JPH0783726A

JPH0783726A - 容積計

Info

Publication number: JPH0783726A
Application number: JP23161593A
Authority: JP
Inventors: Masanori Imanishi; 正則今西; Masanobu Sakai; 政信酒井; Yoshiaki Tose; 義明東瀬
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】共振器内に不均一温度分布が存在するときで
も、その影響を除去することができる精度の高い音響式
容積計を提供する。【構成】音響管１の一端に被測定物となる容器２を接続
して形成されるヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を測定
し、かつ、上記音響管１の他端の近傍に超音波センサを
取り付けて音速に関連する物理量を測定し、両測定量か
ら容器２の容積を求めるように設定した構成。共鳴器内
に不均一温度分布が存在するときでも、両測定量は同じ
平均温度の関数であるから、不均一温度の影響を除いた
精度の高い容積計を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、音響共振器の共振周
波数から被測定物容器の容積を求める音響式の容積計に
関し、特に共振器内に不均一な温度分布が存在すると
き、その影響を除去することができる高精度容積計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の容積計としては、特開昭６３−４
４１２７号公報に記載ものがある。特開昭６３−４４１
２７号公報の内容は、容器に音響管を接続して得られる
ヘルムホルツ共鳴器に補助音響共振器を音響的に結合す
るか、あるいは上記音響管を補助音響共振器として兼用
することにより構成される音響系において、上記ヘルム
ホルツ共鳴器の共振周波数ｆ₁と上記補助音響共振器の
共振周波数ｆ₂との比より、温度や湿度の変化によって
生ずる共振周波数変化の影響を補正し、上記容器の容積
を求めるというものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
容積計の場合、特開昭６３−４４１２７号公報にあって
は、上記共鳴器の内部の温度が均一でない場合（温度分
布が発生した場合）、２つの共振周波数ｆ₁、ｆ₂より容
積を決定するには、測定誤差を生じるという問題点があ
った。ヘルムホルツ共鳴器においては、その振動は下記
（数１）式にしたがう運動方程式で記述される。Ｍ（ｄ²ξ／ｄｔ²）＋Ｒ（ｄξ／ｄｔ）＋ｋξ＝Ｆ₀ｅｘｐ（２πｊｆｔ） …（数１）式ここでＭは慣性質量、Ｒは音響抵抗、ｋはスティフネ
ス、ξは変位、Ｆ₀は音源に起因する振動を起こす力の
振幅、ｆは振動数であり、下記（数２）式に示す振動解
が得られる。 ξ＝Ｆ₀ｅｘｐ（２πｊｆｔ）／（２πｊｆＲ＋ｋ−４π²ｆ²Ｍ） …（数２）式また、共鳴振動数ｆ₁はξが最大値をとるｆ₁＝（１／２π）√（ｋ／Ｍ） …（数３）式で与えられる。（数１）式において被測定物容器内の空
気が振動の復元力の作用をし、スティフネスｋは下記
（数４）式で与えられる。ｋ＝ρ₁ｃ₁ ²Ｓ²／Ｖ …（数４）ここでρ₁は被測定物容器内空気の密度、ｃ₁は被測定物
容器の空気中の音速、Ｖは被測定物容器の容積、Ｓは音
響管の断面積である。また音響管内の空気が慣性質量Ｍ
の作用をすることから、音響管内空気の密度をρ₂、音
響管の長さをＬとするとＭ＝ρ₂ＳＬ …（数５）の関係が与えられるから共鳴振動数はｆ₁＝（ｃ₁／２π）√｛（ρ₁／ρ₂）（Ｓ／ＬＶ）｝＝（ｃ₀／２π）√（Ｓ／ＬＶ） …（数６）で表される。ｃ₀は被測定物容器内の温度と音響管内の
温度に関係する音速である。ヘルムホルツ共鳴器の共振
モデルによれば、ヘルムホルツ共鳴は、音響管内の質量
Ｍの空気全体が一体となって振動することから、（数
５）式のρ₂は場所ｘの関数とは考えず、一定と見做す
ことができる。音波の波長が音響管の長さに比べてはる
かに大きい低周波の音波では共鳴器全体にわたっての平
均音速ｃ₀で決定される周波数を持つ。一方、音響管の
共鳴は定在波で、この共振周波数ｆ₂はｆ₂＝ｃ₂／（２Ｌ） …（数７）で与えられる。波長は音響管の長さのほぼ２倍にあた
り、管長方向に対する分布定数系と考えることができ
る。音速は一般にｃ＝√（γＰ／ρ）＝√（γＲＴ／μ） …（数８）（γ：比熱比、ρ：密度、Ｐ：圧力、Ｒ：気体定数、
Ｔ：温度、μ：１モルの質量）と表され、音響管内に温
度分布があれば、（数７）式のｆ₂を決定する音速ｃ₂は
場所の関数となり、音響管全長にわたって平均した値を
とらなければならない。従来の技術では（数６）式にお
ける音速ｃ₀と（数７）式における音速ｃ₂は等しいとし
て音速を消去して容積を求めていた。しかしながら、
（数６）式、（数７）式は近似式であり、共振周波数を
求める多くの実験では、（数７）式の音速ｃ₂を決定す
る温度と、（数６）式の音速ｃ₀を決定する温度とはか
ならずしも同じではなく、音速は一致しないという問題
があった。この温度分布は、周囲温度Ｔ₁とは異なる温
度Ｔ₂の被測定物容器を測定する場合や、周囲温度Ｔ₁に
なじんでいる共鳴器全体を、異なる温度Ｔ₂の場所へ移
動し測定する場合などに発生し、かつ共鳴器内部の「温
度分布の発生のしかた」はそれぞれの状況により異なっ
ている。本発明は、上記のごとき問題を解決するために
なされたものであり、共振器内に不均一温度分布が存在
するときでも、その影響を除去することができる精度の
高い音響式容積計を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明においては、温度補償のための音響管の共鳴振
動数測定の代わりに、別の手段によって測定した共鳴器
内の平均温度、もしくは平均音速を用いて温度補償を行
なうように構成したものである。すなわち請求項１に記
載された発明の音響式容積計は音響管の一端に被測定物
となる容器を接続して得られるヘルムホルツ共鳴器と、
上記音響管の他端の近傍に上記共鳴器の内部へ送信する
ような方向に取り付けられた超音波センサと、上記共鳴
器に音響的に結合された少なくとも１つの音源およびマ
イクロホンと、上記共鳴器の共振周波数を測定する手段
と、上記超音波センサを用いて音速に関連する物理量を
測定する手段と、上記共振周波数と上記音速に関連する
物理量とを用いて上記被測定物となる容器の容積を求め
る演算制御手段とを具備している。また請求項２に記載
された発明の音響式容積計は、音響管の両端に被測定物
となる第１の容器と他の第２の容器を接続して構成され
る音響共振器と、上記第２の容器側の音響管の端の近傍
に、第１の容器の内部へ送信するような方向に取り付け
られた超音波センサと、上記音響共振器に音響的に結合
された少なくとも１つの音源およびマイクロホンと、上
記音響共振器の共振周波数を測定する手段と、上記超音
波センサを用いて音速に関連する物理量を測定する手段
と、上記共振周波数と上記音速に関連する物理量とを用
いて上記被測定物となる第１の容器の容積を求める演算
制御手段とを具備している。また請求項３に記載された
発明の音響式容積計は、音響管の一端に被測定物となる
容器を接続して得られるヘルムホルツ共鳴器と、上記ヘ
ルムホルツ共鳴器に音響的に結合された少なくとも１つ
の音源およびマイクロホンと、上記共鳴器の共振周波数
を測定する手段と、上記共鳴器内部の空気の温度を検出
する温度検出手段と、上記共振周波数と上記共鳴器内部
の空気の温度を用いて上記被測定物となる容器の容積を
求める演算制御手段とを備えている。また請求項４に記
載された発明の音響式容積計は、音響管の両端に被測定
物となる第１の容器と他の第２の容器を接続して構成さ
れる音響共振器と、上記音響共振器に音響的に結合され
た少なくとも１つの音源およびマイクロホンと、上記音
響共振器の共振周波数を測定する手段と、上記共振器内
部の空気の温度を検出する温度検出手段と、上記共振周
波数と上記共振器内部の空気の温度を用いて上記被測定
物となる第１の容器の容積を求める演算制御手段とを備
えている。

