(57)【要約】【課題】容器底部の板厚固有振動周波数がセンサ反共振点に近接して位置するような測定系においても、液面検出にかかるＳ／Ｎ比の残響による低下を効果的に防止ないし抑制できる超音波液面計を提供する。【解決手段】  超音波送受信部２の受信回路に、超音波送受信部２の素子共振周波数を包含する阻止域を有し、該超音波送受信部２の受信信号から阻止域に対応する周波数成分を減衰させる帯域阻止フィルタ１１０を設け、素子共振周波数に対応する残響成分を低減する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容した容器からなる被測定系において容器底部に取り付けられるとともに、予め定められた周波数にて駆動されることにより該容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、該測定用超音波の液面反射波を受信する電気機械変換素子からなる超音波送受信部と、
前記超音波送受信部の素子共振周波数を包含する阻止域を有して前記超音波送受信部の受信回路に設けられ、該超音波送受信部の受信信号から前記阻止域に対応する周波数成分を減衰させる帯域阻止フィルタと、
該帯域阻止フィルタを通過後の前記受信信号に基づいて前記容器内の液面レベルを算出する液面レベル算出手段と、
液面レベル情報を出力する液面レベル情報出力手段と、
を備えたことを特徴とする超音波液面計。
【請求項２】
前記超音波送受信部の受信信号を、前記帯域阻止フィルタを通過するフィルタリングモードと、該帯域阻止フィルタを非通過となる非フィルタリングモードとのいずれかに切り替えるモード切り替えスイッチが設けられている請求項１記載の超音波液面計。
【請求項３】
前記モード切り替えスイッチは、前記容器底部の板厚が所定レベルを超える場合に前記フィルタリングモードに切り替えるものである請求項２に記載の超音波液面計。
【請求項４】
前記モード切り替えスイッチは、前記容器内の液面レベルが所定レベル未満の場合に前記フィルタリングモードに切り替えるものである請求項２又は請求項３に記載の超音波液面計。
【請求項５】
前記容器底部の板厚に固有の一連の板厚固有周波数を特定する板厚固有周波数特定手段と、
一連の前記板厚固有周波数のうち、前記超音波送受信部の素子共振周波数を挟む形でこれに隣接する１対の隣接板厚固有周波数を特定する隣接板厚固有周波数特定手段と、
１対の前記隣接板厚固有周波数を両端とする帯域を駆動回避帯域として定め、前記容器底部の板厚が所定レベルを超える場合に、該駆動回避帯域外に前記超音波送受信部の駆動周波数を設定する駆動周波数設定手段と、
設定された駆動周波数にて前記超音波送受信部を駆動する素子駆動手段と、
を備える請求項１又は請求項２に記載の超音波液面計。
【請求項６】
前記駆動周波数設定手段は、容器内の液面レベルが所定レベル未満の場合に前記駆動回避帯域外に前記超音波送受信部の駆動周波数を設定し、前記液面レベルが前記所定レベルを超える場合は、前記１対の前記隣接板厚固有周波数のいずれかに前記駆動周波数を設定するものである請求項５記載の超音波液面計。
【請求項７】
前記超音波送受信部の受信信号を、前記帯域阻止フィルタを通過するフィルタリングモードと、該帯域阻止フィルタを非通過となる非フィルタリングモードとのいずれかに切り替えるモード切り替えスイッチが設けられ、
前記モード切り替えスイッチは、前記液面レベルが所定レベル未満の場合に前記フィルタリングモードに切り替え、前記液面レベルが前記所定レベルを超える場合に前記非フィルタリングモードに切り替えるものである請求項６記載の超音波液面計。
【請求項８】
前記駆動周波数設定手段は、一連の前記板厚固有周波数のうち、前記駆動回避帯域の外側にて各前記隣接板厚固有周波数の直近に位置する１対の第二隣接板厚固有周波数のいずれかに対応する帯域に前記駆動周波数を設定するものである請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の超音波液面計。
【請求項９】
前記駆動周波数設定手段は、前記素子駆動手段により、１対の前記第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち高域側のものに設定される高域側仮駆動周波数と、同じく低域側のものに設定される低域側仮駆動周波数とにより前記超音波送受信部をそれぞれ仮駆動することにより仮測定用超音波を送出し、それら仮測定用超音波の受信波形に現れる前記液面反射波の受信信号レベルの高いほうの仮駆動周波数を本測定用の前記駆動周波数として設定する請求項８に記載の超音波液面計。
【請求項１０】
前記駆動周波数設定手段は、前記素子駆動手段により、１対の前記第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち高域側のものに設定される高域側仮駆動周波数と、同じく低域側のものに設定される低域側仮駆動周波数とのいずれかにて前記超音波送受信部を仮駆動することにより仮測定用超音波を送出し、前記液面レベル算出手段により、前記仮測定用超音波の受信波形に現れる前記液面反射波の受信信号に基づき液面レベルを仮算出するとともに、該仮算出された液面レベルが予め定められた閾液面レベルよりも大であれば前記低域側仮駆動周波数を本測定用の前記駆動周波数として設定し、小であれば前記高域側仮駆動周波数を本測定用の前記駆動周波数として設定する請求項８に記載の超音波液面計。
【請求項１１】
前記駆動周波数設定手段は、前記素子駆動手段により、１対の前記第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち高域側のものに設定される高域側仮駆動周波数と、同じく低域側のものに設定される低域側仮駆動周波数とのそれぞれにより前記超音波送受信部を仮駆動することにより仮測定用超音波を送出し、前記仮測定用超音波の受信波形に現れる残響信号のレベルを検出するとともに、前記低域側仮駆動周波数と前記高域側仮駆動周波数とのうち、前記受信波形に現れる残響信号のレベルの低いものを、前記液面レベルを仮算出するための仮駆動周波数として設定する請求項１０に記載の超音波液面計。
【請求項１２】
前記板厚固有周波数特定手段は、一連の前記板厚固有周波数のうち、前記駆動回避帯域の外側にて各前記隣接板厚固有周波数の直近に位置する１対のものを第二隣接板厚固有周波数として、当該１対の第二隣接板厚固有周波数を包含するスイープ対象帯域を設定するとともに、駆動周波数を前記スイープ対象帯域内にてスイープしつつ前記超音波送受信部を仮駆動して種々の設定周波数の仮測定用超音波を送出し、それぞれ受信波形に現れる残響信号のレベルを検出するとともに、当該スイープ対象帯域内にて前記残響信号が極小化される複数の周波数を前記板厚固有周波数として特定する請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の超音波液面計。
【請求項１３】
前記板厚固有周波数特定手段は、前記板厚固有周波数と前記容器の板厚との関係を記憶する板厚／周波数関係記憶手段を有するとともに、前記容器底部の板厚値に対応する一連の板厚固有周波数の記憶値を読み出し、読み出された板厚固有周波数に個々に対応する複数のスイープ実行帯域を前記スイープ対象帯域内に不連続に設定し、前記駆動周波数をそれらスイープ実行帯域毎に個別にスイープすることにより、前記残響信号が極小化される周波数を前記スイープ実行帯域毎に前記板厚固有周波数として特定する請求項１２記載の超音波液面計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波液面計に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特許３３７８２３１号公報
