(57)【要約】      （修正有）【課題】測定対象物の環境に順応した超音波レベル計を提供する。【解決手段】超音波検出器１１先端に備えた送受波器１２より発信した超音波の測定対象物までの伝播時間から測定対象物までの距離を計測する超音波レベル計で、超音波検出器の側面に空気中の超音波の音速を測定する超音波測定手段１３を備え、それは超音波検出器側面に備えた円筒振動子１７と、超音波検出器の外周位置に備えた段差付き円筒管２０と、周波数を可変で円筒振動子を駆動する送信回路と、円筒管の段差で反射して戻ってきた超音波信号を受信する受信回路と、受信回路で受信した超音波信号を積分する積分器と、送信回路から送信する超音波の各送信周波数と前記積分器で生成された各積分データを格納するメモリと、積分データにメモリに格納された振動子の周波数特性を除算して振動子影響を取り除き各積分データの極大点と極小点の周波数間隔を求めて音速を算出する演算器とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波検出器先端に備えた送受波器より発信した超音波の測定対象物までの伝播時間から測定対象物までの距離を計測する超音波レベル計であって、
前記超音波検出器の側面に空気中の超音波の音速を測定する超音波測定手段を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項２】
前記超音波測定手段は、
前記超音波検出器側面に備えた円筒振動子と、
前記超音波検出器の外周位置に備えた段差付き円筒管と、
周波数を可変で円筒振動子を駆動する送信回路と、
前記円筒管の段差で反射して戻ってきた超音波信号を受信する受信回路と、
前記受信回路で受信した超音波信号を積分する積分器と、
前記送信回路から送信する超音波の各送信周波数と前記積分器で生成された各積分データを格納するメモリと、
積分データに前記メモリに格納された前記円筒振動子の周波数特性を除算して振動子影響を取り除き各積分データの極大点と極小点の周波数間隔を求めて音速を算出する演算器と、
を備えた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】
前記円筒振動子が、共振周波数の異なる複数の振動子を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波レベル計。
【請求項４】
前記円筒振動子と前記円筒管のかわりに、板状振動子と段差付きの反射板にしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波レベル計。
【請求項５】
前記円筒振動子のかわりに、厚み方向で測定対象物に超音波を送受信する円板振動子の径方向の超音波を利用するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波レベル計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波レベル計に関し、詳しくは超音波レベル計の超音波の音速を補正する機能を備えた超音波レベル計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術における超音波レベル計は、図１１に示すように、測定対象物１１１が収容されている環境の温度を測定する温度センサ１１２と、温度センサ１１２で得られた温度情報により音速を演算する音速演算器１１３と、超音波を測定対象物１１１方向に発射すると共に、発射した超音波の反射した反射超音波を受信する機能を備えた送受信器１１４と、送受信器１１４の送信と受信を切り替える送／受切替器１１５と、超音波を送信するための送信回路１１６と、超音波を受信するための受信回路１１７と、受信回路１１７で受信した反射超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定器１１８と、音速演算器１１３で得られた音速データに基づいて伝播時間測定器１１８で測定した伝播時間により測定対象物１１１までの距離を演算する距離／レベル演算器１１９と、測定対象物１１１までの演算して得られた距離データを出力する出力回路１２０と、からなる。
【０００３】
このような構成からなる超音波レベル計において、送受信器１１４から発信した超音波パルスが測定対象物１１１表面に反射して送受信器１１４に戻ってくるまでの伝播時間より、対象物までの距離を測定する。
【０００４】
伝播時間ｔと距離Ｌとの関係は次式による。
Ｌ＝Ｃ＊ｔ／２      式（１）
ここで、Ｃ：空気中の超音波音速
【０００５】
ここで、超音波の音速Ｃは温度によって変動するため、音速を補償する必要がある。
この補償手段として、温度センサ１１２で温度を測定して関係式より音速を算出する。