【０００５】

【作用】上記のように、ヘルムホルツ共鳴器の温度が一
様でない場合、共振周波数は共鳴器内の平均温度に関係
する。本発明はヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を測定
するとともに、共鳴器の内部の平均温度に関係する超音
波の反射時間を測定し、両測定値を用いて温度補償を行
なう、という構成になっているので、精度の高い容積測
定を行なうことができる。つまり、超音波を共鳴器内部
へ音響管の方向に送信し容器の底からの反射波を受信し
たとき、この超音波の音速は、超音波が通過してきた空
気の温度状態で決定され、またその反射時間には、通過
してきた空間の２次元的な温度情報を持っていることに
なる。例えば共鳴器内部の温度が均一でない場合（温度
分布が発生している場合）、その超音波の音速は温度分
布に応じて変化するので、その送信から受信までの時間
（反射時間）と距離とから求まる音速は、超音波が通過
してきた共鳴器内部の空気の平均温度によって決定され
る。ゆえに、この音速を用いて温度補償すれば、ヘルム
ホルツ共鳴における音速を決定する温度とほぼ同一と見
做せるので測定誤差を低減することができる。同様に上
記共鳴器の共振周波数を測定するとともに音響管内部の
温度分布を測定し、例えば絶対平均温度から共振周波数
に関係する音速を求めるという構成になっているので、
温度補償を行なった精度の高い容積測定が可能である。

【０００６】

【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。（実施例１）図１は本発明の第１の実施例図であり、
（ａ）は断面図、（ｂ）は超音波センサ６の取付け部の
詳細を示す斜視図である。この実施例は、例えば請求項
１に記載の発明に相当し、共鳴器内部の平均温度に関係
する共振周波数を測定し、同様に上記共鳴器内部の平均
温度に関係する超音波の反射時間を測定し、両測定値を
用いて温度補償を行なう、という構成になっている。ま
ず構成を説明すると、長さＬ、内部断面積Ｓなる音響管
１の一端に、空のときの容積がＶの被測定物容器２を接
続することにより、ヘルムホルツ共鳴器を構成する。４
は音源で、上記共鳴器内部の空気を音響的に駆動する。
５はマイクロホンで、上記共鳴器内部の音圧を検出す
る。蓋３には、上記音響管１、音源４、マイクロホン５
が取り付けられており、また、蓋３は容器２内部を（音
響管１を除く部分で）完全に密閉する。６は超音波セン
サであり、音響管端の近傍から共鳴器内部へ送信するよ
うな向きにステイ７によって取り付けられている。ま
た、図１（ｂ）に示すように、超音波センサ６は、音響
管１の空気の出入りの妨げにならない、つまりヘルムホ
ルツ共鳴の抵抗とならないよう取り付けられている。８
は測距センサであり、音響管１と蓋３の接続部から容器
２の底までの距離ｄ₁を測定する。次に、演算制御部１
５の構成を説明する。１０は発振器であり、この出力信
号Ｅｓ（ｔ）は、音源用アンプ１１を介し音源４を駆動
するとともに、ＦＦＴアナライザ９に入力する。１２は
マイクロホン用アンプであり、ここでマイクロホン出力
信号Ｅｍ（ｔ）は適当なレベルに増幅され、ＦＦＴアナ
ライザ９に入力する。１８は測距センサ用回路、１９
は超音波センサ用回路である。１３はＣＰＵであり、Ｆ
ＦＴアナライザ９、発振器１０、メモリ１６、超音波セ
ンサ用回路１９等の動作を制御し、また、測定値を入力
して所定の演算を行ない、その結果を出力装置１４（例
えば表示装置、プリンタなど）に出力する。１７は測定
スイッチであり、ＣＰＵ１３へ測定動作の開始（ＯＮ）
／停止（ＯＦＦ）を指示する。

