(57)【要約】【課題】容器底板に取り付けられ、該容器内の液面に対し超音波を送受信する超音波センサを有する超音波レベル計において、フィルタの帯域を切換えることでＳ／Ｎを低下させず、液面位置が低い場合の液面計測をも可能とする。【解決手段】制御部１０は、超音波センサ２０と接続され、可変型ＢＰＦ１２，残響マージン検出手段１８を有する。制御部１０は、センサ２０の駆動時点から液面からの反射エコーを受信するまでの時間を計測すると共に、センサ２０の駆動時点から駆動直後の超音波の容器底板での反射残響が所定レベルに低減するまでの時間を計測し、前記計測した時間の差異を残響マージンとして検出し、該残響マージンが所定値以下の場合、前記容器底板での反射残響の周波数成分に応じて可変型ＢＰＦ１２の周波数帯域を切換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり且つ液面からの反射エコーを特定できるように前記周波数帯域を調整する。【選択図】        図２
2004257983.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送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、前記超音波センサにより送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、前記容器の底板を透過する透過周波数成分に応じて周波数帯域を切り換えることにより前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出可能とする帯域可変フィルタと、該帯域可変フィルタにより抽出した信号を所定の増幅率で増幅する増幅手段と、該増幅手段の増幅率に基づき増幅された信号の中から前記液面からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出するエコータイミング検出手段と、該検出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２】
請求項１に記載の超音波レベル計において、前記超音波センサは、前記制御部から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、パルス信号の入力により前記超音波センサの駆動開始時点から前記液面からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、前記超音波センサの駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出する残響マージン検出手段を有することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１に記載の超音波レベル計において、前記液面の位置を検出する際に、前記残響マージン検出手段は、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記制御部は、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記周波数帯域を調整することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１に記載の超音波レベル計において、前記増幅手段は、前記帯域可変フィルタにより抽出した信号の増幅率を、前記超音波センサの駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより前記液面の位置に応じた増幅率を設定できるようにしたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、該変化させた発振時間に応じてパルス信号を前記超音波センサに入力する超音波センサ駆動手段を有し、前記超音波センサは、前記超音波センサ駆動手段から入力されるパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら超音波を送信できるようにしたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれか１に記載の超音波レベル計において、前記液面の位置を検出する際に、前記残響マージン検出手段は、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記増幅手段は前記超音波センサの駆動時点で増幅率を低下させ、該低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させると共に、前記超音波センサ駆動手段は前記超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させ、さらに、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記増幅率、発振時間、周波数帯域のいずれか１又は複数をそれぞれ調整することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに１に記載の超音波レベル計において、前記容器内部の液面位置を検出する際に、前記超音波センサ駆動手段は、発振周波数を変化させながら前記超音波センサから超音波を複数回送信させ、前記制御部は、該送信させた各超音波について前記容器底板での残響の状態を分析することにより、前記容器の底部外壁面の超音波の透過に適した共振周波数を検出し、該検出した共振周波数を含む駆動周波数帯域で超音波を送信させるためのパルス信号を前記超音波センサに入力できるようにしたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波レベル計において、前記制御部は、前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えることにより、前記超音波センサから入力された信号の周波数成分から前記共振周波数を含む周波数成分を抽出できるようにしたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項１０】
