JP3207426B2 - パルスエコー方式で動作する間隔センサの受信信号における有効信号と障害信号の識別および分離方法 - Google Patents
パルスエコー方式で動作する間隔センサの受信信号における有効信号と障害信号の識別および分離方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、測定確実性を高め、障害信号の抑圧を改善
した、パルス−エコー法に基づく超音波間隔センサに関
する。重要な適用分野は、工具を位置決めするための無
接触間隔測定、衝突防止、または充填状態測定技術であ
る。
した、パルス−エコー法に基づく超音波間隔センサに関
する。重要な適用分野は、工具を位置決めするための無
接触間隔測定、衝突防止、または充填状態測定技術であ
る。
超音波センサは公知である。超音波センサは、センサ
と音波反射性対象物との間隔を、センサから対象物およ
び対象物からセンサまでの音波信号の伝搬時間を測定す
ることによって検出する。この場合エコーは通常次のよ
うにして検出される。すなわち、受信信号における所定
の閾値の上回りを評価するのである。この間隔測定法法
は通常は、最初に検知されたエコーの伝搬時間を評価す
る。これに対し場合によって生じる、センサの検出領域
にある他の対象物からの後続のエコーは処理しない。Ma
gori,V,;Walker,H.:Ultrasonic Presence Sensors with
Wide Range and High Local Resolution.IEEE Trans.U
ltrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,UF
FC−34,No.2,Mar.1987 pp.202−211による時間窓によっ
てエコー信号に対する信頼性のある検知領域を所望のよ
うに変化することができる。このようにして、センサま
で種々異なる間隔を有する対象物のエコーを検出するこ
とができる。これは、評価時間窓を周期的に測定領域上
を移動することによって行う。その際、個々のエコーの
解像度と測定持続時間は時間窓の比較的僅かな長さによ
り上昇する。
と音波反射性対象物との間隔を、センサから対象物およ
び対象物からセンサまでの音波信号の伝搬時間を測定す
ることによって検出する。この場合エコーは通常次のよ
うにして検出される。すなわち、受信信号における所定
の閾値の上回りを評価するのである。この間隔測定法法
は通常は、最初に検知されたエコーの伝搬時間を評価す
る。これに対し場合によって生じる、センサの検出領域
にある他の対象物からの後続のエコーは処理しない。Ma
gori,V,;Walker,H.:Ultrasonic Presence Sensors with
Wide Range and High Local Resolution.IEEE Trans.U
ltrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,UF
FC−34,No.2,Mar.1987 pp.202−211による時間窓によっ
てエコー信号に対する信頼性のある検知領域を所望のよ
うに変化することができる。このようにして、センサま
で種々異なる間隔を有する対象物のエコーを検出するこ
とができる。これは、評価時間窓を周期的に測定領域上
を移動することによって行う。その際、個々のエコーの
解像度と測定持続時間は時間窓の比較的僅かな長さによ
り上昇する。
さらに、超音波エコー信号を処理するための方法が公
知である。この方法では、受信信号がデジタル走査さ
れ、メモリにファイルされる。その際、受信信号はエコ
ー信号の復調された包絡曲線であり得る（欧州特許第04
59336号）。信号処理は、受信信号の記録に続いてエコ
ーを適切な方法（例えば適応フィルタ＋閾値検出）で抽
出することにより行う。このようにして測定内に発生す
るすべてのエコーを検知することができる。
知である。この方法では、受信信号がデジタル走査さ
れ、メモリにファイルされる。その際、受信信号はエコ
ー信号の復調された包絡曲線であり得る（欧州特許第04
59336号）。信号処理は、受信信号の記録に続いてエコ
ーを適切な方法（例えば適応フィルタ＋閾値検出）で抽
出することにより行う。このようにして測定内に発生す
るすべてのエコーを検知することができる。
また、Advances in Instrumentation and Contorol,V
ol 46,第２部、1991,Research Triangle Park,NC,US,Du
ncan:“Ultrasonics in Solids Level Measurements",p
p.1355−1366に記載された方法には、送信され後から受
信された超音波信号をマイクロプロセッサによりデジタ
ル変換し、包絡曲線として記憶することが記載されてい
る。この方法は、容器の充填状態の測定に関連する。有
効エコーを検出するために、空容器のエコープロフィー
ルを充填された容器のエコープロフィールと比較する。
さらに、有効エコーを次のようにして識別する。すなわ
ち、容器内に存在する充填物の性質に関する知見とこれ
を特徴づけるエコーを有効エコーの識別のために使用す
るのである。
ol 46,第２部、1991,Research Triangle Park,NC,US,Du
ncan:“Ultrasonics in Solids Level Measurements",p
p.1355−1366に記載された方法には、送信され後から受
信された超音波信号をマイクロプロセッサによりデジタ
ル変換し、包絡曲線として記憶することが記載されてい
る。この方法は、容器の充填状態の測定に関連する。有
効エコーを検出するために、空容器のエコープロフィー
