(57)【要約】  容器内の流体レベルを正確に測定するシステムおよび方法が提供される。概して、システムは、中空の中心を有する同軸管である長尺部と、形状において同軸であるアームと、前記長尺部および前記アームを横断する励起電磁パルスを生成および送信することが可能な送信機と、反射されたパルスを受信するための受信機とを含むセンサと、を含み、前記長尺部の基端は、前記センサにより提供される電磁パルスのための導波管を形成するように前記アームの末端に接合される、システム。【選択図】図１
2010540942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の流体レベルを正確に測定するシステムであって、
中空の中心を有する同軸管である長尺部と、
形状において同軸であるアームと、
前記長尺部および前記アームを横断する励起電磁パルスを生成および送信することが可能な送信機と、反射されたパルスを受信するための受信機と、を含むセンサと、を備え、
前記長尺部の基端は、前記センサにより提供される電磁パルスのための導波管を形成するように前記アームの末端に接合される、システム。
【請求項２】
前記長尺部と前記アームの外側ケースとは、既知のインピーダンスを有する導電材料から作られる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アームには既知のインピーダンスを有する誘電体が充填される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記誘電体のインピーダンスは、空気のインピーダンスまたは測定される前記流体のインピーダンスと同等である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記センサは、電源回路と、デジタル論理と、アナログ回路とをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電源回路内に含まれる電気部品は、前記システムにより測定される流体に高エネルギ信号が伝播するのを防ぐように設計される、請求５に記載のシステム。
【請求項７】
前記アナログ回路は、前記送信機と前記受信機とをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記デジタル論理はプロセッサをさらに含み、
前記プロセッサは、
前記励起電磁パルスを送信するために前記送信機を起動するように構成された論理と、
前記送信されたパルスに前記受信機を同期させるように構成された論理と、をさらに含む、
請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記励起電磁パルスを送信するために前記送信機を起動することは、前記プロセッサからのクロック信号により実行され、同一のクロック信号が前記受信機に送信される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プロセッサは、前記流体の実際の誘電率を測定し、当該測定された流体の実際の誘電率を既知の誘電率値を有する流体の表と比較することにより、前記流体の温度を特定するように構成された論理をさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記流体の温度を特定するサーミスタをさらに備え、
前記プロセッサは前記流体の誘電率を特定し、かつ前記誘電率を前記流体の温度と相関させることが可能である、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記プロセッサは、前記励起電磁パルスの前記長尺部の終端までのフライト時間を使用して、前記流体のレベルを特定するように構成された論理をさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記プロセッサは前記流体の誘電率を特定することが可能であり、前記流体の温度が既知である場合に、前記プロセッサは、
前記流体に浸された前記長尺部の感知された長さを測定するように構成された論理と、
前記流体の前記誘電率を、前記感知された長さと内部に流体を有する前記長尺部の実長さとの比から計算するように構成された論理と、をさらに含む
請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記プロセッサは、
現時点の流体レベルを特定するように構成された論理と、
前記現時点の流体レベルを走査ウィンドウ内に維持することにより前記現時点の流体レベルを追跡するように構成された論理であって、前記走査ウィンドウのタイミングは前記現時点の流体レベルが前記ウィンドウ内に維持されるように調整される、論理と、
をさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
ローパスフィルタと、
ダイオード変動による信号の変動を補正するために前記励起電磁パルスの振幅を変化させるための関連した論理と、
