(57)【要約】【課題】周囲温度が均一でない場合でも正確なレベル測定を可能としつつ、容易に且つ低コストで設置すること。【解決手段】超音波２を発信すると共に反射波３を受信する超音波送受波手段４を備え、超音波を発信してから反射波を受信するまでの時間を測定することにより、反射面Ｆ１までの距離Ｘを検出するセンサであって、超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物Ｋ１の表面温度を測定するため、回動可能に形成された温度計５と、超音波を発信してから反射波を受信するまでの超音波の伝搬時間実測値と、構造物の表面温度から算出した超音波の伝搬速度とを用いて、反射面までの距離を検出する制御部６と、を備える超音波式距離センサ１を提供する。【選択図】図１
2010091455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発信すると共に反射波を受信する超音波送受波手段を備え、前記超音波を発信してから前記反射波を受信するまでの時間を測定することにより、反射面までの距離を検出する超音波式距離センサであって、
前記超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物の表面温度を測定するため、回動可能に形成された温度計と、
前記超音波を発信してから前記反射波を受信するまでの前記超音波の伝搬時間実測値と、前記構造物の表面温度から算出した前記超音波の伝搬速度とを用いて、前記反射面までの距離を検出する制御部と、
を備えていることを特徴とする超音波式距離センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波式距離センサであって、
前記制御部は、
前記温度計が測定した前記構造物の表面温度における前記超音波の伝搬速度を算出する伝搬速度算出部と、
前記超音波式距離センサと、前記温度計による前記構造物の表面温度の測定位置との間の、前記超音波の伝搬方向に沿った距離である測定位置距離を、前記温度計の回動量に基づいて算出する測定位置距離算出部と、
隣接する前記測定位置の区間の前記超音波の伝搬方向に沿った距離と、前記超音波の伝搬速度とを用いて、前記区間における前記超音波の伝搬時間計算値を算出すると共に、前記伝搬時間計算値の積算値を算出する伝搬時間計算値算出部と、
前記伝搬時間計算値の積算値が前記伝搬時間実測値の半分を超えた場合に、前記測定位置が前記反射面を超えたと判断する反射面判断部と、
を備え、
前記制御部は、前記反射面を超えたと判断された前記測定位置である第１測定位置を用いて、前記反射面までの距離を検出することを特徴とする超音波式距離センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波式距離センサであって、
前記制御部は、
前記測定位置が前記反射面を超えたと判断したときに、
前記第１測定位置までの前記伝搬時間計算値の積算値から前記伝搬時間実測値の半分を減じた第１時間差と、前記第１測定位置に直近の前記測定位置である第２測定位置までの前記伝搬時間計算値の積算値を前記伝搬時間実測値の半分から減じた第２時間差との比率が、
前記第１測定位置と前記反射面との距離である第１距離と、前記反射面と前記第２測定位置との距離である第２距離との比率と一致するように、前記反射面までの距離を検出することを特徴とする超音波式距離センサ。
【請求項４】
超音波を発信すると共に反射波を受信する超音波送受波手段を備える超音波式距離センサを用いて反射面までの距離を検出する超音波式距離測定方法であって、
前記超音波式距離センサは、前記超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物の表面温度を測定するため、回動可能に形成された温度計を備え、
前記超音波を発信してから前記反射波を受信するまでの前記超音波の伝搬時間実測値を前記超音波送受波手段によって測定する伝搬時間測定工程と、
前記温度計を回動させると共に前記温度計によって前記構造物の表面温度を測定する温測工程と、
前記温度計が測定した前記構造物の表面温度における前記超音波の伝搬速度を算出する伝搬速度算出工程と、
前記超音波式距離センサと、前記温度計による前記構造物の表面温度の測定位置との間の、前記超音波の伝搬方向に沿った距離である測定位置距離を、前記温度計の回動量に基づいて算出する測定位置距離算出工程と、
隣接する前記測定位置の区間の前記超音波の伝搬方向に沿った距離と、前記超音波の伝搬速度とを用いて、前記区間における前記超音波の伝搬時間計算値を算出すると共に、前記伝搬時間計算値の積算値を算出する伝搬時間計算値算出工程と、
前記伝搬時間計算値の積算値が前記伝搬時間実測値の半分を超えた場合に、前記測定位置が前記反射面を超えたと判断すると共に、前記反射面を超えたと判断された前記測定位置である第１測定位置を用いて、前記反射面までの距離を検出する距離検出工程と、
