JP2013140070A - Liquid level measurement method and liquid level measurement device - Google Patents

Liquid level measurement method and liquid level measurement device Download PDF

Info

Publication number
JP2013140070A
JP2013140070A JP2012000153A JP2012000153A JP2013140070A JP 2013140070 A JP2013140070 A JP 2013140070A JP 2012000153 A JP2012000153 A JP 2012000153A JP 2012000153 A JP2012000153 A JP 2012000153A JP 2013140070 A JP2013140070 A JP 2013140070A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid level
liquid
ultrasonic
container
level measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012000153A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5779107B2 (en
Inventor
Yoshiaki Nagashima
良昭 永島
Junji Baba
淳史 馬場
Masahiro Miki
将裕 三木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Original Assignee
Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi GE Nuclear Energy Ltd filed Critical Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority to JP2012000153A priority Critical patent/JP5779107B2/en
Publication of JP2013140070A publication Critical patent/JP2013140070A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5779107B2 publication Critical patent/JP5779107B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately detect a liquid level, when measuring the liquid level of a vessel from the propagation time of an ultrasonic wave propagated through a liquid inside liquid level measurement piping in communication with the vessel.SOLUTION: An ultrasonic wave U is emitted to a liquid 12a inside liquid level measurement piping 12, the ultrasonic wave U reflected on the liquid 12a inside the liquid level measurement piping 12 is received, and on the basis of the relationship between frequency and sonic speed of the ultrasonic wave U propagating the liquid 12a inside the liquid level measurement piping 12, the received signal is converted to a propagation distance signal and the propagation distance signal is converted to the liquid level of a vessel 10.

Description

本発明は、容器内の液位を計測する液位計測方法および液位計測装置に関し、特に、超音波探触子により容器の外から容器内の液位を検出する液位計測方法および液位計測装置に関する。   The present invention relates to a liquid level measuring method and a liquid level measuring apparatus for measuring a liquid level in a container, and in particular, a liquid level measuring method and a liquid level for detecting a liquid level in a container from the outside of the container by an ultrasonic probe. It relates to a measuring device.

タンク、圧力容器では、その制御性の確保や安全性維持の観点から、液位を正確に計測することが重要である。容器の外壁面から内部の液位を計測する方法としては、従来から多くの方式が知られている。例えば、液面に浮くフロートの上下動を用いる方式、液体の圧力を検知する方式、静電容量を検出する方式、超音波を用いる方式などがある。このうち、超音波を用いる方法について、以下の技術が開示されている。   In tanks and pressure vessels, it is important to accurately measure the liquid level from the viewpoint of ensuring controllability and maintaining safety. Many methods are conventionally known as a method for measuring the liquid level inside from the outer wall surface of the container. For example, there are a method that uses vertical movement of a float that floats on the liquid surface, a method that detects the pressure of the liquid, a method that detects capacitance, and a method that uses ultrasonic waves. Among these, the following techniques are disclosed for methods using ultrasonic waves.

特許文献1および特許文献2には、超音波を入射した壁面の対向側内壁面で反射した反射波を容器内の液体を通して受信して液体の有無を検出するとともに、この対向側内壁面からの反射波のみを受信する工夫により、液位を好適に計測する方法が開示されている。   In Patent Literature 1 and Patent Literature 2, a reflected wave reflected by an opposing inner wall surface of a wall surface on which ultrasonic waves are incident is received through the liquid in the container to detect the presence or absence of the liquid, and from the opposing inner wall surface, There has been disclosed a method for suitably measuring the liquid level by means of receiving only the reflected wave.

特許文献3および特許文献4は、容器壁面の内面側が液体に接しているか、または気体に接しているかで、超音波の反射・透過率が変化する原理を利用するものであり、超音波センサ設置位置の内壁面からの反射波を受信し、容器内液体の有無による壁内の多重反射波の減衰特性の違いから液位を判定することが開示されている。   Patent Document 3 and Patent Document 4 utilize the principle that the reflection / transmittance of ultrasonic waves changes depending on whether the inner surface of the container wall is in contact with a liquid or in contact with a gas. It has been disclosed to receive a reflected wave from the inner wall surface of a position and determine the liquid level from the difference in attenuation characteristics of multiple reflected waves in the wall depending on the presence or absence of liquid in the container.

特許文献5ないし特許文献8は、液面が形成する面で超音波を反射させ、その伝搬時間から液位を計測する方式に関するものである。
このうち、特許文献5および特許文献6には、容器の外壁面から容器内の斜め上方に向かって超音波を送信し、液面と容器内壁が接するコーナ部から反射して戻ってきた超音波を検出して、液位を計測する方法が開示されている。
また、特許文献7および特許文献8には、容器底面側から上方に向けて超音波を送信し、液中を伝搬した超音波の伝搬時間から液位を計測する方法を開示しており、さらに、超音波の音速(伝搬速度)が温度等で変化して液位計測値が変化する問題を、温度計や距離一定のパスを伝搬する超音波の伝搬時間を使って校正する方法を示している。
Patent Documents 5 to 8 relate to a method of reflecting an ultrasonic wave on a surface formed by a liquid surface and measuring the liquid level from the propagation time.
Among these, in Patent Document 5 and Patent Document 6, ultrasonic waves are transmitted from the outer wall surface of the container obliquely upward in the container, and are reflected and returned from the corner portion where the liquid surface and the inner wall of the container are in contact with each other. A method for detecting the liquid level and measuring the liquid level is disclosed.
Patent Document 7 and Patent Document 8 disclose a method of transmitting an ultrasonic wave upward from the bottom surface side of the container and measuring the liquid level from the propagation time of the ultrasonic wave propagated in the liquid. Shows how to calibrate the problem of changes in the liquid level measurement value due to changes in the sound velocity (propagation speed) of the ultrasonic wave due to temperature, etc., using a thermometer and the propagation time of the ultrasonic wave propagating through a constant distance path. Yes.

また、特許文献9および特許文献10には、容器内液体と連通する配管を別途設け、配管内液体を伝搬する超音波の伝搬時間から配管内の液位を計測し、当該配管の液位が容器と同じ高さを示す原理から、容器の液位を求める方法が示されている。   Further, in Patent Document 9 and Patent Document 10, a pipe communicating with the liquid in the container is separately provided, and the liquid level in the pipe is measured from the propagation time of the ultrasonic wave propagating through the liquid in the pipe. From the principle of showing the same height as the container, a method for obtaining the liquid level of the container is shown.

特開昭61−3012号公報Japanese Patent Laid-Open No. 61-3012 特開平8−136320号公報JP-A-8-136320 特開平11−218436号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-218436 特開2000−121410号公報JP 2000-121410 A 特開平5−133792号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-133792 特開2008−70387号公報JP 2008-70387 A 特開平8−219854号公報JP-A-8-219854 特開2006−322825号公報JP 2006-322825 A 特開2004−286745号公報JP 2004-286745 A 特開2009−271056号公報JP 2009-271056 A

特許文献1乃至特許文献8では、容器外面に超音波センサ(超音波探触子)を直接設置する構成となっている。このような構成において、容器が高温や放射線などの環境下にある場合、超音波センサの耐久性や作業者が容器に接近して作業する保守性などが問題となる。   In Patent Documents 1 to 8, an ultrasonic sensor (ultrasonic probe) is directly installed on the outer surface of the container. In such a configuration, when the container is in an environment such as high temperature or radiation, there are problems such as durability of the ultrasonic sensor and maintainability in which an operator works close to the container.

一方、特許文献9および特許文献10では、容器とは別途に設けた配管に超音波センサ(超音波探触子)を設置して、配管内の液体中を伝搬する超音波の伝搬時間から液位を計測する。このため、超音波センサを容器から離れた配管側に設置すればよく、超音波センサの耐久性や保守性といった課題を解決することができる。   On the other hand, in Patent Document 9 and Patent Document 10, an ultrasonic sensor (ultrasonic probe) is installed in a pipe provided separately from the container, and the liquid is calculated from the propagation time of the ultrasonic wave propagating in the liquid in the pipe. Measure the position. For this reason, what is necessary is just to install an ultrasonic sensor in the piping side away from the container, and problems, such as durability and maintainability of an ultrasonic sensor, can be solved.

