JP2021139686A

JP2021139686A - 超音波式距離計測装置、方法及びプログラム

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Publication number: JP2021139686A
Application number: JP2020036206A
Authority: JP
Inventors: 徳光山; Isao Koyama; 暁鶴田; Akira Tsuruta; 辰緒鍵福; Tatsuo Kagifuku; 藤雄白石; Fujio Shiraishi
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-09-16

Abstract

【課題】高湿度・高温の環境であっても、計測対象までの距離を高精度で計測することができる超音波式距離計測技術を提供する。【解決手段】超音波式距離計測装置１０は、超音波を送信しその反射を受信するセンサ１５と、このセンサ１５からの基準間隔Ｄで規定される第１距離ｘの経路１１において検出された超音波の第１伝搬時間ｔ1をデータ保持する第１保持部２１と、計測対象１８までの第２距離ｙの経路１２において検出された超音波の第２伝搬時間ｔ2をデータ保持する第２保持部２２と、基準間隔Ｄ、第１伝搬時間ｔ1及び第２伝搬時間ｔ2に基づいて第２距離ｙを演算する演算部２７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、計測対象までの距離を計測する超音波式距離計測技術に関する。

タンクに貯留した液体の水位を計測するために、超音波レベル計を始めとする超音波式距離計測装置が用いられている。この超音波式距離計測装置の基本原理は次の通りである。超音波素子から計測対象に向けてパルス信号を送信し、反射して戻ってきたエコー信号を超音波素子で受信する。そして、超音波が送信されてから受信される伝搬経路の往復に要する伝搬時間を、超音波素子から計測面までの距離に変換する。

この超音波の伝搬時間を伝搬距離に変換する係数として用いられる超音波の伝搬速度は、伝搬経路の温度及び湿度の影響を受けることが知られている。このため、従来の超音波式距離計測装置は、伝搬経路の温度及び湿度の検出値により超音波の伝搬速度を補正し、伝搬距離の計測精度を担保していた。

特開１９９０−３５３９２号公報

現在、原子力発電所の再稼働に向けて、ＳＡ（シビアアクシデント）事象発生時の対策として、監視機能の維持が強く要求されている。このＳＡ事象発生時は、環境が高温・高湿度となるが、そのような状況においても、計測値の信頼性が損なわれないようにする必要がある。

ところで、超音波の伝搬速度は、環境が高湿度・高温になる程、湿度及び温度に対する変化率が大きくなることが知られている。ここで、上述した超音波の伝搬速度の補正は、温度及び湿度を変数とした関数により近似するものである。このために、高湿度・高温の検出値で補正された超音波の伝搬速度は、誤差が大きくなる懸念がある。

またＳＡ事象発生時は、湿度・温度の上昇が一か所から徐々に広がりさらに対流も発生するため、湿度・温度の検出点と実際の超音波の伝搬経路との間に温度ズレが生じやすい。さらに、センサ（特に湿度センサ）に結露が発生することによる湿度・温度の検出誤差も生じやすい。よって従来技術では、高湿度・高温の環境において、変換係数として算出される伝搬速度の信頼性が低いため、超音波の伝搬時間から変換される超音波の伝搬距離も信頼性が低い課題があった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、高湿度・高温の環境であっても、計測対象までの距離を高精度で計測することができる超音波式距離計測技術を提供することを目的とする。

実施形態に係る超音波式距離計測装置において、超音波を送信しその反射を受信するセンサと、前記センサからの基準間隔で少なくとも規定される第１距離の経路において検出された前記超音波の第１伝搬時間をデータ保持する第１保持部と、計測対象までの第２距離の経路において検出された前記超音波の第２伝搬時間をデータ保持する第２保持部と、前記基準間隔、前記第１伝搬時間及び前記第２伝搬時間に基づいて前記第２距離を演算する演算部と、を備える。

本発明の実施形態により、高湿度・高温の環境であっても、計測対象までの距離を高精度で計測する超音波式距離計測技術が提供される。

本発明の第１実施形態に係る超音波式距離計測装置の構成図。（Ａ）（Ｂ）第２実施形態に係る超音波式距離計測装置の構成図。第２実施形態の演算部で連続的に演算される第１距離と第２距離を示すグラフ。第３実施形態に係る超音波式距離計測装置の構成図。第４実施形態に係る超音波式距離計測装置の構成図。第１実施形態のセンサで検出された超音波の伝播時間を示す波形図。（Ａ）第３実施形態において第１センサで検出される超音波の伝播時間を示す波形図、（Ｂ）第２センサで検出される超音波の伝播時間を示す波形図。各実施形態に係る超音波式距離計測方法及び超音波式距離計測プログラムを説明するフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る超音波式距離計測装置１０ａ（１０）の構成図である。図６はセンサ１５で検出された超音波の伝播時間ｔ（ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂）を示す波形図である。

