(57)【要約】【課題】液面ゆれ等により第１次反射エコーを捕らえることができない場合に、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づき第１次反射エコーのエコータイミングを確定する。【解決手段】超音波レベル計は、センサから発信した超音波に応じて液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーをそのエコータイミングと共に検出し（Ｓ１）、検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー獲得頻度を算出し（Ｓ３）、その獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定する。【選択図】        図３
2004325326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を発信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を発信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計の液面検出方法において、前記超音波センサから発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出ステップと、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーに基づいて第１次エコーのエコータイミングを確定する第１次エコー確定ステップと、該確定した第１次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出ステップとを有することを特徴とする超音波レベル計の液面検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波レベル計の液面検出方法において、前記第１次エコー確定ステップにおいて、前記エコー検出ステップにて検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、該算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴とする超音波レベル計の液面検出方法。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波レベル計の液面検出方法において、前記第１次エコー確定ステップにおいて、前記エコー検出ステップにて検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、該算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴とする超音波レベル計の液面検出方法。
【請求項４】
容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を発信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を発信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波センサから発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出手段と、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーに基づいて第１次エコーのエコータイミングを確定する第１次エコー確定手段と、該確定した第１次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出手段とを有することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波レベル計において、前記第１次エコー確定手段は、前記エコー検出手段により検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、該算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項６】
請求項４に記載の超音波レベル計において、前記第１次エコー確定手段は、前記エコー検出手段により検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、該算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴とする超音波レベル計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計の液面検出方法及び超音波レベル計、より詳細には、容器底面の外壁から超音波を送信し、内部の液界面からの反射波が戻ってくるまでの時間に基づいて容器内部の液面位置を検出する超音波レベル計の液面検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
送受信兼用の超音波センサを用いた超音波レベル計は、超音波センサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。
