JPH02296115A - 液面高さの測定方法および測定装置 - 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） 本発明は、超音波方式による液面高さの測定方法および
測定装置に関する。

（従来の技術） 一般に、液体を処理し、保有しまたは貯蔵する容器の底
面から液面までの高さを測定することが化学プラントな
ど各種の工業装置で広く行われている。その液面高さを
測定するのに、超音波の送受波器で超音波を底面から液
面に向けてまたは液面の上方空間から液面に向けて放射
し、この液面からの反射波を捕らえて、反射波の伝搬時
間を計測する方法が従来から知られている。この従来方
法では、気体または液体である媒体中の反射波の伝搬速
度が既知であるとして、反射波伝搬時間を液面高さに変
換する。

また、従来の液面高さの測定装置には、超音波変換器と
して厚み振動モードの圧電トランスデユーサが用いられ
ている。

（発明が解決しようとする課題） 媒体中の超音波の伝搬速度は、媒体が−様な温度分布の
気体または液体のとき、その温度における体積弾性率お
よび密度の関数で与えられ、また媒体の体積弾性率およ
び密度は、温度の関数で与えられる。つまり、媒体中の
反射波の伝搬速度は、媒体の温度変化に伴って変化する
。その結果、従来の液面高さの測定方法によれば一反射
波が伝搬する媒体の温度を測定し、その温度が変化する
毎に、その温度に対応する反射波の伝搬速度を計算で求
める必要があり、計算作業の手間が掛かり、また、媒体
温度の計測誤差や伝搬速度の計算誤差による液面高さの
測定誤差を招く。

また、厚み振動モードの圧電トランスデユーサが使用さ
れている場合には、使用周波数が単一の周波数に限定さ
れ、測定できる液面高さの範囲および測定精度に関し使
用上の制限がある。

本発明の目的は、液体中を伝搬する超音波の速度に依存
しない液面高さの測定方法および測定装置を提供するこ
とにある。

また、本発明の目的は、底面から液面までの餞大測定可
能距離および液面高さの測定精度について選択が可能な
装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、容器内に収められている液体の液面の高さを
該容器内の基準面から該液面道の距離で測定する方法で
あって、超音波を送波しかつ受波する圧を肥立酒器を前
記基準面と液面との容器内に配置し、前記圧電型変換器
から第１の超音波を鉛直方向へ前記基準面に向けてかつ
第２の超音波を鉛直方向へ前記液面に向けて同時に送波
し、前記基準面に反射されて前記圧電型変換器に到達す
る前記第１の超音波および前記容器内の前記液面に反射
されて前記圧電型変換器に到達する前記第２の超音波を
それぞれが到達する順に前記圧電型変換器で受波し、第
１の超音波が送波されてがら受波されるまでの第１の伝
搬時間と第２の超音波が送波されてから受波されるまで
の第２の伝搬時間とを計測し、第２の伝搬時間と第１の
伝搬時間との比により、液面高さを測定する。

本発明は、容器内に収められている液体の液面の高さを
該容器内の基準から該液面までの距離で測定する装置で
あって、前記容器内の前記基準面と前記液面との間に配
置され、第１の超音波を鉛直方向へ前記基準面に向けて
かつ第２の超音波を鉛直方向へ前記液面に向けて同時に
送波し、前記基準面に反射される第１の超音波および前
記液面に反射される第２の超音波を受波する圧電型変換
器と、該圧電型変換器に交流を印加し、それと同時に開
始信号を出力する無線周波発振手段と、前記圧電型変換
器から出力される各超音波に対応する第１および第２の
受波信号を検出し、各受波信号に対応する第１および第
２の反射波検出信号を出力する反射波検出手段と、前記
開始信号並びに前記第１および第２の検出信号に基づき
、第１の超音波の液中の伝搬時間および第２の超音波の
液中の伝搬時間を検出する時間検出手段とを備える。

