(57)【要約】【課題】液体燃料タンク等の比較的大きなタンクなどの容器内において、液体燃料等の被測定物が残り少なくなった場合にも、高精度で体積計測を行う。【解決手段】体積計測装置は、例えば液体燃料である被測定物が収容される第１容器内に配置された第２容器と、被測定物を第２容器内に誘導する誘導手段と、第２容器の内部空間から外部空間に連通する共鳴管と、第２容器の内部空間に音波を発生させる音波発生手段と、発生された音波に係る音響信号に基づいて、第２容器の内部空間における被測定物の体積を求める処理手段とを備える。第１容器は、第２容器内に含まれる箇所に被測定物を外部に排出するための排出口を有する。【選択図】図２
2006308565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物が収容される第１容器内に配置された第２容器と、
前記第１容器内に設けられており、前記被測定物を前記第２容器内に誘導する誘導手段と、
前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管と、
前記内部空間に音波を発生させる音波発生手段と、
前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理手段と
を備え、
前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する
ことを特徴とする体積計測装置。
【請求項２】
前記誘導手段は、前記第１容器内において前記第２容器に向かって延在しており、無重力又は微小重力状態において前記被測定物を誘導する、少なくとも一つのバッフルを含んでなることを特徴とする請求項１に記載の体積測定装置。
【請求項３】
前記第２容器内に設けられており、前記誘導手段により前記第２容器内に誘導された前記被測定物を、前記排出口に誘導する他の誘導手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の体積測定装置。
【請求項４】
被測定物が収容される第１容器内における鉛直下方側に配置された第２容器と、
前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管と、
前記内部空間に音波を発生させる音波発生手段と、
前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理手段と
を備え、
前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する
ことを特徴とする体積計測装置。
【請求項５】
前記音波発生手段は、前記第２容器の壁に対して音波出力面が対向配置されている動電型スピーカを含み、
前記処理手段は、前記動電型スピーカに係るボイスコイルの電圧を測定する測定手段と該測定された電圧に基づいて前記被測定物の体積を演算する演算手段とを含む
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の体積計測装置。
【請求項６】
被測定物が収容される第１容器内に配置された第２容器と、前記第１容器内に設けられており、前記被測定物を前記第２容器内に誘導する誘導手段と、前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管とを備え、前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する体積計測装置における体積計測方法であって、
前記内部空間に音波を発生させる音波発生工程と、
前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理工程と
を有することを特徴とする体積計測方法。
【請求項７】
被測定物が収容される第１容器内における鉛直下方側に配置された第２容器と、前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管とを備え、前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する体積計測装置における体積計測方法であって、
前記内部空間に音波を発生させる音波発生工程と、
前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理工程と
を有することを特徴とする体積計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、無重力下や微小重力下、人工衛星の軌道上のような真空状態の環境下など、宇宙環境技術における密閉系（閉鎖系）容器内の液体体積を計測する、体積計測装置及び方法に関する。本発明は更に、例えば重力下或いは通常重力下における液体体積を計測する、体積計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の体積計測装置及び方法として、ヘルムホルツ型の計測がある。従来、「開放系」容器内の体積計測については、例えば特許文献１及び２に開示されている。これらの技術によれば、開放された共鳴管（又は、「音響管」とも呼ばれる）を容器に設けて、スピーカ等から音波を容器内へ出力して、そのヘルムホルツ共鳴音を、マイクロフォンで収集することで、その共鳴周波数から液体の体積を求めている。
【０００３】
他方、ヘルムホルツ型の計測のうち「閉鎖系」容器内の体積計測については、例えば特許文献３から６に開示されている。これらの技術では、閉鎖された二つの容器を共鳴管で連結して、スピーカ等から音波を容器内へ出力して、そのヘルムホルツ共鳴音を、マイクロフォンで収集することで、その共鳴周波数から液体の体積を求めている。
【０００４】
また、特許文献７には、超電導スピーカを用いたタンク内液量計測装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−３２７４２９号公報
【特許文献２】特開平０７−０８３７３０号公報
【特許文献３】特開２００３−００４５０３号公報
【特許文献４】特開平０６−２０１４３３号公報
【特許文献５】特開平０６−２０１４３４号公報
【特許文献６】特開２００３−００４５０３号公報