ルを充填された容器のエコープロフィールと比較する。
さらに、有効エコーを次のようにして識別する。すなわ
ち、容器内に存在する充填物の性質に関する知見とこれ
を特徴づけるエコーを有効エコーの識別のために使用す
るのである。
さらに、受信信号に含まれる不所望のエコーを抑圧す
るための方法が公知である。この不所望のエコーは例え
ば、センサの検出領域に測定対象物の他に存在する障害
となる対象物により生じる。障害対象物が空間的に固定
されており、同時に測定対象物の運動領域が制限されて
いれば、障害エコーを評価時間窓を適切に選択すること
により十分に抑圧することができる。
るための方法が公知である。この不所望のエコーは例え
ば、センサの検出領域に測定対象物の他に存在する障害
となる対象物により生じる。障害対象物が空間的に固定
されており、同時に測定対象物の運動領域が制限されて
いれば、障害エコーを評価時間窓を適切に選択すること
により十分に抑圧することができる。
さらに、障害対象物を次のようにして抑圧できること
が公知である。すなわち、測定対象物がセンサの検出領
域にない学習フェーズでまずすべての障害対象物エコー
を検出し、メモリにファイルするのである（ドイツ連邦
共和国特許第3337590号）。測定動作の間、実際に検出
されたエコーは学習したエコーと比較される。十分に一
致する場合にはこのエコーを障害対象物エコーとして分
類し、相応に抑圧する。一方、その他のエコーは測定対
象物に割り当てられる。
が公知である。すなわち、測定対象物がセンサの検出領
域にない学習フェーズでまずすべての障害対象物エコー
を検出し、メモリにファイルするのである（ドイツ連邦
共和国特許第3337590号）。測定動作の間、実際に検出
されたエコーは学習したエコーと比較される。十分に一
致する場合にはこのエコーを障害対象物エコーとして分
類し、相応に抑圧する。一方、その他のエコーは測定対
象物に割り当てられる。
刊行物、ドイツ連邦共和国特許第3337690号と欧州特
許第0459336号には、センサと対象物との間の複数反射
に起因する障害エコーを次のようにして除去することが
公知である。すなわち評価すべき最大伝搬時間を制限
し、これによりこの伝搬時間外に発生するエコーを無視
するのである。欧州特許第0459336号に示された解決手
段では、付加的にエコー振幅を多重エコー抑圧に対する
基準として評価する。しかしセンサの検出領域に複数の
対象物がある測定状況ではこの方法は適しない。
許第0459336号には、センサと対象物との間の複数反射
に起因する障害エコーを次のようにして除去することが
公知である。すなわち評価すべき最大伝搬時間を制限
し、これによりこの伝搬時間外に発生するエコーを無視
するのである。欧州特許第0459336号に示された解決手
段では、付加的にエコー振幅を多重エコー抑圧に対する
基準として評価する。しかしセンサの検出領域に複数の
対象物がある測定状況ではこの方法は適しない。
さらに障害エコーを妥当性検査に基づいて抑圧する方
法が公知である（ドイツ連邦共和国特許第3820103号、
同第3821577号）。測定状況を変化させ得る勾配は対象
物の有限の運動速度により制限されるから、エコーはそ
の時間的位置と振幅が先行する測定状況に基づいて十分
に妥当性があるときだけ評価される。このようにして特
に、偶然的に発生する障害信号を確実に抑圧することが
できる。
法が公知である（ドイツ連邦共和国特許第3820103号、
同第3821577号）。測定状況を変化させ得る勾配は対象
物の有限の運動速度により制限されるから、エコーはそ
の時間的位置と振幅が先行する測定状況に基づいて十分
に妥当性があるときだけ評価される。このようにして特
に、偶然的に発生する障害信号を確実に抑圧することが
できる。
超音波間隔センサにおいてエコー信号を評価するため
の上記の方法はすべて、受信信号に検知された各エコー
（偶然的に発生した障害信号でない）に、評価すべき最
大伝搬時間内で対象物を割り当て、エコーの音波伝搬時
間からセンサまでの距離が得られる点で共通である。こ
れら公知の方法の欠点は、これにより例えばセンサとた
だ１つの測定対象物との間の多重反射によりエコーが発
生し、これが評価すべき最大伝搬時間の外にないと、間
違って別の実際には存在しない対象物に割り当てられる
ことである。このことは測定状況の判定の際に、特に測
定対象物とセンサとの間隔が小さい場合に非常に大きな
誤差に結びつく。
の上記の方法はすべて、受信信号に検知された各エコー
（偶然的に発生した障害信号でない）に、評価すべき最
大伝搬時間内で対象物を割り当て、エコーの音波伝搬時
間からセンサまでの距離が得られる点で共通である。こ
れら公知の方法の欠点は、これにより例えばセンサとた
だ１つの測定対象物との間の多重反射によりエコーが発
生し、これが評価すべき最大伝搬時間の外にないと、間
違って別の実際には存在しない対象物に割り当てられる
ことである。このことは測定状況の判定の際に、特に測
定対象物とセンサとの間隔が小さい場合に非常に大きな
誤差に結びつく。
音波変換器とセンサの検出領域にある対象物との間
で、音波信号が複数回反射されることがある。対象物と
センサとの間隔、対象物反射性および音波変換器の幾何
構成並びに伝播減衰度に依存して、この多重エコーは多
かれ少なかれ急速に減衰する。変換器表面および反射器
表面が平坦な場合、並びに変換器と対象物との間の距離
が小さい場合は、多重エコーの減衰定数は音波伝搬時間
と同じオーダーである。これは、センサから対象物まで
の往復距離から得られる。これにより、同じ対象物の複
数のエコーが受信信号に検知される。複数の対象物がセ
ンサの検出領域にあれば、付加的な障害エコーが発生し
得る。これの原因はただ１つの対象物間に複数の反射経
