JPH07501138A - Time-gated ultrasonic sensor and measurement method - Google Patents

Time-gated ultrasonic sensor and measurement method

Info

Publication number
JPH07501138A
JPH07501138A JP5503583A JP50358393A JPH07501138A JP H07501138 A JPH07501138 A JP H07501138A JP 5503583 A JP5503583 A JP 5503583A JP 50358393 A JP50358393 A JP 50358393A JP H07501138 A JPH07501138 A JP H07501138A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveform
self
signal
test
main
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5503583A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
エスピン,アレクサンダー ジェイ.
ロセルソン,ボリス エス.
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kay Ray Sensall Inc
Original Assignee
Kay Ray Sensall Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kay Ray Sensall Inc filed Critical Kay Ray Sensall Inc
Publication of JPH07501138A publication Critical patent/JPH07501138A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/0092Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume for metering by volume
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296Acoustic waves
    • G01F23/2961Acoustic waves for discrete levels
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296Acoustic waves
    • G01F23/2962Measuring transit time of reflected waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/024Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/001Acoustic presence detection
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02818Density, viscosity
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02836Flow rate, liquid level

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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 時間ゲート超音波センサおよび測定方法発明の技術的背景 この発明は、定義された空間内の物質の物理的特性を測定するための超音波セン サに関するものであり、特に、時間ゲート超音波センサに関するものである。[Detailed description of the invention] name of invention Technical background of the time-gated ultrasonic sensor and measurement method invention This invention describes an ultrasonic sensor for measuring physical properties of materials within a defined space. The present invention relates to time-gated ultrasonic sensors, and in particular to time-gated ultrasonic sensors.

多くの、超音波を用いた距離測定および(液面の)レベル測定システムが知られ ている。例えば、エリナー(Ellingner )その他による米国特許第4 ,815.323号明細書には、超音波信号を送信する、“エコー・レンジ(r anging)”超音波変換器が教示されており、この超音波信号は、飛行機の 燃料タンクの液面で反射され、検出される。Many ultrasonic distance and level measurement systems are known. ing. For example, U.S. Patent No. 4 by Ellinger et al. , 815.323 discloses an “echo range (r anging)” ultrasonic transducer is taught, and this ultrasonic signal is It is reflected by the liquid surface of the fuel tank and detected.

そして、送信から受信までの往復時間が測定され、往復時間と記憶されているデ ータから、CPUにより燃料の量と密度が算出される。Then, the round trip time from transmission to reception is measured, and the round trip time and stored data are The amount and density of fuel are calculated by the CPU from the data.

シルバーメッツ(Sllvermetz)その他による米国特許第4.299. 114号明細書に教示されている他の形式の超音波センサにおいては、送信用と 受信用変換器間の超音波伝送が、フィードバック量が所定値以上になると発振す る回路のフィードバックループを形成する。容器内の液体のレベルが、送信およ び受信変換器の装着されている位置まで上昇すると、液体を通して大きな量のフ ィードバックがかかり、回路が発振する。このタイプは、安定した動作をさせる ためには、液体によるフィードバック量と空気によるフィードバック量とに比較 的大きな差がある必要がある。その上、センサ本体を通過する好ましくないフィ ードバックが安定性を損なうことがある。もし、空気が液体中に混入するとフィ ードバック信号が減衰し、誤検出となる。このタイプのセンサは通常とても大き く、例えば3/4インチN P T (AmericanNational 5 tandard tapered Pipe Thread )ネジ孔のような 小さな孔から容器の中に挿入するには不適当である。このタイプのセンサでは、 変換器の配置のずれが液体中を通過するフィードバック量を減少させ、誤検出と なる。U.S. Patent No. 4.299 to Sllvermetz et al. In another type of ultrasonic sensor taught in the '114 specification, Ultrasonic transmission between the receiving transducers oscillates when the amount of feedback exceeds a predetermined value. form a feedback loop for the circuit. The level of liquid in the container is When raised to the position where the receiver transducer is installed, a large volume of fluid is passed through the fluid. Feedback is applied and the circuit oscillates. This type provides stable operation In order to There must be a significant difference. Moreover, undesirable fibrils passing through the sensor body back-up may impair stability. If air gets mixed into the liquid, the fi The feedback signal is attenuated, resulting in false detection. This type of sensor is usually very large. For example, 3/4 inch NPT (American National 5 standard tapered pipe thread) like a screw hole It is unsuitable for insertion into containers through small holes. With this type of sensor, Misalignment of the transducer reduces the amount of feedback passing through the liquid, leading to false positives and Become.

超音波センサは、自己テスト機能のために、検出(受信)圧電素子(クリスタル )の上に搭載、あるいは“ピギイバック(piggybacked)”された付 加的な圧電素子を備えることができる。付加的な圧電素子は、受信圧電素子を励 起するために駆動され、ギャップ中の物質なしで、受信圧電素子の機能テストの ためにフィードバックループを完結する。しかし、この方式はセンサ本体から圧 電素子が剥離してしまったことを検出しないから、ギャップ中の物質を検出する ためのセンサの能力を完全にはテストしていない。この方式は全体の大きさを増 加させ、またセンサおよび配線が複雑になる。Ultrasonic sensors use a sensing (receiving) piezoelectric element (crystal) for self-test functionality. ) or “piggybacked” Additional piezoelectric elements can be provided. The additional piezoelectric element excites the receiving piezoelectric element. Functional testing of the receiving piezoelectric element without any material in the gap To complete the feedback loop. However, this method does not allow pressure from the sensor body. Since it does not detect that the electronic element has peeled off, it detects the substance in the gap. We have not fully tested the capabilities of the sensor. This method increases the overall size. It also adds complexity to the sensor and wiring.

シルバーメッツ(Silvermetz)その他による米国特許第4.299, 114号明細書は他の自己テスト構造を開示しており、そこでは、超音波システ ムがテストモードの間は、送信圧電素子と受信圧電素子との間の支持部材を通っ て伝送する超音波が監視される。圧電素子は、もしシステムが動作した場合には 発振する発振器のフィードバックループ中に接続されている。システムは、もし 支持部材を通して伝達される超音波信号の強さが、発振を継続するのに十分であ るならば、動作状態と見なされる。しかしこの構造は、センサがプラスティック の支持部材を含んでいると、プラスティックによる減衰がフィードバック信号を 弱め、発振を維持することが困難であるために、適正に動作させるのが容易では ない。U.S. Patent No. 4.299 to Silvermetz et al. No. 114 discloses another self-test structure in which an ultrasound system While the system is in test mode, the The ultrasonic waves transmitted by the device are monitored. The piezoelectric element, if the system operates Connected in the feedback loop of the oscillating oscillator. If the system The strength of the ultrasonic signal transmitted through the support member is sufficient to continue the oscillation. If it is, it is considered to be in working condition. However, in this structure, the sensor is made of plastic. support members, the plastic damping will reduce the feedback signal. It is not easy to operate properly because it is weak and difficult to maintain oscillation. do not have.

発明の要約 この発明は、定義された空間(ギャップ)を伝達する超音波信号の速度の関数と して、定義された空間内の物質の物理的特性を測定する時間ゲート超音波センサ に関するものである。例えばセンサは、定義された空間内の液体の存在を検出す ることにより、容器内の液面の位置を測定することができる。Summary of the invention This invention is a function of the velocity of an ultrasound signal traveling through a defined space (gap). A time-gated ultrasonic sensor that measures the physical properties of matter within a defined space. It is related to. For example, a sensor detects the presence of liquid within a defined space. By this, the position of the liquid level in the container can be measured.

超音波センサは、支持部材に固定され、超音波信号を送信および受信するために 定義された空間に概ね隣接して配置された少なくとも1つの変換器を含む。超音 波信号は、定義された空間を横切って伝達する主波形と、支持部材に沿って伝達 する自己テスト波形とを含む。センサは受信した超音波信号を監視して、主時間 窓内において受信した信号中に主波形が現れるか否か、また自己テスト時間窓内 に自己テスト波形が現れるか否かを検出する。センサは、主時間窓内に主波形が 現れたか否かの関数として、定義された空間内の物質(これは各種の固体、懸濁 液、泡、または他のプロセス物質であってよ(りの物理的特性を検出する。セン サは、自己テスト時間窓内に自己テスト波形が現れたか否かの関数として、セン サの完全性を検出する。The ultrasonic sensor is fixed to the support member and for transmitting and receiving ultrasonic signals. and at least one transducer positioned generally adjacent the defined space. ultrasonic The wave signal consists of a main waveform that propagates across a defined space and a main waveform that propagates along the supporting member. self-test waveforms. The sensor monitors the received ultrasonic signal and determines the main time Whether the main waveform appears in the received signal within the window and within the self-test time window. Detect whether a self-test waveform appears. The sensor has a main waveform within the main time window. matter in a defined space as a function of whether it appears or not (this includes various solids, suspended Detect physical properties of liquids, foam, or other process materials. The sensor detects the sensor as a function of whether the self-test waveform appears within the self-test time window. Detect the integrity of the server.

超音波信号は一般的に気体(空気あるいはプロセス気体であってもよい)中より 液体中の方が速く伝達し、液体中より固体中の方が速く伝達する。1つの実施例 においては、センサは定義された空間内における液体の存在あるいは不存在を検 出することにより、液面の位置を測定する。主時間窓内における主波形の存在は 、それぞれにおける伝達速度が異なるので、超音波が液体と気体のどちらを伝達 したかに依存している。もし、主波形が主時間窓内に現れれば、超音波信号は液 体中を伝達している。もし、主波形が主時間窓内に現れなければ、超音波信号は 、主波形信号を受信するために長い時間のかかる気体中を伝達している。Ultrasonic signals are typically generated in a gas (which may be air or a process gas). It propagates faster in liquids, and it propagates faster in solids than in liquids. One example , the sensor detects the presence or absence of liquid within a defined space. Measure the position of the liquid level. The existence of the main waveform within the main time window is , since the transmission speed in each is different, it is difficult to determine whether ultrasonic waves are transmitted through liquid or gas. It really depends. If the main waveform appears within the main time window, the ultrasound signal It is transmitted throughout the body. If the main waveform does not appear within the main time window, the ultrasound signal , the main waveform signal is transmitted through the gas, which takes a long time to receive.

