(57)【要約】【課題】超音波変換器の設置角度ずれの影響を受けにくく、また液面エコー以外の不要エコーを低減して安定した液位計測を可能とする。【解決手段】超音波式液面計は、液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器４，５，６を備える。送信部１０１は、各超音波変換器４〜６からパルス波を互いに時間差を設けた送信位相関係で並列送信させる。また受信部１０２は、各超音波変換器４〜６の受信波を互いに時間差を設けた受信位相関係で合成し合成受信信号を得る。そして計測部１０３は、合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計において、
液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、
前記各超音波変換器からパルス波を互いに時間差を設けた送信位相関係で並列送信する送信手段と、
前記各超音波変換器の受信波を互いに時間差を設けた受信位相関係で合成し合成受信信号を得る受信手段と、
前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、
を具備したことを特徴とする液面計。
【請求項２】
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計において、
液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、
前記各超音波変換器からパルス波を同一位相で並列送信する送信手段と、
前記各超音波変換器の受信波を互いに時間差を設けた受信位相関係で合成し合成受信信号を得る受信手段と、
前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、
を具備したことを特徴とする液面計。
【請求項３】
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計において、
液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、
前記各超音波変換器からパルス波を互いに時間差を設けた送信位相関係で並列送信する送信手段と、
前記各超音波変換器の受信波を同一位相関係で合成し合成受信信号を得る受信手段と、
前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、
を具備したことを特徴とする液面計。
【請求項４】
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計において、
液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、
前記各超音波変換器のうちの一部の超音波変換器を送信用として選択する送信選択手段と、
選択した超音波変換器からパルス波を送信する動作を複数の選択パターンについて行う送信手段と、
前記各超音波変換器で受けた波を複数の超音波変換器について加算して受信波を得る加算受信手段と、
前記選択パターン毎の加算した前記受信波を、所定の受信位相関係で合成し、合成受信信号を得る受信手段と、
前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、
を具備したことを特徴とする液面計。
【請求項５】
前記受信波を所定の遅延時間範囲内で位相をずらして合成して得た合成受信信号の液面エコーの強度を複数の異なる受信位相パターンについて求め、液面エコーの強度が大きくなる受信位相パターンを採択して前記受信位相関係とすることを特徴とする、請求項１、２、または４に記載の液面計。
【請求項６】
前記各超音波変換器から並列にパルス波を発してその前記合成受信信号の液面エコーの強度を求める処理を複数の異なる送信位相パターンについて行い、液面エコーの強度が大きくなる送信位相パターンを採択して前記送信位相関係とすることを特徴とする、請求項１または３記載の液面計。
【請求項７】
複数の異なる前記受信位相パターンについて前記合成受信信号に含まれる液面エコー以外の不要エコーの強度を算出する手段と、
不要エコーの強度が大きい前記受信位相パターンを採択範囲から排除して、前記受信位相パターンの採択範囲を絞り込むことを特徴とする、請求項５記載の液面計。
【請求項８】
複数の異なる前記送信位相パターンについて前記合成受信信号に含まれる液面エコー以外の不要エコーの強度を算出する手段と、
不要エコーの強度が大きい前記送信位相パターンを採択範囲から排除して、前記送信位相パターンの採択範囲を絞り込むことを特徴とする、請求項６記載の液面計。
【請求項９】
前記送信位相関係を変化させてパルス波を発射して前記合成受信信号を得る動作を複数回行い、
得られた複数の合成受信信号の統計結果によって液面エコーを特定して、液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、
を具備したことを特徴とする、請求項１、３、６、７、または８記載の液面計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する超音波液面計に関し、詳しくは、超音波変換器の設置角度ずれの影響を受けにくく、また液面エコー以外の不要エコーを低減して安定した液位計測が可能な液面計（方法）を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波式液面計には、液面上検出型と液面下検出型とがある。液面上検出型の超音波式液面計は、液面の上方に超音波変換器を設置し、液面の上方向から超音波を気体中に発射し、液面で反射して戻ってきた超音波を受信する。液面下検出型の超音波式液面計は、液面の下方に超音波変換器を設置し、液面の下方向から超音波を液体中に発射し、液面で反射して戻ってきた超音波を受信する。液面下検出型には、例えばＬＰＧタンクの底部の外壁面に超音波変換器を設置し、超音波を上方向に発射してＬＰＧタンクの底部鋼板を通過させ、ＬＰＧ液中を伝播して液面で反射させ、反射波がＬＰＧ液中を伝播し、再びＬＰＧタンクの底部鋼板を通過して同じ超音波変換器で受信し、超音波の伝播遅延時間を計測して液残量を表示するものも含まれる。また、超音波式液面計には、同じ超音波変換器で送受を兼用にする方式と、超音波を発射する超音波変換器とは別の超音波変換器で反射波を受信する方式とがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、液面に向けて球面波状の超音波を発振する発振素子と、超音波の液面での反射波を受信する受信素子と、超音波の発振時点から反射波の受信時点までの時間差から液面の高さを計測する計測手段とを備えた超音波式液面計が開示されている。ここでは発振素子は、２次元的に分布された複数の超音波発振領域を有し、それら各超音波発振領域を中央に位置する領域から外周側に位置する領域に向けて時間差を付けて順に発振させることで、球面波状の超音波を発振させるものである。
