(57)【要約】【課題】超音波レベル計において超音波を複数回発信する際に、各回の発信周期を変化させて演算処理することで、前回の超音波発信による反射エコーの誤検出を防止する。【解決手段】超音波レベル計は、超音波センサから超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの間隔よりも短い発信周期で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信し（Ｓ６，Ｓ７）、発信した超音波に応じた反射波の各回の波形データを取得する。超音波レベル計は、前記取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成し（Ｓ８）、その統計波形データに含まれる反射波の中から予め定めた波高レベル以上の反射波のエコータイミングを選択し、そのエコータイミングに基づき液面の位置を検出する。【選択図】        図３
2004333314.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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信ステップと、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波の各回の波形データを取得する波形データ取得ステップと、該取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成する統計波形データ生成ステップと、該生成した統計波形データに含まれる反射波の中から予め定めた波高レベル以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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、前記統計波形データ生成ステップにおいて、前記複数回の波形データに関して超音波発信からの同一経過時間毎に波高レベルの総和を算出することにより前記統計波形データを生成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、前記統計波形データ生成ステップにおいて、前記複数回の波形データに関して超音波発信からの同一経過時間毎に波高レベルの最大値を求めることにより前記統計波形データを生成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】
請求項１乃至３のいずれか１に記載の超音波レベル計の液面検出方法において、前記液面検出ステップにおいて、前記統計波形データ生成ステップにて生成した統計波形データに対して所定の波高レベルを最初に超える反射波を第１反射波とし、その第１反射波のエコータイミングから前記液面の位置を検出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５】
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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信ステップと、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波のエコータイミングを取得するエコータイミングデータ取得ステップと、該取得した複数回のエコータイミングデータに対して演算処理を行ってエコータイミングの度数分布を生成するエコータイミング度数分布生成ステップと、該生成したエコータイミング度数分布から予め定めた度数以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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６】
請求項１乃至５のいずれか１に記載の超音波レベル計の液面検出方法において、前記各回において超音波発信周期の時間差は、前記超音波センサに入力する発信パルス幅に基づいて設定されてい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７】
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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信手段と、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波の各回の波形データを取得する波形データ取得手段と、該取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成する統計波形データ生成手段と、該生成した統計波形データに含まれる反射波の中から予め定めた波高レベル以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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８】
