JPS61120988A - 超音波測長系の温度補正回路 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は５例えば、超音波レベル計に適用される超音波
測長系について設けられ、測温抵抗体により、音速の温
度変化による誤差を補正する回路に関し、特に、測温抵
抗体の接続に使用するケーブルの抵抗値による誤差をも
補正する温度補正回路に関する。

［従来の技術］ 一般に、超音波測長系には、送信波の送＠後、反射波を
受信するまでの間、基準電圧を積分し、その積分された
電圧値にて長さを計測するアナログ式のものがある。こ
の超音波測長系は、超音波レベル計、流量計等に広く使
用されている。

ところで、この種の超音波測長系では、超音波の音速が
温度により変化するため、温度によって計測値が異なる
という誤差を生じる。そこで、何ら゛かの温度補正を必
要としている。

従来、この種の装置では、白金測温抵抗体等の測温抵抗
体を使用して温度補正を行なっている。

この補正は、抵抗温度変化率の傾斜が空気中の音速の温
度変化率と一致する測温抵抗体を選定して、と記基準電
圧を、側温抵抗体の抵抗温度変化に対応して変化させる
ことにより行なう。

［発明が解決しようとする問題点１ ところで、一般に、超音波レベル計等の超音波測長系は
、遠隔測定に使用されることが多い、このため、超音波
プローブの設定位置と、このプローブからの信号を処理
する回路装置の設置される位置とが離れることになる。

この場合、温度補正を行なうための測温抵抗体は、グロ
ーブの近傍に設置されるので、上記プａ−ブからの信号
を処理する回路装置と測温抵抗体との接続に使用するケ
ーブルが長くなる。

この種の測温抵抗体の接続用ケーブルは、　２５．５Ω
／Ｋｍ程度の抵抗を持っているので、　１００ｍのケー
ブルでは、約２．５５０の抵抗となる。従って、測温抵
抗体の抵抗値が、例えば、１００Ωである時には。

約２．８％の誤差となる。

従来、このような誤差は、ケーブルをできる限り短くし
て小さくするか、ケーブルを長くせざるを得ない場合に
は、止むを得ない誤差として無視していた。

しかし、遠隔測定において、正確な測定を行なう場合に
は、ケーブルが長くても、誤差の無い温度補正を必要と
する。従来の温度補正回路は、このような要請を満足で
きていなかった。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、測
温抵抗体の接続に使用されるケーブルの抵抗値による誤
差を無くして１選定された測温抵抗体により精度よく温
度補正を行なうことができる超音波測長系の温度補正回
路を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、送信波の送＠後１反射波を受信するまでの間
、基準電圧を積分してランプ電圧を形成し１反射波受信
時のランプ電圧値にて長さを計測する形式の超音波測長
系について設けられ、測温抵抗体により、上記基準電圧
を変化させて、音速の温度変化による誤差を補正する回
路に適用される。そして１本発明は、その問題点解決手
段として１次の構成要件を有している。これについて、
：ｊＳ１図を参照して説明する。

第１に、差動増幅回路ＤＡを備えて、上記基準電圧を形
成する基準電圧回路ＥＳを構成する。そして、この差動
増幅回路ＤＡの一方の入力に、側温抵抗’ｋＲｐｔを接
続し、他方の入力に、上記測温抵抗体Ｒｐｔの接続に使
用するケーブルの抵抗Ｒｓによる誤差を補正するケーブ
ル長補正回路Ｅマを接続しである。

この基準電圧回路ＥＳの差動増幅回路ＤＡは、例えば、
演算増幅器を用いて構成される。この演算増幅器の出力
が、基準電圧として、上記ランプ電圧を形成するランプ
電圧発生回路ＬＧに入力される。

第２に、上記側温抵抗体Ｒｐｔを、定電流源■ｇに接続
して、該定電流源１．からの電流Ｉｘにより生ずる電圧
降下Ｅｘｌを、上記差動増幅回路ＤＡの差動入力の一方
の入力信号とする構成としである。