【特許文献１】特開２００４−５３５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
液面上検出型、液面下検出型、あるいは超音波変換器の送受兼用方式、送受非兼用方式、いずれの超音波式液面計おいても、液面からの反射波を受信できるように、超音波の発射方向、受波方向を合わせて超音波変換器が設置される必要がある。液面に対して超音波変換器の設置方向が適正でないと液位の計測に誤差が生じたり、誤計測、計測不能といった状況となってしまう恐れがある。
【０００５】
例えばＬＰＧタンク底面外壁に設置する超音波変換器は、液面に対して超音波が鉛直方向に行き来するようにＬＰＧタンク底面が水平となる位置に取り付ける必要があり、もしずれた角度に取り付けられた場合には、反射波が超音波変換器の位置に戻らず受信できない為、液位を計測出来なくなり、ガス残量が把握できず最悪の場合ガス切れに至ってしまうことも起こりうる。
【０００６】
従来、このような超音波変換器の取り付けずれ対策として、ひとつは超音波変換器の設置時に、水平器を用いてＬＰＧタンク底面の水平位置を確認して取り付ける方法があった。しかしこの場合、水平器を必要とし、また水平器で確認した水平位置を正確にマーキングした後に超音波変換器をマーキングに合わせて正確に取り付ける必要があった。また別の対策として、超音波式液面計自身に、液面エコーの強度が所定レベルにあるかどうかをチェックする機能を持たせ、運用開始前にチェック動作させる方法も行っていたが、チェック動作させた際の液位によっては、液面エコーが強くなる場合があり、たとえ超音波変換器の取り付けずれがあったとしても検出できなかった。
以上のように従来の超音波式液面計では、超音波変換器の取り付け角度を液面に対して正確に合わせることが困難な場合や、チェック機能を設けても不十分な場合があった。
【０００７】
また特許文献１のように、従来の液面計においても超音波発振素子に複数の超音波発振領域を設けて、中央の領域から外周側の領域へ向けて時間差を設けて発振させることで、球面波状の超音波を発振させ、傾いた液面にたいしても液面検出が行なえるようにする方法は考案されていた。
しかし、このような従来の液面計では、超音波が広い指向角で放射されるものの、センサに戻ってくる反射波はそのごく一部の超音波となってしまう。その為、超音波のエネルギーの利用効率低下を伴ってしまい、超音波の送信出力を大きくした場合には電力消費が増大したり、受信アンプの増幅率を高めた場合にはノイズを受けやすくなる等の問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する超音波式液面計において、超音波変換器の設置角度ずれの影響を受けにくく、また液面エコー以外の不要エコーを低減して安定した液位計測を可能とした超音波式液面計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以上の点を解決する為に、以下の構成をとる。
＜構成１＞
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計であって、液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、前記各超音波変換器からパルス波を互いに時間差を設けた送信位相関係で並列送信する送信手段と、前記各超音波変換器の受信波を互いに時間差を設けた受信位相関係で合成し合成受信信号を得る受信手段と、前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１０】
＜構成２＞
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計であって、液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、前記各超音波変換器からパルス波を同一位相で並列送信する送信手段と、前記各超音波変換器の受信波を互いに時間差を設けた受信位相関係で合成し合成受信信号を得る受信手段と、前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１１】
＜構成３＞
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計であって、液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、前記各超音波変換器からパルス波を互いに時間差を設けた送信位相関係で並列送信する送信手段と、前記各超音波変換器の受信波を同一位相関係で合成し合成受信信号を得る受信手段と、前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１２】
＜構成４＞
液面へ送信した超音波の液面エコーの受信タイミングをもとに液位を検知する液面計において、液面へ向けて超音波を送受する複数の超音波変換器と、前記各超音波変換器のうちの一部の超音波変換器を送信用として選択する送信選択手段と、選択した超音波変換器からパルス波を送信する動作を複数の選択パターンについて行う送信手段と、前記各超音波変換器で受けた波を複数の超音波変換器について加算して受信波を得る加算受信手段と、前記選択パターン毎の加算した前記受信波を、所定の受信位相関係で合成し、合成受信信号を得る受信手段と、前記合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１３】
＜構成５＞
受信波を所定の遅延時間範囲内で位相をずらして合成して得た合成受信信号の液面エコーの強度を複数の異なる受信位相パターンについて求め、液面エコーの強度が大きくなる受信位相パターンを採択して前記受信位相関係とすることを特徴とする。
【００１４】
＜構成６＞
各超音波変換器から並列にパルス波を発してその合成受信信号の液面エコーの強度を求める処理を複数の異なる送信位相パターンについて行い、液面エコーの強度が大きくなる送信位相パターンを採択して前記送信位相関係とすることを特徴とする。
【００１５】
＜構成７＞
複数の異なる送信位相パターンについて前記合成受信信号に含まれる液面エコー以外の不要エコーの強度を算出する手段と、不要エコーの強度が大きい前記送信位相パターンを採択範囲から排除して、前記送信位相パターンの採択範囲を絞り込むことを特徴とする。
【００１６】
＜構成８＞
複数の異なる受信位相パターンについて前記合成受信信号に含まれる液面エコー以外の不要エコーの強度を算出する手段と、不要エコーの強度が大きい前記受信位相パターンを採択範囲から排除して、前記受信位相パターンの採択範囲を絞り込むことを特徴とする。
