JP3742856B2

JP3742856B2 - 液位検出装置

Info

Publication number: JP3742856B2
Application number: JP2000187130A
Authority: JP
Inventors: 知己阪本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JP2002005725A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体を収容した容器の壁面を伝搬する弾性波を用いて液位を検出する液位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、容器壁面に弾性波を伝搬させ、その弾性波が容器壁面に接触する液の存在によって減衰することを利用して液位の検出を行うことが知られている。そして、ラム波状の弾性波を発生させる素子として、斜角探傷用素子に類似する形状のものを用いることが提案されている（特開昭５９−２３０１１６号公報、特開昭６４−２９７１５号公報参照）。
【０００３】
また、弾性波素子を鉛直方向に配置し、容器壁面を伝搬する応力波（圧力波）の減衰から液面をリニアに検知することも提案されている（特開平２−２１２７９５号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ラム波状弾性波を伝搬させ受信させるためには、高価なセンサユニットが必要であり、しかも、センサユニットを容器に取り付ける際に、粗さを小さくするように表面仕上げなどを行う必要があるとともに、内部の液面を変化させて校正を行う必要がある。
【０００５】
さらに説明する。
【０００６】
特開昭５９−２３０１１６号公報、特開昭６４−２９７１５号公報に示す弾性波素子を採用すれば、特定のラム波状弾性波を直接発生させるのであるから、効率を高めることができるとともに、指向性を高めて耐外来ノイズ性を高めることができる。
【０００７】
しかし、このような弾性波素子は、素子の構成が複雑であるとともに、加工精度が要求されるので、高価なものになってしまうという不都合がある。また、弾性波の周波数を低周波に設定することによって、より厚い鋼板（例えば、５ｍｍ以上の鋼板）であっても検出を行うことができ、回路コストも低減することができるのであるが、低周波化のために弾性波素子のヘッドが大型化し、高価になってしまうので、一般には、数百ｋＨｚ〜ＭＨｚオーダーの振動周波数のものが採用される。さらに、弾性波素子の取り付け時に、容器壁面の表面とのマッチングに非常に敏感であるから、取り付け面の処理、実装箇所でのキャリブレーションが不可欠である。さらにまた、熱、放射線を回避する方法として、帯状板によるラム波導波路が不可欠である。そして、帯状板によるラム波導波路は、液の有無を検知できる原理と同様に、表面への付着物（結露、断熱材の接触など）などの影響を大きく受けるのであるから、室外で使用する場合には、防御のために振動を妨げない大きなカバーが必要である。
【０００８】
また、特開平２−２１２７９５号公報に示す方法を採用した場合には、液面応答がシャープ、かつリニアではないので、液面を検出する場合には、全液位についてキャリブレーションを行う必要があり、実使用に当たって適用することが困難である。さらに、液面応答は容器の形状に依存すると考えられるので、容器ごと、かつ弾性波素子の取付位置ごとにキャリブレーションを行う必要があるので、困難性が一層顕著になる。
【０００９】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、弾性波素子の構成を簡単化するとともに、低コスト化することができ、大型化、コストアップを伴うことなく振動周波数を低周波数化することができ、キャリブレーションを予め行っておくことができ、しかも容器からの熱、放射線などの影響を避けることができ、その上、液面に対してシャープでリニアな検知を可能とする液位検出装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の液位検出装置は、液体を収容する容器（１）と、バースト波状に超音波を発生する超音波発生部（３）と、超音波を受信する超音波受信部（５）とを有し、超音波発生部（３）と容器（１）の壁面の第１の所定位置とを、容器壁面を伝搬する弾性波の波長よりも小さい直径を有し、かつ縦波を伝播させる棒状の第１ロッド部材（２）で連結するとともに、超音波受信部（５）と容器（１）の壁面の第２の所定位置とを、容器壁面を伝搬する弾性波の波長よりも小さい直径を有し、かつ縦波を伝播させる棒状の第２ロッド部材（４）で連結してあり、ロッド部材と容器壁面との結合部で、縦波とラム波状の弾性波との間のモード変換が行われるものである。