例えば、空気中での音速Ｃと温度Ｔの関係式は、次式となる。
Ｃ＝３３１.５＋０．６＊Ｔ      式（２）
【０００６】
このようにして、空気中の超音波の音速を得ることができるのであるが、測定環境のガス種類や濃度、温度が次々刻々変化している場合には、上記の関係式（式（１）、式（２））は一様ではないため、音速補償するのは困難であり、結果として測定誤差が出てしまうという問題がある。
【０００７】
この改善方法として、送受信器１１４と測定対象物１１１との間であって、予め定まった一定距離位置に反射板１２１を設置して、超音波の音速を測定し、この結果に基づいて超音波を補償するというものであり、その構成は、図１２に示すように、超音波を測定対象物１１１方向に発射すると共に、発射した超音波の反射した反射超音波を受信する機能を備えた送受信器１１４と、送受信器１１４と測定対象物１１１との間であって送受信器１１４から一定距離の位置に設けた反射板１２１と、送受信器１１４の送信と受信を切り替える送／受切替器１１５と、超音波を送信するための送信回路１１６と、超音波を受信するための受信回路１１７と、受信回路１１７で受信した反射超音波の伝播時間を測定する信号処理演算器１２２と、信号処理演算器１２２で得られた音速データに基づいて測定対象物１１１までの距離を演算する距離／レベル演算器１１９と、測定対象物１１１までの演算して得られた距離データを出力する出力回路１２０と、からなる。
【０００８】
このように、超音波を送信及び受信する送受信器１１４の前面に送受信器１１４からの距離が既知（Ｌｍ）の反射板１２１を設置しておき、反射板１２１及び測定対象物１１１までのそれぞれの超音波伝播時間ｔｍ、ｔｘより測定対象物までの距離Ｌｘを測定することで、音速の変化によらず測定することができる。
Ｌｘ＝Ｌｍ＊（ｔｘ／ｔｍ）    式（３）
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１６５７５３（第３頁〜４頁  第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来技術で説明した超音波流量計においては、測定範囲内に反射板を設置するため、設置場所の構造制限などで反射板が挿入できない場合や反射板が測定対象物に浸水した場合では音速測定ができないという問題がある。
【００１１】
従って、測定対象物の影響を受けずに且つ温度の変化等の環境の変化を安定した状態で測定できる構成に解決しなければならない課題を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の超音波レベル計は、次に示す構成にすることである。
【００１３】
（１）超音波レベル計は、超音波検出器先端に備えた送受波器より発信した超音波の測定対象物までの伝播時間から測定対象物までの距離を計測する超音波レベル計であって、前記超音波検出器の側面に空気中の超音波の音速を測定する超音波測定手段を備えたことを特徴とする。
（２）前記超音波測定手段は、前記超音波検出器側面に備えた円筒振動子と、前記超音波検出器の外周位置に備えた段差付き円筒管と、周波数を可変で円筒振動子を駆動する送信回路と、前記円筒管の段差で反射して戻ってきた超音波信号を受信する受信回路と、前記受信回路で受信した超音波信号を積分する積分器と、前記送信回路から送信する超音波の各送信周波数と前記積分器で生成された各積分データを格納するメモリと、積分データに前記メモリに格納された前記円筒振動子の周波数特性を除算して振動子影響を取り除き各積分データの極大点と極小点の周波数間隔を求めて音速を算出する演算器と、を備えたことを特徴とする（１）に記載の超音波レベル計。
（３）前記円筒振動子が、共振周波数の異なる複数の振動子を有することを特徴とする（２）に記載の超音波レベル計。
（４）前記円筒振動子と前記円筒管のかわりに、板状振動子と段差付きの反射板にしたことを特徴とする（２）に記載の超音波レベル計。
（５）前記円筒振動子のかわりに、厚み方向で被測定対象物に超音波を送受信する円板振動子の径方向の超音波を利用するようにしたことを特徴とする（２）に記載の超音波レベル計。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、超音波センサ内部の構成で音速を測定するため、設置環境の制限や測定対象物のレベルの影響をうけずに、小型で安定に音速を補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の超音波レベル計の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の超音波レベル計は、図１に示すように、測定対象物方向に向いて設置されている超音波検出器１１と、この超音波検出器１１の先端に測定対象物方向に超音波を発射する送受信器１２を備え、超音波検出器１１の側面に空気中の超音波の音速を測定する超音波測定手段１３を備えた構成になっている。