上記測温抵抗体Ｒｐｔは、空気中の音速の温度変化率に
対応する傾斜の抵抗温度変化率を持つものを選定する。

なお、第１図において、定電流源Ｉｇと測温抵抗体Ｒｐ
ｔとの間に接続される抵抗Ｒｓは、測温抵抗体Ｒｐｔの
接続に使用するケーブルの抵抗を等価的に示すものであ
り、現実の抵抗素子ではない。

ｆＪＩＪ３に、上記ケーブル長補正回路Ｅマを、基準電
圧発生回路として構成する。即ち、ケーブル長補正回路
Ｅｖは、上記側温抵抗体Ｒｐｔを接続するケーブルの抵
抗値Ｒｓと上記電流Ｉｘとにより生する電圧降下Ｒ５ｌ
１に相当する基準電圧Ｅｘ２を発生し、その基準電圧Ｅ
ｘ２を、上記差動増幅回路ＤＡの差動入力の他方の入力
信号とする構成としである。なお、このような基準電圧
発生回路としては、例えば、ｉｔ池、または、抵抗によ
る電位分割回路等がある。

この基準電圧Ｅｘ２は、上記差動増幅回路ＤＡが、例え
ば、上述したように演算増幅器にて構成される場合には
、適当な抵抗を介してその非反転入力端子に入力される
。

［作用］ 上記のように構成される本発明の解決手段の作用につい
て、第１図および第２Ａ、２Ｂ図を餐照して説明する。

先ず、上記第２の構成要件の作用について説明する。な
お、説明を簡単にするため、ここでは。

ケーブルの長さは、その抵抗を無視できる程度に短いも
のと仮定する。

上記測温抵抗体Ｒｐｔとして、白金測温抵抗体を使用し
、これにより気温を検出する。この測温抵抗体Ｒｐｔの
抵抗値は、０℃における抵抗値をＲｏ。

抵抗温度係数をα　温度をｔとして、次式のようになる
。

Ｒｐｔ＝Ｒ，（１＋α１）（Ω）・・・・・・（＋）一
方、空気中の音速Ｃは１次式のようになる。

Ｃ＝　３３１．５　＋　Ｏ，［ｌｌｔ　（ｍ／ｓ）　−
−−−（２）空気中の音速が変化すると、同一長さの測
定を行なっても、測定値が異なって、誤差を生ずる。

これを上記構成では、側温抵抗体Ｒｐｔとして、その抵
抗温度変化率が空気中の音速の温度変化率と同じ比率と
なるものを選定して、音速の温度変化分を自動的に打消
すようにしである。

即ち、温度がΔｔ℃変化したとすると、上記測温抵抗体
Ｒｐｔの抵抗温度変化率は。

Ｒ６ａΔｔ　／　（Ｒ６＋　Ｒｅ　ａ　ｔ　）　−（３
；となる。

一方、音速の変化率は、 ０．８１Δｔ　／　（３３１，５＋０．８１ｔ　）・・
・・・・（０となる。

そして、上記抵抗の温度変化率と音速の変化率とが、等
しくなるようにするのであるから。

３３１．５　ＲＯα＝　ｏ、８１Ｒ。

となる、よって、次式に示すαを得る。

α＝　０．８１／　３３１．５ 句１．８　Ｘ　１Ｇ−３℃−１ 次に、上記のような抵抗温度変化率を持つ測温抵抗体Ｒ
ｐｔによる、音速の温度変化の補正作用について、第１
の構成要件との関係において説明する。

定電流源Ｉｇの電流Ｉｘによる上記測温抵抗体Ｒｐｔの
電圧降下Ｅｘｔは、ケーブルの抵抗ＦＬｓを無視できる
ので、上記ｉ＠　（１）式を用いて、次式で与えられる
。

Ｅｘｌ＝Ｒ，（１＋　α　ｔ）　　Ｉｘ　　・・・・・
・（５）第２Ａ、２Ｂ図において、プローブＰから反射
面Ｓまでの距離をＬとすれば、Ｍ定時間Ｔは、Ｔ＝　２
　Ｌ／Ｃ となる。