【特許文献２】特許４０８３０３８号公報
【０００３】
従来、容器底部下面に超音波トランスジューサ（超音波送受信部）を取り付け、容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、該測定用超音波が液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより液面レベルを知ることができるようにした超音波液面計が知られている（特許文献１、２）。超音波トランスジューサを容器に取り付ける方式には、大きく分けて２つある。その第一は、測定用超音波の容器底部に対する透過効率の最適化条件を探りやすくするため、シリコン系シート等の柔軟な弾性材料を介在させることにより、容器底部と超音波トランスジューサとを音響的に分離する方式である。また、その第二は、特許文献１のように、測定用超音波の伝達効率を高めるため、超音波トランスジューサの音響整合層と容器との間に液状グリスやカプラント等の液状物質を介在させ、超音波トランスジューサと容器とを積極的に音響結合する方式である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記超音波液面計においては、超音波発生のためにトランスジューサをパルス状にバースト駆動すると、そのバースト駆動による強制振動と、トランスジューサ／容器境界、あるいは容器／液体境界で生ずる反射超音波振動とが、時間的に重なり合いながら徐々に減衰してゆく。しかし、液面レベルが低い場合には、その減衰が十分に進まない上記強制振動ないし境界反射振動の残響継続期間に、液本来検出すべき液面での反射波が埋もれてしまい、液面検出精度が十分に確保できなくなる問題がある。
【０００５】
周知のごとく、超音波の容器底部透過効率は、超音波の周波数が容器底部の板厚固有周波数と一致している場合に最も良好となり、逆に、互いに隣りあう異次数の板厚固有周波数（隣接板厚固有周波数）の中間に超音波の周波数が位置するときに境界反射の影響が最も大となって、液面検知のＳ／Ｎ比を悪化させることになる。圧電セラミックなどの電気機械変換素子にて構成された超音波トランスジューサの出力はセンサ共振点で駆動されるとき出力が最大となる。そのセンサ共振点が、不幸にして隣接板厚固有周波数の中間に入る形になると、超音波トランスジューサの出力が上がる分だけ残響の影響も大きくなり、Ｓ／Ｎ比の悪化は著しくなるのである。
【０００６】
この場合、超音波トランスジューサの駆動周波数をセンサ共振点からシフトさせ、隣接板厚固有周波数のいずれかに一致させれば、上記残響の影響は一見問題なく解消されるように思われる。しかし、図４に示すように、上記のような測定系において残響レベルは、１対の隣接板厚固有周波数間の中央の周波数（つまり、容器底部の板厚方向の機械的反共振点：以下、板厚反共振点ともいう）で局所的に高くなるのではなく、例えば多重反射波の干渉状態、板厚の不均一や屈曲形状、塗装皮膜の形成状態、容器全体の共振特性などによって、高残響レベルとなりやすい周波数域（以下、残響懸念帯域という）が上記板厚反共振点の周囲に比較的大きく広がっている。そのため、超音波トランスジューサを前述した２つの方式のいずれで取り付けても、次のような事情により、残響によるＳ／Ｎ比低下が懸念されるのである。
【０００７】
まず、第一の方式では、容器底部と超音波トランスジューサとの音響結合に由来した、超音波トランスジューサの共振点のシフトやスプリアスは発生しにくいが、容器底部の板厚が一定以上に増大した場合、板厚固有周波数の隣接間隔が縮小し、超音波トランスジューサの共振点を挟む２つの隣接板厚固有周波数の双方が、上記の残響懸念帯域内に入ってしまう。その結果、センサ駆動点を２つの隣接板厚固有周波数のいずれに一致させても、残響によるＳ／Ｎ比低下が避けがたくなる。
【０００８】
また、第二の方式においては、容器底部の板厚に由来した固有周波数（板厚固有周波数）以外に、容器底部と超音波トランスジューサとの音響結合に由来したスプリアス特性による新たな共振点が出現する。こうしたスプリアスによる副次的な共振点と容器毎にユニークな板厚固有周波数との周波数間隔が詰まり、ここにセンサ共振点が入ると、残響懸念帯域内に上記隣接する板厚固有周波数とスプリアス周波数との双方が入ってしまい、センサ駆動点を板厚固有周波数に一致させても残響によるＳ／Ｎ比低下が避けがたくなる。この問題は、容器底部の板厚が増大すればやはり著しくなる。
【０００９】
また、容器底部近傍の溶接箇所からの副次振動や、容器内部配置物による反射波（あるいはそれに起因した容器底部板厚方向の多重反射波）が不要残響成分となってＳ／Ｎ比を低下させる懸念もある。
【００１０】
本発明の課題は、容器底部の板厚固有振動周波数がセンサ共振点に近接して位置するような測定系においても、液面検出にかかるＳ／Ｎ比の残響による低下を効果的に防止ないし抑制できる超音波液面計を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波液面計は、
液体を収容した容器からなる被測定系において容器底部に取り付けられるとともに、予め定められた周波数にて駆動されることにより該容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、該測定用超音波の液面反射波を受信する電気機械変換素子からなる超音波送受信部と、
超音波送受信部の素子共振周波数を包含する阻止域を有して超音波送受信部の受信回路に設けられ、該超音波送受信部の受信信号から阻止域に対応する周波数成分を減衰させる帯域阻止フィルタと、
該帯域阻止フィルタを通過後の受信信号に基づいて容器内の液面レベルを算出する液面レベル算出手段と、
液面レベル情報を出力する液面レベル情報出力手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の構成によると、超音波送受信部の受信信号に素子共振周波数近傍の残響成分が過剰に含まれている場合も、超音波送受信部の素子共振周波数を包含する阻止域を有した帯域阻止フィルタを超音波送受信部の受信回路に設けることで該残響成分を効果的に減衰でき、液面反射波の信号が該残響成分に埋もれてＳ／Ｎ比が悪化する不具合を効果的に防止することができる。該効果は、容器底部の板厚が大きくなって板厚固有周波数解が素子共振周波数の近傍に密集している場合や、液面レベルが低く残響があまり減衰しないうちに反射波が超音波送受信部に返ってくるような状況下において特に顕著なものとなる。
【００１３】
超音波送受信部は、例えば、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波がバースト矩形波として送出されるように駆動することができ、液面レベル算出手段は、バースト矩形波の送出から反射波が受信されるまでの伝播時間を計測し、計測された該伝播時間に基づいて液面レベルを算出するように構成できる。
【００１４】
また、超音波送受信部の受信信号を、上記帯域阻止フィルタを通過させるフィルタリングモードと、該帯域阻止フィルタを非通過となる非フィルタリングモードとのいずれかに切り替えるモード切り替えスイッチを設けておくことができる。帯域阻止フィルタの阻止域に対応する周波数成分が液面反射波に少なからず含まれている場合には、液面測定上有効となる液面反射波が帯域阻止フィルタの通過により却って減衰してしまい、液面レベルの検出精度を必ずしも改善できない場合がありえる。この場合、上記のようなモード切り替えスイッチを設けておくことにより、受信信号を、帯域阻止フィルタを通過させるか否かを適宜選択することができる。例えば、容器底部の板厚が所定レベルを超える場合や、容器内の液面レベルが所定レベル未満の場合など、液面反射波の信号が特に残響成分に埋もれやすくなる状況において、上記モード切り替えスイッチによりフィルタリングモードに切り替えるようにすると好都合である。
