JP3481151B2 - 超音波レベル計 - Google Patents
超音波レベル計Info
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- JP3481151B2 JP3481151B2 JP32643998A JP32643998A JP3481151B2 JP 3481151 B2 JP3481151 B2 JP 3481151B2 JP 32643998 A JP32643998 A JP 32643998A JP 32643998 A JP32643998 A JP 32643998A JP 3481151 B2 JP3481151 B2 JP 3481151B2
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- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、反射面に向けて送
信器から超音波を発信し、反射面で反射された超音波を
受信器で受信し、送信器が超音波を発信してから受信器
が反射波を受信するまでに要した時間をもとに反射面の
レベルを検出する超音波レベル計に関し、更に詳しく
は、前記受信器が反射波を受信するまでに要した時間を
もとに反射面のレベルを検出する演算方式を改善するこ
とによって、Ｓ／Ｎ比が低いエコー波においても正しく
信号成分を検出することが可能となった超音波レベル計
に関するものである。
信器から超音波を発信し、反射面で反射された超音波を
受信器で受信し、送信器が超音波を発信してから受信器
が反射波を受信するまでに要した時間をもとに反射面の
レベルを検出する超音波レベル計に関し、更に詳しく
は、前記受信器が反射波を受信するまでに要した時間を
もとに反射面のレベルを検出する演算方式を改善するこ
とによって、Ｓ／Ｎ比が低いエコー波においても正しく
信号成分を検出することが可能となった超音波レベル計
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図８は、従来の超音波レベル計の一例を
示す図である。同図において、従来の超音波レベル計は
超音波送受信器３から短時間（０．１〜０．２秒間）、
超音波を発信し、そのエコー波を同一の超音波送受信器
３で受信することにより、超音波が発信されてから、タ
ンク２に入った検出対象１の反射面４で反射し再び超音
波送受信器３に返ってくるまでの時間を測定し距離換算
することにより超音波送受信器３から反射面４までの距
離（以下レベルという。）を測定している。
示す図である。同図において、従来の超音波レベル計は
超音波送受信器３から短時間（０．１〜０．２秒間）、
超音波を発信し、そのエコー波を同一の超音波送受信器
３で受信することにより、超音波が発信されてから、タ
ンク２に入った検出対象１の反射面４で反射し再び超音
波送受信器３に返ってくるまでの時間を測定し距離換算
することにより超音波送受信器３から反射面４までの距
離（以下レベルという。）を測定している。
【０００３】図８において、超音波送受信器３は反射面
４に対して超音波を発信し、反射面４で反射されたエコ
ー波を受信する。超音波送受信器３は受信したエコー波
の信号（以下エコー信号という。）を出力する。
４に対して超音波を発信し、反射面４で反射されたエコ
ー波を受信する。超音波送受信器３は受信したエコー波
の信号（以下エコー信号という。）を出力する。
【０００４】前記エコー信号は、アンプ５によって増幅
され、全波整流回路６に入力される。ここで全波整流さ
れたエコー信号は、Ａ／Ｄ変換器７によってデジタル値
に変換され演算器８に入力される。
され、全波整流回路６に入力される。ここで全波整流さ
れたエコー信号は、Ａ／Ｄ変換器７によってデジタル値
に変換され演算器８に入力される。
【０００５】演算器８は、前記エコー信号によって、送
受信器３が超音波を発信してからエコー波を受信するま
でに要した時間をもとにレベルを検出する。
受信器３が超音波を発信してからエコー波を受信するま
でに要した時間をもとにレベルを検出する。
【０００６】図９は超音波とエコー波の波形図である。
同図に示すように、送受信器３は超音波Ｐ１を発生して
から時間Ｔ１が経過した後に送受信器３がエコー波Ｐ２
を受信する。時間Ｔ１は送受信器３と反射面４の距離に
比例している。送受信器３のの設置位置が既知であれ
ば、時間Ｔ１から反射面４のレベルを検出できる。
同図に示すように、送受信器３は超音波Ｐ１を発生して
から時間Ｔ１が経過した後に送受信器３がエコー波Ｐ２
を受信する。時間Ｔ１は送受信器３と反射面４の距離に
比例している。送受信器３のの設置位置が既知であれ
ば、時間Ｔ１から反射面４のレベルを検出できる。
【０００７】図１０はアンプ５を通過した後のエコー信
号の波形例を示した図である。同図に示すように、エコ
ー信号には信号成分Ｓ１とノイズ成分Ｓ２とが含まれて
いる。同図は説明の都合上、信号成分Ｓ１とノイズ成分
Ｓ２を分離して示しているが、実際に観測される波形は
信号成分にノイズ成分が重畳された波形である。
号の波形例を示した図である。同図に示すように、エコ
ー信号には信号成分Ｓ１とノイズ成分Ｓ２とが含まれて
いる。同図は説明の都合上、信号成分Ｓ１とノイズ成分
Ｓ２を分離して示しているが、実際に観測される波形は
信号成分にノイズ成分が重畳された波形である。
【０００８】図１１は全波整流回路６を通過した後の全
波整流信号の一例を示した図である。同図において信号
Ｓ３は信号成分Ｓ１を全波整流した信号であり、信号Ｓ
４はノイズ成分Ｓ２を全波整流した信号である。
波整流信号の一例を示した図である。同図において信号
Ｓ３は信号成分Ｓ１を全波整流した信号であり、信号Ｓ
４はノイズ成分Ｓ２を全波整流した信号である。
【０００９】演算器８は、エコー信号が到来する度に全
波整流信号を加算していき、コンパレータで加算信号の
中から信号成分を判別し、成分信号が現れる時をもとに
検出対象のレベルを算出する。
波整流信号を加算していき、コンパレータで加算信号の
中から信号成分を判別し、成分信号が現れる時をもとに
検出対象のレベルを算出する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８の
従来例では、信号成分とノイズ成分の両方が全波整流さ
れるため、エコー信号の加算とともにノイズ成分も加算
されていく。従って、エコー信号のノイズ成分に比べて
信号成分が十分に微弱な場合、次々と加算されていくノ
イズ成分の影響によって、レベルの測定結果に誤差を生
じやすいといった問題点があった。
従来例では、信号成分とノイズ成分の両方が全波整流さ
れるため、エコー信号の加算とともにノイズ成分も加算
されていく。従って、エコー信号のノイズ成分に比べて
信号成分が十分に微弱な場合、次々と加算されていくノ
イズ成分の影響によって、レベルの測定結果に誤差を生
じやすいといった問題点があった。
【００１１】本発明は上述した問題点を解決するために
成されたものであり、エコー信号のノイズ成分に比べて
信号成分が十分に微弱なときでも、ノイズ成分の中から
信号成分を正しく検出できる超音波レベル計を実現する
ことを目的とする。
成されたものであり、エコー信号のノイズ成分に比べて
信号成分が十分に微弱なときでも、ノイズ成分の中から
信号成分を正しく検出できる超音波レベル計を実現する
ことを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために請求項１に記載の発明では、超音波レベル計に
おいて、前記超音波の周期と同じ周期の信号を用いて前
記エコー波の信号から複数の信号成分を抽出し、この信
号成分を積分することによって前記複数の信号成分の積
分信号を出力する多相同期積分回路と、この複数の積分
信号をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換
器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力をそれぞれ移動加算する
