JP5317888B2 - 超音波液体検知装置 - Google Patents
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(2)また、試験体である容器の反射による多重波形と液面からの反射波形とが重なった場合は、液面の測定ができなかった。
(3)また、液面による反射の波形を判別する為には知識が必要である為、限られた作業員しか判定ができなかった。
(4)また、液面反射波の測定には時間がかかるため、現場作業時間が長くなってしまうという課題があった。
容器の底部における容器の外側表面に装着されて前記外側表面から容器の底部の内側表面に向けて超音波を発射すると共に発射された超音波が前記内側表面で反射された一連の多重反射波を含むエコーを受信し、受信されたエコーを示す測定信号を出力する超音波センサと、
前記超音波センサによって出力された測定信号と比較するための比較用の多重反射波を示す基準信号を記憶する記憶部と、
前記超音波センサによって出力された測定信号と、前記記憶部に記憶された基準信号との相違を示す相違情報を作成する相違情報作成部と
を備えたことを特徴とする。
前記相違情報作成部によって作成された前記相違情報を表示する表示部を備えたことを特徴とする。
前記相違情報に基づいて、前記容器の内部に液体が溜まっているかどうかを判定することを特徴とする。
前記相違情報に基づいて、前記容器の内部の液体の液面位置を算出することを特徴とする。
前記相違情報として、基準信号と測定信号とのそれぞれに対して包絡線を作成することを特徴とする。
前記相違情報として、測定信号と基準信号との差分を示す差分情報を作成することを特徴とする。
前記底部と略同じ厚さかつ同じ材質であって境界を空気とする測定対象物の一方の表面から厚さ方向の他方の表面に向けて発射された超音波が前記他方の表面で反射された一連の多重反射波と、液体の溜まっていない状態の前記容器の前記外側表面に装着された前記超音波センサによって発射された超音波に基づき前記超音波センサによって受信された一連の多重反射波とのいずれかを記憶することを特徴とする。
磁石と吸盤とのいずれかを有するホルダーに収納されると共に、前記磁石と前記吸盤とのいずれかによって前記容器の外側表面に装着されることを特徴とする。
容器の底部における容器の外側表面に装着されて前記外側表面から容器の底部の内側表面に向けて超音波を発射すると共に発射された超音波が前記内側表面で反射された一連の多重反射波を含むエコーを受信し、受信されたエコーを示す測定信号を出力する超音波センサと、
前記超音波センサによって出力された測定信号に基づいて、前記容器の内部に液体が溜まっているかどうかを判定する判定部と
を備えたことを特徴とする。
図1〜図8を参照して実施の形態1を説明する。
図1は、実施の形態1における超音波液体検知装置100の構成図である。超音波液体検知装置100の特徴は、容器内側の底部と空気(液体が溜まっていれば液体)との境界(以下、底部内側表面202)における超音波の一連の多重反射波(以下、多重反射エコーともいう)を含むエコーを検出し、比較用として予め記憶している基準となる多重反射波(以下、基準波形あるいは基準信号という)と、検出された多重反射波(以下、測定波形あるいは測定信号という)との相違を示す相違情報を作成し、この相違情報から容器200の液体の有無、あるいは液面高さを算出する点である。ここで、記憶されている基準波形は、容器内側の底部(あるいは容器内側の底部に相当する部位)と空気との境界における多重反射波である。すなわち、基準波形は液体の介在しない場合の底部内側表面202の多重反射波に相当する。超音波液体検知装置100は、液体の介在しない基準波形と、液体が介在するかどうか未定の測定波形との相違情報を作成することにより、容器200内部に液体が存在するかどうかの判定あるいは液面高さの算出が可能である。このように、超音波液体検知装置100は、発射された超音波の多重反射波を用いる点に特徴がある。
超音波センサ150は、図1に示すように、容器200の底部210における底部外側表面201に装着されて底部外側表面201から底部内側表面202に向けて超音波を発射すると共に発射された超音波が底部内側表面202で反射された多重反射波203を含むエコーを受信し、受信されたエコーを示す測定信号を出力する。
超音波送受信部110は、送信部111、受信増幅部112、制御部113を備えている。送信部111は、超音波センサ150を駆動する電気パルスを出力する。受信増幅部112は、超音波センサ150から受信信号を入力し、制御可能なレベルに増幅する。制御部113は送信部111及び受信増幅部112の動作を制御する。
記憶部130は、測定信号と比較するための比較用の多重反射エコーを示す基準波形を格納している。基準波形の取得については後述する。