【００１５】
容器底部の板厚が所定レベルを超えるかどうかは、例えば外部からの入力や、あるいは、事前にメモリ登録された底部板厚を、前記所定レベルとして定められた閾値と直接比較することにより判定することができる。また、フィルタリングモードを採用するか否かを判定するための容器内の概略液面レベルは、前回の液面測定結果を記憶しておき、その値から推測したり、後述の仮液面測定により知ることができる。
【００１６】
次に、本発明の超音波液面計には、容器底部の板厚に固有の一連の板厚固有周波数を特定する板厚固有周波数特定手段と、一連の板厚固有周波数のうち、超音波送受信部の素子共振周波数を挟む形でこれに隣接する１対の隣接板厚固有周波数を特定する隣接板厚固有周波数特定手段と、１対の隣接板厚固有周波数を両端とする帯域を駆動回避帯域として定め、容器底部の板厚が所定レベルを超える場合に、該駆動回避帯域外に超音波送受信部の駆動周波数を設定する駆動周波数設定手段と、設定された駆動周波数にて超音波送受信部を駆動する素子駆動手段と、を設けることができる。
【００１７】
容器底部の板厚が大きくなれば、板厚固有周波数の隣接周波数間隔が縮小する結果、素子共振周波数（センサ共振点）を挟む１対の隣接板厚固有周波数の双方が、該素子共振周波数と関連して残響懸念帯域内に入り、液面反射信号が残響に埋もれて液面検知精度の低下につながる。しかし、上記本発明では、容器底部の板厚が大きい場合に、該残響懸念帯域内にすっぽり入る可能性のある、素子共振周波数を挟む隣接板厚固有周波数間の帯域を駆動回避帯域として定め、超音波送受信部の駆動周波数をその駆動回避帯域外に設定するようにしたから、残響レベルを低減でき、ひいては液面反射信号の残響信号に対するＳ／Ｎ比を向上できるので、液面検知精度を高めることができる。
【００１８】
本発明においては、前述の帯域阻止フィルタにより素子共振周波数近傍の残響成分が減衰し、それのみで一定のＳ／Ｎ比改善効果が期待できる。従って、容器内の液面レベルが十分に高く、反射波が超音波送受信部に返ってくるまでに残響がある程度減衰することが期待できる場合、つまり、液面レベルが所定レベルを超える場合は、１対の隣接板厚固有周波数のいずれかに駆動周波数を設定することで、容器底部を経て液面へ向かう超音波の透過率を高めることができ、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与する。一方、容器内の液面レベルが低く、残響があまり減衰しないうちに反射波が超音波送受信部に返ってくることが懸念される場合、つまり、液面への所定レベル未満の場合には、超音波の透過率が多少下がっても、駆動回避帯域外に超音波送受信部の駆動周波数を設定することがＳ／Ｎ比の向上を図る上で有効となる。
【００１９】
なお、前述のモード切り替えスイッチを設ける場合は、液面レベルが所定レベル未満の場合にフィルタリングモードに切り替え、液面レベルが該所定レベルを超える場合に非フィルタリングモードに切り替えるように構成することもできる。つまり、液面レベルが高く、液面反射信号の到来時までに残響信号成分の減衰がある程度期待できる場合には、フィルタリングによる液面反射信号自体の減衰を抑制するため非フィルタリングモードを採用し、液面レベルが低く残響があまり減衰しないうちに反射波が超音波送受信部に返ってくるような場合においてのみフィルタリングモードに切り替えることで、液面反射信号に対するＳ／Ｎ比を液面の高低に応じてより最適化することができる。
【００２０】
本発明は、前述の第一の方式、すなわち、音波送受信部を、音響整合層と鋼板とのいずれよりも柔軟な高分子材料からなり圧電セラミックと容器底部との音響共振結合を抑制する共振結合抑制層（シリコーンシート等）とを介して取り付ける方式にも、また、前述の第二の方式、すなわち、超音波送受信部（トランスジューサ）の音響整合層と容器との間に液状グリスやカプラント等の液状物質を介在させ、超音波送受信部と容器とを積極的に音響結合する方式にも、いずれにも適用可能である。しかし、特に、超音波送受信部の共振点（センサ共振点）を、容器底部との音響結合によりシフトすることができない第一の方式において、容器底部の板厚が大きい場合により顕著に効果が発揮される。
【００２１】
この場合、駆動周波数設定手段は、底部板厚が閾値未満の場合に、駆動回避帯域外に超音波送受信部の駆動周波数を設定するように構成できる。また、上記１対の隣接板厚固有周波数と素子共振周波数との各差分のうち大きい方の値が（該差分の）閾値未満にあるかどうかにより、底部板厚が閾値未満か否かを判定することもできる。この場合は、駆動周波数設定手段は、１対の隣接板厚固有周波数と素子共振周波数との各差分のうち大きい方の値が閾値未満の場合に、駆動回避帯域外に超音波送受信部の駆動周波数を設定するものとなる。
【００２２】
容器底部の板厚が大きくなり、残響懸念帯域の高域側及び低域側の端が対応する隣接板厚固有周波数に及ぶと、前述のごとく、隣接板厚固有周波数のいずれかに位置するように駆動周波数を設定しても、残響による液面検出精度の低下は避けがたくなる。従って、残響の影響を低減するには、駆動周波数を隣接板厚固有周波数よりもなるべく遠ざけて設定することが有効となる。この場合、測定用超音波は、駆動回避帯域の外側にて各隣接板厚固有周波数の直近に位置する１対の第二隣接板厚固有周波数のいずれか近づくと、基本周波数成分の超音波は容器底部の透過条件を充足し、残響レベルを効果的に低減できる。従って、駆動周波数設定手段は、一連の板厚固有周波数のうち、駆動回避帯域の外側にて各隣接板厚固有周波数の直近に位置する１対の第二隣接板厚固有周波数のいずれかに対応する帯域に駆動周波数を設定することが望ましいといえる。なお、「第二隣接板厚固有周波数のいずれかに対応する帯域」とは、各第二隣接板厚固有周波数をそれぞれ中心周波数として、当該中心周波数の±５％の幅をなす帯域のことをいう。
【００２３】
駆動周波数設定手段により、実際に駆動周波数を決定するには、具体的には次のような仮測定を行なう方式を採用できる。まず、素子駆動手段により、１対の第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち高域側のものに設定される高域側仮駆動周波数と、同じく低域側のものに設定される低域側仮駆動周波数とにより超音波送受信部をそれぞれ仮駆動することにより仮測定用超音波を送出し、それら仮測定用超音波の受信波形に現れる液面反射波の受信信号レベルの高いほうの仮駆動周波数を本測定用の駆動周波数として設定する。この方式によれば、各第二隣接板厚固有周波数に対応する仮駆動周波数のうち、液面反射波の受信信号レベルの高いものが本測定用の駆動周波数として採用されるので、液面検出に直接使用する液面反射波の信号レベルを、ノイズレベルに対して引き上げることができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００２４】
他方、液面検出のＳ／Ｎ比を向上するためには、ノイズレベルすなわち、残響レベルの低減を図ることも有効である。この場合は、次のような方式を採用することもできる。すなわち、素子駆動手段により、１対の第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち高域側のものに設定される高域側仮駆動周波数と、同じく低域側のものに設定される低域側仮駆動周波数とのいずれかにて超音波送受信部を仮駆動することにより仮測定用超音波を送出する。その仮測定用超音波の受信波形にも液面反射波が現れるので、液面レベル算出手段により、該受信信号に基づき液面レベルを仮算出する。そして、該仮算出された液面レベルが予め定められた閾液面レベルよりも大であれば低域側仮駆動周波数を本測定用の駆動周波数として設定し、小であれば高域側仮駆動周波数を本測定用の駆動周波数として設定する。すなわち、液面が比較的高い場合には超音波の減衰が少ない低域側仮駆動周波数を本測定用の駆動周波数とし、逆に液面が低い場合には共振周波数による板厚境界での反射残響の影響が多少残っても問題ないよう、超音波の減衰の大きい高域側仮駆動周波数を本測定用の駆動周波数とすることにより、液面検出の精度をより高めることができる。
