JPS6310793B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えば、超音波レベル計における
受信信号を処理する信号検出回路に関する。

従来、非接触式で被測定物の流量や、被測定物
までの距離を測定するものとして、超音波測定装
置が広く用いられている。このような超音波測定
装置の動作は、繰返し周期で超音波パルスを被測
定物に向つて発射し、その超音波パルスの伝播時
間を測定して被測定物までの距離又は被測定物の
流量を知る方法である。このような方法による超
音波レベル計の回路構成図を第１図に示し、この
超音波レベル計の構成及び動作を簡単に説明す
る。第１図において符号１は、周期的（例えば
100ｍｓ周期）なパルス信号を出力するタイミン
グパルス発生回路であり、この回路の出力は、超
音波発振回路２、可変時間幅電圧発生回路７（以
下TVG電圧発生回路と略記）、フリツプフロツプ
１１へ各々供給される。超音波発振回路２はタイ
ミングパルス発生回路１の周期的パルスに基づい
て一定時間超音波信号を発生し、駆動回路３へ供
給する。駆動回路３は超音波発振回路２が発生し
た超音波信号を増幅する回路で、ここで増幅され
た超音波信号は切換回路４を介して送受波器５に
供給される。送受波器５は超音波信号を超音波に
変換して、被測定面６に向つて発射すると共に被
測定面６で反射した超音波を受信するものであ
る。被測定面６で反射した超音波は送受波器５に
より再び超音波信号に変換され、切換回路４を介
して電圧制御増幅器８〔以下VCA（Voltaye
Controled Amp.）と略記する〕に供給される。
VCA８はTVG電圧発生回路７とともにいわゆる
TVG（Time Varing Gain）増幅回路１３を構成
している。ここでこの回路１３の作用を第２図に
よつて説明する。第２図はタイミング発生回路１
によるパルス信号波形、VCA８の利得波形、
VCA８の入力波形および出力波形を各々示
している。図において符号１３は発射超音波およ
びそれにともなう残留振動によるノイズを示す波
形であり、符号１４は反射超音波による受信信号
を示す波形である。受信信号１４の振幅は受信さ
れる時刻が遅くなるほど、（すなわち被測定面６
と送受波器５が離れているほど）小さくなるが、
前記TVG増幅回路により補正され、その結果
VCA８の出力は図に示す波形に示すように受
信波のみが増幅され、同時に超音波発射時のノイ
ズも取り除かれて自動利得制御増幅回路（以下
AGC回路と略記）９に供給される。AGC回路９
はTVG増幅回路７だけでは安定にならない受信
信号の振幅を一定にする回路である。なお受信信
号の性質は時間とともに単調に減衰するばかりで
なく、反射面の状態変化や超音波伝播路内の状態
により時々刻々変化する。AGC回路９によつて
振幅が一定となつた受信信号は、比較器１０に供
給され、予め設定されている基準レベルと比較さ
れる。そして、その受信信号レベルが基準レベル
より大の場合に、比較器１０から検出信号が出力
され、フリツプフロツプ１１（以下FF１１と略
記）へ供給される。FF１１はタイミングパルス
発生回路１の周期パルスによつてセツトされ、
FF１１の出力は２値信号の“１”となり時間出
力値変換回路１２へ供給されていて、比較器１０
から出力される検出信号によつてFF１１はリセ
ツトされる。時間出力値変換回路１２はFF１１
の出力が“１”のレベルにある時間を用いて、設
定レベル値に対する現在レベル値の割合を算出
し、所定の信号、例えば、４〜20ｍＡの電流信号
あるいは１〜5Vの電圧信号に変換して出力する
回路である。

ところでこのように構成された従来の超音波レ
ベル計には次のような欠点がある。

(1) 受信される信号には、正常な反射波以外にも
空中を飛来する各種の超音波ノイズがあり、さ
らにケーブル等から混入する誘導ノイズもあ
る。TVG増幅回路１３は、先に述べたように、
受信時刻が遅くなるほど弱くなる反射波信号に
対して有効であるが、ここで述べたようなラン
ダムに発生する受信ノイズに対して逆の影響を
受け易い結果となる。このような受信ノイズを
除去する手段としては、出力回路に大きな時定
数のフイルタを用いて、出力の突変を防いでい
るが、このフイルタを設けると応答速度が遅く
なるなどの欠点を生じる。

