JP4079823B2 - Liquid level detection method of ultrasonic level meter and ultrasonic level meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計の液面検出方法及び超音波レベル計、より詳細には、容器底面の外壁から超音波を送信し、内部の液界面からの反射波が戻ってくるまでの時間に基づいて容器内部の液面位置を検出する超音波レベル計の液面検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
送受信兼用の超音波センサを用いた超音波レベル計は、超音波センサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。
【0003】
図7は、従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、図中、50は超音波レベル計の制御部で、該制御部50は、増幅率切り替え回路51,AMP(増幅回路)52,ENVDET(検波回路)53,A/Dコンバータ54,CPU55,LCD(表示部)56,RAM57,ROM58,D/Aコンバータ59,VCO(発振回路)60,ゲート素子61,DRV(駆動回路)62を有し、70は超音波レベル計の超音波センサ(以下、センサという)で、制御部50及び超音波センサ70は有線又は無線で接続されているものとする。
【0004】
まず、超音波の送信時において、D/Aコンバータ59は、CPU55からのデータを電圧に変換してVCO60に入力する。VCO60は、D/Aコンバータ59からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子61に入力する。ゲート素子61は、CPU55からのパルス出力に基づいてVCO60からの発振波をDRV62に出力する。DRV62は、ゲート素子61からの出力を高電位振幅に変換してセンサ70を駆動する駆動信号を出力する。センサ70は、DRV62からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波を送信する。
【0005】
また、超音波の受信時において、センサ70は、上記のように送信した超音波が容器内部の液面等の対象物に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号を増幅率切り替え回路51に入力する。この増幅率切り替え回路51は、周波数調整用の増幅率として0dB、液面位置計測用の増幅率として17〜20dBのいずれかを選択可能に設けており、液面位置を計測する場合には17〜20dBの高ゲインを選択し、周波数調整時には0dBの低ゲインを選択するように設定されている。さらに、AMP52は、CPU55から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ENVDET53は、AMP52からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。A/Dコンバータ54は、ENVDET53からのエンベロープ波形をデジタル変換してCPU55に入力する。CPU55は、センサ70により超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて対象物までの距離を算出する。
【0006】
ここで、上記のような回路構成に基づいて液面位置を計測する際に、液面ゆれ等により第1次反射エコーを捕らえることができない場合があるため、計測回数を増やして液面位置の計測を行う必要があった。また、液面位置が近くなってくると駆動残響の影響があるため、第1次反射エコーが駆動残響と近接してしまう場合には液面位置の計測が困難であった。また、ノイズなどが混入するような場合には液面計測結果に誤差を生じることがあった。このように、従来の超音波レベル計においては、液面ゆれや、ノイズ、液面位置が近い場合等に対して安定した液面計測を行うことが出来なかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、超音波レベル計において液面ゆれ等により第1次反射エコーを捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第1次反射エコーのエコータイミングを確定することができる超音波レベル計の液面検出方法及び超音波レベル計を提供すること、を目的としてなされたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を発信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を発信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計の液面検出方法において、前記超音波センサから複数回発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出ステップと、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループのエコータイミングに基づいて第1次エコーのエコータイミングを確定する第1次エコー確定ステップと、該確定した第1次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出ステップとを有することを特徴としたものである。
【0009】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第1次エコー確定ステップは、前記エコー検出ステップにて検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、該算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出して第1次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
【0010】
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記第1次エコー確定ステップは、前記エコー検出ステップにて検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、該算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出して第1次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
【0011】
請求項4の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を発信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を発信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波センサから複数回発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出手段と、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループのエコータイミングに基づいて第1次エコーのエコータイミングを確定する第1次エコー確定手段と、該確定した第1次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出手段とを有することを特徴としたものである。
【0012】
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記第1次エコー確定手段は、前記エコー検出手段により検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、該算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出して第1次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