【０００３】
図７は、従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、図中、５０は超音波レベル計の制御部で、該制御部５０は、増幅率切り替え回路５１，ＡＭＰ（増幅回路）５２，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）５３，Ａ／Ｄコンバータ５４，ＣＰＵ５５，ＬＣＤ（表示部）５６，ＲＡＭ５７，ＲＯＭ５８，Ｄ／Ａコンバータ５９，ＶＣＯ（発振回路）６０，ゲート素子６１，ＤＲＶ（駆動回路）６２を有し、７０は超音波レベル計の超音波センサ（以下、センサという）で、制御部５０及び超音波センサ７０は有線又は無線で接続されているものとする。
【０００４】
まず、超音波の送信時において、Ｄ／Ａコンバータ５９は、ＣＰＵ５５からのデータを電圧に変換してＶＣＯ６０に入力する。ＶＣＯ６０は、Ｄ／Ａコンバータ５９からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子６１に入力する。ゲート素子６１は、ＣＰＵ５５からのパルス出力に基づいてＶＣＯ６０からの発振波をＤＲＶ６２に出力する。ＤＲＶ６２は、ゲート素子６１からの出力を高電位振幅に変換してセンサ７０を駆動する駆動信号を出力する。センサ７０は、ＤＲＶ６２からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波を送信する。
【０００５】
また、超音波の受信時において、センサ７０は、上記のように送信した超音波が容器内部の液面等の対象物に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号を増幅率切り替え回路５１に入力する。この増幅率切り替え回路５１は、周波数調整用の増幅率として０ｄＢ、液面位置計測用の増幅率として１７〜２０ｄＢのいずれかを選択可能に設けており、液面位置を計測する場合には１７〜２０ｄＢの高ゲインを選択し、周波数調整時には０ｄＢの低ゲインを選択するように設定されている。さらに、ＡＭＰ５２は、ＣＰＵ５５から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ５３は、ＡＭＰ５２からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。Ａ／Ｄコンバータ５４は、ＥＮＶＤＥＴ５３からのエンベロープ波形をデジタル変換してＣＰＵ５５に入力する。ＣＰＵ５５は、センサ７０により超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて対象物までの距離を算出する。
【０００６】
ここで、上記のような回路構成に基づいて液面位置を計測する際に、液面ゆれ等により第１次反射エコーを捕らえることができない場合があるため、計測回数を増やして液面位置の計測を行う必要があった。また、液面位置が近くなってくると駆動残響の影響があるため、第１次反射エコーが駆動残響と近接してしまう場合には液面位置の計測が困難であった。また、ノイズなどが混入するような場合には液面計測結果に誤差を生じることがあった。このように、従来の超音波レベル計においては、液面ゆれや、ノイズ、液面位置が近い場合等に対して安定した液面計測を行うことが出来なかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、超音波レベル計において液面ゆれ等により第１次反射エコーを捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第１次反射エコーのエコータイミングを確定することができる超音波レベル計の液面検出方法及び超音波レベル計を提供すること、を目的としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を発信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を発信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計の液面検出方法において、前記超音波センサから発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出ステップと、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーに基づいて第１次エコーのエコータイミングを確定する第１次エコー確定ステップと、該確定した第１次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出ステップとを有することを特徴としたものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１次エコー確定ステップにおいて、前記エコー検出ステップにて検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、該算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記第１次エコー確定ステップにおいて、前記エコー検出ステップにて検