相違情報作成部120は、超音波センサ150によって受信された測定信号と、記憶部に格納されている基準信号との相違を示す相違情報を作成し、相違情報に基づいて容器内部の液体の有無を判定し、あるいは液体の液面高さなどの計算を実行する。相違情報作成部120は、この実施の形態1では相違情報の一例として測定波形と基準波形との超音波多重反射波振幅の傾向(減衰)を比較し、液体の有無を判定する。
図2は相違情報作成部120の作成する相違情報の一例を示す図である。図2の横軸は図1の底部内側表面202を基準として上方への距離(単位はmm)を示している。縦軸は反射波の強度を示している。「鉄のみ波形」とは、容器200の材質が鉄である場合の基準波形を意味する。「水あり波形」とは水が溜まっている場合の測定波形を意味する。また、「水面反射波」とは、図1の「液面反射波」を意味する。なお後述する図6〜図14についても、横軸、縦軸は図2と同様である。
表示部140は、相違情報などの情報を表示する。
超音波液体検知装置100は、図1に示すように容器200の底部外側表面201から超音波センサ150の発射した超音波を容器200の内部に入射させて超音波反射波形(測定信号)をモニターする。これにより、屋内あるいは屋外に設置された容器200内に水などの液体が溜まっているかどうか、あるいは溜まっている液体の底部内側表面202からの液面位置を検知可能である。
図3は基準波形の取得方法を示す図である。超音波液体検知装置100は測定波形を取得する測定箇所(すなわち底部210)と略同じ厚さ、同じ材質であり且つ液体が無い場合の測定対象物の超音波反射波形(基準波形)を、図3に示すように、液面より上の容器200の側面や上面などの部分、もしくは同種の容器や同構造の比較試験片などによりモニターする。記憶部130は、一連の多重反射波である超音波反射波形を「基準信号」として記憶している。相違情報作成部120はこの基準信号と測定信号との相違を示す相違情報を作成し、この相違情報に基づいて容器内部に液体が溜まっているかどうかを判定し、あるいは液面の位置を計算して、表示部140に結果を表示する。
超音波センサ150は、図1に示すように、探触子151、ホルダー152、取付手段153を備える。探触子151はホルダー152に収納され、またホルダー152は、容器200に取り付くための取付手段153を有する。試験体である容器200の底部外側表面201から超音波を上方向に入射させて測定する為、超音波センサ150は試験体に固定する必要がある。試験体が磁性体の場合は探触子151を支持する探触子ホルダー152に試験体への取付手段153として磁石が取り付けられており、試験体に対して着脱可能となっている。また、試験体が磁性体以外の場合(例えばステンレスやプラスティック、塗装が厚いものなど)は、取付手段153として吸盤を使用する。
図4は、超音波センサ150が取付手段153として吸盤を使用する場合の構成を示す図である。図4(a)はレバー154側からみた斜視図であり、図4(b)は図4(a)をA方向からみた斜視図である。レバー154の上げ下げによって吸盤153による容器200への超音波センサ150の取り付け、取り外しが可能である。なお、探触子ホルダー152には、1個または複数の探触子が収納される。探触子151を複数収納する場合は、異なる周波数帯域の組み合わせにより、試験体材料に合った周波数を選択することが可能となる。
以下に、液体を水とした場合の、検知手順を説明する。実施の形態1の超音波液体検知装置100は、以下のように、測定波形と基準波形との容器底部の底部内側表面202における超音波多重反射波の振幅の傾向(減衰傾向)を比較し、液体の有無を判定する。水が溜まっている場合(測定波形)と、水が無い場合(基準波形)の試験体(容器)との底面の超音波反射波形は、音響インピーダンスの違いから振幅に差が生じる。水がある場合の測定波形では試験体/液面の境界となり、基準波形の試験体/気体(空気)の場合よりも反射係数が小さくなり振幅が小さくなる。実施の形態1では超音波液体検知装置100は、この違いを相違情報として作成し、相違情報を用いて水(液体)の有無判定や、水面位置の算出を行うことができる。
次に、図5のフローチャートを参照して多重反射波の減衰傾向を比較する場合の超音波液体検知装置100の動作を説明する。
先ず超音波液体検知装置100は基準波形をモニターし記憶する。基準波形のモニターの内容は前記の「基準波形の取得」に述べたとおりである。
相違情報作成部120は、記憶している基準波形である多重反射波の各最高値(ピーク値)を検出し、その値を線(例えば直線もしくは補完された曲線)で繋げて線図(相違情報)を作成する。