を有することを特徴とする超音波式距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波式距離センサ及び超音波式距離測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、上水、下水、河川及び貯水池等の水位測定や、薬品タンク及びスラリー攪拌槽等のレベル測定等に、超音波式距離センサが用いられている。
この種の超音波式距離センサとして、例えば下記特許文献１に示すように、被測定面に対して超音波パルスを発射するとともに、被測定面で反射された超音波パルスを受信する超音波送受波手段と、超音波送受波手段と被測定面との間の周囲温度を複数箇所で測定して、複数の温度データを出力する温度測定手段と、温度測定手段からの複数の温度データに基づいて、周囲温度の分布を解析する温度分布解析手段と、超音波送受波手段による超音波パルスの発射から受信までの時間を計測し、当該時間に基づいて超音波パルスの伝搬速度を求める伝搬速度演算手段と、温度分布解析手段により得られた周囲温度の分布に基づいて、伝搬速度演算手段により得られた伝搬速度を補正する温度補正手段と、温度補正手段から出力される補正後の伝搬速度データに基づいて、被測定面のレベルを測定して、レベル計測信号として出力するレベル測定手段と、を備える構成が知られている。この構成では、温度測定手段として、被測定面に対して、垂直の方向に、所定の間隔をおいて配設されている複数の温度計が採用されている。
そして、この超音波式距離センサによれば、超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一でない条件においても、周囲温度の影響を受ける超音波の伝搬速度を正しく補正し、より正確なレベル計測（レベル測定）が可能とされている。
【特許文献１】特開２００４−２５１８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の超音波式距離センサでは、複数の温度計を例えば壁面等に設置する必要があるため、設置に手間及び費用がかかるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、周囲温度が均一でない場合でも正確なレベル測定を可能としつつ、容易に且つ低コストで設置することができる超音波式距離センサ、並びにこの超音波式距離センサを用いた超音波式距離測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る超音波式距離センサは、超音波を発信すると共に反射波を受信する超音波送受波手段を備え、前記超音波を発信してから前記反射波を受信するまでの時間を測定することにより、反射面までの距離を検出する超音波式距離センサであって、前記超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物の表面温度を測定するため、回動可能に形成された温度計と、前記超音波を発信してから前記反射波を受信するまでの前記超音波の伝搬時間実測値と、前記構造物の表面温度から算出した前記超音波の伝搬速度とを用いて、前記反射面までの距離を検出する制御部と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００６】
本発明に係る超音波式距離センサにおいては、回動可能に形成された温度計を備えているので、超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物の表面温度を測定することが可能である。この表面温度から超音波の伝搬速度を算出することで、周囲温度が均一でない場合でも正確なレベル測定を行うことができる。また、前記従来技術のように複数の温度計を構造物の表面等に設置するといった必要がないので、従来の超音波式距離センサに比べて容易に且つ低コストで設置することができる。
なお、超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物とは、前記伝搬方向に対して平行に延在するものに限られず、例えば前記伝搬方向に交差するように傾斜して延在するもの及び湾曲しながら延在するもの等も含む。
【０００７】
また、本発明に係る超音波式距離センサでは、前記制御部は、前記温度計が測定した前記構造物の表面温度における前記超音波の伝搬速度を算出する伝搬速度算出部と、前記超音波式距離センサと、前記温度計による前記構造物の表面温度の測定位置との間の、前記超音波の伝搬方向に沿った距離である測定位置距離を、前記温度計の回動量に基づいて算出する測定位置距離算出部と、隣接する前記測定位置の区間の前記超音波の伝搬方向に沿った距離と、前記超音波の伝搬速度とを用いて、前記区間における前記超音波の伝搬時間計算値を算出すると共に、前記伝搬時間計算値の積算値を算出する伝搬時間計算値算出部と、前記伝搬時間計算値の積算値が前記伝搬時間実測値の半分を超えた場合に、前記測定位置が前記反射面を超えたと判断する反射面判断部と、を備え、前記制御部は、前記反射面を超えたと判断された前記測定位置である第１測定位置を用いて、前記反射面までの距離を検出しても良い。
【０００８】