【０００７】次に上記実施例の作用を図２のフローチャ
ートにしたがって説明する。まず、上記ヘルムホルツ共
鳴器の共振周波数は、次のような手順で求められる。
図２のＳ１〜Ｓ５に示すように、測定スイッチ１７がＯ
Ｎされると、ＣＰＵ１３は測定動作に入る。ＣＰＵ１３
の指令により、発振器１０が周波数特性の平坦な信号、
例えば正弦波合成波やホワイトノイズといった信号Ｅｓ
（ｔ）を発振し、音源用アンプ１１を介し音源４を駆動
する。この音源４が、音響管１と容器２とで構成される
ヘルムホルツ共鳴器の入力となり、前記（数６）式で表
わされる周波数で共鳴する。ｆ₁＝（ｃ₀／２π）√（Ｓ／ＬＶ） …（数６）ここでｆ₁はヘルムホルツ共鳴器の共振周波数、ｃ₀は被
測定物容器内の温度と音響管内の温度に関係する音速で
ある。このときの上記共鳴器内部の音圧はマイクロホン
５で検出され、さらに、このマイクロホン出力信号Ｅｍ
（ｔ）はマイクロホン用アンプ１２を介しＦＦＴアナラ
イザ９に入力される。ＦＦＴアナライザ９は、ＣＰＵ１
３の指令を受けて、音源への信号Ｅｓ（ｔ）を入力、マ
イクロホン出力信号Ｅｍ（ｔ）を出力とする伝達関数を
演算する。ＣＰＵ１３は、この演算が終了すると発振器
１０の発振を停止させる。ここまでのＦＦＴアナライザ
９、発振器１０の動作は、ＣＰＵ１３からの信号に同期
して行われている。このようにして求めた伝達関数は、
図３に示すように共振周波数ｆ₁において、振幅特性｜
Ｈ｜ではピーク、位相特性∠Ｈでは反転する特性とな
る。したがって図２のＳ６では、ＣＰＵ１３が、この伝
達関数データを取り込み、振幅特性がピークとなる周波
数から共振周波数ｆ₁を決定する。または位相特性が、
あらかじめ実験等で求めておいた共振点での位相φをと
る周波数から共振周波数ｆ₁を決定する。そしてＳ７
で、ＣＰＵ１３は、この共振周波数ｆ₁をメモリ１６に
記憶する。一方、Ｓ８〜Ｓ１１に示すように、上記伝達
関数の測定と同時に、超音波センサ６を用いて、超音波
を送信してから反射波を受信するまでの時間ｔを測定す
る。図４は、超音波センサ用回路１９のブロック線図で
あり、コントロール回路２０、送信回路２１、受信回路
２２、スイッチ２３によって構成されている。

【０００８】この測定を遂行する超音波センサ用回路１
９の動作のタイミングチャートを図５に示す。まずＣＰ
Ｕ１３からの指令信号（ｂ）を受けて、コントロール回
路２０は、送信回路２１が超音波センサ６と接続するよ
うスイッチ２３切替信号（ｃ）を発生する。これによっ
て超音波センサ６は送信用素子として働く。次にコント
ロ−ル回路２０は、超音波を送信してから反射波を受信
するまでの時間（反射時間）ｔに比べて十分短いパルス
幅Δｔのパスル（ｄ）を送信回路２１へ送る。送信回路
２１は、このパルスΔｔの間だけ超音波センサ６へ発振
周波数電圧を印加し、超音波（ｅ）が上記共鳴器内部へ
送信される。コントロール回路２０はこの超音波が送信
されるとすぐに、受信回路２２が超音波センサ６と接続
するようにスイッチ２３を切り替え（信号（ｃ））、こ
れによって超音波センサ６は受信用素子として働く。送
信された超音波は、容器２の底で反射し超音波センサ６
で受信され、受信回路２２で適当なレベルまで増幅さ
れ、さらにパルス状に波形整形され（信号（ｆ））、コ
ントロール回路２０へ出力される。この受信信号（ｆ）
には容器２の底からの反射波と他の部分からの反射波を
含んでいるから、ＣＰＵ１３からの指令によりマスク処
理を行ない（信号（ｇ））、容器２の底からの反射波を
選び出している。かくしてコントロール回路２０は、こ
の送・受信パルス（ｈ）間の反射時間ｔをカウントし、
その値をＣＰＵ１３が読み込みメモリ１６に記憶する。
この超音波の音速と反射時間の間には次式が成り立つ。ｃ₀＝２ｄ／ｔ …（数９）ここでｄは超音波センサ６から容器２の底までの距離、
ｔは超音波の反射時間、ｃ₀は音響管と容器内をわたっ
ての平均音速であり、（数６）式の音速とほぼ等しいと
見做すことができる。また使用する超音波の波長が共振
器の寸法に比べてはるかに小さいことが必須条件であ
る。これらの動作はすべて、ＣＰＵ１３のシステムクロ
ック（ａ）に同期して行なわれている。また、容器２の
底からの反射波と他の反射波を区別するマスク処理のタ
イミングや超音波の送信／受信の切り替えタイミング等
は、あらかじめ実験や計算から決定すればよい。また本
実施例では、超音波センサ６を送信／受信兼用として使
用しているが、送信／受信それぞれ専用のセンサを２つ
用いてもよい。この場合、スイッチ２３およびそれに伴
うスイッチ切り替え処理が不要となる。もし、超音波セ
ンサ６から容器２の底までの距離ｄが、被測定物である
容器２によって大きく異なる場合には、測距センサ８を
用いて音響管１の接続部から容器２の底までの距離（容
器２の深さ）ｄ₁を測定すればよい。ｄ₂は一定の長さな
ので、ｄ＝ｄ₁＋ｄ₂ …（数１０）よりｄは求められる。被測定物の深さｄ₁の違いが微小
な場合は、距離ｄはほぼ一定値となるため測距センサ８
および測距センサ用回路１８は省略できる。すでに述べ
たように伝達関数の測定と反射時間の測定は同時に行な
われているから、（数６）式における音速と（数９）式
における音速は同じ温度分布のもとで求められ、同じ平
均温度に対応する速度であるから、上記（数６）式と
（数９）式からｃ₀を消去すれば、Ｖ＝（ｄ／π）²（Ｓ／Ｌ）（１／ｔｆ）² …（数１１）となり、共振周波数ｆと超音波の反射時間ｔから、音速
ｃの影響を受けずに容積Ｖが求められる。しかしこの
（数１１）式に適用された（数６）式と（数９）式は理
想的な条件下での理論式であり、実際には、実験的に求
めた定数ａ、ｂを用いたＶ＝ａ（１／ｔｆ）²＋ｂ …（数１２）なる計算式を用いてもよい。したがって図２のＳ１２で
は、ＣＰＵ１３は（数１２）式を用いて容器２の容積Ｖ
を求め、Ｓ１３で、その結果を出力装置１４に出力す
る。なお、上記共振周波数の測定方法、超音波の反射時
間の測定方法および容積計算式は、本実施例に限定され
るものではない。

