JPH07501138A - 時間ゲート超音波センサおよび測定方法 - 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 時間ゲート超音波センサおよび測定方法発明の技術的背景 この発明は、定義された空間内の物質の物理的特性を測定するための超音波セン サに関するものであり、特に、時間ゲート超音波センサに関するものである。

多くの、超音波を用いた距離測定および（液面の）レベル測定システムが知られ ている。例えば、エリナー（Ｅｌｌｉｎｇｎｅｒ　）その他による米国特許第４ ，８１５．３２３号明細書には、超音波信号を送信する、“エコー・レンジ（ｒ ａｎｇｉｎｇ）”超音波変換器が教示されており、この超音波信号は、飛行機の 燃料タンクの液面で反射され、検出される。

そして、送信から受信までの往復時間が測定され、往復時間と記憶されているデ ータから、ＣＰＵにより燃料の量と密度が算出される。

シルバーメッツ（Ｓｌｌｖｅｒｍｅｔｚ）その他による米国特許第４．２９９． １１４号明細書に教示されている他の形式の超音波センサにおいては、送信用と 受信用変換器間の超音波伝送が、フィードバック量が所定値以上になると発振す る回路のフィードバックループを形成する。容器内の液体のレベルが、送信およ び受信変換器の装着されている位置まで上昇すると、液体を通して大きな量のフ ィードバックがかかり、回路が発振する。このタイプは、安定した動作をさせる ためには、液体によるフィードバック量と空気によるフィードバック量とに比較 的大きな差がある必要がある。その上、センサ本体を通過する好ましくないフィ ードバックが安定性を損なうことがある。もし、空気が液体中に混入するとフィ ードバック信号が減衰し、誤検出となる。このタイプのセンサは通常とても大き く、例えば３／４インチＮ　Ｐ　Ｔ　（ＡｍｅｒｉｃａｎＮａｔｉｏｎａｌ　５ ｔａｎｄａｒｄ　ｔａｐｅｒｅｄ　Ｐｉｐｅ　Ｔｈｒｅａｄ　）ネジ孔のような 小さな孔から容器の中に挿入するには不適当である。このタイプのセンサでは、 変換器の配置のずれが液体中を通過するフィードバック量を減少させ、誤検出と なる。

超音波センサは、自己テスト機能のために、検出（受信）圧電素子（クリスタル ）の上に搭載、あるいは“ピギイバック（ｐｉｇｇｙｂａｃｋｅｄ）”された付 加的な圧電素子を備えることができる。付加的な圧電素子は、受信圧電素子を励 起するために駆動され、ギャップ中の物質なしで、受信圧電素子の機能テストの ためにフィードバックループを完結する。しかし、この方式はセンサ本体から圧 電素子が剥離してしまったことを検出しないから、ギャップ中の物質を検出する ためのセンサの能力を完全にはテストしていない。この方式は全体の大きさを増 加させ、またセンサおよび配線が複雑になる。

シルバーメッツ（Ｓｉｌｖｅｒｍｅｔｚ）その他による米国特許第４．２９９， １１４号明細書は他の自己テスト構造を開示しており、そこでは、超音波システ ムがテストモードの間は、送信圧電素子と受信圧電素子との間の支持部材を通っ て伝送する超音波が監視される。圧電素子は、もしシステムが動作した場合には 発振する発振器のフィードバックループ中に接続されている。システムは、もし 支持部材を通して伝達される超音波信号の強さが、発振を継続するのに十分であ るならば、動作状態と見なされる。しかしこの構造は、センサがプラスティック の支持部材を含んでいると、プラスティックによる減衰がフィードバック信号を 弱め、発振を維持することが困難であるために、適正に動作させるのが容易では ない。

発明の要約 この発明は、定義された空間（ギャップ）を伝達する超音波信号の速度の関数と して、定義された空間内の物質の物理的特性を測定する時間ゲート超音波センサ に関するものである。例えばセンサは、定義された空間内の液体の存在を検出す ることにより、容器内の液面の位置を測定することができる。

超音波センサは、支持部材に固定され、超音波信号を送信および受信するために 定義された空間に概ね隣接して配置された少なくとも１つの変換器を含む。超音 波信号は、定義された空間を横切って伝達する主波形と、支持部材に沿って伝達 する自己テスト波形とを含む。センサは受信した超音波信号を監視して、主時間 窓内において受信した信号中に主波形が現れるか否か、また自己テスト時間窓内 に自己テスト波形が現れるか否かを検出する。センサは、主時間窓内に主波形が 現れたか否かの関数として、定義された空間内の物質（これは各種の固体、懸濁 液、泡、または他のプロセス物質であってよ（りの物理的特性を検出する。セン サは、自己テスト時間窓内に自己テスト波形が現れたか否かの関数として、セン サの完全性を検出する。

超音波信号は一般的に気体（空気あるいはプロセス気体であってもよい）中より 液体中の方が速く伝達し、液体中より固体中の方が速く伝達する。１つの実施例 においては、センサは定義された空間内における液体の存在あるいは不存在を検 出することにより、液面の位置を測定する。主時間窓内における主波形の存在は 、それぞれにおける伝達速度が異なるので、超音波が液体と気体のどちらを伝達 したかに依存している。もし、主波形が主時間窓内に現れれば、超音波信号は液 体中を伝達している。もし、主波形が主時間窓内に現れなければ、超音波信号は 、主波形信号を受信するために長い時間のかかる気体中を伝達している。

