JPH0692905B2

JPH0692905B2 - 体積計

Info

Publication number: JPH0692905B2
Application number: JP25816286A
Authority: JP
Inventors: 泰石井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-31
Filing date: 1986-10-31
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPS63113315A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、音響共振器の共振周波数変化を利用した音響
式の体積計に係る。

複雑な形状をした容器の容積や、その容器に入れられた
液体もしくは固体の物体の体積を測定する一方法とし
て、ヘルムホルツ共鳴子の共振を利用した音響的方法が
ある。すなわち容器に音響管を接続して一つのヘルムホ
ルツ共鳴子を構成したとき、その共振周波数が、容器の
体積とその中に入れられた物体の体積との差によって変
化することを利用して、空のときの容器の容積もしくは
その中に入れられた物体の体積を知るものである。

その際、最も問題になる点は、温度変化等によって生ず
る共振周波数変化をどのようにして補償するかというこ
とであるが、この点に関しては、上記のヘルムホルツ共
鳴子にさらに補助音響共振器を接続し、その補助音響共
振器の共振周波数の一つと主たるヘルムホルツ共鳴子の
共振周波数との比をとることにより温度等に対する補償
を行う方法が、すでに出願人により示されている（特願
昭61−186731）。しかしながら、ヘルムホルツ共鳴子は
その音響管の一端が外気に開放されているので、中に入
れた液体の蒸発による散逸や、あるいは外気中のほこり
の容器内への侵入などの点で問題がある。

本発明もまた、二つの音響共振器の共振周波数の比をと
ることにより上記の温度補償等を行うものであるが、本
発明においては、主たる音響共振器は、ヘルムホルツ共
鳴子ではなく、二つの容器を音響管で接続したものであ
り、したがって外気に対して閉じた構造になしうる点に
一つの特徴がある。

すなわち本発明は、二つの容器を音響管で接続して構成
される主たる音響共振器に、さらに補助音響共振器を接
続するか、あるいは上記の音響管を補助音響共振器とし
て兼用し、この音響系に音源やマイクロホンを接続して
上記の補助音響共振器の共振周波数の一つと主たる音響
共振器の共振周波数とにおいて発振せしめるようにな
し、これら二つの発振周波数の比によって主たる音響共
振器の容器の容積もしくは容器に入れた物体の体積を求
めるものである。

したがって、本発明の第一の目的は、音の共振を利用し
て複雑な形状の容器の容積やその中に入れられた果実や
人体などの不定形物体の体積を簡便に測定する手段を提
供することである。また複雑な形状のタンクに蓄えられ
ている液体の体積も本発明により測定される。

本発明の第二の目的は、上記の音響的方法により体積測
定を行うに際し、温度変化等によって生ずる共振周波数
の変化の影響を、同じく音響的方法を利用することによ
り補償して、正確な測定を可能ならしめる手段を提供す
ることである。

本発明の第三の目的は、外気に対して閉じた音響系を用
いて上記の体積測定を行う手段を提供することであり、
これによって、容器中の液体の蒸発による散逸やあるい
は外気中のほこりの容器内部への侵入等の問題を解決す
ることである。

第１図において、１は空のときの容積がV₀の容器で、そ
の中に液体７が体積Ｖだけ入れられている。１の上部の
栓８を内部断面積Ｓ、長さｌの音響管３が貫通してお
り、その先は容積V₂の容器２に接続されている。５は駆
動用音源で、短い導管９によって容器２に接続されてお
り容器１および２の内部を音響的に駆動する。この音源
としては、容器１が小容積の場合はイアホンなどが用い
られ、１が大容積の場合にはスピーカなどが用いられ
る。６は音検出器のマイクロホンであって、長さl₁の導
管４を通して容器１内部の音を検出する。11は出口弁で
あって、この弁を通して液体７は外部にとりだされる
が、その際に生ずる容器１の内外の圧力差は、毛細管10
を通して外部から空気が容器１の内部に流入することに
より平衡する。しかしながら毛細管10の内径は細くその
音響抵抗が非常に大きいので、容器１の内部は音響的に
は閉じられた空間となっている。また毛細管10を通して
外気中に逃げる液体の蒸気の量もわずかである。

