(57)【要約】【課題】構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別できる液体検知装置を提供する。【解決手段】液体検知装置１は、液体Ｌを収容した容器１９０を被測定系として、該容器１９０の側壁部２００外面に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、容器１９０の側壁面を介して被測定系を音響励振する音響励振手段２を有する。また、音響励振手段２とともに測定実施位置に取り付けて使用され、該音響励振手段２による被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段２を有する。そして、検出された残響情報に基づいて、容器１９０内の測定実施位置における液体Ｌの存在状態を反映した液体存在状態情報を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容した容器を被測定系として、該容器の壁部外面に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、前記容器の側壁面を介して前記被測定系を音響励振する音響励振手段と、
前記音響励振手段とともに前記測定実施位置に取り付けて使用され、該音響励振手段による前記被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段と、
検出された前記残響情報に基づいて、前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の存在状態を反映した液体存在状態情報を出力する液体存在状態情報出力手段と、
を備えたことを特徴とする液体検知装置。
【請求項２】
前記音響励振手段は超音波出力部を有し、該超音波出力手段が出力する測定用超音波ビームを、前記被測定系を励振するための励振用測定プローブとして使用するものである請求項１記載の液体検知装置。
【請求項３】
前記容器が金属タンクであり、前記超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に前記測定用超音波ビームを出力するものである請求項２記載の液体検知装置。
【請求項４】
前記金属タンクは前記液体として液化ガスを収容するものである請求項３記載の液体検知装置。
【請求項５】
前記超音波出力部は、前記被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、前記前記被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、前記残響検出手段に兼用されるものである請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項６】
前記超音波出力部は、前記被測定系に前記測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断するものであり、
前記残響検出手段は、前記測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動を検出するものであり、
検出される前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定する液体有無判定手段を有し、前記液体存在状態情報出力手段は、その判定結果を出力するものである請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項７】
前記液体有無判定手段は、前記減衰残響振動の検出情報に基づいて、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映した減衰レベル情報を取得し、当該減衰レベル情報に反映された減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものである請求項６記載の液体検知装置。
【請求項８】
前記液体有無判定手段は、前記減衰残響振動の検出情報に基づいて、該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものである請求項６記載の液体検知装置。
【請求項９】
前記容器上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置を選択して前記減衰残響振動の計測を行なったとき、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間が最大化されるように、前記測定用超音波ビームの周波数が設定される請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【請求項１０】
