JPH09502026A - 超音波センサの自己診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超音波レベルセンサ（４０）は、自己診断に利用する超音波結合素子（４２）を具備している。センサ（４０）は、隙間（２０）および当該隙間（２０）によって相互に離間された一対の変換器（１４，１６）を具備している。センサ（４０）は、隙間（２０）内に液体が存在するか否かを感知する。超音波結合素子（４２）は各変換器（１４，１６）間に延びており、これらを音響的に結合する。超音波結合素子（４２）は、超音波センサの正常性を診断するのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 超音波センサの自己診断装置 発明の背景 本発明は、空間内における素材の物質的特性を測定する超音波センサに係り、 特に、このようなセンサの自己診断に関する。 タンク内に設置される公知の超音波液面センサは、ハウジングの外側の隙間や 窪みの周囲に配置されたセンサハウジングを有する。タンク内で液面が上昇する と、液体が隙間内に流れ込み、隙間内の液体は、これを介して伝送される超音波 エネルギによって感知される。ハウジング内の一対の超音波変換器すなわち水晶 は、隙間内の液体を通過した音響エネルギを、水晶をハウジング内に接着し、音 響インピーダンスを整合させて伝送効率を向上させるレジン製の伝送層を介して 伝送する。過酷な使用環境下では、水晶が故障したり、伝送層の接着が不良とな ることがあるので、これらの故障や不良を診断する必要がある。 隙間内の流体を通る伝送路に加えて、各水晶間にはハウジング自体を介する第 ２の伝送路がある。これまでは、金属製 ハウジングを通過し、この隙間周囲の第２の伝送路に沿った伝送を感知すること が、伝送に寄与する液体が隙間内に存在しないときにセンサの動作を診断するの に満足な手段とされていた。このような自己診断については、シルバーメッツ(S ilvermetz)等に対する米国特許第４２９９１１４号において論じられている。 しかしながら、ハウジング用に、例えばポリマ（重合体）やレジン（樹脂）な ど（一般的に“プラスチック”と呼ばれる）の非金属素材を用いると、ハウジン グ自体を診断用の伝送路として利用することに問題が生じる。これらの非金属素 材では、それぞれの音の伝送特性が温度の関数として変化する。プラスチックで は変化量が大きく、しかも一のバッチのプラスチックの変化量から次のバッチの プラスチックの変化量を予測することは全く不可能なので、変化を電子的に信頼 性良く補償するのが難しい。 このようなプラスチック材料を介して伝送された診断信号は極端な温度では当 てにならず、センサが故障しているかのような誤った表示を示す。したがって、 プラスチック製のハウジングを介して伝送される隙間周囲の診断信号を当てにせ ず、超音波センサに関する信頼し得る診断装置を提供する必 要がある。 発明の要約 本発明は超音波液面センサ用の自己診断装置である。センサは隙間を形成する ハウジングを有する。超音波結合部材は隙間近傍のハウジング内に配置され、第 １および第２の変換器を保持する。変換器は、隙間を横切る第１の通路を介して 、およびハウジング内の第２の通路を介して、超音波エネルギを伝送する。第２ の通路は、第１および第２の変換器を超音波的に結合する金属素子を含んでいる 。第２の通路は、変換器の機能を自己診断するために利用される。 図面の簡単な説明 図１は、従来技術の超音波液面センサの断面図である。 図２は、本発明による超音波液面センサの断面図である。 図３は、本発明による超音波液面センサの支持構造物の詳細な断面図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 図１は、従来技術の超音波レベル（液面）センサ１０の断面図である。センサ １０は支持構造物１２、超音波送信変換器（水晶）１４、および超音波受信変換 器（水晶）１６を具備している。支持構造物１２はステム（ブリッジ）１８およ び隙間２０を備えている。超音波信号２２は隙間２０を通して、また超音波信号 ２３はステム１８に沿って送受信されるように、変換器１４，１６は支持構造物 １２上に載置されている。センサ１４と隙間２０との間およびセンサ１６と隙間 ２０との間の各インターフェースは物体窓(body windows)と呼ばれる。 送信変換器１４はリード線３２を介して送信機３０と接続されている。送信機 ３０は周期的に電子送信パルスを変換器１４へ供給する。