JP3256608B2 - 超音波水位計測方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉等の圧力容器やタ
ンク内の水位を計測する場合に好適な超音波水位計測方
法およびその装置に係り、特に、圧力容器やタンク内の
水の温度分布や流動分布等の変化に拘らず安定して水位
を測定することができる超音波水位計測方法およびその
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波を利用した超音波
水位計測装置は実用化されており、産業界で広く利用さ
れている。この種の従来の超音波を利用した代表的な水
位計測方法としては、例えば図７で示す気中式と、図８
で示す水中式とがある。

【０００３】気中式は例えば「超音波技術便覧（改訂新
版）」（昭和４６年１月３０日，日刊工業新聞社発行，
改訂４版，ｐｐ７４８〜７５１）等に記載されており、
図７に示すように水槽１内に収容された水２の水面２ａ
の上方に、超音波トランスジューサ３を配設し、この超
音波トランスジューサ３に超音波送受信器４と波表示器
５とを順次電気的に接続している。

【０００４】そして、超音波トランスジューサ３から水
面２ａに向けて送信された超音波パルス６は、気中を伝
播し水面２ａに当って反射し、そのエコーが再び超音波
トランスジューサ３ａで受信される。この受信された超
音波パルス７は超音波トランスジューサ３の音響放射面
３ａと水面２ａまでの気中を往復しているので、超音波
の送信パルス６と受信パルス７との時間間隔Ｔ１は、超
音波トランスジューサ３の音響放射面３ａと水面２ａま
での距離の往復時間となる。したがって、水位は次の
（１）式によって算出することができる。

【０００５】

【数１】Ｌ＝Ｄ１−Ｖ・Ｔ１／２ ……（１） ここで、Ｌ（ｍ）は水位，Ｄ（ｍ）は超音波トランスジ
ューサ３の音響放射面３ａと水槽１の内底面間の距離，
Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は気体中の音速度，Ｔ１（ｓｅｃ）は
超音波パルスの往復伝播時間である。

【０００６】一方、水中式水位計測方法は、図８に示す
ように超音波トランスジューサ３を水２内に設置し、そ
の超音波トランスジューサ３の音響放射面３ａから水面
２ａに向けて送信された超音波送信パルス６は、水中を
伝播し、水面２ａに当って反射し、このエコーが再び超
音波トランスジューサ３で受信される。この受信された
超音波パルス７は超音波トランスジューサ３の音響放射
面３ａと水面２ａまでの水中を往復しているので、超音
波送信パルス６と受信パルス７との時間間隔Ｔ２は、超
音波トランスジューサ３の音響放射面３ａと水面２ａま
での距離の往復時間となる。したがって、水位は次の
（２）式によって算出することができる。

【０００７】

【数２】Ｌ＝Ｄ２＋Ｖ・Ｔ２／２ ……（２） ここで、Ｄ２は超音波トランスジューサ３の音響放射面
３ａと水槽１の底面間の距離，Ｔ２は超音波パルスの往
復伝播時間である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の超音波水位計測方法では、超音波が伝播する
気体中や水中に温度分布や流動分布があると、図９に示
すように超音波８が温度分布の境界面９で屈折や散乱を
起こし、曲がって伝播するために超音波が直進しなくな
る。このため、図７および図８において、送信パルス６
と受信パルス７との間の時間間隔Ｔ１，Ｔ２は超音波が
直進する場合に比して長く測定され、水位の測定誤差を
生ずる。また、最悪の場合は受信パルス７が送信元の超
音波トランスジューサ３の音響放射面３ａからずれてし
まって受信パルス７を受信できず、水位計測が不能に陥
る場合がある。

【０００９】そこで本発明はこのような事情を考慮して
なされたもので、その目的は、気中または水中に温度分
布や流動分布等があっても、水位を安定かつ高精度に測
定することができる超音波水位計測方法およびその測定
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために次のように構成される。

【００１１】本願の請求項１に記載の発明（以下、第１
の発明という）は、正弦波の超音波を、上部と下部を固
定した導波棒に与えてこれら上，下部間で発生する振動
を水に作用させ、この導波棒の共振状態の変化に基づい
て、その水位を計測することを特徴とする。

