JPH05501607A - ガス中及び液体中における超音波距離測定装置及び方法 - 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】 発明の名称 ガス中及び液体中における超音波距離測定装置及び方法本発明は、センサ内で音 波を発生し、該音波を反射物体と補助反射体に向けて発し、該距離を音の伝播時 間により測定する、ガス中及び液体中における超音波距離測定方法に関する。

また、本発明は、この方法を実行する装置に関する。

超音波距離測定において、測定の精度は厳密に音の速度の正確な情報と音波の正 確な伝播時間に依存している。原則的には、超音波測定装置は、かなり精度の高 い測定値を生み出し得るはずである。しかし、実際問題として、現状の技術によ る装置では、理論的に到達し得るはずの精度には到達しない。なぜなら、音の速 度、及び（又は）、音波伝播時間が正確に検知されていないからである。

この方法（ＤＥ−Ｏ５３６２１８１９）を実行する装置を使って最初に示された タイプの方法では、定常的な空気の流れが、音の伝播経路に沿う形で維持されて いる。これによって、伝播経路に沿って伝播する音が、不整な伝播をしないよう にすることが出来る。定常的な空気の流れを音の伝播経絡に沿う形で維持するこ とは、音波の経路の性質に大きく影響し、該伝播経路を、音波の伝播が定常的で 、且つ、可能な限り同質であるように用意する。

このことは決定的に測定の精度を向上させる。

公知の方法では、音の速度は、発信器センサと補助反射体間の音波伝播時間を測 定することにより決めることが出来る。しかし、この方法では正確な結果を得る ことは出来ない、なぜなら、音波発振器をコントロ、−ルしている発信器の電気 発信波の位相定数と、その結果生じた音波の位相定数が、絶対的な相互関係を有 している、という根本的な仮定が、実際には満たされないからである。むしろ、 種々の測定によれば、電気発信波とこれにより発した音波の関係は、温度及びス イッチオンタイム双方によって影響を受けるということがわかっている。一般的 には、上記の装置、即ち、最初に示されたタイプの装置の電源が入った直後では 、位相は、ある程度変化し、続いて装置をならし運転した後では、位相は完全に 一定になる。

しかしながら、ある測定を行なう時点で存在する位相の状態は公知方法では決め ることは出来ない。

現状では、温度補償を行ない、第２のセンサの助けを借りて音の速度を決める方 法が知られている。このタイプの補償は上述した方法と実質的に同じだが、物体 を感知するセンナを、比較的小さいサイズにし得る。この分割方式の欠点は、２ 個のセンサの周囲１度を同じにしなければならないことと、測定の結果に影響を 与える発信器が今や２個あるということである。もう１つの欠点は、２個の増幅 器若しくは伝送制御装置が必要になってくるということ、また１度調整はかなり の時間を要するということである。

最後に、温度センサによる温度補償も以前から知られている。この種の１度補償 ・は確かに簡壜であり、センナから正確に知られている距離に置かなければなら ない独立した補助反射体を排除することができるので、安価である。しかしなが ら、センナの温度に依存した電気機械に関する特徴の埋め合わせをすることが不 可能なこと、加えて、データレコーダの反応が鈍いために１度変化を早期に認め ることが出来ないために、測定した距離の正確性は１ミリメートルのレベルでし かない。

最初に述べた方法及びこの方法を実行する装置から一貫して、本発明の目標は、 この方法及び装置の欠点を克服し、センナの作動時間及び物理的特性とは無関係 に、液体あるいはガスの媒体中においてより正確な距離測定を行なうことが出来 る装置及び方法を更に発展させることである。

この目標は、公知の方法を基にして以下のように改良された方法にょつて達成さ れる。即ち、第２の補助反射体を第１の補助反射体から所定の距離だけ離して配 置し、該２個の補助反射体からの反響音の到達時間の間隔（−ＩＰバレージョン ）を測定し、この値及び補助反射体からの既知の距離を使って音の速度を測定し 、このようにして測定した音の速度の値を使って物体までの距離を計算する。

