JPH08136321A - 超音波距離測定装置 - Google Patents

超音波距離測定装置

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JPH08136321A
JPH08136321A JP6276419A JP27641994A JPH08136321A JP H08136321 A JPH08136321 A JP H08136321A JP 6276419 A JP6276419 A JP 6276419A JP 27641994 A JP27641994 A JP 27641994A JP H08136321 A JPH08136321 A JP H08136321A
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ultrasonic
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Noboru Arioka
登 有岡
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  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波によりタンク内のレベル、等の距離を
測定する超音波距離測定装置に関し、温度測定、音速の
補正なしで距離を正確に測定する。 【構成】 貯蔵タンク6には被測定物5が入っており、
タンク上部には超音波検知器3が側面に向って超音波4
を送受信する圧電型超音波センサ1及び被測定体5に向
って送受信するセンサ2とを備えて取付けられる。これ
ら信号は同時に処理装置12に入り、両者の伝搬時間T
1 ,T2 の比、T2 /T1 を求め、既知の距離D1 とで
2 が求まる。又、T2 −T=ΔTを求めることにより
このΔTをクロックパルスでカウントし、これに応じて
制御装置13によりバルブ15を制御するので音速によ
らずに距離を正確に測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超音波を利用した被測定
物までの距離を測定する超音波距離測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から超音波を利用した距離、あるい
はレベル測定器は貯蔵タンク内の液面検出、製品の高さ
測定、ベルトコンベア上の容器内の物体検出、貯水地の
水位計測、あるいは図5に示すような貯蔵タンク内の粉
体のレベル測定等多機種にわたって利用されていた。
【0003】図5は従来の貯蔵タンク内の被測定体のレ
ベル測定装置の構成をタンクの斜視図と共に示した図で
ある。図において、6は貯蔵タンク側板で、タンク内部
には被測定体5が入っており、タンク上部には超音波パ
ルス4を送信する超音波センサ31と温度計32が取付
けられ、データ処理装置33へ接続されている。34は
データ処理装置33の処理結果を表示する表示器であ
る。
【0004】このような装置で、超音波センサ31から
超音波パルス4が発射され、タンク内の被測定体5の表
面で反射し、再び超音波センサ31で受信される。これ
らの送受信の信号はデータ処理装置33で処理され、超
音波が発射され、受信されるまでの時間が求められ、内
部に記憶される。
【0005】一方、気体の音速は気体の温度が変動する
と変化するため温度計32で測定し、データ処理装置3
3に入力される。前述の超音波センサ31で求められ、
記憶されていた時間とデータ処理装置33で音速を補正
し、これら時間と補正した音速とで距離を求め、粉体の
レベル測定結果を表示器34に表示していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記の従
来の超音波を利用した距離、あるいはレベル測定方法
は、超音波センサ31から放射された超音波パルス4が
被測定体5の測定面で反射し、再び超音波センサ31に
受信されるまでの伝搬時間と気体の音速とから距離を測
定するもので、距離に比例した電流または電圧信号を出
力するが、超音波4は気体中を通過し被測定体5の測定
面で反射し、再び気体中を通過し、戻ってくるため、気
体の温度が変動すると音速が変化し、そのため出力も変
化する。このため気体の温度を温度計32で測定し、デ
ータ処理装置33で音速を補正していた。また超音波セ
ンサ31から測定面までの距離を一定のパルスで分割し
ていたため分解能が低かった。
【0007】本発明は、上記従来の問題を解決するため
になされたもので、気体の温度を測定することなく音速
のデータなしに、かつ分解能が高い超音波測定装置を提
供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、物
体を貯蔵するタンクにタンク側面へ向って超音波を送受
信する第1の超音波送受信装置と、タンク内の物体表面
に向って超音波を送受信する第2の超音波送受信装置と
を設け、これら第1、第2の送受信装置からの信号を処
理する処理装置と、この処理装置の信号により物体の流
入弁を制御する制御装置とを設けた構成とする。
【0009】即ち、本発明は,物体を貯蔵する貯蔵タン
クの側面に向けて超音波を送信し、その反射波を受信す
る第1の超音波送受信装置と、前記貯蔵タンク内の物体
に向けて超音波を送信し、その反射波を受信する第2の
超音波送受信装置と、前記第1、第2の超音波送受信装
置の信号から各々の超音波伝搬時間を求め、前記第1の
超音波送受信装置と前記貯蔵タンク側面までの既知の距
離から前記第2の超音波送受信装置と物体までの距離を