【００１１】
請求項２の液位検出装置は、前記第１ロッド部材、第２ロッド部材として、弾性波の波長の１／２以下の直径を有するものを採用するものである。
【００１２】
請求項３の液位検出装置は、前記超音波発生部として第１ロッド部材に対してネジ締結により装着されるものを採用し、前記超音波受信部として第２ロッド部材に対してネジ締結により装着されるものを採用するものである。
【００１３】
請求項４の液位検出装置は、前記超音波受信部として、直接伝搬してくる弾性波信号のみを用いて液検知のための信号処理を行うものを採用するものである。
【００１４】
【作用】
請求項１の液位検出装置であれば、容器内に液体を収容した状態において、超音波発生部において発生された弾性波を第ロッド部材を通して容器の壁面に縦波として伝搬させることにより、容器の壁面をラム波状の弾性波が伝搬し、この伝搬するラム波状の弾性波を第２ロッド部材を通して縦波伝搬させて超音波受信部に導き、受信弾性波の強度によって液位の検出を行うことができる。
【００１５】
したがって、超音波発生部、超音波受信部の何れについても構成を簡単化して低コスト化することができ、しかも、超音波発生部を大型化することなく低周波の弾性波を発生して厚みが大きい壁部材を有する容器に対する適用を可能とすることができ、さらに、容器から超音波発生部、超音波受信部への熱、放射線などの影響が大幅に低減できるので、熱、放射線などの影響を回避するための特別の対処を不要にして構成を簡単化することができる。
【００１６】
請求項２の液位検出装置であれば、前記第１ロッド部材、第２ロッド部材として、弾性波の波長の１／２以下の直径を有するものを採用するのであるから、ロッド部材を伝搬する縦波と容器壁面を伝搬するラム波状弾性波との間のモード変換をスムーズに、かつ効率よく行わせることができるとともに、超音波発振子、超音波受信子は、ラム波状弾性波の波長に比して狭い開口径で感受するため、センサ付近の検知分解能を向上させることができるほか、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００１７】
請求項３の液位検出装置であれば、前記超音波発生部として第１ロッド部材に対してネジ締結により装着されるものを採用し、前記超音波受信部として第２ロッド部材に対してネジ締結により装着されるものを採用するのであるから、超音波発生部、超音波受信部の交換を簡単に行うことができるとともに、取付時の音響的結合の再現性を高めることができるため、超音波発生部、超音波受信部自体のキャリブレーションを行っておけばよく、キャリブレーションを簡単化することができるほか、請求項１または請求項２と同様の作用を達成することができる。
【００１８】
請求項４の液位検出装置であれば、前記超音波受信部として、直接伝搬してくる弾性波信号のみを用いて液検知のための信号処理を行うものを採用するのであるから、よりシャープでリニアな液面応答を得ることができるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の液位検出装置の実施の態様を詳細に説明する。
【００２０】
図１はこの発明の液位検出装置の一実施態様を示す概略斜視図、図２は図１の液位検出装置の要部を拡大して示す底面図である。
【００２１】
この液位検出装置は、鋼板製容器１の壁部材の所定位置に、第１ロッド部材２を介して超音波発振素子３を設けているとともに、第２ロッド部材４を介して超音波受信素子５を設けている。そして、鋼板製容器１の壁部材の外表面（以下、壁面と略称する）に対する第１ロッド部材２の装着位置と第２ロッド部材４の装着位置とを水平方向に配置している。
【００２２】
前記第１ロッド部材２、第２ロッド部材４は、鋼板製容器１の壁面を伝搬する弾性波の波長よりも小さい直径を有するものであり、弾性波の波長の１／２以下の直径を有するものであることが好ましい。また、前記第１ロッド部材２、第２ロッド部材４の長さは、ロッド内での縦波の多重反射の影響を考慮して決定することが好ましいが、長さや形状を精度よく加工できる場合には、信号値を再現することができるので、任意の長さにすることができる。さらに、結露水などが超音波発振素子３のヘッド、超音波受信素子５のヘッドにたまるのを防止すべく、ロッド部材を湾曲させることができる。
【００２３】