物質を通過する信号の伝達時間は物質の密度に関連するので、センサは液面の位 置と物質の密度とを同時に測定することができる。この実施例においては、ギャ ップ内の物質の存在あるいは不存在と同様に物質の密度を検出するために、時間 窓を調整可能である。もし２つの物質の密度が既知であれば、超音波センサはギ ャップ内の２つの物質の境界を測定することができる。

１つの実施例においては、超音波センサはギャップによって隔てられた送信変換 器と受信変換器を含み、支持部材は送信変換器と受信変換器間の１または複数の ステム（柄または軸部材）を備える。他の実施例においては、支持部材は、ギャ ップを規定する内径と周囲の壁をもつ容器あるいは管を含む。送信変換器と受信 変換器は、ギャップを横切って送信変換器から受信変換器へ超音波信号が伝達す るように、容器の壁に取り付けられている。

更に他の実施例においては、超音波センサは、超音波信号の送信と受信の両方を 行う１つの変換器を備える。この実施例においては、超音波信号が変換器から送 信され、反射面までギャップを横切って進行してから、変換器に戻ってくるよう に、支持部材はギャップを横切って変換器と向かい合う位置に配置された超音波 反射面を含む。反射面は、ギャップを横切って変換器に向かう反射信号が集束す るように曲率が選択された凹面であってもよい。支持部材が容器あるいは管であ るような実施例においては、１つの変換器が容器の壁面に取り付けられ、超音波 信号は変換器から内径方向に変換器と対向する壁面に向かって伝達し、反射して 変換器に戻ってくる。

本発明の時間ゲート構成は、支持部材を伝達する自己テスト波形を用いることに より、超音波センサの完全性をテストするための正確で信頼できる方法をも提供 する。超音波信号は一般的に気体中や液体中よりも固体中の方が速く伝達するの で、受信される最初の波形は、固体でできている支持部材に沿って伝達した自己 テスト波形である。受信される２番目の波形は、ギャップを横切って伝達する主 波形である。自己テスト波形は各送信信号に伴い、常に存在すべきである。

センサは、自己テスト時間窓内において自己テスト波形の存在を検出するために 、予め決められた自己テスト時間窓内において、受信した超音波信号を監視する 。自己テスト波形の存在あるいは不存在はセンサの完全性を表している。このテ スト方法は、個々の変換器の機能性、およびギャップ中の液体を検出するための 複数の変換器の能力をテストする。もし受信変換器が支持部材から剥離した場合 には、自己テスト波形が支持部材を通過しなくなるので、この故障は検出される であろう。ギャップ中にプロセス物質があっても、付加的なピギイバック変換器 なしで、送信および受信変換器をそれぞれテストするための継続した自己テスト が実行可能である。

このことは、センサ全体の大きさと複雑さを軽減する。

図面の簡単な説明 図１は、本発明による時間ゲート超音波センサの断面図である。

図２は、本発明にしたがって、管に取り付けられた時間ゲート超音波センサの断 面図である。

図３は、図１および図２に示された超音波センサにより受信される主波形および 自己テスト波形を示す図である。

図４は、本発明による超音波センサ回路の回路図である。

図５は、図４に示す超音波センサ回路中に現れる各種の信号を示す図である。

図６は図４に示す超音波センサ回路中に現れる主波形検出パルスおよび自己テス ト波形検出パルスを示す波形図である。

図７は、本発明による単一圧電素子超音波センサの断面図である。

好適な実施例の詳細な説明 本発明は、センサギャップを通過する主波形とセンサ本体を通過する自己テスト 波形とを検知するための特定の時間帯すなわち“窓”内において受信圧電素子に 受信された超音波信号をゲートする、定義された空間内の物質の物理的特性を検 出する時間ゲート超音波センサである。主窓内の主波形の存在あるいは不存在は 、ギャップ中の物質の存在あるいは不存在を示しており、また自己テスト時間窓 内の自己テスト波形の存在はセンサが機能していることを表示している。

図１は、本発明による時間ゲート超音波センサの断面図である。センサ１０は支 持部材１２、超音波送信変換器（圧電素子）１４、超音波受信変換器（圧電素子 ）１６を含んでいる。支持部材１２は、ステム１８とギャップ２０含んでいる。

ステム１８はまたブリッジ部材として知られている。変換器１４および１６は、 それらがギャップ２０を横切り、ステム１８に沿って超音波信号を送信し、受信 するように支持部材１２に搭載されている。支持部材１２は、金属あるいはプラ スティック等の各種の材料で製作することができる。典型的な製作例としては、 変換器１４と１６は、ステム１８に固定されている部材１２の半体である一対の 共振箱に搭載される。

ステム１８はリード線３６を通すための溝を持つ中実の金属またはプラスティッ クにより形成される。そしてセンサ全体１０は密閉される。

送信変換器１４は、リード線３２によって送信器３０に接続されている。送信器 ３０は、変換器１４のリード線３２に周期的に電気的送信パルスを供給する。送 信器３０が送信パルスを送信変換器１４に供給すると、パルスは変換器を付勢（ あるいは励起）し、変換器をその固有周波数で共鳴させる。