この場合、測定位置が反射面を超えたか否かを判断する際に、伝搬時間実測値と伝搬時間計算値の積算値とを比較する。ここで、伝搬時間計算値は、温度計が測定した構造物の表面温度における超音波の伝搬速度を用いて算出している。つまり、伝搬時間計算値の積算値は、超音波式距離センサと反射面との間における複数の測定位置での表面温度に基づいて算出している。従って、周囲温度が均一でない場合でも正確なレベル測定を行うことができる。
【０００９】
また、本発明に係る超音波式距離センサでは、前記制御部は、前記測定位置が前記反射面を超えたと判断したときに、前記第１測定位置までの前記伝搬時間計算値の積算値から前記伝搬時間実測値の半分を減じた第１時間差と、前記第１測定位置に直近の前記測定位置である第２測定位置までの前記伝搬時間計算値の積算値を前記伝搬時間実測値の半分から減じた第２時間差との比率が、前記第１測定位置と前記反射面との距離である第１距離と、前記反射面と前記第２測定位置との距離である第２距離との比率と一致するように、前記反射面までの距離を検出してもよい。
【００１０】
この場合、第１時間差と第２時間差との比率が第１距離と第２距離との比率と一致するように反射面までの距離を算出するので、反射面までの距離の検出精度を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明に係る超音波式距離測定方法は、超音波を発信すると共に反射波を受信する超音波送受波手段を備える超音波式距離センサを用いて反射面までの距離を検出する超音波式距離測定方法であって、前記超音波式距離センサは、前記超音波の伝搬方向に沿って延在する構造物の表面温度を測定するため、回動可能に形成された温度計を備え、前記超音波を発信してから前記反射波を受信するまでの前記超音波の伝搬時間実測値を前記超音波送受波手段によって測定する伝搬時間測定工程と、前記温度計を回動させると共に前記温度計によって前記構造物の表面温度を測定する温測工程と、前記温度計が測定した前記構造物の表面温度における前記超音波の伝搬速度を算出する伝搬速度算出工程と、前記超音波式距離センサと、前記温度計による前記構造物の表面温度の測定位置との間の、前記超音波の伝搬方向に沿った距離である測定位置距離を、前記温度計の回動量に基づいて算出する測定位置距離算出工程と、隣接する前記測定位置の区間の前記超音波の伝搬方向に沿った距離と、前記超音波の伝搬速度とを用いて、前記区間における前記超音波の伝搬時間計算値を算出すると共に、前記伝搬時間計算値の積算値を算出する伝搬時間計算値算出工程と、前記伝搬時間計算値の積算値が前記伝搬時間実測値の半分を超えた場合に、前記測定位置が前記反射面を超えたと判断すると共に、前記反射面を超えたと判断された前記測定位置である第１測定位置を用いて、前記反射面までの距離を検出する距離検出工程と、を有することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る超音波式距離測定方法によれば、測定位置が反射面を超えたか否かを判断する際に、伝搬時間実測値と伝搬時間計算値の積算値とを比較する。ここで、伝搬時間計算値は、温度計が測定した構造物の表面温度における超音波の伝搬速度を用いて算出している。つまり、伝搬時間計算値の積算値は、超音波式距離センサと反射面との間における複数の測定位置での表面温度に基づいて算出している。従って、周囲温度が均一でない場合でもより正確なレベル測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る超音波式距離センサによれば、周囲温度が均一でない場合でも正確なレベル測定を可能としつつ、容易に且つ低コストで設置することができる。
また、本発明に係る超音波式距離測定方法によれば、周囲温度が均一でない場合でも正確なレベル測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る超音波式距離センサを、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波式距離センサの模式的な全体図である。図２は、図１に示す超音波式距離センサが備える制御部の制御ブロック図である。図３は、図１に示す超音波式距離センサを用いた超音波式距離測定方法を説明するための図である。
【００１５】
超音波式距離センサ１は、図１に示すように、超音波２を発信すると共に反射波３を受信する超音波送受波手段４を備え、超音波２を発信してから反射波３を受信するまでの時間を測定することにより、反射面までの距離を検出するものである。
本実施形態では、超音波式距離センサ１は、薬品やスラリー等の液体Ｆが貯留されたタンクＫの上面に設けられており、超音波２の反射面である液体Ｆの液面Ｆ１までの距離Ｘを測定することで、タンクＫ内に貯留されている液体ＦのタンクＫ底面からの液面高さＺを測定（レベル測定）する場合を例にして説明する。
【００１６】
タンクＫは、下側部分に設けられた図示しない流路を通して外部と連通されており、タンクＫ内に貯留されている液体Ｆは、前記流路を通してタンクＫから流出若しくはタンクＫ内に流入される。そして、この流出若しくは流入に伴い、液体Ｆの液面高さＺが上下に推移する。なお以下では、液体Ｆの液面Ｆ１は、液面高さＺに関わらず水平面と一致しているものとする。また、本実施形態では、タンクＫの内周面Ｋ１は、液面Ｆ１と直交する方向である鉛直方向に平行に延在している場合を例として説明する。また、前記内周面Ｋ１は、放射率が高いコンクリート等で構成されていることが好ましいが、放射率が低い金属等でタンクＫが構成されている場合には、タンクＫの内側から黒色テープや黒色スプレー等で加工して放射率を高めた前記内周面Ｋ１とすることが望ましい。
