JP2016125825A - 液面検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度センサを用いることなく精度良く超音波を利用した液面検出が可能な液面検出装置を提供する。
【解決手段】 振動発生手段２は伝搬体１の表面に表面波Ｗ１を発生させるとともに伝搬体１の内部に内部伝搬波Ｗ２を発生させ、振動検出手段２は表面波Ｗ１が伝搬体１を伝搬し反射した表面波Ｗ１の振動を検出し測定信号を出力するとともに内部伝搬波Ｗ２が伝搬体１を伝搬し反射した内部伝搬波Ｗ２の振動を検出し基準信号を出力し、位置検出手段３は前記駆動信号と前記基準信号によって求められる内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間によって、前記駆動信号と前記測定信号によって求められる表面波Ｗ１の伝搬時間を補正し液面ＬＳを検出するものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波を利用し、タンク内の液体の液面を検出する液面検出装置に関するものである。

従来の液面検出装置は、気体中における超音波良導体の一部が液体中にある時の前記超音波良導体と液体との接触長さの変化によって、前記超音波良導体を伝搬する超音波の表面波の伝搬時間が変化することを利用して液体のレベルを計測するものであった（特許文献１を参照）。

特開平４−８６５２５号公報

超音波を利用した液面検出装置は、原理上温度による影響を受けるため、前記液面検出装置もしくは測定する液体の温度を検出する温度センサを設け、前記温度センサで検出した温度による補正を行って液面を検出することが考えられていた。しかし、前記温度センサを設けることは、製造コストの上昇を招くとともに、前記温度センサによる計測を行う必要があり、検出処理が煩雑となるといった問題点があった。

そこで、本発明は、前述の問題点に着目し、温度センサを用いることなく精度良く超音波を利用した液面検出が可能な液面検出装置を提供する。

本発明は前記目的を達成するため、液体に浸る伝搬体と、前記伝搬体に振動を与える振動発生手段と、前記伝搬体の振動を検出する振動検出手段と、前記振動発生手段を駆動する駆動信号を出力するとともに前記振動発生手段の振動によって発生した伝搬波が前記伝搬体を伝搬し反射し前記振動検出手段で検出した測定信号を受信し前記液体の液面の位置を検出する位置検出手段と、を備えた液面検出装置において、前記振動発生手段は前記伝搬体の表面に表面波を発生させるとともに前記伝搬体の内部に内部伝搬波を発生させ、前記位置検出手段は前記表面波が前記伝搬体を伝搬し反射した前記表面波の振動を検出し前記測定信号を出力するとともに前記内部伝搬波が前記伝搬体を伝搬し反射した前記内部伝搬波の振動を検出し基準信号を出力し、前記位置検出手段は前記駆動信号と前記基準信号によって求められる前記内部伝搬波の伝搬時間によって、前記駆動信号と前記測定信号によって求められる前記表面波の伝搬時間を補正し前記液面を検出するものである。

以上、本発明によれば、所期の目的を達成することができ、温度センサを用いることなく精度良く超音波を利用した液面検出が可能な液面検出装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の構成図。 同実施形態の伝搬体の側面図。 同実施形態の液面検出処理を表すフロー図。 同実施形態の表面波と内部伝搬波とを示す波形図。 （ａ）は、内部伝搬波の伝搬時間と温度との関係を示す図、（ｂ）は、表面波の伝搬時間と液面位置との関係を示す図。

以下、添付図面を用いて本発明の第１実施形態を説明する。

本発明の実施形態による液面検出装置Ｆは、図１に示すように伝搬体１と、振動発生検出手段２と、位置検出手段３とを少なくとも備えている。

伝搬体１は、図示しないタンク内に貯留した液体Ｌ、例えば、ガソリンやアルコールなどの媒質に浸るものである。

伝搬体１は、振動を良好に伝達可能な材質であり、本実施形態では、合成樹脂、特に、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主体とし、場合によっては添加剤を加えたものである。伝搬体１の形状は、柱状体であり、後述する表面波Ｗ１が伝搬する平面からなる伝搬面を備えており、本実施形態では、四角柱である。その一部に切り欠いた溝１ａを備えている。この溝１ａは、後述する内部伝搬波を反射する内部伝搬波反射部１ｂを備えている。

