JPH10325870A

JPH10325870A - 超音波距離計

Info

Publication number: JPH10325870A
Application number: JP15164697A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Terada; 昌章寺田; Motoki Hirano; 元基平野
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】測定対象物までの間に種々の浮遊物が存在し
ていても微妙な設定を必要とすることなく良好に測定対
象物までの距離を測定すること。【解決手段】測定対象物へ超音波を発射すると共に当
該測定対象物から反射した反射超音波を検出する超音波
センサ３と、この超音波センサ３による超音波の発信か
ら当該反射超音波の受信までの経過時間を計時する時間
計測手段４と、この時間計測手段４によって計測された
計測時間と超音波の音速とに基づいて測定対象物までの
距離を算出する演算手段１２とを備えている。しかも、
時間計測手段が、超音波センサによる超音波の発信の完
了を検出する発信完了時間検出部６と、測定対象物から
反射した反射超音波の予め定められた振幅への減衰を検
出する反射超音波減衰検出部８と、発信完了時間検出部
６によって検出された時間を計時開始時間に設定すると
共に反射超音波減衰検出部８によって検出された時間を
計時終了時間に設定する計時制御部１０とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波距離計に係
り、特に、測定対象物までの間に浮遊物などが存在する
状態で当該測定対象物までの距離を計測する超音波距離
計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、直進性がよく、水中での吸収
が弱い超音波の性質を利用して、超音波を用いて液体中
に存在する測定対象物までの距離を測定することが行わ
れている。例えば、沈殿層内の沈殿物までの距離の測定
や、各種液状原料・燃料等備蓄タンク内のスラッジレベ
ルの測定や、粒材洗浄槽内のレベルの測定等を超音波距
離計を用いて行っている。

【０００３】図６に示すように、沈殿層５１内の水面か
ら沈殿物汚泥５５の界面までの距離の測定を行う超音波
距離計（超音波界面レベル計）は、超音波を発信すると
共に受信する超音波センサ５３と、この超音波の発信か
ら受信までの反射時間に基づいて距離を算出する計測部
５２とを備えている。超音波センサ５３が超音波を発信
すると、超音波は水中５０を直進し汚泥５５の界面５６
に至り、この汚泥界面５６で反射する。超音波センサ５
３は、この反射超音波を受信する。計測部５２は、反射
時間を用いて汚泥界面５６までの距離を算出する。距離
は、水面からの沈殿汚泥までの距離をＬ、超音波の水中
音速をＶ、超音波距離計から超音波が発信され汚泥界面
に反射して戻ってくるまでの時間（反射時間）をＴとす
ると、Ｌ＝Ｖ×Ｔ／２で表される。

【０００４】従来例では、反射時間Ｔは発振開始から受
信開始までの時間を計測していた。汚泥が良く沈殿して
いる状態においては、図７に示すように超音波の発信に
対し強い反射波を受信することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すように水中に浮遊汚泥が多いと、超音波の発信に対
して途中の浮遊物５４で反射されてしまい、しかも、こ
の浮遊物での反射は、沈殿汚泥界面５６からの反射波を
弱めてしまう、という不都合があった。沈殿汚泥界面５
６からの反射波が弱められてしまうと、その受信は図９
に示すように浮遊汚泥５４からの反射も含む受信波とな
り、すると、沈殿汚泥からの振幅も小さくなってしま
う。そして、反射時間Ｔは、発信開始から受信開始まで
の時間を計測するため、沈殿汚泥からの反射波の受信開
始が不明確なものとなり、Ｔの計測値が不正確となって
しまう、という不都合があった。

【０００６】このような浮遊物からの反射ノイズの影響
を除去するため、受信波に図１０のようなゲインをか
け、沈殿汚泥からの反射波の振幅を上げ、一定振幅以上
の時、沈殿汚泥からの反射と判断する方式としている。
しかしながら、浮遊物による沈殿汚泥からの反射波の減
衰が一定ではないため、沈殿汚泥からの反射と判断する
振幅値の設定が難しく、また、この振幅値の設定が不適
切だと水面から沈殿汚泥までの距離が不正確となる。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、測定対象物までの間に種々の浮遊物が存
在していても微妙な設定を必要とすることなく良好に測
定対象物までの距離を測定することのできる超音波距離
計を提供することを、その目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、測
定対象物へ超音波を発射すると共に当該測定対象物から
反射した反射超音波を検出する超音波センサと、この超
音波センサによる超音波の発信から当該反射超音波の受
信までの経過時間を計時する時間計測手段と、この時間
計測手段によって計測された計測時間と超音波の音速と
に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算手段と
を備えている。しかも、時間計測手段が、超音波センサ
による超音波の発信の完了を検出する発信完了時間検出
部と、測定対象物から反射した反射超音波の予め定めら
れた振幅への減衰を検出する反射超音波減衰検出部と、
発信完了時間検出部によって検出された時間を計時開始
時間に設定すると共に反射超音波減衰検出部によって検
出された時間を計時終了時間に設定する計時制御部とを
備えた、という構成を採っている。これにより前述した
目的を達成しようとするものである。