また、差動増幅回路ＤＡの出力電圧Ｍｏｌは、ケーブル
長補正回路Ｅマを接続していないものとして、即ち、Ｅ
ｘ２＝０として、比例定数をＡとすれば、 Ｖａｌ＝−ＡＥ重１　　・・・・・・・・・・・・（７
）で与えられる。

ランプ電圧発生回路ＬＧの出力電圧Ｖａ２は、上記Ｗａ
ｌを、ｔにつＬｒ’て、ｔ＝ｏからｔ−Ｔｔで積分する
ことにより１次式に示すように得られる。

Ｖｏ２＝ＡＥｘＩＴ これに、α＝　０．８１／　３３１．５を考慮し、上記
（５）。

（８）式を代入して、次式を得る。

Ｖｏ２−２　Ａ　Ｒｏ　Ｌ　Ｉ　１　／３３１．５　＝
・＝・（８）上記（８）式は、温度ｔを含む（ｌ＋αｔ
）なる項が消去されている。よって、出力電圧Ｖａ２は
。

Ｉｘ、Ａが一定であれば、測定すべき距離りに比例し、
温度変化ｔの影響を受けない。

次に、側温抵抗体Ｒｐｔの接続に使用するケーブルの長
さが、その抵抗を無視できない程度に長いものとして、
上記第１、第３の構成要件の作用について説明する。

第１図において、差動増幅器ＤＡには、ケーブル径補正
回路Ｅマの基準電圧Ｅｚ２と、測温抵抗体Ｒｐｌにおけ
る電流Ｘｘによる電圧降下Ｅ１１とが入力される。その
出力電圧Ｖｏｌは、Ａを比例定数として次式で与えられ
る。

Ｖ　ｏｌ＝　Ａ　（Ｅ　ｘ２−　Ｅ　！ｌ）　−・−（
３）ここで、上記電圧降下Ｅｘｌは、ケーブルの抵抗Ｒ
ｓが無視できないので。

Ｅｚｌ　−（Ｒｓ＋Ｒｐｔ）　Ｉ　ｔ　−−−（１０）
のようになる、これを、上記第（８）式に代入して、次
式を得る。

Ｖｏｌ＝Ａ　（ＥＸ２−　（Ｒｓ　＋Ｒｐｔ）　　Ｉｘ
　１圧ＥＸ２を選べば、上記第（１１）式のＶｏＨ＊、
Ｖ　ａｌ＝　−Ａ　ＲｐｔＩ　！　・−・＝（１２）と
なる。

ところで、上記第（１２）式における］’１ｐｔＩｘは
、上述したケーブルの抵抗Ｒｓを無視した場合の測温抵
抗体Ｒｐｔの電圧降下Ｅｘｌに等しい、一方、上記第（
７）式は、 Ｖｏｌ　＝−Ａ、ＥｘＩ ＝−ＡＲＰＬＩｘ であるから、上記第（１２）式と同じになる。

従って、基準電圧Ｅｚ２を、 Ｅｘ２＝ＲｓＩｘ　　・・・・・・・・・・・・・・・
（１３）となるように設定することにより、温度補正に
おける、ケーブル長に基づく誤差を除去することができ
る。

なお、上記ケーブル径補正回路Ｅマを、基準電圧Ｅｚ２
をケーブル長に合せて可変設定することができるように
回路構成すれば、いかなるケーブル長にも対応でき、正
確な補正が可能となる。

〔実施例］ 本発明の実施例について、上記各図および第３図〜第５
図を参照して説明する。ここで、第３図は本発明温度補
正回路の一実施例の構成を示す回路図、第４図は上記実
施例を適用する超音波レベル計の一例を示すブロック図
、第５図は上記超音波レベル計における信号処理回路の
一例を示す回路図である。

〈実施例の構成〉 第３図に示す温度補正回路は、上記第１図において示し
たものと同様に、差動増幅器ｗＩＤＡの入力の一方に測
温抵抗体Ｒｐｔｔ−接、続し、他方の入力にケーブル径
補正回路Ｅマを接続して成り、全体として基準電圧回路
ＥＳを構成している。

