(57)【要約】【課題】容器底面に取り付けられ、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、該センサ駆動時点から時間に応じて増幅率を制御して、液面位置の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、時変特性増幅手段１３ａ，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面での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、センサ２０の駆動時点で増幅率を低下させ、該増幅率を時間に応じて大きくなるように変化させて、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増幅率を調整する。【選択図】        図２
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【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、該入力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可能な増幅手段と、該増幅手段に設定した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３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、前記制御部は、前記超音波センサから入力される信号の電圧レベルに対して第１の基準電圧を設定して有し、前記液面からの１回目の反射エコーを特定する際に、前記超音波センサにより受信した反射波に応じた信号のピーク電圧と、前記第１の基準電圧とを比較し、その結果、前記第１の基準電圧以上のピーク電圧を示した反射波を前記液面からの１回目の反射エコーとして特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３または５に記載の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入力される入力信号の電圧レベルに対して前記第１の基準電圧よりも小さい第２の基準電圧を設定して有し、前記超音波センサの駆動直後に検知される超音波の残響を特定する際に、該残響に応じた残響電圧を、前記第１の基準電圧と比較すると共に前記第２の基準電圧と比較し、その結果、前記第１の基準電圧よりも小さく且つ前記第２の基準電圧よりも大きい残響電圧を示した残響を前記超音波の残響として特定することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項７】
請求項１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８】
請求項３または７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ながら、前記増幅手段及び前記超音波センサ駆動手段は、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及び発振時間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９】
請求項１ないし８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、前記液面検出手段において検出した液面位置に関する情報を表示する表示部を有し、前記調整された増幅率及び／又はパルス信号の発振時間に基づいて前記液面からの反射エコー信号を特定し、該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、前記液面検出手段は、前記計測した超音波伝播時間から前記液面までの距離を算出し、該算出した距離算出値を前記表示部に表示することを特徴とする超音波レベル計。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波レベル計において、前記液面検出手段は、前記算出された距離算出値に基づいて前記容器内部に貯留されている液体の体積を算出可能とし、該算出した液体の体積を液容量情報として前記表示部に表示させることを特徴とする超音波レベル計。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか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の底部外壁面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１２】
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、該入力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する増幅ステップと、該設定した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１４】
請求項１２または１３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１５】
請求項１４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、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１７】
請求項１４または１６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及び発振時間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。ここで、超音波レベル計には検出可能な最低距離というものが存在することが一般的現象として知られている。これについて、超音波を送信してその容器内部に収容された液体の液面までの距離（以下、液面距離という）を容器外部から計測可能な超音波レベル計を代表例として説明する。本例において、容器内部の液体の液面が近づいてくると、超音波センサ駆動直後の残響が低減するタイミングと、液面からの反射エコーのタイミングとが接近してくるため、液面までの距離が近づくにつれて上記両者のタイミングがオーバーラップし、液面からの反射エコーが捕らえられなくなる。すなわち、超音波センサの駆動開始時点から残響が低減されるまでの時間（駆動残響時間）によって検出可能な最低液面距離が決定されてしまう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、容器内部の液面が高い位置にある場合（容器底面から遠距離にある場合）、液面が近い場合に比べて微弱な波であるため、従来の受信回路は、液面が高い場合であっても十分にエコーを取得するには増幅回路のゲインを高める必要があった。ところが、増幅回路を高ゲインにした場合、駆動残響が指数関数的に減衰しきるところまでの十分な時間が必要となってしまう。すなわち、高い液面まで対応させようとすると、駆動残響時間が長引くために、液面位置が低い場合に液面をとらえることができないという問題があった。この問題を解決するために、受信回路をゲイン可変増幅回路で構成し、前回の計測結果で液面位置が低い場合には、低ゲインで反射エコーを検出する方法が考えられる。しかし、この方法では、液面位置が急激に変化するような場合、あるいは計測間隔が非常に長い場合には液面変動に追従できず、安定した計測ができない。
