JP2023101041A - Surface wave detection device, liquid level position detection device, liquid type identification device, solution concentration detection device, and droplet detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面波検出装置、液面位置検出装置、液種特定装置、溶液濃度検出装置及び液滴検出装置に関する。 The present invention relates to a surface wave detection device, a liquid surface position detection device, a liquid type identification device, a solution concentration detection device, and a droplet detection device.
例えば、特許文献1、2には、伝搬体に振動を与えて表面波を発生させるとともに、反射した表面波を検出する技術が開示されている。特許文献1に記載の技術は、検出した表面波の伝搬時間に基づいて伝搬体が浸る液体の液面位置を検出する。また、特許文献2に記載の技術は、検出した表面波の伝搬時間に基づいて伝搬体が浸る液体の種類を特定する。
For example,
特許文献1、2に記載の伝搬体の構造では、検出される表面波のSN比が悪化するおそれがある。
In the structures of the propagating bodies described in
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、表面波のSN比が良好な表面波検出装置、液面位置検出装置、液種特定装置、溶液濃度検出装置及び液滴検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a surface wave detection device, a liquid surface position detection device, a liquid type identification device, a solution concentration detection device, and a droplet detection device, all of which have a good SN ratio of surface waves. intended to
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る表面波検出装置は、
表面波が伝搬する伝搬面を有する伝搬体と、
前記伝搬体に振動を与えて前記表面波を発生させるとともに反射した前記表面波を検出する圧電素子と、を備え、
前記伝搬面は、所定方向に延びる帯状をなし、
前記伝搬体は、前記伝搬面が向く方向に突起するとともに前記所定方向に延びる第1リブ及び第2リブを有し、
前記第1リブ及び前記第2リブは、前記伝搬面の幅方向において前記伝搬面を挟んで互いに対向し、
前記伝搬体において前記伝搬面と異なる位置にある面である対象面には、振動を吸収する振動吸収部が設けられている。
In order to achieve the above object, a surface wave detection device according to a first aspect of the present invention comprises:
a propagating body having a propagation surface on which surface waves propagate;
a piezoelectric element that vibrates the propagating body to generate the surface wave and detects the reflected surface wave;
the propagation surface has a strip shape extending in a predetermined direction,
the propagating body has a first rib and a second rib projecting in a direction in which the propagating surface faces and extending in the predetermined direction;
the first rib and the second rib face each other across the propagation surface in the width direction of the propagation surface;
A vibration absorbing portion that absorbs vibration is provided on a target surface, which is a surface of the propagating body located at a position different from the propagating surface.
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点に係る液面位置検出装置は、
前記表面波検出装置と、
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬体が浸る液体の液面位置を検出する検出部と、を備える。
In order to achieve the above object, a liquid level detection device according to a second aspect of the present invention includes:
the surface wave detection device;
a detection unit that detects a liquid surface position of the liquid in which the propagating body is immersed, based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element.
上記目的を達成するため、本発明の第3の観点に係る液種特定装置は、
前記表面波検出装置と、
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬体が浸る液体の種類を特定する特定部と、を備える。
In order to achieve the above object, a liquid type identification device according to a third aspect of the present invention includes:
the surface wave detection device;
a specifying unit that specifies a type of liquid in which the propagating body is immersed based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element.
上記目的を達成するため、本発明の第4の観点に係る溶液濃度検出装置は、
前記表面波検出装置と、
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬体が浸る溶液の濃度を検出する検出部と、を備える。
In order to achieve the above object, a solution concentration detection device according to a fourth aspect of the present invention comprises:
the surface wave detection device;
a detection unit that detects the concentration of the solution in which the propagating body is immersed, based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element.
上記目的を達成するため、本発明の第5の観点に係る液滴検出装置は、
前記表面波検出装置と、
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬面に付着した液滴を検出する検出部と、を備える。
In order to achieve the above object, a droplet detection device according to a fifth aspect of the present invention includes:
the surface wave detection device;
a detection unit that detects droplets adhering to the propagation surface based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element.
本発明によれば、表面波のSN比が良好な表面波検出装置、液面位置検出装置、液種特定装置、溶液濃度検出装置及び液滴検出装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a surface wave detection device, a liquid surface position detection device, a liquid type specification device, a solution concentration detection device, and a droplet detection device, all of which have a good SN ratio of surface waves.
