JP3849394B2 - 超音波レベル計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を送信して反射面からのエコー波を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波レベル計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、従来の超音波レベル計の一例を示す図である。駆動回路１０は、トランスＴを介して、数十ＫＨｚの駆動周波数ｆｄで１ＫＶP-P〜２ＫＶP-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して超音波送受信器（圧電素子が使用される例が多いため、以後圧電素子という）２０に印加される。
【０００３】
圧電素子２０は、この駆動信号に応じて超音波信号を送信すると共に反射した超音波を受信するセンサとして働くもので、例えばＰＺＴ等が用いられる。
圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路Ｄを介して受信回路３０に入力され、その後信号処理回路３２に入力される。
【０００４】
図１８は、従来の超音波レベル計において多重エコー波が発生した状態を示す図である。
従来の超音波レベル計では、圧電素子２０が発信した超音波Ｐは被反射物体で反射してエコー波Ｐ1 となって圧電素子２０に戻ってくる。そして、このエコー波Ｐ1 は、圧電素子２０で反射してから被反射物体で再び反射して、エコー波Ｐ2 となって圧電素子２０に戻ってくる。このような超音波Ｐの多重反射により発生するエコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．は徐々に減衰して小さくなるが、エコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．の信号レベルが略同じ大きさになるように、被反射物体までの距離に応じてゲインが上げられる。その結果、図１８に示すように、被反射物体までの距離が近い場合には、信号レベルが略同じ大きさである多数のエコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．が発生する。例えば、距離Ｌｘが０．５ｍ程度の近距離である場合には、１０個程度のエコー波が現れる。
【０００５】
従来の超音波レベル計では、エコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．の信号レベルの最大値を１００％としたときに、この最大値の２０％〜２５％にしきい値を設定して、測定可能範囲内における最小距離からエコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．を順次検索する。そして、最初にしきい値を超えるエコー波Ｐ1 が主エコー波に決定されて、圧電素子２０が超音波Ｐを送信してからこのエコー波Ｐ1 が到達するまでの時間が計測され、被反射物体までの距離Ｌｘが算出される。
【０００６】
エコー波Ｐ1 が到達するまでの時間の計測、換言すればエコー波の位置の検出は、通常超音波発信後（測定開始後）から連続して信号の受信と、その受信信号の振幅チェックを行って、エコー位置を検出するようにしている。従来の超音波レベル計では、圧電素子２０の送受信面の構造を斜めにカットしたり円錐状に変形して、エコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．の減衰を順次大きくしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１９は、従来の超音波レベル計において測定可能範囲外の近距離でエコー波が発生した状態を示す図である。
図１９に示すように、超音波レベル計の測定可能範囲が距離Ｌｘａ〜Ｌｘｂであるときに、主エコー波（第１エコー波）Ｐ1 が距離Ｌｘａよりも近くで発生すると、信号処理回路３２は第２エコー波Ｐ2 を主エコー波として検索する。このように、主エコー波Ｐ1 が測定可能範囲外（Ｌｘ１＜Ｌｘａ）であると、第２エコー波Ｐ2 を主エコー波として誤って検索する。その結果、実際の距離よりも約２倍も遠い距離を誤って測定してしまう。
【０００８】
また、従来の超音波レベル計では、圧電素子２０が超音波Ｐの発信を停止した後に、図１９に示すように数ｍｓの共振振動が残留波形として存在する。このために、測定可能範囲を距離Ｌｘ１以内に設定すると、残留波形が減衰する間に、被反射物体で反射したエコー波Ｐ1 が現れて、このエコー波Ｐ1 と残留波Ｐ'とが重なりこれらの波形を区別することが困難になる。その結果、残留波Ｐ'の信号レベルがしきい値を超えていると、この残留波Ｐ'を主エコー波として検索するおそれがあり、主エコー波Ｐ1 の検索が困難になる。
【０００９】
さらに、従来の超音波レベル計では、測定可能範囲を超えて水位が上昇すると、図１９に示す第２エコー波Ｐ2 や第３エコー波Ｐ3 を主エコー波として検索し、増水を未満水として誤って判断するおそれがある。例えば、圧電素子２０が浸水したときには、超音波Ｐの伝搬速度が空間に比べて約５倍増加する。
【００１０】
この発明の課題は、反射面のレベルを正確に測定することができるとともに、異常状態を検出することができる超音波レベル計を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定するものではない。
（１）超音波を送信して反射面からのエコー波を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前記受信面と前記反射面との間で前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔を検出し、前記複数のエコー波の継続時間及びレベルを検出する検出手段と、前記複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索する検索手段と、前記複数のエコー波の継続時間及びレベルに基づいて、前記受信面が浸水した状態であると判定する判定手段とを備えることを特徴とする超音波レベル計。
（２）（１）に記載の超音波レベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも大きいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲内にあると判定することを特徴とする超音波レベル計。
（３）（２）に記載の超音波レベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも小さいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあると判定することを特徴とする超音波レベル計。
また、本発明は、超音波（Ｐ）を送信して反射面からのエコー波を受信面（２０）で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前記受信面と前記反射面との間で前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波（Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．）の間隔を検出する検出手段（５５）と、前記検出手段の検出結果に基づいて、第１エコー波を検索する検索手段（５６）とを含む超音波レベル計である。
【００１２】
さらに、本発明は、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも大きいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲内にあると判定することを特徴とする超音波レベル計である。
【００１３】
また、本発明は、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも小さいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあると判定することを特徴とする超音波レベル計である。
【００１４】
さらに、本発明は、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔に基づいて前記第１エコー波を検索することを特徴とする超音波レベル計である。
【００１５】
また、本発明は、超音波（Ｐ）を送信して反射面からのエコー波を受信面（２０）で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波（Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．）の継続時間及びレベルを検出する検出手段（５５）と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記受信面が浸水した状態であると判定する判定手段（５５）とを含む超音波レベル計である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計の構成図である。
