反射波形(B)とメイン反射波形(A)とがともに検出できない場合は、液面31が反射板30Kよりも低位置にあると判定できる。
By providing the reflecting plate 30K as described above, the appearance forms of the main reflection waveform (A) and the side reflection waveform (B) are as follows according to the position of the liquid surface 31.
(1) When the liquid level 31 is higher than the reflector 30K, both the side reflection waveform (B) and the main reflection waveform (A) are detected, and the side reflection waveform (B) is the main reflection. It always appears before the waveform (A). Further, since the intensity of the side lobe SL is lower than that of the main lobe ML, the detected intensity of the side reflection waveform (B) is lower than that of the main reflection waveform (A).
(2) When the liquid level 31 is at a lower position than the reflecting plate 30K, the side reflection waveform (B) and the main reflection waveform (A) are both buried in the reverberation signal and cannot be detected. In other words, when both the side reflection waveform (B) and the main reflection waveform (A) cannot be detected, it can be determined that the liquid surface 31 is at a lower position than the reflecting plate 30K.

ここで、容器底部に対する超音波透過率は、駆動周波数faが容器底部の共振点に一致するとき容器底部の超音波透過率は極大となり、反共振点に一致するとき極小なる。当然、反射エコーの検出レベル残響レベルは極大となる。本発明では、送信角度の異なるメインローブMLとサイドローブSLとの双方を利用するが、前述のごとく、メインローブMLの容器底部30Bへの入射角度を90゜、サイドローブSLの容器底部30Bへの入射角度をθとしたとき、メイン反射波形の受信強度が最大化される周波数fmm(第一板厚固有周波数)は、
mm=m・C/2t ‥(4)’
であり、サイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fms(第二板厚固有周波数)は、
ms=(m・cosθ)・C/2t ‥(5)’
となって、両者は基本的に不一致となる。例えば、サイドローブSLの強度はメインローブMLよりも低いことを考慮して、駆動周波数faをサイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fmsに一致させておけば、サイド反射波形のS/N比を高めることができる。この場合、液面高さの測定に先立って、図2のマイクロコンピュータ100から出力する制御回路105への制御パルス信号の周波数を種々に変更しつつ超音波トランスジューサ2をバースト駆動し、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサ2に発生する各周波数でのサイド反射波形の検出強度を特定する。そして、その検出強度が極大化される固有周波数を駆動周波数faとして設定する(図6参照)。
Here, the ultrasonic transmittance with respect to the bottom of the container is maximized when the driving frequency fa coincides with the resonance point of the bottom of the container, and is minimized when coincident with the antiresonance point. Naturally, the detection level of the reflected echo is maximal. In the present invention, both the main lobe ML and the side lobe SL having different transmission angles are used. As described above, the incident angle of the main lobe ML to the container bottom 30B is 90 ° and the side lobe SL to the container bottom 30B. When the incident angle is θ s , the frequency f mm (first plate thickness natural frequency) at which the received intensity of the main reflected waveform is maximized is
f mm = m · C / 2t (4) ′
The frequency f ms (second plate thickness natural frequency) at which the reception intensity of the side reflection waveform is maximized is
f ms = (m · cos θ s ) · C / 2t (5) ′
Thus, the two are basically inconsistent. For example, considering that the intensity of the side lobe SL is lower than that of the main lobe ML, if the drive frequency fa is matched with the frequency f ms at which the reception intensity of the side reflection waveform is maximized, the S of the side reflection waveform / N ratio can be increased. In this case, prior to the measurement of the liquid level, the ultrasonic transducer 2 is burst driven while variously changing the frequency of the control pulse signal to the control circuit 105 output from the microcomputer 100 of FIG. Accordingly, the detection intensity of the side reflection waveform at each frequency generated in the ultrasonic transducer 2 is specified. Then, the natural frequency at which the detected intensity is maximized is set as the drive frequency fa (see FIG. 6).

