JP4135282B2 - 超音波レベル計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計に関し、特に、測定開始後にエコー波がどの位置にあるかを効率よく検出するための検出方式の改善に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6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】
信号処理回路32は、図7に示すように、圧電素子20から超音波P1が発生してエコー波P2が到達するまでの時間T1を計測し、被反射物体までの距離(Lx)を算出する。
【0005】
エコー波P2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。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなエコー波の位置検出方式では、高精度で(高分解能で)検出しようとすると時間がかかるという欠陥があった。
また、エコー信号に重畳したノイズの影響を受け易く、測定精度を上げるのが困難であるという課題があった。
【0007】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、粗検索と密検索を組み合わせて、S/N比を落とすことなく短時間にエコー波の位置を高分解能で検出することのできる超音波レベル計を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項1の発明では、超音波送受信器をパルス駆動して超音波を発生させ、反射面からのエコー波を受けてエコー位置を求め反射面のレベルを測定するように構成した超音波レベル計において、パルス駆動と同位相およびこの位相とは四半周期ずれた位相とでエコー信号を2相同期積分する同期積分回路と、この同期積分回路からの2相同期積分波形を合成した波形に基づき、所定の検索範囲内で行なう低分解能のエコー位置検索によりエコー位置を求め、このエコー位置に基づき前記所定の検索範囲よりも時間軸上で狭い検索範囲を定めてこの範囲で高分解能のエコー位置検索を行なう演算手段とを備えたことを特徴とする。
【0009】
はじめに広い範囲にわたり低分解能でエコー位置を粗検索し、エコー位置が見つかればそのエコー位置を含む前後の狭い範囲に絞って次の高分解能エコー位置検索を行なう。
このような2段階の検索にすれば、はじめから広い範囲にわたり高分解能でエコー位置検索を行なうよりは、より短時間にエコー位置を高分解能で求めることができる。
【0010】
また、パルス駆動と同位相およびこの位相とは四半周期ずれた位相とでエコー信号を2相同期積分し、その2相同期積分波形を合成した波形に基づきエコー位置を検出するようにする。これにより、エコー波に重畳したノイズ成分が除去でき、S/N比の良いエコー位置検出が保証される。
【0011】
また、前記低分解能のエコー位置検索においては、請求項2のように、前記同期積分回路は、12セルを1ブロックとして積分を繰り返し、前記演算手段は、各ブロックごとに各セルの積分値を有極加算し、有極加算された2相の積分値を合成して得られた積分波形に基づいてエコー位置を求めるように構成する。このような検索によりS/N比を落とすことなく広い範囲を短時間に検索することができる。
【0012】
この場合、前記低分解能のエコー位置検索では、例えば請求項3のように、前記超音波送受信器は、近距離範囲でエコー位置検索を行なうときは少ないパルス数により駆動され、前記近距離範囲に一部が重複する遠距離範囲でエコー位置検索を行なう場合は多いパルス数の駆動に切り換えて駆動される。
【0013】
更にこの場合、請求項4のように、前記超音波送受信器は駆動パルス数が16パルスと64パルスであり、前記演算手段は、16パルス駆動のときは前記合成波形について2ブロックの移動加算を、64パルス駆動のときは前記合成波形について5ブロックの移動加算を行ない、その波形のピーク位置に基づいてエコー位置を検出するのが望ましい。
【0014】
更にまた、請求項5のように、前記演算手段は、高分解能エコー位置検索用の検索範囲を、16パルス駆動のときは前記ピーク位置より48セル手前から108セル後までの範囲に、64パルス駆動のときは前記ピーク位置より48セル手前から144セル後までの範囲に設定するのが望ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下実施例につき本発明を詳しく説明する。本発明は、はじめに所定の広いセル範囲において低分解能で高速にエコー位置を検索(これを粗検索と呼ぶ)してエコーの存在位置を確認し、このエコー位置に基づいて新たな狭い範囲のエコー位置検索範囲を定めこの範囲を高分解能で検索(この検索を密検索と呼ぶ)してエコー位置を検出するようにする。
このような粗検索と密検索との組み合わせおよび検索範囲の絞り込みにより、効率の良い高速なエコー位置検出が可能となる。
また、本発明では2相同期積分を取り入れ、エコー波に重畳したノイズ成分に影響されることなく、高S/N比でエコー位置を求めるようにしている。
【0016】
図1は本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す構成図である。図において、図6と同等のものは同一符号を付し、その説明は省略する。