このように本発明によると、センサと補助反射体間の距離はもはや参考距離とし ては用いられず、２個の参考反射体が用いられる。該参考反射体の間隔（セパレ ーション）は可能な限り正確に知られていて、可能な限り正確に維持されている 。（これは充分に！！固な機械構成によって達成される。）これによって２個の 補助反射体間の音の伝播時間を、電気発信波と、実際に発した音波間の位相関係 とは無関係に決定することが可能となる。加えて、２個の補助反射体からの反響 音はその大部分が一致する（似通っている）ので、電子時間測定の接続点及び切 断点は公知の方法よりうまく定義することが出来る。これによって音の伝播時間 の決定はこの点に関して向上する。

この方法における改良点は、物体と一方の補助反射体間の音の伝播時間を測定し 、この値と２つの補助反射体間で決まった音の速度の値を使用して、物体の補助 反射体からの距離を決定することである。よって、もはや電気発信波と発せられ た音波の間の位相関係にたよる必要は無く、音波伝播時間は２つの基本的に類似 している音響信号に基づいているという利点により、物体までの距離測定はより 正確に行なわれる。本発明によって、距離測定をセンサの特性や一時的な状態と 切り離すことが基本的に可能になる。このようにして、測定の正確性は一段と増 す。

°　他の改良点としては、この方法において、ガスあるいは液体の流れを定常的 に音の伝播経路に沿った形に維持するという、周知の方法と組み合わせたことが 挙げられる。２１１の補助反射体が配置された測定経路を均質化することは、距 離測定において好適な状態を創出する。

当然、その非常に正確な機能は、測定した距離の値を使って厚さ測定、直径の測 定、品質測定あるいは他の種々の測定を行なう際にも使用出来る。

最後に、本発明の方法においては、２個の補助反射体間の距離を出来る限り大き くとると都合がよいことがわかっている。この方法では、一方において、参考距 離を出来るだけ大きくとることにより、正確な測定を可能足らしめ、また他方に おいて、参考距離が物体に対する測定距離の大部分において一致することにより 、場合によって起こるずれを感知することを可能にする。また、個々の「発復」 毎に音の速度と物体までの距離が測定されるので、その実際の物体までの距離測 定における、現在の音の速度を、２個の補助反射体間の参考距離と、前方の補助 反射体と物体間の測定距離の間の取決めをより適切にしておくことにより、より 精度良く利用することが出来る。

本発明の装置は、公知の超音波距離測定装置に基礎をおいている。公知の装置は 、発信用超音波センナ付きの、好ましくは、発信用超音波センサと受信用超音波 センナ付きの測定ヘッドを有し、超音波信号の出口開口部を有し、該開口部には 音の経路に１個の補助反射体が設けられている。

そして、本発明の装置は、音の経路に第２の補助反射体を設けることによって完 成する。当該第２の補助反射体は、第１の補助反射体から所定距離だけ離して配 置する。該距離は常に一定である。

本発明の方法に関して既に述べた利点は本発明の装置によって達成される。また 、本装置の改良点は、２個の補助反射体を出来る限り同じように設計することで ある。これにより、その反射体から反響した反響信号は実質的に同じになるので 、正確な測定を行なうことが出来る。

本発明の付加的な利点や特徴に関しては、次に述べる本発明の−実施例から明ら かである。該実施例は第１図及び第２図を参照して詳しく説明される。しかしな がら、本発明が当該実施例にのみ限定されないことは勿論である。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の装置及び方法を説明するための、測定ヘッド、反射物体及び ２個の補助反射体の断面図、第２図は測定過程におけるの波形図である。

ここに示す例においては、超音波距離測定の最中では、センサ２０は発信器、受 信器両方の機能を果たす。ｔフサ２０は電気発信波によって作動し、電気発信波 は、音波に変換される。前記音波は伝播方向２２（第１図下向き）に伝わり、物 体２４に卦る。音波の一部は伝播方向２２を物体２４で反射して、センサ２０に 戻る。センサ２０は音波が到達すると、受信センサとして働く、音の伝播は矢印 ２６で示す。

