JP5779107B2

JP5779107B2 - 液位計測方法および液位計測装置

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Publication number: JP5779107B2
Application number: JP2012000153A
Authority: JP
Inventors: 永島　良昭; 良昭永島; 馬場　淳史; 淳史馬場; 将裕三木
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: JP2013140070A

Description

本発明は、容器内の液位を計測する液位計測方法および液位計測装置に関し、特に、超音波探触子により容器の外から容器内の液位を検出する液位計測方法および液位計測装置に関する。

タンク、圧力容器では、その制御性の確保や安全性維持の観点から、液位を正確に計測することが重要である。容器の外壁面から内部の液位を計測する方法としては、従来から多くの方式が知られている。例えば、液面に浮くフロートの上下動を用いる方式、液体の圧力を検知する方式、静電容量を検出する方式、超音波を用いる方式などがある。このうち、超音波を用いる方法について、以下の技術が開示されている。

特許文献１および特許文献２には、超音波を入射した壁面の対向側内壁面で反射した反射波を容器内の液体を通して受信して液体の有無を検出するとともに、この対向側内壁面からの反射波のみを受信する工夫により、液位を好適に計測する方法が開示されている。

特許文献３および特許文献４は、容器壁面の内面側が液体に接しているか、または気体に接しているかで、超音波の反射・透過率が変化する原理を利用するものであり、超音波センサ設置位置の内壁面からの反射波を受信し、容器内液体の有無による壁内の多重反射波の減衰特性の違いから液位を判定することが開示されている。

特許文献５ないし特許文献８は、液面が形成する面で超音波を反射させ、その伝搬時間から液位を計測する方式に関するものである。
このうち、特許文献５および特許文献６には、容器の外壁面から容器内の斜め上方に向かって超音波を送信し、液面と容器内壁が接するコーナ部から反射して戻ってきた超音波を検出して、液位を計測する方法が開示されている。
また、特許文献７および特許文献８には、容器底面側から上方に向けて超音波を送信し、液中を伝搬した超音波の伝搬時間から液位を計測する方法を開示しており、さらに、超音波の音速（伝搬速度）が温度等で変化して液位計測値が変化する問題を、温度計や距離一定のパスを伝搬する超音波の伝搬時間を使って校正する方法を示している。

また、特許文献９および特許文献１０には、容器内液体と連通する配管を別途設け、配管内液体を伝搬する超音波の伝搬時間から配管内の液位を計測し、当該配管の液位が容器と同じ高さを示す原理から、容器の液位を求める方法が示されている。

特開昭６１−３０１２号公報特開平８−１３６３２０号公報特開平１１−２１８４３６号公報特開２０００−１２１４１０号公報特開平５−１３３７９２号公報特開２００８−７０３８７号公報特開平８−２１９８５４号公報特開２００６−３２２８２５号公報特開２００４−２８６７４５号公報特開２００９−２７１０５６号公報

特許文献１乃至特許文献８では、容器外面に超音波センサ（超音波探触子）を直接設置する構成となっている。このような構成において、容器が高温や放射線などの環境下にある場合、超音波センサの耐久性や作業者が容器に接近して作業する保守性などが問題となる。

一方、特許文献９および特許文献１０では、容器とは別途に設けた配管に超音波センサ（超音波探触子）を設置して、配管内の液体中を伝搬する超音波の伝搬時間から液位を計測する。このため、超音波センサを容器から離れた配管側に設置すればよく、超音波センサの耐久性や保守性といった課題を解決することができる。

しかし、特許文献９および特許文献１０の方法でも新たな課題が生じる。
それは、配管内の液体を伝搬する超音波の振動モードによっては、その伝搬速度に分散（周波数による伝搬速度の違い）が生じることである。これは、容器のように口径が大きい場合には問題とならない。一方、配管のように口径が小さい場合には、円柱の液体導波管（配管内の液体）を伝搬する超音波が、特徴的な超音波（ガイド波）となることによる。速度分散が生じると、例えばパルス波のように、元々時間分解能が高く複数の周波数成分を含む波では、周波数成分ごとに伝搬速度が異なるので、伝搬する毎に波形が歪み、ついには元の波形形状を留めなくなる。
これが、伝搬時間の計測精度を低下させ、液位の計測精度を低下させる要因となる。