【０００４】
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制御することにより、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、さらに、容器の板厚が大きい場合でも信号の増幅率を変化させると共に、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、残響による不感帯時間（距離）を調整できるようにすること、をその目的とし、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。
【０００５】
【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、該入力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可能な増幅手段と、該増幅手段に設定した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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項３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を調整することを特徴としたものである。
【０００９】
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、前記制御部は、前記超音波センサから入力される信号の電圧レベルに対して第１の基準電圧を設定して有し、前記液面からの１回目の反射エコーを特定する際に、前記超音波センサにより受信した反射波に応じた信号のピーク電圧と、前記第１の基準電圧とを比較し、その結果、前記第１の基準電圧以上のピーク電圧を示した反射波を前記液面からの１回目の反射エコーとして特定することを特徴としたものである。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項３または５の発明において、前記制御部は、前記超音波センサから入力される入力信号の電圧レベルに対して前記第１の基準電圧よりも小さい第２の基準電圧を設定して有し、前記超音波センサの駆動直後に検知される超音波の残響を特定する際に、該残響に応じた残響電圧を、前記第１の基準電圧と比較すると共に前記第２の基準電圧と比較し、その結果、前記第１の基準電圧よりも小さく且つ前記第２の基準電圧よりも大きい残響電圧を示した残響を前記超音波の残響として特定することを特徴としたものである。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項１ないし６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。
【００１２】
請求項８の発明は、請求項３または７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ながら、前記増幅手段及び前記超音波センサ駆動手段は、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及び発振時間をそれぞれ調整することを特徴としたものである。
【００１３】
請求項９の発明は、請求項１ないし８のいずれか１の発明において、前記制御部は、前記液面検出手段において検出した液面位置に関する情報を表示する表示部を有し、前記調整された増幅率及び／又はパルス信号の発振時間に基づいて前記液面からの反射エコー信号を特定し、該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、前記液面検出手段は、前記計測した超音波伝播時間から前記液面までの距離を算出し、該算出した距離算出値を前記表示部に表示することを特徴としたものである。
【００１４】
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記液面検出手段は、前記算出された距離算出値に基づいて前記容器内部に貯留されている液体の体積を算出可能とし、該算出した液体の体積を液容量情報として前記表示部に表示させることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項１１の発明は、請求項１ないし１０のいずれか１の発明において、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の底部外壁面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。
【００１６】
請求項１２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、該入力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する増幅ステップと、該設定した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１３の発明は、請求項１２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１４の発明は、請求項１２または１３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１５の発明は、請求項１４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を調整することを特徴としたものである。
【００２０】