空気の流れ（若しくは、液体の流れ）は、伝播経路に沿った音波の伝播、即ち、 伝達方向２２上の音波の伝播が不規則にならないように、公知の手段により音波 の伝播経路に沿う形に維持される。ここに示すように例（第１図）においては、 矢印２８で示すように空気の流れは伝播方向２２に流れ、所定の音２６の伝播経 路を形成する。音の速度はこの伝播経路上において一定である。空気の流れは常 時変化しない、該空気の流れは変化しないというよりむしろ一定に保持されるの で、伝播方向２２の音の速度もまた、少なくとも測定の継続時間内において一定 である。それ故、音の伝播経路には、所定の好適な状部がもたらされる。空気の 流れを起こすことに関する詳細な設計は、資料ＤＥ−Ｏ３３６２１８１９参照の 事。

第１及び第２の補助反射体３０．３２は伝播方向２２におけるセンサ２０の前方 に配置する。これらの補助反射体は、同一のものであり、且つ、互いに所定の距 離Ｒだけ正確に離れた位置に、機械的に常設された形で固設されている。第１図 に示すように、補助反射体３０．３２は両方とも同様に設計されている。第１図 にも示すように、伝播方向２２を横切る方向に伸延し、センサ２０に対向する平 滑表面から距離Ｒは測定する。第１の補助反射体３０の前面と物体２４の表面間 の距離ｄも第１図に引かれている。この距離ｄは測定すべき距離である。

超音波の一部分は２個の補助反射体３ｏ、３２で反射される。この反射は矢印に よって示される。−ＩＰンサ２０に到達した前記反射部分は電気信号に変換され る。個々の電気信号は第２図に示されている。ナンバー３４は実際の発信信号を 表している。しかしながら、本発明によると、発信信号は何の役目も果たさない 、というよりむしろ本発明においてはこの発信信号に対して言及する必要はない ０本発明の装置によれば、長い間発信信号の受信経路を完全に閉じ、時間ｔ１よ り幾分短い遅延時間後にのみ該経路を開けることが出来る。以下これについて説 明する。

音波が発っせられた後に、センサ２０に到達する最初の反響音は第１の補助反射 体３０で反射した音の要素である。この反響音は結果的に電気信号３６になる。

これは時間ｔ１で現われる。第２補助反射体３２から反射した音の要素はセンサ ２０に到達する次のものである。この反響音は、時間ｔ２で現われる電気信号３ ８を生み出す、最後に物体２４からの反響音はセンサに入り、電気信号４０を生 じさせる。

時間間隔ｔ２−ｔｌは、距離Ｒ１即ち参考距離の２倍の距離を表す。

従って、第２図ではこの時間間隔も２Ｒと表している。２個の補助反射体３０． ３２間の距離Ｒは予め出来るかぎり正確に決められ、即ち、機械的にも、温度的 にも安定しているので、時間間隔ｔ２−ｔｌ及び距離２Ｒは音の速Ｒｖを計算す るために使うことが出来る。このようにして決められた音の速度に時間間隔ｔ３ −ｔｌを掛けて、第１の補助反射体３ｏから物体２４までの距離をめることが出 来る。ここで測定は完了する。

それ故、本発明によると、−値の音波とそれと同様の音波は距ＭＲを測定するこ と（その後に与えられた音の速度を計算するために使用される）と、音が距１ｌ ｌｄだけ伝播するのにかかる時間を測定するための両方に用いられる。この測定 及び参考測定は各距離測定に際して常に同時に行なわれる。これにより、実際の 測定結果では伝播経路におけるいかなる１度差も遅れることなく反映される。更 に、反響音（発信波ではなく）のみが測定に使用される。