【特許文献７】特開２００２−２９１０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の計測方法では、計測が行われる容器としての、例えば数千リットル、数万リットルなど、液体燃料を収容する比較的大きなタンクの場合には、取り扱うべき共鳴周波数が顕著に下がってしまい、適応困難となる。特に、液体燃料が残り少なくなってきた一般に危機的な状況においては、相対的に大きなタンク内で相対的に少量の液体の体積を高精度で計測することは、実践上極めて困難であるとう技術的課題が発生する。
加えて、タンク外部に別途設けられた測定用容器内における共鳴現象を利用する場合には、実際のタンク内における液体の体積を、直接的に或いは正確に計測することは困難である。
【０００７】
本発明は、例えば上述の問題点に鑑みてなされたものであり、例えば液体燃料タンク等の比較的大きなタンクなどの容器内において、液体燃料等の被測定物が残り少なくなった場合にも、高精度で体積計測を行うことが可能である、体積計測装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の体積計測装置は上記課題を解決するために、被測定物が収容される第１容器内に配置された第２容器と、前記第１容器内に設けられており、前記被測定物を前記第２容器内に誘導する誘導手段と、前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管と、前記内部空間に音波を発生させる音波発生手段と、前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理手段とを備え、前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する。
【０００９】
本発明の第１の体積計測装置によれば、第１容器には、典型的には液体燃料等の液体である被測定物が収容される。第１容器内には、例えば後に詳述するバッフル、ハーネス、フィン等の誘導手段が設けられており、例えば無重力下や微小重力下、人工衛星の軌道上のような真空状態の環境下などであっても、被測定物は、第２容器内に誘導される。そして、第２容器内に含まれる箇所に設けられた第１容器の排出口を介して、被測定物は、第１容器の外部に排出される。即ち、液体燃料等の被測定物を、例えば燃料タンクとしての第１容器から外部に供給することが可能となる。ここで特に、このような第１容器内において、第２容器は、体積計測を行うための計測用容器として配置されており、例えばネックチューブである共鳴管が、第２容器の内部空間から外部空間に連通するように備えられている。このような共鳴管によって、閉鎖系における二つの容器が共鳴管で繋がれている構成が構築されるので、ヘルムホルツ型の計測が可能となる。尚、共鳴管によって第２容器の内部空間と連通される外部空間は、典型的には、第１容器の内部空間の一部或いは全部に一致する。
【００１０】
尚、排出口は、第１容器内へ液体燃料等を入れるための流入口を兼ねてもよく、即ち出入口であってもよい。或いは、第１容器内へ液体燃料等を入れるための流入口は、第１容器における排出口とは別の箇所に設けられてもよい。
【００１１】
当該第１の体積計測装置による計測時には、音波発生手段によって、第２容器の内部空間に音波を発生させる。そして、処理手段によって、この発生された音波に係る音響信号に基づいて、第２容器の内部空間における被測定物の体積を求める。例えば、「閉鎖系」容器内におけるヘルムホルツ型の計測により、このような体積を求める。より具体的には例えば、動電型スピーカが、例えば所定周波数帯域の音をスイープするなど、その音波出力面から音波を出力すると、この音波は、計測用容器としての第２容器の内部空間内へと出力される。処理手段は、この音波に係る音響信号に基づいて、例えば閉鎖系のヘルムホルツ型の計測によって、第２容器内における被測定物の体積を求める。この際、これらの被測定物が収容された第２容器、共鳴管及び第２容器の外部（即ち、第１容器内の一部）は、「密閉系容器」とされており、即ち閉鎖系であるので、例えば宇宙空間等の高真空雰囲気においても、計測が可能となる。
【００１２】
特に、無重力或いは微小重力下における液量計測では、ヘルムホルツ共鳴を利用した液量計測方法、即ちヘルムホルツ型の計測が好適である。ヘルムホルツ型の計測は、周波数の体積依存性を利用しての音波による液体、固体、流体、粘性体等の体積計測方法の一つであり、被測定物の形状に左右されないという特色を有するためである。
【００１３】
従って、第１容器に収容されていると共に第２容器内に誘導される被測定物の体積が、第２容器の容積を下回る段階になると、当該体積計測装置によって、第２容器内に収容されている被測定物の体積を計測することができる。この際、第２容器の大きさは、第１容器よりも小さいので、第１容器を計測用容器として用いて同様の手法により体積計測を行う場合と比べて、ヘルムホルツ型の計測において取り扱う波長を短くすることができる。
これにより、相対的に小さい第２容器を計測用容器として、より高精度で計測を行うことが可能となる。即ち、例えば数千リットル、数万リットルなど、液体燃料を収容するために比較的大きなタンクの場合であっても、ヘルムホルツ型の計測を行う際に取り扱う共鳴周波数が顕著に下がる事態を回避できる。言い換えれば、共鳴する際の音波の波長として、大きなタンク等の第１容器に共鳴管を設けて計測する場合に必要となるような大きな波長を使用しないで済む。
【００１４】
このように相対的に大きなタンク内に残っている相対的に少量の液体の体積を、高精度で計測することが可能となるので、液体燃料が残り少なくなってきた危機的な状況において、高精度で計測を行えることとなり、実践上大変有利である。因みに、比較的大きなタンク等の第１容器内でヘルムホルツ型の計測を行おうとすれば、実践的な意味では、タンク等の容量としては、一立方メートル程度が限界となってしまうのである。
【００１５】
加えて、タンク外部に別途設けられた測定用容器内における共鳴現象を利用するのと比べて、実際のタンク等の第１容器内における液体の体積を、その排出口付近で直接的に計測していることになるので、正確に計測することが本質的に容易となる。更に、計測用容器を第１容器の外に別途設ける場合と比較して、本発明によればスペースを節約することも可能となる。
