(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変の駆動周波数（fd）の駆動信号を出力する駆動回路（１０）と、この駆動回路の駆動信号で駆動され超音波を放射する超音波送受信器（２０）と、この超音波送受信器からの信号を受信する受信回路（３０）を有する超音波レベル計であって、
前記超音波送受信器を駆動したときの残留振動を測定し、その測定結果を基に前記駆動周波数（fd）が前記超音波送受信器の共振点に追尾するように制御する駆動周波数調整回路（４０）を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項２】
前記駆動周波数調整回路（４０）は、四半周期位相がずれた２つの同期積分回路で受信信号を積分し、その積分結果を位相差微分して受信信号の振幅レベルを求める手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波レベル計。
【請求項３】
前記駆動周波数調整回路（４０）は、測定開始時またはレベル計測途中で共振点追尾動作を行なうことができるように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の超音波レベル計。
【請求項４】
前記駆動周波数調整回路（４０）は、前記駆動周波数（fd）を前記超音波送受信器の共振点近傍において予め定められたステップ状の周波数の内の１つに設定するようにしたことを特徴とする請求項１または２または３記載の超音波レベル計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送受波器から超音波を発信し、反射面で反射された超音波を前記超音波送受波器で受信し、超音波を発信してから反射波を受信するまでに要した時間をもとに反射面のレベルを検出するように構成された超音波レベル計に関し、更に詳しくは、２相同期積分方式により信号を処理するようにすると共に、前記超音波送受波器の残留振動の信号を基に超音波送受信器の駆動周波数調整を行なう方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の超音波レベル計の一例を示す図である。駆動回路１０は、トランスＴを介し数十ＫＨｚの駆動周波数fdで１ＫＶP-P〜２ＫＶP-P程度のパルス列駆動信号を出力する。超音波送受信器（圧電素子が使用される例が多いため、以後圧電素子という）２０は、ダイオード回路Ｄ経由のこの駆動信号に応じて超音波信号を送信すると共に反射した超音波を受信するセンサとして働くもので、例えばＰＺＴ等が用いられる。
【０００３】
受信回路３０は、圧電素子で受信したダイオード回路Ｄ経由の反射波を受信する。信号処理回路３２は、受信信号のエンベロープがしきい値電圧Ｖthと交差する点をもって受信位置とみなし、送信から受信までの経過時間と音速から被反射物体までの距離を演算する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波レベル計では次のような課題があった。
従来の前記駆動周波数fdは送受信において最大感度となるような周波数に調整している。しかしながら、その最大感度は受信信号の振幅を検出して定めているが、駆動周波数fdを調整して受信信号の振幅を最大化しようとしても振幅の増減が駆動周波数fdに対して単調変化でないため、複雑な制御が必要になるという課題があった。
【０００５】
また、図５は圧電素子と信号変換器部分との間をケーブルで接続する接続例である。駆動回路１０は、圧電素子２０を８００ＶP-P程度の高電圧で、しかも数十ＫＨｚ程度の周波数で駆動した例である。そのため、ケーブルを数百ｍの長距離ケーブルとした場合は芯線間の静電容量が２００００pFと大きくなり、送受信エネルギーの減衰が顕著になる。
【０００６】
ケーブル容量は、芯線や絶縁体の変更をもってしても、汎用の６０［ｐＦ／ｍ］を４０［ｐＦ／ｍ］程度に下げるのが限界である。
そこで、図６に示すように、低インピーダンス低圧で送信し、圧電素子２０先端で高電圧に変換して、ケーブル容量による減衰を補うのが一般的な対策である。