請求項6の発明は、請求項4の発明において、前記第1次エコー確定手段は、前記エコー検出手段により検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、該算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出して第1次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明が適用される超音波レベル計を容器に設置した場合の構成例を説明するための図で、図中、10は制御部(以下、コントローラという)、30は超音波センサ(圧電センサ)、31は超音波センサ30から送信する超音波、15はコントローラ10の表示部、40は液化ガスや灯油等の液体を収容する貯槽又は容器(以下、容器で代表する)、41は液面である。超音波レベル計は、コントローラ10と超音波センサ30からなり、超音波センサ30は容器40の外部底面に図示しないマグネット等により設置され、有線によりコントローラ10に接続されている。尚、超音波センサ30とコントローラ10との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者により故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。また本例では、容器内部の液体の液面を検出対象として検出する場合を代表例として説明するが、本超音波レベル計により検出可能な対象物は液体の液面に限らず、例えば、固体物の検出にも適用可能である。
【0014】
上記のような構成において、例えば、液体の液面41を検出しようとする際に、作業者はコントローラ10を操作して、超音波センサ30から超音波31を送信し、主に液面41で反射して戻ってきた反射エコーを受信し、この受信した反射エコーに基づいて液面位置、すなわち液面41までの距離(以下、液面距離という)を算出し、さらに算出した液面距離に基づいて容器40内の液体容量を算出することができる。
【0015】
液面41の高さを検出する際に、超音波センサ30は、容器40の底部外壁に向けて上方に超音波31を送信する。送信した超音波31は、液面41で反射して戻ってくるが、液面41の高さに応じて超音波センサ30が反射波を受信するまでの遅延時間が異なる。コントローラ10は、受信した反射波の遅延時間から液面距離を算出するためのデータ、例えば温度や伝播媒質(空気又は液体等)に応じた音速データ等を保持しており、このデータに基づいて液面距離を算出する。
【0016】
本発明の超音波レベル計は、液面ゆれ等により第1次反射エコーを捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第1次反射エコーのエコータイミングを確定することをその目的とし、そのために下記の図2に示す回路構成を有するものとする。
【0017】
図2は、本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、超音波レベル計のコントローラ10は、AMP(増幅回路)11,ENVDET(検波回路)12,CMP(コンパレータ)13a,CPU14,LCD(表示部)15,RAM16,ROM17,D/Aコンバータ18,VCO(発振回路)19,ゲート素子20,DRV(駆動回路)21を有し、30は超音波レベル計の超音波センサ(以下、センサという)で、コントローラ10及びセンサ30は有線又は無線で接続されているものとする。ROM17には、エコー検出手段17a,第1次エコー確定手段17b,及び液面検出手段17cがプログラムとして格納されており、CPU14は、本発明の第1次エコーの確定処理を行う際に、上記プログラムを読み出して実行する。尚、上記プログラムはRAM16に格納してもよい。
【0018】
図1及び図2において、超音波の送信時に、D/Aコンバータ18は、CPU14からのデータを電圧に変換してVCO19に入力する。VCO19は、D/Aコンバータ18からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子20に入力する。ゲート素子20は、CPU14からのパルス出力に基づいてVCO19からの発振波をDRV21に出力する。DRV21は、ゲート素子20からの出力を高電位振幅に変換してセンサ30を駆動する駆動信号を出力する。センサ30は、DRV21からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波31を送信する。
【0019】
また、超音波の受信時において、センサ30は、上記のように送信した超音波31が容器40の液面41に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号をAMP11に入力する。AMP11は、CPU14から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ENVDET12は、AMP11からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。
【0020】
CMP13aは、ENVDET12からのエンベロープ波形と基準電位とを比較し、エンベロープ波形が基準電位を越えたとき、論理値1をCPU14に出力する。CPU14は、センサ30により超音波31を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて液面41までの距離を算出する。
【0021】
エコー検出手段17aは、センサ30から発信した超音波に応じて液面41から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出する。このエコー検出手段17aは、CPU14からの指示に基づいてDRV21に対するパルス出力開始を起点として計時を行うタイマを有し、CMP13aのコンパレータの立ち上がりタイミングでのタイマカウント値を読み取ってRAM16に記憶しておく。これにより、本超音波レベル計は、エコーを検出するまでの時間間隔をエコータイミングとして取得する。
【0022】
第1次エコー確定手段17bは、エコー検出手段17aにより検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーに基づいて第1次エコーのエコータイミングを確定する。
【0023】
ここで、第1次エコー確定手段17bは、エコー検出手段17aにより検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出して第1次エコータイミングとして確定する。この場合の実施例について、後述の図3に示すフロー図に基づいて詳細に説明するものとする。
【0024】
また、液面検出手段17cは、第1次エコー確定手段17bにより確定した第1次エコーのエコータイミングに基づいて液面41の位置を検出する。
【0025】
本発明の超音波レベル計によれば、第1次エコータイミングが確実に捕らえることが出来ない場合でも、第n次エコータイミング(n≧2)から第1次エコータイミングが確定できるため、液面ゆれがあっても安定した液面計測を行うことができる。
また、駆動残響の影響で第1次エコータイミングを捕えにくい近距離の液面計測を安定して行うことができる。
また、液面位置の演算処理において、整数比関係になっていない孤立したエコータイミングを検出することがないため、ノイズが混入したような場合でもその影響を受けることなく、高精度な液面計測を行うことができる。
【0026】
図3は、本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。図4は、図3に示したフロー図における度数分布の算出例について示した図である。本例は、図2に示した超音波レベル計の装置構成に基づいて説明するものとする。
まず、超音波レベル計は、センサ30から発信した超音波の液面からの反射波を受信し、エコー検出手段17aによりその反射波のエコータイミングを計測した計測データを取得する(ステップS1)。本例の場合、超音波の発信回数を4回とし、エコー抜けや、ノイズ等を含む場合について示しており、図中、2回目及び3回目に示す点線部の計測データはエコー抜けであることを示す。
【0027】
次に、第1次エコー確定手段17bの実施例について詳述する。