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
第1実施形態に係る液面位置検出装置100は、図1に示すように、表面波検出装置1と、制御部2と、を備える。液面位置検出装置100は、容器3内に入れられた液体4の液面4aの位置(以下、液面位置とも言う。)を検出する。液体4の量の増減に伴い、液面4aは上下する。
(First embodiment)
A liquid
表面波検出装置1は、図1に示すように、伝搬体10と、素子収容部20と、圧電素子30と、フランジ部40と、を備える。また、表面波検出装置1は、図3~図5に示す振動吸収部7を備える。
The surface wave detection device 1 includes a propagating
なお、図面の見易さを考慮し、図1及び図2では振動吸収部7を省略し、図5では振動吸収部7を破線で表した。
1 and 2, the
以下では、各図に示すように、伝搬体10の長手方向に延びるZ軸や、後述の伝搬面11の法線方向に延びるY軸や、Y及びZ軸と直交するX軸を用いて、表面波検出装置1の構成を説明する場合がある。また、X、Y、Z軸の各軸に沿う方向をその軸方向とする。さらに、X、Y、Zの各軸の矢印が向く方向を「+」方向とし、その逆方向を「-」方向とする。つまり、X軸に沿う方向はX方向である。矢印の向きも考慮すると、X軸の矢印が向く方向が+X方向であり、その逆方向が-X方向である。Y、Z軸についても同様である。
Hereinafter, as shown in each figure, the Z-axis extending in the longitudinal direction of the
伝搬体10は、後述の表面波Wsを含む超音波が伝搬するものであり、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)などの合成樹脂から形成されている。
The propagating
伝搬体10は、Z軸方向に延び、概ね四角柱状に形成されている。伝搬体10は、図5に示すように、断面形状が概ねH状をなし、伝搬面11と、裏面12と、第1側面13と、第2側面14と、第1リブR1と、第2リブR2と、第3リブR3と、第4リブR4と、を有する。また、伝搬体10は、図1、図2及び図4に示す底面15を有する。
The propagating
伝搬面11は、伝搬体10のうち表面波Wsが伝搬する主要部分であり、図3に示すようにZ方向に延びる帯状をなす。伝搬面11の-Z方向の端は、表面波Wsが反射する反射部11aとして機能する。裏面12は、図1、図2、図5に示すように、伝搬体10における伝搬面11の反対側に位置する。裏面12もZ方向に延びる帯状をなす。伝搬面11は-Y方向に向き、裏面12は+Y方向に向く。伝搬面11と裏面12は、ZX平面と平行である。図1、図2に示すように、伝搬体10には、裏面12から伝搬面11に向かって凹む溝12aが形成されている。なお、図1では、伝搬体10及び素子収容部20を-X方向から見た側面図で表した。また、図2は、伝搬体10、素子収容部20及び圧電素子30をYZ平面と平行な面で切った断面図である。
The
図5に示すように、第1側面13は-X方向に向き、第2側面14は+X方向に向く。第1側面13と第2側面14は、YZ平面と平行である。底面15は、図1、図2に示すように、伝搬面11と裏面12とを繋ぐ傾斜面である。底面15は、伝搬面11となす角が鋭角で、裏面12となす角が鈍角の面である。底面15により、伝搬体10の先端部は先細りの形状をなす。底面15の傾斜によって、伝搬面11を-Z方向に伝搬する表面波Wsが、裏面12に回り込むことを抑制することができ、伝搬体10の反射部11aで反射して再び伝搬面11を伝搬する表面波Wsを、効率良く圧電素子30に向かわせることができる。
As shown in FIG. 5, the
第1リブR1と第2リブR2は、図5に示すように、伝搬面11が向く方向(-Y方向)に突起するとともに、図3に示すように、Z方向に延びる。第1リブR1及び第2リブR2は、図5に示すように、伝搬面11の幅方向(X方向)において伝搬面11を挟んで互いに対向する。第1リブR1は、伝搬面11と同じ方向に向く第1主面M1を含む。第2リブR2は、伝搬面11と同じ方向に向く第2主面M2を含む。例えば、第1主面M1及び第2主面M2は、伝搬面11と平行である。また、第1リブR1と第2リブR2の伝搬面11からの高さ(Y方向の高さ)は等しく、表面波Wsの波長λ以上に設定されることが好ましい。
The first rib R1 and the second rib R2 protrude in the direction in which the
第1リブR1の基端部には、伝搬面11と繋がる曲面S1が形成されている。具体的には、曲面S1は、第1リブR1の内面(+X方向に向く面)であって第2リブR2と対向する第1対向面So1と、伝搬面11とを繋ぐ。第2リブR2の基端部には、伝搬面11と繋がる曲面S2が形成されている。具体的には、曲面S2は、第2リブR2の内面(-X方向に向く面)であって第1リブR1と対向する第2対向面So2と、伝搬面11とを繋ぐ。ここで、実際には、圧電素子30の振動による表面波Wsは、伝搬面11だけでなく伝搬面11の周囲にも発生する。上記のような曲面S1、S2を設けることにより、伝搬体10に発生する表面波Wsを伝搬面11に集めることができ、伝搬面11を伝搬する表面波Wsの指向性を高めることができる。
A curved surface S1 connected to the
また、図3に示すように、第1リブR1と第2リブR2の間隔Dは、圧電素子30の幅と略等しく設定されている。具体的に、第1リブR1と第2リブR2の間隔Dとは、第1対向面So1と第2対向面So2の間隔である。この構成により、伝搬面11以外の部分に不要な表面波Wsが発生することを抑制することができる。なお、間隔Dが圧電素子30の幅と略等しいとは、間隔Dが圧電素子30の幅と等しいことだけでなく、伝搬面11の幅が圧電素子30の幅と等しいことも含む。つまり、圧電素子30の幅は、間隔D以下であって、伝搬面11の幅以上の範囲であることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 3, the distance D between the first rib R1 and the second rib R2 is set substantially equal to the width of the