【０００７】
例えば、巻数比１：５のインピーダンスマッチング用トランス６０を用いて圧電素子２０を駆動する場合、ケーブル間は１６０Ｖでよく、そして圧電素子から見た時のケーブル容量は２００００×（ｎ1／ｎ2）2ｐＦ、すなわち２００００×（１／５）2＝８００ｐＦと少なくなる。
【０００８】
ところが、このような容量対策を行なうと、今度は感度不足となり圧電素子が最大感度となるような周波数に調整するのが困難になるという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、圧電素子の残留振動を２相同期積分方式により位相検出して圧電素子が最大感度となるような駆動周波数を容易に決定することのできる超音波レベル計を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明では、
可変の駆動周波数（fd）の駆動信号を出力する駆動回路（１０）と、この駆動回路の駆動信号で駆動され超音波を放射する超音波送受信器（２０）と、この超音波送受信器からの信号を受信する受信回路（３０）を有する超音波レベル計であって、
前記超音波送受信器を駆動したときの残留振動を測定し、その測定結果を基に前記駆動周波数（fd）が前記超音波送受信器の共振点に追尾するように制御する駆動周波数調整回路（４０）を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このような構成よれば、被測定物体からの反射波ではなく、直接超音波送受信器の残留振動の波形を検出して、容易に共振点の自動追尾ができる。そして、このように適正周波数で駆動できることが感度アップとなることは論を待たないが、この感度アップにより、長距離ケーブルの場合も容易に共振点自動追尾が可能となる。
【００１２】
この場合、請求項２のように、２相同期積分回路を用いて受信信号の振幅レベルを求めるようにしてもよい。このような構成によれば、受信信号の位相が一定で積分値の移動差微分波形が一定な部分を容易かつ精度良く検出できる。
【００１３】
また、請求項３のように、駆動周波数調整は測定開始時またはレベル計測途中のいずれでも実行することができる。
【００１４】
また、駆動周波数は任意の周波数ではなく、請求項４のように、超音波送受信器の共振点近傍の予め定められた複数の周波数の内の１つを選ぶようにしてある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す構成ブロック図である。なお、図１において前記図４と同一作用をするものには同一符号を付し、その説明は省略する。
【００１６】
受信回路３０は、プリアンプＡ１と、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣと、メインアンプＡ２が直列接続されたものである。プリアンプＡ１は、駆動回路１０の駆動信号の影響を取り除いて圧電素子２０から送られる信号を読み取る。
【００１７】
Ｄ／Ａ変換器は、デジタル・アナログ変換処理と共に、プリアンプＡ１から入力された波形信号に対して時間経過と共にゲインを上げて行くＴＶＧ（Time  Variable  Gain）処理も行なう。このＴＶＧ処理により超音波信号の時間に比例した（換言すれば、距離に比例した）減衰を補償して測定することができる。ただし、圧電素子の駆動周波数調整時にはＴＶＧ処理は行なわないように構成されている。
メインアンプＡ２は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣの信号を受信して適宜に増幅し、その出力を駆動周波数調整回路４０に与えている。
【００１８】
駆動周波数調整回路４０は、駆動周波数の位相（これを第１の位相と呼ぶ）で同期積分する回路４２と、この第１の位相とは四半周期離れた第２の位相で同期積分する回路４４と、両同期積分回路の出力から受信波の振幅の増減を求める振幅演算回路４６と、振幅演算回路４６で受信波の振幅が増大するときは駆動周波数を高め、減少するときは駆動周波数を低める調整回路４８を有する。
