JPH055647A - 超音波測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ノイズの振幅変動の影響を受け難いように改
良した超音波測定装置を提供するにある。 【構成】 受信信号を検出閾値と比較する比較器８と、
この検出閾値を供給すると共にこの検出閾値を変化させ
る閾値可変回路１０と、この閾値を徐々に低下させたと
きに先の比較器から最初に出力されるパルスを測定対象
からの反射波とみなして判別しこの判別結果に応じて指
示される最適閾値を検出閾値としこの検出閾値に対応す
る検出信号を出力する信号検出手段１２と、この検出信
号を保持し演算回路から出力されるリセット信号により
この検出信号をリセットするフリップフロップ１６と、
充分に小さい固定検出閾値Ｖ_THと受信信号とを比較する
比較器１７と、フリップフロップと比較器の出力が入力
され論理和を演算して演算回路に出力する論理和回路１
８とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を液面などの測
定対象に向けて送出し、ここで反射される反射波を検出
して、測定対象までの距離・レベルを測定する超音波レ
ベル計などの超音波測定装置に係り、特にノイズの振幅
変動の影響を受け難いように改良した超音波測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波レベル計では、送受波器で
受信した信号はＡＧＣ回路（自動利得制御回路）を通し
て振幅が一定にされ、図５に示すように比較器１３で所
定のスパンの中で最初に検出閾（しきい）値を越えた信
号を測定対象である液面からの反射波とみなして演算回
路１による信号処理に移行するようになっている。そし
て、この検出閾値は超音波レベル計の設置位置や設置環
境などを考慮して、例えば０．１Ｖなどに予め固定的に
設定されてある。

【０００３】しかしながら、この様な超音波測定装置は
検出閾値が固定されているので、液面反射波の前で障害
物からの反射波が閾値を越えると障害物を液面とみなす
誤動作が発生する。これを避けるためには、設置状況に
応じて閾値を変更しなければならないが、閾値が大き過
ぎると遅れ誤差が大きくなる。

【０００４】すなわち、図６（ａ）に示すように、通
常、測定対象である液面からの反射波の他に、周囲の壁
や梯子などの障害物からのノイズ反射波が存在する。こ
のノイズ反射波は正規の液面反射波より早く受信され、
また、超音波の指向性によって液面反射波よりその振幅
が小さい。

【０００５】ところが、このノイズ反射波の振幅は種々
の要因により変動するので、このノイズ反射波を検出し
ないように検出閾値を高くすると、図６（ｂ）に示すよ
うに液面反射波の検出にΔｔの遅れが生じる。このよう
に、従来の超音波レベル計では、不用信号を避けながら
誤差が最小となる適当な閾値を設定するのが困難であ
る。

【０００６】そこで、本出願人は以上の問題点を解決す
べく特願平１−２５６２５０号（超音波測定装置）を提
案している。以下、この内容について図を用いて概要を
説明する。図７はこの出願に係る超音波測定装置の構成
を示すブロック図である。演算回路（マイクロコンピュ
−タ）１は一定周期で超音波発振回路２にトリガパルス
を印加する。超音波発振回路２は印加されたトリガパル
スに基づき切換回路３を介して超音波送受波器４にバ−
スト波を与え、送受波器４を駆動する。送受波器４から
放射された超音波パルスは測定対象５で反射し、戻って
きて送受波器４で電気信号として受信される。

【０００７】この電気信号は切換回路３を通り、増幅器
６によって検出可能なレベルまで増幅され、受信信号Ａ
が出力される。このときの各部の波形を図８（ａ）〜
（ｃ）に示す。受信信号Ａは、包絡線回路７で包絡線信
号Ｂに変換される。この包絡線信号Ｂは比較器８で閾値
可変回路１０から出力された閾値レベルと比較される。
そして、これ等の包絡線回路７、比較器８、信号判別回
路９、閾値可変回路１０などで閾値自動設定回路１４が
構成されている。

【０００８】信号判別回路９は比較器８の比較出力Ｃか
ら信号を判別し、それに応じて閾値可変回路１０、１１
に閾値レベルを指示する。この場合、比較出力Ｃは３つ
の場合が考えられ、１つは受信信号が閾値を越えない場
合（図８（ｃ）のＣ１）、２つめは最も大きな受信信号
のみ閾値を越える場合（図８（ｃ）のＣ２）、３つめは
複数の受信信号が閾値を越える場合（図８（ｃ）のＣ
３）である。