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記アームは、Ｓ形状である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記アームは同軸ケーブルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムは、当該システムを航空機の回路に接続するためのコネクタをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記長尺部、アーム、およびセンサは放射感受性または送信を減少させる要素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
容器内の流体レベルを正確に測定するシステムであって、
中空の中心を有する同軸管である長尺部と、
前記長尺部を横断する励起電磁パルスを生成および送信することが可能な送信機と、反射されたパルスを受信するための受信機と、を含むセンサと、を備え、
前記長尺部の形状は、前記センサにより提供される電磁パルスのための導波管を形成する、システム。
【請求項２１】
伝送路およびセンサを有する装置を使用して容器内の流体レベルを正確に測定する方法であって、前記センサは、前記伝送路を横断する励起電磁パルスを生成および送信することが可能な送信機と、以下の工程を含む方法を使用して、処理のために、高速反射波形をより低速の「同等時間」波形に変換するためのエイリアシングサンプリング受信機とを含み、前記工程は、
部分的にまたは完全に流体内に配置された伝送路の長さを走査し、現時点の流体レベルとも言える、前記伝送路に沿った前記流体が存在する位置を確認することと、
前記エイリアシングサンプリング受信機の走査ウィンドウにより出力された前記より低速の「同等時間」波形内の流体レベル検出点を識別することにより前記流体レベルを追跡することと、
前記エイリアシングサンプリング受信機の走査ウィンドウを、前記パルス反射の同等時間表現内の前記検出点上を追跡するように調整することと、を含み、
前記反射波形中の前記検出点は、流体レベルを表す前記パルス反射波形中の位置を表す、方法。
【請求項２２】
前記流体レベルを正確に測定する方法は、代わりに、前記より低速の時間波形上の追加的な関心点を検出するために使用される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記追加的な関心点は前記伝送路の端部である、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照することによりその全体を本明細書に組み込む、同時継続中の米国仮出願「時間領域反射測定法（TIME DOMAIN REFLECTROMETRY）」（２００７年１０月１日出願、出願番号第６０／９７６６１５号）の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、概して流体センサに関連し、特に、多様な状況を補償し、正確な流体レベル測定値を提供することが可能な流体レベルセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの異なる分野において、容器内の現時点の流体レベルを知る必要性が存在する。容器内の現時点の流体レベルを特定するのに使用される一方法では、時間領域反射測定法（ＴＤＲ）が使用される。当業者には知られているように、ＴＤＲ分析は、呼び掛け信号または励起信号とも呼ばれる、シャープエッジを有するエネルギのステップまたはパルスを、導波管を通じてシステム内へ伝播させることと、続いて、当該システムから反射したエネルギを観察することと、を含む。反射した波形の大きさ、持続、および形状を分析することにより、伝送システムにおけるインピーダンス変化の性質を特定することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
残念なことに、流体レベルの正確な測定を維持することは困難である。前述したように、ＴＤＲシステムでは、呼び掛け信号は伝送路を通じて伝送される。異なる媒体を通過する伝送路は、誘電性の異なる領域を有することになる。結果として、反射した波形は、時に、伝送路に沿った誘電性の変化を表す不連続性を含むことになる。さらに、従来のＴＤＲシステムは、伝送路の一端から他端へと移動した発信信号の反射が受信される時に対応したタイムスパンで伝送路全体を連続的に掃引する。このプロセスは、新規のレベル表示が必要となる度に繰り返され、これが処理上の負担となり、結果的に過剰な電力使用を必要とするコストのかかるシステムとなってしまう。
【０００５】
現在は、正確で、信頼性が高く、かつ安全な器内の流体量を測定する方法に対する需要がある。このような流体の例としては、たとえば、揮発性流体を含む燃料タンクが挙げられる。したがって、産業内では、従来対処されてこなかった上述したような欠陥や不適切さに対処すべき需要存在している。
【０００６】
本発明の実施形態は、容器内の流体液面を正確に測定するシステムおよび方法を提供する。簡単に説明すると、構造において、このシステムの一実施形態は、とりわけ、以下のように実施することができる。このシステムは、中空の中心を有する同軸管である長尺部と、形状において同軸であるアームと、前記長尺部および前記アームを横断する励起電磁パルスを生成および送信することが可能な送信機と、反射されたパルスを受信するための受信機と、を含むセンサと、を含み、前記長尺部の基端は、前記センサにより提供される電磁パルスのための導波管を形成するように前記アームの末端に接合される。