移動加算器と、前記移動加算器の出力にそれぞれ一定の
データ幅で移動差分演算を施すと共にこの演算値を２乗
した信号を出力する移動差分演算器と、前記移動差分演
算器の出力を加算する加算器と、この加算器の出力波形
から前記反射面のレベルを算出するレベル算出器を具備
したことを特徴とするものである。
るために請求項１に記載の発明では、超音波レベル計に
おいて、前記超音波の周期と同じ周期の信号を用いて前
記エコー波の信号から複数の信号成分を抽出し、この信
号成分を積分することによって前記複数の信号成分の積
分信号を出力する多相同期積分回路と、この複数の積分
信号をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換
器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力をそれぞれ移動加算する
移動加算器と、前記移動加算器の出力にそれぞれ一定の
データ幅で移動差分演算を施すと共にこの演算値を２乗
した信号を出力する移動差分演算器と、前記移動差分演
算器の出力を加算する加算器と、この加算器の出力波形
から前記反射面のレベルを算出するレベル算出器を具備
したことを特徴とするものである。
【００１３】このことにより、超音波レベル計は、多相
同期積分回路から得られる複数の成分信号を利用して高
感度で高精度なレベル測定を実現することが可能とな
る。
同期積分回路から得られる複数の成分信号を利用して高
感度で高精度なレベル測定を実現することが可能とな
る。
【００１４】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の周期の中で半
周期の期間にわたって信号を取り出し、残りの半周期の
期間にわたってエコー波の反転信号を取り出し、取り出
した信号を加算することによって前記エコー波から、９
０度位相の異なるＸ成分信号とＹ成分信号を抽出し、前
記Ｘ成分信号と前記Ｙ成分信号をそれぞれ積分する第１
及び第２の積分回路によって前記エコー波の２相同期積
分信号を出力する２相同期積分回路を用いたことを特徴
とするものである。
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の周期の中で半
周期の期間にわたって信号を取り出し、残りの半周期の
期間にわたってエコー波の反転信号を取り出し、取り出
した信号を加算することによって前記エコー波から、９
０度位相の異なるＸ成分信号とＹ成分信号を抽出し、前
記Ｘ成分信号と前記Ｙ成分信号をそれぞれ積分する第１
及び第２の積分回路によって前記エコー波の２相同期積
分信号を出力する２相同期積分回路を用いたことを特徴
とするものである。
【００１５】このことによって、超音波レベル計は、簡
単な構造の２相同期積分回路を用いて構成することが可
能となる。
単な構造の２相同期積分回路を用いて構成することが可
能となる。
【００１６】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記第２の移動加算器は、５データ
区間で移動加算値Ｕ（ｎ）を求めることを特徴とするも
のである。
載の発明において、前記第２の移動加算器は、５データ
区間で移動加算値Ｕ（ｎ）を求めることを特徴とするも
のである。
【００１７】このことにより、超音波レベル計は、信号
波形から高調波成分を除去するフィルタリングを行うこ
とが可能となる。
波形から高調波成分を除去するフィルタリングを行うこ
とが可能となる。
【００１８】請求項４に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記移動差分演算器は、前記移動加
算器から出力されるデータ番号ｎのデジタルデータ値Ｕ
（ｎ）と、これより５データ前のデジタルデータ値Ｕ
（ｎ−５）との差分演算値Ｄ（ｎ）を求め、これを２乗
した値を出力するように構成されたことを特徴とするも
のである。
載の発明において、前記移動差分演算器は、前記移動加
算器から出力されるデータ番号ｎのデジタルデータ値Ｕ
（ｎ）と、これより５データ前のデジタルデータ値Ｕ
（ｎ−５）との差分演算値Ｄ（ｎ）を求め、これを２乗
した値を出力するように構成されたことを特徴とするも
のである。
【００１９】このことにより、超音波レベル計は、前記
多相同期積分回路から出力される積分波形のピーク値を
容易に得ることが可能となる。
多相同期積分回路から出力される積分波形のピーク値を
容易に得ることが可能となる。
【００２０】請求項５に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算器か
ら出力される出力波形のピーク値を求め、このピーク値
に対応するデータ位置から時間を戻す方向に順にデータ
を検索し、前記ピーク値の１／４の大きさを最初に下回
るデータＤｓ（ｎ）を検出することによって、超音波を
発信した時点から前記データＤｓ（ｎ）が到達するまで
の時間を求め、この時間からレベルを検出するように構
成されたことを特徴とするものである。
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算器か
ら出力される出力波形のピーク値を求め、このピーク値
に対応するデータ位置から時間を戻す方向に順にデータ
を検索し、前記ピーク値の１／４の大きさを最初に下回
るデータＤｓ（ｎ）を検出することによって、超音波を
発信した時点から前記データＤｓ（ｎ）が到達するまで
の時間を求め、この時間からレベルを検出するように構
成されたことを特徴とするものである。
【００２１】このことにより、超音波レベル計は、ピー
ク値に近い大きさのデータが多数存在する波形におい
て、前記データＤｓ（ｎ）の到達点を検出する場合にお
いても、その再現性が維持される。この理由について
は、後述する。
ク値に近い大きさのデータが多数存在する波形におい
て、前記データＤｓ（ｎ）の到達点を検出する場合にお
いても、その再現性が維持される。この理由について
は、後述する。
【００２２】請求項６に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算信号
のピーク値の１／４の大きさに対応するデータＤｓ
（ｎ）から１０データ前までのデータＤ（ｎ）を検索
し、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベル値を測定異常として破棄するように構成された
ことを特徴とするものである。
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算信号
のピーク値の１／４の大きさに対応するデータＤｓ
（ｎ）から１０データ前までのデータＤ（ｎ）を検索
し、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベル値を測定異常として破棄するように構成された
ことを特徴とするものである。
【００２３】このことにより、超音波レベル計は、異常
測定値を破棄することが可能となる。
測定値を破棄することが可能となる。
【００２４】請求項７に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
の周期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号か
ら１２０度ずつ位相の異なる３個の信号成分を抽出し、
これらの信号成分をそれぞれ積分することによって３個
の信号成分の積分信号を出力する３相同期積分回路を用
いたことを特徴とするものである。
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
の周期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号か
ら１２０度ずつ位相の異なる３個の信号成分を抽出し、
これらの信号成分をそれぞれ積分することによって３個
の信号成分の積分信号を出力する３相同期積分回路を用
