JPH01129182A - 波動伝搬時間測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は波動伝搬時間測定装置、特に伝搬時間測定の
信頼性向上に関するものである。

［従来の技術］ 例えば超音波式距離測定装置、超音波式レベル検出装置
あるいは電磁波等を利用した距離測定装置、レベル検出
装置等は波動の伝搬時間を測定し、これを距離等に換算
している。これらのうち、距離出力を併せ持つ超音波式
伝搬時間測定装置が好適例となるので、以下この装置に
よって説明する。

第１０図は従来の超音波式伝搬時間測定装置を示すブロ
ック図であり、図において１は時間計測の基準となる基
準信号を発生する時間軸発・生部、２は時間軸発生部１
で発生された基準信号を受けてスタート時間または位相
等が基準信号と一定の関係を有する電気振動を発生させ
る同期発振部、３は送／受共用部、４は電気振動を超音
波に変換して送信し、かつ測定対象物により反射した超
音波を受信し電気振動に変換する送／受波部、５は増幅
器、６は振幅比較／時間計測部、７は距離演算部である
。

上記のように構成された超音波式伝搬時間測定装置によ
り超音波の伝搬時間を測定する場合の動作を第１１図に
示した波形図を参照して説明する。

時間軸発生部１で発生した基準信号が同期発振部２と振
幅比較／時間計測部６に送られる。同期発振部２では基
準信号に同期して電気振動を発生させ、この電気振動が
送／受共用部３を経由°して送／受波部４に送られる。

送／受波部４では送られた電気振動を超音波に変換し、
適当なビーム状に形成したうえ測定媒体中に送信する。

なお、超音波が送信される媒体は気体、液体または固体
を問わない。

一方、振幅比較／時間計測部６は時間軸発生部１からの
基準信号によって時間計測を開始している。

媒体中に送信された超音波の送信波は測定対象物８で反
射され、この反射波が送／受波部４で受信されると送／
受波部４で超音波を電気振動に変換する。この電気振動
は送／受共用部３を経由して増幅器５に送られ、増幅器
５で増幅されてｊｉｆｆ図に示す波形ｌＯの受信波とな
って振幅比較／時間計測部６に送られる。この振幅比較
／時間計測部６に送られた波形ＩＯの振幅は第１１図に
示すように時間の経過と共に徐々に増加している。この
徐々に増加しているのは主として送／受波部４のトラン
スジューサ本体の物理的性質によるものである。

そこで振幅比較／時間計測部６では送られた波形１０の
受信波の振幅が所定のしきい値で５を越えた時点で先に
基準信号で開始している時間計測を終了し計測時間を出
力する。この時間計測の際の振幅比較は受信波の先頭部
で行なうことが実の時間を計測するために望ましいが、
実際には送／受波部４で受信される反射波にノイズ、ク
ラッタが混入しており、これによって誤動作することを
避けるため、振幅が大きくなる先頭から数波（５〜ＩＯ
波）目Ｎの立上りを検出するようにしきい値Ｔ′ｈが選
゛定されている。なお、この数波分Ｎの遅れは必要に応
じて補正することができる。

上記の動作を必要に応じて繰返し行ない時間計測を行な
うことにより計測値の統計的処理が可能となり、また測
定対象物８の距離が変化する場合であっても時々刻々と
計測値を得ることができる。

振幅比較／時間計測部６で得た計測時間を距離演算部７
に送り、計測時間に超音波の伝搬時間を乗算することに
より測定対象物８までの距離を測定することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来の波動伝搬時間測定装置においては振幅比較／
時間計測部６に送られた受信波谷サイクルのピーク値（
包路線）の増え方が緩慢であるため、しきい値τｈ付近
におけるピーク値の差が少なく、振幅比較動作にマージ
ンがとれなかった。