【０００７】
本システムおよび方法は、また、伝送路およびセンサを有する装置を使用して容器内の流体レベルを正確に測定する方法を提供し、前記センサは、前記伝送路を横断する励起電磁パルスを生成および送信することが可能な送信機と、以下の工程を含む方法を使用して、処理のために、高速反射波形をより低速の「同等時間」波形に変換するためのエイリアシングサンプリング受信機とを含み、前記工程は、部分的にまたは完全に流体内に配置された伝送路の長さを走査し、現時点の流体レベルとも言える、前記伝送路に沿った前記流体が存在する位置を確認することと、前記エイリアシングサンプリング受信機の走査ウィンドウにより出力された前記より低速の「同等時間」波形内の流体レベル検出点を識別することにより前記流体レベルを追跡（track）することと、前記エイリアシングサンプリング受信機の走査ウィンドウを、前記パルス反射の同等時間表現内の検出点上を追跡するように調整することと、を含み、前記反射波形中の検出点は、流体レベルを表す前記パルス反射波形中の位置を表す。
【０００８】
本発明の他のシステム、方法、特徴、および効果は、以下の図面および詳細な説明の検討を通して当業者に明らかになるであろう。そのような追加的なシステム、方法、特徴、および効果の全ては、本記載に含まれ、本発明の範囲内であり、かつ添付する請求の範囲により保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の多くの態様は、以下の図面を参照することによりさらに理解することができる。図面中の構成要素は、必ずしも寸法どおりではなく、むしろ、本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。さらに、図面中、いくつかの図を通して対応する部品には同一の参照符号を付している。
【図１】図１は、本発明の第１の例示的な実施形態に係るプローブを説明する概略図である。
【図２】図２は、図１のプローブの横断面図である。
【図３】図３は、組み立て前のプローブの各部を分離して示すプローブの断面図である。
【図４】図４は、プローブのデジタルＰＣＢにより定義される機能とロジックをさらに説明する概略図である。
【図５】図５は、プローブのアナログＰＣＢにより定義される機能とロジックをさらに説明する概略図である。
【図６】図６は、流体の温度が既知である場合において、この流体の誘電率を特定することを目的とするプローブ１００の長尺部１１０の一例を示す概略図で
【図７】図７は、本発明の第１の例示的な実施形態において、流体レベルを走査および連続追跡（lock on）するためにプローブが使用する方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は、ローパスフィルタの一例を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、容器または器内の流体レベルを正確に特定することが可能な流体レベル検出プローブである。このプローブは、例示を目的として、燃料タンク内に配置可能な燃料レベルプローブとして説明する。この例において、燃料レベルプローブは、タンク内の気体レベルまたはオイルレベルの正確な測定を提供するために使用することができる。ただし、流体の種類および容器の種類は、本説明により限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本発明の第１の例示的な実施形態に係るプローブ１００を説明する概略図である。図１に示すように、プローブ１００は、長尺部１１０と、成形されたアーム１２０と、センサ１３０とを含む。長尺部１１０は、中空の中央を有する同軸管である。長尺部１１０は、燃料タンク内に配置することができるように成形および伸長されており、長尺部１１０の末端１１２は、当該長尺部１１０が配置され得る燃料タンクの底部に向けて延在する。長尺部１１０を中空とすることにより、流体が末端１１２から長尺部１１０の中空部内へと流入することが可能となり、これにより以下に詳細に説明するように、流体レベル特定が可能となる。
【００１２】
長尺部１１０の基端１１４は、アーム１２０の末端１２２に接合される。長尺部１１０とアーム１２０との間の接続は、アーム１２０と長尺部１１０との組み合わせがセンサ１３０により提供される電磁パルス用の導波管を形成するような態様で提供される。さらに、長尺部１１０とアーム１２０との組み合わせは、その形状において同軸である。図１は、長尺部１１０とアーム１２０とを接合するコネクタ１５０を図示しているが、この代わりに、本発明の別の実施形態では、プローブ１００は長尺部１１０およびアーム１２０を１つの部品として含むように作製されてもよい。
【００１３】
長尺部１１０および成形アーム１２０の外側ケースは、既知のインピーダンスを有する導電材料、例えばアルミニウムから形成されるが、これに限定されない。なお、他の金属も同様に使用可能である。アーム１２０には、例えばテフロンなどの誘電体が充填されているが、これに限定されない。テフロン充填物は、固体の誘電体である。本発明では、テフロン充填物を使用することにより、少なくとも２つの目的を果たしている。第一に、テフロン充填物は、以下に詳細に説明するように、インピーダンス整合を提供し、第二に、テフロンは、プローブ部１００の非測定部への流体の侵入を防ぎ、これによりプローブ１００の内の複数の流体レベルに起因する望ましくない反射を排除する。