【０００９】発信完了時間検出部は、超音波センサによ
って超音波が発信され、その発信が完了した時を検出す
る。例えば、超音波センサの発信駆動制御の完了を捕捉
する。そして、計時制御部は、この発信完了時を計時開
始時間とする。そして、超音波センサから発射された超
音波は浮遊物や測定対象物で反射し、超音波センサは、
この反射超音波を受信する。浮遊物が存在する場合、浮
遊物で反射した超音波を受信し、その後、測定対象物で
反射した超音波を受信する。反射超音波減衰検出部は、
測定対象物から反射した反射超音波の予め定められた振
幅への減衰を検出し、計時制御手段は、この反射超音波
減衰検出部によって反射超音波の減衰が検出された時を
計時終了時間とする。このため、時間計測手段は、超音
波の発信完了から反射超音波が減衰するまでの時間を計
時し、これにより、測定対象物で反射した反射超音波を
超音波センサで受信するまでの時間を正確に計時する。
浮遊物の状態によっては、浮遊物での反射による反射超
音波の振幅は測定対象物で反射した反射超音波の振幅と
同程度となるため、時間計測手段は、測定対象物で反射
した反射超音波であるか否かの判定に超音波の振幅を用
いない。一方、測定対象物で反射した超音波を受信した
後に受信する超音波の振幅は極度に減衰する。このた
め、超音波減衰検出部はこのような反射超音波の減衰を
検出し、時間計測手段は、この減衰が検出された時を測
定対象物で反射した反射超音波の受信が終了したと判定
し、計時を終了する。このように、超音波の発信の完了
時から反射超音波の減衰時までを、測定対象物で超音波
が反射してその反射超音波を受信するまでの時間とする
ため、浮遊物による超音波の反射の有無に左右されるこ
となく測定対象物での超音波の反射を検出する。このた
め、超音波センサと測定対象物との間に浮遊物などノイ
ズとなるものがあっても、測定対象物までの距離を正確
に安定して検出する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１１】図１は、本発明による超音波距離計の構成
を示すブロック図である。超音波距離計は、測定対象物
へ超音波を発射すると共に当該測定対象物から反射した
反射超音波を検出する超音波センサ３と、この超音波セ
ンサ３による超音波の発信から当該反射超音波の受信ま
での経過時間を計時する時間計測手段４と、この時間計
測手段４によって計測された計測時間と超音波の音速と
に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算手段１
２とを備えている。

【００１２】演算手段１２は、超音波の水中音速をＶ、
超音波距離計から超音波が発信され汚泥界面で反射して
戻ってくるまでの時間（反射時間）をＴとしたとき、水
面からの沈殿汚泥までの距離ＬをＬ＝Ｖ×Ｔ／２で求め
る。

【００１３】時間計測手段が、超音波センサによる超音
波の発信の完了を検出する発信完了時間検出部６と、測
定対象物から反射した反射超音波の予め定められた振幅
への減衰を検出する反射超音波減衰検出部８と、発信完
了時間検出部６によって検出された時間を計時開始時間
に設定すると共に反射超音波減衰検出部８によって検出
された時間を計時終了時間に設定する計時制御部１０と
を備えている。

【００１４】計時制御部１０は、超音波の発信終了から
受信終了までの時間を反射時間Ｔとして計測する。発信
完了時間検出部６は、例えば、超音波センサを駆動する
ＣＰＵから発振停止信号が入力されたときにで反射時間
Ｔの計測を開始する。沈殿汚泥からの反射波は、一番最
後に受信され、その後、図９に示すように、受信波は急
速に減衰するため、受信波の最後と判断する振幅値をか
なり小さく設定しても、受信終了と判断できる。このた
め、浮遊物が多く、沈殿汚泥界面からの反射波がかなり
減衰しても、受信終了を判断できるため、沈殿汚泥から
の反射時間Ｔは正確となり、浮遊物があっても確実に反
射時間Ｔを測定可能となるため、界面までの距離を正確
に測定することができる。