【００２５】
この場合、駆動周波数設定手段は、素子駆動手段により、１対の第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち高域側のものに設定される高域側仮駆動周波数と、同じく低域側のものに設定される低域側仮駆動周波数とのそれぞれにより超音波送受信部を仮駆動することにより仮測定用超音波を送出し、仮測定用超音波の受信波形に現れる残響信号のレベルを検出するとともに、低域側仮駆動周波数と高域側仮駆動周波数とのうち、受信波形に現れる残響信号のレベルの低いものを、液面レベルを仮算出するための仮駆動周波数として設定するように構成することができる。すなわち、１対の第二隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応した低域側仮駆動周波数と高域側仮駆動周波数とにより、超音波送受信部を交互に仮駆動し、その受信波形に現れる残響信号のレベルの低い方（例えば、素子共振周波数から遠い方の仮駆動周波数）を用いて再度仮駆動を行い、液面レベルを仮算出することで、本測定用の駆動周波数の決定をより妥当に行なうことができる。
【００２６】
また、上記の仮測定時に得られる受信信号から液面レベルを仮算出し、液面レベルの該仮算出値が所定レベル未満の場合に、前述のモード切り替えスイッチによりフィルタリングモードに切り替えるようにするとよい。
【００２７】
なお、駆動周波数設定手段は、容器底部の板厚が所定レベル未満の場合には、隣接板厚固有周波数のそれぞれに対応する帯域のうち素子共振周波数に近い側に位置するものに超音波送受信部の駆動周波数を設定するとよい。つまり、板厚が十分小さければ素子共振周波数を挟む隣接板厚固有周波数の間隔も広まり、隣接板厚固有周波数を残響懸念帯域の外に位置させることができるので、素子共振周波数に近い隣接板厚固有周波数の近傍に駆動周波数を設定することで、液面検出のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、このとき、モード切り替えスイッチによりフィルタリングモードに切り替えるようにするとよい。
【００２８】
また、超音波送受信部に対して変更設定可能な駆動周波数の全帯域を複数の副帯域に分割し、超音波送受信部の受信側回路に、副帯域毎に当該副帯域に対応する通過帯域を有した複数の帯域通過フィルタが組み込んでおくこともできる。この場合、駆動周波数設定手段が設定する駆動周波数に応じて、複数の帯域通過フィルタのうち、設定された駆動周波数が属する通過帯域を有したものを切替選択するフィルタ切替手を設けておく。上記副帯域毎に帯域通過フィルタを設け、設定した駆動周波数に応じて帯域通過フィルタを対応するものに切り替え、受信信号を通過させることにより、不要な残響波や、多重反射干渉ないし倍音振動あるいは部材間の望まざる共振結合等に由来したスプリアスやノイズの影響を効果的に軽減でき、液面検知のＳ／Ｎ比をさらに高めることができる。
【００２９】
板厚固有周波数の特定方法については、容器底部の板厚が比較的正確に知れている場合は、板厚固有周波数と容器の板厚との関係を記憶する板厚／周波数関係記憶手段（例えば、種々の板厚での一連の板厚固有周波数をテーブル化し、メモリに記憶したもの）を設け、与えられた板厚に対応する板厚固有周波数を随時読み出すことで特定するようにしてもよい。他方、駆動周波数をスイープしつつ液面に向け測定用超音波板を入射したとき、受信波形に現れる残響信号が個々の板厚固有周波数にて極小化されることを利用し、板厚固有周波数特定手段を次のように構成することができる。すなわち、一連の板厚固有周波数のうち、駆動回避帯域の外側にて各隣接板厚固有周波数の直近に位置する１対のものを第二隣接板厚固有周波数として、当該１対の第二隣接板厚固有周波数を包含するスイープ対象帯域を設定するとともに、駆動周波数をスイープ対象帯域内にてスイープしつつ超音波送受信部を仮駆動して種々の設定周波数の仮測定用超音波を送出し、それぞれ受信波形に現れる残響信号のレベルを検出するとともに、当該スイープ対象帯域内にて残響信号が極小化される複数の周波数を板厚固有周波数として特定する。これにより、容器底部の板厚が正確に知れていない場合にあっても、周波数スイープしたときの残響信号レベルに基づいて、素子共振周波数近傍の一連の板厚固有周波数を正確に特定することが可能となる。
【００３０】
また、容器底部の板厚の概略値が知れている場合、板厚固有周波数と容器の板厚との関係を記憶する前述の板厚／周波数関係記憶手段を設けておくことで、容器底部の上記概略板厚値に対応する一連の板厚固有周波数の記憶値を読み出すことで、複数の板厚固有周波数の概略位置を決定できる。この場合、板厚固有周波数特定手段は、読み出された板厚固有周波数に個々に対応する複数のスイープ実行帯域をスイープ対象帯域内に不連続に設定し、駆動周波数をそれらスイープ実行帯域毎に個別にスイープすることにより、残響信号が極小化される周波数をスイープ実行帯域毎に板厚固有周波数として特定するように構成すれば、変更設定可能な駆動周波数の全帯域をスイープせずとも一連の板厚固有周波数を正確に決定でき、測定時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明に係る超音波液面計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、容器３０はＬＰＧやＬＮＧ等の液化ガスや灯油等の液体を収容するものであり、超音波液面計１は、収容された液体の液面３１の容器内底面からの高さ（ひいては、液体貯蔵量）を測定するためのものである。超音波液面計１は制御回路１０と超音波送受信部２とを要部とし、超音波送受信部２は容器３０の底部下面に図示しないマグネット等により設置され、ケーブルＣを介して制御回路１０に接続されている。超音波送受信部２は、容器底部を介して液面３１に向け測定用超音波ＰＷを送出し、該測定用超音波の液面反射波ＲＷを受信する。
【００３２】
容器３０は鋼鉄製のタンクであり、図２に示すように、その底面に圧電素子にて構成された超音波送受信部２が、音響整合層３及びシリコーンシートからなる共振結合抑制層４を介して取り付けられている。超音波液面計１は、上記超音波送受信部２により、容器３０内の液面３１の高さを、容器外から測定できるように構成されている。図２には、制御回路１０の電気的構成をブロック図の形で示している。超音波送受信部２は、板厚方向に分極処理された板状の圧電セラミック素子２Ｐと、該圧電セラミック素子２Ｐの各主表面を覆う形で該圧電セラミック素子２Ｐを挟んで対向形成された電極対２ｅ，２ｅとを備える。この電極対２ｅ，２ｅは、測定用超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック素子２Ｐを超音波振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極となり、反射超音波の受信時には圧電セラミック素子２Ｐの振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。
【００３３】