【００１４】
本発明では、本明細書において呼び掛け信号とも呼ばれる電磁励起信号は、センサ１３０により伝送路内に送られるが、ここでいう伝送路とはアーム１２０と、長尺部１１０と、長尺部１１０の末端１１２より先との組み合わせを含む。伝送路は３つの部分を有する。伝送路の第１部分は、センサ１３０などの励起源から、アーム１２０の末端１２２とも呼ばれる（または測定可能領域の起点とも呼ばれる）プローブ１００の頂部までである。伝送路の第２部分は、プローブ１００の頂部（アーム１２０の末端１２２）から、長尺部１１０の末端１１２とも呼ばれるプローブ１００の底部までである。また、伝送路の第２部分は、測定可能領域とも呼ばれる。伝送路の第３部分は、プローブ１００の底部から、測定可能領域の終端または末端部分１１２を過ぎて延びる伝送の終端までである。この伝送路の第３部分は、以下でさらに詳細に説明するように、測定される媒体に対するインピーダンス整合を可能とするために、任意でここに配置される。
【００１５】
なお、プローブ１００の形状を同軸状にし、部分的にテフロンやその他類似の材料を充填することにより、測定領域まで一定のインピーダンスを実現したり、測定領域が画定されたりといった複数の効果を提供するが、これに限定されない。さらに、この構成により、プローブ１００を、流体から複数の反射を受けない流体レベルより下方の位置に水平に取り付けることが可能となる。また、この構成により、湿乾側の隔離が提供される。さらにまた、この構成は、長尺部１１０をセンサ１３０へと取り付ける機械的手段も提供し、より堅固な構造を提供する。
【００１６】
本発明の第１の例示的な実施形態では、プローブ１００のアーム１２０は、Ｓ字状に形成されている。なお、アームの形状は、本明細書に記載する形状と異なってもよい。ここに開示するアーム１２０の形状の場合、例えば飛行機の翼上で、プローブ１００の長尺部１１０が燃料タンク内に延在し、センサ１３０が燃料タンクの外側に維持された状態で、燃料タンクの入口のリップ上にプローブ１００を載置することが可能となる外形であるために有利である。しかし、アーム１２０は、プローブ１００が使用される燃料タンクの位置に対応するようにその他の形状に形成されてもよい。また、アーム１２０の曲線形状により、タンク内にプローブ１００を側方装着させることが可能となる。または、アーム１２０はワイヤでもよく、もしくはプローブ１００はアーム１２０を含む代わりにセンサ１３０から長尺部１１０への直接接続を有してもよい。
【００１７】
センサ１３０は、アーム１２０の基端１２４に接続される。図２および図３は、よりわかりやすいセンサ１３０の図を示し、図２は、プローブ１００の横断面図であり、図３は、組み立て前のプローブ１００の各部を分離して示すプローブの断面図である。本実施形態では、センサ１３０は、鍔部１３２によりアーム１２０の基端１２４に接続される。鍔部１３２は、アーム１２０の基端１２４およびセンサ１３０のハウジング１３４の両方に接続される。図３に示すように、タンクの内部からの流体の侵入を防ぐために、鍔部１３２とアーム１２０との間に密封性を提供するように、鍔部１３２はアーム１２０に対して、Ｏリング１３８を間に介したはめ込み型接続により接続されてもよい。当然ながら、この代わりに、鍔部１３２とアーム１２０との間には他の接続が使用されてもよい。
【００１８】
鍔部１３２はハウジング１３４に接続され、これによりハウジング１３４とアーム１２０との接続が完成される。鍔部１３２とハウジング１３４との間の接続は、一組の鍔付きねじ１４２および第２のＯリング１４４などを使用する多くの方法により提供され得るが、これに限定されない。
【００１９】
ハウジング１３４の形状は、計測には影響しないものの（not instrumental）、多くの部材に対するカバーを提供する。図２および図３に示すように、一組のプリント回路基板（ＰＣＢ）がハウジング１３４内に配置されている。具体的には、第１のＰＣＢ１５０、第２のＰＣＢ１７０、および第３のＰＣＢ１９０がハウジング１３４内に配置されている。第１のＰＣＢ１５０は電源用ＰＣＢである。第１のＰＣＢ１５０は、電源を含み、これによりプローブ１００に電力を供給する。第１のＰＣＢ１５０上の電気部品は、高エネルギ信号が流体に伝播するのを防止するように設計される。
【００２０】
第２のＰＣＢ１７０は、例えば、これに限定されないが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１７２といった、例えば、これに限定されないが、プロセッサなどのデジタル論理を有するデジタルＰＣＢである。ＤＳＰ１７２および他の論理ロジックが果たす機能については、図４および他の図面を参照して後に詳細に説明する。なお、本記載は、ＤＳＰの使用に言及するが、これは単に例示を目的としたものであり、いかなるプロセッサも代用（supplemented）可能である。
【００２１】
第３のＰＣＢ１９０は、プローブ１００による信号の送受信を可能とする送信機および受信機アナログ回路を有するアナログＰＣＢである。アナログ回路が果たす機能については、図５を参照して後に詳細に説明する。
【００２２】