前記圧電変換器は、互いに平行な第１および第２の表面
を有する圧電基板および該圧電基板の第１の表面に形成
されたすだれ状電極を含み、前記第１および第２の表面
に垂直な方向の前記圧電基板の厚さをｄ、表面弾性波の
波長をλとし、前記圧電変換器が前記無線周波発振手段
により交流が印加されたときｄ＜５λの関係を満足する
ことが好ましい。

時間検出手段により検出された各伝搬時間に基づいて前
記基準面から液面までの距離を算出する演算処理手段を
備えることが好ましい。

（作用） 容器内の液面の高さを測定するとき、容器内に配置され
た圧電型変換器から第１の超音波が鉛直方向へ前記基準
面に向けて送波され、これと同時に第２の超音波が鉛直
方向へ前記液面に向けて送波される。第１の超音波は前
記基準面に反射され、圧電型変換器に到達する。第２の
超音波は、前記液面に反射され、圧電型変換器に到達す
る。圧電型変換器は、第１、第２の超音波をそれぞれが
到達する順に受波する。第１の超音波が送波されてから
受波されるまでの第１の伝搬時間および第２の超音波が
送波されてから受波されるまでの第２の伝搬時間を計測
し、第２の伝搬時間と第１の伝搬時間との比を求める。

第２の伝搬時間と第１の伝搬時間との比は、第２の超音
波の伝搬速度が第１の超音波の伝搬速度に等しいことか
ら、圧電型変換器から前記液面までの距離と圧電型変換
器から前記基準面までの距離との比に等しい。圧電型変
換器から前記基準面までの距離は一定であることから、
圧電型交換器から前記液面までの高さが求められる。そ
の結果、前記基準面から液面までの距離は、伝搬速度に
依存せずに求められる。

本発明の装置によれば、前記基準面から液面までの距離
を伝搬速度に依存せずに求めることができる。

また、前記圧電型変換器として、その厚さｄと表面弾性
波の波長λとがｄ＜５λの関係を満足するすだれ状トラ
ンスデユーサを用いることにより、ラム波が励振可能と
なる。ラム波が励振されるすだれ状トランスデユーサを
前記圧電型変換器とすれば、複数の周波数で前記第１お
よび第２の表面の垂直方向へ両向きに超音波を放射する
ことができる。複数の超音波の任意の１つを選択して放
射できると、低周波の高パワーによる大深度で粗精度の
測定か又は低パワーの高周波による低深度で高精度の測
定かを必要に応じて任意に選択できる。

さらに、演算処理手段を備えることにより、液面高さを
容易に求めることができる。

すだれ状トランスデユーサにより液中に放射される超音
波の進向方向か、該トランスデユーサの圧電基板表面の
法線方向に対してなず角度θは、θ＝ｓｉｎ−’（Ｖｃ
／ＶＲ）　−・−（１）であることが本ｌｉ′！発明者
等により既に発表されている。ここで、■。は超音波の
液中での速度、ＶＲは圧電基板における位相速度である
。ラム波で励振するすだれ状トランスデユーサでは位相
速度■８が無限大に近づく周波数が存在する。ＶＲが無
限大のとき、放射角θは０となり、漏洩ラム波は圧電基
板の表面に対して法線方向に伝搬する。

本発明ではこのような漏洩ラム波を第１および第２の超
音波として用いることができる。

（実施例） 第１図は本発明の液面高さの測定袋：σの一実施例にお
ける変換器の取付状態を示す断面図、第２図はその変換
器の斜視図、第３図はその液面高さの測定装置の構成を
示すブロック図、第４図は第３図の実施例における各部
の信号の波形を示す図である。

本実施例の液面高さの測定装置１０は、第１図に示すよ
うに、液体を貯蔵する容器１２の底面１４と液面１６と
の間に配置されている圧電型変換器１８を備える。

圧電型変換器１８は、図示のように、底面からの鉛直距
離がＬ６となるように容器１２の側板２０に取り付けら
れている。圧電型変換器１８は、第２図に示すすだれ状
トランスデユーサであり、圧電基板２２と、その表面上
に構成されたすだれ状の電極２４と、該電極を交流電源
に接続するリード線２６とを含む。