まず、エコーのグループ化の第1段階として、上記ステップS1で求めた4回分の計測データについて度数分布を求める(ステップS2)。本例の場合、区分間隔を10μsとして各区分中央値(100,110,150,・・・,460)に対して、例えば、区分幅±9μsを持たせている。これにより、区分中央値150μsの場合、141μs〜159μsの幅を有することになり、1〜4回目の計測データに基づいて151,152,150μsが当該幅に含まれるため、度数3と算出される。他の区分中央値に関しても同様の算出方法で度数を算出する。尚、上記区分間隔は10μsに限定されるものではなく、また、上記区分幅は、±9μsに限定されるものではない。これらは、操作者によって任意に設定することができる。
【0028】
ここで、上記区分間隔について、上記例のような等間隔ではなく、例えば、等比級数的に変化するように設定することも可能である。また、上記区分幅は、例えば、区分中央値に応じて変化するように設定することも可能である。具体例として、区分中央値の10%を区分幅とした場合に、区分中央値が150usのときは区分幅±7.5us、区分中央値が300usのときは区分幅±15usとなる。
【0029】
次に、第1次エコー確定手段17bは、エコーのグループ化の第2段階として、上記ステップS2で求めた計測データ毎の度数分布に基づいて整数倍のタイミングを含めた度数を求める(ステップS3)。本例に示す度数は、図4に示す度数分布の算出表から作成されたものである。上記と同様に、例えば、区分中央値150μsの場合、このタイミング(150μs)の整数倍におけるタイミングの度数を含めて算出される。すなわち、150μsにおける度数3に、300μs(150μsの2倍)における度数4と、450μs(150μsの3倍)における度数3とを含めて算出する。その結果として、度数合計3+4+3=10がエコータイミングの区分中央値150μsと整数比関係にあるエコーグループのエコーの獲得頻度として求まる。他の区分中央値に関しても同様の算出方法で度数合計、すなわち、エコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出する。
【0030】
最後に、第1次エコー確定手段17bは、上記ステップS3で求めたエコーの獲得頻度のうち、最大となった獲得頻度を有するエコーグループを探し、そのエコーグループのエコータイミングに基づいて、整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出する(ステップS4)。上記例の場合、度数合計10が最大となるため、その最大度数の区分中央値150(±9)μsと整数比関係にあるエコータイミングから整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを計算する。つまり、整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングは、区分中央値150(±9)μsに属するエコータイミング値と、その2倍の区分中央値300(±9)μsに属するエコータイミング値の1/2の値と、その3倍の区分中央値450(±9)μsに属するエコータイミング値の1/3の値との平均として推定計算する。下記にその計算例を示す。
t=[(151+152+150)/1+(299+301+303+298)/2+(451+452+449)/3]/10=150.4μs
こうして求まった整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを第1次エコータイミングとして確定する。
【0031】
本発明の超音波レベル計は、液面検出手段17cにより、上記のように計算により確定した第1次エコータイミングに基づいて液面位置を算出して表示する。尚、液面位置を算出する際には、図示しない温度センサ等からの温度情報をも加味し音速補正が加えられる。このように、第1次反射エコーを確実に捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第1次反射エコーのエコータイミングを確定することができるため、液面ゆれや、ノイズ、液面位置が近い場合等に対して安定した液面計測を可能とする。
【0032】
図5は、本発明の他の実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、超音波レベル計のコントローラ10は、AMP(増幅回路)11,ENVDET(検波回路)12,A/Dコンバータ13b,CPU14,LCD(表示部)15,RAM16,ROM17,D/Aコンバータ18,VCO(発振回路)19,ゲート素子20,DRV(駆動回路)21を有し、30は超音波レベル計のセンサで、コントローラ10及びセンサ30は有線又は無線で接続されているものとする。ROM17には、エコー検出手段17a,第1次エコー確定手段17b,及び液面検出手段17cがプログラムとして格納されており、CPU14は、本発明の第1次エコーの確定処理を行う際に、上記プログラムを読み出して実行する。尚、上記プログラムはRAM16に格納してもよい。
【0033】
図2に示した実施形態と異なる点は、CMP13aの代わりにA/Dコンバータ13bを有する点で、このA/Dコンバータ13bは、ENVDET12からのエンベロープ波形を多階調レベルのデジタル時系列データ(波形データ)として取り込む。本実施形態におけるエコー検出手段17aは、まず、超音波を複数回発信して取得した波形データを平均化した平均波形データ(サンプリングタイミング毎のA/Dコンバータ値の合計値列又は平均値列)から、サンプリングタイミング毎に所定のスライスレベルとの比較を行い、スライスレベルを超えたら論理値1、超えなければ論理値0を対応させる2値化処理を行なう。次に、本実施形態におけるエコー検出手段17aは、2値化処理で得た2値化データ列信号から立ち上がりタイミングを調べてエコータイミングを取得する。
【0034】
また、本実施形態の第1次エコー確定手段17bは、エコー検出手段17aにより検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて、整数比関係の整数=1に相当するエコータイミングを算出して第1次エコータイミングとして確定する。この場合の実施例について、後述の図6に示すフロー図に基づいて詳細に説明するものとする。
【0035】
図6は、本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。本例は、図5に示した超音波レベル計の装置構成に基づいて説明するものとする。
まず、エコー検出手段17aは、センサ30から発信した超音波の液面からの反射波を受信し、その波形データを取得する(ステップS11)。本例の場合、超音波の発信回数を4回とし、エコー抜けや、ノイズ等を含む場合について示している。次に、エコー検出手段17aは、取得した4回の波形データを基に平均波形データ(サンプリングタイミング毎のA/Dコンバータ値の合計値列又は平均値列)を求める。最後に、エコー検出手段17aは、平均波形データに対し2値化処理を行い、得た2値化データ列信号から立ち上がりタイミングを調べてエコータイミングを取得する。次のステップS12において、4回の平均波形データと、検出したエコーの各エコータイミングを示す。具体例として、5つのエコータイミング101us,151us,301us,392us,451us、が検出された状態について示す。
【0036】
第1次エコー確定手段17bは、平均波形データ上を探索して、エコー検出手段17aで求めた各エコータイミングに対応するエコーのエコー強度として波高値を求める。具体的には、そのエコータイミング以後の所定時間内の最大値を探し、波高値とする。こうして各エコーのエコータイミングに対応する波高値を獲得する。具体例として、ステップS12において、5つのエコータイミング101us,151us,301us,392us,451usに対応したエコーの波高値を、順に電圧値32mV,131mV,98mV,19mV,55mVと記す。
【0037】
次に、上記ステップS12において求めた立ち上がりタイミング及び波高値に基づいて、整数倍の立ち上がりタイミング(本例では、±9μsの幅を各タイミング値に持たせる)となる反射波の集合(エコーグループ)を求め、各反射波集合の波高値の合計を求める(ステップS13)。例えば、立ち上がりタイミングが151μs(波高値131mV)の整数倍(±9μs)に含まれるデータは、151μs(131mV),301μs(98mV),451μs(55mV)で、波高値の合計は、131+98+55=284mVとなる。尚、上記幅は、±9μsに限定されるものではなく、操作者によって任意に設定することができる。
【0038】
