(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の超音波信号である送信信号を液面に向けて送信し、当該送信信号の反射信号を受信するまでの時間により前記液面までの距離を計測する超音波液面計において、さらに、
受信した信号のパルス幅を受信パルス幅として検出する受信パルス幅検出手段と、
検出された受信パルス幅を所定の不純物検出パルス幅と比較して不純物層を検出する不純物検出手段と、
を備えることを特徴とする超音波液面計。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波液面計であって、
前記不純物検出手段が、
液体中の不純物層を検出すべき前記液面までの所定距離である不純物検出距離を記憶する距離記憶手段と、
不純物層がない状態における前記液面までの距離が前記不純物検出距離であるときの受信パルス幅を前記不純物検出パルス幅として記憶するパルス幅記憶手段と、
計測された液面までの距離が前記不純物検出距離とほぼ等しい場合に、前記検出された受信パルス幅と前記不純物検出パルス幅との差が所定以上ある場合に不純物層があると判定するパルス幅比較手段と、
を備えることを特徴とする超音波液面計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス状の超音波信号を送出し、送出された超音波信号の液面での反射信号を受信して、液面までの距離を算出する超音波液面計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波液面計はパルス状の超音波信号を送出し、送出された超音波信号の液面での反射信号を受信して、反射してくる時間のみに注目し、液面までの距離を算出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波液面計では液面の測定のみで、水等の不純物層を検出することができなかった。しかし不純物がたまるとタンク内の液体を供給して利用している機器に不純物が回り悪影響を与えるため、定期的にドレインで水等の不純物を抜いてやる必要があるが、その時期を知らせる手段が無く、求められていた。
【０００４】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、タンク内に水等の不純物がたまったことを知らせることができる超音波液面計を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、パルス状の超音波信号である送信信号を液面に向けて送信し、当該送信信号の反射信号を受信するまでの時間により前記液面までの距離を計測する超音波液面計であって、さらに、受信した信号のパルス幅を受信パルス幅として検出する受信パルス幅検出手段と、検出された受信パルス幅を所定の不純物検出パルス幅と比較して不純物層を検出する不純物検出手段と、を備える。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の超音波液面計であって、前記不純物検出手段が、液体中の不純物層を検出すべき前記液面までの所定距離である不純物検出距離を記憶する距離記憶手段と、不純物層がない状態における前記液面までの距離が前記不純物検出距離であるときの受信パルス幅を前記不純物検出パルス幅として記憶するパルス幅記憶手段と、計測された液面までの距離が前記不純物検出距離とほぼ等しい場合に、前記検出された受信パルス幅と前記不純物検出パルス幅との差が所定以上ある場合に不純物層があると判定するパルス幅比較手段と、を備える。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係わる超音波液面計の実施形態について、図に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
図１は、本発明の一実施形態に係わる超音波液面計の装置構成を表した図であり、図２は本発明を具体的に説明するために、タンク内の測定液体を灯油とし、タンク内にたまった不純物を水とした場合の超音波信号波形を模擬的に図示したものである。
【０００８】