いたことを特徴とするものである。
【００２５】このことにより、超音波レベル計は、２相
同期積分回路を用いた場合に比べ、更にその精度を向上
させることが可能となる。
同期積分回路を用いた場合に比べ、更にその精度を向上
させることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係る超音波レベル計の構成図
である。
説明する。図１は本発明に係る超音波レベル計の構成図
である。
【００２７】図１において、従来例で説明した図８と同
様のものは同一の符号を付し、その説明を省略する。同
図において超音波送受信器３から発生されたエコー信号
はプリアンプ１０に入力され、増幅された後、Ｄ／Ａ変
換器１１に入力される。
様のものは同一の符号を付し、その説明を省略する。同
図において超音波送受信器３から発生されたエコー信号
はプリアンプ１０に入力され、増幅された後、Ｄ／Ａ変
換器１１に入力される。
【００２８】Ｄ／Ａ変換器１１は、プリアンプ１０から
入力されたエコー波にＴＶＧ（Ｔｉｍｅ Ｖａｒｉａｂ
ｌｅ Ｇａｉｎ）処理を施すために備えられたものであ
る。
入力されたエコー波にＴＶＧ（Ｔｉｍｅ Ｖａｒｉａｂ
ｌｅ Ｇａｉｎ）処理を施すために備えられたものであ
る。
【００２９】ＴＶＧ処理とは、送受信器３が超音波を発
信してから時間の経過とともにゲインを上げていく処理
である。すなわち、送受信器３が超音波を発信してから
エコー信号が返ってくるまでの時間が長いときは、検出
対象までの距離が長い場合であり、エコー信号の減衰量
が大きくなることが予想されるため、受信時のゲインを
上げて受信し、超音波の反射距離に関わらず、一定のレ
ベルでエコー波を受信しようとするものである。このＴ
ＶＧ処理のゲインは制御手段１７８から与えられる。
信してから時間の経過とともにゲインを上げていく処理
である。すなわち、送受信器３が超音波を発信してから
エコー信号が返ってくるまでの時間が長いときは、検出
対象までの距離が長い場合であり、エコー信号の減衰量
が大きくなることが予想されるため、受信時のゲインを
上げて受信し、超音波の反射距離に関わらず、一定のレ
ベルでエコー波を受信しようとするものである。このＴ
ＶＧ処理のゲインは制御手段１７８から与えられる。
【００３０】Ｄ／Ａ変換器１１によってＴＶＧ処理を施
されたエコー信号は、中間アンプ１２によって増幅さ
れ、その出力は、同期積分回路１３に入力される。
されたエコー信号は、中間アンプ１２によって増幅さ
れ、その出力は、同期積分回路１３に入力される。
【００３１】同期積分回路１３を構成するスイッチＳＷ
１からＳＷ４はエコー信号を取り出すために設けられた
スイッチである。反転回路１３１はスイッチＳＷ２とＳ
Ｗ４の前段に設けられ、エコー信号を反転する反転回路
である。スイッチＳＷ１から取り出した信号とスイッチ
ＳＷ２から取り出された信号は加算される。この加算信
号をＸ成分信号とする。
１からＳＷ４はエコー信号を取り出すために設けられた
スイッチである。反転回路１３１はスイッチＳＷ２とＳ
Ｗ４の前段に設けられ、エコー信号を反転する反転回路
である。スイッチＳＷ１から取り出した信号とスイッチ
ＳＷ２から取り出された信号は加算される。この加算信
号をＸ成分信号とする。
【００３２】また、スイッチＳＷ３から取り出した信号
とスイッチＳＷ４から取り出した信号は加算される。こ
の加算信号をＹ成分信号とする。
とスイッチＳＷ４から取り出した信号は加算される。こ
の加算信号をＹ成分信号とする。
【００３３】積分回路１３２は前記Ｘ成分信号を積分
し、その積分信号を出力する。また、積分回路１３３は
前記Ｙ成分信号を積分し、その積分信号を出力する。
し、その積分信号を出力する。また、積分回路１３３は
前記Ｙ成分信号を積分し、その積分信号を出力する。
【００３４】駆動信号発生回路１４は、前記スイッチＳ
Ｗ１からＳＷ４を駆動するための駆動信号を発生する駆
動信号発生回路である。これらの駆動信号の周期は、送
受信器３が発生する超音波の周期と同周期である。
Ｗ１からＳＷ４を駆動するための駆動信号を発生する駆
動信号発生回路である。これらの駆動信号の周期は、送
受信器３が発生する超音波の周期と同周期である。
【００３５】駆動信号発生回路１４を構成するフリップ
フロップ１４１と１４２は、Ｑ出力とＱ−出力（Ｑの反
転をＱ−と表す。以下反転について同様に表す。）、及
びＰ出力とＰ−出力を発生する。
フロップ１４１と１４２は、Ｑ出力とＱ−出力（Ｑの反
転をＱ−と表す。以下反転について同様に表す。）、及
びＰ出力とＰ−出力を発生する。
【００３６】駆動信号発生回路１４は、前記Ｑ出力によ
ってスイッチＳＷ１を駆動し、前記Ｑ出力に対して１８
０度位相のずれたＱ−出力によってスイッチＳＷ２を駆
動する。また、前記Ｑ出力に対して９０度位相のずれた
Ｐ出力によってスイッチＳＷ３を駆動し、前記Ｐ出力に
対して１８０度位相のずれたＰ−出力によってスイッチ
ＳＷ４を駆動する。
ってスイッチＳＷ１を駆動し、前記Ｑ出力に対して１８
０度位相のずれたＱ−出力によってスイッチＳＷ２を駆
動する。また、前記Ｑ出力に対して９０度位相のずれた
Ｐ出力によってスイッチＳＷ３を駆動し、前記Ｐ出力に
対して１８０度位相のずれたＰ−出力によってスイッチ
ＳＷ４を駆動する。
【００３７】Ａ／Ｄ変換器１５と１６は、前記積分回路
１３２の出力と前記積分回路１３３の出力をそれぞれア
ナログ・デジタル変換し、演算部１７に出力する。
１３２の出力と前記積分回路１３３の出力をそれぞれア
ナログ・デジタル変換し、演算部１７に出力する。
【００３８】演算部１７を構成する記憶手段１７１は、
前記Ａ／Ｄ変換器１５と１６によってデジタル値に変換
された積分信号を一時記憶する記憶手段である。
前記Ａ／Ｄ変換器１５と１６によってデジタル値に変換
された積分信号を一時記憶する記憶手段である。
【００３９】移動加算器１７２は、記憶手段１７１に記
憶された前記Ｘ成分信号の積算値を下記（１）式によっ
て５データ区間で移動加算値Ｕ（ｎ）ｘを求めるもので
ある。 Ｕ（ｎ）ｘ＝ｄ（ｎ−２）ｘ＋ｄ（ｎ−１）ｘ＋ｄ（ｎ）ｘ＋ｄ（ｎ＋１）ｘ＋ ｄ（ｎ＋２）ｘ （１） 但し、ｄ（ｎ）ｘは、前記Ａ／Ｄ変換器１５から出力さ
れるデータ番号ｎのデジタルデータである。
憶された前記Ｘ成分信号の積算値を下記（１）式によっ
て５データ区間で移動加算値Ｕ（ｎ）ｘを求めるもので
ある。 Ｕ（ｎ）ｘ＝ｄ（ｎ−２）ｘ＋ｄ（ｎ−１）ｘ＋ｄ（ｎ）ｘ＋ｄ（ｎ＋１）ｘ＋ ｄ（ｎ＋２）ｘ （１） 但し、ｄ（ｎ）ｘは、前記Ａ／Ｄ変換器１５から出力さ
れるデータ番号ｎのデジタルデータである。
【００４０】移動加算器１７３は、記憶手段１７１に記
憶された前記Ｙ成分信号の積算値を下記（２）式によっ
て５データ区間で移動加算値Ｕ（ｎ）ｙを求めるもので
ある。 Ｕ（ｎ）ｙ＝ｄ（ｎ−２）ｙ＋ｄ（ｎ−１）ｙ＋ｄ（ｎ）ｙ＋ｄ（ｎ＋１）ｙ＋ ｄ（ｎ＋２）ｙ （２） 但し、ｄ（ｎ）ｙは、前記Ａ／Ｄ変換器１６から出力さ
れるデータ番号ｎのデジタルデータである。
憶された前記Ｙ成分信号の積算値を下記（２）式によっ
て５データ区間で移動加算値Ｕ（ｎ）ｙを求めるもので
ある。 Ｕ（ｎ）ｙ＝ｄ（ｎ−２）ｙ＋ｄ（ｎ−１）ｙ＋ｄ（ｎ）ｙ＋ｄ（ｎ＋１）ｙ＋ ｄ（ｎ＋２）ｙ （２） 但し、ｄ（ｎ）ｙは、前記Ａ／Ｄ変換器１６から出力さ
れるデータ番号ｎのデジタルデータである。
【００４１】移動減算器１７４は、下記（３）式によっ
て前記移動加算器１７２から出力されるデータ番号ｎの
デジタルデータ値Ｕ（ｎ）ｘと、これより５データ前の
デジタルデータ値Ｕ（ｎ−５）ｘとの差分演算値Ｄ
（ｎ）ｘを求め、これを２乗した値を出力するものであ
る。 ｛Ｄ（ｎ）ｘ｝2＝｛Ｕ（ｎ）ｘ−Ｕ（ｎ−５）ｘ｝2 （３）
て前記移動加算器１７２から出力されるデータ番号ｎの
デジタルデータ値Ｕ（ｎ）ｘと、これより５データ前の
デジタルデータ値Ｕ（ｎ−５）ｘとの差分演算値Ｄ
（ｎ）ｘを求め、これを２乗した値を出力するものであ
る。 ｛Ｄ（ｎ）ｘ｝2＝｛Ｕ（ｎ）ｘ−Ｕ（ｎ−５）ｘ｝2 （３）
【００４２】移動減算器１７５は、下記（４）式によっ
