JP2019052876A - センサおよび検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体表面の位置の検出精度を向上できるセンサおよび検出方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るセンサは、送受信部と処理部を含む。前記送受信部は、容器内の液体に向けて第１周波数を有するパルス波を発する。前記送受信部は、前記パルス波の反射波を受信して第１信号を出力する。前記容器は、前記液体が接する部分を有する。前記パルス波は、前記接する部分に入射する。前記処理部は、第２信号に含まれる第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、第３信号に含まれる第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力可能である。前記第３信号は、前記第２信号を２乗して得られる。前記第２信号は、前記第１信号から第４信号を減じて得られる。前記第４信号は、前記第１信号を積分して得られる。前記第１周波数帯域は、前記第１周波数を含む。前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域よりも低い。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、センサおよび検出方法に関する。

容器の内部に存在する液体の表面の位置を、容器の外部から検出するためのセンサがある。このセンサを用いた検出は、高精度であることが望ましい。

特開２０１３−１３０４８６号公報

本発明の実施形態によれば、液体表面の位置の検出精度を向上できるセンサおよび検出方法が提供される。

実施形態に係るセンサは、送受信部と処理部を含む。前記送受信部は、容器内の液体に向けて第１周波数を有するパルス波を発する。前記送受信部は、前記パルス波の反射波を受信して第１信号を出力する。前記容器は、前記液体が接する部分を有する。前記パルス波は、前記接する部分に入射する。前記処理部は、第２信号に含まれる第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、第３信号に含まれる第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力可能である。前記第３信号は、前記第２信号を２乗して得られる。前記第２信号は、前記第１信号から第４信号を減じて得られる。前記第４信号は、前記第１信号を積分して得られる。前記第１周波数帯域は、前記第１周波数を含む。前記第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域よりも低い。

第１実施形態に係るセンサの構成を表す模式図である。 第１実施形態に係るセンサの使用例を示す断面図である。 第１実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。 第１実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。 第１実施形態に係る別のセンサの構成を表す模式図である。 第１実施形態に係る検出方法を表すフローチャートである。 第１実施形態に係るセンサの別の使用例を示す断面図である。 第１実施形態に係るセンサで処理される他の信号を例示するグラフである。 第１実施形態に係るセンサで処理される他の信号を例示するグラフである。 第２実施形態に係るセンサの構成を例示する模式図である。 第２実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。 第２実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。 第３実施形態に係るセンサの構成を例示する模式図である。 第３実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。 第３実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。 第３実施形態に係る別のセンサの構成を例示する模式図である。 第３実施形態に係る別のセンサの構成を例示する模式図である。 第４実施形態に係るセンサを例示する断面図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、第１実施形態に係るセンサの構成を表す模式図である。
図１に表したように、センサ１１０は、処理部１０、送信回路２０、送受信部２２、および表示部２４を含む。処理部１０は、例えば、受信アンプ１１、アナログ積分回路１２、差動アンプ１３、アナログ乗算回路１４、第１バンドパスフィルタ１５、第２バンドパスフィルタ１６、第１変換部１７、および第２変換部１８を含む。

図２は、第１実施形態に係るセンサの使用例を表す断面図である。
図２に表したように、送受信部２２は、容器１の外壁の一部に取り付けられる。容器１の内部には、液体２が存在する。容器１は、液体２と接する部分２ａを含む。

送信回路２０は、送受信部２２に向けて駆動信号（例えば正弦波信号）Ｓ０を送信する。送受信部２２は、駆動信号Ｓ０によって駆動され、液面３（液体２の表面）に向けて、パルス波ＰＷを発する。パルス波ＰＷは、部分２ａに入射する。パルス波ＰＷは、第１周波数を有する。パルス波ＰＷは、例えば、超音波である。パルス波ＰＷは、部分２ａで多重反射される。多重反射されたパルス波ＰＷの一部は、送受信部２２に入射する。多重反射されたパルス波ＰＷの一部は、液面３に向けて伝搬する。液面３で反射されたパルス波ＰＷの上記一部は、反射波ＲＷとして部分２ａに向けて伝搬する。反射波ＲＷは、部分２ａで再び多重反射され、送受信部２２に入射する。送受信部２２は、反射波ＲＷを電気的な信号Ｓ１に変換する。送受信部２２は、例えば、トランスデューサである。

信号Ｓ１は、受信アンプ１１に入力される。受信アンプ１１は、信号Ｓ１を増幅し、インピーダンスを調整する。増幅された信号は、信号Ｓ２ａとＳ２ｂに分岐される。信号Ｓ２ｂは、アナログ積分回路１２に入力される。アナログ積分回路１２から出力される信号Ｓ３は、信号Ｓ２ａまたはＳ２ｂのベースレベル電位（直流成分）に対応する。