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、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。
【００２１】
請求項１７の発明は、請求項１４または１６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及び発振時間をそれぞれ調整することを特徴としたものである。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、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。
【００２６】
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，フィルタ１２，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とフィルタ１２とは別々に図示しているが、フィルタ１２を受信回路１１に物理的に含めるように構成してもよい。
【００２７】
以下、コントローラ１０の動作について詳細に説明する。
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。エコータイミング検出手段１５は、時変特性増幅手段１３ａに設定した増幅率に基づき増幅された信号の中から液面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、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。
【００２８】
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の底部外壁面から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などに起因する残響を含み、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。
【００２９】
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。
【００３０】
ここで、容器３０の壁面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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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。この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。時変特性増幅手段１３ａ及び超音波センサ駆動手段１９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，発振時間をそれぞれ調整する。
【００３４】
ここで、上述のように調整した後の増幅率，発振時間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、増幅率及び発振時間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。
【００３５】
以下、上記した増幅率，発振時間の調整に関して図２に基づいて具体的に説明する。
図２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Ｒ７と、初段ベースにカップリングＣ１を含めて、このエミッタ抵抗Ｒ７とカップリングＣ１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。
【００３６】
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によりフィルタ１２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Ｃ１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。
【００３７】
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Ｃ１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Ｃ１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。
【００３８】
時変特性補正手段１３ｂは、エミッタ抵抗をメイン抵抗Ｒ７に対して抵抗Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０，・・・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Ｃ１を切り換える代わりに、スイッチＳ４でコンデンサＣ２、抵抗Ｒ１１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。
【００３９】
本発明によると、信号の増幅率を時間に応じて除々に大きくすることで、時間（距離）に対して任意のゲイン勾配を与えることができるため、液面位置が低い場合であっても安定な液面検出を実現することができる。
また、超音波センサを駆動するパルス信号の発振時間を変化させることで、時定数を変化させることができるため、上記増幅率と発振時間の両方を変化させることで不感帯時間（距離）の調整が可能となり、常に安定した残響特性、反射エコー信号の感度特性を両立させることができる。
【００４０】
また、時変特性補正手段１３ｂによれば、周波数調整ズレによる残響時間の増加を補正することができると共に、帯域内周波数解の近接から不要振動による残響時間の増加を補正することができる。さらには、周波数及びセンサ取り付け面に基づく超音波指向特性差による影響も補正が可能となる。
【００４１】
図３は、時変特性増幅手段１３ａ及び時変特性補正手段１３ｂによる時間に対するゲイン勾配の状態を波形変化で示した図である。本例は、音速７６０ｍ／ｓ（但し、温度や伝播媒質により異なる）として、ゲインー時間（距離）の波形変化の一例を示したものである。時変特性増幅手段１３ａは、初段トランジスタＱ１の直流バイアスに時間（距離）に対するゲイン勾配を必要とされる時間まで与える。さらに、ゲインを変化させるためのエミッタ抵抗を可変することにより、微妙な勾配を与えることが可能となる。具体的には、図３に示した時変特性補正手段１３ｂにおいて、エミッタ抵抗をメイン抵抗Ｒ７に対して抵抗Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０，・・・と必要に応じて、抵抗数、抵抗値を任意に決定することでゲイン勾配の調整を行う。この際のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・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。