なお、図１７に示す部分と同一の部分には同一の番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００１７】
この発明の実施形態に係る超音波レベル計は、圧電素子２０から送信した超音波が液面で反射して戻ってくるまでの往復時間を計測して、この液面のレベルを測定する装置である。超音波レベル計は、図１に示すように、駆動回路１０、圧電素子２０、受信回路３０、２相同期積分回路４０、演算回路５０及び表示手段６０を備えている。
【００１８】
受信回路３０は、プリアンプＡｌと、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣと、メインアンプＡ２とが直列接続されたものである。プリアンプＡｌは圧電素子２０からのエコー信号を受けるが、圧電素子２０に与えられた駆動信号と同時に振幅の影響を取り除くために、ダイオード回路Ｄにより駆動信号にリミッタをかけて信号を受信する。
【００１９】
Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、デジタル・アナログ変換処理と共に、プリアンプＡｌから入力された波形信号に対してＴＶＧ（Time Variable Gain）処理を行うことができるように構成されている。このＴＶＧ処理とは、距離や湿度、反射面の状態などによって変化する超音波の減衰特性に合わせて、ゲインを増加させるようにする処理手段である。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、距離や湿度などによってエコー波の減衰量が変化するときに、反射面が遠くにあっても、このエコー波が一定出力になるようにゲインを可変する。
【００２０】
メインアンプＡ２は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣの信号を受信して適宜に増幅し、その出力を２相同期積分回路４０に与えている。
【００２１】
２相同期積分回路４０は、Ｘ位相積分部分４１、Ｙ位相積分部分４２より構成される。
Ｘ位相積分部分４１は、第１の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ４３、Ｘ位相側スイッチ４４、Ｘ位相積分回路４５及びＡ／Ｄ変換器４６で構成される。Ｙ位相積分部分４２は、第２の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ４３、Ｙ位相側スイッチ４７、Ｙ位相積分回路４８及びＡ／Ｄ変換器４９で構成される。
【００２２】
なお、フリップフロップ４３には駆動回路１０の出力が印加され、Ｐ出力がＸ位相側スイッチ４４に印加され、Ｑ出力がＹ位相側スイッチ４７に印加される。Ｐ出力とＱ出力は、位相が四半周期ずれたもので、オンオフのデューティ比はいずれも５０％になっている。
【００２３】
これにより、上記第１の同期積分回路４１では、圧電素子２０を駆動する駆動周波数の位相（これを第１の位相と呼ぶ）でエコー信号が同期積分され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出力される。他方、上記第２の同期積分回路４２では、前記第１の位相とは四半周期離れた第２の位相で同期積分され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出力される。
なお、エコー波に重畳するノイズ信号は一般的に正負の領域をランダムに持っており、上記の積分によりこのノイズ成分は除去される。
【００２４】
演算回路５０は、２相同期積分回路４０からの時系列の各積分値Ｘ，Ｙをそれぞれ記憶手段（図示せず）に記憶し、その後積分値Ｘ，Ｙの有極加算、積分値Ｘ，Ｙの合成を行い、その合成信号のピークの位置と大きさからエコーの到来位置を求める。演算回路５０は、データ重ね回路５１、移動加算回路５２、ピーク位置検索回路５３、基準化回路５４、判定回路５５及び主エコー検索回路５６を備えている。演算回路５０は、受信回路３０のＤＡＣのＴＶＧを制御する機能も有する。
【００２５】
表示手段６０は、液面のレベルを表示したり、主エコー波が測定可能範囲外にあるときにオーバーレンジ表示をしたり、圧電素子２０が浸水したときに浸水表示をする。
【００２６】
次に、この発明の実施形態に係る超音波レベル計の動作を説明する。
駆動回路１０は、トランスＴを介して、駆動周波数ｆｄ＝４０ＫＨｚで０．８ＫＶP-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して圧電素子２０に印加される。駆動回路１０は、近距離測定用に圧電素子２０を１６パルス駆動し、遠距離測定用に圧電素子２０を６４パルス駆動して超音波を送受信し、演算回路５０がエコー位置を検出する。圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路Ｄを介して受信回路３０に入力する。
【００２７】
図２は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における主エコー波の判定範囲を示す図であり、図２（ａ）は１６パルス送信時の判定範囲を示し、図２（ｂ）は６４パルス送信時の判定範囲を示す。
図２（ｂ）に示す６４パルス送信時では、１．５ｍ〜２０ｍを測定可能範囲としており、測定可能範囲内の最小距離が１．５ｍであって、２番目のエコー波（第２エコー波）は３ｍの位置にあり、３番目のエコー波（第３エコー波）は４．５ｍの位置にある。この測定可能範囲内では、第２エコー波、第３エコー波の減衰量が大きいために、１番目のエコー波（主エコー波）の検出を誤ることがない。一方、図２（ａ）に示す１６パルス送信時では、０．５ｍ〜２．５ｍを測定可能範囲としており、距離が１ｍ以内では第２エコー波の減衰量が少なく、距離が０．５ｍになると第３エコー波、第４エコー波と高次のエコー波まで減衰量が少ない。このために、この実施形態では、６４パルス送信時には主エコーの判定を行わず、１６パルス送信時にのみ０．５ｍから３．６ｍまでを主エコー波の判定範囲とする。
【００２８】
Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、２相同期積分回路４０が処理するエコー波をある程度の一定レベルにするために、エコー波が戻ってくるまでの時間（距離）に応じてゲインをコントロールする。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、エコー波のレベルが小さいときにはゲインを上げ、エコー波のレベルが大きいときにはゲインを下げて、エコー波のレベルを検出可能な大きさに調節する。
【００２９】
２相同期積分回路４０は、所定周期（例えば、１２セル周期）で積分を行う。ここで、セルとは、２相同期積分回路４０が積分値を計測するときのワンステップの時間幅をいう。２相同期積分回路４０は、１２セルごとのデータを１つのブロックデータとして扱う。１２セルは音速時間距離でほぼ１４．４ｃｍに相当する。ただし、１２セル目はリセット期間である。
【００３０】
この実施形態では、１２セルを１ブロックとして扱うため、エコー到達距離の分解能としては約７．２ｃｍとなる。
なお、１２セルごとにリセットするのは、エコー位置検出にとってはそれで必要十分であり、また２相同期積分回路４０の積分器のドリフト等を考慮すると１２セル目でリセットするのが好適であるからである。しかしながら、本願発明は１２セル目に限定するものではなく、例えば１０セル〜１００セル範囲内の任意のセルを採用することができる。ただし、あまり長くすると検出分解能が悪化するばかりでなく、積分器のドリフト等が影響して好ましくない。
【００３１】
図３は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における１６パルス駆動時の超音波送信とエコー位置の検出範囲との関係を示す図である。
ここで、パルス駆動は、超音波送受信器のパルス送信に対応するため、パルス送信とも言う。図３に示すように、エコー位置の検出は、パルス駆動直後（送信開始０セル）から幅広く行うのではなく、図示のように意味のある有効な範囲（この範囲をＷＳ（Window Search）と呼ぶ）に限定して行うようにしている。１６パルス駆動時では、７４セル（約４６．２５ｃｍ）でスタートして５７８セル（約３６１ｃｍ）で終了する。２相同期積分回路４０は、１２セル周期毎に積分のセット及びリセット（Ｓ／Ｒ）を繰り返す。このときに、ＴＶＧ処理は、ＷＳの全測定範囲において行われる。
【００３２】