このように超音波式距離計測装置１０は、超音波を送信しその反射を受信するセンサ１５と、このセンサ１５からの基準間隔Ｄで少なくとも規定される第１距離ｘの経路１１において検出された超音波の第１伝搬時間ｔ₁をデータ保持する第１保持部２１と、計測対象１８までの第２距離ｙの経路１２において検出された超音波の第２伝搬時間ｔ₂をデータ保持する第２保持部２２と、基準間隔Ｄ、第１伝搬時間ｔ₁及び第２伝搬時間ｔ₂に基づいて第２距離ｙを演算する演算部２７と、を備える。

検出部２６、第１保持部２１、第２保持部２２、演算部２７を含むデータ処理部２０は、汎用のコンピュータで実現することができる。

超音波式距離計測装置１０ａには、センサ１５から基準間隔Ｄあけた位置に、固定式の反射体１７ａが設けられている。この反射体１７ａは、第１距離ｘの経路１１で超音波を反射させるものである。なおセンサ１５から送信された超音波は、その一部が反射体１７ａで反射され、その他は反射体１７ａをすり抜けてタンクに貯蔵された液体の液面の計測対象１８で反射される。これにより、湿度・温度を実測することなく、変換係数である伝搬速度ｃに湿度・温度の影響を反映させることができ、タンクに貯蔵された液体の液面レベルを高精度で計測することができる。

センサ１５には、超音波と電気信号とを可逆的に変換する圧電効果を持つ圧電素子（図示略）が組み込まれている。そして、送受信部１６からパルス状の電気信号がセンサ１５に入力すると、励起した圧電素子から空間に超音波が伝搬する。センサ１５から送信された超音波が、反射体１７又は計測対象１８で反射すると、送信方向とは逆向きに伝搬してセンサ１５に受信される。

反射した超音波（エコー波）がセンサ１５に入力すると、励起した圧電素子から送受信部１６に、図６に示されるパルス状の電気信号が送信される。ここで基準時間ｔ₀のパルス信号はセンサ１５から超音波が送信されたタイミングを示すもので、時間ｔ₁のパルス信号は反射体１７を反射した超音波がセンサ１５で受信されたタイミングを示すもので、時間ｔ₂のパルス信号は計測対象１８を反射した超音波がセンサ１５で受信されたタイミングを示すものである。

なお、以降において特に断らない限り、第１伝搬時間ｔ₁及び第２伝搬時間ｔ₂は、基準時間ｔ₀からの経過時間を示すものとする。したがって第１伝搬時間ｔ₁は、基準間隔Ｄで規定される第１距離ｘの経路１１を超音波が、センサ１５まで往復するのに要する時間に対応する。そして、第２伝搬時間ｔ₂は、計測対象１８で規定される第２距離ｙの経路１２を超音波が、センサ１５まで往復するのに要する時間に対応する。

検出部２６では、図６に示されるパルス状の電気信号のプロファイルから第１伝搬時間ｔ₁及び第２伝搬時間ｔ₂を検出し、それぞれ保持部２１，２２にデータ保持させる。また第３保持部２３には、予め設定されたセンサ１５から反射体１７までの基準間隔Ｄがデータ保持されている。なお、反射体１７からのエコー波と計測対象１８からのエコー波とでは、パルス強度が相違することを利用して、電気信号のパルス強度に対する閾値ｍ（ｍ₁，ｍ₂）[ｍ₁＜ｍ₂]を設定し、それぞれのエコー波を自動検出することができる。例えば、パルス強度が閾値ｍ₁未満のものをノイズとみなし、パルス強度が閾値ｍ₁以上ｍ₂未満のものを第１伝搬時間ｔ₁とみなし、パルス強度が閾値ｍ₂以上のものを第２伝搬時間ｔ₂とみなすことができる。

図１に示す式（１）のように、経路１１の第１距離ｘは、基準間隔Ｄに等しく、超音波の伝搬速度ｃと第１伝搬時間ｔ₁との積の二分の一で表される。同様に、図１に示す式（２）のように、経路１２の第２距離ｙは、超音波の伝搬速度ｃと第２伝搬時間ｔ₂との積の二分の一で表される。そして、式（１）（２）から伝搬速度ｃを消去して、第２距離ｙについてまとめると、式（３）を得る。

