JP3233942B2 - 超音波パルスにより液体のレベルを決定するための方法および装置 - Google Patents
超音波パルスにより液体のレベルを決定するための方法および装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波パルスの伝搬時間測定および平均超
音波速度から容器のなかの液体のレベルを決定するため
の方法に関する。
音波速度から容器のなかの液体のレベルを決定するため
の方法に関する。
本発明は、さらに、液体のレベルを計算するために利
用される平均超音波速度を参照超音波速度から外挿によ
り求める計算機ユニットを有する上記の方法を実施する
ための装置に関する。
用される平均超音波速度を参照超音波速度から外挿によ
り求める計算機ユニットを有する上記の方法を実施する
ための装置に関する。
液体のレベルの特に正確な決定は、たとえば燃料の地
下タンク設備において、または総じて危険物容器におい
て必要である。ここでは厳しい環境基準に基づいて実際
上あらゆる漏洩が認識かつ除去されなければならない。
１ないし10m2の横断面を有する大型タンクでは、液体の
レベルのわずか1mmの誤測定が既に液体の体積の１ない
し10の誤決定に通ずる。
下タンク設備において、または総じて危険物容器におい
て必要である。ここでは厳しい環境基準に基づいて実際
上あらゆる漏洩が認識かつ除去されなければならない。
１ないし10m2の横断面を有する大型タンクでは、液体の
レベルのわずか1mmの誤測定が既に液体の体積の１ない
し10の誤決定に通ずる。
燃料タンクを監視するため、液体表面において反射さ
れる超音波パルスの伝搬時間測定によりエコロット原理
に従って液体のレベルを求める無接触式超音波測定シス
テムは知られている。さらに、その際に伝搬時間を測定
するため、個々の構成部分として超音波パルスの送信の
ためにも受信のためにも適している圧電セラミック超音
波変換器を使用することも知られている。
れる超音波パルスの伝搬時間測定によりエコロット原理
に従って液体のレベルを求める無接触式超音波測定シス
テムは知られている。さらに、その際に伝搬時間を測定
するため、個々の構成部分として超音波パルスの送信の
ためにも受信のためにも適している圧電セラミック超音
波変換器を使用することも知られている。
測定された伝搬時間から液体のレベルを計算するため
には、液体中の超音波パルスの伝搬速度が知られていな
ければならない。しかし、タンク設備のようなまさに大
型容器では、液体の密度および温度が全容器体積にわた
って一定ではない。それどころか垂直方向に密度勾配お
よび温度勾配が生じている。
には、液体中の超音波パルスの伝搬速度が知られていな
ければならない。しかし、タンク設備のようなまさに大
型容器では、液体の密度および温度が全容器体積にわた
って一定ではない。それどころか垂直方向に密度勾配お
よび温度勾配が生じている。
超音波速度は密度および温度に関係しているので、mm
範囲内の許容差で液体のレベルを決定するためには、超
音波速度の補正が行われなければならない。また、その
組成が変動する不均一な液体に対しては、超音波速度の
一般的な表示は可能でない。
範囲内の許容差で液体のレベルを決定するためには、超
音波速度の補正が行われなければならない。また、その
組成が変動する不均一な液体に対しては、超音波速度の
一般的な表示は可能でない。
解決策として、米国特許第4,748,846号明細書から、
超音波速度を既知の長さの参照区間を用いて直接に液体
のなかで測定することは知られている。この目的で、超
音波変換器が超音波を放射する本来の測定区間に沿っ
て、垂直方向に追加的に超音波に対する反射器が予め定
められた間隔で配置されている。液体のレベルを計算す
るため、それぞれ液体の表面のすぐ近くに位置している
反射器を用いて求められた平均の液中超音波速度が利用
される。これは、垂直方向に高さにわたって平均化され
るので、平均超音波速度である。
超音波速度を既知の長さの参照区間を用いて直接に液体
のなかで測定することは知られている。この目的で、超
音波変換器が超音波を放射する本来の測定区間に沿っ
て、垂直方向に追加的に超音波に対する反射器が予め定
められた間隔で配置されている。液体のレベルを計算す
るため、それぞれ液体の表面のすぐ近くに位置している
反射器を用いて求められた平均の液中超音波速度が利用
される。これは、垂直方向に高さにわたって平均化され
るので、平均超音波速度である。
また米国特許第3,394,589号明細書から、超音波パル
スの伝搬時間測定および平均超音波速度から容器のなか
の液体のレベルを決定することは知られている。
スの伝搬時間測定および平均超音波速度から容器のなか
の液体のレベルを決定することは知られている。
これらの方法により達成可能な精度は、相い続いてい
る反射器の間隔が小さいほど高い。
る反射器の間隔が小さいほど高い。
しかし欠点として、複雑な信号検出方法で電子的マス
ク時間の助けを借りて液体の表面からの反射と固定の反
射器からの反射との間の区別が行われなければならな
い。それによって達成可能な精度に制限が課せられてい
る。このことは、反射器が別々に本来の測定区間と並ん
で配置されている場合（米国特許第5,095,748号明細
書）にも当てはまる。なぜならば、その場合にも多重反
射の結果として、反射器が任意に密には配置され得ない
からである。
ク時間の助けを借りて液体の表面からの反射と固定の反
射器からの反射との間の区別が行われなければならな
い。それによって達成可能な精度に制限が課せられてい
る。このことは、反射器が別々に本来の測定区間と並ん
で配置されている場合（米国特許第5,095,748号明細
書）にも当てはまる。なぜならば、その場合にも多重反
射の結果として、反射器が任意に密には配置され得ない
からである。
従って、本発明の課題は、超音波パルスの伝搬時間測
定および平均超音波速度から容器のなかの液体のレベル
を決定するための方法であって、前記の欠点を回避し、
また特に適当のレベルと無関係に１ミリメートル以内の
測定精度を達成する方法を提供することである。さら
に、本発明の課題は、この方法を特に目的にかなった簡