信号Ｓ２ａは、差動アンプ１３の第１入力端子に入力される。アナログ積分回路１２から出力された信号Ｓ３は、差動アンプ１３の第２入力端子に入力される。これにより、信号Ｓ２ａから、直流成分および低周波成分が除去される。

差動アンプ１３の出力は、信号Ｓ４ａ、Ｓ４ｂ、およびＳ４ｃに分岐される。信号Ｓ４ａ、Ｓ４ｂ、およびＳ４ｃは、信号Ｓ２ａまたはＳ２ｂの交流成分に対応する。信号Ｓ４ａおよびＳ４ｂは、アナログ乗算回路１４に入力される。アナログ乗算回路１４から出力される信号Ｓ５は、信号Ｓ２ａまたはＳ２ｂの交流成分の２乗に対応する。これにより、信号Ｓ５に含まれる交流成分の周波数は、信号Ｓ２ａに含まれる交流成分の周波数の２倍となる。

信号Ｓ４ｃは、第１バンドパスフィルタ１５に入力される。第１バンドパスフィルタ１５は、信号Ｓ４ｃに含まれる第１周波数帯域の信号Ｓ６を通過させる。第１周波数帯域は、送受信部２２から送信されるパルス波の第１周波数を含む。
信号Ｓ５は、第２バンドパスフィルタ１６に入力される。第２バンドパスフィルタ１６は、信号Ｓ５に含まれる第２周波数帯域の信号Ｓ７を通過させる。第２周波数帯域は、第２周波数を含む。第２周波数は、多重反射波の周波数の２倍である。

処理部１０は、信号Ｓ４ｃに含まれる第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、信号Ｓ５に含まれる第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力する。処理部１０は、第１周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第２周波数反射波の強度の時間に対する変化と、を出力しても良い。

信号Ｓ６は、第１変換部１７に入力される。第１変換部１７は、アナログの信号Ｓ６をデジタルの信号Ｓ８に変換する。信号Ｓ７は、第２変換部１８に入力される。第２変換部１８は、アナログの信号Ｓ７をデジタルの信号Ｓ９に変換する。

すなわち、処理部１０は、信号Ｓ４ｃに含まれる第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、信号Ｓ５に含まれる第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力可能である。信号Ｓ５は、信号Ｓ４ａとＳ４ｂを乗算して得られる。信号Ｓ４ａは、信号Ｓ２ａから信号Ｓ３を減じて得られる。信号Ｓ３は、信号Ｓ２ｂを積分して得られる。

上述したように、実施形態に係るセンサ１１０は、処理部１０と、送受信部２２と、を含む。送受信部２２は、容器１内の液体２に向けて、第１周波数を有するパルス波ＰＷを発する。送受信部２２は、液面３からの反射波ＲＷを受信し、第１信号を出力する。第１信号は、例えば、信号Ｓ２ａに対応する。容器１は、液体２が接する部分を有する。パルス波ＰＷは、上記接する部分に入射する。これにより、上記接する部分において、パルス波ＰＷおよび反射波ＲＷの多重反射が生じる。

処理部１０は、第２信号に含まれる第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、第３信号に含まれる第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力可能である。第２信号は、第１信号から第４信号を減じて得られる。第４信号は、前記第１信号を積分して得られる。
すなわち、第４信号は、反射波ＲＷを受信して得られた信号の直流成分を含む。第４信号は、例えば、信号Ｓ３に対応する。第２信号は、反射波ＲＷを受信して得られた信号の交流成分を含む。第２信号は、例えば、信号Ｓ４ｃに対応する。第３信号は、第２信号を２乗して得られる。すなわち、第３信号は、上記交流成分の２乗を含む。第３信号は、例えば、信号Ｓ５に対応する。第１周波数帯域は、パルス波ＰＷの周波数である第１周波数を含む。第２周波数帯域は、前記第１周波数帯域よりも低い。第２周波数帯域は、多重反射波の周波数の２倍である第２周波数を含む。

表示部２４は、信号Ｓ８および信号Ｓ９を表示する。表示部２４は、例えば、第１周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第２周波数反射波の強度の時間に対する変化と、を表示する。

図３および図４は、第１実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。
図３および図４は、図２に表したように、容器の外壁に取り付けた送受信部２２から、液体を通過させて液面に向けてパルス波を発した場合に、センサ１１０において得られた信号を表す。図３において、縦軸は電位ＥＰ［ｍＶ］を表し、横軸は時間Ｔｉ［μｓ］（マイクロ秒）を表す。図４において、縦軸は強度Ｓｔを表し、横軸は時間Ｔｉ［μｓ］を表す。図４において、縦軸の強度Ｓｔは、対数表示されている。