て前記移動加算器１７３から出力されるデータ番号ｎの
デジタルデータ値Ｕ（ｎ）ｙと、これより５データ前の
デジタルデータ値Ｕ（ｎ−５）ｙとの差分演算値Ｄ
（ｎ）ｙを求め、これを２乗した値を出力するものであ
る。 ｛Ｄ（ｎ）ｙ｝2＝｛Ｕ（ｎ）ｙ−Ｕ（ｎ−５）ｙ｝2 （４）
て前記移動加算器１７３から出力されるデータ番号ｎの
デジタルデータ値Ｕ（ｎ）ｙと、これより５データ前の
デジタルデータ値Ｕ（ｎ−５）ｙとの差分演算値Ｄ
（ｎ）ｙを求め、これを２乗した値を出力するものであ
る。 ｛Ｄ（ｎ）ｙ｝2＝｛Ｕ（ｎ）ｙ−Ｕ（ｎ−５）ｙ｝2 （４）
【００４３】加算器１７６は、前記移動減算器１７４と
移動減算器１７５の出力を加算する。
移動減算器１７５の出力を加算する。
【００４４】レベル検出器１７７は、前記加算器１７６
の出力波形からエコー波の到達時間を検出し、反射面４
のレベルを算出する。
の出力波形からエコー波の到達時間を検出し、反射面４
のレベルを算出する。
【００４５】ここで、図２から図６に示した各部の信号
波形図を用いて図１の実施例の動作を説明する。
波形図を用いて図１の実施例の動作を説明する。
【００４６】図２は、中間アンプ１２を通過した後のエ
コー信号の波形例を示した図であり、図３は積分回路１
３２と１３３に入力されるＸ成分信号とＹ成分信号の波
形例を示した図である。
コー信号の波形例を示した図であり、図３は積分回路１
３２と１３３に入力されるＸ成分信号とＹ成分信号の波
形例を示した図である。
【００４７】図２において、Ｔ０はエコー信号の中の信
号成分の周期であり、これは送受信器３が発生する超音
波の周期に等しい。
号成分の周期であり、これは送受信器３が発生する超音
波の周期に等しい。
【００４８】前記フリップフロップ１４１と１４２が発
生するＰ出力とＱ出力の関係は、前述のとおりＱ出力に
対してＰ出力は位相が９０度ずれた２相の同期信号にな
っている。
生するＰ出力とＱ出力の関係は、前述のとおりＱ出力に
対してＰ出力は位相が９０度ずれた２相の同期信号にな
っている。
【００４９】このような関係において、時刻ｔでＱ出力
によりスイッチＳＷ１がオンになったとする。これによ
って期間Ａ１にわたってスイッチＳＷ１からエコー信号
が取り出される。スイッチＳＷ２エコー信号が反転回路
１３１で反転してから与えられる。Ｑ−出力はＱ出力よ
りもＴ０／２だけ遅れたタイミングでオンになる。これ
によって、期間Ａ２にわたってスイッチＳＷ２からエコ
ー信号の反転信号が取り出される。期間Ａ１と期間Ａ２
の長さはそれぞれＴ０／２である。
によりスイッチＳＷ１がオンになったとする。これによ
って期間Ａ１にわたってスイッチＳＷ１からエコー信号
が取り出される。スイッチＳＷ２エコー信号が反転回路
１３１で反転してから与えられる。Ｑ−出力はＱ出力よ
りもＴ０／２だけ遅れたタイミングでオンになる。これ
によって、期間Ａ２にわたってスイッチＳＷ２からエコ
ー信号の反転信号が取り出される。期間Ａ１と期間Ａ２
の長さはそれぞれＴ０／２である。
【００５０】以下、同様にしてスイッチＳＷ１とＳＷ２
が半周期（Ｔ０／２）毎に交互にオンになる。スイッチ
ＳＷ１から取り出された信号とスイッチＳＷ２から取り
出された反転信号は加算される。図３（ａ）はこの結果
加算されたＸ成分信号である。
が半周期（Ｔ０／２）毎に交互にオンになる。スイッチ
ＳＷ１から取り出された信号とスイッチＳＷ２から取り
出された反転信号は加算される。図３（ａ）はこの結果
加算されたＸ成分信号である。
【００５１】Ｐ出力はＱ出力からＴ０／４だけ遅れたタ
イミングでオンになる。これにより期間Ａ３にわたって
スイッチＳＷ３からエコー信号が取り出される。スイッ
チＳＷ４には、エコー信号が反転回路１３１で反転して
から与えられる。Ｐ−出力はＰ出力よりもＴ０／２だけ
遅れたタイミングでオンになる。これによって、期間Ａ
４にわたってスイッチＳＷ４からエコー信号の反転信号
が取り出される。期間Ａ３と期間Ａ４の長さはそれぞれ
Ｔ０／２である。
イミングでオンになる。これにより期間Ａ３にわたって
スイッチＳＷ３からエコー信号が取り出される。スイッ
チＳＷ４には、エコー信号が反転回路１３１で反転して
から与えられる。Ｐ−出力はＰ出力よりもＴ０／２だけ
遅れたタイミングでオンになる。これによって、期間Ａ
４にわたってスイッチＳＷ４からエコー信号の反転信号
が取り出される。期間Ａ３と期間Ａ４の長さはそれぞれ
Ｔ０／２である。
【００５２】以下、同様にしてスイッチＳＷ３とＳＷ４
が半周期（Ｔ０／２）毎に交互にオンになる。スイッチ
ＳＷ３から取り出された信号とスイッチＳＷ４から取り
出された反転信号は加算される。図３（ｂ）はこの結果
加算されたＹ成分信号である。
が半周期（Ｔ０／２）毎に交互にオンになる。スイッチ
ＳＷ３から取り出された信号とスイッチＳＷ４から取り
出された反転信号は加算される。図３（ｂ）はこの結果
加算されたＹ成分信号である。
【００５３】このようにして送受信器３が発信する超音
波の周期と同周期で、位相が９０度ずつずれた４つの駆
動信号を用いてスイッチＳＷ１からＳＷ４を駆動するこ
とによりエコー信号から２つの信号成分を抽出してい
る。これらの信号は、図３より明らかなようにＸ成分信
号はエコー波Ｓ１のＳＩＮ成分信号であり、Ｙ成分信号
はエコー波Ｓ１のＣＯＳ成分信号である。
波の周期と同周期で、位相が９０度ずつずれた４つの駆
動信号を用いてスイッチＳＷ１からＳＷ４を駆動するこ
とによりエコー信号から２つの信号成分を抽出してい
る。これらの信号は、図３より明らかなようにＸ成分信
号はエコー波Ｓ１のＳＩＮ成分信号であり、Ｙ成分信号
はエコー波Ｓ１のＣＯＳ成分信号である。
【００５４】図４（ａ）は、図３（ａ）に示したＸ成分
信号を積分回路１３２によって積分した波形でり、図４
（ｂ）は、図３（ｂ）に示したＹ成分信号を積分回路１
３３によって積分した波形である。
信号を積分回路１３２によって積分した波形でり、図４
（ｂ）は、図３（ｂ）に示したＹ成分信号を積分回路１
３３によって積分した波形である。
【００５５】図２に示したエコー波Ｓ１（または図３
（ａ）に示したＸ成分信号）に重畳するノイズ信号Ｓ２
は、一般的に正負の領域をランダムに持っている。従っ
て図３（ａ）に示したＸ成分信号を積分器１３２によっ
て積分することにより、ノイズ信号の正負の領域が互い
に相殺されるため、積分出力信号からこれらノイズ信号
を除去することが可能である。
（ａ）に示したＸ成分信号）に重畳するノイズ信号Ｓ２
は、一般的に正負の領域をランダムに持っている。従っ
て図３（ａ）に示したＸ成分信号を積分器１３２によっ
て積分することにより、ノイズ信号の正負の領域が互い
に相殺されるため、積分出力信号からこれらノイズ信号
を除去することが可能である。
【００５６】このようにして、同期積分回路１３は送受
信器３が発信する超音波に周期と同周期の信号によって
エコー波から前記Ｘ、Ｙの成分信号を抽出し、これを積
分することにより、ノイズ信号を除去した信号成分を取
り出すことが可能である。
信器３が発信する超音波に周期と同周期の信号によって
エコー波から前記Ｘ、Ｙの成分信号を抽出し、これを積
分することにより、ノイズ信号を除去した信号成分を取
り出すことが可能である。
【００５７】上記の動作によって取り出されたＸ、Ｙ２
つの積分信号は、移動加算器１７２と１７３によって前
記（１）式と（２）式に従い、それぞれ移動加算処理が
施される。これは、デジタルデータとして一時保存され
た前記Ｘ、Ｙ２つの積分信号から高調波成分を除去し滑
らかに波形整形するためのフィルタリングを行う目的で
備えられたデジタルフィルタである。図５（ａ）はＸ成
分信号の積分信号を移動加算した波形の一例であり、図
５（ｂ）はＹ成分信号の積分信号を移動加算した波形の
一例である。
つの積分信号は、移動加算器１７２と１７３によって前
記（１）式と（２）式に従い、それぞれ移動加算処理が
施される。これは、デジタルデータとして一時保存され
た前記Ｘ、Ｙ２つの積分信号から高調波成分を除去し滑
らかに波形整形するためのフィルタリングを行う目的で