【００１５】また、ある実施形態では、図２に示すよう
に、反射超音波減衰検出部８が、超音波センサによって
超音波の発振が開始されてから終了するまでの発振経過
時間を計時する発振時間計時機能１３と、超音波センサ
３で受信する反射超音波の振幅が反射判定用の第１の規
定振幅ａ1を越えたのち振幅減衰判定用の第２の規定振
幅ａ2以下になるまでの経過時間を計時する受信経過時
間計時機能１４と、この受信経過時間計時機能１４によ
って計時された受信経過時間が発振時間計時機能１３に
よって計時された発振経過時間を越えた場合には当該受
信経過時間の波形を測定対象物で反射した超音波と判定
する判定機能１５とを備える。この発信経過時間は、超
音波センサ３が発射する超音波のパルス幅である。ま
た、規定振幅の比率は、「規定振幅ａ1＞＞規定振幅ａ
2」である。

【００１６】この例では、浮遊物が少なく測定対象物か
らの反射波を受信する以前に受信波形が減衰している可
能性を考慮して、受信波形の振幅が、反射波と判定しう
る振幅ａ1を越えたのちにその振幅がａ2まで減衰したと
きに、測定対象物からの反射波であると判定する。さら
に、大きめの浮遊物がある場合にはこの反射判定用の第
１の規定振幅ａ1を越えてしまうことがあるため、そし
て、この振幅値の設定を最適化するのは難しいため、受
信波形の振幅が浮遊物からのものか又は測定対象物から
のものなのかの判定は困難となる。

【００１７】この振幅に差がなくなる状態で、良好に測
定対象物からの反射なのか又は浮遊物からの反射なのか
を判定すべく、本実施形態では、超音波の発振経過時間
と、受信経過時間との比較を行っている。すなわち、浮
遊物からの反射波は超音波の発振経過時間を越えないた
め、判定機能１５は、受信経過時間が発振時間を越えた
場合には当該受信時間の波形を測定対象物で反射した超
音波と判定する。これにより、汚泥の程度や浮遊物の種
類にかかわらず、安定して測定対象物（界面）までの距
離を測定することができる。

【００１８】図３は本実施形態のハードウエア資源の構
成を示すブロック図である。図１に示す時間計測手段４
および演算手段１２は、時間計測プログラムおよび演算
プログラムを実行するＣＰＵ２０により実現する。そし
て、超音波距離計は、超音波センサ３から超音波を発射
させる発振回路２１と、超音波センサ３で受信した超音
波を検出する受信回路２２と、この受信回路２２で受信
した受信波形を整形する波形整形回路２３と、この波形
整形回路で整形された波形を検波する検波回路２４とを
備えている。発振回路２１はＣＰＵ２０の駆動制御に従
って動作し、ＣＰＵは発振回路２１の駆動制御が完了し
たときに、超音波の発振が完了したと判断する。また、
ＣＰＵ２０は、超音波センサ３に併設された図示しない
温度センサからの出力に応じて超音波の伝播速度Ｖの値
を補正する。

【００１９】さらに、ＣＰＵ２０は検波回路２４から入
力された受信波形を解析して測定対象物からの反射波を
特定し、反射時間を計時する。そして、ＣＰＵは、この
反射時間から測定対象物である汚泥界面までの距離を算
出する。算出結果はデジタル処理部３１でデジタル処理
されたのち、画面表示部３３に表示される。その他、外
部入出力部の制御に従って、アナログ出力やリレー出力
が行われる。また、規定振幅の設定や動作モードの設定
などは、キースイッチ部３４の操作により行われる。

【００２０】図４は本実施形態での発振および受信波形
の一例を示す波形図である。発振回路２１を規定の発振
時間Ｃ1分発信させると、種々の反射超音波を受信す
る。図４に示す例では、まず第１の規定振幅ａ1を越え
る振幅の信号が入力される。しかし、その信号の持続時
間はＣ21であり、発振時間Ｃ1を越えないため、これは
浮遊物からの反射であると判定する。次いで、界面に近
い部分で小さい浮遊物からの反射が多く、どこが界面か
らの反射なのかをその振幅によっては判定できなくな
る。しかしながら、本実施形態では、第１の規定振幅ａ
1を越えた入力が発振時間Ｃ1よりも長く継続した場合、
その信号が減衰したときに反射信号の受信の完了である
と判定する。このため、浮遊物が多い状態であっても、
汚泥界面までの距離を正確に測定することができる。