図４は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＸ位相積分部分及びＹ位相積分部分の動作を説明するための図である。図４（ａ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＯＮ動作を示し、図４（ｂ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＲＥＳＥＴ動作を示し、図４（ｃ）はＸ位相積分回路の出力波形を示し、図４（ｄ）はＹ位相積分回路の出力波形を示す。
【００３３】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、７４セル目（ＷＳスタート点）でＯＮ動作（積分開始）して１１セル分（積分区間：３８０．５μｓ）だけ積分を続け、８５セル目から８６セル目までの１セル分（リセット区間：３４．５８６μｓ）だけリセットする。そして、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、８６セル目でＯＮ動作を再び開始する。このように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、１２セル周期（Interval：４１５．０４μｓ）を１ブロックとして、ＷＳの全範囲（７４セルから５７８セルまで）でセット及びリセットを繰り返す。その結果、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８からそれぞれ鋸刃状波形（積分波形）を得ることができる。
【００３４】
図５は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するための図である。図５（ａ）はＸ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、図５（ｂ）はＹ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、図５（ｃ）はこれらの変換データを合成した合成データを示す。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換器４６，４９は、図４（ｃ）（ｄ）に示す積分波形をセル毎にＡ／Ｄ変換する。ここで、図５（ａ）（ｂ）に示すＢ１ｘ，Ｂ２ｘ，Ｂ３ｘ，．．．及びＢ１ｙ，Ｂ２ｙ，Ｂ３ｙ，．．．は１２セル毎のブロックを意味し、ｄｌ〜ｄｌｌは各ブロック内の１１個のＡ／Ｄ変換データである。
【００３６】
データ重ね回路５１は、図５（ｃ）に示すように、各ブロックごとにＡ／Ｄ変換値を有極加算する。有極加算とは、データの極性を正負そのままで単純に加算（例えば、Ｂ１ｘの有極加算＝ｄ１＋ｄ２＋．．．＋ｄ１１）することを言う。有極加算は、同期積分値のノイズを打ち消すための手法であり、ノイズは正負に積分されて有極加算によりキャンセルされ、信号分Ｂｄのみが現れる。そして、各ブロックごとに、Ｘ側とＹ側についてそれぞれ有極加算結果の絶対値をとり、それを合成加算（例えば、Ｂｄ１の合成加算＝｜Ｂ１ｘの有極加算｜＋｜Ｂ１ｙの有極加算｜）する。図５（ｃ）に示すＢｄｌ，Ｂｄ２，Ｂｄ３，．．．は、各ブロック毎の合成データである。
【００３７】
図６は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における移動加算によるピーク値の検出動作を説明するための図であり、図６（ａ）は図５（ｃ）の合成データを示し、図６（ｂ）は移動加算とエコー波の検索動作を示し、図６（ｃ）は基準化動作を示す。
【００３８】
移動加算回路５２は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、データ重ね回路５１が出力した合成データについて、図５（ｃ）に示すＢ１からＢ４２（ＷＳ終点）まで２ブロックづつ移動加算（例えば、Ｂｄ１＋Ｂｄ２，Ｂｄ２＋Ｂｄ３，Ｂｄ３＋Ｂｄ４，．．．）を行う。ここでは、２ブロックづつの移動加算とした。２ブロックとしたのは、エコー波形はブロックに対して任意に到来するが、１６パルス駆動においては少なくとも２ブロックを合成することで１６パルスすべてのエコー波の積分値を捕らえることができるためである。
【００３９】
ピーク位置検索回路５３は、図６（ｂ）に示すように、全ブロック内でピーク値（合成データ＝Ｂｄｎ＋Ｂｄ（ｎ＋１）の最大値Ｂｄｎ ｍａｘ）を検出してこのピーク値の２０％をしきい値に選び、このしきい値を超えたブロックを検索する。
【００４０】
基準化回路５４は、図６（ｃ）に示すように、全ブロック内でしきい値２０％以上のブロックを「１」とし、しきい値２０％以下のブロックを「０」として、Ｂ１からＢ４１（約３．６ｍ／２３°Ｃ）までコンパレートする。基準化回路５４は、「１」が続いている場合には最初の「１」を第１エコーＢｎａとし、一回でも「０」があればリセットして、つぎに現れる「１」を第２エコーＢｎｂとする。図６（ｃ）に示すように、多重エコーでは、第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，第３エコーＢｎｃ，．．．と続く。ここで、Ｂのサフィックスは１２セル毎のブロック位置を示す。この実施形態では、１２セルを１ブロックとしているために、第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，．．．は１２セル（１ブロック）毎の判別となり、個々の距離計算は約７．５ｃｍの分解能となる。
【００４１】
判定回路５５は、図６（ｃ）に示す第１エコーＢｎａの「１」が連続して５個以内であって、かつ、ｎｂ−ｎａが６以上であるときには、第１エコーＢｎａが主エコーであると判定する。また、判定回路５５は、第１エコーＢｎａのみが存在し第２エコーＢｎｂ以降が存在しないときにも、第１エコーＢｎａが主エコーであると判定する。なお、判定回路５５は、主エコーが第２エコー、第３エコーの場合については判定しない。
【００４２】
図７は、測定可能範囲内に主エコー波があるときの図であり、図７（ａ）は実験データであり、図７（ｂ）は模式図である。図８は、測定可能範囲内に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
図７及び図８に示すように、多重エコーでは、複数のエコー波が略等間隔で続く。主エコー検索回路５５は、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波との間の間隔を検出し、この間隔がある程度大きいときには、最初に検出されたエコー波 が測定可能範囲内にあり第１エコー波（主エコー波）であると判定する。具体的には、図７（ｂ）に示すように、最初に検出されたエコー波Ｂ1 とその次に検出されたエコー波Ｂ2 との間の間隔が、最初に検出されたエコー波Ｂ1 と原点０との間隔に略等しい（Ｌ2 ＝２Ｌ1 ）ときには、最初に検出されたエコー波Ｂ1 が第１エコー波であると判定される。
【００４３】
一方、第１エコー波が０．５ｍ以下であるときには、ｎａとｎｂとの間の間隔が狭くなる。また、これらの間隔がさらに狭くなると、残留波同士が重なり全体が大きなエコー波となって現れて、エコー波と残留波との判別が不明確になる。特に、反射の弱い物体の場合には、エコー波と残留波との判別が困難になる。判定回路５５は、図６（ｃ）に示す第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，．．．のうち「１」が連続して６個以上続く部分があり、かつ、ｎｂ−ｎａが５以下であるときには、第１エコーＢｎａは第２エコー波又は高次エコー波であると判定し、第１エコー波が測定可能範囲外であると判定する。
【００４４】
図９は、測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの図であり、図９（ａ）は実験データであり、図９（ｂ）は模式図である。図１０は、測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
主エコー検索回路５５は、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波との間の間隔を検出し、この間隔が狭いときには最初のエコー波が主エコー波ではなく、主エコー波は残留波と重なっていると判定する。具体的には、図９（ｂ）に示すように、最初に検出されたエコー波Ｂ2 とその次に検出されたエコー波Ｂ3 との間の間隔が、最初に検出されたエコー波Ｂ2 と原点０との間隔に比べて狭い（Ｌ3−Ｌ2 ＜Ｌ2 ）ときには、最初に検出されたエコー波Ｂ2 が第１エコー波ではないと判定される。主エコー検索回路５５は、エコー波Ｂ3 とエコー波Ｂ2 との間の間隔を、エコー波Ｂ2 と原点０との間隔から減算して、残留波に重なっているエコー波（主エコー波）Ｂ1 の位置を検索する。表示手段６０は、主エコー検索回路５５が検索した主エコー波の位置（レベル）を表示する。