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、該算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を発信させると共に前記液面からの反射波を受信する超音波センサと、該超音波センサにより超音波を発信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続された超音波レベル計において、前記制御部は、前記超音波センサから発信した超音波に応じて前記液面から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出するエコー検出手段と、該検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーに基づいて第１次エコーのエコータイミングを確定する第１次エコー確定手段と、該確定した第１次エコーのエコータイミングに基づいて前記液面の位置を検出する液面検出手段とを有することを特徴としたものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記第１次エコー確定手段は、前記エコー検出手段により検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、該算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記第１次エコー確定手段は、前記エコー検出手段により検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、該算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定することを特徴としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用される超音波レベル計を容器に設置した場合の構成例を説明するための図で、図中、１０は制御部（以下、コントローラという）、３０は超音波センサ（圧電センサ）、３１は超音波センサ３０から送信する超音波、１５はコントローラ１０の表示部、４０は液化ガスや灯油等の液体を収容する貯槽又は容器（以下、容器で代表する）、４１は液面である。超音波レベル計は、コントローラ１０と超音波センサ３０からなり、超音波センサ３０は容器４０の外部底面に図示しないマグネット等により設置され、有線によりコントローラ１０に接続されている。尚、超音波センサ３０とコントローラ１０との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者により故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。また本例では、容器内部の液体の液面を検出対象として検出する場合を代表例として説明するが、本超音波レベル計により検出可能な対象物は液体の液面に限らず、例えば、固体物の検出にも適用可能である。
【００１４】
上記のような構成において、例えば、液体の液面４１を検出しようとする際に、作業者はコントローラ１０を操作して、超音波センサ３０から超音波３１を送信し、主に液面４１で反射して戻ってきた反射エコーを受信し、この受信した反射エコーに基づいて液面位置、すなわち液面４１までの距離（以下、液面距離という）を算出し、さらに算出した液面距離に基づいて容器４０内の液体容量を算出することができる。
【００１５】
液面４１の高さを検出する際に、超音波センサ３０は、容器４０の底部外壁に向けて上方に超音波３１を送信する。送信した超音波３１は、液面４１で反射して戻ってくるが、液面４１の高さに応じて超音波センサ３０が反射波を受信するまでの遅延時間が異なる。コントローラ１０は、受信した反射波の遅延時間から液面距離を算出するためのデータ、例えば温度や伝播媒質（空気又は液体等）に応じた音速データ等を保持しており、このデータに基づいて液面距離を算出する。
【００１６】
本発明の超音波レベル計は、液面ゆれ等により第１次反射エコーを捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第１次反射エコーのエコータイミングを確定することをその目的とし、そのために下記の図２に示す回路構成を有するものとする。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、超音波レベル計のコントローラ１０は、ＡＭＰ（増幅回路）１１，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）１２，ＣＭＰ（コンパレータ）１３ａ，ＣＰＵ１４，ＬＣＤ（表示部）１５，ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１７，Ｄ／Ａコンバータ１８，ＶＣＯ（発振回路）１９，ゲート素子２０，ＤＲＶ（駆動回路）２１を有し、３０は超音波レベル計の超音波センサ（以下、センサという）で、コントローラ１０及びセンサ３０は有線又は無線で接続されているものとする。ＲＯＭ１７には、エコー検出手段１７ａ，第１次エコー確定手段１７ｂ，及び液面検出手段１７ｃがプログラムとして格納されており、ＣＰＵ１４は、本発明の第１次エコーの確定処理を行う際に、上記プログラムを読み出して実行する。尚、上記プログラムはＲＡＭ１６に格納してもよい。