しかし、特許文献9および特許文献10の方法でも新たな課題が生じる。
それは、配管内の液体を伝搬する超音波の振動モードによっては、その伝搬速度に分散(周波数による伝搬速度の違い)が生じることである。これは、容器のように口径が大きい場合には問題とならない。一方、配管のように口径が小さい場合には、円柱の液体導波管(配管内の液体)を伝搬する超音波が、特徴的な超音波(ガイド波)となることによる。速度分散が生じると、例えばパルス波のように、元々時間分解能が高く複数の周波数成分を含む波では、周波数成分ごとに伝搬速度が異なるので、伝搬する毎に波形が歪み、ついには元の波形形状を留めなくなる。
これが、伝搬時間の計測精度を低下させ、液位の計測精度を低下させる要因となる。
However, a new problem also arises in the methods of Patent Document 9 and Patent Document 10.
That is, depending on the vibration mode of the ultrasonic wave propagating the liquid in the pipe, dispersion (difference in propagation speed depending on frequency) occurs in the propagation speed. This is not a problem when the aperture is large like a container. On the other hand, when the aperture is small like a pipe, the ultrasonic wave propagating through the cylindrical liquid waveguide (liquid in the pipe) becomes a characteristic ultrasonic wave (guide wave). When velocity dispersion occurs, a wave that originally has a high time resolution and includes multiple frequency components, such as a pulse wave, has a different propagation speed for each frequency component, so the waveform is distorted each time it propagates, and finally the original waveform The shape will not stop.
This is a factor that decreases the measurement accuracy of the propagation time and the measurement accuracy of the liquid level.

そこで、本発明は、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法および液位計測装置において、高精度に液位を検出する液位計測方法および液位計測装置を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides a liquid level measurement method and a liquid level measurement apparatus for measuring the liquid level of the container from the propagation time of the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid level measurement pipe communicating with the container. It is an object of the present invention to provide a liquid level measuring method and a liquid level measuring device for detecting the position.

このような課題を解決するために、本発明は、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法であって、前記液位計測用配管内の液体に超音波を送信する送信ステップと、前記液位計測用配管内の液体で反射した超音波を受信する受信ステップと、前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信ステップで受信した受信信号を伝搬距離信号に変換する変換ステップと、前記変換ステップで変換された伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する換算ステップと、を有することを特徴とする液位計測方法である。   In order to solve such a problem, the present invention is a liquid level measuring method for measuring the liquid level of the container from the propagation time of the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid level measuring pipe communicating with the container. A transmission step for transmitting ultrasonic waves to the liquid in the liquid level measurement pipe, a reception step for receiving ultrasonic waves reflected by the liquid in the liquid level measurement pipe, and a liquid in the liquid level measurement pipe A conversion step for converting the reception signal received in the reception step into a propagation distance signal based on the relationship between the frequency and sound velocity in the ultrasonic wave propagating through the ultrasonic wave; and the propagation distance signal converted in the conversion step A liquid level measuring method comprising:

また、本発明は、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測装置であって、液位計測用配管の下部に配置される超音波探触子と、前記超音波探触子へ発信信号を印加し、受信信号を増幅する超音波送受信器と、前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信信号を伝搬距離信号に変換する信号処理手段と、前記伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する液位換算手段と、を備えることを特徴とする液位計測装置である。   Further, the present invention is a liquid level measuring device for measuring the liquid level of the container from the propagation time of the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid level measuring pipe communicating with the container, the lower part of the liquid level measuring pipe An ultrasonic probe disposed in the ultrasonic probe, an ultrasonic transmitter / receiver that applies a transmission signal to the ultrasonic probe and amplifies a received signal, and an ultrasonic wave that propagates liquid in the liquid level measurement pipe A signal processing unit that converts the received signal into a propagation distance signal based on a relationship between a frequency and a sound speed, and a liquid level conversion unit that converts the propagation distance signal into a liquid level of the container. It is a liquid level measuring device.

本発明によれば、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法および液位計測装置において、高精度に液位を検出する液位計測方法および液位計測装置を提供することができる。   According to the present invention, in a liquid level measuring method and a liquid level measuring apparatus for measuring the liquid level of the container from the propagation time of the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid for measuring the liquid level communicating with the container, It is possible to provide a liquid level measuring method and a liquid level measuring device for detecting the level.

第1実施形態に係る液位計測装置および計測対象である容器の構成図である。It is a lineblock diagram of the container which is a liquid level measuring device and a measuring object concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子の構造の例を説明する図であり、(a)は水平方向に見た断面模式図であり、(b)は液位計測用配管の底面外側から見た模式図である。It is a figure explaining the example of the structure of the ultrasonic probe of the liquid level measuring device which concerns on 1st Embodiment, (a) is a cross-sectional schematic diagram seen in the horizontal direction, (b) is for liquid level measurement It is the schematic diagram seen from the bottom face outer side of piping. 超音波送受信器の詳細な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of an ultrasonic transmitter / receiver. 第1実施形態に係る液位計測装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the liquid level measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る液位計測装置の液位計測方法を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the liquid level measuring method of the liquid level measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る液位計測装置の液位計測用配管を伝搬する超音波の周波数と音速との関係を説明するグラフである。It is a graph explaining the relationship between the frequency of the ultrasonic wave which propagates the piping for liquid level measurement of the liquid level measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment, and sound velocity. 第2実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子の構造の例を説明する図であり、(a)は水平方向に見た断面模式図であり、(b)は液位計測用配管の底面外側から見た模式図である。It is a figure explaining the example of the structure of the ultrasonic probe of the liquid level measuring device which concerns on 2nd Embodiment, (a) is a cross-sectional schematic diagram seen in the horizontal direction, (b) is for liquid level measurement It is the schematic diagram seen from the bottom face outer side of piping.

以下、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

≪第1実施形態≫
図1は、第1実施形態に係る液位計測装置1および計測対象である容器10の構成図である。第1実施形態に係る液位計測装置1は、容器10に貯留された液体10aの液位(容器10の底面10cから液面10bまでの高さ)を計測する装置である。
<< First Embodiment >>
Drawing 1 is a lineblock diagram of liquid level measuring device 1 concerning a 1st embodiment, and container 10 which is a measuring object. The liquid level measurement device 1 according to the first embodiment is a device that measures the liquid level of the liquid 10a stored in the container 10 (height from the bottom surface 10c of the container 10 to the liquid level 10b).

<容器10の構成>
まず、図1を用いて、計測対象である容器10の構成について説明する。
容器10には、液体10aが貯留されている。また、容器10には、第1連通配管11aおよび第2連通配管11bを介して容器10と連通するように液位計測用配管12が設けられている。第1連通配管11aは、液面10bよりも高い位置で容器10と連通するようになっている。また、第2連通配管11bは、液面10bよりも低い位置で容器10と連通するようになっている。これにより、容器10における液体10aの液面10bと、液位計測用配管12における液体10aの液面12bとは、高さが等しくなっている。
<Configuration of container 10>
First, the configuration of the container 10 that is a measurement target will be described with reference to FIG.
The container 10 stores a liquid 10a. The container 10 is also provided with a liquid level measurement pipe 12 so as to communicate with the container 10 via the first communication pipe 11a and the second communication pipe 11b. The first communication pipe 11a communicates with the container 10 at a position higher than the liquid level 10b. Further, the second communication pipe 11b communicates with the container 10 at a position lower than the liquid level 10b. Thereby, the liquid surface 10b of the liquid 10a in the container 10 and the liquid surface 12b of the liquid 10a in the liquid level measurement pipe 12 have the same height.

即ち、後述する液位計測装置1が、液位計測用配管12の液位(液位計測用配管12の底面12cから液面12bまでの高さ)を計測することにより、容器10の底面10cと液位計測用配管12の底面12cとの位置関係を用いて、容器10の液位(容器10の底面10cから液面10bまでの高さ)を計測することができるようになっている。   That is, the liquid level measuring device 1 to be described later measures the liquid level of the liquid level measuring pipe 12 (the height from the bottom surface 12c of the liquid level measuring pipe 12 to the liquid level 12b), whereby the bottom surface 10c of the container 10 is measured. The liquid level of the container 10 (the height from the bottom surface 10c of the container 10 to the liquid level 10b) can be measured using the positional relationship between the liquid level measurement pipe 12 and the bottom surface 12c of the liquid level measurement pipe 12.

また、図1に示すように、容器10と液位計測用配管12とは、隔離壁13により隔離されて配置されており、第1連通配管11aおよび第2連通配管11bが隔離壁13を貫通するように構成されている。   In addition, as shown in FIG. 1, the container 10 and the liquid level measurement pipe 12 are disposed so as to be separated by the isolation wall 13, and the first communication pipe 11 a and the second communication pipe 11 b penetrate the isolation wall 13. Is configured to do.