物質を通過する信号の伝達時間は物質の密度に関連するので、センサは液面の位 置と物質の密度とを同時に測定することができる。この実施例においては、ギャ ップ内の物質の存在あるいは不存在と同様に物質の密度を検出するために、時間 窓を調整可能である。もし2つの物質の密度が既知であれば、超音波センサはギ ャップ内の2つの物質の境界を測定することができる。Since the propagation time of a signal through a material is related to the density of the material, the sensor is It is possible to measure the density of a substance and the density of a substance at the same time. In this example, the gap time to detect the density of the material as well as the presence or absence of the material within the sample. Windows are adjustable. If the densities of the two substances are known, the ultrasonic sensor The boundary between two materials within the cap can be measured.

1つの実施例においては、超音波センサはギャップによって隔てられた送信変換 器と受信変換器を含み、支持部材は送信変換器と受信変換器間の1または複数の ステム(柄または軸部材)を備える。他の実施例においては、支持部材は、ギャ ップを規定する内径と周囲の壁をもつ容器あるいは管を含む。送信変換器と受信 変換器は、ギャップを横切って送信変換器から受信変換器へ超音波信号が伝達す るように、容器の壁に取り付けられている。In one embodiment, the ultrasonic sensor transmits a transducer separated by a gap. the support member includes one or more support members between the transmitting transducer and the receiving transducer. It has a stem (handle or shaft member). In other embodiments, the support member includes a gap. includes a container or tube having an inner diameter and a circumferential wall defining a pipe. Transmit converter and receive The transducer allows the ultrasound signal to pass across the gap from the transmitting transducer to the receiving transducer. It is attached to the wall of the container so that the

更に他の実施例においては、超音波センサは、超音波信号の送信と受信の両方を 行う1つの変換器を備える。この実施例においては、超音波信号が変換器から送 信され、反射面までギャップを横切って進行してから、変換器に戻ってくるよう に、支持部材はギャップを横切って変換器と向かい合う位置に配置された超音波 反射面を含む。反射面は、ギャップを横切って変換器に向かう反射信号が集束す るように曲率が選択された凹面であってもよい。支持部材が容器あるいは管であ るような実施例においては、1つの変換器が容器の壁面に取り付けられ、超音波 信号は変換器から内径方向に変換器と対向する壁面に向かって伝達し、反射して 変換器に戻ってくる。In yet other embodiments, the ultrasonic sensor both transmits and receives ultrasonic signals. one transducer that performs. In this example, the ultrasound signal is sent from the transducer. signal, travels across the gap to the reflective surface, and then returns to the transducer. , the support member is positioned across the gap to face the transducer. Including reflective surfaces. The reflective surface focuses the reflected signal across the gap toward the transducer. It may also be a concave surface with a curvature selected so as to The support member is a container or tube. In some embodiments, one transducer is attached to the wall of the container and transmits ultrasound waves. The signal is transmitted from the transducer in the inner diameter direction toward the wall facing the transducer, and is reflected. Return to the converter.

本発明の時間ゲート構成は、支持部材を伝達する自己テスト波形を用いることに より、超音波センサの完全性をテストするための正確で信頼できる方法をも提供 する。超音波信号は一般的に気体中や液体中よりも固体中の方が速く伝達するの で、受信される最初の波形は、固体でできている支持部材に沿って伝達した自己 テスト波形である。受信される2番目の波形は、ギャップを横切って伝達する主 波形である。自己テスト波形は各送信信号に伴い、常に存在すべきである。The time gated configuration of the present invention utilizes a self-test waveform to transmit through the support member. Also provides an accurate and reliable method to test the integrity of ultrasonic sensors do. Ultrasonic signals generally propagate faster in solids than in gases or liquids. , the first waveform received is the self-waveform transmitted along the solid support member. This is a test waveform. The second waveform received is the main waveform that propagates across the gap. It is a waveform. A self-test waveform should always be present with each transmitted signal.

センサは、自己テスト時間窓内において自己テスト波形の存在を検出するために 、予め決められた自己テスト時間窓内において、受信した超音波信号を監視する 。自己テスト波形の存在あるいは不存在はセンサの完全性を表している。このテ スト方法は、個々の変換器の機能性、およびギャップ中の液体を検出するための 複数の変換器の能力をテストする。もし受信変換器が支持部材から剥離した場合 には、自己テスト波形が支持部材を通過しなくなるので、この故障は検出される であろう。ギャップ中にプロセス物質があっても、付加的なピギイバック変換器 なしで、送信および受信変換器をそれぞれテストするための継続した自己テスト が実行可能である。The sensor is configured to detect the presence of the self-test waveform within the self-test time window. , monitor the received ultrasound signals within a predetermined self-test time window. . The presence or absence of the self-test waveform is indicative of sensor integrity. This te The detection method is based on the functionality of the individual transducers and the Test the capabilities of multiple transducers. If the receiving transducer separates from the supporting member This fault is detected because the self-test waveform no longer passes through the support member. Will. Additional piggyback transducer even with process material in the gap Continuous self-test to test transmit and receive transducers respectively without is feasible.

このことは、センサ全体の大きさと複雑さを軽減する。This reduces the overall size and complexity of the sensor.

図面の簡単な説明 図1は、本発明による時間ゲート超音波センサの断面図である。Brief description of the drawing FIG. 1 is a cross-sectional view of a time-gated ultrasonic sensor according to the invention.

図2は、本発明にしたがって、管に取り付けられた時間ゲート超音波センサの断 面図である。FIG. 2 shows a cross-section of a time-gated ultrasonic sensor attached to a tube in accordance with the present invention. It is a front view.

図3は、図1および図2に示された超音波センサにより受信される主波形および 自己テスト波形を示す図である。FIG. 3 shows the main waveforms and waveforms received by the ultrasonic sensors shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 3 is a diagram showing a self-test waveform.

図4は、本発明による超音波センサ回路の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of an ultrasonic sensor circuit according to the present invention.

図5は、図4に示す超音波センサ回路中に現れる各種の信号を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing various signals appearing in the ultrasonic sensor circuit shown in FIG. 4.

図6は図4に示す超音波センサ回路中に現れる主波形検出パルスおよび自己テス ト波形検出パルスを示す波形図である。Figure 6 shows the main waveform detection pulse and self-test that appear in the ultrasonic sensor circuit shown in Figure 4. FIG. 3 is a waveform diagram showing a waveform detection pulse.

図7は、本発明による単一圧電素子超音波センサの断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a single piezoelectric element ultrasonic sensor according to the present invention.

好適な実施例の詳細な説明 本発明は、センサギャップを通過する主波形とセンサ本体を通過する自己テスト 波形とを検知するための特定の時間帯すなわち“窓”内において受信圧電素子に 受信された超音波信号をゲートする、定義された空間内の物質の物理的特性を検 出する時間ゲート超音波センサである。主窓内の主波形の存在あるいは不存在は 、ギャップ中の物質の存在あるいは不存在を示しており、また自己テスト時間窓 内の自己テスト波形の存在はセンサが機能していることを表示している。Detailed description of the preferred embodiment The present invention consists of a main waveform passing through the sensor gap and a self-testing waveform passing through the sensor body. the receiving piezoelectric element within a specific time period or “window” for detecting the waveform. Detect physical properties of matter within a defined space to gate the received ultrasound signal. It is a time-gated ultrasonic sensor. The presence or absence of the main waveform within the main window is , indicates the presence or absence of material in the gap, and also provides a self-test time window. The presence of a self-test waveform within indicates that the sensor is functioning.

図1は、本発明による時間ゲート超音波センサの断面図である。センサ10は支 持部材12、超音波送信変換器(圧電素子)14、超音波受信変換器(圧電素子 )16を含んでいる。支持部材12は、ステム18とギャップ20含んでいる。FIG. 1 is a cross-sectional view of a time-gated ultrasonic sensor according to the invention. The sensor 10 is Holding member 12, ultrasonic transmitting transducer (piezoelectric element) 14, ultrasonic receiving transducer (piezoelectric element) ) contains 16. Support member 12 includes a stem 18 and a gap 20.

ステム18はまたブリッジ部材として知られている。変換器14および16は、 それらがギャップ20を横切り、ステム18に沿って超音波信号を送信し、受信 するように支持部材12に搭載されている。支持部材12は、金属あるいはプラ スティック等の各種の材料で製作することができる。典型的な製作例としては、 変換器14と16は、ステム18に固定されている部材12の半体である一対の 共振箱に搭載される。Stem 18 is also known as a bridge member. Transducers 14 and 16 are They cross the gap 20 and transmit and receive ultrasound signals along the stem 18. It is mounted on the support member 12 so as to. The support member 12 is made of metal or plastic. It can be made from various materials such as sticks. A typical production example is Transducers 14 and 16 are a pair of halves of member 12 that are secured to stem 18. Mounted in a resonant box.

ステム18はリード線36を通すための溝を持つ中実の金属またはプラスティッ クにより形成される。そしてセンサ全体10は密閉される。Stem 18 is made of solid metal or plastic with a groove for passing lead wire 36. formed by The entire sensor 10 is then sealed.

送信変換器14は、リード線32によって送信器30に接続されている。送信器 30は、変換器14のリード線32に周期的に電気的送信パルスを供給する。送 信器30が送信パルスを送信変換器14に供給すると、パルスは変換器を付勢( あるいは励起)し、変換器をその固有周波数で共鳴させる。Transmitting transducer 14 is connected to transmitter 30 by lead 32. transmitter 30 periodically provides electrical transmission pulses to lead 32 of transducer 14. Sending When the transmitter 30 provides a transmit pulse to the transmit transducer 14, the pulse energizes the transducer ( or excitation) to cause the transducer to resonate at its natural frequency.

変換器14はギャップ20およびステム18を伝達する超音波信号22を放射す る。ギャップ20を通過する超音波信号が主波形となり、一方、ステム18を通 過する信号が自己テスト波形となる。Transducer 14 emits an ultrasonic signal 22 that transmits through gap 20 and stem 18. Ru. The ultrasonic signal passing through the gap 20 becomes the main waveform, while the ultrasonic signal passing through the stem 18 The signal that passes through is the self-test waveform.

受信変換器16はリード線36により受信器34に接続されている。受信変換器 16は、超音波信号22を電気信号に、変換し、リード線36に出力する。Receive transducer 16 is connected to receiver 34 by lead 36. receiving converter 16 converts the ultrasonic signal 22 into an electrical signal and outputs it to the lead wire 36.