【０００９】これ等のＣ１、Ｃ２、Ｃ３は図８（ｂ）に
示すそれぞれ閾値がｘ＝１、４、５のときの比較器８の
出力である。信号判別回路９は、Ｃ２のように、最初に
閾値を越えた信号を液面からの反射波と判別する。それ
以後、閾値を徐々に下げていきＣ３のように液面反射波
の前に信号が現れるものは、これを障害物などからの反
射波、ノイズと判別する。

【００１０】次に、この信号判別回路９の動作について
図９に示すフロ−チヤ−トを用いて説明する。まず、超
音波発振回路２が駆動され、受信信号Ａが包絡線回路
７、比較器８を通り、信号判別回路９が信号判別を行
い、閾値可変回路１０、１１に閾値レベルｘ、ｙを指示
し、次の受信信号Ａを待ち、次の超音波駆動時の受信信
号Ａと比較することとなるが、このときの信号処理は次
のようである。

【００１１】信号判別回路９は、まず閾値レベルｘ、ｙ
を共に“１”とする（ステップ２０）。信号判別回路９
はこの状態で受信信号Ｃが図８（ｃ）に示すＣ１、Ｃ
２、Ｃ３のいずれのタイプかを判別する（ステップ２
１）。“Ｃ１”または“Ｃ２”のときは、ｙに“１”を
加算し（ステップ２２）、ｘの値を（ｙ−１）とする
（ステップ２３）。また、“Ｃ３”のときは、ｙの値か
ら“１”を減算し（ステップ２４）、ｘの値をｙとする
（ステップ２５）。

【００１２】例えば、受信信号Ａが安定状態で包絡線信
号Ｂの波形が不変であり、閾値が図８（ｂ）の如く５段
階であったとすれば、信号判別回路９は閾値可変回路１
０に、ｙ＝４、５のレベルを交互に指示し、閾値可変回
路１１にはｘ＝４の最適閾値レベルを出し続ける。途中
で障害物などの反射波が変動し、大きくあるいは小さく
なっても、閾値は追従し、最適閾値を見つけだす。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の超音波測定装置は図８（ｂ）に示すように
閾値レベルを変化させて障害物反射波を検出しないよう
に最適レベル（ｘ、ｙ＝４）を選択するので、ノイズの
振幅の大小によって閾値レベルも変動することとなり、
これにより検出時間が変動を受け、誤差要因となる問題
がある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するため、超音波を測定対象に向けて送出しここで
反射された反射波を送受波器で受けて受信信号に変換
し、演算回路により先の送出から先の受信信号を受ける
までの時間を利用して先の測定対象までの距離を演算し
て出力する超音波測定装置に係り、先の受信信号を検出
閾値と比較する比較器と、先の検出閾値を供給すると共
にこの検出閾値を変化させることができる閾値可変回路
と、この閾値を徐々に低下させたときに先の比較器から
最初に出力されるパルスを先の測定対象からの反射波と
みなして判別しこの判別結果に応じて指示される最適閾
値を検出閾値としこの検出閾値に対応する検出信号を出
力する信号検出手段と、先の検出信号を保持し先の演算
回路から出力されるリセット信号によりこの検出信号を
リセットするフリップフロップと、充分に小さい固定検
出閾値と先の受信信号とを比較する比較器と、先のフリ
ップフロップと先の比較器の出力が入力され論理和を演
算して先の演算回路に出力する論理和回路とを具備する
ようにしたものである。

【００１５】

【作 用】第１の比較器は送受波器を介して受信した受
信信号を検出閾値と比較するが、閾値可変回路はこの検
出閾値を先の比較器に供給すると共にこの検出閾値を変
化させる。信号検出手段はこの閾値を徐々に低下させた
ときに先の比較器から最初に出力されるパルスを先の測
定対象からの反射波とみなして判別し、この判別結果に
応じて指示される最適閾値を検出閾値とし、この検出閾
値に対応する検出信号を出力する。

【００１６】フリップフロップは、この検出信号を保持
し、超音波の送出ごとに演算回路から出力されるリセッ
ト信号によりこの検出信号をリセットする。そして、第
２の比較器は充分に小さい値に設定された固定検出閾値
に対して受信信号を比較し、論理和回路はこの比較器の
出力とフリップフロップとの出力との論理和を演算して
先の演算回路に出力する。これにより、演算回路は低い
検出レベルである固定検出閾値により正規の受信波を検
出することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示すブロック
図である。なお、図５〜図９に示す従来の超音波測定装
置と同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適
宜にその説明を省略する。