【０００９】（実施例２）図６は、本発明の第２の実施
例の断面図である。この実施例は、例えば請求項２の発
明に相当する。構成を説明すると、長さＬ、内部断面積
Ｓなる音響管１に、空のときの容積がＶの被測定物とな
る容器２を接続して得られるヘルムホルツ共鳴器に、さ
らに、上記音響管１の他端に他の容器２４（容積Ｖ₀）
を音響的に接続して外部とは閉じた空間を持つ音響共振
器を構成する。また、音源４、マイクロホン５等の配線
は、端子２５で外部へ導き出され、演算制御手段１５に
接続される。２６は固定用ネジであり、容器２４と蓋３
が一体となるよう固定され、これを被測定物である容器
２に置くことによって内部を密閉し、上記音響共振器を
構成する。その他の構成は、実施例１の構成（図１）と
同じなので、説明は省く。ここで本実施例において、上
記ヘルムホルツ共鳴器に他の容器２４を接続し、外部と
閉じた空間を持つ音響共振器とした理由は、外乱（外部
からの騒音など）の侵入を防ぎ精度よく安定した測定が
行なえる、という効果があるからである。

【００１０】次に、本実施例の作用を説明する。演算制
御部１５における上記音響共振器の共振周波数および容
器２の容積Ｖを求める手順は、実施例１と同じである
が、容器２の容積Ｖを求める計算式は、実施例１の計算
式とは異なるので以下に説明する。本実施例の音響共振
器は、ヘルムホルツ共鳴器ではなく、音響管１の両端に
容器２および容器２４が接続されたものである。これ
は、１つの音響管に２つの空洞が並列に接続されたも
の、つまり上記音響共振器が、３つの音響要素で構成さ
れているわけであり、その共振周波数はｆ＝（ｃ₀／２π）√｛Ｓ（Ｖ＋Ｖ₀）／ＬＶＶ₀｝…（数１３）である。ゆえに（数９）式、（数１３）式よりＶ＝１／｛（Ｌ／Ｓ）（π／ｄ）²（ｆｔ）²−（１／Ｖ₀）｝…（数１４）となる。ゆえに、Ｖ₀が既知であれば（数１４）式を用
いて共振周波数ｆと反射時間ｔより、被測定物である容
器２の容積が求められる。ただし、（数１３）式は理想
的な条件下での理論式であり、実際の計算式は、実験的
に求めた定数を用いた近似式でもよい。

【００１１】（実施例３）図７は、この発明の第３の実
施例の断面図である。まず構成を説明すると、長さＬ、
内部断面積Ｓなる音響管１の一端に、空のときの容積が
Ｖの被測定物となる容器２を接続することにより、ヘル
ムホルツ共鳴器を構成する。４は音源で、上記共鳴器内
部の空気を音響的に駆動する。５はマイクロホンで、音
響管１の中央に取り付けられており、上記共鳴器内部の
音圧を検出する。蓋３には、上記音響管１、音源４、が
取り付けられており、また蓋３は、容器２内部を（音響
管１を除く部分で）完全に密閉する。２７は温度検出素
子であり、共鳴器内部の温度を検出する。この温度検出
素子２７は、例えば測温抵抗体のようなものであり、音
響管１および被測定物容器２の内部に２箇所以上取り付
けられる。温度検出素子２７の数は、多いほど温度分布
の状態を詳細に検出できるが、本実施例では、音響管１
を等分するような位置に、温度検出素子２７ａ、２７
ｂ、２７ｃが取り付けられている。本来は容器２の内部
の温度も測定しなければならないが、本実施例では音響
管内部の温度を測定し、この平均温度を共鳴器内部の平
均温度として処理した。次に、演算制御部１５の構成を
説明する。１０は発振器であり、この出力信号Ｅｓ
（ｔ）は、音源用アンプ１１を介し音源４を駆動すると
共に、ＦＦＴアナライザ９に入力する。１２はマイクロ
ホン用アンプであり、ここでマイクロホン出力信号Ｅｍ
（ｔ）は適当なレベルに増幅され、ＦＦＴアナライザ９
に入力する。２８は温度検出素子用回路である。１３は
ＣＰＵであり、ＦＦＴアナライザ９、発振器１０、メモ
リ１６等の動作を制御し、また、測定値を用いて所定の
演算を行ない、その結果を出力装置１４（例えば表示装
置、プリンタなど）に出力する。１７は測定スイッチで
あり、ＣＰＵ１３へ測定動作の開始（ＯＮ）／停止（Ｏ
ＦＦ）を指示するスイッチである。