単な手段で実施するための装置を提供することである。
定および平均超音波速度から容器のなかの液体のレベル
を決定するための方法であって、前記の欠点を回避し、
また特に適当のレベルと無関係に１ミリメートル以内の
測定精度を達成する方法を提供することである。さら
に、本発明の課題は、この方法を特に目的にかなった簡
単な手段で実施するための装置を提供することである。
この課題は、超音波パルスの伝搬時間測定および平均
超音波速度から容器のなかの液体のレベルを決定するた
めの方法に関して、平均超音波速度が液体のなかの少な
くとも２つの参照超音波速度から外挿により求められる
ことにより解決される。
超音波速度から容器のなかの液体のレベルを決定するた
めの方法に関して、平均超音波速度が液体のなかの少な
くとも２つの参照超音波速度から外挿により求められる
ことにより解決される。
本発明はその際に、液体のなかに特に垂直方向に温度
および密度の連続的な分布が存在するという認識から出
発する。その結果、液体のなかに垂直方向に超音波速度
の連続な分布も予期される。液体のなかの超音波速度
は、それによって容器の底からの高さの関数として記述
され得る。容器の相い異なる高さでの少なくとも２つの
参照超音波速度の測定によりこの関数が求められ、また
それにより測定点を越える超音波速度の分布が外挿によ
り求められ得る。特にそれにより容器の底から液体のレ
ベルまで垂直方向に平均化された平均超音波速度の非常
に正確な表示が可能である。同じく、等しい脚点を有す
る相い異なる長さの垂直に向けられた参照区間にわたっ
ての少なくとも２つの参照超音波速度の測定によって
も、平均超音波速度の分布が求められ、またこの分布か
ら液体のレベルまで平均化された平均超音波速度が外挿
により求められ得る。
および密度の連続的な分布が存在するという認識から出
発する。その結果、液体のなかに垂直方向に超音波速度
の連続な分布も予期される。液体のなかの超音波速度
は、それによって容器の底からの高さの関数として記述
され得る。容器の相い異なる高さでの少なくとも２つの
参照超音波速度の測定によりこの関数が求められ、また
それにより測定点を越える超音波速度の分布が外挿によ
り求められ得る。特にそれにより容器の底から液体のレ
ベルまで垂直方向に平均化された平均超音波速度の非常
に正確な表示が可能である。同じく、等しい脚点を有す
る相い異なる長さの垂直に向けられた参照区間にわたっ
ての少なくとも２つの参照超音波速度の測定によって
も、平均超音波速度の分布が求められ、またこの分布か
ら液体のレベルまで平均化された平均超音波速度が外挿
により求められ得る。
液体のレベルの決定は、次のように特に有利な仕方で
再帰的に行われる。すなわち、液体のレベルに対する推
定値から近似的な平均超音波速度が求められ、これが液
体のレベルに対する推定値の再帰的な改善のために利用
され、またその際に改善された推定値が液体のレベルと
同等に扱われる。この方法により液体のレベルに対する
推定値は実際の値に漸近的に近づく。液体のレベルに対
する所望の精度が到達されると、この方法は終了され得
る。一般に液体のレベルの推定値は第２の通過中に既に
サブミリメートル範囲に補正されるので、第１の通過後
の方法の終了後に液体のレベルの1mmの精度が到達され
得る。
再帰的に行われる。すなわち、液体のレベルに対する推
定値から近似的な平均超音波速度が求められ、これが液
体のレベルに対する推定値の再帰的な改善のために利用
され、またその際に改善された推定値が液体のレベルと
同等に扱われる。この方法により液体のレベルに対する
推定値は実際の値に漸近的に近づく。液体のレベルに対
する所望の精度が到達されると、この方法は終了され得
る。一般に液体のレベルの推定値は第２の通過中に既に
サブミリメートル範囲に補正されるので、第１の通過後
の方法の終了後に液体のレベルの1mmの精度が到達され
得る。
平均超音波速度の外挿が直線的な近似を含んでいる
と、特にエレガントであり、計算費用が少なくてすむ。
一般に液体のなかで超音波速度の分布は高さにわたって
直線的ではないので、好ましくは、測定点の巧みな選定
が行われる。その際に、測定点が容器の底の付近に、ま
た測定点が容器の表面の付近に位置している場合には、
参照超音波速度に対して特に２つの測定点で十分であ
る。平均超音波速度はその際に超音波速度の近似化され
た直線的な分布を高さにわたって積分することにより得
られる。しかし、垂直な参照区分を用いて直接に平均超
音波速度の分布を求めることも可能である。その際に測
定範囲として、なお浸漬している最も短い参照区間およ
び最も長い参照区間を使用することは適切である。
と、特にエレガントであり、計算費用が少なくてすむ。
一般に液体のなかで超音波速度の分布は高さにわたって
直線的ではないので、好ましくは、測定点の巧みな選定
が行われる。その際に、測定点が容器の底の付近に、ま
た測定点が容器の表面の付近に位置している場合には、
参照超音波速度に対して特に２つの測定点で十分であ
る。平均超音波速度はその際に超音波速度の近似化され
た直線的な分布を高さにわたって積分することにより得
られる。しかし、垂直な参照区分を用いて直接に平均超
音波速度の分布を求めることも可能である。その際に測
定範囲として、なお浸漬している最も短い参照区間およ
び最も長い参照区間を使用することは適切である。
温度変動の結果として、耐用期間の長い液体容器のな
かには、溜まりとして容器の底に溜まり得る水の凝縮が
生じ得る。同じくこのような溜まりは液体のなかに既に
存在している不純物を除くことによっても生じ得る。容
器の早期の清浄化は、不純物が液体との境界面の下側の
溜まりのなかに溜まっている際に、境界面における超音
波パルスの反射により容器のなかの溜まりレベルが決定
されるならば、避けられ得る。溜まりレベルの決定によ
り、保守員は溜まりの状態に合わせて、特定の溜まりレ
ベルが実際に到達されるまで、待つことができる。液体
のレベルは溜まりレベルの差し引きにより得られる。
かには、溜まりとして容器の底に溜まり得る水の凝縮が
生じ得る。同じくこのような溜まりは液体のなかに既に
存在している不純物を除くことによっても生じ得る。容
器の早期の清浄化は、不純物が液体との境界面の下側の