ギャップ20を横切る超音波信号の減衰(吸収)は、ギャップ中の物質の密度に 反比例する。従って、ギャップ20が液体で満たされていない場合には、ギャッ プ中に液体が存在する場合よりも主波形の減衰がかなり大きくなる。減衰(吸収 )は、数キロヘルツ以上の高い周波数において特に大きい。The attenuation (absorption) of an ultrasound signal across the gap 20 depends on the density of the material in the gap. be inversely proportional. Therefore, if the gap 20 is not filled with liquid, the gap 20 The attenuation of the main waveform is much greater than if liquid were present in the waveform. Attenuation (absorption) ) is especially large at high frequencies above a few kilohertz.

ギャップ20が空の時、ギャップを通過する信号は実質上存在しない。ギャップ 20が液体で満たされている場合には、主波形が変換器16によって受信される 。主波形は変換器16を共鳴させ、リード線36に電気信号を発生させる。結果 として、受信変換器16における主波形の存在あるいは不存在は、ギャップ20 内の液体の存在あるいは不存在を表示することになる。When gap 20 is empty, there is virtually no signal passing through the gap. gap When 20 is filled with liquid, the main waveform is received by transducer 16. . The main waveform causes transducer 16 to resonate and generate an electrical signal on lead 36. result As such, the presence or absence of the main waveform at the receive transducer 16 is determined by the gap 20 This will indicate the presence or absence of liquid within the liquid.

ステム18を通過する超音波信号22(自己テスト波形)は各送信パルス毎に常 に存在するはずである。この信号は自己テスト機能に用いることができる。ギャ ップ20中に物質が存在するか否かに関わらず、継続した自己テストが遂行可能 である。自己テスト機能については詳細を後述する。The ultrasonic signal 22 (self-test waveform) passing through the stem 18 is constantly It should exist in . This signal can be used for self-test functions. Gya Continuous self-testing can be performed regardless of whether substances are present in the step 20. It is. Details of the self-test function will be described later.

センサ10はギャップ中の物質の物理的特性を測定するために使用できる。例え ば、ギャップ20中の液体の存在あるいは不存在を検出することにより、容器中 の液面の高さを測定することが可能である。センサ10は、標準NPT3/4イ ンチ・フィッティングのようなフランジ取付はフィッティングに固定することが できる。フィッティングはさらに、被測定物質を格納した容器の壁面に固定され る。より詳細を後述するように、この発明のセンサは、各種の応用例にうまく適 用するために、非常に小さなフィッティング内に納まるように製作することがで きる。Sensor 10 can be used to measure physical properties of materials in the gap. example For example, by detecting the presence or absence of liquid in the gap 20, It is possible to measure the height of the liquid level. Sensor 10 is a standard NPT 3/4 inch Flange fittings such as inch fittings can be fixed to the fitting. can. The fitting is further fixed to the wall of the container containing the substance to be measured. Ru. As discussed in more detail below, the sensor of the present invention is well suited for a variety of applications. They can be made to fit into very small fittings for use. Wear.

本発明の時間ゲート技術は、図1に示されているように、送信および受信変換器 が従来のセンサ“ステム“によって結合されることを要しない。2つの変換器は 、自己テスト波形を伝導する何らかの部材により結合されるならばそれぞれ別個 に構成することが出来る。このことは、送信および受信変換器が、図2に示され ているようにそれぞれ対向して搭載される限り、任意の壁厚で、任意の材料で製 作された任意の構成の管あるいは容器に搭載されることを許容する。The time gating technique of the present invention can be applied to transmit and receive converters as shown in FIG. need not be coupled by a conventional sensor "stem". The two converters are , each separately if joined by some member that conducts the self-test waveform. It can be configured as follows. This means that the transmit and receive converters are shown in FIG. Made of any material, with any wall thickness, as long as they are mounted opposite each other so that It can be installed in any constructed tube or container.

図2は、本発明にしたがって、管に取り付けられた超音波センサの断面図である 。送信変換器40と受信変換器42は、これらが互いに向かい合うように、管4 4の壁43に取り付けられている。管44は“ギャップ1を規定する内径46を もっている。主波形48は、送信変換器40から受信変換器42に向かって内径 46に沿って伝達する。自己テスト波形50は、円形の壁43に沿って、送信変 換器40から受信変換器42に伝達する。壁43は図1に示されたステム18と 同様の指示部材として作用する。従って、壁43はステム18の代用物である。FIG. 2 is a cross-sectional view of an ultrasonic sensor attached to a tube according to the invention . The transmit transducer 40 and the receive transducer 42 are connected to the tube 4 such that they face each other. 4 wall 43. The tube 44 has an inner diameter 46 defining a gap 1. I have it. The main waveform 48 has an inner diameter from the transmitting transducer 40 to the receiving transducer 42. 46. Self-test waveform 50 is transmitted along circular wall 43. from the converter 40 to the receiving converter 42. The wall 43 is connected to the stem 18 shown in FIG. It acts as a similar pointing member. Wall 43 is therefore a substitute for stem 18.

図3は、図1および図2に示された受信変換器16および42により受信される 主波形および自己テスト波形をそれぞれ示す図であり、時間の関数として、受信 された超音波信号の振幅を示している。超音波信号は気体中より液体中の方が、 また液体中より固体中のほうが速く伝達する。従って、ギャップ20を通過する 超音波信号22の速度はギャップ中の液体の存在または不存在(即ち液面の高さ )の関数となる。超音波信号は液体中よりも固体中をより速く伝達するので、受 信される最初の信号は、ステム(または支持壁)を伝達する自己テスト信号60 である。受信される2番目の信号は、ギャップ中の液体を伝達する主波形62で ある。自己テスト信号60の振幅は、信号が最初に到達した時のピーク振幅D0 の後はゼロに漸近する。主波形62は、ギャップを横切る複数回の反射による後 続の波形64a−64fを伴っている。FIG. 3 is received by receiving transducers 16 and 42 shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 7 is a diagram showing the main waveform and self-test waveform, respectively, as a function of time; The amplitude of the ultrasonic signal is shown. Ultrasonic signals are stronger in liquids than in gases. It also propagates faster in solids than in liquids. Therefore, passing through gap 20 The velocity of the ultrasonic signal 22 depends on the presence or absence of liquid in the gap (i.e., the height of the liquid level). ) is a function of Ultrasonic signals travel faster in solids than in liquids, so they are difficult to receive. The first signal transmitted is a self-test signal 60 that transmits the stem (or support wall). It is. The second signal received is the main waveform 62 that conveys the liquid in the gap. be. The amplitude of the self-test signal 60 is the peak amplitude D0 when the signal first arrives. After , it approaches zero. The main waveform 62 is generated after multiple reflections across the gap. with subsequent waveforms 64a-64f.

点線で示された波形66は、空気中(ギャップ中に液体がないとき)を伝達して 受信された信号を示している。波形66は液体中を伝達した波形62および64 a−64fよりも著しく遅く、著しく弱い振幅で到達する。The waveform 66 indicated by the dotted line is transmitted through air (when there is no liquid in the gap). Shows the received signal. Waveform 66 is the waveform 62 and 64 transmitted through the liquid. It arrives significantly slower and with a significantly weaker amplitude than a-64f.

従来例において用いられている発振器タイプの超音波センサにおいては、送信お よび受信変換器はフィードバックループ中に接続されており、このループはギャ ップ中にプロセス物質がない場合には発振しない。これは“ドライ(dry)” 状態と呼ばれる。物質がギャップ中に浸入すると回路は発振状態に移行する。こ の状態は“ウェット(wet)”状態と呼ばれる。本発明にはない、発振器タイ プの設計に固有の多くの問題が存在する。第1に、ウェット/ドライ信号比は安 定な動作のために十分なほど大きくはない。これは過大な信号がセンサ本体のス テムを通過すること、あるいは空気による減衰がプロセス物質による減衰よりも ほんのわずかしか大きくないことが原因となり得る。第2に、プロセス物質の濃 度がセンサの性能に影響を及ぼし得る。もし物質が高濃度の泡を含んでいると、 回路は発振しないであろう。In the oscillator type ultrasonic sensor used in the conventional example, the transmission and and the receiving transducer are connected in a feedback loop, which It will not oscillate if there is no process material in the pump. This is “dry” called a state. When material enters the gap, the circuit goes into oscillation. child This state is called the "wet" state. Oscillator tie not included in this invention There are many problems inherent in the design of First, the wet/dry signal ratio is low. not large enough for regular operation. This is because an excessive signal is passing through the system, or the attenuation due to the air is greater than the attenuation due to the process material. Being only slightly larger can be the cause. Second, the concentration of process materials temperature can affect sensor performance. If the material contains a high concentration of bubbles, The circuit will not oscillate.

本発明において、液面が測定される時には、主信号の振幅は主時間窓内において 測定され、ステムからの信号は時間的に分離される(ステムを通過する遅延時間 に依存し、主時間窓の前または後ろ)ので、妨害を与えることはない。自己テス ト信号を主波形の後まで遅延させるための長い超音波通路を提供するために、ス テムは直線的にするよりも、“U”字状、コイル状あるいはその他のより長い形 状とすることができる。一方、密度を測定するときには、測定されるパラメータ は振幅ではなく時間である。振幅は、従来例のように発振を維持するためには使 用されない。 “ウェット/ドライ2比に相当する値は一貫して顕著に、より高 い。このことは品質と信頼性を大きく改善する。相当比(equivalent  ratio)W 1/Diは、ギャップ中のプロセス物質を通過した“ウェッ ト”信号62の振幅W1と、“ウエツビ信号62が受信される時刻にセンサのス テムを通過した“ドライ″信号60の振幅D1との比率である。この時刻はセン サのステムを通過する信号の最初の到達よりもかなり遅いので、その振幅D1は ピーク振幅DOに較べてかなり小さい。もし、ギャップを通過して受信される最 初の信号がピーク振幅DOに近すぎる場合には、より大きな相当“ウェット/ド ライ“比を得るために、より遅い反射信号を使用できる。発振器タイプの超音波 センサのウェット/ドライ比はWl/Doであり、これはWl/D1より小さい 。In the present invention, when the liquid level is measured, the amplitude of the main signal is within the main time window. The signals from the stem are separated in time (delay time passing through the stem) before or after the main time window) so it does not give any disturbance. self test to provide a long ultrasound path to delay the start signal until after the main waveform. The stem should be shaped like a “U”, coiled or other longer shape than straight. It can be made into a state. On the other hand, when measuring density, the parameter being measured is not amplitude but time. The amplitude is not used to maintain oscillation as in the conventional example. Not used. “The values corresponding to the wet/dry ratio are consistently significantly higher. stomach. This greatly improves quality and reliability. equivalent ratio ratio) W 1/Di is the “wet” ratio that has passed through the process material in the gap. The amplitude W1 of the "start" signal 62 and the sensor's step at the time when the "start" signal 62 is received. is the ratio of the amplitude D1 of the "dry" signal 60 passed through the system. This time is much later than the first arrival of the signal passing through the stem of the sensor, its amplitude D1 is It is considerably smaller than the peak amplitude DO. If the maximum value received through the gap is If the initial signal is too close to the peak amplitude DO, a larger equivalent “wet/do” A slower reflected signal can be used to obtain the lie ratio.Oscillator type ultrasound The wet/dry ratio of the sensor is Wl/Do, which is less than Wl/D1 .

