JP4265752B2 - 超音波レベル計の液面検出方法及び超音波レベル計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、超音波レベル計から発信する超音波の駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していないと、エコーの尾部にうなり（以下、しばしば副次エコーという）が発生してしまい、そのエコー尾部をエコータイミングとして誤検知してしまう場合がある。このような場合には計測誤差が生じてしまい、正確な計測が出来ないことになる。従って、従来の超音波レベル計は、容器底板の板厚のばらつきも考慮して厳密な周波数調整を行って駆動周波数を通過周波数に一致させる必要があった。
【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、駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信し、獲得した複数のエコーをそのエコータイミング毎にグループ化し、エコー獲得数が最大となるエコーグループのエコータイミングに基づいて液面位置を検出することにより、駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していない場合にエコー尾部で発生する副次エコーの誤検出を防止できるようにした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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得数を算出し、該算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出ステップと、該算出した第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、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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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そのエコー強度と共に検出するエコー検出ステップと、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、該算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出ステップと、該算出した第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。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記エコー検出ステップにおいて、前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信する際に、任意の液面位置において取得したエコーのエコー強度を駆動周波数毎に集計することにより前記容器の周波数特性を取得し、該取得した周波数特性に基づいてエコー強度が所定レベル以上となる周波数の範囲を確定し、該確定した周波数範囲内で駆動周波数を変化させることを特徴としたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、容器の板厚及び材質に基づいて定まる通過周波数及びそのエコー強度を含む通過周波数情報を容器の種類に対応する容器コードと共に記憶して有し、前記エコー検出ステップにおいて、前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信する際に、操作者から入力される容器コードに応じた通過周波数情報を読み込んで、該読み込んだ通過周波数情報に基づいてエコー強度が所定レベル以上となる周波数の範囲を確定し、該確定した周波数範囲内で駆動周波数を変化させることを特徴としたものである。
【００１２】
請求項５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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得数を算出し、該算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出手段と、該算出した第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。
【００１３】
請求項６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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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そのエコー強度と共に検出するエコー検出手段と、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、該算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出手段と、該算出した第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。
【００１４】
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図２は、駆動周波数に応じたエコー尾部の状態を表した波形データの一例を示す図である。図２（Ａ）は、通過周波数に一致した周波数で超音波発信した場合の波形データで、図２（Ｂ）は、通過周波数から約６ｋＨｚずれた周波数で超音波発信した場合の波形データで、図２（Ｃ）は、通過周波数から約８ｋＨｚずれた周波数で超音波発信した場合の波形データを示している。
図２（Ａ）に示すように、容器４０の底板の板厚に応じた通過周波数に一致した周波数で超音波発信した場合には、エコー尾部は滑らかな減衰波形となる。しかし、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、通過周波数からずれた駆動周波数で超音波を発信した場合には、その駆動周波数と、通過周波数との差分がエコー尾部のうなり（副次エコー）となり、出現することになる。
【００１８】
本発明の超音波レベル計は、駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信し、獲得した複数のエコーをそのエコータイミング毎にグループ化し、エコー獲得数が最大となるエコーグループのエコータイミングに基づいて液面位置を検出することにより、駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していない場合にエコー尾部で発生する副次エコーの誤検出を防止できるようにしたものである。そのために下記の図３に示す回路構成を有するものとする。