【００１７】
超音波式距離センサ１は、図１及び図２に示すように、前記超音波送受波手段４と、超音波２の伝搬方向に沿って延在するタンクＫの内周面（構造物）Ｋ１の表面温度を測定するため、回動可能に形成された放射温度計（温度計）５と、超音波２を発信してから反射波３を受信するまでの超音波２の伝搬時間実測値Ｔｒと、前記内周面Ｋ１の表面温度から算出した超音波２の伝搬速度とを用いて、液面Ｆ１までの距離Ｘを検出する制御部６と、を備えている。更に、本実施形態では、超音波式距離センサ１は、放射温度計５を回動させるモータ７と、タンクＫの上面に固定されると共に下方に開口された箱状に形成され、前述した各構成要素が内部に固定されたハウジング８と、を備えている。
【００１８】
超音波送受波手段４は、前記制御部６が内部に収容された本体部９と、液面Ｆ１に向けて超音波２を発信するトランスミッタ１０と、液面Ｆ１に反射された反射波３を受信するレシーバ１１と、を備えている。図示の例では、本体部９は、図示しない固定手段でハウジング８内に固定され、トランスミッタ１０及びレシーバ１１は、本体部９の下面側から下側に向けて突設されている。図示の例では、トランスミッタ１０の下面及びレシーバ１１の下面は、いずれも水平面と平行な平坦面とされると共に鉛直方向の位置が一致している。本実施形態の超音波式距離センサ１は、トランスミッタ１０の下面及びレシーバ１１の下面を含み水平面と平行な仮想基準面Ｖから液面Ｆ１までの距離Ｘを計測する。
【００１９】
トランスミッタ１０は、液面Ｆ１で反射した反射波３をレシーバ１１が受信できるように超音波２を発信する。図示の例では、トランスミッタ１０及びレシーバ１１は、水平方向に隙間をあけて設けられており、トランスミッタ１０は、鉛直方向に対してレシーバ１１側に傾けて鉛直方向下側に向けて超音波２を発信する。
モータ７は、モータシャフト１２の回転軸１２ａが仮想基準面Ｖ上にあるように、図示しない固定手段でハウジング８内に固定されて配設されると共に、配線７ａを介して制御部６と電気的に接続されている。また、本実施形態では、モータ７は、予め設定されているモータシャフト１２の回転原点からモータシャフト１２が回動した回動量を検出するエンコーダ１３（図２参照）を備えている。
【００２０】
放射温度計５は、図１に示すように、棒状に形成され、放射温度計５の一端部の端面には、タンクＫの内周面Ｋ１の表面温度を測定可能な温度測定部５ａが設けられている。温度測定部５ａは、前記内周面Ｋ１においてこの温度測定部５ａと対向する位置の表面温度を、前記位置における内周面Ｋ１から放出される赤外線エネルギーを測定することで測定可能となっている。また、放射温度計５は、温度測定部５ａがタンクＫの内周面Ｋ１を向いた状態で、他端部がモータシャフト１２に固定されている。本実施形態では、放射温度計５は、モータシャフト１２が回転原点にあるとき、仮想基準面Ｖと前記内周面Ｋ１とが交差する位置である初期測定位置Ｐ０における表面温度を測定可能な初期位置５Ａにあるように予め設定されている。また、放射温度計５は、配線７ａを介して制御部６と電気的に接続されており、制御部６によって動作が制御されている。
【００２１】
以上に示した放射温度計５によれば、仮想基準面Ｖ上に回転軸１２ａがあるモータシャフト１２に他端部が固定されているので、図３に示すように、タンクＫの内周面Ｋ１において初期測定位置Ｐ０から下側に向けて間隔をあけた複数の位置で、上側から下側に順次に表面温度を測定することができる。なお以下では、前記内周面Ｋ１において表面温度を測定した位置のうち、初期測定位置Ｐ０から下側に向かってｎ番目に測定した位置を測定位置Ｐｎ（但し、ｎは０以上の整数とし、ｎ＝０のときは初期測定位置Ｐ０を意味する）とする。また図３では、ｎ≧６の場合を図示している。
【００２２】
ここで、前述したモータ７のエンコーダ１３は、回転原点からのモータシャフト１２の回動量である総回動角度θｎを制御部６に送出する。この総回動角度θｎは、放射温度計５によって表面温度を測定可能な前記内周面Ｋ１の位置が初期測定位置Ｐ０から前記内周面Ｋ１の下側に離れるように、モータシャフト１２が回動する方向を正方向としている。つまり、総回動角度θｎは、モータシャフト１２の回動量を示すと共に、放射温度計５の初期位置５Ａからの回動量も示している。
【００２３】
なお、総回動角度θｎの添字ｎは、総回動角度θｎが測定位置Ｐｎにおけるものであることを意味しており、以下で添字ｎが添えられている算出値及び積算値は、同様に測定位置Ｐｎにおけるものであることを意味するものとする。また、積算値について、例えば測定位置Ｐ１から測定位置Ｐｎにおける所定の値Ｑｎの積算値を表現する場合、Σ［１、ｎ］Ｑｉと表現する。
【００２４】
