JP3814347B2 - 流体量測定システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異なった音響特性を有する２つの流体間界面の高さを測定する流体量測定システムに関するものである。
この発明はさらに特に流体の高さを測定する超音波または他の音響システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波装置は容器内における液体または他の流体の高さを測定するのに使用することができる。容器のより低い端部に位置した変換器は液体の表面へ上向きに方向付けられる音響エネルギのパルスを発生する。そのエネルギが液体と液体上の空気または他の気体間界面に遭遇すると、エネルギの一部は変換器の方へ反射してもどる。関連電子機器はパルスの伝送と反射パルスの受信間時間を測定し、これから、変換器上液体の高さを測定する。液体容器が地下の燃料貯蔵タンクのように固定されていれば、唯１つの変換器で十分に液面の高さそれ故に液体の量を測定することができる。容器が車輛のなかのように静止していないと、容器に対する液体表面の角度は姿勢または加速とともに変化するだろう。この理由で普通各容器につくつかの液体・測定プローブを有することが必要で、それによって異なったいくつかの点で液体の高さ、それ故燃料表面の角度が計算される。プローブがより多く使用されるほど、燃料表面の角度は精度よく計算でき、それは燃料表面がうねりまたは他の動きの結果普通完全に平坦ではないからである。超音波プローブは普通変換器の外側に存在する液体と同じ高さの液体で満たされた変換器の上に延在するチューブ（tube) または静止したウェル(well)を有している。このチューブの目的は液体表面のうねりを弱め、隣接プローブが互いに干渉しないようチューブ内にエネルギを局限することにある。しかしながら、チューブの使用は重量を増加しプローブに載置するのをより困難にする。超音波測定システムの従来例はＧＢ第２２７０１６０号、ＧＢ第２２６５００５号およびＧＢ第２２６５２１９号に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は改良された流体量測定システムを提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
冒頭に記載した流体量測定システムを備えた本発明によれば、該システムが、その界面へ発散音響エネルギを伝播し界面の第１領域で反射した第１変換器からの音響エネルギを受信する第１音響変換器と、界面へ発散音響エネルギを伝播し第１領域からはなれた界面の第２領域で反射した第２変換器からの音響エネルギを受信する第１変換器からはなれた第２音響変換器とを含み、前記第１変換器が第１および第２領域からはなれた界面の第３領域で反射した第２変換器からの音響エネルギを受信し、該システムが第１および第２変換器により受信した音響エネルギから第１、第２および第３領域の高さを計算することを特徴とするものである。
【０００５】
第２変換器は第３領域で反射後の第１変換器からのエネルギを受信でき、該システムは第１変換器で受信されたエネルギおよび第２変換器で受信されたエネルギの両者から第３領域の高さを計算する。好適には、該システムがさらに、第１および第２変換器を結ぶラインからはなれて位置する第３変換器を含み、その第３変換器が界面へ発散音響エネルギを伝播しその界面の第４領域で反射した第３変換器からのエネルギを受信し、該システムが第３変換器により受信した第３変換器のエネルギから第４領域の高さを計算する。第１変換器は界面の第５領域で反射した第３変換器からのエネルギを受信でき、該システムは第１変換器で受信した第３変換器のエネルギから第５領域の高さを計算する。第２変換器は界面の第６領域で反射した第３変換器からのエネルギを受信でき、該システムは第２変換器で受信した第３変換器のエネルギから第６領域の高さを計算する。
【０００６】
該システムは互いに非対称に位置する４つの変換器を含んでいてもよい。それら変換器は好適にはほぼ半球状の波面を伝播するように配置される。該システムは固定の高さより１つの変換器へ音響エネルギを反射しもどすよう、複数の変換器の前記１つの変換器の上に載置された反射器アセンブリを含んでいてもよい。その反射器アセンブリは好適には互いに連結された少なくとも３つのほぼ４分円形の脚を有し、１つの変換器がその複数脚の曲率の中心に位置され、それで音響エネルギはその複数脚にそって各点から同時に反射される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照し実施例により本発明に係るいくつかの超音波燃料・測定システムを説明する。