【００１９】
図３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次エコー算出手段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、本発明の液面検出処理を行う際に、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。
【００２０】
図１及び図３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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
エコー検出手段１７ａは、センサ３０の駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に液面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。
【００２４】
ここで、エコー尾部で発生するうなりを分散させる方法として、例えば、異なる駆動周波数で超音波を複数回発信させる方法、他の方法として、異なる駆動パルス幅で超音波を複数回発信させる方法などがある。これらの方法によれば、前者の場合、エコー尾部で発生するうなりが駆動周波数で異なる、後者の場合、駆動パルス幅に応じてエコー尾部で発生するうなりがシフトする、すなわち、エコー尾部の位相が変化する。従って、両者ともに、エコー尾部のうなりをエコータイミング候補として検出したとしても、そのタイミングは分散化されるため、エコー尾部に発生するうなりそれぞれのタイミングの発生頻度は低下する。
【００２５】
また、上記以外の分散方法として、異なる駆動周波数及び駆動パルス幅の両方を変化させて超音波を複数回発信させるようにしてもよい。
【００２６】
第１次エコー算出手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー獲得数を算出し、算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する。ここで、上記エコーの獲得数を求める際の区分幅は、エコータイミングのばらつきの幅（例えば、分散値など）に基づいて決定する。すなわち、本来、同一タイミングと見なしたい範囲が、例えば１つ又は２つの区分に収まるように区分幅を決定するようにする。また、液面検出手段１７ｃは、第１次エコー算出手段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。この場合の実施例について、後述の図４に示すフロー図に基づいて詳細に説明するものとする。
【００２７】
図４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。本例は、図３に示した超音波レベル計の装置構成に基づいて、異なる７つの駆動周波数で超音波を複数回発信し、そのエコー尾部に出現するうなりを分散化する方法について説明する。
【００２８】
ここで、本超音波レベル計が容器に設置されて運用開始する際に、センサ３０から発信する超音波の駆動周波数範囲を次のような方法で確定する。
（第１の駆動周波数範囲確定方法）
超音波レベル計は、操作者による周波数調整操作の際に、バースト音波を発信してエコータイミングを検知する動作を、駆動周波数を変えて複数回実行し、検知できたエコー強度を周波数別に集計することにより、その容器におけるエコー強度の周波数特性を取得する。この周波数特性に基づいて、エコー強度が所定レベル以上であるような周波数範囲を選定し、駆動周波数の範囲とする。
【００２９】
（第２の駆動周波数範囲確定方法）
超音波レベル計は、容器の板厚、材質によって定まる通過周波数情報及び代表的なエコー強度を、容器の種別を意味する容器コードに対応させて予めＲＯＭ１７に記憶しておく。運用開始時までに操作者が容器コードを入力することでその容器の通過周波数情報を選定できるようにする。この通過周波数情報には、例えば、通過周波数と通過周波数帯域幅を含むものとする。この際、駆動周波数範囲を直接含めるようにしてもよい。この方法では、入力された容器コードに対応する容器における代表的なエコー強度（すなわち、計測値ではなく予測値）の周波数特性を取得し、その周波数特性に基づいて、代表エコー強度が所定レベル以上であるような周波数範囲を選定し、駆動周波数の範囲とする。
【００３０】
ここで、駆動周波数の範囲は、連続したひとつの範囲である必要は無く、エコー強度が所定レベル以上であるなら、複数の周波数範囲で構成してもよい。基本となる通過周波数の整数倍もまた通過周波数として含めることができる。このように、駆動周波数の範囲を複数の通過周波数帯に設定することも可能である。
【００３１】
図４において、超音波レベル計は、センサ３０の駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信すると共に、液面からの複数の反射波を受信し、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７回とし、各回の駆動周波数は、例えば、９９６ｋＨｚから２ｋＨｚステップで１００８ｋＨｚまでの７ステップとする。
【００３２】
次に、第１次エコー算出手段１７ｂの実施例について詳述する。
まず、上記ステップＳ１で求めた７回分の計測データについてエコータイミング毎に度数分布を求める（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（４２０，４３０，５６０，・・・，６６０）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４２０μｓの場合、４１１μｓ〜４２９μｓの幅を有することになり、１〜７回目の計測データに基づいて４２１，４２１，４２０，４２０，４２１，４２１，４２２μｓが当該幅に含まれるため、この度数７が区分中央値４２０μｓに応じたエコーグループのエコー獲得数として求まる。他の区分中央値に関しても同様の算出方法で度数、すなわち、エコーグループ毎のエコー獲得数を算出する。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。
【００３３】
ここで、上記区分間隔は、上記例のように等間隔でなくてもよく、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。
【００３４】
次に、第１次エコー算出手段１７ｂは、上記ステップＳ２で求めたエコー獲得数のうち、最大となったエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する（ステップＳ３）。上記例の場合、度数７が最大となるため、その最大度数の区分中央値４２０（±９）μｓのエコータイミングに基づいて第１次エコータイミングを算出する。つまり、区分中央値４２０（±９）μｓに属するエコータイミング値を平均して推定計算する。下記にその計算例を示す。