図6は、基準波形のピーク値を線(実線)で繋げた包絡線である基準波形の多重エコーピーク値包絡線を示す。図6において、符号11は1回目(底部内側表面202相当部位で1回反射)のエコーであり、図3の符号11のエコーに相当する。符号12は2回目(底部内側表面202相当部位で2回反射)のエコーであり、図3の符号12のエコーに相当する。符号13は3回目(底部内側表面202相当部位で3回反射)のエコーであり、図3の符号13のエコーに相当する。符号14〜符号20も同様である。
次に試験体測定波形をモニターして記憶する。図1あるいは図3のように、超音波センサ150を底部外側表面201に装着した状態において超音波センサ150から超音波を発射する。そして超音波液体検知装置100は、発射された超音波に基づく多重反射エコーを超音波センサ150によって受信し、受信された多重反射エコーを示す測定信号を記憶部130に記憶する。
超音波液体検知装置100の相違情報作成部120は、S12の場合と同様に、記憶した測定波形の各最高値(ピーク値)を検出し、そのピークを線(例えば直線もしくは補完された曲線)で繋げて線図(相違情報)を作成する。
図7は測定波形のピーク値を線(点線)で繋げた包絡線である測定波形の多重エコーピーク値包絡線を示す。
相違情報作成部120は、基準波形と測定波形とから求めた各描画線図(それぞれの多重エコーピーク値包絡線図)を比較する比較情報(相違情報)を作成(S15)し、差異を判定し、結果を表示(S16)する。
図8は比較情報(基準波形の包絡線と測定波形の包絡線)を示す。図8に示すように、通常は、液体(水)が存在する場合(点線で示す線)は、描画線図(測定波形の包絡線)が低くなりより下側に表示される。また多重反射の回数が増すに連れ徐々にその差が大きくなる。このように相違情報作成部120は、測定波形と基準波形との相違を示す比較情報である各描画線図(相違情報の一例)を作成し表示部140に表示する。作業員は表示された比較情報から液体の有無を容易に判定可能である。また相違情報作成部120は、この比較情報に基づいて容器内部に液体が溜まっているかどうかを自動で判定してよい。相違情報作成部120は液体が溜まっていると自動判定した場合には液面の位置を計算して、表示部140に結果を表示する。液面位置の算出については、液体が存在する場合、測定波形には図2、図7等に示すように、水面反射波のピークが現われるので、相違情報作成部120は、このピーク値から液面位置を算出することが可能である。相違情報の作成においては、基準波形と測定波形の感度を合わせるために自動感度調整処理を行う。
次に図9〜図11を参照して実施の形態2を説明する。実施の形態2は、相違情報作成部120が、測定波形と基準波形とを演算処理(例えば減算処理により差分の取得処理、あるいは測定波形に基準波形を加算する加算処理)により、液面波形の抽出を行い、液面量の測定を行う場合を説明する。なお超音波液体検知装置100の構成および動作の流れは図1及び図5と同様である。
基準波形と測定波形とを演算処理することにより液面の波形のみを抽出する一例として、相違情報作成部120が測定波形と基準波形との差分を示す「差分情報」を作成する場合を説明する。
図12〜図14を参照して実施の形態3を説明する。実施の形態3は、超音波液体検知装置100が、実施の形態1の方式(減衰比較)と、実施の形態2の方式(差分情報)との両方の方式を使用する場合である。
図12〜図14は、相違情報作成部120によって作成される相違情報を示す。
図12は、相違情報作成部120が基準波形のピーク値を線で繋げた状態(S12)を示す。
図13は、相違情報作成部120が測定波形のピーク値を線で繋げた状態(S14)を示す。
図14は、相違情報作成部120が、相違情報として、両者の描画線図を比較する比較情報(実線と破線)と図11に示した差分情報との両方を作成した場合を示している。
実施の形態1〜3で説明した相違情報作成部120には以下の機能を持たせる。
(1)自動感度調整機能:
前述したが、基準波形、測定波形を測定する場合、探触子接触面の影響などの外来要素により、多重波形の振幅に影響を与えることが考えられる。このため基準波形と測定波形との多重波形の1波目の振幅値を同値に補正する自動感度調整機能を相違情報作成部120に持たせることにより、外来要素を減少させることが可能となる。
(2)自動液体判定機能:
前述したが、実施の形態1の方式(減衰の比較)と実施の形態2の方式(演算処理)の少なくともいずれかの相違情報から、液体の有無を自動判定し、判定結果を表示部140に表示する自動液体判定機能を相違情報作成部120に持たせる。
(3)自動液面測定機能:
前述したが、実施の形態1の方式(減衰の比較)と実施の形態2の方式(演算処理)の少なくともいずれかの相違情報から、液面高さを自動的に算出し表示部140表示する自動液面測定機能を相違情報作成部120に持たせる。
(4)警報機能:
超音波液体検知装置100は音、光などによる警報を発することができる警報部を備えるものとし、相違情報作成部120は、液体の有り/無しの判定結果に応じて、それぞれ異なる音、あるいは異なる色の警報を警報部から発する。あるいは、相違情報作成部120は、液体がある場合のみ警報(音あるいは発光)を発してもよい。