第１のＰＣＢ１５０，第２のＰＣＢ１７０、および第３のＰＣＢ１９０は、当該ＰＣＢ１５０、１７０、１９０をハウジング１３４内の適切な位置に維持する一組のスタッキングねじ１４６によりスタック構造で提供される。カバー１６０もまたハウジング１３４内にセンサ１３０の内容物を封入するために設けられる。なお、センサコネクタ１６２は、部分的にセンサハウジング１３４内に配置される。センサコネクタ１６２は、プローブ１００を航空機インタフェースへ接続するためのインタフェースを提供する。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、電源回路、送受信論理、およびデジタル論理は、全て同一のＰＣＢ上に配置されてもよく、または３つより多くのもしくは３つ未満のＰＣＢ上に配置されてもよい。
【００２４】
上述したように、図４はデジタルＰＣＢ１７０により定義される機能および論理をさらに説明する概略図である。さらに、図５は、アナログＰＣＢ１９０により定義される機能および論理をさらに説明する概略図である。以下、第２のＰＣＢ１７０および第３のＰＣＢ１９０に特化してセンサ１３０の説明をする。
【００２５】
図５は、アナログ送受信チャネルの基本的な実施の一例を示す。デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１７２は、図４に示すように、関連するデータを走査、追跡、および分析するように提供される。ＤＳＰ１７２（図４）からのクロック信号は、入力Ａに供給され（図５）、送信パルスを起こし、かつＰＣＢ１９０上で受信機をこの送信パルスに同期させるのに使用される。この信号により送信機が起動し、アーム１２０を通して励起パルスを送信する。このパルスは、長尺部１１０を通り、長尺部の末端１１２に至る。結果的に生じる末端１１２からの反射が送り戻され、受信機１９４により捕捉される。この信号は、低周波バッファ１９５によりフィルタリングおよびバッファリングされ、ＤＳＰ１７２に送られ、ここでデジタル信号に変換されて出力Ｄを通して分析される。
【００２６】
送信パルスを起こすのに使用したものと同一のクロック信号が受信機１９４にも提供される。受信機１９４において、クロック信号は、入力ＢでＤＳＰ１７２（図４）により指示された量だけ移相器１９６により位相をシフトされる（遅延させられる）。したがって受信機パルスはＤＳＰ１７２により遅延させられ（図４）、長尺部１１０の長さの空間的走査を行う。
【００２７】
送信機パルスと受信機パルスとの間の位相遅れの実際の量は、位相遅れ検出器１９８により検出され、ＤＣ電圧として出力Ｃを介してＤＳＰ１７２に送り返される。これにより、ＤＳＰ１７２は、走査機能全体に対するＤＳＰ１７２の総合的な制御を可能とするループを閉じることができる。したがって、特定の不連続性を思い通りに走査または追跡することができる。
【００２８】
送信機１９２の機能は、トランジスタＱ１、抵抗器Ｒ４８、コンデンサＣ５、および抵抗器Ｒ７などのエレメントにより果たされる。ここで、トランジスタＱ１は、コンデンサＣ５に蓄積されたエネルギを伝送路上に結合させるスイッチとして機能する。抵抗器Ｒ７は、送信機１９２を受信機１９４から切り離すように機能する。受信機１９４の機能は、受信機Ｒ３６、ダイオードＤ２、コンデンサＣ６、抵抗器Ｒ８、コンデンサＣ７、トランジスタＱ２、および抵抗器Ｒ５５などのエレメントにより果たされる。抵抗器Ｒ５５および抵抗器Ｒ８は、コンデンサＣ６の充電路を提供する。トランジスタＱ２は、コンデンサＣ６に蓄積されたエネルギを抵抗器Ｒ８上に結合させ、それによりコンデンサＣ７を介してダイオードＤ２を作動させるように機能する。次にコンデンサＣ７は伝送路に存在する電圧をチャージし蓄積するが、これは、伝送路をサンプリングする、とも呼ばれる。
【００２９】
図４は、デジタルＰＣＢ１７０を示す。ＤＳＰ１７２は、出力Ａを介して送信機１９２および受信機１９４を起動させるクロック信号を送信する。位相遅れの量は、出力Ｂを介してアナログＰＣＢ１９０に送信されるデジタル‐アナログ変換器（ＤＡＣ）１８０信号を介してＤＳＰ１７２により制御される。
【００３０】
受信機１９４パルスと送信機１９２パルスとの間の位相遅れの量は、アナログ‐デジタル変換器ＡＤＣ１（１７５）により入力Ｃへの電圧を介して感知され、ＤＳＰ１７２に読み取られようのデジタル値へと変換される。ＤＳＰ１７２は、この信号を利用して送信機１９２と受信機１９４との間の位相遅れを特定し、閉ループ追跡の目的で位相遅れ制御出力を調整する。
【００３１】
ＤＳＰ１７２にフィードバックされる他のアナログ信号は、プローブの長尺部１１０からの反射波形を含む（入力Ｄ）。この信号は、アナログ‐デジタル変換器ＡＤＣ２（１７４）に供給される。この変換器から、信号がデジタル化されて分析用にＤＳＰ１７２に供給される。
【００３２】
サンプリング受信機の自動ゲイン調節