ｔ＝（４２１＋４２１＋４２０＋４２０＋４２１＋４２１＋４２２）／７＝４２０.９μｓ
こうして求まった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。
【００３５】
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。
【００３６】
また、別の実施形態として、異なる駆動パルス幅で超音波を複数回発信するようにしてもよい。図３及び図４に示した実施形態においては、異なる７つの駆動周波数で超音波発信することで、エコー尾部で検知される副次エコーのエコータイミングを分散させた。本実施形態は、異なる７つの駆動周波数で超音波を発信する代わりに、異なる７つの駆動パルス幅を用いるようにする。各回の駆動パルス幅は、例えば、１００μｓ幅から１５μｓステップで変化させて２００μｓ幅までの７ステップとする。度数分布を求める際の区分ステップを、例えば１０μｓとした場合、この１０μｓに対してパルス幅のステップを同程度以上とすることで分散効果を得ることができるため、本例では１５μｓとした。
【００３７】
ここで、エコー尾部のうなりと駆動パルス幅の関係について説明する。
通過周波数からずれた周波数で超音波を発信した場合、エコー尾部に出現するうなりは、駆動パルス幅によってその位相が変わる。センサから超音波発信している期間においては、通過周波数による振動よりも駆動周波数による強制振動が支配的となる。一方、超音波の駆動パルス後縁から持続する振動期間においては、駆動周波数による強制振動から通過周波数による自由振動へと推移する。よって、超音波の駆動パルス幅を長めに設定すると超音波の駆動パルス後縁のタイミングからの強制振動から通過周波数による自由振動への推移時期を遅らせることができる。その結果、エコー尾部のうなりの位相をずらすことができる。
【００３８】
本発明によると、容器底板の通過周波数に一致していない場合に発生するエコー尾部の副次エコーに対して、駆動周波数を変化させることで副次エコーを異ならせる、または、駆動パルス幅を変化させることで駆動パルス後縁に対応して副次エコーをシフトさせることができる。従って、エコー尾部をエコータイミング候補として検知したとしても、そのタイミングは分散して当該タイミングでのエコー獲得頻度は低くなるため、エコー獲得頻度の多いエコータイミングに基づいて液面計測結果を算出すれば、エコー尾部の副次エコーによる悪影響を受けることなく計測結果を取得することができ、従来のように通過周波数に厳密に一致させなくても安定した液面計測を行うことができる。
【００３９】
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次エコー算出手段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、本発明の液面検出処理を行う際に、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。
【００４０】
図３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。
【００４１】
また、本実施形態の第１次エコー算出手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出した複数のエコーをエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する。また、液面検出手段１７ｃは、第１次エコー算出手段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。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。
【００４２】
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の駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波の複数回発信すると共に、液面４１から繰り返して反射された反射波に基づいたエコー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７回とし、各回の駆動周波数は、例えば、９９６ｋＨｚから２ｋＨｚステップで１００８ｋＨｚまでの７ステップとする。次に、エコー検出手段１７ａは、取得した７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、７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、４つのエコータイミング４２１ｕｓ，５６１ｕｓ，６０３ｕｓ，６５４ｕｓが検出された状態について示す。
【００４３】
次に、第１次エコー算出手段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。
【００４４】
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、波高値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し、この第１次エコータイミングから液面位置を算出し、液面計測値の表示を行う（ステップＳ１３）。上記例の場合、エコータイミング値４２１μｓが第１次エコータイミングとなる。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。
【００４５】
尚、本例の第１次エコー算出手段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。
【００４６】
尚、本例の第１次エコー算出手段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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
従って、上記と同様の理由により、本例の第１次エコー算出手段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。
【００５０】