該容器内の液体深さ方向において互いに異なる測定実施位置にて前記残響情報を検出し、個々の測定実施位置における前記残響情報の検出結果に基づいて、前記容器内の液面位置を反映した液面位置反映情報が出力可能とされてなる請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の液体検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−５３５０４号公報
【特許文献２】特開２００２−９０２１０号公報
【特許文献３】特開平７−１８１０７２号公報
【０００３】
従来、タンク内面に超音波の送信面ないし受信面を露出させる形で超音波送信部及び受信部を配置し、超音波ビーム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高さを知ることができるようにした液面計が知られている（特許文献１，２）。しかし、この方式の液面計は容器内部に超音波送信部及び受信部を露出配置しなければならず、構造が複雑化する上、液面計を有さない容器へは適用できない難点がある。一方、対象となる容器の外側から非接触で液面を検知する方式として、容器壁を透過させる形で送信された超音波を反対側の壁（正反対側の鋼板材の壁で媒質との境界）で反射させ、再び容器壁を透過してトランスジューサまで戻ってくる反射波を検出し、液の有無を判断する方式が知られている（例えば特許文献３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記透過型の液面検出方式には、超音波を送信後、反射波が戻ってくるまでの伝播遅延時間があり、反射経路に沿った超音波パルスの伝播距離が長く信号のロスが大きい欠点がある。信号のロスが大きいということは、結局のところ、駆動直後に容器に伝播する機械的振動ノイズや残響ノイズ、温度・経時変化によるトランスジューサの特性劣化（特に、ダンパー特性の劣化）、トランスジューサと容器との機械的な結合状態などの影響を受けやすいことを意味し、感度低下を招きやすいことは必至である。特に、容器壁部を透過する音波の信号レベル低下や、取り付け状態によるノイズの影響をとりわけ受けやすく、液の有無を判定する受信信号を検出する際のＳ／Ｎが悪化する問題がある。
【０００５】
結局、上記透過型方式では、Ｓ／Ｎ比の低下を防止するために、フィルタリングなどの複雑な信号処理や制御が必要となり、回路やソフトウェアの複雑化ひいては高コスト化が避け難い。また、検出周波数の決定や、回路ゲインあるいはコンパレータレベル等の設定・調整にも長時間を要し、液面判定の迅速性も損なわれやすくなる。
【０００６】
本発明の課題は、構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別できる液体検知装置を提供する。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の液体検知装置は、
液体を収容した容器を被測定系として、該容器の壁部上に定められた測定実施位置に取り付けて使用され、容器の側壁面を介して被測定系を音響励振する音響励振手段と、
音響励振手段とともに測定実施位置に取り付けて使用され、該音響励振手段による被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段と、
検出された残響情報に基づいて、容器内の測定実施位置における液体の存在状態を反映した液体存在状態情報を出力する液体存在状態情報出力手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の液体検知装置によると、容器の壁部外側に取り付けた音響励振手段により、液体を収容した容器を被測定系としてこれを音響励振し、その音響励振を遮断したときの被測定系からの残響情報に基づいて容器内の測定実施位置における液体の存在状態を検出する。すなわち、従来のごとく液体中へ伝播する励振音波の反射情報を検出するのではなく、駆動直後の被測定系からの残響情報を自由振動波形の形で検出するので、音波が媒質中を伝播する遅延時間が発生せず検出時間が早い。また、従来の透過型検出方式では、検知情報となる反射波に対し駆動直後の残響がノイズとして作用し、特に容器の寸法が小さい場合や、音速が大きい液体の場合、残響ノイズによるＳ／Ｎ比低下が避け難かった。しかし、この発明では、その残響情報がノイズではなく信号（シグナル）として逆に利用されるのであり、しかも、残響情報が検出される際には音響励振のための入力波は遮断された後なので、これがノイズ要因となることは原理的にありえない。従って、極めて安定で高感度な液体検出が可能となり、信頼性が大きく向上する。
【０００９】
上記の音響励振手段は超音波出力部を有するものとして構成できる。この場合、該超音波出力手段が出力する測定用超音波ビームを、被測定系を励振するための励振用測定プローブとして使用する。超音波ビームは指向性が高く、波形拡散によるロスも小さいので、より高感度な液体検出が可能である。また、測定適用対象となる容器が金属タンク（特に鋼鉄製など、内部音響損失の比較的小さい材料で構成されたもの）である場合は、空の状態で残響が減衰し難く、液体を収容した状態との残響特性にも大きな差を生じ易いので、液体検出の精度が高い利点がある。この場合、超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に測定用超音波ビームを出力するように構成しておくとよい。