【００１８】
図１及び図２において、超音波の送信時に、Ｄ／Ａコンバータ１８は、ＣＰＵ１４からのデータを電圧に変換してＶＣＯ１９に入力する。ＶＣＯ１９は、Ｄ／Ａコンバータ１８からの電圧データに応じた発振周波数で発振し、その発振波をゲート素子２０に入力する。ゲート素子２０は、ＣＰＵ１４からのパルス出力に基づいてＶＣＯ１９からの発振波をＤＲＶ２１に出力する。ＤＲＶ２１は、ゲート素子２０からの出力を高電位振幅に変換してセンサ３０を駆動する駆動信号を出力する。センサ３０は、ＤＲＶ２１からの駆動信号の入力に基づいて前記発振周波数で超音波３１を送信する。
【００１９】
また、超音波の受信時において、センサ３０は、上記のように送信した超音波３１が容器４０の液面４１に反射して戻ってきた反射波を受信し、その受信信号をＡＭＰ１１に入力する。ＡＭＰ１１は、ＣＰＵ１４から指示された増幅率で受信信号を増幅し、ＥＮＶＤＥＴ１２は、ＡＭＰ１１からの入力波形を整流検波し、エンベロープ波形を出力する。
【００２０】
ＣＭＰ１３ａは、ＥＮＶＤＥＴ１２からのエンベロープ波形と基準電位とを比較し、エンベロープ波形が基準電位を越えたとき、論理値１をＣＰＵ１４に出力する。ＣＰＵ１４は、センサ３０により超音波３１を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて液面４１までの距離を算出する。
【００２１】
エコー検出手段１７ａは、センサ３０から発信した超音波に応じて液面４１から繰り返して反射された反射波に基づいた複数のエコーを検出する。このエコー検出手段１７ａは、ＣＰＵ１４からの指示に基づいてＤＲＶ２１に対するパルス出力開始を起点として計時を行うタイマを有し、ＣＭＰ１３ａのコンパレータの立ち上がりタイミングでのタイマカウント値を読み取ってＲＡＭ１６に記憶しておく。これにより、本超音波レベル計は、エコーを検出するまでの時間間隔をエコータイミングとして取得する。
【００２２】
第１次エコー確定手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出するまでのエコーの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーに基づいて第１次エコーのエコータイミングを確定する。
【００２３】
ここで、第１次エコー確定手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出し、算出した獲得頻度が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて前記整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定する。この場合の実施例について、後述の図３に示すフロー図に基づいて詳細に説明するものとする。
【００２４】
また、液面検出手段１７ｃは、第１次エコー確定手段１７ｂにより確定した第１次エコーのエコータイミングに基づいて液面４１の位置を検出する。
【００２５】
本発明の超音波レベル計によれば、第１次エコータイミングが確実に捕らえることが出来ない場合でも、第ｎ次エコータイミング（ｎ≧２）から第１次エコータイミングが確定できるため、液面ゆれがあっても安定した液面計測を行うことができる。
また、駆動残響の影響で第１次エコータイミングを捕えにくい近距離の液面計測を安定して行うことができる。
また、液面位置の演算処理において、整数比関係になっていない孤立したエコータイミングを検出することがないため、ノイズが混入したような場合でもその影響を受けることなく、高精度な液面計測を行うことができる。
【００２６】
図３は、本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。図４は、図３に示したフロー図における度数分布の算出例について示した図である。本例は、図２に示した超音波レベル計の装置構成に基づいて説明するものとする。
まず、超音波レベル計は、センサ３０から発信した超音波の液面からの反射波を受信し、エコー検出手段１７ａによりその反射波のエコータイミングを計測した計測データを取得する（ステップＳ１）。本例の場合、超音波の発信回数を４回とし、エコー抜けや、ノイズ等を含む場合について示しており、図中、２回目及び３回目に示す点線部の計測データはエコー抜けであることを示す。
【００２７】
次に、第１次エコー確定手段１７ｂの実施例について詳述する。
まず、エコーのグループ化の第１段階として、上記ステップＳ１で求めた４回分の計測データについて度数分布を求める（ステップＳ２）。本例の場合、区分間隔を１０μｓとして各区分中央値（１００，１１０，１５０，・・・，４６０）に対して、例えば、区分幅±９μｓを持たせている。これにより、区分中央値１５０μｓの場合、１４１μｓ〜１５９μｓの幅を有することになり、１〜４回目の計測データに基づいて１５１，１５２，１５０μｓが当該幅に含まれるため、度数３と算出される。他の区分中央値に関しても同様の算出方法で度数を算出する。尚、上記区分間隔は１０μｓに限定されるものではなく、また、上記区分幅は、±９μｓに限定されるものではない。これらは、操作者によって任意に設定することができる。