【００１６】
特に、第２容器の大きさは、任意に小さくできるので、実際の使用環境や使用目的、更に計測対象たる液体燃料等の被測定物の属性などに鑑みて、なるべく計測したい体積範囲に対応するように或いはなるべく計測精度が高くなる共鳴波長が得られるように、第２容器の大きさを設定するとよい。また、一般的には、ヘルムホルツ共鳴現象には、液量が少ない時の液量変化に対する周波数の変化量は小さいという欠点が存在するので、このような欠点を克服する意味からも、上述の如き本発明は極めて優れている。
【００１７】
以上の結果、第１の体積計測装置によれば、例えば液体燃料タンク等の比較的大きいタンクなどの閉鎖系容器内において、液体燃料等の被測定物が残り少なくなった場合でも、高精度での体積計測が可能となる。
【００１８】
尚、このように第２容器内における体積計測を高精度で行う場合、第２容器が被測定物で一杯に満たされている限りにおいては、第１容器に収容されている被測定物の体積を求めることはできないが、このような状況は、液体燃料が残り少なくなってきた危機的な状況からはかけ離れている。そこで、このような状況では、例えば光の減衰を使った等の既存の各種測定方法を用いて、相対的に低精度で計測すれば足りる。更に言えば、第２容器が、被測定物で一杯に満たされている場合に、当該体積測定装置とは異なる別の体積計測装置によって計測を選択的に行うと共に、第２容器が、被測定物で一杯に満たされていない場合に、当該体積測定装置によって計測を選択的に行うという組み合わせも、本発明の第１の体積計測装置の一つの態様である。
【００１９】
このように第１の体積計測装置によれば、例えば、宇宙空間、特に地球周回や惑星周回における液体酸素、液体水素、液化メタン（液化天然ガス）等の極低温推進剤の軌道状における貯蔵・移送の際に重要となる、無重力或いは微小重力下における液量計測が可能となる。しかも、燃料等の被測定物が残り少なくなったという、真に精度が要求される場面において、本発明により高精度の計測が可能とされる。これは、宇宙空間において燃料を、運搬・貯蔵・再補給したり、軌道間宇宙輸送機ＯＴＶ（Orbit Transfer Vehicle）に供給するのに大いに役立つ。
【００２０】
本発明の第１の体積計測装置の一態様では、前記誘導手段は、前記第１容器内において前記第２容器に向かって延在しており、無重力又は微小重力状態において前記被測定物を誘導する、少なくとも一つのバッフルを含んでなる。
【００２１】
この態様によれば、第１容器内で無重力又は微小重力状態において被測定物を誘導する、一つ又は複数のバッフルを含んでなる誘導手段によって、排出口から排出されるのに伴って減少する被測定物を、第２容器内に常時誘導することが可能となる。ここに本発明に係る「バッフル」とは、液体等の被測定物の流路を規定又は規制する板状部材或いは邪魔板であって、第１容器の内壁から第１容器の内部側に向かって立設されており、被測定物の表面張力によって、被測定物を誘導可能に構成されたものを意味する。ここでは特に、このように第１容器の内部側に向かって立設されたバッフルは、第２容器に向かって延在しているので、第１容器内に収容された被測定物を、第２容器内に導くように作用することになる。
【００２２】
この結果、被測定物は、バッフルにより第２容器内に誘導されて排出口を介して排出され、これに伴い体積が減少する被測定物の体積の計測が、上述した本発明によって高精度で行われることになる。
【００２３】
尚、誘導手段は、バッフルに代えて、バッフルと同様に第２容器に向かって延在する帯状部材を、例えば９０度など、その延在方向に沿った中心線を中心として内角が所定角度となるように第１容器の内部側に向けて折り曲げることで作成されるハーネスを含んでなってもよい。或いは、バッフルに代えて、バッフルと同様に第２容器に向かって延在すると共に、第１容器の内部側に突出するフィンを含んでもよい。バッフル、ハーネス及びフィンのいずれの場合にも、表面張力を利用して、無重力又は微小重力状態において被測定物を誘導することが可能となる。
【００２４】
本発明の第１の体積計測装置の他の態様では、前記第２容器内に設けられており、前記誘導手段により前記第２容器内に誘導された前記被測定物を、前記排出口に誘導する他の誘導手段を更に備える。
【００２５】
この態様によれば、他の誘導手段によって、第２容器内に誘導された後の被測定物を更に、排出口に誘導することができるので、被測定物を、排出口を介して最後まで排出可能としつつ、第２容器内におけるヘルムホルツ型の体積計測を高精度で行うことができる。
【００２６】
尚、第２容器内に設けられる他の誘導手段としては、第１容器内に設けられる誘導手段と同様に、バッフル、ハーネス、フィン等を含んでよい。
【００２７】
本発明の第２の体積計測装置は上記課題を解決するために、被測定物が収容される第１容器内における鉛直下方側に配置された第２容器と、前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管と、前記内部空間に音波を発生させる音波発生手段と、前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理手段とを備え、前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する。
【００２８】
本発明の第２の体積計測装置によれば、第１容器には、典型的には液体燃料等の液体である被測定物が収容される。そして、被測定物は、第１容器内における鉛直下方側に配置された第２容器まで重力によって導かれた後、第２容器に含まれる箇所に設けられた第１容器の排出口を介して、第１容器の外部に排出される。即ち、重力を利用して、液体燃料等の被測定物を外部に供給することが可能となる。ここで特に、このような第１容器内において、第２容器は、体積計測を行うための計測用容器として配置されており、例えばネックチューブである共鳴管が、第２容器の内部空間から外部空間に連通するように備えられている。このような共鳴管によって、閉鎖系における二つの容器が共鳴管で繋がれている構成が構築されるので、ヘルムホルツ型の計測が可能となる。