備えられたデジタルフィルタである。図５（ａ）はＸ成
分信号の積分信号を移動加算した波形の一例であり、図
５（ｂ）はＹ成分信号の積分信号を移動加算した波形の
一例である。
【００５８】次に、移動加算器１７２と１７３によって
それぞれ移動加算処理が施されたＸ、Ｙ２つの移動加算
信号は、移動減算器１７４と１７５によって前記（３）
式と（４）式に従い、それぞれ差分演算値を２乗した信
号が出力される。図６（ａ）はＸ成分信号の移動加算に
前記（３）式による演算処理を施した波形の一例であ
り、図６（ｂ）はＹ成分信号の移動加算に前記（４）式
による演算処理を施した波形の一例である。
それぞれ移動加算処理が施されたＸ、Ｙ２つの移動加算
信号は、移動減算器１７４と１７５によって前記（３）
式と（４）式に従い、それぞれ差分演算値を２乗した信
号が出力される。図６（ａ）はＸ成分信号の移動加算に
前記（３）式による演算処理を施した波形の一例であ
り、図６（ｂ）はＹ成分信号の移動加算に前記（４）式
による演算処理を施した波形の一例である。
【００５９】次に加算器１７６は、移動減算器１７４と
１７５によってそれぞれ移動減算処理と２乗処理が施さ
れたＸ、Ｙ２つの信号を加算する。これによって図６
（ｃ）に示すようなピークを有する波形が得られる。レ
ベル算出器１７７は前記波形のピークからレベルを検出
する。
１７５によってそれぞれ移動減算処理と２乗処理が施さ
れたＸ、Ｙ２つの信号を加算する。これによって図６
（ｃ）に示すようなピークを有する波形が得られる。レ
ベル算出器１７７は前記波形のピークからレベルを検出
する。
【００６０】ここで、前記レベル算出器１７７が行うレ
ベル検出の方法について、図７を用いて詳しく説明す
る。同図は、上記に述べた方法によって２乗加算した合
成波の一例である。
ベル検出の方法について、図７を用いて詳しく説明す
る。同図は、上記に述べた方法によって２乗加算した合
成波の一例である。
【００６１】まず、レベル算出器１７７は、前記合成波
Ｓ３の全区間におけるピーク値Ｄｐを求める。
Ｓ３の全区間におけるピーク値Ｄｐを求める。
【００６２】次に、レベル算出器１７７は、前記ピーク
値Ｄｐの１／４の大きさを求め、これをスレッシュホー
ルド電圧Ｖｔｈとして記憶する。 Ｖｔｈ＝１／４Ｄｐ （５） 次に、レベル算出器１７７は、前記ピーク値Ｄｐのデー
タから時間を戻す方向（図７中Ｋの方向である。）にデ
ータを検索し、前記スレッシュホールド電圧Ｖｔｈを下
回るデータを探す。この時、最初にスレッシュホールド
電圧Ｖｔｈを下回ったデータをエコー波の到達点Ｄｓ
（ｎ）とし、超音波を発信した時点から前記エコー波の
到達点Ｄｓ（ｎ）までの時間を求め、この時間からレベ
ルを検出する。
値Ｄｐの１／４の大きさを求め、これをスレッシュホー
ルド電圧Ｖｔｈとして記憶する。 Ｖｔｈ＝１／４Ｄｐ （５） 次に、レベル算出器１７７は、前記ピーク値Ｄｐのデー
タから時間を戻す方向（図７中Ｋの方向である。）にデ
ータを検索し、前記スレッシュホールド電圧Ｖｔｈを下
回るデータを探す。この時、最初にスレッシュホールド
電圧Ｖｔｈを下回ったデータをエコー波の到達点Ｄｓ
（ｎ）とし、超音波を発信した時点から前記エコー波の
到達点Ｄｓ（ｎ）までの時間を求め、この時間からレベ
ルを検出する。
【００６３】つまりレベル算出器１７７は、上記に説明
したように、前記ピーク値Ｄｐの１／４の大きさを持つ
スレッシュホールド電圧Ｖｔｈに対応するデータからレ
ベルを検出することにより、再現性の高いレベル測定を
実現している。その理由は以下のとおりである。
したように、前記ピーク値Ｄｐの１／４の大きさを持つ
スレッシュホールド電圧Ｖｔｈに対応するデータからレ
ベルを検出することにより、再現性の高いレベル測定を
実現している。その理由は以下のとおりである。
【００６４】レベル算出器１７７が図７に示した波形に
おいて、もし、ピーク値Ｄｐに対応するデータの到達点
Ｓｄｐ１に基づいてレベル測定を行うように構成されて
いた場合、１回目に測定したときは、ピーク値をＤｐ１
のデータとしエコー波の到達点をＳｄｐ１の点としてレ
ベルを検出するが、２回目に測定したときはエコー波の
状態によっては、ピーク値をＤｐ２のデータとして検出
する可能性がある。
おいて、もし、ピーク値Ｄｐに対応するデータの到達点
Ｓｄｐ１に基づいてレベル測定を行うように構成されて
いた場合、１回目に測定したときは、ピーク値をＤｐ１
のデータとしエコー波の到達点をＳｄｐ１の点としてレ
ベルを検出するが、２回目に測定したときはエコー波の
状態によっては、ピーク値をＤｐ２のデータとして検出
する可能性がある。
【００６５】この場合、レベルの検出値は、１回目に測
定を行った時と、２回目に測定を行った時とでそれぞれ
異なった値となるため、再現性が得られない。ところ
が、本発明の方法によってレベルを検出する場合、ピー
ク値がＤｐ１として検出された場合においても、Ｄｐ２
として検出された場合においてもほぼ同一のデータがエ
コー波の到達点Ｄｓ（ｎ）として認識される。従って、
本発明の方法によってレベルを検出することによって、
繰り返し測定を行った場合においても、ピーク値として
検出されるデータの違いに関わらず同一のレベルを検出
することが可能である。
定を行った時と、２回目に測定を行った時とでそれぞれ
異なった値となるため、再現性が得られない。ところ
が、本発明の方法によってレベルを検出する場合、ピー
ク値がＤｐ１として検出された場合においても、Ｄｐ２
として検出された場合においてもほぼ同一のデータがエ
コー波の到達点Ｄｓ（ｎ）として認識される。従って、
本発明の方法によってレベルを検出することによって、
繰り返し測定を行った場合においても、ピーク値として
検出されるデータの違いに関わらず同一のレベルを検出
することが可能である。
【００６６】また、この時レベル算出器１７７は、前記
エコー波の到達点Ｄｓ（ｎ）から時間を戻す方向に１０
データ前までのデータＤ（ｎ）を検索し、これらのうち
ひとつでも、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベルを測定異常として破棄するように構成されてい
る。
エコー波の到達点Ｄｓ（ｎ）から時間を戻す方向に１０
データ前までのデータＤ（ｎ）を検索し、これらのうち
ひとつでも、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベルを測定異常として破棄するように構成されてい
る。
【００６７】つまり、本発明による超音波レベル計は、
超音波が距離によって任意位相で入ってくるエコー信号
からＳＩＮ成分であるＸ成分信号と、ＣＯＳ成分である
Ｙ成分信号を抽出し、それらの信号からノイズ信号を除
去した積分信号を移動差分演算して得られたピーク値を
有する波形を２乗加算して得られたピーク波形からレベ
ルを求めることにより、エコー信号のノイズ成分に比べ
て信号成分が十分に微弱なときでも、ノイズ成分の中か
ら信号成分を正しく検出することが可能となった。
超音波が距離によって任意位相で入ってくるエコー信号
からＳＩＮ成分であるＸ成分信号と、ＣＯＳ成分である
Ｙ成分信号を抽出し、それらの信号からノイズ信号を除
去した積分信号を移動差分演算して得られたピーク値を
有する波形を２乗加算して得られたピーク波形からレベ
ルを求めることにより、エコー信号のノイズ成分に比べ
て信号成分が十分に微弱なときでも、ノイズ成分の中か
ら信号成分を正しく検出することが可能となった。
【００６８】一般的に前記エコー波は、前記送受信器３
から反射面４までの空間に存在する風や温度分布の変
化、塵や埃などの影響によって時々刻々と位相が変化し
ながら前記送受信器３に返ってくる。また、実際の超音
波は、図１３に示すように初期立ち上がり部Ｗ１と残留
部Ｗ２を有する複雑な波形である。これらもエコー波の
位相を時々刻々と変化させる大きな要因である。従っ
て、前記エコー波から抽出された前記Ｘ成分信号とＹ成
分信号は、前記送受信器３から反射面４までの距離Ｌｘ
によってその大きさが一定ではない。
から反射面４までの空間に存在する風や温度分布の変