変換器１４はギャップ２０およびステム１８を伝達する超音波信号２２を放射す る。ギャップ２０を通過する超音波信号が主波形となり、一方、ステム１８を通 過する信号が自己テスト波形となる。

受信変換器１６はリード線３６により受信器３４に接続されている。受信変換器 １６は、超音波信号２２を電気信号に、変換し、リード線３６に出力する。

ギャップ２０を横切る超音波信号の減衰（吸収）は、ギャップ中の物質の密度に 反比例する。従って、ギャップ２０が液体で満たされていない場合には、ギャッ プ中に液体が存在する場合よりも主波形の減衰がかなり大きくなる。減衰（吸収 ）は、数キロヘルツ以上の高い周波数において特に大きい。

ギャップ２０が空の時、ギャップを通過する信号は実質上存在しない。ギャップ ２０が液体で満たされている場合には、主波形が変換器１６によって受信される 。主波形は変換器１６を共鳴させ、リード線３６に電気信号を発生させる。結果 として、受信変換器１６における主波形の存在あるいは不存在は、ギャップ２０ 内の液体の存在あるいは不存在を表示することになる。

ステム１８を通過する超音波信号２２（自己テスト波形）は各送信パルス毎に常 に存在するはずである。この信号は自己テスト機能に用いることができる。ギャ ップ２０中に物質が存在するか否かに関わらず、継続した自己テストが遂行可能 である。自己テスト機能については詳細を後述する。

センサ１０はギャップ中の物質の物理的特性を測定するために使用できる。例え ば、ギャップ２０中の液体の存在あるいは不存在を検出することにより、容器中 の液面の高さを測定することが可能である。センサ１０は、標準ＮＰＴ３／４イ ンチ・フィッティングのようなフランジ取付はフィッティングに固定することが できる。フィッティングはさらに、被測定物質を格納した容器の壁面に固定され る。より詳細を後述するように、この発明のセンサは、各種の応用例にうまく適 用するために、非常に小さなフィッティング内に納まるように製作することがで きる。

本発明の時間ゲート技術は、図１に示されているように、送信および受信変換器 が従来のセンサ“ステム“によって結合されることを要しない。２つの変換器は 、自己テスト波形を伝導する何らかの部材により結合されるならばそれぞれ別個 に構成することが出来る。このことは、送信および受信変換器が、図２に示され ているようにそれぞれ対向して搭載される限り、任意の壁厚で、任意の材料で製 作された任意の構成の管あるいは容器に搭載されることを許容する。

図２は、本発明にしたがって、管に取り付けられた超音波センサの断面図である 。送信変換器４０と受信変換器４２は、これらが互いに向かい合うように、管４ ４の壁４３に取り付けられている。管４４は“ギャップ１を規定する内径４６を もっている。主波形４８は、送信変換器４０から受信変換器４２に向かって内径 ４６に沿って伝達する。自己テスト波形５０は、円形の壁４３に沿って、送信変 換器４０から受信変換器４２に伝達する。壁４３は図１に示されたステム１８と 同様の指示部材として作用する。従って、壁４３はステム１８の代用物である。

図３は、図１および図２に示された受信変換器１６および４２により受信される 主波形および自己テスト波形をそれぞれ示す図であり、時間の関数として、受信 された超音波信号の振幅を示している。超音波信号は気体中より液体中の方が、 また液体中より固体中のほうが速く伝達する。従って、ギャップ２０を通過する 超音波信号２２の速度はギャップ中の液体の存在または不存在（即ち液面の高さ ）の関数となる。超音波信号は液体中よりも固体中をより速く伝達するので、受 信される最初の信号は、ステム（または支持壁）を伝達する自己テスト信号６０ である。受信される２番目の信号は、ギャップ中の液体を伝達する主波形６２で ある。自己テスト信号６０の振幅は、信号が最初に到達した時のピーク振幅Ｄ０ の後はゼロに漸近する。主波形６２は、ギャップを横切る複数回の反射による後 続の波形６４ａ−６４ｆを伴っている。

点線で示された波形６６は、空気中（ギャップ中に液体がないとき）を伝達して 受信された信号を示している。波形６６は液体中を伝達した波形６２および６４ ａ−６４ｆよりも著しく遅く、著しく弱い振幅で到達する。

従来例において用いられている発振器タイプの超音波センサにおいては、送信お よび受信変換器はフィードバックループ中に接続されており、このループはギャ ップ中にプロセス物質がない場合には発振しない。これは“ドライ（ｄｒｙ）” 状態と呼ばれる。物質がギャップ中に浸入すると回路は発振状態に移行する。こ の状態は“ウェット（ｗｅｔ）”状態と呼ばれる。本発明にはない、発振器タイ プの設計に固有の多くの問題が存在する。第１に、ウェット／ドライ信号比は安 定な動作のために十分なほど大きくはない。これは過大な信号がセンサ本体のス テムを通過すること、あるいは空気による減衰がプロセス物質による減衰よりも ほんのわずかしか大きくないことが原因となり得る。第２に、プロセス物質の濃 度がセンサの性能に影響を及ぼし得る。もし物質が高濃度の泡を含んでいると、 回路は発振しないであろう。