本発明によると、容器底板の通過周波数に一致していない場合に発生するエコー尾部の副次エコーに対して、駆動周波数を変化させることでエコー尾部に発生する副次エコーを異ならせる、または、駆動パルス幅を変化させることで駆動パルス後縁に対応して副次エコーをシフトさせることができる。従って、エコー尾部をエコータイミング候補として検知したとしても、そのタイミングは分散して当該タイミングのエコー強度は低くなるため、エコー強度の高いエコータイミングに基づいて液面計測結果を算出すれば、エコー尾部の副次エコーによる悪影響を受けることなく計測結果を取得することができ、従来のように通過周波数に厳密に一致させることなく安定した液面計測を行うことができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によると、駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信し、獲得した複数のエコーをそのエコータイミング毎にグループ化し、エコー獲得数が最大となるエコーグループのエコータイミングに基づいて液面位置を検出することにより、駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していない場合にエコー尾部で発生する副次エコーの誤検出を防止することができる。
【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】 駆動周波数に応じたエコー尾部の状態を表した波形データの一例を示す図である。
【図３】 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４】 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次エコー算出手段、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。
【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、超音波レベル計から発信する超音波の駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していないと、エコーの尾部にうなり（以下、しばしば副次エコーという）が発生してしまい、そのエコー尾部をエコータイミングとして誤検知してしまう場合がある。このような場合には計測誤差が生じてしまい、正確な計測が出来ないことになる。従って、従来の超音波レベル計は、容器底板の板厚のばらつきも考慮して厳密な周波数調整を行って駆動周波数を通過周波数に一致させる必要があった。
【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、駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信し、獲得した複数のエコーをそのエコータイミング毎にグループ化し、エコー獲得数が最大となるエコーグループのエコータイミングに基づいて液面位置を検出することにより、駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していない場合にエコー尾部で発生する副次エコーの誤検出を防止できるようにした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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得数を算出し、該算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出ステップと、該算出した第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、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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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そのエコー強度と共に検出するエコー検出ステップと、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、該算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出ステップと、該算出した第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。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記エコー検出ステップにおいて、前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信する際に、任意の液面位置において取得したエコーのエコー強度を駆動周波数毎に集計することにより前記容器の周波数特性を取得し、該取得した周波数特性に基づいてエコー強度が所定レベル以上となる周波数の範囲を確定し、該確定した周波数範囲内で駆動周波数を変化させることを特徴としたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、容器の板厚及び材質に基づいて定まる通過周波数及びそのエコー強度を含む通過周波数情報を容器の種類に対応する容器コードと共に記憶して有し、前記エコー検出ステップにおいて、前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信する際に、操作者から入力される容器コードに応じた通過周波数情報を読み込んで、該読み込んだ通過周波数情報に基づいてエコー強度が所定レベル以上となる周波数の範囲を確定し、該確定した周波数範囲内で駆動周波数を変化させることを特徴としたものである。
【００１２】
請求項５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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得数を算出し、該算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出手段と、該算出した第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。
【００１３】
請求項６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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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そのエコー強度と共に検出するエコー検出手段と、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、該算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出手段と、該算出した第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。
【００１４】