図１を参照するに、そこには本発明に係る燃料測定システムが最も簡単な形態で示されている。システムは燃料２を含んだ燃料タンク１を具え、燃料表面３の上のスペース（space)は空気で満たされている。２つの変換器５と６はタンクの内側の、その床面４の上に、互いにはなれた位置に載置されている。変換器５と６は半球状の波面またはなにか他の発散パターンを備えた超音波／音響エネルギを伝播する超音波変換器であり、それでエネルギは変換器上の燃料表面の比較的大きな面積に衝突する。変換器５と６は圧電素子で２つの電極間で半球形状の圧電要素を有し、それで付勢に際し半球状の波面を生じる。変換器５と６はチューブまたは静止したウェルに局限されず、それで伝播されたエネルギは拘束されない、すなわち、燃料２と空気間界面に遭遇するまで発散しつづける。燃料と空気は異なった音響特性を有するから、超音波エネルギの一部はその界面で反射されるだろう。各変換器はその表面で反射し、それ自身および他の変換器両者から発生するエネルギを受信するだろう。各変換器が燃料の高さの最大範囲まで燃料表面から反射されてきた他の変換器からのエネルギを確実に受信できるようにしながら、２つの変換器５と６間のスペース(space) をできるだけ大きく選択する。
【０００８】
２つの変換器５と６は電子機器ユニット１０に接続され、そのユニットは表示器１１または他の使用手段へ燃料量出力を提供する。電子機器ユニット１０は変換器５へ接続される第１送信／受信ユニット１５と他の変換器６へ接続される第２送信／受信ユニット１６とを含んでいる。２つの送信／受信ユニット１５および１６は、超音波周波数で音響エネルギのバースト(burst) を発生させるようそれらを駆動し、超音波エネルギの受信で生じる変換器からの電気信号を受信するため、普通の方法で変換器５と６へ電気エネルギを供給する。送信／受信ユニット１５および１６の出力は計算ユニット１７へ供給される。計算ユニット１７内の第１回路１８は送信／受信ユニット１５の出力を受信し、変換器５の直上の領域Ａでの燃料の高さＨa を、その変換器５からのエネルギバーストの伝送と燃料表面から反射後のその変換器での受信間時間から計算する。同様に、第２回路１９は他の変換器６上の燃料領域Ｂの高さＨb を計算する。第３回路２０は両送信／受信ユニット１５と１６からの出力を受信する。その第３回路２０は、２つの変換器５と６間分離の知識から、領域Ｃの高さＨc を計算するため、変換器５からのパルスの伝送と、２つの領域ＡおよびＢ間燃料表面の領域Ｃでの反射後他の変換器６での受信との間の時間を利用する。燃料表面がタンク１の床面４と平行である時には領域Ｃは領域ＡおよびＢ間と等距離はなれているだろうが、燃料表面が傾いていると領域ＡまたはＢの何れか一方により接近するだろう。第３回路２０は、変換器６からのパルスの伝送と同じ領域Ｃでの反射後の変換器５での受信との間の時間から、高さＨｃをまた随意に計算できる。高さＨｃのこの計算はＨｃのはじめの計算を確認したり高さの平均値を発生するのに使用することができる。あるいはまた、複数の変換器の１つが部分的モード欠陥（例えば送信はできるが受信ができないような欠陥）を有するような場合にはそのはじめの計算の代わりにそれが使用されてもよい。電子機器ユニット１０または別の回路２１を含み、それは回路１８−２０から高さＨａ，ＨｂおよびＨｃについての情報を受信し、タンクの幾何学的形態の知識から提供された燃料の容積を計算する。種々の計算を実行するため分離した複数の回路を使用する代わりに、プロセッサまたはソフトウェアがいくつかの計算を実行するのに使用される。不規則なタンクの異なった位置での高さから液体の容積を計算する装置はよく知られている。燃料質量を計算できるよう、システムが比重計などのような他のセンサからの入力を含んでもよいことが理解されよう。
【０００９】
これまで説明してきたシステムでは３つの異なった位置での高さの測定は２つの変換器のみの使用で得られる。しかしながら、その３つの位置は同一ライン上にあるので、この情報はタンクが２つの変換器を結ぶラインに沿って狭く細長い場合には流体量の十分な精度を与えるかもしれないが、それ以外は流体表面の姿勢を一義的に特定することはできない。流体／空気界面の姿勢を一義的に知る必要がある場合は、少なくとも図２のような３つの変換器を使用する必要がある。