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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信手段と、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波のエコータイミングを取得するエコータイミングデータ取得手段と、該取得した複数回のエコータイミングデータに対して演算処理を行ってエコータイミングの度数分布を生成するエコータイミング度数分布生成手段と、該生成したエコータイミング度数分布から予め定めた度数以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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。
【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１０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、安定した液量計測を行うために、超音波を発信して反射エコーを取得する動作を複数回繰り返して行い、取得した複数回の反射エコーのタイミングに基づいて液量計測値を算出することが一般的に行われている。この際、前回の超音波発信による反射エコーが十分に減衰しきれていない状態で、次の超音波を発信して反射エコーを検出しようとした場合、前回の反射エコーを誤検出してしまうことがある。従って、一般的に、超音波の発信周期は、前回の超音波発信による反射エコーが十分減衰するまでの時間を確保して設定されている。その結果、計測回路を動作させている時間を短縮することができず、消費電力の低減を図る上で妨げとなっていた。特に、電池で駆動する超音波レベル計は、消費電力の低減という観点から問題となる。
【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超音波を複数回発信する際に、各回において超音波の発信周期を変化させて演算処理することにより、前回の超音波発信による反射エコーの誤検出を防止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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信ステップと、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波の各回の波形データを取得する波形データ取得ステップと、該取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成する統計波形データ生成ステップと、該生成した統計波形データに含まれる反射波の中から予め定めた波高レベル以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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、前記統計波形データ生成ステップにおいて、前記複数回の波形データに関して超音波発信からの同一経過時間毎に波高レベルの総和を算出することにより前記統計波形データを生成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、前記統計波形データ生成ステップにおいて、前記複数回の波形データに関して超音波発信からの同一経過時間毎に波高レベルの最大値を求めることにより前記統計波形データを生成することを特徴としたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記液面検出ステップにおいて、前記統計波形データ生成ステップにて生成した統計波形データに対して所定の波高レベルを最初に超える反射波を第１反射波とし、その第１反射波のエコータイミングから前記液面の位置を検出することを特徴としたものである。
【００１２】
請求項５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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信ステップと、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波のエコータイミングを取得するエコータイミングデータ取得ステップと、該取得した複数回のエコータイミングデータに対して演算処理を行ってエコータイミングの度数分布を生成するエコータイミング度数分布生成ステップと、該生成したエコータイミング度数分布から予め定めた度数以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記各回において超音波発信周期の時間差は、前記超音波センサに入力する発信パルス幅に基づいて設定されていることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項７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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信手段と、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波の各回の波形データを取得する波形データ取得手段と、該取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成する統計波形データ生成手段と、該生成した統計波形データに含まれる反射波の中から予め定めた波高レベル以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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。
