JP3248177B2 - 超音波式液面レベル計の信号処理回路 - Google Patents

超音波式液面レベル計の信号処理回路

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JP3248177B2 JP03358595A JP3358595A JP3248177B2 JP 3248177 B2 JP3248177 B2 JP 3248177B2 JP 03358595 A JP03358595 A JP 03358595A JP 3358595 A JP3358595 A JP 3358595A JP 3248177 B2 JP3248177 B2 JP 3248177B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、容器等に収容されてい
る液体の液面の位置を超音波の反射波を用いて検出する
超音波式液面レベル計の信号処理回路に関する。
【0002】
【従来の技術】超音波式液面レベル計の基本原理は、送
信用超音波素子から超音波を放射し、超音波が液面に反
射して戻ってくるのを受信用超音波素子で受け、その間
の時間を計測することにより、超音波素子から液面まで
の距離を求めるものである。
【0003】従来の超音波式液面レベル計は、一般にこ
の基本原理そのままに構成されているため、温度や気圧
の変化などの測定環境の影響を補正するための手段を別
に設ける必要があった。また、放射された超音波が拡散
するため、大出力の超音波素子を用いる必要があった。
【0004】これらの問題点を解決するために、近年、
送受信を兼ねた1個の超音波素子を管の一端に挿入し、
該超音波素子から一定の距離を隔てた管内部の断面の一
部に微小な反射板を設け、管の他端を液中に浸すように
構成すると共に、該管を導波管として超音波を液面に放
射し、該反射板で反射された超音波基準波の受信時間
と、液面で反射された超音波液面波の受信時間とを計測
し、それらの受信時間の比を求めることにより、液面ま
での距離を検出するようにした新しい計測方式の超音波
式液面レベル計(特開平5−52635号)が開発され
た。
【0005】図3は該超音波式液面レベル計の一例を示
す断面図である。即ち、送信と受信を共用する超音波素
子1は超音波導波管2の一端に挿入されており、超音波
導波管2の他端は液面3に浸っている。また、超音波素
子1から一定距離dだけ隔てた超音波導波管2内部の断
面の一部に微小な反射板4が設置されている。反射板4
の形状は、一例としてリング状のものが用いられる。5
はホーン、6は通気孔である。いま、超音波が反射板4
で反射されて戻ってくるまでの時間をT1、超音波が液
面3で反射されて戻ってくるまでの時間をT2、超音波
素子1から液面3までの距離をX、音速をCとすると、 2d=C・T1、 2X=C・T2 の関係があるから、液面3までの距離Xは、 X=d・(T2/T1)…(1) よって、この式には音速Cが含まれないから、温度、気
圧などの変動により、音速Cが変化しても計測の精度に
は影響しない。
【0006】次に、以上説明した超音波式液面レベル計
の従来の信号処理方法を図4を用いて説明する。(a)
に示すように、パルス幅がΔTの送信信号を、一定の周
期で発生させ、ΔTの間だけ超音波を送信した後、受信
状態とする。受信状態では、超音波素子に発生する信号
を増幅すると(b)のような受信信号が得られる。この
受信信号で最初の振動波形は超音波素子の送信時の残留
振動によるもの、2番目の振動波形は基準波によるも
の、3番目の振動波形は反射板で反射されて超音波素子
に戻り、その表面で反射された後、再び反射板で反射さ
れて超音波素子に戻ってくる反射波、すなわち超音波素
子と反射板の間を2往復して検出される反射波二次基準
波であり、基準波までの時間の2倍の位置に現れるが振
幅は小さい。また、4番目は液面波によるものである
が、液面の位置によっては二次基準波よりも前に現れる
こともある。この受信信号はある基準電圧と比較され、
二値化されて論理レベルの信号(c)に交換される。基
準波までの時間T1を検出する場合は、残留振動部分が
邪魔になるので、残留振動が十分収まる時間t1の間、
受信信号をマスクし、すなわち、(c)の信号をt1の
間、強制的に0レベルにし、それ以後に検出される最初
のパルスまでの時間を計測すればよい。同様にして、液
面までの時間T2を検出する場合は、基準波までの部分
が邪魔になるので、基準波の受信が完了するまでの時間