容器１の上部の残余の空間の体積をV₁とすると V₁＝V₀−Ｖ（１）であるが、この体積による音響コンプライアンスC₁は C₁＝V₁/γP₀ （２）である。ここでγは容器１内部の気体の定圧定容比熱比
であり、またP₀は容器１内部の気圧で、この場合は毛細
管10の作用により外部の大気圧に等しくなっている。一
方、容器２の容積V₂による音響コンプライアンスC₂は C₂＝V₂/γP₀ （３）であり、また１と２を接続する音響管３内部の気体の質
量による音響イナータンスＬは近似的にＬ＝ρl/S （４）となる。ここでρは音響管３内部の気体の密度である。
なお、音響管３の断面積Ｓは一定である必要はなく、音
響管３が一つの音響イナータンスとして作用するなら
ば、Ｓは管の長さ方向に関して変化しても差支えない。

これら三つの音響要素は一つの音響共振器を構成する
が、その共振周波数ｒはである。ここでｃは音速であり、である。（５）式で示されるように、ｒはV₁とV₂との
関数であるから、V₂が既知であればｒよりV₁を求める
ことができる。それによってV₀が既知であれば液体７の
体積Ｖが、またＶ＝０であれば容器１の容積V₀が知れ
る。しかしながら実際には温度変化などにより音速ｃが
変化しｒが変化するから、それに対する補償手段が必
要となる。なお（５）式の中の容積V₂には、音源５に用
いたスピーカのコーン部の容積や、そのコーンの弾性に
よる等価容積も含まれる。したがってｒは使用する音
源の性質によっても変化し、コーン部のバネ定数の小さ
なスピーカを用いると、等価的にV₂が大きくなり、ｒ
は小さくなる。しかし、いずれにせよ、ｒが音速ｃに
比例して変化することにおいては変わりはない。

第１図の装置では、容器１および２と音響管３とからな
る主音響共振器のほかに、マイクロホンへの導管４が補
助音響共振器として作用する。その共振周波数は一端閉
止の管のそれであってｒ′＝c/4l₁ （７）およびその整数倍の周波数であり、（５）式で与えられ
る主音響共振器の共振周波数ｒと同様に、音速ｃに比
例して変化する。したがって補助音響共振器のいずれの
共振周波数も補償に用いることができるが、いま最低次
の共振周波数ｒ′を用いることにし、音源５への入力
電圧ｅ_ｓ（ｔ）（ｔは時間を表わす）からマイクロホン
６の出力電圧ｅ_ｍ（ｔ）までの周波数特性をＧ（）
（は周波数を表わす）とすると、第２図に示すよう
に、ｒとｒ′の二つの周波数においてゲイン特性|G
（）｜に共振ピークを生ずる。そしてこれら二つの共
振周波数のうちｒが体積V₁に応じて変化し、また温度
変化などにより音速ｃが変った場合には、、ｒ′と
も同じ割合で変化する。本発明ではこれら二つの共振器
を利用してｒ、ｒ′なる二つの周波数で発振する多
重発振器を構成する。

第３図は、前記の多重発振器を構成するためにマイクロ
ホン６と音源５の間に接続する電子回路である。マイク
ロホン６の出力ｅ_ｍ（ｔ）は増幅器20によって増幅され
るが、ここで低域フィルタ21および高域フィルタ21′に
よって二つの成分に分離される。これら二つのフィルタ
のカットオフ周波数_ｃは、第２図に示したようにｒ
とｒ′の中間に設定されており、主音響共振器の共振
に係る周波数ｒの成分は21を通って信号er（ｔ）とな
り、補助音響共振器の導管４の共振に係る周波数ｒ′
の成分は21′を通って信号er′（ｔ）となる。22は位相
検出器であり、電圧制御発振器23とともに一つのフェー
ズロックループ（PLL）を構成している。すなわち22は
信号er（ｔ）と13の出力e₀′（ｔ）との位相差に比例し
た直流出力Ｅ_ｄを発生し、これによってe₀（ｔ）がer
（ｔ）に対して一定の位相差になるように23のの発振周
波数を制御する。同様に位相検出器22′と電圧制御発振
器23′も一つのPLL回路を構成し、23′の出力e₀′
（ｔ）がer′（ｔ）に対して一定の位相差になるように
23′の発振周波数が制御される。二つ出力e₀（ｔ）と
e₀′（ｔ）は加算器26によって加え合わされ増幅器25に
より増幅されて、音源５への入力電圧ｅ_ｓ（ｔ）とな
る。ここで22、23および22′、23′を適当に調整する
と、第２図の位相特性∠Ｇ（）の曲線上のＡ点および
Ａ′点に位相をロックしてそれぞれｒおよびｒ′の
共振周波数において持続的に発振する。