【００１５】
請求項８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超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの時間よりも短い間隔で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるように前記超音波センサの発信周期を変化させながら超音波を発信する超音波発信手段と、該発信した超音波に応じた前記液面からの反射波のエコータイミングを取得するエコータイミングデータ取得手段と、該取得した複数回のエコータイミングデータに対して演算処理を行ってエコータイミングの度数分布を生成するエコータイミング度数分布生成手段と、該生成したエコータイミング度数分布から予め定めた度数以上の反射波のエコータイミングを選択し、該選択した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。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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を送信する。送信した超音波は、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。
【００１９】
本発明の超音波レベル計は、超音波を複数回発信する際に、各回の発信周期を変化させて演算処理することにより、前回の超音波発信による反射エコーの誤検出を防止することをその目的とし、その結果、超音波の発信周期を短縮して消費電力を低減できるようにしたものであり、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。
【００２０】
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、待機時非給電部Ａ及び常時給電部Ｂからなり、待機時非給電部Ａは、ＡＭＰ（増幅回路）１１，ＥＮＶＤＥＴ（検波回路）１２，Ａ／Ｄコンバータ１３ａ，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、常時給電部Ｂは、ＣＰＵ１４，ＬＣＤ（表示部）１５，ＲＡＭ１６，ＲＯＭ１７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及び超音波センサ３０は有線又は無線で接続されているものとする。ＲＯＭ１７には、超音波発信手段１７ａ，波形データ取得手段１７ｂ，統計波形データ生成手段１７ｃ，及び液面検出手段１７ｄがプログラムとして格納されており、ＣＰＵ１４は、本発明の超音波発信周期の制御処理を行う際に、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。
【００２１】
上記のように、コントローラ１０は、待機時非給電部Ａ及び常時給電部Ｂに区分され、消費電力を抑えるために、待機時非給電部Ａは、反射エコーを取得する場合以外はその電源がＯＦＦされ、計測を行うときには、一連の反射エコーを取得する間、連続して電力供給される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
Ａ／Ｄコンバータ１３ａは、ＥＮＶＤＥＴ１２からのエンベロープ波形の電圧を多階調レベルのデジタル値に変換する。
次に、超音波発信手段１７ａ，波形データ取得手段１７ｂ，統計波形データ生成手段１７ｃ，及び液面検出手段１７ｄについて、下記のフロー図（図３）に基づいて説明する。
【００２５】
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。本例は、図１及び図２に基づいて説明するものとする。まず、超音波レベル計は、超音波発信手段１７ａによりセンサ３０から１回目の超音波３１を発信し（ステップＳ１）、波形データ取得手段１７ｂにより、その反射波を受信して波形データを取得する（ステップＳ２）。次に、超音波発信手段１７ａによりセンサ３０から超音波３１を発信した時点からその反射波が所定レベルに減衰する時点までの時間以内で予め設定した基本周期に基づいて２回目の超音波を発信し（ステップＳ３）、波形データ取得手段１７ｂにより、その反射波を受信して波形データを取得する（ステップＳ４）。
【００２６】