このため大きめのノイズ、クラッタあるいは波動伝搬媒
体の変動に基づく振幅変動、電気回路の変動があると、
本来の正しい対象サイクルＮで振幅比較が行なわれず、
それより１ないし数サイクル前又は後のサイクルで振幅
比較が行なわれてしまい（以下、この現象をサイクル・
ジャンプという）、その結果計測時間に大きな誤差を生
じるという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
であり、サイクル・ジャンプの発生を極力おさえて高確
度に時間計測を行なうことができる波動伝搬時間測定装
置を得ることを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る波動伝搬時間測定装置は、第１の送波部
から搬送周波数ｆ１を有するパルス状の第１の波動をそ
のまま、あるいはパルスの開始時または開始時近くの時
点から一定時間内は角度変調を施して送信し、第２の送
波部からは上記搬送周波数ｆ　と同一または異なる搬送
周波数ｆ２を有する第２の波動に少なくとも上記一定時
間内は上記角度変調と異なるパラメータで角度変調を施
して送信し、この両波動の受信信号を合成部で実質的に
減算合成して合成波を形成し、この合成波の振幅が基準
値を越え、たときに受信基準信号を比較部から出力する
ことを特徴とする。

［作用］ この発明においては、２種のパルス状の波動を用い、こ
の波動のうち少なくとも一方の波動にはパルスの開始時
または開始時近くの時点から一定時間角度変調を施すこ
とにより２つの波動の角周波数あるいは位相を変化させ
て送信し、この２つの波動の受信波を実質的に減算合成
することにより振幅変動の大きい合成波を形成する。こ
の合成波の振幅と基準値とを比較するから振幅比較動作
のマージンは大きくなる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図であり、
図において１〜８は第１Ｏ図に示した従来例と全く同じ
ものである′ｃ、２ａは第２同期発振部であり、第２同
期発振部２ａは時間軸発生部１で発生した基準信号に同
期して発生した電気信号の搬送波に、その周波数を中心
に変調波によって最大周波数偏移Δｆで変化させる周波
数、変調を施す。

この周波数変調は搬送波の発生時またはその近くの時点
から一定時間施す。３ａは第２送／受共用部、４ａは第
２送／受波部、９は減算器である。

上記のように構成した超音波式伝搬時間測定装置により
超音波の伝搬時間を測定する場合の動作を第２図に示し
た波形図を参照して説明する。

時間軸発生部１で発生した基準信号が同期発振部２と第
２同期発振部２ａ及び振幅比較／時間計測部６に送られ
る。同期発振部２では基準信号に同期して周波数ｆ１の
電気信号を発生する。この電気信号が送／受共用部３を
経由して送／受波部４に送られ、送／受波部で搬送周波
数ｆ１の超音波の搬送波に変換されて第１系列の超音波
として媒体中に送信される。

一方、第２同期発振部２ａでも基準信号に同期して上記
搬送周波数ｆ１の電気信号を発生させ、かつこの電気信
号の搬送波に一定時間の開局波数変調を施す。この周波
数変調が施された電気信号が第２送／受共用部を経由し
て第２送／受波部４ａに送られ、第２送／受波部４ａで
超音波に変換されて第２系列の超音波の搬送波として媒
体中に送信される。この第２系列の超音波の周波数変調
は搬送周波数ｆ１を中心にｆｌ−Δｆ（波形の初頭）か
らｆ１＋Δｆ（波形の終期）まで直線的にかけてあり、
波形の時間的中心において搬送周波数ｆ１になる。また
単位時間（１／ｆ１）当りの周波数変化率は第２図に示
した例では＋３．４％としである。なお、ｍ２図におい
ては第１系列の超音波と第２系列の超音波の送信時初期
位相は、いずれもポジティブ・ゴーインクとなっている
。

この第１系列と第２系列の超音波が送信されるときに、
振幅比較／時間計測部６は時間軸発生部１からの基準信
号によって時間計測を開始する。

媒体中に送信された第１系列の超音波と第２系列の超音
波は測定対象物８で反射され、第１系列の超音波の反射
波が送／受波部４で受信さ・れて電気信号に変換され、
第２図（ａ）の波形ｌＯで示す受信信号となって送／受
共用部３を経由して減算器９に送られる。

第２系列の超音波の反射波は第２送／受波部４ａで受信
されて電気信号に変換されて、第２図（ｂ）の波形ｌｌ
で示す受信信号となっで第２送／受共用部３ａを経由し
て減算器９に送られる。