圧電基板２２は、東北金属製ＮＥＰＥＣ−６からなり、
その厚さは１　＋ｕ＋である。すだれ状の電極２４のピ
ッチは１．８２５　Ｕである。

圧電変換器１８においては、交流をすだれ状の電極２４
に印加することによりラム波が励振される。漏洩ラム波
は圧電基板２２と液体との固・液界面に沿って伝搬し、
縦波にモード変換され、第１の超音波２８および第２の
超音波３０が圧電基板２２の厚さ方向に同時に放射され
る。

圧を型交換器１８は、舅線眉波発振手段３２により駆動
される。無線周波発振手段３２は、圧電型変換器１８に
無線周波パルスを印加する発振器３４と、無線周波パル
スの印加を開始することを知らせる開始信号（トリガパ
ルス）を出力するパルス発振器３６とを有する。

無線周波発振手段３２によって励振された圧電型変換器
１８からは、第１の超音波２８が鉛直方向へ底面１４に
向けて放射され、これと同時に第２の超音波３０が鉛直
方向へ液面１６に向けて放射される。

圧電型変換器１８は、底面１４に反射されて圧電型変換
器１８に到達する第１の超音波２８および液面１６に反
射されて圧電型変換器１８に到達する第２の超音波３０
を受波し、第１の超音波２８に対応して第１の受波信号
を発生し、第２の超音波３０に対応して第２の受波信号
を発生する。

圧電型変換器１８の第１、第２の受波信号は、反射波検
出手段３８に与えられる０反射波検出手段３８は、第１
、第２の受波信号を増幅する増幅器４Ｑと、該増幅器４
０によって増幅された各受波信号を検波する検波器４１
と、該検波器４１から出力される直流パルス信号を基準
値と比較し、各直流パルス信号が基準値以上であるとき
に各受波信号に対応した第１および第２の反射波検出信
号を出力する比較器４２とを有する。各反射波検出信号
は、時間検出手段４４に与えられる。

時間検出手段４４は、パルス発振器３６より与えられた
開始信号および反射波検出手段３８から与えられた第１
および第２の反射波検出信号に基づき、第１および第２
の超音波の送波から受波されるまでの液中の伝搬時間に
それぞれ比例した幅をもつ第１および第２のパルスを発
生するパルス発生器４６と、各パルスの幅をこれに比例
する電圧に変換し、第１および第２のパルスに対応する
第１および第２の電圧値を出力する変換器４８と、第２
の圧電値と第１の圧電値との比を算出し、その比を出力
する除算器５０とを有する。

除算器５０から出力される比の値は、演算処理手段５２
に与えられる。

？ｉ４算処理手段５２は、設定された数値および除算器
５０より与えられた数値に基づいて（１）式によって容
器１２の底面１４から液面１６までの高さを計算し、そ
の計算値を出力する。

Ｌ＝ｔモ（１＋　−）　Ｌ、　　＝−−−−−（１）（
１）式の各記号は、第１図に示すように、Ｌは容器１２
の底面１４から液面１６までの高さすなわち演算処理子
１４５２の計算値、ｔは圧電変換器１８の厚さすなわち
設定値、Ｔ１は第１の超音波の液中の伝搬時間、Ｔ２は
第２の超音波の液中の伝搬時間、Ｌ、は底面１４から圧
電変換器１８の下面までの高さ寸法すなわち設定値、Ｔ
２／Ｔ１は除算器５０より与えられた比の値である。

液面高さの測定装置１０の動作時、第４図に示すように
パルス発振器３６は第４図（ａ）に示す開始信号を無線
周波発振器３４およびパルス発生器４６に与える。無線
周波発振器３４は、開始信号により起動されて、第４図
（ｂ）に示す無線周波パルスを圧電型変換器１８に印加
する。無線周波パルスは、６．８ＭＨｚの無線周波数信
号のバーストである。

圧電型変換器１８は、その無線周波パルスにより励振さ
れ、第１図に示すように第１の超音波２８を鉛直方向へ
底面１４に向けて放射し、同時に第２の超音波３０を鉛
直方向へ液面１６に向けて放射する。