【００２９】
当該第２の体積計測装置の計測時には、上述した本発明に係る第１の体積計測装置の場合と同様に、音波発生手段によって、第２容器の内部空間に音波を発生させる。そして、処理手段によって、この発生された音波に係る音響信号に基づいて、第２容器の内部空間における被測定物の体積を求める。従って、第１容器に収容されていると共に第２容器内に、重力により誘導される被測定物の体積が、第２容器の容積を下回る段階になると、第２容器内に収容されている被測定物の体積を、高精度で計測することができる。
【００３０】
以上の結果、本発明によれば、例えば液体燃料タンク等の比較的大きいタンクなどの容器内において、液体燃料等の被測定物が残り少なくなった場合でも、高精度での体積計測が可能となる。
【００３１】
尚、第２容器が、被測定物で一杯に満たされている場合に、当該体積測定装置とは異なる、既存の各種体積計測装置によって比較的低精度の計測を選択的に行うと共に、第２容器が、被測定物で一杯に満たされていない場合に、当該体積測定装置によって比較的高精度の計測を選択的に行うという組み合わせも、本発明の第２の体積計測装置の一つの態様である。
【００３２】
本発明の第１又は第２の体積計測装置の他の態様では、前記音波発生手段は、前記第２容器の壁に対して音波出力面が対向配置されている動電型スピーカを含み、前記処理手段は、前記動電型スピーカに係るボイスコイルの電圧を測定する測定手段と該測定された電圧に基づいて前記被測定物の体積を演算する演算手段とを含む。
【００３３】
この態様によれば、例えば増幅器によって動電型スピーカを定電流駆動しつつ、測定手段によって、前記動電型スピーカに係るボイスコイルの電圧が測定される。ここでボイスコイルの電圧は、ボイスコイルのインピーダンスに概ね比例するので、演算手段によって、このボイスコイルの電圧に基づいて、被測定物の体積が演算可能となる。即ち、処理手段が計測に利用する音響信号としては、動電型スピーカのボイスコイルのインピーダンスに概ね比例する電圧の測定によって間接的に、「密閉空間内へと出力される音波に係る音響信号」を取得できる。よって、第２容器内における気相部分についてのヘルムホルツ共鳴周波数を特定或いは同定できる。
【００３４】
尚、動電型スピーカを、定電流駆動するのではなく定電圧駆動することで、動電型スピーカのボイスコイルに係るインピーダンス曲線の反共振周波数を特定或いは同定し、この反共振周波数によって体積を測定することも可能である。
【００３５】
本発明の第１の体積計測方法は上記課題を解決するために、被測定物が収容される第１容器内に配置された第２容器と、前記第１容器内に設けられており、前記被測定物を前記第２容器内に誘導する誘導手段と、前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管とを備え、前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する体積計測装置における体積計測方法であって、前記内部空間に音波を発生させる音波発生工程と、前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理工程とを有する。
【００３６】
本発明の第１の体積計測方法によれば、上述した本発明の第１の体積計測装置の場合と同様に、例えば閉鎖系におけるヘルムホルツ型の計測によって、無重力或いは微小重力下における被測定物の体積を、比較的容易に且つ高精度で求めることができる。
【００３７】
本発明の第２の体積計測方法は上記課題を解決するために、被測定物が収容される第１容器内における鉛直下方側に配置された第２容器と、前記第２容器の内部空間から前記第２容器の外部空間に連通する共鳴管とを備え、前記第１容器は、前記第２容器内に含まれる箇所に前記被測定物を前記第１容器の外部に排出するための排出口を有する体積計測装置における体積計測方法であって、前記内部空間に音波を発生させる音波発生工程と、
前記発生された音波に係る音響信号に基づいて、前記内部空間における前記被測定物の体積を求める処理工程とを有する。
【００３８】
本発明の第２の体積計測方法によれば、上述した本発明の第２の体積計測装置の場合と同様に、例えば閉鎖系又は開放系におけるヘルムホルツ型の計測によって、重力下或いは通常重力下における被測定物の体積を、比較的容易に且つ高精度で求めることができる。
【００３９】
尚、第１又は第２の体積計測方法では、第１又は第２の体積計測装置の各種態様に夫々対応する各種態様を採ることができる。
【００４０】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下では、本発明の実施の形態について図を参照しつつ説明する。
【００４２】
（第１実施形態）
図１から図５を参照して、本発明の体積計測装置の第１実施形態について説明する。第１実施形態は、本発明に係る第１の体積計測装置の実施形態である。
【００４３】
先ず図１を参照して第１実施形態に係る体積計測の原理について説明する。尚、この原理は、後に説明する第２実施形態においても共通のものである。ここに図１は、このような原理を、液体の体積計測を例にとって説明する図式的な概念図である。
【００４４】
図１において、後述する本発明に係る「第１容器」の一例たるタンク内に構築される液体を収容可能な空間は、閉鎖系空間であり、体積Ｖ１及び圧力ｐ１を有する第１空間１と、体積Ｖ２及び圧力ｐ２を有する第２空間２とに分けられている。第１空間１及び第２空間２は、共鳴管３で相互に連結されている。
【００４５】
尚、後述する本発明に係る「第２容器」の一例たる計測用容器の内部空間は、第２空間２に一致しており、後述するタンクの内部空間のうち、計測用容器をなす第１空間部分１を除外した空間部分が、第２空間２ということになる。
【００４６】
図１の状態は、本発明に係る体積計測が有効である液相・気相状態を示しており、第１空間１内は、気相部３０で占められており且つ第２空間２内は、気相部３０と液相部４０とが、混在している。本実施形態では特に、このような気相部３０と液相部４０との分離を、後述する「誘導手段」により行っている。これにより、微小重力下での音響による液相部４０の体積の測定を、次に説明するように可能としている。