溜まりのなかに溜まっている際に、境界面における超音
波パルスの反射により容器のなかの溜まりレベルが決定
されるならば、避けられ得る。溜まりレベルの決定によ
り、保守員は溜まりの状態に合わせて、特定の溜まりレ
ベルが実際に到達されるまで、待つことができる。液体
のレベルは溜まりレベルの差し引きにより得られる。
有利な仕方で、送り出し量が体積で検出されるタンク
設備に対しては、液体の体積が液体のレベルから決定さ
れる。液体のレベルを液体の体積に換算するため、容器
の正確なジオメトリが利用され、もしくはたとえば較正
された積算流量形により換算のための関係式が容器
（“１リットル”）を段階的に満たし、または空にする
ことにより作成される。
設備に対しては、液体の体積が液体のレベルから決定さ
れる。液体のレベルを液体の体積に換算するため、容器
の正確なジオメトリが利用され、もしくはたとえば較正
された積算流量形により換算のための関係式が容器
（“１リットル”）を段階的に満たし、または空にする
ことにより作成される。
液体の体積は温度に関係するので、誤表示を避けるた
め、平均温度を用いて液体の体積が温度に関して正規化
され、その際に平均温度が液体のなかで測定された垂直
な温度分布の積分を介して求められることは有利であ
る。
め、平均温度を用いて液体の体積が温度に関して正規化
され、その際に平均温度が液体のなかで測定された垂直
な温度分布の積分を介して求められることは有利であ
る。
装置に関しては本発明の課題は、第１の端と第２の端
との間に置かれている主測定区間に沿っての超音波パル
スの伝搬時間測定から容器のなかの液体のレベルを決定
するため、超音波パルスを送信かつ受信するための少な
くとも１つの装置と、超音波速度を決定するための少な
くとも２つの参照区間と、計算機ユニットとが設けられ
ており、その際に計算機ユニットが超音波速度から、液
体のレベルを計算するために利用される平均超音波速度
を外挿により求めることにより解決される。
との間に置かれている主測定区間に沿っての超音波パル
スの伝搬時間測定から容器のなかの液体のレベルを決定
するため、超音波パルスを送信かつ受信するための少な
くとも１つの装置と、超音波速度を決定するための少な
くとも２つの参照区間と、計算機ユニットとが設けられ
ており、その際に計算機ユニットが超音波速度から、液
体のレベルを計算するために利用される平均超音波速度
を外挿により求めることにより解決される。
測定のために、装置は主測定区間が液体中で垂直にな
るように考慮される。その際、装置の第１の端は容器の
底に対して固定的な間隔を置いて位置している。
るように考慮される。その際、装置の第１の端は容器の
底に対して固定的な間隔を置いて位置している。
有利な仕方で、第１の端と第２の端との間の主測定区
間に対して並列な列のなかに、超音波に対する反射器が
互いに予め定められた間隔をおいて配置されている。こ
れらの反射器を用いて、前記のように、直接に容器の底
からの高さにわたる平均超音波速度の分布が直接求めら
れ得る。加えて、平行にずらされた配置により、容易に
液体表面において反射された超音波パルスと反射器にお
いて反射された超音波パルスとの間の区別が行われ得
る。種々の反射器の区別も可能にするためには、反射器
の間隔は互いに整数倍にならないように選ばれるべきで
あろう。追加的に、装置のスリムな構成形態が可能にな
るので、これは後からでも細い注入短管または細いベン
ト開口を有する閉じられた容器のなかに入れられ得る。
間に対して並列な列のなかに、超音波に対する反射器が
互いに予め定められた間隔をおいて配置されている。こ
れらの反射器を用いて、前記のように、直接に容器の底
からの高さにわたる平均超音波速度の分布が直接求めら
れ得る。加えて、平行にずらされた配置により、容易に
液体表面において反射された超音波パルスと反射器にお
いて反射された超音波パルスとの間の区別が行われ得
る。種々の反射器の区別も可能にするためには、反射器
の間隔は互いに整数倍にならないように選ばれるべきで
あろう。追加的に、装置のスリムな構成形態が可能にな
るので、これは後からでも細い注入短管または細いベン
ト開口を有する閉じられた容器のなかに入れられ得る。
液体体積の温度正規化のために必要になる液体中の平
均温度を決定するため、好ましくは、複数の温度センサ
が第１の端と第２の端との間に互いに予め定められた間
隔をおいて列に配置されている。
均温度を決定するため、好ましくは、複数の温度センサ
が第１の端と第２の端との間に互いに予め定められた間
隔をおいて列に配置されている。
第１の案内管が主測定区間を、第２の案内管が参照区
間を、また第３の案内管が温度センサを囲んでおり、そ
の際に各案内管が開口を有し、これらの開口を経て作動
の際にそれぞれの案内管の内部がそれを囲んでいる液体
と連通することは特に有利である。案内管のなかに測定
区間を布設することにより、放射された超音波パルスが
それぞれ方向付けられて伝搬することが達成される。こ
の仕方で、反射されるパルスの強度が高まるので、自由
伝搬の際にはもはや検出され得ないであろう一層長い区
間も測定され得る。
間を、また第３の案内管が温度センサを囲んでおり、そ
の際に各案内管が開口を有し、これらの開口を経て作動
の際にそれぞれの案内管の内部がそれを囲んでいる液体
と連通することは特に有利である。案内管のなかに測定
区間を布設することにより、放射された超音波パルスが
それぞれ方向付けられて伝搬することが達成される。こ
の仕方で、反射されるパルスの強度が高まるので、自由
伝搬の際にはもはや検出され得ないであろう一層長い区
間も測定され得る。
追加的に案内管により、スリムな構成形態と同時に、
装置の高い安定性が得られる。３つの案内管が互いに接
続されるならば、管の間に生ずる空間が接続ケーブルを
確実に布設するために利用され得る。
装置の高い安定性が得られる。３つの案内管が互いに接
続されるならば、管の間に生ずる空間が接続ケーブルを
確実に布設するために利用され得る。
超音波パルスを送信しかつ受信するための装置が、前
記のように、個々の構成部分として超音波パルスの送信
のためにも受信のためにも適している超音波変換器とし
