JP2000337946A - 液面測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象物にビームを当てるとともに該対象物か
らの反射ビームを受信し、送波が行われた時点から上記
反射ビームが受波された時点までの時間に基づいて、上
記対象物の液面の位置を測定する液面測定装置におい
て、精度良く液面検知を行う。 【解決手段】 判別部４１により、所定周波数Ｆｏと異
なる周波数の超音波が受信されたか否かを判別し、演算
部４４により、該判別部４１からの判別結果に基づいて
上記液面の高さを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定周波数の電気
信号に基づき対象物に対して超音波を送信する超音波送
信と、対象物から送られてくる超音波を受信して電気信
号を出力する超音波受信とを行って圧力容器内の液面の
高さを測定する液面測定方法及びその装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、上記液面測定装置として、大
気に露出した振動板等の超音波振動体を振動させること
により大気中に超音波を送信して対象物に当てる超音波
送信器、該対象物から送られてくる超音波を受信する超
音波受信器、並びに該送信器及び該受信器の機能を兼ね
備えた超音波送受信器等を用いて、密閉容器内の対象物
の液面検知を行う液面測定装置が知られている。

【０００３】このような液面測定装置において、液面検
知は通常以下のように行われる。すなわち、上記対象物
に超音波を当てるとともに該対象物からの反射波を受信
し、送信器から送波される超音波と同じ周波数の超音波
が所定レベル以上受信された時点を上記反射波が受信さ
れた時点として、上記送信器からの送波が行われた時点
から上記反射波が受信された時点までの時間（以下、反
射時間という）に基づいて、該対象物の液面の位置を測
定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、送信器から
送波される超音波の中には、密閉容器内に収容されてい
る対象物に当たって反射されるもの（以下、反射波とい
う）のみならず、密閉容器内壁で反響したり、密閉容器
を構成する壁部中を伝わったりして残響となるもの（以
下、残響波という）もある。そして、この残響も上記受
信器に受信されることとなる。さらに、上記送信器から
送波されてそのまま上記受信器に受信されるもの（以
下、直接波という）もある。これらの超音波のうち、ま
ず直接波が受信器に到達し、次に残響波が到達する。と
ころが、該残響波のレベルが上記所定レベル未満に低下
しないうちに反射波が受信器に到達すると、該反射波が
残響波に埋もれてしまうため、該反射波が受信器に到達
したタイミングが判別できない。このため、上記受信器
に受信された超音波のうち、上記反射波がどのタイミン
グで受信器に受信したのかを正確に判定することが困難
であった。この結果、上記反射時間を正確に算出して、
精度良く液面検知を行うことが困難であるという問題点
があった。

【０００５】本発明は以上の問題点に鑑みなされたもの
であり、その目的は、精度良く液面検知を行うことが可
能となる液面測定方法及びその装置を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、圧力容器内の液体の液面に対し
て超音波を送信するとともに該液面で反射した超音波を
受信することにより、該液面の高さを測定する液面測定
方法において、上記送信された超音波の周波数と異なる
周波数の超音波が受信されたタイミングに基づいて、上
記液面の高さを測定することを特徴とするものである。

【０００７】請求項２の発明は、圧力容器内の液体の液
面に対して超音波を送信するとともに該液面で反射した
超音波を受信することにより、該液面の高さを測定する
液面測定装置において、上記送信された超音波の周波数
と異なる周波数の超音波が受信されたか否かを判別する
判別手段と、該判別手段からの判別結果に基づいて上記
液面の高さを算出する算出手段とを備えたことを特徴と
するものである。

【０００８】請求項３の発明は、請求項２の液面測定装
置において、上記超音波を送信する送信部から超音波が
送信されたタイミングから、上記送信された超音波の周
波数と異なる周波数の超音波が受信されたタイミングま
での所要時間を算出し、該所要時間から上記液面の高さ
を算出するように、上記算出手段を構成したことを特徴
とするものである。

【０００９】上記圧力容器内に送信された超音波が当た
り得るのは、圧力容器を構成する壁と該圧力容器内の液
体とである。そして、該液体の液面には、該壁の壁面に
比して動きが生じていることが多い。具体的には、地面
からの微小な振動により液面に波が生じていたり、上記
液体の気化によって気泡が生じていたりすることが多
い。これに対して、上記壁面は静止している状態となっ
ている。従って、上記送信された超音波のうち、上記液
面に反射されることなくそのまま受信器に到達したもの
や、静止物である上記圧力容器を構成する壁部の中を伝
わったり内壁面で反射されたりして上記受信器に到達し
たものは、上記送信された際の周波数と同じ周波数のま
まであるが、上記液面から反射したものは、上記液面が
微動することによって周波数が変化することとなる。