この例では、０マイクロ秒でパルス波が送受信部２２から発せられている。図３に表した信号は、信号Ｓ４ａ〜Ｓ４ｃの１つに対応する。パルス波が発せられた直後は、電位が大きく振動する。これは、容器の壁でパルス波が多重反射され、送受信部２２がこの多重反射波を検出したためと考えられる。１００マイクロ秒以降で、電位が小さな振動する。これは、液面で反射された多重反射波が容器の壁でさらに多重反射され、送受信部２２がこの多重反射波を検出したためと考えられる。この例では、パルス波の周波数は、３．５ＭＨｚである。多重反射波の周波数は、約０．１５ＭＨｚである。図４に表される信号は、信号Ｓ４ａとＳ４ｂが乗算されているため、多重反射波の周波数は、約０．３ＭＨｚである。

図４において、実線は、第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度の時間Ｔｉに対する変化を表す。点線は、第２周波数帯域の第２周波数反射波の時間Ｔｉに対する変化を表す。１００マイクロ秒付近において、第１周波数反射波の強度が増大し、第２周波数反射波の強度が増大する。

発明者らは、第１周波数反射波の強度および第２周波数反射波の強度の両方が増大した時間が、送受信部２２と液面との間の距離に対応することを発見した。送受信部２２は、容器の外壁に取り付けられるため、送受信部２２と液面との間の距離は、実質的に、液面の位置を表す。パルス波を発してから、第１周波数反射波の強度が増大し、第２周波数反射波の強度が増大するまでの時間と、液体における音速と、を掛けることで、液面の位置に対応する値が得られる。

例えば、人がセンサ１１０の出力結果を確認することで、液面の位置を知ることができる。実施形態によれば、容器１の外側にセンサが設けられる場合であっても、容器の内側における液面の位置をより高精度に示す信号を出力することができる。

図５は、第１実施形態に係る別のセンサの構成を表す模式図である。
センサ１２０において、処理部１０は、解析部１９をさらに含む。第１変換部１７から出力された信号Ｓ８および第２変換部１８から出力された信号Ｓ９は、解析部１９に入力される。

送受信部２２がパルス波を発する時刻を、第１時刻とする。第１周波数反射波の強度および第２周波数反射波の強度のそれぞれが増大する時刻を、第２時刻とする。解析部１９は、例えば、第１時刻と第２時刻との間の第１時間を出力する。

解析部１９は、第１周波数反射波の強度の第１期間における第１増大値と、第２周波数反射波の強度の第２期間における第２増大値と、を検出しても良い。これにより、第１周波数反射波の強度のより急峻な変化および第２周波数反射波の強度のより急峻な変化を検出できる。第１増大値が第１閾値を超えた時刻を第１時刻とする。第２増大値が第２閾値を超えた時刻を第２時刻とする。解析部１９は、第１時刻と第２時刻との間の第１時間を出力する。

第１期間の範囲および第２期間の範囲は、例えば、センサ１１０で検出される多重反射波の計算上の強度減衰率と、容器１のサイズと、に基づいて定めることができる。例えば、図３に表した波形を測定したセンサでは、第１期間は、１５回以上の多重反射で十分に強度減衰した６０マイクロ秒以上、容器の設計上限水位２００ｍｍからの反射時間を超えない１４０マイクロ秒以下に設定される。例えば、第２期間は、多重反射の周波数に対応したサンプリング時間の幅を補正して、９０マイクロ秒以上１３０マイクロ秒以下に設定される。第１閾値は、例えば、直前の第１周波数反射波の強度の１０％以上２００％以下である。第２閾値は、例えば、直前の第２周波数反射波の強度の２０％以上５００％以下である。

第１時間は、送受信部２２と液面３との間の距離を示す。解析部１９は、第１時間を基に、液面３の位置に対応する値を出力しても良い。

解析部１９から出力された信号Ｓ１０は、表示部２４に表示される。表示部２４は、例えば、液面３の位置に対応する値を表示する。

図６は、第１実施形態に係る検出方法を表すフローチャートである。
送受信部２２は、パルス波を発する（Ｓｔｅｐ１）。送受信部２２は、ステップＳ１で送信したパルス波の反射波を受信する（Ｓｔｅｐ２）。処理部１０は、送受信部２２で受信した反射波に基づく信号の処理および出力を行う。処理部１０は、信号を処理し、第１周波数帯域を有する第１周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第２周波数帯域を有する第２周波数反射波の強度の時間に対する変化と、を出力する（Ｓｔｅｐ３）。この出力結果に基づき、パルス波を発してから、第１周波数反射波の強度が増大し、第２周波数反射波の強度が増大するまでの時間を算出する（Ｓｔｅｐ４）。

実施形態に係るセンサは、例えば、火力発電所の給水加熱器に用いることができる。
図７は、第１実施形態に係るセンサの別の使用例を示す断面図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に表した例では、センサ１１０が設けられている。

