JP4077046B2 - 超音波液面検出器 - Google Patents

Description

利用分野
本発明は、音波パラメーターの測定を用いる液面計に関する。
発明の背景
共振器と音叉が音波の助けを借りて駆動される超音波液面検出器の構成は公知である。共振器と音叉の音響パラメーターが、液体、即ち空気よりも高密度を有する媒体と接触すると変化し、これらの変化が検出される。
ドイツ特許第４２０１３６０に示された構成が、一例として役に立つ。この装置は、発振及び受振の変換器に連結され、制御下にあるリザーバーに導入された振動ロッドを２本以上有している。同じ原理が、ドイツ特許第４１１８７９３号による「満たされたリザーバー液面の検出及び／又は制御のための装置」あるいは、国際出願のＷＯ９２／２１９４５に記載の「リザーバー内の所定の液面を測定及び／又は保持するための装置」において用いられている。
液面検出器の特定の構成は動作条件に依存する。音叉の空間に残る液体やほこりは上記装置の測定精度に影響することがある。
液面の検出装置が優先権１９８０年３月２６日を有するドイツ特許第３０１１６０３号（国際特許分類：Ｇ０１ Ｆ ２３／２８）により、公知である。この装置は同軸に配置された振動要素を有する。この振動要素間の空間は媒体から分離されていて、ロッドの全長に渡って配置されている。ピエゾエレメントがバイブレーターのうちの一つと接続した膜インサートに固定されている。この装置のケースはその膜インサートに固定されている。この装置のケースと外部ベースとの接合は、ねじ込みの形で行われる。この装置は本発明とは動作の原理及び構成の点で異なっている。
別の液面制御装置が、ドイツ出願第２９４９１６２号（優先日：１９７９年１２月６日、国際特許分類Ｇ０１ Ｆ ２３／２８）により公知である。この装置は、長尺な導波体の全長に渡る空洞を有し、該導波体の異なった位置にラジエーターとレシーバーとが固定されている。このケースは導波体に堅く固定されてはおらず、外部ベースに固定するためのねじ込みによる接合を有している。
更に、音響液面検出器がフランス出願第２５９６５１５（優先権：１９８６年３月２８日、国際特許分類Ｇ０１ Ｆ ２３／２８）により知られている。この検出器はその全長に渡って中空であり、周囲の媒体に対して開いているロッドを有する。変換器が設けられるロッドの内側に別の空洞が導波体の全長に渡って設けられている。この導波体の外部ベースへの固定点はこの構成では考慮されていない。
超音波液面計がソビエト連邦の発明者証第２３１１５１号により知られており、これでは装置が二つの分離された導波体を有している。これらの導波体はレシーバーの内壁で振動のノード（節）となるように制御されて固定されている。
上述した超音波検出器のいずれの構成も本発明の構成とは異なっている。液体やほこりの凝縮液や残留物が測定の精度に与える影響からいかに保護するかはこれら上述の設計には述べられていない。
ヨーロッパ特許第４０９７３２号（優先権：１９９０年７月１９日、国際特許分類Ｇ０１ Ｆ ２３／２８）に記載の「液体の存在の検出器」が技術的原理の上で最も近いものである。この検出器の構成にはケース、パルス発生器及び受振装置と接続した測定要素を有している。この装置の測定要素は、音響電気変換器と、この変換器に連結された複合音響導波体とを備えている。この複合音響導波体の第一の部分は中空ではない円柱からなり、第二の部分は中空の円筒から成る。この導波体の第一の部分は直径がその第二の部分よりも小さい。
特定の構成からなる検出器の性能上の精度は周囲の媒体の条件に依存する。液体残留物やその他の汚染物が開放された空間に蓄積することがある。液体やほこりも直径が大きくなる接合部（移行部）の所で変換器や導波体ケースの上に集積することがある。こうしたことは全て検出器の性能上の精度に影響を与える可能性がある。
本発明の説明