て構成されていることにより、伝搬時間の測定が特に簡
単に行われる。
記のように、個々の構成部分として超音波パルスの送信
のためにも受信のためにも適している超音波変換器とし
て構成されていることにより、伝搬時間の測定が特に簡
単に行われる。
有利な仕方で、各案内管の第１の端にそれぞれの独立
した超音波変換器が配置されており、その際に第１およ
び第２の案内管のなかの超音波変換器は第２の端の方向
への放射のために、また第３の案内管のなかの超音波変
換器は第１の端の方向への放射のために配置されてい
る。装置の作動中に第１の端は液体のなかに容器の底か
ら定められた間隔に位置している。第１の案内管のなか
に配置されている超音波変換器は、装置の作動中に液体
の表面において反射された超音波パルスの伝搬時間を測
定する役割をする。第２の超音波変換器を用いて参照超
音波速度が求められ得る。第３の案内管のなかに配置さ
れている超音波変換器が反対方向に放射することによ
り、溜のレベルも、溜がまだ溜まっていない場合には、
容器の底までの間隔も決定され得る。
した超音波変換器が配置されており、その際に第１およ
び第２の案内管のなかの超音波変換器は第２の端の方向
への放射のために、また第３の案内管のなかの超音波変
換器は第１の端の方向への放射のために配置されてい
る。装置の作動中に第１の端は液体のなかに容器の底か
ら定められた間隔に位置している。第１の案内管のなか
に配置されている超音波変換器は、装置の作動中に液体
の表面において反射された超音波パルスの伝搬時間を測
定する役割をする。第２の超音波変換器を用いて参照超
音波速度が求められ得る。第３の案内管のなかに配置さ
れている超音波変換器が反対方向に放射することによ
り、溜のレベルも、溜がまだ溜まっていない場合には、
容器の底までの間隔も決定され得る。
超音波変換器は電圧パルスの引火の際に個別パルスで
はなく、減衰する強度を有する超音波パルスの列を放射
するので、送信と受信との間に物理的なむだ時間が生ず
る。区間の長さに換算すると、このむだ時間は一般に約
10cmに相当する。第３の案内管のなかの超音波変換器を
用いて10cm以下の溜のレベルも測定するため、第３の案
内管のなかの超音波変換器は第１の案内管のなかの超音
波変換器にくらべて第２の端のほうにずらされて配置さ
れている。溜のレベルが第１の案内管のなかの超音波変
換器を越えて上昇すると、溜のレベルは選択的にこの超
音波変換器を用いても検出され得る。
はなく、減衰する強度を有する超音波パルスの列を放射
するので、送信と受信との間に物理的なむだ時間が生ず
る。区間の長さに換算すると、このむだ時間は一般に約
10cmに相当する。第３の案内管のなかの超音波変換器を
用いて10cm以下の溜のレベルも測定するため、第３の案
内管のなかの超音波変換器は第１の案内管のなかの超音
波変換器にくらべて第２の端のほうにずらされて配置さ
れている。溜のレベルが第１の案内管のなかの超音波変
換器を越えて上昇すると、溜のレベルは選択的にこの超
音波変換器を用いても検出され得る。
超音波パルスは液体のなかで減衰されるので、反射信
号は反射層と送信器または受信器との間で一般に最大2m
の距離まで検出され得る。それを越える液体のレベルを
も測定し得るように、参照区間の案内管のなかの第２の
端に追加的な超音波変換器が第１の端から第２の端への
方向への放射のために配置されている。液体のレベルが
この超音波変換器を越えて上昇すると、この超音波変換
器が第１の端における超音波変換器の代わりに液体のレ
ベルを決定するために利用され得る。
号は反射層と送信器または受信器との間で一般に最大2m
の距離まで検出され得る。それを越える液体のレベルを
も測定し得るように、参照区間の案内管のなかの第２の
端に追加的な超音波変換器が第１の端から第２の端への
方向への放射のために配置されている。液体のレベルが
この超音波変換器を越えて上昇すると、この超音波変換
器が第１の端における超音波変換器の代わりに液体のレ
ベルを決定するために利用され得る。
第１の端から第２の端への方向に追加的な超音波変換
器の後に少なくとも反射器が位置していることは、平均
超音波速度を外挿により求めるために特に有利である。
器の後に少なくとも反射器が位置していることは、平均
超音波速度を外挿により求めるために特に有利である。
装置の機械的安定性および垂直方向の方向合わせのた
めに、案内管の１つが中空の保持ロッドとして構成され
ており、この保持ロッドが作動の際に容器から突出し、
また装置を取付かつ垂直に向きを合わせるための玉継手
を含んでいることは有利である。作動の際に容器から突
出する中空の保持ロッドは、超音波変換器または温度セ
ンサを駆動かつ評価するエレクトロニクスを組み込むた
めに使用され得る。
めに、案内管の１つが中空の保持ロッドとして構成され
ており、この保持ロッドが作動の際に容器から突出し、
また装置を取付かつ垂直に向きを合わせるための玉継手
を含んでいることは有利である。作動の際に容器から突
出する中空の保持ロッドは、超音波変換器または温度セ
ンサを駆動かつ評価するエレクトロニクスを組み込むた
めに使用され得る。
以下、本発明の実施例を図面により一層詳細に説明す
る。
る。
図１は本発明による方法に従って容器、特に燃料容器
のなかの液体のレベルを決定するための測定装置を示す
図、 図２は使用される測定量の表示と共に作動の際の容器
のなかの測定装置の配置を示す概要図、 図３は液体のなかの平均超音波速度ｖを高さの関数と
して示す第１のグラフ、 図４は液体のなかの温度分布を高さの関数として示す
第２のグラフである。
のなかの液体のレベルを決定するための測定装置を示す
図、 図２は使用される測定量の表示と共に作動の際の容器
のなかの測定装置の配置を示す概要図、 図３は液体のなかの平均超音波速度ｖを高さの関数と
して示す第１のグラフ、 図４は液体のなかの温度分布を高さの関数として示す
第２のグラフである。
図１に示されている測定装置１は、測定管10、主管11
ならびに参照管12を含んでいる。主管11の上端に玉継手
20が位置しており、この玉継手は容器に測定装置１を取
付ける際に同時に垂直な方向合わせの役割をする。容器
のうち、図面を簡単にするために、容器蓋30のみが示さ