図4に示すごとく、容器30内に反射板30Kを設けることで、サイドローブSLの反射伝播経路は液面31の位置とは無関係に一定化することになる。従って、測定系に誤差要因が全く存在しなければサイドローブSLの伝播時間は一定となる。逆に言えば、サイドローブSLの伝播時間に変化が生ずれば、その変化は測定系に生じた誤差要因を反映したものとなる。その誤差要因は、主に液体の温度と組成である。前者については、媒質中の音速が温度によって変化することは周知であり、例えば図2に示すように、容器底部に取り付けた温度検出素子(例えばサーミスタ)からの温度検出出力を、増幅回路9を介してマイクロコンピュータ100に入力し、マイクロコンピュータ100側にて当該温度検出入力を参照して、液面高さを算出するための音速を補正することが可能である。   As shown in FIG. 4, by providing the reflecting plate 30 </ b> K in the container 30, the reflection propagation path of the side lobe SL is fixed regardless of the position of the liquid surface 31. Therefore, if there is no error factor in the measurement system, the propagation time of the side lobe SL is constant. Conversely, if a change occurs in the propagation time of the side lobe SL, the change reflects an error factor generated in the measurement system. The error factors are mainly the temperature and composition of the liquid. As for the former, it is well known that the sound velocity in the medium changes with temperature. For example, as shown in FIG. 2, the temperature detection output from the temperature detection element (for example, thermistor) attached to the bottom of the container is supplied to the amplifier circuit 9. It is possible to correct the sound speed for calculating the liquid level by referring to the temperature detection input on the microcomputer 100 side.

しかし、サイドローブSLの反射波を液面測定に利用しようとする場合、音速の温度補正に関しては次のような問題を生ずる。すなわち、図3に示すごとく、サイドローブSLの反射伝播経路には、液中伝播部分と金属製容器底部の伝播部分とを含む。当然、液体と金属とでは音速及びその温度依存性も相違するので、サイドローブSLの反射伝播経路における両伝播部分の比率に特定する必要がある。しかし、サイドローブSLの送信角度ひいては反射伝播経路には一定の拡がりがあり、上記各伝播部分の比率を計算により正確に特定するのは、一般には困難である。   However, when the reflected wave of the side lobe SL is to be used for liquid level measurement, the following problem occurs with respect to the temperature correction of the sound velocity. That is, as shown in FIG. 3, the reflection propagation path of the side lobe SL includes an in-liquid propagation portion and a propagation portion at the bottom of the metal container. Naturally, since the speed of sound and the temperature dependence thereof are different between the liquid and the metal, it is necessary to specify the ratio of both propagation portions in the reflection propagation path of the side lobe SL. However, there is a certain spread in the transmission angle of the side lobe SL and the reflection propagation path, and it is generally difficult to accurately specify the ratio of each propagation part by calculation.

他方、液体組成の音速に及ぼす影響について考える。LPG(液化石油ガス)は、「プロパンガス」と通称される通り、その主成分はプロパンであるが、プロパン以外の炭化水素成分、特にブタンが第二成分として混入していることが多い。このブタンの組成比はLPGの供給元(特に、産地等に起因する)によって異なり、一般に流通しているLPGのブタン組成比は全体の30%程度までの範囲で分布を有することが多い。当然、LPG中を伝播する音速もブタン組成比によって変化する。   On the other hand, the influence of the liquid composition on the speed of sound will be considered. LPG (liquefied petroleum gas), as commonly called “propane gas”, has propane as its main component, but often contains hydrocarbon components other than propane, particularly butane as the second component. The composition ratio of butane varies depending on the LPG supplier (particularly due to the production area), and the butane composition ratio of LPG that is generally distributed often has a distribution in the range of up to about 30% of the whole. Naturally, the speed of sound propagating through the LPG also varies depending on the butane composition ratio.

そこで、容器30に取り付けた超音波トランスジューサ2により、温度、液体組成及び液面高さ(つまり、液量)が予め知れている条件にて、メインローブMLによる伝播時間を計測すれば、当該の液体組成及び温度における液中の音速を見積もることができる。また、このときに生ずるサイドローブSLの伝播時間を合わせて測定しておく。このような測定を、第1温度T(例えば0℃)にて種々の液組成毎に行なえば、該第1温度Tでの液組成毎の音速及びサイドローブSLの伝播時間の組が測定結果として得られる。また、第1温度Tとは異なる第二温度Tにて同様の測定を行なえば、該第二温度Tでの液組成毎の音速及びサイドローブSLの伝播時間の組が得られる。このような測定結果の組を、図2のROM97内に、組成・音速マップ(液体種別・音速相関情報)として記憶しておく。表1は、該組成・音速マップの一例を示すものである。なお、第1温度Tとは異なる第二温度Tとにおいて直読可能な伝播時間(t1、t2、t3‥)は互いに合わせ込んでおくことが、以降の補間演算をスムーズに行なう観点にて望ましい。 Therefore, if the ultrasonic transducer 2 attached to the container 30 measures the propagation time by the main lobe ML under conditions in which the temperature, the liquid composition, and the liquid level height (that is, the liquid amount) are known in advance, The speed of sound in the liquid at the liquid composition and temperature can be estimated. Further, the propagation time of the side lobe SL generated at this time is measured together. If such measurement is performed for each of various liquid compositions at a first temperature T 0 (eg, 0 ° C.), the set of the sound speed and the propagation time of the side lobe SL for each liquid composition at the first temperature T 0 is obtained. Obtained as a measurement result. Further, by performing the same measurement at a first temperature T 0 second temperature T a which is different from the, said second temperature T acoustic velocity of each liquid composition of a and side lobe SL propagation times set is obtained. Such a set of measurement results is stored in the ROM 97 of FIG. 2 as a composition / sound velocity map (liquid type / sound velocity correlation information). Table 1 shows an example of the composition / sound velocity map. The first temperature T 0 and direct reading possible propagation time in a different second temperature T a is (t1, t2, t3 ‥) is able to be crowded combined with each other, in terms of performing the following interpolation calculation smoothly desirable.