【００２８】
ここで、上記区分間隔について、上記例のような等間隔ではなく、例えば、等比級数的に変化するように設定することも可能である。また、上記区分幅は、例えば、区分中央値に応じて変化するように設定することも可能である。具体例として、区分中央値の１０％を区分幅とした場合に、区分中央値が１５０ｕｓのときは区分幅±７．５ｕｓ、区分中央値が３００ｕｓのときは区分幅±１５ｕｓとなる。
【００２９】
次に、第１次エコー確定手段１７ｂは、エコーのグループ化の第２段階として、上記ステップＳ２で求めた計測データ毎の度数分布に基づいて整数倍のタイミングを含めた度数を求める（ステップＳ３）。本例に示す度数は、図４に示す度数分布の算出表から作成されたものである。上記と同様に、例えば、区分中央値１５０μｓの場合、このタイミング（１５０μｓ）の整数倍におけるタイミングの度数を含めて算出される。すなわち、１５０μｓにおける度数３に、３００μｓ（１５０μｓの２倍）における度数４と、４５０μｓ（１５０μｓの３倍）における度数３とを含めて算出する。その結果として、度数合計３＋４＋３＝１０がエコータイミングの区分中央値１５０μｓと整数比関係にあるエコーグループのエコーの獲得頻度として求まる。他の区分中央値に関しても同様の算出方法で度数合計、すなわち、エコーグループ毎のエコーの獲得頻度を算出する。
【００３０】
最後に、第１次エコー確定手段１７ｂは、上記ステップＳ３で求めたエコーの獲得頻度のうち、最大となった獲得頻度を有するエコーグループを探し、そのエコーグループのエコータイミングに基づいて、整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出する（ステップＳ４）。上記例の場合、度数合計１０が最大となるため、その最大度数の区分中央値１５０（±９）μｓと整数比関係にあるエコータイミングから整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを計算する。つまり、整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングは、区分中央値１５０（±９）μｓに属するエコータイミング値と、その２倍の区分中央値３００（±９）μｓに属するエコータイミング値の１／２の値と、その３倍の区分中央値４５０（±９）μｓに属するエコータイミング値の１／３の値との平均として推定計算する。下記にその計算例を示す。
ｔ＝［（１５１＋１５２＋１５０）／１＋（２９９＋３０１＋３０３＋２９８）／２＋（４５１＋４５２＋４４９）／３］／１０＝１５０．４μｓ
こうして求まった整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを第１次エコータイミングとして確定する。
【００３１】
本発明の超音波レベル計は、液面検出手段１７ｃにより、上記のように計算により確定した第１次エコータイミングに基づいて液面位置を算出して表示する。尚、液面位置を算出する際には、図示しない温度センサ等からの温度情報をも加味し音速補正が加えられる。このように、第１次反射エコーを確実に捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第１次反射エコーのエコータイミングを確定することができるため、液面ゆれや、ノイズ、液面位置が近い場合等に対して安定した液面計測を可能とする。
【００３２】
図５は、本発明の他の実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図で、超音波レベル計のコントローラ１０は、ＡＭＰ（増幅回路）１１，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）１２，Ａ／Ｄコンバータ１３ｂ，ＣＰＵ１４，ＬＣＤ（表示部）１５，ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１７，Ｄ／Ａコンバータ１８，ＶＣＯ（発振回路）１９，ゲート素子２０，ＤＲＶ（駆動回路）２１を有し、３０は超音波レベル計のセンサで、コントローラ１０及びセンサ３０は有線又は無線で接続されているものとする。ＲＯＭ１７には、エコー検出手段１７ａ，第１次エコー確定手段１７ｂ，及び液面検出手段１７ｃがプログラムとして格納されており、ＣＰＵ１４は、本発明の第１次エコーの確定処理を行う際に、上記プログラムを読み出して実行する。尚、上記プログラムはＲＡＭ１６に格納してもよい。
【００３３】
図２に示した実施形態と異なる点は、ＣＭＰ１３ａの代わりにＡ／Ｄコンバータ１３ｂを有する点で、このＡ／Ｄコンバータ１３ｂは、ＥＮＶＤＥＴ１２からのエンベロープ波形を多階調レベルのデジタル時系列データ（波形データ）として取り込む。本実施形態におけるエコー検出手段１７ａは、まず、超音波を複数回発信して取得した波形データを平均化した平均波形データ（サンプリングタイミング毎のＡ／Ｄコンバータ値の合計値列又は平均値列）から、サンプリングタイミング毎に所定のスライスレベルとの比較を行い、スライスレベルを超えたら論理値１、超えなければ論理値０を対応させる２値化処理を行なう。次に、本実施形態におけるエコー検出手段１７ａは、２値化処理で得た２値化データ列信号から立ち上がりタイミングを調べてエコータイミングを取得する。
