JPH0449075B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、超音波パルスを測定面に放射し、そ
の反射波を受波しその超音波パルスの往復時間か
ら測定面までの距離を測定する超音波レベル計に
係り、特に２線を介して外部電源より電流の供給
を受け距離に対応した例えば４〜20mAの統一電
流にこの電流を交換して伝送する２線式の超音波
レベル計に関する。

＜従来の技術＞ 第６図に示す超音波レベル計は昭和61年１月16
日に本出願人より特願昭61−6983として出願され
たもののブロツク図である。従来技術として以下
これについて説明する。

外部電源１０は受信抵抗１１、伝送線L₁，L₂
を介して電流制御回路１２に接続されている。伝
送線L₁，L₂には電流制御回路１２により制御さ
れる負荷電流I_Lが流れており、その一部の電流Iz
は定電圧回路１３に供給され回路電源に用いられ
る定電圧Vzを発生させる。更に負荷電流I_Lの他
の一部I_rは電流制限回路１４に供給されコンデン
サ１５を充電する。

コンデンサ１５の両端の電圧Vcは送信回路１
６に供給され、タイミング回路１７からの送信信
号S_tにより送信回路１６が制御されて昇圧された
駆動パルスP_D1が送受波器１８に印加される。送
受波器１８が励振されて測定面１９に放射された
超音波パルスは測定面１９で反射されて送受波器
１８に戻り微弱な受信信号R_S1を発生する。

この受信信号R_S1は抵抗２０、ダイオード２１，
２２で構成された受信回路２３で受信され、定電
圧Vzで付勢された増幅回路２４で増幅される。
受信回路２３では送信回路１６から駆動パルス
P_D1を送出するときにダイオード２１，２２でそ
の電圧を制限し増幅回路２４を保護する機能もあ
わせもつ。

距離測定回路２５は増幅回路２４で増幅した受
信信号R_S1とタイミング回路１７からの送信信号
S_tとを受けこれらの時間差から送受波器１８と測
定面１９との距離に対応した電圧を出力し、この
電圧が電流制御回路１２に供給される。

電流制御回路１２はこの電圧に対応した負荷電
流I_Lになるように電流制御する。

送信回路１６は、スイツチ素子２６，２７、駆
動回路２８およびトランス２９より構成されてい
る。

次に、第６図に示す超音波レベル計の動作を第
７図に示す波形図を用いて説明する。タイミング
回路１７からの送信信号S_t（第２図イ）が駆動回
路２８に供給されるとスイツチ素子２６，２７が
交互に駆動されトランス２９により昇圧されたバ
ースト波の駆動パルスP_D1（第２図ロ）が間欠的に
送受波器１８にに印加される。駆動パルスP_D1の
エネルギー源は電流制限回路１４により負荷電流
I_Lを０％（例えば4mA）以下に制限してコンデン
サ１５に蓄積された電荷を利用する。コンデンサ
１５の両端の電圧Vcは第２図ハに示すように駆
動パルスP_D1を送信後はコンデンサ１５に蓄積さ
れた電荷を使い果たして低下し、送信終了後に充
電を開始して上昇する変化を示す。この場合の充
電電流Irは第２図ニに示すように電流制限回路１
４の働きによりその最大値がI_Aに制限され、他の
電流I_Zとの和の電流（I_A＋Iz）が０％以下に抑え
られる。もし、電流制限回路１４を設けないと駆
動パルスP_D1の送出時と送出後のコンデンサ１５
の充電電流が増加し、電流Icに影響を与えるた
め、負荷電流I_Lにリツプルが乗る。

この場合の駆動周期Ｔ（第２図ニ）はコンデン
サ１５を充電するのに充分な周期を持つように設
定する。例えば、コンデンサ１５の静電容量をＣ
＝220μF，Ir＝2mA，Vc＝20（Ｖ）とすると駆動
周期Ｔは、Ｔ＝CVc／Ir＝2.2（秒）となり、2.2秒
ごとに送受波器１８を駆動することが出来る。こ
のときのコンデンサ１５に貯えられるエネルギー
は（１／２）CVc²＝58mWであるが、駆動時間
τ（第１図イ）を例えば0.5（ms）とすれば、
58mW／0.5ms≒100mW相当の駆動パワーを送受
波器１８に供給できる。