と記差動増幅回路ＤＡは、演算増幅器ＯＦ、と。

抵抗Ｒ，，Ｒ，とからなり、入力電圧Ｅｘ１．Ｅｘ２と
を差ｖＪ増幅する。その出力は、ランプ電圧発生回路Ｌ
Ｇに基準電圧として入力される。

測温抵抗体Ｒｐｔは、定電流源Ｉｇｘに接続される。

この測温抵抗体Ｒｐｔと定電流源１ｇｘとの間には。

上述したように　測温抵抗体Ｒｐｔの接続に使用される
ケーブルの抵抗Ｒｓが等価的に接続されている。この測
温抵抗体Ｒｐｔと抵抗Ｒｓとに、上記電流１ｇｘが流れ
て生じる電圧降下が、上記入力電圧Ｅ寞１となる。

ケーブル径補正回路Ｅマは２例えば、可変抵抗Ｒ５を＝
；定電流源工ｇｙに接続して構成される。

この可変抵抗Ｒ５に流れる、定電流源Ｉｇ、からのモミ
流１丁により生ずる電圧降下が、上記入力電圧Ｅｘ２と
なる。

ランプ電圧発生回路ＬＧは、演算増＠器ＯＰ２と、抵抗
Ｒ３と、コンデンサＣ１とからなる積分回路にて構成さ
れ、上記増幅回路にて増幅され、上記測温抵抗体Ｒｐｔ
の電圧降下に対応する電圧を積分してランプ電圧を形成
する。

本実施例において、本実施例のケーブル径補正回路Ｅマ
の基準電圧Ｅｘ２は、上記第（１３）式を用いて求める
ことができる。

即ち、測温抵抗体Ｒｐｔの接続用ケーブルの抵抗が、２
５．５Ω／に■程度であるとすると、ケーブル長を５０
　ｍとすれば、Ｒｓ　＝　１．２７５Ωとなる。これを
上記第（１３）式に代入すると共に、電流１１＝５ｍＡ
として。

Ｅ　Ｘ２＝　５　ａＡＸ　１．２７５Ω＝　８．３７５
　ｍＶ　　・＝　−＝　−−−−（１４）を得る。

〈実施例の作用〉 次に、上記実施例の作用について、第３図を参照して説
明する。なお、ここでは、Ｊ：足部２Ａ。

２Ｂ図に示す使用状態に適用するものとして説明する。

先ず、本実施例の補正回路における測温抵抗体Ｒｐｔに
、定電流源１．　ｇｘからの電流Ｉｉにより生ずる電圧
降下ＥＸＩを求める。なお、本実施例では、５０層のケ
ーブル（抵抗Ｒｓ　＝　１．２７５０）を使用して、０
℃の抵抗Ｒ０が＋００Ωの測温抵抗体Ｒｐｔと補正抵抗
Ｒｓとを接続するものとし、電流Ｉｘを５ｍＡとする。

電圧降下Ｅｌｌは、α＝　０．８１／　３３１．５およ
び上記第（１）式を考慮し、次式で与えられる。

Ｅｒ１＝　（Ｒｐｔ＋Ｒｓ　）　Ｉｘ 一方、これと同一の条件において、ケーブル長補正回路
Ｅマの基準電圧Ｅｘ２は、 Ｅ　！２　＝　８．３７５　ｍＶ　　−・−−−（１８
）となる。

ここで、差動増幅回路ＤＡの演算増幅器ＯＰ１の抵抗Ｒ
，，Ｒ，に流れる電流が、 Ｉ、＝−工ｚ であるから、演算増幅器ＯＦ、の出力電圧ＶｏｌばＶｏ
ｌ＝＋Ｒ２／Ｒ＋　　（Ｅｒ２−Ｅｘｌ）となる、この
式に、上記第（＋５）　、　（＋８）式を代入すると、
第（１５）式の第２項が消えて、出力電圧Ｖｏｌを次式
のように得る。