参考距離Ｒは可能な限り大きく選ばれる。なぜなら、参考距離Ｒが大きければ大 きいほど温度補償が大きく、測定距離ｄの決定もそれだけ正確に行なわれるから である。また、距離２ｄ−２Ｒは出来るだけ小さく、距１１２Ｒは出来るだけ大 きくするべきである。補助ＥＬ肘体３０．３２は好ましく設計されていればどん なものであってもよい、補助反射体は出口付近の環状に形成されたチューブ部に 配置するのはとても都合が良いことは既にわかっている。よって、補助反射体を 茎状のステム部分に設けても良く、また、チューブ部の内壁に環状に設けても良 い、またこれらはグリッド又はスポークとして、チューブ部のセンタ付近等に伸 延する形で設計することが出来る。基本的には、補助反射体３０．３２は望まし い幾何学的な設計であればどんなものでも良く、機械的にまた温度的に安定して いればよい。

上記したことから、センナ２０の位置は測定にとって重要ではないことは明らか である。測定を正確にすることにとって唯一の決定的な要因は補助反射体３０． ３２の距離Ｒが不変であることである。何故ならば、伝達時間ｔ２−ｔｌに対す るｔ３−ｔｌの比を掛けたこの距離は測定距１１１１ｄを与えるからである。そ ういう訳で、測定ヘッドのノーウジング内でのセンサ２０の特別な調整は不要で ある。

フ 〜 補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．音波をセンサ（２０）内で発生させ、反射物体（２４）及び補助反射体（例 えば３０）に伝え、物体までの距離を音の伝播時間により測定する、ガス中及び 液体中における超音波距離測定方法において、第１の補助反射体（３０）から所 定の、既知なる距離Ｒだけ離して第２の補助反射体（３２）を配置し、２個の補 助反射体（３０、３２）からの反響の時間（ｔ２−ｔ１）の間隔（セパレーショ ン）を測定し、この値と既知の幾何学上の距離Ｒを使用して音の速度ｖを測定し 、この様にして測定した音の速度ｖの値を使用して、物体（２４）までの距離を 計算することを特徴とする方法。 ２．ガス若しくは液体の流れを音の伝播経路（伝播方向２２）に沿った形で定常 的に維持することを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３．物体（２４）と補助反射体（例えば３０）間の音の伝播時間を測定し、該測 定置（ｔ２−ｔ１）と、２個の補助反射体（３０、３２）間の間隔で決まる音の 速度ｖを用いて、一方の前記補助反射体（３０）と前記物体（２４）間の距離ｄ を決定することを特徴とする、特許請求の範囲第１項若しくは第２項記載の方法 。 ４．補助反射体（３０、３２）間の距離を、出来る限り測定距離ｄに近付けるこ とを特徴とする、特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の方法。 ５．発信用超音波センサ、好ましくは発信用超音波センサと受信用超音波センサ （２０）を有する測定ヘッドと、音の経路に配置した１個の補助反射体（３０） を有し、超音波用出口開口部を有する超音波距離測定装置において、第２の補助 反射体（３２）を、前記第１の補助反射体（３０）から定常的に所定距離だけ離 して配置したことを特徴とする超音波距離測定装置。 ６．測定ヘッドのハウジング内に、ガス若しくは液体の取り入れ開口部を、前記 ガス若しくは前記液体の流れ（矢印２８）が測定の間中、音と同軸方向に定常的 に維持させるように設けることを特徴とする、特許請求の範囲第５項記載の装置 。 ７．２個の補助反射体（３０、３２）を可能な限り同一に設計することを特徴と する、特許請求の範囲第５項若しくは第６項記載の装置。 ８．２個の補助反射体（３０、３２）間の機械的な関係を、可能な限り熱膨張率 の低い材料で実現すること、若しくは、該材料を適宜な温度調整手段で一定の温 度に維持することを特徴とする、特許請求の範囲第５項乃至第７項記載の装置。 ９．上部に２個の補助反射体（３０、３２）が形成された吐き出し部（４２）を 、測定ヘッドの実質的なハウジングに取外し自在に接続することを特徴とする、 特許請求の範囲第５項乃至第８項記載の装置。