振動発生検出手段２は、伝搬体１に振動を与える振動発生手段であるとともに、伝搬体１の振動を検出する振動検出手段である。

振動発生検出手段２は、圧電素子２ａと、圧電素子２ａを駆動する信号を送信する送信回路２ｂと、圧電素子２ａで検出した信号を受信する受信回路２ｃとから構成されている。

圧電素子２ａは、伝搬体１に表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２を発生させるとともに、表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２を検出するために、伝搬体１の他端まで溝１ａを設けていない面に圧電素子２ａが突き出るように設置してある。伝搬体１と圧電素子２ａとは、密着状態で固定されている。このように構成したことによって、圧電素子２ａは、伝搬体１に振動を与え、伝搬体１の表面に表面波Ｗ１を発生させるとともに、伝搬体１の内部に内部伝搬波Ｗ２を発生させるものであり、さらに、伝搬体１の振動（表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２による振動）を検出し電圧に変換するものである。なお、表面波Ｗ１としては、レイリー波や漏洩レイリー波や横波表面弾性波があり、内部伝搬波Ｗ２としては、横波がある。

送信回路２ｂは、圧電素子２ａを駆動するものであり、例えば、図示しない駆動回路とトランスとから構成されており、位置検出手段３が出力した所定周期で出力する駆動信号Ｓ１によって圧電素子２ａに電圧を加えるものである。

受信回路２ｃは、圧電素子２ａが出力した信号を検出し、位置検出手段３に信号を出力するものであり、例えば、図示しない入力保護回路、増幅回路、バンドパスフィルタ及び波形整形回路などから構成されており、圧電素子２ａが検出した振動を位置検出手段３に信号として出力するものである。

伝搬体１に生じる振動について、図４を用いて説明する。図４は、模式的に示してある。図中、最も左の振動が、位置検出手段３が出力した駆動信号Ｓ１によって圧電素子２ａが発生させた振動Ｖ１である。左から二番目の振動が、伝搬体１内を伝わって伝搬体１の内部伝搬波反射部１ｂで反射し戻ってきた内部伝搬波Ｗ２の振動Ｖ２である。最も右の振動が、伝搬体１の表面を伝わって伝搬体１の他端で反射し戻ってきた表面波Ｗ１の振動Ｖ３である。本実施形態では、表面波Ｗ１の振動Ｖ３によって受信回路２ｃが出力する信号を測定信号Ｓ３と呼び、内部伝搬波Ｗ２の振動Ｖ２によって受信回路２ｃが出力する信号を基準信号Ｓ２と呼ぶ。なお、表面波Ｗ１は、伝搬体１が液体Ｌに浸かった部分では、表面波Ｗ１の伝搬体１を進む速度が遅くなる性質があり、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２によって液体Ｌの液面ＬＳを検出することができる。

なお、内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１は、位置検出手段３の制御部３ａが駆動信号Ｓ１を出力した時点ｔ１から内部伝搬波Ｗ２が発生し、振動発生検出手段２で反射した内部伝搬波Ｗ２を検出して出力した基準信号Ｓ２を受ける時点ｔ２までの時間であり、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２は、位置検出手段３の制御部３ａが駆動信号Ｓ１を出力した時点ｔ１から表面波Ｗ１が発生し、伝搬体１の他端で反射した表面波Ｗ１を検出して出力した測定信号Ｓ３を受ける時点ｔ３までの時間である。

振動発生検出手段２の受信回路２ｃは、表面波Ｗ１が伝搬体１を伝搬し反射した表面波Ｗ１の振動Ｖ３を検出した測定信号Ｓ３を位置検出手段３へ出力するとともに内部伝搬波Ｗ２が伝搬体１を伝搬し反射した内部伝搬波Ｗ２の振動Ｖ２を検出した基準信号Ｓ２を位置検出手段３へ出力するものである。

位置検出手段３は、少なくともマイクロコンピュータなどからなる制御部３ａと記憶手段３ｂとを備えている。位置検出手段３は、振動発生検出手段２を駆動し振動させる駆動信号Ｓ１を出力するとともに、振動発生検出手段２の振動によって発生した伝搬波である表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２が伝搬体１を伝搬し反射し、振動発生検出手段２で表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２の振動を検出することによって、液体Ｌの液面ＬＳの位置を検出するものである。

制御部３ａは、制御部３ａが実行する処理を行うＣＰＵと、ＣＰＵのメインメモリとして機能するＲＡＭと、制御部３ａに所定の処理などを実行させる各種プログラムを記憶するＲＯＭと、制御部３ａに入出力される情報（信号）をＣＰＵ用にデジタル変換したり出力用にアナログ変換したりする各種変換器と、を備える。

記憶手段３ｂは、不揮発性メモリなどであり、図５で示す、内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１と伝搬体１の温度との関係を記憶したものである。