【００１７】
＜構成９＞
前記送信位相関係を変化させてパルス波を発射して前記合成受信信号を得る動作を複数回行い、得られた複数の合成受信信号の統計結果によって液面エコーを特定して、液面エコーの受信タイミングを計測する液面エコー計測手段を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数の超音波変換器を配置し、液面エコーが強くなる送信位相、受信位相を選び出し、液面計測時に、選出した送信位相で各超音波変換器を駆動し、各受信信号を選出した受信位相で合成した合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測することにより、各超音波変換器の音束の主軸が液面に対し鉛直方向にない状態に設置されていたとしても、複数の伝播経路による受信信号のタイミングを整合して液面エコーが強調された合成受信信号を得ることができる。また液面エコー以外の不要エコーが強くなる条件を避けて送信位相、受信位相を選定するようにしたので、不要エコーが小さく液面エコーがはっきりとした良好な合成受信信号を用いて液面エコーの受信タイミングをより確実に計測することができるようになる。
そして本発明による液面計では、複数の超音波変換器の送信位相もしくは受信位相をどのようにかさねればよいかを制御することで、超音波のエネルギー利用効率を低下させずに、またＳ／Ｎを低下させずに、液面反射波を捕らえることができる。
したがって、超音波変換器の設置角度ずれの影響を受けにくく、また液面エコー以外の不要エコーを低減して安定した液位計測が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を具体例を用いて説明する。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の一実施形態をあらわした超音波液面計の概観図である。図１において、タンク１底面には円筒型のケース３に収められた３つの超音波変換器４，５，６が設置されている。また、制御部１４は、液位を表示するための表示器１５を有する。ケース３と制御部１４はケーブル１３で接続され、超音波変換器４，５，６の電気配線がケーブル１３内を通る。
【００２０】
図２は、タンク１の底面に設置した超音波変換器４，５，６と液中を伝播する音束の様子を図示したものである。このように超音波変換器４，５，６はタンク外壁底面に密着して設置される。
超音波変換器４，５，６から発した超音波はタンク１の底面の鋼板を通過して貯蔵液中を進行し、液面２で反射して戻り、再びタンク１の底面の鋼板を通過して超音波変換器に戻る。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態１に係る超音波液面計の構成図である。本発明の主要構成である制御部１４は、図１において送信部１０１と、受信部１０２と、計測部１０３から構成される。送信部１０１は、パルス発生回路１０４と、各超音波変換器４〜６別に設けられた送信遅延回路１０５と、各超音波変換器４〜６を駆動するためのドライバ回路１０６と、各送信遅延回路１０５に送信遅延時間を設定するための送信遅延時間設定回路１０７とからなる。
【００２２】
受信部１０２は、各超音波変換器４〜６別に、受けた超音波信号を増幅する増幅器１０８と、その増幅信号をディジタルデータ列に変換するＡＤ変換器１０９と、変換したディジタルデータ列、つまり受信データを記憶するメモリー１１０と、受信データを時間シフトさせるための受信遅延回路１１１と、受信遅延回路１１１に遅延時間を設定するための受信遅延時間設定回路１１２と、各受信遅延回路の出力信号を加算して合成受信信号を生成するための信号加算回路１１３とからなる。
【００２３】
図４は、本発明の実施形態１に係る超音波液面計の動作の一部を説明するフローチャートであり、詳しくは、液面計測動作に先立って、送信遅延時間設定回路１０７の送信遅延時間設定値と受信遅延時間設定回路１１２の受信遅延時間設定値とを決定付けする動作を説明するフローチャートである。
送信遅延時間設定値は、送信する各超音波変換器４〜６に対する送信遅延時間値からなる３つの数値組であり、送信位相パターン、または送信位相とも呼ぶ。受信遅延時間設定値は、各受信信号に対する受信遅延時間値からなる３つの数値組であり、受信位相パターン、または受信位相とも呼ぶ。
【００２４】
送信位相の３つの数値が例えば１１、２２、０［ｕＳ］の場合には、送信位相Pｓ＝（１１，２２，０）と表記する。また受信位相の３つの数値が例えば４４、０、６６［ｕＳ］の場合には、受信位相Ｐｒ＝（４４，０，６６）と表記する。例えば送信位相Ｐｓ＝（０，０，０）は、遅延なしに同時にパルスを送信することを意味する。予め送信位相として設定し得るものを集めたデータを用意しておく。このデータを送信位相パターン集合という。
【００２５】
ここで送信位相パターン集合の各送信位相パターンは、あらかじめ用意された送信遅延時間値の組である。その各送信遅延時間値は時間範囲が所定の範囲内をとり、範囲内を変化させた値である。例えば時間範囲を０〜１０としたとき、
送信位相パターン集合＝｛（０，０，０），（０，０，１），（０，０，２），・・・，（０，０，１０），（０，１，０），（０，２，０），・・・，（１０，０，０），（０，１，１），・・・，（１０，１０，０）｝
を用いる。ここで、個々の送信遅延時間値は、相互の時間差に意味がある。そこで例えば（１，１，１）は全てに均等に遅延を与えているだけであり最初の要素（０，０，０）があれば十分であるから要素として加えていない。
受信位相パターン集合についても同様に作成し用意をしておく。
【００２６】
以下図４に沿って送信位相と受信位相の決定動作について説明する。図４のステップＳ１０１で、まず送信位相パターン集合の中の、ひとつの送信位相パターンを選ぶ。ステップＳ１０２に進み、選んだ送信位相パターンの各送信遅延時間を送信遅延回路１０５に設定した後、パルスを各超音波変換器から各送信遅延をともなって送信する。
【００２７】
ステップＳ１０３で、各超音波変換器４〜６の受信波が増幅器１０８で増幅され、ＡＤ変換器１０９でディジタルデータに変換され、各受信信号データ列を得る。得られた受信信号データ列は、メモリー１１０に一時保存される。次にステップＳ１０４に進み、受信位相パターン集合の中のひとつの受信位相パターンを選ぶ。次のステップＳ１０５に進むと、選んだ受信位相パターンの各受信遅延時間を受信遅延回路１１１に設定した後、信号加算回路１１３で各受信信号データ列をそれぞれ設定された受信遅延時間をずらして加算され、合成受信信号を得る。得られた合成受信信号は、選んだ送信位相パターンと受信位相パターンの情報と一緒に、図４の一連処理が完了するまでの間、一時記憶される。
【００２８】