給水加熱器５は、例えば、貯水部６を含む。貯水部６の内部には、水７が存在する。センサ１１０は、貯水部６の外壁の一部に取り付けられる。貯水部６は、開口６ａを有する。開口６ａを通して、ドレン水が貯水部６の内部に流れ込む。給水加熱器５は例えば１６〜４０ｍｍ程度の厚い鋼鉄の壁で構成される。センサ１１０の送受信部２２は、外壁の一部に、インピーダンスマッチングされて貼り付けられる。

水７の水位（水面の位置）は重要で、水位が適切な範囲内に収まらないと給水加熱器５に動作不良が生じる。この結果、給水加熱器５の破損が生じる場合がある。水位を常にモニタリングする方法として、貯水部６に繋がる細管の圧力を検知し、間接的に測定する方法がある。この方法は、水位の測定の精度において改善の余地がある。
他の液位を計測する方法として、液面に浮かべたフロートの位置の変化またはフロートで検出される浮力の変化を調べる方法がある。液体に発生する圧力から液位を計測する方法がある。電極間の電気容量の変化から液位を計測する方法がある。超音波を用いた液位の計測は、構造物に計測用の孔を開けずに実施することが可能である。これにより、密閉された構造物の外部から液位を計測することが可能である。

構造物が密閉しており、構造物の外面から空気等の気相を介して液体表面の位置を計測する場合、超音波式の液位計測方法として、水面に対して法線方向からパルス波を発振させ、超音波の伝搬時間と伝搬速度から伝搬距離を換算する方法が考えられる。この方法では、例えば、構造物の底部から超音波を送受信し、構造物の板圧を介した後、水中にパルス波を伝搬させ水面にてパルス波が反射する反射波を検出する。この方法では、構造物の壁により生じる超音波の多重反射のエコーが水面から反射した信号の判別を困難である。また、液中に多量の気泡が存在する条件では、気泡からの反射がノイズとなり、液面からの反射波を判別することが困難である。
構造物の側面に超音波センサを複数配置する方法も考えられる。この方法では、超音波の多重反射のエコーの減衰量から水位を計測する。この方法は、壁面位置の水位を計測できる。しかし、容器内の液体に波が存在する場合、壁から離れた位置の水位を計測することが困難である。例えば、火力発電所の給水加熱器５では、取水口の水位位置の計測不良が致命的な故障に繋がることがある。

実施形態に係るセンサによれば、貯水部６内部に存在する水７の水面の位置をより高精度に示す高精度に示す信号を出力することができる。これにより、水面の位置をより高精度に求めることが可能となる。

図８および図９は、第１実施形態に係るセンサで処理される他の信号を例示するグラフである。
図８および図９は、図３および図４の例と同様に、液体を通過させて液面に向けてパルス波を発した場合に、容器の外部に設けられたセンサ１１０において得られた信号を表す。この例では、液中に多量の気泡が存在する状態で、パルス波を発した。図８において、縦軸は電位ＥＰ［ｍＶ］を表し、横軸は時間Ｔｉ［μｓ］を表す。図９において、縦軸は強度Ｓｔを表し、横軸は時間Ｔｉ［μｓ］を表す。図９において、縦軸の強度Ｓｔは、対数表示されている。

図８に表したように、約１２０マイクロ秒までは、電位が大きく振動する。これは、容器の壁における多重反射に基づくと考えられる。約１２０マイクロ秒以降では、電位が継続的に小さく振動する。これは、液中の気泡にパルス波が反射されて散乱されるためと考えられる。

図９において、実線は、第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度の時間Ｔｉに対する変化を表す。点線は、第２周波数帯域の第２周波数反射波の時間Ｔｉに対する変化を表す。２００マイクロ秒を超えてから、第１周波数反射波の強度および第２周波数反射波の強度が増大する。

図９に表したように、約２０５マイクロ秒で、第１周波数反射波の強度が増大し、第２周波数反射波の強度が増大している。この時間は、容器内の液面の位置に対応することが確認された。図８および図９の結果は、液中に気泡が存在する場合でも、第１周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第２周波数反射波の強度の時間に対する変化と、に基づいて、液面の位置を高精度に検出できることを示している。

図１０は、第２実施形態に係るセンサの構成を例示する模式図である。
センサ２１０では、アナログ乗算回路１４から出力された信号は、信号Ｓ５ａとＳ５ｂに分岐される。

第１バンドパスフィルタ１５は、信号Ｓ５ａから、第３周波数帯域の信号Ｓ１１を通過させる。第２バンドパスフィルタ１６は、信号Ｓ５ｂから、第４周波数帯域の信号Ｓ１２を通過させる。第３周波数帯域は、第２周波数を含む。第２周波数は、多重反射波の周波数の２倍である。第４周波数帯域は、第３周波数を含む。第３周波数は、第２周波数の整数倍である。信号Ｓ１１は、多重反射波に含まれる基本波成分に対応する信号を含む。信号Ｓ１２は、多重反射波に含まれる高調波成分に対応する信号を含む。