【００１２】次に、作用を図８のフロ−チャ−トにした
がって説明する。まず、図８のＳ２１〜Ｓ２７に示すよ
うに、演算制御部１５において、上記ヘルムホルツ共鳴
器の共振周波数および被測定物である容器２の容積Ｖ
は、次のような手順で求められる。まず、測定スイッチ
１７がＯＮされると、ＣＰＵ１３は測定動作に入る。Ｃ
ＰＵ１３の指令により、発振器１０が周波数特性の平坦
な信号、例えば正弦波合成波やホワイトノイズといった
信号Ｅｓ（ｔ）を発振し、音源用アンプ１１を介し音源
４を駆動する。この音源４が、音響管１と容器２とで構
成されるヘルムホルツ共鳴器の入力となり、前記（数
６）式で表わされる周波数で共鳴する。このときの上記
共鳴器内部の音圧をマイクロホン５で検出し、このマイ
クロホン出力信号Ｅｍ（ｔ）は、マイクロホン用アンプ
１２を介しＦＦＴアナライザ９に入力される。ここで、
ＣＰＵ１３の指令によりＦＦＴアナライザ９は、音源へ
の信号Ｅｓ（ｔ）を入力、マイクロホン出力信号Ｅｍ
（ｔ）を出力とする伝達関数を演算し求め、ＣＰＵ１３
は、この演算が終了すると発振器１０の発振を停止させ
る。ここまでのＦＦＴアナライザ９、発振器１０の動作
は、ＣＰＵ１３によりすべて同期して行なわれる。この
ときＦＦＴアナライザ９で求めた伝達関数は、前記図３
のように共振周波数ｆにおいて、振幅特性｜Ｈ｜ではピ
ーク、位相特性∠Ｈでは反転する特性となる。ＣＰＵ１
３は、この伝達関数データを取り込み、振幅特性のピー
クの周波数または、あらかじめ実験等で求めておいた共
振点での位相φと上記位相特性との交点での周波数が、
求める共振周波数ｆ₁となる。ＣＰＵ１３は、この共振
周波数ｆ₁をメモリ１６に記憶する。次に、図８のＳ２
８〜Ｓ３０に示すように、ＣＰＵ１３は、上記伝達関数
の測定と同時に、温度検出素子２７で検出された温度に
関する電気信号を、温度検出素子用回路２８から取り込
む。温度検出素子２７ａ、２７ｂ、２７ｃで検出された
温度を、それぞれＴａ、Ｔｂ、Ｔｃとし、メモリ１６に
記憶する。共鳴器内部の平均温度Ｔｈは、近似的にＴｈ＝（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ）／３ …（数１５）と表わすことができ、このときの音速ｃ₀は一般にｃ₀＝３３１５０＋（０．６×Ｔｈ） …（数１６）となる。ただし音速ｃ₀の単位はｃｍである。この音速
ｃ₀は、ヘルムホルツの共振周波数ｆ₁を決定する音速で
あるので、前記（数６）式からＶ＝Ｋ（ｃ₀／ｆ₁）²＋α …（数１７）が得られる。ただしＫ、αは実験的に決定された定数で
ある。最後にＣＰＵ１３は、（数１７）式より容器２の
容積Ｖを求め、その結果を出力装置１４に出力する。な
お、上記共振周波数の測定方法、温度検出結果を用いた
補正方法および容積計算式は、本実施例に限定されるも
のではない。

【００１３】（実施例４）図９は、本発明の第４の実施
例の断面図である。この実施例は、例えば請求項４の発
明に相当する。構成を説明すると、長さＬ、内部断面積
Ｓなる音響管１に、空のときの容積がＶの被測定物とな
る容器２を接続して得られるヘルムホルツ共鳴器に、さ
らに、上記音響管１の他端に容器２より十分大きい容積
を持った他の容器２４（容積Ｖ₀）を音響的に接続し
て、外部とは閉じた空間を持つ音響共振器を構成する。
また、音源４、マイクロホン５、温度検出素子２７等の
配線は、端子２５で外部へ導き出され、演算制御部１５
に接続される。２６は固定用ネジであり、容器２４と蓋
３が一体となるよう固定され、これを被測定物である容
器２に置くことによって内部を密閉し、上記音響共振器
を構成する。この他の構成は、第３の実施例の構成（図
７）と同じなので、説明は省く。本実施例において、上
記ヘルムホルツ共鳴器に他の容器２４を接続し、外部と
閉じた空間を持つ音響共振器とした理由は、外乱（外部
からの騒音など）の侵入を防ぎ精度よく安定した測定が
行なえる、という効果があるからである。