圧電型変換器１８から放射され得る超音波は該圧電型変
換器１８の振動形態により３つに分類することができる
。第５図は圧電型変換器１８がら放射させることができ
る超音波の周波数と振動強度と放射角の関係を示す図で
ある０本図において、（ａ）は厚み振動波、（ｂ）は直
接ＷＪ振波、（ｃ）はラム波からモード変換された縦波
をそれぞれ示す、第５図における放射角θは圧電基板２
２の法線に対する角度である１本図から明らかなように
、周波数ｆが２ＭＨｚと６．８ＭＨｚとの２点で放射角
θは０゛である。従って、前述の第１および第２の超音
波としてこの実施例では２ＭＨｚか又は６．８ＭＨｚか
のいずれかを選んで放射できる。

第１の超音波２８は、底面１４で反射され、圧電型変換
器１８に到達する。第２の超音波３０は液面１６で反射
され、圧電型変換器１８に到達する。第１の超音波２８
は、第２の超音波３０よりも早く圧電型変換器１８に到
達するとき、まず、圧電型変換器１８は、第１の超音波
２８を受波し、第４図（ｃ）に示す第１の受波信号を発
生する。

第１の受波信号は、増幅器４０を介して検波器４１に与
えられる。

検波器４１は、増幅された第１の受波信号を検波し、第
４図（ｄ）に示す直流パルス信号を生成する。その直流
パルス信号は比１２器４２に与えられる。比＄２８４２
は、その直流パルス信号を基準値と比較し、基準値以上
であれば、該第１の受波信号が第１の超音波に対応する
ものとして、第４図（ｅ）に示す第１の反射波検出信号
を出力する。

第１の反射波検出信号は、パルス発生器４６に与えられ
る。パルス発生器４６は、第４図に示すように開始信号
が与えられた時刻上〇から第１の反射波検出信号が与え
られた時刻ｔ１までの時間Ｔ、に比例した幅をもつ第１
のパルスを発生する。

圧電型変換器１８が第２の超音波３０を受波したときの
第２の受波信号は、第１の受波信号と同様に処理され、
第２の受波信号に対応する第２の反射波検出信号が比較
器４２から出力される。

第２の反射波検出信号は、パルス発生器４６に与えられ
る。パルス発生器４６は、第４図（ｇ）に示すように開
始信号が与えられた時刻上〇から第２の反射波検出信号
が与えられた時刻ｔ２までの時間Ｔ２に比例した幅をも
つ第２のパルスを発生する。

第１のパルスおよび第２のパルスは変換器４８に与えら
れる。変換器４８は、各パルス幅をこれに比例する電圧
に変換し、第１および第２のパルスに対応する第１およ
び第２の電圧値を出力する。

除算器５０は、第２の電圧値と第１の電圧値との比を算
出し、その比の値を演算処理手段５２に与える。この第
２の電圧値と第１の電圧値との比は、時間Ｔ２と時間Ｔ
１との比に等しい。

演算処理手段５２は一第２の電圧値と第１の電圧値との
比に基づいて（１）式より、容器１２の底面１４から液
面１６までの高さ［、を計算し、その計算値を出力する
。

第６図は、液面高さの測定結果を示し、○印は、液位と
除算器の電圧出力値との関係、目印は、Ｊｌ定値のばら
つきを示す、測定値のばらつきは液中音波の１λ（２２
０μｍ）以内の範囲にあり、良好な直線性が得られてい
る。また、液温度の１５°Ｃ〜４５°Ｃの変化範囲に対
しても良好な結果が得られている。

液面高さの測定装置１０は、第１の超音波２８および第
２の超音波３０の液中の伝搬時間′ｒＴ２を計測するこ
とにより、液体の温度の影響を受けずに容器１２内の液
面高さ［、を測定することができる。

（発明の効果） 本発明によれば、２つの超音、波が液中を伝搬する時間
を計測することにより、液体の温度変化に対して測定値
を補正する必要がなく、温度変化により誤差が生じない
。