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送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を用いた液面検出方法において、前記超音波センサにより送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、前記容器の底板を透過する透過周波数成分に応じて帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えることにより前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出する抽出ステップと、該抽出した信号を所定の増幅率で増幅する増幅ステップと、該増幅した信号の中から前記液面からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出するエコータイミング検出ステップと、該検出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を用いた液面検出方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の超音波レベル計を用いた液面検出方法において、前記制御部から入力されるパルス信号に基づいて前記超音波センサから超音波を送信することを特徴とする超音波レベル計を用いた液面検出方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の超音波レベル計を用いた液面検出方法において、パルス信号の入力により前記超音波センサの駆動開始時点から前記液面からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、前記超音波センサの駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出することを特徴とする超音波レベル計を用いた液面検出方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の超音波レベル計を用いた液面検出方法において、前記液面の位置を検出する際に、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記周波数帯域を調整することを特徴とする超音波レベル計を用いた液面検出方法。
【請求項１４】
請求項１０ないし１３のいずれか１に記載の超音波レベル計を用いた液面検出方法において、前記帯域可変フィルタにより抽出した信号の増幅率を、前記超音波センサの駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより前記液面の位置に応じた増幅率を設定できるようにしたことを特徴とする超音波レベル計を用いた液面検出方法。
【請求項１５】
請求項１０ないし１４のいずれか１に記載の超音波レベル計を用いた液面検出方法において、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、該変化させた発振時間に応じてパルス信号を前記超音波センサに入力し、該入力したパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら前記超音波センサから超音波を送信できるようにしたことを特徴とする超音波レベル計を用いた液面検出方法。
【請求項１６】
請求項１２ないし１５のいずれか１に記載の超音波レベル計を用いた液面検出方法において、前記液面の位置を検出する際に、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記超音波センサの駆動時点で増幅率を低下させ、該低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させると共に、前記超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させ、さらに、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記増幅率、発振時間、周波数帯域のいずれか１又は複数をそれぞれ調整することを特徴とする超音波レベル計を用いた液面検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波レベル計及び該レベル計を用いた液面検出方法、より詳細には、容器に収容された液化ガス等の内容物の液面を容器外部から検出するための超音波レベル計及び該レベル計を用いた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。この超音波レベル計は、容器又は貯槽（以下、容器で代表するものとする）の板厚によって通過周波数帯域が異なることから、適用周波数範囲の異なる超音波センサを数種類用意し、容器の板厚範囲に適する超音波センサを選定していたが、多品種となってしまうため、量産効果が得にくく、低コスト化することが困難であった。そこで、適応周波数範囲の広い超音波センサを用いて、適応可能な容器板厚範囲を拡大させることで、多品種化を避けることが可能と考えられる。
【０００３】
しかしながら、超音波センサの広帯域化による副作用として、Ｓ／Ｎ劣化が起きてしまい、安定した液面計測を行うことができない。板厚によっては、特に板厚が増加すると最適周波数の選定に対して、反射エコーレベルより残響波レベルが支配的になる方向で、Ｓ／Ｎの低下が起こり、単純なゲイン制御のみでは十分なＳ／Ｎを確保できなくなる。
【０００４】
従来、超音波センサを用いた対象物検出方法として、容器外側部分に探触子を取り付けた状態で、対象物の検出を行う場合に、板厚及び材質がどのような容器に対しても使用可能な汎用性のある超音波センサを提供できるようにしたものが提供されている。これは、探触子からの発射波形及び反射波形のデータを入力し、波形の減衰特性の相違に基づいて探触子の圧電素子と容器との間の共振周波数を検出し、このとき検出した共振周波数を運転周波数として登録するようにしたものである。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２１３９７９号公報
【０００６】
【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、広範囲の板厚に対して適応可能な周波数帯域の広い超音波センサを利用した場合でも、バンドパスフィルタの帯域を切り換えることでＳ／Ｎを低下させず、安定した液面検出を可能とすること、さらに、バンドパスフィルタの帯域切り換えに加えて、超音波センサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように変化させると共に、超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、残響により検出できない不感帯時間（距離）を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現できるようにすること、をその目的とし、広範囲の板厚に対して適用可能とすると共に、液面位置の低い場合から高い場合まで液面計測を可能とする超音波レベル計及び該超音波レベル計を用いた液面検出方法を提供するものである。
【０００７】