ステップＳ１０６に進み、全ての受信位相パターンについて処理が完了していなければ、ステップＳ１０４に戻りつぎの受信位相について処理する。こうしてステップＳ１０4とＳ１０５の処理を繰り返し、やがて全ての受信位相パターンについて処理した場合にはＳ１０７へ分岐し、ひとつの送信位相パターンに関する各受信位相パターン別の合成受信信号からそれぞれ液面エコー強度を求める。液面エコー強度は、例えば合成受信信号中の液面エコーの波高値とする。
【００２９】
ステップＳ１０８に進み、ひとつの送信位相パターンにおける各受信位相パターンでの液面エコー強度を比較し、最大の液面エコー強度の受信位相パターンを検索する。そしてこの最大の液面エコー強度と、その送信位相パターン、受信位相パターンを一時記憶する。次にステップＳ１０９に進み、全ての送信位相パターンについて処理が完了していなければ、ステップＳ１０１に戻りつぎの送信位相について処理する。
【００３０】
こうしてステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理を繰り返し、やがて全ての送信位相パターンについて処理した場合にはステップＳ１１０へ分岐し、各送信位相における最大液面エコー強度のうち、最大のもの、つまり、選択した送信位相パターンと受信位相パターンとの組合わせ全てを通じて最大の液面エコー強度を検索する。そして、その最大の液面エコー強度となった送信位相パターンを液面計測時の送信位相として記憶する。
またステップＳ１１１でその最大液面エコー強度となった受信位相パターンを液面計測時の受信位相として記憶する。以上のようにして液面計測に先立って送信位相、受信位相を決定する。
【００３１】
図５は、本発明の実施形態１に係る超音波液面計の液面計測動作に関するフローチャートであり、以下同図に沿って説明する。まずステップＳ２０１で図４の処理で求めた送信位相、つまり各超音波変換器毎の送信遅延時間を送信遅延回路に設定する。次にステップＳ２０２で、パルス発生回路１０４を起動し、各送信遅延回路、各ドライバ回路を経て、各超音波変換器からパルスを送信する。次にステップＳ２０３で、各超音波変換器の受信波が増幅器１０８で増幅され、ＡＤ変換器１０９でディジタルデータに変換され、各受信信号データ列を得る。得られた受信信号データ列は、メモリー１１０に一時保存される。
【００３２】
次にステップＳ２０４で図４の処理で求めた受信位相、つまり各超音波変換器毎の受信遅延時間を設定する。次にステップＳ２０５に進み、信号加算回路１１３で各受信信号データ列をそれぞれ設定された受信遅延時間をずらして加算され、合成受信信号を得る。次にステップＳ２０６に進み、合成受信信号から液面エコーを検出する。液面エコーの検出方法としては、例えば合成受信信号のレベルが所定値レベルを最初に超えたタイミングを液面エコーとして検出する方法などがある。次にステップＳ２０７に進み、検出した液面エコータイミングから液面エコー時間を計算する。次にステップＳ２０８に進み、求めた液面エコー時間から、対象としている液体の音速データに基づいて、液面レベルを算出し、表示器１５に結果を表示する。通常、液体の音速は、温度によって変化するため、図示しない温度センサでタンク１の底部の温度を測定し、測定した温度に対する音速値を用いて液面レベルを求める。
【００３３】
前述したステップＳ２０７での液面エコー時間の計算処理について補足する。液面エコー時間精度が要求される液面計の場合には、検出した液面エコータイミングに含まれる送信遅延時間と受信遅延時間の成分を除去する必要がある。その為、例えば図６に示す計算式によって送信遅延時間と受信遅延時間を除去した正味の液面エコー時間を求める。図６に示すように、ｎをエコーデータ番号（ｎ＝１，２，３）、Ｖ（ｎ）をエコー強度、ｔｓ（ｎ）を送信した超音波変換器の送信遅延時間、ｔｒ（ｎ）を受信信号合成時の受信遅延時間、ｔ（ｎ）を検出した液面エコータイミング、ｔｅ（ｎ）を正味の液面エコー遅延時間とするとき（ステップＳ３０１）、次式より、正味の液面エコー時間を算出する（ステップＳ３０２）。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
もちろん液面エコー時間精度が要求されない液面計の場合には、上述のような送信遅延時間と受信遅延時間の成分を除去する処理は必要ない。
【００３６】
図７に液面計の動作時の各部の波形例を示す。説明上、超音波変換器４，５についての波形例のみ示し、超音波変換器６に関する波形は図示していない。図７において、（Ａ）と（Ｄ）はそれぞれ、超音波変換器４の送信パルス波形と超音波変換器５の送信パルス波形である。超音波変換器４の送信パルスは、送信遅延時間ｔｓｄ４だけ遅れて送信され、超音波変換器５の送信パルスは、送信遅延時間ｔｓｄ５だけ遅れて送信される。その時間差Δｔｓｄ＝ｔｓｄ５−ｔｓｄ４が図示してあり、おおよそ１／４波ほど、超音波変換器５が遅くパルスを送信している。
【００３７】
また図７において、（Ｂ）と（Ｃ）はそれぞれ、超音波変換器４の受信信号波形と、超音波変換器４の受信遅延後の受信信号波形であり、受信遅延時間はｔｒｄ４に設定されている。図７の（Ｅ）と（Ｆ）はそれぞれ、超音波変換器５の受信信号波形と、超音波変換器５の受信遅延後の受信信号波形であり、受信遅延時間はｔｒｄ５に設定されている。これらの受信遅延時間ｔｒｄ４，ｔｒｄ５は、液面計測動作に先立って決定されたものであり、決定条件は、合成受信信号の液面エコー強度が最大となる条件であった。
【００３８】
波形上では、受信遅延後のそれぞれの超音波変換器４と５の受信信号波形の液面エコー波形が同じタイミングで重なったとき合成受信信号波形も大きくなり液面エコー強度も大きくなると考えられる。したがって、受信遅延時間ｔｒｄ４，ｔｒｄ５をそれぞれ設定すれば、ほぼ最大の液面エコーを含む合成受信信号が得られることになる。
送信遅延時間ｔｓｄ４，ｔｓｄ５についても、決定条件は、合成受信信号の液面エコー強度が最大となる条件であった。したがって、決定した受信遅延時間と組み合わせて、送信遅延時間ｔｓｄ４，ｔｓｄ５を設定すれば、ほぼ最大の液面エコーを含む合成受信信号が得られることになる。
【００３９】
図８、図９、図１０は、音波伝播の様子を図示したものである。説明上、超音波変換器４、５のみを示し、超音波変換器６は図示していない。図８は、超音波変換器４と５が液面距離（液面までの距離）に対し十分に近い距離に配置されている場合の音波伝播の様子を図示したものである。また図９は、超音波変換器４と５が離れて配置され、液面距離も近い場合である。また図１０は、超音波変換器４と５が離れて配置され、液面距離は比較的離れている場合である。
【００４０】