次に、超音波レベル計は、超音波発信手段１７ａにより所定回数超音波３１を発信したかどうか判断し（ステップＳ５）、超音波３１を所定回数発信していない場合（ＮＯの場合）、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるようにセンサ３０の発信周期を変更した後に（ステップＳ６）、次の超音波を発信し（ステップＳ７）、上記ステップＳ４に戻り処理を繰り返す。また、上記ステップＳ５において、超音波３１を所定回数発信した場合（ＹＥＳの場合）、統計波形データ生成手段１７ｃにより、波形データ取得手段１７ｂで取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成し（ステップＳ８）、液面検出手段１７ｄにより、その統計波形データに含まれる反射エコーの中から予め定めた波高レベル以上の反射エコーのエコータイミングを検出し（ステップＳ９）、そのエコータイミングに基づいて液面位置を検出する（ステップＳ１０）。
【００２７】
コントローラ１０の超音波発信手段１７ａは、センサ３０から超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの間隔よりも短い発信周期で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるようにセンサ３０の発信周期を変化させながら超音波３１を発信する。波形データ取得手段１７ｂは、超音波発信手段１７ａにより発信した超音波３１に応じた液面４１からの反射波に基づいて各回の波形データを取得する。この時、例えば、センサ３０からの超音波３１の発信が３回目であれば、前回、すなわち、２回目に発信した超音波３１に応じた液面４１からの反射波の一部（本例では第４反射エコー）を一緒に取り込むことが起こり得る。
【００２８】
統計波形データ生成手段１７ｃは、波形データ取得手段１７ｂにより取得した複数回の波形データに対して演算処理を行って統計波形データを生成する。液面検出手段１７ｄは、統計波形データ生成手段１７ｃにより生成した統計波形データに含まれる反射波の中から予め定めた波高レベル以上の反射波のエコータイミングを選択し、選択したエコータイミングから液面４１の位置を検出する。
【００２９】
ここで、超音波の発信周期を変化させて液面計測値を算出する方法について具体例に基づいて説明する。
まず、液面計測値を取得するために、例えば、４回の超音波発信を行う。この時、各回の超音波発信パルス幅を、例えば１０μｓに設定する。１回目及び２回目の超音波発信間隔（基本周期）は、例えば、５００μｓとする。さらに、２回目及び３回目の超音波発信間隔（発信周期）は、５５０μｓとし、３回目及び４回目の超音波発信間隔は、６００μｓとする。これらの超音波発信間隔は、センサ３０から超音波３１を発信した時点からその反射波が所定レベルに減衰する時点までの時間以内で設定されているものとする。
【００３０】
上記例では、各回で５０μｓの時間差を設けている。この５０μｓの時間は、発信パルス幅１０μｓに対して数倍（本例では５倍）のマージンを確保するために設定される。ここで、例えば、１回目の発信による反射エコーのいずれかが、２回目の発信による反射エコーの中に反射エコーＡとして出現し、同様に、３回目の発信による反射エコーの中に反射エコーＢが、上記反射エコーＡとは異なる位置になるように、すなわち統計波形データを求めた際に、反射エコーＡの波形と、反射エコーＢの波形とが重ならない位置となるように、反射エコーのパルス幅、すなわち、発信パルス幅相当に対し、十分なマージンを確保することを目的としている。但し、必要以上にマージンを確保すると、逆に超音波発信周期を伸ばすことになる。
【００３１】
本発明によると、超音波を複数回発信する際に、各回の発信周期を変化させて演算処理することにより、前回の超音波発信による反射エコーの誤検出を防止することができるため、超音波の発信周期を短縮して消費電力を低減することができる。また、超音波の発信周期を短縮した結果として、計測応答性の向上を図ることができる。
【００３２】
図４は、図３に示したフロー図をより具体的に説明するためのフロー図である。図５は、図４に示したフロー図に基づいて反射エコーの計測動作の一例を説明するための図である。
図４において、まず、超音波レベル計は、１回目の超音波を発信し、その波形データを記憶する（ステップＳ１１）。次に、１回目の超音波発信から５００μｓ経過した後（ステップＳ１２）、２回目の超音波を発信し、その波形データを記憶する（ステップＳ１３）。この際、図５（Ａ）に示す１回目の波形データにおいて、１回目の超音波発信から６０２μｓのタイミングで第４エコーとしては大きなエコーが返ってきている。そのため、５００μｓ後からの２回目の波形データには、１０２μｓのタイミングで上記第４エコーが出現している。
【００３３】
図４において同様に、超音波レベル計は、２回目の超音波発信から５５０μｓ経過した後（ステップＳ１４）、３回目の超音波を発信し、その波形データを記憶する（ステップＳ１５）。この際、図５（Ａ）に示す２回目の波形データにおいて、２回目の超音波発信から６０１μｓのタイミングで第４エコーが返ってきている。そのため、５５０μｓ後からの３回目の波形データには、５１μｓのタイミングで上記第４エコーが出現している。このように、前回の反射エコーの出現する位置が各回で異なっていることがわかる。