第3リブR3と第4リブR4は、図5に示すように、裏面12が向く方向(+Y方向)に突起する。また、第3リブR3と第4リブR4は、第1リブR1及び第2リブR2と同様にZ方向に延びる。第3リブR3及び第4リブR4は、図5に示すように、裏面12の幅方向(X方向)において裏面12を挟んで互いに対向する。第3リブR3は、裏面12と同じ方向に向く第3主面M3を含む。第4リブR4は、裏面12と同じ方向に向く第4主面M4を含む。例えば、第3主面M3及び第4主面M3は、裏面12と平行である。例えば、第3リブR3の内面(+X方向に向く面)であって第4リブR4と対向する第3対向面So3と、裏面12とのなす角は、直角に設定されている。例えば、第4リブR4の内面(-X方向に向く面)であって第3リブR3と対向する第4対向面So4と、裏面12とのなす角も、直角に設定されている。第1リブR1及び第2リブR2に加えて、第3リブR3及び第4リブR4を設けることにより、伝搬体10の断面二次モーメントを向上させ、振動共振に対する耐力を向上させることができる。なお、第3リブR3及び第4リブR4の高さ(裏面12から+Y方向への高さ)は、設計に応じて任意に設定可能である。
The third rib R3 and the fourth rib R4 protrude in the direction in which the
図5に示すように、第1側面13は、第1主面M1の外縁E1と繋がる。具体的に、第1側面13は、Y方向における一端が第1主面M1の外縁E1と繋がり、Y方向における他端が第3主面M3の外縁E3と繋がる。例えば、第1側面13と第1主面M1は直交し、第1側面13と第3主面M3は直交する。第2側面14は、第2主面M2の外縁E2と繋がる。具体的に、第2側面14は、Y方向における一端が第2主面M2の外縁E2と繋がり、Y方向における他端が第4主面M4の外縁E4と繋がる。例えば、第2側面14と第2主面M2とは直交し、第2側面14と第4主面M4は直交する。
As shown in FIG. 5, the
素子収容部20は、図2に示すように、伝搬体10の+Z方向に位置し、圧電素子30を収容する。例えば、素子収容部20は、伝搬体10と同一材料で、一体に形成されている。素子収容部20は、円盤部21と、筒体22と、を備える。
The
円盤部21は、伝搬体10と連結されている。筒体22は、円盤部21の外径よりも小さい外径を有する円筒形状をなし、円盤部21から+Z方向に突出する。円盤部21のうち筒体22に囲まれた部分に、圧電素子30が収容される。筒体22の外周面には、筒体22の中心に向かって凹む溝であって、図1に断面で示すシール材5が取り付けられる取付溝22aが形成されている。
The
圧電素子30は、円盤部21を介して伝搬体10に振動を与え、伝搬体10に超音波を発生させる。具体的に、圧電素子30は、超音波として、伝搬体10の伝搬面11に表面波Wsを発生させるとともに、伝搬体10の内部に内部伝搬波Wiを発生させる。また、圧電素子30は、反射部11aで反射した表面波Wsと、溝12aで反射した内部伝搬波Wiとを検出し、検出結果を示す検出信号(電圧信号)を出力する。
The
圧電素子30は、公知の超音波トランスデューサから構成され、直方体状をなす。圧電素子30は、円盤部21を挟んで伝搬体10と対向するとともに、伝搬面11に表面波Wsを発生させるため、その一端部(図2での右端部)が伝搬体10の伝搬面11を跨いで迫り出すように設けられる。例えば、表面波Wsは、空気中ではレイリー波であり、液体4中ではシュルツ波である。なお、表面波Wsは、漏洩レイリー波、横波型弾性表面波(SH-SAW)等であってもよい。内部伝搬波Wiは、横波等であればよい。圧電素子30は、図示しない端子を介して制御部2と電気的に接続される。
The
図1に示すフランジ部40は、例えば合成樹脂により形成され、-Z方向に開口する円筒形状をなす筒状部41と、筒状部41の外径方向に迫り出したフランジ42と、フランジ42よりも+Z方向に位置する中空状のキャップ部43と、を有する。なお、図1では、筒状部41及びシール材5を径方向に沿う断面で示した。
The
筒状部41は、素子収容部20の筒体22を取り囲む。筒状部41の先端は、Z方向において、円盤部21の外周端部と対向する。筒状部41と筒体22の間は、シール材5によって密封される。シール材5は、例えば樹脂ゴムからリング状に形成され、パッキンとして機能する。フランジ42は、容器3に、図示しないビス等の固定手段によって取り付けられる部分である。キャップ部43は、図示しないカプラを有する。カプラの内部には、図示しない出力端子が位置する。外部機器とカプラが連結されると、当該外部機器と出力端子が電気的に接続される。例えば、キャップ部43の内部には、圧電素子30及び出力端子の各々と電気的に接続され、後述の送信回路、受信回路などが形成された図示しないPCB(Printed Circuit Board)が収容される。
The
図1に模式的に示す制御部2は、例えばマイクロコンピュータから構成され、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備える。制御部2は、圧電素子30が検出した表面波Wsの伝搬時間に基づいて液体4の液面位置を検出する検出部として機能する。PCBの送信回路は、制御部2の制御により、圧電素子30に駆動信号を送信して圧電素子30を駆動する。この結果、伝搬体10には、表面波Ws及び内部伝搬波Wiが発生する。PCBの受信回路は、反射した表面波Ws及び反射した内部伝搬波Wiの各々を示す検出信号を圧電素子30から受信し、制御部2に供給する。検出信号を受信した制御部2は、当該検出信号に基づき、液面4aの位置(高さ)を算出する。
The
なお、送信回路及び受信回路は、制御部2に備えられていてもよい。また、制御部2の少なくとも一部の機能を、フランジ部40の内部に設けられたPCBに実装してもよい。
Note that the transmission circuit and the reception circuit may be provided in the
ここで、液面4aの位置の算出方法の一例を説明する。図6は、振動W0を発生させたことによって伝搬体10を伝搬する内部伝搬波Wi及び表面波Wsが反射した後に圧電素子30に入力する様子を示している。時点t0は、圧電素子30の駆動により伝搬体10に振動W0が発生した時点である。振動W0が発生することによって、表面波Ws及び内部伝搬波Wiが伝搬体10を伝搬する。時点t1は、内部伝搬波Wiが溝12aで反射されて圧電素子30に入力した時点である。期間T1は、時点t0から時点t1までの期間である内部伝搬波伝搬期間T1である。時点t2は、表面波Wsが反射部11aで反射されて圧電素子30に入力した時点である。期間T2は、時点t0から時点t2までの期間である表面波伝搬期間T2である。
Here, an example of a method of calculating the position of the