まず図８の場合を考える。このように超音波変換器が非常に近い配置関係にある場合には、それぞれの音波が液中で合成波が形成されているとみなすことができる。超音波変換器４で受信する液面エコーには、超音波変換器４自身で発した音波によるものと超音波変換器５で発した音波によるものが含まれる。つまり超音波変換器４で発した音波の液面反射波を超音波変換器５で受信したり、その逆の伝播経路も存在する。発した超音波変換器と受信する超音波変換器が同じ場合の音波の経路は、液面に垂直方向（鉛直方向）になる。発した超音波変換器と受信超音波変換器が異なる場合の音波の経路は、厳密には鉛直方向とは僅かにずれた角度を持つが、超音波変換器間の距離が液面距離に比べ十分近い場合には、鉛直方向成分のみとみなして考えても差し支えないであろう。
【００４１】
タンク１底面内壁上の超音波変換器４、５のそれぞれの中心位置をＳａ２，Ｓａ１とし、液面２上のＲａ２，Ｒａ１をそれぞれＳａ２，Ｓａ１の鉛直方向の投影とする。超音波変換器４で発してその液面エコーを超音波変換器４で受ける場合の音波の伝播長をＬ４４とする。同様に超音波変換器５で発し超音波変換器５で液面エコーを受ける場合の音波の伝播長をＬ５５とする。また超音波変換器４で発し超音波変換器５で液面エコーを受ける場合の音波の伝播長をＬ４５、その逆経路の伝播長をＬ５４とすると、
【００４２】
【数２】
2008304320.tif 000004
【００４３】
今、図８のように、Ｌ４４＜Ｌ５５を想定すると、
Ｌ４４＜Ｌ４５＜Ｌ５５          （式５）
Ｌ４４＜Ｌ５４＜Ｌ５５          （式６）
となる。
【００４４】
まず超音波変換器５で受信するエコーに関する経路Ｌ５５とＬ４５を考える。どちらも超音波変換器５で受信するエコーとなるから、エコーの受信タイミングを合わせるためには超音波変換器４を送信遅延すればよい。超音波変換器４の送信遅延時間を音波伝播長に換算した距離（送信遅延距離）Ｌｓｄ４ａであらわすと、
Ｌｓｄ４ａ＝Ｌ５５−Ｌ４５＝（Ｌ５５−Ｌ４４）／２      （式７）
【００４５】
また、超音波変換器４で受信するエコーに関する経路Ｌ４４とＬ５４を考える。どちらも超音波変換器４で受信するエコーとなるから、エコーの受信タイミングを合わせるには超音波変換器４を送信遅延すればよい。この場合の送信遅延距離をＬｓｄ４ｂであらわすと、
Ｌｓｄ４ｂ＝Ｌ５４−Ｌ４４＝（Ｌ５５−Ｌ４４）／２      （式８）
【００４６】
（式７）と（式８）の比較により、
Ｌｓｄ４ａ＝Ｌｓｄ４ｂ      （式９）
つまり、超音波変換器４で受信するエコーについても超音波変換器５で受信するエコーについても同じ送信遅延を用いて、自身で発した音波によるエコーと相手が発した音波によるエコーとをタイミング合わせができる。
【００４７】
そこで超音波変換器４，５の送信位相Ｐｓｄを
Ｐｓｄ＝（Ｌｓｄ４，０）＝（Ｌ５５／２−Ｌ４４／２，０）    （式１０）
とし、超音波変換器４の受信遅延時間を音波伝播長に換算した距離（受信遅延距離）をＬｒｄ４とすれば、最長の伝播長Ｌ５５に受信タイミングを合わせればよいので、
Ｌｒｄ４＝Ｌ５５−（Ｌ４４＋Ｌｓｄ４）＝Ｌｓｄ５      （式１１）
ゆえに超音波変換器４、５の受信位相Ｐｒｄは、
Ｐｒｄ＝（Ｌｒｄ４，０）＝（Ｌ５５／２−Ｌ４４／２，０）    （式１２）
【００４８】
以上、２つの超音波変換器の場合について述べたが、ｎ個（ｎ≧２）の超音波変換器の場合についても液面距離に対し互いに十分近い距離に配置されている場合には、ｎ個の超音波変換器の相互のエコータイミングを合わせられる送信位相と受信位相が選択可能である。
【００４９】
＜証明＞
超音波変換器ｎ個について、各超音波変換器自身へ戻るエコーの伝播長を
Ｌ１１≦Ｌ２２≦・・・≦Ｌｎｎ
なる順序としても一般性は失われない。任意の超音波変換器ｍ（ｍ＝１，２，・・・，ｎ））の送信遅延距離Ｌｓｄｍを超音波変換器ｎとの関係のみに着目して、つぎのように選択する。
Ｌｓｄｍ＝Ｌｎｎ／２−Ｌｍｍ／２  （ｍ＝１，２，・・・，ｎ）      （式１３）  
【００５０】
各超音波変換器間の距離は液面距離に比べ十分近いので、１〜ｎまでの任意の数ａ，ｂについて、
Ｌａｂ＝Ｌｂａ＝（Ｌａａ＋Ｌｂｂ）／２  （１≦ａ≦ｎ，１≦ｂ≦ｎ）  （式１４）
とみなすことができる。超音波変換器ａで受信するエコータイミングを考えると、（式１４）より、
Ｌｎａ＋Ｌｓｄｎ＝（Ｌｎｎ＋Ｌａａ）／２            （式１５）  
Ｌｂａ＋Ｌｓｄｂ＝（Ｌｂｂ＋Ｌａａ）／２＋（Ｌｎｎ−Ｌｂｂ）／２
＝（Ｌｎｎ＋Ｌａａ）／２            （式１６）
よって（式１５）の左辺と（式１６）の左辺が等しくなるから、
Ｌｂａ＋Ｌｓｄｂ＝（Ｌｎｎ＋Ｌａａ）／２  （１≦ａ≦ｎ，１≦ｂ≦ｎ）（式１７）
【００５１】
（式１７）の左辺は、任意の超音波変換器ｂから発した音波のエコーを任意の超音波変換器ａで受信する場合の伝播長Ｌｂａと超音波変換器ｂの送信遅延長Ｌｓｄｂを加えた距離であり、右辺は、最長の液面距離にある超音波変換器ｎと超音波変換器ａとのエコーの平均伝播長である。右辺は、ｂを含まないので、超音波変換器ｂの選び方によらないことを意味する。
以上により、任意の超音波変換器ａで受信するエコーについて、すべての超音波変換器で発した音波のエコータイミングを合わせられる送信位相が選択可能であることが証明された。
【００５２】
つぎに受信位相について、任意の超音波変換器ｍ（ｍ＝１，２，・・・，ｎ）の受信遅延距離Ｌｒｄｍを超音波変換器ｎとの関係のみに着目して、つぎのように選択する。
Ｌｒｄｍ＝Ｌｎｎ／２−Ｌｍｍ／２  ｍ（ｍ＝１，２，・・・，ｎ）  （式１８）
すると、１〜ｎまでの任意の数ａ，ｂについて、（式１３）、（式１４）、（式１８）を用いて、
Ｌｓｄａ＋Ｌａｂ＋Ｌｒｄｂ＝（Ｌｎｎ／２−Ｌａａ／２）＋（Ｌａａ＋Ｌｂｂ）／２＋（Ｌｎｎ／２−Ｌｂｂ／２）
Ｌｓｄａ＋Ｌａｂ＋Ｌｒｄｂ＝Ｌｎｎ            （式１９）
【００５３】
（式１９）の左辺は、超音波変換器ａの送信伝播長Ｌｓｄａと、超音波変換器ａから発し超音波変換器ｂで受けるエコーの伝播長Ｌａｂと、超音波変換器ｂの受信遅延長Ｌｒｄｂとを加えた距離であり、（式１９）の右辺は、最も液面距離の長い超音波変換器ｎ自身へ戻るエコーの伝播長Ｌｎｎである。つまり任意のエコー経路について、送信遅延長と受信遅延長を加えるとすべて同じタイミングで液面エコーを重ね合わせられることを意味する。
以上により、液面距離に比べ互いに近距離に配置されているｎ個の超音波変換器の場合、全ての液面エコータイミングを合わせられる送信位相と受信位相が選択可能であることが証明された。
【００５４】
なお、全ての液面エコータイミングを合わせられる場合を説明したが、必ずしも全ての液面エコータイミングを合わせられなくてもかまわない。例えば図１０は、超音波変換器４と５が離れて配置され、液面距離は比較的離れている場合の液面エコーを受信する経路を図示したものである。このように各超音波変換器４，５が離れて配置されている場合には、音波を発した超音波変換器自身に戻ってくる液面エコーの経路と、音波を発した超音波変換器とは異なる超音波変換器で受信する液面エコーの経路とを一組の送信位相と受信位相によって合わせることができない場合が多い。