【００４５】
図１１は、超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データである。図１２は、超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
図１１及び図１２に示すように、距離が５ｃｍ程度の測定可能範囲外では、残留波同士が重なり合って全体が大きなエコー波となって現れる。この場合には、表示手段６０がオーバーレンジ表示する。
【００４６】
図１３は、開水路流量計内の通常面と浸水面とを示す図である。図１４は、超音波送受信面が浸水したときの実験データである。図１５は、超音波送受信面が浸水したときの実験データと平均値とを示す図である。図１６は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における浸水時の基準化動作を示す図である。
【００４７】
図１３に示す開水路流量計は、パーマ・ボーラスフリューム（以下、ＰＢフリュームという）である。このＰＢフリュームは、下水などの円形管路内に設置され、図示しないスロート部と呼ばれる絞り部の上流側水位を超音波レベル計によって測定し流量を演算する流量計である。図１３に示すように、ＰＢフリューム内で水位が上昇すると、圧電素子２０が浸水することがある。超音波は、伝達媒体が気体（空気）から液体（水）に変化すると、速度が約５倍になるとともに、伝達損失が大幅に減少する。その結果、図１４及び図１５に示すように、エコー波が大きくなるとともに、多重エコー波となって長時間（距離３ｍ以上）にわたり続く。判定回路５５は、多重エコー波の継続時間とレベルとを検出して、これらの値が極端に大きくなったときには浸水と判定する。判定回路５５は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣが狭い範囲でゲインをコントロールしており、かつ、図１６に示すように、Ｂｎａの「１」がほとんどであるときには浸水状態であると判定する。
【００４８】
この発明の実施形態に係る超音波レベル計には、以下に記載するような効果がある。
（１） この実施形態では、圧電素子２０と液面との間で超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔を検出し、この間隔に基づいて第１エコー波が測定可能範囲内にあるか否かを判定する。このために、第１エコー波が測定可能範囲外にあるときに、第２エコー波や第３エコー波を誤って主エコー波として測定することがなくなり、主エコー波を正確に捉えることができる。
【００４９】
（２） この実施形態では、第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあるときには、複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索する。このために、測定可能範囲外の近距離において、多重波と重なって検出が困難な第１エコー波を、検出可能な第２エコー波と第３エコー波との間の間隔から演算することができる。
【００５０】
（３） この実施形態では、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の継続時間及びレベルを検出し、この検出結果に基づいて圧電素子２０が浸水した状態であると判定する。このために、従来の超音波レベル計では表示せずに放置されていた異常状態（浸水状態）を検出し表示することができるとともに、フィールド機器として超音波レベル計を広く使用することができる。
【００５１】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形態では、液面のレベルを測定する超音波レベル計を例に挙げて説明したが、反射面からのエコー波を受信してこの反射面までの距離を測定する超音波距離計についても適用することができる。また、この実施形態では、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波との間の間隔を検出しているが、Ｎ番目のエコー波とＮ＋１番目のエコー波との間の間隔を検出してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索するので、反射面のレベルを正確に測定することができる。また、この発明によると、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の継続時間及びレベルに基づいて、受信面が浸水した状態であるか否かを判定するので、以上状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る超音波レベル計の構成図である。
【図２】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における主エコー波の判定範囲を示す図であり、（ａ）は１６パルス送信時の判定範囲を示し、（ｂ）は６４パルス送信時の判定範囲を示す。
【図３】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における１６パルス駆動時の超音波送信とエコー位置の検出範囲との関係を示す図である。
【図４】この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＸ位相積分部分及びＹ位相積分部分の動作を説明するための図である。（ａ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＯＮ動作を示し、（ｂ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＲＥＳＥＴ動作を示し、（ｃ）はＸ位相積分回路の出力波形を示し、（ｄ）はＹ位相積分回路の出力波形を示す。
【図５】この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するための図である。（ａ）はＸ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、（ｂ）はＹ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、（ｃ）はこれらの変換データを合成した合成データを示す。
【図６】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における移動加算によるピーク値の検出動作を説明するための図であり、（ａ）は図５（ｃ）の合成データを示し、（ｂ）は移動加算とエコー波の検索動作を示し、（ｃ）は基準化動作を示す。
【図７】測定可能範囲内に主エコー波があるときの図であり、（ａ）は実験データであり、（ｂ）は模式図である。
【図８】測定可能範囲内に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
【図９】測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの図であり、（ａ）は実験データであり、（ｂ）は模式図である。
【図１０】測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
【図１１】超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データである。
【図１２】超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
【図１３】開水路流量計内の通常面と浸水面とを示す図である。
【図１４】超音波送受信面が浸水したときの実験データである。
【図１５】超音波送受信面が浸水したときの実験データと平均値とを示す図である。
【図１６】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における浸水時の基準化動作を示す図である。
【図１７】従来の超音波レベル計の一例を示す図である。
【図１８】従来の超音波レベル計において多重エコー波が発生した状態を示す図である。
【図１９】従来の超音波レベル計において測定可能範囲外の近距離でエコー波が発生した状態を示す図である。
【符号の説明】
１０ 駆動回路
２０ 圧電素子
３０ 受信回路
４０ ２相同期積分回路
５０ 演算回路
５５ 判定回路
５６ 主エコー検索回路
Ｐ 超音波
Ｐ' 残留波
Ｐ1 第１エコー波
Ｐ2 第２エコー波