信号Ｓ１１は、第１変換部１７に入力される。第１変換部１７は、アナログの信号Ｓ１１をデジタルの信号Ｓ１３に変換する。信号Ｓ１２は、第２変換部１８に入力される。第２変換部１８は、アナログの信号Ｓ１２をデジタルの信号Ｓ１４に変換する。

センサ２１０において、処理部１０は、信号Ｓ５ａに含まれる第３周波数帯域の第３周波数反射波の強度と、信号Ｓ５ｂに含まれる第４周波数帯域の第４周波数反射波の強度と、を出力可能である。信号Ｓ５ａまたはＳ５ｂは、信号Ｓ４ａとＳ４ｂを乗算して得られる。信号Ｓ４ａは、信号Ｓ２ａから信号Ｓ３を減じて得られる。信号Ｓ３は、信号Ｓ２ｂを積分して得られる。

表示部２４は、信号Ｓ１３および信号Ｓ１４を表示する。表示部２４は、例えば、第３周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第４周波数反射波の強度の時間に対する変化と、を表示する。

センサ２１０において、処理部１０は、図５に表したセンサ１２０と同様に、解析部１９をさらに含んでいても良い。

図１１および図１２は、第２実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、第１状態の液体を用いて実験を行った結果を表す。図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第２状態の液体を用いて実験を行った結果を表す。第２状態における液中の気泡の量は、第１状態における液中の気泡の量よりも多い。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、および図１２（ｂ）において、横軸は周波数Ｆｒ［ＭＨｚ］を表し、縦軸は信号の強度Ｓｔを表す。図１１（ａ）および図１２（ａ）は、パルス波が液中で反射された第１音波に基づく信号を表す。図１１（ｂ）および図１２（ｂ）は、パルス波が液面で反射された第２音波に基づく信号を表す。

この例では、パルス波の周波数は、３．５ＭＨｚである。多重反射波の周波数は、０．１５ＭＨｚである。図１１および図１２に表したグラフでは、０．６ＭＨｚが、多重反射波の基本波の周波数に対応する。

図１１（ａ）において、Ｓｔ１は、第１音波に含まれる多重反射波の基本波の強度を表す。ｈｃ１は、第１音波に含まれる多重反射波の高調波成分を表す。多重反射波の高調波成分は、例えば、多重反射波の高調波の強度を積分することで得られる。
図１１（ｂ）において、Ｓｔ２は、第２音波に含まれる多重反射波の基本波の強度を表す。ｈｃ２は、第２音波に含まれる多重反射波の高調波成分を表す。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）の結果は、第２音波に含まれる多重反射波の高調波成分ｈｃ２が、第１音波に含まれる多重反射波の高調波成分ｈｃ１よりも大きいことを示している。

図１２（ａ）において、Ｓｔ３は、第１音波に含まれる多重反射波の基本波の強度を表す。ｈｃ３は、第１音波に含まれる多重反射波の高調波成分を表す。多重反射波の高調波成分は、例えば、多重反射波の高調波の強度を積分することで得られる。
図１２（ｂ）において、Ｓｔ４は、第２音波に含まれる多重反射波の基本波の強度を表す。ｈｃ４は、第２音波に含まれる多重反射波の高調波成分を表す。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）の結果は、第２音波に含まれる多重反射波の高調波成分ｈｃ２が、第１音波に含まれる多重反射波の高調波成分ｈｃ１よりも大きいことを示している。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、および図１２（ｂ）の結果は、多重反射波の基本波の強度に対する多重反射波の高調波成分の割合について、時間に対するこの割合の変化を調べることで、液中の気泡の量に拘わらず、液面の位置を検出できることを示している。

センサ２１０において処理部１０は、信号Ｓ１２を出力する。処理部１０は、時間に対する多重反射波の高調波の強度の変化を出力可能である。処理部１０の出力結果から、気泡が存在する液体の液面の位置を高精度に求めることが可能である。センサ２１０は、パルス波が発せられた後、多重反射波の高調波の強度が増大するまでの時間を出力しても良い。センサ２１０は、パルス波が発せられた後、多重反射波の基本波の強度に対する多重反射波の高調波の強度の割合が増加するまでの時間を出力しても良い。センサ２１０は、液面３の位置に対応する値を出力しても良い。

図１０に表した例では、処理部１０は、信号Ｓ１１を出力した。処理部１０は、信号Ｓ１１を出力しなくても良い。液面の位置を知るためには、処理部１０が信号Ｓ１２を出力すれば足りる。