路があるか、または異なる対象物での多重反射である。
で、音波信号が複数回反射されることがある。対象物と
センサとの間隔、対象物反射性および音波変換器の幾何
構成並びに伝播減衰度に依存して、この多重エコーは多
かれ少なかれ急速に減衰する。変換器表面および反射器
表面が平坦な場合、並びに変換器と対象物との間の距離
が小さい場合は、多重エコーの減衰定数は音波伝搬時間
と同じオーダーである。これは、センサから対象物まで
の往復距離から得られる。これにより、同じ対象物の複
数のエコーが受信信号に検知される。複数の対象物がセ
ンサの検出領域にあれば、付加的な障害エコーが発生し
得る。これの原因はただ１つの対象物間に複数の反射経
路があるか、または異なる対象物での多重反射である。
公知のエコー信号処理方法にはすべて、多重反射によ
り発生した障害エコーを検知された対象物エコーから区
別することができないという問題がある。このことは実
際には多数生じる状況においてエラー測定に結びつく。
り発生した障害エコーを検知された対象物エコーから区
別することができないという問題がある。このことは実
際には多数生じる状況においてエラー測定に結びつく。
本発明の課題は、上記の障害エコーを除去する方法を
提供することである。
提供することである。
この課題は請求の範囲第１項に記載された方法により
解決される。
解決される。
本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。
本発明は有利には、対象物選択性の測定特性を有する
インテリジェント型間隔センサ、とりわけ障害対象物に
より困難な条件下での間隔測定に適する。
インテリジェント型間隔センサ、とりわけ障害対象物に
より困難な条件下での間隔測定に適する。
以下本発明を、実施例の示された図面に基づいて詳細
に説明する。
に説明する。
図１は、パルス−エコー法の基本を示す線図である。
図２は、変換器または異なる対象物間での音波信号の
反射による多重エコーの発生を示す線図である。
反射による多重エコーの発生を示す線図である。
図３は、個々のエコーのメルクマールを示す線図であ
る。
る。
図４は、多重エコー評価の基本を示す線図である。
図５は、例えば撹拌機により、エコープロフィールが
時間的に変化する場合のエコープロフィール評価を示す
線図である。
時間的に変化する場合のエコープロフィール評価を示す
線図である。
図６は、学習されたエコープロフィール（ティーチ・
イン・プロフィール）との比較によるエコープロフィー
ル評価を示す線図である。
イン・プロフィール）との比較によるエコープロフィー
ル評価を示す線図である。
図７は、エコー検知およびエコーメルクマール抽出の
ための音波装置のブロック回路図である。ここではマイ
クロコントローラが測定の制御および評価を行う。
ための音波装置のブロック回路図である。ここではマイ
クロコントローラが測定の制御および評価を行う。
無接触超音波間隔測定は、音波変換器と測定対象物と
の往復の音波信号の伝搬時間検出に基づく（パルス−エ
コー法）。基本が図１に示されている。パルス状送信信
号Ｓは周期的に送信され、反射器（測定対象物）で反射
され、超音波変換器の出力側に時間teだけ遅延されて発
生する。通常は、高周波受信信号の包絡曲線信号HKだけ
が評価される。測定領域は選択された音波周波数に応じ
て数mmから数10mに達する。超音波により比較的僅かな
コストで音波伝播方向での高い距離解像度が達成され
る。光学的装置と比較した重要な利点は、埃や照明環
境、また測定対象物の材料特性、色および表面の粗さの
影響をほぼ受けないことである。エコー信号の形状およ
び振幅は対象物の配置および幾何形状に大きく依存す
る。その原因は、濃淡差、反射および干渉である。これ
らは間隔測定に対して障害量として作用する。別の問題
は、反射の良い対象物の場合は、受信信号の反射のため
変換器に頻繁に多重エコーが発生することである。この
多重エコーは別の対象物が存在していると間違うことが
ある（図２参照）。これはセンサにより短い対象物間隔
のみを測定するのではない場合に常にクリティカルであ
る。
の往復の音波信号の伝搬時間検出に基づく（パルス−エ
コー法）。基本が図１に示されている。パルス状送信信
号Ｓは周期的に送信され、反射器（測定対象物）で反射
され、超音波変換器の出力側に時間teだけ遅延されて発
生する。通常は、高周波受信信号の包絡曲線信号HKだけ
が評価される。測定領域は選択された音波周波数に応じ
て数mmから数10mに達する。超音波により比較的僅かな
コストで音波伝播方向での高い距離解像度が達成され
る。光学的装置と比較した重要な利点は、埃や照明環
境、また測定対象物の材料特性、色および表面の粗さの
影響をほぼ受けないことである。エコー信号の形状およ
び振幅は対象物の配置および幾何形状に大きく依存す
る。その原因は、濃淡差、反射および干渉である。これ
らは間隔測定に対して障害量として作用する。別の問題
は、反射の良い対象物の場合は、受信信号の反射のため
変換器に頻繁に多重エコーが発生することである。この
多重エコーは別の対象物が存在していると間違うことが
ある（図２参照）。これはセンサにより短い対象物間隔
のみを測定するのではない場合に常にクリティカルであ
る。
送信信号Ｓは超音波変換器USWから送信される。送信
信号はまず、対象物Oaで反射される。Eaは対象物Oaの最
初の有効信号の包絡曲線HKを表す。第２のエコーＥａ′
（第１の多重エコー）は、対象物ｂから発生する第２の
有効信号Ebの前に超音波変換器USWに到着する。Ｅａ″
は対象物Oaの第２の多重エコー、Ｅａは第３の多重エ
コーである。Ｅｂ′は対象物Obの第１の多重エコーであ
る。Ｅab′は、対象物OaとObとの間の寄生反射経路によ