ランプ電圧発生回路ＬＧでは、この出力Ｖｏｌを基準電
圧として、演算増幅器ＯＦ７により、温度ｔについて、
１−０からｔ＝Ｔまで積分して１次式のランプ電圧Ｖａ
２を得る。

この式に、上記第（１７）式のＶｏｌと上記（１０）式
にて得られた結果とを代入して。

を得る。

上式から明らかなように、本実施例において。

ランプ電圧Ｖａ２は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３＋ＣＩ　力定数
であるから、計測すべき長さＬに比例し、温度変化の影
響を受けない、また、＊温抵抗体Ｒｐｔの接続に使用さ
れるケーブルの抵抗にも影響されない。

く超音波レベル計への実施例の適用例〉かかる構成の温
度補正回路を組込んだ超音波測長系の一例として、Ｂ音
波レベル計の構成を第４図に示す。

同図に示す超音波レベル計は、超音波を送出する送信回
路ｌと、対象物（例えば水面）にて反射されて戻って来
る反射波を受信する受信回路２と。

上記送信回路１の送信タイミングを設定するタイマ３と
、受信された反射信号を処理して、送信から受信までの
所要時間を電気信号に変換して検出する信号処理回路４
と、該信号処理回路４の出力を所定の電気信号に変換す
る出力回路５とを有して成り、かつ、これに　温度補正
回路６を設けてＭＲ成される。

温度補正回路６には、温度センサ７が接続しである。こ
のセンサ７は、上述した測温抵抗体にて構成される。そ
して、この温度補正回路６には、このセンサ７の外、ケ
ーブル長補正回路が設けてあり、上記第３図に示す＆準
電圧回路ＥＳを構成している。

信号処理回路４は、第５図示すように、ランプ電圧発生
回路を構成する演算増幅器ｏｐ、、コンデンサＣ２およ
び抵抗Ｒ４と、＠算増幅器ＯＰ３への上記基準電圧回路
の出力の入力をオンオフ制御するスイッチＳ１と、上記
コンデンサＣ２の充電電荷を放電するスイッチＳ２と、
これらのスイッチＳ、、Ｓ２のオンオフを制御するコン
トロール回路Ｃｔ　とを有して構成される。

上記スイッチＳ＋、Ｓ２は、コントａ−ル回路Ｃｔの出
力信号によりオンオフする。このコントロール回路Ｃｔ
には、上記タイマ３からの送信タイミング信号と、受信
回路２からの受信信号が入力される。コントロール回路
Ｃｔは、これらの信号の入力に対応してハイ・ロウの出
力信号を出力する。

Ｌ記コントロール回路Ｃｔは　送信タイミング信号の入
力によＬＪ、出力Ｑ１がハイレベルとなって、スイッチ
Ｓｌをオンさせる。この時、スイッチＳ２はオフ状態で
ある。一方、受信回路２からの受信信号が入力すると、
コントロール回路Ｃｔは、出力Ｑ２が次の送信繰返しの
手前でハイレベルとなり、スイッチＳ？をオンする。

」二記演Ｘ増幅器ＯＰ　３は、上記スイッチＳ１がオン
すると、基準電圧を積分してランプ電圧を形成する。一
方、ｈ記スイッチＳｌのオフ後、スイッチＳ２がオンす
ると、コンデンサＣ２が放電され、ランプ電圧がＯとな
るリセット状態となり、次のランプ電圧発生のｍｓを行
なう。

次に、上述したように構成される超音波レベル計による
レベル計ｌｌ１１ｖ１作について簡単に説明する。

先ず、タイマ３から一定周期にて送出される送信タイミ
ング信号が送信回路ｌに入力されると。

超音波信号がレベルを検出すべき水面に向けて放射され
る。同時に、上記送信タイミング信号は。

信号処理回路４のコントロール回路Ｃｔに送られ、スイ
ッチＳ、をオンさせる。これにより、演算増幅器Ｏ１２
等からなるランプ電圧発生回路は、スイッチＳｒ　を介
して入力する、第３図に示す基準電圧回路ＥＳの基準電
圧を積分し、ランプ電圧を形成する。