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を送信して反射面からのエコー波を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波レベル計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、従来の超音波レベル計の一例を示す図である。駆動回路１０は、トランスＴを介して、数十ＫＨｚの駆動周波数ｆｄで１ＫＶP-P〜２ＫＶP-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して超音波送受信器（圧電素子が使用される例が多いため、以後圧電素子という）２０に印加される。
【０００３】
圧電素子２０は、この駆動信号に応じて超音波信号を送信すると共に反射した超音波を受信するセンサとして働くもので、例えばＰＺＴ等が用いられる。
圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路Ｄを介して受信回路３０に入力され、その後信号処理回路３２に入力される。
【０００４】
図１８は、従来の超音波レベル計において多重エコー波が発生した状態を示す図である。
従来の超音波レベル計では、圧電素子２０が発信した超音波Ｐは被反射物体で反射してエコー波Ｐ1 となって圧電素子２０に戻ってくる。そして、このエコー波Ｐ1 は、圧電素子２０で反射してから被反射物体で再び反射して、エコー波Ｐ2 となって圧電素子２０に戻ってくる。このような超音波Ｐの多重反射により発生するエコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．は徐々に減衰して小さくなるが、エコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．の信号レベルが略同じ大きさになるように、被反射物体までの距離に応じてゲインが上げられる。その結果、図１８に示すように、被反射物体までの距離が近い場合には、信号レベルが略同じ大きさである多数のエコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．が発生する。例えば、距離Ｌｘが０．５ｍ程度の近距離である場合には、１０個程度のエコー波が現れる。
【０００５】
従来の超音波レベル計では、エコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．の信号レベルの最大値を１００％としたときに、この最大値の２０％〜２５％にしきい値を設定して、測定可能範囲内における最小距離からエコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．を順次検索する。そして、最初にしきい値を超えるエコー波Ｐ1 が主エコー波に決定されて、圧電素子２０が超音波Ｐを送信してからこのエコー波Ｐ1 が到達するまでの時間が計測され、被反射物体までの距離Ｌｘが算出される。
【０００６】
エコー波Ｐ1 が到達するまでの時間の計測、換言すればエコー波の位置の検出は、通常超音波発信後（測定開始後）から連続して信号の受信と、その受信信号の振幅チェックを行って、エコー位置を検出するようにしている。従来の超音波レベル計では、圧電素子２０の送受信面の構造を斜めにカットしたり円錐状に変形して、エコー波Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．の減衰を順次大きくしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１９は、従来の超音波レベル計において測定可能範囲外の近距離でエコー波が発生した状態を示す図である。
図１９に示すように、超音波レベル計の測定可能範囲が距離Ｌｘａ〜Ｌｘｂであるときに、主エコー波（第１エコー波）Ｐ1 が距離Ｌｘａよりも近くで発生すると、信号処理回路３２は第２エコー波Ｐ2 を主エコー波として検索する。このように、主エコー波Ｐ1 が測定可能範囲外（Ｌｘ１＜Ｌｘａ）であると、第２エコー波Ｐ2 を主エコー波として誤って検索する。その結果、実際の距離よりも約２倍も遠い距離を誤って測定してしまう。
【０００８】
また、従来の超音波レベル計では、圧電素子２０が超音波Ｐの発信を停止した後に、図１９に示すように数ｍｓの共振振動が残留波形として存在する。このために、測定可能範囲を距離Ｌｘ１以内に設定すると、残留波形が減衰する間に、被反射物体で反射したエコー波Ｐ1 が現れて、このエコー波Ｐ1 と残留波Ｐ'とが重なりこれらの波形を区別することが困難になる。その結果、残留波Ｐ'の信号レベルがしきい値を超えていると、この残留波Ｐ'を主エコー波として検索するおそれがあり、主エコー波Ｐ1 の検索が困難になる。
【０００９】
さらに、従来の超音波レベル計では、測定可能範囲を超えて水位が上昇すると、図１９に示す第２エコー波Ｐ2 や第３エコー波Ｐ3 を主エコー波として検索し、増水を未満水として誤って判断するおそれがある。例えば、圧電素子２０が浸水したときには、超音波Ｐの伝搬速度が空間に比べて約５倍増加する。
【００１０】
この発明の課題は、反射面のレベルを正確に測定することができるとともに、異常状態を検出することができる超音波レベル計を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定するものではない。
（１）超音波を送信して反射面からのエコー波を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前記受信面と前記反射面との間で前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔を検出し、前記複数のエコー波の継続時間及びレベルを検出する検出手段と、前記複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索する検索手段と、前記複数のエコー波の継続時間及びレベルに基づいて、前記受信面が浸水した状態であると判定する判定手段とを備えることを特徴とする超音波レベル計。
（２）（１）に記載の超音波レベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも大きいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲内にあると判定することを特徴とする超音波レベル計。
（３）（２）に記載の超音波レベル計において、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも小さいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあると判定することを特徴とする超音波レベル計。
また、本発明は、超音波（Ｐ）を送信して反射面からのエコー波を受信面（２０）で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前記受信面と前記反射面との間で前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波（Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．）の間隔を検出する検出手段（５５）と、前記検出手段の検出結果に基づいて、第１エコー波を検索する検索手段（５６）とを含む超音波レベル計である。
【００１２】
さらに、本発明は、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも大きいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲内にあると判定することを特徴とする超音波レベル計である。
【００１３】
また、本発明は、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも小さいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあると判定することを特徴とする超音波レベル計である。
【００１４】
さらに、本発明は、前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔に基づいて前記第１エコー波を検索することを特徴とする超音波レベル計である。
【００１５】
また、本発明は、超音波（Ｐ）を送信して反射面からのエコー波を受信面（２０）で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波（Ｐ1 ，Ｐ2 ，．．．）の継続時間及びレベルを検出する検出手段（５５）と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記受信面が浸水した状態であると判定する判定手段（５５）とを含む超音波レベル計である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計の構成図である。
なお、図１７に示す部分と同一の部分には同一の番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００１７】