本発明の目的は検出器の性能の周囲媒体及び動作条件への依存性を低減し、高い精度と感度とを提供することにある。
本発明による超音波液面検出器は、検出器ケースとロッド状音響導波体（waveguide）を有し、該導波体の一端には音響電気変換器が設けられ、他端には中空の共振器が設けられている。この音響電気変換器はロッド状音響導波体を励起するように働き、このロッド状音響導波体は共振器に応じて動作周波数で振動する。こうして励起された共振器の振動時間は、それが気体状媒体中に置かれているかあるいは液体と接触した状態にあるかによって異なる。
本発明の新規性は次の点に存在する。
共振器の空洞（キャビティー）は外部媒体から隔てられている。この様な構成によって、液体や異物の蓄積が回避でき、その為に測定エラーを避けることができる。共振器の空間は導波体の音響電気変換器側の端とは反対側に置かれる。この空間は、液面を制御する必要がある所に配置される。これによってほこりや凝集液の影響が低減される。というのは、導波体の中空ではない部分に蓄積した異物は測定の精度には実際問題として影響しないからである。
検出器ケースは、ロッド状音響導波体の表面に、変換器が動作する周波数においてロッド状音響変換器のロッドの振動が最小となる領域に堅く且つ密封状態で固定される。このようにケースをロッド状音響導波体に固定することによって、水分や異物が音響電気変換器内に侵入したり、導波体の上側部分に付着することを回避することができる。この場合、変換器の動作精度や感度がケースを堅くロッド状音響導波体に固定したことによって低下することはない。というのは、それは導波体のロッドの最も振動が小さい領域に固定されるからである。
変換器のケースはこれを外部ベースに固定するための固定手段を有する。変換器固定手段のケース上の位置もそれの設置の問題を解決するのに役立つ。このケースは音響導波体にまさしく堅く且つ密封状態で固定されているのでその嵩張りにより変換器パラメーターに対する影響はほんの最小の範囲に抑えられる。そのため、この固定手段によってケースを外部ベースに固定しても、ベースの種類には関係なくケースは実際問題として変換器パラメーターに影響しない。
この様な構成では、液体、凝集液及びほこりが集積する場所はロッド状音響導波体上には存在しない。このケースは音響電気変換器と導波体部分等を外部環境から完全に切り離す。そのためケースもどのようなベースの上に設置されているかに関係なく検出器パラメーターに実際問題として影響しない。
一つの具体的な実施形態では、前記の変換器の空間がロッド状音響導波体に堅く且つ密封的に固定されているプレートによって外部環境から隔てられている。
このプレートの厚さはＷ／１２（Ｗは動作周波数におけるロッド状音響導波体内での音波の波長である）よりも小さい。このようなプレートの厚さであれば、検出器の感度に実際問題として影響しない。
更に、ケースの、ロッド状音響導波体の表面へ固定する領域は長尺な導波体の振動のノード（節）に置かれるべきである。
変換器の具体的な動作周波数値についてこのように固定領域を位置決めすると、変換器パラメーターに対するケースの影響が最小になる。この目的のために、固定位置と変換器との間隔は、波長の４分の１の長さの奇数倍と等しくなければならないが、この間隔の許容幅（Ｗ／１２に等しい）を考えると、次に条件が成り立つ。
Ｗ/４^*［（２^*ｋ＋１）＋１/３］＞Ｌ＞Ｗ/４^*［（２^*ｋ＋１）−１/３］，
ここで、
Ｗは動作周波数におけるロッド状音響導波体内での音波の波長であり；
ｋは自然数である。
更に、ロッド状音響導波体への固定位置における検出器ケースの厚さはＷ／１２未満（ここでＷは動作周波数におけるロッド状音響導波体内での音波の波長である）である。検出器の感度に対するケースの影響は最小にする必要がある。
更に、検出器ケースを外部ベースに固定するための固定手段はねじ込み接合の形で行う。この種の固定を行うと、更に別の効果が得られる。検出器に伝達される外部ベースの寄生的な振動はねじ込み接合によって大幅に吸収され、熱エネルギーの形で放出される。この結果、検出器の性能は外部条件に対してより独立性が高いものとなる。
