(57)【要約】【課題】超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一でない条件においても、周囲温度の影響を受ける超音波の伝搬速度を正しく補正し、より正確なレベル計測を可能とする超音波レベル計を得る。【解決手段】被測定面に対して超音波パルスを発射するとともに、被測定面で反射された前記超音波パルスを受信する検出器１と、複数の温度データを得るための複数の温度計１０と、複数の温度データに基づいて、周囲温度の分布を解析する温度分布解析部７と、検出器１による超音波パルスの発射から受信までの時間を計測し、当該時間と周囲温度の分布とに基づいて、温度補正した伝搬速度データを出力する温度補正部８と、温度補正した伝搬速度データに基づいて、被測定面のレベルを測定して、レベル計測信号として出力する信号変換部９とを備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面に対して超音波パルスを発射するとともに、前記被測定面で反射された前記超音波パルスを受信する超音波送受波手段と、
前記超音波送受波手段と前記被測定面との間の周囲温度を複数箇所で測定して、複数の温度データを出力する温度測定手段と、
前記温度測定手段からの前記複数の温度データに基づいて、前記周囲温度の分布を解析する温度分布解析手段と、
前記超音波送受波手段による前記超音波パルスの発射から受信までの時間を計測し、当該時間に基づいて前記超音波パルスの伝搬速度を求める伝搬速度演算手段と、
前記温度分布解析手段により得られた前記周囲温度の分布に基づいて、前記伝搬速度演算手段により得られた前記伝搬速度を補正する温度補正手段と、
前記温度補正手段から出力される補正後の前記伝搬速度データに基づいて、前記被測定面のレベルを測定して、レベル計測信号として出力するレベル測定手段と
を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項２】
前記温度測定手段は、前記超音波送受波手段と前記被測定面との間を所定の複数の区間に区切り、各区間ごとに周囲温度を測定するものであって、
前記温度分布解析手段は、当該区間ごとの周囲温度データからなる前記超音波送受波手段と前記被測定面との間の周囲温度の分布を示すデータ列を生成し、
前記温度補正手段は、前記データ列から、各区間ごとの周囲温度データを取り出して、当該周囲温度により前記区間ごとに前記伝搬速度を温度補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波レベル計。
【請求項３】
前記温度分布解析手段、前記温度補正手段および前記レベル測定手段が、１つのユニット内に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波レベル計。
【請求項４】
前記温度分布解析手段および前記超音波送受波手段が、１つのユニット内に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波レベル計。
【請求項５】
前記温度補正手段および前記レベル測定手段が、１つのユニット内に設けられて、
前記温度分布解析手段が、前記ユニットに接続される他のユニット内に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波レベル計。
【請求項６】
前記温度分布解析手段および前記温度補正手段が、１つのユニット内に設けられて、
前記レベル測定手段が、前記ユニットに接続される他のユニット内に設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波レベル計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超音波レベル計に関し、特に、下水暗渠などの被測定面のレベルを超音波を用いて計測するための超音波レベル計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波レベル計は、検出器内超音波送波器から発射された超音波パルスが、空気中を伝搬し被測定面で反射され、検出器内超音波受波器に受信されるまでの時間を計測することにより、前記被測定面のレベルを測定するものが一般的である。しかし、超音波の伝搬速度は伝達空間の周囲温度により変化するため、正確なレベル計測を行うためには、伝達空間の温度を計測し、超音波の伝搬速度を温度補正する等の対策が必要である。
【０００３】
このため、温度計は使用していないが、超音波送受波器から一定距離の位置に補正板を設置し、補正板のレベル測定値が常に一定となるようにレベル測定を補正することにより、伝達空間の温度変化の影響を防止するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５６−１４７０２０号公報（３頁、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波レベル計においては、前述のように補正板を用いる方法あるいは被測定面付近に温度計を設置する方法等により、超音波の伝播速度を補正する処置がなされている。しかし、従来の方法は超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一である場合には有効であるが、下水暗渠など超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一でない場合には正確な温度補正を行えない。