ここで、上記151μs(131mV)のタイミングでの波高値合計の内訳を下記に示す。
151×2±9μsの範囲に入るデータ:301μs(98mV)
151×3±9μsの範囲に入るデータ:451μs(55mV)
151×4±9μsの範囲に入るデータ:存在しない
【0039】
同様に、101μs(32mV)のタイミングでの波高値合計(32+98+19=149mV)の内訳を下記に示す。
101×2±9μsの範囲に入るデータ:存在しない
101×3±9μsの範囲に入るデータ:301μs(98mV)
101×4±9μsの範囲に入るデータ:392μs(19mV)
【0040】
上記例は、101,151μsの場合を代表例として示しているが、他の立ち上がりタイミング、301,392,451μsの場合についても波高値合計を同様に算出する。その結果を下記に示す。
301μsの場合、301±9μsの範囲に入るデータのみで98mV
392μsの場合、392±9μsの範囲に入るデータのみで19mV
451μsの場合、451±9μsの範囲に入るデータのみで55mV
【0041】
上記のように算出した波高値合計を下記に示す。
101μs( 32mV)の整数倍のデータ:波高値合計149mV
151μs(131mV)の整数倍のデータ:波高値合計284mV
301μs( 98mV)の整数倍のデータ:波高値合計 98mV
392μs( 19mV)の整数倍のデータ:波高値合計 19mV
451μs( 55mV)の整数倍のデータ:波高値合計 55mV
【0042】
最後に、第1次エコー確定手段17bは、上記ステップS13において波高値合計が最大となったデータのエコータイミングを第1次エコータイミングとする(ステップS14)。上記例の場合、波高値合計284mVが最大となるため、151μsの波高レベルデータでのタイミングを第1次エコータイミングとする。
【0043】
液面検出手段17cは、上記のように確定した第1次エコータイミングに基づいて液面位置を算出して表示する。尚、液面位置を算出する際には、図示しない温度センサ等からの温度情報をも加味し音速補正が加えられる。
【0044】
尚、本例の第1次エコー確定手段17bでは、各エコータイミングに対応するエコーのエコー強度として波高値を用いた。別の例として、エコー強度は、波高値の代わりにエコー波の積分値であっても良い。具体的には、エコー波の積分値は、例えば、エコータイミング以後の所定時間内のA/D値を合計した値とする。また、別の例として、エコー強度は、エコーの立ち上がり速度であっても良い。具体的には、エコーの立ち上がり速度は、例えば、エコータイミングから所定時間後のA/D値とする。
【0045】
尚、本例の第1次エコー確定手段17bでは、波高値を求める手法として、まず平均波形データを求め、次に、その平均波形データを探索して波高値を得る手法を示した。別の手法として、まず各回の波形データについて、所定のスライスレベルを超えるエコータイミングを検出してその各エコータイミングとそのエコータイミングに対応する個々の波高値を求め、求めたエコータイミングの近いもの同士でグループ化し、そのグループ毎に、統計したエコータイミングと波高値を求める手法がある。
【0046】
上記手法による波高値の統計は、グループ内の波高値の平均又は合計であってもよいし、最大値としてもよい。また、この手法によるエコータイミングの統計は、グループ内のエコータイミングの平均又は合計であってもよいし、最小値としてもよい。一般に平均と合計が同様の作用をすることは明らかである。エコーが弱い場合に対してエコーが確実に得られる場合を比較すると、エコータイミングは、(立ち上がりが速いため)小さくなり、波高値は大きくなる。
【0047】
エコータイミングの統計としてグループ内の最小値を用い、波高値の統計としてグループ内の最大値を用いることは、周期的な液面ゆれをしている場合であって且つその周期T1に対し十分に長い時間のサンプリング期間T2(1回目の発信時点から最後の発信による波形データを収集終了時点までの期間)が設けられない場合(例えばT2がT1の1〜2倍程度の場合)には、それらの統計として平均や合計を用いるよりも高確度な結果が得られることがある。なぜなら、通常、液面ゆれの周期とサンプリング期間の周期とが整数比の関係になく、液面ゆれとサンプリング開始の位相関係に応じた、平均(又は合計)のぶれが起こり、無視できない場合があるからである。
【0048】
従って、上記と同様の理由により、本例の第1次エコー確定手段17bでは、平均波形データをもとにして波高値を求めたが、液面ゆれの周期に対し十分なサンプリング期間が設けられない場合に、平均波形データの代わりに最大波形データ(サンプリングタイミング毎のA/Dコンバータ値の最大値列)を用いて波高値を求めることでより安定した第1次エコーの確定を行えることがある。
【0049】
本発明の超音波レベル計は、上記のように確定した第1次エコータイミングに基づいて液面位置を算出して表示する。このように、第1次反射エコーを確実に捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第1次反射エコーのエコータイミングを確定することができるため、液面ゆれや、ノイズ、液面位置が近い場合等に対して安定した液面計測を可能とする。
【0050】
【発明の効果】
本発明によると、超音波レベル計において第1次反射エコーを捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第1次反射エコーのエコータイミングを確定することができるため、液面ゆれ等があっても安定した液面位置の計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用される超音波レベル計を容器に設置した場合の構成例を説明するための図である。
【図2】 本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【図3】 本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図4】 図3に示したフロー図における度数分布の算出例について示した図である。
【図5】 本発明の他の実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【図6】 本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。
【図7】 従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
10,50…制御部(コントローラ)、11,52…AMP、12,53…ENVDET、13a…CMP、13b…A/Dコンバータ、14,55…CPU、15,56…LCD、16,57…RAM、17,58…ROM、17a…エコー検出手段、17b…第1次エコー確定手段、17c…液面検出手段、18,59…D/Aコンバータ、19,60…VCO、20,61…ゲート素子、21,62…DRV、30,70…センサ、31…超音波、40…容器、41…液面、51…増幅率切り替え回路、54…A/Dコンバータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting a liquid level of an ultrasonic level meter and an ultrasonic level meter, and more specifically, a time until an ultrasonic wave is transmitted from the outer wall of the bottom surface of a container and a reflected wave from an internal liquid interface returns. The liquid level detection method of the ultrasonic level meter which detects the liquid level position inside a container based on this.
[0002]
[Prior art]