【００２１】図５は本実施形態による距離算出処理の一
例を示すフローチャートである。ここでは、ＣＰＵ２０
は２つのカウンタを用いて計時を行う。カウンタ１は、
反射時間を計時する。このため、カウンタ１は、超音波
の発信完了から反射超音波の所定の減衰までの時間を計
時する。カウンタ２は、所定の振幅以上の受信の継続時
間を計時する。

【００２２】また、判断分岐で用いる規定振幅は２種類
あり、第１の規定振幅ａ1は、沈殿汚泥の界面からの反
射と判断するための振幅である。しかしながら、浮遊物
からの反射超音波であってもこの規定振幅ａ1を越える
場合がある。第２の規定振幅ａ2は、受信波の最後の減
衰を判断するための振幅である。しかし、大きい孤立し
た浮遊物からの反射があった後、他の浮遊物から反射が
ないときには、この規定振幅ａ2以下に減衰してしま
う。

【００２３】さらに、図５に示す処理では、発振回路２
１の発振時間Ｃ1と、カウンタ２の出力に応じた規定振
幅ａ1を越えてから規定振幅ａ2以下となるまでの受信経
過時間Ｃ2とを比較する。受信経過時間Ｃ2が発振時間Ｃ
1よりも短時間である場合には、浮遊物からの反射超音
波は発振時間よりも短くなるため、その信号は汚泥界面
からの信号ではなく、浮遊物で反射した超音波であると
判断する。

【００２４】ＣＰＵ２０は、まず、反射時間を計時する
カウンタ１をクリアする（Ｓ１）。次いで、発振回路２
１を制御して予め定められた発振時間Ｃ１分超音波セン
サを駆動させる（Ｓ２）。この発振時間Ｃ1は、実際に
はμｓオーダーである。発振が完了したときに、カウン
タ１でのカウントを開始する（Ｓ３）。そして、受信経
過時間を計時するカウンタ２をクリアし、Ｃ2の値を
「０」とする（Ｓ４）。次いで、反射波を検波回路２４
にて受信する（Ｓ５）。

【００２５】この受信波の振幅が規定振幅ａ1を越えて
いるか否かを確認する（Ｓ６）。越えている場合、何ら
かの反射波であると判定できるため、カウンタ２をスタ
ートさせる（Ｓ１２）。すでにカウンタ２がカウントを
行っている場合には、このＳ１２はスキップする。カウ
ントアップしたのちは、一定時間待機して（Ｓ１５）、
ステップＳ５に処理を戻す。

【００２６】一方、受信波の振幅が規定振幅ａ1未満の
場合には、ステップＳ７へ処理を移行する。この場合、
浮遊物からの反射超音波を受信している可能性と、汚泥
界面からの反射波の受信が終了した可能性とがある。ス
テップＳ７では、この受信波が規定振幅ａ2未満である
か否かを確認する。受信波が規定振幅ａ2よりも小さい
場合には、カウンタ２を停止させ、カウンタ２の値を受
信継続時間Ｃ2に換算する（Ｓ８）。受信波が規定振幅
ａ2よりも大きい場合には、汚泥界面からの反射波の減
衰とは異なる減衰であるため、カウンタ２をクリアし、
Ｃ2の値を「０」とする。この場合、一定時間の待機の
後（Ｓ１５）、受信を継続する（Ｓ５）。

【００２７】ステップＳ９では、発振時間Ｃ1と受信継
続時間Ｃ2とを比較する。受信波が規定振幅ａ1を越えて
いない場合には、Ｃ2＝０であるため、Ｃ2はＣ1より小
さい。従って、計時を完了するステップＳ１０には進ま
ず、カウンタ２をクリアして（Ｓ１３）、待機（Ｓ１
５）、再受信（Ｓ５）を行う。