り発生する。
信号はまず、対象物Oaで反射される。Eaは対象物Oaの最
初の有効信号の包絡曲線HKを表す。第２のエコーＥａ′
（第１の多重エコー）は、対象物ｂから発生する第２の
有効信号Ebの前に超音波変換器USWに到着する。Ｅａ″
は対象物Oaの第２の多重エコー、Ｅａは第３の多重エ
コーである。Ｅｂ′は対象物Obの第１の多重エコーであ
る。Ｅab′は、対象物OaとObとの間の寄生反射経路によ
り発生する。
エコーないしその包絡曲線には以下のインデックスが
付され、伝搬時間は次のように形成される。
付され、伝搬時間は次のように形成される。
充填状態測定の場合は、しばしば複数の障害量が同時
に作用する。内容物の表面で散乱されたエコーの振幅は
一般的に、内容物の上にある支材や他の構造要素により
惹起された反射ないし多重エコーよりも小さい。これに
時折、撹拌機による濃淡、並びに容器壁の堆積が加わ
る。別の障害量は空気乱流および障害音波により生じ、
これは20dB以上の振幅変動に作用することがある。
に作用する。内容物の表面で散乱されたエコーの振幅は
一般的に、内容物の上にある支材や他の構造要素により
惹起された反射ないし多重エコーよりも小さい。これに
時折、撹拌機による濃淡、並びに容器壁の堆積が加わ
る。別の障害量は空気乱流および障害音波により生じ、
これは20dB以上の振幅変動に作用することがある。
信号処理の課題は、充填物表面から到来したエコーを
高い信頼性で分離することである。受信信号における個
々のエコーの包絡線は必ずしも有意な差を有していない
から、信号形状に基づいた簡単な識別は実際にはほとん
ど不可能である。
高い信頼性で分離することである。受信信号における個
々のエコーの包絡線は必ずしも有意な差を有していない
から、信号形状に基づいた簡単な識別は実際にはほとん
ど不可能である。
したがって、有効信号と障害量の分離はファジー評価
ユニットにより行われる。入力量としてここでは、 −エコー信号を表すためのメルクマール −複数の個々のエコー間の関係を表すためのメルクマー
ル −ヒストリー −アプリオリ知識 が作用する。
ユニットにより行われる。入力量としてここでは、 −エコー信号を表すためのメルクマール −複数の個々のエコー間の関係を表すためのメルクマー
ル −ヒストリー −アプリオリ知識 が作用する。
アプリオリ知識は、常に状況固有のものである。充填
状態測定の場合には、充填物が、多重エコーではないも
っとも離れたエコーに配属される。アプリオリ知識とし
て容器内の固定目標物に関する知識（例えばティーチ−
イン−エコープロフィールの形態）並びに最大充填速度
および最大流出速度を利用することができる。ヒストリ
ーを考慮することは、誤測定を抑圧し、ドリフト発生を
補償するための妥当性検査を可能にする。
状態測定の場合には、充填物が、多重エコーではないも
っとも離れたエコーに配属される。アプリオリ知識とし
て容器内の固定目標物に関する知識（例えばティーチ−
イン−エコープロフィールの形態）並びに最大充填速度
および最大流出速度を利用することができる。ヒストリ
ーを考慮することは、誤測定を抑圧し、ドリフト発生を
補償するための妥当性検査を可能にする。
個々の測定のエコープロフィールは有意基準（図３）
に基づいて評価しなければならない。実行された検査
は、それぞれのエコーを十分に良好に以下のメルクマー
ルにより表すことのできることを示している。
に基づいて評価しなければならない。実行された検査
は、それぞれのエコーを十分に良好に以下のメルクマー
ルにより表すことのできることを示している。
−最大の伝搬時間teの時間的位置 −最大信号振幅Ae −（最大値の6dB幅からの）形状係数Fe 評価コストを簡単にするためには包絡曲線の記録だけ
で十分である。それぞれ２つのエコー相互間の関係を表
すための全体的メルクマールはそこから導出されたパラ
メータである。
で十分である。それぞれ２つのエコー相互間の関係を表
すための全体的メルクマールはそこから導出されたパラ
メータである。
各多重エコーは、１つまたは複数の先行するエコーか
ら導出されて特徴づけられる。自分の多重エコーであり
得るこれらの先行エコーから、音波信号の空間的飛散並
びに周波数に依存する伝播減衰を考慮して、多重エコー
のメルクマールに対する予測値が検出される。
ら導出されて特徴づけられる。自分の多重エコーであり
得るこれらの先行エコーから、音波信号の空間的飛散並
びに周波数に依存する伝播減衰を考慮して、多重エコー
のメルクマールに対する予測値が検出される。
時点teで発生する有効エコーは、通常は時点2teでの
１次多重エコー、時点3teでの２次多重エコー等々を有
する。箇所ｋにおける多重エコーの予測伝搬時間teに対
しては次式が当てはまる（図２も参照）。
１次多重エコー、時点3teでの２次多重エコー等々を有
する。箇所ｋにおける多重エコーの予測伝搬時間teに対
しては次式が当てはまる（図２も参照）。
tek＝tei＋tej（１≦ｉ≦ｋ、１≦ｊ≦ｋ） i,j,k:エコーインデックス；比較的に高いインデックス
は大きめ伝搬時間に相応する。
は大きめ伝搬時間に相応する。
ｉ＝j:箇所ｉにおける対象物の第１の多重エコー 付加的な多重エコーは複数の個々の対象物間の反射経
路によって引き起こされる。最も簡単な場合（反射器と
して薄いプレート）、次式が当てはまる。
路によって引き起こされる。最も簡単な場合（反射器と
して薄いプレート）、次式が当てはまる。
tek＝tej＋（tej−tej）（ｉ≠j;1≦ｉ、ｊ＜ｋ） 信号の振幅により損失の発生について予測することが
できる。振幅は少なくとも係数1/rで減衰する。ここで
ｒは超音波変換器までの距離である。これに加えて、減
衰度αは約0.015dB/λである。しかしこの減衰はさらに