【００３４】
また、本実施形態の第１次エコー確定手段１７ｂは、エコー検出手段１７ａにより検出した複数のエコーに対して当該エコーを検出するまでの時間間隔が互いに整数比関係になっているかどうか判定し、その結果、整数比関係になっていると判定されたエコーをグループ化し、そのエコーグループ毎のエコー強度の合計を算出し、算出したエコー強度の合計が最大となったエコーグループのエコータイミングに基づいて、整数比関係の整数＝１に相当するエコータイミングを算出して第１次エコータイミングとして確定する。この場合の実施例について、後述の図６に示すフロー図に基づいて詳細に説明するものとする。
【００３５】
図６は、本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。本例は、図５に示した超音波レベル計の装置構成に基づいて説明するものとする。
まず、エコー検出手段１７ａは、センサ３０から発信した超音波の液面からの反射波を受信し、その波形データを取得する（ステップＳ１１）。本例の場合、超音波の発信回数を４回とし、エコー抜けや、ノイズ等を含む場合について示している。次に、エコー検出手段１７ａは、取得した４回の波形データを基に平均波形データ（サンプリングタイミング毎のＡ／Ｄコンバータ値の合計値列又は平均値列）を求める。最後に、エコー検出手段１７ａは、平均波形データに対し２値化処理を行い、得た２値化データ列信号から立ち上がりタイミングを調べてエコータイミングを取得する。次のステップＳ１２において、４回の平均波形データと、検出したエコーの各エコータイミングを示す。具体例として、５つのエコータイミング１０１ｕｓ，１５１ｕｓ，３０１ｕｓ，３９２ｕｓ，４５１ｕｓ、が検出された状態について示す。
【００３６】
第１次エコー確定手段１７ｂは、平均波形データ上を探索して、エコー検出手段１７ａで求めた各エコータイミングに対応するエコーのエコー強度として波高値を求める。具体的には、そのエコータイミング以後の所定時間内の最大値を探し、波高値とする。こうして各エコーのエコータイミングに対応する波高値を獲得する。具体例として、ステップＳ１２において、５つのエコータイミング１０１ｕｓ，１５１ｕｓ，３０１ｕｓ，３９２ｕｓ，４５１ｕｓに対応したエコーの波高値を、順に電圧値３２ｍＶ，１３１ｍＶ，９８ｍＶ，１９ｍＶ，５５ｍＶと記す。
【００３７】
次に、上記ステップＳ１２において求めた立ち上がりタイミング及び波高値に基づいて、整数倍の立ち上がりタイミング（本例では、±９μｓの幅を各タイミング値に持たせる）となる反射波の集合（エコーグループ）を求め、各反射波集合の波高値の合計を求める（ステップＳ１３）。例えば、立ち上がりタイミングが１５１μｓ（波高値１３１ｍＶ）の整数倍（±９μｓ）に含まれるデータは、１５１μｓ（１３１ｍＶ），３０１μｓ（９８ｍＶ），４５１μｓ（５５ｍＶ）で、波高値の合計は、１３１＋９８＋５５＝２８４ｍＶとなる。尚、上記幅は、±９μｓに限定されるものではなく、操作者によって任意に設定することができる。
【００３８】
ここで、上記１５１μｓ（１３１ｍＶ）のタイミングでの波高値合計の内訳を下記に示す。
１５１×２±９μｓの範囲に入るデータ：３０１μｓ（９８ｍＶ）
１５１×３±９μｓの範囲に入るデータ：４５１μｓ（５５ｍＶ）
１５１×４±９μｓの範囲に入るデータ：存在しない
【００３９】
同様に、１０１μｓ（３２ｍＶ）のタイミングでの波高値合計（３２＋９８＋１９＝１４９ｍＶ）の内訳を下記に示す。
１０１×２±９μｓの範囲に入るデータ：存在しない
１０１×３±９μｓの範囲に入るデータ：３０１μｓ（９８ｍＶ）
１０１×４±９μｓの範囲に入るデータ：３９２μｓ（１９ｍＶ）
【００４０】
上記例は、１０１，１５１μｓの場合を代表例として示しているが、他の立ち上がりタイミング、３０１，３９２，４５１μｓの場合についても波高値合計を同様に算出する。その結果を下記に示す。
３０１μｓの場合、３０１±９μｓの範囲に入るデータのみで９８ｍＶ
３９２μｓの場合、３９２±９μｓの範囲に入るデータのみで１９ｍＶ
４５１μｓの場合、４５１±９μｓの範囲に入るデータのみで５５ｍＶ
【００４１】
上記のように算出した波高値合計を下記に示す。
１０１μｓ（  ３２ｍＶ）の整数倍のデータ：波高値合計１４９ｍＶ
１５１μｓ（１３１ｍＶ）の整数倍のデータ：波高値合計２８４ｍＶ
３０１μｓ（  ９８ｍＶ）の整数倍のデータ：波高値合計  ９８ｍＶ
３９２μｓ（  １９ｍＶ）の整数倍のデータ：波高値合計  １９ｍＶ
４５１μｓ（  ５５ｍＶ）の整数倍のデータ：波高値合計  ５５ｍＶ
【００４２】
最後に、第１次エコー確定手段１７ｂは、上記ステップＳ１３において波高値合計が最大となったデータのエコータイミングを第１次エコータイミングとする（ステップＳ１４）。上記例の場合、波高値合計２８４ｍＶが最大となるため、１５１μｓの波高レベルデータでのタイミングを第１次エコータイミングとする。
【００４３】
液面検出手段１７ｃは、上記のように確定した第１次エコータイミングに基づいて液面位置を算出して表示する。尚、液面位置を算出する際には、図示しない温度センサ等からの温度情報をも加味し音速補正が加えられる。
【００４４】