図１３は、第３実施形態に係るセンサの構成を例示する模式図である。
センサ３１０では、差動アンプ１３から出力された信号は、信号Ｓ４ａとＳ４ｂに分岐される。

第１バンドパスフィルタ１５は、信号Ｓ４ａから、第５周波数帯域の信号Ｓ２１を通過させる。第２バンドパスフィルタ１６は、信号Ｓ４ｂから、第６周波数帯域の信号Ｓ２２を通過させる。第５周波数帯域は、第１周波数を含む。第６周波数帯域は、第４周波数を含む。第４周波数は、第１周波数よりも高い。例えば、第４周波数と第１周波数の差は、多重反射波の周波数の１倍以上８倍以下である。

信号Ｓ２１は、第１変換部１７に入力される。第１変換部１７は、アナログの信号Ｓ２１をデジタルの信号Ｓ２３に変換する。信号Ｓ２２は、第２変換部１８に入力される。第２変換部１８は、アナログの信号Ｓ２２をデジタルの信号Ｓ２４に変換する。表示部は、信号Ｓ２３および信号Ｓ２４を表示する。

センサ３１０において、処理部１０は、信号Ｓ４ａに含まれる第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度と、信号Ｓ４ｂに含まれる第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度と、を出力可能である。信号Ｓ４ａは、信号Ｓ２ａから信号Ｓ３を減じて得られる。信号Ｓ３は、信号Ｓ２ｂを積分して得られる。

センサ３１０において、処理部１０は、図５に表したセンサ１２０と同様に、解析部１９をさらに含んでいても良い。

図１４および図１５は、第３実施形態に係るセンサで処理される信号を例示するグラフである。
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、第１状態の液体を用いて実験を行った結果を表す。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、第２状態の液体を用いて実験を行った結果を表す。第２状態における液中の気泡の量は、第１状態における液中の気泡の量よりも多い。

図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１５（ａ）、および図１５（ｂ）において、横軸は周波数Ｆｒ［ＭＨｚ］を表し、縦軸は信号の強度Ｓｔを表す。図１４（ａ）および図１５（ａ）は、パルス波が液中で反射された第３音波に基づく信号を表す。図１４（ｂ）および図１５（ｂ）は、パルス波が液面で反射された第４音波に基づく信号を表す。この例では、パルス波の周波数は、３．５ＭＨｚである

図１４（ａ）に表されるように、第３音波に含まれる第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度Ｓｔ５は、第３音波に含まれる第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度Ｓｔ６よりも小さい。
図１４（ｂ）に表されるように、第４音波に含まれる第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度Ｓｔ７は、第４音波に含まれる第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度Ｓｔ８よりも小さい。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）の結果は、強度Ｓｔ７が、強度Ｓｔ５よりも相対的に大きいことを示している。
図１４（ａ）および図１４（ｂ）の結果は、強度Ｓｔ８に対する強度Ｓｔ７の割合（Ｓｔ７／Ｓｔ８）が、強度Ｓｔ６に対する強度Ｓｔ５の割合（Ｓｔ５／Ｓｔ６）よりも明確に大きいことを示している。

図１５（ａ）に表されるように、第３音波に含まれる第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度Ｓｔ９は、第３音波に含まれる第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度Ｓｔ１０よりも小さい。
図１５（ｂ）に表されるように、第４音波に含まれる第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度Ｓｔ１２は、第４音波に含まれる第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度Ｓｔ１１よりもやや小さい。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）の結果は、強度Ｓｔ１１が、強度Ｓｔ９よりも大きいことを示している。
図１５（ａ）および図１５（ｂ）の結果は、強度Ｓｔ１２に対する強度Ｓｔ１１の割合（Ｓｔ１１／Ｓｔ１２）が、強度Ｓｔ１０に対する強度Ｓｔ９の割合（Ｓｔ９／Ｓｔ１０）よりも大きいことを示している。

図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１５（ａ）、および図１５（ｂ）の結果は、液中の気泡の量に拘わらず、時間に対する第６周波数帯域の音波の強度の変化を調べることで、液面の位置を検出できることを示している。
図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１５（ａ）、および図１５（ｂ）の結果は、第５周波数帯域の音波の強度に対する第６周波数帯域の音波の強度の割合について、この割合の時間に対する変化を調べることで、液中の気泡の量に拘わらず、液面の位置を検出できることを示している。

センサ３１０において処理部１０は、信号Ｓ２２を出力する。処理部１０は、時間に対する第４周波数を有する音波の強度の変化を出力可能である。処理部１０の出力結果から、気泡が存在する液体の液面の位置を高精度に求めることが可能である。センサ３１０は、パルス波が発せられた後、第４周波数を有する音波の強度が増大するまでの時間を出力しても良い。センサ３１０は、パルス波が発せられた後、第１周波数を有する音波の強度に対する第４周波数を有する音波の強度の割合が増加するまでの時間を出力しても良い。センサ３１０は、液面３の位置に対応する値を出力しても良い。

