JPH04216417A - 気柱共鳴型液位計及び液位測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水準測量を行う連通管
の液位管内の液位を測定する液位計と、該液位計を使用
する液位測定方法とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水等の液体の管内液位の自動計測技術に
おいて音波共鳴を利用した方法として、下記のものがあ
る。 （１）　気柱の共鳴現象を利用した液位計（特開昭５０
−２７５６３号） （２）　音響工学的測定装置（特開昭５４−１４６６７
６号） （３）　気柱共鳴を利用した液位計（特願平１−２９３
８３６号）がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の（１）　の液位
計は発音部（ａ）への入力信号と受音部（ｂ）　よりの
出力信号の位相差を検出し、フィード・バック制御によ
って共鳴周波数を求めるものであるため、制御計（ｃ）
　が必要となり、制御系の構成が複雑で高価になり、多
点計測（例えば、橋梁等の縦断測量の自動化等で必要）
には不向きであった。

【０００４】更に、（２）　の測定装置は開口部を有す
る充填の場合など、予め内容量の範囲が知られているも
のの液位を気柱共鳴にて検出するものであるため、音圧
のピークが何次の共鳴に相当するかが、予め判っている
ことが必要であり、更に開口した物が対象であるので、
集音装置が周囲の雑音に影響される等の問題があり、液
位が広範囲で変化する場合や共鳴周波数付近に音圧ピー
クを持つ雑音により計測精度が落ちる可能性が大きいも
のであった。

【０００５】また、（３）　の液位計は発振音周波数を
掃引することによって受信部マイクの出力から共鳴周波
数及び共鳴振動次数を測定する方法であり、（１），（
２）　のタイプの問題点は解決されるが、特定の掃引時
間を必要とし、掃引開始時刻及び終了時刻とＡＤ変換開
始時刻及び終了時刻のタイミングをとる必要があった。

【０００６】本発明は、連通管の液位管内の液位を測定
する計測精度の高い液位計と、該液位計による液位計測
方法を得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る気柱共鳴型
液位計では、下端部を導管によって連通して内部に液体
を導入した複数の液位管による液位計において、前記液
位管内に上端部に配置されたランダム雑音を発振する音
波発振器と、同じく液位管の上端部に配置された前記液
位管内の気柱部での音波を検出する音波検出器と、該音
波検出器で得られた音波をスペクトル解析して共鳴周波
数を検出するスペクトル解析器とを備えたものである。

【０００８】また、本発明に係る気柱共鳴型液位計の液
位測定方法では、前記気柱共鳴型液位計を用いた液位測
定方法において、前記音波発振器からランダム雑音を管
内に発し、該雑音を検出し、スペクトル解析して、ｎ次
とｍ次の共鳴周波数を得て、音速ｃと前記ｎ次とｍ次の
共鳴周波数の共鳴次数と周波数の差により、次の数１に
示された式に従って気柱長Ｌを求めることにより、前記
液位管の液位を求めるものである。

【０００９】

【数２】

【００１０】

【作用】本発明では、液位管内に上端部に配置されたラ
ンダム雑音を発振する音波発振器と、同じく液位管の上
端部に配置された前記液位管内の気柱部での音波を検出
する音波検出器と、該音波検出器で得られた音波をスペ
クトル解析して共鳴周波数を検出するスペクトル解析器
とを備えたものであり、周囲の雑音の影響が少なく、精
度の高い計測値が得られる。

【００１１】更に、音波検出器で得られた音波をスペク
トル解析して共鳴周波数を検出するスペクトル解析器を
備え、これによって広範囲の周波数成分を持つランダム
な音波が発信している間の任意の時刻に、一度に検出し
て共鳴周波数を得るため、周波数域で音波を掃引させる
場合と違ってタイミングを取る手間が省けるため、液位
を測定するための操作が簡単で操作時間も短縮される。

【００１２】本発明に関する音波発振器は、具体的に雑
音発生装置、パワーアンプ、スピーカから成り、ランダ
ム雑音をスピーカにより発生させる。音波検出器はマイ
ク、アンプから成り、気柱内部に発生した音の大きさを
検出する。共鳴音波を検出するスペクトル解析器はＡＤ
変換器、ＦＦＴ解析器より成り、マイクの検出音をスペ
クトル解析する。

【００１３】更に、本発明の方法では、音波発振器から
ランダム雑音を管内に発し、その音を検出しスペクトル
解析してｎ次とｍ次の共鳴周波数を得て、音速ｃと前記
ｎ次とｍ次の共鳴周波数の共鳴次数と周波数の差により
、次の数３に従って気柱長Ｌを求めることにより、前記
液位管の液位を求めるものであるため、容易にしかも高
精度で、気柱長即ち液位を求めることができ、液位を測
定するための操作時間も短縮される。

【００１４】

【数３】

【００１５】更に付言するならば、円管内の共鳴現象は
、音速をｃ、気柱の長さをＬとすれば、広範囲に渡る周
波数成分をもったランダム雑音を気柱内に発生させると
気柱の共鳴現象により、気柱の長さによって決まる固有
の周波数のみが増幅される。従ってマイクより得られる
出力信号をスペクトル解析すれば増幅される固有の周波
数及びその共鳴次数がわかる。

【００１６】即ち、ｎ次の共鳴周波数ｆｎ及びｍ次の共
鳴周波数ｆｍは、次の数４及び数５に示される式で表さ
れる。

【００１７】

【数４】

【００１８】

【数５】

【００１９】なお、音速ｃは温度、圧力、湿度の関数と
して求められる。従って、音波発振部よりランダム雑音
を発生させ、音波検出部で検出しスペクトル解析（周波
数分析）して、ｎ次及びｍ次の共鳴周波数を得れば数４
の式及び数５の式より気柱長Ｌを求めることができる。