【００１０】
本発明においては、励振用測定プローブは可聴帯音源を使用することも可能であるが、上記の金属タンクが液体として液化ガス（液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）などの燃料用液化ガス、液化炭酸ガス、液化アンモニアガス、液体窒素などのボンベ、タンク、コンテナなどが主な用途である）を収容するものである場合、超音波を励振用測定プローブとして採用することの波及効果が高い。すなわち、液化ガスの場合密度が低く、タンク壁部とタンク内部との音響インピーダンス差が液有り状態と液無し状態とでそれほど大きくない。この場合、可聴帯音源を励振用測定プローブとして用いると残響挙動にも差を生じにくく、液体存在状態に係る正確な知見が得にくくなる。しかし、超音波ビームを用いれば液体存在状態に応じて残響挙動に大きな差を生じ、正確な液体検出が可能となる。
【００１１】
本発明においては、超音波ビームによる励振を遮断した後の残響を検出するので、励振期間と残響検出期間とが時系列的に順次行なわれる形になる。従って、超音波出力部は、被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段に兼用されるものとして構成することができる。このようにすると、１個の超音波トランスジューサにより超音波送信部と残響検出部とを兼用でき、装置のコンパクト化及び低コスト化に寄与する。
【００１２】
超音波出力部は、被測定系に測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断するものとして構成することができる。また、残響検出手段は、測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動を検出するものとすることができる。そして、検出される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定する液体有無判定手段を有し、前述の液体存在状態情報出力手段は、その判定結果を出力するものとして構成することができる。液体の非存在部では容器壁部の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。その結果、容器壁部を外から音響励振した場合、容器壁部は、壁部内に反射して戻る音波が主体的となるため内側の空間からは音響的に分離され、固体で構成された壁部の固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。この傾向は、容器側が内部摩擦の小さい金属にて構成されている場合に特に著しい。しかし、液体の存在部では、容器壁部の内側に液体が存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、壁部内面を経て内部摩擦の大きい液体内に漏れこむ音波比率が増加して振動減衰は著しくなる。従って、検出される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を容易に判定することができるのである。
【００１３】
液の存在部と液の非存在部との間で、減衰残響振動の減衰特性に波形の上で顕著な差が存在すれば、その差を数値化することにより液体の有無に係る判定を容易に実行することが可能となる。振動波形の減衰挙動を数値化する手法は種々存在し、そのいずれを用いてもよい。
【００１４】
例えば、液体有無判定手段は、減衰残響振動の検出情報に基づいて、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映した減衰レベル情報を取得し、当該減衰レベル情報に反映された減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成できる。この方式によると、減衰残響振動の減衰レベルを反映可能なパラメータを任意に定め、励振を遮断した後の経過時間を固定化して、そのパラメータ値を一律に測定することで、少ないパラメータサンプリング回数にて液の存在の有無に係る判定を容易に行なうことができる。当該のパラメータ値としては、減衰振動波形のピーク振幅値を採用してもよいし、励振を遮断した後の減衰振動波形変位の時間積分値を採用してもいずれでもよい。
【００１５】
他方、液体有無判定手段は、減衰残響振動の検出情報に基づいて、該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものとして構成してもよい。この方式では、上記と同様のパラメータ値の時間変化を監視する必要が有り、パラメータサンプリング回数は増大するが、ノイズ等による突発的なパラメータ値の変化を誤差として容易に識別できるので、判定精度を高めることができる利点がある。