れている。玉継手20は孔24およびねじピン25を用いて中
空の保持ロッド13に沿って軸線方向に移動可能である。
ならびに参照管12を含んでいる。主管11の上端に玉継手
20が位置しており、この玉継手は容器に測定装置１を取
付ける際に同時に垂直な方向合わせの役割をする。容器
のうち、図面を簡単にするために、容器蓋30のみが示さ
れている。玉継手20は孔24およびねじピン25を用いて中
空の保持ロッド13に沿って軸線方向に移動可能である。
容器蓋30の上側で主管11は、電子プローブ40を受け入
れるための中空の保持ロッド13として構成されている。
電子プローブ40の交換を容易にするため、移動可能なス
リーブ41が中空の保持ロッド13の上に取付けられてい
る。電子プローブ40を計算機ユニット50と接続するため
制御線45が設けられている。計算機ユニット50は、測定
装置１の外側に分離して取付けられている。電位等化の
ため測定装置１は過電圧アレスタ18により雷に対する保
護を行う。こうして、接地電位にないタンクに（たとえ
ば陰極保護装置を有するタンクに）本測定装置を設ける
ことも可能である。
れるための中空の保持ロッド13として構成されている。
電子プローブ40の交換を容易にするため、移動可能なス
リーブ41が中空の保持ロッド13の上に取付けられてい
る。電子プローブ40を計算機ユニット50と接続するため
制御線45が設けられている。計算機ユニット50は、測定
装置１の外側に分離して取付けられている。電位等化の
ため測定装置１は過電圧アレスタ18により雷に対する保
護を行う。こうして、接地電位にないタンクに（たとえ
ば陰極保護装置を有するタンクに）本測定装置を設ける
ことも可能である。
超音波案内管として構成されている３つの管10、11、
12の各々は、開口15を有し、これらの開口を通じて超音
波案内管10、11、12の内部は作動の際に周囲の液体と連
通する。測定管10ならびに参照管12の内部にそれぞれ下
端に上方に向けられた放射面を有する超音波変換器21ま
たは22がはめ込まれている。主管11の内部には下端に別
の超音波変換器23がはめ込まれており、その放射面は下
方を指している。超音波変換器23はその際に、等しい高
さに位置している両超音波変換器21、22にくらべて上方
に10cだけずらされている。
12の各々は、開口15を有し、これらの開口を通じて超音
波案内管10、11、12の内部は作動の際に周囲の液体と連
通する。測定管10ならびに参照管12の内部にそれぞれ下
端に上方に向けられた放射面を有する超音波変換器21ま
たは22がはめ込まれている。主管11の内部には下端に別
の超音波変換器23がはめ込まれており、その放射面は下
方を指している。超音波変換器23はその際に、等しい高
さに位置している両超音波変換器21、22にくらべて上方
に10cだけずらされている。
参照管12の内部には超音波変換器22に対して30cm、75
cおよび130cmの間隔をおいて超音波に対する３つの反射
器16が取付けられている。超音波変換器22からの間隔の
増大と共に、平らな金属板片として構成されている反射
器16の水平方向の広がりは増大する。
cおよび130cmの間隔をおいて超音波に対する３つの反射
器16が取付けられている。超音波変換器22からの間隔の
増大と共に、平らな金属板片として構成されている反射
器16の水平方向の広がりは増大する。
さらに、主管11の内部には互いに等しい間隔をおいて
３つの温度センサ17が配置されている。中空の保持ロッ
ド13のなかに組み込まれている電子プローブ40は、超音
波変換器21、22および23ならびに温度センサ17を駆動
し、これらを読出す。その際に求められたデータは電圧
信号の形態で制御線45を経て計算機ユニット50に伝達さ
れる。
３つの温度センサ17が配置されている。中空の保持ロッ
ド13のなかに組み込まれている電子プローブ40は、超音
波変換器21、22および23ならびに温度センサ17を駆動
し、これらを読出す。その際に求められたデータは電圧
信号の形態で制御線45を経て計算機ユニット50に伝達さ
れる。
互いに結合されている超音波案内管10、11、12の全直
径は、実施例では２ツォルよりも小さい。追加的に玉継
手20は下端にDIN ISO228/1/G2による２ツォルねじを有
する。それにより測定装置１はガソリンスタンドにおけ
る燃料タンクの標準化された構成形態に適応させられて
いる。装置は問題なく後からドーム蓋の標準化された２
ツォル開口を通して燃料タンクのなかに挿入され、また
これとねじ締めされる。
径は、実施例では２ツォルよりも小さい。追加的に玉継
手20は下端にDIN ISO228/1/G2による２ツォルねじを有
する。それにより測定装置１はガソリンスタンドにおけ
る燃料タンクの標準化された構成形態に適応させられて
いる。装置は問題なく後からドーム蓋の標準化された２
ツォル開口を通して燃料タンクのなかに挿入され、また
これとねじ締めされる。
図２は測定作動の際に容器２のなかで垂直に向けられ
ている測定装置１を示す。容器底70に液体90への境界面
81までに溜の高さHSを有する溜80が生じている。液体90
は液体の高さＨを有する容器２のなかで液体表面91まで
延びている。超音波変換器21および22は容器の底70から
間隔ｄをおいて位置している。
ている測定装置１を示す。容器底70に液体90への境界面
81までに溜の高さHSを有する溜80が生じている。液体90
は液体の高さＨを有する容器２のなかで液体表面91まで
延びている。超音波変換器21および22は容器の底70から
間隔ｄをおいて位置している。
反射器16は参照管12のなかの超音波変換器22の上に間
隔HRO、HRMおよびHRUをおいて位置している。温度セン
サ17は主管10に沿って容器の底70の上に間隔HTO、HTMお
よびHTUをおいて取付けられている。すべての上記の間
隔は、測定装置の新たな組み込みの際に自動的に検出ま
たは計算される。そのために超音波変換器23を用いて容
器の底70までのその間隔Ｓが、従ってまた容器の底70ま
での超音波変換器22および23の間隔ｄも求められる。
隔HRO、HRMおよびHRUをおいて位置している。温度セン