表面波Wsは、伝搬体10が液体4に浸かった部分では、伝搬体10(伝搬面11)を進む速度が遅くなる。このため、液面4aが高い位置にあるほど、表面波伝搬期間T2が長くなる。この特性を利用して、制御部2は、表面波伝搬期間T2を計測し、予めROMに記憶した、表面波伝搬期間T2と液面4aの位置との関係を示す液面位置検出データを参照し、液面位置を算出する。一方、内部伝搬波Wiは、伝搬体10の内部を進む。このため、伝搬体10が液体4に浸かっている部分には影響されずに内部伝搬波伝搬期間T1の値が定まる。この特性を利用して、制御部2は、内部伝搬波伝搬期間T1を計測し、予めROMに記憶した、内部伝搬波伝搬期間T1と伝搬体10の温度との関係を示す温度特性データを参照し、伝搬体10の温度を求める。そして、温度依存性がある表面波伝搬期間T2を、求めた温度に応じて補正する。つまり、制御部2は、内部伝搬波Wiに基づき表面波伝搬期間T2を温度補正し、温度補正後の表面波伝搬期間T2と、液面位置検出データとに基づき、液面位置を算出する(検出する)。なお、液面位置検出データ、温度補正データは、数式又はテーブルで構成されていればよい。また、液面4aの位置の算出手法、温度補正の手法としては、公知技術を適宜用いることができる。
The speed of the surface wave Ws traveling through the propagating body 10 (propagating surface 11 ) is slowed in the portion where the propagating
制御部2は、検出した液面位置を図示しない報知部によってユーザに報知する。報知部は、例えば、液面位置を画像、インジケータ、指針などによりユーザに報知可能な構成であればよい。
The
ここで、図7(a)、(b)を参照して、伝搬体10の構造による効果を説明する。図7(a)は、実施例として、上記に説明した伝搬体10の構造を用いた場合の表面波Ws等の信号波形を示す。図7(b)は、比較例として、リブ(第1~第4リブR1~R4)を設けていない、四角柱形状の伝搬体の構造を用いた場合の表面波Ws等の信号波形を示す。図7(a)、(b)に示すグラフでは、信号強度を縦軸にとり、経過時間を横軸にとった。また、図7(a)と図7(b)は、伝搬体の形状以外を同一条件とした場合の実験結果である。
図7(a)と図7(b)を比較すると、実施例は、圧電素子30に入力される表面波Wsの信号強度が比較例よりも高いことが分かる。また、図7(b)に示すように、比較例では、圧電素子30に入力される表面波Wsの発生直前に、不要伝搬波U(つまり、ノイズ)が顕著に生じてしまっていることが分かる。一方、図7(a)に示すように、実施例では、圧電素子30に入力される表面波Wsの発生直前に顕著なノイズは生じていない。以上により、第1実施形態に係る表面波検出装置1によれば、表面波Wsによる信号のSN比が良好であることが分かる。なお、第1リブR1、第2リブR2の各基端部に曲面S1、S2を設けない構成(つまり、第1対向面So1、第2対向面So2と伝搬面11が交差する構成)の伝搬体によっても、同様の実験を行ったが、図7(a)に示す結果とほぼ変わりが無かった。つまり、第1リブR1、第2リブR2を設けた伝搬体10によれば、曲面S1,S2の有無にかかわらず、表面波Wsによる信号のSN比を良好とすることができる。
Here, with reference to FIGS. 7A and 7B, the effect of the structure of the propagating
A comparison of FIGS. 7A and 7B reveals that the signal strength of the surface wave Ws input to the
振動吸収部7は、伝搬体10において伝搬面11と異なる位置にある面である対象面に設けられている。当該対象面は、第1側面13、第2側面14、裏面12、第1主面M1及び第2主面M2である。この実施形態では、振動吸収部7は、ニトリルゴム等のエラストマーから形成される板状の部材であり、対象面に貼り付けられている。
The
第1側面13には、図3、図4に示すように、2つの振動吸収部7が設けられている。当該2つの振動吸収部7の一方は、第1側面13のZ方向における中央部に設けられている。当該2つの振動吸収部7の他方は、図4に示すように、Z方向において溝12aと同じ高さに設けられている。第1側面13に設けられた振動吸収部7は、図5に示すように、Y方向において第1側面13と略同じ(丁度同じも含む。)幅を有する。第2側面14には、第1側面13と同様に、2つの振動吸収部7が設けられている。第2側面14に設けられた振動吸収部7は、図3、図4に示すように、第1側面13に設けられた振動吸収部7と左右対称に配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図4に示すように、裏面12における溝12aと底面15の間には、1つの振動吸収部7が設けられている。裏面12に設けられた振動吸収部7は、図5に示すように、X方向において裏面12と略同じ(丁度同じも含む。)幅を有する。
As shown in FIG. 4, one
図3に示すように、第1主面M1には、1つの振動吸収部7が設けられている。この振動吸収部7は、Z方向において、第1側面13に設けられた2つの振動吸収部7の間に位置する。第2主面M2には、第1主面M1と同様に、1つの振動吸収部7が設けられている。第2主面M2に設けられた振動吸収部7は、図3に示すように、第1主面M1に設けられた振動吸収部7と左右対称に配置されている。
As shown in FIG. 3, one
ここで、図8を参照して、振動吸収部7による効果を説明する。図8は、伝搬体10が浸かっている液体4の液面位置(液位)を変化させた場合において、シグナル(表面波Wsの検出信号)とノイズ(前述の不要伝搬波Uの検出信号)との関係を示す。なお、図中「貼り付けあり」は、本実施形態の構成(つまり、振動吸収部7を以上に説明した配置で伝搬体10に貼り付けたもの)である。図中「貼り付けなし」は、比較例として、振動吸収部7を設けない伝搬体10である。図8を参照すると、「貼り付けなし」に対して「貼り付けあり」は、シグナル及びノイズの双方とも低下する傾向があるものの、ノイズの低下に比べ、シグナルの低下は十分に少ない傾向にあることが分かる。以上により、振動吸収部7を備える表面波検出装置1は、表面波Wsによる信号のSN比が良好であることが分かる。
Here, with reference to FIG. 8, the effect of the
以上に説明した表面波検出装置1は、第1リブR1及び第2リブR2を有する伝搬体10を備える。第1リブR1及び第2リブR2は、伝搬面11の幅方向において伝搬面11を挟んで互いに対向する。この構成により、伝搬面11を伝搬する表面波Wsが第1リブR1及び第2リブR2に沿ってZ方向に伝搬し、表面波WsがX方向に拡散することが抑制されると考えられる。さらに、表面波検出装置1は、振動吸収部7を備える。結果として、前記の実験結果で示したように、表面波WsのSN比を良好とすることができる。
The surface acoustic wave detection device 1 described above includes a propagating