【００１０】このことを利用して、請求項１の液面測定
方法においては、上記送信された超音波の周波数と異な
る周波数の超音波が受信されたタイミングに基づいて、
上記液面の高さを測定する。これにより、上記受信器に
受信された超音波のうち、上記液面から反射された超音
波がどのタイミングで受信器に受信したのかを正確に判
定することが可能となる。

【００１１】また、請求項２及び３の液面測定装置にお
いては、上記判別手段により、上記送信された超音波の
周波数と異なる周波数の超音波が受信されたか否かを判
別する。そして、上記算出手段により、該判別手段から
の判別結果に基づいて、上記液面の高さを算出する。こ
れにより、上記受信器に受信された超音波のうち、上記
液面から反射された超音波がどのタイミングで受信器に
受信したのかを正確に判定することが可能となる。

【００１２】また、請求項３の液面測定装置において
は、上記算出手段により、上記超音波を送信する送信部
から超音波が送信されたタイミングから、上記送信され
た超音波の周波数と異なる周波数の超音波が受信された
と上記判別手段によって判別されたタイミングまでの所
要時間を算出し、該所要時間から上記液面の高さを算出
することで、上記液面の高さを測定する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を超音波を用いて高
圧ガス容器内の液面を測定する超音波液面測定装置（以
下、液面測定装置という）に適用した実施形態について
説明する。図１は本実施形態に係る液面測定装置の概略
構成を示す部分断面図である。この液面測定装置は、高
圧ガス容器１００の外壁部１００ａの天面に設置された
超音波装置（以下「センサユニット」という）としての
送信器１１及び受信器２１と、送信器１１に駆動信号を
送るとともに受信器２１からの電気信号を処理する駆動
制御装置４０とを用いて構成されている。なお、一つの
センサユニットを送信器と受信器とに兼用し、該センサ
ユニットから超音波を間欠的に送波するとし、液体であ
る液体ガスの液面Ｌから反射してきた超音波を同じセン
サユニットで受波するように構成してもよい。

【００１４】図２は、本液面測定装置のブロック図であ
る。この液面測定装置は、送波手段としての超音波送波
部１０と、受波手段としての超音波受波部２０と、駆動
制御装置４０とを備えている。

【００１５】上記超音波送波部１０は、所定周波数Ｆｏ
の基準信号に基づいて送波器１１で生成した超音波を、
容器内の液面Ｌに向けて送波するものであり、電気信号
を超音波に変換する超音波振動子等からなる送波器１
１、所定周波数Ｆｏの基準信号を発生させるための基準
発振器１２、後述する間欠制御器４１からの間欠制御信
号によりＯＮ／ＯＦＦ制御されて、発振器からの基準信
号を基準信号を送波器の駆動に必要なレベルまで増幅し
た信号を間欠的に出力する出力増幅器１３等により構成
されている。

【００１６】上記超音波受波部２０は、上記液面Ｌから
反射された超音波を受波器２１で受波して受信信号とす
るものであり、超音波を電気信号に変換する超音波振動
子等からなる受波器２１、受波器２１から出力された微
弱な受信信号を増幅する前置増幅器２２を有している。

【００１７】上記駆動制御装置４０は、上記超音波受波
部２０から出力される受信信号が、上記液面Ｌから反射
された反射波に相当する反射波信号を含んでいるか否か
を判定する判定部４１と、該判定部４１からの信号を、
速度算出するのに必要なレベルまで増幅する増幅器４２
と、前述のように送波器１１を間欠的に制御するための
間欠制御信号を出力する間欠制御器４３と、該間欠制御
信号と上記増幅器４２の出力信号とに基づいて速度を算
出する演算部４４とを有している。

【００１８】以上のような構成の液面測定装置におい
て、上記送信器１１から容器１００内の液面Ｌに向けて
超音波を送波し、該液面Ｌからの反射波を受信器２１で
受波する。そして、上記演算部４３は、上記送波器１１
からの送波を開始したタイミングから上記液面Ｌから反
射された反射波に相当する反射波信号を含んでいると上
記判定部４１によって判定された受信信号が上記受信器
２１で受信されたタイミングまでの時間を計測する。こ
の計測値のデータを処理することにより、上記送信器１
１の送波面と上記容器の液面Ｌとの間の距離、すなわち
液面の位置を算出する。