【００１４】次に本実施例の作用を説明する。演算制御
部１５における上記音響共振器の共振周波数ｆ₁および
容器２の容積Ｖを求める手順は、実施例３と同じである
が、容器２の容積Ｖを求める計算式は、実施例３の計算
式とは異なるので以下に説明する。本実施例の音響共振
器は、ヘルムホルツ共鳴器ではなく、音響管１の両端に
容器２および容器２４が接続されたものである。これ
は、１つの音響管に２つの空洞が並列に接続されたも
の、つまり上記音響共振器が、３つの音響要素で構成さ
れているわけであり、その共振周波数は前述の（数１
３）式で与えられる。しかし、（数１３）式は理想的な
条件下での理論式であり、実際の計算式は、実験的に求
めた定数を用いた近似式でもよい。ここでは、（数１
３）式を変形して、下記（数１８）式を容積計算式とす
る。ＶＶ₀／（Ｖ＋Ｖ₀）＝Ｋ’（ｃ₀／ｆ₁）²＋α’…（数１８）ここでＫ’、α’は実験的に決定される定数である。ゆ
えに、Ｖ₀が既知であれば共振周波数ｆ₁と（数１６）式
の音速を（数１８）式に代入して、被測定物である容器
２の容積を求めることができる。上記のように、複数個
の温度検出素子を用いて共鳴器内部の空気の温度を検出
し、これによって温度補償を行なう、という構成にした
ため、上記共鳴器または音響共振器の内部の温度が均一
でない場合に発生する測定誤差が低減でき測定精度が向
上する、という効果が得られる。（実施例５）次に、図１０は、本発明の第５の実施例の
断面図である。図１０（ａ）は実施例２（図６）の応用
例、（ｂ）は実施例４（図９）の応用例に相当するもの
であり、測定物が特殊な形状をした場合、特にくぼみを
有する物体のくぼみ内の特定空間の測定に関する。この
ような例は、例えば、ヘッド・ブロック一体型エンジ
ン、もしくはヘッドとブロックがアッセンブリされたエ
ンジンの燃焼室である場合の容積計である。図１０にお
いて、２９はエンジン、３０はシリンダボア、２は被測
定物となる燃焼室（容積Ｖ）である。３１は容積計セン
サヘッドで、主としてエンクロージャ３２、音響管１、
蓋３、エアー抜き栓３３、Ｏリング３４を具備してお
り、さらにエンクロージャ３２内の空間（容積Ｖ₀）と
音響管５とでヘルムホルツ共鳴器が構成される。この容
積計センサヘッド３１を上記シリンダボア３０内へ基準
面３５まで挿入することにより、つまり、音響管１の両
端にエンクロージャ３２の空間と燃焼室２の空間接続さ
れることにより、上記主音響共振器が構成される。ま
た、容積計センサヘッド３１は、位置決めピン３６とエ
ンジン２９に加工された既存の穴３７とで位置決めされ
る。ここで容積計センサヘッド３１をシリンダーボア３
０内へ挿入する際、シリンダーボア３０内の空気が圧縮
されるため容積計センサヘッド３１が挿入しにくくな
る。そこで容積計センサヘッド３１を挿入する際は、エ
アー抜き栓３３を用いて容積計センサヘッド３１の内部
の空気を外部に対して開放し、挿入後は、外部からの外
乱（騒音など）の侵入を防ぐためエアー抜き栓３３を密
閉する。このときの上記主音響共振器の共振周波数と音
響管１の共振周波数とから、被測定物である燃焼室の容
積（Ｖ）を求めるというものである。容積計センサヘッ
ド３１を物体のくぼみの中に挿入し、一体化して共振器
を形成しているが、共振器内部は常に温度一定とはかぎ
らない。この一定でない温度を補償するため、図には示
してないが共鳴器内部の平均温度を測定する手段、もし
くは超音波センサが備えられている。

【００１５】（実施例６）図１１および図１２は、本発
明の第６の実施例の断面図であり、実施例５の音響式容
積計を使用に便利になるように改良した例を示す。本実
施例の音響式容積計も、くぼみを有する物体のくぼみ内
部に位置する基準面より奥の空間を測定することを目的
としているが、上記くぼみへ挿入されたヘルムホルツ共
鳴器と被測定物空間とによって構成される主音響共振器
と、上記音響共振器内部の空気を外部に対して開放／密
閉する内部空気開放／密閉手段と、上記ヘルムホルツ共
鳴器と上記基準面との接触を検出する接触検出手段と、
この接触検出手段の結果に基づいて上記内部空気開放／
密閉手段を制御する内部空気開放／密閉制御手段と、温
度測定手段と、を具備している。まず構成を説明する
と、蓋３が基準面３５と接触する部分の少なくとも２箇
所に電極３８が取り付けられている。この電極３８は、
蓋３が導体の場合、これと絶縁するためにその周囲は絶
縁体３９で覆われている。６０はケ−ブルで、コネクタ
４１から外部の演算制御部４２へ接続される。４４は内
部空気開放／密閉手段であり、本実施例ではコイル４７
を用いた電磁式である。この他の構成は、従来例と同じ
なので説明は省略する。ここで本実施例において、上記
主音響共振器が外部と閉じた空間である理由は、外乱
（外部からの騒音など）の侵入を防ぎ精度よく安定した
測定が行なえる、という効果があるからである。次に、
演算制御部４２の構成を説明する。４３は内部空気開放
／密閉制御手段であり、内部空気開放／密閉手段４４の
動作を制御する。４５は接触検出部であり、少なくとも
２箇所に取り付けられた電極３８が接続されている。１
５は容積計演算制御部であり、ここで共振周波数の測
定、容積値の演算およびそれにともなう演算、制御処理
が行なわれる。４６はＣＰＵであり、演算制御部４２の
動作をコントロールする。