例えば、後述する液位計測装置1が、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の液位を計測する装置である場合には、容器10が原子炉圧力容器に相当し、隔離壁13が原子炉格納容器の壁面に相当する。なお、容器10と液位計測用配管12とを隔離する隔離壁13は必須の構成ではなく、例えば、容器10(原子炉圧力容器)と液位計測用配管12とが、原子炉格納容器の内部に格納される構成であってもよい。   For example, when the liquid level measuring device 1 described later is a device that measures the liquid level of a reactor pressure vessel of a boiling water reactor, the vessel 10 corresponds to the reactor pressure vessel, and the isolation wall 13 is an atom. Corresponds to the wall of the containment vessel. The isolation wall 13 that separates the vessel 10 and the liquid level measurement pipe 12 is not an essential configuration. For example, the vessel 10 (reactor pressure vessel) and the liquid level measurement pipe 12 are connected to the reactor containment vessel. The configuration may be stored inside.

なお、後述する液位計測装置1は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器(容器10)の液位を計測する装置に限られるものではない。例えば、容器10はタンクであり、後述する液位計測装置1がタンク(容器10)の液位を計測する装置であってもよい。また、隔離壁13は必須の構成ではなく、隔離壁13がなくてもよい。
また、後述する液位計測装置1は液位計測用配管12の液位を計測することにより容器10の液位を計測するため、容器10が、スイミングプール型のように底面10cに後述する超音波探触子2を直接取り付けることができないような構造であってもよい。
In addition, the liquid level measuring device 1 to be described later is not limited to a device that measures the liquid level of the reactor pressure vessel (vessel 10) of the boiling water reactor. For example, the container 10 may be a tank, and the liquid level measuring device 1 described later may be a device that measures the liquid level in the tank (container 10). Further, the isolation wall 13 is not an essential configuration, and the isolation wall 13 may not be provided.
Further, since the liquid level measuring device 1 to be described later measures the liquid level of the container 10 by measuring the liquid level of the liquid level measuring pipe 12, the container 10 is placed on the bottom surface 10c as described later on like a swimming pool type. The structure which cannot attach the sound probe 2 directly may be sufficient.

<液位計測装置1>
次に、図1から図3を用いて、第1実施形態に係る液位計測装置1の構成について説明する。
図1に示すように、液位計測装置1は、超音波探触子2と、超音波送受信器3と、アナログ/テジタル変換器(以下「A/D変換器」という)4と、コンピュータ5と、入力装置6と、表示装置7と、を備えている。
<Liquid level measuring device 1>
Next, the configuration of the liquid level measuring apparatus 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
As shown in FIG. 1, the liquid level measuring device 1 includes an ultrasonic probe 2, an ultrasonic transmitter / receiver 3, an analog / digital converter (hereinafter referred to as “A / D converter”) 4, and a computer 5. And an input device 6 and a display device 7.

液位計測装置1は、液位計測用配管12の底面12cから液位計測用配管12内の液体12aに超音波U(ガイド波)を伝搬させ、液面12bで反射した超音波U(反射波)を受信することにより、液位計測用配管12の液位(液位計測用配管12の底面12cから液面12bまでの高さ)を計測することができるようになっている。そして、液位計測装置1は、計測された液位計測用配管12の液位と、容器10の底面10cと液位計測用配管12の底面12cとの位置関係と、を用いて、容器10の液位(容器10の底面10cから液面10bまでの高さ)を計測することができるようになっている。   The liquid level measuring device 1 propagates the ultrasonic wave U (guide wave) from the bottom surface 12c of the liquid level measuring pipe 12 to the liquid 12a in the liquid level measuring pipe 12, and reflects the ultrasonic wave U (reflected) at the liquid level 12b. The level of the liquid level measurement pipe 12 (height from the bottom surface 12c to the liquid level 12b of the liquid level measurement pipe 12) can be measured. Then, the liquid level measuring device 1 uses the measured liquid level of the liquid level measurement pipe 12 and the positional relationship between the bottom surface 10c of the container 10 and the bottom surface 12c of the liquid level measurement pipe 12. The liquid level (height from the bottom surface 10c of the container 10 to the liquid surface 10b) can be measured.

超音波探触子2は、超音波送受信器3から送信波形(送信信号)が印加されることにより超音波Uを送信し、反射波を受信して、その受信波形(受信信号)を超音波送受信器3に出力するようになっている。   The ultrasonic probe 2 transmits an ultrasonic wave U when a transmission waveform (transmission signal) is applied from the ultrasonic transmitter / receiver 3, receives a reflected wave, and converts the received waveform (reception signal) into an ultrasonic wave. The data is output to the transceiver 3.

超音波探触子2について、図2を用いてさらに説明する。図2は、第1実施形態に係る液位計測装置1の超音波探触子2の構造の例を説明する図であり、(a)は水平方向に見た断面模式図であり、(b)は液位計測用配管12の底面外側から見た模式図である。   The ultrasonic probe 2 will be further described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the structure of the ultrasonic probe 2 of the liquid level measuring device 1 according to the first embodiment, (a) is a schematic cross-sectional view seen in the horizontal direction, and (b) ) Is a schematic view of the liquid level measurement pipe 12 as viewed from outside the bottom surface.

超音波探触子2は、図2(a)に示すように、液位計測用配管12の底面12cの外側に配置され、図2(b)に示すように、同心円状かつ等間隔の複数の超音波振動子(以下、単に振動子という)で構成されている。以下の説明において、超音波探触子2は、4個の振動子2a,2b,2c,2dで構成されているものとして説明する。   As shown in FIG. 2A, the ultrasonic probe 2 is disposed outside the bottom surface 12c of the liquid level measurement pipe 12, and as shown in FIG. 2B, a plurality of concentric and equidistant intervals are provided. The ultrasonic transducer (hereinafter simply referred to as a transducer). In the following description, the ultrasonic probe 2 will be described as including four transducers 2a, 2b, 2c, and 2d.

各振動子2a,2b,2c,2dは、例えば圧電素子によって構成され、超音波Uを送信・受信する機能を有している。各振動子2a,2b,2c,2dは、液位計測用配管12の底面12cを透過して液体12aに超音波Uを発生させる。   Each transducer 2a, 2b, 2c, 2d is constituted by a piezoelectric element, for example, and has a function of transmitting / receiving the ultrasonic wave U. Each transducer 2a, 2b, 2c, 2d passes through the bottom surface 12c of the liquid level measurement pipe 12, and generates an ultrasonic wave U in the liquid 12a.

また、超音波探触子2を構成する同心円状かつ等間隔に配置された振動子2a,2b,2c,2dのうち、最外周の振動子2aの外径は、図2(a)に示すように、液位計測用配管12の内径(即ち、液体12aの液柱の外径)に概して一致するように配置されている。   The outer diameter of the outermost transducer 2a among the transducers 2a, 2b, 2c, and 2d that are concentrically arranged at equal intervals constituting the ultrasonic probe 2 is shown in FIG. Thus, it arrange | positions so that it may correspond generally with the internal diameter (namely, outer diameter of the liquid column of the liquid 12a) of the piping 12 for liquid level measurement.

このように、超音波探触子2の振動子2a,2b,2c,2dが、同心円状かつ等間隔に配置され、加えて、最外周の振動子2aの外径が液位計測用配管12の内径(液体12aの液柱の外径)に概一致することにより、液位計測装置1は、液位計測用配管12の液体12aを伝搬する特徴的な超音波U(ガイド波)のモードの受信波形(受信信号)を抽出することができるようになっている。なお、モードの抽出方法については後述する。   In this manner, the transducers 2a, 2b, 2c, 2d of the ultrasonic probe 2 are arranged concentrically and at equal intervals, and in addition, the outer diameter of the outermost transducer 2a is the liquid level measurement pipe 12. The liquid level measuring device 1 has a characteristic ultrasonic U (guide wave) mode that propagates in the liquid 12a of the liquid level measurement pipe 12 by roughly matching the inner diameter (the outer diameter of the liquid column of the liquid 12a). The received waveform (received signal) can be extracted. The mode extraction method will be described later.