【００５５】
しかし図８の場合に比べ図１０では異なる超音波変換器で受信する液面エコーが弱いなど、各経路での液面エコー強度にばらつきがでやすい。そのため全ての液面エコーの経路について考慮する必要性は薄く、上述したように最も強く現れる液面エコーを得るための送信位相と受信位相の組み合わせを採択する方法により、液面計測は可能となる。勿論、図９のように、各超音波変換器４，５が離れて配置され、液面距離が近距離の場合には、送信した超音波変換器と受信した超音波変換器が同じと見なせるので、各超音波変換器の位置での液面距離のずれだけを考えればよく、送信位相または受信位相で補正して液面エコータイミングを合わせられる。
【００５６】
以上の説明では、最も強く現れる液面エコーを得るための送信位相と受信位相の組み合わせを一つ選び出すこととしたが、送信位相と受信位相の組み合わせを複数選び出してもよい。例えば、液面エコーが最も強くなる送信位相と受信位相の組を一組選び出し、さらに次に液面エコーが強くなる送信位相と受信位相の組をもう一組選び出す。そして１回目は最初の送信位相と受信位相で動作させて１回目の合成受信信号を得て、２回目は次の送信位相と受信位相で動作させて２回目の合成受信信号を得て、最後に１回目の合成受信信号と２回目の合成受信信号とを合成して全部の合成受信信号を得て、その全部の合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測するようにしてもよい。
【００５７】
以上説明したように、液面エコーが強くなる送信位相と受信位相の組を選び出し、液面計測時に、選出した送信位相で各超音波変換器を駆動し、各受信信号を選出した受信位相で合成した合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測することにより、各超音波変換器の音束の主軸が液面に対し鉛直方向にない状態に設置されていたとしても、複数の伝播経路による受信信号のタイミングを整合して液面エコーが強調された合成受信信号を得ることができるため、安定した液面計測が実現できる。
【００５８】
＜実施形態２＞
図１１は、本発明の実施形態２に係る超音波液面計の構成図である。本実施形態における超音波液面計は、タンク１の底面外壁に設置された３つの超音波変換器４，５，６と、制御部から構成され、制御部と超音波変換器４，５，６とはケーブルで接続されている。制御部は、図１１において送信部２０１と、受信部２０２と、計測部２０３から構成される。
【００５９】
送信部２０１は、パルス発生回路２０４と、超音波変換器を駆動するためのドライバ回路２０６とからなる。受信部２０２は、各超音波変換器別に、受けた超音波信号を増幅する増幅器２０８と、その増幅信号をディジタルデータ列に変換するＡＤ変換器２０９と、変換したディジタルデータ列、つまり受信データを記憶するメモリー２１０と、受信データを時間シフトさせるための受信遅延回路２１１と、受信遅延回路２１１に遅延時間を設定するための受信遅延時間設定回路２１２と、各受信遅延回路の出力信号を加算して合成受信信号を生成するための信号加算回路２１３とからなる。
【００６０】
本発明の実施形態２に係る超音波式液面計では、液面計測動作時に、受信遅延時間設定回路２１２の受信遅延時間設定値を変化させて液面エコー強度が大きくなるようにして合成受信信号を生成し、その合成受信信号から液面エコー時間を計測する。
図１２は液面計測動作を説明するフローチャートである。まず図１２のステップＳ４０１で、パルス発生回路２０４を起動し、各ドライバ回路を経て、各超音波変換器からパルスを送信する。次にステップＳ４０２で、各超音波変換器の受信波が増幅器２０８で増幅され、ＡＤ変換器２０９でディジタルデータに変換され、各受信信号データ列を得る。得られた受信信号データ列は、メモリー２１０に一時保存される。
【００６１】
次にステップＳ４０３で予め決められた範囲の受信位相、つまり各超音波変換器毎の受信遅延時間の組み合わせ（受信位相パターン）をひとつ選択する。次にステップＳ４０４に進み、信号加算回路２１３で各受信信号データ列をそれぞれ設定された受信遅延時間をずらして加算され、合成受信信号を得る。次にステップ４０５に進み、合成受信信号から液面エコー強度を算出する。次にステップＳ４０６に進み、液面エコー強度が最大となる受信位相パターンでの合成受信信号を保存する。具体的には、今回の液面エコー強度と、前回までの最大の液面エコー強度との比較を行い、今回の液面エコー強度が前回までの最大の液面エコー強度を超えていた場合に、今回の液面エコー強度と、今回の合成受信信号とを保存する。
【００６２】
そしてステップＳ４０７に進み、全ての受信位相パターンについて実施していなければ、ステップＳ４０３に戻り、別の受信位相パターンでの合成受信信号の生成、液面エコー強度算出、最大液面強度の合成受信信号の保存という処理を繰り返す。もし全ての受信位相パターンについて完了したら、ステップＳ４０８に進み、液面エコー強度が最大となった合成受信信号から、液面エコーのタイミングを調べ、液面エコー時間を計算する。最後に、ステップＳ４０９に進み、液面エコー時間から液面レベル、例えば液面距離などに換算し、表示器に表示する。
【００６３】
この実施形態は、各超音波変換器から同一位相で音波が送信される。実施形態１のような送信位相をもたないので、液面エコーの受信タイミングの整合性能はやや劣るが、送信回路が簡素化している点が有利である。
以上説明したように、液面エコーが強くなる受信位相で合成した合成受信信号から液面エコーの受信タイミングを計測することにより、各超音波変換器の音束の主軸が液面に対し鉛直方向にない状態に設置されていたとしても、複数の伝播経路による受信信号のタイミングを整合して液面エコーが強調された合成受信信号を得ることができるため、安定した液面計測が実現できる。
【００６４】
＜実施形態３＞
図１３は、本発明の実施形態３に係る超音波液面計の構成図である。本実施形態における超音波液面計は、タンク１の底面外壁に設置された３つの超音波変換器４，５，６と、制御部から構成され、制御部と超音波変換器４，５，６とはケーブルで接続されている。制御部は、図１３において送信部３０１と、受信部３０２と、計測部３０３から構成される。
【００６５】
送信部３０１は、パルス発生回路３０４と、各超音波変換器別に設けられた送信遅延回路３０５と、各超音波変換器を駆動するためのドライバ回路３０６と、各送信遅延回路に送信遅延時間を設定するための送信遅延時間設定回路３０７とからなる。受信部３０２は、各超音波変換器の受信信号を加算する受信信号加算回路３１５と、受信信号加算回路３１５の出力として得られた合成受信信号を増幅する増幅器３０８と、その増幅信号をディジタルデータ列に変換するＡＤ変換器３０９とからなる。変換したディジタルデータ列、つまり合成受信データをもとに計測部３０３は、液面レベルを算出して表示器に表示する。