【００４７】
今、簡略化のため等温変化、非圧縮を仮定し、ノズル部補正を考慮しないとすると、運動方程式は以下のようになる。
【００４８】
【数１】
2006308565.tif 000003
ここで、変動圧力ｐ１及びｐ２は夫々、次の式（２）及び（３）と表すことができる。
【００４９】
【数２】
2006308565.tif 000004
【００５０】
【数３】
2006308565.tif 000005
但し、γは比熱比、Ｐ０は基準圧力、Ｌは共鳴管３の長さ、Ａは共鳴管３の断面積、ｕは速度、Ｖ１及びＶ２は第１空間１及び第２空間２の気相部３０の体積を夫々表す。これら圧力変動を計測することにより、体積Ｖ１及びＶ２を夫々求めることができる。
【００５１】
次に、式（２）及び（３）を、式（１）に代入することにより、以下の式（４）を導くことができる。
【００５２】
【数４】
2006308565.tif 000006
ここで、ｕ＝Ｕｅｉωｔとし、これを式（４）に代入すると、角速度ωについて以下の式（５）を導くことができる。
【００５３】
【数５】
2006308565.tif 000007
ここで、音速Ｃは、
【００５４】
【数６】
2006308565.tif 000008
であるので、この場合のヘルムホルツ共鳴周波数ｆは、以下の式（６）のようになる。
【００５５】
【数７】
2006308565.tif 000009
ここで、２πは定数であり、共鳴管３の断面積Ａ、共鳴管３の長さＬ及び容器１の気相部の体積Ｖ１は既知の値である。音速Ｃは温度と圧力から求めることができる。よって、体積Ｖ２の変化量が周波数ｆの変化として現れることから、この周波数を解析することにより第２空間２の液体量を求めることが可能となる。その際、微小重力下においては気相部３０及び液相部４０が混在することから、第１空間１や第２空間２内に、例えば、後述するバッフル等からなる表面張力を利用しての気液相分離機能を有する「誘導手段」を設置することにより、初めて微小重力下での音響による液体の体積計測が実用化できる。
【００５６】
尚、図１には、このような原理に基づく計測を可能ならしめる、次に詳述する動電型スピーカ１０１の設置位置が、図式的に示されている。
【００５７】
図２から図４を参照して、以上説明した計測原理に基づく、第１実施形態に係る体積計測装置の具体的な構成及び計測動作について説明する。ここに図２は、体積計測装置の全体を、被測定物たる液体を収容するタンク及び計測用機器を含めて示す図式的な断面図であり、図３は、そのうちタンク部分の平面図であり、図４は、そのうちタンク部分の部分破断斜視図である。
【００５８】
図２から図４に示すように、本実施形態に係る体積計測装置は、タンク１０、計測用容器２０、共鳴管３、液体出入口５０、大バッフル５１、小バッフル５２、及び液体取入口５３を備える。
【００５９】
タンク１０は、本発明に係る「第１容器」の一例を構成しており、本発明に係る「被測定物」の一例たる液体燃料等の液体を収容する大型のタンクからなる。図２中、最下端に設けられた、その液体出入口５０を介して、液体が出し入れされる。例えば燃料補給時に、液体出入口５０を介して外部から液体燃料がタンク１０内に補給され、燃料供給時に、液体出入口５０を介して液体燃料がタンク１０から外部へ供給される。尚、計測用容器２０内に設けられる液体出入口５０を出口専用として、これとは別に、タンク１０の任意箇所に液体入口を設けてもよい。
【００６０】
計測用容器２０は、本発明に係る「第２容器」の一例を構成しており、タンク１０内に配置されている。大型タンク１０内における計測用容器２０を除いた空間が、図１に示した第１空間１に対応しており、計測用容器２０内の空間が図１に示した第１空間１に対応している。そして、両空間は、例えばネックチューブである共鳴管３を介して連通されている。
【００６１】
大バッフル５１は、本発明に係る「誘導手段」の一例を構成しており、本実施形態では、タンク１０の内壁に、夫々図２において上下方向に延在するように４個設けられている。大バッフル５１は、タンク１０内の液体を、液体取入口５３を介して、液体の表面張力を利用して計測用容器１０内に導く。即ち、大バッフル５１は、例えば無重力下や微小重力下、人工衛星の軌道上のような真空状態の環境下などであっても、表面張力によって、液体を計測用容器２０内に誘導可能である。これにより、図１に示した如くに気相部３０と液相部４０との分離を行うと共に、タンク１０内の液体を、計測用容器２０内へ（更に、液体出入口５０を介してタンク１０外へ）導くように構成されている。尚、大バッフル５１の具体的構成については後述する（図５参照）。
【００６２】
小バッフル５２は、本発明に係る「他の誘導手段」の一例を構成しており、本実施形態では、計測用容器２０の内壁に、夫々図２において上下方向に延在するように４個設けられている。小バッフル５２は、計測用容器２０内の液体を、表面張力を利用して液体出入口５０に導く。即ち、小バッフル５２は、例えば無重力下や微小重力下、人工衛星の軌道上のような真空状態の環境下などであっても、表面張力によって、液体を計測用容器２０内において、液体出入口５０へ誘導可能である。これにより、図１に示した如くに気相部３０と液相部４０との分離を行うと共に、タンク１０内の液体を、液体出入口５０を介してタンク外へ導くように構成されている。
【００６３】
尚、図３に示すように、４個の大バッフル５１は、液体出入口５０を中心として概ね９０度間隔で設けられており、４個の小バッフル５２は、液体出入口５０を中心として概ね９０度間隔で設けられている。更に、大バッフル５１と小バッフル５２とは、周方向について相互に取付位置が重ならないように、液体出入口５０を中心として異なる方位角度で取り付けられている。液体取入口５３は、大バッフル５１により導かれる液体を取入可能なように、液体出入口５０を中心として大バッフル５１と同じ方位角度で４個設けられている。液体出入口５０は、大バッフル５１により導かれる液体を計測用容器２０内に取入可能なように、計測用容器２０の壁の一部が開孔されてなる。
【００６４】