An ultrasonic level meter that uses an ultrasonic sensor for both transmission and reception measures the time until an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic sensor and the reflected wave is received, and the distance to the object is calculated based on that time. Therefore, since the distance to the object can be measured accurately and easily, it is used for various purposes.
[0003]
FIG. 7 is a block diagram showing a circuit configuration example of a conventional ultrasonic level meter, in which 50 is a control unit of the ultrasonic level meter, and the
[0004]
First, at the time of transmitting ultrasonic waves, the D /
[0005]
Further, at the time of reception of the ultrasonic wave, the
[0006]
Here, when the liquid surface position is measured based on the circuit configuration as described above, the primary reflection echo may not be captured due to liquid surface fluctuation or the like. There was a need to measure. Further, when the liquid surface position is close, there is an influence of driving reverberation. Therefore, when the primary reflection echo is close to the driving reverberation, it is difficult to measure the liquid surface position. In addition, when noise or the like is mixed, an error may occur in the liquid level measurement result. Thus, in the conventional ultrasonic level meter, it was not possible to perform stable liquid level measurement against liquid level fluctuations, noise, and when the liquid level position is close.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an integer ratio relationship even when the primary reflection echo cannot be captured due to liquid level fluctuations or the like in the ultrasonic level meter. An object of the present invention is to provide an ultrasonic level meter liquid level detection method and an ultrasonic level meter capable of determining the echo timing of a primary reflected echo based on the echo timing of another reflected echo. is there.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the first-order echo determination step. Is , It is determined whether or not the time intervals until the echoes are detected are in an integer ratio relationship with respect to the plurality of echoes detected in the echo detection step. Echo timing corresponding to the integer = 1 in the integer ratio relation is calculated based on the echo timing of the echo group in which the obtained acquisition frequency is maximized. And is determined as the primary echo timing.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the first-order echo determination step. Is , It is determined whether or not the time intervals until the echoes are detected are in an integer ratio relationship with respect to the plurality of echoes detected in the echo detection step. Echoes are grouped together, the total echo intensity for each echo group is calculated, and the total of the calculated echo intensities corresponds to the integer = 1 of the integer ratio relationship based on the echo timing of the echo group that has the maximum. The echo timing is calculated and determined as the primary echo timing.
[0011]
The invention according to
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention of the fourth aspect, the primary echo determination means has a time interval until the echo is detected for a plurality of echoes detected by the echo detection means in an integer ratio relationship. As a result, the echoes determined to have an integer ratio relationship are grouped, and the echo acquisition frequency for each echo group is calculated, and the calculated acquisition frequency is maximized. Based on the echo timing of the echo group, the echo timing corresponding to the integer = 1 in the integer ratio relation is calculated and determined as the primary echo timing.