【００３４】
図４において同様に、超音波レベル計は、３回目の超音波発信から６００μｓ経過した後（ステップＳ１６）、４回目の超音波を発信し、その波形データを記憶する（ステップＳ１７）。次に、図５（Ａ）に示す１回目から４回目までの複数の波形データに対して演算処理を行い、図５（Ｂ）に示すような統計波形データを求める。本例では、統計波形として平均波形データを求める。すなわち、複数回の波形データに関して超音波発信から同一経過時間毎に波高レベルの総和を算出した結果をデータ数４で除した結果の波形データである。次に、取得した平均波形データ上を探索し、予め定めた波高レベルをスライスレベルに設定し、最初にスライスレベルを超えた反射波の立ち上がりタイミング（本例では、１５１μｓ）を求める（ステップＳ１８）。そして、この立ち上がりタイミングを第１反射波の立ち上がりタイミングと見なす。尚、本例では、平均波形データとしたが、データ数４で除することを省略し、単に、総和波形としてもよい。この場合にはスライスレベルは４倍の値となる。
【００３５】
また、液面ゆれの同期に対し十分なサンプリング周期が設けられない場合には、平均波形の代わりに最大波形データ、すなわち、複数回の波形データに関して超音波発信から同一経過時間毎に波高レベルの最大値を示した波形データを用いることにより、より安定した液面計測を行える場合がある。
【００３６】
最後に、図５（Ｃ）に示すように第１反射波の立ち上がりタイミング（本例では１５１μｓ）から液面計測値を算出し表示する（ステップＳ１９）。
【００３７】
上記ステップＳ１８において、図５（Ｂ）に示す平均波形データは、各回において前回までの反射エコー同士の重なりが起こらないため、その波高レベルは低く抑えることができる。また、上記ステップＳ１９において、図５（Ｂ）に示す平均波形データに基づいて、所定のスライスレベルを最初に超える反射波のタイミングを、図５（Ｃ）に示す第１反射波のタイミング値１５１μｓとして判定し、液面計測値を算出し表示する。
【００３８】
図５（Ｂ）に示す平均波形データでは、５１μｓ及び１０２μｓのタイミングで出現する波高レベルが、スライスレベルを下回るように、スライスレベル及び超音波発信周期の基本周期（本例では５００μｓ）を設定しておく。
【００３９】
ここで、従来のように固定の発信周期で行った場合と、本発明のように前回までの反射エコーが重ならないように発信周期をずらした場合との比較を行う。
発信時点から時間ｔ経過時点での反射エコーの反射強度Ｉを下記に示す。
Ｉ（ｔ）＝ｋ・ｅｘｐ（−ｔ／τ）・・・式（１）
ｋ：比例定数、τ：減衰時定数
前回までの反射エコー（不要な反射エコー）の波高レベルと、スライスレベルとのマージンは、従来の固定発信周期の場合と同じ条件とする。
【００４０】
本発明を実施した場合の発信周期をＴ、従来の発信周期をＴ０、平均化回数をｎとすると、本発明において、平均波形データに出現する前回までの反射エコー（不要な反射エコー）の波高レベルは、従来に比べ１／ｎとなるから、
Ｉ（Ｔ）／Ｉ（Ｔ０）＝ｎ                    ・・・式（２）
ｅｘｐ（−Ｔ／τ）／ｅｘｐ（−Ｔ０／τ）＝ｎ・・・式（３）
すなわち、
Ｔ＝Ｔ０−τＩｎ（ｎ）                      ・・・式（４）
となる。従って、本発明の発信周期Ｔは、従来の発信周期Ｔ０に対して、τＩｎ（ｎ）短縮することができる。
【００４１】
図６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，ＣＭＰ（コンパレータ）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、超音波発信手段１７ａ，エコータイミングデータ取得手段１７ｅ，エコータイミング度数分布生成手段１７ｆ，及び液面検出手段１７ｄがプログラムとして格納されており、ＣＰＵ１４は、本発明の超音波発信周期の制御処理を行う際に、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。
【００４２】
図２に示した実施形態と異なる点は、Ａ／Ｄコンバータ１３ａの代わりにＣＭＰ１３ｂを有する点で、このＣＭＰ１３ｂ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。また、図２に示した波形データ取得手段１７ｂ、統計波形データ生成手段１７ｃの代わりに、エコータイミングデータ取得手段１７ｅ、エコータイミング度数分布生成手段１７ｆを有する点が異なる。
次に、超音波発信手段１７ａ，エコータイミングデータ取得手段１７ｅ，エコータイミング度数分布生成手段１７ｆ，及び液面検出手段１７ｄについて、下記のフロー図（図７）に基づいて説明する。
【００４３】
図７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１及び図６に基づいて説明するものとする。まず、超音波レベル計は、超音波発信手段１７ａによりセンサ３０から１回目の超音波３１を発信し（ステップＳ２１）、エコータイミングデータ取得手段１７ｅにより、その反射波を受信してエコータイミングデータを取得する（ステップＳ２２）。次に、超音波発信手段１７ａによりセンサ３０から超音波３１を発信した時点からその反射波が所定レベルに減衰する時点までの時間以内で予め設定した基本周期に基づいて２回目の超音波を発信し（ステップＳ２３）、エコータイミングデータ取得手段１７ｅにより、その反射波を受信してエコータイミングデータを取得する（ステップＳ２４）。