(2) 受信波を増幅するために、TVG増幅回路１
３とAGC回路９とを直列に用いているため、
それぞれの調整が困難である。

この発明は、上述した欠点に鑑みなされたも
ので、超音波測定装置において、ノイズに強
く、応答速度が速く、また調整を必要としない
信号検出回路を提供することを目的とし、超音
波送受波器で受信された受信信号を増幅する可
変利得増幅器と、前記可変利得増幅器の出力信
号の振幅をデジタルの振幅データに変換する変
換器と、前記変換器から出力された振幅データ
を取り込むと共に前記可変利得増幅器の利得を
制御する一方、前記超音波送受波器によつて受
信された受信信号の中から、測定対象から正規
に発射して戻つてきた超音波に対応した正規の
受信信号を特定し、前記超音波送受波器が超音
波を発射してから、正規の受信信号が得られる
までの経過時間に対応した測定結果を出力する
演算制御回路（例えば、マイクロコンピユー
タ）とを具備し、前記演算制御回路は、次に正
規の受信信号が得られると予想される受信時刻
が決定できない場合においては、前記超音波送
受波器が超音波を発射してから次の超音波を発
射するまでの全期間にわたつて、前記可変利得
増幅器の利得を時間の経過とともに上げつつ前
記振幅データを取り込み、所定値以上の振幅デ
ータが得られた時点で、正規の受信信号が得ら
れたと見なして、前記可変利得増幅器の利得を
一旦固定し、前記受信時刻を決定する一方、前
記受信時刻が決定できた場合においては、前記
超音波送受波器によつて超音波が発射される毎
に、前記受信時刻の前後一定の時間帯において
得られる前記振幅データを繰り返し取り込み、
これらの振幅データが一定となるように前記可
変利得増幅器の利得を制御して、前記測定結果
を出力することを特徴としている。

以下図面を参照しこの発明の一実施例について
説明する。実施例の説明に先だつて、この発明の
基本的考え方について説明する。一般に、超音波
レベル計は粉体、液体などのレベルの連続測定に
用いられるが、通常これらのレベル変化速度は比
較的に緩慢である。最も早いレベル変化としては
液体面での波立ちが考えられるが、この波の高さ
は測定スパンに対して十分小さい（例えば５％以
下）と考えてよい。すなわち正常な反射波による
受信が行なわれているならば、繰返し測定される
測定値の変化はある範囲（レベルの最大変化速度
又は、液の高さの最大値により定まる）内にある
はずである。したがつて反射波の受信を前回の受
信時間前後の狭い範囲に限定することにより、外
乱ノイズに強い安定な測定が可能となる。この発
明はこのことに着目し、前回の受信信号の振幅を
デジタル化しマイクロコンピユータにより計測
し、この計測結果を基に、次回到来する受信信号
の存在する時間帯、次回の受信増幅器の利得を、
マイクロコンピユータのプログラムによつて定め
るようにしたのである。なおこのような方法によ
ると、受信区間を狭い範囲に限定することによ
り、その区間内では時間による受信信号の減衰が
ほとんど無視できるため、TVG増幅回路に用い
るTVG制御は不要となる。また電源投入直後や、
反射波を見失つた場合は、測定範囲全体から反射
波を探し出す必要があるが、その場合は、正確な
受信時刻を決定しなくてよいのでAGC制御を行
う必要はない。

第３図はこの発明の一実施例の構成を示すブロ
ツク図である。この図において第１図の各部に対
応する部分には同一符号を付しその説明は省略す
る。第３図において符号１４は超音波の送受信タ
イミング制御、受信時のVCA８の利得制御およ
び出力回路１８の出力値の算出を行う演算制御回
路であり、例えば、マイクロコンピユータを用い
て構成される。この演算制御回路１４は超音波発
振回路２、DAC（デジタルアナログ変換回路）１
５、ADC（アナログデジタル変換器）１７および
出力回路１８の各々と必要な信号の授受を行う。
DAC１５は演算制御回路１４からの信号をVCA
８の制御信号に変換するデジタルアナログ変換器
であり、この出力はVCA８の制御端子に供給さ
れる。DAC１５により制御されたVCA８の出力
は検波回路１６に供給される。検波回路１６は
VCA８で増幅された受信信号の包格線を検出す
る回路で、この検波回路１６の出力はADC１７
に供給される。ADC１７はアナログデジタル変
換器で、検波回路１６の出力をデジタル化する回
路であり、例えば4bit分の比較器で構成される。
出力回路１８は演算制御回路１４で算出された出
力値を電流もしくは電圧の標準信号に変換するも
ので、第１図においては時間出力値変換回路１２
の一部に含まれている回路である。

次に、第３図に示す回路の動作を第４図のフロ
ーチヤート図にしたがつて説明する。まず測定を
開始すると、演算制御回路１４から出力される。
スタートパルス２０によつて、従来の超音波レベ
ル計と同様にして空中に超音波が発射される（第
４図におけるステツプS₁）。その後演算制御回路
１４は前回までの測定に基づいて、２つの異なつ
た制御を行なう（ステツプS₂）。すなわち、第１
の制御は反射波の受信時刻が予想がたたない場合
（これは電源投入直後や、連続して反射波の受信
を誤つた場合）で、超音波発射と同時にDAC１
５を介してVCA８の利得を時間とともに上げる
TVG制御を行ない、それと並行してADC１７を
介して受信される受信信号を読込み振幅をチエツ
クする（ステツプS₃）。ここであらかじめ設定さ
れた振幅を越える受信信号があつた場合、演算制
御回路１４は、その時点の利得の値にVCA８の
利得を固定し（ステツプS₄）、再び超音波発射動
作（ステツプS₁）に戻る。受信信号が設定された
振幅より小さい場合、すなわち受信信号の検出に
失敗した場合は、ステツプS₄に行かずステツプS₁
に戻り、受信信号が得られる迄同じ回動をくり返
す（第４図では省略してある）。

