JPH0933318A - 超音波式液位測定方法 - Google Patents

超音波式液位測定方法

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JPH0933318A
JPH0933318A JP7207722A JP20772295A JPH0933318A JP H0933318 A JPH0933318 A JP H0933318A JP 7207722 A JP7207722 A JP 7207722A JP 20772295 A JP20772295 A JP 20772295A JP H0933318 A JPH0933318 A JP H0933318A
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JP
Japan
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liquid level
echo
ultrasonic
liquid
pipe
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JP7207722A
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English (en)
Inventor
Masataka Yamada
昌孝 山田
Akitoshi Kato
晃敏 加藤
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GENSHIRYOKU ENG KK
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GENSHIRYOKU ENG KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波による液位測定方法において、従来で
は困難であった低液位領域を正確かつ迅速に測定する。 【構成】 測定データの解析範囲を壁部エコーが減衰し
た後に限定すると共に、この範囲で得た信号に対し、半
波整流、エンベロープ各処理を施した後、スペクトル解
析し、この解析で得たパワースペクトルのピークに対応
する周波数を所定の演算式に代入することにより液位を
検出することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は原子力発電所の大口径横
置き配管やタンク等において、その内部の液位を超音波
により測定する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波による液位測定の従来技術として
は、例えば、U.S.PAT.NO.5319972号公報に記
載の「Ultrasonic Liquid Level Measurement System」
がある。
【0003】この例のように、配管底壁の外面に取り付
けたトランスデューサから発信された超音波は、配管壁
中を伝播し配管内面で反射するが(壁部エコー)、一部
は配管内部の液体中にも伝播する。そして、液体中を伝
播する超音波は液面で反射し(液面エコー)、配管底壁
を通ってトランスデューサに戻りこのトランスデューサ
にて検出される。
【0004】すなわち、上記従来の測定方法において
は、配管内部の液位は、この超音波の発信から検出まで
の時間差と配管壁内及び液体中の音速から算出すること
ができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一方、配管壁内を伝播
する超音波は、図3に示すように配管底壁2の内面2a
と外面2bとの間で反射を繰り返し、液面エコー8と同
じようにトランスデューサ3によって検出される。つま
り、液面エコー8の信号とは別に壁部エコー7の信号が
多数検出されることになり、液面エコー8の信号検出に
対するノイズとなる。
【0006】ところで、一般的に超音波の音速は液体中
よりも固体中の方が早く、また、配管底壁の肉厚は液位
と比較して小さい場合が多い。そして、壁部エコーは反
射を繰り返すことによって減衰する。これらの理由によ
り上記ノイズ信号は比較的早い時間領域に形成されるこ
とになる。
【0007】よって、液位が十分高い場合はノイズ信号
が十分減衰した後に液面エコーの信号が検出されるの
で、これらの区別は容易であるが、液位が低くなるとノ
イズ信号との区別が困難になる。つまり、前記従来の測
定方法では低液位領域に不感帯がある。
【0008】また、液面エコーも壁部エコーと同じよう
に、液面と配管底壁内面との間で反射を繰り返す。その
結果、液位が低い時に液面で最初に反射する液面エコー
が検出できずに、2番目、3番目等の液面エコーを検出
してしまう場合が考えられ、この時は実際の液位の2
倍、3倍等の液位表示となる。
【0009】以上の理由により、従来の測定方法では低
液位領域の測定が不可能であり、液位が低くなりすぎな
いように監視している場合や、不感帯内の低液位から上
昇する液位を測定する場合に問題が生じる。
【0010】本発明は叙上の如き実状に対処し、新規な
測定システムを見出すことにより、従来の超音波式測定
方法では困難であった低液位領域を正確かつ迅速に測定
することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】すなわち、上記目的に適