制御部６は、図２及び図３に示すように、放射温度計５が測定した前記内周面Ｋ１の表面温度における超音波２の伝搬速度を算出する伝搬速度算出部２０と、放射温度計５による前記内周面Ｋ１の表面温度ｔｎの測定位置Ｐｎと仮想基準面Ｖとの鉛直方向に沿った距離である測定位置距離Ｘｎを算出する測定位置距離算出部２１と、隣接する測定位置Ｐｎ、Ｐｎ−１の区間における超音波２の伝搬時間計算値Ｔｎを算出すると共に伝搬時間計算値の積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉを算出する伝搬時間計算値算出部２２と、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが伝搬時間実測値の半分の値である半分値Ｔｒ／２を超えた場合に測定位置Ｐｎが液面Ｆ１を超えたと判断する反射面判断部２３と、を備えている。更に本実施形態では、制御部６は、トランスミッタ１０に超音波２を発信させる超音波発信制御部２４と、超音波２の発信から受信までの伝搬時間実測値Ｔｒを計測する伝搬時間測定部２５と、モータ駆動部２６と、記録部２７と、前述した各構成を制御すると共に液体Ｆの液面高さＺを測定する演算部２８と、を備えている。
なお、本実施形態において、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えるとは、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２と等しい場合を含むものとする。
【００２５】
超音波発信制御部２４は、演算部２８からの制御信号に基づいてトランスミッタ１０に超音波２を発信させる前記発信信号を生成してトランスミッタ１０に送出する。また、超音波発信制御部２４は、発信信号の送出と同時に伝搬時間測定部２５に同期信号を送出する。
伝搬時間測定部２５は、レシーバ１１が反射波３を受信した際に発信する受信信号と、前記同期信号とを用いて、伝搬時間実測値Ｔｒを算出する。また、伝搬時間測定部２５は、測定した伝搬時間実測値Ｔｒを演算部２８に送出する。
【００２６】
モータ駆動部２６は、演算部２８からの制御信号に基づいてモータ駆動信号を生成してモータ７に送出することでモータシャフト１２の回動を制御する。
測定位置距離算出部２１は、エンコーダ１３から総回動角度θｎを取得すると共に、この総回動角度θｎと、予め記録されたモータシャフト１２の回転軸１２ａから前記内周面Ｋ１までの距離ａと、を用いて測定位置距離Ｘｎを算出する。また、測定位置距離算出部２１には、測定位置Ｐｎの直近の測定位置Ｐｎ−１における測定位置距離Ｘｎ−１の値が予め直近測定位置距離ＸＡとして記録されている。そして、測定位置距離算出部２１は、算出した測定位置距離Ｘｎ及び直近測定位置距離ＸＡを伝搬時間計算値算出部２２に送出する。
【００２７】
伝搬速度算出部２０は、放射温度計５から送出される表面温度ｔｎを用いて測定位置Ｐｎにおける超音波２の伝搬速度Ｃｔｎを算出する。
伝搬時間計算値算出部２２は、測定位置距離算出部２１から送出される測定位置距離Ｘｎ及び直近測定位置距離ＸＡと、伝搬速度算出部２０から送出される伝搬速度Ｃｔｎとを用いて伝搬時間計算値Ｔｎを算出する。また、伝搬時間計算値算出部２２には、測定位置Ｐｎの直近の測定位置Ｐｎ−１までの前記積算値Σ［１、ｎ−１］Ｔｉが予め直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉとして記録されている。そして、伝搬時間計算値算出部２２は、伝搬時間計算値Ｔｎと直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉとを用いて前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉを算出し、算出した前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉを反射面判断部２３に送出する。
【００２８】
反射面判断部２３は、まず前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えているか判断し、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えていないと判断した場合には、演算部２８に未検出信号を送出する。一方、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えていると判断した場合には、更に前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２より大きいか判定する。そして、反射面判断部２３は、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２より大きい場合、演算部２８に不一致検出信号を送出し、前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２より大きくない場合、つまり前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２と一致する場合、演算部２８に一致検出信号を送出する。
【００２９】