【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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図２は、駆動周波数に応じたエコー尾部の状態を表した波形データの一例を示す図である。図２（Ａ）は、通過周波数に一致した周波数で超音波発信した場合の波形データで、図２（Ｂ）は、通過周波数から約６ｋＨｚずれた周波数で超音波発信した場合の波形データで、図２（Ｃ）は、通過周波数から約８ｋＨｚずれた周波数で超音波発信した場合の波形データを示している。
図２（Ａ）に示すように、容器４０の底板の板厚に応じた通過周波数に一致した周波数で超音波発信した場合には、エコー尾部は滑らかな減衰波形となる。しかし、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、通過周波数からずれた駆動周波数で超音波を発信した場合には、その駆動周波数と、通過周波数との差分がエコー尾部のうなり（副次エコー）となり、出現することになる。
【００１８】
本発明の超音波レベル計は、駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信し、獲得した複数のエコーをそのエコータイミング毎にグループ化し、エコー獲得数が最大となるエコーグループのエコータイミングに基づいて液面位置を検出することにより、駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していない場合にエコー尾部で発生する副次エコーの誤検出を防止できるようにしたものである。そのために下記の図３に示す回路構成を有するものとする。
【００１９】
図３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次エコー算出手段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、本発明の液面検出処理を行う際に、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。
【００２０】
図１及び図３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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
エコー検出手段１７ａは、センサ３０の駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に液面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。
【００２４】
ここで、エコー尾部で発生するうなりを分散させる方法として、例えば、異なる駆動周波数で超音波を複数回発信させる方法、他の方法として、異なる駆動パルス幅で超音波を複数回発信させる方法などがある。これらの方法によれば、前者の場合、エコー尾部で発生するうなりが駆動周波数で異なる、後者の場合、駆動パルス幅に応じてエコー尾部で発生するうなりがシフトする、すなわち、エコー尾部の位相が変化する。従って、両者ともに、エコー尾部のうなりをエコータイミング候補として検出したとしても、そのタイミングは分散化されるため、エコー尾部に発生するうなりそれぞれのタイミングの発生頻度は低下する。
【００２５】
また、上記以外の分散方法として、異なる駆動周波数及び駆動パルス幅の両方を変化させて超音波を複数回発信させるようにしてもよい。
【００２６】
第１次エコー算出手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー獲得数を算出し、算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する。ここで、上記エコーの獲得数を求める際の区分幅は、エコータイミングのばらつきの幅（例えば、分散値など）に基づいて決定する。すなわち、本来、同一タイミングと見なしたい範囲が、例えば１つ又は２つの区分に収まるように区分幅を決定するようにする。また、液面検出手段１７ｃは、第１次エコー算出手段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。この場合の実施例について、後述の図４に示すフロー図に基づいて詳細に説明するものとする。
【００２７】
図４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。本例は、図３に示した超音波レベル計の装置構成に基づいて、異なる７つの駆動周波数で超音波を複数回発信し、そのエコー尾部に出現するうなりを分散化する方法について説明する。
【００２８】
ここで、本超音波レベル計が容器に設置されて運用開始する際に、センサ３０から発信する超音波の駆動周波数範囲を次のような方法で確定する。
（第１の駆動周波数範囲確定方法）
超音波レベル計は、操作者による周波数調整操作の際に、バースト音波を発信してエコータイミングを検知する動作を、駆動周波数を変えて複数回実行し、検知できたエコー強度を周波数別に集計することにより、その容器におけるエコー強度の周波数特性を取得する。この周波数特性に基づいて、エコー強度が所定レベル以上であるような周波数範囲を選定し、駆動周波数の範囲とする。
【００２９】
（第２の駆動周波数範囲確定方法）
超音波レベル計は、容器の板厚、材質によって定まる通過周波数情報及び代表的なエコー強度を、容器の種別を意味する容器コードに対応させて予めＲＯＭ１７に記憶しておく。運用開始時までに操作者が容器コードを入力することでその容器の通過周波数情報を選定できるようにする。この通過周波数情報には、例えば、通過周波数と通過周波数帯域幅を含むものとする。この際、駆動周波数範囲を直接含めるようにしてもよい。この方法では、入力された容器コードに対応する容器における代表的なエコー強度（すなわち、計測値ではなく予測値）の周波数特性を取得し、その周波数特性に基づいて、代表エコー強度が所定レベル以上であるような周波数範囲を選定し、駆動周波数の範囲とする。
【００３０】
ここで、駆動周波数の範囲は、連続したひとつの範囲である必要は無く、エコー強度が所定レベル以上であるなら、複数の周波数範囲で構成してもよい。基本となる通過周波数の整数倍もまた通過周波数として含めることができる。このように、駆動周波数の範囲を複数の通過周波数帯に設定することも可能である。
【００３１】
図４において、超音波レベル計は、センサ３０の駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信すると共に、液面からの複数の反射波を受信し、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７回とし、各回の駆動周波数は、例えば、９９６ｋＨｚから２ｋＨｚステップで１００８ｋＨｚまでの７ステップとする。
【００３２】
次に、第１次エコー算出手段１７ｂの実施例について詳述する。