この発明の実施形態に係る超音波レベル計は、圧電素子２０から送信した超音波が液面で反射して戻ってくるまでの往復時間を計測して、この液面のレベルを測定する装置である。超音波レベル計は、図１に示すように、駆動回路１０、圧電素子２０、受信回路３０、２相同期積分回路４０、演算回路５０及び表示手段６０を備えている。
【００１８】
受信回路３０は、プリアンプＡｌと、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣと、メインアンプＡ２とが直列接続されたものである。プリアンプＡｌは圧電素子２０からのエコー信号を受けるが、圧電素子２０に与えられた駆動信号と同時に振幅の影響を取り除くために、ダイオード回路Ｄにより駆動信号にリミッタをかけて信号を受信する。
【００１９】
Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、デジタル・アナログ変換処理と共に、プリアンプＡｌから入力された波形信号に対してＴＶＧ（Time Variable Gain）処理を行うことができるように構成されている。このＴＶＧ処理とは、距離や湿度、反射面の状態などによって変化する超音波の減衰特性に合わせて、ゲインを増加させるようにする処理手段である。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、距離や湿度などによってエコー波の減衰量が変化するときに、反射面が遠くにあっても、このエコー波が一定出力になるようにゲインを可変する。
【００２０】
メインアンプＡ２は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣの信号を受信して適宜に増幅し、その出力を２相同期積分回路４０に与えている。
【００２１】
２相同期積分回路４０は、Ｘ位相積分部分４１、Ｙ位相積分部分４２より構成される。
Ｘ位相積分部分４１は、第１の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ４３、Ｘ位相側スイッチ４４、Ｘ位相積分回路４５及びＡ／Ｄ変換器４６で構成される。Ｙ位相積分部分４２は、第２の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ４３、Ｙ位相側スイッチ４７、Ｙ位相積分回路４８及びＡ／Ｄ変換器４９で構成される。
【００２２】
なお、フリップフロップ４３には駆動回路１０の出力が印加され、Ｐ出力がＸ位相側スイッチ４４に印加され、Ｑ出力がＹ位相側スイッチ４７に印加される。Ｐ出力とＱ出力は、位相が四半周期ずれたもので、オンオフのデューティ比はいずれも５０％になっている。
【００２３】
これにより、上記第１の同期積分回路４１では、圧電素子２０を駆動する駆動周波数の位相（これを第１の位相と呼ぶ）でエコー信号が同期積分され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出力される。他方、上記第２の同期積分回路４２では、前記第１の位相とは四半周期離れた第２の位相で同期積分され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出力される。
なお、エコー波に重畳するノイズ信号は一般的に正負の領域をランダムに持っており、上記の積分によりこのノイズ成分は除去される。
【００２４】
演算回路５０は、２相同期積分回路４０からの時系列の各積分値Ｘ，Ｙをそれぞれ記憶手段（図示せず）に記憶し、その後積分値Ｘ，Ｙの有極加算、積分値Ｘ，Ｙの合成を行い、その合成信号のピークの位置と大きさからエコーの到来位置を求める。演算回路５０は、データ重ね回路５１、移動加算回路５２、ピーク位置検索回路５３、基準化回路５４、判定回路５５及び主エコー検索回路５６を備えている。演算回路５０は、受信回路３０のＤＡＣのＴＶＧを制御する機能も有する。
【００２５】
表示手段６０は、液面のレベルを表示したり、主エコー波が測定可能範囲外にあるときにオーバーレンジ表示をしたり、圧電素子２０が浸水したときに浸水表示をする。
【００２６】
次に、この発明の実施形態に係る超音波レベル計の動作を説明する。
駆動回路１０は、トランスＴを介して、駆動周波数ｆｄ＝４０ＫＨｚで０．８ＫＶP-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して圧電素子２０に印加される。駆動回路１０は、近距離測定用に圧電素子２０を１６パルス駆動し、遠距離測定用に圧電素子２０を６４パルス駆動して超音波を送受信し、演算回路５０がエコー位置を検出する。圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路Ｄを介して受信回路３０に入力する。
【００２７】
図２は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における主エコー波の判定範囲を示す図であり、図２（ａ）は１６パルス送信時の判定範囲を示し、図２（ｂ）は６４パルス送信時の判定範囲を示す。
図２（ｂ）に示す６４パルス送信時では、１．５ｍ〜２０ｍを測定可能範囲としており、測定可能範囲内の最小距離が１．５ｍであって、２番目のエコー波（第２エコー波）は３ｍの位置にあり、３番目のエコー波（第３エコー波）は４．５ｍの位置にある。この測定可能範囲内では、第２エコー波、第３エコー波の減衰量が大きいために、１番目のエコー波（主エコー波）の検出を誤ることがない。一方、図２（ａ）に示す１６パルス送信時では、０．５ｍ〜２．５ｍを測定可能範囲としており、距離が１ｍ以内では第２エコー波の減衰量が少なく、距離が０．５ｍになると第３エコー波、第４エコー波と高次のエコー波まで減衰量が少ない。このために、この実施形態では、６４パルス送信時には主エコーの判定を行わず、１６パルス送信時にのみ０．５ｍから３．６ｍまでを主エコー波の判定範囲とする。
【００２８】
Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、２相同期積分回路４０が処理するエコー波をある程度の一定レベルにするために、エコー波が戻ってくるまでの時間（距離）に応じてゲインをコントロールする。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、エコー波のレベルが小さいときにはゲインを上げ、エコー波のレベルが大きいときにはゲインを下げて、エコー波のレベルを検出可能な大きさに調節する。
【００２９】
２相同期積分回路４０は、所定周期（例えば、１２セル周期）で積分を行う。ここで、セルとは、２相同期積分回路４０が積分値を計測するときのワンステップの時間幅をいう。２相同期積分回路４０は、１２セルごとのデータを１つのブロックデータとして扱う。１２セルは音速時間距離でほぼ１４．４ｃｍに相当する。ただし、１２セル目はリセット期間である。
【００３０】
この実施形態では、１２セルを１ブロックとして扱うため、エコー到達距離の分解能としては約７．２ｃｍとなる。
なお、１２セルごとにリセットするのは、エコー位置検出にとってはそれで必要十分であり、また２相同期積分回路４０の積分器のドリフト等を考慮すると１２セル目でリセットするのが好適であるからである。しかしながら、本願発明は１２セル目に限定するものではなく、例えば１０セル〜１００セル範囲内の任意のセルを採用することができる。ただし、あまり長くすると検出分解能が悪化するばかりでなく、積分器のドリフト等が影響して好ましくない。
【００３１】
図３は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における１６パルス駆動時の超音波送信とエコー位置の検出範囲との関係を示す図である。
ここで、パルス駆動は、超音波送受信器のパルス送信に対応するため、パルス送信とも言う。図３に示すように、エコー位置の検出は、パルス駆動直後（送信開始０セル）から幅広く行うのではなく、図示のように意味のある有効な範囲（この範囲をＷＳ（Window Search）と呼ぶ）に限定して行うようにしている。１６パルス駆動時では、７４セル（約４６．２５ｃｍ）でスタートして５７８セル（約３６１ｃｍ）で終了する。２相同期積分回路４０は、１２セル周期毎に積分のセット及びリセット（Ｓ／Ｒ）を繰り返す。このときに、ＴＶＧ処理は、ＷＳの全測定範囲において行われる。
【００３２】
図４は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＸ位相積分部分及びＹ位相積分部分の動作を説明するための図である。図４（ａ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＯＮ動作を示し、図４（ｂ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＲＥＳＥＴ動作を示し、図４（ｃ）はＸ位相積分回路の出力波形を示し、図４（ｄ）はＹ位相積分回路の出力波形を示す。