【００１２】また、本願の請求項２に記載の発明（以
下、第２の発明という）は、正弦波の超音波を送信する
一方、受信する超音波トランスジューサと、この超音波
トランスジューサに軸方向一端が接合されて超音波を伝
播させる一方、上部と下部を固定してその間で発生する
振動を水に作用させる導波棒と、この導波棒の共振状態
を前記超音波トランスジューサを介して検出し、その共
振状態の変化に基づいてその水位を算出する水位演算手
段とを有することを特徴とする。

【００１３】さらに、本願の請求項３に記載の発明（以
下、第３の発明という）は、超音波トランスジューサ
を、導波棒を内蔵する水槽の外部に設置したことを特徴
とする。

【００１４】

【作用】〈第１〜第３の発明〉 まず、時間的に周波数の変化する正弦波信号（例えばリ
ニアＦＭ信号）の超音波を、超音波トランスジューサか
ら導波棒に与えると、超音波がこの導波棒内部を伝播し
て導波棒が振動する。

【００１５】そして、導波棒は、その材質や長さおよび
直径で決まる固有の共振周波数を持っているので、この
共振周波数で導波棒内に超音波の定在波が発生し、超音
波の共振系が構成される。

【００１６】しかも、導波棒の上部と下部とを固定して
その上下間で発生する振動を水に作用させているので、
導波棒の物理的特性上、最も変形し易い径方向に変形さ
せて振動させている。このために、定在波の生成が効率
的である。

【００１７】このために、導波棒からの反作用として超
音波トランスジューサに力が加わるので、超音波トラン
スジューサの出力電圧を測定することにより導波棒の共
振状態を測定することができる。

【００１８】そして、この導波棒の共振状態の変化と、
導波棒に接する水の水位とは対応しているので、水位演
算器は、この導波棒の共振状態の変化に基づいて水位を
算出することができる。また、導波棒の共振状態は水中
や気中の温度分布や流動分布に影響を受けないので、こ
れら温度分布や流動分布の如何に拘らず、水位を安定し
て高精度で計測することができる。

【００１９】〈第３の発明〉 超音波トランスジューサを水槽の外部に設置するので、
超音波トランスジューサが冠水する等の水の影響を受け
るのを防止して、超音波トランスジューサの健全性と信
頼性とを共に高めることができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図６に基づい
て説明する。なお、図１〜図６中、同一または相当部分
には同一符号を付している。

【００２１】図１は本発明の一実施例の全体構成を示す
構成図、図２は図１の要部構成図であり、これらの図に
おいて、超音波水位計測装置１１は、水１２を収容する
原子炉の圧力容器やタンク等の水槽１３内に、導波体で
ある例えば中実丸棒状の導波棒１４を立設している。

【００２２】導波棒１４は、その上端上に、超音波トラ
ンスジューサ１５を、その音響放射面１５ａを密着させ
て接合し、この超音波トランスジューサ１５の上端と導
波棒１４の下端とを上下一対のサポート１６ａ，１６ｂ
により、水槽１３の底部と上蓋部１３ａの各内面に固定
し、導波棒１４をほぼ直立させている。

【００２３】超音波トランスジューサ１５は超音波発信
器１７と超音波受信器１８とにそれぞれ電気的に接続さ
れる。超音波発信器１７は、時間と共に周波数の変化す
る正弦波電気信号を超音波トランスジューサ１５に与え
ることにより、ここで正弦波の超音波に変換させ、その
音響放射面１５ａから導波棒１４に与えて導波棒１４を
振動させるようになっている。この導波棒１４は、その
材質や長さと直径で決まる固有の共振周波数を持ってお
り、このときの超音波トランスジューサ１５と導波棒１
４の共振状態は等価的には図３に示す等価回路で表現す
ることができる。例えば、尾上守夫監修「電気電子のた
めの固体振動論の基礎」ｐｐ１１７〜１５７，昭和５１
年９月，オーム社刊。

【００２４】なお、図３中、Ｃｄは超音波トランスジュ
ーサ１５の制動容量（Ｆ），Ｌは導波棒１４の質量によ
り発生する等価インダクタンス（Ｈ），Ｃは導波棒１４
の等価キャパシタンス（Ｆ），ｒは導波棒１４の内部摩
擦により発生する等価抵抗（Ω），Ｒは導波棒１４から
水中にリークする超音波Ｕにより発生する放射抵抗
（Ω）である。