格段に大きいこともあり、例えば発生する反射係数に依
存する。箇所ｋでの多重エコーの振幅Aeに関しては、図
２参照、先行エコーｉおよびｊから合成されるEa、Ｅ
ａ′、Ｅａ″、Ｅａは音波ビーム（Ae〜1/te）の拡散
および伝播減衰に基づき、異なる対象物間に反射経路が
なければ次の条件を満たさなければならない。
できる。振幅は少なくとも係数1/rで減衰する。ここで
ｒは超音波変換器までの距離である。これに加えて、減
衰度αは約0.015dB/λである。しかしこの減衰はさらに
格段に大きいこともあり、例えば発生する反射係数に依
存する。箇所ｋでの多重エコーの振幅Aeに関しては、図
２参照、先行エコーｉおよびｊから合成されるEa、Ｅ
ａ′、Ｅａ″、Ｅａは音波ビーム（Ae〜1/te）の拡散
および伝播減衰に基づき、異なる対象物間に反射経路が
なければ次の条件を満たさなければならない。
Aek・tek＜min｛（Aei・tei）；（Aej・tej）｝（i,j
＜ｋ） 多重エコーに対しては２つの対象物間の反射経路によ
り、ｉとｊに対して少なくとも次式が成り立つ。
＜ｋ） 多重エコーに対しては２つの対象物間の反射経路によ
り、ｉとｊに対して少なくとも次式が成り立つ。
Aek・tek＜max｛（Aei・tei）；（Aej・tej）｝（i,j
＜ｋ） エコーの信号形状は、例えば立ち上がり時間および／
または消滅時間または振幅と幅との関係等の種々のパラ
メータにより特徴づけることができる。実際には、複数
の信号形状パラメータから導出された形状係数Feが有利
である。本発明の枠内で発展された評価方法に対して
は、形状係数が包絡線として次のように検出される（図
３参照）。
＜ｋ） エコーの信号形状は、例えば立ち上がり時間および／
または消滅時間または振幅と幅との関係等の種々のパラ
メータにより特徴づけることができる。実際には、複数
の信号形状パラメータから導出された形状係数Feが有利
である。本発明の枠内で発展された評価方法に対して
は、形状係数が包絡線として次のように検出される（図
３参照）。
Fe＝（Ba/6dB）／（Be/6dB） ここでBaは、最大振幅Aeの到達時点とその左にある6d
B降下との間で経過した時点である。Beは、最大振幅Ae
の信号がその右にある64dB降下までに減少するのに経過
した時間である。
B降下との間で経過した時点である。Beは、最大振幅Ae
の信号がその右にある64dB降下までに減少するのに経過
した時間である。
平坦なまたは単純に規則正しく湾曲する面での反射の
場合は、信号形状は実質的にそのままである。この場合
は多重エコーは所属の先行エコーｉとｊと同じような包
絡線を有する。
場合は、信号形状は実質的にそのままである。この場合
は多重エコーは所属の先行エコーｉとｊと同じような包
絡線を有する。
Fek￥￥￥Fei、Fej エコーを有効エコーまたは多重エコーとして分類する
ための方法は、各検知されたエコーのメルクマールを、
先行エコーから算出された予測値と比較することに基づ
く。そのためには、正規化されたメルクマールの差が特
に有利であることが示されている。
ための方法は、各検知されたエコーのメルクマールを、
先行エコーから算出された予測値と比較することに基づ
く。そのためには、正規化されたメルクマールの差が特
に有利であることが示されている。
DMm＝（Mmesm−Merwm）/Merwm Mmes:測定されたメルクマールｍ、ここでメルクマール
ｍはte、AeまたはFeとすることができる。
ｍはte、AeまたはFeとすることができる。
Merw:メルクマールｍの予想値。
DMm:スケーリングされたメルクマールの差 具体的な例では、小さな差は、比較的に高い確率を有
する当該のエコーが“多重エコー”クラスに割り当てら
れたことを意味する。上に述べた音波伝播への影響係数
により予測値Merwは常に推定値である。多重エコー評価
を行う際のイエス／ノー２値決定はしたがってほとんど
意味がない。そのため、差値DMiがファジー評価ユニッ
トに対する入力量として使用される。図4aは、測定状況
と所属のエコープロフィールに基づいて２つの部分エコ
ー（Ｅａ″とEe）の例での方法を示す。デファジーの結
果として、各部分エコーに多重エコー確率PMFEを表す値
が配属される図（4b）。座標はここでは有効エコーPneo
に対する確率である。この確率は多重エコー確率PMFEの
補数である。図4aでk1は小さな差、mtは中程度の差、gr
は大きな差、ｎ−grは負の大きな差、ｐ−grは正の大き
な差、ｓ−grは非常に大きな差、ｍ−k1は中程度の小さ
な差、ｍ−grは中程度の大きな差、そしてｓ−grは非常
に大きな差を表す。
する当該のエコーが“多重エコー”クラスに割り当てら
れたことを意味する。上に述べた音波伝播への影響係数
により予測値Merwは常に推定値である。多重エコー評価
を行う際のイエス／ノー２値決定はしたがってほとんど
意味がない。そのため、差値DMiがファジー評価ユニッ
トに対する入力量として使用される。図4aは、測定状況
と所属のエコープロフィールに基づいて２つの部分エコ
ー（Ｅａ″とEe）の例での方法を示す。デファジーの結
果として、各部分エコーに多重エコー確率PMFEを表す値
が配属される図（4b）。座標はここでは有効エコーPneo
に対する確率である。この確率は多重エコー確率PMFEの
補数である。図4aでk1は小さな差、mtは中程度の差、gr
は大きな差、ｎ−grは負の大きな差、ｐ−grは正の大き
な差、ｓ−grは非常に大きな差、ｍ−k1は中程度の小さ
な差、ｍ−grは中程度の大きな差、そしてｓ−grは非常
に大きな差を表す。
センサの検出領域における対象物の運動速度は常に制
限されているから、エコープロフィールは測定サイクル
毎に跳躍的に変化することはない。この知識は通常、個