【００１６】次に、図１３に示すＣＰＵ４６の概略動作
手順にしたがって、作用を説明する。はじめにＣＰＵ４
６は、本装置全体の初期設定を行なう。この初期設定で
は内部空気開放／密閉制御手段４３は、通気孔５０を開
放するよう動作する。すなわち内部空気開放／密閉手段
４４において、配線４０からの電気信号がコイル４７に
流れ、ハウジング４８が磁化され、弁４９をハウジング
４８に引きつけ、通気孔５０を開放する。初期設定が終
了後、容積計センサヘッド３１を上記シリンダボア３０
内へ基準３５まで挿入し、容積計センサヘッド３１と燃
焼室２とで主音響共振器を構成する。このとき、接触検
出手段である電極３８を用いて、容積計センサヘッド３
１の蓋３が基準面３５と接触したかどうかを検出する。
少なくとも２つ以上蓋３に取り付けられた電極３８にお
いて、すべての電極が基準面に接触すれば、被測定物を
通して電気的に導通することより接触を検出する。ただ
し、この検出方法は接触面が導体の場合に限られる。蓋
３と基準面３５との接触が検出された後、ＣＰＵ４６の
指令により内部空気開放／密閉制御手段４３は、内部空
気開放／密閉手段４４において、コイル４７への電気信
号をカットし、これにより弁４９はリターンバネ５１に
より天井板５２に取り付けられたシール部材５３に押し
つけられることによって通気孔５０を閉じる。この時点
で、上記主音響共振器は外部から閉ざされた空間とな
り、かつ容積計センサヘッド３１の蓋３と基準面３５と
が完全に接触した状態となるため、本容積計は安定した
正確な測定が行なえる状態となる。この状態で、容積計
演算制御部１５は、各共振周波数の測定、被測定物であ
る燃焼室の容積値（Ｖ）の演算を行なう。演算終了後、
ＣＰＵ４６は、接触検出部４５において容積計センサヘ
ッド３１と基準面３５との接触が離れたことを検出した
場合、次の測定のため容積計センサヘッド３１がシリン
ダボア３０から出されるものと判断し、内部空気開放／
密閉手段４４を再び開放する。しかし本実施例におい
て、容積計センサヘッド３１の蓋３と基準面３５との接
触箇所が限定される場合、接触検出手段が完全に接触し
ているにもかかわらず、容積計センサヘッド３１がシリ
ンダボア３０内で動くため測定誤差が発生する場合があ
る。この場合は、Ｏリング３４、位置決めピン３６での
クリアランスを小さくし、動きが少なくなるよう調整す
ればよい。以上説明したように本実施例の音響式容積計
は、容積計センサヘッド３１をシリンダボア３０の中に
挿入し、一体化して容積計を構成するので、常時、全体
の温度が一定になるとはかぎらない。したがって、図に
は示していないが、共鳴器内部の温度分布測定手段、あ
るいは音響管１内の超音波音速を測定する手段を備えて
いる。なお、上記内部空気開放／密閉手段、接触検出手
段、およびこれに関わる制御手段の構成、動作等は、本
実施例に限定されるものではない。

【００１７】（実施例７）図１４は、本発明の第７の実
施例の断面図である。本実施例は、被測定物が例えば通
常のエンジンヘッドの燃焼室の場合についての容積計で
ある。構成を説明すると、５４はシールリングで被測定
物である燃焼室２を効率よく密閉し、かつ蓋３とヘッド
下面（基準面）３５との接触を検出しやすくするための
ものである。このシールリング５４には、蓋３とヘッド
下面３５との接触を検出するため、少なくとも２箇所に
電極３８が、実施例６と同様に取り付けられている。ま
た本実施例の容積計は、実施例６のように容積計センサ
ヘッド３をシリンダーボア３０内に挿入するため空気が
圧縮され挿入しにくくなる、ということがないので、内
部空気開放／密閉手段４４およびこれに関する制御手段
４３等は省略される。その他の構成は、実施例６と同じ
なので説明は省略する。

【００１８】次に作用を説明する。容積計センサヘッド
３１は、エンクロージャ３２内の空間（Ｖ₀）と音響管
１とでヘルムホルツ共鳴器が構成され、さらにこの容積
計センサヘッド３１を燃焼室２上のヘッド下面３５に置
くことにおり、つまり、音響管１の両端にエンクロージ
ャ３２の空間と燃焼室２の空間が接続されることによ
り、上記主音響共振器が構成される。ここでシールリン
グ５４部分の容積Ｖ′が燃焼室容積Ｖに加わることにな
るが、このＶ′は既知なので測定には問題ない。このと
き、接触検出手段である電極３８を用いて、実施例６と
同様に容積計センサヘッド３１の蓋３がヘッド下面３５
と接触したかどうかを検出する。この接触検出結果よ
り、接触している場合は測定可能、接触していない場合
は作業者に警告する、といった機能を持たせてもよい。
蓋３とヘッド下面３５との接触が検出された時点で、上
記主音響共振器は外部から閉ざされた空間となり、かつ
容積計センサヘッド３１の蓋３とヘッド下面３５とが完
全に接触した状態となる。この状態で、容積計演算制御
部１５は、各共振周波数の測定、被測定物である燃焼室
の容積値（Ｖ）の演算等を行なえば、安定した正確な測
定値が得られるわけである。本実施例もまた共鳴器内部
の温度分布を測定する手段、あるいは超音波の音速を測
定する手段を備えていることは実施例６の場合と同様で
ある。