前記第１ロッド部材２、第２ロッド部材４は、鋼板製容器１の壁面に対してほぼ垂直になるように溶接（Ｔｉｇ溶接、スタッド溶接など）、ろう付け、ねじ締結などにより結合されている。そして、第１ロッド部材２、第２ロッド部材４の先端部に、それぞれ超音波発振素子３、超音波受信素子５が、これらの感度方向がロッド部材と同軸方向となるように装着されている。また、各素子のロッド部材に対する装着は、接着、溶接、ろう付けなどにより行うことができるが、ダブルナットなどによるネジ締結により行うことが好ましく、構成の簡単化および音響的結合の高い再現性を達成することができる。
【００２４】
前記超音波発振素子３、超音波受信素子５は、従来使用されていた複雑で精密な構成が要求される形状のセンサではなく、例えば、ＡＥセンシングに使用されるような、数百ｋＨｚ以下に共振周波数を持つ、小形な径方向振動子や、円筒形のせん断方向振動子によるセンサユニットを、その素子の共振点付近で使用するものである。具体的には、径方向の共振を利用する圧電素子が例示できる。
【００２５】
上記の構成の液位検出装置の作用は次のとおりである。
【００２６】
超音波発振素子３をバースト波状に励振すれば、第１ロッド部材２を縦波が伝搬し、鋼板製容器１の壁面との結合部においてラム波状の弾性波にモード変換され、このラム波状弾性波が鋼板製容器１の壁面を伝搬する。そして、第２ロッド部材４の結合部において縦波にモード変換され、第２ロッド部材４を縦波伝搬して超音波受信素子５に供給される。そして、超音波受信素子５からの出力信号に基づく信号処理として、超音波受信素子５に直接伝搬してきた成分（伝搬したラム波状の弾性波のうち、容器形状に依存して反射や回り込みをし、複雑に重畳した波形になってしまう前までに到達した成分）のみを抽出し、その大きさを数値化して（図３中の出力レベル参照）液位に依存する変動をプロットしたところ、図３に示す結果が得られた。なお、図３において出力レベルが急変している液面高さが第１ロッド部材２、第２ロッド部材４の鋼板製容器１の壁面に対する結合位置に対応している。また、前記信号処理は、端面反射成分などが重畳して到達するまでに直接到達してくるラム波状の弾性波の時間間隔を音速から計算し、到達時刻から所定時間（例えば、約２５μｓｅｃ）の弾性波信号を処理することにより達成できる。前記バースト波の波束幅は、この時間間隔以上で、最もこの時間間隔に近いものとすることが好ましく、信号をできるだけ大きく受信でき、しかも残響を最も小さくすることができる。さらにまた、図３に示すプロット結果は、超音波発振素子３、超音波受信素子５として共振周波数が１５０ｋＨｚの圧電素子を採用し、ロッド部材としてＭ４ＳＵＳ製のものを採用し、鋼板製容器１として、厚みが６ｍｍの鋼板を用いて製造されたものを採用した場合に対応している。
【００２７】
したがって、鋼板製容器１の液位が上昇し、もしくは下降している間において、液位が第１ロッド部材２、第２ロッド部材４の鋼板製容器１の壁面に対する結合位置になったこと、液位が第１ロッド部材２、第２ロッド部材４の鋼板製容器１の壁面に対する結合位置よりも高いこと、液位が第１ロッド部材２、第２ロッド部材４の鋼板製容器１の壁面に対する結合位置よりも低いことを精度よく検出することができる。
【００２８】
さらに説明する。
【００２９】
この実施態様は、従来の液位検出装置よりも低周波を利用するのであるから、鋼板の厚みが１０ｍｍ以上の鋼板製容器１に適用することができ、液の介在に起因する信号値の減衰を十分に大きくとることができ、より適切な周波数条件で液位検出を行うことができる。
【００３０】
また、鋼板製容器１の壁面に対して十分なスティッフネスで結合されたロッドに、センサヘッド自身をネジ締結によって十分なスティッフネスで結合することによって、たとえ共振周波数付近であっても非常によい再現性で振動を結合することができる。この点に関し、従来は、故障時などにセンサを交換した場合に、センサの結合度合いがばらつくので、交換の都度キャリブレーションを行う必要があり、容器内の液面を上下させなければならないのであるが、この実施態様においては、生産時に超音波発振素子３、超音波受信素子５自身の信号強度、感度を予め標準治具に世って検査して記録しておき、超音波発振素子３、超音波受信素子５を交換する際には、それらの値から個体差を算出し、補正係数として信号処理に反映するだけでよいから、交換後のキャリブレーションを行う必要がなくなる。
【００３１】
さらに、各ロッド部材での伝搬は縦波であるから、ロッド部材の側面への接触（結露、断熱材の接触など）による信号損失は、帯状板にラム波状の弾性波を伝搬させる場合と比較して非常に小さく、影響を受け難いという利点を有しており、この結果、量産製品に適用する場合に、工数、コストの低減に大きく貢献することができる。