図4は、本発明による時間ゲート超音波センサ回路の回路図である。回路は、セ ンサ10、送信器30、受信器34、時間ゲート部70、主波形検出/比較部7 2、自己テスト波形検出/比較部74、主波形積分部76、および自己テスト波 形積分部78から成る。時間ゲート部70は、積分部76および78が受信器3 4によって受信された主および自己テスト波形を検出する窓を開くために、所定 の時間に検出/比較部72および74を“ゲート”する有効化(イネーブル)信 号を発生する。積分部76および78は、それらに対応する時間窓内における主 および自己テスト波形の存在あるいは不存在を表わす信号80および82を出力 する。主波形の存在あるいは不存在は、センサ10のギャップ20内における液 体の存在あるいは不存在を示している。自己テスト波形の存在あるいは不存在は センサ10の完全性を示している。自己テスト波形の振幅はセンサの劣化の測定 に使用可能である。FIG. 4 is a circuit diagram of a time-gated ultrasonic sensor circuit according to the present invention. The circuit is sensor 10, transmitter 30, receiver 34, time gate section 70, main waveform detection/comparison section 7 2. Self-test waveform detection/comparison section 74, main waveform integration section 76, and self-test wave It consists of a shaped integral part 78. The time gate section 70 has integration sections 76 and 78 connected to the receiver 3. 4 to open a window to detect the main and self-test waveforms received by the predetermined an enable signal that “gates” detection/comparison sections 72 and 74 at a time of generate a number. Integrating sections 76 and 78 are integrated with the main components within their corresponding time windows. and output signals 80 and 82 indicating the presence or absence of the self-test waveform. do. The presence or absence of the main waveform indicates the fluid in the gap 20 of the sensor 10. Indicates the presence or absence of a body. The presence or absence of a self-test waveform The integrity of sensor 10 is shown. The amplitude of the self-test waveform is a measure of sensor degradation. It can be used for

センサ10は送信変換器14と受信変換器16とを含んでいる。送信器30は、 送信変換器14と時間ゲート部70の間に接続されている。送信器30は典型的 には10Hzから5kHzの繰り返し周波数で動作する発振回路を含み、発振器 の各サイクルに従って、送信器30は送信変換器の普通の送信周期の1/4から 1/2の間持続する25ボルトの送信パルスで送信変換器14を励起する。送信 パルスは送信変換器14を共鳴させ、ギャップ20およびステム18を通過する 超音波信号22(図1にも示す)を発生させる。超音波信号22は受信変換器1 6により受信される。受信変換器16は超音波信号22を表す電気信号を高域通 過型フィルタ84に供給する。高域通過型フィルター84は濾波された信号を増 幅器86に供給する。濾波された信号は増幅され、増幅器出力88に出力される 。Sensor 10 includes a transmit transducer 14 and a receive transducer 16. The transmitter 30 is It is connected between the transmit converter 14 and the time gate section 70. Transmitter 30 is typically includes an oscillation circuit that operates at a repetition frequency of 10Hz to 5kHz, and the oscillator According to each cycle of the transmitter 30, the transmitter 30 is Excite transmit transducer 14 with a 25 volt transmit pulse lasting 1/2 time. send The pulse resonates transmit transducer 14 and passes through gap 20 and stem 18 An ultrasound signal 22 (also shown in FIG. 1) is generated. The ultrasonic signal 22 is transmitted to the receiving transducer 1 received by 6. The receiving transducer 16 transmits an electrical signal representing the ultrasound signal 22 at a high frequency. It is supplied to a filter 84. A high-pass filter 84 increases the filtered signal. It is supplied to the width gauge 86. The filtered signal is amplified and output to amplifier output 88. .

時間ゲート窓は、送信器30によって発生される送信パルスの立ち上りエツジ9 8(図4)に応答して、時間ゲート部70によって発生される。時間ゲート部7 0はコンデンサC1、C2およびC3、抵抗R1、R2およびR3、インバータ 11、工2、工3および工4を含んでいる。コンデンサC1は送信器30とイン バータエ1の間に接続されている。The time gate window is defined by the rising edge 9 of the transmit pulse generated by the transmitter 30. 8 (FIG. 4), generated by time gate section 70. Time gate section 7 0 is capacitor C1, C2 and C3, resistor R1, R2 and R3, inverter 11, including Work 2, Work 3, and Work 4. Capacitor C1 is connected to transmitter 30. It is connected between the vertices 1 and 1.

抵抗R1は接地90と、コンデンサC1とインバータ11の接続点の間に接続さ れている。抵抗R1は、コンデンサC1とインバータエ1の接続点に接続されて いるセンタータップ92を持つ可変抵抗器である。インバータ11はその出力に 主波形有効化信号を発生する。Resistor R1 is connected between ground 90 and the connection point of capacitor C1 and inverter 11. It is. Resistor R1 is connected to the connection point between capacitor C1 and inverter E1. This is a variable resistor with a center tap 92. Inverter 11 outputs Generates the main waveform enable signal.

コンデンサC2は送信器30とインバータI2の間に接続されている。抵抗R2 は接地90と、コンデンサC2とインバータI2の接続点の間に接続されている 。抵抗R2は、コンデンサC2とインバータI2の接続点に接続されているセン タータップ94を持つ可変抵抗器である。インバータ12はその出力に送信パル ス無効化信号を発生する。Capacitor C2 is connected between transmitter 30 and inverter I2. Resistance R2 is connected between ground 90 and the connection point of capacitor C2 and inverter I2 . Resistor R2 is a sensor connected to the connection point of capacitor C2 and inverter I2. This is a variable resistor with a power tap 94. Inverter 12 has a transmit pulse at its output. Generates a disable signal.

コンデンサC3は送信器30とインバータI3の間に接続されている。抵抗R3 は接地90と、コンデンサC3とインバータI3の接続点の間に接続されている 。抵抗R3は、コンデンサC3とインバータ13の接続点に接続されているセン タータップ96を持つ可変抵抗器である。インバータI4はインバータI3の出 力に接続されている。インバータI4はその出力に自己テスト波形有効化信号を 発生する。Capacitor C3 is connected between transmitter 30 and inverter I3. Resistor R3 is connected between ground 90 and the connection point of capacitor C3 and inverter I3 . Resistor R3 is a sensor connected to the connection point between capacitor C3 and inverter 13. This is a variable resistor with a power tap 96. Inverter I4 is the output of inverter I3. connected to power. Inverter I4 has a self-test waveform enable signal at its output. Occur.

各送信パルスの立ち上りエツジ98は、時間ゲート発生部70内において3つの RC時定数により微分される。コンデンサC1と抵抗R1は、主波形有効化信号 がアクティブ(論理ハイ)になる時間の長さを制御する第1の時定数を形成する 。コンデンサC2と抵抗R2は、送信パルス無効化信号がアクティブになる時間 の長さを制御する第2の時定数を形成信号がアクティブになる時間の長さを制御 する第3の時定数を形成する。これらの有効・無効化信号は図5に図示されてい る。The rising edge 98 of each transmitted pulse is divided into three points within the time gate generator 70. Differentiated by RC time constant. Capacitor C1 and resistor R1 are the main waveform enable signal forms a first time constant that controls the length of time that is active (logic high). . Capacitor C2 and resistor R2 are connected to the time when the transmit pulse disable signal becomes active. Form a second time constant that controls the length of time that controls the length of time that the signal is active. form a third time constant. These enable/disable signals are illustrated in Figure 5. Ru.

図5は、短いステムを持つ、図1に示されている時間ゲート超音波センサ内の送 信器30の1周期の間における各種信号を図示したタイミング図である。図は時 間の関数として信号振幅を表している。増幅器出力88が図の最上部に示されて いる。到達する最初の波形は送信パルス波形100である。Figure 5 shows the transmission in the time-gated ultrasonic sensor shown in Figure 1 with a short stem. 3 is a timing diagram illustrating various signals during one period of the signal device 30. FIG. The figure is time represents the signal amplitude as a function of the Amplifier output 88 is shown at the top of the diagram. There is. The first waveform to arrive is the transmit pulse waveform 100.

この波形は送信変換器14が振動を開始する時に該変換器によって発生される。This waveform is generated by transmit transducer 14 when it begins to oscillate.

超音波信号は気体中や液体中よりも固体中をより速く伝達するので、2番目に到 達する波形はセンサのステムを通過した自己テスト波形102である。3番目に 到達する波形はセンサのギャップ20内の液体を通過する主波形104である。Because ultrasound signals travel faster through solids than through gases or liquids, we arrive at the second The arriving waveform is the self-test waveform 102 that has passed through the stem of the sensor. thirdly The waveform that arrives is the main waveform 104 that passes through the liquid in the gap 20 of the sensor.

4番目に到達する波形はギャップ20内での反射に起因する主波形104のエコ ー信号である。The fourth waveform to arrive is an echo of the main waveform 104 due to reflection within the gap 20. - It is a signal.

波形108は自己テスト波形有効化信号を示す。時間ゲート発生部70に立ち上 りエツジ98(図4)が到達すると、初めに自己テスト波形有効化信号がハイ状 態になる。コンデンサC3および抵抗R3によって決まる第3の時定数の後、自 己テスト波形有効化信号はロー状態になる。Waveform 108 shows the self-test waveform enable signal. Startup at time gate generation section 70 When edge 98 (Figure 4) is reached, the self-test waveform enable signal goes high first. Become a state. After a third time constant determined by capacitor C3 and resistor R3, the automatic The self-test waveform enable signal goes low.

波形110は送信パルス無効化信号を示す。送信パルス無効化信号は送信パルス の立ち上りエツジ98でロー状態となり、コンデンサC2および抵抗R2によっ て決まる第2の時定数の間口−状態を保持する。第2の時定数の後、送信パルス 無効化信号はハイ状態となる。第2の時定数は、送信パルス波形100を検出し ないように、検出/比較部72および74を一時的に不能化するように選択され ている。Waveform 110 shows the transmit pulse override signal. The transmit pulse invalidation signal is the transmit pulse goes low at the rising edge of 98 and is connected by capacitor C2 and resistor R2. The frontage state is maintained for a second time constant determined by the second time constant. After the second time constant, the transmit pulse The invalidation signal goes high. The second time constant detects the transmission pulse waveform 100. is selected to temporarily disable detection/comparison sections 72 and 74 to prevent ing.

