JPH02236421A

JPH02236421A - 超音波レベル測定装置

Info

Publication number: JPH02236421A
Application number: JP1056146A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Suzuki; 秀幸鈴木; Takeshi Saito; 猛斉藤
Original assignee: NIPPON BEELES- KK; Fuji Industrial Co Ltd; Fuji Kogyo KK
Current assignee: NIPPON BEELES- KK; Fuji Industrial Co Ltd; Fuji Kogyo KK
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1990-09-19

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］本発明は、超音波レベル測定装置に関する．［従来の技
術］従来、超音波を利用して液体、粉体、流体等のレベルを
測定する超音波レベル測定装宜は，その非接触性、簡便
性等の多くの利点の故に多用されている。

従来の超音波レベル測定装置は、被測定レベル而に対し
超音波を送波するレベル用超音波送波器と、被測定レベ
ル面にて反射された上記超音波を受波するレベル用超音
波受波器と、レベル用超音波送波器から送波されてレベ
ル用超音波受波器に受波される上記超音波の伝播時間ｔ
と伝播速度Ｖに基づいて被測定レベル面のレベルＬ（レ
ベル用超音波送波器及びレベル用ｆｉ音波受波器と非測
定レベル面との間の距離）を十記　（１）式により演算
する演算装置と、演算装置の演算結果を出力する出力装
置を有して構成される。

Ｌ＝ｔ−Ｖ／２　　　　　　　　　　　・・・　（１）
［発明か解決しようとする課題］然るに、超音波伝播速度は、超音波が伝播する測定媒体
（雰囲気等）の温度、組成、及び濃度等により変化し、
その基本式は下記　（２》式にて表わされる。

■２＝（ΣＣ−ｒＸｔ／ΣＣ．＋Ｘｔ）（Ｒ−Ｔ／ΣＭ
　ｔ　Ｘ　＋　）　　　・・・　（２）但し、Ｃｐｉは
組成ｌの定圧比熱、Ｃｖｌは組成１の定容比熱、Ｍ．は
組成１の分子量、Ｘ，は組成ｉのモル分率，Ｒは気体定
数、Ｔは雰囲気温度である。

然しなから、従来の超音波レベル測定装置の演算過程で
は、雰囲気温度の異同に対して超音波伝播速度を補正す
るのみであり、温度以外の雰囲気の状態量が変化する場
合には、超音波伝播速度に誤差を生じ，結果として高精
度のレベル測定が困難になるという不都合がある。

本発明は、測定媒体の状悪量の変化によって測定結果が
影響されず、高精度且つ高安定な超音波レベル測定装訝
を提供することを目的とする。

［Ｂ題を解決するための手段］本発明は、被測定レベル面に対し超音波を送波するレベ
ル用超音波送波器と、被測定レベル面にて反射された上
記超音波を受波するレベル用超音波受波器と、レベル用
超音波送波器から送波されてレベル用超音波受波器に受
波される上記超音波の伝播時間と伝播速度に基づいて被
測定レベル面のレベルを演算する演算装置と、演算装置
の演算結果を出力する出力装置とを有してなる超音波レ
ベル測定装置において、レベル用超音波送波器及びレベ
ル用超音波受波器の近傍に、相互に特定の距離関係をも
つ参照用超音波送波器、参照用超音波受波器、及び反射
器を設置し、参照用超音波送波器から送波された後に反
射器で反射され、その後参照用超音波受波器に受波され
る超音波の伝播時間と伝播距離に基づいて今回測定媒体
における超音波の伝播速度を補正した状態下で，前記演
算装置によるレベル演算動作を実行するようにしたもの
である。

［作用］本発明によれば、レベル用超音波送波器及びレベル用超
音波受波器の近傍に設けた、参照用超音波送波器、参照
用超音波受波器、及び反射器の存在によって超音波伝播
速度を補正するための情報を得ることができる。これに
より、演算装置は今回測定媒体における超音波の伝播速
度を補正した状憇下で、レベル演算動作を実行するもの
となり、測定媒体の状態量の変化によって測定結果が影
響されず、高精度且つ高安定な超音波レベル測定装置を
得ることができる．［実施例］第１図は本発明の一実施例に係る超音波レベル測定装置
を示すブロック図、第２図は超音波レベル測定装置にお
ける波形図、第３図はレベル演算回路を示す回路図であ
る。