【００２８】カウンタ２のカウントが行われ、その規定
振幅ａ1を下回ったときにその減衰が規定振幅ａ2以下と
なったときには、このステップＳ９の比較で処理が分岐
する。受信時間Ｃ2が発振時間Ｃ1よりも長い場合には、
カウンタ１を停止してこれを反射時間に換算する（Ｓ１
０）。一方、受信時間Ｃ2が発振時間Ｃ1よりも短い場合
には、浮遊物からの反射と判定し、カウンタ２をクリア
して（Ｓ１３）、待機（Ｓ１５）、再受信（Ｓ５）を行
う。

【００２９】カウンタ１の値から反射時間Ｔを求めたの
ち、ＣＰＵは、この反射時間Ｔを用いて距離を算出し、
表示する（Ｓ１１）。

【００３０】このように図５に示すフローチャートによ
ると、受信波が次の条件を全て満たしたときにのみその
受信波の減衰が汚泥界面からの反射超音波の受信終了時
であると判定する。まず、受信波が規定振幅ａ1以上と
なり、次いで、この規定振幅ａ1以上の振幅から減衰し
たときには規定振幅ａ2以下に減衰し、さらに、この規
定振幅ａ1より大きい振幅が発振時間Ｃ1よりも長い時間
継続したときに、当該減衰時が反射時間の完了時である
とする。規定振幅ａ1を越えた状態から規定振幅ａ2未満
となる状態までの変化に必要な時間については、ステッ
プＳ１５のウエイト時間で調節する。

【００３１】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、計時制御部が、超音波の発信の完
了時から反射超音波の減衰時までを、測定対象物で超音
波が反射してその反射超音波を受信するまでの時間とす
るため、浮遊物による超音波の反射の有無に左右される
ことなく測定対象物での超音波の反射を検出することが
でき、従って、超音波センサと測定対象物との間に浮遊
物などノイズとなるものがあっても、測定対象物までの
距離を正確に安定して検出することができる従来にない
優れた超音波距離計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】図１に示す反射超音波減衰検出部の詳細構成を
示すブロック図である。

【図３】図１に示した実施形態のハードウエア資源の構
成を示すブロック図である。

【図４】図１に示す超音波センサが受信した受信信号の
波形を示す波形図である。

【図５】図１に示す構成による距離計測処理の一例を示
すフローチャートである。

【図６】従来の超音波距離計の概略構成を示す説明図で
ある。

【図７】浮遊汚泥がない場合の受信信号波形を例示する
波形図である。

【図８】浮遊汚泥がある沈殿槽の一例を示す説明図であ
る。

【図９】図８に示す沈殿槽の界面で反射した反射超音波
の受信信号波形の一例を示す波形図である。

【図１０】浮遊物からの反射ノイズの影響を除去するた
めに受信波に加えるゲインの一例を示すグラフ図であ
る。

【符号の説明】

１第１のカウンタ２第２のカウンタ３超音波センサ４時間計測手段６発信完了時間検出部８反射超音波減衰検出部１０計時制御部１２演算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物へ超音波を発射すると共に当
該測定対象物から反射した反射超音波を検出する超音波
センサと、この超音波センサによる超音波の発信から当
該反射超音波の受信までの経過時間を計時する時間計測
手段と、この時間計測手段によって計測された計測時間
と前記超音波の音速とに基づいて前記測定対象物までの
距離を算出する演算手段とを備えた超音波距離計におい
て、前記時間計測手段が、前記超音波センサによる超音波の
発信の完了を検出する発信完了時間検出部と、前記測定
対象物から反射した反射超音波の予め定められた振幅へ
の減衰を検出する反射超音波減衰検出部と、前記発信完
了時間検出部によって検出された時間を計時開始時間に
設定すると共に前記反射超音波減衰検出部によって検出
された時間を計時終了時間に設定する計時制御部とを備
えたことを特徴とする超音波距離計。
【請求項２】反射超音波減衰検出部が、前記超音波セ
ンサによって超音波の発振が開始されてから終了するま
での発振経過時間を計時する発振時間計時機能と、超音
波センサで受信する反射超音波の振幅が反射を判定する
第１の規定振幅を越えたのち振幅減衰判定用の第２の規
定振幅以下になるまでの経過時間を計時する受信経過時
間計時機能と、この受信経過時間計時機能によって計時
された受信経過時間が前記発振時間計時機能によって計
時された発振経過時間を越えた場合には当該受信経過時
間の波形を前記測定対象物で反射した超音波と判定する
判定機能とを備えたことを特徴とする請求項１記載の超
音波距離計。