図1に戻り、超音波送受信器3は、コンピュータ5(後述する中央制御装置5a)の超音波送信指令(送信制御信号)に基づいて超音波探触子2から超音波Uを送信するために、各振動子2a,2b,2c,2dに送信波形(送信信号)を印加するようになっている。また、各振動子2a,2b,2c,2dが受信した反射波の受信波形(受信信号)を増幅してA/D変換器4に出力するようになっている。   Returning to FIG. 1, the ultrasonic transmitter / receiver 3 transmits an ultrasonic wave U from the ultrasonic probe 2 based on an ultrasonic transmission command (transmission control signal) of a computer 5 (a central control device 5a described later). A transmission waveform (transmission signal) is applied to each transducer 2a, 2b, 2c, 2d. In addition, the reception waveform (reception signal) of the reflected wave received by each transducer 2a, 2b, 2c, 2d is amplified and output to the A / D converter 4.

超音波送受信器3について、図3を用いてさらに説明する。図3は、超音波送受信器3の詳細な構成を示す構成図である。
図3に示すように、超音波送受信器3は、制御器31と、信号発生器32と、パワーアンプ33と、素子切替器34と、素子切替器35と、受信アンプ36と、を備えている。
The ultrasonic transceiver 3 will be further described with reference to FIG. FIG. 3 is a configuration diagram showing a detailed configuration of the ultrasonic transceiver 3.
As shown in FIG. 3, the ultrasonic transceiver 3 includes a controller 31, a signal generator 32, a power amplifier 33, an element switch 34, an element switch 35, and a reception amplifier 36. Yes.

信号発生器32、パワーアンプ33および素子切替器34は、超音波Uを発生させるために超音波探触子2の該当する各振動子2a,2b,2c,2dに送信波形(送信信号)を印加するための機構である。
素子切替器35および受信アンプ36は、各振動子2a,2b,2c,2dから受信した受信波形(受信信号)を増幅してA/D変換器4に出力するための機構である。
The signal generator 32, the power amplifier 33, and the element switching unit 34 send transmission waveforms (transmission signals) to the corresponding transducers 2a, 2b, 2c, and 2d of the ultrasonic probe 2 in order to generate the ultrasonic wave U. It is a mechanism for applying.
The element switch 35 and the reception amplifier 36 are mechanisms for amplifying the reception waveforms (reception signals) received from the transducers 2a, 2b, 2c, and 2d and outputting them to the A / D converter 4.

制御器31は、コンピュータ5の中央制御装置5a(図1参照)、信号発生器32、素子切替器34、および、素子切替器35と接続されている。
制御器31は、中央制御装置5aの超音波送信指令(送信制御信号)に基づいて、信号発生器32に信号発生を指令する励起指令(励起制御信号)を出力し、素子切替器34および素子切替器35に切り替えを指令する切替指令(切替制御信号)を出力することにより、超音波送受信器3を制御する。
The controller 31 is connected to the central controller 5 a (see FIG. 1) of the computer 5, a signal generator 32, an element switch 34, and an element switch 35.
The controller 31 outputs an excitation command (excitation control signal) for instructing the signal generator 32 to generate a signal based on the ultrasonic transmission command (transmission control signal) of the central control device 5a. The ultrasonic transmitter / receiver 3 is controlled by outputting a switching command (switching control signal) for commanding switching to the switching device 35.

信号発生器32は、パワーアンプ33を介して、素子切替器34と接続されている。素子切替器34は、超音波探触子2の各振動子2a,2b,2c,2dとそれぞれ接続されている。
信号発生器32は、制御器31からの励起指令(励起制御信号)に基づいて、励起信号を発生し、パワーアンプ33は、励起信号を増幅した送信波形(送信信号)を素子切替器34に出力する。
素子切替器34は、制御器31からの切替指令(切替制御信号)に基づいて、パワーアンプ33と各振動子2a,2b,2c,2dとの接続をそれぞれ切り替える。
これにより、任意の振動子2a,2b,2c,2dに送信波形(送信信号)を印加することができるようになっている。
The signal generator 32 is connected to the element switch 34 via the power amplifier 33. The element switch 34 is connected to each transducer 2a, 2b, 2c, 2d of the ultrasonic probe 2.
The signal generator 32 generates an excitation signal based on an excitation command (excitation control signal) from the controller 31, and the power amplifier 33 supplies a transmission waveform (transmission signal) obtained by amplifying the excitation signal to the element switch 34. Output.
The element switch 34 switches the connection between the power amplifier 33 and each of the vibrators 2a, 2b, 2c, and 2d based on a switching command (switching control signal) from the controller 31.
Thus, a transmission waveform (transmission signal) can be applied to any transducer 2a, 2b, 2c, 2d.

素子切替器35は、超音波探触子2の各振動子2a,2b,2c,2dとそれぞれ接続され、受信アンプ36を介して、A/D変換器4と接続されている。
素子切替器35は、制御器31からの切替指令(切替制御信号)に基づいて、受信アンプ36と各振動子2a,2b,2c,2dとの接続をそれぞれ切り替える。
受信アンプ36は、受信波形(受信信号)を増幅して、A/D変換器4に出力する。
The element switch 35 is connected to each transducer 2 a, 2 b, 2 c, 2 d of the ultrasonic probe 2, and is connected to the A / D converter 4 via the reception amplifier 36.
The element switch 35 switches the connection between the reception amplifier 36 and each transducer 2a, 2b, 2c, 2d based on a switching command (switching control signal) from the controller 31.
The reception amplifier 36 amplifies the reception waveform (reception signal) and outputs it to the A / D converter 4.

なお、振動子2a,2b,2c,2dと素子切替器34,35との接続は、同軸ケーブルを介して行われる。また、受信アンプ36とA/D変換器4との接続は、同軸ケーブルを介して行われる。   The vibrators 2a, 2b, 2c, 2d and the element changers 34, 35 are connected via coaxial cables. The reception amplifier 36 and the A / D converter 4 are connected via a coaxial cable.

図1に戻り、A/D変換器4は、アナログ信号である受信波形(受信信号)をデジタル信号(デジタル波形)に変換する機能を有している。
A/D変換器4は、コンピュータ5の信号処理装置5bと接続されており、超音波送受信器3の受信アンプ36から入力された各受信波形(受信信号)をデジタル信号に変換して、信号処理装置5bに出力する。
なお、A/D変換器4としては、例えば、市販の外付けA/D変換器、またはコンピュータ組み込み式のボードタイプのA/D変換器等が利用できる。
Returning to FIG. 1, the A / D converter 4 has a function of converting a reception waveform (reception signal) that is an analog signal into a digital signal (digital waveform).
The A / D converter 4 is connected to the signal processing device 5b of the computer 5, converts each received waveform (received signal) input from the receiving amplifier 36 of the ultrasonic transceiver 3 into a digital signal, and outputs a signal. The data is output to the processing device 5b.
As the A / D converter 4, for example, a commercially available external A / D converter or a board-type A / D converter built in a computer can be used.

コンピュータ5は、液位計測装置1の全体を制御する中央制御装置5aと、A/D変換器4から出力された受信波形(受信信号)のデジタル信号を処理する信号処理装置5bと、を備えている。
中央制御装置5aは、超音波Uの送信を指令する超音波送信指令(送信制御信号)を超音波送受信器3の制御器31に出力する。
信号処理装置5bは、A/D変換器4からのデジタル信号(受信波形)を処理して画像情報等の表示情報を生成する。また、信号処理装置5bは、A/D変換器4からのデジタル信号(受信波形)を処理して容器10の液位に換算することができるようになっている。
The computer 5 includes a central control device 5a that controls the entire liquid level measuring device 1, and a signal processing device 5b that processes a digital signal of a received waveform (received signal) output from the A / D converter 4. ing.
The central control device 5 a outputs an ultrasonic transmission command (transmission control signal) for instructing transmission of the ultrasonic wave U to the controller 31 of the ultrasonic transceiver 3.
The signal processing device 5b processes the digital signal (received waveform) from the A / D converter 4 to generate display information such as image information. Further, the signal processing device 5 b can process the digital signal (received waveform) from the A / D converter 4 and convert it into the liquid level of the container 10.

中央制御装置5aは、キーボード、マウス等の入力装置6と接続されており、計測作業者(オペレータ)が入力装置6を操作することにより指示を受け付けることができるようになっている。   The central control device 5 a is connected to an input device 6 such as a keyboard and a mouse, and a measurement operator (operator) can receive an instruction by operating the input device 6.