送信パルス無効化信号110および自己テスト波形有効化信号108は、NAN Dゲート114(図4)により論理演算され、自己テスト時間ゲート窓116( 図5)を生成する。The transmit pulse disable signal 110 and self-test waveform enable signal 108 are A logic operation is performed by the D gate 114 (FIG. 4) and the self-test time gate window 116 ( Figure 5) is generated.

自己テスト時間ゲート窓116は、自己テスト時間ゲート窓116内において、 自己テスト波形検出/比較部74が自己テスト波形102の存在を検出できるよ うに選択されている。The self-test time gate window 116 includes: The self-test waveform detection/comparison unit 74 can detect the presence of the self-test waveform 102. The sea urchin has been selected.

自己テスト時間ゲート窓116内における自己テスト波形の存在は、センサが機 能していることを表している。自己テスト時間ゲート窓116内における自己テ スト波形の不存在は、センサが機能していないことを表している。The presence of a self-test waveform within the self-test time gate window 116 indicates that the sensor is It shows that it is working. Self-test within self-test time gate window 116 The absence of a strike waveform indicates that the sensor is not functioning.

波形112は主波形有効化信号を示している。送信パルスの立ち上りエツジ98 において、主波形有効化信号112はロー状態となり、コンデンサC1および抵 抗R1によって決まる第1の時定数の間口−状態を保持する。第1の時定数の後 、主波形有効化信号112はハイ状態になる。主波形有効化信号112および送 信パルス無効化信号110は、NANDゲー)11g (図4)により論理演算 され、主波形時間ゲート窓120(図5)を生成する。主波形時間ゲート窓12 0は、主波形時間ゲート窓の期間のみ、主波形検出/比較部72を可能化して主 波形104の存在あるいは不存在を検出できるようにする。もし、主波形104 が主波形時間ゲート窓120内に存在すれば、超音波信号は液体中を通過してい る。もし、主波形104が主波形時間ゲート窓120内に存在しなければ、超音 波信号は気体中を通過している。Waveform 112 shows the main waveform enable signal. Rising edge of transmission pulse 98 , the main waveform enable signal 112 goes low and capacitor C1 and resistor The frontage-state is maintained for a first time constant determined by resistance R1. After the first time constant , the main waveform enable signal 112 goes high. Main waveform enable signal 112 and The signal pulse invalidation signal 110 is logically operated by the NAND game) 11g (Fig. 4). to generate the main waveform time gate window 120 (FIG. 5). Main waveform time gate window 12 0 enables the main waveform detection/comparison section 72 only during the period of the main waveform time gate window. The presence or absence of the waveform 104 can be detected. If the main waveform 104 exists within the main waveform time gate window 120, the ultrasonic signal has passed through the liquid. Ru. If the main waveform 104 does not exist within the main waveform time gate window 120, the ultrasound The wave signal is passing through the gas.

なぜならば、主波形信号を受信するのに非常に長い時間を要するからである。更 に主波形104は、空気中においては、受信変換器16によって受信される信号 が実質的に無信号となる程度まで減衰する。主波形時間ゲート窓120は送信器 30の各サイクルの最後で閉じられる。しかし、時間ゲート発生部70は、各サ イクルの最後より以前に主波形時間ゲート窓を閉じるように容易に変更すること ができる。This is because it takes a very long time to receive the main waveform signal. Change In air, the main waveform 104 is the signal received by the receiving transducer 16. is attenuated to the extent that there is virtually no signal. The main waveform time gate window 120 is the transmitter Closed at the end of each of the 30 cycles. However, the time gate generator 70 Easily change the main waveform time gate window to close before the end of the cycle. Can be done.

主波形検出/比較部72は、増幅器86と主波形積分部76の間に接続されてお り、抵抗R4、比較器122およびNANDゲート118を含んでいる。抵抗R 4は電源供給端子V+と接地90の間に接続されている。抵抗R4は比較器12 2の非反転入力端子に接続されたセンタータップ124を持つ可変抵抗器である 。比較器122の反転入力端子は増幅器の出力88に接続されている。比較器1 22の出力はNANDゲート118に接続されている。NANDゲート118は 主波形検出器の出力126を発生する。The main waveform detection/comparison section 72 is connected between the amplifier 86 and the main waveform integration section 76. and includes resistor R4, comparator 122 and NAND gate 118. Resistance R 4 is connected between power supply terminal V+ and ground 90. Resistor R4 is comparator 12 It is a variable resistor with a center tap 124 connected to the non-inverting input terminal of 2. . The inverting input terminal of comparator 122 is connected to the output 88 of the amplifier. Comparator 1 The output of 22 is connected to NAND gate 118. NAND gate 118 Generates the main waveform detector output 126.

センタータップ124は比較器122の非反転入力端子に主波形閾値電圧を供給 する。比較器122は増幅器出力88の振幅と主波形閾値電圧とを比較する。主 波形閾値電圧は抵抗R4の調整用センタータップ124によって設定される。Center tap 124 supplies the main waveform threshold voltage to the non-inverting input terminal of comparator 122 do. Comparator 122 compares the amplitude of amplifier output 88 and the main waveform threshold voltage. main The waveform threshold voltage is set by the adjusting center tap 124 of resistor R4.

閾値は主波形時間ゲート窓120の期間内に到達する主波形104(図5)の予 想される振幅を示すように調整される。The threshold is the prediction of the main waveform 104 (FIG. 5) arriving within the period of the main waveform time gate window 120. is adjusted to indicate the expected amplitude.

この値は使用される変換器の形式、励起周波数、センサの寸法、ギャップ内の物 質の物理的特性および増幅器86の利得に大きく依存する。比較器122の出力 は主波形有効化信号112および送信パルス無効化信号110と一緒にNAND ゲート118に接続されているので、主波形104は主波形時間ゲート窓120 の間のみで検出される。This value depends on the type of transducer used, the excitation frequency, the dimensions of the sensor, the objects in the gap, etc. depends largely on the physical characteristics of the quality and the gain of the amplifier 86. Output of comparator 122 is NANDed with the main waveform enable signal 112 and the transmit pulse disable signal 110. Since the main waveform 104 is connected to the gate 118, the main waveform 104 is connected to the main waveform time gate window 120. Detected only between

自己テスト波形検出/比較部74は増幅器86と自己テスト波形積分部78の間 に接続されており、ブロック74は抵抗R5、比較器128およびNANDゲー ト114を含んでいる。抵抗R5は電源供給端子V+と接地90の間に接続され ている。抵抗R5は比較器128の非反転入力端子に接続されたセンタータップ 130を持つ可変抵抗器である。増幅器の出力88が比較器128の反転入力端 子に接続されている。比較器128の出力はNANDゲート114に接続されて いる。NANDゲート118は自己波形検出器の出力132を発生する。The self-test waveform detection/comparison section 74 is located between the amplifier 86 and the self-test waveform integrator 78. block 74 is connected to resistor R5, comparator 128 and NAND gate. 114. Resistor R5 is connected between power supply terminal V+ and ground 90. ing. Resistor R5 is a center tap connected to the non-inverting input terminal of comparator 128. It is a variable resistor with 130 mm. Amplifier output 88 is the inverting input of comparator 128 Connected to child. The output of comparator 128 is connected to NAND gate 114. There is. NAND gate 118 generates a self-waveform detector output 132.

抵抗R5はセンタータップ130に自己テスト波形閾値電圧を発生する。自己テ スト波形閾値電圧は、自己テスト波形時間ゲート窓116内における自己テスト 波形102の予想される振幅を示すように、抵抗R5の調整用センタータップ1 30によって設定される。比較器128は増幅器出力88と自己テスト閾値電圧 とを比較する。比較器128の出力は、自己テスト波形有効化信号108および 送信パルス無効化信号110と一緒にNANDゲート114に接続されているの で、自己テスト波形102は自己テスト波形時間ゲート窓116内のみで検出さ れる。Resistor R5 generates a self-test waveform threshold voltage at center tap 130. self-te The self-test waveform threshold voltage within the self-test waveform time gate window 116 Adjust center tap 1 of resistor R5 to indicate the expected amplitude of waveform 102. Set by 30. Comparator 128 connects amplifier output 88 and self-test threshold voltage. Compare with. The output of comparator 128 is the self-test waveform enable signal 108 and is connected to a NAND gate 114 along with a transmit pulse disable signal 110. , the self-test waveform 102 is detected only within the self-test waveform time gate window 116. It will be done.

短いステムを持つセンサにおける、主波形検出器の出力126および自己テスト 波形検出器の出力132が図6に図示されている。図6は検出器の波形126お よび132の振幅を時間の関数として表した図である。より長いステムを用いて 、自己テスト波形が主波形の後に来るようにしてもよい。Main waveform detector output 126 and self-test on sensors with short stems The output 132 of the waveform detector is illustrated in FIG. FIG. 6 shows the detector waveform 126 and and 132 as a function of time. with a longer stem , the self-test waveform may follow the main waveform.

主波形検出器の出力126は主波形104(図5)に対応する一連のパルス群1 34を含み、またエコー波形106に対応する一連のパルス群136を含む。自 己テスト波形検出器の出力132は自己テスト波形102(図5)に対応する一 連のパルス群138を含む。主波形検出器の出力126にパルス群134が存在 することは、主波形時間ゲート窓120内において主波形104が存在したこと を示している。同様に、自己テスト波形検出器の出力132にパルス群138が 存在することは、自己テスト波形時間ゲート窓116内において自己テスト波形 102が存在したことを示している。The main waveform detector output 126 is a series of pulses 1 corresponding to the main waveform 104 (FIG. 5). 34 and a series of pulses 136 corresponding to the echo waveform 106. Self The output 132 of the self-test waveform detector is one that corresponds to the self-test waveform 102 (FIG. 5). a series of pulses 138 . A group of pulses 134 is present at the output 126 of the main waveform detector That is, the main waveform 104 existed within the main waveform time gate window 120. It shows. Similarly, a group of pulses 138 appears at the output 132 of the self-test waveform detector. The presence of a self-test waveform within the self-test waveform time gate window 116 102 was present.