なお、振動吸収部7が設けられる対象面は、伝搬体10における伝搬面11以外の面であれば、任意である。例えば、当該対象面は、第1側面13、第2側面14、裏面12、第1主面M1及び第2主面M2の少なくともいずれかを含んでいればよい。また、当該対象面は、第3主面M3、第4主面M4及び底面15の少なくともいずれかをさらに含んでいてもよい。また、振動吸収部7の個数、形状、大きさ、材料も任意に変更可能である。振動吸収部7は、伝搬面11以外の部分で生じる超音波振動を吸収可能であればよく、実験を経て、表面波Wsの良好なSN比を実現し得るように、その条件が設定されればよい。
Note that the target surface on which the
例えば、振動吸収部7は、ゴム以外の樹脂、スポンジ等であってもよい。また、振動吸収部7は、伝搬体10の対象面に塗布されるシリコン系接着剤などであってもよい。また、振動吸収部7は、伝搬体10と一体に形成され、対象面に凹凸加工を施すことで設けられていてもよい。当該凹凸加工は、シボ加工、ブラスト加工、ヘアライン加工などであればよい。
For example, the
第1実施形態に係る液面位置検出装置100は、表面波WsのSN比が良好な表面波検出装置1を備えるため、液面位置を良好な精度で検出することができる。第1実施形態の説明は以上である。
Since the liquid
以下、第1実施形態とは表面波検出装置1の用途が異なる第2、第3実施形態について順に説明する。第2、第3実施形態に係る表面波検出装置1も第1実施形態と同様に振動吸収部7を備える。以下は、第1実施形態とは表面波検出装置1の用途が異なる構成についての説明であるため、以下の説明で用いる図9、図11では、振動吸収部7の図示を省略した。
Second and third embodiments, which are different in application of the surface wave detection device 1 from the first embodiment, will be described in order below. The surface wave detectors 1 according to the second and third embodiments are also provided with the
(第2実施形態)
第2実施形態に係る液種特定装置200について、主に図9を参照して説明する。なお、第1実施形態と共通の機能を有する各部については、第1実施形態と同一又は対応する符号を付すとともに、適宜説明を省略する。また、第2実施形態では、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
(Second embodiment)
A liquid
第2実施形態に係る液種特定装置200は、図9に示すように、表面波検出装置1と、制御部2Mと、を備える。液種特定装置200は、容器3内に入れられた液体4の種類(以下、液種とも言う。)を特定する。
As shown in FIG. 9, the liquid
表面波検出装置1の構成は、第1実施形態と同様である。第2実施形態では、容器3に対する表面波検出装置1の取り付け態様が第1実施形態と異なる。第2実施形態に係る表面波検出装置1は、例えば、伝搬体10が容器3の底から液面4aに向かう姿勢で、容器3に取り付けられている。なお、伝搬体10は、少なくとも、伝搬面11の全域が液体4に浸っていればよい。
The structure of the surface wave detection device 1 is the same as that of the first embodiment. In the second embodiment, the manner in which the surface wave detection device 1 is attached to the
また、第2実施形態に係る制御部2Mは、第1実施形態と構成に関しては同様であるものの、その機能が第1実施形態と異なっている。制御部2Mは、圧電素子30が検出した表面波Wsの伝搬時間に基づいて液体4の種類を特定する特定部として機能する。なお、制御部2Mの少なくとも一部の機能は、フランジ部40の内部に設けられたPCBに実装されていてもよい。
Also, the
制御部2Mは、表面波伝搬期間T2に基づいて液体4の種類を特定する。具体的に、制御部2Mは、表面波伝搬期間T2と液体4の種類とが関係付けられたデータテーブルを参照することによって、液体4の種類を特定する。以下、表面波伝搬期間T2に基づいて液体4の種類を特定することができる原理を説明する。
The
表面波伝搬期間T2は表面波伝搬速度に反比例するため、表面波伝搬速度が速くなるにつれて表面波伝搬期間T2が短くなる一方で、表面波伝搬速度が遅くなるにつれて表面波伝搬期間T2が長くなる。伝搬体10の少なくとも伝搬面11が全体に渡って液体4に浸っているときの表面波伝搬速度は、液体4に固有の液中の音速vl及び密度ρl、並びに、伝搬体10固有の内部伝搬波Wiの伝搬速度vs、気中での表面波伝搬速度vR及び密度ρSによって定まる。すなわち、伝搬体10の材質が固定であるときには、伝搬体10の少なくとも伝搬面11が全体に渡って液体4に浸っているときの表面波伝搬速度は、液体4の種類によって変化する。そのため、実測又はシミュレーション等によって、伝搬体10の少なくとも伝搬面11が全体に渡って液体4に浸っているときの表面波伝搬速度と液体4の種類との関係を得ることができる。この関係に基づいて作成された表面波伝搬期間T2と液体4の種類とが関係付けられたデータテーブルを制御部2MのROMに記憶することによって、液種特定装置200は、表面波伝搬期間T2を用いて液体4の種類を特定することができる。
Since the surface wave propagation period T2 is inversely proportional to the surface wave propagation velocity, the surface wave propagation period T2 becomes shorter as the surface wave propagation velocity increases, while the surface wave propagation period T2 becomes longer as the surface wave propagation velocity decreases. . The surface wave propagation velocity when at least the