本発明において、液面が測定される時には、主信号の振幅は主時間窓内において 測定され、ステムからの信号は時間的に分離される（ステムを通過する遅延時間 に依存し、主時間窓の前または後ろ）ので、妨害を与えることはない。自己テス ト信号を主波形の後まで遅延させるための長い超音波通路を提供するために、ス テムは直線的にするよりも、“Ｕ”字状、コイル状あるいはその他のより長い形 状とすることができる。一方、密度を測定するときには、測定されるパラメータ は振幅ではなく時間である。振幅は、従来例のように発振を維持するためには使 用されない。　“ウェット／ドライ２比に相当する値は一貫して顕著に、より高 い。このことは品質と信頼性を大きく改善する。相当比（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ 　ｒａｔｉｏ）Ｗ　１／Ｄｉは、ギャップ中のプロセス物質を通過した“ウェッ ト”信号６２の振幅Ｗ１と、“ウエツビ信号６２が受信される時刻にセンサのス テムを通過した“ドライ″信号６０の振幅Ｄ１との比率である。この時刻はセン サのステムを通過する信号の最初の到達よりもかなり遅いので、その振幅Ｄ１は ピーク振幅ＤＯに較べてかなり小さい。もし、ギャップを通過して受信される最 初の信号がピーク振幅ＤＯに近すぎる場合には、より大きな相当“ウェット／ド ライ“比を得るために、より遅い反射信号を使用できる。発振器タイプの超音波 センサのウェット／ドライ比はＷｌ／Ｄｏであり、これはＷｌ／Ｄ１より小さい 。

図４は、本発明による時間ゲート超音波センサ回路の回路図である。回路は、セ ンサ１０、送信器３０、受信器３４、時間ゲート部７０、主波形検出／比較部７ ２、自己テスト波形検出／比較部７４、主波形積分部７６、および自己テスト波 形積分部７８から成る。時間ゲート部７０は、積分部７６および７８が受信器３ ４によって受信された主および自己テスト波形を検出する窓を開くために、所定 の時間に検出／比較部７２および７４を“ゲート”する有効化（イネーブル）信 号を発生する。積分部７６および７８は、それらに対応する時間窓内における主 および自己テスト波形の存在あるいは不存在を表わす信号８０および８２を出力 する。主波形の存在あるいは不存在は、センサ１０のギャップ２０内における液 体の存在あるいは不存在を示している。自己テスト波形の存在あるいは不存在は センサ１０の完全性を示している。自己テスト波形の振幅はセンサの劣化の測定 に使用可能である。

センサ１０は送信変換器１４と受信変換器１６とを含んでいる。送信器３０は、 送信変換器１４と時間ゲート部７０の間に接続されている。送信器３０は典型的 には１０Ｈｚから５ｋＨｚの繰り返し周波数で動作する発振回路を含み、発振器 の各サイクルに従って、送信器３０は送信変換器の普通の送信周期の１／４から １／２の間持続する２５ボルトの送信パルスで送信変換器１４を励起する。送信 パルスは送信変換器１４を共鳴させ、ギャップ２０およびステム１８を通過する 超音波信号２２（図１にも示す）を発生させる。超音波信号２２は受信変換器１ ６により受信される。受信変換器１６は超音波信号２２を表す電気信号を高域通 過型フィルタ８４に供給する。高域通過型フィルター８４は濾波された信号を増 幅器８６に供給する。濾波された信号は増幅され、増幅器出力８８に出力される 。

時間ゲート窓は、送信器３０によって発生される送信パルスの立ち上りエツジ９ ８（図４）に応答して、時間ゲート部７０によって発生される。時間ゲート部７ ０はコンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ３、インバータ １１、工２、工３および工４を含んでいる。コンデンサＣ１は送信器３０とイン バータエ１の間に接続されている。

抵抗Ｒ１は接地９０と、コンデンサＣ１とインバータ１１の接続点の間に接続さ れている。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１とインバータエ１の接続点に接続されて いるセンタータップ９２を持つ可変抵抗器である。インバータ１１はその出力に 主波形有効化信号を発生する。

コンデンサＣ２は送信器３０とインバータＩ２の間に接続されている。抵抗Ｒ２ は接地９０と、コンデンサＣ２とインバータＩ２の接続点の間に接続されている 。抵抗Ｒ２は、コンデンサＣ２とインバータＩ２の接続点に接続されているセン タータップ９４を持つ可変抵抗器である。インバータ１２はその出力に送信パル ス無効化信号を発生する。

コンデンサＣ３は送信器３０とインバータＩ３の間に接続されている。抵抗Ｒ３ は接地９０と、コンデンサＣ３とインバータＩ３の接続点の間に接続されている 。抵抗Ｒ３は、コンデンサＣ３とインバータ１３の接続点に接続されているセン タータップ９６を持つ可変抵抗器である。インバータＩ４はインバータＩ３の出 力に接続されている。インバータＩ４はその出力に自己テスト波形有効化信号を 発生する。

各送信パルスの立ち上りエツジ９８は、時間ゲート発生部７０内において３つの ＲＣ時定数により微分される。コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１は、主波形有効化信号 がアクティブ（論理ハイ）になる時間の長さを制御する第１の時定数を形成する 。コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２は、送信パルス無効化信号がアクティブになる時間 の長さを制御する第２の時定数を形成信号がアクティブになる時間の長さを制御 する第３の時定数を形成する。これらの有効・無効化信号は図５に図示されてい る。

