JPH04188028A - 超音波界面レベル計 - 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］ 本発明は容器内の気体、液体、粉粒体、ゲル状物質等の
相互の界面レベルを検知する超音波界面レベル計に関し
、特に容器外部から、該容器に機械的の加工を施すこと
なく取り付は容器内の媒体を検出する場合に最も敵する
。

［従来の技術］ 従来、この種の超音波界面レベル計の一つとして、容器
内の液面を検知する超音波液面計が知られている。この
超音波液面計の中で、特に容器外部から、該容器に機械
的の加工を施すことなく内容液の液面を検知可能なもの
としては、例えば特開昭６０−２１４２２６号公報、特
開昭６１−２９７２２号公報、特開昭６０−２６２０１
９号公報（Ｌブ下、この順序で第１公報、第２公報、第
３公報と称する。）などに開示されたものがある。

しかして、前記第１公報のものは、送波器と受波器とを
容器の一水平横断面内の対向位置に取り付けておき、送
波器から投入された超音波を受波器で検出して液面を測
定するものである。

また、第２公報のものでは、送受波機能一体の液面計を
容器外壁に取り付け、壁面を通して液中に放射された超
音波が対向する壁面に反射して帰還した反射波を受信し
て液の有無を知ろうとするものである。

さらに前記第３公報のものは、やはり送受波機能一体の
液面計を容器外壁に取り付け、外壁面から入射した超音
波が内壁面に当たって反射する多重反射（多重エコー）
が、内壁面に液体が接しているか否かによってエコーの
持続時間が異なるのを利用して内容液の有無を知ろうと
するものである。

Ｅ発明が解決しようとする課ＢＳ しかしながら、前記第１公報のものでは、容器内液面の
羊−レベルしか検知することができず、限界上液面計な
いしは限界上液面計としてしか使用できない。

第２公報によるものでは、液面計を固定的に取り付ける
限りでは、上記第１公報のものと同様に連続的に変化す
る液面を当該レベルで検出することはできず、液面レベ
ルの上限また下限を検出する限界液面計であることにか
わりはない。

また、前記液面計を壁面に沿って上下に移動させること
により、現在の液面レベルを検知することは可能である
が、液面計を一々移動させることは面倒であり、外壁面
の任意の場所において超音波の壁面に対する透過率を常
に一様に保つことの原理的な困難性を別としても、容器
が大型であったり、近接しにくい場所に設置されている
ような場合には、壁面に沿っての液面計の移動は一層困
難となり、実際上はやはり限界液面計として、その適用
範囲が限定されたものとなることは免れないところであ
る。

上記間ｕ点に関しては、さらに第３公報によるものに就
いても全く同様であり、前２者においては容器の内壁間
の透過音波ないしは反射音波であったのに対して、容器
殼壁内の多重反射波であることの相違だけである６ 〔発明の目的］ 本発明は、このような従来の技術における問題点に鑑み
て成されたもので、−点の媒体の界面レベルだけでなく
、しかも受波器を移動させることなく容器内の複数の媒
体界面レベルに対応して検出可能な超音波界面レベル計
を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するためのこの発明の要旨とするところ
は、 （１）　容器内の媒体検出面の測定域を挟んで超音波界
面レベル計の送波器と受波器とを配設し、 前記送波器からの超音波信号を所定周期のバースト波と
するとともに、 媒体に接する内壁面から媒体中へ超音波が漏洩するよう
に超音波を殼壁内へ入射させ、 殼壁と媒体中を通って容器内を往復する反射波の反射回
数を、媒体の界面レベルに対応した時間遅れ信号の数と
して受波器に入射させるようにしたことを特徴とする超
音波界面レベル計。

（２）　容器内の媒体検出面の測定域を挟んで超音波液
面計の送波器と受波器とを配設し、前記送波器からの超
音波信号を所定周期のバースト波とするとともに、 媒体に接する内壁面から媒体中への超音波の漏洩が極大
値をとる下記条件式、 ２ｄ　−ｃｏｓθ１＝ｍλｍλ１ （ｍ＝ｏ、１．２・　・） 但し、ｄは殼壁の板厚、θ１は殼壁内 に入射された超音波の傾斜角、λ１は 殼壁内の超音波の波長 を満足するようなθ、および／又はλｌによって超音波
を入射させ、 殼壁と媒体中を通って容器内を往復する反射波の反射回
数を、媒体の界面レベルに対応した時間遅れ信号の数と
して受波器に入射させるようにしたことを特徴とする請
求項１記載の超音波界面レベル計に存する。

［作用］ 界面レベル計の送波器と受波器とを媒体容器において、
媒体の予想変動域を挟んで取り付ける。

この際、送波器と受波器の何れを上に、何れを下にして
もよい。

送波器から容器殼壁内に放射された超音波は、受波器と
の最短距離を伝わる伝達波のほかに、殼壁内の迂回経路
を通って到達した音波が重畳するので、連続波では意味
のある音波を弁別するのが難しい、そこで、一定の周期
と幅とを有するバースト波を放射する。