定電圧回路１３はコンデンサ１５の充放電によ
る影響を受けないのでその定電圧Vzは安定であ
る。したがつて、受信された受信信号R_S1は増幅
回路２４で安定に増幅され、更に、距離測定回路
２５で駆動パルスの送信から受信までの時間差が
演算され対応する電圧が電流制御回路１２に入力
される。電流制御回路１２ではこの電圧に対応す
る４〜20mAの負荷電流I_Lに変換して伝送線L₁，
L₂を介して受信抵抗１１に伝送し、受信抵抗１
１に距離に対応した受信電圧を発生させる。負荷
電流I_Lは（Ic＋Iz＋Ir）になるように設定される。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながらこの様な超音波レベル計では、
送信超音波のエネルギーを大きくするために超音
波の送信間隔を大きくとる必要がある。このため
測定回数が減り出力揺動が増える。超音波信号
を受診した後、次の送信までの間、回路は実質的
に動作していないので、この期間に消費される電
力は無駄となる。コンデンサに充電する充電電
流は回路電流側からの制約により小さく押さえら
れているので、大きな送信パワーを得るためには
超音波の送信間隔を大きくせざるを得ない。など
の問題がある。

＜問題点を解決するための手段＞ この発明は、以上の問題点を解決するため、超
音波パルスを送信しあるいは受信する送受波器と
一定時間ごとに送信信号を出し送出のタイミング
を制御するタイミング手段と送信信号が入力され
送受波器をバースト励振する送信回路とバースト
励振により測定面に超音波パルスが放射されて反
射した超音波パルスを増幅する増幅回路と前記送
信から受信までの時間を検出して距離を演算して
演算出力を出す距離測定手段とを有する超音波レ
ベル計に係り、２線を介して外部電源から供給さ
れた電流の一部を制限する電流制限回路と、この
電流制限回路を介して供給される充電電流により
バースト励振のエネルギーを蓄積するエネルギー
蓄積手段と、２線を介して供給される電流から回
路電源用の定電圧を得る定電圧回路と、距離測定
手段で演算された演算出力をホールドする定電圧
によつて付勢されたホールド手段と、このホール
ド手段の出力に対応した負荷電流に変換して外部
電源側に伝送する電流制御手段と、タイミング手
段から制御信号をうけて送出タイミング発生後の
先の一定時間内であつて先の距離に対応する時間
の経過後に少なくともタイミング手段と出力ホー
ルド手段と電流制御手段の各電源を除いて定電圧
回路からの電源を止める電源制御回路とを具備す
るようにしたものである。

＜作用＞ この様な本発明の構成により、超音波パルスを
送出しないときにはコンデンサなどのエネルギ蓄
積手段に電流制限回路を介して外部電源からの電
流による電荷を蓄積し、超音波パルスを送出する
ときにはこのエネルギ蓄積手段に蓄積したパワー
を使用することにより消費電流を平均化すると共
に送信タイミング手段による送信タイミング発生
送信信号の繰り返し時間内であつて測定距離に対
応する時間の経過後に電源制御回路により回路の
一部の電源への電力の供給を停止する。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例について図面に基づいて
説明する。第１図は本発明の一実施例を示すブロ
ツク図である。なお、第６図に示す従来の超音波
レベル計と同一の機能を持つ部分については同一
の符号を付して適宜その説明を省略する。