演算部２８は、予め設定された検出期間毎にタンクＫ内の液体Ｆの液面高さＺを検出するように、超音波発信制御部２４、モータ駆動部２６及び放射温度計５に制御信号を送出して各構成要素を制御する。また、演算部２８には、伝搬時間測定部２５から伝搬時間実測値Ｔｒが送出され、演算部２８は、この伝搬時間実測値Ｔｒから前記半分値Ｔｒ／２を算出して反射面判断部２３に送出する。
【００３０】
また、演算部２８は、反射面判断部２３から一致検出信号及び不一致検出信号が送出されたときに、測定位置距離算出部２１から測定位置距離Ｘｎ及び直近測定位置距離ＸＡを取得すると共に、伝搬時間計算値算出部２２から前記積算値Σ［１、ｎ］Ｔｉ及び直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉを取得し、これらを用いて液面Ｆ１までの距離Ｘを検出する。なお、具体的な距離Ｘの検出方法については後述する。また、演算部２８は、検出した液面Ｆ１までの距離Ｘと、予め記録されている仮想基準面ＶからタンクＫの底面までの距離Ｙと、を用いて液体Ｆの液面高さＺを測定する。そして、演算部２８は、液体Ｆの液面高さＺを記録部２７に記録したり、演算部２８に電気的に接続されたモニタ等で構成される表示部２９に表示させたりする等の処理を適宜行う。
【００３１】
次に、以上に示した超音波式距離センサ１を用いてタンクＫ内の液体Ｆの液面Ｆ１までの距離Ｘを検出する超音波式距離測定方法の一例について説明する。以下の例では、超音波式距離センサ１が、予め設定された検出期間毎に自動的に前記距離Ｘを検出する場合について説明する。
図４は、図１に示す超音波式距離センサを用いた超音波式距離測定方法の一例を示すフローチャートの前半部分である。図５は、図４に示すフローチャートの後半部分である。
【００３２】
始めに、演算部２８が以下に示すように初期設定を行う（初期設定工程；Ｓ１０）。まず、演算部２８は、モータ駆動部２６に制御信号を送出し、モータシャフト１２を回転原点まで回動させて放射温度計５を初期位置５Ａまで回動させる（Ｓ１１）。また、演算部２８は、測定位置距離算出部２１に記録されている直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉ、及び伝搬時間計算値算出部２２に記録されている直近測定位置距離ＸＡをそれぞれ０に初期化設定する（Ｓ１２）。
【００３３】
次いで、超音波２を発信してから反射波３を受信するまでの超音波２の伝搬時間実測値Ｔｒを超音波送受波手段４によって測定する（伝搬時間測定工程；Ｓ２０）。この際、演算部２８は、超音波発信制御部２４に制御信号を送出して超音波発信制御部２４、伝搬時間測定部２５、及び超音波送受波手段４に伝搬時間実測値Ｔｒを測定させ（Ｓ２１）、この伝搬時間実測値Ｔｒを演算部２８に送出させる。また、伝搬時間実測値Ｔｒを取得した演算部２８は、前記半分値Ｔｒ／２を算出し（Ｓ２２）て反射面判断部２３に送出する。
【００３４】
次いで、放射温度計５を回動させると共に放射温度計５によって前記内周面Ｋ１の表面温度を測定する（温測工程；Ｓ３０）。
詳しく説明すると、まず、演算部２８は、モータ駆動部２６に制御信号を送出し、モータシャフト１２を回動させることで放射温度計５を回動させる（Ｓ３１）。この際、演算部２８は、予め設定された所定の単位回動量だけモータシャフト１２を回動させ、前記内周面Ｋ１において放射温度計５により表面温度を測定可能な位置を下側に移動させる。
【００３５】
次に、演算部２８が放射温度計５に制御信号を送出し、放射温度計５により前記内周面Ｋ１の表面温度を測定する（Ｓ３２）。この際、前記内周面Ｋ１において放射温度計５により表面温度を測定可能な位置が、初期測定位置Ｐ０から下側に移動しており、つまり放射温度計５は、初期測定位置Ｐ０から下側に向かって１番目の測定位置Ｐ１における表面温度ｔ１を測定する。その後、放射温度計５は、測定した表面温度ｔ１を伝搬速度算出部２０に送出する。
【００３６】
次いで、放射温度計５が測定した前記内周面Ｋの表面温度における超音波２の伝搬速度を算出する（伝搬速度算出工程；Ｓ５０）。この際、伝搬速度算出部２０は、放射温度計５から送出された表面温度ｔ１を用いて、表面温度ｔ１（℃）における伝搬速度Ｃｔ１（ｍ／ｓ）を、
Ｃｔ１＝３３１．５＋０．６０７ｔ１
として算出する。
【００３７】
次いで、放射温度計５が表面温度ｔ１を測定した測定位置Ｐ１における測定位置距離Ｘ１を算出する（測定位置距離算出工程；Ｓ６０）。この際、測定位置距離算出部２１は、エンコーダ１３から温測工程後のモータシャフト１２の総回動角度θ１を取得し（Ｓ６１）、この総回動角度θ１と回転軸１２ａから前記内周面Ｋ１までの距離ａとを用いて測定位置距離Ｘ１を、Ｘ１＝ａ・ｔａｎθ１として算出する（Ｓ６２）。その後、測定位置距離算出部２１は、測定位置距離Ｘ１と直近測定位置距離ＸＡを伝搬時間計算値算出部２２に送出する。
【００３８】