図１で、タンク底面に不純物が溜まっていない時、本発明の受信パルス幅記憶手段及び不純物検出手段に相当するＣＰＵ５より出力された超音波送出タイミング信号は、送信回路２へと送られ、送信回路２は一定のパルス幅で超音波振動子１を駆動する為の駆動信号を出力する。この信号はタンク１０２の底面に貼り付けられた超音波振動子１により超音波振動に変換されタンク１０２の底面より液体１０３中へ放出される。そして液面１０１により反射され、反射波は超音波振動子１により受信され、受信された超音波振動は超音波振動子１により電気信号に変換され、受信回路３により、増幅、検波され、この信号がコンパレータ４の閾値を超えた信号の幅と等しい幅のパルスがコンパレータ４より、ＣＰＵ５に入力される。ＣＰＵ５は超音波送出から、コンパレータ４のパルス出力が入力されるまでの時間と、パルスの幅の時間を計測することにより、まずタンク底面から液面までの距離を算出することができ、次にＣＰＵ５はこのときの距離とパルスの幅をそれぞれ不純物検出距離、および不純物検出パルス幅として記憶しておく。  次に、タンク１０２の底に水等の不純物がたまってきた場合、超音波振動子１から送出された超音波信号はまず水等の不純物１０４の層を通過し当然密度の違う測定液体１０３との境界で一部が反射し一部が測定液体１０３中へ通過する。このとき不純物１０４の層は測定液体１０３の層に比較して非常に薄い層である為、反射した超音波は短時間でタンク１０２の底面より再び反射して境界面１０５に達し、このとき反射しないで通過した一部の超音波は最初に通過した超音波に少し遅れて重なり、測定液体１０３の液面１０１へ達する。測定液体１０３の液面１０１に達した超音波は液体と空気の密度の差でほとんど反射して再び不純物１０４との境界面１０５に達する。ここでもまた反射する成分と通過する成分に分かれ、反射した成分は通過してタンク１０２の底で再び反射した２次反射成分より少し時間が早く重なり、液面１０１へと向かっていく。このようなことをくりかえし、１次反射、２次反射、３次反射となるにつれて超音波パルスの幅も広がっていく。また、当然不純物の層が厚くなれば、超音波パルスの幅の広がりも厚さに比例して大きくなっていく。
そこで、その後の液面１０１までの距離の計測時には、ＣＰＵ５は、常にその距離の計測結果を記憶していた不純物検出距離と比較し、両者がほぼ等しいと判定された場合、具体的にはそれら距離の差が所定の閾値内である場合には、さらに以下の判定を行う。すなわち、受信パルスの幅を検出し、記憶していた不純物パルス幅とを比較し、その差が設定した閾値を超えたとき、不純物層があると判定し、警報出力６によりドレインを抜くべき旨の警報を出力させる。
【０００９】
具体例として、タンク１０２内の液体１０３を灯油、タンク１０２内に溜まる不純物１０４を水とし、灯油のタンク１０２の底から液面１０１までの距離が１０ｃｍ、不純物１０４の水が１ｃｍ溜まったとき上記超音波送出波形がどのように変化するか図２に基づき説明する。このとき灯油内の音速は１３００ｍ／ｓｅｃ、水内の音速は１５５０ｍ／ｓｅｃとし、超音波受信パルスの幅は、５０μｓｅｃとする。
【００１０】
不純物水が溜まっていない時、タンク１０２底面の超音波振動子１から発信される超音波パルス送出から約１５４μｓｅｃ後にパルス幅５０μｓｅｃで灯油液面１０１からの液面１次反射波２０１が得られる。液面１次反射波２０１は再度タンク１０２底面で反射して底面１次反射波２０２となり、その後灯油液面１０１で再度反射してタンク１０２底面へ向かう液面２次反射波２０２が観測されることとなる。図２（ａ）を参照。本出願が注目するのは、このときの液面１次反射波２０１のパルスの幅５０μｓｅｃをＣＰＵ５は記憶しておくことにある。
この状態で不純物である水がタンク１０２底面に１ｃｍ溜まると、タンク１０２底面の超音波振動子１から送出された超音波信号の１部は、最初に水と灯油の境界面１０５でタンク１０２底面方向へ反射し、次にタンク１０２底面で再度反射し、再度境界面１０５方向へ向かい、そこでまた反射して再度タンク１０２底面方向へ向かうという事象を繰り返す成分と、境界面１０５を反射せずに直進通過して灯油液面方向に向かう通過成分２０５に分かれるが、境界面１０５で反射してタンク１０２底面方向へ向かう成分は、タンク１０２底面での反射後に再度境界面１０５方向へ向かい、ここでまた境界面１０５を直進通過する成分とタンク１０２底面方向へ反射する成分へと分かれるが、灯油液面１０１方向へ向かう通過成分であろうが、タンク１０２底面と境界面１０５の間で反射を繰り返す成分であろうが、何れの反射成分も境界面反射の都度、反射せずに直進する成分の２０％の音圧成分となることから、無視できるほど微弱な信号となり、本出願の注目する計測に影響を及ぼさないものとなる。結果、境界面１０５を直進通過した成分２０５はさきほど境界面１０５で反射しないで直進通過し灯油液面１０１方向へ向かった直進通過成分２０３より１３μｓｅｃ遅れて灯油液面で反射し、その後タンク１０２底面方向へ向かう液面１次反射波２０５となり、境界面１０５を反射することなくタンク１０２底面方向へ直進通過し、タンク１０２底面の超音波振動子１にて液面１次反射波２０３との比較で幅の広がった合成波２０８として受信される。この２０８の信号幅が不純物のないときの信号幅に比較して広くなっていることを検出することで水を検出することができる。