このような組成・音速マップを利用すれば、容器中の液面高さを、その精度を高めた形で以下のごとく測定することができる。すなわち、図2において、マイクロコンピュータ100はスイッチ制御信号により切替スイッチを駆動回路105側に切り替え、超音波トランスジューサ2が該駆動回路105に接続された状態とする。そして、サイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fmsを駆動周波数として設定し、超音波トランスジューサ2をバースト駆動して測定用超音波(メインローブ+サイドローブ)を送信する。次いで、スイッチ制御信号により切替スイッチを反射超音波計測部103側に切り替え、超音波トランスジューサ2を反射超音波計測部103に接続された状態とする。これにより、測定用超音波に由来した図6の下に示すような反射波形が超音波トランスジューサ2により受信される。反射超音波計測部103では、駆動周波数近傍の波形成分のみが帯域通過フィルタ103aにより抽出され、アンプ103bで増幅された後、検波回路103cを経て信号処理部103dに入力される。 If such a composition / sound velocity map is used, the liquid level in the container can be measured as described below in an improved form. That is, in FIG. 2, the microcomputer 100 switches the changeover switch to the drive circuit 105 side according to the switch control signal, so that the ultrasonic transducer 2 is connected to the drive circuit 105. Then, the frequency f ms at which the reception intensity of the side reflection waveform is maximized is set as a driving frequency, and the ultrasonic transducer 2 is driven in bursts to transmit measurement ultrasonic waves (main lobe + side lobe). Next, the changeover switch is switched to the reflected ultrasonic measurement unit 103 side by a switch control signal, and the ultrasonic transducer 2 is connected to the reflected ultrasonic measurement unit 103. Thereby, the reflected waveform as shown in the lower part of FIG. 6 derived from the ultrasonic waves for measurement is received by the ultrasonic transducer 2. In the reflected ultrasonic measurement unit 103, only the waveform component in the vicinity of the drive frequency is extracted by the band pass filter 103a, amplified by the amplifier 103b, and then input to the signal processing unit 103d through the detection circuit 103c.

受信波形の初期には前述の残響信号が現れるので、これは信号マスキングにより検出しないようにする。そして、信号マスキング解除後、最初に現れる波形はサイド反射波形Bであり、波形の所定順位(例えば3番目)のゼロクロス点(第一のゼロクロス点)が図2の信号処理部103dにより検出され、その検出信号がマイクロコンピュータ100に入力される。マイクロコンピュータ100では、超音波トランスジューサ2のバースト駆動を遮断してから、この第1のゼロクロス点が検出されるまでの時間をサイドローブSLの伝播時間trとして特定する。   Since the aforementioned reverberation signal appears at the beginning of the received waveform, it is not detected by signal masking. Then, after canceling the signal masking, the waveform that appears first is the side reflection waveform B, and a zero cross point (first zero cross point) of a predetermined order (for example, third) of the waveform is detected by the signal processing unit 103d in FIG. The detection signal is input to the microcomputer 100. In the microcomputer 100, the time from when the burst drive of the ultrasonic transducer 2 is cut off until the first zero cross point is detected is specified as the propagation time tr of the side lobe SL.

続いて、受信波形には、サイド反射波形よりも大振幅のメイン反射波形Aが現れる。信号処理部103dは、このメイン反射波形Aのゼロクロス点(第二の第1のゼロクロス点)も検出し、その検出信号をマイクロコンピュータ100に入力する。マイクロコンピュータ100では、超音波トランスジューサ2のバースト駆動を遮断してから、この第二のゼロクロス点が検出されるまでの時間をメインローブSLの伝播時間txとして特定する。また、温度検出素子8が検出する液体温度Tも、その入力値から特定する。   Subsequently, the main reflected waveform A having a larger amplitude than the side reflected waveform appears in the received waveform. The signal processing unit 103 d also detects a zero cross point (second first zero cross point) of the main reflected waveform A, and inputs the detection signal to the microcomputer 100. In the microcomputer 100, the time from when the burst drive of the ultrasonic transducer 2 is cut off until the second zero cross point is detected is specified as the propagation time tx of the main lobe SL. The liquid temperature T detected by the temperature detection element 8 is also specified from the input value.