算出すると共に、前記各々の超音波伝搬時間から伝搬時
間差を求める処理装置と、同処理装置からの信号処理結
果を受け、その伝搬時間差に応じて前記貯蔵タンクに流
入する前記物体の流入弁を制御する制御装置とを具備し
てなることを特徴とする超音波距離測定装置を提供す
る。
【0010】
【作用】本発明はこのような手段により、第1,第2の
超音波送受信装置から同時に超音波パルスを送信する
と、第1の超音波送受信装置からの超音波パルスは貯蔵
タンク側面で反射し、再び戻って第1の送受信装置で受
信される。第2の超音波送受信装置からの超音波パルス
はタンク内の物体表面から反射し、その反射波は同じ第
2送受信装置で受信される。処理装置ではこれら送受信
の信号のタイミングより各々の伝搬時間T1 ,T2 を求
め、第1の超音波送受信装置とタンク側面との距離D1
は既知の値であるので、T2 /T1 とD1 の値から物体
表面までの距離D2 を求めることができ、高速の値を用
いずに物体の貯蔵タンク内のレベルを測定することがで
きる。
【0011】又、処理装置では、第1の送受信装置での
超音波伝搬時間T1 と第2の送受信装置での伝搬時間T
2 との差、T2 −T1 を求め、これをパルス幅に変換
し、このパルス幅をパルス発振器からのクロックパルス
を用いてカウンタで計数する。制御装置はこの処理装置
での処理した計数値に基づいて貯蔵タンク内に流入する
物体の流入弁を制御し、タンク内のレベルの上限、下限
を制御することができる。
【0012】従って、本発明によれば、従来、温度を測
定し、音速をこの温度で補正して距離を求めていたが、
このような温度の測定、音速の補正が不要となり、高精
度の距離測定が可能となり、又、制御装置により物体の
貯蔵タンクへの流入も精度良く制御できるようになる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図1は本発明の一実施例に係る超音波距
離測定装置の構成図で貯蔵タンクに適用したもの。図2
は図1におけるセンサ部の拡大図で超音波測定原理を示
すものである。
【0014】これらの図において、6は貯蔵タンク側板
でタンク内には被測定体5が入っている。1は圧電型超
音波センサで貯蔵タンク側板6へ向って超音波を発信
し、その反射波を受信するもの、2も同じく圧電型超音
波センサで被測定体5へ向けて超音波4を発信し、その
反射波を受信するものである。3は超音波検知器でタン
クの上部に取付けられて、圧電型超音波センサ1,2を
保持してその反射波を検知するものである。7は圧電型
超音波センサ1,2にそれぞれ取付けられる放射ホーン
である。12は処理装置で超音波検知器3からの信号を
処理するもの、13は制御装置で、処理装置12からの
信号により被測定体5の流入配管のバルブ15を制御す
るものであろう。
【0015】超音波距離測定装置は一般に超音波センサ
から測定体に向け放射した超音波パルスが測定体の表面
から反射して再び超音波センサに受信するまでの伝搬時
間を検出し、空気の音速cと伝搬時間Tから次の式によ
り距離Dを次式で求めるものである。
【0016】D=(C・T)/2; ここに、c=33
1.5+0.61t(m/s)(t;温度℃)である。
【0017】しかし、前述のように音速は温度により変
化する。そこで本発明では圧電型超音波センサ1から貯
蔵タンク側板6に向けて超音波4を放射したときの伝搬
時間T1 に対する既知の距離をD1 、圧電型超音波セン
サ2から被測定体5に向けて超音波4を放射したときの
伝搬時間T2 に対する距離をD2 としてこの比をとる。
このようにすると、上式の音速cはこれらセンサ1,2
で同時に測定することによりキャンセルされ次式のよう
になる。
【0018】即ち、D2 =(T2 /T1 )・D1 とな
り、音速に関係なく伝搬時間の比で距離が求めることが
できる。本実施例では、このように伝搬時間の比と距離
1とで被測定体5の距離を求めるものである。
【0019】又、T1 とT2 との伝搬時間差ΔTは次に
説明する図3に示すようにT2 に対して小さい。従って
このΔTをパルス幅に変換して、このパルス幅を商用波
発振器で発生されたクロックパルスを用いてカウンター
で計数することにより測定値の分解能を高めることがで
きる。
【0020】図3はこのような超音波距離測定装置の超
音波信号の波形図である。図において(a)はトリガ信
号20により圧電型超音波センサ2が作動して超音波4
aを送信し、被測定体5からの反射波4a′を時間T2
後に受信する。(b)は同じく、同時に圧電型超音波セ
ンサ1から超音波4bを送信し、貯蔵タンク側板6から
の反射波4b′を時間T1 後に受信する。
【0021】(c),(d),(e),(f)は処理装
置12での処理であり、(c)では反射波4a′の受信
時のT2 パルスを出力し、(d)では同様に反射波4
b′の受信時のT1 パルスを出力する。(e)はT1
ルスとT2 パルスの差から伝搬時間差ΔTを求める。
(f)ではこのΔTの間を高周波クロックパルス21で
分割する。このクロックパルスをカウンタで計数するこ
とにより、その計数値に応じて被測定体5のレベルを判
定することができる。
【0022】図4は本発明の一実施例の超音波距離測定
装置の信号処理のブロック図である。図において、圧電
型超音波センサ1の貯蔵タンク側板6からの反射液の信
号及び圧電型超音波センサ2の被測定体5からの反射波
の信号はそれぞれアンプ8に入り、増幅されると共に図
3の(e)のように伝搬時間差をパルス幅に変換し、
(f)のように、パルス信号発振器9からクロックパル