中央制御装置5aは、表示装置7と接続されており、信号処理装置5bで生成された画像情報等の表示情報を表示装置7に表示することができるようになっている。また、中央制御装置5aは、必要に応じて、A/D変換器4から信号処理装置5bに入力されたデジタル信号(即ち、超音波送受信器3の受信アンプ36から出力された受信波形(受信信号))を表示装置7に表示することができるようになっている。また、中央制御装置5aは、信号処理装置5bが換算した容器10の液位を表示装置7に表示することができるようになっている。   The central control device 5a is connected to the display device 7, and can display display information such as image information generated by the signal processing device 5b on the display device 7. Further, the central control device 5a, if necessary, receives a digital signal input from the A / D converter 4 to the signal processing device 5b (that is, a reception waveform (reception received from the reception amplifier 36 of the ultrasonic transceiver 3). Signal)) can be displayed on the display device 7. The central controller 5a can display the liquid level of the container 10 converted by the signal processor 5b on the display device 7.

<液位計測装置1による液位計測方法>
次に、図1から図3を参照しつつ、図4から図6を用いて、第1実施形態に係る液位計測装置1を用いた液位計測方法について説明する。図4は、第1実施形態に係る液位計測装置1の動作を示すフローチャートである。
<Liquid level measuring method by the liquid level measuring device 1>
Next, a liquid level measurement method using the liquid level measurement apparatus 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3 and FIGS. 4 to 6. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the liquid level measuring apparatus 1 according to the first embodiment.

まず、図4に示す液位計測を開始する前に、準備として、計測作業者(オペレータ)は、超音波探触子2(振動子2a,2b,2c,2d)を液位計測用配管12の底面12cの外側に配置する。また、計測作業者(オペレータ)は、液位計測装置1の入力装置6を操作して、液体12a(液体10a)の密度と、液体12a(液体10a)の弾性係数と、液位計測用配管12の内径と、容器10の底面10cと液位計測用配管12の底面12cとの高さ方向の位置関係と、を入力する。   First, before starting the liquid level measurement shown in FIG. 4, as a preparation, the measurement operator (operator) attaches the ultrasonic probe 2 (vibrators 2a, 2b, 2c, 2d) to the liquid level measurement pipe 12. It is arranged outside the bottom surface 12c. Further, the measurement operator (operator) operates the input device 6 of the liquid level measuring device 1 to density the liquid 12a (liquid 10a), the elastic coefficient of the liquid 12a (liquid 10a), and the liquid level measurement pipe. 12, and the positional relationship in the height direction between the bottom surface 10 c of the container 10 and the bottom surface 12 c of the liquid level measurement pipe 12 are input.

ステップS101において、コンピュータ5は、液位計測用配管12内の液体12aを伝搬する超音波Uにおける周波数と音速の関係を示す分散曲線を導出する。
分散曲線は、あらかじめ計測作業者(オペレータ)が入力した液体12aの密度と、液体12aの弾性係数と、液位計測用配管12の内径(即ち、液体12aの液柱の外径)とから、液体12aの液柱を模擬して、超音波Uのモードごとに導出される。なお、分散曲線の導出方法は、例えば、(西野秀郎、中鉢憲賢、「パイプ内の液体を伝搬するガイド波によるパイプ探傷の試み」、日本非破壊検査協会平成15年度秋季大会講演概要集、社団法人日本非破壊検査協会、2003年、p.13−14)などに記載されており、説明を省略する。
なお、あらかじめ分散曲線を計算してコンピュータ5に記憶しておき、計測作業者(オペレータ)が入力した液体12aの密度と、液体12aの弾性係数と、液位計測用配管12の内径とに基づいて、用いる分散曲線を読み出す構成であってもよい。
In step S <b> 101, the computer 5 derives a dispersion curve indicating the relationship between the frequency and sound velocity in the ultrasonic wave U that propagates through the liquid 12 a in the liquid level measurement pipe 12.
The dispersion curve is calculated based on the density of the liquid 12a previously input by the measurement operator (operator), the elastic coefficient of the liquid 12a, and the inner diameter of the liquid level measurement pipe 12 (that is, the outer diameter of the liquid column of the liquid 12a). It is derived for each mode of the ultrasonic wave U by simulating the liquid column of the liquid 12a. The method for deriving the dispersion curve is, for example, (Hideo Nishino, Noritaka Nakabachi, “A pipe flaw detection with a guided wave propagating the liquid in the pipe”) This is described in Japan Nondestructive Inspection Association, 2003, p. 13-14), and the description is omitted.
A dispersion curve is calculated and stored in the computer 5 in advance, and is based on the density of the liquid 12a, the elastic coefficient of the liquid 12a, and the inner diameter of the liquid level measurement pipe 12 input by a measurement operator (operator). The dispersion curve to be used may be read out.

導出された分散曲線(液位計測用配管12内の液体12aを伝搬する超音波Uにおける周波数と音速の関係)の例を図6に示す。
図6において、Vg0は周波数によって音速が一定の基本モード(0次モード)、Vg1は1次モード、Vg2は2次モード、Vg3は3次モード、Vg4は4次モードを示している。なお、第1実施形態に係る液位計測装置1の超音波探触子2は、4個の振動子2a,2b,2c,2dから構成されるため、0次モードVg0から2次モードVg2までの分散曲線を導出すればよく、3次モードVg3以降は導出しなくてもよい。
FIG. 6 shows an example of the derived dispersion curve (relationship between frequency and sound velocity in the ultrasonic wave U propagating through the liquid 12a in the liquid level measurement pipe 12).
In FIG. 6, Vg0 indicates a basic mode (0th order mode) in which the sound speed is constant depending on the frequency, Vg1 indicates a primary mode, Vg2 indicates a secondary mode, Vg3 indicates a tertiary mode, and Vg4 indicates a quaternary mode. In addition, since the ultrasonic probe 2 of the liquid level measuring device 1 according to the first embodiment is composed of the four transducers 2a, 2b, 2c, and 2d, from the 0th-order mode Vg0 to the secondary mode Vg2. The third-order mode Vg3 and subsequent modes need not be derived.

ステップS102において、中央制御装置5aは、超音波送受信器3の制御器31に超音波送信指令(送信制御信号)を出力して、超音波探触子2から液位計測用配管12に超音波Uを送信させる。
ここで、制御器31は、パワーアンプ33と全ての振動子2a,2b,2c,2dとが接続されるように切り替える切替指令(切替制御信号)を素子切替器34に出力する。また、制御器31は、励起指令(励起制御信号)を信号発生器32に出力する。信号発生器32で発生した励起信号は、パワーアンプ33で増幅され、送信波形(送信信号)として、振動子2a,2b,2c,2dに送信される。即ち、超音波探触子2の4個の振動子2a,2b,2c,2dは、全体で1つの振動子として超音波を送信する。
In step S <b> 102, the central controller 5 a outputs an ultrasonic transmission command (transmission control signal) to the controller 31 of the ultrasonic transmitter / receiver 3, and transmits ultrasonic waves from the ultrasonic probe 2 to the liquid level measurement pipe 12. Send U.
Here, the controller 31 outputs a switching command (switching control signal) for switching the power amplifier 33 and all the vibrators 2a, 2b, 2c, and 2d to the element switch 34. Further, the controller 31 outputs an excitation command (excitation control signal) to the signal generator 32. The excitation signal generated by the signal generator 32 is amplified by the power amplifier 33 and transmitted to the transducers 2a, 2b, 2c, and 2d as a transmission waveform (transmission signal). That is, the four transducers 2a, 2b, 2c, and 2d of the ultrasonic probe 2 transmit ultrasonic waves as one transducer as a whole.

ステップS103において、超音波探触子2(振動子2a,2b,2c,2d)を用いて、液面12bで反射した超音波U(反射波)を受信する。
ここで、制御器31は、各振動子2a,2b,2c,2dと受信アンプ36との接続を個別に切り替える切替指令(切替制御信号)を素子切替器35に出力する。
即ち、超音波探触子2の各振動子2a,2b,2c,2dで受信した受信波形(受信信号)は、それぞれ別個に受信アンプ36で増幅され、A/D変換器4でデジタル信号に変換され、コンピュータ5の信号処理装置5bに入力される。
In step S103, the ultrasonic wave U (reflected wave) reflected by the liquid surface 12b is received using the ultrasonic probe 2 (vibrators 2a, 2b, 2c, 2d).
Here, the controller 31 outputs a switching command (switching control signal) for individually switching the connection between each transducer 2a, 2b, 2c, 2d and the receiving amplifier 36 to the element switching device 35.
That is, the reception waveforms (reception signals) received by the transducers 2a, 2b, 2c, and 2d of the ultrasonic probe 2 are separately amplified by the reception amplifier 36 and converted into digital signals by the A / D converter 4. The signal is converted and input to the signal processing device 5 b of the computer 5.