24は信号処理装置で、上記の発振状態においてe₀′
（ｔ）とe₀（ｔ）の周波数の比ｒ′／ｒを測定し、
それに引き続く必要な演算等を行う。周波数比測定の具
体的手段には既知の種々の方法があるが、たとえば第４
図に示すように、周波数てい倍回路240にe₀′（ｔ）を
入力してＮｒ′（Ｎは正整数）なる周波数のパルスを
作り、このパルスをクロックパルスとみなしてe₀（ｔ）
で制御されるゲート241を通して計数回路242でe₀（ｔ）
の周期1/ｒの間だけ計数すると、Ｎｒ′／ｒなる
周波数比の測定値がえられる。

いま容器１と導管４の内部の気体は同一組成でかつ同一
温度にあるものとすると、（５）式および（７）式に含
まれている音速ｃの値は同じであるから、これらの式か
らとなる。したがって V₁V₂/（V₁＋V₂）＝ｋ（ｒ′／ｒ）^２（９）となる。ここでｋは定数でｋ＝4l₁ ²S/π²l （10）であり、また体積V₂は既知であるから、結局として周波数比ｒ′／ｒから体積V₁が求められる。
したがって（１）式により液体７の体積Ｖもしくは容器
１の容積V₀が知れる。これらの演算は第４図の演算回路
243で行われ、その出力信号Ｅ_ｃは表示器（図示せず）
に送られて体積を表示したり、あるいは出口弁11の開閉
を制御したりする。なお定数ｋの値は、実際上は既知の
体積を用いた校正により実験的に定められる。

以上の方法とは逆に、e₀（ｔ）を周波数てい倍してＮ
ｒなる周波数のパパルスを作り、これをクロックパルス
としてe₀′（ｔ）の周期1/ｒ′を計数測定して周波数
比r/ｒ′をえて、それを用いてV₁V₂/（V₁＋V₂）を
求めるようにしてもよい。また、理想的条件の下で導か
れた（９）式では、実際のV₁V₂/（V₁＋V₂）とｒ′／
ｒの関係を精度よく表わしえない場合もある。そのと
きには、（９）式にさらに補正項を加えて V₁V₂/（V₁＋V₂）＝k₁（ｒ′／ｒ）＋k₂（ｒ′／ｒ）^２＋k₃（ｒ′／ｒ）^３＋・・・・（12）のような形式のｒ′／ｒの多項式の演算を行うか、
あるいはｘを実数として V₁V₂/（V₁＋V₂）＝ｋ_ｘ（ｒ′／ｒ）^ｘ（13）のような形式のｒ′／ｒのべき関数としてV₁V₂/（V
₁＋V₂）の値を求める。さらにまた、（11）式のようにV
₁とｒ′／ｒとの関係を数式で表わすのではなく、
校正によってえられたV₁とｒ′／ｒもしくはr/
ｒ′との関係を表の形式で信号処理装置内に記憶し、
ｒ′／ｒもしくはr/ｒ′の測定値がえられるたび
にこの表を引いてV₁を求めるようにしてもよい。いずれ
にせよ重要なことは、周波数比をとることにより音速ｃ
が互に相殺されて、その変化が最終結果に影響しなくな
るということである。

以上の説明においては、PLL回路を用いて発振器を構成
するようにしたが、これは単なる一手段であって、共振
系を含む発振器を構成するにはこのほかにも既知の種々
の手段がある。たとえば第３図において、22、22′を移
相回路に、23、23′を増幅器におきかえ、それらの出力
から22、22′にいたるフィードバック結線はとりさるよ
うにしても発振器を構成することができる。また発振波
形も完全な正弦波である必要はなく、たとえば第３図の
装置において、23および23′の出力として、それぞれ周
波数ｒおよびｒ′の三角波を発生するようにしても
差支えない。