【０００６】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一でない条件においても、周囲温度の影響を受ける超音波の伝搬速度を正しく補正し、より正確なレベル計測を可能とする超音波レベル計を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、被測定面に対して超音波パルスを発射するとともに、前記被測定面で反射された前記超音波パルスを受信する超音波送受波手段と、前記超音波送受波手段と前記被測定面との間の周囲温度を複数箇所で測定して、複数の温度データを出力する温度測定手段と、前記温度測定手段からの前記複数の温度データに基づいて、前記周囲温度の分布を解析する温度分布解析手段と、前記超音波送受波手段による前記超音波パルスの発射から受信までの時間を計測し、当該時間に基づいて前記超音波パルスの伝搬速度を求める伝搬速度演算手段と、前記温度分布解析手段により得られた前記周囲温度の分布に基づいて、前記伝搬速度演算手段により得られた前記伝搬速度を補正する温度補正手段と、前記温度補正手段から出力される補正後の前記伝搬速度データに基づいて、前記被測定面のレベルを測定して、レベル計測信号として出力するレベル測定手段とを備えた超音波レベル計である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１において、本発明の超音波レベル計は、被測定面のレベル（被測定面の高さ）を検出するために、被測定面に対して超音波パルスを発射して、被測定面で反射されて戻ってきた当該超音波パルスを受信する検出器１と、検出器１に当該超音波パルスが受信されるまでの時間を計測することにより、被測定面のレベルを測定し、レベル計測信号を出力するための変換器６と、測定環境の周囲温度を測定し、測定結果を変換器６に出力する複数の温度計１０とが設けられている。
【０００９】
検出器１内には、被測定面に対して超音波送信パルス４を発射するための超音波送波器２と、空気中を伝搬し、被測定面で反射された超音波送信パルス４を超音波受信パルス５として受信する超音波受波器３とが設けられている。
【００１０】
変換器６内には、複数の温度計１０による複数の測定温度データを用いて測定環境の周囲温度の分布を解析する温度分布解析部７と、検出器１が超音波送信パルス４を発射した時間と超音波受信パルス５を受信した時間とが検出器１から入力されるとともに、温度分布解析部７による解析結果が入力されて、超音波の伝搬速度を温度補正して出力する温度補正部８と、温度補正後の超音波の伝搬速度データを信号変換し、レベル計測信号として出力する信号変換部９とが設けられている。
【００１１】
なお、複数の温度計１０は、被測定面に対して、垂直の方向に、所定の間隔をおいて配設されている。各温度計１０間の距離は一定でなくてもよいが、各々の温度計１０の設置位置は予め精確に計測されて、温度分布解析部７内に記憶されているものとする。
【００１２】
次に動作について説明する。本発明に係る超音波レベル計においては、検出器１内の超音波送波器２から発射された超音波送信パルス４は、空気中を伝搬し被測定面で反射される。反射した超音波は、超音波受信パルス５として、検出器１内の超音波受波器３で受信される。超音波送信パルス４が発射されてから、超音波受信パルス５を受信するまでの時間を変換器６で計測して超音波の伝搬速度を求め、信号変換部９により当該伝搬速度に応じたレベル計測信号に変換し出力する。
【００１３】
この時、超音波の伝搬速度は、測定環境の周囲温度により変化するため、正確なレベル計測を行うためには、超音波伝搬空間の周囲温度を複数の温度計１０により区分して計測し、超音波の伝搬速度を補正する必要がある。
【００１４】
具体的に伝搬速度の温度による影響について説明する。超音波送信パルス４が超音波送波器２から発射され、被測定面によって反射され、超音波受波器３によって受信されるまでに要する時間は、超音波パルスが空間を伝搬する速度、すなわち、音速によって変化する。この場合、Ｔ（℃）における音速Ｃは、０（℃）における音速をＣ０（Ｃ０＝３３１ｍ／ｓ）とすると、下式により表される。
Ｃ＝Ｃ０（１＋０．６Ｔ）・・・・・・（１）
このように、温度変化によって伝搬速度が変化してしまうので、超音波レベル計による測定結果も伝搬空間の温度変化によって誤差が生じてしまう。
【００１５】
このため、本発明の実施の形態１では、複数の温度計１０を用いて、温度分布を解析するための温度分布解析部７を設けて、最適な温度補正値を決定し、温度補正部８および信号変換部９を経て、正確なレベル計測信号を出力する。
【００１６】