まず、上記ステップＳ１で求めた７回分の計測データについてエコータイミング毎に度数分布を求める（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（４２０，４３０，５６０，・・・，６６０）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４２０μｓの場合、４１１μｓ〜４２９μｓの幅を有することになり、１〜７回目の計測データに基づいて４２１，４２１，４２０，４２０，４２１，４２１，４２２μｓが当該幅に含まれるため、この度数７が区分中央値４２０μｓに応じたエコーグループのエコー獲得数として求まる。他の区分中央値に関しても同様の算出方法で度数、すなわち、エコーグループ毎のエコー獲得数を算出する。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。
【００３３】
ここで、上記区分間隔は、上記例のように等間隔でなくてもよく、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。
【００３４】
次に、第１次エコー算出手段１７ｂは、上記ステップＳ２で求めたエコー獲得数のうち、最大となったエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する（ステップＳ３）。上記例の場合、度数７が最大となるため、その最大度数の区分中央値４２０（±９）μｓのエコータイミングに基づいて第１次エコータイミングを算出する。つまり、区分中央値４２０（±９）μｓに属するエコータイミング値を平均して推定計算する。下記にその計算例を示す。
ｔ＝（４２１＋４２１＋４２０＋４２０＋４２１＋４２１＋４２２）／７＝４２０.９μｓ
こうして求まった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。
【００３５】
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。
【００３６】
また、別の実施形態として、異なる駆動パルス幅で超音波を複数回発信するようにしてもよい。図３及び図４に示した実施形態においては、異なる７つの駆動周波数で超音波発信することで、エコー尾部で検知される副次エコーのエコータイミングを分散させた。本実施形態は、異なる７つの駆動周波数で超音波を発信する代わりに、異なる７つの駆動パルス幅を用いるようにする。各回の駆動パルス幅は、例えば、１００μｓ幅から１５μｓステップで変化させて２００μｓ幅までの７ステップとする。度数分布を求める際の区分ステップを、例えば１０μｓとした場合、この１０μｓに対してパルス幅のステップを同程度以上とすることで分散効果を得ることができるため、本例では１５μｓとした。
【００３７】
ここで、エコー尾部のうなりと駆動パルス幅の関係について説明する。
通過周波数からずれた周波数で超音波を発信した場合、エコー尾部に出現するうなりは、駆動パルス幅によってその位相が変わる。センサから超音波発信している期間においては、通過周波数による振動よりも駆動周波数による強制振動が支配的となる。一方、超音波の駆動パルス後縁から持続する振動期間においては、駆動周波数による強制振動から通過周波数による自由振動へと推移する。よって、超音波の駆動パルス幅を長めに設定すると超音波の駆動パルス後縁のタイミングからの強制振動から通過周波数による自由振動への推移時期を遅らせることができる。その結果、エコー尾部のうなりの位相をずらすことができる。
【００３８】
本発明によると、容器底板の通過周波数に一致していない場合に発生するエコー尾部の副次エコーに対して、駆動周波数を変化させることで副次エコーを異ならせる、または、駆動パルス幅を変化させることで駆動パルス後縁に対応して副次エコーをシフトさせることができる。従って、エコー尾部をエコータイミング候補として検知したとしても、そのタイミングは分散して当該タイミングでのエコー獲得頻度は低くなるため、エコー獲得頻度の多いエコータイミングに基づいて液面計測結果を算出すれば、エコー尾部の副次エコーによる悪影響を受けることなく計測結果を取得することができ、従来のように通過周波数に厳密に一致させなくても安定した液面計測を行うことができる。
【００３９】
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次エコー算出手段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、本発明の液面検出処理を行う際に、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。
【００４０】
図３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。
【００４１】
また、本実施形態の第１次エコー算出手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出した複数のエコーをエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する。また、液面検出手段１７ｃは、第１次エコー算出手段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。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。
【００４２】
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の駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波の複数回発信すると共に、液面４１から繰り返して反射された反射波に基づいたエコー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７回とし、各回の駆動周波数は、例えば、９９６ｋＨｚから２ｋＨｚステップで１００８ｋＨｚまでの７ステップとする。次に、エコー検出手段１７ａは、取得した７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、７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、４つのエコータイミング４２１ｕｓ，５６１ｕｓ，６０３ｕｓ，６５４ｕｓが検出された状態について示す。
【００４３】
次に、第１次エコー算出手段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。
【００４４】
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、波高値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し、この第１次エコータイミングから液面位置を算出し、液面計測値の表示を行う（ステップＳ１３）。上記例の場合、エコータイミング値４２１μｓが第１次エコータイミングとなる。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。