上記超音波信号は、水面で反射され、その反射波が、受
信回路２に受信される。受信回路２は、受信信号を形成
し、この受信信号が、コントロール回路Ｃｔに送られ、
スイッチＳ１をオフさせる。

さらに、ある時間経過後、次の送信の繰返しの手前で、
スイッチＳ？がコントロール回路Ｃｔによりオンする。

これにより、基準電圧の入力が阻止されると共に、コン
デンサＣ２の充電電荷が放電され、ランプ電圧はＯとな
る。

なお、ランプ電圧の積分値は、＠号処理回路４に設けら
れているサンプルホールド回路（図示せず）に保持され
、出力回路５において電流信号に変換されて出力される
。この電流信号の電流値により、求める水面のレベルを
計測する。

〈実施例の変形ン 上記実施例では、測温抵抗体として白金側温抵抗体を使
用したが、他の測温抵抗体を使用してもよい。

また、適用例として超音波レベル計を用いたが、その他
の超音波測長系、例えば、超音波流量計等にも適用でき
ること勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、測温抵抗体の接続に使用
されるケーブルの抵抗値による誤差を無くして、選定さ
れた測温抵抗体により精度よく温度補正を行なうことが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明温度補正回路の構成を示す回路図、第２
Ａ図および第２Ｂ図は超音波測長の原理を示す説明図、
第３図は大発明温度補正回路の一実施例の構成′を示す
回路図、第４図は上記実施例を適用するＢ音波レベル計
の一例を示すブロック図、第５図は上記超音波レベル計
における信号処理回路の一例を示す回路図である。 Ｒｐｔ・・・測温抵抗体　　　　Ｉｇ・・・定電流源Ｒ
ｓ・・・ケーブルの抵抗 Ｅマ・・・ケーブル長補正回路 ＬＧ・・・ランプ電圧発生回路 ＯＦ　１　　、ＯＰ　２　　、　ＯＰ　３”・演算増幅
器ＲＩ　、Ｒ２、Ｒｓ　、Ｒ４・・・抵抗Ｒ５・・・可
変抵抗 Ｃ，、Ｃ２・・・コンデンサ Ｓ、、Ｓ２・・・スイッチ ■・・・送信回路　　　　　　２・・・受信回路３・・
・タイマ　　　　　　　４・・・信号処理回路５・・・
出力回路　　　　　　６・・・温度補正回路７・・・セ
ンサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 送信波の送信後、反射波を受信するまでの間、基準電圧
   を積分してランプ電圧を形成し、反射波受信時のランプ
   電圧値にて長さを計測する形式の超音波測長系について
   設けられ、測温抵抗体により、上記基準電圧を変化させ
   て、音速の温度変化による誤差を補正する回路であって
   、 （ａ）差動増幅回路により上記基準電圧を形成する基準
   電圧回路を構成し、該基準電圧回路は、該差動増幅回路
   の一方の入力に、測温抵抗体を接続し、他方の入力に、
   上記測温抵抗体の接続に使用するケーブルの抵抗による
   誤差を補正するケーブル長補正回路を接続して成り、そ
   の出力基準電圧を、上記ランプ電圧を形成するランプ電
   圧発生回路に入力させる構成とし、 （ｂ）上記測温抵抗体は、定電流源に接続して、該定電
   流源からの電流Ｉ＿ｘによる電圧降下Ｅ＿ｘ１を、上記
   差動増幅回路の差動入力の一方の入力信号とする構成と
   して成り、 （ｃ）上記ケーブル長補正回路は、上記測温抵抗体の接
   続に使用するケーブルの抵抗値Ｒ＿ｓと上記電流Ｉ＿ｘ
   とにより生ずる電圧降下Ｒ＿ｓＩ＿ｘに相当する基準電
   圧Ｅ＿ｘ２を発生し、該基準電圧Ｅ＿ｘ２を、上記差動
   増幅回路の差動入力の他方の入力信号とする構成として
   成ること、 を特徴とする超音波測長系の温度補正回路。