【0017】
受信回路30は、プリアンプA1と、D/A変換器DACと、メインアンプA2が直列接続されたものである。プリアンプA1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の影響を取り除くようにして信号を受信する。
【0018】
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A1から入力された波形信号に対してTVG(Time Variable Gain)処理も行なうことができるように構成されている。
このTVG処理は、距離によ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した処理である。
【0019】
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。
【0020】
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、X位相側スイッチ、X位相積分回路およびA/D変換器で構成される。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、Y位相側スイッチ、Y位相積分回路およびA/D変換器で構成される。
【0021】
なお、フリップフロップには駆動回路10の出力が印加され、P出力がX位相側スイッチに印加され、Q出力がY位相側スイッチに印加される。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。
【0022】
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。
【0023】
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および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。また、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。
【0024】
このような構成における動作を次に説明する。最初は、粗検索を行う。
2相同期積分回路40は、所定周期(例えば、12セル周期。なお、セルとは積分値の計測ワンステップの時間幅を指す)で積分を行う。この12セルごとのデータを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。
【0025】
12セルを1ブロックとして扱うため、エコー到達距離Lx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10〜100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、積分噐のドリフト等が影響して好ましくない。
【0026】
なお、本発明では、近距離用には圧電素子20を16パルス駆動し、遠距離用には圧電素子20を64パルス駆動して超音波を送受し、エコー位置の検出を行う。
【0027】
図2は16パルス駆動(パルス駆動は、超音波送受信噐のパルス送信に対応するため、パルス送信とも言う)と64パルス駆動のときの送受信関係の一例を示したものである。なお、エコー位置の検出は、パルス駆動直後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。
TVG処理は、16パルス駆動および64パルス駆動ともWSの全測定範囲において行われる。
【0028】
次に、データ収集からピーク値の演算までの動作を説明する。まず、16パルス駆動の場合について述べる。
図3はデータ収集時の各部の波形を示す概念図である。同図(a)に示すように74セル目から11セル目まで積分を続け、12セル目でリセットする。以下これを1ブロックとして、577セルまでその動作を繰り返す。
図3の(c),(d)はそれぞれX側の積分波形、Y側の積分波形を示す。
【0029】
上記X側およびY側の積分波形は、各セルごとにA/D変換し、図4(a),(b)に示すように各ブロックごとに11個のA/D変換データd1〜d11を得る。
【0030】
次に、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することを言う。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)する。
図4(c)はその合成データ(Bd1,Bd2,Bd3,...)を示したものである。
【0031】
続いて、この合成データについて移動加算を行う。ここでは、2ブロックの移動加算とした。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。
同様の理由から、後述する64パルス駆動の場合には5ブロックの移動加算となる。
【0032】
上記2ブロックの移動加算の後、全ブロック中のピーク値を検出し、そのピーク値の例えば20%をしきい値に選ぶ。そしてこのしきい値を越えたブロックを検出し、それを主エコーの位置Smとする(図5)。
【0033】
次に、この主エコー位置Smを含む適宜の範囲を特定し、これを密検索の測定範囲(WM)とする。図5(b)は64パルス駆動の場合のWMに係る説明図である。
【0034】