According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the primary echo determination means has an integer ratio relationship between time intervals until the echoes are detected for a plurality of echoes detected by the echo detection means. As a result, the echoes determined to have an integer ratio relationship are grouped, the total echo intensity for each echo group is calculated, and the calculated total echo intensity is the maximum. On the basis of the echo timing of the echo group, the echo timing corresponding to the integer = 1 in the integer ratio relation is calculated and determined as the primary echo timing.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example when an ultrasonic level meter to which the present invention is applied is installed in a container. In the figure, 10 is a control unit (hereinafter referred to as a controller), and 30 is an ultrasonic sensor. (Piezoelectric sensor), 31 is an ultrasonic wave transmitted from the
[0014]
In the configuration as described above, for example, when detecting the liquid level 41 of the liquid, the operator operates the
[0015]
When detecting the height of the liquid surface 41, the
[0016]
Even if the primary reflection echo cannot be captured due to liquid level fluctuation or the like, the ultrasonic level meter of the present invention is based on the echo timing of other reflection echoes having an integer ratio relationship. For the purpose of determining the echo timing of the reflected echo, it is assumed that the circuit configuration shown in FIG.
[0017]
FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration example of an ultrasonic level meter according to an embodiment of the present invention. The
[0018]
In FIG. 1 and FIG. 2, during transmission of ultrasonic waves, the D /
[0019]
Further, at the time of receiving the ultrasonic wave, the
[0020]
The
[0021]
The echo detection means 17 a detects a plurality of echoes based on the reflected waves that are repeatedly reflected from the liquid surface 41 in accordance with the ultrasonic waves transmitted from the
[0022]
The primary echo determination means 17b determines whether or not the time intervals of echoes until detection by the echo detection means 17a have an integer ratio relationship, and as a result, the echo determined to have an integer ratio relationship Is used to determine the echo timing of the primary echo.
[0023]
Here, the primary echo determination means 17b determines whether or not the time intervals until the echoes are detected with respect to the plurality of echoes detected by the echo detection means 17a are in an integer ratio relationship, and as a result, Echoes determined to have an integer ratio relationship are grouped, the echo acquisition frequency for each echo group is calculated, and the integer ratio relationship is based on the echo timing of the echo group with the calculated acquisition frequency being maximized An echo timing corresponding to an integer of 1 is calculated and determined as a primary echo timing. The embodiment in this case will be described in detail based on the flowchart shown in FIG. 3 described later.
[0024]
The liquid level detection means 17c detects the position of the liquid level 41 based on the echo timing of the primary echo determined by the primary echo determination means 17b.
[0025]
According to the ultrasonic level meter of the present invention, the primary echo timing can be determined from the n-th echo timing (n ≧ 2) even when the primary echo timing cannot be reliably captured. Stable liquid level measurement can be performed even if there is shaking.
In addition, it is possible to stably perform near-surface liquid level measurement that makes it difficult to capture the primary echo timing due to the influence of drive reverberation.
In addition, the liquid level position calculation process does not detect isolated echo timing that is not in an integer ratio relationship, so even if noise is mixed, it is not affected by this, and high-precision liquid level measurement is possible. It can be performed.
[0026]
FIG. 3 is a flowchart for explaining an example of the liquid level detection method of the ultrasonic level meter to which the present invention is applied. FIG. 4 is a diagram showing an example of calculating the frequency distribution in the flowchart shown in FIG. This example will be described based on the apparatus configuration of the ultrasonic level meter shown in FIG.
First, the ultrasonic level meter receives the reflected wave from the liquid surface of the ultrasonic wave transmitted from the
[0027]
Next, an example of the primary echo determination means 17b will be described in detail.
First, as a first stage of echo grouping, a frequency distribution is obtained for the four measurement data obtained in step S1 (step S2). In the case of this example, the section interval is set to 10 μs, and each section median (100, 110, 150,..., 460) has a section width of ± 9 μs, for example. As a result, in the case of the section median value of 150 μs, it has a width of 141 μs to 159 μs, and 151, 152, and 150 μs are included in the width based on the first to fourth measurement data, so the frequency is calculated as 3. . The frequency is calculated with the same calculation method for the other median values. The interval between the sections is not limited to 10 μs, and the section width is not limited to ± 9 μs. These can be arbitrarily set by the operator.
[0028]
Here, it is also possible to set the segment intervals so as to change in a geometric series instead of the regular intervals as in the above example. Further, the section width can be set so as to change according to the section median, for example. As a specific example, when 10% of the segment median is defined as the segment width, the segment width is ± 7.5 us when the segment median is 150 us, and the segment width is ± 15 us when the segment median is 300 us.
[0029]
Next, as the second stage of echo grouping, the primary echo determination means 17b obtains a frequency including an integer multiple based on the frequency distribution for each measurement data obtained in step S2 (step S3). ). The frequencies shown in this example are created from the frequency distribution calculation table shown in FIG. In the same manner as described above, for example, when the median value is 150 μs, the calculation is performed including the frequency of the timing at an integer multiple of this timing (150 μs). That is, the
[0030]
Finally, the primary echo determination means 17b searches for an echo group having the maximum acquisition frequency among the echo acquisition frequencies obtained in step S3, and based on the echo timing of the echo group, an integer ratio The echo timing corresponding to the relation integer = 1 is calculated (step S4). In the case of the above example, since the
t = [(151 + 152 + 150) / 1 + (299 + 301 + 303 + 298) / 2 + (451 + 452 + 449) / 3] /10=15.04 μs
The echo timing corresponding to the integer = 1 of the integer ratio relationship thus obtained is determined as the primary echo timing.