【００４２】
ここで、残響値が大きい場合は、初段ＡＭＰのエミッタ抵抗Ｒ７を可変し、更に、パルス数を可変して発振時間を変化させることで、近距離側において減衰効果を与えることができる。また、コンデンサＣ２に切り換えることでパルス信号の発振時間を固定しても同様の減衰効果を与えることが可能となる。このように、パルス信号の発振時間を可変して近距離側での減衰を与えるか、コンデンサＣ及び抵抗Ｒの時定数を切り換え可変して減衰を与えるかにより、ゲイン勾配の微調整、粗調整を図ることができ、広範囲の板厚に応じた近距離検出が可能となる。板厚の絶対値が増加し、板厚固有周波数解の間隔が狭くなる場合でも、上記の減衰効果により近距離側で適当な減衰量に調整できるため、反射感度との両立が図れ、安定した液面検出が可能となる。さらに、初段ＡＭＰのゲイン勾配と後段ＡＭＰとのゲイン設定により、より微妙なゲイン勾配特性を持たせることが可能となる。
【００４３】
図４は、図２に示した超音波レベル計の時変特性について説明するための図である。図４（Ａ）において、ＶＨは液面が高い時のエコーｅ１（第１反射エコー）の波高値で、ＶＬは液面が低いときのエコーｅ１（第１反射エコー）の波高値である。時変特性補正手段１３ｂは、任意の板厚と液面高さに対してＶＨ≒ＶＬ＝Ｖ０となるように時変特性を制御する。図４（Ｂ）は、液面高さに対する波高値の関係を示した図である。この場合、距離Ｌに対する超音波の圧力は下記の式（１）により算出される。
Ｐ＝Ｐ０＊（ｅ−ｘ）／Ｌ      ・・・式（１）
但し、ｘ＝２ＣＬｆ２
上記式（１）において、ＰＯ：音源発射時の音波圧力、Ｐ：距離Ｌでの音波の圧力、Ｃ：媒質に固有の定数、Ｌ：音波伝播距離、ｆ：音波の周波数、ｆ０：センサ中心周波数、ｆｘ：ｆ０≦ｆの周波数で、周波数による影響も時変特性補正手段１３ｂにおいて重み付けしておく。
【００４４】
距離Ｌに対する音波の伝播減衰は波高値をＶ０以上に制御する。但し、近距離では、残響マージンとの関係から、周波数が高い時には、Ｖ０に規定の中心周波数に対して（ｆｘ／ｆ０）２分の感度補正、すなわち、残響マージンを上げる補正を行なう。但し、伝播距離が遠い場合の判断としては減衰が大きいので第２反射エコーｅ２の補正で判断を行なう。
図４（Ｃ）は、伝播距離が遠く第２反射エコーの補正で判断を行なう際の反射エコーの状態を示した波形図である。このように伝播距離が遠く（すなわち、液面が高い場合）、周波数ｆ≧ｆ０で中心周波数に比べて大きい場合には、第２反射エコーの補正で判断を行う場合を考慮して、第１反射エコーｅ１のみならず、第２反射エコーｅ２の波高値も高くする。
【００４５】
図４（Ｄ）は、超音波センサ２０の駆動直後における残響部分及び反射エコーの状態を示した波形図で、図中、（１）はピークサーチ用レベル（必要とするレベル）で、（２）は運用時に設定するコンパレータレベルである。液面３１からの反射エコー信号のピーク電圧は、このピークサーチ用レベル（１）と比較され、このピークサーチ用レベル（１）より大きいピーク電圧を示した信号が反射エコー信号として認識される。また、超音波センサ２０駆動時の超音波の残響部分に応じた残響電圧は、上記ピークサーチ用レベル（１）及びコンパレータレベル（２）と比較され、その結果、ピークサーチ用レベル（１）よりも小さく且つコンパレータレベル（２）よりも大きい残響電圧を示した残響部分が前記超音波の残響部分として認識される。これによって、最低液面距離、すなわち残響マージンが決定される。この残響マージンは、液面位置が低くなるに従って小さくなるため、残響の状態（時間に対する減衰状態）によっては図中の点線で丸く囲った部分が重なることがある。言い換えれば、残響部分に反射エコーが重なってしまうことがある。
【００４６】
図４（Ｅ）は、時変特性補正手段１３ｂによって不要なノイズを除去した残響部分及び反射エコーの状態を示した波形図である。時変特性補正手段１３ｂによってノイズを除去することで、残響マージンが大きくなり、反射エコーの特定が容易になる。図４（Ｆ）は、従来技術による残響部分及び反射エコーの状態を示した波形図で、周波数、すなわち板厚によってはノイズを低減させると同時にエコー信号までも低減し、安定な液面検出を行えない場合がある。図４（Ｇ）は、フィルタ１２によってＳ／Ｎを確保した反射エコーの状態を示した波形図で、このように、フィルタ１２により残響レベルの低減を図ると共に、反射エコーのＳ／Ｎを確保することができる。
【００４７】
図５は、液面距離に対する感度レベル、残響レベルの関係を説明するための図で、図中、４１は近距離領域（液面位置が低い場合），４２は中距離領域（液面位置が中ほどの場合），４３は遠距離領域（液面位置が高い場合）である。近距離領域４１において、残響マージンが少ないため、初段ＡＭＰゲインを最大レベル付近で制御し（勾配を大きくして）、後段ＡＭＰと、フィルタ１２の切り換えにより反射信号感度の高いレベルに移動させる。この際、板厚が大きい時など感度調整のみで対応できない場合には、超音波センサ２０の駆動時間を適当に制御する必要がある。中距離領域４２において、残響マージンがやや少なく反射強度レベルを液面距離に対してある程度高めたいため、初段ＡＭＰ、後段ＡＭＰの調整を行なう。また、フィルタ１２の切り換えも適宜考慮する。遠距離領域４３において、残響マージンが高いため、反射感度を最高レベルに近いところまで増幅可能な領域で、感度にさらなる余裕を与えたい場合には超音波センサ２０の駆動時間（本例では通常５０μｍ）を長くし、近距離は犠牲にして遠距離感度を高めるようにしてもよい。
【００４８】
図６は、超音波センサ２０の駆動時からエコータイミングの検出までの各処理ステップにおける波形の状態を説明するためのタイミング図で、図中、ｅ１は推定反射第１エコー、ｅ２は推定反射第２エコー、ｔｎは超音波センサ２０の駆動時間、ｔｚは駆動残響時間、ｔ１は反射第１エコーｅ１までの超音波伝播時間（液面計測往復時間）、ｔ２は反射第２エコーｅ２までの超音波伝播時間である。尚、本例において、図２に示した回路構成に基づいて説明するものとする。
【００４９】