以上が、液面１次反射波２０３および液面１次反射波２０５のみを用いて計測する場合の説明であり、本出願が最も注目する範囲である。
以下はタンク１０２底面における１次反射より後に起こる事象ついての補足説明である。
灯油液面１０１で反射した液面１次反射波２０３の１部はタンク１０２底面の超音波振動子１で受信される前に水と灯油の境界面１０５で再度灯油液面１０１方向に境界面１次反射波２０６として反射される。その一方、境界面１０５で反射せずタンク１０２底面へ向かい、タンク１０２底面で再度反射して底面１次反射波２０４となる成分よりも、境界面１次反射波２０６は１３μｓｅｃ早く灯油液面１０１方向に向かい、灯油液面１０１で反射され液面２次反射波２０６となりタンク１０２底面方向へ向かい、再度水と灯油の境界面１０５で直進通過成分と反射成分に分かれる。この時、灯油と水の境界面１０５で灯油液面１０１方向へ反射する境界面２次反射波は微弱なものとなり、無視することができる。一方、境界面１０５で反射せずにタンク１０２底面方向へ向かう液面２次反射波２０６は、液面２次反射波２０４よりも１３μｓｅｃ早くタンク１０２底面の超音波振動子１にて計測される。同様に、液面１次反射波２０５のうち境界面１０５で反射せずにタンク１０２底面へ向かい、タンク底面で再度反射して境界面１０５へ向かい、境界面１０５を反射することなく直進通過して灯油液面１０１へ向かう成分は、灯油液面１０１で反射され再度境界面１０５方向へ向かい、境界面１０５で反射する成分と反射せずに、境界面１０５を直進通過し、タンク１０２底面へ向かう成分へ分かれるが、このとき境界面１０５を直進通過する成分は、液面２次反射波２０４が境界面１０５を通過してタンク１０２底面の超音波振動子１が受信するときも１３μｓｅｃ遅れてタンク１０２底面の超音波振動子１に到達する液面２次反射波２０７となり、信号幅７６μｓｅｃの合成波２０９となる。
【００１１】
上記よりＣＰＵ５は超音波送出から１次反射受信までの時間１５１μｓｅｃを、不純物水の影響で３μｓｅｃ早くなるが、ほぼ正確に測定することが出来、受信したパルス幅２０１と２０８を比較し１３μｓｅｃ以上の差が発生したとき警報出力６が警報を出力するよう設定しておけば、不純物水が１ｃｍ以上存在することを検知することが出来る。また今回は１次反射の比較を示したが２次反射２０２、２０９の比較でも可能である。又図３に実際の測定波形を示す。
以上、この実施の形態では、予め不純物層の無い状態における受信パルス幅を不純物パルス幅として記憶し、不純物検出距離において、受信パルス幅と不純物パルス幅とを比較して不純物層を検出するものとしたが、この発明はこれに限られず、例えば、不純物層検出の精度がさほど要求されない場合には、予め設定されている送信パルス幅を不純物パルス幅として用いてもよい。その場合には不純物検出距離以外の距離においても不純物層の検出が行える。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１および請求項２に記載の超音波液面計は、液面までの距離を計測するだけでなく、不純物の存在も検知することが出来、タンクの液体を利用する機器へ不純物が入り機器に重大なダメージを与えるのを回避することができるようになる。
また、請求項２に記載の超音波液面計は、不純物検出パルス幅を記憶する時の液面までの距離を同時に不純物検出距離として記憶し、ほぼ同じ距離の条件での受信パルス幅を比較することで、距離による超音波信号の減衰によるパルス幅の変動をキャンセルし、より正確に不純物層の厚さを測定することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる超音波液面計の装置構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる超音波液面計での超音波受信信号の模擬図である。
【図３】本発明の実施形態に係わる超音波液面計での超音波受信信号の測定波形を示す図である。
【符号の説明】
１  超音波振動子
２  送信回路
３  受信回路
４  コンパレータ
５  ＣＰＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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