なお、異なる環境的要因により、受信機１９４からの信号振幅が悪影響を受ける可能性がある。これは、不正確な流体レベル検出につながるおそれがある。本発明の別の実施形態では、これらの影響は、送信機１９２の出力と比例的に励起パルスの振幅を増加させることにより補正される。具体的には、既知値のサンプリング中に得られたＤにおける出力信号（図５）は、ローパスフィルタ１９３内に供給される。このときの一例を図８に示す。ローパスフィルタ１９３は、センサ１３０内で、好ましくは受信機１９４および送信機１９２から離隔して配置される。結果として得られるＤＣ値は、プレフィックスのバイアスに加算され、増幅され、図５の−Ｖｅｅに加算（または減算）される。−Ｖｅｅを変化させることにより、送信パルスの振幅を変化させることができ、これにより、ダイオード変動によるＤでの信号の減少（増加）が補正される。
【００３３】
ＴＤＲレベル測定プローブのインピーダンス整合に使用される分割誘電体
上述したように、プローブ１００のアーム１２０には既知のインピーダンスを有する誘電体が充填されている。プローブ１００のアーム１２０に既知のインピーダンスを有する誘電体を充填することにより、測定中の流体がプローブ１００のアーム１２０内に流入するのを防ぐ。別の方法において、流体がプローブのアーム１２０内に流入することが許容される場合、センサ１３０からアーム１２０へ、さらにはプローブ１００の長尺部１１０へと送信される励起信号には不連続性が含まれることになる。具体的には、流体が励起信号に当たる度に、当該信号中に不連続性が起こる。したがって、プローブ１００のアーム１２０に流体が入らないことを確実にすることで不連続性を最小限に抑えることが有益である。本発明では、例えば、既知のインピーダンスを有する誘電体をアーム１２０に充填させることにより、不連続性の最小化を図っている。本発明の好ましい実施形態では、誘電体のインピーダンスは、空気のインピーダンスまたはレベル測定されている流体のインピーダンスと同等である。
【００３４】
本プローブ１００では、励起信号はまずセンサ１３０からプローブ１００の測定可能領域の頂部まで移動する。第１の伝送路部分、つまりプローブ１００のアーム１２０のインピーダンスは、空気のインピーダンスなどの第１の媒体のインピーダンスと整合され、そして第１のプローブ部分と第２のプローブ部分、つまり長尺部１１０との間の不要な不連続性が無くなることになる。
【００３５】
空気とレベル測定されている流体との間など、媒体と媒体との間の境界の不連続性は、センサ１３０による処理に対して望ましい励起信号の反射をもたらすことになる。上述したように、設計により、この反射が、プローブ１００のインピーダンス整合された頂部および底部において望ましくない余分な反射を生成することはない。励起信号の一部は、さらに、第２の媒体内、つまりレベル測定されている流体内を、当該流体内にある長尺部１１０の末端１１２まで移動する。
【００３６】
伝送路の第３部分のインピーダンスは、第２の媒体のインピーダンス、つまり流体のインピーダンスの値と整合するよう調整される。要約すると、プローブ１００の頂部のインピーダンスは、空気とマッチングされ、プローブ１００の底部のインピーダンスはレベル測定されている流体のインピーダンスとマッチングされる。なお、インピーダンス整合は、センサ１３０、プローブ１００の幾何学的形状、または誘電体材料の調整により実行され得る。励起信号は、レベル検出を不鮮明にするようないかなる不連続性も含まずに伝送路の第３部分内へと移動する。
【００３７】
したがって、プローブ１００の設計においては、アーム１２０に充填する材料、空気、および流体に同等の誘電性を持たせることが望ましい。誘電性を同等にすることにより、センサ１３０から、プローブ１００のアーム１２０を介してプローブ１００の長尺部１１０内へ、さらにレベル測定されている流体内へと送信される励起信号における不連続性が少なくなる。
【００３８】
フライト時間を利用した流体の温度測定
【００３９】
本プローブ１００の物理的特性および機能により、当該プローブ１００は流体の温度測定を提供することが可能である。このプロセスは、本明細書で詳細に説明され、ＤＳＰ１７２により実行される。具体的には、流体レベル測定が監視されるプロセスでは、流体の温度も検知することが望ましい場合が多い。流体の温度の検知は、プロセス制御または流体レベルの読み取り自体の調整にとって、温度により変化した流体体積を補正することが有用であることを証明し得る。プローブ１００では、従来の独立した別体の温度センサを利用する必要性を減少させ、その代わりに温度測定センサの特性をプローブ１００のレベル測定特性と一体化させた結果、配線が少なく、プロセスへの介入が少なく、ゆえに信頼性の高いプローブを提供する。
【００４０】
多様な温度における流体（例えば空気および気体）の誘電率を知ることによって、測定されている流体の温度は、当該流体の実際の誘電率を測定し、測定された実際の誘電率を既知の誘電率値を有するチャートと比較することで推察が可能となる。一例として、例えば、炭化水素流体について考えてみる。所定の温度において、誘電率ε１を有する流体における信号の伝播速度を式１で表す
【数１】
2010540942.tif 000003
【００４１】
式１において、Ｃは光の速度である。
【００４２】
流体温度が変化すると、流体の誘電率もε２へと変化する。
【００４３】
伝播速度間の関係は、式２で表すことができる。
【数２】
2010540942.tif 000004
【００４４】
式２において、ε１は、例えば２５℃での誘電率であり、ε２は、不知の温度Ｔでの誘電率である。式２は、下記の式３に書き換えることができる。
【数３】
2010540942.tif 000005
【００４５】