減算器９では波形ＩＯで示す第１系列の受信信号と波形
１１で示す第２系列の受信信号を減算合成して、第２図
（Ｃ）の波形１２で示す合成波を作る。この合成波の波
形１２は第１系列の波形ｌＯと第２系列の波形１１の振
幅（立ち上がり特性、振幅、符号等）１周波数（固定か
、変化する場合はその変わり具合）、及び位相（初期位
相または初期時間差）によって規定される。したがって
第１系列と第°２系列の超音波の送信時に、その振幅１
周波数１位相等の諸条件を規定しておけば、合成波１２
は定常的に得られる。

この合成波の波形１２は振幅が時間と共に大きく変動し
、第１系列の波形ｌＯと比べてサイクル・ピーク値間の
差が著しく増大している。この合成波を増幅器５で増幅
して振幅比較／時間計測部６に送る。振幅比較／時間計
測部６では第２図（Ｃ）に示すように、増幅された合成
波の振幅と所定のしきい値Ｔｈとを比較し、合成波の振
幅がしきい値Ｔｈを越えた時点で受信基準信号を出し、
先に超音波の送信と同時に開始していた時間計測を終了
して計測時間を出力する。

この振幅比較の際、合成波の波形１２のサイクル・ピー
ク値間の差が大きいため、マージンの大きい状態で比較
動作を行なうことができると共に振幅比較を行なう時点
を従来例と比べて波形の初頭の方へもってくることがで
きる。したがって計測値として実時間に近い値を得るこ
とができ、計測誤差の減少及び補正が必要とする場合は
補正量の減少を図ることができる。

次に、振幅比較／時間計測部６から計測時間を距離演算
部７に送り測定対象物８までの距離を算出する。

上記説明において第１系列の受信信号と第２系列の受信
信号の減算合成は実質的なものであり、例えば第２系列
の受信信号を極性反転増幅した後に、第１系列の受信信
号と極性反転した第２系列の受信信号との和をとっても
減算合成となる。

また、第１図において点線で示した反射波はいわゆる漏
洩（クロストーク）である。第１系列と第２系列との間
にはこのような信号のクロストークが無く、完全に独立
していることが望ましいが、実用上支障のない程度の範
囲でクロストークは許容される。この見地および第１系
列と第２系列の受信波による発生ビートの好ましさから
、第２系列の搬送波の周波数および周波数変調のパラメ
ータが選定される。ここで周波数変調のパラメータとは
経過時間に対する周波数変化の仕方（直線。

曲線等）とその変化率、変調をかける時間などである。

第２図に示した例において、この周波数変調による第１
系列と第２系列の波動の分離は両系列の搬送周波数が等
しいため搬送周波数でなく瞬時周波数の相違によって行
なっている。この瞬時周波数の両系列間の差は波形初頭
および終期で最大Δｆ■Ｌ４　Ｘ　１１／１００−０Ｊ
７４　、振幅比較が行なわれる時点で約０．２７２　、
波形中央では零になっている。

この発明の趣旨からいえば、しきい値Ｔｈとの振幅比較
が行なわれた後、すなわち時間計測が行なわれた後は、
第１系列と第２系列の受信波は必要ではない。したがっ
て、第１系列と第２系列の波動の分離も必要でない。つ
まり第１系列と第２系列の分離は波形初頭から振幅比較
の間で行なわれていれば良い。上記瞬時周波数差、すな
わち１〜１．３７４から１〜１．２７によって第１系列
と第２系列の波動は波形の初頭から振幅比較の期間以上
にわたって分離することができる。

なお、波形の初頭は振幅が小さく、変調を加えてもあま
り実効がないため、変調は波形の初頭からでなく少し遅
れた時点からかけても実用上問題は生じない。また、し
きい値Ｔｈと振幅比較動作を行なった後は受信波は必要
ないため、その時点経過後変調を止めても良い。また、
この変調は第１系列と第２系列の瞬時周波数が同じにな
ってから止めても良い。

また、上記実施例においては第１系列の超音波と第２系
列の超音波の搬送周波数が互いに等しい場合について説
明したが、再搬送周波数が相違していても上記実施例と
同様な作用を奏することができる。