超音波レベル測定装１ｉ１０は、被測定レベル面１１の
レベルを測定するものであり、第１図に示す如く、セン
サ１２と演算装置１３とを有して構成され、演算装置１
３には表示器１４を付帯的に備えている．センサ１２は、超音波発振器１５の本体に、レベル用超
音波送波器とレベル用超音波受波器を兼ねるレベル用超
音波送受波器１６、及び参照用超音波送波器と参照用超
音波受波器を兼ねる参照用超音波送受波器１７を相互に
並設するとともに、参照用超音波送受波器１７に相対す
る如くの反射Ｆｉ１８を備える．参照用超音波送受波器
１７と反射位置１８はレベル用超音波送受波器１６の近
傍に設置され、参照用超音波送受波器１７と反射板１８
とは参照距＋１１Ｌ．たけ離隔配置されている．レベル用超音波送受波器１６から測定媒体に送波された
超音波は、距＠Ｌｉを伝播して被測定レベル面１１によ
り反射され、レベル用超音波送受波器１６により受波さ
れる。

参照用超音波送受波器１７から測定媒体に送波された超
音波は、参照距＋１１ＬＱを伝播して反射板１８により
反射され、参照用超音波送受波器１７により受波される
。

尚、超音波レベル測定装置１０にあっては、レベル用超
音波送受波器１６からのレベル測定用超音波と参照用超
音波送受波器１７からの参照用超音波とが相互に干渉す
ることのないように、超音波送受波器１６．１７、及び
反射板１８を設定している。

演算装置１３は、原発振部２１、タイミング部２２、レ
ベル用信号駆動部２３、参照用信号駆動部２４．ｔｌ幅
器２５、検波器２６、レベル演算回路２７、基準電圧発
生部２８、音速補正用参照信号発生部２９、平均化回路
３０、出力部３１、電源部３２を有して構成されている
．原発振部２１は、超音波発振器１５の励振周波数及びタ
イミング部２２の基本夕ロックを発振する。

タイミング部２２は、原発振部２１からの基本クロック
を得て、演算装置１３の各部に対する制御信号を発生及
び供給する．尚、タイミング部２２は第２図の波形１０
２と１１１にて示される如くのレベル測定モード信号と
参照モード信号を数秒毎に切換出力し、それぞれの時間
幅の中で１００回以上の計測を行なうように制御する。

レベル用信号駆動部２３は、原発振部２１とタイミング
部２２の出力を得て、レベル用超音波送受波器１６を駆
動制御する。即ち、レベル用超音波送受波器１６はレベ
ル用信号駆動部２３により励振された電気信号を超音波
信号に変換し、前述の如く送波する（第２図の波形１０
３参照）．参照用信号躯動部２４は、原発′＆部２１と
タイミング部２２の出力を得て、参照用超音波送受波器
１７を駆動制御する。即ち、参照用超音波送受波器１７
は参照用信号駆動部２４により励振された電気信号を超
音波信号に変換し、前述の如く送波する（第２図の波形
１１２参照）。

増幅器２５は、レベル用超音波送受波器１６、参照用超
音波送受波器１７からの出力を増幅する．即ち、レベル
用超音波送受波器１６は前述の被測定レベル面１１から
の反射超音波信号を電気信号に変換した上で増幅器２５
に伝送し、増幅器２５はこの受信信号を増幅する（第２
図の波形１０４参照）．又、参照用超音波送受波器１７
は前述の反射板１８からの反射超音波信号を電気信号に
変換した上で増幅器２５に伝送し、増幅器２５はこの受
信信号を増幅する（第２図の波形１１３参照）。この時
、増幅器２５は、タイミング部２２からの制御信号によ
り動作するピークＡＧＣ　（自動ゲイン調整器）及びゲ
ート付信号増幅器であり、レベル測定モードと参照モー
ドの各受信波は増幅器２５の受信ゲートが第２図の波形
１０５，１１４に示す如くのオン時のみ増幅され、検波
器２６への入力段階でそれらの波形の振幅が一定となる
ようにＡＧＣが施されるようになっている．尚、センサ１２と演算装置１３との間には、センサ１２
の各超音波送受波器１６、１７のそれぞれと、演算装［
１３の各信号駆動部２３、２４、増幅器２５のそれぞれ
との間で信号伝送するためのケーブル３３、３４が設け
られる．検波器２６は、零クロス検波器を有し、タイミング部２
２により制御される．即ち、検波器２６は、レベル測定
モードと参照モードの各モードにおいて、増幅器２５が
増幅した受信信号を検波し、第２図の波形１０６、１１
５にて示される検波出力をレベル演算回路２７へ出力す
る。