図２に示すように、本実施形態に係る体積計測装置は更に、計測用容器２０における第２空間２内に音波を発生させる動電型スピーカ１０１と、これにより発生された音波に係る音響信号に基づいて、第２空間２内に存在する液体の体積を求める本発明に係る「処理手段」の一例を構成する、駆動用増幅器１０２、計測用増幅器１０３、発信・受信コントローラ１０４、及び演算器１０５とを備える。
【００６５】
次に、以上のように構成された体積計測装置における更なる詳細構成を、その計測動作と共に説明する。
【００６６】
計測時には、ＣＰＵ、システムコントローラ、メモリ等からなる発信・受信コントローラ１０４による制御下で、駆動用増幅器１０２で動電型スピーカ１０１を駆動することによって、計測用容器２０の内部空間たる第２空間２に、音波を発生させる。そして、発信・受信コントローラ１０４による制御下で、計測用増幅器１０３によって、動電型スピーカ１０１で発生される音波に係る音響信号を増幅し、更に、発信・受信コントローラ１０４による制御下で、ＣＰＵ、システムコントローラ、メモリ等からなる演算器１０５によって、この音響信号に基づいて、第２空間２における液体の体積を求める。ここでは、図１を参照して説明した「閉鎖系」容器内におけるヘルムホルツ型の計測により、このような体積を求める。
【００６７】
より具体的には、計測の際には、発信・受信コントローラ１０４よって、信号時間が数十ミリ秒から数秒であり、且つタンク１０内に構築された第１空間１、共鳴管３及び計測用容器２０内の第２空間２（図１参照）を「共鳴器」としてみた場合におけるヘルムホルツ共鳴周波数を含む帯域のスウィープ波を出力する。この際、駆動用増幅器１０２を用いて、動電型スピーカ１０１を、定電流駆動する。
【００６８】
ここで仮に、マイクロフォンで上記「共鳴器」における応答を検出すると、特に動電型スピーカ１０１による発熱を抑制するために音量を絞った場合には、音響信号以外の外部雑音がマイクロフォンにより重畳して検出されることになる。よって、最終的には、ヘルムホルツ共鳴周波数の同定精度の低下をきたす。
【００６９】
しかるに本実施形態では、駆動用増幅器１０２は、一定電流で動電型スピーカ１０１を駆動し、動電型スピーカ１０１のボイスコイル電圧を、計測用増幅器１０３を経由して、発信・受信コントローラ１０４にて受信する。この際、動電型スピーカ１０１による発熱を抑制するために音量を絞ることはない。
【００７０】
続いて、演算器１０５は、このように音響信号に対応するボイスコイル電圧に係る電圧信号を、発信・受信コントローラ１０４から受けて、最大エントロピ（ＭＥＭ）法を用いて、パワースペクトルを算出する。続いて、卓越周波数ピークを決定する。この際、演算器１０４は、ＭＥＭ法を用いることで、信号時間が数秒以下と短い信号でも、１Ｈｚ以下の周波数分解能で、パワースペクトル上でピークとなる周波数の同定が可能となる。続いて、このピークを与える周波数を、ヘルムホルツ共鳴周波数として、例えば、前述した式（６）に代入して、計測用容器２０の第２空間２内を占める気相部の体積を決定する。即ち、周波数ｆの解析によって、計測用容器２０内の気相部分の体積Ｖ２を算出することができる。そして、計測用容器２０の全容積は、既知（固定値）であるので、結局、計測用容器２０内に収納された液体の体積を演算できることになる。
【００７１】
以上の結果として計測された体積値は、例えば、不図示の表示パネルなどに表示されたり、レコーダ等の記録装置に液体の種類や時刻に対応付けられた形で記録される。
【００７２】
以上のように第１実施形態によれば、予め計測用容器２０内に収容される液体の各体積に対して共振によって得られるヘルムホルツ周波数を夫々求めておき、これらの値をテーブル化しておけば、或いは、各体積とヘルムホルツ共鳴周波数との関係を所定関数で近似して求めておけば、後に、実際の計測に際しては、動電型スピーカ１０１のボイスコイルの電圧計測により得られるヘルムホルツ共鳴周波数から、計測用容器２０内に収容された液体の体積を一義的に特定できることになるのである。
【００７３】
このような計測の場合、共鳴管３及び計測用容器２０等を含むタンク１０は、「密閉系容器」とされており、即ち閉鎖系であるので、例えば宇宙空間等の高真空雰囲気においても、計測が可能となる。
【００７４】
従って、タンク１０に収容されていると共に大バッフル５１により計測用容器２０内に誘導される液体の体積が、計測用容器２０の容積を下回る段階になると、当該体積計測装置によって、計測用容器２０内に収容されている液体の体積を計測することができる。この際、タンク１０が、例えば数千リットル、数万リットルなど巨大なものであっても、動電型スピーカ１０１から発するべきヘルムホルツ型の計測を行うための音波の波長は、計測用容器２０の大きさに見合ったもので足りる。ここで、計測用容器２０の大きさを、好ましくは、計測したい体積範囲において計測精度が高くなる共鳴波長が得られるように設定しておけば、タンク１０内に残っている少量の液体の体積を、極めて高精度で計測することが可能となる。
【００７５】
以上の結果、本実施形態によれば、無重力下や微小重力下、液体燃料等の液体がタンク１０内に残り少なくなった場合でも、高精度での体積計測が可能となる。また、計測用容器２０が液体で一杯に満たされている際には、例えば光の減衰を使った等の既存の各種測定方法を用いて、別途計測すればよい。
【００７６】
尚、上述した実施形態では、計測用容器２０にマイクロフォンを設置しない構成を採用している。マイクロフォンの場合、音響信号に外部騒音が重畳される結果、Ｓ／Ｎ比が低下する可能性があるので、当該マイクロフォンを用いないで済む計測は、計測精度を高める観点からも有利である。但し、計測用容器２０にマイクロフォンを配置して、これにより受信された音波に係る音響信号に基づいて、計測用容器２０内の液体の体積を求めるように構成してもよい。この場合、計測時に、動電型スピーカ１０１から音波を出力すると、この音波は、計測用容器２０内へと出力され、マイクロフォンによりこの音波が受信され、この受信された音波に係る音響信号に基づいて、例えばヘルムホルツ型の計測によって、液体の体積が求められる。
【００７７】
更に、上述の実施形態では、動電型スピーカ１０１を定電流駆動しているが、これを定電圧駆動することで、動電型スピーカ１０１のボイスコイルに係るインピーダンス曲線の反共振周波数を特定或いは同定し、この反共振周波数によって体積を測定することも可能である。