送信機３０が送信パル スを変換器１４へ出力すると、送信パルスは変換器１４を自身の固有周波数で共 振させる。変換器１４は、隙間２０およびステム１８をそれぞれ通って伝わる超 音波信号２２、２３を発生させる。隙間２０を通って伝わる超音波信号は、液体 を感知するために利用される主要波形であり、ステム１８を通って伝わる信号の 波形は自己診断用に利用される。受信変換器１６は、超音波信号２２，２３を、 リード線３６を介して受信機３４へ供給される電気信号に変換する。 隙間２０に液体が存在しないと、主要波形の減衰量は液体が存在するときより も著しく大きくなる。吸収量は、数ｋＨｚ以上のような高い周波数では特に大き くなる。隙間２０ に液体が存在しないと、隙間を通って伝わる信号は実質的にゼロになる。隙間２ ０が液体で満たされていると、主要波形は変換器１６で受信される。主要波形は 変換器１６を共振させて電気信号を発生させる。したがって、受信変換器１６に 主要波形が到達するか否かが、隙間２０に液体が存在するか否かを表すことにな る。 超音波センサ１０の状態は、ステム１８を通過する超音波信号を診断すること によって監視することができる。もし、変換器１４，１６が機能しており、かつ 支持構造物１２と良好に接続されていれば、自己診断信号２３は予定の特性（例 えば、予定の最小値を上回る信号強度）を有しているはずである。もし、ステム １８が金属製であれば、予定の特性は比較的一定値を示す。しかしながら、構造 物１２に金属以外の材質、例えばポリマやレジンなど（すなわち、“プラスチッ ク”）が用いられていると、構造物の音響特性が、例えば温度のような外部要因 に起因して大きく変化する。これらの変化は大きいのみならず、１つのバッチの 素材（特性）から他のバッチの素材（特性）を予測することは非常に難しいので 、変化を正確に補償することは難しい。 本発明は、センサハウジングのブリッジ部分を通って延び ており、送信変換回路を受信変換回路と音響的に接続する超音波自己診断用の信 号波形の導波路を提供する。 図２は、本発明による超音波センサ４０の断面図である。センサ４０の多くの 構成要素は前記センサ１０と同一であり、図２では同一部分に同一の符号を付し ている。しかしながら、センサの自己診断機能を低下させることなく、支持構造 物１２を非金属部材にすることができる。センサ４０は、ブリッジ１８を通って 変換器１４、１６間に延びた超音波結合素子４２を備えている。超音波結合素子 ４２は導波路として機能し、超音波信号を変換器１４、１６および２つの物体窓 部間で伝送する。好ましい実施形態では、超音波結合素子４２は、例えば温度の ような外部要因に対しても適用温度範囲内では相当に安定した超音波信号伝送能 力を備えている素材で形成される。金属は、このような結合素子である。支持構 造物１２が非金属材質、例えばポリマやレジンなど（すなわち、“プラスチック ”）であっても、超音波結合素子４２により、自己診断中に利用する変換器１４ 、１６間の超音波結合について信頼性および安定性が得られる。 図３は、超音波変換器４０の支持構造物１２の詳細な断面図である。リード線 ３２，３６はシールドされた典型的な同 軸ケーブルである。変換器１４，１６は、それぞれ音響整合層４４，４６によっ て隙間２０に結合されている。典型的には、層４４，４６はエポキシを含んでい る。 本発明による超音波結合素子４２は、変換器１４および１６を音響的に結合す る。素子４２は、超音波信号を変換器１４、１６間で低減衰に伝送する。素子４ ２は、金属素子４８および音響分離スペーサ５０を含む。好ましい実施形態では 、金属素子４８は例えば銅線であり、スペーサ５０は素子４８を覆うテフロン（ 登録商標）チューブである。金属素子４８は音響整合層４４，４６内まで延びて おり、第１の終端は変換器１４と隙間２０との間に位置し、第２の終端は変換器 １６と隙間２０との間に位置している。支持構造物１２内は、例えばエポキシや シリコンシンタクチィクフォームなどの絶縁材料５２で満たされている。音響分 離スペーサ５０は、自己診断信号を吸収してしまう絶縁材料５２から素子４８の 中心部を離間させる。一の実施形態では、音響分離スペーサ５０は四フッ化ポリ エチレン（poly-tetra-fluoroethylene）から成っている。 動作中、超音波結合素子４２は変換器１４および１６を超音波結合させる。結 合素子４２は、変換器１４，１６間で超 音波信号を伝送する。 本発明によれば、自己診断波形が超音波液面センサの各変換器間を正確に伝送 される。