尚、本例の第１次エコー確定手段１７ｂでは、各エコータイミングに対応するエコーのエコー強度として波高値を用いた。別の例として、エコー強度は、波高値の代わりにエコー波の積分値であっても良い。具体的には、エコー波の積分値は、例えば、エコータイミング以後の所定時間内のＡ／Ｄ値を合計した値とする。また、別の例として、エコー強度は、エコーの立ち上がり速度であっても良い。具体的には、エコーの立ち上がり速度は、例えば、エコータイミングから所定時間後のＡ／Ｄ値とする。
【００４５】
尚、本例の第１次エコー確定手段１７ｂでは、波高値を求める手法として、まず平均波形データを求め、次に、その平均波形データを探索して波高値を得る手法を示した。別の手法として、まず各回の波形データについて、所定のスライスレベルを超えるエコータイミングを検出してその各エコータイミングとそのエコータイミングに対応する個々の波高値を求め、求めたエコータイミングの近いもの同士でグループ化し、そのグループ毎に、統計したエコータイミングと波高値を求める手法がある。
【００４６】
上記手法による波高値の統計は、グループ内の波高値の平均又は合計であってもよいし、最大値としてもよい。また、この手法によるエコータイミングの統計は、グループ内のエコータイミングの平均又は合計であってもよいし、最小値としてもよい。一般に平均と合計が同様の作用をすることは明らかである。エコーが弱い場合に対してエコーが確実に得られる場合を比較すると、エコータイミングは、（立ち上がりが速いため）小さくなり、波高値は大きくなる。
【００４７】
エコータイミングの統計としてグループ内の最小値を用い、波高値の統計としてグループ内の最大値を用いることは、周期的な液面ゆれをしている場合であって且つその周期Ｔ１に対し十分に長い時間のサンプリング期間Ｔ２（１回目の発信時点から最後の発信による波形データを収集終了時点までの期間）が設けられない場合（例えばＴ２がＴ１の１〜２倍程度の場合）には、それらの統計として平均や合計を用いるよりも高確度な結果が得られることがある。なぜなら、通常、液面ゆれの周期とサンプリング期間の周期とが整数比の関係になく、液面ゆれとサンプリング開始の位相関係に応じた、平均（又は合計）のぶれが起こり、無視できない場合があるからである。
【００４８】
従って、上記と同様の理由により、本例の第１次エコー確定手段１７ｂでは、平均波形データをもとにして波高値を求めたが、液面ゆれの周期に対し十分なサンプリング期間が設けられない場合に、平均波形データの代わりに最大波形データ（サンプリングタイミング毎のＡ／Ｄコンバータ値の最大値列）を用いて波高値を求めることでより安定した第１次エコーの確定を行えることがある。
【００４９】
本発明の超音波レベル計は、上記のように確定した第１次エコータイミングに基づいて液面位置を算出して表示する。このように、第１次反射エコーを確実に捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第１次反射エコーのエコータイミングを確定することができるため、液面ゆれや、ノイズ、液面位置が近い場合等に対して安定した液面計測を可能とする。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によると、超音波レベル計において第１次反射エコーを捕らえることができない場合であっても、整数比関係になっている他の反射エコーのエコータイミングに基づいて第１次反射エコーのエコータイミングを確定することができるため、液面ゆれ等があっても安定した液面位置の計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される超音波レベル計を容器に設置した場合の構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図４】図３に示したフロー図における度数分布の算出例について示した図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係わる超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明が適用される超音波レベル計の液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図である。
【図７】従来の超音波レベル計の回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，５０…制御部（コントローラ）、１１，５２…ＡＭＰ、１２，５３…ＥＮＶＤＥＴ、１３ａ…ＣＭＰ、１３ｂ…Ａ／Ｄコンバータ、１４，５５…ＣＰＵ、１５，５６…ＬＣＤ、１６，５７…ＲＡＭ、１７，５８…ＲＯＭ、１７ａ…エコー検出手段、１７ｂ…第１次エコー確定手段、１７ｃ…液面検出手段、１８，５９…Ｄ／Ａコンバータ、１９，６０…ＶＣＯ、２０，６１…ゲート素子、２１，６２…ＤＲＶ、３０，７０…センサ、３１…超音波、４０…容器、４１…液面、５１…増幅率切り替え回路、５４…Ａ／Ｄコンバータ。
【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７】
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