【００６６】
図１４は、本発明の実施形態３に係る超音波液面計の動作の一部を説明するフローチャートであり、詳しくは、液面計測動作に先立って送信遅延時間設定回路３０７の送信遅延時間設定値の絞込みを行う動作を説明するフローチャートである。送信遅延時間設定値のうち、液面エコーの検出を妨げてしまうような不要エコーが出やすい送信遅延時間設定を除外する処理である。
【００６７】
まず図１４のステップＳ５０１では、予め決められた送信位相パターン集合の中のひとつの送信位相パターンを選ぶ。そしてステップＳ５０２に進み、選んだ送信位相パターンでパルスを各超音波変換器から送信する。すると各超音波変換器が受信波を受け、各超音波変換器の受信信号が受信信号加算回路３１５で加算される。加算の結果、合成受信信号が得られ、ステップＳ５０３では、そのＡＤ変換の結果、合成受信信号データが得られる。
【００６８】
つぎのステップＳ５０４に進み、合成受信信号データから液面エコーを検出し、液面エコーとそれ以外の不要エコーとを識別する。次にステップＳ５０５に進み、不要エコーと識別された波形の最大振幅を求め、不要エコー強度とする。次にステップＳ５０６に進み、求めた不要エコー強度が、所定の上限値以上の大きさだった場合には、ステップＳ５０７に進んで、選択した送信位相パターンを液面計測では用いないように、選択対象外として登録しておく。次にステップＳ５０８に進み、以上述べた処理を全ての送信位相パターンに対して実行するよう、未実施の送信位相パターンがある場合には、ステップＳ５０１に戻って別の送信位相パターンについて引き続き処理を繰り返す。全ての送信位相パターンに対し実行したら完了とする。
【００６９】
図１５は、本発明の実施形態３に係る超音波液面計の液面計測動作を説明するフローチャートである。図１５のステップＳ６０１で、まず送信位相パターン集合の中の、ひとつの送信位相パターンを選ぶ。このとき、上述した図１４の処理で選択対象外として登録されていない送信位相パターンを選ぶようにする。ステップＳ６０２に進み、選んだ送信位相パターンの各送信遅延時間を送信遅延回路３０５に設定した後、パルスを各超音波変換器から各送信遅延をともなって送信する。すると各超音波変換器が受信波を受け、各超音波変換器の受信信号が受信信号加算回路３１５で加算される。加算の結果、合成受信信号が得られ、ステップＳ６０３では、そのＡＤ変換の結果、１回目の合成受信信号データが得られる。
【００７０】
つぎのステップＳ６０４からＳ６０６は、１回目の手順ステップＳ６０１からＳ６０３とほぼ同様の手順であるが、1回目とは送信遅延時間の設定値が異なる。このとき設定する送信遅延時間の組についても、選択対象外として登録されていない送信位相パターンを選ぶようにする。ステップＳ６０６まで実行すると１回目とは異なる送信位相パターンに関する２回目の合成受信信号データを得る。つぎにステップＳ６０７に進み、
１回目と２回目の合成受信信号を加算して全合成受信信号を得る。次にステップＳ６０８に進み、全合成受信信号から液面エコーを検出する。次にステップＳ６０９に進み、液面エコーのタイミングから液面エコー時間を計算する。次にステップＳ６１０に進み、液面エコー時間から液面レベル、例えば液面距離などを計算し、表示器に表示する。
【００７１】
以上の説明では、1回目と2回目の合成受信信号を加算した全合成受信信号から液面エコーを検出すると述べた。このように異なる送信位相パターンの受信信号を加算する統計手法の代わりに、異なる送信位相パターンの受信信号のエンベロープ波形を求め、エンベロープ波形から液面エコーを検出してもよい。つまり異なる送信位相パターンの受信信号の波形を加算することなしに同じグラフ上に重ねて描き、その重ね合わさった複数の波形の包絡線を求める統計手法もある。あるいは各送信位相パターン毎の受信信号のエンベロープ波形を求めた上で、異なる送信位相パターンのエンベロープ波形の平均波形から液面エコーを検出してもよい。
【００７２】
この実施形態は、各超音波変換器の受信波は、同一位相関係、つまり同じ時間軸上で加算される。実施形態１のような受信位相をもたないので、液面エコーの受信タイミングの整合性能はやや劣るが、受信回路が簡素化している点が有利である。特に各超音波変換器の受信信号を加算する受信信号加算回路３１５は、例えば各超音波変換器の受信信号を直列抵抗を介して接続するような単純な加算回路でもよく、また増幅器３０８とＡＤ変換器３０９も1系統設ければよいので、安価に構成可能である。
【００７３】
図１４に示した不要エコー強度が大きい送信位相パターンを排除する処理は、液面計測の都度実施する必要はなく、例えば様々な液面高さのときに図１４の処理を何度か行った結果、排除される送信位相パターンがいつも決まったものであるならば、一定期間毎、または液面高さ範囲毎、計測回数ｎ回毎など、実行回数を減らしても良い。
以上の説明では、液面計測処理に先立って、不要エコー強度が大きい送信位相パターンを排除する処理を行う方法として示したが、もちろん、液面計測処理内で不要エコーを検出する方法もある。
【００７４】
以上の説明では、不要エコー強度が大きい送信位相パターンについて排除を行う処理を説明したが、受信位相を導入した液面計であれば、不要エコー強度が大きい受信位相パターンについて排除を行う処理で実現してもよい。更には、送信位相と受信位相とを併用する液面計であれば、不要エコー強度が大きい送信位相と受信位相との組合わせを排除する処理で実現しても良い。
以上説明したように、液面エコー以外の不要エコーが強くなる条件を避けて送信位相、受信位相を選定するようにしたので、不要エコーが小さく液面エコーがはっきりとした良好な合成受信信号を用いて液面エコーの受信タイミングをより確実に計測することができるようになる。
【００７５】
＜実施形態４＞
図１６は、本発明の実施形態４に係る超音波液面計の構成図である。本実施形態における超音波液面計は、タンク１の底面外壁に設置された３つの超音波変換器４，５，６と、制御部から構成され、制御部と超音波変換器４，５，６とはケーブルで接続されている。制御部は、図１６において送信部４０１と、受信部４０２と、計測部４０３から構成される。
【００７６】
送信部４０１は、パルス発生回路４０４と、駆動する超音波変換器を選択する送信選択回路４１６と、各超音波変換器を駆動するためのドライバ回路４０６とからなる。受信部４０２は、各超音波変換器の受信信号を加算する受信信号加算回路４１５と、受信信号加算回路４１５から出力された受信信号の加算結果を増幅する増幅器４０８と、その増幅信号をディジタルデータ列に変換して受信データを出力するＡＤ変換器４０９と、複数の受信データを記憶するメモリー４１０と、各受信データを時間シフトさせるための受信遅延回路４１１と、受信遅延回路４１１に遅延時間を設定するための受信遅延時間設定回路４１２と、各受信遅延回路の出力信号を加算して合成受信信号を生成するための受信信号合成回路４１３とからなる。合成受信信号をもとに計測部４０３は、液面レベルを算出して表示器に表示する。