上述したように、温度解析部７には、ｎ個の温度計１０の設置位置（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐｎ）の情報が予め記憶されているので、検出器１から被測定面までの間の伝搬空間を、各温度計１０の当該設置位置（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐｎ）に基づいて複数の区間（Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎ）に区切る。なお、各区間（Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎ）の中心が、各温度計１０の設置位置（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐｎ）となっている。このとき、区間Ｓ１が検出器１に最も近い区間であるとすると、Ｓ１〜Ｓｎ−１までの各区間の幅（Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎ−１）は、温度計１０の設置位置から決まる予め設定された固定の値となるが、被測定面に最も近い区間Ｓｎの幅（Ｄｎ）だけが未確定のものである。この区間Ｓｎの幅（Ｄｎ）を求めることができれば、検出器１から被側転面までの距離Ｄ＝Ｄ１＋Ｄ２＋・・・＋Ｄｎ−１＋Ｄｎを求めることができる。上述したように、温度解析部７は、各区間ごとに当該区間内に設置されている温度計１０により得られる周囲温度のデータを収集して、それらのデータから構成されるデータ列（Ｔ１，Ｔ２，・・・，Ｔｎ）を生成する。なお、ここで、データ列を生成することは一例であって、各区間に対応した周囲温度のデータが記憶されているものであれば、例えばデータテーブル等、他のどのようなものでもよい。温度補正部８は、温度解析部７による周囲温度の分布を示す上記データ列（Ｔ１，Ｔ２，・・・，Ｔｎ）を得て、区間ごとの周囲温度データを当該データ列から取り出して各区間ごとの伝搬速度を温度補正して出力する。すなわち、各区間における伝搬速度（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）は、当該各区間の周囲温度（Ｔ１，Ｔ２，・・・，Ｔｎ）により、上記（１）式から一意に決まるので、例えば、区間Ｓ１の伝搬速度Ｃ１は、Ｃ１＝Ｃ０×（１＋０．６×Ｔ１）となり、区間Ｓ２の伝搬速度Ｃ２は、Ｃ２＝Ｃ０×（１＋０．６×Ｔ２）となり、区間Ｓ３の伝搬速度Ｃ３は、Ｃ３＝Ｃ０×（１＋０．６×Ｔ３）となり、以下、同様にして、各区間Ｓ１〜Ｓｎまでの各伝搬速度Ｃ１〜Ｃｎを求める。このように、温度補正部８は、温度解析部７から、周囲温度の分布を示す上記データ列（Ｔ１，Ｔ２，・・・，Ｔｎ）を得て、区間ごとの温度データを当該データ列から取り出して、上記（１）式により、各区間ごとに別個の温度データにより伝搬速度を温度補正した補正後の伝搬速度（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）を出力する。次に、信号変換部９は、温度補正部８から、当該補正後の伝搬速度（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）のデータが入力されて、以下の手順により、検出器１から被測定面までの距離を求める。まず、入力されたデータ列の中から伝搬速度（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ−１）のデータのみを用いて、各区間Ｓ１〜Ｓｎ−１の幅（Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄｎ−１）を伝搬速度（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ−１）で除算することにより、各区間Ｓ１〜Ｓｎ−１を超音波送信パルス４が伝搬するのに要した所要時間（Ｔｉｍｅ（１），Ｔｉｍｅ（２），・・・，Ｔｉｍｅ（ｎ−１））が得られる。超音波受信パルス５の伝搬時間も同じ値となるので、これらの区間を超音波パルスが往復するのに要した時間ｔは、ｔ＝２×（Ｔｉｍｅ（１），Ｔｉｍｅ（２），���・・，Ｔｉｍｅ（ｎ−１））となる。全体の所要時間（すなわち、超音波送信パルス４が発射されてから超音波受信パルス５が受信されるまでの時間）から当該ｔの値を引いた値が、被測定面に最も近い区間Ｓｎを超音波送信パルス４と超音波受信パルス５とが伝搬（往復）するのに要した時間ｔ１＝Ｔｉｍｅ（ｎ）×２となる。ここで、区間Ｓｎを伝搬する伝搬速度Ｃｎは、温度補正部８からすでに入力されているので、それを用いて、Ｔｉｍｅ（ｎ）（＝ｔ１／２）の値と伝搬速度Ｃｎとを乗算すれば、区間Ｓｎの幅Ｄｎ（＝Ｔｉｍｅ（ｎ）×Ｃｎ）を求めることができる。これにより、検出器１から被測定面までの距離Ｄ＝Ｄ１＋Ｄ２＋・・・＋Ｄｎ−１＋Ｄｎが求められる。
【００１７】
以上のように、本実施の形態によれば、例えば下水暗渠など超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一でない条件においても、複数の温度計を用いて温度分布を解析する機能を備えることにより、周囲温度の影響を受ける超音波の伝搬速度を正しく補正し、より正確なレベル計測を行うことができる。なお、温度計１０の個数は多い方が精度がより高くなるため、被測定面までの距離に合わせて、適宜、適切な個数を設けるようにする。
【００１８】
また、本実施の形態においては、温度分布解析部７と、温度補正部８と、信号変換部９とが、同一ユニット内に設けられているので、別々のユニットで構成する場合に比べて、少スペース化を図ることができる。
【００１９】
実施の形態２．
図２は、本実施の形態における超音波レベル計の構成を示した図である。図２において、上記の実施の形態１と同じ構成については、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。図２に示すように、本実施の形態においては、変換器６Ａ内には、温度補正部８と信号変換部９とが設けられ、温度分布解析部７は検出器１のユニット内に設けられている。他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００２０】