まず、図６（Ａ）に示すように、超音波センサ２０に駆動時間ｔｎでセンサ駆動パルスが入力されると、図２に示した端子：ＴＥＳＴ１において、フィルタ１２を介して図６（Ｂ）に示す波形が出力される。図６（Ｃ）は、端子：ＴＥＳＴ２において出力されるアナログ波形の一例で時変特性増幅手段１３ａの波形を示す。ここで、時変特性増幅手段１３ａは時間に対する増幅率を変化させ、増幅率を変化させた波形を点線で示す。図６（Ｄ）は、図２に示した端子：ＴＥＳＴ３において出力されるアナログ波形を示すものである。図６（Ｅ）は、検波回路１４による波形を示し、時変特性増幅手段１３ａで増幅率を変化させた結果、点線で示す波形のように駆動残響時間ｔｚが低減されていることがわかる。図６（Ｆ）は、エコータイミング検出手段１５で検出される波形の一例で、推定反射第１エコー及び推定反射第２エコーが検出された状態を示したものである。
【００５０】
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一例を示した波形図で、図中、５１は初段ベース波形、５２は端子：ＴＥＳＴ１の波形である。本例は図２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）及び（Ｂ）は、初段トランジスタＱ２のバイアス電圧と端子：ＴＥＳＴ１側のクランプ双方向ダイオードＤ１、コンデンサＣ１によるベースバイアスの時間勾配による電圧波形を示した図で、初段ベース波形５１は、初段トランジスタＱ２に時間勾配を発生させた状態の電圧波形を示したものである。
【００５１】
これは、図２において前記したように、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によりフィルタ１２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Ｃ１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。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Ｃ１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Ｃ１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。
【００５２】
図８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、６１は初段ベース波形、６２は端子：ＴＥＳＴ１の波形である。本例は図２に示した回路構成に基づいて説明するものとする。図８（Ａ）において、初段ベース波形６１は、初段ベースバイアス変化により初段トランジスタＱ２に時間に対するＡＭＰ勾配が与えられた状態の電圧波形を示したものである。ここで、バイアス１．０Ｖに対して端子：ＴＥＳＴ１に双方向クランプダイオードＤ１が作用することでベースバイアスが変化する。図８（Ｂ）及び（Ｃ）は、図８（Ａ）に示す電圧波形の拡大図である。
【００５３】
図９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、７１はコレクタ出力波形、７２は反射波波形である。本例は図２に示した回路構成に基づいて説明するものとする。図９（Ａ）に示すコレクタ出力波形７１に基づく反射波波形７２において、板厚みの増加による残響レベルの増加をフィルタ１２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７２の残響レベルが大きいことがわかる。さらに、図９（Ｂ）において、図９（Ａ）に示すコレクタ出力波形７１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７１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７２の残響を低減できていることがわかる。
【００５４】
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一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。
【００５５】
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）、時変特性補正処理を行い（ステップＳ６）、その補正結果をステップ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、補正処理として、下記に示す（１）及び（２）の処理を行なう。
（１）ＡＭＰゲインの切り換えを行なう。これは、例えば、図２に示したスイッチＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→（Ｓ１）→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。
【００５６】
図１１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１１（Ａ）は、上述の図１０に示した処理フローを詳細に説明したものである。図１２は、図１１に示す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１１（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Ｓ１１）。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１２（Ｂ）に示すコンパレータレベル（１）に設定し、ＡＭＰゲインを図２に示した回路構成におけるスイッチＳ１に設定し、フィルタ１２の条件を設定する。次に、ステップＳ１１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Ｓ１２）。
【００５７】
上記ステップＳ１２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Ｓ１３）、運用時のコンパレータレベルを図１２（Ｂ）に示すコンパレータレベル（２）に設定する（ステップＳ１４）。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１２（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Ｓ１５）、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Ｓ１３において確定した液面距離計測値を出力する（ステップＳ１９）。
【００５８】
上記ステップＳ１５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Ｓ１６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２に示したスイッチＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→（Ｓ１）→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。