なお、表1の組成・音速マップでは、温度に関してはTa=20℃とT0=0℃との2水準のみを採用していたが、第三温度以降の組成・音速マップを併用する、あるいは組成と温度とをパラメータとする音速の二次元マップを用いることも可能である(一例として、温度を2℃刻み程度、ブタン組成比αを5%刻み程度としたものなど)。また、マップの代わりに近似式を記憶し、演算させるようにすることも可能である。例えば、ブタン組成比αが0%(すなわち、プロパン100%)の場合、音速V100を表す近似式は、
100≒−6.6631T+883.63(m/sec) ‥(9)
となる(図5にこれをグラフ化したものを示す)。また、ブタン組成比αが10%(すなわち、プロパン90%)では、音速V90を表す近似式は、
90≒−6.4945・T+900.04(m/sec) ‥(10)
であり、このような近似式を種々のブタン組成比毎(例えば、5%刻み)に用意しておけばよい。
In the composition / sound velocity map in Table 1, only two levels of Ta = 20 ° C. and T0 = 0 ° C. were used for the temperature. However, the composition / sound velocity map after the third temperature is used together, or the composition It is also possible to use a two-dimensional map of the sound speed with parameters of temperature and temperature (for example, the temperature is set to about 2 ° C. and the butane composition ratio α is set to about 5%). It is also possible to store an approximate expression instead of a map and perform the calculation. For example, when the butane composition ratio α is 0% (that is, propane 100%), the approximate expression representing the sound velocity V 100 is:
V 100 ≈−6.6631T + 883.63 (m / sec) (9)
(A graph of this is shown in FIG. 5). Further, when the butane composition ratio α is 10% (that is, propane 90%), the approximate expression representing the sound velocity V 90 is
V 90 ≈−6.4945 · T + 900.04 (m / sec) (10)
Such an approximate expression may be prepared for each of various butane composition ratios (for example, in increments of 5%).

以上の結果を受け、マイクロコンピュータ100では、表1の組成・音速マップにおいて、測定されたサイドローブSLの伝播時間trに対応する音速V及びVを温度T及びTの各マップ上にて見出す。そして、両音速V及びVを用いて、検出された液体温度Tに対応する音速Vを線形補間により算出する。この音速Vは、液体組成と温度との双方による補正を経た値であり、メインローブSLの伝播時間txの1/2を該値Vにて除することにより、最終的な液面高さが算出され、さらに周知の方法により容器内残液量に換算された形でモニタ94に出力される。 Receiving the result of the above, in the microcomputer 100, Table in one composition-sound speed map, measured sidelobes SL propagation time tr on each map temperature T 0 and T a sound speed V 0 and V a corresponding Find out. Then, using both acoustic velocity V 0 and V a, the sound velocity V corresponding to the detected fluid temperature T is calculated by linear interpolation. This speed of sound V is a value that has been corrected by both the liquid composition and the temperature. By dividing 1/2 of the propagation time tx of the main lobe SL by this value V, the final liquid level height is reduced. It is calculated and output to the monitor 94 in a form converted into the residual liquid amount in the container by a well-known method.

また、上記サイドローブSLの伝播時間trが示す音速V(温度T)及びV(温度T)に対応するブタン組成比α、αを表1の組成・音速マップから読み取ることができる。このブタン組成比α、αを同様に、測定温度による比率にて線形補間することで、容器内の液体のブタン組成比αを算出することができる。該ブタン組成比αの算出結果もモニタ94に出力される。 Further, the butane composition ratios α 0 and α a corresponding to the sound velocity V 0 (temperature T 0 ) and V a (temperature T a ) indicated by the propagation time tr of the side lobe SL are read from the composition / sound velocity map of Table 1. Can do. Similarly, the butane composition ratio α 0 , α a can be linearly interpolated with the ratio according to the measurement temperature, whereby the butane composition ratio α of the liquid in the container can be calculated. The calculation result of the butane composition ratio α is also output to the monitor 94.