【００１９】
ここで、第１の位相で同期積分する回路（これを第１の同期積分回路と呼ぶ）４２は、フリップフロップ、X位相側スイッチ、Ｘ位相積分回路およびＡ／Ｄ変換器で構成される。第２の位相で同期積分する回路（これを第２の同期積分回路と呼ぶ）４４は、フリップフロップ、Ｙ位相側スイッチ、Ｙ位相積分回路およびＡ／Ｄ変換器で構成される。
【００２０】
駆動回路１０の駆動周波数信号発振器の出力はフリップフロップに印加される。フリップフロップの出力は、トランスを介して圧電素子２０に送られると共に、Ｐ出力がＸ位相側スイッチに印加され、Ｑ出力がＹ位相側スイッチに印加される。Ｐ出力とＱ出力は、位相が四半周期ずれたもので、オンオフのデューティ比は５０％になっている。
【００２１】
Ｘ位相積分回路は、Ｘ位相側スイッチがオンする周期において反射波を同期積分し、Ａ／Ｄ変換する。Ｙ位相積分回路は、Ｙ位相側スイッチがオンする周期において反射波を同期積分し、Ａ／Ｄ変換する。
【００２２】
振幅演算回路４６は、第１の同期積分回路４２のＡ／Ｄ変換器出力Ｘと第２の同期積分回路４４のＡ／Ｄ変換器出力Ｙから反射波の振幅を求める。更に詳しく説明すれば、振幅演算回路４６では、上記のようにして得た各Ａ／Ｄ変換器の時系列データをそれぞれ一旦記憶手段（図示せず）に記憶し、あらためてそのデータについての移動差微分をとる。この移動差微分データから反射波の振幅レベルを求める。
【００２３】
なお、駆動周波数調整時には、被測定物体からの反射波ではなく、圧電素子２０の残留振動の振動波そのものを振幅演算回路４６で測定する。
【００２４】
さて、通常のレベル測定時には上記のようにして求めた振幅のレベルよりエコー波の到達時間を検出し、反射面のレベルを算出する。そして、調整回路４８は、振幅演算回路４６で算出した振幅情報から、その振幅が最大になるように駆動回路１０に対して周波数の調整を行なう。
【００２５】
このような構成において、圧電素子が最大感度となるときの駆動周波数ｆdを求める調整動作についてのみ以下に説明する。
【００２６】
まず、同期積分の期間およびＡ／Ｄ変換の時点について説明する。図２は駆動信号、残留振動の説明図である。圧電素子２０は、パルス周波数がfdの、連続パルス（例えば６４パルス）で駆動される。パルス駆動終了後、圧電素子２０には図示のように残留振動が残る。
本発明では、この残留振動を直接受信回路３０で受けて周波数調整を行なう。被測定物体からの反射波を受信し、それに基いて周波数を調整するのではない。
【００２７】
この残留振動は時間と共に減衰するが、本発明では図示のようにパルス駆動が終了して残留振動が始まった後、圧電素子の実際の駆動周波数と共振点との差が位相変化として顕著に現れる期間に、同期積分を行なうようにしている。
なお、上記共振点とは、本願発明では、圧電素子からの信号を積分したとき位相が一定で積分値の微分波形が一定値であるときをもって、その圧電素子の共振点としている。
【００２８】
この同期積分の開始時点をt1、この時点t1から所定時間後（例えば１０セル後。なお、ここでセルとはＡ／Ｄ変換の変換時間間隔を単位とする時間幅を意味し、例えば１セルは34.58μＳなどである。）の時点をt2とする。Ａ／Ｄ変換器は、t2時点まで連続同期積分を行なった積分値ＸおよびＹをそれぞれＡ／Ｄ変換する。
【００２９】
上記の積分とＡ／Ｄ変換の操作は、駆動周波数fdを1ステップずつ変えて繰り返し行なう。駆動周波数fdは、例えば図３に示すように、初期値f1（=38.86ＫＨｚ）から最終値f20（=42.01ＫＨｚ）まで、0.17ＫＨｚ前後の間隔で２０ステップある。
【００３０】
以下手順を追って説明する。
１）f1からf20まで１ステップずつ駆動周波数を上げてゆき、全点のＸ値を収集する。なお、同期積分とＡ／Ｄ変換は１つの駆動周波数につき１回だけ行なう。
２）全Ｘ値のうちの正のピーク値を検索し、そのピーク値のときの駆動周波数をfn、Ｘ値をＸｎとおく。
【００３１】
３）fn＝f1の場合は、次のＹ値を調べることなく駆動周波数fdを下限値の周波数f1とする。
４）fn＝f20の場合は、次のＹ値を調べることなく駆動周波数fdを上限値の周波数f20とする。