【００４４】
次に、超音波レベル計は、超音波発信手段１７ａにより所定回数超音波３１を発信したかどうか判断し（ステップＳ２５）、超音波３１を所定回数発信していない場合（ＮＯの場合）、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるようにセンサ３０の発信周期を変更した後に（ステップＳ２６）、次の超音波を発信し（ステップＳ２７）、上記ステップＳ２４に戻り処理を繰り返す。また、上記ステップＳ２５において、超音波３１を所定回数発信した場合（ＹＥＳの場合）、エコータイミング度数分布生成手段１７ｆにより、エコータイミングデータ取得手段１７ｅで取得した複数回の波形データに対して演算処理を行ってエコータイミングの度数分布を生成し（ステップＳ２８）、液面検出手段１７ｄにより、そのエコータイミング度数分布から予め定めた必要度数以上の反射エコーのエコータイミングを選択し、そのエコータイミングに基づいて液面位置を検出する（ステップＳ２９）。
【００４５】
コントローラ１０の超音波発信手段１７ａは、センサ３０から超音波を発信した時点からその反射波が所定レベル以下に減衰する時点までの間隔よりも短い発信周期で超音波を複数回発信する際に、前回発信した超音波による反射波の出現タイミングが各回において異なるようにセンサ３０の発信周期を変化させながら超音波３１を発信する。エコータイミングデータ取得手段１７ｅは、超音波発信手段１７ａにより発信した超音波３１に応じた液面４１からの反射波のエコータイミングを取得する。この時、例えば、センサ３０からの超音波３１の発信が３回目であれば、前回、すなわち、２回目に発信した超音波３１に応じた液面４１からの反射波の一部（本例では第４反射エコー）を一緒に取り込むことが起こり得る。
【００４６】
エコータイミング度数分布生成手段１７ｆは、エコータイミングデータ取得手段１７ｅにより取得した複数回のエコータイミングデータに対して演算処理を行ってエコータイミングの度数分布を生成する。液面検出手段１７ｄは、エコータイミング度数分布生成手段１７ｆにより生成したエコータイミング度数分布から予め定めた必要度数以上の反射波のエコータイミングを選択し、選択したエコータイミングから液面４１の位置を検出する。
【００４７】
ここで、超音波の発信周期を変化させて液面計測値を算出する他の方法について具体例に基づいて説明する。
まず、液面計測値を取得するために、例えば、４回の超音波発信を行う。この時、各回の超音波発信パルス幅を、例えば１０μｓに設定する。１回目及び２回目の超音波発信間隔（基本周期）は、例えば、５００μｓとする。さらに、２回目及び３回目の超音波発信間隔（発信周期）は、５５０μｓとし、３回目及び４回目の超音波発信間隔は、６００μｓとする。これらの超音波発信間隔は、センサ３０から超音波３１を発信した時点からその反射波が所定レベルに減衰する時点までの時間以内で設定されているものとする。
【００４８】
上記例では、各回で５０μｓの時間差を設けている。この５０μｓの時間は、発信パルス幅１０μｓに対して数倍（本例では５倍）のマージンを確保するために設定される。ここで、例えば、１回目の発信によるエコータイミングデータ（反射エコー）のいずれかが、２回目の発信によるエコータイミングデータ（反射エコー）の中にエコータイミング（反射エコー）Ａとして出現し、同様に、３回目の発信によるエコータイミングデータ（反射エコー）の中にエコータイミング（反射エコー）Ｂが、上記エコータイミング（反射エコー）Ａとは異なる位置になるように、すなわちエコータイミングの度数分布を求めた際に、エコータイミング（反射エコー）Ａと、エコータイミング（反射エコー）Ｂとが重ならない位置となるように、反射エコーのパルス幅、すなわち、発信パルス幅相当に対し、十分なマージンを確保することを目的としている。但し、必要以上にマージンを確保すると、逆に超音波発信周期を伸ばすことになる。
【００４９】
本発明によると、超音波を複数回発信する際に、各回の発信周期を変化させて演算処理することにより、前回の超音波発信による反射エコーの誤検出を防止することができるため、超音波の発信周期を短縮して消費電力を低減することができる。また、超音波の発信周期を短縮した結果として、計測応答性の向上を図ることができる。
【００５０】
図８は、図７に示したフロー図をより具体的に説明するためのフロー図である。図９は、図８に示したフロー図に基づいて反射エコーの計測動作の一例を説明するための図である。
図８において、まず、超音波レベル計は、１回目の超音波を発信し、そのエコータイミングデータを記憶する（ステップＳ３１）。次に、１回目の超音波発信から５００μｓ経過した後（ステップＳ３２）、２回目の超音波を発信し、そのエコータイミングデータを記憶する（ステップＳ３３）。この際、図９（Ａ）に示す１回目のエコータイミングデータにおいて、１回目の超音波発信から６０２μｓのタイミングで第４エコーが返ってきている。そのため、５００μｓ後からの２回目のエコータイミングデータには、１０２μｓのタイミングで上記第４エコーが出現している。