【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送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、前記超音波センサにより送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、前記容器の底板を透過する透過周波数成分に応じて周波数帯域を切り換えることにより前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出可能とする帯域可変フィルタと、該帯域可変フィルタにより抽出した信号を所定の増幅率で増幅する増幅手段と、該増幅手段の増幅率に基づき増幅された信号の中から前記液面からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出するエコータイミング検出手段と、該検出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。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記超音波センサは、前記制御部から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信することを特徴としたものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記制御部は、パルス信号の入力により前記超音波センサの駆動開始時点から前記液面からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、前記超音波センサの駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出する残響マージン検出手段を有することを特徴としたものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記残響マージン検出手段は、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記制御部は、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記周波数帯域を調整することを特徴としたものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれか１の発明において、前記増幅手段は、前記帯域可変フィルタにより抽出した信号の増幅率を、前記超音波センサの駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより前記液面の位置に応じた増幅率を設定できるようにしたことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか１の発明において、前記制御部は、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、該変化させた発振時間に応じてパルス信号を前記超音波センサに入力する超音波センサ駆動手段を有し、前記超音波センサは、前記超音波センサ駆動手段から入力されるパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら超音波を送信できるようにしたことを特徴としたものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項３ないし６のいずれか１の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記残響マージン検出手段は、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記増幅手段は前記超音波センサの駆動時点で増幅率を低下させ、該低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させると共に、前記超音波センサ駆動手段は前記超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させ、さらに、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記増幅率、発振時間、周波数帯域のいずれか１又は複数をそれぞれ調整することを特徴としたものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかに１の発明計において、前記容器内部の液面位置を検出する際に、前記超音波センサ駆動手段は、発振周波数を変化させながら前記超音波センサから超音波を複数回送信させ、前記制御部は、該送信させた各超音波について前記容器底板での残響の状態を分析することにより、前記容器の底部外壁面の超音波の透過に適した共振周波数を検出し、該検出した共振周波数を含む駆動周波数帯域で超音波を送信させるためのパルス信号を前記超音波センサに入力できるようにしたことを特徴としたものである。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記制御部は、前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えることにより、前記超音波センサから入力された信号の周波数成分から前記共振周波数を含む周波数成分を抽出できるようにしたことを特徴としたものである。
【００１６】
請求項１０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送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を用いた液面検出方法において、前記超音波センサにより送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、前記容器の底板を透過する透過周波数成分に応じて帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えることにより前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出する抽出ステップと、該抽出した信号を所定の増幅率で増幅する増幅ステップと、該増幅した信号の中から前記液面からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出するエコータイミング検出ステップと、該検出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。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記制御部から入力されるパルス信号に基づいて前記超音波センサから超音波を送信することを特徴としたものである。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項１０または１１の発明において、パルス信号の入力により前記超音波センサの駆動開始時点から前記液面からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、前記超音波センサの駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出することを特徴としたものである。
【００１９】
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記周波数帯域を調整することを特徴としたものである。
【００２０】
請求項１４の発明は、請求項１０ないし１３のいずれか１の発明において、前記帯域可変フィルタにより抽出した信号の増幅率を、前記超音波センサの駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより前記液面の位置に応じた増幅率を設定できるようにしたことを特徴としたものである。