t2の間、受信信号をマスクし、それ以後検出される最
初のパルスまでの時間を計測すればよい。T1,T2の
値が得られると、(1)式の演算により、液面までの距
離Xが求まる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
信号処理では、図4(d)に示すように、液面までの距
離が長くなると、液面波の振幅が減少し、基準電圧以下
になると、検出不可能になる。ここで単純に受信信号の
増幅度を上げるか、比較する基準電圧を下げると、液面
波は検出できるが、液面波の振幅が二次基準波の振幅以
下になった場合は、同時に不要な二次基準波も検出して
しまい、二次基準波との切り分けができなくなり、信号
があるにもかかわらず、正しい検出ができなくなるとい
う問題があった。
【0008】本発明は上記の事情を鑑みてなされたもの
で、液面波の振幅が二次基準波の振幅以下になってもS
/N比が十分であれば、液面位置の検出が可能な超音波
式液面レベル計の信号処理回路を提供することを目的と
している。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、超音波素子を管の内部の一端に挿入し、該
超音波素子から一定の距離を隔てた管内部の断面の一部
に微小な反射板を設け、管の他端を液中に浸すように構
成すると共に、該管を導波管として超音波を液面に放射
し、該反射板で反射された超音波基準波の受信時間と、
液面で反射された超音波液面波の受信時間とを計測し、
超音波基準波と超音波液面波の受信時間の比を求めるこ
とにより、液面までの距離を検出する超音波式液面レベ
ル計において、超音波素子から放射された超音波が、該
反射板で反射されて超音波素子に戻り、超音波素子の表
面で反射された超音波が再び該反射板で反射されて超音
波素子に戻ってくる反射波二次基準波の受信終了後の受
信信号の増幅度を、該反射波二次基準波の受信終了前よ
りも高く設定した増幅度に切り替えるように構成したこ
とを特徴とするものである。
【0010】
【作用】上記手段により本発明は、二次基準波の受信終
了後に、受信信号の増幅度を高めるようにしているか
ら、液面波の振幅が二次基準波の振幅以下になっても、
液面波の振幅だけをさらに増幅し、二次基準波の振幅よ
りも大きくして、検出可能な状態にできる。従って、本
発明によれば、超音波素子の出力を増加させることな
く、従来よりも検出可能な距離を長くすることができ
る。
【0011】
【実施例】以下、図面に従って本発明の実施例を詳細に
説明する。図1は本発明の一実施例を示す信号処理回路
構成図、図2は本発明の信号処理回路の動作を説明する
図である。図1において、7は低周波発振器で、図2
(a)に示すようにパルス幅がΔTで、周期がTの送信
信号を発生させる。一方、8は高周波発振器で、図2
(b)に示すようにΔTの間だけ、超音波素子1の共振
周波数で発振する信号を発生させ、ドライバ回路9を介
して超音波素子1を励振する。10aはアナログスイッ
チであり、低周波発振器7の出力がハイ(high)レ
ベルのときはドライバ回路9側に接続し、ロウ(lo
w)レベルのときは負荷抵抗R側に接続される。従っ
て、ΔTの間、超音波を送信し、その後は受信状態とな
る。この送、受信はT秒の周期で繰り返される。受信時
には、負荷抵抗Rに受信信号が発生するので、11aの
増幅回路A、および11bの増幅回路Bで増幅する。1
4は単安定マルチバイブレータであり、二次基準波の受
信完了までの時間t3を設定する。すなわち、送信信号
の立ち上がりをトリガとして、パルス幅t3のパルスを
発生させる(図2(d))。10bはアナログスイッチ
であり、単安定マルチバイブレータ14の出力がハイレ
ベルの時は11aの増幅回路A側に、ロウレベルの時は
11bの増幅回路B側に接続される。従って、二次基準
波の受信完了前は11aの増幅回路Aが、二次基準波の
受信完了後は11bの増幅回路Bが選択される。アナロ
グスイッチ10bを通過した受信信号は、微分回路12
で直流成分をカットされて比較信号(図2(e))とな
り、電圧比較器13で一定の基準電圧と比較されて二値
化される(図2(f))。ここで、11aの増幅回路A
の増幅度は、比較信号における二次基準波の振幅が基準
電圧を越えない程度に設定し、11bの増幅回路Bの増
幅度は、比較信号における雑音成分が基準電圧を越えな
い範囲で液面波の振幅ができるだけ大きくなるように設
定する。このようにすると、11aの増幅回路Aの出力
において、液面波の振幅が二次基準波の振幅よりも小さ