上記実施の形態１では、温度分布解析部７を変換器６のユニットに内蔵した場合について述べたが、本実施の形態においては、図２に示すように、温度分布解析部７を検出器１のユニットに内蔵する。この場合も、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態においては、温度計１０と温度分布解析部７とを接続するケーブルを実施の形態１の場合に比べて短くすることができ、省コスト化、耐ノイズ性の向上も期待できる。
【００２１】
実施の形態３．
図３は、本実施の形態における超音波レベル計の構成を示した図である。図３において、上記の実施の形態１および２と同じ構成については、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。図３に示すように、本実施の形態においては、変換器６Ｂのユニット内には、温度補正部８と信号変換部９とが設けられ、温度分布解析部７は、変換器６Ｂの外付け装置として設けられている。他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００２２】
このように、本実施の形態においては、図３に示すように、温度分布解析部７を外付け装置で実現し、最適な温度補正値のみを変換器６Ｂ内の温度補正部８に通知するようにしたため、従来の超音波レベル計の変換器を改良せずに、実施の形態１または実施の形態２と同様の効果が得られる。
【００２３】
実施の形態４．
図４は、本実施の形態における超音波レベル計の構成を示した図である。図４において、上記の実施の形態１〜３と同じ構成については、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。図４に示すように、本実施の形態においては、変換器６Ｃのユニット内には信号変換部９のみが設けられ、温度分布解析部７および温度補正部８は、変換器６Ｃの外付け装置１１として設けられている。他の構成については、実施の形態１〜３と同様である。
【００２４】
上記の実施の形態３では、温度分布解析部７を外付け装置で実現した場合について述べたが、本実施の形態においては、温度分布解析部７および温度補正部８を外付け装置１１で実現し、変換部６Ｃでは信号変換のみ行う構造とした。この場合でも、従来の超音波レベル計の変換器を改良せずに、上記実施の形態１〜３と同様に、正確なレベル計測を行うことができる。
【００２５】
なお、図４の例においては、温度分布解析装置７と温度補正部８とが同一ユニット内に設けられているが、その場合に限らず、別個のユニットから構成するようにしてもよい。
【００２６】
なお、上記の実施の形態１〜４においては、周囲温度を計測する手段として温度計を用いる例について説明したが、その場合に限らず、例えば赤外線カメラ等、周囲温度を所定の複数の位置で正確に計測できるものであれば、いずれの温度センサを用いても同様の効果が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明は、被測定面に対して超音波パルスを発射するとともに、前記被測定面で反射された前記超音波パルスを受信する超音波送受波手段と、前記超音波送受波手段と前記被測定面との間の周囲温度を複数箇所で測定して、複数の温度データを出力する温度測定手段と、前記温度測定手段からの前記複数の温度データに基づいて、前記周囲温度の分布を解析する温度分布解析手段と、前記超音波送受波手段による前記超音波パルスの発射から受信までの時間を計測し、当該時間に基づいて前記超音波パルスの伝搬速度を求める伝搬速度演算手段と、前記温度分布解析手段により得られた前記周囲温度の分布に基づいて、前記伝搬速度演算手段により得られた前記伝搬速度を補正する温度補正手段と、前記温度補正手段から出力される補正後の前記伝搬速度データに基づいて、前記被測定面のレベルを測定して、レベル計測信号として出力するレベル測定手段とを備えた超音波レベル計であるので、超音波送受波器から被測定面までの周囲温度が均一でない条件においても、周囲温度の影響を受ける超音波の伝搬速度を正しく補正し、より正確なレベル計測を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る超音波レベル計の構成を示した構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る超音波レベル計の構成を示した構成図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る超音波レベル計の構成を示した構成図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る超音波レベル計の構成を示した構成図である。
【符号の説明】
１  検出器、２  超音波送波器、３  超音波受波器、４  超音波送信パルス、５  超音波受信パルス、６  変換器、７  温度分布解析部、８  温度補正部、９信号変換部、１０  温度計、１１  外付け装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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