[0031]
In the ultrasonic level meter of the present invention, the liquid level position is calculated and displayed by the liquid level detection means 17c based on the primary echo timing determined by calculation as described above. It should be noted that when calculating the liquid level position, the sound speed correction is applied in consideration of temperature information from a temperature sensor (not shown) or the like. Thus, even when the primary reflected echo cannot be reliably captured, the echo timing of the primary reflected echo is determined based on the echo timing of other reflected echoes having an integer ratio relationship. Therefore, stable liquid level measurement is possible for liquid level fluctuations, noise, and when the liquid level position is close.
[0032]
FIG. 5 is a block diagram showing an example of the circuit configuration of an ultrasonic level meter according to another embodiment of the present invention. The
[0033]
A difference from the embodiment shown in FIG. 2 is that an A / D converter 13b is provided instead of the
[0034]
Further, the primary
[0035]
FIG. 6 is a flowchart for explaining another example of the liquid level detection method of the ultrasonic level meter to which the present invention is applied. This example will be described based on the apparatus configuration of the ultrasonic level meter shown in FIG.
First, the echo detection means 17a receives the reflected wave from the liquid surface of the ultrasonic wave transmitted from the
[0036]
The primary echo determination means 17b searches the average waveform data and obtains a peak value as the echo intensity of the echo corresponding to each echo timing obtained by the echo detection means 17a. Specifically, the maximum value within a predetermined time after the echo timing is searched for and used as the peak value. In this way, the peak value corresponding to the echo timing of each echo is obtained. As a specific example, in step S12, the peak values of echoes corresponding to the five echo timings 101us, 151us, 301us, 392us, 451us are sequentially described as voltage values 32mV, 131mV, 98mV, 19mV, 55mV.
[0037]
Next, a set of reflected waves (echo group) that is an integral multiple of the rising timing (in this example, each timing value has a width of ± 9 μs) based on the rising timing and the peak value obtained in step S12. And the sum of the peak values of each reflected wave set is obtained (step S13). For example, the data included in the integral multiple (± 9 μs) of the rising timing of 151 μs (crest value 131 mV) is 151 μs (131 mV), 301 μs (98 mV), 451 μs (55 mV), and the sum of the crest values is 131 + 98 + 55 = 284 mV. Become. The width is not limited to ± 9 μs and can be arbitrarily set by the operator.
[0038]
Here, the breakdown of the total peak value at the timing of 151 μs (131 mV) is shown below.
Data falling within the range of 151 × 2 ± 9 μs: 301 μs (98 mV)
Data falling within the range of 151 × 3 ± 9 μs: 451 μs (55 mV)
Data falling within the range of 151 × 4 ± 9 μs: Not present
[0039]
Similarly, the breakdown of the total peak value (32 + 98 + 19 = 149 mV) at the timing of 101 μs (32 mV) is shown below.
Data falling within the range of 101 × 2 ± 9μs: Not present
Data falling within the range of 101 × 3 ± 9 μs: 301 μs (98 mV)
Data falling within the range of 101 × 4 ± 9 μs: 392 μs (19 mV)
[0040]
In the above example, the case of 101, 151 μs is shown as a representative example, but the peak value sum is similarly calculated for other rising timings, 301, 392, 451 μs. The results are shown below.
In the case of 301 μs, only data that falls within the range of 301 ± 9 μs is 98 mV
In the case of 392 μs, only 19 mV of data within the range of 392 ± 9 μs
In the case of 451 μs, only 55 mV is included in the data range of 451 ± 9 μs.
[0041]
The total peak value calculated as described above is shown below.
101 μs (32 mV) integer multiple data: peak value total 149 mV
151 μs (131 mV) integer multiple data: peak value total 284 mV
Data of integral multiple of 301 μs (98 mV): total peak value 98 mV
Data of integer multiple of 392 μs (19 mV):
Integer data of 451 μs (55 mV):
[0042]
Finally, the primary echo determination means 17b sets the echo timing of the data having the maximum peak value in step S13 as the primary echo timing (step S14). In the case of the above example, since the peak value total 284 mV is the maximum, the timing at the peak level data of 151 μs is set as the primary echo timing.
[0043]
The liquid level detection means 17c calculates and displays the liquid level position based on the primary echo timing determined as described above. It should be noted that when calculating the liquid level position, the sound speed correction is applied in consideration of temperature information from a temperature sensor (not shown) or the like.
[0044]
In the primary echo determination means 17b of this example, the peak value is used as the echo intensity of the echo corresponding to each echo timing. As another example, the echo intensity may be an integral value of the echo wave instead of the peak value. Specifically, the integral value of the echo wave is, for example, a value obtained by summing A / D values within a predetermined time after the echo timing. As another example, the echo intensity may be an echo rising speed. Specifically, the echo rising speed is, for example, an A / D value after a predetermined time from the echo timing.