くなった場合(図2(c))でも、二次基準波の受信完
了後は、増幅度の大きい11bの増幅回路Bの受信信号
に切り替わるため、比較信号においては、液面波の振幅
を二次基準波の振幅よりも大きくすることができ、これ
が二値化されると、図2(f)に示すように、液面波だ
けを二次基準波から分離して検出できる。
【0012】次に基準波までの時間T1、および液面波
までの時間T2の検出は以下のように行う。T1を検出
する場合は、残留振動部分が邪魔になるので、この部分
をマスクするために残留振動が十分収まる時間t1の
間、ロウレベルとなるような信号を単安定マルチバイブ
レータ15で発生させ(図2(g))、アンド(AN
D)素子17を用いて、図2(g)の信号と図2(f)
の信号との論理積(AND)をとれば、基準波の位置で
始めてハイレベルとなる信号が得られる(図2
(i))。そこで、RSフリップフロップ19を用い、
図2(a)の送信信号の立ち上がりでセットし、図2
(i)の信号の最初の立ち上がりでリセットすると図2
(k)のようにパルス幅がT1に等しい信号が得られ
る。同様にして、T2を検出する場合は、基準波までの
部分が邪魔になるので、この部分をマスクするために、
基準波が十分収まるまでの時間t2の間、ロウレベルと
なるような信号を単安定マルチバイブレータ16で発生
させ(図2(h))、アンド(AND)素子18を用い
て、図2(h)の信号と図2(f)の信号との論理積を
とれば、液面波の位置で始めてハイレベルとなる信号が
得られる(図2(j))。そこで、RSフリップフロッ
プ20を用い、図2(a)の送信信号の立ち上がりでセ
ットし、図2(j)の信号の最初の立ち上がりでリセッ
トすると図2(l)のようにパルス幅がT2に等しい信
号が得られる。次にパルス幅/電圧変換回路21,22
を用いて、T1,T2のパルス幅を電圧に変換し、アナ
ログ除算器23でT2/T1の値を求めるとXに比例し
た値が得られる。これに係数器24を用いて、dに対応
した係数をかけると、Xが得られる。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では二次基
準波の受信終了後に受信信号の増幅度を高めるようにし
ているから、液面波の振幅が二次基準波の振幅以下にな
っても、液面波の振幅だけをさらに増幅し、二次基準波
の振幅よりも大きくして検出可能な状態にできる。従っ
て、超音波素子の出力を増加させることなく、従来より
も検出可能な距離を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図2】本発明の信号処理回路の動作の一例を示す説明
図である。
【図3】本発明が対象とする超音波式液面レベル計の一
実施例を示す断面図である。
【図4】従来の信号処理動作を示す説明図である。
【符号の説明】
1…超音波素子、2…超音波導波管、3…液面、4…反
射板、5…ホーン、6…通気孔、7…低周波発振器、8
…高周波発振器、9…ドライバ回路、10a、10b…
アナログスイッチ、12…微分回路、13…電圧比較
器、14,15,16…単安定マルチバイブレータ、1
7,18…AND素子、19,20…RSフリップフロ
ップ、21,22…パルス幅/電圧変換回路、23…ア
ナログ除算器、24…係数器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超音波素子を管の内部の一端に挿入し、
    該超音波素子から一定の距離を隔てた管内部の断面の一
    部に微小な反射板を設け、管の他端を液中に浸すように
    構成すると共に、該管を導波管として超音波を液面に放
    射し、該反射板で反射された超音波基準波の受信時間
    と、液面で反射された超音波液面波の受信時間とを計測
    し、超音波基準波と超音波液面波の受信時間の比を求め
    ることにより、液面までの距離を検出する超音波式液面
    レベル計において、 超音波素子から放射された超音波が、該反射板で反射さ
    れて超音波素子に戻り、超音波素子の表面で反射された
    超音波が再び該反射板で反射されて超音波素子に戻って
    くる反射波二次基準波の受信終了後の受信信号の増幅度
    を、該反射波二次基準波の受信終了前よりも高く設定し
    た増幅度に切り替えるように構成したことを特徴とする
    超音波式液面レベル計の信号処理回路。
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