以上においては、発振はｒとｒ′なる周波数におい
て同時になされ、したがって容器１および２の内部には
これら二つの周波数の音が共に存在するものとした。し
かしながらｒとｒ′の値が接近している場合には、
フィルタによってこれら二つの周波数成分を分離してそ
れぞれの発振回路に導くことが困難になる。このような
場合には、ｒとｒ′での発振を時間的に交互に行わ
せる。すなわち、第３図における加算器26を切換スイッ
チ27でおきかえて第５図に示すような回路にし、周波数
ｒの信号e₀（ｔ）と周波数ｒ′の信号e₀′（ｔ）を
交互に切換えて増幅器25へ導き音源５から放射する。こ
の場合には一方の周波数の発振が行われている間は他方
の周波数の発振は停止しているから、それらの周波数の
比を前例のように直接に計数測定することはできない。
したがってこの場合には、たとえば第６図に示すよう
に、水晶発振器244から出力される一定周波数のクロッ
クパルスを、信号e₀（ｔ）およびe₀′（ｔ）によってそ
れぞれ制御されるゲート245および245′を通して計数回
路246および246′で計数することにより、e₀（ｔ）の周
期1/ｒとe₀′（ｔ）の周期1/ｒ′をそれぞれ独立に
測定する。これらの計数動作は、制御回路28から送られ
てくるタイミング信号Ｅ_ｔにより制御され、上記の発振
の切換に同期して交互に行われる。ただしこれらの計数
動作の開始は、発振が切換えられるごとに新しい発振が
成長し定常状態となるまで待たねばならず、特にｒが
可聴周波数以下の低周波の場合には、長い待機時間が必
要となる。

このようにして計数測定された1/ｒ、1/ｒ′の値は
計数回路246および246′に保持されているので、この段
階で両者の比を演算しそれを（９）式に入れてV₁V₂/（V
₁＋V₂）を求めることもできるが、第６図の装置におい
ては、246′に保持されている1/ｒ′の値は、さらに
演算回路247に送られ、（７）式の関係に基づいて、そ
のときの音速ｃがｃ＝4l₁ｒ′ （14）として算出される。一方演算回路248においては、計数
回路246に保持されている1/ｒの値と上記の算出され
たｃの値より、（５）式の関係に基づいてV₁V₂/（V₁＋V
₂）がとして算出される。この方法では、周波数比ｒ′／
ｒに直接対応する信号はどこにも現われないが、（14）
式を（15）式に代入すると（９）式に帰着することから
明らかなように、周波数比によって体積を求めるという
ことにおいては、なんら前例と変るものではない。すな
わち、本発明の本質である周波数比により体積を求める
ということは、周波数比に対応する信号が陽に存在しな
ければならないということを意味するわけではけっして
ない。なおまた、信号処理装置24も一つのまとまった装
置として存在しなければならない理由はなく、たとえば
二つの出力e₀（ｔ）とe₀′（ｔ）を直接汎用計算算機に
入力し、それらの周波数比の測定および体積の算出をそ
の計算機内部で行わせるようにしてもよい。

第７図は第１図の装置とは逆に、マイクロホン６を短か
い導管４によって容器２に接続し、音源５を長さl₂の導
管９によって容器１に接続した実施例である。すなわち
この場合の補助音響共振器は導管９であって、その共振
周波数はｒ′＝c/4l₂ （16）およびその整数倍で与えられる。また振幅特性|G（）
｜は第２図に示したようになり、第３図の電子回路を用
いて、周波数比ｒ′／ｒよりV₁V₂/（V₁＋V₂）が求
められる。