こうして、本発明の全ての特徴が測定精度や感度が低下することなく検出器の性能の環境及び動作条件に対する依存性をより少なくするように働く。
本発明の主たる特徴の組み合わせによって、追加の効果が得られる。
検出器ケースをロッド状音響導波体に堅く且つ密封的に固定することによって、変換器の火災に対する安全性を得ることができる。というのは、かかる固定によって、音響電気変換器が検出器によってその液面が測定される動作媒体から切り離されるからである。火災の危険性のある液体がこの様な媒体である場合に当てはまる。
更に別の効果が、検出器のケースをロッド状音響導波体に堅く固定すると動作周波数においてのみ検出器の性能が影響されない、という事実から得られる。検出器の精度に影響する可能性のある他の周波数の音響振動に対してはこのケースは音響フィルターとして働く。従って、所定の構成では検出器のノイズ抵抗が高まる。ロッド状音響導波体の共振器空間を隔離するプレートも同様の役割を演じるがその程度はより小さい。
導波体がケースに振動ノードの領域で、即ち、高い音響インピーダンスによって特徴づけられる領域において固定されるので、外部の作用は動作周波数における導波体内で小さな振動をもたらすに過ぎない。というのは、音響インピーダンスは周波数に依存するからである。このような固定は、動作周波数における音響排除フィルターと考えることができる。
感応領域（中空共振器）をロッド状音響導波体の端部に配置することによって、この検出器を設置する場所において任意に配することができる。ロッド状音響導波体は液体に接触することができ、該検出器の空間的な配置は液面を測定するための検出器パラメーターに実際上影響しない。中空共振器が置かれているロッド音響導波体の領域が液体と接触することが測定上重要である。というのは、検出器は任意の方向に向けることができるからで、大切な事は検出器が液体指示のレベル（高さ）になければならないことである。
高温や低温の液体を指示する場合は、延ばされたロッド状音響導波体により、音響電気変換器を温度や圧力が極値となっている領域の外に置くことができる。
この検出器の構成が有している上記の新しい特徴によって、この検出器は特許に必要な要件を備えていると言うことができる。
【図面の簡単な説明】
本発明を次の図によって説明する。
図１は検出器の構成を示す。
図２は検出器のケースをロッド状音響導波体に固定した状態を示す。
図３はベースに固定されている検出器の一変形例を示す。
図４は検出器の性能を示す経時的なグラフを示す。
発明の実施形態
検出器の構成（図１）には、ロッド状音響導波体があり、その一方の端部には音響電気変換器３が設けられ、他方の端部には中空の共振器４が設けられている。検出器のケース１は、検出器の動作周波数においてロッド状音響導波体２の振動が最小となる領域６で該ロッド状音響導波体２の表面に堅く且つ密封状態で固定されている。共振器４の空間５はプレート８によって外部媒体から隔離されている。ケース１にはこのケース１を外部ベースに固定するための固定手段７が備わっている。音響電気変換器３を有するロッド状音響導波体２の端部と、インパルス発生回路と検出器信号処理回路を伴なう電子回路基板９が検出器のケース１内に配置されている。音響電気変換器３は導線１０によって基板９に接続されている。この検出器の基板はケーブル１１によって外部の電気回路と接続されている。このケーブル１１は密封性のパッキン止め（gland）１２を介して検出器のケース１内に導入されている。密封カバー１３は基板９を備えている変換器ケースの空間を外部媒体から隔離している。
検出器ケース１（図２）はロッド状音響導波体２に固定されるところでＬｋ（Ｌｋ＜Ｗ/１２）の厚さを有する。この接合（固定）１４は溶接であってもよい。