１７はタイミング回路であり、ここから送信の
タイミングを決める送信信号S_tを送信回路１路に
送出し駆動パルスP_D1を送波器１８ａに送出する。
送波器１８ａはこの駆動パルスP_D1により超音波
パルスを測定面１９に放射する。ここで反射した
超音波パルスは受波器１８ｂで受信信号R_S1とし
て受信され受信回路２３に入力される。距離測定
回路２５はタイミング回路１７と受信回路２３か
らの時間差T_Lを検出しこれを送波器１８ａ（受波
器１８ｂ）と測定面１９との距離に対応した電圧
信号に変換する。この電圧信号は出力回路３０を
介して出力される。一方、タイミング回路１７は
電源制御回路３１に制御信号Scを送りこれによ
つて受信回路２３と距離測定回路２５の電源を制
御する。

次に、以上の動作を第２図に示す波形図を用い
て説明する。タイミング回路１７からは駆動周期
Ｔごとに送信信号S_t（第２図イ）を発信すると共
に電源制御回路３１に制御信号Sc（第２図ロ）を
送出する。制御信号Scのパルス幅は、例えば超
音波パルスの最大伝播時間（最大距離）T_Mより
長い設定時間T_M′に設定され、設定時間T_M′の間
だけ受信回路２３と距離測定回路２５に電圧が供
給される。受信回路２３と距離測定回路２５には
（Ｔ−T_M′）の時間は電圧の供給が行われない。
ここで、例えばＴ＝１秒、T_M′＝50ms（測定距
離、約8.8ｍに相当）、受信回路２３と距離測定回
路２５の消費との２つの平均消費電流は2.0mA×
50ms／1sec＝0.1mAになる。したがつて残りの
1.9mAを送信回路１５側に供給可能になる。４〜
20mAの２線式の超音波レベル計の場合は回路の
全消費電流を4mA以下に抑える必要があるが、
受信回路２３と距離演算回路２５とに対して電源
制御をする場合には1.9mAと2.0mA（＝４−
2mA）の余裕が生じるので、2mAの消費電流に
対しては（２＋1.9）／２＝1.95倍に送信パワー
を増加させることができる。

第３図は本発明を具体的に示すブロツク図であ
る。

距離測定回路２５での距離の演算結果はホール
ド回路３２に入力されここで距離に対応した電圧
が保持される。保持された電圧は電流制御回路１
２の入力端に印加され受信抵抗１１に対応する電
流を流し続ける。

一方、定電圧回路１３で発生された定電圧Vz
はタイミング回路１７、ホールド回路３２、電流
制御回路１２および電源制御回路３１に直接供給
されている。電源制御回路３１はタイミング回路
１７から制御信号Scの供給をうけ、例えばイン
バータ３３などのバツフアと抵抗３４を介してト
ランジスタ３５のベースに印加されている。しか
し＜インバータ３３などのバツフアを介さずに直
接制御信号Scでトランジスタ３５を駆動しても
よい。トランジスタ３５のエミツタには定電圧
Vzが印加され、そのコレクタは受信回路２３と
距離測定回路２５の電源に接続されている。

この様な構成により、制御信号Scによりトラ
ンジスタの導通を制御して受信回路２４と距離測
定回路２５の電源を制御することができる。

第４図は第３図における距離測定回路２５の代
わりにマイクロコンピユータで実現した実施例を
示すブロツク図である。

３６はマイクロプロセツサ、３７はリードオン
リメモリ、３８はランダムアクセスメモリ、３９
はバス、４０は入出力ポートであり、これらはマ
イクロコンピユータ４１を構成する。なお、４２
はカウンタである。定電圧Vzはマイクロコンピ
ユータ４１、電流制御回路１２、電源制御回路３
１、および端子T₀を介してタイミング回路１７
に供給されている。