なお、制御部2Mが、表面波伝搬期間T2に基づいて液体4の種類を特定するという表現には、制御部2Mが、表面波伝搬期間T2から表面波伝搬速度を算出し、算出した表面波伝搬速度に基づいて液体4の種類を特定することも含まれる。すなわち、制御部2Mは、表面波伝搬速度と液体4の種類とが関係付けられたデータテーブルを参照することによって、算出した表面波伝搬速度に基づいて液体4の種類を特定してもよい。この場合では、制御部2Mは、表面波伝搬期間T2と液体4の種類とが関係付けられたデータテーブルの代わりに、表面波伝搬速度と液体4の種類とが関係付けられたデータテーブルをROMに記憶していればよい。
The expression that the
以上のように、液種特定装置200では、表面波伝搬期間T2に基づいて液体4の種類を特定することができる。前述のように、内部伝搬波伝搬速度及び表面波伝搬速度は、伝搬体10の温度に影響を受ける。すなわち、伝搬体10の温度に起因して伝搬体10の密度ρS、弾性率が変化し、内部伝搬波伝搬速度及び表面波伝搬速度が、伝搬体10の密度ρS、弾性率によって変化する。ここで、内部伝搬波Wiは伝搬体10の内部を進むため、内部伝搬波伝搬速度(内部伝搬波伝搬期間T1)は、伝搬体10が浸っている液体4の種類に影響されずに、伝搬体10の温度のみに影響を受ける。そのため、制御部2Mは、内部伝搬波Wiの内部伝搬波伝搬期間T1から、ROMに記憶した温度条件を参照し、伝搬体10の温度を求めてもよい。制御部2Mは、伝搬体10の温度に基づいて、所定の補正係数等を考慮した補正手法を用いて、表面波Wsの表面波伝搬期間T2を補正してもよい。制御部2Mが、補正後の表面波伝搬期間T2に応じて液体4の種類を特定することによって、伝搬体10の温度を考慮した精度の高い液体4の種類の特定を実現することができる。
As described above, the liquid
(第2実施形態の変形例)
以上の液種特定装置200と同様の構造で、同種の溶液の濃度(つまり、溶質の量)を検出することができる。第2実施形態の変形例として、溶液である液体4の濃度を検出する溶液濃度検出装置について説明する。この変形例に係る制御部2Mは、圧電素子30が検出した表面波Wsの伝搬時間に基づいて、伝搬体10が浸る溶液(液体4)の濃度を検出する検出部として機能する。伝搬体10が浸る溶液の濃度に応じて、表面波Wsの伝搬速度が変化する。制御部2Mは、この性質を利用して溶液の濃度を検出する。
(Modification of Second Embodiment)
With a structure similar to that of the liquid
図10(a)は、食塩水の塩分濃度と表面波伝搬速度との関係を示す図である。図10(b)は、アルコール濃度(エタノール、メタノール)と表面波伝搬速度との関係を示す図である。図10(a)、図10(b)に示したように、表面波Wsは、溶液の濃度が濃くなるほど、伝搬面11を進む速度が遅くなるという性質がある。この性質を利用して、制御部2Mは、伝搬時間(表面波伝搬期間T2)を計測し、予めROMに記憶した、伝搬時間と溶液の濃度との関係を示す濃度検出用データを参照し、溶液の濃度を検出する。例えば、制御部2Mは、所定の周期で伝搬時間を計測し、濃度検出用データを参照し、伝搬時間に応じた溶液の濃度を特定し、これを検出濃度とする。なお、制御部2Mは、必ずしも、溶液の濃度を%などの単位で表される具体的な数値で表さなくともよい。例えば、制御部2Mは、今回計測した伝搬時間と前回計測した伝搬時間の差分に基づき、溶液の濃度が前回よりも濃くなっているか、又は、薄くなっているかを検出してもよい。なお、制御部2Mは、伝搬時間に基づいて算出される表面波Wsの伝搬速度を用いて、溶液の濃度を検出してもよい。いずれにせよ、制御部2Mは、圧電素子30が検出した表面波Wsの伝搬時間に基づいて、溶液の濃度を検出する。この変形例においても、内部伝搬波Wiを利用して温度補正を行ってもよい。
FIG. 10(a) is a diagram showing the relationship between the salt concentration of salt water and the surface wave propagation velocity. FIG. 10(b) is a diagram showing the relationship between alcohol concentrations (ethanol, methanol) and surface wave propagation velocities. As shown in FIGS. 10(a) and 10(b), the surface wave Ws has the property that the speed at which the surface wave Ws travels on the
なお、溶液濃度検出装置が溶液の濃度を検出する際の溶質は、塩、アルコールに限られず任意であり、砂糖、その他の溶質であってもよい。この種の溶液に浸る伝搬体10は、前述したPPSなどの樹脂によって形成されることが好ましい。樹脂の伝搬体10によれば、金属のようにイオン化することを防止でき、腐食や汚れに強いためである。
The solute used by the solution concentration detection device to detect the concentration of the solution is not limited to salt and alcohol, and may be sugar or other solutes. The propagating
以上に説明した第2実施形態に係る液種特定装置200は、表面波WsのSN比が良好な表面波検出装置1を備えるため、液種を良好な精度で特定することができる。同様に、第2実施形態の変形例としての溶液濃度検出装置は、表面波WsのSN比が良好な表面波検出装置1を備えるため、溶液の濃度を良好な精度で検出することができる。第2実施形態及びその変形例の説明は以上である。
Since the liquid
(第3実施形態)
ここからは、第3実施形態に係る液滴検出装置300について、主に図11を参照して説明する。なお、第1実施形態と共通の機能を有する各部については、第1実施形態と同一又は対応する符号を付すとともに、適宜説明を省略する。
(Third embodiment)
From now on, the droplet detection device 300 according to the third embodiment will be described mainly with reference to FIG. 11 . It should be noted that each part having functions common to those of the first embodiment will be given the same or corresponding reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof will be omitted as appropriate.