そこで、本発明は、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法および液位計測装置において、高精度に液位を検出する液位計測方法および液位計測装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明は、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法であって、前記液位計測用配管内の液体に超音波を送信する送信ステップと、前記液位計測用配管内の液体で反射した超音波を受信する受信ステップと、前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信ステップで受信した受信信号を伝搬距離信号に変換する変換ステップと、前記変換ステップで変換された伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する換算ステップと、を有することを特徴とする液位計測方法である。

また、本発明は、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測装置であって、液位計測用配管の下部に配置される超音波探触子と、前記超音波探触子へ発信信号を印加し、受信信号を増幅する超音波送受信器と、前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信信号を伝搬距離信号に変換する信号処理手段と、前記伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する液位換算手段と、を備えることを特徴とする液位計測装置である。

本発明によれば、容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法および液位計測装置において、高精度に液位を検出する液位計測方法および液位計測装置を提供することができる。

第１実施形態に係る液位計測装置および計測対象である容器の構成図である。第１実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子の構造の例を説明する図であり、（ａ）は水平方向に見た断面模式図であり、（ｂ）は液位計測用配管の底面外側から見た模式図である。超音波送受信器の詳細な構成を示す構成図である。第１実施形態に係る液位計測装置の動作を示すフローチャートである。第１実施形態に係る液位計測装置の液位計測方法を説明する概念図である。第１実施形態に係る液位計測装置の液位計測用配管を伝搬する超音波の周波数と音速との関係を説明するグラフである。第２実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子の構造の例を説明する図であり、（ａ）は水平方向に見た断面模式図であり、（ｂ）は液位計測用配管の底面外側から見た模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態に係る液位計測装置１および計測対象である容器１０の構成図である。第１実施形態に係る液位計測装置１は、容器１０に貯留された液体１０ａの液位（容器１０の底面１０ｃから液面１０ｂまでの高さ）を計測する装置である。

＜容器１０の構成＞
まず、図１を用いて、計測対象である容器１０の構成について説明する。
容器１０には、液体１０ａが貯留されている。また、容器１０には、第１連通配管１１ａおよび第２連通配管１１ｂを介して容器１０と連通するように液位計測用配管１２が設けられている。第１連通配管１１ａは、液面１０ｂよりも高い位置で容器１０と連通するようになっている。また、第２連通配管１１ｂは、液面１０ｂよりも低い位置で容器１０と連通するようになっている。これにより、容器１０における液体１０ａの液面１０ｂと、液位計測用配管１２における液体１０ａの液面１２ｂとは、高さが等しくなっている。

即ち、後述する液位計測装置１が、液位計測用配管１２の液位（液位計測用配管１２の底面１２ｃから液面１２ｂまでの高さ）を計測することにより、容器１０の底面１０ｃと液位計測用配管１２の底面１２ｃとの位置関係を用いて、容器１０の液位（容器１０の底面１０ｃから液面１０ｂまでの高さ）を計測することができるようになっている。

また、図１に示すように、容器１０と液位計測用配管１２とは、隔離壁１３により隔離されて配置されており、第１連通配管１１ａおよび第２連通配管１１ｂが隔離壁１３を貫通するように構成されている。

例えば、後述する液位計測装置１が、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の液位を計測する装置である場合には、容器１０が原子炉圧力容器に相当し、隔離壁１３が原子炉格納容器の壁面に相当する。なお、容器１０と液位計測用配管１２とを隔離する隔離壁１３は必須の構成ではなく、例えば、容器１０（原子炉圧力容器）と液位計測用配管１２とが、原子炉格納容器の内部に格納される構成であってもよい。

なお、後述する液位計測装置１は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器（容器１０）の液位を計測する装置に限られるものではない。例えば、容器１０はタンクであり、後述する液位計測装置１がタンク（容器１０）の液位を計測する装置であってもよい。また、隔離壁１３は必須の構成ではなく、隔離壁１３がなくてもよい。
また、後述する液位計測装置１は液位計測用配管１２の液位を計測することにより容器１０の液位を計測するため、容器１０が、スイミングプール型のように底面１０ｃに後述する超音波探触子２を直接取り付けることができないような構造であってもよい。

＜液位計測装置１＞
次に、図１から図３を用いて、第１実施形態に係る液位計測装置１の構成について説明する。
図１に示すように、液位計測装置１は、超音波探触子２と、超音波送受信器３と、アナログ／テジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ変換器」という）４と、コンピュータ５と、入力装置６と、表示装置７と、を備えている。