主波形検出器の出力126は、主波形積分部76によって積分される。自己テス ト波形検出器の出力132は、自己テスト波形積分部78によって積分される。The output 126 of the main waveform detector is integrated by the main waveform integrator 76 . self test The output 132 of the test waveform detector is integrated by a self-test waveform integrator 78.

ブロック76はインバータ15、主波形カウンタ、ホールド回路140および主 波形リレードライバ142を含んでいる。インバータ15はNANDゲート11 8と主波形カウンタ/ホールド回路140の間に接続されている。主波形カウン タ/ホールド回路140はインバータI5と主波形リレードライバ142の間に 接続されている。主波形カウンタ/ホールド回路140は、送信器30内の発振 器の各サイクルの期間内にNANDゲート118から受信されるパルス数を計数 する。発振の−サイクル中に計数されたパルス数が与えられた数(例えば3)を 超えると、カウンタは主波形時間ゲート窓120内に主波形104が存在したこ とを示す信号を出力146に発生する。The block 76 includes the inverter 15, the main waveform counter, the hold circuit 140, and the main waveform counter. It includes a waveform relay driver 142. Inverter 15 is NAND gate 11 8 and the main waveform counter/hold circuit 140. Main waveform counter The control/hold circuit 140 is connected between the inverter I5 and the main waveform relay driver 142. It is connected. The main waveform counter/hold circuit 140 controls the oscillation within the transmitter 30. Count the number of pulses received from the NAND gate 118 during each cycle of the device. do. The number of pulses counted during a -cycle of oscillation is a given number (e.g. 3) Once exceeded, the counter indicates that the main waveform 104 was present within the main waveform time gate window 120. A signal is generated at output 146 indicative of .

信号146は主波形出力信号80を発生するリレードライバ142に供給される 。主波形カウンタ/ホールド回路140は、送信器30に接続されたリセット入 力148を備えている。送信器30の各送信サイクルの初めにおいて、送信器3 0はカウンタ/ホールド回路140をリセットするためのリセットパルスを供給 する。ある1サイクル中のパルス数を計数することにより、回路140は主波形 104の誤検出を除去するのに役立つ。Signal 146 is provided to relay driver 142 which generates main waveform output signal 80. . The main waveform counter/hold circuit 140 has a reset input connected to the transmitter 30. It has a power of 148. At the beginning of each transmission cycle of transmitter 30, transmitter 3 0 provides a reset pulse to reset the counter/hold circuit 140 do. By counting the number of pulses during one cycle, the circuit 140 calculates the main waveform. 104 false positives.

前述したように、図6に示されている2番目のパルス群136は、センサのギャ ップ内におけるエコー波形106(図5)を示している。主波形閾値電圧は、増 幅器の出力88に含まれるエコー波形106が主波形カウンタ/ホールド回路1 40への出力126にパルス群を発生しないように調整可能である。しかし、カ ウンタは与えられた数のノくルスるので、これは必要ではない。As previously mentioned, the second group of pulses 136 shown in FIG. The echo waveform 106 (FIG. 5) within the tap is shown. The main waveform threshold voltage increases The echo waveform 106 included in the output 88 of the width converter is sent to the main waveform counter/hold circuit 1. The output 126 to 40 can be adjusted so as not to generate pulse groups. However, This is not necessary, since the counter will count for the given number.

同様に、自己テスト波形検出器の出力132は自己テスト波形積分部78により 積分される。プロ・ツク78はインノ<−タI6、自己テスト波形カウンタ/ホ ールド回路150、および自己テスト波形リレードライバ152を含んでいる。Similarly, the output 132 of the self-test waveform detector is output by the self-test waveform integrator 78. It is integrated. The pro-tsuku78 is equipped with an inputter I6 and a self-test waveform counter/hoter. field circuit 150, and a self-test waveform relay driver 152.

インバータ■6は、NANDゲート114と自己テスト波形カウンタ/ホールド 回路150の間に接続されている。回路150はインバータI6と自己テスト波 形リレードライノく152の間に接続されている。自己テスト波形カウンタ/ホ ールド回路150は、送信サイクルの期間内に、自己テスト波形検出器の出力1 32から受信されるパルス数を計数する。Inverter ■6 is a NAND gate 114 and a self-test waveform counter/hold The circuit 150 is connected between the circuits 150 and 150. Circuit 150 includes inverter I6 and self test wave The type relay is connected between the rhino 152. Self-test waveform counter/home The field circuit 150 outputs the output 1 of the self-test waveform detector during the transmit cycle. Count the number of pulses received from 32.

計数されたパルス数が与えられた数(例えば3)を超えると、回路150は自己 テスト波形リレードライノく回路152に出力信号154を送出する。自己テス ト波形リレードライノく152は、自己テスト波形時間ゲート窓116内におけ る自己テスト波形102の存在あるいは不存在を示す自己テスト波形出力82を 発生する。自己テスト波形カウンタ/ホールド回路150は、送信器30に接続 されたリセット人力156を備えている。各送信サイクルの初めにおいて、回路 150は送信器30からのリセットパルスによってリセットされる。If the number of pulses counted exceeds a given number (e.g. 3), circuit 150 self-activates. An output signal 154 is sent to the test waveform relay circuit 152. self test The self-test waveform relay node 152 has a self-test waveform within the time gate window 116. The self-test waveform output 82 indicates the presence or absence of the self-test waveform 102. Occur. A self-test waveform counter/hold circuit 150 is connected to the transmitter 30. It is equipped with a reset manual power 156. At the beginning of each transmit cycle, the circuit 150 is reset by a reset pulse from transmitter 30.

主波形出力信号80はセンサ10のギヤツブ20内部の液体の存在あるいは不存 在を示している。この発明の時間ゲート超音波センサは、タンク内の液体の液面 が特定の位置まで上昇したことを検出するために使用し得る。センサ10は前記 特定の位置に配置される。液面が上昇し、ギャップ20が液体で満たされると、 ギャップを通過する超音波信号の速度が増加するので、主波形時間ゲート窓12 0内に、主波形が受信変換器16に到達するようになる。主波形出力信号80は 液体がギャップ20の中にあることを示す。The main waveform output signal 80 indicates the presence or absence of liquid inside the gear 20 of the sensor 10. It shows the presence. The time-gated ultrasonic sensor of this invention detects the level of liquid in a tank. can be used to detect that the object has risen to a specific position. The sensor 10 is placed in a specific position. When the liquid level rises and the gap 20 is filled with liquid, As the speed of the ultrasound signal passing through the gap increases, the main waveform time gate window 12 0, the main waveform reaches the receiving transducer 16. The main waveform output signal 80 is It shows that liquid is in the gap 20.

物質を通過する超音波信号の所要時間はその物質の密度に関係するので、時間ゲ ート構成は液面の高さと密度を同時にa1定することが可能である。密度のnj 定は、物質を通過する信号速度に基づき、物質の密度を反映した伝達時間を測定 することによって行われる。典型的には、密度を測定する時には、AGC(自動 利得制御)を使用して主波形の振幅が制御される。もし、2つの物質の密度が判 っていれば、センサは信号速度の変化に基づいて、ギャップ中の前記2物質の境 界を検出することができる。The time required for an ultrasound signal to pass through a material is related to the density of that material, so The top configuration allows the height and density of the liquid level to be fixed at the same time. Density nj is based on the speed of the signal passing through the material and measures the propagation time, which reflects the density of the material. It is done by doing. Typically, when measuring density, AGC (automatic (gain control) is used to control the amplitude of the main waveform. If the densities of two substances are known, If so, the sensor detects the boundary between the two materials in the gap based on the change in signal velocity. can detect the field.

自己テスト出力82はセンサ10の完全性を示している。Self-test output 82 indicates the integrity of sensor 10.

もしセンサ10が機能していれば、センサのステム18を通過する自己テスト波 形は各送信パルスに伴って常に存在するはずである。このことは幾つかの利点を 存する。ギャップ中にプロセス物質が存在していても、また各変換器を個々にテ ストするための付加的な圧電素子を設けることなく、継続的自己テストを実行す ることができる。従って、より広範囲な応用例に適用させるために、センサ10 の全体のサイズを削減することができる。If the sensor 10 is functional, a self-test wave passes through the stem 18 of the sensor. A shape should always be present with each transmitted pulse. This has several advantages Exists. Even if process material is present in the gap, test each transducer individually. Continuous self-test without the need for additional piezoelectric elements to can be done. Therefore, in order to apply it to a wider range of applications, the sensor 10 The overall size of can be reduced.

更にこの構成は、多くのセンサを個別にというよりは、センサの機能全体をテス トする。センサ本体は、より大きな機械的完全性のために、より厚いステムを用 いて製作することができる。従来例の発振器タイプのセンサのように、ステム中 を通過する信号強度の限界は存在しない。ステムを通過する信号が大きな振幅を 持つならば、これは性能を損なうというよりはむしろ改善する。Furthermore, this configuration allows you to test the entire sensor functionality rather than many sensors individually. to The sensor body uses a thicker stem for greater mechanical integrity. It can be manufactured using Like conventional oscillator type sensors, There is no limit to the signal strength that can pass through. The signal passing through the stem has a large amplitude. If present, this improves rather than detracts from performance.

各センサ間に漏話(クロストーク)がないので、多点センサにおいて、検出点を お互いにより接近して配置することができる。超音波信号の振幅は約1ミリ秒以 内に意味のないレベルにまで減少する。ポイント毎の必要配線数がより少なく、 またステムを機械的により強く作成可能であるので、より多くの検出ポイントを 設けることができる。配線数がより少ないのは、自己テスト用の付加的な圧電素 子がもはや必要ないためである。Since there is no crosstalk between each sensor, the detection point can be They can be placed closer together. The amplitude of the ultrasound signal is approximately 1 millisecond or less. internally reduced to a meaningless level. The number of wires required per point is smaller, Additionally, the stem can be made mechanically stronger, allowing for more detection points. can be provided. Fewer wires required for additional piezo elements for self-testing This is because the child is no longer needed.