位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ２によって求められる内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１によって、記憶手段３ｂを参照して伝搬体１の温度を求め、この伝搬体１の温度によって、駆動信号Ｓ１と測定信号Ｓ３によって求められる表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２を補正し液面ＬＳを精度良く検出するものである。

次に、図３、図４を用いて、位置検出手段３の処理動作について説明する。

ステップＳＴ１にて、位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１を出力する。

ステップＳＴ２にて、位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１によって、伝搬体１に生じた内部伝搬波Ｗ２に基づく基準信号Ｓ２の検出の有無を判定する。基準信号Ｓ２を検出したと判定した場合は、ステップＳＴ３へ進み。検出しないと判定した場合は、ステップＳＴ１へ戻る。

ステップＳＴ３にて、位置検出手段３は、内部伝搬波Ｗ２が、伝搬体１を伝搬した伝搬時間Ｔ１を求める。本実施形態では、伝搬時間Ｔ１は、駆動信号Ｓ１を出力してから基準信号Ｓ２を入力するまでの伝搬時間Ｔ１で求めている。本実施形態では、位置検出手段３が、駆動信号Ｓ１を出力してから圧電素子２ａが振動するまでの時間と、圧電素子２ａが振動を検出し、受信回路２ｃを介して位置検出手段３が信号を受けるまでの時間は、無視できるほど短い時間と考えている。

ステップＳＴ４にて、位置検出手段３は、基準信号Ｓ２の伝搬時間Ｔ１から記憶手段３ｂを参照し伝搬体１の温度を求める。

ステップＳＴ５にて、位置検出手段３は、駆動信号Ｓ１によって、伝搬体１の表面に生じた表面波Ｗ１に基づく測定信号Ｓ３の検出の有無を判定する。測定信号Ｓ３を検出したと判定した場合は、ステップＳＴ６へ進み。検出しないと判定した場合は、ステップＳＴ１へ戻る。

ステップＳＴ６にて、位置検出手段３は、表面波Ｗ１が、伝搬体１の表面を伝搬した伝搬時間Ｔ２を求める。

ステップＳＴ７にて、位置検出手段３は、ステップＳＴ４にて求めた伝搬体１の温度に基づいて、伝搬体１の温度に基づく補正係数（ａ、ｂ）によって、表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２を補正し、補正した伝搬時間に基づいて液面ＬＳを検出する。なお、伝搬時間Ｔ２を解とする式は、下記の一次式により表されるものである。

Ｔ２＝ａｘ＋ｂ

以上、液体Ｌに浸る伝搬体１と、伝搬体１に振動を与える振動発生手段２と、伝搬体１の振動を検出する振動検出手段２と、振動発生手段２を駆動する駆動信号を出力するとともに、振動発生手段２の振動によって発生した伝搬波が伝搬体１を伝搬し反射し振動検出手段２で検出した測定信号を受信し液体Ｌの液面ＬＳの位置を検出する位置検出手段３と、を備えた液面検出装置Ｆにおいて、振動発生手段２は伝搬体１の表面に表面波Ｗ１を発生させるとともに伝搬体１の内部に内部伝搬波Ｗ２を発生させ、振動検出手段２は表面波Ｗ１が伝搬体１を伝搬し反射した表面波Ｗ１の振動を検出し測定信号を出力するとともに内部伝搬波Ｗ２が伝搬体１を伝搬し反射した内部伝搬波Ｗ２の振動を検出し基準信号を出力し、位置検出手段３は駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ２によって求められる内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ１によって、駆動信号Ｓ１と測定信号Ｓ３によって求められる表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２を補正し液面ＬＳを検出することによって、温度センサを用いることなく精度良く超音波を利用した液面検出が可能な液面検出装置を提供することができる。

また、駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ２によって求められる内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ２と伝搬体１の温度との関係を記憶した記憶手段３ｂを設け、位置検出手段３は記憶手段３ｂに記憶した内部伝搬波Ｗ２の伝搬時間Ｔ２と伝搬体１の温度との関係によって表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２を補正し液面を検出することによって、温度センサを用いることなく精度良く超音波を利用した液面検出が可能な液面検出装置を提供することができる。

また、伝搬体１は、内部伝搬波反射部１ｂを備えたことによって、温度センサを用いることなく精度良く超音波を利用した液面検出が可能な液面検出装置を提供することができる。さらに、表面波Ｗ１と内部伝搬波Ｗ２を同一の駆動信号Ｓ１によって得ることができ、検出処理が簡略化され、コスト削減をはかることができる。