【００２５】一方、超音波トランスジューサ１５は、そ
の音響放射面１５ａにより導波棒１４の振動を受信して
圧電手段により電圧に変換する。この出力電圧は超音波
受信器１８により検出されてから水位演算器１９と波形
表示器２０に与えられるようになっている。

【００２６】波形表示器２０は超音波受信器１８からの
電圧を超音波発信器１７からの出力の周波数で掃引し
て、図１の波形表示器２０の表示画面で示すように導波
棒１４の共振特性を波形で表示するものである。

【００２７】図１中、波形２１は水槽１３内に水１２が
無い、つまり水位ゼロのときに、導波棒１４に、実線２
１ａで示す振動振幅を有する定在波の超音波が発生した
ときの共振特性を示しており、この波形２１中、２１ｂ
は共振点を、２１ｃは反共振点をそれぞれ示し、Ｖｓ２
はその共振点２１ｂの電圧を、Ｖｐ１は反共振点２１ｃ
の電圧をそれぞれ示している。また、波形２２は、水槽
１３内の水位が上昇したときに、導波棒１４に、破線２
２ａで示す振動振幅を有する定在波の超音波が発生した
ときの共振特性を示しており、この波形２２中、２２ｂ
は共振点を、２２ｃは反共振点をそれぞれ示し、Ｖｓ２
はその共振点２２ｂの電圧を、Ｖｐ２は反共振点２２ｃ
の電圧をそれぞれ示している。

【００２８】一方、水位演算器１９は、導波棒１４と水
面１２ａの接する距離、つまり、水位と、これに対応す
る導波棒１４の共振特性、つまり共振周波数，反共振周
波数および共振先鋭度Ｑの各測定値とを予めデータテー
ブルとして記憶させておき、例えば図４に示すように、
導波棒１４の各共振特性の各パラメータに応じてテーブ
ルルックアップを行なって該当する水位を読み出し、水
位表示器２３にデジタル等で表示させるものである。

【００２９】次に、本実施例の作用を水位の無い場合、
つまり水位がゼロの場合と、水位が上昇する場合とに分
けて説明する。

【００３０】まず、水槽１３内に水の無い場合（水位が
ゼロ）について作用を説明する。

【００３１】超音波発信器１７では、時間と共に周波数
の変化する正弦波電気信号が発生し、この電気信号が超
音波トランスジューサ１５に与えられる。

【００３２】超音波トランスジューサ１５では、この電
気信号を超音波に変換して、音響放射面１５ａから正弦
波の超音波が導波棒１４の上端から放射され、その内部
を伝播する。

【００３３】導波棒１４には、その材質や長さおよび直
径で決まる固有振動周波数が存在するので、導波棒１４
は超音波を伝播させるときに、ある周波数で共振し、図
１中、実線２１ａで示す振動振幅を有する定在波の超音
波が発生する。このとき、導波棒１４が共振状態となる
と、導波棒１４から超音波トランスジューサ１５へ反作
用として応力が伝播される。そこで、超音波トランスジ
ューサ１５はその導波棒１４の振動を検出して電圧に変
換し、この電圧は超音波受信器１８により測定される。
ここで測定された電圧はさらに波形表示装置２０に与え
られて共振特性２１として測定され、共振周波数２１ｂ
と、これよりも若干高い周波数の反共振周波数２１ｃも
同時に測定される。このときの超音波トランスジューサ
１５と導波棒１４の共振状態は等価的には図３に示す等
価回路で表現することができる。

【００３４】次に、水槽１３中の水位が上昇した場合に
ついて説明する。

【００３５】前記したように導波棒１４が共振状態にあ
るときに、水位が上昇し、導波棒１４と水面１２ａが接
する場合には、図１中に複数の破線矢印で示したよう
に、導波棒１４内の超音波の一部Ｕが水中に漏洩し、図
３で示す放射抵抗Ｒが増大する。

【００３６】このために、導波棒１４の振動振幅は破線
２２ａに示したように水中からの反作用により実線２１
ａの場合よりも振幅が小さくなる。これにより、共振周
波数２２ｂ，反共振周波数２２ｃおよび共振先鋭度Ｑ
は、水位がゼロの場合から変化し、図１中の破線で示す
ような共振特性２２を示す。水位ゼロの場合の共振特性
２１と、水位有りの共振特性２２とを比較すれば、導波
棒１４が水に接したことは判定可能である。また、この
場合の共振状態を示す等価回路は図３中の放射抵抗Ｒが
水位ゼロの場合よりも大きくなった場合に相当する。