[0045]
In the primary echo determination means 17b of the present example, as a method for obtaining the peak value, first, average waveform data is obtained, and then, the mean waveform data is searched to obtain the peak value. As another method, for each waveform data, first, echo timings exceeding a predetermined slice level are detected, and the respective echo timings and individual peak values corresponding to the echo timings are obtained. There is a method for obtaining a statistical echo timing and a peak value for each group.
[0046]
The statistical value of the peak value by the above method may be an average or sum of the peak values in the group, or may be a maximum value. Further, the echo timing statistics by this method may be the average or total of the echo timings in the group, or may be the minimum value. It is clear that the average and sum generally have a similar effect. Comparing the case where the echo is reliably obtained compared to the case where the echo is weak, the echo timing becomes small (because the rise is fast), and the peak value becomes large.
[0047]
Using the minimum value in the group as the statistics of the echo timing and using the maximum value in the group as the statistics of the crest value is sufficient when the liquid level fluctuates periodically and the period T1 is sufficient. If there is no long sampling period T2 (period from the first transmission time to the end of waveform data collection by the last transmission) (for example, when T2 is about 1 to 2 times T1), More accurate results may be obtained than using averages and sums as statistics. Because the period of the liquid level fluctuation and the period of the sampling period are not usually in an integer ratio relationship, the average (or total) fluctuation occurs depending on the phase relation between the liquid level fluctuation and the sampling start, and may not be ignored. Because there is.
[0048]
Therefore, for the same reason as described above, the primary echo determination means 17b of this example obtains the peak value based on the average waveform data, but a sufficient sampling period is provided for the cycle of the liquid level fluctuation. If there is not, the more stable primary echo can be determined by obtaining the peak value using the maximum waveform data (maximum value sequence of A / D converter values at each sampling timing) instead of the average waveform data. is there.
[0049]
The ultrasonic level meter of the present invention calculates and displays the liquid level position based on the primary echo timing determined as described above. Thus, even when the primary reflected echo cannot be reliably captured, the echo timing of the primary reflected echo is determined based on the echo timing of other reflected echoes having an integer ratio relationship. Therefore, stable liquid level measurement is possible for liquid level fluctuations, noise, and when the liquid level position is close.
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if the primary reflection echo cannot be captured by the ultrasonic level meter, the echo of the primary reflection echo is based on the echo timing of other reflection echoes having an integer ratio relationship. Since the timing can be determined, stable liquid level position measurement can be performed even if there is liquid level fluctuation or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example when an ultrasonic level meter to which the present invention is applied is installed in a container.
FIG. 2 is a block diagram showing a circuit configuration example of an ultrasonic level meter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart for explaining an example of a liquid level detection method of an ultrasonic level meter to which the present invention is applied.
4 is a diagram showing a calculation example of a frequency distribution in the flowchart shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a circuit configuration example of an ultrasonic level meter according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart for explaining another example of the liquid level detection method of the ultrasonic level meter to which the present invention is applied.
FIG. 7 is a block diagram showing a circuit configuration example of a conventional ultrasonic level meter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記超音波センサから複数回発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出ステップと、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループのエコータイミングに基づいて第1次エコーのエコータイミングを確定する第1次エコー確定ステップと、該確定した第1次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出ステップとを有することを特徴とする超音波レベル計の液面検出方法。An ultrasonic sensor that is attached to the outer wall surface of the bottom of the container, transmits ultrasonic waves toward the liquid surface of the liquid contained in the container, and receives reflected waves from the liquid surface; In the liquid level detection method of the ultrasonic level meter connected with the control unit that controls the detection operation of the liquid level based on time information from the time of transmitting the sound wave to the time of receiving the reflected wave,
An echo detection step for detecting a plurality of echoes based on a reflected wave repeatedly reflected from the liquid surface in response to an ultrasonic wave transmitted a plurality of times from the ultrasonic sensor, and an echo time interval until the detection is mutually It is determined whether or not an integer ratio relationship is established, and as a result, echoes determined to be in an integer ratio relationship are grouped, and the echo timing of the primary echo is determined based on the echo timing of the echo group . A liquid level detection method for an ultrasonic level meter, comprising: a primary echo determination step; and a liquid level detection step of detecting the position of the liquid level based on the determined echo timing of the primary echo.
前記制御部は、前記超音波センサから複数回発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出手段と、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループのエコータイミングに基づいて第1次エコーのエコータイミングを確定する第1次エコー確定手段と、該確定した第1次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出手段とを有することを特徴とする超音波レベル計。An ultrasonic sensor that is attached to the outer wall surface of the bottom of the container, transmits ultrasonic waves toward the liquid surface of the liquid contained in the container, and receives reflected waves from the liquid surface; In the ultrasonic level meter connected to the control unit that controls the detection operation of the liquid level based on time information from the time when the sound wave is transmitted to the time when the reflected wave is received,
The control unit includes an echo detection unit that detects a plurality of echoes based on reflected waves that are repeatedly reflected from the liquid surface in response to an ultrasonic wave transmitted a plurality of times from the ultrasonic sensor, and an echo until the detection. Are determined to be in an integer ratio relationship, and as a result, the echoes determined to be in an integer ratio relationship are grouped, and the echoes of the primary echo are based on the echo timing of the echo group. An ultrasonic level meter, comprising: primary echo determination means for determining timing; and liquid level detection means for detecting the position of the liquid level based on the determined echo timing of the primary echo.
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