上記実施例においては、超音波の伝搬途中に妨害波、気
泡、あるいは回路中にノイズ等がない場合について説明
したが、両受倍波を減算合成する、　　ことにより、こ
れらの妨害があっても、その影響を完全に除去すること
ができる。

、第３図は妨害波がある場合の波形図を示し、図におい
て（ａ）は妨害波の波形１５を示し、（ｂ）は第１系列
の超音波の受信信号の波形１０ａを示し、（Ｃ）は第２
系列の超音波の受信信号の波形１１ａを示す。図に示す
ように妨害波が第１系列と第２系列の受信信号に相加え
られて、波形１０ａと波形１１ａの振幅が乱れる。この
ため従来例のように例えば第１系列の受信信号の゛波形
１０ａのみをしきい値Ｔ′ｈと比較すると正しい時間Ｉ
Ｂからサイクル・ジャンプを生じ、誤った時間Ｌｅａを
検出することにより計測値が大幅に乱れる。しかし、妨
害波の波形１５を互いに加えられた第１系列の受信信号
の波形１０ａと第２系列の受信信号の波形１１ａを減算
合成すると、妨害波の波形も差引かれる。その結果、合
成波の波形１２ａは第３図（ｄ）に示すように妨害波が
ない場合の第２図（Ｃ）に示す波形１２と全く同じにな
り、妨害波の影響を全く受けずに時間計測を行なうこと
ができる。

また、上記実施例においては、第１系列の超音波の搬送
周波数ｆ１はそのままで送信し、第２系列の超音波の搬
送波には周波数変調をかけて送信した場合を示したが、
第１系列の超音波の搬送周波数ｆ１はそのままで送信し
、第２系列の超音波の搬送波に位相変調をかけて、第１
系列の超音波と実質的に周波数（瞬時周波数）を相違さ
せた場合、第１系列の超音波と第２系列の超音波の搬送
波にそれぞれ異なるパラメータで周波数変調をかけて送
信した場合、第１系列の超音波の搬送波に周波数変調を
かけ、第２系列の超音波の搬送波に位相変調をかけて送
信した場合、あるいは第１系列の超音波と第２系列の超
音波の搬送波にそれぞれ単位時間当たりの位相変化率を
変えて位相変調をかけて第１系列の超音波と′Ｍ２系列
の超音波（瞬時周波数）を実質的に相違させた場合も上
記実施例と同様な作用を奏することができる。

第４図は第２系列の超音波に位相変調をかけた場合の受
信信号の波形図を示し、（ａ）は上記実施例と同じく搬
送周波数ｆ１を有する第１系列の超音波の受信信号の波
形ｔａｂを示し、（ｂ）は第１系列の超音波に位相変調
をかけた第２系列の超音波の受信信号の波形Ｌｌｂを示
す。この第２系列の波形Ｉｌｂの位相変調のかけ方は、
例えば単位時間当りの位相変化率ｋ　を３００７１１（
％）とし、初期位相φ。を零ラジアンとしである。ここ
に単位時間は第２系列の超音波の１周期分をとり、位相
変化率ｋ　は２πラジアンを基準にした位相変化率であ
る。

この位相変調した第２系列の波形Ｌｌｂは搬送周波数で
１１波分の期間に３波分だけ割り増しされているから、
実質的に搬送周波数の（１１＋　３）／１１−１．２７
倍になっている。すなわち第１系列と第２系列の超音波
の実質的な周波数比は１　：　１．２７となっている。

この第１系列と第２系列の各受信信号を減算合成すると
第４図（Ｃ）に示す波形１２ｂの合成波となる。第４図
（Ｃ）の波形１２ｂから明らかなように合成波のサイク
ル・ピーク値間の差は著しく増大しており、しきい値Ｔ
ｈとの振幅比較においてマージンを非常に大きくとれる
。

また、第５図は、たがいに等しい搬送周波数ｆ１を有す
る第１系列と第２系列の超音波に異なるパラメータで周
波数変調をかけた場合の受信信号の波形図を示し、（ａ
）は第１系列の超音波の受信信号の波形１０ｃを示し、
（ｂ）は第２系列の超音波の受信信号の波形１１ｃを示
す。この場合、周波数変調は第１表に示す条件で直線的
にかけである。