【００７７】
図１７は、本発明の実施形態４に係る超音波液面計の動作を説明するフローチャートである。まず図１７のステップＳ７０１で、送信する超音波変換器群（選択パターン）を一つ選ぶ。選択パターンとして、例えば、つぎのような６つのパターンを用いる。
【００７８】
選択パターン１＝超音波変換器１を選択
選択パターン２＝超音波変換器２を選択
選択パターン３＝超音波変換器３を選択
選択パターン４＝超音波変換器１と２を選択
選択パターン５＝超音波変換器２と３を選択
選択パターン６＝超音波変換器３と１を選択
【００７９】
初回は、例えば選択パターン１を選ぶ。次にステップＳ７０２に進み、パルス発生回路を起動して、選択した超音波変換器からパルスを送信する。次にステップＳ７０３に進み、各超音波変換器の受信波を受信信号加算回路４１５、増幅器４０８、ＡＤ変換器４０９を用いて受信データ列を獲得しメモリー４１０に格納する。つぎにステップＳ７０４で、全ての選択パターンについて実行していなければ、再びステップＳ７０１に戻って次の選択パターンを選び、繰り返す。こうして全ての選択パターンについて、各選択パターン毎の受信信号データ列を得ると、ステップＳ７０５に進み、予め用意された受信位相パターンのひとつを選び、各受信信号データの受信遅延時間を設定して、各受信信号データ毎に受信遅延させた信号を加算して、ひとつの合成受信信号を得る。
【００８０】
そしてステップＳ７０６で全ての受信位相パターンについて実施したかを確認し、未実施ならステップＳ７０５の処理を、別の受信位相パターンについて繰り返す。こうして全ての受信位相パターンについて合成受信信号を得ると、ステップＳ７０７に進み、各受信位相パターン毎の合成受信信号毎に液面エコー強度を算出する。次にステップＳ７０８に進み、液面エコー強度が最大の合成受信信号から液面エコー時間を計算する。次にステップＳ７０９に進み、液面エコー時間から液面レベルを算出し、表示器に表示する。
【００８１】
この実施形態は、実施形態１のように送信遅延回路、増幅器を各超音波変換器毎に設けることなく、実施形態１と同等の液面エコーの受信タイミングの整合性能を実現したものである。実施形態１では、送信位相を制御可能としたが、この実施形態では、送信する超音波変換器の送信選択機能と送信選択パターン毎の各受信信号の受信位相機能とによって、送信位相に相当する制御を可能としたことに特徴がある。例えば超音波変換器４と５の送信位相を制御する替わりに、超音波変換器４だけ送信した時の受信信号と超音波変換器５だけ送信した時の受信信号との受信位相を可変とすることで液面エコーの受信タイミングを整合できるのである。
【００８２】
以上の説明では、各超音波変換器の受信信号を加算する受信信号加算回路４１５を用いたが、代わりに各超音波変換器の受信信号の接続をスイッチするアナログスイッチ、もしくは各超音波変換器の受信信号からひとつの受信信号を選択するアナログマルチプレクサを配置してもよい。アナログスイッチやアナログマルチプレクサなど、アナログスイッチ類を配置した場合には、アナログスイッチ類の選択も含めて選択パターンを用意すればよい。つまり選択パターンは、送信選択回路の選択とアナログスイッチ類の選択の組み合わせとして用意する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施形態をあらわした超音波液面計の概観図である。
【図２】タンクの底面に設置した超音波変換器と液中を伝播する音束の様子を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る超音波液面計の構成図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る超音波液面計の動作の一部を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態１に係る超音波液面計の液面計測動作に関するフローチャートである。
【図６】送信遅延時間と受信遅延時間を除去した正味の液面エコーを求める処理を説明するための図である。
【図７】液面計の動作時の各部の波形例を示す図である。
【図８】音波伝播の様子を示す図である。
【図９】音波伝播の様子を示す他の図である。
【図１０】音波伝播の様子を示す更に他の図である。
【図１１】本発明の実施形態２に係る超音波液面計の構成図である。
【図１２】本発明の実施形態２に係る液面計測動作を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の実施形態３に係る超音波液面計の構成図である。
【図１４】本発明の実施形態３に係る超音波液面計の動作の一部を説明するフローチャートであ
【図１５】本発明の実施形態３に係る超音波液面計の液面計測動作を説明するフローチャートである。
【図１６】本発明の実施形態４に係る超音波液面計の構成図である。
【図１７】本発明の実施形態４に係る超音波液面計の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００８４】
１…タンク、２…液面、３…ケース、４，５，６…超音波変換器、１３…ケーブル、１４…制御部、１５…表示器、１０１…送信部、１０２…受信部、１０３…計測部、１０４…パルス発生回路、１０５…送信遅延回路、１０６…ドライバ回路、１０７…送信遅延時間設定回路、１０８…増幅器、１０９…ＡＤ変換器、１１０…メモリー、１１１…受信遅延回路、１１２…受信遅延時間設定回路、１１３…信号加算回路、２０１…送信部、２０２…受信部、２０３…計測部、２０４…パルス発生回路、２０６…ドライバ回路、２０８…増幅器、２０９…ＡＤ変換器、２１０…メモリー、２１１…受信遅延回路、２１２…受信遅延時間設定回路、２１３…信号加算回路、３０１…送信部、３０２…受信部、３０３…計測部、３０４…パルス発生回路、３０５…送信遅延回路、３０６…ドライバ回路、３０７…送信遅延時間設定回路、３０８…増幅器、３０９…ＡＤ変換器、３１５…受信信号加算回路、４０１…送信部、４０２…受信部、４０３…計測部、４０４…パルス発生回路、４０６…ドライバ回路、４０８…増幅器、４０９…ＡＤ変換器、４１０…メモリー、４１１…受信遅延回路、４１２…受信遅延時間設定回路、４１３…受信信号合成回路、４１５…受信信号加算回路、４１６…送信選択回路。
【図１】
2008304320.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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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