【００１７】
送受信器１２は、超音波検出器１１先端の開口部分に配置されており、吸音材１４を挟んで振動子１５、及び音響整合層１６とからなる。
【００１８】
超音波測定手段１３は、図１及び図２に示すように、超音波検出器１１の側面に備えた円筒振動子１７と、超音波検出器１１を囲む一定位置に、内側内周に均等の凹凸１８，１９の段差Ｌｄを設けた円筒管２０とを備えた構成になっている。
【００１９】
そして、これらの送受信器１２及び超音波測定手段１３における回路構成は、図３に示すように、超音波を測定対象物２１方向に発射すると共に、発射した超音波の反射した反射超音波を受信する機能を備えた送受信器１２と、送受信器１２の送信と受信を切り替える送／受切替器２２と、超音波を送信するための第１の送信回路２３と、超音波を受信するための第１の受信回路２４と、第１の受信回路２４で受信した反射超音波の伝播時間を測定する伝播時間測定器２５と、演算器３２で得られた音速データに基づいて測定対象物２１までの距離を演算する距離／レベル演算器２６と、測定対象物２１までの演算して得られた距離データを出力する出力回路２７と、円筒管２０に向けて超音波を発射すると共に、その発射した超音波の反射超音波を受信する円筒振動子１７と、円筒振動子１７から発射する超音波又は受信する超音波を切り替える送／受切替器２８と、超音波を発射させる第２の送信回路２９と、超音波を受信するための第２の受信回路３０と、受信した超音波を積分する積分器３１と、積分した超音波信号を演算する演算器３２と、演算した結果を蓄積するメモリ３３と、から大略構成されている。
【００２０】
このような構成からなる超音波レベル計において、円筒振動子１７の周波数特性は、送受信周波数を広範囲で可変で動作できるように比較的小さいＱを持つ構成になっており、いま、円筒振動子１７から周波数ｆの超音波バースト波を円筒管２０に向けて発信し、円筒管２０の段差の凹凸１８，１９で反射して戻ってくるエコーを円筒振動子１７で検出する。１回送信した超音波バースト波は、図５に示すように、減衰しながら円筒振動子１７と円筒管２０との間を往復する。この結果、バースト波エコーの受信信号は時間とともに減衰した特性となる。
この信号Ｓを積分器３１で積分し、得られた積分データＩ'と送信周波数ｆとをメモリ３３に格納する。
次に、送信周波数を少し変えて、同様に送受信したときの積分データと周波数をメモリ３３に格納する。これを繰り返した結果、メモリ３３には送信周波数ｆと積分データI'のテーブルが格納される。ここで、図６に示すように、送信周波数の動作範囲は、円筒振動子１７固有の共振周波数ｆ０を中心とした周波数可変幅で測定を行なう。なお、円筒振動子１７の送受信効率のｆ特性はｆ０を最大値とした凸形状となるので、積分データI'から振動子特性を除くため、予め格納しておいた円筒振動子１７のｆ特性を除算演算を行った積分データIを演算しメモリ３３に格納する。
【００２１】
積分データIと送信周波数ｆの関係は、図７に示すように、周波数ｆ（ｉ）を境にして周波数ｆ（ｉ−１）、ｆ（ｉ＋１）の２つの大きなやまになる。
即ち、円筒振動子１７から超音波パルスを円筒管２０に向けて送信されると、超音波パルスは円筒管２０の段差の各凹凸１８、１９で反射して円筒振動子１７に帰ってくる。ここで、送信超音波波長λと円筒管２０の凹凸１８、１９の段差Ｌｄの関係が、次式の条件を満たすと、円筒振動子１７に戻ってくるエコーの全円周総音圧は、極大あるいは極小点となる。
Ｌｄ＝λｎ*ｎ/４    式（４）
ここで、
ｎ＝１、３、５・・・のとき極小、ｎ＝２、４、６・・・のとき極大となる。
なぜならば、図４に示すように、凹凸１８、１９の段差が１/４・λで、ｎが奇数の時には凹凸１８、１９で反射したエコーのそれぞれの位相は反転するので相殺され、ｎが偶数のときは同位相となりエコー音圧は合算されるためである。
【００２２】
又、超音波波長λと周波数ｆの関係は次式、
λｎ＝Ｃ/ｆｎ    式（５）
ここでＣは超音波の音速度
となるので、周波数変化に対して、音圧は極大と極小を交互に現れる特性となる。
この総音圧の極大/極小と周波数の関係は、前記の積分データＩと送信周波数ｆの関係と同等である。
【００２３】
[送信周波数ｆと極大/極小点の関係]
（４）、（５）式より次式が得られる。
ｆｎ＝ｎ/４*Ｃ/Ｌｄ    式（６）
隣り合う極の周波数間隔Δｆは次式となる。
Δｆ＝ｆ(i+1)-f(i)＝Ｃ/（4*Ｌｄ）    式（７）
式（７）を変形すると、
Ｃ＝4*Ｌｄ*Δｆ  式（７'）
となり、隣り合う極の周波数間隔Δｆが測定できれば、凹凸１８，１９の段差Ｌｄは既知なので音速Ｃを求められる。
【００２４】