第　　　１　　　表 ここで、単位時間１／ｆ１当たりの周波数変化率は第１
系列の超音波は＋２％、第２系列の超音波は一２％とし
である。また第２系列の超音波の初期位相は零ラジアン
とした。

この第１系列と第２系列の各受信信号を減算合成すると
、第５図（Ｃ）に示す波形１２ｅの合成波となり、この
合成波もサイクル・ピーク値間の差が著しく増大してい
る。

第６図は第１系列の超音波に周波数変調をかけ、第２系
列の超音波に位相変調をかけた場合の受信信号の波形図
を示し、（ａ）は第１系列の超音波の受信信号の波形１
０ｄを示し、（ｂ）は第２系列の受信信号の波形ｌｉｄ
を示す。なお、この場合も第１系列と第２系列の搬送周
波数ｆ１は相等しくしである。

この場合、第１系列の超音波の周波数変調は搬送周波数
ｆ１を中心にｆｌ−Δｆ（波形の初頭）からｆ１＋Δｆ
（波形の終期）まで直線的にかけである。単位時間１／
ｆ１当たりの周波数変化率は、搬送周波数ｆ１を基準に
して＋３．４％としである。また第２系列の超音波の位
相変調は単位時間当りの位相変化率ｋ　を３００７１１
　（％）とし、初期位相は零ラジアンとしである。

この第１系列と第２系列の各受信信号を減算合成すると
第６図（Ｃ）に示す波形１２ｄの合成波となり、この場
合もサイクル□・ピーク値間の差が著しく増大している
。

第７図は第１系列と第２系列の超音波に、それぞれ位相
変調をかけた場合の波形図を示し、（ａ）は第１系列の
超音波の受信信号の波形ｆｏｅを、（ｂ）は第２系列の
超音波の受信信号の波形ｌｉｅを示す。ここで第１系列
の位相変調は単位時間当たりの位相変化率を一８００／
１１　（％）とし、第２系列の位相変調は位相変化率を
＋８００／１１　（％）としである。

この場合も第７図（Ｃ）に示すように第１系列と第２系
列の各受信信号を減算合成した合成波の波形１２ｅのサ
イクル・ピーク値間の差を著しく増大させることができ
る。

なお、上記各実施例における周波数変調２位相変調は公
知技術により行なうことができる。また電圧制御発信器
やパルス位置変調技術を用いても良い。

また、上記各実施例においては送／受共用部３と第２送
／受共用部３ａを設けて送／受波部４及び第２送／受波
部４ａで送・受信を共用に行なった場合を示したが、第
８図に示すように送／受波部４を第１送波部１３と第１
受波部１４とに分離し、第２送／受波部４ａを第２送波
部１３ａと第２受波部１４ａに分離することにより超音
波の送信と受信を分離することもできる。

さらに、上記各実施例においては測定対象物８で反射し
た超音波の反射波を受信する場合について説明したが、
第９図に示すように／１１１１定対象物８が存在しない
場合であっても第１送波部１３で送信した第１系列の超
音波を第１受波部１４で直接受信し、第２送波部１１ａ
で送信した第２系列の超音波を第２受波部１４ａで直接
受信した場合であっても、上記実施例と同様に高確度で
超音波の伝搬時間を測定することができる。

上記各実施例においては超音波を伝搬させる場合につい
て説明したが、超音波以外の波動伝搬に対しても上記各
実施例と同様に適用することができる。

［発明の効果コ この発明は以上説明したように２種のパルス状の波動を
用い、この波動のうち少なくとも一方の波動にはパルス
の開始時または開始時近くの時点から一定時間の開角度
変調を施すことにより、２種の波動の周波数（瞬時周波
数）を実質的に相違させ、この両波動の受信波を実質的
に減算合成して振幅変動の大きい合成波とし、この合成
波の振幅を所定の基準値と比較するようにしたから、振
幅比較動作のマージンを大きくとることができ、これに
よってサイクル・ジャンプを格段に減少させることがで
きる。