図５は、短いステムを持つ、図１に示されている時間ゲート超音波センサ内の送 信器３０の１周期の間における各種信号を図示したタイミング図である。図は時 間の関数として信号振幅を表している。増幅器出力８８が図の最上部に示されて いる。到達する最初の波形は送信パルス波形１００である。

この波形は送信変換器１４が振動を開始する時に該変換器によって発生される。

超音波信号は気体中や液体中よりも固体中をより速く伝達するので、２番目に到 達する波形はセンサのステムを通過した自己テスト波形１０２である。３番目に 到達する波形はセンサのギャップ２０内の液体を通過する主波形１０４である。

４番目に到達する波形はギャップ２０内での反射に起因する主波形１０４のエコ ー信号である。

波形１０８は自己テスト波形有効化信号を示す。時間ゲート発生部７０に立ち上 りエツジ９８（図４）が到達すると、初めに自己テスト波形有効化信号がハイ状 態になる。コンデンサＣ３および抵抗Ｒ３によって決まる第３の時定数の後、自 己テスト波形有効化信号はロー状態になる。

波形１１０は送信パルス無効化信号を示す。送信パルス無効化信号は送信パルス の立ち上りエツジ９８でロー状態となり、コンデンサＣ２および抵抗Ｒ２によっ て決まる第２の時定数の間口−状態を保持する。第２の時定数の後、送信パルス 無効化信号はハイ状態となる。第２の時定数は、送信パルス波形１００を検出し ないように、検出／比較部７２および７４を一時的に不能化するように選択され ている。

送信パルス無効化信号１１０および自己テスト波形有効化信号１０８は、ＮＡＮ Ｄゲート１１４（図４）により論理演算され、自己テスト時間ゲート窓１１６（ 図５）を生成する。

自己テスト時間ゲート窓１１６は、自己テスト時間ゲート窓１１６内において、 自己テスト波形検出／比較部７４が自己テスト波形１０２の存在を検出できるよ うに選択されている。

自己テスト時間ゲート窓１１６内における自己テスト波形の存在は、センサが機 能していることを表している。自己テスト時間ゲート窓１１６内における自己テ スト波形の不存在は、センサが機能していないことを表している。

波形１１２は主波形有効化信号を示している。送信パルスの立ち上りエツジ９８ において、主波形有効化信号１１２はロー状態となり、コンデンサＣ１および抵 抗Ｒ１によって決まる第１の時定数の間口−状態を保持する。第１の時定数の後 、主波形有効化信号１１２はハイ状態になる。主波形有効化信号１１２および送 信パルス無効化信号１１０は、ＮＡＮＤゲー）１１ｇ　（図４）により論理演算 され、主波形時間ゲート窓１２０（図５）を生成する。主波形時間ゲート窓１２ ０は、主波形時間ゲート窓の期間のみ、主波形検出／比較部７２を可能化して主 波形１０４の存在あるいは不存在を検出できるようにする。もし、主波形１０４ が主波形時間ゲート窓１２０内に存在すれば、超音波信号は液体中を通過してい る。もし、主波形１０４が主波形時間ゲート窓１２０内に存在しなければ、超音 波信号は気体中を通過している。

なぜならば、主波形信号を受信するのに非常に長い時間を要するからである。更 に主波形１０４は、空気中においては、受信変換器１６によって受信される信号 が実質的に無信号となる程度まで減衰する。主波形時間ゲート窓１２０は送信器 ３０の各サイクルの最後で閉じられる。しかし、時間ゲート発生部７０は、各サ イクルの最後より以前に主波形時間ゲート窓を閉じるように容易に変更すること ができる。

主波形検出／比較部７２は、増幅器８６と主波形積分部７６の間に接続されてお り、抵抗Ｒ４、比較器１２２およびＮＡＮＤゲート１１８を含んでいる。抵抗Ｒ ４は電源供給端子Ｖ＋と接地９０の間に接続されている。抵抗Ｒ４は比較器１２ ２の非反転入力端子に接続されたセンタータップ１２４を持つ可変抵抗器である 。比較器１２２の反転入力端子は増幅器の出力８８に接続されている。比較器１ ２２の出力はＮＡＮＤゲート１１８に接続されている。ＮＡＮＤゲート１１８は 主波形検出器の出力１２６を発生する。

センタータップ１２４は比較器１２２の非反転入力端子に主波形閾値電圧を供給 する。比較器１２２は増幅器出力８８の振幅と主波形閾値電圧とを比較する。主 波形閾値電圧は抵抗Ｒ４の調整用センタータップ１２４によって設定される。

閾値は主波形時間ゲート窓１２０の期間内に到達する主波形１０４（図５）の予 想される振幅を示すように調整される。

この値は使用される変換器の形式、励起周波数、センサの寸法、ギャップ内の物 質の物理的特性および増幅器８６の利得に大きく依存する。比較器１２２の出力 は主波形有効化信号１１２および送信パルス無効化信号１１０と一緒にＮＡＮＤ ゲート１１８に接続されているので、主波形１０４は主波形時間ゲート窓１２０ の間のみで検出される。

自己テスト波形検出／比較部７４は増幅器８６と自己テスト波形積分部７８の間 に接続されており、ブロック７４は抵抗Ｒ５、比較器１２８およびＮＡＮＤゲー ト１１４を含んでいる。抵抗Ｒ５は電源供給端子Ｖ＋と接地９０の間に接続され ている。抵抗Ｒ５は比較器１２８の非反転入力端子に接続されたセンタータップ １３０を持つ可変抵抗器である。増幅器の出力８８が比較器１２８の反転入力端 子に接続されている。比較器１２８の出力はＮＡＮＤゲート１１４に接続されて いる。ＮＡＮＤゲート１１８は自己波形検出器の出力１３２を発生する。