音響整合層３は、圧電セラミック素子（ペロブスカイト型酸化物：例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛など）よりも大きい音響インピーダンス密度を有する材料で構成することが望ましい。音響インピーダンスは材料の密度ρと音速Ｃとの積に音波通過断面積Ｓを乗じた値Ｓ・ρ・Ｃとして定義され、特に密度ρと音速Ｃとの積ρ・Ｃを固有音響インピーダンスないし音響インピーダンス密度と称する。このような音響整合層の構成材料としては、アルミニウムないしその合金（例えばＡｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｌｉ系合金など）、マグネシウムないしその合金（例えば、Ｍｇ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ｚｒ系合金など）、チタンないしその合金、ベリリウム、ステンレス鋼などの金属系材料や、共振結合抑制層よりも硬質の樹脂材料、例えばＡＢＳ樹脂等を採用するのが特に好適である。これらのうち、特に、音響インピーダンス密度の値において音速Ｃの寄与が大きい材料（具体的には、Ｃ／（ρ・Ｃ）１／２の値が１を超える材料）を採用することが望ましい。Ｃ／（ρ・Ｃ）１／２の値は、より望ましくは１．３以上であり、これに該当する材料としてアルミニウム（１．５４）、マグネシウム（１．５８）、ＡＢＳ樹脂（１．４６）、ガラス（１．４６）、ベリリウム（２．６２）を例示できる。
【００３４】
制御回路１０はマイコン１００を有し、超音波送受信部２の電極対２ｅ，２ｅは、切替スイッチ１０４及び反射超音波計測部１０３を介してマイコン１００の入出力部９９に接続されている。マイコン１００は、該入出力部９９と、処理主体となるＣＰＵ９８、その作業エリアとなるＲＡＭ９６及び制御プログラム９７（超音波送受信部２の駆動制御（切替スイッチ１０４によるモード切替処理を含む）及び液面レベルの算出処理制御とを行なう）を格納したＲＯＭ９７とを有する。入出力部９９には、測定された液面レベルを表示出力するモニタ９４と、容器底部の板厚値の入力等に使用するキーボード９５（入力部）が接続されている。なお、ＲＯＭ９７は、前回測定時の液面高さを記憶するための領域が設けられており、少なくともこの領域は、記憶内容が電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ（例えばＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ）で構成されている。
【００３５】
超音波送受信部２には、マイコン１００からの指令により動作する切替スイッチ１０４を介して、駆動回路１０５と受信回路１０３とが接続されている。駆動回路１０５は、マイコン１００からの制御パルス信号を受けてバーストパルス駆動信号を発生し、切替スイッチ１０４を介して超音波送受信部２へ出力する。駆動周波数は、マイコン１００による制御パルス信号の周波数設定値に応じて変更可能である。
【００３６】
受信回路１０３は、受信信号から不要残響波等をフィルタリングするフィルタ１０３ａ、フィルタリング後の受信信号を増幅するアンプ１０３ｂ、受信振動波形を包絡線検波する検波回路１０３ｃ、及び、検波後の受信信号を解析し、残響信号レベルや液面反射信号レベルを特定するとともに、超音波送受信部２へのバースト矩形波の出力タイミングに対応してマイコン１００から出力されるトリガ信号を受けて起動し、液面反射信号を受信するまでの伝播時間を計測する信号処理部１０３ｄを有する。
【００３７】
測定に際しては、マイコン１００からのスイッチ制御信号により、切替スイッチ１０４が超音波送受信部２をバースト矩形波駆動回路１０５に接続し、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波がバースト矩形波として送出されるように駆動される。駆動動作の詳細は、特許文献１，２により周知なので詳細な説明は省略する。測定用超音波の送出後は、マイコン１００からのスイッチ制御信号により、切替スイッチ１０４が超音波送受信部２の接続状態を受信回路１０３側に切り替える。これにより、測定用超音波ＰＷの液面での反射波が超音波送受信部２により受信される。
【００３８】
受信回路１０３は、受信信号から不要残響波等をフィルタリングするフィルタ１０３ａ、フィルタリング後の受信信号を増幅するアンプ１０３ｂ、受信振動波形を包絡線検波する検波回路１０３ｃ、及び、検波後の受信信号を解析し、残響信号レベルや液面反射信号レベルを特定するとともに、超音波送受信部２へのバースト矩形波の出力タイミングに対応してマイコン１００から出力されるトリガ信号を受けて起動し、液面反射信号を受信するまでの往復伝播時間を計測する信号処理部１０３ｄを有する。計測された往復伝播時間をｔｓ、液体中の音速をＣとすれば、液面レベルｈは、
ｈ＝（ｔｓ／２）・Ｃ  ‥  （７）
としてマイコン１００により算出される。
【００３９】
図３は、受信回路１０３の構成例を示す回路図である。  超音波送受信部２に対して変更設定可能な駆動周波数の全帯域が複数、ここでは３つの副帯域に分割され、フィルタ１０３ａは、それら各副帯域に対応する通過帯域を有した複数の帯域通過フィルタＡ，Ｂ，Ｃ（ここでは、各々ＬＣ型パッシブフィルタとして構成されている）を有する。そして、設定される駆動周波数に応じて、それら複数の帯域通過フィルタＡ，Ｂ，Ｃのうち、設定された駆動周波数が属する通過帯域を有したものが、マイコン９８からの指令に基づき、切り換え部をなすスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３及びトランジスタスイッチ（ここでは、フォトＭＯＳＰＭ１〜ＰＭ３）により切替選択されるようになっている。具体的には、フィルタ１０３ａは、板厚約６ｍｍ〜２０ｍｍに対応した駆動周波数帯域が、５５０〜９００ｋＨｚ（フィルタＣ）、８００〜１２００ｋＨｚ（フィルタＢ）、１１００〜１５００ｋＨｚ（フィルタＡ）の３つの副帯域に割り振られ、適宜切り換えて使用される。また、増幅回路１０３ｂは、フィルタ１０３ａを通過した周波数成分に応じた信号を所定の増幅率で増幅する。具体的には、入力信号の増幅率が、超音波送受信部２の駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより、液面３１の位置に応じて増幅率が調整されるように構成されている。該回路の詳細は特許文献２の図４に開示されているものとほぼ同じであるため、共通の回路素子には特許文献２と同一の符号を付与し、詳細な説明は略する。
【００４０】
超音波送受信部２を構成する圧電セラミック素子２Ｐは、駆動電圧が一定の場合、素子共振点に駆動周波数が一致しているとき、超音波送信出力が最大化されるので、超音波伝播経路上に音響インピーダンスの不連続面が存在しなければ、減衰の少ない高エネルギーの測定用超音波を発生させる観点においては、当該素子共振点近傍にて超音波を駆動することが有効である。しかし、本実施形態の超音波液面計においては、図２に示すように、超音波送受信部２がシリコーンシート等の共振結合抑制層４を介して、液体Ｌを収容する容器の外部に取り付けられるため、測定用超音波ＰＷの容器底部Ｗの透過条件を考慮する必要がある。
【００４１】
容器底部の固有周波数（板厚固有周波数）ｆｍは、容器底部を構成する板材（ここでは鋼板である）を最も効率良く超音波が透過する周波数であり、容器底部を透過する縦波音波の波長をλ、容器底部の板厚をｔとすると、
ｔ＝ｍ・λ／２  ‥（１）
あるいは、
λ＝２ｔ／ｍ  ‥（１）’
である。縦波の音速をＣとすると、
ｆｍ＝Ｃ／λ  ‥（２）
なので、（１）’（２）より、
ｆｍ＝ｍ・Ｃ／２ｔ  ‥（３）
ここに、ｍは固有振動の次数を示す整数である。
【００４２】