第８図は補助音響共振器として小さなヘルムホルツ共鳴
子を使用した実施例である。すなわち小容積Ｖ′の容器
12と内部断面積がＳ′で長さがｌ′の導管13からなる補
助ヘルムホルツ共鳴子が容器１に接続され、音源５は短
い導管９により容器12に接続されており、この補助ヘル
ムホルツ共鳴子を介して容器１および２の内部を駆動す
る。上記補助ヘルムホルツ共鳴子の共振周波数は、Ｖ′
がV₁にくらべて十分に小であればとなる。この実施例ではマイクロホンは二つあり、それ
にともなって第９図の回路を用いて発振させる。すなわ
ち、容器１と２および音響管３からなる主音響共振器の
共振周波数ｒの成分を検出するマイクロホン６は短い
導管管４によって容器２に接続され、その出力ｅ
_ｍ（ｔ）は第９図の増幅器20によって増幅される。一
方、補助ヘルムホルツ共鳴子の共振周波数ｒ′の成分
を検出するマイクロホン６′は短い導管４′によって容
器12に接続され、その出力ｅ_ｍ′（ｔ）は増幅器20′に
よって増幅される。増幅器20および20′以降の回路は第
３図と同一で、ｒとｒ′の二つの周波数において発
振し、周波数比ｒ′／ｒよりV₁V₂/（V₁＋V₂）が求
められる。マイクロホンが一個の場合には、その一個の
マイクロホンでｒとｒ′の二つの周波数成分を検出
しなければならないが、このように二つのマイクロホン
を使用すると、マイクロホン６は比較的に低周波数の
ｒの成分のみを検出すればよい。したがってｒが可聴
周波数以下となった場合に、直流圧力から低周波数の圧
力変動まで検出しうる一般の微圧センサをマイクロホン
６として使用しうる。

第10図は主音響共振器を構成する音響管を補助音響共振
器として兼用した実施例である。すなわち、固体の物体
７を入れた容器１に蓋14がかぶせられ、それに音響管３
が接続されている。音響管３の先には容器２が接続され
ている。５は１と２および３で構成される主音響共振器
を駆動する音源で、短い導管９で容器２に接続されてい
る。６は主音響共振器の共振に係る周波数ｒの成分を
検出するマイクロホンで、短い導管４によって容器１の
蓋14に接続されている。音響管３はそれ自身一つの音響
共振器であり、その共振周波数は両端開放の管のそれで
ありｒ′＝c/2l （18）およびその整数倍となる。前述のように、本実施例では
この音響管３を補助音響共振器としても使用する。その
ため、音響管３の中程に、音源５′を短い導管９′によ
り接続して駆動し、またマイクロホン６′を短い導管
４′により接続して音響管３内部の音を検出する。これ
らの音源とマイクロホンは第11図に示される回路で結合
される。すなわち、マイクロホン６と音源５の間には、
増幅器20、フィルタ21、位相検出器22、電圧制御発振器
23、増幅器25からなる回路が結合され、周波数ｒで発
振する。これとは独立に、マイクロホン６′と音源５′
の間には、増幅器20′、フィルタ21′、位相検出器22′
電圧制御発振器23′、増幅器25′からなる回路が結合さ
れ、これらは周波数ｒ′で発振する。信号処理装置24
においてこれら二つの周波数の比ｒ′／ｒを測定
し、それに基づいてV₁V₂/（V₁＋V₂）を求めることは前
例と同様である。

以上の実施例は、いずれも、周波数比からV₁V₂/（V₁＋V
₂）なる量を求め、それからV₂が既知の一定値であると
の前提でV₁を算出するものであるが、容器の中に入れた
液体の体積に応じてV₁、V₂とも変化する場合にも本発明
は適用される。第12図において、空のときの容積がV₀の
容器31は内部の隔壁30によって二つの部分に仕切られて
いるが、その下部において通路37によって互に通じてい
る。いま容器31の内部に液体７が体積Ｖだけ入れられて
おり、その液面レベルをｈとする。隔壁30で隔てられた
左右の残余の空間32、32′の体積をそれぞれV₁、V₂とす
ると V₁＋V₂＝V₀−Ｖ（19）である。また空間32、32′は隔壁30の上部を貫通する内
部断面積Ｓ、長さｌの音響管33によってつながってい
る。すなわち、第12図の装置は、外見上は一つの容器で
あるが、その内部は二つの容器が音響管で接続された構
造になっており、それが主音響共振器として作用する。
その共振周波数は（５）式で与えられる。そして上記二
つの容器の中の液体は下部の通路37により通じており、
両者の液面レベルは同一に保たれているが、液体の体積
Ｖが変化してレベルｈが変化すると、それに応じて上記
の共振周波数ｒが変化する。