抵抗Ｒ５はセンタータップ１３０に自己テスト波形閾値電圧を発生する。自己テ スト波形閾値電圧は、自己テスト波形時間ゲート窓１１６内における自己テスト 波形１０２の予想される振幅を示すように、抵抗Ｒ５の調整用センタータップ１ ３０によって設定される。比較器１２８は増幅器出力８８と自己テスト閾値電圧 とを比較する。比較器１２８の出力は、自己テスト波形有効化信号１０８および 送信パルス無効化信号１１０と一緒にＮＡＮＤゲート１１４に接続されているの で、自己テスト波形１０２は自己テスト波形時間ゲート窓１１６内のみで検出さ れる。

短いステムを持つセンサにおける、主波形検出器の出力１２６および自己テスト 波形検出器の出力１３２が図６に図示されている。図６は検出器の波形１２６お よび１３２の振幅を時間の関数として表した図である。より長いステムを用いて 、自己テスト波形が主波形の後に来るようにしてもよい。

主波形検出器の出力１２６は主波形１０４（図５）に対応する一連のパルス群１ ３４を含み、またエコー波形１０６に対応する一連のパルス群１３６を含む。自 己テスト波形検出器の出力１３２は自己テスト波形１０２（図５）に対応する一 連のパルス群１３８を含む。主波形検出器の出力１２６にパルス群１３４が存在 することは、主波形時間ゲート窓１２０内において主波形１０４が存在したこと を示している。同様に、自己テスト波形検出器の出力１３２にパルス群１３８が 存在することは、自己テスト波形時間ゲート窓１１６内において自己テスト波形 １０２が存在したことを示している。

主波形検出器の出力１２６は、主波形積分部７６によって積分される。自己テス ト波形検出器の出力１３２は、自己テスト波形積分部７８によって積分される。

ブロック７６はインバータ１５、主波形カウンタ、ホールド回路１４０および主 波形リレードライバ１４２を含んでいる。インバータ１５はＮＡＮＤゲート１１ ８と主波形カウンタ／ホールド回路１４０の間に接続されている。主波形カウン タ／ホールド回路１４０はインバータＩ５と主波形リレードライバ１４２の間に 接続されている。主波形カウンタ／ホールド回路１４０は、送信器３０内の発振 器の各サイクルの期間内にＮＡＮＤゲート１１８から受信されるパルス数を計数 する。発振の−サイクル中に計数されたパルス数が与えられた数（例えば３）を 超えると、カウンタは主波形時間ゲート窓１２０内に主波形１０４が存在したこ とを示す信号を出力１４６に発生する。

信号１４６は主波形出力信号８０を発生するリレードライバ１４２に供給される 。主波形カウンタ／ホールド回路１４０は、送信器３０に接続されたリセット入 力１４８を備えている。送信器３０の各送信サイクルの初めにおいて、送信器３ ０はカウンタ／ホールド回路１４０をリセットするためのリセットパルスを供給 する。ある１サイクル中のパルス数を計数することにより、回路１４０は主波形 １０４の誤検出を除去するのに役立つ。

前述したように、図６に示されている２番目のパルス群１３６は、センサのギャ ップ内におけるエコー波形１０６（図５）を示している。主波形閾値電圧は、増 幅器の出力８８に含まれるエコー波形１０６が主波形カウンタ／ホールド回路１ ４０への出力１２６にパルス群を発生しないように調整可能である。しかし、カ ウンタは与えられた数のノくルスるので、これは必要ではない。

同様に、自己テスト波形検出器の出力１３２は自己テスト波形積分部７８により 積分される。プロ・ツク７８はインノ＜−タＩ６、自己テスト波形カウンタ／ホ ールド回路１５０、および自己テスト波形リレードライバ１５２を含んでいる。

インバータ■６は、ＮＡＮＤゲート１１４と自己テスト波形カウンタ／ホールド 回路１５０の間に接続されている。回路１５０はインバータＩ６と自己テスト波 形リレードライノく１５２の間に接続されている。自己テスト波形カウンタ／ホ ールド回路１５０は、送信サイクルの期間内に、自己テスト波形検出器の出力１ ３２から受信されるパルス数を計数する。

計数されたパルス数が与えられた数（例えば３）を超えると、回路１５０は自己 テスト波形リレードライノく回路１５２に出力信号１５４を送出する。自己テス ト波形リレードライノく１５２は、自己テスト波形時間ゲート窓１１６内におけ る自己テスト波形１０２の存在あるいは不存在を示す自己テスト波形出力８２を 発生する。自己テスト波形カウンタ／ホールド回路１５０は、送信器３０に接続 されたリセット人力１５６を備えている。各送信サイクルの初めにおいて、回路 １５０は送信器３０からのリセットパルスによってリセットされる。