【００７８】
次に図４及び図５を参照して、本発明に係る誘導手段の一例としての大バッフル５１の詳細構成について説明する。ここに図５は、図４に示された本実施形態に用いられる１個のバッフルを抜き出して拡大して示す斜視図である。
【００７９】
図４及び図５に示しように、大バッフル５１は、本発明に係る「誘導手段」の一例として、タンク１０内において、液体出入口５０と対向する箇所から、液体出入口５０に向かって延在しており、無重力又は微小重力状態において、タンク１０内に収容された液体を誘導するものである。大バッフル５１は、タンク１０内における液体の流路を規定又は規制する板状部材或いは邪魔板である。そして、タンク１０の内壁に、タンク１０の内部側に向かって立設されている。大バッフル５１の材質、表面状態、幅、厚み等は、扱うべき液体の属性や当該体積計測装置の使用環境に応じて、表面張力による誘導が効率的に行われるように実験的、経験的、シミュレーション等により決定される。ここでは、液体出入口５０と対向する箇所の幅が相対的に広く、液体出入口５０に近い箇所の幅が相対的に狭く構成されている。
【００８０】
尚、本実施形態では、以上のように構成された大バッフル５１を、図２から図４に既に示したように、４個だけ用いているが、４個未満だけ用いてもよいし、５個以上用いてもよい。
【００８１】
加えて、図２から図４に示した本実施形態に係る計測用容器２０内に設けられる小バッフル５２についても、計測用容器２０の大きさに応じて小さいものの、大バッフル５１と同様の原理で液体を誘導する形状を有している。小バッフル５２の材質、表面状態、幅、厚み等についても、扱うべき液体の属性や当該体積計測装置の使用環境に応じて、表面張力による誘導が効率的に行われるように実験的、経験的、シミュレーション等により決定される。
【００８２】
（変形形態）
第１実施形態の変形形態について図６及び図７を参照して説明する。ここに、図６及び図７は、変形形態における図５と同趣旨の斜視図である。
【００８３】
上述した第１実施形態では、大バッフル５１及び小バッフル５２が、本発明に係る「誘導手段」及び「他の誘導手段」の一例を夫々構成しているが、その変形形態として、これらのバッフルの少なくとも一方に代えて、ハーネスやフィンを用いることが可能である。
【００８４】
即ち図６に例示するように、一の変形形態では、大バッフル５１に代えて、ハーネス２５１を備える。小バッフル５２については、第１実施形態のままでもよいし、ハーネスに代えてもよい。その他の構成については、第１実施形態と同様である。
【００８５】
ハーネス２５１は、本発明に係る「誘導手段」の他の一例として、タンク１０内において、液体出入口５０と対向する箇所から、液体出入口５０に向かって延在する帯状部材が、その延在方向に沿った中心線を中心として内角が約９０度となるようにタンク１０の内部側に向けて折り曲げることで作成される。ハーネス２５１の材質、表面状態、幅、厚み、折曲角度等は、扱うべき液体の属性や当該体積計測装置の使用環境に応じて、表面張力による誘導が効率的に行われるように実験的、経験的、シミュレーション等により決定される。ここでは、その延在方向の幅や厚みは、均一に構成されている。このようなハーネス２５１によっても、タンク１０に収容された液体の表面張力によって、液体を計測用容器２０内に導くことができる。
【００８６】
また図７に例示するように、他の変形形態では、大バッフル５１に代えて、フィン３５１を備える。小バッフル５２については、第１実施形態のままでもよいし、フィンに代えてもよい。その他の構成については、第１実施形態と同様である。
【００８７】
フィン３５１は、本発明に係る「誘導手段」の他の一例として、タンク１０内において、液体出入口５０と対向する箇所から、液体出入口５０に向かって延在すると共にタンク１０の内部側に突出する棒状部材から作成される。フィン３５１の材質、表面状態、幅、厚み等は、扱うべき液体の属性や当該体積計測装置の使用環境に応じて、表面張力による誘導が効率的に行われるように実験的、経験的、シミュレーション等により決定される。
ここでは、その延在方向の幅や厚みは、均一に構成されている。このようなフィン３５１によっても、タンク１０に収容された液体の表面張力によって、液体を計測用容器２０内に導くことができる。
【００８８】
（第２実施形態）
図８を参照して、体積計測装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の体積計測装置は、本発明に係る「第２の体積計測装置」の実施形態であり、重力下におけるヘルムホルツ型の計測装置である。ここに図８は、第１実施形態に係る図２と同趣旨の図面であり、体積計測装置の全体を、被測定物たる液体を収容するタンク及び計測用機器を含めて示す図式的な断面図である。尚、図８において、図１から図７に示した第１実施形態と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００８９】
図８に示すように、第２実施形態に係る体積計測装置は、図１から図５に示した第１実施形態と比較して、バッフル等の誘導手段を備えないで構成されている点と、液体出入口５０が、タンク１０１及び第２空間２の鉛直方向Dgについての下側にくるように配置されている点が異なり、その他の構成については、第１実施形態の場合と基本的に同様である。
【００９０】
重力下であれば、バッフル等の誘導手段を用いなくても、重力によって、タンク１０内の液体を、計測用容器２０内に導くことが可能となる。よって、誘導手段なしで、第１実施形態と同様の計測原理によって（図１等参照）、計測用容器２０内における液体の体積を計測することが可能となる。
【００９１】
以上の結果、本実施形態によれば、重力下、液体燃料等の液体が大きなタンク１０内に残り少なくなった場合でも、高精度での体積計測が可能となる。尚、計測用容器２０が液体で一杯に満たされている際には、他の既存の各種測定方法を用いて、別途計測すればよい。
【００９２】
（第３実施形態）