(5)結果出力:
相違情報作成部120は自動液面判定結果(液体の有無)、自動液面測定結果(液面位置の計算結果)を表示部140に出力する結果出力機能を有する。
(6)相違情報作成部120は複数探触子を用いた最適周波数探触子の判定機能を有する。探触子が複数の場合、異なる周波数帯域の組み合わせにより、試験体材料に合った周波数を選択することが可能となる。
電気信号を機械振動に変換して外部へ超音波を出力すると共に入射した超音波信号を受信して電気信号に変換する超音波センサ、
超音波センサを駆動する電気パルスを出力する送信部、
超音波センサからの受信信号を受けて制御可能なレベルに増幅する受信増幅部、
受信増幅部からの受信波形を表示する表示部、
および回路全体を制御する制御部
から構成され、
前記超音波センサを容器の底面に接触させることによって容器内への液体の浸入を診断する装置において、
容器底板の多重反射エコーの減衰度合いによって液体の有無を判定する判定部を備えた超音波液体検知装置を説明した。
浸水が無いときの多重反射エコーを基準信号として記憶する記憶部を具備し、
相違情報作成部は、
該基準信号波形と浸水検知時の受信波形とを前記表示部に比較表示する超音波液体検知装置を説明した。
基準信号として、
同じ容器において容器内部に液体が無い面に超音波センサを接触させたときの超音波多重エコーを採用する超音波液体検知装置を説明した。
基準波形および受信波形それぞれについて、多重エコーのピーク値を包絡線で結んだ線を表示部に表示する超音波液体検知装置を説明した。
基準波形および受信波形の多重エコーの差分を算出し、その結果で浸水の有無を判断する超音波液体検知装置を説明した。
磁石を具備したホルダーを有する超音波センサであって、この磁石の磁力によって磁性体の容器の底板に装着される超音波センサを備えた超音波液体検知装置を説明した。
吸盤を具備したホルダーを有する超音波センサであって、この吸盤の吸着力によって容器の底板に装着される超音波センサを備えた超音波液体検知装置を説明した。
Claims (5)
- 容器の底部における容器の外側表面に装着されて前記外側表面から容器の底部の内側表面に向けて超音波を発射すると共に発射された超音波が前記内側表面で反射された一連の多重反射波を含むエコーを受信し、受信されたエコーを示す測定信号を出力する超音波センサと、
前記超音波センサによって出力された測定信号と比較するための比較用の多重反射波を示す基準信号を記憶する記憶部と、
前記超音波センサによって出力された測定信号と、前記記憶部に記憶された基準信号との相違を示す相違情報を作成する相違情報作成部と
を備え、
前記相違情報作成部は、
前記相違情報として、前記超音波センサが出力した測定信号に含まれる多重反射波のピーク値の包絡線と、前記記憶部に記憶された基準信号の多重反射波のピーク値の包絡線とを作成し、作成した前記測定信号の包絡線と、作成した前記基準信号の包絡線との減衰傾向の相違に基づいて、前記容器の内部に液体が溜まっているかどうかを判定することを特徴とする超音波液体検知装置。 - 前記超音波液体検知装置は、さらに、
前記相違情報作成部によって作成された前記測定信号の包絡線と、前記基準信号の包絡線とを表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項1記載の超音波液体検知装置。 - 前記相違情報作成部は、
前記容器の内部に液体が溜まっていると判定すると、前記測定信号を用いることにより、前記容器の内部の液体の液面位置を算出することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の超音波液体検知装置。 - 前記記憶部は、基準信号として、
前記底部と略同じ厚さかつ同じ材質であって境界を空気とする測定対象物の一方の表面から厚さ方向の他方の表面に向けて発射された超音波が前記他方の表面で反射された一連の多重反射波と、液体の溜まっていない状態の前記容器の前記外側表面に装着された前記超音波センサによって発射された超音波に基づき前記超音波センサによって受信された一連の多重反射波とのいずれかを記憶することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の超音波液体検知装置。 - 前記超音波センサは、
磁石と吸盤とのいずれかを有するホルダーに収納されると共に、前記磁石と前記吸盤とのいずれかによって前記容器の外側表面に装着されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超音波液体検知装置。
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