【００１０】
図２に示される３つの変換器３１−３３はタンク１の床面上３角形の頂点に、すなわち各変換器は他の２つの変換器を結ぶラインからはなれて位置している。変換器３１−３３はそれらの上方燃料／空気界面に向かって上方に発散音響エネルギを発生する。各変換器３１−３３はそれぞれの変換器の真上の燃料表面のそれぞれの領域Ｄ，ＥまたはＦから反射したエネルギを受信し、これら反射信号の受信までの時間は普通の方法で燃料Ｈｄ，ＨｅおよびＨｆの高さを計算するのに使用される。各変換器３１−３３により送信されるエネルギの発散性質と、このエネルギが静止したウェルにより局限されないという事実の故に、各変換器は燃料表面からの反射により他の２つの変換器からのエネルギをまた受信する。より特別には、変換器３１は領域Ｇ（領域ＤとＥの間）での反射後変換器３２からのエネルギを、および領域Ｈ（領域ＤとＦの間）での反射後変換器３３からのエネルギを受信する。変換器３２は領域Ｇでの反射後変換器３１からのエネルギを、および領域Ｉ（領域ＥとＦの間）で反射後変換器３３からのエネルギを受信する。変換器３３は領域ＨおよびＩそれぞれで反射後変換器３１および３２からのエネルギを受信する。高さＨｇ，ＨｈおよびＨｉは他の２つの変換器の１つからの反射エネルギにより発生された３つの変換器３１−３３の出力から計算される。かくて、６つの異なった高さの全部が計算され、燃料／空気界面の位置を一義的に決定することができる。
【００１１】
図３に示されるごとく４つの変換器４１−４４が使用されると、燃料表面の領域ＪからＳの１０の異なった高さＨｊからＨｓを計算することが可能である。３つ以上の変換器が使用される場合は、１つの変換器で受信される他の変換器からのパルスが同時に到達する危険を削減するため、それら３つが互いに非対称に位置づけされるのが好適である。
【００１２】
通常のシステムでは、各プローブは唯１つの高さを測定するのみで、それで４つのプローブは４つの高さを発生するだろう。本発明ではプローブの数を増加すると以下に示すごとく測定可能な高さの数も増加するだろう。

【００１３】
本発明システムでは数多くの高さ測定が可能なので、各タンクの変換器の数は削減され、その結果重量、設備の問題およびケーブル敷設で削減が可能である。
【００１４】
静止したウェルを有する超音波プローブでは、静止したウェルの長さにそって互いにはなれた既知の位置の静止したウェルに反射器が載置されていることが知られている。このことは高さの測定、特に流体に層形成がある場合、すなわち異なった温度に起因する異なった密度層がある場合により大きな精度を可能とする。反射器を有するプローブの一例はＧＢ第２２６５２１９号に記載されている。本発明装置ではまた、これら層形成効果を固定反射器により補償することもまた可能である。図４に示された種類のオープン（open）構造の反射器アセンブリまたは層形成タワー(tower) ５０が使用されてもよい。このタワー５０は中心点から放射状に延在し互いに１２０°方位をなす３つの４分円形状の脚５１を有している。この脚５１はマスト（mast) ５２を支持し、マスト５２は３つの脚５１間中心点から垂直に上方に突出し、そのマストにそって間隔を有した３つの水平方向に交差したピース(piece) ５３−５５を支持している。変換器５６はマスト５２の直下、脚５１の曲率の中心に位置している。複数の脚５１と複数の交差ピース５３−５５は複数の反射器として動作する。複数の脚５１はそれらが脚にそったあらゆる点で変換器５６からの半球状波面を反射するから大きな振幅反射を発生するだろうし、同時に、複数の他の反射器はより小さな振幅反射を発生するだろう。必要に応じ反射器の異なった数が使用される。各変換器について連係した層形成タワーを有する必要はない、それは１つの変換器における層形成の効果はすべての変換器の出力を補償するのに使用できるからである。
【００１５】
変換器についてタンクの外側に置くこと、および床面の透明な窓を介して音響エネルギを伝播することは可能で、それは静止したウェルが使用されないからである。これは変換器の設置、保守および交換を容易にする。
本発明は燃料／空気界面の高さの測定に限定されるものではなく、例えば、油と水の２つの異なった音響特性の２つの流体間界面の高さを測定するのに使用されることもできる。変換器は界面の上に載置しエネルギを下向きに伝播させることもできる。音響エネルギは超音波領域の外側の周波数でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は２つの変換器を使用するシステムの概要を示す斜視図である。