サイドローブの伝播時間trは、その伝播経路長をLcとして、
tr=tc(Constant)+Lc/(2・Vc) ‥(11)
にて表すことができる。tcは容器底部の伝播時間分を示すが、反射板から反射してくるこの反射時間には常にこの値が含まれ共通である。また、容器底部をなす鉄の音速の温度係数は、LPGの音速の温度係数よりも3桁程度低く、金属中の温度による伝播速度の変化は使用温度範囲内では無視できる。このため、20℃におけるプロパン100%での伝播時間に対して、例えば、配合比が異なる場合(プロパン:ブタン=100−α:α)の液体を同一温度で計測した時は、その伝播時間tα=tc+Lc/(2・Va)より音速Vaが決定されるので、音速Vaからブタン組成比をマップないし近似式から算出でき、モニタ94への表示出力が可能である。
The propagation time tr of the side lobe is Lc as its propagation path length.
tr = tc (Constant) + Lc / (2 · Vc) (11)
Can be expressed as tc represents the propagation time at the bottom of the container, but this reflection time reflected from the reflecting plate always includes this value and is common. Moreover, the temperature coefficient of the sound speed of iron forming the bottom of the container is about three orders of magnitude lower than the temperature coefficient of the sound speed of LPG, and the change in propagation speed due to the temperature in the metal can be ignored within the operating temperature range. For this reason, for example, when liquids with different blending ratios (propane: butane = 100−α: α) are measured at the same temperature with respect to the propagation time at 100% propane at 20 ° C., the propagation time t Since the sound speed Va is determined from α = tc + Lc / (2 · Va), the butane composition ratio can be calculated from the sound speed Va from a map or approximate expression, and display output to the monitor 94 is possible.

さらに、液体の真の音速Vaが決定されるので、メインローブの伝播時間tをVaで除することにより正確な液量が演算できる。例えば、温度Ta=20℃において、液体のブタン組成比をα、その音速をVa=Y[m/s]とした場合、
=tc+Lc/(2・Y) ‥(12)
なので、
Y=Va=Lc/[2・{t−tr+Lc/(2・Vc)}] ‥(13)
となる。この音速Yを、前述のマップないし近似式より求め、該Y(=Va)に対応するブタン組成比αを算出できる。
Moreover, since the true speed of sound Va of the liquid is determined, it can be calculated accurate fluid volume by dividing the propagation time t x of the main lobe at Va. For example, at a temperature Ta = 20 ° C., when the liquid butane composition ratio is α and the sound velocity is Va = Y [m / s],
t X = tc + Lc / (2 · Y) (12)
So,
Y = Va = Lc / [2 · {t X −tr + Lc / (2 · Vc)}] (13)
It becomes. The sound velocity Y is obtained from the above-described map or approximate expression, and the butane composition ratio α corresponding to Y (= Va) can be calculated.

なお、上記の実施形態では、サイド反射波形の振幅が最大化される固有周波数にて1回のみ超音波トランスジューサ2をバースト駆動するようにしていたが、超音波トランスジューサ2を、メイン反射波形の受信強度が最大化される周波数fmm(前述の(4)式:第一板厚固有周波数)と、サイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fmS(前述の(5)式:第二板厚固有周波数)で逐次駆動するように構成してもよい。この場合、超音波トランスジューサ2をfmmにて駆動した場合の受信波形においてはメイン反射波形(図6:伝播時間tx)のみを特定し、同じくfmSにて駆動した場合の受信波形においてはサイド反射波形(図6:伝播時間tr)のみを特定する。これにより、メイン反射波形のS/N比も向上でき、より高精度な液面測定が可能となる。 In the above embodiment, the ultrasonic transducer 2 is burst-driven only once at the natural frequency at which the amplitude of the side reflection waveform is maximized. However, the ultrasonic transducer 2 receives the main reflection waveform. The frequency f mm at which the intensity is maximized (the above-mentioned equation (4): first plate thickness natural frequency) and the frequency f mS at which the reception intensity of the side reflection waveform is maximized (the above-mentioned equation (5): second) It may be configured to sequentially drive at the plate thickness natural frequency). In this case, only the main reflection waveform (FIG. 6: propagation time tx) is specified in the reception waveform when the ultrasonic transducer 2 is driven at f mm , and the side in the reception waveform when it is also driven at f mS . Only the reflected waveform (FIG. 6: propagation time tr) is specified. As a result, the S / N ratio of the main reflection waveform can be improved, and the liquid level can be measured with higher accuracy.