次に第２の制御は第１の制御によつて反射波の
受信時刻がほぼ判明した場合および繰返し正常な
反射波を受信している場合で、前回までの測定で
予想される受信時刻の前後狭い範囲の信号を読み
込む（ステツプS₆）。次に読み込んだ信号の振幅
を設定値と比較することにより受信失敗か否か、
およびVCA８の利得の良否を判定する（ステツ
プS₇）。ここでTVG制御（第１の制御）時に検出
した信号が正規の反射波でない場合は、ステツプ
S₇において受信失敗と判定されるが、それ以外に
も反射面などの変化により正常受信動作を繰返し
ている場合でも、受信失敗が発生する。しかしこ
のような場合の受信失敗は繰返して、例えば、５
回発生することはない。したがつて受信失敗の場
合は次のステツプS₈で回数チエツクを行ない、失
敗が連続した場合は（例えば５回以上）６回目か
らは第１の制御へ戻る。一方、受信に成功した場
合でも、毎回の振幅変動が大きい場合は正確な受
信時刻の決定が出来ない。この場合毎回の測定周
期は100ｍｓ程度であり、連続する測定では受信
信号の振幅は極端に変化しないと考えられるの
で、この受信信号の振幅とともに、次回測定時の
VCA８の利得を決定する（ステツプS₉）。このよ
うにして測定された受信信号を基に、演算制御回
路１４は出力回路１８へ供給する出力の値を計算
し出力することにより出力回路１８からは被測定
レベルに対応する。電流又は電圧が出力される
（ステツプS₁₀）。

このように、この発明では、前回の受信信号に
基づいて次に到来する受信波の時刻を予測して
VCA８の利得を決定するので、予想される受信
時刻の前後の狭い範囲しか信号検出を行なわない
ことになり、ランダムに発生するノイズの影響を
うけなくなる。また出力回路１８に時定数の大き
いフイルタを用いる必要がなくなり、応答速度を
速くできる。またこの発明では演算制御回路１４
にマイクロコンピユータ等を用いたので、１個の
電圧制御増幅器（VCA８）により、TVG増幅器
１３、AGC増幅器９の役割を一括して果たすこ
とができて回路構成が簡単になりかつ調整箇所が
なくなる。

この発明によれば、超音波送受波器で受信され
た受信信号を増幅する可変利得増幅器と、前記可
変利得増幅器の出力信号の振幅をデジタルの振幅
にデータに変換する変換器と、前記変換器から出
力された振幅データを取り込む演算制御回路を折
け、この演算制御回路により、受信信号の状態を
逐次分析し、その結果を基に可変利得増幅器の利
得を制御して、測定対象から正規に発射して戻つ
てきた超音波に対応した正規の受信信号を特定
し、前記超音波受波器が超音波を発射してから、
正規の受信信号が得られるまでの経過時間に対応
した測定結果を出力するようにしたので、次の利
点が得られる。

ノイズの影響を除去することができる。

応答時間が速くなる。

回路構成が簡単になる。

調整の必要がなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波レベル計の構成を示すブ
ロツク図、第２図は第１図の回路動作を説明する
ための波形図、第３図は本発明の一実施例の構成
を示すブロツク図、第４図は本発明の一実施例の
動作を説明するフローチヤート図である。 ５……送受波器、８……VCA（可変利得増幅回
路）、１４……演算制御回路、１５……デジタル
アナログ変換器（DAC）、１７……アナログデジ
タル変換器（ADC）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波送受波器で受信された受信信号を増幅
   する可変利得増幅器と、 前記可変利得増幅器の出力信号の振幅をデジタ
   ルの振幅データに変換する変換器と、 前記変換器から出力された振幅データを取り込
   むと共に前記可変利得増幅器の利得を制御する一
   方、前記超音波送受波器によつて受信された受信
   信号の中から、測定対象から正規に発射して戻つ
   てきた超音波に対応した正規の受信信号を特定
   し、前記超音波送受波器が超音波を発射してか
   ら、正規の受信信号が得られるまでの経過時間に
   対応した測定結果を出力する演算制御回路とを具
   備し、 前記演算制御回路は、次に正規の受信信号が得
   られると予想される受信時刻が決定できない場合
   においては、前記超音波送受波器が超音波を発射
   してから次の超音波を発射するまでの全期間にわ
   たつて、前記可変利得増幅器の利得を時間の経過
   とともに上げつつ前記振幅データを取り込み、所
   定値以上の振幅データが得られた時点で、正規の
   受信信号が得られたと見なして、前記可変利得増
   幅器の利得を一旦固定し、前記受信時刻を決定す
   る一方、 前記受信時刻が決定できた場合においては、前
   記超音波送受波器によつて超音波が発射される毎
   に、前記受信時刻の前後一定の時間帯において得
   られる前記振幅データを繰り返し取り込み、これ
   らの振幅データが一定となるように前記可変利得
   増幅器の利得を制御して、前記測定結果を出力す
   ることを特徴とする信号検出回路。