なお、以下の説明において、振動子2aで受信し、受信アンプ36で増幅され、A/D変換器4でデジタル信号に変換された信号を受信信号S(t)とする。また、振動子2bで受信し、受信アンプ36で増幅され、A/D変換器4でデジタル信号に変換された信号を受信信号S(t)とする。また、振動子2cで受信し、受信アンプ36で増幅され、A/D変換器4でデジタル信号に変換された信号を受信信号S(t)とする。また、振動子2dで受信し、受信アンプ36で増幅され、A/D変換器4でデジタル信号に変換された信号を受信信号S(t)とする。なお、tは超音波Uを送信してからの時間であり、(t)は受信信号が時間の関数であることを表す。 In the following description, a signal received by the transducer 2a, amplified by the receiving amplifier 36, and converted into a digital signal by the A / D converter 4 is referred to as a received signal S a (t). The signal received by the transducer 2b, amplified by the reception amplifier 36, and converted into a digital signal by the A / D converter 4 is referred to as a reception signal S b (t). A signal received by the vibrator 2c, amplified by the reception amplifier 36, and converted into a digital signal by the A / D converter 4 is defined as a reception signal S c (t). A signal received by the vibrator 2d, amplified by the receiving amplifier 36, and converted into a digital signal by the A / D converter 4 is defined as a received signal S d (t). In addition, t is the time after transmitting the ultrasonic wave U, and (t) represents that the received signal is a function of time.

ステップS104において、信号処理装置5bは、ステップS101で導出した周波数と音速の分散曲線(例えば、図6参照)を用いて、ステップS103で超音波探触子2(振動子2a,2b,2c,2d)が受信した受信信号を伝搬距離信号に変換する。   In step S104, the signal processing device 5b uses the frequency and sound velocity dispersion curve derived in step S101 (see, for example, FIG. 6), and in step S103, the ultrasonic probe 2 (vibrators 2a, 2b, 2c, 2d) converts the received signal received into a propagation distance signal.

まず、信号処理装置5bは、超音波Uのモードごとの受信信号を算出する。0次モードの受信信号をf(t)、1次モードの受信信号をf(t)、2次モードの受信信号をf(t)とすると、以下の式(1)から式(3)で算出される。
(t)=S(t)+S(t)+S(t)+S(t) ……(1)
(t)=S(t)+S(t)−S(t)−S(t) ……(2)
(t)=S(t)−S(t)+S(t)−S(t) ……(3)
First, the signal processing device 5b calculates a reception signal for each mode of the ultrasonic wave U. Assuming that the received signal in the 0th-order mode is f 0 (t), the received signal in the first-order mode is f 1 (t), and the received signal in the second-order mode is f 2 (t), the following equations (1) to ( It is calculated in 3).
f 0 (t) = S a (t) + S b (t) + S c (t) + S d (t) (1)
f 1 (t) = S a (t) + S b (t) −S c (t) −S d (t) (2)
f 2 (t) = S a (t) −S b (t) + S c (t) −S d (t) (3)

次に、信号処理装置5bは、ステップS101で導出した周波数と音速の分散曲線(例えば、図6参照)をモードごとに参照して、モードごとの受信信号f(t),f(t),f(t)を伝搬距離信号g(x),g(x),g(x)に変換する。
即ち、0次モードにおいて、図6に示すVg0を参照して、受信信号f(t)を伝搬距離信号g(x)に変換する。同様に、1次モードにおいて、図6に示すVg1を参照して、受信信号f(t)を伝搬距離信号g(x)に変換する。また、2次モードにおいて、図6に示すVg2を参照して、受信信号f(t)を伝搬距離信号g(x)に変換する。なお、xは超音波Uの伝搬距離であり、(x)は伝搬距離信号が伝搬距離の関数であることを表す。
Next, the signal processing device 5b refers to the dispersion curve (for example, see FIG. 6) of the frequency and sound velocity derived in step S101 for each mode, and receives the received signals f 0 (t) and f 1 (t for each mode. ), F 2 (t) are converted into propagation distance signals g 0 (x), g 1 (x), g 2 (x).
That is, in the 0th-order mode, the received signal f 0 (t) is converted into the propagation distance signal g 0 (x) with reference to Vg0 shown in FIG. Similarly, in the primary mode, the received signal f 1 (t) is converted into the propagation distance signal g 1 (x) with reference to Vg1 shown in FIG. In the secondary mode, the received signal f 2 (t) is converted into a propagation distance signal g 2 (x) with reference to Vg2 shown in FIG. Note that x is the propagation distance of the ultrasonic wave U, and (x) represents that the propagation distance signal is a function of the propagation distance.

この受信信号f(t)を伝搬距離信号g(x)に変換する原理について、図5を用いて説明する。図5は、第1実施形態に係る液位計測装置1の液位計測方法を説明する概念図である。
受信信号f(t)を周波数ごとに分解し、周波数と音速の分散曲線(例えば、図6参照)を当てはめることにより、t=0における伝搬距離信号g(x)に変換する。
The principle of converting the received signal f (t) into the propagation distance signal g (x) will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a liquid level measuring method of the liquid level measuring apparatus 1 according to the first embodiment.
The received signal f (t) is decomposed for each frequency, and is converted into a propagation distance signal g (x) at t = 0 by fitting a dispersion curve (for example, see FIG. 6) of the frequency and sound speed.

ステップS105において、信号処理装置5bは、伝搬距離信号g(x)を容器10の液位(容器10の底面10cから液面10bまでの高さ)に換算する。
ステップS104で求めた伝搬距離信号g(x)において、振幅が現れる位置が、超音波Uの伝搬距離であり、換言すれば、液位計測用配管12の液位(底面12cから液面12bまでの距離)の2倍の値となる。即ち、伝搬距離信号g(x)から液位計測用配管12の液位(底面12cから液面12bまでの距離)を求めることができる。そして、伝搬距離信号g(x)から求めた液位計測用配管12の液位と、あらかじめ計測作業者(オペレータ)が入力した容器10の底面10cと液位計測用配管12の底面12cとの高さ方向の位置関係と、に基づいて、容器10の液位(容器10の底面10cから液面10bまでの高さ)に換算することができる。
In step S105, the signal processing device 5b converts the propagation distance signal g (x) into the liquid level of the container 10 (the height from the bottom surface 10c of the container 10 to the liquid surface 10b).
In the propagation distance signal g (x) obtained in step S104, the position where the amplitude appears is the propagation distance of the ultrasonic wave U. In other words, the liquid level (from the bottom surface 12c to the liquid surface 12b) of the liquid level measurement pipe 12. The distance). That is, the liquid level (distance from the bottom surface 12c to the liquid surface 12b) of the liquid level measurement pipe 12 can be obtained from the propagation distance signal g (x). Then, the liquid level of the liquid level measurement pipe 12 obtained from the propagation distance signal g (x), the bottom surface 10c of the container 10 and the bottom surface 12c of the liquid level measurement pipe 12 input in advance by a measurement operator (operator). Based on the positional relationship in the height direction, the liquid level of the container 10 (the height from the bottom surface 10c of the container 10 to the liquid surface 10b) can be converted.

なお、第1実施形態において、0次から2次までの3つのモードで評価するため、3つの伝搬距離信号が得られる。このため、例えば、各モードごとの伝搬距離信号から求めた液位の平均値や中央値を液位計測用配管12の液位としてもよい。また、3つのモードごとに得られた液位を表示装置7に表示する構成であってもよい。   In the first embodiment, three propagation distance signals are obtained because evaluation is performed in three modes from the 0th order to the second order. For this reason, for example, an average value or a median value of the liquid level obtained from the propagation distance signal for each mode may be used as the liquid level of the liquid level measurement pipe 12. Moreover, the structure which displays the liquid level obtained for every three modes on the display apparatus 7 may be sufficient.