【００３３】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、７４セル目（ＷＳスタート点）でＯＮ動作（積分開始）して１１セル分（積分区間：３８０．５μｓ）だけ積分を続け、８５セル目から８６セル目までの１セル分（リセット区間：３４．５８６μｓ）だけリセットする。そして、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、８６セル目でＯＮ動作を再び開始する。このように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８は、１２セル周期（Interval：４１５．０４μｓ）を１ブロックとして、ＷＳの全範囲（７４セルから５７８セルまで）でセット及びリセットを繰り返す。その結果、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、Ｘ位相積分回路４５及びＹ位相積分回路積分器４８からそれぞれ鋸刃状波形（積分波形）を得ることができる。
【００３４】
図５は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するための図である。図５（ａ）はＸ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、図５（ｂ）はＹ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、図５（ｃ）はこれらの変換データを合成した合成データを示す。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換器４６，４９は、図４（ｃ）（ｄ）に示す積分波形をセル毎にＡ／Ｄ変換する。ここで、図５（ａ）（ｂ）に示すＢ１ｘ，Ｂ２ｘ，Ｂ３ｘ，．．．及びＢ１ｙ，Ｂ２ｙ，Ｂ３ｙ，．．．は１２セル毎のブロックを意味し、ｄｌ〜ｄｌｌは各ブロック内の１１個のＡ／Ｄ変換データである。
【００３６】
データ重ね回路５１は、図５（ｃ）に示すように、各ブロックごとにＡ／Ｄ変換値を有極加算する。有極加算とは、データの極性を正負そのままで単純に加算（例えば、Ｂ１ｘの有極加算＝ｄ１＋ｄ２＋．．．＋ｄ１１）することを言う。有極加算は、同期積分値のノイズを打ち消すための手法であり、ノイズは正負に積分されて有極加算によりキャンセルされ、信号分Ｂｄのみが現れる。そして、各ブロックごとに、Ｘ側とＹ側についてそれぞれ有極加算結果の絶対値をとり、それを合成加算（例えば、Ｂｄ１の合成加算＝｜Ｂ１ｘの有極加算｜＋｜Ｂ１ｙの有極加算｜）する。図５（ｃ）に示すＢｄｌ，Ｂｄ２，Ｂｄ３，．．．は、各ブロック毎の合成データである。
【００３７】
図６は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における移動加算によるピーク値の検出動作を説明するための図であり、図６（ａ）は図５（ｃ）の合成データを示し、図６（ｂ）は移動加算とエコー波の検索動作を示し、図６（ｃ）は基準化動作を示す。
【００３８】
移動加算回路５２は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、データ重ね回路５１が出力した合成データについて、図５（ｃ）に示すＢ１からＢ４２（ＷＳ終点）まで２ブロックづつ移動加算（例えば、Ｂｄ１＋Ｂｄ２，Ｂｄ２＋Ｂｄ３，Ｂｄ３＋Ｂｄ４，．．．）を行う。ここでは、２ブロックづつの移動加算とした。２ブロックとしたのは、エコー波形はブロックに対して任意に到来するが、１６パルス駆動においては少なくとも２ブロックを合成することで１６パルスすべてのエコー波の積分値を捕らえることができるためである。
【００３９】
ピーク位置検索回路５３は、図６（ｂ）に示すように、全ブロック内でピーク値（合成データ＝Ｂｄｎ＋Ｂｄ（ｎ＋１）の最大値Ｂｄｎ ｍａｘ）を検出してこのピーク値の２０％をしきい値に選び、このしきい値を超えたブロックを検索する。
【００４０】
基準化回路５４は、図６（ｃ）に示すように、全ブロック内でしきい値２０％以上のブロックを「１」とし、しきい値２０％以下のブロックを「０」として、Ｂ１からＢ４１（約３．６ｍ／２３°Ｃ）までコンパレートする。基準化回路５４は、「１」が続いている場合には最初の「１」を第１エコーＢｎａとし、一回でも「０」があればリセットして、つぎに現れる「１」を第２エコーＢｎｂとする。図６（ｃ）に示すように、多重エコーでは、第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，第３エコーＢｎｃ，．．．と続く。ここで、Ｂのサフィックスは１２セル毎のブロック位置を示す。この実施形態では、１２セルを１ブロックとしているために、第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，．．．は１２セル（１ブロック）毎の判別となり、個々の距離計算は約７．５ｃｍの分解能となる。
【００４１】
判定回路５５は、図６（ｃ）に示す第１エコーＢｎａの「１」が連続して５個以内であって、かつ、ｎｂ−ｎａが６以上であるときには、第１エコーＢｎａが主エコーであると判定する。また、判定回路５５は、第１エコーＢｎａのみが存在し第２エコーＢｎｂ以降が存在しないときにも、第１エコーＢｎａが主エコーであると判定する。なお、判定回路５５は、主エコーが第２エコー、第３エコーの場合については判定しない。
【００４２】
図７は、測定可能範囲内に主エコー波があるときの図であり、図７（ａ）は実験データであり、図７（ｂ）は模式図である。図８は、測定可能範囲内に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
図７及び図８に示すように、多重エコーでは、複数のエコー波が略等間隔で続く。主エコー検索回路５５は、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波との間の間隔を検出し、この間隔がある程度大きいときには、最初に検出されたエコー波 が測定可能範囲内にあり第１エコー波（主エコー波）であると判定する。具体的には、図７（ｂ）に示すように、最初に検出されたエコー波Ｂ1 とその次に検出されたエコー波Ｂ2 との間の間隔が、最初に検出されたエコー波Ｂ1 と原点０との間隔に略等しい（Ｌ2 ＝２Ｌ1 ）ときには、最初に検出されたエコー波Ｂ1 が第１エコー波であると判定される。
【００４３】
一方、第１エコー波が０．５ｍ以下であるときには、ｎａとｎｂとの間の間隔が狭くなる。また、これらの間隔がさらに狭くなると、残留波同士が重なり全体が大きなエコー波となって現れて、エコー波と残留波との判別が不明確になる。特に、反射の弱い物体の場合には、エコー波と残留波との判別が困難になる。判定回路５５は、図６（ｃ）に示す第１エコーＢｎａ，第２エコーＢｎｂ，．．．のうち「１」が連続して６個以上続く部分があり、かつ、ｎｂ−ｎａが５以下であるときには、第１エコーＢｎａは第２エコー波又は高次エコー波であると判定し、第１エコー波が測定可能範囲外であると判定する。
【００４４】
図９は、測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの図であり、図９（ａ）は実験データであり、図９（ｂ）は模式図である。図１０は、測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
主エコー検索回路５５は、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波との間の間隔を検出し、この間隔が狭いときには最初のエコー波が主エコー波ではなく、主エコー波は残留波と重なっていると判定する。具体的には、図９（ｂ）に示すように、最初に検出されたエコー波Ｂ2 とその次に検出されたエコー波Ｂ3 との間の間隔が、最初に検出されたエコー波Ｂ2 と原点０との間隔に比べて狭い（Ｌ3−Ｌ2 ＜Ｌ2 ）ときには、最初に検出されたエコー波Ｂ2 が第１エコー波ではないと判定される。主エコー検索回路５５は、エコー波Ｂ3 とエコー波Ｂ2 との間の間隔を、エコー波Ｂ2 と原点０との間隔から減算して、残留波に重なっているエコー波（主エコー波）Ｂ1 の位置を検索する。表示手段６０は、主エコー検索回路５５が検索した主エコー波の位置（レベル）を表示する。
【００４５】
図１１は、超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データである。図１２は、超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
図１１及び図１２に示すように、距離が５ｃｍ程度の測定可能範囲外では、残留波同士が重なり合って全体が大きなエコー波となって現れる。この場合には、表示手段６０がオーバーレンジ表示する。