板厚固有周波数は振動の次数ｍ＝１（基本振動），２（２次振動），‥，Ｎ（Ｎ次振動）にそれぞれ対応して、ｆ１＝１・Ｃ／２ｔ，ｆ２＝２・Ｃ／２ｔ，‥，ｆＮ＝Ｎ・Ｃ／２ｔと周期的に出現する。従って、受信振幅の極大点も、これら板厚固有周波数に対応して周期的に出現する。板厚ｔが変化すれば、各次数の板厚固有周波数も（３）式に従って双曲線状に変化する。これを各次数ｍの値毎にｔ（板厚）−ｆ（周波数）平面上に描画すれば図４のようになる。板厚固有周波数列は、（３）式に容器底部材質に応じた音速Ｃと次数ｍを代入して得られる曲線となる。板厚固有周波数のデータは、（３）式を充足する（ｔ，ｆｍ）の組のマップとして図２のＲＯＭ９７内に記憶されている（（３）式そのものを関数として記憶しておいてもよい）。
【００４３】
他方、圧電セラミック素子２Ｐにて構成された超音波送受信部（トランスジューサ）の出力は、センサ共振点（素子共振周波数）ｆＲで駆動されるとき出力が最大となる。センサ共振点ｆＲは超音波送受信部固有の既知定数であり、図２においてＲＯＭ９７に記憶しておくことができる。図４において、隣接する１対の板厚固有周波のちょうど中央に位置する周波数、つまり、容器底部の板厚反共振点に超音波の駆動周波数が一致するとき、容器底部と液体Ｌとの境界面での超音波反射が著しくなる。具体的には、測定用超音波の駆動周波数が板厚固有周波数と一致するとき超音波の反射率は最小となり、板厚反共振点と一致するときは逆に最大となる。
【００４４】
この境界反射波は超音波送受信部２により残響信号として検出され、該残響信号のレベルが大きいと、検出するべき液面３１（図１）の反射信号を埋没させることになり、液面検知のＳ／Ｎ比が低下する。なお、残響レベルは、板厚反共振点のみで局所的に高くなるのではなく、例えば多重反射波の干渉状態、板厚の不均一や屈曲形状、塗装皮膜の形成状態、容器全体の共振特性などによって、高残響レベルとなりやすい周波数域（以下、残響懸念帯域という）が、図４中に破線で示すように、上記板厚反共振点の周囲に比較的大きく広がっている。
【００４５】
センサ共振点ｆＲを挟んで隣接する１対の板厚固有周波数の組ｆｋ，ｆｋ＋１を隣接板厚固有周波数としたとき、センサ共振点ｆＲが、それら隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１の中央に位置する板厚反共振点に一致すると、当該周波数で超音波トランスジューサの出力と境界面での超音波反射率との双方が最大化されるので、残響により液面反射信号のＳ／Ｎ比が大幅に悪化する。また、センサ共振点ｆＲが板厚反共振点から若干ずれていたとしても、前述の残響懸念帯域内では、センサ共振点ｆＲで超音波送受信部を駆動したときの残響レベルは依然高く、Ｓ／Ｎ比悪化の懸念は大きい。この場合、図４に示すように、センサ出力と超音波反射率との兼ね合いにより、センサ共振点ｆＲと板厚反共振点とのいずれとも異なる位置で残響レベルが最大化されることもあり、注意が必要である。
【００４６】
この問題に対応するために、上記受信回路１０３には、超音波送受信部２の素子共振周波数ｆＲを包含する阻止域を有し、該超音波送受信部２の受信信号から阻止域に対応する周波数成分を減衰させる帯域阻止フィルタ１１０が設けられている。本実施形態では、帯域阻止フィルタ１１０は、増幅回路１０３ｂの出力段に設けられており、具体的には、出力トランジスタＱ３のコレクタ上の入力抵抗Ｒ１５と並列に挿入されたコイルＬ４及びコンデンサＣ１１からなるＬＣ型ノッチフィルタとして構成されている。また、信号出力は出力トランジスタＱ３のエミッタ側から取り出されている。該ノッチフィルタのコイルＬ４及びコンデンサＣ１１の各回路定数は、その直列共振周波数（＝１／｛２π（ＬＣ）１／２｝）が素子共振周波数ｆＲと±２％の範囲で一致するように定められている。超音波送受信部２からの増幅受信信号のコレクタ入力波形は、該ノッチフィルタを通過しつつ出力トランジスタＱ３のベースに分配入力され、検波回路１０３ｃへの出力トランジスタＱ３の出力信号（超音波送受信部２の増幅後の受信信号）から、素子共振周波数ｆＲを中心周波数として、例えば該中心周波数の±５％程度の幅の帯域の信号成分を３〜５ｄＢ程度減衰させる。
【００４７】
また、ノッチフィルタと直列にモード切り替えスイッチＳ１１が挿入されており、マイコン１００からのスイッチ制御信号により開閉駆動される。モード切り替えスイッチＳ１１が閉状態になるとコレクタ入力波形がノッチフィルタを通過してベース入力に分配されフィルタリングモードとなる。また、モード切り替えスイッチＳ１１が開状態になると、ノッチフィルタ及びベース側への入力分配経路がオープンとなり、非フィルタリングモードとなる。液面レベルが低く残響があまり減衰しないうちに反射波が超音波送受信部２に返ってくるような状況下においては、フィルタリングモードを採用することにより、素子共振周波数ｆＲを包含する一定の帯域の残響信号が上記ノッチフィルタにより減衰され、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与する。本実施形態では、前回測定時の液面レベルを記憶しておき、該液面レベルが閾値以下に小さくなっていた場合は残響レベルの更なる低減のため前述のフィルタリングモードとなり、前回測定時の液面レベルが閾値を越えていた場合は非フィルタリングモードとなるよう、図３のモード切替スイッチＳ１１の開閉制御を行なうようにする。
【００４８】
なお、図１７は、帯域阻止フィルタの別実施例を採用した場合の回路図である。この回路構成では、信号出力が出力トランジスタＱ３のコレクタ側から取り出され、その出力経路上に帯域阻止フィルタ１１０が挿入されている。該帯域阻止フィルタ１１０は、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２と接地側に分岐するコンデンサＣ１３とからなるＴ形ローパスフィルタ部と、コンデンサＣ１１，Ｃ１２と接地側に分岐する抵抗Ｒ２３とからなるＴ形ハイパスフィルタ部とを、伝送路上に互いに並列に挿入したものであり、カットオフ周波数をローパスフィルタ部とハイパスフィルタ部とで独立に設定でき、阻止帯域の幅も比較的柔軟に設計できる利点がある。モード切替スイッチＳ１１は該帯域阻止フィルタ１１０と並列なバイパス経路上に設けられており、モード切替スイッチＳ１１が開のときフィルタリングモードとなり、閉のとき非フィルタリングモードとなる。
【００４９】
次に（３）式からも明らかなごとく、板厚ｔが比較的小さい場合（例えば、９ｍｍ以下）は、隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１の周波数間隔が比較的広く、いずれの隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１も残響懸念帯域の外に位置させることができる。従って、測定用超音波の駆動周波数を、隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１のどちらかに一致するように設定すれば残響レベルを低減でき、液面反射信号のＳ／Ｎ比を良好に確保できる。しかし、板厚ｔが大きくなると隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１が互いに接近し、残響懸念帯域内に位置するようになる。図４では、板厚ｔが１３．３ｍｍ、センサ共振点が９７０ｋＨｚの場合を示しており、残響懸念帯域は、１対の隣接板厚固有周波数（ｆｋ＝８８０ｋＨｚ，ｆｋ＋１＝１１１０ｋＨｚ）の各々外側に大きく広がって現れている。この場合、駆動周波数を隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１のどちらかに一致させても、依然、残響懸念帯域内での駆動となるため残響レベルは十分低減されず、液面反射信号のＳ／Ｎ比を確保できなくなる。
【００５０】