【００５１】
図８において同様に、超音波レベル計は、２回目の超音波発信から５５０μｓ経過した後（ステップＳ３４）、３回目の超音波を発信し、そのエコータイミングデータを記憶する（ステップＳ３５）。この際、図９（Ａ）に示す２回目のエコータイミングデータにおいて、２回目の超音波発信から６０１μｓのタイミングで第４エコーが返ってきている。そのため、５５０μｓ後からの３回目のエコータイミングデータには、５１μｓのタイミングで上記第４エコーが出現している。このように、前回のエコータイミングデータの出現する位置が各回で異なっていることがわかる。
【００５２】
図８において同様に、超音波レベル計は、３回目の超音波発信から６００μｓ経過した後（ステップＳ３６）、４回目の超音波を発信し、そのエコータイミングデータを記憶する（ステップＳ３７）。次に、図９（Ａ）に示す１回目から４回目までの複数のエコータイミングデータに対して演算処理を行い、図９（Ｂ）に示すようなエコータイミングの度数分布を求める（ステップＳ３８）。次に、取得したエコータイミングの度数分布を探索し、予め定めた必要度数を超える最小の立ち上がりタイミング（本例では、１５０（±９）μｓの範囲）を求める。そして、この立ち上がりタイミングに基づいて第１反射波の立ち上がりタイミングを計算により求める。
【００５３】
上記ステップＳ３８において、図９（Ｂ）に示すエコータイミングの度数分布は、各回において前回までの反射エコー同士の重なりが起こらないため、その度数は低く抑えることができる。また、本例の場合、区分間隔を１０μｓとして各区分中央値（５０，６０，１００，１１０，１５０，１６０，・・・，６１０）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１５１，１５４，１５２，１５０μｓが当該幅に含まれるため、度数４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。
【００５４】
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。
【００５５】
最後に、図９（Ｃ）に示すように、エコータイミングの度数分布に基づいて予め定めた必要度数を超える最小エコータイミングから第１エコータイミングを計算により求める。この計算結果から液面計測値を算出し表示する（ステップＳ３９）。本例の場合、上記第１エコータイミングの計算に際し、１５０（±９）μｓの範囲に含まれるエコータイミングの平均値を求める。すなわち、
ｔ＝（１５１＋１５４＋１５２＋１５０）／４＝１５１．７５μｓ
と求まる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によると、超音波レベル計において超音波を複数回発信する際に、各回において発信周期を変化させて演算処理することにより、前回の超音波発信による反射エコーの誤検出を防止することができるため、超音波レベル計の発信周期を短縮して消費電力を低減することができる。また、超音波発信周期が短縮された結果として、計測応答性の向上を図ることができる。
【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に示したフロー図をより具体的に説明するためのフロー図である。
【図５】図４に示したフロー図に基づいて反射エコーの計測動作の一例を説明するための図である。
【図６】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７】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８】図７に示したフロー図をより具体的に説明するためのフロー図である。
【図９】図８に示したフロー図に基づいて反射エコーの計測動作の一例を説明するための図である。
【図１０】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，５４…Ａ／Ｄコンバータ、１３ｂ…ＣＭＰ、１４，５５…ＣＰＵ、１５，５６…ＬＣＤ、１６，５７…ＲＡＭ、１７，５８…ＲＯＭ、１７ａ…超音波発信手段、１７ｂ…波形データ取得手段、１７ｃ…統計波形データ生成手段、１７ｄ…液面検出手段、１７ｅ…エコータイミングデータ取得手段、１７ｆ…エコータイミング度数分布生成手段、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。
【図１】
2004333314.tif 000003
【図２】
2004333314.tif 000004
【図３】
2004333314.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004333314.tif 000008
【図７】
2004333314.tif 000009
【図８】
2004333314.tif 000010
【図９】
2004333314.tif 000011
【図１０】
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