【００２１】
請求項１５の発明は、請求項１０ないし１４のいずれか１の発明において、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、該変化させた発振時間に応じてパルス信号を前記超音波センサに入力し、該入力したパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら前記超音波センサから超音波を送信できるようにしたことを特徴としたものである。
【００２２】
請求項１６の発明は、請求項１２ないし１５のいずれか１の発明において、前記液面の位置を検出する際に、前記超音波センサの駆動時に所定の増幅率に基づいて残響マージンを検出し、該検出した残響マージンが所定値以下の場合、前記超音波センサの駆動時点で増幅率を低下させ、該低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させると共に、前記超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させ、さらに、前記容器底板での残響の周波数成分に応じて前記帯域可変フィルタの周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、前記液面からの反射エコー信号を特定できるように前記増幅率、発振時間、周波数帯域のいずれか１又は複数をそれぞれ調整することを特徴としたものである。
【００２３】
【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構成例を説明するための図で、図中、１０はコントローラ（制御部）、２０は超音波センサ（圧電センサ）、２１は超音波センサ２０から送信する超音波、１７はコントローラ１０の表示部、３０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）、３１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２０からなり、超音波センサ２０は容器３０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２０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。
【００２４】
上記のような構成において、例えば、液体の液面３１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２０から超音波２１を送信し、主に液面３１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３１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３０内の液体容量を算出することができる。
【００２５】
液面３１の高さを検出する際に、超音波センサ２０は、容器３０の底部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３１で反射して戻ってくるが、液面３１の高さに応じて超音波センサ２０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。
【００２６】
ここで、容器３０の底部壁が、例えば鉄板である場合について、この鉄板に超音波センサ２０を取り付けた際、この鉄板の板厚が大きくなるに従って、鉄板境界部で反射する音波の影響で残響特性が顕著になり、これにより、最低検出距離マージンを低下させてしまうため、特に近距離側での安定な液面検出が困難となってしまう。また、板厚の増加による鉄板透過周波数解の接近と、これと同時に鉄板の境界で反射する周波数解も増加し接近してくるため、超音波センサの残響波による自由振動領域に対して前記境界で反射してくるエコーが重なり、見かけ上残響波の大きい特性となる。本発明の超音波レベル計は、広範囲の板厚に対して適応可能な周波数帯域の広い超音波センサを利用した場合でも、バンドパスフィルタの帯域を切り換えることでＳ／Ｎを低下させず、安定した液面検出を可能とし、液面位置の低い近距離側において残響波を減衰させ、受信信号として必要な領域では帯域フィルタとしての効果を得るための帯域切り換えバンドパスフィルタを備えるものである。
【００２７】
また、超音波センサ２０と鉄板との音響結合により、センサ共振周波数帯域と、鉄板の透過周波数スペクトルとの関係から、鉄板を含むセンサ振動系の振動状態、すなわち残響波による自由振動の状態が変化してしまう。このため、液面位置が低い場合の液面を計測する際、液面からの反射波が自由振動内、すなわち残響波に重なってしまうことがある。このような場合、反射波を捕らえることができず、液面距離を計測できない不感帯時間（距離）が発生する。本発明の超音波レベル計は、残響波による影響を低減しつつ、反射エコーを受信するために必要な感度を維持できるようにして液面位置が低い場合から高い場合まで液面計測を可能とするものである。
【００２８】
図２は、本発明の超音波レベル計の回路構成例について示した図である。本超音波レベル計のコントローラ１０は、受信回路１１，可変型バンドパスフィルタ（以下、可変型ＢＰＦという）１２，増幅手段１３，検波回路１４，エコータイミング検出手段１５，液面検出手段１６，表示部１７，残響マージン検出手段１８，超音波センサ駆動手段１９，図示しないＣＰＵを有する。尚、超音波センサ２０は、コントローラ１０から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信するものとし、このパルス信号にはあらゆる周波数成分を含む矩形波パルス信号が望ましく、これにより容器３０の板厚及び材質が変化した場合でも対応が可能となる。尚、本実施形態において、受信回路１１と可変型ＢＰＦ１２とは別々に図示しているが、可変型ＢＰＦ１２を受信回路１１に物理的に含めるように構成してもよい。
【００２９】
以下、コントローラ１０の動作について詳細に説明する。
可変型ＢＰＦ１２は、超音波センサ２０により送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、容器３０の底板を透過する透過周波数成分に応じて周波数帯域を切り換えることにより、前記入力した信号の周波数成分から前記透過周波数成分を選択的に抽出可能とする。例えば、容器３０の底部鉄板に超音波センサ２０を取り付けた状態で、図２に示すＬＣフィルタの過渡応答による減衰効果が得られる定数を３種類の周波数帯域で割り振らせ、各周波数帯域に応じたフィルタを適切に切り換えて、所定範囲の板厚に応じた全周波数帯域に対し残響特性、反射感度特性を両立させるようにする。
【００３０】