図１６は、第３実施形態に係る別のセンサの構成を表す模式図である。
センサ３２０では、受信アンプ１１で増幅された信号は、信号Ｓ２ａとＳ２ｂに分岐される。信号Ｓ２ａは、第１バンドパスフィルタ１５に入力され、第５周波数帯域の信号Ｓ３１が出力される。信号Ｓ２ｂは、第２バンドパスフィルタ１６に入力され、第６周波数帯域の信号Ｓ３２が出力される。

信号Ｓ３１とＳ３２は、差動アンプ１３に入力される。差動アンプ１３は、信号Ｓ３３を出力する。第１変換部１７は、アナログの信号Ｓ３３を、デジタルの信号Ｓ３４に変換する。信号Ｓ３４は、第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度と、第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度と、を含む。

表示部２４は、信号Ｓ３４を表示する。表示部２４は、例えば、第５周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第６周波数反射波の強度の時間に対する変化と、を表示する。

図１７は、第３実施形態に係る別のセンサの構成を表す模式図である。
センサ３３０では、信号Ｓ２ａは、第１バンドパスフィルタ１５に入力され、第５周波数帯域の信号Ｓ４１が出力される。信号Ｓ２ｂは、第２バンドパスフィルタ１６に入力され、第６周波数帯域の信号Ｓ４２が出力される。

第１変換部１７は、アナログの信号Ｓ４１を、デジタルの信号Ｓ４３に変換する。第２変換部１８は、アナログの信号Ｓ４２を、デジタルの信号Ｓ４４に変換する。信号Ｓ４３は、第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度を含む。信号Ｓ４４は、第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度を含む。信号Ｓ４３およびＳ４４は、解析部１９に入力される。解析部１９は、例えば、第５周波数反射波の強度の時間に対する変化と、第６周波数反射波の強度の時間に対する変化と、に基づいて、液面の位置に対応する値を含む信号Ｓ４５を出力する。

表示部２４は、信号Ｓ４５を出力する。表示部２４は、例えば、液面の位置に対応する値を表示する。

図１８は、第４実施形態に係るセンサを表す断面図である。
センサ４１０は、パルス波ＰＷの送信方向を時間の経過に応じて変化させる。

例えば、センサ４１０の送受信部２２は、第１時刻において、パルス波ＰＷを、液面３に向けて、第１方向に沿って送信する。第１方向は、例えば、図１８に表した方向Ｄ１に沿う。送受信部２２は、第３時刻において、パルス波ＰＷを、液面３に向けて、第１方向と交差する第２方向に沿って送信する。第２方向は、例えば、図１８に表した方向Ｄ２に沿う。

送受信部２２は、第１時刻と第３時刻との間の第４時刻において、パルス波ＰＷを、液面３に向けて、第３方向に沿って送信しても良い。第３方向は、第１方向および第２方向と交差し、第１方向および第２方向を含む面に沿う。第３方向は、例えば、図１８に表した方向Ｄ３に沿う。

センサ４１０の送受信部２２は、パルス波ＰＷの反射波を受信する。例えば、センサ４１０は、センサ１１０と同様に、第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力する。センサ４１０は、第２実施形態または第３実施形態に係るセンサと同様の処理結果を出力しても良い。

送受信部２２は、例えば、第１方向に沿ってパルス波ＰＷを送信する送受信領域と、第２方向に沿ってパルス波ＰＷを送信する別の送受信領域と、を含む。センサ４１０は、これらの送受信領域を、異なるタイミングで駆動させる。これにより、パルス波ＰＷの送信方向が時間の経過に応じて変化する。

センサ４１０は、送受信部２２を駆動させる機構を含んでいても良い。送受信部２２を駆動させることで、パルス波ＰＷの送信方向を時間の経過に応じて変化させることができる。

以上の実施形態に係るセンサおよび検出方法によれば、容器内の液体の表面の位置をより高精度に示す高精度に示す信号を出力することができる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、処理部１０、送信回路２０、送受信部２２、表示部２４などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述したセンサおよび検出方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのセンサおよび検出方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 容器、 ２ 液体、 ２ａ 部分、 ３ 液面、 ５ 給水加熱器、 ６ 貯水部、 ６ａ 開口、 ７ 水、 １０ 処理部、 １１ 受信アンプ、 １２ アナログ積分回路、 １３ 差動アンプ、 １４ アナログ乗算回路、 １５ 第１バンドパスフィルタ、 １６ 第２バンドパスフィルタ、 １７ 第１変換部、 １８ 第２変換部、 １９ 解析部、 ２０ 送信回路、 ２２ 送受信部、 ２４ 表示部、 １１０、１２０、２１０、３１０〜３３０、４１０ センサ、 Ｄ１〜Ｄ３ 方向、 ＥＰ 電位、 Ｆｒ 周波数、 ＰＷ パルス波、 ＲＷ 反射波、 Ｓ０ 駆動信号、 Ｓ１〜Ｓ１４、Ｓ２１〜Ｓ２４、Ｓ３１〜Ｓ３４、Ｓ４１〜Ｓ４５ 信号、 Ｓｔ 強度、 Ｓｔ１〜Ｓｔ１２ 強度、 Ｔｉ 時間
ｈｃ１〜ｈｃ４ 高調波成分