々のエコーの妥当性検査に使用される。一方、状況変化
の速度が正確に既知であることは非常に希であり、エコ
ーは空気の運動または時折の濃淡により大きく変動する
から、閾値を固定した方法は制限的にしか適しない。
限されているから、エコープロフィールは測定サイクル
毎に跳躍的に変化することはない。この知識は通常、個
々のエコーの妥当性検査に使用される。一方、状況変化
の速度が正確に既知であることは非常に希であり、エコ
ーは空気の運動または時折の濃淡により大きく変動する
から、閾値を固定した方法は制限的にしか適しない。
ここに紹介された充填状態センサは妥当性検査を、フ
ァジー規則を用いて行う。ここでは実際の測定の各エコ
ーが先行する測定サイクルのエコーと比較される。良好
な一致は、伝搬時間差も多重エコー確率PMFEも小さいと
きに存在する。“小さい”、“中程度”、“大きい”伝
搬時間差に対する絶対値は例えば、最大充填速度および
測定率から得られる。先行する測定のエコーとの一致の
品質に応じて、実際のエコーの有効エコー確率PNEo＝１
−PMFEに対する値は、デファジーから導出された重み付
け係数と乗算される。エコーが突然消失した場合（例え
ば撹拌機により覆われた）、瞬時のプロフィールは比較
的重要でない先行する測定のからの相応のエコーにより
補完される。このようにして、それぞれ最後の測定は、
複数の先行する測定サイクルからの重み付けされた蓄積
結果を含む。図５にはこの方法が概略的に示されてい
る。
ァジー規則を用いて行う。ここでは実際の測定の各エコ
ーが先行する測定サイクルのエコーと比較される。良好
な一致は、伝搬時間差も多重エコー確率PMFEも小さいと
きに存在する。“小さい”、“中程度”、“大きい”伝
搬時間差に対する絶対値は例えば、最大充填速度および
測定率から得られる。先行する測定のエコーとの一致の
品質に応じて、実際のエコーの有効エコー確率PNEo＝１
−PMFEに対する値は、デファジーから導出された重み付
け係数と乗算される。エコーが突然消失した場合（例え
ば撹拌機により覆われた）、瞬時のプロフィールは比較
的重要でない先行する測定のからの相応のエコーにより
補完される。このようにして、それぞれ最後の測定は、
複数の先行する測定サイクルからの重み付けされた蓄積
結果を含む。図５にはこの方法が概略的に示されてい
る。
同時に複数の対象物がある場合の超音波間隔測定の際
の基本的問題は、真の対象物エコーが多重エコーまたは
他の障害反射により覆い隠されてしまうことである。充
填状態測定の際には、充填物により反射された音波信号
を確実に検知するという課題がある。その振幅は固定物
エコーよりも非常に小さいことがある。本発明の方法は
付加的に、学習フェーズで記憶された固定物エコープロ
フィール（センサの測定領域に周期的に存在する撹拌機
も含む）と本来の測定動作で記録された信号経過との比
較を利用する。この比較は以下、従来の充填状態センサ
とは異なり、ファジー規則を用いて実行される。“良好
な”一致を有するエコーは固定物に配属され、後続の処
理に対してあまり重要でないと評価される。その他のエ
コーから、多重エコー確率の小さい最大伝搬時間を有す
るエコーが充填物に割り当てられる。検知されたすべて
のエコーが学習された経過を有し、十分に良好に一致す
れば（例えば充填物が固定物の高さにあるとき）、後者
のエコーが高い有効エコー確率で評価される。学習エコ
ープロフィールと測定されたエコープロフィールとの差
の評価は前に説明したのと同じように行われる。この方
法は図6a〜ｅに示されている。曖昧な評価の利点はドリ
フトの補償およびこれによるティーチ−イン経過の適応
サーボに見ることができる。
の基本的問題は、真の対象物エコーが多重エコーまたは
他の障害反射により覆い隠されてしまうことである。充
填状態測定の際には、充填物により反射された音波信号
を確実に検知するという課題がある。その振幅は固定物
エコーよりも非常に小さいことがある。本発明の方法は
付加的に、学習フェーズで記憶された固定物エコープロ
フィール（センサの測定領域に周期的に存在する撹拌機
も含む）と本来の測定動作で記録された信号経過との比
較を利用する。この比較は以下、従来の充填状態センサ
とは異なり、ファジー規則を用いて実行される。“良好
な”一致を有するエコーは固定物に配属され、後続の処
理に対してあまり重要でないと評価される。その他のエ
コーから、多重エコー確率の小さい最大伝搬時間を有す
るエコーが充填物に割り当てられる。検知されたすべて
のエコーが学習された経過を有し、十分に良好に一致す
れば（例えば充填物が固定物の高さにあるとき）、後者
のエコーが高い有効エコー確率で評価される。学習エコ
ープロフィールと測定されたエコープロフィールとの差
の評価は前に説明したのと同じように行われる。この方
法は図6a〜ｅに示されている。曖昧な評価の利点はドリ
フトの補償およびこれによるティーチ−イン経過の適応
サーボに見ることができる。
内容物の表面でも反射条件が不利な場合には、本来の
興味の対象である充填状態エコーが時折、測定装置のノ
イズ限界の領域にすでに現れる。この場合は、有効エコ
ーの検知が測定サイクルにわたり、しばしば散発的にし
か可能である。他のエラーの原因は障害エコーを形成す
る。このエコーは内容物と容器の構造的要素との間だの
寄生反射経路により発生する。これは図6cに示されてい
る。このエコーは充填状態エコーよりも後に音波受信器
に到着するから、評価により間違って解釈されることが
ある。
興味の対象である充填状態エコーが時折、測定装置のノ
イズ限界の領域にすでに現れる。この場合は、有効エコ
ーの検知が測定サイクルにわたり、しばしば散発的にし
か可能である。他のエラーの原因は障害エコーを形成す
る。このエコーは内容物と容器の構造的要素との間だの