主波形出力信号８０はセンサ１０のギヤツブ２０内部の液体の存在あるいは不存 在を示している。この発明の時間ゲート超音波センサは、タンク内の液体の液面 が特定の位置まで上昇したことを検出するために使用し得る。センサ１０は前記 特定の位置に配置される。液面が上昇し、ギャップ２０が液体で満たされると、 ギャップを通過する超音波信号の速度が増加するので、主波形時間ゲート窓１２ ０内に、主波形が受信変換器１６に到達するようになる。主波形出力信号８０は 液体がギャップ２０の中にあることを示す。

物質を通過する超音波信号の所要時間はその物質の密度に関係するので、時間ゲ ート構成は液面の高さと密度を同時にａ１定することが可能である。密度のｎｊ 定は、物質を通過する信号速度に基づき、物質の密度を反映した伝達時間を測定 することによって行われる。典型的には、密度を測定する時には、ＡＧＣ（自動 利得制御）を使用して主波形の振幅が制御される。もし、２つの物質の密度が判 っていれば、センサは信号速度の変化に基づいて、ギャップ中の前記２物質の境 界を検出することができる。

自己テスト出力８２はセンサ１０の完全性を示している。

もしセンサ１０が機能していれば、センサのステム１８を通過する自己テスト波 形は各送信パルスに伴って常に存在するはずである。このことは幾つかの利点を 存する。ギャップ中にプロセス物質が存在していても、また各変換器を個々にテ ストするための付加的な圧電素子を設けることなく、継続的自己テストを実行す ることができる。従って、より広範囲な応用例に適用させるために、センサ１０ の全体のサイズを削減することができる。

更にこの構成は、多くのセンサを個別にというよりは、センサの機能全体をテス トする。センサ本体は、より大きな機械的完全性のために、より厚いステムを用 いて製作することができる。従来例の発振器タイプのセンサのように、ステム中 を通過する信号強度の限界は存在しない。ステムを通過する信号が大きな振幅を 持つならば、これは性能を損なうというよりはむしろ改善する。

各センサ間に漏話（クロストーク）がないので、多点センサにおいて、検出点を お互いにより接近して配置することができる。超音波信号の振幅は約１ミリ秒以 内に意味のないレベルにまで減少する。ポイント毎の必要配線数がより少なく、 またステムを機械的により強く作成可能であるので、より多くの検出ポイントを 設けることができる。配線数がより少ないのは、自己テスト用の付加的な圧電素 子がもはや必要ないためである。

ただ１つの変換器を用いることにより、同じ性能を達成することができる。この 実施例においては、測定される超音波信号はギャップの変換器とは反対側の表面 からの反射波である。例えば、図７は、本発明による単一変換器センサの断面図 である。センサ１６０は、本体１６２、ブリッジ部材１６４、反射器１６６、変 換器１６８およびギャップ１７０を含んでいる。変換器１６８は、反射器１６６ に向けてギャップ１７０を通過する入射波１７２を送信する。反射波１７４は、 反射器１６６からギャップ１７０を通過して変換器１６８に戻ってくる。反射器 １６６は、そのギャップ１７０に接する表面が圧電素子１６８に戻る反射波１７ ４を集束するように構成されている。図７に示される実施例においては、表面は 圧電素子１６８に戻る反射波１７４を集束するために、機械加工された正確な曲 率の凹面である。しかし、反射器１６６はほぼ平らな表面でもよい。

図２に示されている実施例も、超音波を送信し、かつ受信するための単一の送信 素子を持つ構成にすることができる。

この実施例においては、主波形４８は変換器４０から内径４６に沿って伝達し、 壁４３から変換器４０に向かって反射してくる。自己テスト波形５０は壁４３に 沿って管あるいは容器４４を完全に周回し、変換器４０に戻ってくる。

本発明の時間ゲート構成は、センサのステム（あるいは支持壁）の中で発生した ノイズ波形から、主波形の受信を分離するために使用することができる。もし、 センサのステム内で発生された信号が自己テスト機能に使用されないならば、ス テム中の信号はノイズ波形となる。ノイズ波形は、一般的に送信変換器と受信変 換器間の漏話であると見なされる。主波形有効化信号は、主波形信号の振幅に較 べて、ノイズ波形の振幅が十分小さくなる主波形時間ゲート窓の期間にのみ、主 波形の検出を許容する。このことはノイズ波形を除去するための主波形閾値電圧 の設定における大きな余裕（マージン）を与える。従って、ノイズ波形は主波形 に妨害を与えない。

本発明の時間ゲート超音波センサは、実質的に、定義された空間内の物質の物理 的特性を測定する任意の応用例に使用可能である。本発明は好適な実施例につい て記載したが、当業者であれば本発明の技術思想を変更しない範囲で、形状や細 部が変更可能なことがわかるだろう。例えば、増幅器出力８８（図４）と閾値電 圧との比較は時間ゲート窓を確定するマイクロプロセッサによって行なわれるよ うにすることもできる。同様の比較を行うために、コンピュータ制御のためのソ フトウェアプログラムも使用できる。ＤＳＰ　（デジタル信号処理）集積回路も 図示された回路の代わりに使用することが出来る。

もし、自己テスト信号の振幅が強すぎて、主時間窓における妨害の原因になるな らば、ステムが不連続部を備えるように加工されてもよい。不連続部は、底部断 面が四角、丸、あるいは三角であり得る環状の溝によって分離された、ステムの 周りに設けられた複数の張り出しくリブ）として形成されてもよい。複数の張り 出しは共振素子として働き、ステムに沿って伝達する信号を吸収する。複数の厚 さの不連続部は、好ましくはそれぞれ４分の１波長の間隔をあけて配置され、ス テムから約半波長延びている。複数の波長からなる波長帯をカバーするために、 同じステム上に設けられた複数の張り出しに、それぞれ異なる寸法をもたせるこ とができる。ステムはセンサの側面に配置されるよりは、センサの中心軸にそっ て配置されてもよい。