スを入力し、パルス幅をクロックパルスで計数できるよ
うにする。
【0023】このクロックパルスの数はカウンタ10で
カウントされ、データ処理器11に入り、処理される。
データ処理器11からの信号は制御装置13に入り、制
御装置13で被測定体5の表面の上限、あるいは下限を
検出することにより図1に示すように、例えばバルブ1
5等で貯蔵タンクに流入する物体を制御することができ
る。又必要に応じて表示装置14に検出結果を表示する
ものである。
【0024】このような構成の超音波距離測定装置にお
いて、指向性をもたせるための放射ホーン7を設けた圧
電型超音波センサ2から、放射された超音波パルスが被
測定体5の面で反射し、再びセンサ2に受信されるまで
の伝搬時間T2 から距離を測定するもので、距離に比例
した電流信号を出力するものであるが、距離は音速と伝
搬時間との積であるが音速は気体の温度によって変化す
る。従来この温度変化により測定値に誤差が生じるため
に温度計32で温度を測定し、音速を補正していた。
【0025】そこで、本発明では前述のように、この誤
差を除くため温度を測定せずに、2個の圧電型超音波セ
ンサ1,2を使用して既知の距離D1 にある貯蔵タンク
側板6の反射体と、未知の距離にある被測定体5を測定
し、既知の距離D1 を基準としてその伝搬時間の比から
被測定体5までの距離D2 を求める。また圧電型超音波
センサ1から既知の距離D1 までの伝搬時間T1 と、被
測定体5までの伝搬時間T2 との差をパルス幅ΔTに変
換し、このパルス幅ΔTをクロックパルスを用いてカウ
ンター10で計数することにより精密な距離測定ができ
るものである。
【0026】更に、この測定結果により、制御装置13
でバルブ15を制御することにより貯蔵タンクに流入す
る被測定体5のレベルを制御できるものである。
【0027】
【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
においては、物体を貯蔵するタンクにタンク側面に向っ
て超音波を送受信する第1の超音波送受信装置と、貯蔵
タンク内の物体表面に向って超音波を送受信する第2の
超音波送受信装置とを設け、これら第1,第2の送受信
装置からの信号を処理する処理装置と、この処理装置の
信号により物体の流入弁を制御する制御装置とを設けた
構成としたので、従来必要とした音速補正のための温度
測定が不要となり、さらに既知距離との伝搬時間差を高
周波のクロックパルスで伝搬時間差を計測し、データ処
理するため、高精度の測定が可能であり、又、制御装置
により物体の貯蔵タンクの流入も精度良く制御できるも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る超音波距離測定装置を
貯蔵タンクに適用した場合の断面図である。
【図2】図1における超音波センサ部の拡大図である。
【図3】本発明の実施例における超音波距離測定装置の
信号波形図である。
【図4】本発明の一実施例に係る超音波距離測定装置の
ブロック図である。
【図5】従来の超音波距離測定装置の斜視図である。
【符号の説明】
1 圧電型超音波センサ 2 圧電型超音波センサ 3 超音波検知器 4 超音波 5 被測定体 6 貯蔵タンク側板 8 アンプ 9 パルス発振器 10 カウンタ 11 データ処理器 12 処理装置 13 制御装置 15 バルブ 20 トリガ信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01S 15/08 8907−2F

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 物体を貯蔵する貯蔵タンクの側面に向け
    て超音波を送信し、その反射波を受信する第1の超音波
    送受信装置と、前記貯蔵タンク内の物体に向けて超音波
    を送信し、その反射波を受信する第2の超音波送受信装
    置と、前記第1、第2の超音波送受信装置の信号から各
    々の超音波伝搬時間を求め、前記第1の超音波送受信装
    置と前記貯蔵タンク側面までの既知の距離から前記第2
    の超音波送受信装置と物体までの距離を算出すると共
    に、前記各々の超音波伝搬時間から伝搬時間差を求める
    処理装置と、同処理装置からの信号処理結果を受け、そ
    の伝搬時間差に応じて前記貯蔵タンクに流入する前記物
    体の流入弁を制御する制御装置とを具備してなることを
    特徴とする超音波距離測定装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09127238A (ja) * 1995-11-06 1997-05-16 Kaijo Corp 水中位置測定システムにおける音速補正法
JP2010021569A (ja) * 2004-12-22 2010-01-28 Asml Netherlands Bv 超音波距離センサ
US8931339B2 (en) 2001-07-27 2015-01-13 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Method for evaluating the measurement signals of a propagation-time based measurement device
JP2015172508A (ja) * 2014-03-11 2015-10-01 日本精機株式会社 液面位置検出装置
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