【図２】３つの変換器を備えたタンクを示す斜視図である。
【図３】４つの変換器を備えたタンクを示す平面図である。
【図４】変換器を備えた反射器アセンブリの斜視図である。
【符号の説明】
１ 燃料タンク
２ 燃料
３ 燃料表面
４ タンクの床面
５，６，３１，３２，３３，４１，４２，４３，４４，５６ 変換器
１０ 電子機器ユニット
１１ 表示器
１５，１６ 送信／受信ユニット
１７ 計算ユニット
１８ 第１回路
１９ 第２回路
２０ 第３回路
２１ 別の回路
５０ タワー
５１ 脚
５２ マスト
５３，５４，５５ 交差ピース

Claims (9)

1. 異なった音響特性を有する２つの流体間界面の高さを測定する流体量測定システムにおいて、該システムが、その界面（３）へ発散音響エネルギを伝播し界面の第１領域（Ａ，Ｄ，Ｊ）で反射した第１変換器（５，３１，４１）からの音響エネルギを受信する第１音響変換器（５，３１，４１）と、界面（３）へ発散音響エネルギを伝播し第１領域（Ａ，Ｄ，Ｊ）からはなれた界面の第２領域（Ｂ，Ｅ，Ｋ）で反射した第２変換器（６，３２，４２）からの音響エネルギを受信する第１変換器からはなれた第２音響変換器（６，３２，４２）とを含み、前記第１変換器（５，３１，４１）が第１および第２領域（Ａ，Ｄ，ＪとＢ，Ｅ，Ｋ）からはなれた界面（３）の第３領域（Ｃ，Ｇ，Ｎ）で反射した第２変換器（６，３２，４２）からの音響エネルギを受信し、該システムが第１および第２変換器（５，３１，４１と６，３２，４２）により受信した音響エネルギから第１、第２および第３領域の高さを計算することを特徴とする流体量測定システム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記第２変換器（６，３２，４２）が第３領域（Ｃ，Ｇ，Ｎ）で反射後第１変換器（５，３１，４１）からのエネルギを受信し、前記システムが第１変換器（５，３１，４１）により受信されたエネルギと第２変換器（６，３２，４２）により受信されたエネルギの両者から第３領域（Ｃ，Ｇ，Ｎ）の高さを計算することを特徴とする流体量測定システム。
3. 請求項１または２記載のシステムにおいて、該システムがさらに、第１および第２変換器（３１，４１と３２，４２）を結ぶラインからはなれて位置する第３変換器（３３，４３）を含み、その第３変換器（３３，４３）が界面へ発散音響エネルギを伝播しその界面の第４領域（Ｆ，Ｌ）で反射した第３変換器（３３，４３）からのエネルギを受信し、該システムが第３変換器により受信した第３変換器（３３，４３）のエネルギから第４領域（Ｆ，Ｌ）の高さを計算することを特徴とする流体量測定システム。
4. 請求項３記載のシステムにおいて、第１変換器（３１，４１）が界面の第５領域（Ｈ，Ｒ）で反射した第３変換器（３３，４３）からのエネルギを受信し、前記システムが第１変換器（３１，４１）で受信した第３変換器（３３，４３）のエネルギから第５領域（Ｈ，Ｒ）の高さを計算することを特徴とする流体量測定システム。
5. 請求項３または４記載のシステムにおいて、第２変換器（３２，４２）が界面の第６領域（Ｉ，Ｏ）で反射した第３変換器（３３，４３）からのエネルギを受信し、該システムが第２変換器（３２，４２）で受信した第３変換器（３３，４３）のエネルギから第６領域（Ｉ，Ｏ）の高さを計算することを特徴とする流体量測定システム。
6. 請求項１から５いずれかに記載のシステムにおいて、該システムが互いに非対称に位置する４つの変換器（４１−４４）を含むことを特徴とする流体量測定システム。
7. 請求項１から６いずれかに記載のシステムにおいて、複数の変換器（５と６，３１−３３，４１−４４）がほぼ半球状の波面を伝播することを特徴とする流体量測定システム。
8. 請求項１から７いずれかに記載のシスムテにおいて、該システムが固定の高さより変換器へ音響エネルギを反射しもどすよう、複数の変換器の１つ（５６）の上に載置された反射器アセンブリ（５０）を含むことを特徴とする流体量測定システム。
9. 請求項８記載のシステムにおいて、反射器アセンブリ（５０）が互いに連結された少なくとも３つのほぼ４分円形状の脚（５１）を有し、変換器（５６）がその複数脚（５１）の曲率の中心に位置され、それで音響エネルギがその複数脚にそって各点から同時に反射されることを特徴とする流体量測定システム。

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