液位計測装置１は、液位計測用配管１２の底面１２ｃから液位計測用配管１２内の液体１２ａに超音波Ｕ（ガイド波）を伝搬させ、液面１２ｂで反射した超音波Ｕ（反射波）を受信することにより、液位計測用配管１２の液位（液位計測用配管１２の底面１２ｃから液面１２ｂまでの高さ）を計測することができるようになっている。そして、液位計測装置１は、計測された液位計測用配管１２の液位と、容器１０の底面１０ｃと液位計測用配管１２の底面１２ｃとの位置関係と、を用いて、容器１０の液位（容器１０の底面１０ｃから液面１０ｂまでの高さ）を計測することができるようになっている。

超音波探触子２は、超音波送受信器３から送信波形（送信信号）が印加されることにより超音波Ｕを送信し、反射波を受信して、その受信波形（受信信号）を超音波送受信器３に出力するようになっている。

超音波探触子２について、図２を用いてさらに説明する。図２は、第１実施形態に係る液位計測装置１の超音波探触子２の構造の例を説明する図であり、（ａ）は水平方向に見た断面模式図であり、（ｂ）は液位計測用配管１２の底面外側から見た模式図である。

超音波探触子２は、図２（ａ）に示すように、液位計測用配管１２の底面１２ｃの外側に配置され、図２（ｂ）に示すように、同心円状かつ等間隔の複数の超音波振動子（以下、単に振動子という）で構成されている。以下の説明において、超音波探触子２は、４個の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで構成されているものとして説明する。

各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、例えば圧電素子によって構成され、超音波Ｕを送信・受信する機能を有している。各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、液位計測用配管１２の底面１２ｃを透過して液体１２ａに超音波Ｕを発生させる。

また、超音波探触子２を構成する同心円状かつ等間隔に配置された振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのうち、最外周の振動子２ａの外径は、図２（ａ）に示すように、液位計測用配管１２の内径（即ち、液体１２ａの液柱の外径）に概して一致するように配置されている。

このように、超音波探触子２の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが、同心円状かつ等間隔に配置され、加えて、最外周の振動子２ａの外径が液位計測用配管１２の内径（液体１２ａの液柱の外径）に概一致することにより、液位計測装置１は、液位計測用配管１２の液体１２ａを伝搬する特徴的な超音波Ｕ（ガイド波）のモードの受信波形（受信信号）を抽出することができるようになっている。なお、モードの抽出方法については後述する。

図１に戻り、超音波送受信器３は、コンピュータ５（後述する中央制御装置５ａ）の超音波送信指令（送信制御信号）に基づいて超音波探触子２から超音波Ｕを送信するために、各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに送信波形（送信信号）を印加するようになっている。また、各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが受信した反射波の受信波形（受信信号）を増幅してＡ／Ｄ変換器４に出力するようになっている。

超音波送受信器３について、図３を用いてさらに説明する。図３は、超音波送受信器３の詳細な構成を示す構成図である。
図３に示すように、超音波送受信器３は、制御器３１と、信号発生器３２と、パワーアンプ３３と、素子切替器３４と、素子切替器３５と、受信アンプ３６と、を備えている。

信号発生器３２、パワーアンプ３３および素子切替器３４は、超音波Ｕを発生させるために超音波探触子２の該当する各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに送信波形（送信信号）を印加するための機構である。
素子切替器３５および受信アンプ３６は、各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄから受信した受信波形（受信信号）を増幅してＡ／Ｄ変換器４に出力するための機構である。

制御器３１は、コンピュータ５の中央制御装置５ａ（図１参照）、信号発生器３２、素子切替器３４、および、素子切替器３５と接続されている。
制御器３１は、中央制御装置５ａの超音波送信指令（送信制御信号）に基づいて、信号発生器３２に信号発生を指令する励起指令（励起制御信号）を出力し、素子切替器３４および素子切替器３５に切り替えを指令する切替指令（切替制御信号）を出力することにより、超音波送受信器３を制御する。

信号発生器３２は、パワーアンプ３３を介して、素子切替器３４と接続されている。素子切替器３４は、超音波探触子２の各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとそれぞれ接続されている。
信号発生器３２は、制御器３１からの励起指令（励起制御信号）に基づいて、励起信号を発生し、パワーアンプ３３は、励起信号を増幅した送信波形（送信信号）を素子切替器３４に出力する。
素子切替器３４は、制御器３１からの切替指令（切替制御信号）に基づいて、パワーアンプ３３と各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの接続をそれぞれ切り替える。
これにより、任意の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに送信波形（送信信号）を印加することができるようになっている。