次いで、隣接する測定位置Ｐ１、Ｐ０の区間の鉛直方向に沿った距離ΔＸ１と伝搬速度Ｃｔ１とを用いて前記区間における超音波２の伝搬時間計算値Ｔ１を算出すると共に、前記積算値Σ［１、１］Ｔｉを算出する（伝搬時間計算値算出工程；Ｓ７０）。この際、まず、伝搬時間計算値算出部２２は、測定位置距離算出部２１から受信した測定位置距離Ｘ１と直近測定位置距離ＸＡとを用いて、前記区間の距離ΔＸ１として、ΔＸ１＝Ｘ１−ＸＡを算出する（Ｓ７１）。次いで、伝搬時間計算値算出部２２は、前記区間における超音波２の伝搬時間計算値Ｔ１として、Ｔ１＝ΔＸ１／Ｃｔ１を算出する（Ｓ７２）。次いで、伝搬時間計算値算出部２２は、前記積算値Σ［１、１］Ｔｉとして、Σ［１、１］Ｔｉ＝ΣＴＡ＋Ｔ１を算出する（Ｓ７３）。その後、伝搬時間計算値算出部２２は、反射面判断部２３に前記積算値Σ［１、１］Ｔｉを送出する。
【００３９】
次いで、前記積算値Σ［１、１］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えた場合に測定位置Ｐ１が液面Ｆ１を超えたと判断し、液面Ｆ１までの距離Ｘを検出する（距離検出工程；Ｓ８０）。この際、まず、反射面判断部２３は、送出された前記積算値Σ［１、１］Ｔｉと、伝搬時間測定工程において演算部２８から送出された前記半分値Ｔｒ／２と、を比較して（Ｓ８１）、前記積算値Σ［１、１］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えていない場合には未検出信号を、前記積算値Σ［１、１］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２と一致する場合には一致検出信号を、前記積算値Σ［１、１］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２より大きい場合には不一致検出信号を、それぞれ演算部２８に送出する。
ここで、反射面判断部２３から前記各信号を受信したときの演算部２８による処理について、以下に詳しく説明する。
【００４０】
始めに、未検出信号を受信した場合、演算部２８は、まず、測定位置距離算出部２１に、直近測定位置距離ＸＡとして算出した測定位置距離Ｘ１を記録させると共に、測定位置距離算出部２１に、直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉとして算出した前記積算値Σ［１、１］Ｔｉを記録させる（Ｓ８２）。その後、演算部２８は、温測工程（Ｓ３０）から伝搬時間計算値算出工程（Ｓ７０）までを反復するように各構成要素を制御する。
【００４１】
ここで、温測工程において放射温度計５が単位回動量回動されるので、温測工程から伝搬時間計算値算出工程までを反復することで、前記積算値を算出する対象となる測定位置が漸次、下側に向けて測定位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・と移動する。以下では、この温測工程から伝搬時間計算値算出工程までをｂ回行ったとき（但し、ｂは１以上の整数）に算出した前記積算値Σ［１、ｂ］Ｔｉが前記半分値Ｔｒ／２を超えたものとして説明する。また以下では、液面Ｆ１を越えたと判断された測定位置Ｐｂを第１測定位置Ｐｂと称し、第１測定位置Ｐｂの直近の測定位置Ｐｂ−１を第２測定位置Ｐｂ−１と称する。
【００４２】
演算部２８は、一致検出信号及び不一致検出信号を受信した場合、以下に示すように液面Ｆ１までの距離Ｘを算出する（Ｓ８３）。即ち、第１測定位置Ｐｂまでの前記積算値Σ［１、ｂ］Ｔｉから前記半分値Ｔｒ／２を減じた第１時間差と、前記半分値Ｔｒ／２から第２測定位置Ｐｂ−１までの前記積算値Σ［１、ｂ−１］Ｔｉを減じた第２時間差との比率が、第１測定位置Ｐｂと液面Ｆ１との距離である第１距離と、液面Ｆ１と第２測定位置Ｐｂ−１との距離である第２距離との比率と一致するように比例配分することによって、前述の距離Ｘを算出する。
【００４３】
詳しく説明すると、まず、演算部２８は、測定位置距離算出部２１から測定位置距離Ｘｂ及び直近測定位置距離ＸＡを取得すると共に、伝搬時間計算値算出部２２から前記積算値Σ［１、ｂ］Ｔｉ及び直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉをそれぞれ取得する。この際、直近測定位置距離ＸＡ及び直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉは、前述のようにｂ＝１のときには０に設定され（Ｓ１２）ている。更に、ｂ＞１のときには反復して測定位置距離Ｘｂ及び前記積算値Σ［１、ｂ］Ｔｉを算出する直前の測定位置距離及び前記積算値に設定され（Ｓ８２）ている。従って、直近測定位置距離ＸＡ及び直近積算値Σ［１、Ａ］Ｔｉは、いずれの場合であっても第２測定位置Ｐｂ−１におけるそれぞれの値となっている。
【００４４】
そして、演算部２８は、液面Ｆ１までの距離Ｘを、次の数式（１）を用いて算出する。
（Σ［１、ｂ］Ｔｉ−Ｔｒ／２）：（Ｔｒ／２−Σ［１、Ａ］Ｔｉ）＝（Ｘｂ−Ｘ）：（Ｘ−ＸＡ）  …  （１）
前記数式（１）において、左辺は第１時間差と第２時間差との比率を表しており、右辺は第１距離と第２距離との比率を表している。
なお、一致検出信号が送出された場合は、前記積算値Σ［１、ｂ］Ｔｉと前記半分値Ｔｒ／２とが一致しているので、演算部２８は、前記数式（１）を演算することなく液面Ｆ１までの距離ＸをＸ＝Ｘｂとして算出する。