【００３２】
５）上記３），４）項に該当しない場合は、次のようにＹ値を考慮して決定する。
5.1）Ｘｎの位置でＹｎ≧０の場合
f(n+1)，f(n+2)，f(n+3)と順次駆動周波数を上げ、Ｙ＜０となった時点が    f(n+k)であれば、求める駆動周波数fdをf(n+k+1)とする。
5.2）ｎが２０に近い場合、ｎを２０まで上げても常にＹｎ＞０の状態が続くときは、駆動周波数fdをf20とする。
【００３３】
5.3）Ｘｎの位置でＹｎ＜０場合
f(n-1)，f(n-2)，f(n-3)と順次周波数を下げ、Ｙ＞０となった時点がf(n-k)であれば、求める駆動周波数fdをf(n-k+2)とする。
5.4）ｎが１に近い場合、ｎを１まで下げても常にＹ＜０の状態が続くときは、駆動周波数fdをf1とする。
【００３４】
以上のようにして、圧電素子が最大感度となるような駆動周波数、換言すれば共振点、を自動追尾することができる。
【００３５】
なお、上記共振点自動追尾動作は超音波レベル測定開始時のみに限定されない。圧電素子の共振点は雰囲気温度の変化などにより変化するため計測途中においても共振点自動追尾を行なう必要があり、その場合には次のような手順により計測途中においても共振点追尾を行なう。
【００３６】
６）例えば１０分間隔で割り込みをかけ、共振点自動追尾操作を行なう。このような割り込みは、例えば駆動周波数調整回路４０における演算等にマイクロプロセッサを用いている場合には、そのマイクロプロセッサの制御により行われる。
７）当該駆動周波数におけるＹ値の正負を調べ、上記５）項と同様の操作により新規のfdを定める。
【００３７】
８）駆動周波数fdがf1に設定されている場合は、Ｘ１（駆動周波数をf1としたときのＸ値）とＸ２（駆動周波数をf2としたときのＸ値）を収集し、Ｘ１＞Ｘ２であることを確認する。Ｘ１＞Ｘ２であれば、駆動周波数fdはf1のままとする。
もし、Ｘ１≦Ｘ２であった場合は、最適周波数が変化したものと判断して前記１）からの共振点追尾動作に移る。
【００３８】
９）駆動周波数fdがf20の限界値に設定されている場合は、Ｘ２０とＸ１９を収集し、Ｘ２０＞Ｘ１９であることを確認する。Ｘ２０＞Ｘ１９であれば、駆動周波数fdはf20のままとする。
もしＸ２０≦Ｘ１９であった場合は、最適周波数が変化したものと判断して前記１）からの共振点追尾動作に移る。
【００３９】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
１）２相同期積分回路を利用して圧電素子の残留振動を検出し駆動周波数を調整するようにしたため、精度よく残留振動の振幅を検出できると共に高感度で共振点自動追尾を行なうことができる。
【００４１】
２）圧電素子と信号変換器部分との間が長距離ケーブルで接続された状態であっても高感度で共振点自動追尾を容易に行なうことができる。
３）温度変動等に起因して圧電素子の固有振動数が変動しても、変動した固有振動数と対応するように駆動周波数を調整するため、受信回路における反射波の振幅が良好に維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】駆動信号、残留振動の説明図である。
【図３】駆動周波数の設定値一覧である。
【図４】従来の超音波レベル計の一例を示す図である。
【図５】圧電素子と信号変換器部分との間をケーブルで接続する接続例である。
【図６】圧電素子と信号変換器部分との間をケーブルで接続する他の接続例である。
【符号の説明】
１０  駆動回路
２０  圧電素子
３０  受信回路
４０  駆動周波数調整回路
４２  第１の同期積分回路
４４  第２の同期積分回路
４６  振幅演算回路
４８  調整回路
【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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【図６】
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