化、塵や埃などの影響によって時々刻々と位相が変化し
ながら前記送受信器３に返ってくる。また、実際の超音
波は、図１３に示すように初期立ち上がり部Ｗ１と残留
部Ｗ２を有する複雑な波形である。これらもエコー波の
位相を時々刻々と変化させる大きな要因である。従っ
て、前記エコー波から抽出された前記Ｘ成分信号とＹ成
分信号は、前記送受信器３から反射面４までの距離Ｌｘ
によってその大きさが一定ではない。
【００６９】図１２は、超音波Ｐ１とエコー波Ｐ２の関
係を図示したものである。もし、距離Ｌｘが一定であり
前記送受信器３から反射面４までの空間に全くゆらぎが
ないとすると、前記エコー波Ｐ２の波形ｅｉは、超音波
の波長をλ、前記エコー波の振幅をＡとすると、 ｅｉ＝Ａｓｉｎθ （６） で表される。ここでθは、 θ＝（Ｌｘ／λ―Ｎ）×２π （ｒａｄ） である。但し、Ｎは、超音波Ｐ１が発信されてからエコ
ー波Ｐ２が受信されるまでの振幅数の整数部分である。
係を図示したものである。もし、距離Ｌｘが一定であり
前記送受信器３から反射面４までの空間に全くゆらぎが
ないとすると、前記エコー波Ｐ２の波形ｅｉは、超音波
の波長をλ、前記エコー波の振幅をＡとすると、 ｅｉ＝Ａｓｉｎθ （６） で表される。ここでθは、 θ＝（Ｌｘ／λ―Ｎ）×２π （ｒａｄ） である。但し、Ｎは、超音波Ｐ１が発信されてからエコ
ー波Ｐ２が受信されるまでの振幅数の整数部分である。
【００７０】従って前記（６）式のエコー波を前記同期
積分回路１３によって積分した場合のＸ成分の出力信号
ｅｉｘとＹ成分の出力信号ｅｉｙは、 ｅｉｘ＝∫Ａｓｉｎθ・ｄｔ （７） ｅｉｙ＝∫Ａｃｏｓθ・ｄｔ （８） となり、それぞれの有効成分が積分出力として現れる。
積分回路１３によって積分した場合のＸ成分の出力信号
ｅｉｘとＹ成分の出力信号ｅｉｙは、 ｅｉｘ＝∫Ａｓｉｎθ・ｄｔ （７） ｅｉｙ＝∫Ａｃｏｓθ・ｄｔ （８） となり、それぞれの有効成分が積分出力として現れる。
【００７１】この場合、位相θが一定であれば、時間ｔ
に関してそれぞれの積分値を２乗和開平すれば振幅Ａに
比例した積分値が得られる。即ち、 ∫Ａｄｔ＝√｛（∫Ａｓｉｎθ・ｄｔ）2＋（∫Ａｃｏｓθ・ｄｔ）2｝ （９） となる。
に関してそれぞれの積分値を２乗和開平すれば振幅Ａに
比例した積分値が得られる。即ち、 ∫Ａｄｔ＝√｛（∫Ａｓｉｎθ・ｄｔ）2＋（∫Ａｃｏｓθ・ｄｔ）2｝ （９） となる。
【００７２】しかし実際には、上記に説明した理由によ
るエコー波のゆらぎによって位相θは、時々刻々と変化
する。これを前記（９）式によってそのまま演算する
と、その演算結果に前記位相θの変化によって発生する
誤差を生じてしまう。
るエコー波のゆらぎによって位相θは、時々刻々と変化
する。これを前記（９）式によってそのまま演算する
と、その演算結果に前記位相θの変化によって発生する
誤差を生じてしまう。
【００７３】そこで、本発明の超音波レベル計では、図
１３において、超音波の発信時間Ｔ２に比べて充分に短
い時間Ｔ３であればエコー波の位相θは一定であるとみ
なし、前記短い時間Ｔ３の時間幅で前記エコー波から抽
出したＸ、Ｙの信号成分に前述した移動加算処理と移動
減算処理を施し、更に２乗加算することによって図７に
示したピークを有する波形を求めるように構成されてい
る。また、本来であれば、前記（９）式のように２乗加
算した信号を開平処理することが望ましいが、本発明の
超音波レベル計では、演算部１７の処理を高速化するた
め、前記ピークを有する波形を開平処理するかわりにピ
ーク値の１／４の大きさのデータを基点としてレベルを
検出している。これによって時々刻々と変化するエコー
波の位相の影響を除去することが可能となり、従来方式
を圧倒する高精度でレベルを検出することが可能となっ
た。
１３において、超音波の発信時間Ｔ２に比べて充分に短
い時間Ｔ３であればエコー波の位相θは一定であるとみ
なし、前記短い時間Ｔ３の時間幅で前記エコー波から抽
出したＸ、Ｙの信号成分に前述した移動加算処理と移動
減算処理を施し、更に２乗加算することによって図７に
示したピークを有する波形を求めるように構成されてい
る。また、本来であれば、前記（９）式のように２乗加
算した信号を開平処理することが望ましいが、本発明の
超音波レベル計では、演算部１７の処理を高速化するた
め、前記ピークを有する波形を開平処理するかわりにピ
ーク値の１／４の大きさのデータを基点としてレベルを
検出している。これによって時々刻々と変化するエコー
波の位相の影響を除去することが可能となり、従来方式
を圧倒する高精度でレベルを検出することが可能となっ
た。
【００７４】本発明の超音波レベル計では、発信周波数
が４０ｋＨｚ（１周期は２５μｓｅｃである。）の超音
波を０．１から０．２ｓｅｃで発信し、エコー波の７周
期の期間（１７５μｓｅｃである。）を位相θが一定で
あるとみなしている。また、前記Ａ／Ｄ変換器１５と１
６のサンプリング周期は３４．５μｓｅｃである。従っ
て前記エコー波の７周期の期間にサンプリングされるデ
ータ数は５個である。このため、上述した移動加算器１
７２と１７３及び移動減算器１７４と１７５では５個の
データ幅を用いて移動演算処理を行うように構成されて
いる。
が４０ｋＨｚ（１周期は２５μｓｅｃである。）の超音
波を０．１から０．２ｓｅｃで発信し、エコー波の７周
期の期間（１７５μｓｅｃである。）を位相θが一定で
あるとみなしている。また、前記Ａ／Ｄ変換器１５と１
６のサンプリング周期は３４．５μｓｅｃである。従っ
て前記エコー波の７周期の期間にサンプリングされるデ
ータ数は５個である。このため、上述した移動加算器１
７２と１７３及び移動減算器１７４と１７５では５個の
データ幅を用いて移動演算処理を行うように構成されて
いる。
【００７５】また、上記２相同期積分回路のかわりに３
相同期積分回路を用いて本発明の超音波レベル計を構成
した場合は、より精度の高い超音波レベル計を実現する
ことが可能である。
相同期積分回路を用いて本発明の超音波レベル計を構成
した場合は、より精度の高い超音波レベル計を実現する
ことが可能である。
【００７６】なお、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。
【００７７】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果がある。請求項１に記載
の発明では、超音波レベル計において、前記超音波の周
期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号から複
数の信号成分を抽出し、この信号成分を積分することに
よって前記複数の信号成分の積分信号を出力する多相同
期積分回路と、この複数の積分信号をそれぞれアナログ
／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器
の出力をそれぞれ移動加算する移動加算器と、前記移動
加算器の出力にそれぞれ一定のデータ幅で移動差分演算
を施すと共にこの演算値を２乗した信号を出力する移動
差分演算器と、前記移動差分演算器の出力を加算する加
算器と、この加算器の出力波形から前記反射面のレベル
を算出するレベル算出器を具備したことにより、同期積
分の長所である大幅なＳ／Ｎ比を得ながら、任意位相で
戻ってくるエコー波に対して位相情報を含めた処理を行
うことが可能となり、多くのノイズ信号を含むエコー波
に対して正確なエコー到達時間を測定することが可能と
なる。また、本発明の超音波レベル計は、前述した信号
処理をすべて汎用的な部品を用いて実現したため、低コ
ストでありながら、従来方式を圧倒する高精度でレベル
を検出することが可能となった。
本発明によれば次のような効果がある。請求項１に記載
の発明では、超音波レベル計において、前記超音波の周
期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号から複
数の信号成分を抽出し、この信号成分を積分することに
よって前記複数の信号成分の積分信号を出力する多相同