【００４５】
尚、本例の第１次エコー算出手段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。
【００４６】
尚、本例の第１次エコー算出手段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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
従って、上記と同様の理由により、本例の第１次エコー算出手段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。
【００５０】
本発明によると、容器底板の通過周波数に一致していない場合に発生するエコー尾部の副次エコーに対して、駆動周波数を変化させることでエコー尾部に発生する副次エコーを異ならせる、または、駆動パルス幅を変化させることで駆動パルス後縁に対応して副次エコーをシフトさせることができる。従って、エコー尾部をエコータイミング候補として検知したとしても、そのタイミングは分散して当該タイミングのエコー強度は低くなるため、エコー強度の高いエコータイミングに基づいて液面計測結果を算出すれば、エコー尾部の副次エコーによる悪影響を受けることなく計測結果を取得することができ、従来のように通過周波数に厳密に一致させることなく安定した液面計測を行うことができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によると、駆動周波数又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信し、獲得した複数のエコーをそのエコータイミング毎にグループ化し、エコー獲得数が最大となるエコーグループのエコータイミングに基づいて液面位置を検出することにより、駆動周波数が容器底板の通過周波数に一致していない場合にエコー尾部で発生する副次エコーの誤検出を防止することができる。
【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】 駆動周波数に応じたエコー尾部の状態を表した波形データの一例を示す図である。
【図３】 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４】 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次エコー算出手段、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。
Claims (6)
- 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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得数を算出し、該算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出ステップと、該算出した第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。
- 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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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そのエコー強度と共に検出するエコー検出ステップと、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、該算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出ステップと、該算出した第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。
- 請求項１又は２に記載の超音波レベル計の液面検出方法において、前記エコー検出ステップにおいて、前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信する際に、任意の液面位置において取得したエコーのエコー強度を駆動周波数毎に集計することにより前記容器の周波数特性を取得し、該取得した周波数特性に基づいてエコー強度が所定レベル以上となる周波数の範囲を確定し、該確定した周波数範囲内で駆動周波数を変化させることを特徴とする超音波レベル計の液面検出方法。
- 請求項１又は２に記載の超音波レベル計の液面検出方法において、容器の板厚及び材質に基づいて定まる通過周波数及びそのエコー強度を含む通過周波数情報を容器の種類に対応する容器コードと共に記憶して有し、前記エコー検出ステップにおいて、前記超音波センサの駆動周波数を変化させながら超音波を複数回発信する際に、操作者から入力される容器コードに応じた通過周波数情報を読み込んで、該読み込んだ通過周波数情報に基づいてエコー強度が所定レベル以上となる周波数の範囲を確定し、該確定した周波数範囲内で駆動周波数を変化させることを特徴とする超音波レベル計の液面検出方法。
- 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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得数を算出し、該算出したエコー獲得数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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出手段と、該算出した第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。
- 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、前記超音波センサの駆動周波数及び／又は駆動パルス幅を変化させながら超音波を複数回発信すると共に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そのエコー強度と共に検出するエコー検出手段と、該検出した複数のエコーを当該エコーのエコータイミング毎にグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計又は平均を算出し、該算出したエコー強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第１次エコータイミングを算出する第１次エコー算出手段と、該算出した第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。
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