サ17は主管10に沿って容器の底70の上に間隔HTO、HTMお
よびHTUをおいて取付けられている。すべての上記の間
隔は、測定装置の新たな組み込みの際に自動的に検出ま
たは計算される。そのために超音波変換器23を用いて容
器の底70までのその間隔Ｓが、従ってまた容器の底70ま
での超音波変換器22および23の間隔ｄも求められる。
図２による測定作動の際に超音波変換器21は、83Hzの
クロック周波数により超音波パルスを測定管10に沿って
放射し、液体表面において反射された超音波パルスを伝
搬時間tHに相応して検出する。
クロック周波数により超音波パルスを測定管10に沿って
放射し、液体表面において反射された超音波パルスを伝
搬時間tHに相応して検出する。
超音波変換器22は、同様に83Hzのクロック周波数によ
り駆動され、参照管12に沿って超音波を放射する。送出
時点以後に経過した時間に相応して復帰伝搬する超音波
パルスの検出を許す電子的な測定窓を用いて、個々の反
射器16に相応する伝搬時間が決定される。同じ方法によ
り、どの反射器16が液体のレベルの下降の際になお液体
のなかに位置しているかが認識される。なぜならば、２
つの隣接する反射器16からの期待されるべき検出時点の
間に液体の表面91における反射により追加的なエコー信
号が生ずるからである。
り駆動され、参照管12に沿って超音波を放射する。送出
時点以後に経過した時間に相応して復帰伝搬する超音波
パルスの検出を許す電子的な測定窓を用いて、個々の反
射器16に相応する伝搬時間が決定される。同じ方法によ
り、どの反射器16が液体のレベルの下降の際になお液体
のなかに位置しているかが認識される。なぜならば、２
つの隣接する反射器16からの期待されるべき検出時点の
間に液体の表面91における反射により追加的なエコー信
号が生ずるからである。
平均超音波速度ｖ（ｈ）、ここでｈは超音波変換器22
の上の高さの分布は、図３による直線的な回帰直線100
を用いて３つの可能な測定点101、102および103の２つ
により決定される。図２に相応して、加えて、間隔HRU
をおいた反射器が、また液体のレベルＨに関係してなお
浸漬している最後の反射器、すなわち図示されている場
合には間隔HRMをおいた反射器、が利用される。その結
果、下記の式が得られる： ｖ（ｈ）=ｖ（HRU）＋｛（ｈ−HRU）/（HRM−HRU）｝・ （ｖ（HRM）−ｖ（HRU）） 超音波変換器23を用いて境界面81における反射により
溜めの高さHSが求められる。
の上の高さの分布は、図３による直線的な回帰直線100
を用いて３つの可能な測定点101、102および103の２つ
により決定される。図２に相応して、加えて、間隔HRU
をおいた反射器が、また液体のレベルＨに関係してなお
浸漬している最後の反射器、すなわち図示されている場
合には間隔HRMをおいた反射器、が利用される。その結
果、下記の式が得られる： ｖ（ｈ）=ｖ（HRU）＋｛（ｈ−HRU）/（HRM−HRU）｝・ （ｖ（HRM）−ｖ（HRU）） 超音波変換器23を用いて境界面81における反射により
溜めの高さHSが求められる。
超音波変換器21までの液体の表面91の間隔HOUは、再
帰的に平均超音波速度ｖ（ｈ）を用いて下記の式により
決定される： HOU(1)＝HRM HOU(i)＝ｖ（HOU(i-1)）・tH HOU ＝HOU(i) 最初に、浸漬された最後の反射器から超音波変換器22
までの間隔、すなわち示されている図２による例では間
隔HRM、が間隔HOUに対する推定値HOU(1)として利用され
る。この推定値は、ｖ（ｈ）と液体の表面91において反
射された超音波パルスの求められた伝搬時間tHとの関係
を用いて段階的に改善される。改善された推定値HOU(i)
は間隔HOUと同等に扱われる。
帰的に平均超音波速度ｖ（ｈ）を用いて下記の式により
決定される： HOU(1)＝HRM HOU(i)＝ｖ（HOU(i-1)）・tH HOU ＝HOU(i) 最初に、浸漬された最後の反射器から超音波変換器22
までの間隔、すなわち示されている図２による例では間
隔HRM、が間隔HOUに対する推定値HOU(1)として利用され
る。この推定値は、ｖ（ｈ）と液体の表面91において反
射された超音波パルスの求められた伝搬時間tHとの関係
を用いて段階的に改善される。改善された推定値HOU(i)
は間隔HOUと同等に扱われる。
本発明の実施例では上記の反復方法の最初の改善（す
なわちｉ＝２）の後に、既にここで1mm以内の測定精度
が達成されるので、反復方法が終了される。容器のなか
の液体のレベルＨは式： Ｈ＝HOU＋ｄ−HS により計算された値から得られる。
なわちｉ＝２）の後に、既にここで1mm以内の測定精度
が達成されるので、反復方法が終了される。容器のなか
の液体のレベルＨは式： Ｈ＝HOU＋ｄ−HS により計算された値から得られる。
液体のレベルＨから液体の体積への換算が行われる。
そのために選択的に正確に予め与えられた容器のジオメ
トリが計算ユニットに入力され得る。または較正された
積算流量計により容器特性曲線が容器を段階的に空にす
ること、また満たすことにより作成される。
そのために選択的に正確に予め与えられた容器のジオメ
トリが計算ユニットに入力され得る。または較正された
積算流量計により容器特性曲線が容器を段階的に空にす
ること、また満たすことにより作成される。
図４には温度センサ17を用いて求められた測定点20
1、202および203が記入されており、その際にＸは容器
の底70への間隔を示す。測定点の間の温度分布は直線的
内挿を用いて計算される。
1、202および203が記入されており、その際にＸは容器
の底70への間隔を示す。測定点の間の温度分布は直線的
内挿を用いて計算される。
平均温度TMを求めるためには下記の積分式が用いられ
る： ａ）３つの浸漬型温度センサ： ｂ）２つの浸漬型温度センサ： ｃ）浸漬型温度センサ： TM＝Ｔ（HTU） 液体90の温度に関係する密度を用いて、15℃に正規化
された液体体積が計算される。
る： ａ）３つの浸漬型温度センサ： ｂ）２つの浸漬型温度センサ： ｃ）浸漬型温度センサ： TM＝Ｔ（HTU） 液体90の温度に関係する密度を用いて、15℃に正規化