該ケース１を外部ベース１５に固定する固定手段７は、ねじ込み接合（図３）の形である。
検出器は次のように動作する。
ロッド状音響導波体２の一方の端部に配置された音響電気変換器３は周期的に導波体内に振動を発生させる。この信号は正弦波で満たされたインパルス信号の形をとる。インパルス信号は基板９の上に設けられた電子発生器によって発生させられる。この信号はロッド状音響導波体２に沿って伝播し、中空の共振器４（これは導波体の音響電気変換器３側の端部とは反対側に配置されている）に達するとその中に振動を励起する。共振器４の振動は減衰する振動であり、減衰係数は該共振器が置かれる媒体の性質に大きく依存する。その媒体が動作周波数において小さな波抵抗（wave resistance）を有している場合には、減衰係数は小さく振動は徐々に減衰する。共振器が置かれる媒体が音響ラジエーターとして共振器の出力抵抗に匹敵する抵抗を有する場合には、音響振動が媒体内に現われ、共振器から媒体中にエネルギーの放出が起こるが、これは共振器の減衰係数の十分な増加分に対応する。この場合、共振器４の振動は急速に減衰する。
共振器４の振動は、ロッド状音響導波体２内を音響電気変換器３に向かって伝播し、それに到達すると電気信号に転換される（図４）。この信号は導波体内で振動の形で繰返されるが、その振動は共振器の振動に類似した形である。こうして、電気的信号は共振器が抵抗の小さい媒体中、例えば気体状媒体中に置かれた場合にはゆっくりと減衰する振動の形、即ち減衰係数が小さい振動の形を取る（図４の上側オシログラム参照）。これとは反対に、共振器を気体状媒体の抵抗よりも大きい抵抗を有する媒体中に、例えば液体中に置くと、電気信号は急速に減衰する振動、即ち減衰係数がより大きな振動の形を取る（図４の下側のオシログラム参照）。
減衰係数に応じて、検出器の信号処理回路が変換器の出力信号を形成する。この信号はリレー特性を有し、共振器４が置かれる媒体の性質について、即ちその媒体が液体であるか又は気体状であるかについての情報を伴なっている。該信号はケーブル１１を介して外部回路に伝達される。
音響電気変換器３と基板９とを有する変換器の空間は、外部媒体からロッド状音響導波体２とケース１との溶接接合、ケーブル１１のパッキン止め１２及び密封カバー１３によって隔てられている。従ってこの変換器ケースが置かれる媒体は電子回路及び変換器の動作には影響しない。
検出器が固定されるベースの振動は音響電気変換器には実際問題として到達しないので、検出器の動作に影響しない。これは、ケースの振動を検出器のケース１にほとんど伝えない（というのは、ねじ込み接合の摩擦面により振動エネルギーが吸収されるため）固定手段７のねじ込み接合のためと、ロッド状音響導波体２の振動が最小となる領域における接合１４の位置のためである。この領域は大きな抵抗を有するという特徴を有し、そのために導波体内に入ったり導波体から出ていったりする振動の透過は本質的に起こらない。
この液面検出器は感応性検出要素（中空共振器）が置かれる媒体の特性によって測定される振動系Ｑ係数（Q-factor）を有する。
更に、検出器が置かれる媒体特性に関係なく検出器ケースを導波体に固定するところでロッドの振動が最小であることが必要である。
この目的のために、検出器の３つの主要部分（導波体、共振器及びプレート）の寸法は一定の波動に関連した寸法でなければならない。
指示系の振動系の主要部分（導波体、共振器及びプレート）が同じ材料から出来、同一の外径を有していると技術的に便利である。
プレートの幅Ｌｐは、共振器のＱ係数にほとんど影響を与えない様に選ばれる。この目的のために、プレートの厚さは次に条件を満たす必要がある。
Ｌｐ＜Ｗ/２π^*arctg（α） （１）
ここで、αは共振器壁と導波体壁との、横断面の面積比を示す。