【００１９】（実施例８）図１５は、本発明の第８の実
施例の断面図である。本実施例は、例えば、容積計セン
サヘッド３１の蓋３に接触検出手段を取り付けることが
できない場合において有効である。これは、作業者５６
が容積計センサヘッド３１を基準面３５まで挿入し、上
方から（図１５の矢印の向き）押しつけたときの圧力
を、接触検出手段の代用として検出するものである。例
えばこの圧力を、ハンドル５７の下部に取り付けられた
圧力検出素子５８で検出し、この圧力値が所定の値以上
ならば「接触した」と判断すればよい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、共振器の共振周波数を測定するとともに、この共振
周波数に直接関係する共鳴器内の平均音速を超音波測定
によって求め、両測定値より不均一温度分布の影響を除
去できる構成にしたことにより、音響式容積計内に不均
一温度分布が存在するときでも、精度の高い容積計を実
現することが出来る。また請求項３，４に記載したよう
に、上記共振周波数に直接関係する共鳴器内の平均温度
を温度測定によって求め、不均一温度分布に起因する誤
差を補償できる構成としたことにより、同様に精度の高
い温度計を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の音響式容積計の第１の実施例を示す音
響共振器の断面図と演算制御回路のブロック図および超
音波センサ取付け部の斜視図。

【図２】図１の実施例における容器容積測定手順を示す
フロ−チャ−ト。

【図３】伝達関数の特性図。

【図４】超音波センサ回路のブロック図。

【図５】超音波センサ回路の動作を示すタイムチャ−
ト。

【図６】本発明の第２の実施例の断面図。

【図７】本発明の音響式容積計の第３の実施例を示す音
響共振器の断面図と演算制御回路のブロック図。

【図８】図７の実施例における容器容積測定手順を示す
フロ−チャ−ト。

【図９】本発明の第４の実施例の断面図。

【図１０】本発明の音響式容積計の第５の実施例の部分
断面図とセンサヘッド断面図。

【図１１】本発明の第６の実施例によるセンサヘッドの
部分断面図。

【図１２】本発明の第６の実施例の音響共振器の断面図
と制御回路ブロック図。

【図１３】図１２の実施例における容器容積測定手順を
示すフロ−チャ−ト。

【図１４】本発明の第７の実施例の断面図。

【図１５】本発明の第８の実施例の断面図。

【符号の説明】

１…音響管３２…エンクロ−ジ
ャ２…容器３３…エア抜き栓３…蓋３４…Ｏリング４…音源３５…基準面５…マイクロホン３６…位置決めピン６…超音波センサ３７…孔７…ステイ３８…電極８…測距センサ３９…絶縁体９…ＦＦＴアナライザ４０…配線１０…発振器４１…コネクタ１１…音源用アンプ４２…演算制御部１２…マイクロホン用アンプ４３…内部空気開
放密閉制御手段１３…ＣＰＵ４４…内部空気開
放密閉手段１４…出力装置４５…接触検出部１５…演算制御部４６…ＣＰＵ１６…メモリ４７…コイル１７…測定スイッチ４８…ハウジング１８…測距センサ用回路４９…弁１９…超音波センサ用回路５０…通気孔２０…超音波センサ制御回路５１…リタ−ンバ
ネ２１…送信回路５２…天井板２２…受信回路５３…シ−ル部材２３…スイッチ５４…シ−ルリン
グ２４…容器５５…ヘッド下面２５…端子５６…作業者２６…固定用ネジ５７…ハンドル２７ａ…温度検出素子５８…圧力検出素
子２７ｂ…温度検出素子６０…ケ−ブル２７ｃ…温度検出素子６１…支柱２８…温度検出素子用回路６２…エンジンヘ
ッド２９…エンジン６３…ハンドル３０…シリンダボア６４コネクタ３１…容積計センサヘッド６５端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響管の一端に被測定物となる容器を接続
して形成されるヘルムホルツ共鳴器と、上記音響管の他端の近傍に上記共鳴器の内部へ超音波を
送信する方向に取り付けられた超音波センサと、上記ヘルムホルツ共鳴器に音響的に結合された少なくと
も１つの音源およびマイクロホンと、上記ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を測定する手段
と、上記超音波センサを用いて音速に関連する物理量を測定
する手段と、上記共振周波数と上記音速に関連する物理量とを用いて
上記被測定物となる容器の容積を求める演算制御手段
と、を具備することを特徴とする容積計。
【請求項２】音響管の一端に被測定物となる第１の容器
を接続し、他端に第２の容器を接続して形成される音響
共振器と、上記第２の容器側の音響管の端の近傍に、第１の容器の
内部へ超音波を送信する方向に取り付けられた超音波セ
ンサと、上記音響共振器に音響的に結合された少なくとも１つの
音源およびマイクロホンと、上記音響共振器の共振周波数を測定する手段と、上記超音波センサを用いて音速に関連する物理量を測定
する手段と、上記共振周波数と上記音速に関連する物理量とを用いて
上記被測定物となる第１の容器の容積を求める演算制御
手段と、を具備することを特徴とする容積計。
【請求項３】音響管の一端に被測定物となる容器を接続
して形成されるヘルムホルツ共鳴器と、上記ヘルムホルツ共鳴器に音響的に結合された少なくと
も１つの音源およびマイクロホンと、上記ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を測定する手段
と、上記共鳴器内部の空気の温度を検出する温度検出手段
と、上記共振周波数と上記共鳴器内部の空気の温度検出結果
を用いて上記被測定物となる容器の容積を求める演算制
御手段と、を備えたことを特徴とする容積計。
【請求項４】音響管の一端に被測定物となる第１の容器
を接続し、他端に第２の容器を接続して構成される音響
共振器と、上記音響共振器に音響的に結合された少なくとも１つの
音源およびマイクロホンと、上記音響共振器の共振周波数を測定する手段と、上記共振器内部の空気の温度を検出する温度検出手段
と、上記共振周波数と上記共振器内部の空気の温度検出結果
を用いて上記被測定物となる第１の容器の容積を求める
演算制御手段と、を備えたことを特徴とする容積計。