【００１９】ところで、前述のように、上記高圧ガス容
器１００内に送信された超音波が当たり得るのは、該容
器１００を構成する壁及び該容器１００内の液体ガスで
ある。そして、該液体ガスの液面Ｌには、該壁の壁面に
比して動きが生じていることが多い。具体的には、地面
からの微小な振動により液面Ｌに波が生じていたり、上
記液体ガスの気化によって気泡が生じていたりすること
が多い。これに対して、上記壁面は静止している状態と
なっている。従って、上記送信された超音波のうち、上
記液面に反射されることなくそのまま受信器に到達した
ものや、静止物である上記圧力容器を構成する壁部の中
を伝わったり内壁面で反射されたりして上記受信器に到
達したものは、上記送信された際の周波数と同じ周波数
のままであるが、上記液面から反射したものは、上記液
面が微動することによって周波数が変化することとな
る。

【００２０】そこで、本実施形態に係る液面測定装置に
おいては、上記送信された超音波の周波数すなわち前記
所定周波数Ｆｏと異なる周波数の超音波が受信されたタ
イミングに基づいて、上記液面の高さを測定する。具体
的には、上記所定周波数Ｆｏと異なる周波数の超音波が
受信されたか否かを判別する判別手段と、該判別手段か
らの判別結果に基づいて上記液面の高さを算出する算出
手段とを備えた構成を採用している。以下、この構成及
び動作について説明する。

【００２１】この液面測定装置においては、上記判定部
４１を、上記判別手段として構成している。すなわち、
上記超音波受波部２０から出力される受信信号が上記所
定周波数Ｆｏと異なる周波数の超音波に相当する信号で
あるか否かを判別することで、上記受信信号が、上記液
面Ｌから反射された反射波に相当する反射波信号を含ん
でいるか否かを判定する。具体的には、上記受信信号が
上記所定周波数Ｆｏと異なる周波数の超音波に相当する
信号である場合には、上記受信信号が、上記液面Ｌから
反射された反射波に相当する反射波信号を含んでいると
判定する。

【００２２】ここで、ドップラー効果等によって信号の
周波数が変化する場合には、該変化によって信号の波形
が変化し、デューティが変動する。例えば、図３（ａ）
に示すようなデューティ５０％の矩形波である信号の周
波数が高くなる場合には、図３（ｂ）に示すように、各
パルスのパルス幅がだんだん短くなっていく。そして、
このパルス幅がだんだん短くなっていく間、この信号の
デューティは変動することとなる。従って、上記判定部
４１としては、入力信号のデューティが変動したか否か
を判別することで上記判定を行うものを用いることがで
きる。

【００２３】このような判定部４１の一構成例を図４に
示す。この判定部４１はインバータ４１１と、コンデン
サＣ１と抵抗Ｒ１とによって構成されたローパスフィル
タ４２２と、コンパレータ４１３とを有するものであ
る。上記インバータ４１１は、正弦波の状態で受信され
る受信信号の波形を矩形波に変換するためのものであ
る。また、ローパスフィルタ４２２は、入力端子ＩＮに
入力された電気信号の平均電圧値が出力されるように上
記コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１との値が設定されている。
例えば、前記送波器から送波する超音波に相当する電気
信号として、図３（ａ）に示すような所定周波数Ｆｏ例
えば４０ｋＨｚ、デューティ５０％の、パルストップ電
圧がＶ１、パルスベース電圧がＶ０である矩形波信号を
用いる場合、該矩形波信号が印加されている間は、出力
端子ＯＵＴからの出力信号が、図５（ａ）に示すよう
に、上記矩形波の平均電圧値（Ｖ１−Ｖ０）／２とな
る。また、コンパレータ４１３は、上記ローパスフィル
タ４１２の出力信号が変動して、上記送波器から送波す
る超音波に相当する電気信号の平均電圧値（以下、基準
平均電圧値という）からずれたか否かによって、Ｈｉｇ
ｈ又はＬｏｗの信号を出力する、例えば、変動したとき
にはＨｉｇｈ、変動しなかったときにはＬｏｗを出力す
るものである。