寄生反射経路により発生する。これは図6cに示されてい
る。このエコーは充填状態エコーよりも後に音波受信器
に到着するから、評価により間違って解釈されることが
ある。
したがって、誤りのある測定値出力を抑圧するため
に、前に述べた変動評価の他に、測定結果の付加的な妥
当性検査を行う。この検査は入力量として、最後のｎ番
目の測定並びに瞬時に表示された値から最大の有効エコ
ー確率（PNEmax）を有する測定値を使用する。表示値は
常に、新たな測定値が最大充填速度ないし流出速度によ
り設定された公差ゾーンにある時に更新され、その際表
示計かを平滑化するため滑らかな平均値形成が行われ
る。その他の場合、表示値は最後のｎ番目のサイクルの
すべての測定値がこの公差ゾーン内にあり、この表示値
が次に有効エコー確率の高いエコーに対して所定の閾値
以上にあるときに初めて上書きされる。測定値が不確実
に分散している場合には、それぞれ最後に有効である表
示値が保持されたままである。この状態は同時に、エラ
ーフラグにより表示上に指示される。表示値の妥当性検
査は同様にファジー規則により行うことができる。
に、前に述べた変動評価の他に、測定結果の付加的な妥
当性検査を行う。この検査は入力量として、最後のｎ番
目の測定並びに瞬時に表示された値から最大の有効エコ
ー確率（PNEmax）を有する測定値を使用する。表示値は
常に、新たな測定値が最大充填速度ないし流出速度によ
り設定された公差ゾーンにある時に更新され、その際表
示計かを平滑化するため滑らかな平均値形成が行われ
る。その他の場合、表示値は最後のｎ番目のサイクルの
すべての測定値がこの公差ゾーン内にあり、この表示値
が次に有効エコー確率の高いエコーに対して所定の閾値
以上にあるときに初めて上書きされる。測定値が不確実
に分散している場合には、それぞれ最後に有効である表
示値が保持されたままである。この状態は同時に、エラ
ーフラグにより表示上に指示される。表示値の妥当性検
査は同様にファジー規則により行うことができる。
前に述べた評価法の概念により、個々のモジュールを
ステップ毎に検査することができる。複数の反射器によ
る検査状況に基づいてファジーセットは、多重エコー、
時間的変動およびテイーチ−イン−プロフィールとの一
致を評価するための個別に調整して最適化することがで
きる。
ステップ毎に検査することができる。複数の反射器によ
る検査状況に基づいてファジーセットは、多重エコー、
時間的変動およびテイーチ−イン−プロフィールとの一
致を評価するための個別に調整して最適化することがで
きる。
図７は、充填状態測定に対して実現された構成および
評価ユニットのブロック回路図を示す。
評価ユニットのブロック回路図を示す。
マイクロコトローラMCにより先行する時間間隔で送信
パルスが発生される。この送信パルスは送信出力段SEを
介して音波変換器USWに供給される。送出された音波信
号は対象物Oa、Ob、Ocでの反射の後、エコープロフィー
ルEPとして音波変換器USWに戻る。前置増幅器／包絡曲
線復調器Ｖを通過した後、復調されたエコーが得られ
る。受信信号において所定の閾値を上回ると直ちに、比
較器が相応の出力信号を送出し、この信号の前縁がエコ
ー振幅を測定するためのピーク検知器とエコーの幅（形
状係数）を検出するための積分器を作動する。最大エコ
ー振幅に達すると、ピーク検知器が制御信号を発生し、
この制御信号により伝搬時間測定に使用されるカウンタ
／メモリ構成群の内容がバッファメモリに転送される。
比較器信号の後縁により、個々のメルクマールte、Ae、
Feがエコー評価のためのファジー評価部に転送される。
パルスが発生される。この送信パルスは送信出力段SEを
介して音波変換器USWに供給される。送出された音波信
号は対象物Oa、Ob、Ocでの反射の後、エコープロフィー
ルEPとして音波変換器USWに戻る。前置増幅器／包絡曲
線復調器Ｖを通過した後、復調されたエコーが得られ
る。受信信号において所定の閾値を上回ると直ちに、比
較器が相応の出力信号を送出し、この信号の前縁がエコ
ー振幅を測定するためのピーク検知器とエコーの幅（形
状係数）を検出するための積分器を作動する。最大エコ
ー振幅に達すると、ピーク検知器が制御信号を発生し、
この制御信号により伝搬時間測定に使用されるカウンタ
／メモリ構成群の内容がバッファメモリに転送される。
比較器信号の後縁により、個々のメルクマールte、Ae、
Feがエコー評価のためのファジー評価部に転送される。
ファジー評価部は、多重エコー評価を多重エコー確率
P-neoの設定により、変動評価を変動確率Pneの設定によ
り、学習したエコー（テイーチ−イン）との比較を確率
Pfuellの設定により、そして妥当性検査を妥当性確率P
mesの設定により引き継ぐ。多重エコー評価と変動評価
はその適用で充填状態測定にのみ制限されない。これに
対し、学習したエコーとの比較および妥当性検査は充填
状態測定固有のものである。
P-neoの設定により、変動評価を変動確率Pneの設定によ
り、学習したエコー（テイーチ−イン）との比較を確率
Pfuellの設定により、そして妥当性検査を妥当性確率P
mesの設定により引き継ぐ。多重エコー評価と変動評価
はその適用で充填状態測定にのみ制限されない。これに
対し、学習したエコーとの比較および妥当性検査は充填
状態測定固有のものである。
択一的に、完全な受信信号経過ないし復調された包絡
曲線をA/D変換器構成群を用いて走査し、中間記憶する
ことができる。この場合はエコー評価の他にメルクマー
ル抽出が相応のソフトウェアにより行われる。
曲線をA/D変換器構成群を用いて走査し、中間記憶する
ことができる。この場合はエコー評価の他にメルクマー
ル抽出が相応のソフトウェアにより行われる。