図９から図１１を参照して、体積計測装置の第３実施形態について説明する。第３実施形態の体積計測装置は、本発明に係る「第１の体積計測装置」の他の実施形態である。ここに図９は、第１実施形態に係る図２と同趣旨の図面であり、体積計測装置の全体を、被測定物たる液体を収容するタンク及び計測用機器を含めて示す図式的な断面図であり、図１０は、そのうちタンク部分の平面図であり、図１１は、そのうちタンク部分の部分破断斜視図である。尚、図９から図１１において、図１から図７に示した第１実施形態と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００９３】
図９から図１１に示すように、第３実施形態に係る体積計測装置は、図１から図５に示した第１実施形態と比較して、共鳴管３の先端側に共鳴容器２５を有すると共に共鳴容器２５内に動電型スピーカ１０１を有しており、タンク１０ではなく共鳴容器２５が、本発明に係る共鳴する上での「第１容器」を構成する点が異なる。更に、共鳴容器２５及び共鳴管３の内壁にグルーブ５５を有する点が異なる。その他の構成及び動作原理については、第１実施形態の場合と基本的に同様である。
【００９４】
即ち図９から図１１において、本実施形態に係る体積計測装置は、タンク１０、計測用容器２０、共鳴管３、液体出入口５０、大バッフル５１、小バッフル５２及び液体取入口53を備え、更に、体積Ｖ１及び圧力ｐ１を有する第１空間をその内部に規定する共鳴容器２５と、共鳴容器２５内に配置された動電型スピーカ１０１と、共鳴管３の内壁に配置されたグルーブ５５とを備える。
【００９５】
この場合、計測用容器２０は、体積Ｖ２及び圧力ｐ２を有する第２空間をその内部に規定する、本発明に係る「第2容器」の一例を構成しており、「被測定物」の一例たる液体燃料等の液体を収容する大型タンク１０内に配置されている。共鳴容器２５は、本発明に係る「第1容器」の一例を構成しており、計測用容器２０によりその内部に規定される共鳴空間と、共鳴容器２５によりその内部に規定される共鳴空間との両空間が、例えばネックチューブである共鳴管３を介して連通されている。
【００９６】
図９中、最下端に位置する液体出入口５０を介して、外部から液体燃料がタンク１０内に補給され、燃料補給時に液体出入口５０を介して液体燃料がタンク１０から外部へ供給される。
【００９７】
大バッフル５１は、本発明に係る「誘導手段」の一例を構成しており、本実施形態ではタンク１０の内壁に夫々図において上下方向に延在するように４個設けられている。大バッフル５１は、タンク１０内の液体を、液体取入口５３を介して、液体の表面張力を利用して計測用容器２０内に導く。
【００９８】
小バッフル５２は、本発明に係る「他の誘導手段」の一例を構成しており、本実施形態では、計測用容器２０の内壁に夫々図において上下方向に延在するように４個設けられている。小バッフル５２は計測用容器２０内の液体を、表面張力を利用して液体出入口５０に導く。
【００９９】
本実施形態では特に、グルーブ５５は、本発明に係る「他の誘導手段」の一例を構成しており、共鳴容器２５と共鳴管３との内壁に配置されている。グルーブ５５は、表面張力により共鳴容器２５内の液体を計測用容器２０に誘導する。タンク１０内の液体体積が、計測用容器２０の体積以下の時は、グルーブ５５により、共鳴空間２５及び共鳴管３内は気相で占められる。
【０１００】
以上のように構成されているため、体積計測時には、動電型スピーカ１０１によって、共鳴容器２５内に音波を発生させることで、この音波に係る音響信号に基づいて、本発明に係る「処理手段」の一例を構成する、駆動用増幅器１０２、計測用増幅器１０３、発信・受信コントローラ１０４、及び演算器１０５によって、第１実施形態の場合と同様に、計測用容器２０によりその内部に規定される第２空間内に存在する液体の体積を求めることができる。
【０１０１】
このように本実施形態によれば、図1を参照して説明した「閉鎖系」容器内におけるヘルムホルツ型の計測により体積を求めるので、液体量が計測用容器２０の体積以下になった時の液体残量を正確に把握することが可能となる。
【０１０２】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う体積計測装置及び方法もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る体積計測装置における計測原理を説明する図式的な概念図である。
【図２】第１実施形態に係る体積計測装置の全体を、被測定物たる液体を収容するタンク及び計測用機器を含めて示す図式的な断面図である。
【図３】図２のうち、タンク部分の平面図である。
【図４】図２のうち、タンク部分の部分破断斜視図である。
【図５】図４に示された本実施形態に用いられる１個のバッフルを抜き出して拡大して示す斜視図である。
【図６】一の変形形態における図５と同趣旨の斜視図である。
【図７】他の変形形態における図５と同趣旨の斜視図である。
【図８】第２実施形態に係る体積計測装置の全体を、被測定物たる液体を収容するタンク及び計測用機器を含めて示す図式的な断面図である。
【図９】第３実施形態に係る体積計測装置の全体を、被測定物たる液体を収容するタンク及び計測用機器を含めて示す図式的な断面図である。
【図１０】図９のうち、タンク部分の平面図である。
【図１１】図９のうち、タンク部分の部分破断斜視図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１…第１空間
２…第２空間
３…共鳴管
１０…タンク
２０…計測用容器
３０…気相部
４０…液相部
５０…液体出入口
５１…大バッフル
５２…小バッフル
５３…液体取入口
１０１…動電型スピーカ、
１０２…駆動用増幅器
１０３…計測用増幅器
１０４…発信・受信コントローラ
１０５…演算器
【図１】
2006308565.tif 000010
【図２】
2006308565.tif 000011
【図３】
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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】
2006308565.tif 000017
【図９】
2006308565.tif 000018
【図１０】
2006308565.tif 000019
【図１１】
2006308565.tif 000020