ε１およびＶ１を知ることにより、また、この特定の流体の多様な温度におけるε値の参照表を使用することにより、当該流体の実際の温度Ｔが得られる。または、式４に示すように、流体カラムＬの実の長さおよび感知される長さＬ’（流体表面からタンクの底までの測定されるフライト時間）が分かっている場合は、現在の温度（何度であっても）における流体の誘電率εＴを計算することができる。
【数４】
2010540942.tif 000006
【００４６】
参照表におけるεＴおよびε（εは２５℃におけるこの流体の誘電率）を参照すると、流体の温度がわかる。
【００４７】
なお、本発明の別の実施形態は、温度をそのまま測定し、温度による誘電体の変化を補正するように提供される。一例として、本発明の第２の例示的な実施形態では、プローブ１００の測定部分内に、測定されている流体と直接接触するようにサーミスタを配置し得る。サーミスタの主な特徴として、当該サーミスタが曝される温度に応じてインピーダンスを変化する能力が挙げられる。そして、プローブ１００のセンサ１３０は、サーミスタのインピーダンス変化を検出し、当該インピーダンス変化を流体温度と相関させる。
【００４８】
または、本発明の第３の例示的な実施形態として、このサーミスタを測定部分内部に位置させてもよいが、その場合、サーミスタのインピーダンスを感知する回路をプローブ１００に接続させることが必要となる場合がある。
【００４９】
流体を通るパルスフライト時間を介した流体レベルの特定
伝送路内に送り出されたパルスは、伝送路の特性インピーダンスが変化するたびに、部分的にまたは完全に送信ポートに反射される。伝送路の特性インピーダンスは、誘電体に応じて変化する。異なる伝送路の幾何学的形状（同軸、平行配線など）では、異なる誘電体における特性インピーダンスの変化に対し、異なる関係性を有する。所与の伝送路の幾何学的形状では、当該伝送路内の誘電体が変化することにより、特性インピーダンスに予想可能な変化が起こることになる。
【００５０】
レベル測定システム、つまりプローブ１００は、異なる誘電体を通過する伝送路を有するように設計される。そしてこの伝送路は、その終端において非常に大きなインピーダンス変化を有することになる（開回路または短絡回路）。この伝送路における非常に大きなインピーダンス変化は、その終端で非常に強力な反射をもたらすことになる。
【００５１】
レベル測定システムは、パルスを、既知の誘電性の媒体内に配置される伝送路内を移動させ得る。このパルスが移動する距離の一部は空気中に存在し（空気誘電性）、当該距離の別の部分はある媒体（媒体誘電性）内を移動する。式１を使用し、各媒体に対する伝播速度を特定することができる。移動の全距離（伝送路の長さ）は既知である。反射した波形を分析することにより、伝送路の起点から、両誘電体を介して伝送路終端の大きなインピーダンス不整合までの移動時間を測定することができる。媒体内の移動距離は、空気中の速度をＣとする以下の式５を使用することで導出され得る。
【数５】
2010540942.tif 000007
【００５２】
式４において、
【００５３】
Ｄ＝空気および媒体の両方を通る伝送の全距離。これは、媒体の長さまたは高さである。
【００５４】
Ｃ＝光の速度
【００５５】
εｍ＝媒体の誘電性
【００５６】
Ｔ＝パルスまたは信号が、空気誘電性伝送路部分および媒体誘電性伝送路部分の両方を通って伝送路の終端まで移動する合計時間
Ｈ＝媒体の高さ＝伝送路の媒体誘電性部分のみを移動した距離
ｓｑｒｔ＝平方根
【００５７】
温度が既知の場合のＴＤＲにおける誘電率の特定
図６は、流体の温度が既知である場合において、流体の誘電率を特定することを目的とするプローブ１００の長尺部１１０の一例を示す概略図である。長尺部１１０の長さである長さＬは既知であり、内部に空気を有する長尺部１１０の長さである長さＬ１、内部に流体を有する長尺部１１０の長さである長さＬ２は、本明細書においてフライト時間とも呼ばれる反射の時間により測定される。
【００５８】
本発明では、プローブ１００は、流体の温度が既知である場合において流体の誘電率を特定するためにも使用することができる。このプロセスは、以下に詳細に説明し、ＤＳＰ１７２により実行される。流体の温度が既知である場合、流体の誘電率は、流体内に浸される同軸管（長尺部１１０）の感知される長さを測定することにより推察することができる。管または長尺部１１０の実の長さは既知であるため、この温度において、流体の誘電率は、流体カラム（図６におけるＬ２）の感知される長さと実の長さとの比から計算することができる。式４を参照し、さらに説明する。
【００５９】
温度の参照表およびこの特定の流体の誘電率ε１を使用することにより、２５℃における誘電率εが特定される。さらに、理論上の誘電率εを、上記実際の誘電率εＴと比較し、両者が同一でない場合は、流体中の汚染の可能性を検出することができる。
【００６０】
レベルの検出および追跡
本発明の第１の例示的な実施形態では、より短いセンサ処理時間で速い流体レベル走査を提供するために、プローブ１００は流体レベルを追跡することができる。具体的には、本流体レベル測定プローブ１００では、非常に高速の反射波形を分析して流体レベルの変化に起因する誘電材料の位置変化を特定する必要がある。図７は、本発明の第１の例示的な実施形態において、流体レベルを走査および連続追跡するためにプローブ１００が使用する方法を示すフローチャート３００である。