図３は、本発明が適用される所定の板厚範囲に応じた可変型ＢＰＦ１２の回路構成例について示した図で、可変型ＢＰＦ１２は、切り換え部１２ａを有している。本実施形態の可変型ＢＰＦ１２は、板厚約４．５ｍｍ〜１５ｍｍに対応した周波数帯域として、６５０〜８５０ｋＨｚ（フィルタＡ）、８００〜１０５０ｋＨｚ（フィルタＢ）、１０００〜１３００ｋＨｚ（フィルタＣ）の３種類に割り振って適宜切り換えて使用するものとする。この場合、切り換え部１２ａにはＯＦＦ時のキャパシタンス値が１００Ｐ以下のフォトモスを使用することで、帯域を損ねずに広帯域特性を実現することができる。また、フォトモスを同時にＯＮさせることで、このキャパシタンス値によっては高次に帯域を広げる設計も可能となり、組み合わせによる広帯域化を実現することもできる。
【００３１】
このように、可変型ＢＰＦ１２は、ＬＣフィルタの過渡応答による減衰効果が得られる定数を３種類の周波数帯域で割り振らせ、板厚に応じた全周波数帯域に対して残響特性、反射感度特性を両立させることができる。コントローラ１０は、容器３０の底部板厚に基づいて、超音波センサ２０の共振周波数と、実際に透過させる板厚固有周波数との関係で残響レベルが最大となる帯域に対して、可変型ＢＰＦ１２を切り換えて、大きく減衰効果を作用させる。また、板厚の範囲と、残響の絶対値レベルに基づいて、可変型ＢＰＦ１２の切り換えを最小数に抑えて組み合わせるようにする。上記板厚範囲（約４．５〜１５ｍｍ）の場合には最小３段階の切り換えとする。このように切り換え数を最小限にすることで高速安定性を高めることができる。
【００３２】
増幅手段１３は、可変型ＢＰＦ１２により抽出した周波数成分に応じた信号を所定の増幅率で増幅する。エコータイミング検出手段１５は、増幅手段１３に設定した増幅率に基づいて液面３１からの反射エコー信号を特定してエコータイミングを検出する。液面検出手段１６は、エコータイミング検出手段１５により検出したエコータイミングに基づいて液面３１の位置を検出する。
【００３３】
残響マージン検出手段１８は、パルス信号の入力により超音波センサ２０の駆動開始時点から液面３１からの反射エコーを受信するまでの超音波伝播時間を計測すると共に、超音波センサ２０の駆動開始時点から駆動直後に検知される超音波の残響、すなわち容器３０の底板での反射波に起因する残響、あるいは駆動停止後の慣性による自己振動等に起因する残響などを含み、これら残響が所定レベルに低減するまでの駆動残響時間を計測し、前記計測した超音波伝播時間と駆動残響時間との差異を残響マージンとして検出する。
【００３４】
超音波センサ駆動手段１９は、パルス信号のパルス数又はパルス幅を変化させることにより当該パルス信号の発振時間を変化させ、変化させた発振時間に応じてパルス信号を超音波センサ２０に入力することができる。超音波センサ２０は、超音波センサ駆動手段１９から入力されるパルス信号に応じた駆動周波数で駆動時間を変化させながら超音波を送信することが可能となる。この場合、超音波センサ駆動手段１９は、容器３０と超音波センサ２０との共振周波数を含む発振周波数の範囲で、それぞれの発振周波数に応じたパルス信号を、例えば５０μｓから５μｓおきに最大１００μｍまで超音波センサ２０に入力するようにしてもよい。
【００３５】
ここで、容器３０の板厚に対する超音波の透過率をよくするためには、容器３０の板厚や材質に応じて、超音波センサ２０から送信する超音波の駆動周波数を最適に、すなわち共振周波数にて超音波センサ２０を駆動するように設定する必要がある。通常は容器３０に合わせて、超音波センサ２０及び駆動周波数をカスタマイズして共振周波数にて最適に駆動するようにしている。しかし、超音波センサ２０の駆動周波数を可変式にして超音波センサの容器への取り付け時に、容器３０と超音波センサ２０との共振周波数を求めて、その共振周波数を超音波センサ２０の駆動周波数として設定するようにしてもよい。この場合、超音波センサ駆動手段１９は、パルス信号の発振周波数を変化させながら超音波センサ２０から超音波を複数回送信させ、送信させた各超音波の残響の状態を分析することにより、容器３０の底部外壁面の超音波の透過に適した共振周波数を検出し、検出した共振周波数を含む駆動周波数帯域で超音波を送信させるためのパルス信号を超音波センサ２０に入力する。上記残響の状態を分析する手法の一例として、共振時と非共振時との残響の減衰度が異なるため、この減衰度を見ることによって共振周波数を検出することができる。
【００３６】
通常、共振周波数については、材料の持つ固有値であるので、容器３０の板厚、材質から求めることができる。しかし、超音波センサ２０と容器３０の結合はグリス等により行うのが一般的で、この場合、超音波センサ２０の整合層と容器３０が理想的に結合されるので、超音波センサ２０と容器３０とを合わせた共振周波数となってしまう。よって、必ずしも容器３０のもつ共振周波数と一致しない。そこで、超音波センサ２０と容器３０の結合を樹脂材料（シリコンシート）にすると、超音波センサ２０と容器３０の結合による影響が少なく、超音波センサ２０を容器３０の共振周波数で駆動すればよく、容易に共振周波数を得ることができる。
また、容器３０の材質がわかっている場合は容器３０の板厚を逆算して求めることができるので、例えば、前述したように、液面高さを残量にして変換して表示する場合、容器３０の寸法から容器３０の体積を求めるだけでなく、さらに板厚情報を考慮して容器３０の体積を求めることができるので、特に小型で板厚が厚い容器３０の場合、より正確に残存量を求めることができる。
【００３７】
また、表示部１７は、液面検出手段１６において検出した液面位置に関する情報を表示する。
【００３８】
ここで、液面３１までの距離を検出する際に、残響マージン検出手段１８は、超音波センサ２０の駆動時に所定の増幅率（前回設定時又は初期設定時のもの）に基づいて残響マージンを検出し、検出した残響マージンが所定値以下の場合、コントローラ１０は、容器３０の底板での残響の周波数成分に応じて可変型ＢＰＦ１２の周波数帯域を切り換えながら、前記検出した残響マージンが前記所定値以上となり、且つ、液面３１からの反射エコー信号を特定できるように周波数帯域を調整する。
【００３９】
本発明によると、広帯域の超音波センサを使用した場合でも、容器底板の板厚に応じた透過周波数成分のみを抽出することができるため、不要なノイズを除去することができる。
また、帯域可変型ＢＰＦを、比較的安価なＬＣフィルタ回路とスイッチ素子とから構成される簡単な回路により構成することで、コストパフォーマンスの向上を図ることができる。
また、狭帯域センサを用いた場合以上の十分なＳ／Ｎを確保することができるため、超音波センサ駆動時において十分なＳ／Ｎを確保しつつ、低消費電力化することができ、その結果、小容量の電池が使用可能となり、長寿命化が可能となる。
【００４０】
図４は、本発明の超音波レベル計の他の回路構成例について示した図である。本実施形態における超音波レベル計のコントローラ１０は、受信回路１１，可変型ＢＰＦ１２，時変特性増幅手段１３ａ，時変特性補正手段１３ｂ，検波回路１４，エコータイミング検出手段１５，液面検出手段１６，表示部１７，残響マージン検出手段１８，超音波センサ駆動手段１９，図示しないＣＰＵを有する。尚、超音波センサ２０は、コントローラ１０から入力されるパルス信号に基づいて超音波を送信するものとし、このパルス信号にはあらゆる周波数成分を含む矩形波パルス信号が望ましく、これにより容器３０の板厚及び材質が変化した場合でも対応が可能となる。尚、本実施形態において、受信回路１１と可変型ＢＰＦ１２とは別々に図示しているが、可変型ＢＰＦ１２を受信回路１１に物理的に含めるように構成してもよい。