期積分回路と、この複数の積分信号をそれぞれアナログ
／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器
の出力をそれぞれ移動加算する移動加算器と、前記移動
加算器の出力にそれぞれ一定のデータ幅で移動差分演算
を施すと共にこの演算値を２乗した信号を出力する移動
差分演算器と、前記移動差分演算器の出力を加算する加
算器と、この加算器の出力波形から前記反射面のレベル
を算出するレベル算出器を具備したことにより、同期積
分の長所である大幅なＳ／Ｎ比を得ながら、任意位相で
戻ってくるエコー波に対して位相情報を含めた処理を行
うことが可能となり、多くのノイズ信号を含むエコー波
に対して正確なエコー到達時間を測定することが可能と
なる。また、本発明の超音波レベル計は、前述した信号
処理をすべて汎用的な部品を用いて実現したため、低コ
ストでありながら、従来方式を圧倒する高精度でレベル
を検出することが可能となった。
【００７８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
と同じ周期の信号を用いて前記エコー波のの周期の中で
半周期の期間にわたって信号を取り出し、残りの半周期
の期間にわたってエコー波の反転信号を取り出し、取り
出した信号を加算することによって前記エコー波から、
９０度位相の異なるＸ成分信号とＹ成分信号を抽出し、
前記Ｘ成分信号と前記Ｙ成分信号をそれぞれ積分する第
１及び第２の積分回路によって前記エコー波の２相同期
積分信号を出力する２相同期積分回路を用いたことによ
って、簡単な構造の２相同期積分回路を用いて上記の特
徴を備えた超音波レベル計を低コストで提供することが
可能となる。
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
と同じ周期の信号を用いて前記エコー波のの周期の中で
半周期の期間にわたって信号を取り出し、残りの半周期
の期間にわたってエコー波の反転信号を取り出し、取り
出した信号を加算することによって前記エコー波から、
９０度位相の異なるＸ成分信号とＹ成分信号を抽出し、
前記Ｘ成分信号と前記Ｙ成分信号をそれぞれ積分する第
１及び第２の積分回路によって前記エコー波の２相同期
積分信号を出力する２相同期積分回路を用いたことによ
って、簡単な構造の２相同期積分回路を用いて上記の特
徴を備えた超音波レベル計を低コストで提供することが
可能となる。
【００７９】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記移動加算器は、５データ区間で
移動加算値Ｕ（ｎ）を求めることにより、信号波形に影
響を与えることなく容易にフィルタリングを行うことが
可能となる。
載の発明において、前記移動加算器は、５データ区間で
移動加算値Ｕ（ｎ）を求めることにより、信号波形に影
響を与えることなく容易にフィルタリングを行うことが
可能となる。
【００８０】請求項４に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記移動差分演算器は、前記移動加
算器から出力されるデータ番号ｎのデジタルデータ値Ｕ
（ｎ）と、これより５データ前のデジタルデータ値Ｕ
（ｎ−５）との差分演算値Ｄ（ｎ）ｘを求め、これを２
乗した値を出力するように構成されたことにより、前記
多相同期積分回路から出力される積分波形のピーク値を
容易に得ることが可能となる。
載の発明において、前記移動差分演算器は、前記移動加
算器から出力されるデータ番号ｎのデジタルデータ値Ｕ
（ｎ）と、これより５データ前のデジタルデータ値Ｕ
（ｎ−５）との差分演算値Ｄ（ｎ）ｘを求め、これを２
乗した値を出力するように構成されたことにより、前記
多相同期積分回路から出力される積分波形のピーク値を
容易に得ることが可能となる。
【００８１】請求項５に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算器か
ら出力される出力波形のピーク値を求め、このピーク値
に対応するデータ位置から時間を戻す方向に順にデータ
を検索し、前記ピーク値の１／４の大きさを最初に下回
るデータＤｓ（ｎ）を検出することによって、超音波を
発信した時点から前記データＤｓ（ｎ）が到達するまで
の時間を求め、この時間からレベルを検出するように構
成されたことにより、図７に示した波形のようにピーク
値に近い大きさのデータが多数存在する波形において、
前記データＤｓ（ｎ）の到達点を検出する場合において
も、その再現性が維持することが可能となる。
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算器か
ら出力される出力波形のピーク値を求め、このピーク値
に対応するデータ位置から時間を戻す方向に順にデータ
を検索し、前記ピーク値の１／４の大きさを最初に下回
るデータＤｓ（ｎ）を検出することによって、超音波を
発信した時点から前記データＤｓ（ｎ）が到達するまで
の時間を求め、この時間からレベルを検出するように構
成されたことにより、図７に示した波形のようにピーク
値に近い大きさのデータが多数存在する波形において、
前記データＤｓ（ｎ）の到達点を検出する場合において
も、その再現性が維持することが可能となる。
【００８２】請求項６に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算信号
のピーク値の１／４の大きさに対応するデータＤｓ
（ｎ）から１０データ前までのデータＤ（ｎ）を検索
し、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベル値を測定異常として破棄するように構成された
ことにより、異常測定値を除去することが可能となる。
載の発明において、前記レベル算出器は、前記加算信号
のピーク値の１／４の大きさに対応するデータＤｓ
（ｎ）から１０データ前までのデータＤ（ｎ）を検索
し、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベル値を測定異常として破棄するように構成された
ことにより、異常測定値を除去することが可能となる。
【００８３】請求項７に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
の周期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号か
ら１２０度ずつ位相の異なる３個の信号成分を抽出し、
これらの信号成分をそれぞれ積分することによって３個
の信号成分の積分信号を出力する３相同期積分回路を用
いたことにより、２相同期積分回路を用いた場合に比
べ、更にその精度を向上させることが可能となる。
載の発明において、前記多相同期演算器は、前記超音波
の周期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号か
ら１２０度ずつ位相の異なる３個の信号成分を抽出し、
これらの信号成分をそれぞれ積分することによって３個
の信号成分の積分信号を出力する３相同期積分回路を用
いたことにより、２相同期積分回路を用いた場合に比
べ、更にその精度を向上させることが可能となる。
【図１】本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す
構成図である。
構成図である。
【図２】本発明の動作説明図である。
【図３】本発明の動作説明図である。
【図４】本発明の動作説明図である。
【図５】本発明の動作説明図である。
【図６】本発明の動作説明図である。
【図７】従来の超音波レベル計の一例を示す構成図であ
る。
る。
【図８】図８の超音波レベル計の動作説明図である。
【図９】図８の超音波レベル計の動作説明図である。
【図１０】図８の超音波レベル計の動作説明図である。
【図１１】図８の超音波レベル計の動作説明図である。
【図１２】本発明の動作説明図である。
【図１３】本発明の動作説明図である。
１ 検出対象