素子切替器３５は、超音波探触子２の各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとそれぞれ接続され、受信アンプ３６を介して、Ａ／Ｄ変換器４と接続されている。
素子切替器３５は、制御器３１からの切替指令（切替制御信号）に基づいて、受信アンプ３６と各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとの接続をそれぞれ切り替える。
受信アンプ３６は、受信波形（受信信号）を増幅して、Ａ／Ｄ変換器４に出力する。

なお、振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと素子切替器３４，３５との接続は、同軸ケーブルを介して行われる。また、受信アンプ３６とＡ／Ｄ変換器４との接続は、同軸ケーブルを介して行われる。

図１に戻り、Ａ／Ｄ変換器４は、アナログ信号である受信波形（受信信号）をデジタル信号（デジタル波形）に変換する機能を有している。
Ａ／Ｄ変換器４は、コンピュータ５の信号処理装置５ｂと接続されており、超音波送受信器３の受信アンプ３６から入力された各受信波形（受信信号）をデジタル信号に変換して、信号処理装置５ｂに出力する。
なお、Ａ／Ｄ変換器４としては、例えば、市販の外付けＡ／Ｄ変換器、またはコンピュータ組み込み式のボードタイプのＡ／Ｄ変換器等が利用できる。

コンピュータ５は、液位計測装置１の全体を制御する中央制御装置５ａと、Ａ／Ｄ変換器４から出力された受信波形（受信信号）のデジタル信号を処理する信号処理装置５ｂと、を備えている。
中央制御装置５ａは、超音波Ｕの送信を指令する超音波送信指令（送信制御信号）を超音波送受信器３の制御器３１に出力する。
信号処理装置５ｂは、Ａ／Ｄ変換器４からのデジタル信号（受信波形）を処理して画像情報等の表示情報を生成する。また、信号処理装置５ｂは、Ａ／Ｄ変換器４からのデジタル信号（受信波形）を処理して容器１０の液位に換算することができるようになっている。

中央制御装置５ａは、キーボード、マウス等の入力装置６と接続されており、計測作業者（オペレータ）が入力装置６を操作することにより指示を受け付けることができるようになっている。

中央制御装置５ａは、表示装置７と接続されており、信号処理装置５ｂで生成された画像情報等の表示情報を表示装置７に表示することができるようになっている。また、中央制御装置５ａは、必要に応じて、Ａ／Ｄ変換器４から信号処理装置５ｂに入力されたデジタル信号（即ち、超音波送受信器３の受信アンプ３６から出力された受信波形（受信信号））を表示装置７に表示することができるようになっている。また、中央制御装置５ａは、信号処理装置５ｂが換算した容器１０の液位を表示装置７に表示することができるようになっている。

＜液位計測装置１による液位計測方法＞
次に、図１から図３を参照しつつ、図４から図６を用いて、第１実施形態に係る液位計測装置１を用いた液位計測方法について説明する。図４は、第１実施形態に係る液位計測装置１の動作を示すフローチャートである。

まず、図４に示す液位計測を開始する前に、準備として、計測作業者（オペレータ）は、超音波探触子２（振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）を液位計測用配管１２の底面１２ｃの外側に配置する。また、計測作業者（オペレータ）は、液位計測装置１の入力装置６を操作して、液体１２ａ（液体１０ａ）の密度と、液体１２ａ（液体１０ａ）の弾性係数と、液位計測用配管１２の内径と、容器１０の底面１０ｃと液位計測用配管１２の底面１２ｃとの高さ方向の位置関係と、を入力する。

ステップＳ１０１において、コンピュータ５は、液位計測用配管１２内の液体１２ａを伝搬する超音波Ｕにおける周波数と音速の関係を示す分散曲線を導出する。
分散曲線は、あらかじめ計測作業者（オペレータ）が入力した液体１２ａの密度と、液体１２ａの弾性係数と、液位計測用配管１２の内径（即ち、液体１２ａの液柱の外径）とから、液体１２ａの液柱を模擬して、超音波Ｕのモードごとに導出される。なお、分散曲線の導出方法は、例えば、（西野秀郎、中鉢憲賢、「パイプ内の液体を伝搬するガイド波によるパイプ探傷の試み」、日本非破壊検査協会平成１５年度秋季大会講演概要集、社団法人日本非破壊検査協会、２００３年、ｐ．１３−１４）などに記載されており、説明を省略する。
なお、あらかじめ分散曲線を計算してコンピュータ５に記憶しておき、計測作業者（オペレータ）が入力した液体１２ａの密度と、液体１２ａの弾性係数と、液位計測用配管１２の内径とに基づいて、用いる分散曲線を読み出す構成であってもよい。