【００４１】
本実施形態におけるコントローラ１０の回路構成と、図１に示したコントローラ１０の回路構成との相違点は、増幅手段１３の代わりに、時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂを有する点である。従って、その他の各手段については同様であるため、ここでの説明は省略するものとする。
時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂは、超音波センサ２０により送信した超音波に対する反射波に応じた信号を入力し、入力した信号の増幅率を超音波センサ２０の駆動時を起点として時間に応じて大きくなるように変化させることにより、液面３１の位置に応じて増幅率を調整し、その調整値を設定する。本実施形態の超音波レベル計は、時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂ，超音波センサ駆動手段１９，可変型ＢＰＦ１２を適宜組み合わせて制御することによって、安定した残響特性、反射感度特性を実現させ、液面位置が低い場合における液面計測までも可能とするものである。
【００４２】
ここで、液面３１までの距離を算出する際に、残響マージン検出手段１８は、超音波センサ２０の駆動時に所定の増幅率（前回設定時又は初期設定時のもの）に基づいて残響マージンを検出し、検出した残響マージンが所定値以下の場合、時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂは、超音波センサ２０の駆動時点で増幅率を低下させ、低下させた増幅率を時間に応じて所定の割合で大きくなるように変化させる。この際、超音波センサ駆動手段１９は、超音波センサ２０に入力するパルス信号の発振時間を変化させる。さらに、容器３０の底板での残響の周波数成分に応じて可変型ＢＰＦ１２の周波数帯域を切り換える。上記増幅率及び発振時間を変化させる条件は任意に設定可能で、発振時間を固定して増幅率だけ変化させてもよい。コントローラ１０は、前記検出した残響マージンが前記所定値以上になり、且つ、液面３１からの反射エコー信号を特定できるように増幅率，発振時間及び周波数帯域のいずれか１又は複数をそれぞれ調整する。
【００４３】
以下、上記した増幅率，発振時間の調整に関して図４に基づいて具体的に説明する。
図４に示す時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂにおいて、トランジスタＱ１のＡＭＰ回路で、初段ＡＭＰのエミッタ抵抗Ｒ１０と、初段ベースにカップリングＣ７を含めて、このエミッタ抵抗Ｒ１０とカップリングＣ７とを適切に調整し、初段ＡＭＰの時定数による時間的な不感帯時間（距離）を与え、反射波の遅延時間が早い場合（近距離の場合）、トランジスタＱ２は完全には動作せず、時間（距離）に対してＡＭＰゲインを変化させる。これにより、本発明の超音波レベル計は、残響特性と感度特性の両立を図ることができる。
【００４４】
時変特性増幅手段１３ａにおいて、トランジスタＱ２の直流バイアス電圧として、１．０Ｖを与え、端子：ＴＥＳＴ１とグランドとの間に、すなわち入力側の双方向ダイオードＤ１により可変型ＢＰＦ１２を介した後の電圧レベルが±（０．６〜０．７）Ｖにクランプされるため、コンデンサＣ１に対して、流入又は流出する電流が変化する。この時、トランジスタＱ２のベースバイアス電位は約０．３〜１．７Ｖの範囲で駆動周波数に応じて周期的に変化してくる。コンデンサＣ７に対して、トランジスタＱ２側のインピーダンスと、ダイオードＤ１側のインピーダンスの大小関係により時定数が異なり、トランジスタＱ２側の時定数が長いため、トランジスタＱ２のバイアスは時間と共に１．０Ｖより平均的に低い電位に偏ってくる。
【００４５】
超音波センサ２０の駆動による強制振動でセンサが駆動されるまではこの周期で低いバイアスがコンデンサＣ７にかかり、電荷がチャージされ、強制振動が終わると、回路の自由振動の周期で、同様のバイアス変化に偏りを持ちながら、ダイオードＤ１側の電位は０Ｖに収束した後でもトランジスタＱ２側の入力インピーダンスとコンデンサＣ７の時定数により、暫くの間トランジスタＱ２は低バイアスされ、最終的には元の１．０Ｖに収束する。この間の１．０Ｖに対する低バイアスの電位が時間と共に復帰するバイアスの傾斜により、時間に対する信号増幅率を液面距離に対して徐々に高くさせることができる。
【００４６】
時変特性補正手段１３ｂは、エミッタ抵抗をメイン抵抗Ｒ１０に対して抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，・・・と必要に応じて、抵抗数、抵抗値を任意に決定することで微妙なゲイン勾配を与えることができる。さらには、コンデンサＣ７を切り換える代わりに、スイッチＳ７でコンデンサＣ８、抵抗Ｒ１４に切り換えて使用するようにしてもよい。この場合、ゲイン勾配の範囲をさらに拡大することが可能となる。この際のスイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６，・・・の切り換えは図示しないＣＰＵからの信号で行うものとする。
【００４７】
ここで、時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂにおいて調整された増幅率及び／又はパルス信号の発振時間、及び可変型ＢＰＦ１２において切り換えられた周波数帯域に基づいて液面３１からの反射エコー信号を特定し、特定した反射エコー信号に応じた超音波伝播時間を計測した後、液面検出手段１６は、上記計測した超音波伝播時間から液面３１までの距離を算出し、算出した距離算出値を表示部１７に表示させる。この際、液面検出手段１６は、算出した距離算出値に基づいて容器３０内部に貯留されている液体の体積を算出可能とし、算出した液体の体積を液容量情報として表示部１７に表示させるようにしてもよい。
【００４８】
上述のように調整した後の増幅率，発振時間，周波数帯域に基づく残響レベル及び感度レベルにおいて、例えば、超音波センサ２０から超音波を送信してから、反射エコー信号を受信するまでの動作を所定回数行ない、それぞれ計測した超音波伝播時間にバラツキが無く、それらの平均値が許容値以内に入っていることが確認できた場合に、そのときの距離算出値を出力するようにしてもよい。この際、上記平均値が許容値以内に入らない場合は、増幅率，発振時間，及び周波数帯域のいずれか１又は複数の調整を繰り返し行なって、残響レベル及び感度レベルを再度調整する。
【００４９】
図５は、超音波センサ２０の周波数帯域と、容器３０の底部板厚との関係における特性曲線を示す図で、４１はフィルタＣ，４３はフィルタＢ，４５はフィルタＡである。本例では、超音波センサ２０の適応可能な周波数帯域を８８０〜１３５０ｋＨｚとし、この周波数帯域に対して３段階のフィルタを用意しておく。
この３種類のフィルタを、それぞれフィルタＣ，フィルタＢ，フィルタＡとする。４２はフィルタＣ（４１）とフィルタＢ（４３）とがオーバーラップする帯域で、４４はフィルタＢ（４３）とフィルタＡ（４５）とがオーバーラップする帯域である。