ただ1つの変換器を用いることにより、同じ性能を達成することができる。この 実施例においては、測定される超音波信号はギャップの変換器とは反対側の表面 からの反射波である。例えば、図7は、本発明による単一変換器センサの断面図 である。センサ160は、本体162、ブリッジ部材164、反射器166、変 換器168およびギャップ170を含んでいる。変換器168は、反射器166 に向けてギャップ170を通過する入射波172を送信する。反射波174は、 反射器166からギャップ170を通過して変換器168に戻ってくる。反射器 166は、そのギャップ170に接する表面が圧電素子168に戻る反射波17 4を集束するように構成されている。図7に示される実施例においては、表面は 圧電素子168に戻る反射波174を集束するために、機械加工された正確な曲 率の凹面である。しかし、反射器166はほぼ平らな表面でもよい。The same performance can be achieved using just one transducer. this In an embodiment, the ultrasonic signal to be measured is on the opposite surface of the gap from the transducer. It is a reflected wave from For example, FIG. 7 is a cross-sectional view of a single transducer sensor according to the present invention. It is. The sensor 160 includes a main body 162, a bridge member 164, a reflector 166, and a variable 168 and a gap 170. Transducer 168 includes reflector 166 An incident wave 172 passing through a gap 170 is transmitted toward the . The reflected wave 174 is From reflector 166 it passes through gap 170 and returns to transducer 168. reflector 166 is a reflected wave 17 whose surface in contact with the gap 170 returns to the piezoelectric element 168. It is configured to focus 4. In the embodiment shown in FIG. 7, the surface is A precision curve is machined to focus the reflected wave 174 back onto the piezoelectric element 168. The rate is concave. However, reflector 166 may also be a substantially flat surface.

図2に示されている実施例も、超音波を送信し、かつ受信するための単一の送信 素子を持つ構成にすることができる。The embodiment shown in FIG. 2 also uses a single transmitter for transmitting and receiving ultrasound waves. It can be configured to have an element.

この実施例においては、主波形48は変換器40から内径46に沿って伝達し、 壁43から変換器40に向かって反射してくる。自己テスト波形50は壁43に 沿って管あるいは容器44を完全に周回し、変換器40に戻ってくる。In this embodiment, the main waveform 48 is transmitted from the transducer 40 along the inner diameter 46; It is reflected from the wall 43 toward the converter 40. Self-test waveform 50 is placed on wall 43 along the tube or container 44 and back to the transducer 40.

本発明の時間ゲート構成は、センサのステム(あるいは支持壁)の中で発生した ノイズ波形から、主波形の受信を分離するために使用することができる。もし、 センサのステム内で発生された信号が自己テスト機能に使用されないならば、ス テム中の信号はノイズ波形となる。ノイズ波形は、一般的に送信変換器と受信変 換器間の漏話であると見なされる。主波形有効化信号は、主波形信号の振幅に較 べて、ノイズ波形の振幅が十分小さくなる主波形時間ゲート窓の期間にのみ、主 波形の検出を許容する。このことはノイズ波形を除去するための主波形閾値電圧 の設定における大きな余裕(マージン)を与える。従って、ノイズ波形は主波形 に妨害を与えない。The time gate configuration of the present invention allows for It can be used to separate the reception of the main waveform from the noise waveform. if, If the signal generated within the stem of the sensor is not used for self-test functions, the The signal in the system becomes a noise waveform. The noise waveform is generally generated by the transmitter and receive converter. This is considered to be crosstalk between converters. The main waveform enable signal is compared to the amplitude of the main waveform signal. In all cases, the main waveform is activated only during the main waveform time gate window period when the amplitude of the noise waveform is sufficiently small. Allows waveform detection. This means that the main waveform threshold voltage for removing noise waveforms is gives a large margin in the settings. Therefore, the noise waveform is the main waveform do not interfere with

本発明の時間ゲート超音波センサは、実質的に、定義された空間内の物質の物理 的特性を測定する任意の応用例に使用可能である。本発明は好適な実施例につい て記載したが、当業者であれば本発明の技術思想を変更しない範囲で、形状や細 部が変更可能なことがわかるだろう。例えば、増幅器出力88(図4)と閾値電 圧との比較は時間ゲート窓を確定するマイクロプロセッサによって行なわれるよ うにすることもできる。同様の比較を行うために、コンピュータ制御のためのソ フトウェアプログラムも使用できる。DSP (デジタル信号処理)集積回路も 図示された回路の代わりに使用することが出来る。The time-gated ultrasonic sensor of the present invention substantially depends on the physics of matter within a defined space. It can be used in any application that measures physical properties. The present invention relates to a preferred embodiment. However, those skilled in the art will be able to change the shape and details without changing the technical idea of the present invention. You can see that the parts can be changed. For example, amplifier output 88 (Figure 4) and threshold voltage The comparison with the pressure is done by the microprocessor which establishes the time gate window. You can also do this. To make a similar comparison, we Software programs can also be used. DSP (digital signal processing) integrated circuits It can be used in place of the circuit shown.

もし、自己テスト信号の振幅が強すぎて、主時間窓における妨害の原因になるな らば、ステムが不連続部を備えるように加工されてもよい。不連続部は、底部断 面が四角、丸、あるいは三角であり得る環状の溝によって分離された、ステムの 周りに設けられた複数の張り出しくリブ)として形成されてもよい。複数の張り 出しは共振素子として働き、ステムに沿って伝達する信号を吸収する。複数の厚 さの不連続部は、好ましくはそれぞれ4分の1波長の間隔をあけて配置され、ス テムから約半波長延びている。複数の波長からなる波長帯をカバーするために、 同じステム上に設けられた複数の張り出しに、それぞれ異なる寸法をもたせるこ とができる。ステムはセンサの側面に配置されるよりは、センサの中心軸にそっ て配置されてもよい。If the amplitude of the self-test signal is too strong and causes disturbances in the main time window, Alternatively, the stem may be fabricated to include a discontinuity. The discontinuity is the bottom section. of stems separated by annular grooves whose faces may be square, round, or triangular It may also be formed as a plurality of overhanging ribs provided around the periphery. multiple tensions The stem acts as a resonant element, absorbing signals traveling along the stem. multiple thicknesses The discontinuities are preferably each spaced a quarter wavelength apart and It extends about half a wavelength from TEM. In order to cover a wavelength band consisting of multiple wavelengths, Multiple overhangs on the same stem can each have different dimensions. I can do it. The stem should be placed along the center axis of the sensor rather than on the side of the sensor. It may be arranged as follows.