【００１６】
本発明の液体検出装置の原理においては、容器壁部に対する音響励振の周波数が容器壁部の固有振動数（倍音振動を含む）から大きく隔たっていると、液の非存在部であっても残響振動の減衰が著しくなるので、液存在部との間で減衰特性に差異を生じにくくなり、液体の有無の判定精度が低下することにつながる。従って、測定用超音波ビームの周波数については上記固有振動数に対応した値（例えば、固有振動数を中心とする±１０％以内の所定幅に属する近傍値：望ましくは一致した値）に設定されていることが望ましい。該固有振動数は、容器壁部の材質や厚みにより異なる値を示すので、測定用超音波ビームの周波数も該材質や厚みに応じて最適の値に設定することが望ましいといえる。
【００１７】
いずれにせよ、測定用超音波ビームの周波数を最適化するには、容器上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置を選択して種々の周波数にて減衰残響振動の計測を行ない、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間（残響時間）が最大化されるように周波数を選択するとよい。例えば、容器側壁部の上部や、確実に液が存在しない容器最上面部（天面部）に測定実施位置を定めることで、液無し状態で残響時間が最大となる条件を容易に決定でき、液の有無をより確実に判定できるようになる。
【００１８】
測定対象となる容器が常に同じであれば、上記周波数は、一度最適値に設定してしまえば超音波トランスジューサの経時劣化等に伴う微調整を除けば、以降は同じ周波数での測定を継続すればよい。しかし、１つの検出装置で、容器壁部の材質や厚みの異なる任意の容器での測定に対応できるようにするためには、測定用超音波ビームの周波数を可変に構成し、測定対象容器が変更されるたびに、個々の容器に最適に周波数に調整しつつ用いることが必要である。すなわち、測定用超音波ビームの周波数は、測定対象となる容器に応じて可変設定可能としておくことが望ましい。
【００１９】
本発明の液体検知装置により、該容器内の液体深さ方向において互いに異なる測定実施位置にて残響情報を検出すれば、個々の測定実施位置における残響情報の検出結果に基づいて、容器内の液面位置を反映した液面位置反映情報を出力することができる。この場合、容器壁部に対する音響励振手段及び残響検出手段の取り付け位置を容器深さ方向に順次変えながら測定を行ない、その検出状態が液有り状態（ないし液無し状態）から液無し状態（ないし液有り状態）に変化する位置を読み取ることで、液面位置を知ることができる。例えば、容器側壁部に対し複数の音響励振手段及び残響検出手段を容器深さ方向に所定の間隔で複数組取り付け、どの位置の残響検出手段までが液有り状態となっているかに応じて液面位置を知ることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る液体検知装置の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、測定対象となる容器の一例を示すものであり、ＬＰＧ又はＬＮＧの金属タンク１９０として構成されている。金属タンク１９０は鋼鉄製であり、円筒状の側壁部２００の上下に、底面部２０２及び天面部２０３をそれぞれ溶接部２０１により接合した構造を有する。側壁部２００の壁厚はほぼ一様であるが、溶接部２０１の位置では溶接ビードの形成により局所的に厚みが増した形となっている。底面部２０２及び天面部２０３は、側壁部２００と同一材質及び厚みの鋼板をカップ状にプレス成形したものであり、いずれも外周縁部が側壁部２００との溶接部２０１に向けて滑らかにつながる湾曲面形態とされている。また、天面部２０３の上部中央には圧力制御弁が組み込まれたガス取出部２０３Ｖが形成されている。該金属タンク１９０に上記ＬＰＧないしＬＮＧからなる液体Ｌが収容され、被測定系を構成する。
【００２１】
そして、液体検知装置１は、上記の金属タンク１９０内の液体Ｌの存在状態、具体的には液面ＬＶの位置を、タンク外から測定できるように構成されている。液体検知装置１は、具体的には、該容器１９０の側壁部２００の外面に対し、液深さ方向の任意位置に押し当て可能な（つまり、ユーザーの欲する任意の測定実施位置に取り付け可能な）超音波トランスジューサ２を有している。該超音波トランスジューサ２は、容器１９０の側壁面２００を介して被測定系（液体Ｌを収容した金属タンク１９０）を音響励振する音響励振手段と、該音響励振手段による被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段とを兼ねる。具体的には、超音波トランスジューサ２は、被測定系を励振する励振用測定プローブとして所定の周波数の測定用超音波ビームＳＷを金属側壁部２００の厚さ方向に出力する超音波出力部の機能と、その測定用超音波ビームＳＷの出力を遮断したときの被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部の機能とを合わせ有するものである。