【００３２】
また、液位の検出を行わない場合には、超音波受信素子５によって異常振動検知を行うことができる。
【００３３】
図４はこの発明の液位検出装置の他の実施態様を示す概略斜視図である。
【００３４】
この液位検出装置が図１の液位検出装置と異なる点は、第１ロッド部材２、第２ロッド部材４を水平方向に配置する代わりに、鉛直方向に配置した点のみである。
【００３５】
この実施態様を採用した場合には、液面高さ−出力レベル特性が例えば図５に示すとおりになり（液位が両ロッド部材の外側である場合には出力レベルが一定になり、液位が両ロッド部材の内側である場合には出力レベルがほぼ直線状の減衰曲線になり）、液位が第１ロッド部材２よりも低い状態、液位が第２ロッド部材４よりも高い状態を精度よく検出することができるとともに、液位が第１ロッド部材２と第２ロッド部材４との間である場合に、単に両ロッド部材の間であることのみならず、両ロッド部材の間のどの位置であるかを精度よく検出することができる。
【００３６】
以上の実施態様においては、第１ロッド部材２と第２ロッド部材４とを水平方向、鉛直方向に配置した場合について説明したが、任意の方向に配置することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、超音波発生部、超音波受信部の何れについても構成を簡単化して低コスト化することができ、しかも、超音波発生部を大型化することなく低周波の弾性波を発生して厚みが大きい壁部材を有する容器に対する適用を可能とすることができ、さらに、容器から超音波発生部、超音波受信部への熱、放射線などの影響が大幅に低減できるので、熱、放射線などの影響を回避するための特別の対処を不要にして構成を簡単化することができるという特有の効果を奏する。
【００３８】
請求項２の発明は、ロッド部材を伝搬する縦波と容器壁面を伝搬するラム波状弾性波との間のモード変換をスムーズに、かつ効率よく行わせることができるとともに、超音波発振子、超音波受信子は、ラム波状弾性波に比して狭い開口径で感受するため、センサ付近の検知分解能を向上させることができるほか、請求項１と同様の効果を奏する。
【００３９】
請求項３の発明は、超音波発生部、超音波受信部の交換を簡単に行うことができるとともに、取付時の音響的結合の再現性を高めることができるため、超音波発生部、超音波受信部のキャリブレーションを行っておけばよく、キャリブレーションを簡単化することができるほか、請求項１または請求項２と同様の効果高価を奏する。
【００４０】
請求項４の発明は、よりシャープでリニアな液面応答を得ることができるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の液位検出装置の一実施態様を示す概略斜視図である。
【図２】図１の液位検出装置の要部を拡大して示す底面図である。
【図３】液面高さ−出力レベル特性の一例を示す図である。
【図４】この発明の液位検出装置の他の実施態様を示す概略斜視図である。
【図５】液面高さ−出力レベル特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１鋼板製容器２第１ロッド部材
３超音波発振素子４第２ロッド部材
５超音波受信素子

Claims

液体を収容する容器（１）と、バースト波状に超音波を発生する超音波発生部（３）と、超音波を受信する超音波受信部（５）とを有し、超音波発生部（３）と容器（１）の壁面の第１の所定位置とを、容器壁面を伝搬する弾性波の波長よりも小さい直径を有し、かつ縦波を伝播させる棒状の第１ロッド部材（２）で連結するとともに、超音波受信部（５）と容器（１）の壁面の第２の所定位置とを、容器壁面を伝搬する弾性波の波長よりも小さい直径を有し、かつ縦波を伝播させる棒状の第２ロッド部材（４）で連結してあり、ロッド部材と容器壁面との結合部で、縦波とラム波状の弾性波との間のモード変換が行われることを特徴とする液位検出装置。
前記第１ロッド部材（２）、第２ロッド部材（４）は弾性波の波長の１／２以下の直径を有している請求項２に記載の液位検出装置。
前記超音波発生部（３）は第１ロッド部材（２）に対してネジ締結により装着され、前記超音波受信部（５）は第２ロッド部材（４）に対してネジ締結により装着されている請求項１または請求項２に記載の液位検出装置。
前記超音波受信部（５）は、直接伝搬してくる弾性波信号のみを用いて液検知のための信号処理を行うものである請求項１から請求項３の何れかに記載の液位検出装置。