多重エコーを識別するためのエコーメルクマール重み
付けは、伝搬時間が最大の予想力を有することに基づ
く。エコー振幅はとりわけ、多重エコーおよび有効エコ
ーが重なるときに重要である。形状係数の重要性はもっ
とも低い。形状係数は同じような振幅のエコーが重なる
ときに多重エコー評価を改善するのに寄与する。
付けは、伝搬時間が最大の予想力を有することに基づ
く。エコー振幅はとりわけ、多重エコーおよび有効エコ
ーが重なるときに重要である。形状係数の重要性はもっ
とも低い。形状係数は同じような振幅のエコーが重なる
ときに多重エコー評価を改善するのに寄与する。
従来の方法とは異なり、本発明の、ティーチ−イン−
エコープロフィールと測定信号とのファジー比較は、例
えば内容物自身により多重反射が形成される倍に特に有
利である。
エコープロフィールと測定信号とのファジー比較は、例
えば内容物自身により多重反射が形成される倍に特に有
利である。
超音波センサに対して記載された本発明の評価法はま
た、無接触で動作し、電磁波の伝播に基づく測定装置に
適用することができる。これには、例えば比較的大きな
距離の対象物位置決めのためのパルス−レーダー−装置
および間隔測定のためのマイクロ波センサが属する。エ
コー振幅の評価は、それぞれの伝播媒体で作用する減衰
度に、アプリオリ知識によって最適に適合することがで
きる。
た、無接触で動作し、電磁波の伝播に基づく測定装置に
適用することができる。これには、例えば比較的大きな
距離の対象物位置決めのためのパルス−レーダー−装置
および間隔測定のためのマイクロ波センサが属する。エ
コー振幅の評価は、それぞれの伝播媒体で作用する減衰
度に、アプリオリ知識によって最適に適合することがで
きる。
フロントページの続き (72)発明者 エッカルト， ペーター−クリスチアン ドイツ連邦共和国 Ｄ―85521 オット ーブルン シラーシュトラーセ 23 (72)発明者 マゴリ， ヴァレンティン ドイツ連邦共和国 Ｄ―81539 ミュン ヘン リンブルクシュトラーセ 17 (56)参考文献 特開 平７−146317（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−174832（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−87923（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−95290（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−237483（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−5290（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−152282（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96 G01B 17/00 G01F 23/28
Claims (8)
- 【請求項１】パルス−エコー方式で動作する間隔センサ
の受信信号における有効エコーと障害エコーとを識別お
よび分離する方法において、 1.1 受信信号の最大値を検知し、各最大値にエコーを
配属し、 1.2 エコーの形状を特徴づける形状係数を形成し、記
憶し、 1.3 振幅および最大値の発生時点を測定し記憶し、 1.4 測定された振幅値と、往復信号伝搬時間から得ら
れた振幅の予想値との差を検出し、 1.5 最大値発生の測定時点と、信号伝搬時間から得ら
れた最大値発生時点の予想値との差を検出し、 1.6 ステップ1.2で検出された形状係数と、先行するエ
コーの形状係数から得られた形状係数の予想値との差を
検出し、 1.7 多重エコーに対する確率を、ステップ1.4,1.5,1,6
で検出された差が小さければ小さいほど大きく推定し、 1.8 障害エコーに対する確率を、多重エコーに対する
確率が大きければ大きいほど大きく推定することを特徴
とする方法。 - 【請求項２】2.1 間隔センサまでの距離が興味の対象
である対象物がないときに基準測定を行い、受信された
基準信号を記憶し、 2.2 間隔センサまでの距離が興味の対象である対象物
により測定を行い、受信された測定信号を記憶し、 2.3 基準信号におけるエコーが測定信号におけるエコ
ーと一致する場合には、このエコーを、障害エコーであ
る固定物エコーとする請求の範囲第１項記載の方法。 - 【請求項３】形状係数を検出するためにエコーの幅と最
大値に達するまでのエコーの幅を相互に比にする請求の
範囲第１項または第２項記載の方法。 - 【請求項４】多重エコーに対する確率をファジーロジッ
クにより検出する請求の範囲第１項から第３項までのい
ずれか１項記載の方法。 - 【請求項５】障害エコーに対する確率をファジーロジッ
クを用いて検出する請求の範囲第１項から第４項までの
いずれか１項記載の方法。 - 【請求項６】最大振幅の予想値を次のように比を用いて
検出し、 振幅の予想値≒1/信号伝搬時間 ここで信号伝搬時間は、信号の送信から反射信号の受信
までに経過した時間である請求の範囲第１項から第５項
までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項７】評価すべきエコーの形状係数の予想値は、
先行するエコーの形状係数の１つである請求の範囲第１
項から第６項までのいずれか１項記載の方法。 - 【請求項８】充填状態測定に使用する請求の範囲第１項
から第７項までのいずれか１項記載の方法。
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