<まとめ>
液位計測用配管12は容器10と比較して口径が小さいため、液体12aの液柱を伝搬する超音波Uの振動モードによっては、図6に示すように速度分散(超音波Uの周波数に依存して音速(伝搬速度)が異なること)が生じ、更に、振動モードごとに超音波Uの周波数と音速の関係が異なる。このため、ステップS102における超音波Uの送信波形(送信信号)として、例えば、パルス波のような時間分解能が高く、複数の周波数成分を含む超音波では、周波数成分ごとに音速が異なるので、伝搬するごとに波形が歪む。
<Summary>
Since the liquid level measurement pipe 12 has a smaller diameter than that of the container 10, depending on the vibration mode of the ultrasonic wave U propagating through the liquid column of the liquid 12 a, as shown in FIG. The sound speed (propagation speed) varies depending on the frequency), and the relationship between the frequency of the ultrasonic wave U and the sound speed differs for each vibration mode. For this reason, as the transmission waveform (transmission signal) of the ultrasonic wave U in step S102, for example, an ultrasonic wave having a high time resolution such as a pulse wave, and an ultrasonic wave including a plurality of frequency components has different sound speeds for each frequency component. The waveform is distorted every time.

従来の方法(図5の比較例の方法)では、例えば特許文献9のように、超音波の振動モードや周波数による速度分散を考慮せず、音速(郡速度)と反射波の到達時間から伝搬距離(液位)を測定していた。このため、伝搬による波形の歪みが、そのまま伝搬距離(液位)の計測精度の低下につながっていた。   In the conventional method (the method of the comparative example of FIG. 5), for example, as in Patent Document 9, propagation from the sound speed (group speed) and the arrival time of the reflected wave is not considered without considering velocity dispersion due to the vibration mode and frequency of the ultrasonic wave. The distance (liquid level) was measured. For this reason, the distortion of the waveform due to propagation directly leads to a decrease in the measurement accuracy of the propagation distance (liquid level).

これに対し、本実施形態の方法(第1実施形態に係る液位計測装置1を用いた液位計測方法)によれば、受信信号f(t)を振動モードごとに分解(抽出)することで、伝搬距離信号g(x)へ変換することができるようになっている。
これにより、液位計測装置1は、速度分散による反射波の歪みを補正して、高精度に液位を計測することができる。ひいては、容器10を有する全体システム(図示せず)の制御性の向上や安全性の向上に寄与することができる。
On the other hand, according to the method of the present embodiment (the liquid level measurement method using the liquid level measurement device 1 according to the first embodiment), the received signal f (t) is decomposed (extracted) for each vibration mode. Thus, it can be converted into a propagation distance signal g (x).
Thereby, the liquid level measuring device 1 can correct the distortion of the reflected wave due to velocity dispersion and measure the liquid level with high accuracy. As a result, it can contribute to improvement of controllability and safety of the entire system (not shown) having the container 10.

≪第2実施形態に係る液位計測装置≫
次に、図7を用いて、第2実施形態に係る液位計測装置の構成について説明する。図7は、第2実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子2Aの構造の例を説明する図であり、(a)は水平方向に見た断面模式図であり、(b)は液位計測用配管の底面外側から見た模式図である。
第1実施形態に係る液位計測装置1と第2実施形態に係る液位計測装置との差異は、第1実施形態に係る液位計測装置1の超音波探触子2が4個の振動子2a,2b,2c,2dから構成される(図2参照)のに対し、第2実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子2Aは、図7に示すように、1つの振動子で構成されている点で異なる。その他の構成は、第1実施形態に係る液位計測装置1と同様であり、説明を省略する。
<< Liquid level measuring device according to the second embodiment >>
Next, the configuration of the liquid level measurement device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the structure of the ultrasonic probe 2A of the liquid level measurement device according to the second embodiment, (a) is a schematic cross-sectional view seen in the horizontal direction, and (b). These are the schematic diagrams seen from the bottom side outer side of piping for liquid level measurement.
The difference between the liquid level measuring apparatus 1 according to the first embodiment and the liquid level measuring apparatus according to the second embodiment is that the ultrasonic probe 2 of the liquid level measuring apparatus 1 according to the first embodiment vibrates four. Whereas the ultrasonic probe 2A of the liquid level measuring device according to the second embodiment is composed of the elements 2a, 2b, 2c and 2d (see FIG. 2), as shown in FIG. It differs in that it is composed of children. Other configurations are the same as those of the liquid level measuring apparatus 1 according to the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

なお、第2実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子2Aは、1つの振動子で構成されている(図7参照)ものとして説明するが、複数の振動子を有する場合(例えば、図2参照)であっても、固定的な配線またはスイッチにより、電気回路的に単一の振動子となるように結線する構成であってもよい。   Note that the ultrasonic probe 2A of the liquid level measurement device according to the second embodiment will be described as being configured by one transducer (see FIG. 7), but in the case of having a plurality of transducers (for example, 2), it may be configured to be connected so as to form a single vibrator in terms of electrical circuit by a fixed wiring or switch.

超音波探触子2Aの外径は、図7(a)に示すように、液位計測用配管12の内径(即ち、液体12aの液柱の外径)に概して一致するように配置されている。
このように超音波探触子2Aを配置することにより、超音波探触子2Aは、図6の分散曲線で示した基本モード(0次モード)を選択的に送信・受信するようになっている。
即ち、第2実施形態に係る液位計測装置は、単一の振動子の超音波信号のみ受信し、かつ、基本モード(0次モード)に限定して受信するために、受信信号f(t)から伝搬距離信号g(x)への変換(図4のステップS104および図5参照)を簡素化することができる。
As shown in FIG. 7A, the outer diameter of the ultrasonic probe 2A is arranged so as to generally coincide with the inner diameter of the liquid level measurement pipe 12 (that is, the outer diameter of the liquid column of the liquid 12a). Yes.
By arranging the ultrasonic probe 2A in this way, the ultrasonic probe 2A selectively transmits / receives the basic mode (0th-order mode) indicated by the dispersion curve in FIG. Yes.
That is, the liquid level measurement device according to the second embodiment receives only the ultrasonic signal of a single transducer and receives only the fundamental mode (0th order mode). ) To the propagation distance signal g (x) (see step S104 in FIG. 4 and FIG. 5) can be simplified.

第2実施形態に係る液位計測装置によれば、超音波探触子2Aが1つの振動子で構成されているため、装置の構成や配線を超音波探触子2Aから超音波送受信器3への配線を簡素化することができる。加えて、基本モード(0次モード)に限定して受信しているため、第1実施形態に係る液位計測装置1と比較して、処理能力の低い安価なコンピュータ5を使用することができる。   According to the liquid level measurement apparatus according to the second embodiment, since the ultrasonic probe 2A is configured by one transducer, the configuration and wiring of the apparatus are changed from the ultrasonic probe 2A to the ultrasonic transmitter / receiver 3. Wiring to can be simplified. In addition, since reception is limited to the basic mode (0th-order mode), it is possible to use an inexpensive computer 5 having a lower processing capacity than the liquid level measuring device 1 according to the first embodiment. .

<変形例>
なお、本実施形態に係る液位計測装置は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
第1実施形態に係る液位計測装置1の超音波探触子2は、4個の振動子2a,2b,2c,2dを備えるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、超音波探触子2が、同心円状かつ等間隔に配置され、最外周の振動子の外径が液位計測用配管12の内径に概一致する2つの振動子を備える構成であってもよい。この場合、0次モードおよび1次モードの受信信号を抽出することができ、容器10の水位を計測することができる。
また、超音波探触子2の振動子の個数は4よりも多くてもよい。なお、モードを抽出するため、超音波探触子2は、同心円状かつ等間隔に配置され、最外周の振動子の外径が液位計測用配管12の内径に概一致する2個(但し、nは0または正の整数)の振動子を備えることが望ましい。
<Modification>
The liquid level measurement device according to the present embodiment is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
Although the ultrasonic probe 2 of the liquid level measuring device 1 according to the first embodiment has been described as including the four transducers 2a, 2b, 2c, and 2d, the present invention is not limited to this. For example, the ultrasonic probe 2 includes two transducers that are arranged concentrically and at equal intervals, and the outer diameter of the outermost transducer substantially matches the inner diameter of the liquid level measurement pipe 12. Also good. In this case, the received signals in the 0th order mode and the primary mode can be extracted, and the water level of the container 10 can be measured.
Further, the number of transducers of the ultrasonic probe 2 may be more than four. In order to extract the mode, the ultrasonic probes 2 are arranged concentrically and at equal intervals, and 2 n pieces (the outer diameter of the outermost transducer approximately matches the inner diameter of the liquid level measurement pipe 12 ( However, it is desirable to provide a vibrator of n being 0 or a positive integer).