２ タンク
３ 送受信器
４ 反射面
１０ プリアンプ
１１ Ｄ／Ａ変換器
１２ 中間アンプ
１３ 同期積分回路
１４ 駆動信号発生回路
１５、１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ 演算器
１３１ 反転回路
１３２、１３３ 積分回路
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４ スイッチ
１４１，１４２ フリップフロップ
１７１ 記憶手段
１７２，１７３ 移動加算器
１７４，１７５ 移動減算器
１７６ 加算器
１７７ レベル算出器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平10−232279（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−248082（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−34154（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−304163（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−273023（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−246774（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01S 15/08
G01F 23/28
Claims (7)
- 【請求項１】レベル検出対象の反射面に向けて送受信器
から超音波を発信し、反射面で反射された超音波を前記
送受信器で受信し、前記送受信器が超音波を発信してか
らエコー波を受信するまでに要した時間をもとに前記反
射面のレベルを検出する超音波レベル計において、前記
超音波の周期と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の
信号から複数の信号成分を抽出し、この信号成分を積分
することによって前記複数の信号成分の積分信号を出力
する多相同期積分回路と、この複数の積分信号をそれぞ
れアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ
／Ｄ変換器の出力をそれぞれ移動加算する移動加算器
と、前記移動加算器の出力にそれぞれ一定のデータ幅で
移動差分演算を施すと共にこの演算値を２乗した信号を
出力する移動差分演算器と、前記移動差分演算器の出力
を加算する加算器と、この加算器の出力波形から前記反
射面のレベルを算出するレベル算出器を具備したことを
特徴とする超音波レベル計。 - 【請求項２】前記多相同期演算器は、前記超音波と同じ
周期の信号を用いて前記エコー波の周期の中で半周期の
期間にわたって信号を取り出し、残りの半周期の期間に
わたってエコー波の反転信号を取り出し、取り出した信
号を加算することによって前記エコー波から、９０度位
相の異なるＸ成分信号とＹ成分信号を抽出し、前記Ｘ成
分信号と前記Ｙ成分信号をそれぞれ積分する第１及び第
２の積分回路によって前記エコー波の２相同期積分信号
を出力する２相同期積分回路を用いたことを特徴とする
請求項１に記載の超音波レベル計。 - 【請求項３】前記移動加算器は、下記の式により５デー
タ区間で移動加算値Ｕ（ｎ）を求めることを特徴とする
請求項１に記載の超音波レベル計。 Ｕ（ｎ）＝ｄ（ｎ−２）＋ｄ（ｎ−１）＋ｄ（ｎ）＋ｄ
（ｎ＋１）＋ｄ（ｎ＋２） 但し、ｄ（ｎ）は、前記Ａ／Ｄ変換器から出力されるデ
ータ番号ｎのデジタルデータである。 - 【請求項４】前記移動差分演算器は、下記の式により、
前記移動加算器から出力されるデータ番号ｎのデジタル
データ値Ｕ（ｎ）と、これより５データ前のデジタルデ
ータ値Ｕ（ｎ−５）との差分演算値Ｄ（ｎ）を求め、こ
れを２乗した値を出力するように構成されたことを特徴
とする請求項１に記載の超音波レベル計。 ｛Ｄ（ｎ）｝2＝｛Ｕ（ｎ）−Ｕ（ｎ−５）｝2 - 【請求項５】前記レベル算出器は、前記加算器から出力
される出力波形のピーク値を求め、このピーク値に対応
するデータ位置から時間を戻す方向に順にデータを検索
し、前記ピーク値の１／４の大きさを最初に下回るデー
タＤｓ（ｎ）を検出することによって、超音波を発信し
た時点から前記データＤｓ（ｎ）が到達するまでの時間
を求め、この時間からレベルを検出するように構成され
たことを特徴とする請求項１に記載の超音波レベル計。 - 【請求項６】前記レベル算出器は、前記加算信号のピー
ク値の１／４の大きさに対応するデータＤｓ（ｎ）から
１０データ前までのデータＤ（ｎ）を検索し、 Ｄ（ｎ）＞Ｄｓ（ｎ） を満足するデータがあった場合、検出された前記反射面
のレベル値を測定異常として破棄するように構成された
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波レベル計。 - 【請求項７】前記多相同期演算器は、前記超音波の周期
と同じ周期の信号を用いて前記エコー波の信号から１２
０度ずつ位相の異なる３個の信号成分を抽出し、これら
の信号成分をそれぞれ積分することによって３個の信号
成分の積分信号を出力する３相同期演算器を用いたこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波レベル計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32643998A JP3481151B2 (ja) | 1998-11-17 | 1998-11-17 | 超音波レベル計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32643998A JP3481151B2 (ja) | 1998-11-17 | 1998-11-17 | 超音波レベル計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000146674A JP2000146674A (ja) | 2000-05-26 |
| JP3481151B2 true JP3481151B2 (ja) | 2003-12-22 |
Family
ID=18187825
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32643998A Expired - Fee Related JP3481151B2 (ja) | 1998-11-17 | 1998-11-17 | 超音波レベル計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3481151B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017134835A1 (ja) * | 2016-02-05 | 2017-08-10 | 富士電機株式会社 | 測定装置、測定方法、及びプログラム |
-
1998
- 1998-11-17 JP JP32643998A patent/JP3481151B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017134835A1 (ja) * | 2016-02-05 | 2017-08-10 | 富士電機株式会社 | 測定装置、測定方法、及びプログラム |
| JPWO2017134835A1 (ja) * | 2016-02-05 | 2018-02-08 | 富士電機株式会社 | 測定装置、測定方法、及びプログラム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000146674A (ja) | 2000-05-26 |
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