【００２２】
図２は、液体検知装置１の構成例を、その電気的構成とともに示す概念図である。該液体検知装置１は、ユーザーが手で保持可能な樹脂等で構成された筐体３を有し、その先端面に超音波トランスジューサ２がはめ込まれている。超音波放出面となる超音波トランスジューサ２の前端面は、筐体３の前端に形成された開口内に位置し、その表面に密着する形で音響インピーダンス整合層２Ｐが取り付けられている。音響インピーダンス整合層２Ｐは、超音波トランスジューサ２（圧電セラミック）と容器側壁部２００（鋼鉄）との中間（望ましくは両者の幾何学平均値）の音響インピーダンスを有するとともに、容器側壁部２００に押し付けられたときに追従変形してその外面に密着できる柔軟弾性材料（例えば、シリコーン樹脂）にて構成されている。
【００２３】
超音波トランスジューサ２は、駆動回路１０１からの駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、残響超音波の受信により電気信号（受信信号）を信号処理回路１０３に出力する超音波受信機能とを複合して備える。具体的には、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板２１と、該圧電セラミック振動板２１の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板２１を挟んで対向形成された電極対１ｅ，１ｅとを備える。この電極対１ｅ，１ｅは、超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック振動板２１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、残響超音波の受信時には圧電セラミック振動板２１の振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。これら電極対１ｅ，１ｅと、駆動回路１０１及び信号処理回路１０３との接続切替は切替スイッチ１０１ｓにより行なわれる。
【００２４】
駆動回路１０１は、出力周波数が可変に構成された発振回路（ここでは、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１０１ｂと、その発振回路１０１ｂの出力を増幅して圧電セラミック振動板２１へ駆動信号として出力する主回路（アンプ）１０１ａとを有する。発振回路１０１ｂの出力周波数は、周波数設定部１０２から入力される周波数指示電圧に応じて変更される。
【００２５】
図１５は、駆動回路１０１の構成例を示すものであり、マイコン１００によってデジタル情報として与えられる周波数指示電圧値がＤ／Ａ出力ポートからアナログ指示電圧としてＶＣＯ１０ｂの指示電圧入力端子ＳＣＫに入力される。ＶＣＯ１０ｂは出力端子ＯＵから、当該指示電圧に一義的に対応した周波数の方形波パルス信号からなる基本信号（Ａ）を出力する。一方、マイコン１００からは、バースト波の駆動持続時間を規定する駆動時間パルス信号（Ｂ）が出力され、上記基本信号（Ａ）とともに主回路１０１ａに入力される。主回路１０１ａでは、上記２つの出力（Ａ，Ｂ）が変調制御用ゲートＩＣ５１に入力され、駆動時間パルス信号を上記基本信号で変調したバースト駆動信号が生成される。バースト駆動信号は、バッファ回路（シンク電流確保のため、並列接続された複数のバッファＩＣ（ここでは、論理積ゲートで代用している）で構成している：出力側にはプルダウン抵抗Ｒ５１が挿入されている）ＩＣ５２，ＩＣ５３を介して、信号Ｃとして駆動トランジスタＴｒ５１の制御端子（ここでは、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート端子）に入力される。
【００２６】
次に、主回路１０１ａは、一端が駆動電源（ＶＢ）に接続さるとともに、他端がプルダウン抵抗Ｒ５２を介して接地された駆動コイルＬ５１を有する。そして、それら駆動コイルＬ５１とプルダウン抵抗Ｒ５２との接続点からは、超音波トランスジューサ２の駆動ラインが分岐しており、該ライン上には調整抵抗Ｒ５３と、並列の双方向ダイオード対Ｄ５１，Ｄ５２からなるインピーダンス変換用のブートストラップ回路５１が設けられている。そして、上記接続点から別に分岐する駆動制御ライン上に上記の駆動トランジスタＴｒ５１が設けられている。バースト駆動信号（Ｃ）がＬレベルのとき、駆動トランジスタＴｒ５１は遮断状態となり、駆動コイルＬ５１には電磁エネルギーが蓄積される。そして、バースト駆動信号（Ｃ）がＨレベルに変化すると駆動トランジスタＴｒ５１は導通状態となり、駆動コイルＬ５１に蓄積された電磁エネルギーが誘導電流となって放出され、駆動ラインを介して超音波トランスジューサ２に供給される。
【００２７】