また、本発明によれば、漏洩ラム波用圧電型変換器は、
それを駆動させる交流の周波数を切り換えることによっ
て低周波あるいは高周波の超音波を放射することができ
るから、基準面から液面までの測定距離が長いときには
、低周波の超音波を用いて減衰を少なくすることができ
、前記測定距離が短いときには、高周波の超音波を用い
て測定精度を上げることかできる。第６図から明らかな
ように、測定精度は周波数が高いほどよい、したがって
、本発明の装置では、測定すべき液の深さが大きいとき
には精度をやや犠牲にして高パワーの超音波を放射でき
る低周波を選び、測定深度が小さいときには放射超音波
は低パワーでも足りるから精度の高い高周波を選ぶこと
により、必要性に応じた最適な測定ができる。

断面図、第２図は変換器の斜視図、第３図はその実施例
の液面高さの測定装置の構成を示すブロック図、第４図
は第３図の実施例における各部の信号の波形を示す図、
第５図は第１図実施例で圧電を変換器として用いたすだ
れ状トランスデユーサで液中に放射できる超音波の周波
数と放射角と振動強度の関係を示す図、第６図は第１図
の液面高さの測定装置による測定結果を示す図である。

１０・・・液面高さの測定装置、１２・・・容器、１４
・・・底面、１６・・・液面、１８・・・圧電型変ｔＩ
Ａ器、２８・・・第１の超音波、３０・・・第２の超音
波、３２・・・無線周波発振手段、３８・・・反射波検
出手段、４４・・・時間検出手段、５２・・・演算処理
手段。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器内に収められている液体の液面の高さを該容
   器内の基準面から該液面迄の距離で測定する方法であっ
   て、超音波を送波しかつ受波する圧電型変換器を前記基
   準面と液面との間の容器内に配置し、前記圧電型変換器
   から第１の超音波を鉛直方向へ前記基準面に向けてかつ
   第２の超音波を鉛直方向へ前記液面に向けて同時に送波
   し、前期基準面に反射されて前記圧電変換器に到達する
   前記第１の超音波および前記容器内の前記液面に反射さ
   れて前記圧電型変換器に到達する前記第２の超音波をそ
   れぞれが到達する順に前記圧電型変換器で受波し、第１
   の超音波が送波されてから受波されるまでの第１の伝搬
   時間と第２の超音波が送波されてから受波されるまでの
   第２の伝搬時間とを計測し、第２の伝搬時間と第１の伝
   搬時間との比により、液面高さを測定する液面高さの測
   定方法。
2. （２）容器内に収められている液体の液面の高さを該容
   器内の基準から該液面までの距離で測定する装置であっ
   て、前記容器内の前記基準面と前記液面との間に配置さ
   れ、第１の超音波を鉛直方向へ前記基準面に向けてかつ
   第２の超音波を鉛直方向へ前記液面に向けて同時に送波
   し、前記基準面に反射される第１の超音波および前記液
   面に反射される第２の超音波を受波する圧電型変換器と
   、該圧電型変換器に交流を印加し、それと同時に開始信
   号を出力する無線周波発振手段と、前記圧電型変換器か
   ら出力される各超音波に対応する第１および第２の受波
   信号を検出し、各受波信号に対応する第１および第２の
   反射波検出信号を出力する反射波検出手段と、前記開始
   信号並びに前記第１および第２の検出信号に基づき、第
   １の超音波の液中の伝搬時間および第２の超音波の液中
   の伝搬時間を検出する時間検出手段とを備える液面高さ
   の測定装置。
3. （３）前記圧電変換器は、互いに平行な第１および第２
   の表面を有する圧電基板および該圧電基板の第１の表面
   に形成されたすだれ状電極を含み、前記第１および第２
   の表面に垂直な方向の前記圧電基板の厚さをｄ、表面弾
   性波の波長をλとし、前記圧電変換器が前記無線周波発
   振手段により交流が印加されたときｄ＜５λの関係を満
   足する請求項２に記載の液面高さの測定装置。
4. （４）時間検出手段により検出された各伝搬時間に基づ
   いて前記基準面から液面までの距離を算出する演算処理
   手段を備える請求項３に記載の液面高さの測定装置。