導出された分散曲線（液位計測用配管１２内の液体１２ａを伝搬する超音波Ｕにおける周波数と音速の関係）の例を図６に示す。
図６において、Ｖｇ０は周波数によって音速が一定の基本モード（０次モード）、Ｖｇ１は１次モード、Ｖｇ２は２次モード、Ｖｇ３は３次モード、Ｖｇ４は４次モードを示している。なお、第１実施形態に係る液位計測装置１の超音波探触子２は、４個の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄから構成されるため、０次モードＶｇ０から２次モードＶｇ２までの分散曲線を導出すればよく、３次モードＶｇ３以降は導出しなくてもよい。

ステップＳ１０２において、中央制御装置５ａは、超音波送受信器３の制御器３１に超音波送信指令（送信制御信号）を出力して、超音波探触子２から液位計測用配管１２に超音波Ｕを送信させる。
ここで、制御器３１は、パワーアンプ３３と全ての振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとが接続されるように切り替える切替指令（切替制御信号）を素子切替器３４に出力する。また、制御器３１は、励起指令（励起制御信号）を信号発生器３２に出力する。信号発生器３２で発生した励起信号は、パワーアンプ３３で増幅され、送信波形（送信信号）として、振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに送信される。即ち、超音波探触子２の４個の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、全体で１つの振動子として超音波を送信する。

ステップＳ１０３において、超音波探触子２（振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）を用いて、液面１２ｂで反射した超音波Ｕ（反射波）を受信する。
ここで、制御器３１は、各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと受信アンプ３６との接続を個別に切り替える切替指令（切替制御信号）を素子切替器３５に出力する。
即ち、超音波探触子２の各振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで受信した受信波形（受信信号）は、それぞれ別個に受信アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換され、コンピュータ５の信号処理装置５ｂに入力される。

なお、以下の説明において、振動子２ａで受信し、受信アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された信号を受信信号Ｓ_ａ（ｔ）とする。また、振動子２ｂで受信し、受信アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された信号を受信信号Ｓ_ｂ（ｔ）とする。また、振動子２ｃで受信し、受信アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された信号を受信信号Ｓ_ｃ（ｔ）とする。また、振動子２ｄで受信し、受信アンプ３６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された信号を受信信号Ｓ_ｄ（ｔ）とする。なお、ｔは超音波Ｕを送信してからの時間であり、（ｔ）は受信信号が時間の関数であることを表す。

ステップＳ１０４において、信号処理装置５ｂは、ステップＳ１０１で導出した周波数と音速の分散曲線（例えば、図６参照）を用いて、ステップＳ１０３で超音波探触子２（振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）が受信した受信信号を伝搬距離信号に変換する。

まず、信号処理装置５ｂは、超音波Ｕのモードごとの受信信号を算出する。０次モードの受信信号をｆ_０（ｔ）、１次モードの受信信号をｆ_１（ｔ）、２次モードの受信信号をｆ_２（ｔ）とすると、以下の式（１）から式（３）で算出される。
ｆ_０（ｔ）＝Ｓ_ａ（ｔ）＋Ｓ_ｂ（ｔ）＋Ｓ_ｃ（ｔ）＋Ｓ_ｄ（ｔ） ……（１）
ｆ_１（ｔ）＝Ｓ_ａ（ｔ）＋Ｓ_ｂ（ｔ）−Ｓ_ｃ（ｔ）−Ｓ_ｄ（ｔ） ……（２）
ｆ_２（ｔ）＝Ｓ_ａ（ｔ）−Ｓ_ｂ（ｔ）＋Ｓ_ｃ（ｔ）−Ｓ_ｄ（ｔ） ……（３）