レベル演算回路２７は、検波器２６の出力を受けるとと
もにタイミング部２２により制御され，レベル測定モー
ドにおいてレベル用超音波送受波器ｌ６から送波されて
再び受波される超音波の伝播時間と伝播速度に基づいて
被測定レベル面１１のレベルＬ，を演算する。この時、
レベル演算回路２７は、後に詳述する演算動作に従い、
参照モードにおいて参照用超音波送受波器１７から送波
された後に反射板１８で反射され、その後参照用超音波
送受波器１７にて受波される超音波の伝播時間と伝播距
ｌｆＩＬ０に基づいて今回測定媒体における超音波の伝
播速度を補正した状態下で、上記レベル測定モードにお
ける演算動作を実行する．基準電圧発生部２８は参照距１ｍ！Ｌ．に相当する電圧
を発生する。

音速補正用参照信号発生部２９は、タイミング部２２に
より制御され、参照モードで得られた距１ｌＩＬ．に相
当する電気的信号が基準電圧発生部２８の出力と一致す
るような参照信号を発生し、この参照信号をレベル演算
回路２７に伝送する。

平均化回路３０は、タイミング部２２により制御され、
レベル演算回路２７で演算された信号の平均化及び安定
化を行なう。

出力部３１は、測定されたｌノベルの零点、スパンの設
定を行ない、更に制御用信号及び表示器用信号を出力す
る。

電源部３２は、外部電源に接続され、演算装置１３の各
部へ直流電源を供給する。

表示器１４は、測定ざれたレベル値を表示する。

以下、レベル演算回路２７の演算動作を、第２図と第３
図を用いて説明する。

第３図はレベル演算回路２７の電気回路の一例であるか
、その■にレベル測定モードと参照モートのそれぞれに
おける各超音波送受波器１６、１７からの送波開始タイ
ミングに同期する信号をタイミング部２２から入力し、
■にそれらの各モートにおける各受波信号の検波出力を
検波器２６から入力すると、◎にはそれら各モードでの
超音波伝播時間幅に相当するパルスか出力される（第２
図の波形１０７、１１６参照）。続いて、それらのパル
ス１０７、１１６によりトランジスタ２０１をオン、オ
フさせると該トランジスタ２０１のオン時のコレクタに
定電流か発生し、コンデンサ２０２が充電され、■の充
電電圧は第２図の波形１０８，１１７の如くになる。こ
の充電電荷はトランジスタ２０１がオフになると充電か
停止されるため、その電圧は一定に保持されその電圧レ
ベルが各モードにおける伝播距１１１ＬＬ若しくはＬ０
に比例する。又、上記充電電荷は、次のモードが実行開
始する前に、リセットパルス（第２図の波形１１０）を
＠に印加させて、トランジスタ２０３をオンさせること
にて放電される。

レベル測定モードに設定されている場合、■には１０８
の如くの充電電圧が出力されている。

ＩＣ２０４は電圧比較器であり、その出力をサンプリン
グタイミング（第２図の波形１０９）にてＩＣ２０５の
積分器の入力としてトランジスタ２０６のエミッタ電圧
が１０８の充電電圧ＶＬＩに等しくなるように帰還がか
けられている．他方参照モートに設定されている場合、
■には１１７の如くの充電電圧が出力されている．ＩＣ
２０７は電圧比較器であり前記同様サンプリングタイミ
ング（第２図の波形１１８）にてトランジスタ２０８の
エミッタ電圧か１１７の電圧ＶＬＯに等しくなるように
帰還がかけられている。

更に、上記電圧ＶＬｏが■の基準電圧に一致するように
ＴＣ２０９、ＩＣ２１０、トランジスタ２ｌ１、抵抗２
１２．　トランジスタ２０１、コンデンサ２０２、ＩＣ
２１３にて制御されている．この時、■の基準電圧をＥ
，とし、Ｅ　ｇ＞ＶＬてあったと仮定する場合には、Ｉ
Ｃ２０９は比較器であるためその出力はｅとなり積分器
ＩＣ２１０の出力はよりΦ側に移り、トランジスタ２１
１のベース電流を増加させ、トランジスタ２０１のベー
ス電圧を低下させる。これにより，トランジスタ２０１
のコレクタ電流Ｉｃは増大し、コンデンサ２０２の充電
電圧■，。は増大し、Ｅ　．　＝ＶＬ　．に達するまで
この動作は続く。