【００５０】
前記したように、反射感度を必要レベル以上確保し、最低検出距離を一定レベル以下（例えば、１００ｍｍ以下）に制御させる方法はこれまで困難であった。
これは、容器３０の底部板厚の増加に伴い周波数解も増加し、解と解との間隔が狭くなってくる。また、同時に容器３０の底部境界で反射する超音波の影響で残響特性も顕著となってくるため、この影響によって最低検出距離マージン、すなわち残響マージンを低下させてしまう。この結果、液面位置が低い場合において安定した液面検出を行なうことが難しかった。
【００５１】
そこで、上記３種類のフィルタＡ，Ｂ，Ｃを適切に切り換える。例えば、板厚約９．０ｍｍを境に残響マージンが低下してくる。センサ反共振周波数近傍を境にして周波数帯域を２分化し、これに応じて超音波受信時において容器３０の底部を透過する透過周波数帯域とＬＣフィルタとを適応させて十分な減衰特性を得られるように、フィルタＢ（４３）、フィルタＣ（４１）のいずれかに切り換える。これにより、容器３０の底部板厚の増加による残響波を低減し、安定な反射感度特性に制御することができる。この際、周波数帯域境界においてフィルタＢ（４３）又はフィルタＣ（４１）の選択では感度特性が重視されるため、初段ＡＭＰの時定数を調整して近距離感度を損なわずに、残響特性を確保できる周波数帯域に調整する。
【００５２】
基本的には、フィルタＢ（４３）を基準としてフィルタＣ（４１）又はフィルタＡ（４５）へ切り換えるが、この可変型ＢＰＦ１２は、周波数情報によって最適なフィルタ選択を行なうことができるため、これらの情報や、現在の液面位置情報などに基づいて、時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂを組み合わせることにより、任意の液面位置に対して最適な調整値、すなわち最適な周波数帯域，増幅率に調整することが可能となる。
【００５３】
図６は、本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の一例を示した波形図で、図中、５１はコレクタ出力波形、５２は反射波波形である。本例は図４に示した回路構成に基づいて説明するものとする。図６（Ａ）に示すコレクタ出力波形５１に基づく反射波波形５２において、板厚みの増加による残響レベルの増加を可変型ＢＰＦ１２の切り換えで対応した結果について示しているが、まだ反射波波形５２の残響レベルが大きいことがわかる。さらに、図６（Ｂ）において、図６（Ａ）に示すコレクタ出力波形５１にエミッタ抵抗を可変させてゲイン勾配を変化させ、そのゲイン勾配を変化させた後のコレクタ出力波形５１の状態を示しており、そのゲイン勾配の変化に応じて、反射波波形５２の残響を低減できていることがわかる。
【００５４】
図７は、本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の他の例を示した波形図で、図中、５３は反射波波形である。本例は図４に示した回路構成に基づいて説明するものとする。図７（Ａ）に示す反射波波形５３から、可変型ＢＰＦ１２の周波数帯域の切り換えによる低周波数側の固有周波数解において、広帯域の超音波センサ２０を用いた場合に、高周波数解の影響で残響が発生してしまう。そこで、図７（Ｂ）に示すように、可変型ＢＰＦ１２のフィルタを切り換えることにより、超音波センサ２０の帯域中心（約１０７０ｋＨｚ付近）へ収束させ、残響の発生を抑えることができる。
【００５５】
図８は、本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の一例を説明するためのフロー図である。本例では、可変型ＢＰＦ１２のフィルタ切り換え処理の流れについて図２に示した回路構成に基づいて説明する。まず、超音波センサ２０及びコントローラ１０を容器３０に設置し、コントローラ１０において、初期設定を行なう（ステップＳ１）。次に、コントローラ１０から超音波センサ２０にパルス信号を入力して超音波センサ２０を駆動させ（ステップＳ２）、超音波センサ２０から送信された超音波に対する反射波（反射エコー）の波形を検波し（ステップＳ３）、その検波した反射波を受信するまでの超音波伝播時間に基づいてエコータイミングを計測する（ステップＳ４）。次に、超音波センサ２０駆動時の残響状態をチェックし（ステップＳ５）、残響状態に問題なければ（ＯＫの場合）、すなわち残響マージンが所定値以上であれば、液面検出値（液面距離）を出力し（ステップＳ７）、液面検出要求の待機状態（ステップＳ８）に移行する。
【００５６】
上記ステップＳ５において、残響状態に問題がある場合（ＮＧの場合）、フィルタ切り換え処理を行い（ステップＳ６）、その結果をステップＳ１に戻り、コントローラ１０に設定する。ここで、ステップＳ６において、フィルタ切り換え処理として、例えば、前述の図５に示したフィルタ特性の場合において、フィルタＢ（４３）→フィルタＡ（４５）、フィルタＢ（４３）→フィルタＣ（４１）の２種類の切り換えを行なう。
【００５７】
図９は、本発明が適用される超音波レベル計を用いた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。本例では、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理の流れについて図４に示した回路構成に基づいて説明する。まず、超音波センサ２０及びコントローラ１０を容器３０に設置し、コントローラ１０において、初期設定を行なう（ステップＳ１１）。次に、コントローラ１０から超音波センサ２０にパルス信号を入力して超音波センサ２０を駆動させ（ステップＳ１２）、超音波センサ２０から送信された超音波に対する反射波（反射エコー）の波形を検波し（ステップＳ１３）、その検波した反射波を受信するまでの超音波伝播時間に基づいてエコータイミングを計測する（ステップＳ１４）。次に、超音波センサ２０駆動時の残響状態をチェックし（ステップＳ１５）、残響状態に問題なければ（ＯＫの場合）、すなわち残響マージンが所定値以上であれば、液面検出値（液面距離）を出力し（ステップＳ１７）、液面検出要求の待機状態（ステップＳ１８）に移行する。
【００５８】
上記ステップＳ１５において、残響状態に問題がある場合（ＮＧの場合）、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理を行い（ステップＳ１６）、その結果をステップＳ１１に戻り、コントローラ１０に設定する。ここで、ステップＳ１６において、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理として、下記に示す（１）、（２）、（３）の処理を適宜組み合わせて行なう。
（１）ＡＭＰゲインの切り換えを行なう。これは、例えば、図４に示したスイッチＳ４→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→（Ｓ４）→の順番で切り換えることで行なう。
（２）センサ駆動時間（ｔｎ）を変更する。これは、例えば、ｔｎ（単位：μｓ）＝５０→５５→６０→６５→（最大１００）まで順次切り換えて行なう。