第3実施形態に係る液滴検出装置300は、図11に示すように、表面波検出装置1と、制御部2Nと、を備える。液滴検出装置300は、表面波検出装置1の伝搬面11に付着した水滴などの液滴4bを検出する。
A droplet detection device 300 according to the third embodiment includes, as shown in FIG. 11, a surface wave detection device 1 and a controller 2N. The droplet detection device 300 detects a droplet 4b such as a water droplet adhering to the
液滴検出装置300は、例えば、プラントに設置された配管6のジョイント部、メカニカルシール部等からの液漏れを検出するために用いられる。したがって、表面波検出装置1は、液漏れが生じる可能性が高い箇所に、伝搬面11を向けた状態で設置される。つまり、第3実施形態の伝搬体10は、第1及び第2実施形態のように液体に浸るものではない。
The droplet detection device 300 is used, for example, to detect liquid leakage from joints, mechanical seals, and the like of pipes 6 installed in a plant. Therefore, the surface wave detection device 1 is installed with the
制御部2Nは、圧電素子30が検出した表面波Wsの伝搬時間に基づいて、液滴4bを検出する検出部として機能する。表面波検出装置1の伝搬面11に液滴4bが付着している場合は、液滴4bが付着していない場合よりも、表面波Wsが伝搬面11を進む速度が遅くなる。この性質を利用して、制御部2Nは、伝搬時間(表面波伝搬期間T2)を計測し、予めROMに記憶した、伝搬時間と液滴4bの付着の有無との関係を示す液滴検出用データを参照し、伝搬面11に液滴4bが付着しているか否かを判別する。例えば、制御部2Nは、所定の周期で伝搬時間を計測し、今回計測した伝搬時間と前回計測した伝搬時間の差分が予め定めた閾値以上である場合に液滴4bが付着していると判別し、当該閾値未満である場合に液滴4bが付着していないと判別する。なお、制御部2Nは、伝搬時間に基づいて算出される表面波Wsの伝搬速度を用いて、液滴4bの付着の有無を判別してもよい。いずれにせよ、制御部2Nは、圧電素子30が検出した表面波Wsの伝搬時間に基づいて、伝搬面11に液滴4bが付着していることを検出する。なお、この第3実施形態においても、内部伝搬波Wiを利用して温度補正を行ってもよい。
The controller 2N functions as a detector that detects the droplet 4b based on the propagation time of the surface wave Ws detected by the
以上に説明した第3実施形態に係る液滴検出装置300は、表面波WsのSN比が良好な表面波検出装置1を備えるため、液滴4bを良好な精度で検出することができる。第3実施形態の説明は以上である。 Since the droplet detection device 300 according to the third embodiment described above includes the surface wave detection device 1 having a good SN ratio of the surface wave Ws, the droplet 4b can be detected with good accuracy. The description of the third embodiment is above.
本発明は以上の実施形態、変形例及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更(構成要素の削除も含む)を加えることが可能である。 The present invention is not limited by the above embodiments, modifications and drawings. Modifications (including deletion of components) can be made as appropriate without changing the gist of the present invention.
第2実施形態では、伝搬体10が液体4の深さ方向に沿って設けられる例を示したが、容器3及び液体4に対する伝搬体10(表面波検出装置1)の姿勢は、伝搬面11が液体4に浸っている限りは任意であり、限定されるものではない、例えば、伝搬体10は、液面4aの面内方向(水平方向)に沿っていてもよい。また、第1実施形態に係る液面位置検出装置100も、液面位置が検出できる限りにおいては、液体4及び容器3に対する伝搬体10の姿勢は任意である。例えば、伝搬体10は、液体4の深さ方向(鉛直方向)に対して斜めに延びていてもよい。
In the second embodiment, an example in which the propagating
伝搬体10は、液体4に浸るとともに、伝搬面11、第1リブR1及び第2リブR2を少なくとも有していれば、その形状は任意である。
The shape of the propagating
液体4の液面位置を検出するとは、液面4aの位置を詳細に検出することの他、液面4aの位置を何段階かに分けて現在の液面4aの位置がどの段階に属するかを検出すること、液面4aの位置に応じて変化する液体4の容量を検出すること等も含む。また、液体4の種類は限られず、水、ガソリン、アルコール、洗浄液など任意である。また、容器3は、車両に搭載される燃料タンクであってもよい。
Detecting the liquid level position of the liquid 4 means not only detecting the position of the
伝搬体10の材質も、表面波Wsが良好に伝搬できるものであれば任意である。例えば、伝搬体10として使用される樹脂は、PPSに限られず、POM(ポリアセタール)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)等であってもよい。なお、伝搬体10は、樹脂からなることが好ましいと考えられるが、表面波Wsが良好に伝搬できれば金属から構成されていてもよい。
Any material can be used for the propagating
以上の手法で、液面位置の検出、又は、液種の特定を行うことができる限りにおいては、表面波Ws、内部伝搬波Wiの種類は任意である。以上では、表面波Ws、内部伝搬波Wiが超音波(例えば、20KHz以上の音波であればよい。)のパルス(超音波パルス)である例を説明したが、例えば、表面波Ws、内部伝搬波Wiは、超音波よりも低い周波数の音波であってもよい。以上では、圧電素子がすべり素子の場合を例示したが、縦振動子等であっても良い。 The surface wave Ws and the internal propagation wave Wi may be of any type as long as the liquid surface position can be detected or the type of liquid can be identified by the above technique. In the above, an example in which the surface wave Ws and the internal propagation wave Wi are pulses of ultrasonic waves (for example, sound waves of 20 kHz or higher) (ultrasonic pulses) has been described. The waves Wi may be sound waves of a lower frequency than ultrasound. In the above, the case where the piezoelectric element is a slide element is exemplified, but it may be a longitudinal vibrator or the like.