次に、信号処理装置５ｂは、ステップＳ１０１で導出した周波数と音速の分散曲線（例えば、図６参照）をモードごとに参照して、モードごとの受信信号ｆ_０（ｔ），ｆ_１（ｔ），ｆ_２（ｔ）を伝搬距離信号ｇ_０（ｘ），ｇ_１（ｘ），ｇ_２（ｘ）に変換する。
即ち、０次モードにおいて、図６に示すＶｇ０を参照して、受信信号ｆ_０（ｔ）を伝搬距離信号ｇ_０（ｘ）に変換する。同様に、１次モードにおいて、図６に示すＶｇ１を参照して、受信信号ｆ_１（ｔ）を伝搬距離信号ｇ_１（ｘ）に変換する。また、２次モードにおいて、図６に示すＶｇ２を参照して、受信信号ｆ_２（ｔ）を伝搬距離信号ｇ_２（ｘ）に変換する。なお、ｘは超音波Ｕの伝搬距離であり、（ｘ）は伝搬距離信号が伝搬距離の関数であることを表す。

この受信信号ｆ（ｔ）を伝搬距離信号ｇ（ｘ）に変換する原理について、図５を用いて説明する。図５は、第１実施形態に係る液位計測装置１の液位計測方法を説明する概念図である。
受信信号ｆ（ｔ）を周波数ごとに分解し、周波数と音速の分散曲線（例えば、図６参照）を当てはめることにより、ｔ＝０における伝搬距離信号ｇ（ｘ）に変換する。

ステップＳ１０５において、信号処理装置５ｂは、伝搬距離信号ｇ（ｘ）を容器１０の液位（容器１０の底面１０ｃから液面１０ｂまでの高さ）に換算する。
ステップＳ１０４で求めた伝搬距離信号ｇ（ｘ）において、振幅が現れる位置が、超音波Ｕの伝搬距離であり、換言すれば、液位計測用配管１２の液位（底面１２ｃから液面１２ｂまでの距離）の２倍の値となる。即ち、伝搬距離信号ｇ（ｘ）から液位計測用配管１２の液位（底面１２ｃから液面１２ｂまでの距離）を求めることができる。そして、伝搬距離信号ｇ（ｘ）から求めた液位計測用配管１２の液位と、あらかじめ計測作業者（オペレータ）が入力した容器１０の底面１０ｃと液位計測用配管１２の底面１２ｃとの高さ方向の位置関係と、に基づいて、容器１０の液位（容器１０の底面１０ｃから液面１０ｂまでの高さ）に換算することができる。

なお、第１実施形態において、０次から２次までの３つのモードで評価するため、３つの伝搬距離信号が得られる。このため、例えば、各モードごとの伝搬距離信号から求めた液位の平均値や中央値を液位計測用配管１２の液位としてもよい。また、３つのモードごとに得られた液位を表示装置７に表示する構成であってもよい。

＜まとめ＞
液位計測用配管１２は容器１０と比較して口径が小さいため、液体１２ａの液柱を伝搬する超音波Ｕの振動モードによっては、図６に示すように速度分散（超音波Ｕの周波数に依存して音速（伝搬速度）が異なること）が生じ、更に、振動モードごとに超音波Ｕの周波数と音速の関係が異なる。このため、ステップＳ１０２における超音波Ｕの送信波形（送信信号）として、例えば、パルス波のような時間分解能が高く、複数の周波数成分を含む超音波では、周波数成分ごとに音速が異なるので、伝搬するごとに波形が歪む。

従来の方法（図５の比較例の方法）では、例えば特許文献９のように、超音波の振動モードや周波数による速度分散を考慮せず、音速（郡速度）と反射波の到達時間から伝搬距離（液位）を測定していた。このため、伝搬による波形の歪みが、そのまま伝搬距離（液位）の計測精度の低下につながっていた。

これに対し、本実施形態の方法（第１実施形態に係る液位計測装置１を用いた液位計測方法）によれば、受信信号ｆ（ｔ）を振動モードごとに分解（抽出）することで、伝搬距離信号ｇ（ｘ）へ変換することができるようになっている。
これにより、液位計測装置１は、速度分散による反射波の歪みを補正して、高精度に液位を計測することができる。ひいては、容器１０を有する全体システム（図示せず）の制御性の向上や安全性の向上に寄与することができる。

≪第２実施形態に係る液位計測装置≫
次に、図７を用いて、第２実施形態に係る液位計測装置の構成について説明する。図７は、第２実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子２Ａの構造の例を説明する図であり、（ａ）は水平方向に見た断面模式図であり、（ｂ）は液位計測用配管の底面外側から見た模式図である。
第１実施形態に係る液位計測装置１と第２実施形態に係る液位計測装置との差異は、第１実施形態に係る液位計測装置１の超音波探触子２が４個の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄから構成される（図２参照）のに対し、第２実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子２Ａは、図７に示すように、１つの振動子で構成されている点で異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る液位計測装置１と同様であり、説明を省略する。