（３）前述の図５に示したフィルタ特性の場合において、フィルタＢ（４３）→フィルタＡ（４５）、フィルタＢ（４３）→フィルタＣ（４１）の２種類の切り換えを行なう。
【００５９】
図１０は、本発明が適用される超音波レベル計を用いた液面検出方法の他の例を説明するためのフロー図で、図１０（Ａ）は、上述の図９に示した処理フローを詳細に説明したものである。図１１は、図１０（Ａ）に示した処理フローに対応した出力波形及びゲイン勾配変化パラメータについて示した図である。図１０（Ａ）において、まず、超音波センサ２０に入力するセンサ駆動バーストパルス時間を設定する（ステップＳ２１）。このとき、センサ駆動周波数可変Ｖｃｏを作動させる。また、ピークサーチ用のコンパレータレベルを図１１（Ｂ）に示すコンパレータレベル（１）に設定し、ＡＭＰゲインを図４に示した回路構成におけるスイッチＳ４に設定し、可変型ＢＰＦ１２を前述の図５に示すフィルタＢ（４３）に設定する。次に、ステップＳ２１において設定した各条件に基づいて超音波センサ２０は、超音波を送信し、その超音波に対する反射エコーの分析処理／統計処理を行なって、コンパレータレベル（１）以上のピーク電圧を示す反射エコーをサーチする（ステップＳ２２）。
【００６０】
上記ステップＳ２２において反射エコーをサーチした結果、コンパレータレベル（１）以上のピーク電圧を示した反射エコーを、反射第１エコーとして確定し、すなわち液面距離を確定し（ステップＳ２３）、運用時のコンパレータレベルを図１１（Ｂ）に示すコンパレータレベル（２）に設定する（ステップＳ２４）。次に、コンパレータレベル（１）及びコンパレータレベル（２）に基づいて残響マージン、すなわち最低検出距離が決定される。この残響マージンとは、図１１（Ｂ）に示す点線で丸く囲った部分である。次に、上記残響マージンが所定値以上かどうかチェックし（ステップＳ２５）、残響マージンが所定値以上の場合（ＯＫの場合）、上記ステップＳ２３において確定した液面距離計測値を出力する（ステップＳ２９）。
【００６１】
上記ステップＳ２５において、上記残響マージンが所定値以下の場合（ＮＧの場合）、ステップＳ２６において、
（１）ＡＭＰゲインの切り換えを行なう。これは、例えば、図４に示したスイッチＳ４→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→（Ｓ４）→の順番で切り換えることで行なう。
（２）センサ駆動時間（ｔｎ）を変更する。これは、例えば、ｔｎ（単位：μｓ）＝５０→５５→６０→６５→（最大１００）まで切り換えて行なう。
（３）前述の図５に示したフィルタ特性の場合において、フィルタＢ（４３）→フィルタＡ（４５）、フィルタＢ（４３）→フィルタＣ（４１）の２種類の切り換えを行なう。
この際のゲイン勾配変化パラメータを図１１（Ｃ）に示す。図１１（Ｄ）は、図１１（Ｃ）に示すｔｎ＝５５且つスイッチＳ７をパラメータとして設定した状態の波形を示した図で、図１１（Ｂ）に示す波形と比較して残響マージンが大きくなり、残響が低減されている状態であることがわかる。このようにゲイン勾配変化パラメータにより増幅率、センサ駆動時間（ｔｎ）、及びフィルタを調整することで、増幅率（ＡＭＰゲイン）の最適値を設定すると共に、センサ駆動時間（ｔｎ）を設定する（ステップＳ２７）。
【００６２】
上記ステップＳ２７において設定した計測条件に基づいて、超音波センサ２０を駆動させ、波形検波、エコータイミングを検出した後、取得した反射エコーの感度及び残響レベルを確認し（ステップＳ２８）、感度及び残響レベルに問題がなければ（ＯＫの場合）、上記エコータイミングに基づいて算出される液面距離計測値を出力する（ステップＳ２９）。上記ステップＳ２８において反射エコーの感度及び残響レベルに問題があれば（ＮＧの場合）、ステップＳ２６に戻り、時変特性補正処理及びフィルタ切り換え処理を繰り返し行なう。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によると、広範囲の板厚に対して適応可能な周波数帯域の広い超音波センサを利用した場合でも、バンドパスフィルタの帯域を切り換えることでＳ／Ｎを低下させず、安定した液面検出を可能とする。
また、バンドパスフィルタの帯域切り換えに加えて、超音波センサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように変化させると共に、超音波センサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、残響により検出できない不感帯時間（距離）を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現することができる。
また、広範囲の容器板厚に対して適用可能とすると共に、液面位置の低い場合から高い場合まで液面計測を可能とする超音波レベル計を提供することができる。
【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構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の超音波レベル計の回路構成例について示した図である。
【図３】本発明が適用される所定の板厚範囲に応じた可変型ＢＰＦの回路構成例について示した図である。
【図４】本発明の超音波レベル計の他の回路構成例について示した図である。
【図５】超音波センサの周波数帯域と、容器の底部板厚との関係における特性曲線を示す図である。
【図６】本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の一例を示した波形図である。
【図７】本発明の超音波レベル計における時間に対する電圧波形の他の例を示した波形図である。
【図８】本発明が適用される超音波レベル計を用いた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９】本発明が適用される超音波レベル計を用いた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１０】本発明が適用される超音波レベル計を用いた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１１】図１０（Ａ）に示した処理フローに対応した出力波形及びゲイン勾配変化パラメータについて示した図である。
【符号の説明】
１０…コントローラ（制御部）、１１…受信回路、１２…可変型ＢＰＦ、１２ａ…切り換え部、１３…増幅手段、１３ａ…時変特性増幅手段、１３ｂ…時変特性補正手段、１４…検波回路、１５…エコータイミング検出手段、１６…液面検出手段、１７…表示部、１８…残響マージン検出手段、１９…超音波センサ駆動手段、２０…超音波センサ（圧電センサ）、２１…超音波、３０…容器、３１…液面、４１…フィルタＣ、４３…フィルタＢ、４５…フィルタＡ、４２，４４…オーバーラップ帯域、５１…コレクタ出力波形、５２，５３…反射波波形。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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