図３は信号処理回路１０３の構成例を示すもので、圧電セラミック振動板２１からの減衰振動波形を増幅するアンプ１０３ａ、増幅された減衰振動波形を包絡線検波する検波回路１０３ｂ、その検波出力を積分する積分回路１０３ｃ、該積分回路からの出力を閾値Ｖｔｈと比較して液有無に関する判定信号を出力する判定回路１０３ｄとを有する。検波回路１０３ｂは種々の構成が可能であるが、本実施形態では、入力側にて不要なバイアス直流成分（例えば、アンプ１０３を単極性増幅とする場合に、アンプ入力信号に作為的に重畳される増幅用バイアス電流である）を除去するバイアスカットコンデンサＣ１と、そのバイアスカット後の交流入力波形を半波整流する整流用ダイオードＤ１と、半波整流後の波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部とを有している。リップル除去部は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２とで構成された簡易ローパスフィルタ回路であり、リップルを十分除去しつつも半波整流波形のピーク点を包絡線結合した減衰波形は損なわれないように時定数が設定される。
【００２８】
また、積分回路１０３ｃは、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３とで構成されているが、コンデンサＣ３の容量は、規定のタイミングｔｍまでの減衰波形入力に伴い、判定に支障のない程度まで出力電圧が上昇する程度に上記のリップル除去部よりも大きく設定されている。判定回路は、この積分出力電圧を、閾電圧Ｖｔｈ（抵抗ハーフブリッジ（Ｒ３，Ｒ４）による電源電圧Ｖｃｃの抵抗分圧電圧として与えられている）と比較して、その比較結果を二値出力するコンパレータＩＣ１にて構成されている。そして、図４に示すように、コンパレータＩＣ１の出力レベルにより液有りと液無しとが判別可能となる。この実施形態では、積分出力電圧が閾電圧Ｖｔｈよりも大きい場合にはコンパレータＩＣ１の出力が液無しを示すＨレベルとなり、逆の場合に液有りを示すＬレベルとなる。
【００２９】
図２に戻り、上記の駆動回路１０１、切替スイッチ１０１ｓ、周波数設定部１０２、信号処理回路１０３は、これらの動作シーケンス制御を司るマイコン１００に接続されている。また、該マイコン１００には入力部１０５と表示部１０４も接続されている。入力部１０５は押しボタンスイッチやキーボードなどで構成され、液体検知の開始トリガー操作や、周波数設定処理に使用される。また、表示部１０４は液体有無の検出判定結果を出力するものであり、例えばＬＥＤ点灯部として構成されている。図１に示すごとく、本実施形態では、液無しの場合に点灯する第一ＬＥＤ１０４ａ（例えば、赤色）と、液有りの場合に点灯する第二ＬＥＤ１０４ｂ（例えば、緑色）とで構成されているが、これを１つのＬＥＤの点灯状態で識別させることも可能である（例えば、液有り＝連続点灯、液無し＝点滅点灯）。また、測定モード表示（例えは、液検出モードと周波数設定処理モード）や操作誘導情報の出力等も可能とするために、表示部１０４を液晶ディスプレイ等の表示パネルにて構成することも可能である。
【００３０】
以下、液体検知装置１の動作について説明する。図１に示すように、まず、超音波トランスジューサ２上の音響インピーダンス整合層２Ｐの表面（以下、検知面という）を、容器１９０上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置ＰＲ（ここでは容器頂面部２０３の上面に設定されている）に押し付けて周波数設定を行なう。この設定時の動作の詳細は液体有無検知処理と関連が深いので後述する。
【００３１】
周波数設定が完了すれば、容器１９０の側壁部２００の外面に対し、所望の測定実施位置に検知面を押し当て、図２の入力部１０５から測定開始入力を行なう（例えば、入力部１０５に含まれる「測定」ボタンを押すなど）。すると、マイコン１００は測定駆動プログラムを起動し、測定処理を開始する。図５は、その処理の流れを示すフローチャートである。まず、Ｓ１にて、超音波トランスジューサ２を駆動回路１０４に接続する駆動接続状態に切替スイッチ１０１Ｓが切り替わり、駆動回路１０４は設定された周波数にて駆動交流電圧を超音波トランスジューサ２に印加する。これにより、超音波トランスジューサ２から測定用超音波ビームＳＷが上記の測定実施位置にて側壁部２００に向け出力され、これを音響励振する。
【００３２】
図７Ａに示すように、この駆動交流電圧の印加はパルス状のバースト駆動入力波形にて行なわれ、例えば１０〜５０μｓ程度に定められた印加パルス期間ｔｎが完了すれば強制的に遮断される。そして、その遮断とともに切替スイッチ１０１Ｓは、超音波トランスジューサ２を信号処理回路１０３に接続する信号検出接続状態に切り替わり、励振遮断後の容器１９０からの残響振動を超音波トランスジューサ２により検出する。実際には、切替スイッチ１０１Ｓの切替動作に要する期間等を勘案し、励振遮断後一定の遅延時間Δｔ経過してから残響振動の検出が開始される。
【００３３】