中空の共振器の長さＬｒと導波体の長さＬｗは、全機械的振動系が動作周波数と等しく、共振器と接触する媒体の波抵抗に依存しない共振周波数を有するように選ばれる。この場合、導波体の振動が最小となる位置は媒体の波抵抗に依存しない。この目的のために、Ｌｒ及びＬｗの寸法は次の方程式を満たす必要がある。
Ｌｗ＝（２^*ｋ＋１）^*Ｗ/４＋Ｌｐ （２）
Ｌｒ＝Ｗ/２｛ｎ＋１/π^*arctg［２^*α（１＋α²）^*tg（４πＬｐ/Ｗ）］｝ （３）
ここで、ｋとｎは自然数である。
機械的な系がこれらの条件を満たすと、導波体の振動が最小となる位置は、音響電気変換器が固定される導波体端部からＷ/４の奇数に等しい距離になる。
例えば、外径が１２ｍｍ、共振器の中空部の直径が１２ｍｍ、そしてプレートの厚さＬｐがしっかりした構造を得るのに十分である１ｍｍであるとき、（１）から、この材料での動作周波数の波長は２１．２ｍｍより大きくなるべきである。ここで波長として３６ｍｍを選ぶと、これは合金化スチールの場合、約１４０ｋＨｚの動作周波数に相当する。（３）による共振器の長さは、ｎ＝１の時、２６．６５ｍｍに等しくなる。（２）から導波体の長さＬｗはｋ＝５のとき１００ｍｍとなる。ケースに固定される導波体の領域と変換器との間隔は波長の４分の１の奇数であるべきであるので、この距離Ｌはこの場合９ｍｍ、２７ｍｍ、４５ｍｍなどであり得る。
産業上の利用可能性
本発明の超音波液面検出器は、火災の危険性のある液体を含む種々の液体の液面のモニターに用いることができる。この検出器はどのようなベースにも設置することができ、構成上簡単であり、流れ作業の製造に適している。この検出器は感度が高く、動作条件、特に導波体の汚れへの依存性が小さい。
機械的強度が高く、構成上絶対的なリーク防止性を有するので、この超音波液面検出器は液化ガス、例えば液体空気のような製品の液面指示などの過酷な条件下に使用することができる。
検出器のロッド状音響導波体はかなり長く（数１０ｃｍ）作ることができるので、感応領域即ち共振器を音響電気変換器及び電気回路から分離する事ができる。このように分離可能であるのでこの検出器は高温の液体の測定にも使用することができる。

Claims (4)

1. 検出器ケースとロッド状音響導波体を有してなり、該導波体の一端には音響電気変換器が設けられ、他方の端部には中空の共振器が設けられている超音波液面検出器において、
   前記の共振器の空間が外部媒体から隔てられており、
   前記の検出器ケースが前記ロッド状音響導波体の表面に、前記検出器の動作周波数において前記ロッド状音響導波体のロッド振動が最小となる領域に堅く且つ密封状態で固定されており、そして該検出器ケースを外部ベースに固定するための固定手段を備えており、
   前記ロッド状音響導波体への固定位置における前記検出器ケースの厚さがＷ/１２（ここで、Ｗは動作周波数における前記ロッド状音響導波体内での音波の波長である）より小さい
   ことを特徴とする超音波液面検出器。
2. 請求項１の検出器であって、前記の共振器の空間が外部媒体から、前記ロッド状音響導波体に堅く且つ密封的に固定されたプレートによって隔てられており、このとき、該プレートの厚さはＷ/１２（ここで、Ｗは動作周波数における該ロッド状音響導波体内での音波の波長である）より小さい、ことを特徴とする検出器。
3. 請求項１の検出器であって、前記検出器ケースが前記ロッド状音響導波体の表面に固定される領域が前記音響電気変換器からＬの間隔の位置にあり、このとき、
   Ｗ/４^*［（２^*ｋ＋１）＝１/３］＞Ｌ＞Ｗ/４^*［（２^*ｋ＋１）−１/３］，
   （ここで、Ｗは動作周波数における前記ロッド状音響導波体内での音波の波長を示し、ｋは自然数を示す）
   であることを特徴とする検出器。
4. 請求項１の検出器であって、該検出器を外部ベースに固定する前記固定手段がねじ込み接合の形でなされることを特徴とする検出器。

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