【００６１】
なお、本発明の当業者には理解されるであろうが、フローチャート中のあらゆるプロセスの記述またはブロックは、プロセスにおいて特定の論理的機能を実施するための１つ以上の命令を含むモジュール、セグメント、コードの一部、または工程を表していると理解するべきであり、関連する機能に応じて、当該機能が、実質的に同時または逆の順序で実行されるなど、図示または説明される順序以外の順序で実行されることもある別の実施も本発明の範囲に含まれる。
【００６２】
レベル検出のために連続的に長尺部１１０の全長を走査する代わりに、ブロック３０２に示すように、本プローブ１００は、励起信号を使用して一度長尺部１１０の全長を走査し、プローブ１００の長尺部１１０内のどこに流体があるか（つまり、現時点の流体レベルとも言える）を確認する。センサ１３０により提供される呼び掛け（励起）信号などの高速波形を分析する一方法は、エイリアシング（aliasing）サンプリングシステムを使用してより遅い「同等時間」波形を生成することである。プローブ１００は、元の非常に速い周期的な波形の形状を保存し、その波形をはるかに遅い速度にすることができる。反復波形に沿って非常に狭いサンプリングポイントを掃引することでこれが実現される。高速波形が反復されるたびに、センサ１３０により当該波形の単一の狭いサンプルが取られる。一定の間隔で、サンプリングウィンドウを時間的に遅延させ、高速波形の次のフラグメントをサンプリングする。多数の波形サンプリングの後、センサ１３０によりサンプルを統合し、ＤＳＰ１７２による処理に適するような、元の高速波形のより低速な表現を形成する。
【００６３】
同等時間波形を分析することにより、注目する反射（reflection of interest）の位置特定をすることができる。注目する反射は、プローブ１００の長尺部（１１０）上の現時点の流体レベルを表す。ブロック３０４に示すように、一度現時点の流体レベルの位置が特定されると、前回のサイクルで注目する反射が位置特定された付近でのみ高速波形の同等時間表現を生成することで流体レベルが追跡される。ブロック３０６に示すように、スキャンウィンドウ内に注目する反射が維持されるように、周期的にスキャンウィンドウタイミングを調整する。
【００６４】
予想される流体レベルの位置のみを走査し、そのレベルを追跡することにより、必要なセンサ処理時間は大幅に短縮される。センサ処理時間を短くすることにより、流体レベルを特定するためのシステム応答速度をはるかに速めることが可能となる。これにより、より安価なシステムおよびより低い電力消費も実現される。
【００６５】
航空機の用途において、低ＲＦ送信／低感受性を有する本質的に安全な同軸ＴＤＲ
金属製の同軸管（アーム１２０および長尺部１１０の組み合わせ）を使用することにより、ＴＤＲデバイスに対し、特有の低無線周波数放射の利点を提供する。これは、航空機の計器が放射ノイズの影響を非常に受けやすい航空用途において、非常に重要である。また、ＴＤＲによる無線周波数の受信（感受性）も起こりにくくなる。
【００６６】
このプローブは、可燃性流体に浸される場合において、さらなる利点を有する。電気火花は、伝送路が浸されている流体を発火させる恐れがある。外側の金属管により長尺アーム１１０の内側コンダクタを覆うことにより、内側コンダクタと流体を保持するタンクとの間で火花が発生するのを防ぐ。外側の管をタンクへと電気的に接続させることにより、タンクと長尺管（１１０）との間の電位差を防ぎ、これにより火花の可能性を減少させる。
【００６７】
測定される流体へ伝達されるエネルギの量は、コンデンサＣ５により制限される（図５）。コンデンサは、直流電流が流体へと流れることを防ぐ。伝達される唯一のエネルギは、パルスの形態である。このパルスは、Ｃ５の静電容量により決定される制限されたエネルギである。静電容量を低く維持することにより、流体に伝達されるエネルギの量を発火に要するエネルギの臨界量未満に維持することができる。
【００６８】
他の安全性特徴として、プローブ１００に電力を供給しプローブ１００への入力を伝達する電源に電圧サージ抑制器を追加することが挙げられる。これらにより、短絡または過電圧過渡が起きた際に流体に到達し得るエネルギの量が制限される。
【００６９】
本発明の上述した実施形態は、実施の可能な例にすぎず、単に本発明の原理の明確な理解のために説明されたものであることを強調したい。本発明の精神および原理から実質的に逸脱しない範囲で、本発明の上述した実施形態に多くの変更や改善を加えてもよい。そのような変更や改善の全てが、本開示および本発明の範囲内に含まれ、かつ以下の請求の範囲により保護されることが意図されている。
【図１】
2010540942.tif 000008
【図２】
2010540942.tif 000009
【図３】
2010540942.tif 000010
【図４】
2010540942.tif 000011
【図５】
2010540942.tif 000012
【図６】
2010540942.tif 000013
【図７】
2010540942.tif 000014
【図８】
2010540942.tif 000015
【国際調査報告】
2010540942.tif 000016