殼壁内面が媒体に接していないときには、固体である容
器と空気の固有音響インピーダンスの隔絶した相違から
、殼壁内に放射された超音波信号は、内壁面からは殆ど
容器内空中に拡散することなく、殼壁内の多重反射波と
して伝搬していく。

そして、媒体に接した所に達すると、今度は容器の固有
音響インピーダンスと媒体の固有音響インピーダンスと
は接近していて、超音波信号は内壁面から媒体中に透過
していく、送波器から放射される信号超音波は内壁面か
ら媒体への超音波の漏洩が極大値をとる条件式、 ２ｄ　　・　ｃｏｓ　　θ（＝　ｍ　Ａ　ｌ（ｍ＝０、
１．２　・　・　・　） 但し、ｄは殼壁の板厚、θ１は殼壁内 の超音波の傾斜角、λ１は殼壁内の超 音波の波長 を満足するようなθ、および／又はλ、に成っているか
ら、液体に接した内壁面からは効率良く超音波の液中へ
の漏洩放射がなされる。

しかして、送波器から放射された超音波信号が媒体に接
している媒体から漏洩し、漏洩超音波は対面する内壁面
から再度殼壁内に入り、外壁面で反射して殼壁内を通り
、再び媒体に漏洩していく。

このような反射を繰り返し、媒体に到達すると、以後は
殼壁内の多重反射波として受波器に入射する。送波器が
媒体よりも上方にある場合には、最初に殼壁内の多重反
射として、そして媒体の界面レベル以下では、媒体を通
過する壁面間反射波として受波器に入る。

何れにしても、上記壁面間の反射波はその反射回数に対
応する時間遅れ信号として受波器に受信される０例えば
、上記壁面間反射が３回であれば、殼壁内の伝達波の信
号を含めて４個のパルス波形が観測される。

しかして、上記反射回数は媒体の界面レベルに対し段階
的に比例するから、この回数、すなわち受波器で得られ
る時間遅れパルスの数によって容器内の媒体の界面レベ
ルを知ることができる。

［実施例］ 次ぎに図面に基づき本発明を超音波計に適用した一実施
例について説明する。

第１０に超音波液面計１０の構成を示す。

超音波液面計（以下、単に液面計と称する。）１０は液
体容器■の下部に取り付けられた送波器１１と、予想液
面を挟んだ上部に取り付けられた受波器１２とからなっ
ている。（送波器１１と受波器１２の位ｉを反対にして
もよい、）送波器１１と受波器１２とは同じ構造をなし
ており、第２図（ａ＞に外観図を、第２図（ｂ）にその
断面Ｚを示している。すなわ、ケーシング１３に発信手
段であるジルコン酸　チタン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電素子
１４を、伝達媒体としての水中に固定して設けである。

そして容器■に接する面には、ｌＩ膜１５が張っである
。もつとも、ゲージング１３を中実体とし、容器■との
接触面に接着側などで空気の介在をなくするようにさえ
すれば、水などの媒介物は必要としない。

送波器１１には指向特性と周波数特性によって入射角と
周波数の関係を満足させる事ができる圧電素子］４の使
用周波数を発振する高周波発振手段例刀ば；圧制御発振
器■ＣＯなどとともに、この高周波をパルス変調するた
めのパルス発生手段とを有する例えばパルスジェネレー
タ１６が結合されている。そして送波器１１からは使用
周波数のキャリヤのパルス変調波（バースト波）が超音
波信号として発信される。

一方の受波器１２には、受信信号を増幅する増幅器１７
と、入力信号を処理するためのカウンタ、コンパレータ
などを含む信号処理回路と、処理結果として得られた液
面レベルを表示する表示手段とを備えた信号処理　表示
装２１８が備えられている。

いま、第３図（ａ）、（ｂ−）のように送波器、容器壁
、液中の密度、音速および入射角をそれぞれ（ρ。、Ｃ
０、θ）、（ρ１、Ｃ１、θ、）、（ρ２、Ｃ２、θ２
）、とすれば、超音波の透過率りは次式によって示され
る。

しかして、上記透過率りは次式、 ２ａｃｏｓθ１＝ｍλｊＱλＩ （ｍ＝０．１．２・・　〉 のとき極大値を有するから、容器の殼壁厚さｄが与えら
れたとき、鎖式を満たすようにθ１および／又はλ、を
与えることにより、液中への漏洩と反射が効率よくなさ
れる。

そこで、例えば第４図（ａ）のように液面レベルが非常
に低い場合には、送波器１１から放射された信号超音波
は効率良く液中に漏洩するが、対面する容器壁面に到達
する前に液表面に到達し、その入射角および液体と空気
との固有音響インピーダンスの相違から空中への漏洩は
なく、反射して容器内を複雑に反射、漏洩を繰り返して
減衰していく、そして、伝達波だけが受波器１２に受信
される。