そこで、隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１に挟まれた周波数帯域を駆動回避帯域とし、測定用超音波の駆動周波数を、この駆動回避帯域［ｆｋ，ｆｋ＋１］の外、望ましくは、隣接板厚固有周波数ｆｋ，ｆｋ＋１の外にはみ出した残響懸念帯域のさらに外側に設定することで、残響レベルの低減ひいては液面反射信号のＳ／Ｎ比のさらなる向上を図ることができる。この場合、図５に示すように、駆動回避帯域［ｆｋ，ｆｋ＋１］の外で超音波の反射率が再び極小化する第二隣接板厚固有周波数ｆｋ−１（≡ｆＬ）及びｆｋ＋２（≡ｆＵ）のいずれかに測定用超音波の駆動周波数を設定することが、液面反射信号のＳ／Ｎ比向上を図る上でより有効である。
【００５１】
図１０は、図４に示す板厚ｔ＝１３．３ｍｍ、センサ共振点９７０ｋＨｚの場合の波形測定例を示しており、左は、測定用超音波の駆動周波数をｆｋに設定したときの結果（上は横軸（時間）フルスケールが４００μｓでの表示であり、下は同じく２００μｓでの拡大表示である）を示す。残響レベルが大きく、液面反射信号が埋没していることがわかる。一方、図１０の右は、測定用超音波の駆動周波数をｆｋ−１に設定した場合の結果を示し、残響レベルが低減され、液面での第一反射及び第二反射の双方の信号が明確に波形に現れていることがわかる。
【００５２】
以下、制御プログラム（図２）による具体的な液面測定の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。まず、図１１のＳ１において容器底部の板厚ｔを取得する。板厚ｔの値が知れていれば、これを図２のキーボード９５から入力することで取得できる。また、Ｓ２では、センサ共振点ｆＲを取得する。Ｓ３では、取得した板厚ｔに対応する板厚固有周波数解ｆ１（ｔ）、ｆ２（ｔ）、ｆ３（ｔ）、‥を板厚固有周波数テーブルから読み出すとともに、センサ共振点ｆＲを挟む板厚固有周波数解、すなわち、隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ）、ｆｋ＋１（ｔ）を特定する。
【００５３】
Ｓ５では、取得した板厚ｔが閾値ｔ０よりも大きいかどうかを判定する。板厚ｔを閾値ｔ０と直接比較して判定を行なう以外に、板厚ｔが大きくなるほど隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ）、ｆｋ＋１（ｔ）がセンサ共振点ｆＲに接近することを利用し、図１２のＳ５１のごとく、センサ共振点ｆＲと各隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ）、ｆｋ＋１（ｔ）との周波数差；
Δｆａ≡ｆｋ＋１（ｔ）−ｆＲ
Δｆａ≡ｆＲ−ｆｋ（ｔ）
のうち、値の小さいものΔｆｕが閾値Δｆ０よりも小さい場合に、板厚ｔが閾値ｔ０よりも大きいと判定するようにしてもよい。
【００５４】
板厚ｔが閾値ｔ０よりも小さい場合はＳ７に進み、図９に示すように、隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ）、ｆｋ＋１（ｔ）のうち、センサ共振点ｆＲに近いものを駆動周波数として選択する。このとき、フィルタ１０３ａに含まれる複数の帯域通過型フィルタＡ〜Ｃのうち、設定した駆動周波数に対応するものがスイッチ切替により選択される。一方、板厚ｔが閾値ｔ０よりも大きい場合はＳ６に進み、本発明に特有の大板厚時駆動周波数決定処理となる。
【００５５】
次に、Ｓ１１に進み、前回測定時の液面高さｄを読み出すとともに、その値をＳ１２で閾値ｄ０と比較する。ｄ＜ｄ０であればＳ１３に進み、図３のモード切り替えスイッチＳ１１を閉状態として、受信信号を帯域阻止フィルタ１１０でフィルタリングするフィルタリングモードとする。他方、Ｓ１２でｄ＞ｄ０であれば、図３のモード切り替えスイッチＳ１１を開状態とし、非フィルタリングモードとする。
【００５６】
駆動周波数が設定されればＳ８に進み、図６ないし図７に示すように、その受信超音波の波形に基づいて、特許文献２等にて周知の手法により液面レベルが算出される。超音波送受信素子２から送出された測定用超音波が、液面で反射されて超音波送受信部２に戻ってくる最初の受信波形ピークが第一反射エコーであり、その反射波が容器底面でもう一度反射され、さらに液面で反射されて戻ってくる２番目の受信波形ピークが第二反射エコーである。
【００５７】
図１３は、大板厚時駆動周波数決定処理の一例を示すフローチャートである。まず、Ｓ６１では、第二隣接板厚固有周波数ｆｋ−１（ｔ），ｆｋ＋２（ｔ）のうち低域側のものを低域側仮駆動周波数ｆＬとして、高域側のものを高域側仮駆動周波数ｆＵとしてそれぞれ設定する（低域側仮駆動周波数ｆＬと高域側仮駆動周波数ｆＵとは、ｆｋ−１（ｔ），ｆｋ＋２（ｔ）に対し、それぞれ±（ｆＵ−ｆＬ）×２％（ｋＨｚ）の範囲内に収まっていれば、ｆｋ−１（ｔ），ｆｋ＋２（ｔ）に必ずしも一致している必要はない）。Ｓ６２では低域側仮駆動周波数ｆＬにて超音波送受信部を仮駆動し仮測定用超音波を送出するとともに、該仮測定用超音波の受信波形（検波後）に現れる液面反射波の受信信号レベル（信号高さ）ＨＬを算定する。同様に、Ｓ６３では高域側仮駆動周波数ｆＵにて超音波送受信部を仮駆動し、液面反射波の受信信号レベル（信号高さ）ＨＵを算定する。Ｓ６４，６５で両者を比較し、液面反射波の受信信号レベルの高いほうの仮駆動周波数を本測定用の駆動周波数として設定する（Ｓ６６，Ｓ６７）。いずれのステップにおいても、受信時に選択する帯域阻止フィルタを、駆動周波数に対応するものにその都度切り替える。第二隣接板厚固有周波数ｆｋ−１（ｔ），ｆｋ＋２（ｔ）のうちに対応する仮駆動周波数ｆＬ，ｆＵのうち、液面反射波の受信信号レベルの高いものが本測定用の駆動周波数として採用されるので、液面検出に直接使用する液面反射波の信号レベルをノイズレベルに対して引き上げることができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。なお、Ｓ８において算出された液面レベルにより、図３のＲＯＭ９７に記憶されている前回液面レベルの値を更新する。
【００５８】
前回測定時の液面レベルｄが閾値ｄ０よりも低い場合、今回測定時までに容器内への液体補充がなされていない限り、現在の液面レベルｄも閾値ｄ０より低い状態を継続しており、残響が十分減衰しないうちに液面反射信号が受信され、Ｓ／Ｎ比低下の要因となりうる。しかし、図１１の処理の流れではｄ＜ｄ０のときフィルタリングモードとなり、素子共振点ｆＲ近傍の残響成分に減衰がかかるので、当該要因によるＳ／Ｎ比低下も効果的に防止できる。
【００５９】
次に、別の方式について説明する。図１５は、図３の帯域阻止フィルタ１１０を液面レベルとは無関係に常時接続とした場合に採用可能な処理の流れを示すものである（この実施形態ではＳ０で帯域阻止フィルタ１１０を接続し、フィルタリングモードを選択する処理となっているが、モード切替スイッチＳ１１を廃止し、フィルタリングモードがハードウェア的に固定されるようにしてもよい）。Ｓ１〜Ｓ５は図１１と同じ処理流れである。Ｓ５にてｔ＜ｔ０のときは図１１と同様にＳ７に進み、隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ）、ｆｋ＋１（ｔ）のうち、センサ共振点ｆＲに近いものを駆動周波数として選択する。また、Ｓ５にてｔ＞ｔ０のときはＳ１１にて前回液面レベルｄを読み出し、ｄ＜ｄ０のとき、図１１と同様のＳ６に進んで大板厚時駆動周波数決定処理となる。他方、ｄ＞ｄ０のときは、常時フィルタリングモードとなることで素子共振点近傍の残響レベルが予め低減されていることと、液面レベルが高いため液面反射信号を受信するまでに時間がかかり、その間に一定の残響減衰が見込めることにより、この場合もＳ７に進み、隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ）、ｆｋ＋１（ｔ）のうち、センサ共振点ｆＲに近いものを駆動周波数として選択する。