合する本発明の超音波式液位測定方法は、液体を受容す
る配管やタンクの底壁の外面にトランスデューサを取り
付けて、このトランスデューサから超音波を発信し、上
記配管やタンク内部の液面で反射する超音波を検出する
ことによりその液位を測定する液位測定方法において、
測定データの解析範囲を、前記底壁の内面と外面との間
で反射する壁部エコーの高さが前記液面と底壁内面との
間で反射する最初の液面エコーの約1/3以下に減衰し
た後に限定すると共に、この解析範囲で得た超音波信号
に対し、半波整流処理を施した後にエンベロープ処理を
施し、次いでこのエンベロープ処理を施した超音波信号
をスペクトル解析し、この解析で得たパワースペクトル
のピークに対応する周波数(f Level)を所定の演算式
に代入することにより前記配管やタンク内の液位を検出
することを特徴とする。
【0012】
【作用】一般に超音波による測定方法では、例えば図3
に示すように超音波5は、配管1の底壁2に取り付けら
れたトランスデューサ3により、配管1の内部に発信さ
れる。
【0013】配管1の内部に発信された超音波5は、配
管底壁2の内面2aで反射してトランスデューサ3に戻
ってくるが、一部の超音波5は配管1内の液中に伝播
し、液面6で反射して戻ってくる。
【0014】上記配管底壁2の内面で反射する超音波を
壁部エコー7、液面6で反射する超音波を液面エコー8
と呼ぶ。
【0015】これらの超音波信号7,8をオシロスコー
プで観察すると、液位が十分に高い場合は図4(a)、
液位が低くなると同図(b)のようになり、液位が十分
に高い場合は一番目の液面エコー8aと壁部エコー7の
区別が容易であるが、液位が低い場合はこれら各エコー
8aと7の区別が容易でないことがわかる。また、液位
が低い場合1番目の液面エコー8aを検出する代わりに
2番目、3番目等の液面エコー8b,8c・・・を検出
してしまい、液位表示が実際の液位の2倍、3倍等とな
ることもわかる。
【0016】これに対し、本発明による液位測定方法
は、不感帯をなくし、液位が十分高い場合はもちろん、
低液位領域においても実際の液位を忠実に表示すること
を目的としたもので、以下にその説明を行う。
【0017】上記図4(a)(b)に示す超音波7,8
をスペクトル解析すれば、液面エコーの繰り返し反射に
応じたパワースペクトルのピークに対応する周波数f
Level及び超音波の音速Cから液位Lは次式・数1
で求めることができる。
【0018】
【数1】L=1/2×C/f Level
【0019】しかし、上記図4(a)(b)をそのまま
スペクトル解析すると、液面エコー8に応じたパワース
ペクトルのピーク以外に、超音波の発信周波数及び壁部
エコー7の繰り返し反射に応じたパワースペクトルのピ
ークが得られることになる。
【0020】そして、これら壁部エコー7等のパワース
ペクトルは液面エコー8のパワースペクトルよりも大き
いので、液面エコー8のパワースペクトルと区別するた
めには、超音波データのサンプリングレートを高くし、
かつ、サンプル時間を長くする必要があり、これはデー
タ点数が膨大な量になることを意味する。その結果、ス
ペクトル解析に要する時間も膨大となるために液位検出
のレスポンスが悪くなる。
【0021】そこで本発明では、スペクトル解析を行う
前に図2に示すような種々の数値加工処理を行うことで
スペクトル解析時間の短縮を図っており、このことも本
発明の特徴となっている。
【0022】即ち、本発明の測定方法では、まず、壁部
エコーの繰り返し反射によるスペクトルを除くために解
析範囲を限定する。つまり、前記図4(a)(b)に示
すように低液位領域では壁部エコー7が多数検出される
ので、この領域xは削除し、上記壁部エコー7の高さが
液面エコーの高さの約1/3に減衰した領域y以降を解
析範囲とする。こうすることで、壁部エコー7のスペク
トルを低減することができる。
【0023】次に、解析範囲を限定した超音波信号に対
し、半波整流処理を実施した後にエンペロープ処理を行
うことで超音波信号は図5(a)(b)に示すような形
に加工される。こうすることで今度は、超音波の周波数
に応じたスペクトルを除くことができる。
【0024】最後に、図5(a)(b)に示される超音
波信号に対してスペクトル解析を実施することで、図6
(a)(b)に示すパワースペクトルが得られ、このパ
ワースペクトルのピークP1 ,P2 に対応する周波数を
前述の液位算出式に代入することにより、配管1内の液
位を求めることができる。
【0025】以上のように本発明によれば、液位が十分
高い場合はもちろん、従来の技術では測定できなかった
低液位領域でも、ノイズ信号となる壁部エコーと区別で
きる液面エコー信号から、的確な液位を表示することが
できる。
【0026】また、スペクトル解析に要する時間をでき
るだけ短くする工夫がなされているので、液位が上昇、
または、下降する場合でも追従性良く迅速に液位を表示
することが可能である。
【0027】
【実施例】以下さらに添付図面を参照して、本発明の実
施例を説明する。
【0028】図1は本発明の測定システムを具体化した
実施例の一つであり、このシステムの装置は、配管1
(またはタンク等)の底壁2の外面2bに固定されたト
ランスデューサ3、トランスデューサ取付ベルト4、プ
リアンプ/レシーバー9、A/D変換器10、超音波信
号加工処理器11、スペクトル解析器12および液位算
出/表示器13を備えている。
【0029】超音波5を発信させるためにはトランスデ