以下、第４図（ａ）〜第５１２１（ｄ）によって作用を
説明する。

上にも述べたように、液面レベルが低いときには、受波
器１２には第５図（ａ）に示すように伝達波信号ａ。だ
けが受信され、漏洩も殆どなく、信号レベル自体も減衰
の少ないものである。

第４図（ｂ）のように液体がやや多いときには、液中に
漏洩した信号波は対面する容器壁面から殼壁内に透過し
、外壁面で反射して再び液中に戻り、こちら側の外壁面
で反射して再々度液中に漏洩するが、対面する壁面に到
達できず、有効な反射波は１回だけで、第５図（ｂ）に
示すように伝達波信号ａ０のほかには１個だけの反射波
信号ａ＋が遅延パルスとして観測される。

第４図（Ｃ＞のようにさらに液面が高いと反射波は第５
図（Ｃ）のように時間遅れ信号ａ１、Ｃ２と２個得られ
る。

第４図（ｄ）では高い液面レベルで第５図（ｄ）のよう
に３個の反射波信号ａ１、Ｃ２、ａｆｆが得られる場合
３示している。

第５図各図に見るように、反射波が多くなると、伝達波
など先に受信される信号は漏洩が多くなって信号レベル
が低下している。

なお、本実施例では送波器１１を下部に、受波器１２を
容器Ｖの測定域を挟んだ上部に取り付けたが、これとは
逆の取り付は方であってもよい。

本発明の超音波液面計ｌＯでは、液体に接する壁面が長
く、また液体の固有音響インピーダンスが大きくて液中
への漏洩が多くなり、直達波の信号レベルが小さくなる
場合でも液面レベルに関する情報を確実に得ることがで
きる。

［発明の効果］ 本発明は、検出媒体の測定域を挟んで送波器と受波器と
を取り付け、送波器からの発信信号を所定周期のバース
ト波とするとともに、媒体に接する内壁面から液中へ超
音波が漏洩するように超音波を入射させ、殼壁と媒体中
を通って容器内を往復する反射波の反射回数を、媒体の
界面レベルに対応した遅延信号の数として受波器に入射
させるようにしたから、固有音響インピーダンスの大き
い媒体で、しかも媒体界面レベルが高く、漏洩波が多く
なって伝達波信号レベルが微小になるような場合て゛も
、媒体界面レベルに関する情報を確実に得ることができ
、送波器や受波器を移動させることなく、容器内の複数
の媒体界面レベルを検出することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図（ｄ）は本発明の一実施例を示しており
、第１図は全体の構成図、第２図（ａ）は送波器、受波
器の外観図、第２図（ｂ）は同じく断面図、第３図は漏
洩原理の説明図、第４図（ａ）〜第４図（ｄ）は液面レ
ベルと反射波の個数の関係をしめず作用説明図、第５図
（ａ）〜第５図（ｄ）はそれぞれ第４［２１（ａ）〜第
４図（ｄ）に対応した反射波信号の作用説明図である。 １０　超音波液面計 １１　送波器 １２　受波器 １３　ケーシング １４　圧；素子 １６　パルスジェネレータ １７　増幅器 １８　信号処理　表示装置 ■　　液体容器 ａｏ　直達波 ａｌ　１回反射波信号 ａ２２回反射波信号 ａ）　　３回反射波信号 第１図 第２図（ａ）　　　　第２図（ｂ） 図面の浄書 第３図　（ａ） 第３図　（１）） （ｏ。、　Ｃｏ、　Ｑ）　（ρ＋、口、　Ｑ＋）　（Ｃ
２，Ｃ２，Ｃ２）２ｆｆ＋５ｊｌ 第４図（ｂ’） 第４図（ｄ） ３面反射 手続補正音（方式） 平成３年４月１９日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器内の媒体検出面の測定域を挟んで超音波界面
   レベル計の送波器と受波器とを配 設し、 前記送波器からの超音波信号を所定周期 のバースト波とするとともに、 媒体に接する内壁面から媒体中へ超音波 が漏洩するように超音波を殼壁内へ入射さ せ、 殼壁と媒体中を通って容器内を往復する 反射波の反射回数を、媒体の界面レベルに 対応した時間遅れ信号の数として受波器に 入射させるようにしたことを特徴とする超 音波界面レベル計。
2. （２）容器内の媒体検出面の測定域を挟んで超音波液面
   計の送波器と受波器とを配設し、 前記送波器からの超音波信号を所定周期の バースト波とするとともに、 媒体に接する内壁面から媒体中への超音波 の漏洩が極大値をとる下記条件式、 ２ｄ・ｃｏｓθ＿１＝ｍλ＿１ （ｍ＝０、１、２・・・） 但し、ｄは殼壁の板厚、θ＿１は殼壁内 に入射された超音波の傾斜角、λ＿１は 殼壁内の超音波の波長 を満足するようなθ＿１および／又はλ＿１によって超
   音波を入射させ、 殼壁と媒体中を通って容器内を往復する反 射波の反射回数を、媒体の界面レベルに対応した時間遅
   れ信号の数として受波器に入射させるようにしたことを
   特徴とする請求項１記載の超音波界面レベル計。