又、ＥＳ　＜ＶＬ０であったと仮定する場合には、ＩＣ
２０９の出力がｅとなり前記動作とは逆に、Ｅ．＝ＶＬ
．に達するまで同じ動作を続け、常にＥ　．　＝ＶＬ　
．に安定する．そこで、今参照モートにおける超音波信号か参照用超音
波送受波器１７から送波されてから受波されるまでの時
間をΔｔ，Ｉとすると下記　（３）式か成立する． △ｔ＋ｕ＝２・Ｌ，／Ｖ　　　　　　　　　・・・　｛
３）但しＶは超音波伝播速度である．コンデンサ２０２の充電電圧ＶＬｏはＶＬ　ｏ　＝　（１／Ｃ２０２　）　・Ｉ　ｃ　・Δｔ
，Ｉ＝　（１／Ｃ２０２　）　・Ｉｃ（２Ｌ．／Ｖ）　　　・・・　（４）となり、ＶＬ０＝Ｅ，であるから、Ｉ　ｃ　”　Ｅ　ｓ　’　Ｖ　’　　（　Ｃ　２ｏ２／
　２　Ｌ　。）　　”’　　（５）となる。この電流は
ＩＣ２１０によって形成される積分器によって参照モー
ト時には比較的ゆっくりとＶＬ　０＝Ｅ，となるよう動
作するが、レベル測定モード時には保持され一定を保つ
。

レベル測定モードに移行した場合、超音波信号が送信さ
れ受信されるまでの時間ΔｔＬはΔｔＬ＝２Ｌ＋／Ｖ　
　　　　　　　　　・＝　　（６１となり、コンデンサ
２０２に充電された電圧は下記　（７）式となる。

ｖＬｌ”　（　１　／　Ｃ　２０２　）　　・Ｉ．・△
１Ｌ＝　（１／Ｃ．．．）　　・工。

・　（２Ｌ．／Ｖ）　　　　・・・　（７）前記　（５
）式のＩＣを上記（７）式に代入するとｖＬＩ＝　（　
１／Ｃ２０２　）　・Ｅ　ｓ　・Ｖ（Ｃ２０２／２Ｌ０
）　　　（２Ｌ　＋／Ｖ）＝　Ｅ　ｓ　（　Ｌ　ｉ　／
　Ｌ　０）　　　　　　　・・・　（８）となり、超音
波伝播速度の変化に依存しないレベル測定が可能となる
。

次に、上記実施例の作用について説明する。

上記実施例によれば、レベル用超音波送受波器１６の近
傍に設けた、参照用超音波送受波器１７及び反射板１８
の存在によって超音波伝播時間を補正するための情報を
得ることかできる。これにより、演算装置１３は今回測
定媒体における超音波の伝播速度を補正した状態下で、
レベル演算動作を実行するものとなり、測定媒体の状態
量の変化によって測定結果が影響されず、高精度且つ高
安定な超音波レベル測定装置を得ることができる。

尚、本発明の実施において、測定媒体は気体に限らず、
液体、固体を含むものであっても良い。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、測定流体の状悪量の変化
によって測定結果か影響されず、高精度且つ高安定な超
音波レベル測定装置を得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超音波レベル測定装置
を示すブロック図、第２図は超音波レベル測定装置にお
ける波形図、第３図はレベル演算回路を示す回路図であ
る。１０・・・超音波レベル測定装置、１１・・・被測定レベル而、１３・・・演算装置、１６・・・レベル用超音波送受波器、ｌ７・・・参照用超音波送受波器、１８・・・反射板、２７・・・レベル演算回路、２９・・・音速補正用参照信号発生部、３１・・・出力
部．代理人　弁理士　　塩　川　修　治

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定レベル面に対し超音波を送波するレベル用
超音波送波器と、被測定レベル面にて反射された上記超
音波を受波するレベル用超音波受波器と、レベル用超音
波送波器から送波されてレベル用超音波受波器に受波さ
れる上記超音波の伝播時間と伝播速度に基づいて被測定
レベル面のレベルを演算する演算装置と、演算装置の演
算結果を出力する出力装置とを有してなる超音波レベル
測定装置において、レベル用超音波送波器及びレベル用
超音波受波器の近傍に、相互に特定の距離関係をもつ参
照用超音波送波器、参照用超音波受波器、及び反射器を
設置し、参照用超音波送波器から送波された後に反射器
で反射され、その後参照用超音波受波器に受波される超
音波の伝播時間と伝播距離に基づいて今回測定媒体にお
ける超音波の伝播速度を補正した状態下で、前記演算装
置によるレベル演算動作を実行することを特徴とする超
音波レベル測定装置。