タ r、ゎ 報Ta r, wa news

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.定義された空間に概ね隣接した支持部材に取り付けられた変換手段を有する 超音波センサを用意する段階と、定義された空間内部に主波形を有する超音波信 号を発生するための変換手段へパルスを印加する段階と、信号が定義された空間 を通過してきた後に、変換手段によって超音波信号を受信する段階と、 主時間窓内に主波形が存在するか否かを検出するために、主時間窓内に受信され た超音波信号を監視する段階と、主時間窓内における主波形の存在の関数として 、定義された空間内の物質の存在を表す出力を発生する段階とを含む、定義され た空間内部に物質が存在するか否かを検出する方法。1. having a conversion means attached to a support member generally adjacent the defined space; The steps of preparing an ultrasonic sensor and preparing an ultrasonic signal having a main waveform inside a defined space. applying a pulse to the conversion means to generate the signal and the space in which the signal is defined; receiving the ultrasonic signal by a converting means after passing through the ultrasonic signal; received within the main time window to detect whether the main waveform exists within the main time window. as a function of the presence of the dominant waveform within the dominant time window. , generating an output representative of the presence of matter within the defined space. A method of detecting whether or not a substance exists inside a space. 2.支持部材と、 支持部材に固定され、ギャップを横切る主波形を含む超音波信号が送信され、受 信されるようにギャップに隣接して配置された変換器手段と、 変換器手段に接続され、受信された超音波信号の中に主波形が存在するか否かを 検出するために、信号の送信に続く主時間窓内における受信超音波信号を監視す る監視手段と、監視手段に接続され、主時間窓内に主波形が存在するか否かの関 数として、ギャップ内の物質の物理的特性を検出するための手段とを含む、 定義されたギャップ内の物質の物理的特性を測定するための超音波センサ。2. a support member; is fixed to a support member and transmits and receives an ultrasonic signal containing a main waveform across the gap. transducer means disposed adjacent to the gap as believed; is connected to a transducer means to determine whether a main waveform is present in the received ultrasound signal. In order to detect a monitoring means that is connected to the monitoring means and that determines whether or not the main waveform exists within the main time window; and a means for detecting physical properties of the material within the gap. Ultrasonic sensor for measuring physical properties of materials within a defined gap. 3.変換器手段に接続され、変換器手段を励起し、変換器手段に主波形を発生さ せる送信パルスを周期的に発生する発振器をさらに含む、請求項2に記載の超音 波センサ。3. connected to the transducer means for exciting the transducer means and generating a main waveform in the transducer means; The ultrasonic device according to claim 2, further comprising an oscillator that periodically generates a transmission pulse that causes wave sensor. 4.監視手段が、 主波形閾値レベルを発生する閾値発生器と、閾値発生器と受信された超音波信号 に接続され、受信された超音波信号の振幅と主波形閾値レベルとの比較を表す比 較出力を発生し、受信した信号の振幅が主波形閾値レベルを超えるたびに比較出 力にパルスを出力する比較器と、比較出力に接続され、主時間窓内において比較 出力中のパルス数を計数し、計数されたパルス数の関数として、主時間窓内にお ける主波形の存在を示す主波形出力信号を発生するカウンタと、 発振器とカウンタの間に接続され、各送信パルスの入力に基づき、カウンタをリ セットするリセット回路とを含む、請求項3に記載の超音波センサ。4. The monitoring means a threshold generator for generating a main waveform threshold level; a threshold generator and a received ultrasound signal; a ratio representing the comparison between the amplitude of the received ultrasound signal and the main waveform threshold level. generates a comparison output each time the amplitude of the received signal exceeds the main waveform threshold level. A comparator that outputs a pulse to the power and a comparison output that is connected to the comparison output and compares within the main time window. Count the number of pulses being output and calculate the number of pulses within the main time window as a function of the number of pulses counted. a counter that generates a main waveform output signal indicating the presence of a main waveform to be detected; Connected between the oscillator and the counter and resets the counter based on the input of each transmitted pulse. The ultrasonic sensor according to claim 3, further comprising a reset circuit for setting the ultrasonic sensor. 5.発振器と監視手段の間に接続され、送信パルスを受信し、主時間窓を含む選 択された時間窓内のみにおいて超音波信号を監視するために、監視のための手段 を有効化する有効化信号を発生するための時間ゲート発生手段をさらに含む、請 求項3に記載の超音波センサ。5. connected between the oscillator and the monitoring means to receive the transmitted pulses and to select the main time window. means for monitoring, in order to monitor the ultrasound signals only within selected time windows; The claimed invention further includes time gate generation means for generating an enabling signal to enable the The ultrasonic sensor according to claim 3. 6.時間ゲート発生手段が、送信パルスの受信に続く、第1の予め選択された時 間の後にアクティブになり、主時間窓の間アクティブである主波形有効化信号を 発生し、前記主波形有効化信号は、有効化信号が主時間窓の間アクティブである 時にのみ、受信された超音波信号が監視されるように監視手段に接続された、請 求項5に記載の超音波センサ。6. The time gating means is arranged at a first preselected time following reception of the transmit pulse. The main waveform enable signal is active after the main time window and is active during the main time window. and the main waveform enable signal is active during the main time window. only when the received ultrasonic signal is connected to a monitoring means, The ultrasonic sensor according to claim 5. 7.時間ゲート発生手段は、第1のRC時定数の関数として、主波形有効化信号 を発生する第1のRC回路を含む、請求項6に記載の超音波センサ。7. The time gating means generates a main waveform enable signal as a function of the first RC time constant. 7. The ultrasonic sensor according to claim 6, comprising a first RC circuit that generates. 8.変換手段が、支持部材を通過する自己テスト波形を伴う超音波信号を送信お よび受信し、センサはさらに、受信された超音波信号を監視して自己テスト波形 が自己テスト時間窓内に存在するか否かを検出するための手段を含み、自己テス ト波形の監視のための手段は、変換器手段と時間ゲート発生手段の間に接続され た、請求項5に記載の超音波センサ。8. The transducing means transmits and transmits an ultrasonic signal with a self-test waveform that passes through the support member. The sensor also monitors the received ultrasound signals to generate a self-test waveform. is within the self-test time window; means for monitoring the gate waveform are connected between the converter means and the time gate generation means; Additionally, the ultrasonic sensor according to claim 5. 9.自己テスト波形の監視のための手段が、自己テスト波形閾値レベルを発生す る閾値発生器と、受信された超音波信号の振幅と自己テスト波形閾値レベルとの 比較結果を表わす比較出力を生成するように、閾値発生器および受信された超音 波信号に接続され、受信信号の振幅が自己テスト波形閾値レベルを超えるたびに 比較出力にパルスを出力する比較器と、 比較出力に接続され、自己テスト時間窓内における比較出力中のパルス数を計数 し、計数されたパルス数の関数として、自己テスト時間窓内におけるテスト波形 の存在を示すテスト波形出力信号を発生するカウンタと、 、発振器とカウンタの間に接続され、各送信パルスの受信に基づいてカウンタを リセットするリセット回路とを含む、請求項8に記載の超音波センサ。9. The means for monitoring the self-test waveform generates a self-test waveform threshold level. a threshold generator and a self-test waveform threshold level between the amplitude of the received ultrasound signal and the self-test waveform threshold level. a threshold generator and the received ultrasound to generate a comparison output representative of the comparison results; wave signal, and whenever the amplitude of the received signal exceeds the self-test waveform threshold level a comparator that outputs a pulse to the comparison output; Connected to the comparison output and counts the number of pulses in the comparison output within the self-test time window and the test waveform within the self-test time window as a function of the number of pulses counted. a counter that generates a test waveform output signal indicating the presence of the , is connected between the oscillator and the counter, and based on the reception of each transmitted pulse the counter The ultrasonic sensor according to claim 8, further comprising a reset circuit for resetting the ultrasonic sensor. 10.ギャップを通過する主波形および支持部材を通過する自己テスト波形を含 む超音波信号を発生させるための送信変換器手段へパルスを印加する段階、主お よび自己テスト波形がギャップおよび支持部材をそれぞれ通過した後に、変換器 手段によって超音波信号を受信する段階、 時間窓内における自己テスト波形の存在を検出するために、予め定められた自己 テスト時間窓内における受信波形を監視する段階、および 自己テスト時間窓内における自己テスト波形の存在の関数として、センサの完全 性を表す自己テスト出力を発生する段階を含む、 定義されたギャップに概ね隣接した支持部材に固定された変換器手段を持つ超音 波センサの完全性をテストする方法。10. Includes a main waveform passing through the gap and a self-test waveform passing through the support member. applying a pulse to the transmitting transducer means for generating an ultrasonic signal and self-test waveforms pass through the gap and support member, respectively. receiving the ultrasound signal by means; A predetermined self-test waveform is used to detect the presence of a self-test waveform within a time window. monitoring the received waveform within the test time window; The completeness of the sensor as a function of the presence of the self-test waveform within the self-test time window. generating a self-test output representative of the Ultrasound with transducer means fixed to a support member generally adjacent a defined gap How to test the integrity of a wave sensor.
JP5503583A 1991-07-29 1992-07-16 Time-gated ultrasonic sensor and measurement method Pending JPH07501138A (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US73718091A 1991-07-29 1991-07-29
US737,180 1991-07-29
PCT/US1992/005892 WO1993003340A1 (en) 1991-07-29 1992-07-16 Time gate ultrasonic sensor and method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07501138A true JPH07501138A (en) 1995-02-02

Family

ID=24962893

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5503583A Pending JPH07501138A (en) 1991-07-29 1992-07-16 Time-gated ultrasonic sensor and measurement method

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP0596966A4 (en)
JP (1) JPH07501138A (en)
CN (1) CN1045658C (en)
AU (1) AU2373192A (en)
WO (1) WO1993003340A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001272266A (en) * 2000-03-27 2001-10-05 Ricoh Elemex Corp Ultrasonic level gauge

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5428984A (en) * 1993-08-30 1995-07-04 Kay-Ray/Sensall, Inc. Self test apparatus for ultrasonic sensor
US5452611A (en) * 1993-12-09 1995-09-26 Kay-Ray/Sensall, Inc. Ultrasonic level instrument with dual frequency operation
US5735166A (en) * 1994-12-12 1998-04-07 Cosense, Inc. Ultrasonic micro-sensor for level leak alert and interface detector
FI97829C (en) * 1995-06-07 1997-02-25 Acutest Oy Measurement method and equipment for determining interfaces
EP2976633B1 (en) * 2013-03-18 2021-08-04 Aktiebolaget SKF Sensor self-test
CN104931580A (en) * 2015-06-01 2015-09-23 北京哈特凯尔医疗科技有限公司 Detecting system of air in liquid media
CN105137436B (en) * 2015-08-31 2019-01-04 湖南汇博电子科技股份有限公司 Passageway for fire apparatus checks system and method
CN105157790A (en) * 2015-10-26 2015-12-16 天津商业大学 Aided non-full-pipe detection device for electromagnetic flowmeter
CN107561157B (en) * 2016-06-30 2023-08-04 重庆医科大学 Water quality detector and method thereof
CN106768185A (en) * 2016-12-14 2017-05-31 金陵科技学院 Oil tank Interface detection device and method based on ultrasonic velocity and liquid medium resistance
EP3486619A1 (en) * 2017-11-17 2019-05-22 Hochschule für angewandte Wissenschaften Fachhochschule Coburg Device and method for detecting deposition layers in a conduit conducting a liquid or a soft medium and/or for level detection
CN112985545A (en) * 2019-12-17 2021-06-18 西安定华电子股份有限公司 External liquid level measuring switch and external liquid level measuring method

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4131872A (en) * 1975-12-15 1978-12-26 Matsushita Electric Works, Ltd. Ultrasonic wave echo-type switch
GB1578031A (en) * 1977-03-18 1980-10-29 Ici Ltd Method and apparatus for testing liquids
DE2753472A1 (en) * 1977-11-28 1979-05-31 Mannesmann Ag PROCEDURE FOR AUTOMATIC SELF-MONITORING OF NON-DESTRUCTION-FREE TESTING SYSTEMS
US4482889A (en) * 1980-11-14 1984-11-13 Nippondenso Co., Ltd. Device for detecting failure of ultrasonic apparatus
NO150532C (en) * 1981-05-22 1984-10-31 Bjoern R Hope DEVICE FOR LEVELS.
US4459689A (en) * 1981-12-28 1984-07-10 Polaroid Corporation Multiple zone object detection system
US4630245A (en) * 1983-07-15 1986-12-16 Introtek Corporation Non-contacting liquid level detection system
US4787240A (en) * 1987-08-31 1988-11-29 Westinghouse Electric Corp. Liquid measurement arrangement
US4909080A (en) * 1987-10-31 1990-03-20 Toyoda Gosei Co., Ltd. Ultrasonic level gauge
FR2650080B1 (en) * 1989-07-20 1991-11-08 Materiel Auxil Signalisat Cont DETECTOR FOR THE PRESENCE OF A COMPOSITE GUIDE OF ELASTIC WAVES

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001272266A (en) * 2000-03-27 2001-10-05 Ricoh Elemex Corp Ultrasonic level gauge

Also Published As

Publication number Publication date
AU2373192A (en) 1993-03-02
EP0596966A1 (en) 1994-05-18
EP0596966A4 (en) 1994-09-21
WO1993003340A1 (en) 1993-02-18
CN1045658C (en) 1999-10-13
CN1069123A (en) 1993-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5269188A (en) Continuous self test time gate ultrasonic sensor and method
US4607520A (en) Method and apparatus for detecting discontinuities in a fluid stream
US5437178A (en) Controller for ultrasonic sensors
US4144517A (en) Single transducer liquid level detector
EP0713080B1 (en) Method and device for measuring with sing-around technique
US6631639B1 (en) System and method of non-invasive discreet, continuous and multi-point level liquid sensing using flexural waves
US4170765A (en) Liquid level sensor
US4910717A (en) Apparatus for measuring distances
US5335545A (en) Ultrasonic detector with frequency matching
US5214966A (en) Method and apparatus for measuring mass flow
CA1123946A (en) Ultrasonic transducer with reference reflector
US4630245A (en) Non-contacting liquid level detection system
US5568449A (en) Methods and apparatus for use in ultrasonic ranging
US9170240B2 (en) Ultrasonic particle measuring system
JPH07501138A (en) Time-gated ultrasonic sensor and measurement method
US3715709A (en) Sing-around velocimeter
US7395711B2 (en) System and technique for characterizing fluids using ultrasonic diffraction grating spectroscopy
US5155472A (en) Contact type liquid level sensing system
US8919193B2 (en) Ultrasonic liquid level detector
US3595069A (en) Ultrasonic sensing system
US6832516B1 (en) Integral ultrasonic liquid level continuous transmitter with independent high-level discrete alarm point level
US2888824A (en) Ultrasonic thickness gauge
US4212201A (en) Ultrasonic sensor
WO1999057527A1 (en) Method and instrument for level measurements
GB2284053A (en) Detecting presence or absence of liquid in a vessel