1 液位計測装置
2,2A 超音波探触子
2a,2b,2c,2d 振動子(超音波振動子)
3 超音波送受信器
31 制御器
32 信号発生器
33 パワーアンプ
34 素子切替器
35 素子切替器
36 受信アンプ
4 A/D変換器
5 コンピュータ
5a 中央制御装置
5b 信号処理装置(信号処理手段、液位換算手段)
6 入力装置
7 表示装置
10 容器
10a 液体
10b 液面
10c 底面
11a 第1連通配管
11b 第2連通配管
12 液位計測用配管
12a 液体
12b 液面
12c 底面
13 隔離壁
U 超音波
1 Liquid Level Measuring Device 2, 2A Ultrasonic Probe 2a, 2b, 2c, 2d Transducer (Ultrasonic Transducer)
3 Ultrasonic Transceiver 31 Controller 32 Signal Generator 33 Power Amplifier 34 Element Switcher 35 Element Switcher 36 Reception Amplifier 4 A / D Converter 5 Computer 5a Central Controller 5b Signal Processor (Signal Processor, Liquid Level Conversion) means)
6 Input device 7 Display device 10 Container 10a Liquid 10b Liquid surface 10c Bottom surface 11a First communication pipe 11b Second communication pipe 12 Liquid level measurement pipe 12a Liquid 12b Liquid surface 12c Bottom surface 13 Isolation wall U Ultrasound

Claims (4)

容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法であって、
前記液位計測用配管内の液体に超音波を送信する送信ステップと、
前記液位計測用配管内の液体で反射した超音波を受信する受信ステップと、
前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信ステップで受信した受信信号を伝搬距離信号に変換する変換ステップと、
前記変換ステップで変換された伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する換算ステップと、を有する
ことを特徴とする液位計測方法。
A liquid level measurement method for measuring the liquid level of the container from the propagation time of the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid for liquid level measurement communicating with the container,
A transmission step of transmitting ultrasonic waves to the liquid in the liquid level measurement pipe;
A reception step of receiving ultrasonic waves reflected by the liquid in the liquid level measurement pipe;
A conversion step for converting the reception signal received in the reception step into a propagation distance signal based on the relationship between the frequency and the sound velocity in the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid level measurement pipe,
A liquid level measurement method comprising: a conversion step of converting the propagation distance signal converted in the conversion step into a liquid level of the container.
容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測装置であって、
液位計測用配管の下部に配置される超音波探触子と、
前記超音波探触子へ発信信号を印加し、受信信号を増幅する超音波送受信器と、
前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信信号を伝搬距離信号に変換する信号処理手段と、
前記伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する液位換算手段と、を備える
ことを特徴とする液位計測装置。
A liquid level measuring device for measuring the liquid level of the container from the propagation time of the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid for liquid level measurement communicating with the container,
An ultrasonic probe arranged at the bottom of the pipe for measuring the liquid level;
An ultrasonic transmitter / receiver that applies a transmission signal to the ultrasonic probe and amplifies the reception signal;
Signal processing means for converting the received signal into a propagation distance signal based on the relationship between the frequency and sound velocity in the ultrasonic wave propagating the liquid in the liquid level measurement pipe;
A liquid level measuring device comprising: a liquid level conversion means for converting the propagation distance signal into the liquid level of the container.
前記超音波探触子は、
同心円状に配置した少なくとも2つの超音波振動子を有し、
前記超音波振動子のうち最外周の超音波振動子の外径が前記液位計測用配管の内径と概一致する
ことを特徴とする請求項2に記載の液位計測装置。
The ultrasonic probe is
Having at least two ultrasonic transducers arranged concentrically,
The liquid level measuring device according to claim 2, wherein an outer diameter of the outermost ultrasonic transducer of the ultrasonic transducers substantially coincides with an inner diameter of the liquid level measurement pipe.
前記超音波探触子は、
単一の超音波振動子であって、
前記超音波振動子の外径が前記液位計測用配管の内径と概一致する
ことを特徴とする請求項2に記載の液位計測装置。
The ultrasonic probe is
A single ultrasonic transducer,
The liquid level measuring device according to claim 2, wherein an outer diameter of the ultrasonic transducer substantially coincides with an inner diameter of the liquid level measuring pipe.
JP2012000153A 2012-01-04 2012-01-04 Liquid level measuring method and liquid level measuring apparatus Active JP5779107B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012000153A JP5779107B2 (en) 2012-01-04 2012-01-04 Liquid level measuring method and liquid level measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012000153A JP5779107B2 (en) 2012-01-04 2012-01-04 Liquid level measuring method and liquid level measuring apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013140070A true JP2013140070A (en) 2013-07-18
JP5779107B2 JP5779107B2 (en) 2015-09-16

Family

ID=49037624

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012000153A Active JP5779107B2 (en) 2012-01-04 2012-01-04 Liquid level measuring method and liquid level measuring apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5779107B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017207426A (en) * 2016-05-20 2017-11-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Acoustic wave propagation length measurement method, and acoustic wave propagation length measurement device
CN107735654A (en) * 2015-08-21 2018-02-23 特鲁玛杰拉特技术有限公司 Apparatus for measuring charge level, the method for running apparatus for measuring charge level and the component being made up of apparatus for measuring charge level and at least one space maintaining member
CN109060077A (en) * 2018-08-16 2018-12-21 杭州容大智造科技有限公司 A kind of equipment and Wiper system using bath of glass height in sound detection water tank
CN112539805A (en) * 2020-11-30 2021-03-23 北京航天控制仪器研究所 Ultrasonic liquid level measurement system and method for sound velocity compensation by using DTS (delay tolerant system)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107735654A (en) * 2015-08-21 2018-02-23 特鲁玛杰拉特技术有限公司 Apparatus for measuring charge level, the method for running apparatus for measuring charge level and the component being made up of apparatus for measuring charge level and at least one space maintaining member
JP2017207426A (en) * 2016-05-20 2017-11-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Acoustic wave propagation length measurement method, and acoustic wave propagation length measurement device
CN109060077A (en) * 2018-08-16 2018-12-21 杭州容大智造科技有限公司 A kind of equipment and Wiper system using bath of glass height in sound detection water tank
CN112539805A (en) * 2020-11-30 2021-03-23 北京航天控制仪器研究所 Ultrasonic liquid level measurement system and method for sound velocity compensation by using DTS (delay tolerant system)
CN112539805B (en) * 2020-11-30 2023-07-18 北京航天控制仪器研究所 Ultrasonic liquid level measurement system and method for sound velocity compensation by adopting DTS

Also Published As

Publication number Publication date
JP5779107B2 (en) 2015-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5306024B2 (en) Ultrasonic inspection apparatus and ultrasonic inspection method
CN100455999C (en) Device for ultrasonic measuring liquid level and method thereof
JP5779107B2 (en) Liquid level measuring method and liquid level measuring apparatus
JP2019113468A (en) Ultrasonic inspection system
WO2016054345A1 (en) Asset-condition monitoring system
EP2852836B1 (en) System and method for multielement ultrasonic testing with a single channel ultrasonic test unit
CN110160622B (en) Method for calibrating sensitivity consistency of hydrophone of traveling wave tube on line
JPH11218436A (en) Ultrasonic liquid level measuring device
JP5530405B2 (en) Nondestructive inspection method and nondestructive inspection device
JP5193720B2 (en) Non-contact aerial ultrasonic tube ultrasonic inspection apparatus and method
CN102609154A (en) Method and a touch sensing device for implementing the method
JP2005043164A (en) Apparatus for measuring propagation time of sound wave
CN111164420B (en) Propagation time measuring instrument, gas concentration measuring device, propagation time measuring program, and propagation time measuring method
US20120239316A1 (en) Liquid level sensor
JPH05273033A (en) Water level measuring apparatus for nuclear reactor
JP4891842B2 (en) Calibration apparatus and method for ultrasonic vibration displacement meter
KR100662082B1 (en) A method for radiation beam angle transform of ultrasonic waveguide sensor and an apparatus thereof
JP2013156194A (en) Liquid level measuring device and method
Jagadeeshwar et al. Wave visualization of ultrasonic guided waves in a metallic structure using fiber bragg gratings
JP2010175308A (en) Capacity measuring system
CN114354761A (en) Device and method for measuring loss of acoustic waveguide
Huang et al. Reverse Acoustic Calibration Method
CN115790781A (en) Storage tank liquid level detection device and method based on electromagnetic ultrasonic guided waves
JP2008286622A (en) Ultrasonic measuring device and ultrasonic measuring method
KR101391141B1 (en) Apparatus and method for measuring nonlinear parameter

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140819

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150520

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150707

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150710

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5779107

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150