【００４６】
図１３は、開水路流量計内の通常面と浸水面とを示す図である。図１４は、超音波送受信面が浸水したときの実験データである。図１５は、超音波送受信面が浸水したときの実験データと平均値とを示す図である。図１６は、この発明の実施形態に係る超音波レベル計における浸水時の基準化動作を示す図である。
【００４７】
図１３に示す開水路流量計は、パーマ・ボーラスフリューム（以下、ＰＢフリュームという）である。このＰＢフリュームは、下水などの円形管路内に設置され、図示しないスロート部と呼ばれる絞り部の上流側水位を超音波レベル計によって測定し流量を演算する流量計である。図１３に示すように、ＰＢフリューム内で水位が上昇すると、圧電素子２０が浸水することがある。超音波は、伝達媒体が気体（空気）から液体（水）に変化すると、速度が約５倍になるとともに、伝達損失が大幅に減少する。その結果、図１４及び図１５に示すように、エコー波が大きくなるとともに、多重エコー波となって長時間（距離３ｍ以上）にわたり続く。判定回路５５は、多重エコー波の継続時間とレベルとを検出して、これらの値が極端に大きくなったときには浸水と判定する。判定回路５５は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣが狭い範囲でゲインをコントロールしており、かつ、図１６に示すように、Ｂｎａの「１」がほとんどであるときには浸水状態であると判定する。
【００４８】
この発明の実施形態に係る超音波レベル計には、以下に記載するような効果がある。
（１） この実施形態では、圧電素子２０と液面との間で超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔を検出し、この間隔に基づいて第１エコー波が測定可能範囲内にあるか否かを判定する。このために、第１エコー波が測定可能範囲外にあるときに、第２エコー波や第３エコー波を誤って主エコー波として測定することがなくなり、主エコー波を正確に捉えることができる。
【００４９】
（２） この実施形態では、第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあるときには、複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索する。このために、測定可能範囲外の近距離において、多重波と重なって検出が困難な第１エコー波を、検出可能な第２エコー波と第３エコー波との間の間隔から演算することができる。
【００５０】
（３） この実施形態では、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の継続時間及びレベルを検出し、この検出結果に基づいて圧電素子２０が浸水した状態であると判定する。このために、従来の超音波レベル計では表示せずに放置されていた異常状態（浸水状態）を検出し表示することができるとともに、フィールド機器として超音波レベル計を広く使用することができる。
【００５１】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形態では、液面のレベルを測定する超音波レベル計を例に挙げて説明したが、反射面からのエコー波を受信してこの反射面までの距離を測定する超音波距離計についても適用することができる。また、この実施形態では、最初に検出されたエコー波とその次に検出されたエコー波との間の間隔を検出しているが、Ｎ番目のエコー波とＮ＋１番目のエコー波との間の間隔を検出してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索するので、反射面のレベルを正確に測定することができる。また、この発明によると、超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の継続時間及びレベルに基づいて、受信面が浸水した状態であるか否かを判定するので、以上状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る超音波レベル計の構成図である。
【図２】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における主エコー波の判定範囲を示す図であり、（ａ）は１６パルス送信時の判定範囲を示し、（ｂ）は６４パルス送信時の判定範囲を示す。
【図３】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における１６パルス駆動時の超音波送信とエコー位置の検出範囲との関係を示す図である。
【図４】この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＸ位相積分部分及びＹ位相積分部分の動作を説明するための図である。（ａ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＯＮ動作を示し、（ｂ）はＸ位相積分回路及びＹ位相積分回路のＲＥＳＥＴ動作を示し、（ｃ）はＸ位相積分回路の出力波形を示し、（ｄ）はＹ位相積分回路の出力波形を示す。
【図５】この発明の実施形態に係る超音波レベル計におけるＡ／Ｄ変換器の動作を説明するための図である。（ａ）はＸ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、（ｂ）はＹ側Ａ／Ｄ変換器による変換データを示し、（ｃ）はこれらの変換データを合成した合成データを示す。
【図６】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における移動加算によるピーク値の検出動作を説明するための図であり、（ａ）は図５（ｃ）の合成データを示し、（ｂ）は移動加算とエコー波の検索動作を示し、（ｃ）は基準化動作を示す。
【図７】測定可能範囲内に主エコー波があるときの図であり、（ａ）は実験データであり、（ｂ）は模式図である。
【図８】測定可能範囲内に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
【図９】測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの図であり、（ａ）は実験データであり、（ｂ）は模式図である。
【図１０】測定可能範囲外の近距離に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
【図１１】超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データである。
【図１２】超音波の送信直後に主エコー波があるときの実験データと平均値とを示す図である。
【図１３】開水路流量計内の通常面と浸水面とを示す図である。
【図１４】超音波送受信面が浸水したときの実験データである。
【図１５】超音波送受信面が浸水したときの実験データと平均値とを示す図である。
【図１６】この発明の実施形態に係る超音波レベル計における浸水時の基準化動作を示す図である。
【図１７】従来の超音波レベル計の一例を示す図である。
【図１８】従来の超音波レベル計において多重エコー波が発生した状態を示す図である。
【図１９】従来の超音波レベル計において測定可能範囲外の近距離でエコー波が発生した状態を示す図である。
【符号の説明】
１０ 駆動回路
２０ 圧電素子
３０ 受信回路
４０ ２相同期積分回路
５０ 演算回路
５５ 判定回路
５６ 主エコー検索回路
Ｐ 超音波
Ｐ' 残留波
Ｐ1 第１エコー波
Ｐ2 第２エコー波
Claims (3)
- 超音波を送信して反射面からのエコー波を受信面で受信し、この反射面のレベルを測定する超音波距離計であって、
前記受信面と前記反射面との間で前記超音波が多重反射したときに発生する複数のエコー波の間隔を検出し、前記複数のエコー波の継続時間及びレベルを検出する検出手段と、
前記複数のエコー波の間隔に基づいて第１エコー波を検索する検索手段と、
前記複数のエコー波の継続時間及びレベルに基づいて、前記受信面が浸水した状態であると判定する判定手段とを備える
ことを特徴とする超音波レベル計。 - 請求項１に記載の超音波レベル計において、
前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも大きいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲内にあると判定する
ことを特徴とする超音波レベル計。 - 請求項２に記載の超音波レベル計において、
前記検索手段は、前記複数のエコー波の間隔が所定値よりも小さいときには、前記第１エコー波が測定可能範囲外の近距離にあると判定する
ことを特徴とする超音波レベル計。
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