【００１８】閾値可変回路１１からの検出閾値が入力の
一端に印加される比較器１２の入力の他端には包絡線回
路７の出力である包絡線信号Ｂが印加され、その出力端
からは検出閾値に対応する検出信号Ｄを出力する。フリ
ップフロップ１６はこの検出信号Ｄによりレベルを反転
し、その出力端に信号Ｅを出力するが、演算回路１から
出力されるリセット信号Ｓによりこの信号Ｅはリセット
される。

【００１９】また、比較器１７には、その入力の一端に
充分に小さい固定検出閾値Ｖ_THが印加され、入力の他端
には包絡線回路７から出力される包絡線信号Ｂが印加さ
れ、これ等が比較されてその出力端に信号Ｆが出力され
る。これ等の信号Ｅと信号Ｆとはオア回路（論理和回
路）１８で論理和がとられて信号Ｇとして演算回路１に
出力される。以上の比較器１２、１７、フリップフロッ
プ１６、及びオア回路１８以外の回路部分は、ほぼ図７
に示す回路と同様に構成されている。

【００２０】次に、以上のように構成された超音波測定
装置の動作について図２に示す波形図を用いて説明す
る。演算回路１からのコントロ−ル信号によって超音波
発振回路２は切換回路３を介してバ−スト波を送受波器
４に印加し、これにより送受波器４を駆動する。送受波
器４から放射された超音波パルスは測定対象５の面で反
射し、送受波器４で電気信号として受信される。この信
号は切換回路３を介して増幅器６に出力されここで増幅
され受信信号Ａ（図２（ａ））として受信される。

【００２１】受信信号Ａは包絡線回路７で包絡線信号Ｂ
（図２（ｂ））に変換され、この包絡線信号Ｂは閾（し
きい）値可変回路１０から出力される閾値レベルと比較
器８によって比較される。信号判別回路９は比較器８か
ら出力される信号Ｃ（図２（ｃ））を判別しこれに応じ
て閾値可変回路１０、１１にそれぞれ閾値レベルｘ、ｙ
を出力する。

【００２２】この場合、信号Ｃとしては図２（ｃ）に示
すように、３通りの場合が考えられる。第１は信号Ｃが
閾値を越えないとき（図２（ｃ）のＣ１）、第２は最も
大きな信号のみ閾値を越えるとき（図２（ｃ）のＣ
２）、第３は複数の信号が閾値を越えるとき（図２
（ｃ）のＣ３）である。

【００２３】信号判別回路９は図９に示すフロ−と同様
にして閾値ｘ、ｙを閾値可変回路１１、１０に出力し、
結果的に閾値可変回路１１はノイズを検出しない最小閾
値（図２でいえばｘ＝３に相当）を出力し続ける。この
場合、振幅最大信号が測定対象５の面で反射した反射波
でその他の小信号はノイズであることを前提としてい
る。

【００２４】以上により、閾値可変回路１１から出力さ
れる最適閾値と包絡線信号Ｂとが比較器１２によって比
較され、その出力端に信号Ｄ（図２（ｄ））として出力
される。この信号Ｄは測定対象５の面で反射した反射波
であり、検出すべき時間Ｔに近似した時間Ｔ´を与え
る。

【００２５】この信号Ｄがロ−レベルからハイレベルに
反転した時点でフリップフロップ１６はロ−レベルから
ハイレベルに反転し、そのままこのハイレベルを保持し
続ける信号Ｅ（図２（ｅ））を出力するが、この信号Ｅ
は超音波測定を行う度に演算回路１から出力されるリセ
ット信号Ｓによりリセット（図２（ｅ））される。

【００２６】また、入力の一端に低い閾値Ｖ_TH（図２
（ｂ））が印加される比較器１７の入力の他端には包絡
線信号Ｂが印加されており、比較器１７はこの包絡線信
号Ｂを閾値Ｖ_THと比較してその出力端に信号Ｆ（図２
（ｆ））を出力する。論理和回路１８はこれ等の信号Ｅ
（図２（ｅ））と信号Ｆ（図２（ｆ））との論理和を演
算してその出力端に信号Ｇ（図２（ｇ））を出力する。

【００２７】演算回路１はこの信号Ｇのうち、超音波が
送出されてから最後に信号Ｇがハイレベルに立ち上がる
時点までの時間Ｔを検出する。このようにすると、低い
閾値Ｖ_TH（図２（ｂ））をベ−スとして包絡線信号Ｂを
検出することとなり、図２（ｇ）に示すように、図２
（ｄ）に示す時間Ｔ´が修正されて、ノイズの存在にも
拘らずより正確な時間Ｔ（図２（ｇ））を検出すること
ができる。