【００３７】したがって、共振周波数（ＦＳ）２１ｂ，
２２ｂ、反共振周波数（ｆｐ）２１ｃ，２２ｃおよび共
振先鋭度（Ｑ）は、次の（３）式〜（６）式によりそれ
ぞれ計算することができる（参考文献：例えばＷａｌｔ
ｅｒ Ｇｕｙｔｏｎ Ｃａｄｙ著「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃ
ｔ−ｒｉｃｉｔｙ」ｐｐ３３５〜３９５，改訂新版）。

【００３８】

【数３】

【００３９】したがって、図１において、導波棒１４と
水面１２ａの接する距離、つまり水位が上昇すると、そ
れに比例して図３に示す放射抵抗Ｒが比例して増大する
ので、前記（３）式〜（６）式により示すように、共振
周波数２１ｂ，２２ｂ、反共振周波数２１ｃ，２２ｃお
よび共振先鋭度Ｑは、水位の変化に対応して変化するこ
とになる。

【００４０】したがって、水位と、共振周波数２１ｂ，
２２ｂ、反共振周波数２１ｃ，２２ｃおよび共振先鋭度
の関係のデータを予め収録しておけば、図４に示すよう
に、共振周波数２１ｂ，２２ｂ、反共振周波数２１ｃ，
２２ｃおよび共振先鋭度Ｑの各測定値から導波棒１４と
水の接する距離をそれぞれ算出し、水槽１３内の水位を
測定することができる。

【００４１】なお、共振周波数２１ｂ，２２ｂ、反共振
周波数２１ｃ，２２ｃおよび共振先鋭度Ｑは、前記
（３）式〜（６）式に示すように、それぞれ放射抵抗Ｒ
によって一義的に決まるので、どのパラメータからも水
位を求めることができる。

【００４２】したがって本実施例によれば、導波棒１４
中の定在波の超音波に基づいて水槽１３内の水位を求め
るので、水槽１３内の水１２の温度分布と、流動分布の
影響とを受けずに高精度で水位を計測することができ
る。

【００４３】また、超音波トランスジューサ１５および
導波棒１４は耐熱性および耐放射線性に優れているの
で、高温環境下および放射線環境下でも超音波水位計測
装置１１を使用することができる。

【００４４】さらに、従来のパルスエコー法では、超音
波の送受信パルス間の時間の測定に当っては、そのパル
スの波高値の閾値を設定する必要があり、閾値の設定方
法によっては、測定誤差を生ずるが、本実施例では、水
位の測定値として導波棒１４の共振周波数，反共振周波
数等を利用するので、閾値を設定する必要がなく、その
分、測定精度が良好である。

【００４５】図５は、本発明の他の実施例の超音波水位
計測装置１１ａを示すものであり、これは超音波トラン
スジューサ１５を水槽１３の外部に設置したことに特徴
がある。

【００４６】つまり、超音波水位計測装置１１ａは、導
波棒１４の上部を水槽１３の上蓋１３ａよりも上方の外
部へ延出させ、その外部上端に超音波トランスジューサ
１５を接合することにより、水槽１３の外部から超音波
信号を水槽１３内の導波棒１４に導波するものである。

【００４７】図６は本発明のさらに他の実施例を示すも
のであり、これは図５で示す超音波水位計測装置１１ａ
の導波棒１４の上下を逆転させて、超音波トランスジュ
ーサ１５を水槽１３の底部の下方へ配設する一方、特願
平４−６８２６２号で提案した原子炉水位計測装置であ
る超音波水位計測装置３１を併用したものであり、超音
波水位計測装置３１を水槽１３内の水１２が静水の場合
に使用することにより、本発明の超音波水位計測装置１
１ｂにより求めた水位の校正を行なえるようにしたもの
である。