他方、超音波トランスジューサ2を、メイン反射波形の受信強度が最大化される周波数fmm(前述の(4)式:第一板厚固有周波数)と、サイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fmS(前述の(5)式:第二板厚固有周波数)とによる各駆動波形を合成した合成駆動波形により超音波トランスジューサ2を駆動するようにしてもよい。この場合、合成駆動波形により超音波トランスジューサ2を駆動した場合に得られる受信波形のうち、fmmによる波形成分からメイン反射波形を特定し、fmSによる波形成分からサイド反射波形を特定する。このようにすると、超音波トランスジューサ2を上記合成駆動波形により1回駆動するだけで、メイン反射波形とサイド反射波形との双方を、それぞれ受信強度が最適化された形で同時に検出でき、個々の反射波形のS/N比向上を効率的に図ることができる。図2においては、第二の反射超音波計測部103’を追加し、第一の反射超音波計測部103に含まれる帯域通過フィルタ103aの通過帯域をメイン反射波形の受信強度が最大化される周波数fmmに合わせこみ、第二の反射超音波計測部103’に含まれる帯域通過フィルタ103’aの通過帯域をサイド反射波形の受信強度が最大化される周波数fmSに合わせこむことで、各波形を同時に検出できるように構成してある。 On the other hand, the ultrasonic transducer 2 maximizes the frequency f mm (the above-described equation (4): first plate thickness natural frequency) at which the reception intensity of the main reflection waveform is maximized and the reception intensity of the side reflection waveform. The ultrasonic transducer 2 may be driven by a combined drive waveform obtained by combining the drive waveforms based on the frequency f mS (the above-described equation (5): second plate thickness natural frequency). In this case, the main reflection waveform is specified from the waveform component by f mm and the side reflection waveform is specified from the waveform component by f mS among the reception waveforms obtained when the ultrasonic transducer 2 is driven by the composite drive waveform. In this way, both the main reflection waveform and the side reflection waveform can be detected simultaneously in a form in which the reception intensity is optimized by driving the ultrasonic transducer 2 once with the above composite drive waveform. It is possible to efficiently improve the S / N ratio of the reflected waveform. In FIG. 2, the second reflected ultrasonic measurement unit 103 ′ is added, and the reception intensity of the main reflected waveform is maximized in the pass band of the band pass filter 103 a included in the first reflected ultrasonic measurement unit 103. By adjusting to the frequency f mm, and adjusting the pass band of the band pass filter 103′a included in the second reflected ultrasonic measurement unit 103 ′ to the frequency f mS at which the reception intensity of the side reflection waveform is maximized, Each waveform is configured to be detected simultaneously.

1 超音波液面計
2 超音波トランスジューサ
8 温度検出素子(温度測定手段)
30 容器
30K 反射板(反射部材)
94 モニタ(液面位置情報出力手段、液体種別出力手段)
100 マイコン(反射波形特定手段、メインローブ液面伝播時間計測手段、サイドローブ伝播時間計測手段、音速演算手段、液面高さ演算手段、液体種別・音速相関情報取得手段、液体種別特定手段、温度補正手段、最低液面判定手段、駆動周波数調整・設定手段)
105 駆動回路(超音波駆動手段)
200 容器
1 Ultrasonic liquid level gauge 2 Ultrasonic transducer 8 Temperature detection element (temperature measurement means)
30 container 30K reflector (reflective member)
94 monitor (liquid level position information output means, liquid type output means)
100 microcomputer (reflected waveform specifying means, main lobe liquid level propagation time measuring means, side lobe propagation time measuring means, sound speed calculating means, liquid level height calculating means, liquid type / sound speed correlation information acquiring means, liquid type specifying means, temperature Correction means, minimum liquid level judgment means, drive frequency adjustment / setting means)
105 Drive circuit (ultrasonic drive means)
200 containers

Claims (11)