タ ｒ、ゎ　報

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．定義された空間に概ね隣接した支持部材に取り付けられた変換手段を有する 超音波センサを用意する段階と、定義された空間内部に主波形を有する超音波信 号を発生するための変換手段へパルスを印加する段階と、信号が定義された空間 を通過してきた後に、変換手段によって超音波信号を受信する段階と、 主時間窓内に主波形が存在するか否かを検出するために、主時間窓内に受信され た超音波信号を監視する段階と、主時間窓内における主波形の存在の関数として 、定義された空間内の物質の存在を表す出力を発生する段階とを含む、定義され た空間内部に物質が存在するか否かを検出する方法。
2. ２．支持部材と、 支持部材に固定され、ギャップを横切る主波形を含む超音波信号が送信され、受 信されるようにギャップに隣接して配置された変換器手段と、 変換器手段に接続され、受信された超音波信号の中に主波形が存在するか否かを 検出するために、信号の送信に続く主時間窓内における受信超音波信号を監視す る監視手段と、監視手段に接続され、主時間窓内に主波形が存在するか否かの関 数として、ギャップ内の物質の物理的特性を検出するための手段とを含む、 定義されたギャップ内の物質の物理的特性を測定するための超音波センサ。
3. ３．変換器手段に接続され、変換器手段を励起し、変換器手段に主波形を発生さ せる送信パルスを周期的に発生する発振器をさらに含む、請求項２に記載の超音 波センサ。
4. ４．監視手段が、 主波形閾値レベルを発生する閾値発生器と、閾値発生器と受信された超音波信号 に接続され、受信された超音波信号の振幅と主波形閾値レベルとの比較を表す比 較出力を発生し、受信した信号の振幅が主波形閾値レベルを超えるたびに比較出 力にパルスを出力する比較器と、比較出力に接続され、主時間窓内において比較 出力中のパルス数を計数し、計数されたパルス数の関数として、主時間窓内にお ける主波形の存在を示す主波形出力信号を発生するカウンタと、 発振器とカウンタの間に接続され、各送信パルスの入力に基づき、カウンタをリ セットするリセット回路とを含む、請求項３に記載の超音波センサ。
5. ５．発振器と監視手段の間に接続され、送信パルスを受信し、主時間窓を含む選 択された時間窓内のみにおいて超音波信号を監視するために、監視のための手段 を有効化する有効化信号を発生するための時間ゲート発生手段をさらに含む、請 求項３に記載の超音波センサ。
6. ６．時間ゲート発生手段が、送信パルスの受信に続く、第１の予め選択された時 間の後にアクティブになり、主時間窓の間アクティブである主波形有効化信号を 発生し、前記主波形有効化信号は、有効化信号が主時間窓の間アクティブである 時にのみ、受信された超音波信号が監視されるように監視手段に接続された、請 求項５に記載の超音波センサ。
7. ７．時間ゲート発生手段は、第１のＲＣ時定数の関数として、主波形有効化信号 を発生する第１のＲＣ回路を含む、請求項６に記載の超音波センサ。
8. ８．変換手段が、支持部材を通過する自己テスト波形を伴う超音波信号を送信お よび受信し、センサはさらに、受信された超音波信号を監視して自己テスト波形 が自己テスト時間窓内に存在するか否かを検出するための手段を含み、自己テス ト波形の監視のための手段は、変換器手段と時間ゲート発生手段の間に接続され た、請求項５に記載の超音波センサ。
9. ９．自己テスト波形の監視のための手段が、自己テスト波形閾値レベルを発生す る閾値発生器と、受信された超音波信号の振幅と自己テスト波形閾値レベルとの 比較結果を表わす比較出力を生成するように、閾値発生器および受信された超音 波信号に接続され、受信信号の振幅が自己テスト波形閾値レベルを超えるたびに 比較出力にパルスを出力する比較器と、 比較出力に接続され、自己テスト時間窓内における比較出力中のパルス数を計数 し、計数されたパルス数の関数として、自己テスト時間窓内におけるテスト波形 の存在を示すテスト波形出力信号を発生するカウンタと、 、発振器とカウンタの間に接続され、各送信パルスの受信に基づいてカウンタを リセットするリセット回路とを含む、請求項８に記載の超音波センサ。
10. １０．ギャップを通過する主波形および支持部材を通過する自己テスト波形を含 む超音波信号を発生させるための送信変換器手段へパルスを印加する段階、主お よび自己テスト波形がギャップおよび支持部材をそれぞれ通過した後に、変換器 手段によって超音波信号を受信する段階、 時間窓内における自己テスト波形の存在を検出するために、予め定められた自己 テスト時間窓内における受信波形を監視する段階、および 自己テスト時間窓内における自己テスト波形の存在の関数として、センサの完全 性を表す自己テスト出力を発生する段階を含む、 定義されたギャップに概ね隣接した支持部材に固定された変換器手段を持つ超音 波センサの完全性をテストする方法。