以上のようにして、16パルス駆動での粗検索によるエコー位置検出およびそれに基づいた密検索用のWMを求めることができる。16パルス駆動でエコー位置が検出されなかったときは、圧電素子を64パルスで駆動し遠距離検索を行う。遠距離検索も16パルス駆動の場合と同様にしてエコー位置の検索、および密検索用のWMを求めることができる。なお、そのような判断および動作の制御は演算回路50により行われる。
【0035】
以上のように粗検索でエコー位置が検出されると、次は蜜検索でエコー位置を検出する。密検索における動作は、例えば次の通りである。
【0036】
2相同期積分回路40は、上記のようにして求められたWM検索範囲においてX側,Y側について同期積分を行ないその積分値をA/D変換する。この時系列積分値は記憶装置(図示せず)に格納される。
【0037】
演算回路50は、蓄積されたこれら時系列の積分値(いわゆる積分波形)に対して移動平均化処理を行ない、その積分波形を滑らかにする。続いて、移動差微分を行ないエコー波のエンベロープに対応した波形を得て、この波形のピーク値に基づきエコーの到来位置を求める。このような方式によれば、前記粗検索のエコー検索よりも高分解能でエコー位置を求めることができる。
【0038】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
▲1▼はじめに広い範囲を低分解能でエコー位置検索し、エコー位置が確認できると狭い範囲に絞って高分解能でエコー位置を再検索するため、効率良く短時間で高精度にエコー位置を検出することができる。
▲2▼2相同期積分を採用しているため、エコー波に重畳したノイズに影響されることなくエコー位置を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す構成図である。
【図2】送受信関係の説明図である。
【図3】データ収集時の各部の波形を示す概念図である。
【図4】積分値データの処理の様子を説明するための図である。
【図5】WM幅設定についての説明図である。
【図6】従来の超音波レベル計の一例を示す図である。
【図7】超音波発生からエコー波到達までの説明図である。
【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
Claims (5)
- 超音波送受信器をパルス駆動して超音波を発生させ、反射面からのエコー波を受けてエコー位置を求め反射面のレベルを測定するように構成した超音波レベル計において、
パルス駆動と同位相およびこの位相とは四半周期ずれた位相とでエコー信号を2相同期積分する同期積分回路と、
この同期積分回路からの2相同期積分波形を合成した波形に基づき、所定の検索範囲内で行なう低分解能のエコー位置検索によりエコー位置を求め、このエコー位置に基づき前記所定の検索範囲よりも時間軸上で狭い検索範囲を定めてこの範囲で高分解能のエコー位置検索を行なう演算手段と
を備えたことを特徴とする超音波レベル計。 - 前記低分解能のエコー位置検索においては、前記同期積分回路は、12セルを1ブロックとして積分を繰り返し、前記演算手段は、各ブロックごとに各セルの積分値を有極加算し、有極加算された2相の積分値を合成して得られた積分波形に基づいてエコー位置を求めるように構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波レベル計。
- 前記低分解能のエコー位置検索においては、前記超音波送受信器は、近距離範囲でエコー位置検索を行なうときは少ないパルス数により駆動され、前記近距離範囲に一部が重複する遠距離範囲でエコー位置検索を行なう場合は多いパルス数の駆動に切り換えて駆動されるように構成したことを特徴とする請求項1または2または3記載の超音波レベル計。
- 前記超音波送受信器は駆動パルス数が16パルスと64パルスであり、前記演算手段は、16パルス駆動のときは前記合成波形について2ブロックの移動加算を、64パルス駆動のときは前記合成波形について5ブロックの移動加算を行ない、その波形のピーク位置に基づいてエコー位置を検出するように構成したことを特徴とする請求項4記載の超音波レベル計。
- 前記演算手段は、高分解能エコー位置検索用の検索範囲を、16パルス駆動のときは前記ピーク位置より48セル手前から108セル後までの範囲に、64パルス駆動のときは前記ピーク位置より48セル手前から144セル後までの範囲に設定することを特徴とする請求項5記載の超音波レベル計。
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JP33961299A JP4135282B2 (ja) | 1999-11-30 | 1999-11-30 | 超音波レベル計 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6177905U (ja) * | 1984-10-27 | 1986-05-24 |
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1999
- 1999-11-30 JP JP33961299A patent/JP4135282B2/ja not_active Expired - Fee Related
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