以上で、距離検出工程が終了する。
【００４５】
最後に、演算部２８は、距離検出工程で算出した距離Ｘと、仮想基準面ＶからタンクＫの底面までの距離Ｙに基づいて、液体Ｆの液面高さＺ＝Ｙ―Ｘを算出する（レベル測定工程；Ｓ９０）。
【００４６】
以上に示した超音波式距離センサ１においては、回動可能に形成された放射温度計５を備えているので、前記従来技術のように複数の温度計をタンクＫの表面等に設置するといった必要がない。そのため、従来の超音波式距離センサに比べて容易に且つ低コストで設置することができる。
【００４７】
また、測定位置が液面を超えたか否かを判断する際に、伝搬時間実測値と伝搬時間計算値の積算値とを比較する。ここで、伝搬時間計算値は、放射温度計５が測定した前記内周面Ｋ１の表面温度における超音波２の伝搬速度を用いて算出している。つまり、伝搬時間計算値の積算値は、仮想基準面Ｖと液面Ｆ１との間における複数の測定位置での表面温度に基づいて算出している。従って、周囲温度が均一でない場合でもより正確なレベル測定を行うことができる。
また、第１時間差と第２時間差との比率が、第１距離と第２距離との比率と一致するように液面Ｆ１までの距離Ｘを算出するので、液面Ｆ１までの距離Ｘの検出精度を向上させることができる。
【００４８】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、距離検出工程において、演算部２８は、第１時間差と第２時間差との比率が、第１距離と第２距離との比率と一致するように液面Ｆ１までの距離を算出するものとした。しかし、これに限られるものではなく、例えば第１測定位置Ｐｂにおける測定位置距離Ｘｂと第２測定位置Ｐｂ−１における測定位置距離Ｘｂ−１との加重平均としても良い。
【００４９】
また、前記実施形態では、放射温度計５を回動させる手段としてエンコーダ１３を備えるモータ７を採用し、制御部６はエンコーダ１３から総回動角度θｎを取得するものとしたが、これに限られない。例えば、放射温度計５を回動させる手段としてステッピングモータを採用して、ステッピングモータのモータ駆動部２６が送出するモータ制御信号から総回動角度θｎを取得してもよい。
【００５０】
また、前記実施形態では、測定位置距離算出部２１は、測定位置距離Ｘｎを、モータシャフト１２の回転軸１２ａから前記内周面Ｋ１までの距離ａと総回動角度θｎとを用いて算出したが、これに限られない。例えば、総回動角度θｎに対応する測定位置距離Ｘｎが測定位置距離算出部２１に予め記録され、測定位置距離算出部２１は、総回動角度θｎに基づいて対応する測定位置距離Ｘｎを参照するように構成されていてもよい。この場合、タンクＫの内周面Ｋ１が液面Ｆ１と直交する方向に対して湾曲しながら延在していたり、前記直交する方向に対して傾斜していたりしても、測定位置距離Ｘｎを正確に算出することができる。
【００５１】
また、本発明に係る超音波式距離センサ１並びに超音波式距離測定方法は、液体Ｆを貯留するタンクＫのレベル測定に採用されるもの、つまり薬品タンク及びスラリー攪拌槽等のレベル測定に採用されるものに限定されず、例えば上水、下水、河川及び貯水池等の水位測定等に超音波式距離センサ１を採用しても良い。
【００５２】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波式距離センサの模式的な全体図である。
【図２】図１に示す超音波式距離センサが備える制御部の制御ブロック図である。
【図３】図１に示す超音波式距離センサを用いた超音波式距離測定方法を説明するための図である。
【図４】図１に示す超音波式距離センサを用いた超音波式距離測定方法の一例を示すフローチャートの前半部分である。
【図５】図４に示すフローチャートの後半部分である。
【符号の説明】
【００５４】
１  超音波式距離センサ
２  超音波
３  反射波
４  超音波送受波手段
５  放射温度計（温度計）
６  制御部
２０  伝搬速度算出部
２１  測定位置距離算出部
２２  伝搬時間計算値算出部
２３  反射面判断部
２４  超音波発信制御部
２５  伝搬時間測定部
Ｆ１  液面（反射面）
Ｋ１  内周面（構造物）
Ｃｔ１、Ｃｔｎ  伝搬速度
Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐｎ−１、Ｐｎ  測定位置
Ｐｂ  第１測定位置
Ｐｂ−１  第２測定位置
ｔ１、ｔｎ−１、ｔｎ  表面温度
Ｔ１、Ｔｎ  伝搬時間計算値
Ｔｒ  伝搬時間実測値
Ｔｒ／２  半分値（伝搬時間実測値の半分）
Ｘ  液面までの距離（反射面までの距離）
Ｘ１、Ｘｂ、Ｘｎ、Ｘｎ−１  測定位置距離
Σ［１、１］Ｔｉ、Σ［１、ｂ−１］Ｔｉ、Σ［１、ｂ］Ｔｉ、Σ［１、ｎ］Ｔｉ、Σ［１、ｎ−１］Ｔｉ  伝搬時間計算値の積算値
ΔＸ１  隣接する測定位置の区間の距離
θ１、θｎ  総回動角度（温度計の所定の初期位置からの回動量）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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