なお、第２実施形態に係る液位計測装置の超音波探触子２Ａは、１つの振動子で構成されている（図７参照）ものとして説明するが、複数の振動子を有する場合（例えば、図２参照）であっても、固定的な配線またはスイッチにより、電気回路的に単一の振動子となるように結線する構成であってもよい。

超音波探触子２Ａの外径は、図７（ａ）に示すように、液位計測用配管１２の内径（即ち、液体１２ａの液柱の外径）に概して一致するように配置されている。
このように超音波探触子２Ａを配置することにより、超音波探触子２Ａは、図６の分散曲線で示した基本モード（０次モード）を選択的に送信・受信するようになっている。
即ち、第２実施形態に係る液位計測装置は、単一の振動子の超音波信号のみ受信し、かつ、基本モード（０次モード）に限定して受信するために、受信信号ｆ（ｔ）から伝搬距離信号ｇ（ｘ）への変換（図４のステップＳ１０４および図５参照）を簡素化することができる。

第２実施形態に係る液位計測装置によれば、超音波探触子２Ａが１つの振動子で構成されているため、装置の構成や配線を超音波探触子２Ａから超音波送受信器３への配線を簡素化することができる。加えて、基本モード（０次モード）に限定して受信しているため、第１実施形態に係る液位計測装置１と比較して、処理能力の低い安価なコンピュータ５を使用することができる。

＜変形例＞
なお、本実施形態に係る液位計測装置は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
第１実施形態に係る液位計測装置１の超音波探触子２は、４個の振動子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを備えるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、超音波探触子２が、同心円状かつ等間隔に配置され、最外周の振動子の外径が液位計測用配管１２の内径に概一致する２つの振動子を備える構成であってもよい。この場合、０次モードおよび１次モードの受信信号を抽出することができ、容器１０の水位を計測することができる。
また、超音波探触子２の振動子の個数は４よりも多くてもよい。なお、モードを抽出するため、超音波探触子２は、同心円状かつ等間隔に配置され、最外周の振動子の外径が液位計測用配管１２の内径に概一致する２^ｎ個（但し、ｎは０または正の整数）の振動子を備えることが望ましい。

１液位計測装置
２，２Ａ超音波探触子
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ振動子（超音波振動子）
３超音波送受信器
３１制御器
３２信号発生器
３３パワーアンプ
３４素子切替器
３５素子切替器
３６受信アンプ
４Ａ／Ｄ変換器
５コンピュータ
５ａ中央制御装置
５ｂ信号処理装置（信号処理手段、液位換算手段）
６入力装置
７表示装置
１０容器
１０ａ液体
１０ｂ液面
１０ｃ底面
１１ａ第１連通配管
１１ｂ第２連通配管
１２液位計測用配管
１２ａ液体
１２ｂ液面
１２ｃ底面
１３隔離壁
Ｕ超音波

Claims

容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測方法であって、
前記液位計測用配管内の液体に超音波を送信する送信ステップと、
前記液位計測用配管内の液体で反射した超音波を受信する受信ステップと、
前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信ステップで受信した受信信号を伝搬距離信号に変換する変換ステップと、
前記変換ステップで変換された伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する換算ステップと、を有する
ことを特徴とする液位計測方法。
容器と連通する液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波の伝搬時間から前記容器の液位を計測する液位計測装置であって、
液位計測用配管の下部に配置される超音波探触子と、
前記超音波探触子へ発信信号を印加し、受信信号を増幅する超音波送受信器と、
前記液位計測用配管内の液体を伝搬する超音波における周波数と音速の関係に基づいて、前記受信信号を伝搬距離信号に変換する信号処理手段と、
前記伝搬距離信号を前記容器の液位に換算する液位換算手段と、を備える
ことを特徴とする液位計測装置。
前記超音波探触子は、
同心円状に配置した少なくとも２つの超音波振動子を有し、
前記超音波振動子のうち最外周の超音波振動子の外径が前記液位計測用配管の内径と概一致する
ことを特徴とする請求項２に記載の液位計測装置。
前記超音波探触子は、
単一の超音波振動子であって、
前記超音波振動子の外径が前記液位計測用配管の内径と概一致する
ことを特徴とする請求項２に記載の液位計測装置。