された液体体積が計算される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アイゼントラウト、ミヒァエル ドイツ連邦共和国 デー―96342 シュ トックハイム ローゼナウ ２ (56)参考文献 米国特許5127266（ＵＳ，Ａ) 米国特許5226320（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 23/28
Claims (16)
- 【請求項１】超音波パルスの伝搬時間測定および平均超
音波速度（ｖ）から容器（２）のなかの液体のレベル
（Ｈ）を決定するための方法において、液体（90）のな
かに存在する少なくとも２つの参照区間に対してそれぞ
れ参照超音波速度が測定され、少なくとも２つの参照超
音波速度から外挿により高さ（ｈ）にわたる垂直方向に
おける平均超音波速度（ｖ）の推移（ｖ（ｈ））が求め
られ、この推移（ｖ（ｈ））から実際の測定点を越えて
液体のレベル（Ｈ）までの平均超音波速度（ｖ（Ｈ））
が推定され、これから液体表面（91）で反射された超音
波パルスの伝搬時間（tH）により液体のレベル（Ｈ）が
決定されることを特徴とする液体のレベルを決定するた
めの方法。 - 【請求項２】液体のレベル（Ｈ）に対する推定値に対し
て、レベル（Ｈ）にわたる平均超音波速度（ｖ）の推移
（ｖ（ｈ））から近似的な平均超音波速度が求められ、
これから伝搬時間（tH）の乗算によって液体のレベルに
対する改善された推定値が決定され、改善された推定値
が液体のレベル（Ｈ）の推定値と同等に扱われ、これか
ら新たに改善された推定値が決定されることによって、
液体のレベル（Ｈ）の決定が再帰的に行われることを特
徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】平均超音波速度の外挿が直線的な近似を含
んでいることを特徴とする請求項１または２記載の方
法。 - 【請求項４】不純物が液体（90）との境界面（81）の下
側の溜まり（80）のなかに溜まっている際に、境界面
（81）における超音波パルスの反射により容器（２）の
なかの溜まりレベル（HS）が決定されることを特徴とす
る請求項１ないし３の１つに記載の方法。 - 【請求項５】液体の体積が液体のレベルから決定される
ことを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方
法。 - 【請求項６】平均温度（TM）を用いて液体の体積が温度
に関して正規化され、その際に平均温度（TM）が液体の
なかで測定された垂直な温度分布の積分を介して求めら
れることを特徴とする請求項５記載の方法。 - 【請求項７】第１の端と第２の端との間に置かれている
主測定区間に沿っての超音波パルスの伝搬時間測定から
容器（２）のなかの液体のレベル（Ｈ）を決定するため
の装置において、超音波パルスを送信かつ受信するため
の少なくとも１つの装置を有する主測定区間と、それぞ
れを参照超音波速度を決定するための、作動中液体（9
0）内に存在する少なくとも２つの参照区間と、計算機
ユニット（50）とが設けられており、その際に計算機ユ
ニット（50）が少なくとも２つの参照超音波速度から、
液体のレベル（Ｈ）を決定するために利用される平均超
音波速度（ｖ）の推移（ｖ（ｈ））を外挿により求め、
この推移（ｖ（ｈ））から実際の測定点を越えて液体の
レベル（Ｈ）までの平均超音波速度（ｖ（Ｈ））が推定
され、これから液体表面（91）で反射された超音波パル
スの伝搬時間（tH）により液体のレベル（Ｈ）が決定さ
れることを特徴とする液体のレベルを決定するための装
置。 - 【請求項８】第１の端と第２の端との間の主測定区間に
対して並列な列のなかに超音波に対する反射器（16）が
互いに予め定められた間隔をおいて配置されていること
を特徴とする請求項７記載の装置。 - 【請求項９】複数の温度センサ（17）が第１の端と第２
の端との間に互いに予め定められた間隔をおいて配置さ
れていることを特徴とする請求項７または８記載の装置 - 【請求項１０】第１の案内管（10）が主測定区間を、第
２の案内管（12）が参照区間を、また第３の案内管（1
1）が温度センサ（17）を囲んでおり、その際に各案内
管が開口（15）を有し、これらの開口を経て作動の際に
それぞれの案内管の内部がそれを囲んでいる液体（90）
と連通することを特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１１】超音波パルスを送信しかつ受信するため
の装置が超音波変換器として構成されていることを特徴
とする請求項７ないし10の１つに記載の装置。 - 【請求項１２】各案内管（10、11、12）の第１の端にそ
れぞれの独立した超音波変換器が配置されており、その
際に第１および第２の案内管（10、12）のなかの超音波
変換器（21、22）は第２の端の方向への放射のために、
第３の案内管（11）のなかの超音波変換器（23）は第１
の端の方向への放射のために配置されていることを特徴
とする請求項11記載の装置。 - 【請求項１３】第３の案内管（11）のなかの超音波変換
器（23）が、第１の案内管（10）のなかの超音波変換器
（21）にくらべて第２の端のほうにずらされて配置され
ていることを特徴とする請求項12記載の装置。 - 【請求項１４】参照区間の案内管（12）のなかの第２の
端に追加的な超音波変換器が第１の端から第２の端への
方向への放射のために配置されていることを特徴とする
請求項12記載の装置。 - 【請求項１５】第１の端から第２の端への方向に参照区
間の案内管（12）のなかの第２の端における超音波変換
器の後に少なくとも１つの反射器（16）が位置している
ことを特徴とする請求項14記載の装置。 - 【請求項１６】案内管の１つが中空の保持ロッドとして
構成されており、この保持ロッドが作動の際に容器から
突出し、また装置を取付かつ垂直に向きを合わせるため
の玉継手を含んでいることを特徴とする請求12ないし15
の１つに記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19600097.1 | 1996-01-03 | ||