【００２０】即ち、数４の式と数５の式の差を求め、気
柱長Ｌについて式を求めると、次の数６で示された式と
なる。

【００２１】

【数６】

【００２２】即ち、気柱長Ｌは、音速ｃと、ｎ次の周波
数ｆｎとｍ次の周波数ｆｍとの差が解れば求めることが
できる。

【００２３】以上のように、本発明による気柱共鳴型液
位計及び液位測定方法は、安価なマイク、スピーカー等
を用い、音波発振器（スピーカ）よりランダム雑音を常
時発生させておき、任意の時刻に音波検出器（マイク）
より受信し、その信号をスペクトル解析器によりスペク
トル解析することにより複数個の共鳴周波数及びその共
鳴次数を求め、これにより気柱長を決定できるものであ
る。

【００２４】

【実施例】図１は本発明による液位計の一実施例の構成
を示す説明図であり、図２は図１の液位計を使用した橋
梁架設時の水準測量を行なう際の説明図である。図１に
おいて、下端部を導管２によって連通して内部に水５を
導入した液位管１があり、その上端部には、マイク・ス
ピーカ・増幅器・温度センサ（各々、図示せず）を一体
に備えた計測計器３がゴム製等のＯ−リング（図示せず
）を介してほぼ密閉状に配置されている。

【００２５】このように、液位管の上端部に、計測計器
３が配置されているため、管端補正の必要がなく、しか
も使用される周波数域が可聴域であるため空気中の減衰
もない。

【００２６】また、液位管１上端部付近には、直径１ｍ
ｍ程度の通気孔４が穿孔されており、液位上昇及び降下
に伴う気柱内の圧力変動を防ぐようになっている。液位
管１の気柱部分は、通気穴４を除いて密閉状態となって
いるため、外部に影響されず、精度の高い液位測定が行
なうことができる。また、直径１ｍｍ程度であるため、
風等による微小な圧力変化の影響も少なくなる。

【００２７】また、液位管１の側壁には計測計器３の増
幅器の電源が配置されている。複数の液位管の各々の上
端に配置されている計測計器３の各々の音波発振器の周
波数、温度センサーの温度及び音波検出器の検出出力等
の信号は、別途に用意された集中演算器６に入力される
。

【００２８】図２において、幾つかの測定個所に液位管
１が立設され、各液位管１の下端部を互いに導管２によ
って連通して連通管を構成している。図に示す通り、連
通管を構成しているため、各液位管１の液位は一定とな
る。

【００２９】図３は計測計器３の音波発振器によって、
ランダム雑音を発振した場合の音波検出器よりのをスペ
クトル解析した例を示した説明図である。図において、
縦軸は音波強度、横軸は周波数である。図に示す通り、
スペクトル解析（周波数分析）すると、一定の周波数ｆ
０おきに共鳴周波数のピークが表われる。隣接するピー
クの差（ｆ０）をとり、下記の数７で示された式により
、液位管１の気柱長Ｌを求める。

【００３０】

【数７】

【００３１】また、隣接するピークでなく、幾つかの次
数を経た周波数の差でも求めることができる。即ち、ｎ
次の周波数ｆｎとｍ次の周波数ｆｍとの差と、次数ｎ次
とｍ次との差により、次の数８で示された式により求め
ることもできる。

【００３２】

【数８】

【００３３】尚、液位管１の気柱長Ｌを求めるために使
われる音速ｃは、温度の影響を受けるため、液位管１の
上端に配置した計測計器３に内蔵した温度センサーの出
力を用いて計算する。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明による気柱共鳴型
液位計及び液位測定方法は、音波発振器（スピーカ）よ
りランダム雑音を、音波検出器（マイク）より受信し、
その信号をスペクトル解析器によりスペクトル解析する
ことにより複数個の共鳴周波数及びその共鳴次数を求め
、これにより気柱長を決定できるものであるため、容易
にしかも高精度で、気柱長即ち液位を求めることができ
、装置が安価で高速計測可能とすることができ、液位を
測定するための操作時間も短縮され、測定対象が刻々と
変化するものに対しても測定可能である。また、従来の
方法に比べて精度が高く、キャリブレーション不要、長
期安定性に優れるなどの特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液位計の一実施例の構成を示す説
明図である。

【図２】図１の液位計を使用した橋梁架設時の水準測量
行なう際の説明図である。

【図３】計測計器３の音波発振器によって、ランダム雑
音を発振した場合の音波検出器よりの出力をスペクトル
解析した例を示した説明図である。

【符号の説明】

１　　液位管 ２　　導管 ３　　計測計器 ４　　通気穴 ５　　水 ６　　集中演算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　下端部を導管によって連通して内部に
   液体を導入した複数の液位管による液位計において、前
   記液位管内に上端部に配置されたランダム雑音を発振す
   る音波発振器と、同じく液位管の上端部に配置された前
   記液位管内の気柱部での音波を検出する音波検出器と、
   該音波検出器で得られた音波をスペクトル解析して共鳴
   周波数を検出するスペクトル解析器とを備えたことを特
   徴とする気柱共鳴型液位計。
2. 【請求項２】　　前記請求項１に記載の気柱共鳴型液位
   計を用いた液位測定方法において、前記音波発振器から
   ランダム雑音を管内に発し、該雑音を検出し、スペクト
   ル解析して、ｎ次とｍ次の共鳴周波数を得て、音速ｃと
   前記ｎ次とｍ次の共鳴周波数の共鳴次数と周波数の差に
   より、次の数１に示された式に従って気柱長Ｌを求める
   ことにより、前記液位管の液位を求める気柱共鳴型液位
   計の液位測定方法。 【数１】