図６は、その残響振動の検出波形の一例を示すもので、液体Ｌの非存在部（液無し部）では容器１９０側壁部２００の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。側壁部２００に入力された測定用超音波ビームは、壁部内面にてほぼ全反射して金属製の側壁部２００内に戻り、側壁部２００の材質及び厚さにて決まる固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。その結果、図６の上に示すように、残響の尾引きが非常に長くなる。しかし、液体Ｌの存在部（液有り部）では、側壁部２００の内側に液体Ｌが存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、側壁部２００を透過して内部摩擦の大きい液体Ｌ内に漏れこむ音波比率が増加するので振動減衰は著しくなる。
【００３４】
そこで、液有り部と液無し部との間で、図６のごとく生ずる波形の差を識別するのに好都合な数値パラメータを上記減衰残響振動波形から抽出し、パラメータ値を閾値と比較することで、液体Ｌの有無に係る判定を容易に実行できる。例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、測定用超音波ビームＳＷの入力を遮断後に予め定められ時間ｔｓを経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映したパラメータを減衰レベル情報として取得し、図７Ａのごとく当該パラメータに反映された減衰レベルが予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく図７Ｂに示すように閾値未満の場合に液体有り、と判定することができる。
【００３５】
図２の信号処理回路では、アンプ１０３ａにて増幅された減衰振動波形を検波回路１０３ｂにより半波整流後包絡線検波し、その包絡線検波波形を積分回路１０３ｃにより、図７Ａ及び図７Ｂの期間ｔｓに渡って積分演算する。そして、図８に示すように、その期間ｔｓが終了するタイミング（遮断後Δｔを経過したタイミングを時間起点としてｔｓだけ計測するようにしてもよいし、バースト駆動開始時のタイミングを時間起点として、図７Ａのｔｎ＋Δｔ＋ｔｓに相当するｔｍだけ時間計測するようにしてもよい）にて、その積分出力電圧を閾電圧Ｖｔｈと比較するコンパレータＩＣ１の出力（液面判定信号）を読み取る（図５：Ｓ３）。液有り部では波形減衰が速いので積分出力の増加が鈍くなり、逆に液無し部では波形減衰が遅いので積分出力は素早く増加する。従って、上記時刻での積分出力をサンプリングしたとき、図４に示すように、該液面判定信号がＨレベルであれば液無し出力となり（図５：Ｓ４→Ｓ５）、Ｌレベルであれば液有り出力となる（図５：Ｓ４→Ｓ６）。
【００３６】
表示部１０４は、液面判定信号を受けて対応する表示状態となる。例えば、図１に示すように、Ｈレベルであれば液無しを示す第一ＬＥＤ１０４ａ（例えば、赤色）が点灯し、Ｌレベルであれば液有りを示す第二ＬＥＤ１０４ｂ（例えば、緑色）が点灯する。これにより、装置１の検知面を押し当てた位置、すなわち測定実施位置に液体が存在しているか否かがわかる。そこで、側壁部２００上にて測定実施位置を上側から下方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部１０４が液無しを示す表示状態から液有りを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。また、逆に、測定実施位置を下側から上方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部１０４が液有りを示す表示状態から液無しを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。
【００３７】
なお、図８に示すように、上記積分出力（減衰残響振動の減衰レベル）が予め定められた参照レベルＶＲに到達するまでの減衰時間ｔｄをマイコン１００にて計測し、当該減衰時間ｔｄが予め定められた閾値を超える場合に液体有り、同じく閾値未満となる場合に液体無しと判定するように処理を行なうこともできる。
【００３８】
前述の周波数設定処理については、図１のように、容器頂面部２０３など、液体無しとなることが予め知れている測定実施位置ＰＲに検知面を押し当て、周波数設定処理モードにて液体検知装置１を動作させる。図３において液体検知装置１は、低周波数側もしくは高周波数側から周波数を段階的にスイープしながら駆動交流電圧をバースト出力し、その遮断後にて時間ｔｓだけ経過したときの前述の積分出力値を、Ａ／Ｄ変換器ＩＣ２を介して直接モニタリングする。そして、その積分出力値が最大となる周波数（つまり、図７Ａに示すように、減衰の尾引きが最も大きくなる周波数）を読み取って、測定用周波数として設定する。
【００３９】