【００６０】
次に、図１４は大板厚時駆動周波数決定処理の変形例を示すフローチャートである。図６は容器内の液面が比較的低い場合の、図７は同じく液面が比較的高い場合の液面反射波の受信波形を示している。液面が低い場合は当然、超音波送受信部を駆動してから液面反射信号（反射エコー）が返ってくるまでの時間ｔ１，ｔ２が、液面が高い場合よりも短くなる。従って、低液面の場合は、残響減衰がそれほど進まないうちに液面反射信号が返ってくることになり、仮駆動時の液面反射信号高さを正確に特定できないこともありえる。一方、別の問題として、液面が高い場合は、液体中の超音波の伝播距離が長くなり、伝播中の超音波減衰により液面反射信号レベルが低くなる問題がある。他方、液体ないし容器底部中を伝播する超音波は、超音波の波長が短くなるほど、つまり、周波数が高くなるほど減衰率が高くなることが知られている。
【００６１】
そこで、図１４では次のように処理を行なう。まず、Ｓ６０１では、低域側仮駆動周波数ｆＬと高域側仮駆動周波数ｆＵとを同様に設定する。そして、Ｓ６０２及びＳ６０３では、低域側仮駆動周波数ｆＬと高域側仮駆動周波数ｆＵとでそれぞれ第一の仮駆動を行い、その受信波形から各残響レベルｒＶＬ及びｒＶＵを特定するとともに、Ｓ６０４では、残響レベルの低いほうの仮駆動周波数を採用して第二の仮駆動を実施し、その受信波形に液面反射信号が検出されるまでの時間ｔ１から仮液面レベルＨｔを算出する。Ｓ６０５では、該仮液面レベルＨｔを閾値Ｈ０と比較する。そして、仮液面レベルＨｔが閾値Ｈ０未満の場合は、容器底部内での残響減衰を優先し、低域側仮駆動周波数ｆＬを本測定用の駆動周波数として設定する。他方、仮液面レベルＨｔが閾値Ｈ０を超える場合は、液体中での超音波の減衰がなるべく小さくなるよう、高域側仮駆動周波数ｆＵを本測定用の駆動周波数として設定する。
【００６２】
なお、図１１及び図１５のフローチャートにおいては、。Ｓ１１及びＳ１２の処理に代え、図１４のＳ６０４で決定された仮液面レベルＨｔが、予め定められた閾レベルＨ０よりも小さいか否かを判定し、Ｈｔ＜Ｈ０のときＳ１３に進んでフィルタリングモードとし、Ｈｔ＞Ｈ０のとき非フィルタリングモードとするようにしてもよい。この方法であれば、今回測定時までに容器内への液体補充がなされている場合であっても、現在の概略液面レベルを確実に知った上で的確にモード切替を実施できる利点がある。
【００６３】
次に、板厚入力値から決定した板厚固有周波数解は、入力値が真の板厚値からずれていたり、あるいは板の屈曲や厚さ不均一の影響を受けたりして、真の板厚固有周波数解との間にずれを生じている可能性もある。そこで、駆動周波数をスイープしつつ液面に向け測定用超音波板を入射したとき、受信波形に現れる残響信号が個々の板厚固有周波数にて極小化されることを利用し、図１６に示すような処理流れにより、必要な板厚固有周波数解をより精密に決定することができる。
【００６４】
まず、Ｓ１０１にて、入力された板厚値ｔに対応する隣接板厚固有周波数ｆｋ（ｔ），ｆｋ＋１（ｔ）及び第二隣接板厚固有周波数ｆｋ−１（ｔ），ｆｋ＋２（ｔ）を読み出し、図８に示すように、それらを仮固有周波数値として、周波数の高い側から順にｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４とする。そして、それら仮固有周波数値毎にスイープ範囲を、例えば個々の仮固有周波数値を中心として１０〜３０ｋＨｚ程度の幅に設定する。ｆ１〜ｆ４に至る広い周波数帯域がスイープ対象帯域であり、個々の仮固有周波数値を中心とする上記各範囲がスイープ実行帯域である。なお、周波数スイープによりｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４のいずれか１つを確定した後、残余のものを板厚固有周波数テーブルを参照して決定してもよい。
【００６５】
そして、最初の仮固有周波数値を選択し、Ｓ１０２で駆動周波数を上記スイープ範囲の末端をなす初期値に設定し、Ｓ１０３で該駆動周波数により超音波送受信素子を駆動して残響レベルを測定する。Ｓ１０５で駆動周波数を１ステップ分（例えば１ｋＨｚ）だけ変更し、Ｓ１０３に戻って残響レベルを測定する処理を繰り返す。Ｓ０１４で、駆動周波数の上記範囲でのスイープが干渉していればＳ１０６に進み、残響レベルが最小となる周波数を最終的な板厚固有周波数値として決定する。Ｓ１０８では次の仮固有周波数値を選択し、Ｓ１０２に戻って以下同様の処理を繰り返す。そして、Ｓ１０７にて、全ての板厚固有周波数値が決定されれば処理を終了する。
【００６６】
なお、板厚値が全く不明な場合は、センサ共振点近傍の４つの板厚固有周波数値を包含しうる適当な周波数範囲（例えば、スイープが可能な全周波数範囲でもよい）にて、第一の周波数幅（例えば１０〜３０ｋＨｚ）にて第一の周波数スイープを行ない、残響レベルが極小となる周波数点を仮固有周波数値として決定し、個々の仮固有周波数値毎に図１５と同様の方法により最終的な板厚固有周波数値決定するようにしてもよい。このとき、板厚固有周波数値の配列間隔と、音速値とから板厚値を逆算することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の超音波液面計の取り付け形態を例示する模式図。
【図２】図１の超音波液面計の電気的構成を示すブロック図。
【図３】信号処理回路の具体的構成例を示す詳細回路図。
【図４】板厚固有周波数解と板厚値との関係を示すダイアグラム。
【図５】第二隣接板厚固有周波数の概念を説明する図。
【図６】低液面レベル時の測定波形の一例を示す図。
【図７】高液面レベル時の測定波形の一例を示す図。
【図８】板厚固有周波数を精密に決定するための周波数スイープの概念図。
【図９】容器底部の板厚が比較的小さい場合の駆動周波数設定例を示す図。
【図１０】本発明の作用説明図。
【図１１】本発明の超音波液面計の主制御処理に係る第一例の流れを示すフローチャート。
【図１２】図１１の一部を置き換える変形例ステップの内容を示す図。
【図１３】図１１の大板厚時駆動周波数決定処理の第一例を示すフローチャート。
【図１４】同じく第二例を示すフローチャート。
【図１５】主制御処理に係る第二例の流れを示すフローチャート。
【図１６】板厚固有周波数解を精密決定する処理の流れを示すフローチャート。
【図１７】図３の信号処理回路の帯域阻止フィルタを別構成のものに置き換えた例を示す詳細回路図。
【符号の説明】
【００６８】
１  超音波液面計
２  超音波送受信部
９４  モニタ（液面レベル情報出力手段）
９５  キーボード（板厚固有周波数特定手段）
９７  ＲＯＭ（板厚／周波数関係記憶手段）
１００  マイコン（板厚固有周波数特定手段、隣接板厚固有周波数特定手段、駆動周波数設定手段、液面レベル算出手段）
１１０  帯域阻止フィルタ
Ｓ１１  モード切替スイッチ
１０３  モニタ（液面レベル情報出力手段）
１０５  駆動回路（素子駆動手段）
２００  容器
Ｌ  液体
ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３  フォトＭＯＳ（フィルタ切替手段）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  スイッチ（フィルタ切替手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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