なお、本発明は、前記実施形態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（構成要素の削除を含む）が可能であることはもちろんである。例えば、記憶手段３ｂは、図５（ｂ）で示すように、伝搬体１の所定の温度毎（例えば、摂氏５度毎）に表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２に関連した液面ＬＳの位置を記憶しておく。図５（ｂ）では、摂氏０度、摂氏５度、摂氏１０度他の例を図示している。位置検出手段３は、記憶手段３ｂで記憶した伝搬体１の温度に基づく表面波Ｗ１の伝搬時間Ｔ２に関連した液面ＬＳの位置を求めて、液面ＬＳの位置を検出するものであってもよい。

また、本実施形態では、内部伝搬波反射部１ｂを切り欠いた溝１ａによって構成したが、本実施形態に限定されるものではなく、内部伝搬波Ｗ２が反射する構成であれば、貫通穴や、伝搬体１の一部分を底面まで切り欠き鍵状に形成したものや、ビス止めや、溝１ａに別の部材を嵌め込んだものであってもよい。なお、前記別の部材は、樹脂や金属であっても良い。

また、本実施形態では、ガソリンやアルコールなどの液体燃料の液面を検出するものであったが、ガソリンやアルコールなどの液体燃料のみに限定されるものではなく、水などの他の液体を検出することも可能である。また、用途は、車両などの乗物に限定されるものではなく、広い用途に利用することができる。

また、伝搬体１の形状は、四角柱に限定されるものではなく、表面波Ｗ１が伝搬可能な平面を備えていればよく、例えば、伝搬体１の長手方向に対して垂直方向の断面形状が、Ｄの字形状などであってもよい。

本発明は、液面検出装置に関し、特に、超音波を利用し、液面を検出する液面検出装置に利用可能である。

Ｆ 液面検出装置
Ｌ 液体
ＬＳ 液面
Ｓ１ 駆動信号
Ｓ２ 基準信号（内部伝搬波Ｗ２）
Ｓ３ 測定信号（表面波Ｗ１）
Ｔ１ 伝搬時間（内部伝搬波Ｗ２）
Ｔ２ 伝搬時間（表面波Ｗ１）
Ｖ１ 振動
Ｖ２ 振動（内部伝搬波）
Ｖ３ 振動（表面波）
Ｗ１ 表面波
Ｗ２ 内部伝搬波
１ 伝搬体
１ａ 溝
１ｂ 内部伝搬波反射部
２ 振動発生検出手段（振動発生手段、振動検出手段）
２ａ 圧電素子
２ｂ 送信回路
２ｃ 受信回路
３ 位置検出手段
３ａ 制御部
３ｂ 記憶手段

Claims (4)

1. 液体に浸る伝搬体と、前記伝搬体に振動を与える振動発生手段と、前記伝搬体の振動を検出する振動検出手段と、前記振動発生手段を駆動する駆動信号を出力するとともに前記振動発生手段の振動によって発生した伝搬波が前記伝搬体を伝搬し反射し前記振動検出手段で検出した測定信号を受信し前記液体の液面の位置を検出する位置検出手段と、を備えた液面検出装置において、
   前記振動発生手段は前記伝搬体の表面に表面波を発生させるとともに前記伝搬体の内部に内部伝搬波を発生させ、前記位置検出手段は前記表面波が前記伝搬体を伝搬し反射した前記表面波の振動を検出し前記測定信号を出力するとともに前記内部伝搬波が前記伝搬体を伝搬し反射した前記内部伝搬波の振動を検出し基準信号を出力し、前記位置検出手段は前記駆動信号と前記基準信号によって求められる前記内部伝搬波の伝搬時間によって、前記駆動信号と前記測定信号によって求められる前記表面波の伝搬時間を補正し前記液面を検出することを特徴とする液面検出装置。
2. 前記駆動信号と前記基準信号によって求められる前記内部伝搬波の伝搬時間と前記伝搬体の温度との関係を記憶した記憶手段を設け、前記位置検出手段は前記記憶手段に記憶した前記内部伝搬波の伝搬時間と前記伝搬体の温度との関係によって前記表面波の伝搬時間を補正することを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。
3. 前記伝搬体の温度に基づく前記表面波の伝搬時間に関連した液面位置を記憶した記憶手段を設け、前記位置検出手段は前記記憶手段で記憶した前記伝搬体の温度に基づく前記表面波の伝搬時間に関連した前記液面位置から前記液面の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。
4. 前記伝搬体は内部伝搬波反射部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の液面検出装置。
   
   

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