液体を収容した容器からなる被測定系において容器底部に取り付けられ、該容器底部を介して前記液体中に測定用超音波を送出するとともに該測定用超音波の反射波を受信する超音波トランスジューサと、
前記超音波トランスジューサによる受信波形において、前記測定用超音波のメインローブに由来したメイン反射波形とサイドローブに由来したサイド反射波形とを分離して特定する反射波形特定手段と、
前記メイン反射波形と前記サイド反射波形との双方に基づいて前記容器中の液面位置に関する情報を生成する液面位置情報生成手段と、
生成した前記液面位置情報を出力する液面位置情報出力手段と、
を備えたことを特徴とする超音波液面計。
An ultrasonic transducer that is attached to a container bottom in a system to be measured that includes a container that contains a liquid, sends ultrasonic waves for measurement into the liquid via the container bottom, and receives reflected waves of the ultrasonic waves for measurement; ,
In the received waveform by the ultrasonic transducer, a reflected waveform specifying means for separating and specifying a main reflected waveform derived from the main lobe of the measurement ultrasonic wave and a side reflected waveform derived from the side lobe;
Liquid level position information generating means for generating information on the liquid level position in the container based on both the main reflection waveform and the side reflection waveform;
Liquid level position information output means for outputting the generated liquid level position information;
An ultrasonic liquid level gauge comprising:
前記超音波トランスジューサが板状の容器底部裏面に対し前記メインローブの液面反射波を直接受信可能な位置に取り付けられ、
前記容器の側壁内面には、前記液面に向けて前記メインローブを通過させる一方、前記容器底部に対し前記超音波トランスジューサの受信面から外れた位置に反射波が入射するように前記サイドローブを反射する反射部材が取り付けられ、
前記反射波形特定手段は、前記メインローブの液面反射波形を前記メイン反射波形として、前記容器底部に入射し該容器底部内を多重反射しつつ前記超音波トランスジューサの前記受信面に到達する前記サイドローブの波形を前記サイド反射波形として特定するものである請求項1記載の超音波液面計。
The ultrasonic transducer is attached to a position where the liquid surface reflected wave of the main lobe can be directly received with respect to the back surface of the bottom of the plate-shaped container.
The side lobe is passed through the inner surface of the side wall of the container so that the reflected wave is incident on the bottom of the container away from the receiving surface of the ultrasonic transducer while passing the main lobe toward the liquid surface. Reflective reflective member is attached,
The reflected waveform specifying means uses the liquid surface reflection waveform of the main lobe as the main reflection waveform, enters the container bottom, and multi-reflects the inside of the container while reaching the receiving surface of the ultrasonic transducer. The ultrasonic liquid level meter according to claim 1, wherein a lobe waveform is specified as the side reflection waveform.
前記液面位置情報生成手段は、
前記測定用超音波を送出してから前記メイン反射波形を検出するまでの前記メインローブの液面往復伝播時間を計測するメインローブ液面伝播時間計測手段と、
前記測定用超音波を送出してから前記サイド反射波形を検出するまでの前記サイドローブの伝播時間を計測するサイドローブ伝播時間計測手段とを有し、
前記液面位置情報生成手段は、前記メインローブの前記液面往復伝播時間と前記サイドローブの伝播時間との双方に基づいて前記容器中の液面高さを前記液面位置に関する情報として演算するものである請求項2記載の超音波液面計。
The liquid surface position information generating means includes
A main lobe liquid surface propagation time measuring means for measuring the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe from the time when the measurement ultrasonic wave is transmitted to the time when the main reflection waveform is detected;
A side lobe propagation time measuring means for measuring the propagation time of the side lobe from sending out the measurement ultrasonic wave to detecting the side reflection waveform;
The liquid surface position information generating means calculates the liquid surface height in the container as information on the liquid surface position based on both the liquid surface reciprocating propagation time of the main lobe and the propagation time of the side lobe. The ultrasonic liquid level gauge according to claim 2, wherein
前記液面位置情報生成手段は、前記メインローブの前記液面往復伝播時間に基づいて前記容器中の液面高さを演算する液面高さ演算手段と、演算された液面高さを前記サイドローブの伝播時間に基づいて補正する液面高さ補正手段とを有する請求項3記載の超音波液面計。   The liquid surface position information generating means includes a liquid surface height calculating means for calculating a liquid surface height in the container based on the liquid surface reciprocating propagation time of the main lobe, and the calculated liquid surface height The ultrasonic liquid level meter according to claim 3, further comprising a liquid level height correcting unit configured to correct based on a propagation time of the side lobe. 前記液面位置情報生成手段は、前記サイドローブの伝播時間に基づいて前記液体中の音速を演算する音速演算手段と、前記メインローブの前記液面往復伝播時間と、前記サイドローブの伝播時間に基づいて演算された音速とに基づいて前記容器中の液面高さを演算する液面高さ演算手段とを有する請求項3又は請求項4に記載の超音波液面計。   The liquid surface position information generating means includes a sound speed calculating means for calculating a sound speed in the liquid based on the propagation time of the side lobe, the liquid surface reciprocation propagation time of the main lobe, and the propagation time of the side lobe. The ultrasonic liquid level meter according to claim 3 or 4, further comprising a liquid level height calculating means for calculating a liquid level height in the container based on a sound speed calculated based on the sound speed. 前記容器内に収容可能な液体の種別と各液体の音速との相関を特定する液体種別・音速相関情報を取得する液体種別・音速相関情報取得手段と、
前記音速演算手段が演算する音速に対応する液体種別を、前記液体種別・音速相関情報を参照して特定する液体種別特定手段と、