【００２４】この判定部４１において、上記液面Ｌから
反射しなかった結果上記周波数変調を受けなかった超音
波、すなわち、上記液面に反射されることなくそのまま
受信器に到達した超音波や、静止物である上記圧力容器
を構成する壁部の中を伝わったり内壁面で反射されたり
して上記受信器に到達した超音波に相当する信号が入力
したときには、上記ローパスフィルタ４１２の出力は、
図５（ａ）に示すように、上記基準平均電圧値のままと
なる。そして、上記コンパレータ４１３からの出力信号
は上記ローパスフィルタ４１２の出力信号が変動せずに
上記基準平均電圧値となっていることを示す信号、例え
ばＬｏｗとなる。一方、上記周波数変調を受けた結果、
周波数が変動して上記所定周波数とは異なる周波数とな
った超音波、すなわち、上記液面Ｌから反射された超音
波に相当する信号が上記判定部４１に入力したときに
は、その周波数の変化によって信号波形が変化し、デュ
ーティが変動することとなる。このため、この信号の平
均電圧値が上記基準平均電圧値近傍で変動することとな
る。すなわち、上記ローパスフィルタ４１２の出力信号
が、図５（ｂ）に示すように、上記基準平均電圧値近傍
で変動することとなる。そして、上記コンパレータ４１
３からの出力信号は上記ローパスフィルタ４１２の出力
信号が変動したことを示す信号、例えばＨｉｇｈとな
る。このようにして、上記受信信号が、上記液面Ｌから
反射された反射波に相当する反射波信号を含んでいるか
否かを判定することができる。

【００２５】なお、上記判定部４１としては、図４に示
したような入力信号のデューティが変動したか否かを判
別することで上記判定を行うもののみならず、入力信号
の周波数が変化したことを直接判別することで上記判定
を行うものを用いることもできる。例えば、クオドラチ
ャ復調回路、ディジタル遅延回路を用いた復調回路、Ｐ
ＬＬ復調回路などを用いることができる。しかしなが
ら、これらの回路を利用する場合に比して、図４に示し
たような入力信号のデューティが変動したか否かを判別
することで上記判定を行うものを利用した場合には、そ
の構成が簡易である点で好ましい。

【００２６】そして、本液面測定装置においては、上記
算出手段としての演算部４４により、上記間欠制御器４
３からの間欠制御信号が出力されたタイミングと、上記
受信信号が反射波信号を含んでいると上記判定部によっ
て判定されたタイミングすなわち上記判定部４１からパ
ルス信号が出力されたタイミングとに基づいて、上記送
波器１１からの送波が開始したタイミングから、上記所
定周波数Ｆｏと異なる周波数の超音波が受信されたタイ
ミングまでの所要時間を算出し、上記液面の高さを算出
する。

【００２７】以上、本実施形態に係る液面測定装置によ
れば、上記受信器に受信された超音波のうち、上記液面
Ｌから反射された超音波がどのタイミングで受信器に受
信したのかを正確に判定することが可能となる。よっ
て、上記反射時間を正確に求め、液面の高さを精度良く
測定することが可能となる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１乃至３の発明によれば、精度良
く液面検知を行うことが可能となるという優れた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る液面測定装置の概略構
成を示す部分断面図。

【図２】同液面測定装置のブロック図。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、信号の周波数が変化する
様子を説明するための説明図。

【図４】同液面測定装置の判定部の一構成例を示す説明
図。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は、図４の判定部の動作を説
明するための説明図。

【符号の説明】

１０ 超音波送波部 １１ 送信器 １２ 基準発振器 １３ 出力増幅器 ２０ 超音波受波部 ２１ 受信器 ２２ 前置増幅器 ４０ 駆動制御装置 ４１ 判定部 ４２ 増幅器 ４３ 間欠制御器 ４４ 演算部 １００ 高圧ガス容器 １００ａ 外壁部 Ｌ 液面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力容器内の液体の液面に対して超音波を
   送信するとともに該液面で反射した超音波を受信するこ
   とにより、該液面の高さを測定する液面測定方法におい
   て、 上記送信された超音波の周波数と異なる周波数の超音波
   が受信されたタイミングに基づいて、上記液面の高さを
   測定することを特徴とする液面測定方法。
2. 【請求項２】圧力容器内の液体の液面に対して超音波を
   送信するとともに該液面で反射した超音波を受信するこ
   とにより、該液面の高さを測定する液面測定装置におい
   て、 上記送信された超音波の周波数と異なる周波数の超音波
   が受信されたか否かを判別する判別手段と、該判別手段
   からの判別結果に基づいて上記液面の高さを算出する算
   出手段とを備えたことを特徴とする液面測定装置。
3. 【請求項３】請求項２の液面測定装置において、 上記超音波を送信する送信部から超音波が送信されたタ
   イミングから、上記送信された超音波の周波数と異なる
   周波数の超音波が受信されたタイミングまでの所要時間
   を算出し、該所要時間から上記液面の高さを算出するよ
   うに、上記算出手段を構成したことを特徴とする液面測
   定装置。