【００４８】なお、超音波水位計測装置３１は、水槽１
３の内底面上に立設した中空の導波管３２の上下両端を
開口する一方、その側周壁には複数の側孔を軸方向に所
要のピッチで穿設している。また、水槽１３の外底面に
は、導波管３２の中心軸に同心状に超音波トランスジュ
ーサ３３を設けており、この超音波トランスジューサ３
３には超音波送受信器３４，超音波処理装置３５，水位
表示装置３６をこの順に順次接続している。

【００４９】超音波トランスジューサ３３は導波管３２
内に超音波パルスを放射させて、水面１２ａで反射さ
せ、そのエコーを超音波送受信器３４により受信し、超
音波処理装置３５により、このような送信パルスと受信
パルスとの往復時間に基づいて水位を検出するものであ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本願第１〜第３の発
明は、正弦波の超音波を、水に接する導波棒に与えて振
動させ、その際の導波棒の共振状態の変化に基づいて、
その水位を計測するものであり、この導波棒の共振状態
は水中や気体中の温度分布や流動分布に影響を受けない
ので、水中等の温度分布や流動分布の如何に拘らず、水
位を高精度で計測することができる。

【００５１】しかも、導波棒の上部と下部とを固定して
その上下間で発生する振動を水に作用させているので、
導波棒の物理的特性上、最も変形し易い径方向に変形さ
せて振動させている。このために、定在波の生成が効率
的である。

【００５２】本願第３の発明は、超音波トランスジュー
サを水槽の外部に設置するので、超音波トランスジュー
サが水槽内の水により影響を受けるのを未然に防止し
て、その健全性と信頼性とを共に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波水位計測装置の一実施例の
全体構成図。

【図２】図１の要部構成図。

【図３】図１等で示す超音波トランスジューサと導波棒
との共振状態を等価的に示す等価回路図。

【図４】導波棒の共振状態を定量的に示す各パラメータ
と、導波棒と水に接する距離との対応関係を示すグラ
フ。

【図５】本発明の他の実施例の全体構成図。

【図６】本発明のさらに他の実施例の全体構成図。

【図７】従来の気中式超音波水位計測方法を示す図。

【図８】従来の水中式超音波水位計測方法を示す図。

【図９】図７，図８で示す従来例において超音波が伝播
の際に温度分布等の境界面で屈折する状態を示す図。

【符号の説明】

１１，１１ａ，１１ｂ 超音波水位計測装置 １２ 水 １２ａ 水面 １３ 水槽 １３ａ 水槽の上蓋 １３ｂ 水槽の側壁 １４ 導波棒 １５ 超音波トランスジューサ １５ａ 音響放射面 １７ 超音波発信器 １８ 超音波受信器 １９ 水位演算器 ２０ 波形表示器 ２１ 水位ゼロの場合の共振状態を示す周波数特性曲線 ２１ａ 水位がゼロの場合の導波棒の定在波 ２２ 水位が上昇した場合の導波棒の共振状態を示す周
波数特性曲線 ２２ａ 水位が上昇した場合の導波棒の定在波 ２１ｂ，２２ｂ 共振周波数 ２１ｃ，２２ｃ 反共振周波数 ２３ 水位表示器 ３１ 超音波水位計測装置（原子炉水位計測装置） ３２ 導波管 ３３ 超音波トランスジューサ ３４ 超音波送受信器 ３５ 超音波信号処理装置 ３６ 水位表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上原 明雄 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (72)発明者 波平 英夫 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (56)参考文献 特開 平４−329318（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−76129（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 23/00 - 25/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正弦波の超音波を、上部と下部を固定し
   た導波棒に与えてこれら上，下部間で発生する振動を水
   に作用させ、この導波棒の共振状態の変化に基づいて、
   その水位を計測することを特徴とする超音波水位計測方
   法。
2. 【請求項２】 正弦波の超音波を送信する一方、受信す
   る超音波トランスジューサと、この超音波トランスジュ
   ーサに軸方向一端が接合されて超音波を伝播させる一
   方、上部と下部を固定してその間で発生する振動を水に
   作用させる導波棒と、この導波棒の共振状態を前記超音
   波トランスジューサを介して検出し、その共振状態の変
   化に基づいてその水位を算出する水位演算手段とを有す
   ることを特徴とする超音波水位計測装置。
3. 【請求項３】 超音波トランスジューサを、導波棒を内
   蔵する水槽の外部に設置したことを特徴とする請求項２
   記載の超音波水位計測装置。