| DE19600097A DE19600097C1 (de) | 1996-01-03 | 1996-01-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Flüssigkeitshöhe mit Hilfe von Ultraschallimpulsen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11502031A JPH11502031A (ja) | 1999-02-16 |
| JP3233942B2 true JP3233942B2 (ja) | 2001-12-04 |
Family
ID=7782112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP52472697A Expired - Fee Related JP3233942B2 (ja) | 1996-01-03 | 1996-12-17 | 超音波パルスにより液体のレベルを決定するための方法および装置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6202484B1 (ja) |
| EP (1) | EP0871849B1 (ja) |
| JP (1) | JP3233942B2 (ja) |
| AT (1) | ATE215219T1 (ja) |
| CA (1) | CA2241875C (ja) |
| DE (2) | DE19600097C1 (ja) |
| ES (1) | ES2175189T3 (ja) |
| WO (1) | WO1997025596A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| DE19942379A1 (de) * | 1999-09-04 | 2001-03-08 | Mannesmann Vdo Ag | Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter |
| HU225403B1 (en) * | 2000-03-13 | 2006-11-28 | Andras Dr Boerzsoenyi | Method and apparatus for calibration of flowmeter of liquid flowing in canal |
| US6526824B2 (en) * | 2001-06-07 | 2003-03-04 | Air Products And Chemicals, Inc. | High purity chemical container with external level sensor and liquid sump |
| US6948390B2 (en) * | 2002-07-30 | 2005-09-27 | Moon Randall A | Flow through pipet |
| US7418860B2 (en) * | 2004-10-05 | 2008-09-02 | Parker-Hannifan Corporation | Ultrasonic fluid level sensor |
| US7561040B2 (en) * | 2004-12-13 | 2009-07-14 | Veeder-Root Company | Wireless probe system and method for a fueling environment |
| KR100780864B1 (ko) * | 2006-05-25 | 2007-11-29 | 삼성전자주식회사 | 케미컬 공급 장치, 이를 구비한 반도체 제조 설비 및케미컬 공급 방법 |
| US8100006B2 (en) * | 2006-08-21 | 2012-01-24 | Engineering Technologies Canada Ltd. | Liquid level measurement device and installation incorporating the same |
| CN101855513B (zh) * | 2007-11-12 | 2012-07-18 | 株式会社村田制作所 | 操作位置检测器及其应用装置 |
| US7586435B1 (en) * | 2008-05-16 | 2009-09-08 | Rosemount Tank Radar Ab | Radar level gauge system using a waveguiding structure with periodically arranged reference impedance transitions |
| EP2166336B1 (de) * | 2008-09-18 | 2011-11-16 | FAFNIR GmbH | Verfahren zum Überwachen der Qualität eines alkoholhaltigen Kraftstoffs in einem Lagertank |
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| JP5957421B2 (ja) * | 2013-07-02 | 2016-07-27 | 三菱マテリアル株式会社 | ボイラ水管の厚さ測定方法 |
| DE102014109843A1 (de) * | 2014-07-14 | 2016-01-14 | Continental Automotive Gmbh | Verfahren zur Bestimmung des Füllstands in einem Tank |
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| JP7218682B2 (ja) * | 2019-07-10 | 2023-02-07 | 株式会社デンソー | 超音波式距離測定装置 |
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