Claims (7)

1. 容器内の液体に向けて第１周波数を有するパルス波を発し、前記パルス波の反射波を受信して第１信号を出力する送受信部であって、前記容器は前記液体が接する部分を有し、前記パルス波は前記接する部分に入射する、前記送受信部と、
   第２信号に含まれる第１周波数帯域の第１周波数反射波の強度と、第３信号に含まれる第２周波数帯域の第２周波数反射波の強度と、を出力可能な処理部であって、前記第３信号は前記第２信号を２乗して得られ、前記第２信号は前記第１信号から第４信号を減じて得られ、前記第４信号は前記第１信号を積分して得られ、前記第１周波数帯域は前記第１周波数を含み、前記第２周波数帯域は前記第１周波数帯域よりも低い、前記処理部と、
   を備えたセンサ。
2. 前記第２周波数帯域は、第２周波数を含み、
   前記第２周波数は、前記パルス波の前記接する部分における多重反射波の周波数の２倍である請求項１記載のセンサ。
3. 容器内の液体に向けて第１周波数を有するパルス波を発し、前記パルス波の反射波を受信して第１信号を出力する送受信部であって、前記容器は前記液体が接する部分を有し、前記パルス波は前記接する部分に入射する、前記送受信部と、
   第３信号に含まれる第３周波数帯域の第３周波数反射波の強度と、前記第３信号に含まれる第４周波数帯域の第４周波数反射波の強度と、を出力可能な処理部であって、前記第３信号は第２信号を２乗して得られ、前記第２信号は前記第１信号から第４信号を減じて得られ、前記第４信号は前記第１信号を積分して得られ、前記第４周波数帯域は第３周波数を含み、前記第３周波数は第２周波数の整数倍であり、前記第３周波数帯域は前記第２周波数を含み、前記第２周波数は前記パルス波の前記接する部分における多重反射波の周波数の２倍である、前記処理部と、
   を備えたセンサ。
4. 容器内の液体に向けて第１周波数を有するパルス波を発し、前記パルス波の反射波を受信して第１信号を出力する送受信部であって、前記容器は前記液体が接する部分を有し、前記パルス波は前記接する部分に入射する、前記送受信部と、
   第２信号に含まれる第５周波数帯域の第５周波数反射波の強度と、前記第２信号に含まれる第６周波数帯域の第６周波数反射波の強度と、を出力可能な処理部であって、前記第２信号は前記第１信号から第４信号を減じて得られ、前記第４信号は前記第１信号を積分して得られ、前記第５周波数帯域は前記第１周波数を含み、前記第６周波数帯域は前記第５周波数帯域よりも高い、前記処理部と、
   を備えたセンサ。
5. 前記第６周波数帯域は、前記第１周波数よりも高い第４周波数を含み、
   前記第４周波数と前記第１周波数との差は、前記パルス波の前記接する部分における多重反射波の周波数の１倍以上８倍以下である請求項４記載のセンサ。
6. 前記送受信部は、第１時刻において、前記液体の表面に向けて第１方向に沿って前記パルス波を発し、
   前記送受信部は、第３時刻において、前記液体の前記表面に向けて、前記第１方向と交差する第２方向に沿って別のパルス波を発する請求項１〜５のいずれか１つに記載のセンサ。
7. 容器内の液体に向けて第１周波数を有するパルス波を発し、前記容器は前記液体が接する部分を有し、前記パルス波は前記接する部分に入射し、
   前記パルス波の反射波を受信して第１信号を出力し、前記反射波は前記接する部分を通過し、
   第２信号に含まれる前記第１周波数を有する第１周波数反射波の強度と、第３信号に含まれる第２周波数を有する第２周波数反射波の強度と、を出力し、前記第３信号は前記第２信号を２乗して取られ、前記第２信号は前記第１信号から第４信号を減じて得られ、前記第４信号は前記第１信号を積分して得られ、
   前記パルス波が発せられた後、前記第１周波数反射波の強度が増大し、前記第２周波数反射波の強度が増大するまでの第１時間を得る検出方法。
   

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