ューサ3に交流電圧をかけることが必要となるが、上記
プリアンプ/レシーバー9はそのための装置である。
【0030】なお、この装置は交流電圧をかけることが
できるものであれば、何でも良く、例としては超音波探
傷器がある。また、超音波の周波数は、十分な指向性を
有し、かつ液体中で大きく減衰することなくトランスデ
ューサ3で検出できるのであれば、どの大きさでも良
い。
【0031】プリアンプ/レシーバー9によって受信さ
れた超音波信号は、A/D変換器10を通して超音波信
号加工処理器11に送られ、データの解析範囲限定、半
波整流処理、及びエンベロープ処理が施される。そし
て、加工されたデータがスペクトル解析器12に送られ
て、液面エコーのパワースペクトルのピークを示す周波
数が算出される。スペクトル解析方法としては、種々の
方法が知られており、例としてはFFT法がある。
【0032】最後に、液面エコーに相当する周波数のデ
ータが液位算出/表示器13に送られ、液位の表示が行
われる。
【0033】なお、超音波信号の加工処理から液位の表
示までは、一括してコンピュータで実施することも可能
である。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波式
液位測定方法は、測定データの解析範囲を壁部エコーが
減衰した後に限定すると共に、この範囲で得た信号に対
し、半波整流、エンベロープ各処理を施した後、スペク
トル解析し、この解析で得たパワースペクトルのピーク
に対応する周波数を所定の演算式に代入することにより
液位を検出するものであり、液位が十分高い場合はもち
ろん、従来の方法では測定できなかった低液位領域でも
液位を測定することができ、しかも、誤って実際の液位
よりも高い液位を表示することがない。よって、液位が
低くなりすぎないように監視している場合や、従来では
測定できなかった低液位領域から液位が上昇する場合の
液位測定に特に有効であり、また、スペクトル解析に要
する時間をできるだけ短くする工夫がなされていること
から、液位が上昇、または、下降する場合でも追従性良
く迅速に液位を表示することが可能であるとの顕著な効
果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の超音波式液位測定方法のシステ
ムを示す説明図である。
【図2】本発明の測定方法による液位検出までのフロー
チャート図である。
【図3】配管内部を伝播する超音波の模式図である。
【図4】(a)液位が十分高い場合の超音波信号の模式
図である。 (b)液位が低い場合の超音波信号の模式図である。
【図5】(a)図4(a)の信号に半波整流処理とエン
ベロープ処理を施した結果を示す模式図である。 (b)図4(b)の信号に半波整流処理とエンベロープ
処理を施した結果を示す模式図である。
【図6】(a)図5(a)の信号をスペクトクル解析し
た結果を示す模式図である。 (b)図5(b)の信号をスペクトクル解析した結果を
示す模式図である。
【符号の説明】
1 配管 2 配管の底壁 2a 底壁内面 2b 底壁外面 3 トランスデューサ 4 トランスデューサの取付ベルト 5 超音波 6 液面 7 壁部エコー 8 液面エコー 8a 最初の液面エコー 9 プリアンプ/レシーバー 10 A/D変換器 11 超音波加工処理器 12 スペクトル解析器 13 液位算出/表示器 x 解析除去範囲 y 解析範囲 P1 ,P2 パワースペクトルのピーク

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液体を受容する配管やタンクの底壁の外
    面にトランスデューサを取り付けて、このトランスデュ
    ーサから超音波を発信し、上記配管やタンク内部の液面
    で反射する超音波を検出することによりその液位を測定
    する超音波式液位測定方法において、 測定データの解析範囲を、前記底壁の内面と外面との間
    で反射する壁部エコーの高さが前記液面と底壁内面との
    間で反射する最初の液面エコーの約1/3以下に減衰し
    た後に限定すると共に、この解析範囲で得た超音波信号
    に対し、半波整流処理を施した後にエンベロープ処理を
    施し、次いでこのエンベロープ処理を施した超音波信号
    をスペクトル解析し、この解析で得たパワースペクトル
    のピークに対応する周波数(f Level)を所定の演算式
    に代入することにより前記配管やタンク内の液位を検出
    することを特徴とする超音波式液位測定方法。
JP7207722A 1995-07-20 1995-07-20 超音波式液位測定方法 Pending JPH0933318A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006518045A (ja) * 2003-02-14 2006-08-03 アデプト サイエンス アンド テクノロジーズ エルエルシー 超音波水位制御装置及び水位の測定方法
JP2006272972A (ja) * 1999-05-20 2006-10-12 Seiko Epson Corp 液体容器
CN108981832A (zh) * 2018-07-27 2018-12-11 南方科技大学 一种废水流量测量电路及装置

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