メモリ３３に格納された送信周波数ｆと積分データＩから隣り合う極の周波数間隔Δｆを求める、実測された各送信周波数ｆは離散値であるため、補間近似曲線より極となる周波数を求め、隣り合う極の周波数間隔Δｆを算出する。
現在の音速Ｃが求められれば、従来技術で説明した式（１）の伝播時間ｔを算出することで、測定対象物までの距離Ｌを求めることができるのである。
【００２５】
このようにして、先ず、超音波検出器１１に設けた円筒振動子１７と円筒管２０を使用して、超音波の音速を求めるようにしたことで、測定対象物２１の影響を受けずに且つ温度の変化等の環境の変化を安定した状態で測定することができるのである。
【００２６】
図８は、超音波測定手段１３を形成する円筒振動子１７と円筒管２０との関係における変形例を示したものであり、円筒管２０の内周に板厚Ｌｄの板で、穴を設けた穴付板３４を嵌め込んだ構造にしてもよい。
【００２７】
又、他の変形例として、円筒振動子と円筒管とを超音波検出器から分離して独立した構成にしてもよい。
【００２８】
更に、他の変形例として、図９に示すように、円筒振動子と円筒管の関係は、円筒振動子のかわりに、吸音材３５で封止されている板状振動子３６にすると共に、円筒管のかわりに、板状振動子３６から発射された超音波を受ける、凹凸の段差がある段差部３７を設けるようにしてもよい。
【００２９】
また、円筒振動子は、円筒状でなくとも、円周方向に複数に分離された円弧状の振動子を組み合わせた構成でもよい。
【００３０】
さらに、円筒振動子の共振周波数が相異なる複数の振動子を並べた構成でもよい。
【００３１】
また、円筒振動子と円筒管とにおいて、図１０に示すように、円筒振動子を使わず、ノズル１１先端に設けた送受信器１２の円板振動子１５のみとして、厚み方向で測定対象物までの超音波エコー伝播時間を測定し、径方向で音速測定を行うようにしてもよい。このようにすると、円筒振動子を取り付ける必要がなくなる。
【００３２】
更に、振動子の送受信効率と周波数特性データを、積分データI'に除算するかわりに、送信強度を周波数特性に応じて変化させて補償する構成にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
超音波を利用して測定対象物までの距離を算出する超音波レベル計において、超音波を発射しする超音波検出器に超音波の音速を測定する測定手段を備えることで、測定対象物の温度等の環境の変化に追随した超音波による測定対象物までの距離を正確に測定することができる超音波レベル計を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本願発明の超音波レベル計の構成を略示的に示した説明図である。
【図２】同、超音波レベル計を底面からみた説明図である。
【図３】同、超音波レベル計の構成を示すブロック図である。
【図４】同、段差の凹凸部でそれぞれ反射して振動円筒面に到達した超音波音圧波形図である。
【図５】同、超音波エコーの受信信号の時間特性を示したグラフである。
【図６】同、円筒振動子の送受信効率の周波数特性を示したグラフである。
【図７】同、積分データと送信周波数の測定データを示すグラフである。
【図８】同、円筒管の段差の変わりに、板厚がＬｄの穴付板を超音波検出器の表面に取り付けた構造を示す変形例である。
【図９】同、円筒振動子と円筒管のかわりに、板状振動子と段差を持った板の構成した変形例である。
【図１０】同、測定対象物の距離を測るための円板振動子を超音波の音速をも測定するようにした変形例である。
【図１１】従来技術における超音波レベル計の構成図である。
【図１２】従来技術における音速補償方法を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１      超音波検出器
１２      送受信器
１３      超音波測定手段
１４      吸音材
１５      振動子
１６      音響整合層
１７      円筒振動子
１８      凹
１９      凸
２０      円筒管
２１      測定対象物
２２      送／受切替器
２３      第１の送信回路
２４      第１の受信回路
２５      伝播時間測定器
２６      距離／レベル演算器
２７      出力回路
２８      送／受切替器
２９      第２の送信回路
３０      第２の受信回路
３１      積分器
３２      演算器
３３      メモリ
３４      穴付板
３５      吸音材
３６      板状振動子
３７      段差部。
【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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