この際のゲイン勾配変化パラメータを図１２（Ｃ）に示す。図１２（Ｄ）は、図１２（Ｃ）に示すｔｎ＝５５且つスイッチＳ４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１２（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及びセンサ駆動時間（ｔｎ）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Ｓ１７）。
【００５９】
上記ステップＳ１７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Ｓ１８）、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Ｓ１９）。上記ステップＳ１８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Ｓ１６に戻り、時変特性補正処理を繰り返し行なう。
【００６０】
図１３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。ここで、コントローラ１０は、前回の液面距離Ｌｎ−１及びそのときの計測条件を予め記憶しておく。本例において液面計測を行う際、まず、前回の液面距離Ｌｎ−１及びそのときの計測条件を参照し（ステップＳ２１）、液面距離Ｌｎを前回の計測条件で計測する（ステップＳ２２）。その結果、例えば、液面距離Ｌｎ＜３００ｍｍであるかどうか判断し（ステップＳ２３）、液面距離Ｌｎ＜３００ｍｍであった場合（ＹＥＳの場合）、運用時のコンパレータレベルを前述の図１２（Ｂ）に示したコンパレータレベル（２）に設定する（ステップＳ２４）。また、上記ステップＳ２３で液面距離Ｌｎ＜３００ｍｍでない、すなわちＬｎ≧３００ｍｍの場合（ＮＯの場合）、ゲインを前回条件のまま、又は最大にして液面距離を計測し、その液面距離計測値を出力する（ステップＳ２９）。
【００６１】
上記ステップＳ２４において、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。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Ｓ２２において計測した液面距離計測値を出力する（ステップＳ２９）。
【００６２】
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２に示したスイッチＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→（Ｓ１）→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。
このようにゲイン勾配変化パラメータにより増幅率及びセンサ駆動時間（ｔｎ）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）。
【００６３】
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、時変特性補正処理を繰り返し行なう。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によると、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制御することにより、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。
【００６５】
また、超音波センサ駆動直後のゲインを低くして、液面位置が高い場合の微弱な反射エコーに対してはゲインを高くして信号を増幅することができるため、液面位置が低い場合から高い場合まで反射エコーを安定して取得することが可能となる。
【００６６】
また、容器の板厚が大きい場合でも信号の増幅率を変化させると共に、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、残響による不感帯時間（距離）を調整できるため、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。
【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】時変特性増幅手段及び時変特性補正手段による時間に対するゲイン勾配の状態を波形変化で示した図である。
【図４】図２に示した超音波レベル計の時変特性について説明するための図である。
【図５】液面距離に対する感度レベル及び残響レベルの関係を説明するための図である。
【図６】超音波センサの駆動時からエコータイミングの検出までの各処理ステップにおける波形の状態を説明するためのタイミング図である。
【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一例を示した波形図である。
【図８】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９】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一例を説明するためのフロー図である。
【図１１】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１２】図１１に示す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１３】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。
【符号の説明】
１０…コントローラ（制御部）、１１…受信回路、１２…フィルタ、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…近距離領域、４２…中距離領域、４３…遠距離領域、５１，６１…初段ベース波形、５２，６２…ＴＥＳＴ１の波形、７１…コレクタ出力波形、７２…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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【図１２】
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【図１３】
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