演算部２７は、式（３）に、基準間隔Ｄ、第１伝搬時間ｔ₁及び第２伝搬時間ｔ₂を代入して、センサ１５から計測対象１８までの距離（第２距離ｙ）を演算し出力する。なお、演算部２７は、式（１）に、基準間隔Ｄ及び第１伝搬時間ｔ₁を代入して、超音波の伝搬速度ｃを計算し出力してもよい。

（第２実施形態）
次に図２を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図２（Ａ）（Ｂ）は第２実施形態に係る超音波式距離計測装置１０ｂ（１０）の構成図である。第２実施形態の超音波式距離計測装置１０ｂのデータ処理部２０は、第１実施形態で説明したものと同じデータ処理を行う。図３は第２実施形態の演算部２７（図１）で連続的に演算される第１距離ｘと第２距離ｙを示すグラフである。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

超音波式距離計測装置１０ｂには、センサ１５から基準間隔Ｄあけた位置に稼働式の反射体１７ｂが設けられている。この反射体１７ｂは、第１距離ｘの経路１１を形成させる第１設定３１と、第２距離ｙの経路１２を形成させる第２設定３２と、に設定変更することができる。図２（Ａ）に示すように第１設定３１の反射体１７ｂは、第１距離ｘの経路１１で超音波を反射させる。図２（Ｂ）に示すように第２設定３２の反射体１７ｂは、第２距離ｙの経路１２で超音波を反射させる。これにより、時々刻々と、温度・湿度が変化する環境で、超音波の伝搬速度の変化を離散的に反映させつつ、経路１２の第２距離Ｙを高精度で演算することができる。

（第３実施形態）
次に図４を参照して本発明における第３実施形態について説明する。図４は第３実施形態に係る超音波式距離計測装置１０ｃ（１０）の構成図である。第３実施形態の超音波式距離計測装置１０ｃのデータ処理部２０は、第１実施形態で説明したものと同じデータ処理を行う。図７（Ａ）は第１センサ１５ａで検出される超音波の伝播時間ｔ（ｔ₀，ｔ₁）を示す波形図である。図７（Ａ）は第２センサ１５ｂで検出される超音波の伝播時間ｔ（ｔ₀，ｔ₂）を示す波形図である。なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

超音波式距離計測装置１０ｃのセンサ１５は、超音波を第１距離ｘの経路１１に送信するための第１センサ１５ａと、超音波を第２距離ｙの経路１２に送信するための第２センサ１５ｂと、が別々に構成されている。これにより、時々刻々と温度・湿度が変化する環境で、超音波の伝搬速度の変化をリアルタイムに反映させつつ、絶え間なく経路１２の第２距離Ｙを高精度で演算することができる。

（第４実施形態）
次に図５を参照して本発明における第４実施形態について説明する。図５は第４実施形態に係る超音波式距離計測装置１０ｄ（１０）の構成図である。なお、図５において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。第４実施形態の超音波式距離計測装置１０ｄのデータ処理部２０は、第１実施形態から第３実施形態とは演算部２７において異なるデータ処理を行う。

超音波式距離計測装置１０ｄにおいて、第１センサ１５ａの第１距離ｘの経路１１は、基準間隔Ｄに加え第２センサ１５ｂの第２距離ｙの経路１２からも規定される。つまり、第１センサ１５ａと第２センサ１５ｂとは、互いに基準間隔Ｄの高低差を持って配置されている。よって第２実施形態の第３保持部２３（図１）には、予め設定された第１センサ１５ａから第２センサ１５ｂまでの基準間隔Ｄがデータ保持されている。

第４実施形態に係る超音波式距離計測装置１０ｄ（１０）の演算部２７動作について説明する。図５に示す式（４）のように、経路１１の第１距離ｘは、基準間隔Ｄと第２距離ｙとの和に等しく、超音波の伝搬速度ｃと第１伝搬時間ｔ₁との積の二分の一で表される。同様に、図５に示す式（５）のように、経路１２の第２距離ｙは、超音波の伝搬速度ｃと第２伝搬時間ｔ₂との積の二分の一で表される。そして、式（４）（５）から伝搬速度ｃを消去して、第２距離ｙについてまとめると、式（６）を得る。

第４実施形態の演算部２７（図１）は、式（６）に、基準間隔Ｄ、第１伝搬時間ｔ₁及び第２伝搬時間ｔ₂を代入して、センサ１５から計測対象１８までの第２距離ｙを演算し出力する。なお、演算部２７は、式（４）又は式（５）に、第２距離ｙ、基準間隔Ｄ及び伝搬時間ｔ₁，ｔ₂を代入して、超音波の伝搬速度ｃを計算し出力してもよい。

上述した実施形態において、計測対象１８はタンクに貯蔵された液体の液面を対象として説明したが、計測対象１８はこれに限定されることは無く、固体（粉体も含む）の表面である場合もある。