以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。 In the above description, descriptions of well-known technical matters are omitted as appropriate in order to facilitate understanding of the present invention.
100…液面位置検出装置
1…表面波検出装置
2…制御部(検出部の一例)、3…容器、4…液体、4a…液面
Ws…表面波、Wi…内部伝搬波
10…伝搬体
11…伝搬面、12…裏面、12a…溝、13…第1側面、14…第2側面、15…底面
R1~R4…第1~第4リブ、S1,S2…曲面
M1~M4…第1~第4主面、E1~E4…第1~第4外縁
20…素子収容部
30…圧電素子
40…フランジ部
7…振動吸収部
200…液種特定装置、2M…制御部(液種特定装置の特定部、又は、溶液濃度検出装置の検出部の一例)
300…液滴検出装置、2N…制御部(液滴検出装置の検出部の一例)、4b…液滴、6…配管
DESCRIPTION OF
300... Droplet detection device, 2N... Control unit (an example of a detection unit of a droplet detection device), 4b... Droplet, 6... Piping
Claims (11)
前記伝搬体に振動を与えて前記表面波を発生させるとともに反射した前記表面波を検出する圧電素子と、を備え、
前記伝搬面は、所定方向に延びる帯状をなし、
前記伝搬体は、前記伝搬面が向く方向に突起するとともに前記所定方向に延びる第1リブ及び第2リブを有し、
前記第1リブ及び前記第2リブは、前記伝搬面の幅方向において前記伝搬面を挟んで互いに対向し、
前記伝搬体において前記伝搬面と異なる位置にある面である対象面には、振動を吸収する振動吸収部が設けられている、
表面波検出装置。 a propagating body having a propagation surface on which surface waves propagate;
a piezoelectric element that vibrates the propagating body to generate the surface wave and detects the reflected surface wave;
the propagation surface has a strip shape extending in a predetermined direction,
the propagating body has a first rib and a second rib projecting in a direction in which the propagating surface faces and extending in the predetermined direction;
the first rib and the second rib face each other across the propagation surface in the width direction of the propagation surface;
A vibration absorbing portion that absorbs vibration is provided on a target surface, which is a surface of the propagating body that is located at a position different from the propagating surface,
Surface wave detector.
請求項1に記載の表面波検出装置。 The vibration absorbing portion is provided on the target surface by affixing or coating,
The surface wave detection device according to claim 1.
請求項1に記載の表面波検出装置。 The vibration absorbing part is formed integrally with the propagating body, and is provided by applying unevenness processing to the target surface.
The surface wave detection device according to claim 1.
前記第1リブは、前記伝搬面と同じ方向に向く第1主面を含み、
前記第2リブは、前記伝搬面と同じ方向に向く第2主面を含み、
前記第1側面は、前記第1主面の外縁と繋がり、
前記第2側面は、前記第2主面の外縁と繋がり、
前記対象面は、前記第1側面、前記第2側面、前記裏面、前記第1主面及び前記第2主面の少なくともいずれかを含む、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の表面波検出装置。 the propagating body further has a first side surface and a second side surface facing in opposite directions to each other, and a rear surface located behind the propagating surface;
the first rib includes a first major surface facing in the same direction as the propagation surface;
the second rib includes a second major surface facing in the same direction as the propagation surface;
The first side surface is connected to the outer edge of the first main surface,
The second side surface is connected to the outer edge of the second main surface,
The target surface includes at least one of the first side surface, the second side surface, the back surface, the first main surface and the second main surface,
The surface wave detection device according to any one of claims 1 to 3.
前記伝搬体は、前記裏面が向く方向に突起するとともに前記所定方向に延びる第3リブ及び第4リブを有し、
前記第3リブ及び前記第4リブは、前記裏面の幅方向において前記裏面を挟んで互いに対向する、
請求項4に記載の表面波検出装置。 The back surface has a strip shape extending in the predetermined direction,
the propagating body has a third rib and a fourth rib projecting in the direction in which the back surface faces and extending in the predetermined direction;
The third rib and the fourth rib face each other across the back surface in the width direction of the back surface,
5. The surface wave detection device according to claim 4.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の表面波検出装置。 Each base end portion of the first rib and the second rib is formed with a curved surface connected to the propagation surface,
The surface wave detection device according to any one of claims 1 to 5.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の表面波検出装置。 the distance between the first rib and the second rib is substantially equal to the width of the piezoelectric element;
The surface wave detection device according to any one of claims 1 to 6.
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬体が浸る液体の液面位置を検出する検出部と、を備える、
液面位置検出装置。 a surface wave detection device according to any one of claims 1 to 7;
a detection unit that detects the surface position of the liquid in which the propagating body is immersed, based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element;
Liquid level detector.
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬体が浸る液体の種類を特定する特定部と、を備える、
液種特定装置。 a surface wave detection device according to any one of claims 1 to 7;
a specifying unit that specifies the type of liquid in which the propagating body is immersed, based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element;
Liquid type identification device.
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬体が浸る溶液の濃度を検出する検出部と、を備える、
溶液濃度検出装置。 a surface wave detection device according to any one of claims 1 to 7;
a detection unit that detects the concentration of the solution in which the propagating body is immersed, based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element;
Solution concentration detector.
前記圧電素子が検出した前記表面波の伝搬時間に基づいて、前記伝搬面に付着した液滴を検出する検出部と、を備える、
液滴検出装置。 a surface wave detection device according to any one of claims 1 to 7;
a detection unit that detects droplets adhering to the propagation surface based on the propagation time of the surface wave detected by the piezoelectric element;
Droplet detector.
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