【００２８】図３は本発明の他の実施例の要部を示すブ
ロック図である。図１に示す実施例では入力信号の判別
や最適閾値の検出を行う回路と、入力信号と最適閾値を
比較して後段に接続する回路が別々であったが、この実
施例は比較器１２と８とを共用として回路構成を簡単に
したものである。このために、保持回路３３と記憶回路
３４とを信号検出手段として設ける。

【００２９】保持回路３３は、いったん比較器３２の出
力信号を全て保持し、信号判別回路３０の指示にしたが
って記憶回路３４に保持信号を送るか、あるいは送らず
に保持信号をリセットするかのいずれかの動作を行う。

【００３０】記憶回路３４は保持回路３３からの信号が
送られる度に記憶し、後段に信号デ−タを出力する。ま
た、保持回路３３からのデ−タ送付がない場合は保持し
ているデ−タを再度記憶して出力し、デ−タ転送タイミ
ングの乱れを防止する。従って、液面反射波のみ閾値を
越え、その信号だけが保持回路３３、記憶回路３４を介
してフリップフロップ３５に出力される。

【００３１】また、比較器３６には、その入力の一端に
充分に小さい固定検出閾値Ｖ_THが印加され、入力の他端
には包絡線回路７から出力される包絡線信号Ｂが印加さ
れ、これ等が比較されてその出力端に信号Ｆが出力さ
れ、フリップフロップ３５から出力される信号Ｅと信号
Ｆとはオア回路（論理和回路）３７で論理和がとられて
信号Ｇとして演算回路１に出力される。

【００３２】図４は信号判別回路３０の動作を示すフロ
−である。まず、変数ｙに“１”を設定し（ステップ４
０）、信号Ｃのタイプを判別する（ステップ４１）。信
号ＣのタイプがＣ１またはＣ２のときはｙの値に“１”
を加算し（ステップ４２）、保持回路３３に保持信号の
伝送を指示する（ステップ４３）。また、信号Ｃのタイ
プがＣ３のときは、ｙの値から“１”を減算し（ステッ
プ４４）、保持回路３３に保持信号のリセットを指示す
る（ステップ４５）。

【００３３】

【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、検出閾値を従来に比べてより低い
値に設定することができるようにしたので、信号検出点
のずれが少なく、しかもノイズ振幅変動の影響を受ける
ことなく安定に信号を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例の要部を示す要部ブロック
図である。

【図４】図３に示す実施例の動作を説明するフロ−チャ
−ト図である。

【図５】従来の閾値比較方式を説明する説明図である。

【図６】従来の技術の問題点を説明する波形図である。

【図７】従来の超音波測定装置の構成を示すブロック図
である。

【図８】図７に示す超音波測定装置の動作を説明する波
形図である。

【図９】図７に示す超音波測定装置の動作を説明するフ
ロ−チャ−ト図である。

【符号の説明】 １ 演算回路 ２ 超音波発振回路 ３ 切換回路 ４ 送受波器 ５ 測定対象 ７ 包絡線回路 ８、１２、１７、３２、３６ 比較器 ９、３０ 信号判別回路 １１、１２、３１ 閾値可変回路 １４ 閾値自動設定回路 ３３ 保持回路 ３４ 記憶回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】超音波を測定対象に向けて送出しここで反
   射された反射波を送受波器で受けて受信信号に変換し、
   演算回路により前記送出から前記受信信号を受けるまで
   の時間を利用して前記測定対象までの距離を演算して出
   力する超音波測定装置において、前記受信信号を検出閾
   値と比較する比較器（８、３２）と、前記検出閾値を供
   給すると共にこの検出閾値を変化させることができる閾
   値可変回路（１０、３１）と、この閾値を徐々に低下さ
   せたときに前記比較器から最初に出力されるパルスを前
   記測定対象からの反射波とみなして判別しこの判別結果
   に応じて指示される最適閾値を検出閾値としこの検出閾
   値に対応する検出信号を出力する信号検出手段（１２、
   ３３、３４）と、前記検出信号を保持し前記演算回路か
   ら出力されるリセット信号によりこの検出信号をリセッ
   トするフリップフロップ（１６、３５）と、充分に小さ
   い固定検出閾値（Ｖ_TH）と前記受信信号とを比較する比
   較器（１７、３６）と、前記フリップフロップと前記比
   較器の出力が入力され論理和を演算して前記演算回路に
   出力する論理和回路（１８、３７）とを具備することを
   特徴とする超音波測定装置。