したがって、伝搬時間測定における測定値のバラツキを
極端に減らすことができ、測定の信頼度を非常に向上さ
せることができる。

また、受信直後から振幅が大きく変動する合成波により
伝搬時間測定のための受信基準信号を得ることができる
から、受信基準信号を従来の場合より時間的に手前で得
ることができ、伝搬時間の測定値がより実の時間に近い
値となる。このために測定値の補正を必要とする場合で
あっても、その補正量を小さくすることができる効果も
有する。

さらに、２つの波動を減算合成することにより伝搬路中
に混入してくる妨害波、気泡あるいは回路中のノイズの
影響を完全に除去すること応（でき、波動伝搬時間測定
の信頼性を格段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例示すブロック図、第２図（ａ
）　、　（ｂ）　、（ｃ）は上記実施例による各受信波
とその合成波を示す波形図、第３図（ａ）　、（ｂ）　
−（ｃ）　−（ｄ）は上記実施例によるノイズと各受信
波及びその合成波を尽す波形図、第４図（ａ）　、（ｂ
）　、（ｃ）〜第７図（ａ）　、　（ｂ）　、（ｃ）は
各々この発明の他の実施例を示す波形図、第８図、第９
図は各々この発明の他の実施例を示すブロック図、＊１
ａ図は従来例を示すブロック図、第１１図は従来例の振
幅比較動作を示す波形図である。 １・・・時間軸発生部、２・・・同期発振部、２ａ・・
・第２同期発振部、３・・・送／受共用部、３ａ・・・
第２送／受共用部、４・・・送／受波部、４ａ・・・第
２送／受波部、５・・・増幅器、６・・・振幅比較／時
間計測部、７・・・距離演算部、８・・・測定対象物１
．９・・・減算器、１３・・・第１送波部、１３ａ・・
・第２送波部、１４・・・第１受波部、１４ａ・・・第
２受波部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）パルス状の波動を送・受信して、その間の伝搬時
   間を測定する波動伝搬時間測定装置において、搬送周波
   数ｆ＿１を有する第１の波動をそのまま、あるいは上記
   パルスの開始時または開始時近くの時点から一定時間内
   は角度変調を施して送信する第１の送波部と、 上記搬送周波数ｆ＿１と同一または異なる搬送周波数ｆ
   ＿２を有する第２の波動に少なくとも上記一定時間内は
   上記角度変調と異なるパラメータで角度変調を施して送
   信する第２の送波部と、 上記第１の送波部で送信した第１の波動を受信する第１
   の受波部と、 上記第２の送波部で送信した第２の波動を受信する第２
   の受波部と、 上記第１の受波部で受信した第１の波動の受信信号と、
   第２の受波部で受信した第２の波動の受信信号とを実質
   的に減算する合成部と、 該合成部で合成した合成波の振幅とあらかじめ定めた基
   準値とを上記一定時間内で比較し、合成波の振幅が基準
   値を越えたときに受信基準信号を出力する比較部と、 を備えたことを特徴とする波動伝搬時間測定装置。
2. （２）第１の送波部は第１の波動をそのまま送信し、第
   ２の送波部は第２の波動に周波数変調を施して送信する
   特許請求の範囲第１項記載の波動伝搬時間測定装置。
3. （３）第１の送波部は第１の波動をそのまま送信し、第
   ２の送波部は第２の波動に位相変調を施して送信する特
   許請求の範囲第１項記載の波動伝搬時間測定装置。
4. （４）第１の送波部は第１の波動に周波数変調を施して
   送信し、第２の送波部は第２の波動に周波数変調を施し
   て送信する特許請求の範囲第１項記載の波動伝搬時間測
   定装置。
5. （５）第１の送波部は第１の波動に周波数変調を施して
   送信し、第２の送波部は第２の波動に位相変調を施して
   送信する特許請求の範囲第１項記載の波動伝搬時間測定
   装置。
6. （６）第１の送波部は第１の波動に位相変調を施して送
   信し、第２の送波部は第２の波動に位相変調を施して送
   信する特許請求の範囲第１項記載の波動伝搬時間測定装
   置。