なお、包絡線検波波形の積分値を用いることで、突発的なノイズ等により波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。しかし、ノイズの影響がそれほど大きくない場合には、上記の減衰振動波形の積分処理は、包絡線検波を行なわず、リップルを含んだ半波整流波形を直接積分するようにしてもよい。また、積分値を用いず、規定の判定タイミング（ｔｍ）での包絡線検波波形のレベルを直接サンプリングして、そのレベルを閾値と比較してもよい。
【００４０】
さらに、減衰振動波形を直接デジタルサンプリングできる場合には取り込んだ波形の減衰ピーク値をパラメータとして用い、液体の有無を判定することもできる。図９はその場合の回路図であり、超音波トランスジューサ２からの減衰波形信号はアンプ１１１を介してＡ／Ｄ変換器１１２を介してマイコン１００によりデジタル波形として取り込まれる。マイコン１００による処理の流れは図１１の通りである。まず、図５と同様にして、超音波トランスジューサ２をバースト駆動した後遮断し（Ｓ５１）、減衰波形のデジタルデータを取り込む（Ｓ５２）。
【００４１】
図１０に示すように、取り込まれたデジタル波形データにて、例えば波形変位が極大値（極小値でもよい）を示すデータ点をピーク値Ｐ１，Ｐ２，‥，Ｐｋとして抽出する（Ｓ５３）。減衰振動波形のピーク値Ｐ１，Ｐ２，‥，Ｐｋは離散パラメータなので、前述の判定タイミングｔｍにて一定の時間幅ｔｗに入るピーク値の代表値（例えば、最も大きい値か、ｔｗに入るピーク値の平均値）を判定用ピーク値Ｐｍとして抽出し（Ｓ５４）、これを閾値Ｖｔｈと比較する（Ｓ５５）。判定用ピーク値Ｐｍが閾値Ｖｔｈよりも大きければ液無し出力とし（Ｓ５６）、同じく閾値Ｖｔｈよりも小さければ液有り出力とする（Ｓ５７）。
【００４２】
また、デジタル波形データをサンプリングする代わりに、図１２に示すように、波形ピーク値をピークホールド回路１１２にて検出する方法も可能である。この場合の処理の流れを図１４に示す。まず、超音波トランスジューサ２をバースト駆動した後遮断し（Ｓ１０１）、判定タイミングｔｍが到来するまで待機する（Ｓ１０２）。判定タイミングｔｍが到来すれば、一定のウィンドウ期間ｔｗで波形入力を行ない、その期間内での最大波形値を判定用ピーク値ＰＨとしてホールドする（Ｓ１０３：図１４参照）。判定用ピーク値ＰＨが閾値Ｖｔｈよりも大きければ液無し出力とし（Ｓ１０４→Ｓ１０５）、同じく閾値Ｖｔｈよりも小さければ液有り出力とする（Ｓ１０４→Ｓ１０６）。
【００４３】
なお、検出対象となる液体の密度が比較的大きい場合は、超音波トランスジューサに代え、励振用測定プローブとして可聴帯音波信号を出力する可聴帯音波出力部（例えば小形スピーカなど）を用いることもできる。また、可聴帯音波出力部の代わりに容器の壁部外面に打撃を加えることでこれを音響励振する打撃機構を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の液体検知装置の使用例を示す模式図。
【図２】図１の液体検知装置の第一例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図３】図２の信号処理回路の一例を示す回路図。
【図４】図３のコンパレータの出力と、液有り／液無しの判定結果との関係を示すタイミングチャート。
【図５】図３の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図６】減衰残響振動の波形測定例を示す図。
【図７Ａ】液無し部での残響振動の減衰挙動を示す図。
【図７Ｂ】同じく液有り部での残響振動の減衰挙動を示す図。
【図８】図３の積分回路の出力と、液有り／液無しの判定閾値との関係を示す模式図。
【図９】図１の液体検知装置の第二例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図１０】図９の構成における波形処理の内容を説明する模式図。
【図１１】図１０の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図１２】図１の液体検知装置の第三例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図１３】図１２の構成におけるピークホールド処理の内容を説明する図。
【図１４】図１２の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図１５】駆動回路の一例を示す回路図。
【符号の説明】
【００４５】
１  液体検知装置
２  超音波トランスジューサ（音響励振手段、残響検出手段）
ＳＷ  測定用超音波ビーム
Ｌ  液体
１００  マイコン（液体有無判定手段）
１０３  信号処理回路（液体有無判定手段）
１０４  表示部（液体存在状態情報出力手段）
１９０  容器
２００  金属側壁部
【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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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