超音波結合素子により各変換器間の超音波結合が安定し、その結果、自 己診断が、例えば温度のような外部要因によって不良になることがない。このた め、センサの支持構造物を、例えばプラスチックのような予測できない音波特性 を備えた素材にすることができる。 本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神お よび範囲から逸脱することなく形式や詳細の変更ができることを認識できるであ ろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロッセルソン，ボリス アメリカ合衆国 60016 イリノイ州、デ ス プレインズ、ウエスト オークス ア ベニュー 9117 (72)発明者 エジン，アレックス アメリカ合衆国 60016 イリノイ州、デ ス プレインズ、ファーン レイン 9251

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．感知される液体が流れ込めるように、その外側に設けられた隙間の周囲に配 設されたハウジングと、 隙間近傍で、ハウジングの内側から離間された第１および第２の超音波結合材 料層と、 前記第１および第２の層にそれぞれ接触し、音響エネルギを、液体を感知する ためには隙間を通る第１の通路に沿って伝送し、変換器の機能を診断するために はハウジング内の第２の通路に沿って伝送する第１および第２の変換器とを具備 し、 前記第２の通路は、 第１の層内の第１の終端から第２の層内の第２の終端へ、素子の中央部を介し て音響エネルギを結合する、ハウジング内の金属素子と、 中央部をハウジングや絶縁部材との接触から遠ざける音響分離手段とを含むこ とを特徴とする超音波液体センサ。 ２．ハウジングが非金属材料によって形成されたことを特徴とする請求項１に記 載の超音波液体センサ。 ３．前記非金属材料がレジンであることを特徴とする請求項２に記載の超音波液 体センサ。 ４．前記レジンがテフロンであることを特徴とする請求項３に記載の超音波液体 センサ。 ５．前記音響分離手段は四フッ化ポリエチレンポリマで構成されたことを特徴と する請求項１に記載の超音波液体センサ。 ６．前記金属素子は銅で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波液 体センサ。 ７．第１の変換器を付勢する手段と、 第１の変換器によって発生されて第２の変換器によって受信された超音波信号 を監視する手段とを、さらに具備したことを特徴とする請求項１に記載の超音波 液体センサ。 ８．第１の変換器から第２の変換器へ金属素子を介して伝送された超音波信号に 基づいて、超音波液体センサの完全性をテストする自己診断手段を含むことを特 徴とする請求項７に記載の超音波液体センサ。 ９．金属素子の第１の終端は第１の変換器と隙間近傍のセンサ物体窓との間に位 置決めされ、第２の終端は第２の変換器と隙間近傍のセンサ物体窓との間に位置 決めされたことを特徴とする請求項１に記載の超音波液体センサ。 １０．感知対象の液体が流れ込めるように隙間周囲が加工されたハウジングと、 ハウジング内で隙間近傍に装備された第１の超音波変換器と、 ハウジング内で隙間近傍に装備された第２の超音波変換器と、 ハウジング内で第１の変換器と第２の変換器との間に延びて第２の伝送路を形 成する超音波結合素子とを具備し、 前記第１および第２の超音波変換器は、液体を感知するために隙間を通過する 第１の伝送路に沿ってエネルギを伝送し、かつセンサの正常性を診断するために ハウジング内の第２の伝送路に沿ってエネルギを伝送することを特徴とする超音 波液体センサ。 １１．前記超音波結合素子は、 第１の変換器から第２の変換器へ、素子の中心部を介して音響エネルギを結合 する金属素子と、 前記中心部を、絶縁材料と接触しないように隔てる音響分離手段とを具備した ことを特徴とする請求項１０に記載の超音波液体センサ。 １２．前記音響分離手段はテフロンで構成されたことを特徴とする請求項１１に 記載の超音波液体センサ。 １３．前記金属素子は銅で構成されたことを特徴とする請求 項１１に記載の超音波液体センサ。 １４．前記超音波液体センサは、隙間と第１および第２の変換器との間のそれぞ れに、第１および第２の超音波結合材料層を有し、超音波結合素子は第１および 第２の層と音響的に結合されたことを特徴とする請求項１０に記載の超音波液体 センサ。 １５．前記ハウジングは非金属材料で形成されたことを特徴とする請求項１０に 記載の超音波液体センサ。