図８のフローチャートに基づいて、各実施形態に係る超音波式距離計測方法及び超音波式距離計測プログラムを説明する（適宜、図１，図５参照）。まず、センサ１５に超音波を送信させその反射を受信する（Ｓ１１）。基準間隔Ｄで少なくとも規定（第１実施形態から第３実施形態までは基準間隔Ｄのみで規定、第４実施形態は基準間隔Ｄと第２距離ｙで規定）される第１距離ｘの経路１１において（Ｓ１２）、検出された超音波の第１伝搬時間ｔ₁をデータ保持する（Ｓ１３）。

計測対象１８までの第２距離ｙの経路１２において検出された超音波の第２伝搬時間ｔ₂をデータ保持する（Ｓ１４）。第２保持部２２と、基準間隔Ｄ、第１伝搬時間ｔ₁及び第２伝搬時間ｔ₂に基づいて第２距離ｙを演算する（Ｓ１５ＥＮＤ）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の超音波式距離計測装置によれば、センサからの基準間隔で規定される経路を伝搬する超音波の伝搬時間を検出することにより、高湿度・高温の環境であっても、計測対象までの距離を高精度で計測することが可能となる。

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、組み合わせ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同様に、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ものである。

以上説明した超音波式距離計測装置は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

また超音波式距離計測装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

また、本実施形態に係る超音波式距離計測装置で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。また、超音波式距離計測装置は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）…超音波式距離計測装置、１１…第１距離の経路、１２…第２距離の経路、１５（１５ａ，１５ｂ）…センサ、１６…送受信部、１７（１７ａ，１７ｂ）…反射体、１８…計測対象、２０…データ処理部、２１…第１保持部、２２…第２保持部、２３…第３保持部、２６…検出部、２７…演算部、３１…第１設定、３２…第２設定、ｘ…第１距離、ｙ…第２距離、ｃ…超音波の伝搬速度、Ｄ…基準間隔、ｔ₁…第１伝搬時間、ｔ₂…第２伝搬時間。

Claims

超音波を送信しその反射を受信するセンサと、
前記センサからの基準間隔で少なくとも規定される第１距離の経路において検出された前記超音波の第１伝搬時間をデータ保持する第１保持部と、
計測対象までの第２距離の経路において検出された前記超音波の第２伝搬時間をデータ保持する第２保持部と、
前記基準間隔、前記第１伝搬時間及び前記第２伝搬時間に基づいて前記第２距離を演算する演算部と、を備える超音波式距離計測装置。
請求項１に記載の超音波式距離計測装置において、
前記センサから前記基準間隔あけた位置に設けられ、前記第１距離の経路で前記超音波を反射させる反射体を備える超音波式距離計測装置。
請求項２に記載の超音波式距離計測装置において、
前記反射体は、前記第１距離の経路を形成させる第１設定と、前記第２距離の経路を形成させる第２設定と、に設定変更される超音波式距離計測装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波式距離計測装置において、
前記センサは、
前記超音波を前記第１距離の経路に送信するための第１センサと、前記超音波を前記第２距離の経路に送信するための第２センサと、が別々に構成される超音波式距離計測装置。
請求項１を引用する請求項４に記載の超音波式距離計測装置において、
前記第１センサの前記第１距離の経路は、前記基準間隔に加え前記第２センサの前記第２距離の経路からも規定される超音波式距離計測装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波式距離計測装置において、
前記演算部は、前記超音波の伝搬速度も演算する超音波式距離計測装置。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波式距離計測装置において、
前記計測対象は、タンクに貯蔵された液体の液面である超音波式距離計測装置。
センサに超音波を送信させその反射を受信させるステップと、
前記センサからの基準間隔で少なくとも規定される第１距離の経路において検出された前記超音波の第１伝搬時間をデータ保持するステップと、
計測対象までの第２距離の経路において検出された前記超音波の第２伝搬時間をデータ保持するステップと、
前記基準間隔、前記第１伝搬時間及び前記第２伝搬時間に基づいて前記第２距離を演算するステップと、を含む超音波式距離計測方法。
コンピュータが、
センサに超音波を送信させその反射を受信させるステップ、
前記センサからの基準間隔で少なくとも規定される第１距離の経路において検出された前記超音波の第１伝搬時間をデータ保持するステップ、
計測対象までの第２距離の経路において検出された前記超音波の第２伝搬時間をデータ保持するステップ、
前記基準間隔、前記第１伝搬時間及び前記第２伝搬時間に基づいて前記第２距離を演算するステップ、を実行する超音波式距離計測プログラム。