ここで、第５図に示すフローを用いて第４図に
示す実施例の動作を説明する。

スタート（ステツプ）のあと、マイクロプロ
セツサ３６には一定周期ごとにタイミング回路１
７から送信信号S_t（ステツプ）が供給される。
マイクロコンピユータ４１自体は送信信号S_tが供
給されるまではスタンバイモードにあり内部回路
の動作を休止しておりそのときの消費電流は数
μA程度である。送信信号S_tが供給されるとマイ
クロコンピユータ４１が動作を開始して電源制御
回路３１に制御信号Scを供給する（ステツプ
）。同時に対応する送信信号S_t′を送信回路１６
に供給してカウンタ４２からのクロツクCLの計
数を開始すると共に超音波パルスを送受波器１８
より測定面１９に送出する（ステツプ）。反射
した超音波パルスは受信回路２３で受信され（ス
テツプ）カウンタ４２のカウントを停止させ
る。マイクロコンピユータ４１はこのカウンタの
計数値を入出力ポート４０を介して取り込み距
離、温度補正、ノンリニア補正および流量演算な
どの計算をする（ステツプ）。この後、この距
離などの演算の結果は電流制御回路１２に出力さ
れる。これらの演算を終了の後、マイクロコンピ
ユータ４１は制御信号Scを電源制御回路３１に
送出する（ステツプ）と共にマイクロコンピユ
ータ４１をスタンバイモードとして（ステツプ
）その消費電力を節約する。以下、ステツプ
に戻りこれを繰り返す。

なお、第３図では、距離測定回路２５と受信回
路２３の両方への電源を制御したが、これらのう
ちの一方だけを制御してもよい。

また、制御信号Scの送出開始時刻を送信信号S_t
の送出後T_dだけ遅らせてもよい。この場合T_dは
最小の測定距離の伝播時間より短く設定する。

更に、制御信号Scの終了時期は演算回路を制
御して、受信信号の処理終了後に行うようにして
もよい。

＜発明の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本
発明によれば、回路の消費電流を極端に小さくす
ることがことができ、更に回路側で消費電流を減
らしたぶんを送信パワーに振り向けることができ
る。また、超音波の送信周期を短くすることが出
来るので、出力の揺動も小さく出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は第１図の実施例の各部の波形を示す波形
図、第３図は本発明を具体的に示すブロツク図、
第４図は第３図における距離測定回路の代りにマ
イクロコンピユータで実現した実施例を示すブロ
ツク図、、第５図は第４図の実施例の動作のフロ
ーを示すフロー図、第６図は従来の超音波レベル
計の構成を示すブロツク図、第７図は第６図に示
す超音波レベル計の各部の波形を示す波形図であ
る。 １０……外部電源、１１……受信抵抗、１２…
…電流制御回路、１３……定電圧回路、１４……
電流制限回路、１５……コンデンサ、１６……送
信回路、１７……タイミング回路、１８……送受
波器、２３……受信回路、２５……距離測定回
路、３１……電源制御回路、３２……ホールド回
路、３６……マイクロプロセツサ、３７……リー
ドオンリメモリ、３８……ランダムアクセスメモ
リ、４０……入出力ポート、４１……マイクロコ
ンピユータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波パルスを送信しあるいは受信する送受
   波器と一定時間ごとに送信信号を出し前記送信の
   タイミングを制御するタイミング手段と前記送信
   信号が入力され前記送受波器をバースト励振する
   送信回路と前記バースト励振により測定面に前記
   超音波パルスが放射されて反射した超音波パルス
   を増幅する増幅回路と前記送信から受信までの時
   間を検出して距離を演算して演算出力を出す距離
   測定手段とを有する超音波レベル計において、２
   線を介して外部電源から供給された電流の一部を
   制限する電流制限回路と、この電流制限回路を介
   して供給される充電電流により前記バースト励振
   のエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段と、
   前記２線を介して供給される電流から回路電源用
   の定電圧を得る定電圧回路と、前記距離測定手段
   で演算された前記演算出力をホールドする前記定
   電圧によつて付勢されたホールド手段と、このホ
   ールド手段の出力に対応した負荷電流に変換して
   前記外部電源側に伝送する電流制御手段と、前記
   タイミング手段から制御信号をうけて前記送信タ
   イミング発生後の前記一定時間内であつて前記距
   離に対応する時間の経過後に少なくとも前記タイ
   ミング手段と前記出力ホールド手段と前記電流制
   御手段の各電源を除いて前記定電圧回路からの電
   源を止める電源制御回路とを具備することを特徴
   とする超音波レベル計。