特定された液体種別を出力する液体種別出力手段とを備える請求項5記載の超音波液面計。
Liquid type / sound speed correlation information acquisition means for acquiring a liquid type / sound speed correlation information for specifying a correlation between the type of liquid that can be stored in the container and the sound speed of each liquid;
A liquid type specifying means for specifying the liquid type corresponding to the sound speed calculated by the sound speed calculating means with reference to the liquid type / sound speed correlation information;
The ultrasonic liquid level meter according to claim 5, further comprising a liquid type output unit that outputs the specified liquid type.
前記容器内の前記液体の温度を測定する温度測定手段と、
前記音速演算手段が演算する前記音速又は前記液面高さ演算手段が演算する前記液面高さを、測定された前記温度にて補正する温度補正手段とを備える請求項5又は請求項6に記載の超音波液面計。
Temperature measuring means for measuring the temperature of the liquid in the container;
The temperature correction means for correcting the sound speed calculated by the sound speed calculation means or the liquid level height calculated by the liquid level calculation means with the measured temperature. The ultrasonic level gauge as described.
前記反射部材は、前記メイン反射波形により検出可能な最低液面位置又はそれよりも低位置に取り付けられ、
前記液面位置情報生成手段は、前記メイン反射波形と前記サイド反射波形との双方が検出されないことを条件として、前記液面高さが前記最低液面位置未満であると判定する最低液面判定手段を有する請求項3ないし請求項7のいずれか1項に記載の超音波液面計。
The reflecting member is attached to the lowest liquid level position detectable by the main reflected waveform or a position lower than that,
The liquid surface position information generation means determines that the liquid surface height is less than the minimum liquid surface position on condition that both the main reflection waveform and the side reflection waveform are not detected. The ultrasonic liquid level meter according to any one of claims 3 to 7, further comprising means.
前記超音波トランスジューサを予め定められた帯域内にて周波数を変更しつつ駆動することにより、個々の周波数における前記サイド反射波形の受信強度を特定し、該受信強度が最大化される周波数を見出して前記超音波トランスジューサの駆動周波数として設定する駆動周波数調整・設定手段を有する請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の超音波液面計。   By driving the ultrasonic transducer while changing the frequency within a predetermined band, the reception intensity of the side reflection waveform at each frequency is specified, and the frequency at which the reception intensity is maximized is found. The ultrasonic liquid level meter according to any one of claims 1 to 8, further comprising a driving frequency adjustment / setting unit that sets the driving frequency of the ultrasonic transducer. 前記容器底部の板厚方向の縦波振動に係る固有周波数を板厚固有周波数として、前記超音波トランスジューサを互いに異なる第一板厚固有周波数と第二板厚固有周波数とにより逐次駆動する超音波駆動手段が設けられ、
前記反射波形特定手段は、前記超音波トランスジューサを前記第一板厚固有周波数にて駆動した場合の受信波形においては前記メイン反射波形のみを特定し、同じく前記第二板厚固有周波数にて駆動した場合の受信波形においては前記サイド反射波形のみを特定する請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の超音波液面計。
Ultrasonic drive for sequentially driving the ultrasonic transducer with a first plate thickness natural frequency and a second plate thickness natural frequency different from each other, with the natural frequency relating to the longitudinal wave vibration in the plate thickness direction of the container bottom as the plate thickness natural frequency. Means are provided,
The reflected waveform specifying means specifies only the main reflected waveform in the received waveform when the ultrasonic transducer is driven at the first plate thickness natural frequency, and is also driven at the second plate thickness natural frequency. The ultrasonic liquid level meter according to any one of claims 1 to 9, wherein only the side reflection waveform is specified in the received waveform.
前記容器底部の板厚方向の縦波振動に係る固有周波数を板厚固有周波数として、互いに異なる第一板厚固有周波数と第二板厚固有周波数とを定めるとともに、前記第一板厚固有周波数による駆動波形と前記第二板厚固有周波数による駆動波形とを合成した合成駆動波形により前記超音波トランスジューサを駆動する超音波駆動手段が設けられ、
前記反射波形特定手段は、前記合成駆動波形により前記超音波トランスジューサを駆動した場合に得られる受信波形のうち、前記第一板厚固有周波数による波形成分から前記メイン反射波形を特定し、前記第二板厚固有周波数による波形成分から前記サイド反射波形を特定する請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の超音波液面計。
The natural frequency related to the longitudinal wave vibration in the thickness direction of the container bottom is defined as the thickness natural frequency, and a first plate thickness natural frequency and a second plate thickness natural frequency that are different from each other are determined, and according to the first plate thickness natural frequency. Ultrasonic drive means for driving the ultrasonic transducer by a composite drive waveform obtained by combining a drive waveform and a drive waveform by the second plate thickness natural frequency is provided,
The reflected waveform specifying means specifies the main reflected waveform from a waveform component based on the first plate thickness natural frequency among received waveforms obtained when the ultrasonic transducer is driven by the synthesized drive waveform, The ultrasonic liquid level meter according to any one of claims 1 to 9, wherein the side reflection waveform is specified from a waveform component based on a plate thickness natural frequency.
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