35は音源で、導管39と39′によってそれぞれ空間32と3
2′に接続されており、35の内部の電磁石40によって振
動板38が振動すると、空間32と32′に差動的に音圧が与
えられる。36はマイクロホンで、長さl₁の導管34を通じ
て空間32′内部の音圧を検出するが、この導管34がこの
場合の補助音響共振器であり、その共振周波数は（７）
式で与えられる。マイクロホン36と音源35の間には第３
図の回路が接続され、これによってｒとｒ′の周波
数において発振する。そして（９）式により周波数比
ｒ′／ｒよりV₁V₂/（V₁＋V₂）が求められる。

いま、V₂とV₁の比が V₂/V₁＝α （20）でレベルｈによらず一定値αであるとするととして、周波数比ｒ′／ｒよりV₁＋V₂を求めること
ができ、したがって（19）式によって液体の体積Ｖが知
れる。また、第12図に示したように、体積比αがレベル
ｈによって変る場合でも、V₁＋V₂とｒ′／ｒとの関
係を実験的に求め、その関係を表の形式で信号処理装置
内に記憶しておき、ｒ′／ｒの測定値がえられるた
びにこの表を引くようにすればV₁＋V₂を求めることがで
きる。

第12図の装置においては、容器１は、他の実施例におけ
る毛細管10に相当するものはなく、完全に密閉されてい
る。したがって、容器１内部にあらかじめ高圧ガスを封
入しておき、出口弁41を開いたときその圧力によって液
体を吐出させるようにすることもできる。その場合で
も、音源の振動板38の両側にかかる圧力や、マイクロホ
ン36の振動板の表裏両面にかかる圧力は平衡しており、
これらの振動板が損傷されることはない。この点も第12
図の実施例が他の実施例と異なる特徴の一つである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例、第２図は音響系の周波数特
性、第３図は本発明に使用する電子回路の一例、第４図
は信号処理装置の構成の一例、第５図は音響系の二つの
共振周波数において交互に発振させる場合の電子回路の
一例、第６図は第５図の回路の信号処理装置の構成の一
例、第７図は本発明の第二の実施例、第８図は本発明の
第三の実施例、第９図は第８図の装置に接続して用いら
れる電子回路、第10図は主音響共振器の音響管を補助音
響共振器として兼用した場合の実施例、第11図は第10図
の装置に接続して用いられる電子回路、第12図は二つの
容器に入れられた液体の体積の和を求める場合の実施例
である。１、２……容器、３……音響管、４、４′……マイクロ
ホンへの導管、５、５′……音源、６、６′……音検出
器のマイクロホン、７……容器に入れた物体、８……
栓、９、９′……音源への導管、10……毛細管、11……
出口弁、12……小容器、13……導管、14……蓋、20、2
0′……増幅器、21、21′……フィルタ、22、22′……
位相検出器、23、23′……電圧制御発振器、24……信号
処理装置、25……増幅器、26……加算器、27……切換ス
イッチ、28……制御回路、30……隔壁、31……容器、3
2、32′……隔壁両側の容器内の残余の空間、33……音
響管、34……マイクロホンへの導管、35……音源、36…
…音検出器のマイクロホン、37……隔壁にあけられた液
体の通路、38……音源の振動板、39、39′……音源への
導管、40……電磁石、41……出口弁、240……周波数て
い倍回路、241……ゲート、242……計数回路、243……
演算回路、244……水晶発振器、245、245′……ゲー
ト、246、246′……計数回路、247、248……演算回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つの容器を音響管で接続した主音響共振
器にさらに補助音響共振器を接続するかあるいは上記音
響管を上記補助音響共振器として兼用することにより構
成された音響系と、この音響系に接続された少くとも一
つの駆動用音源と少くとも一つの音検出器のマイクロホ
ンと、上記音源と上記マイクロホンとの間に接続されて
上記主音響共振器の共振周波数と上記補助音響共振器の
共振周波数の一つとにおいて発振を生ぜしめる電子回路
とからなり、これら二つの発振周波数の比によって上記
容器の容積もしくは上記容器に入れた物体の体積を求め
ることを特徴とする体積計。