(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波送受信器をパルス駆動して超音波を発生させ、反射面からのエコー波を受けてエコー位置を求め反射面のレベルを測定するように構成した超音波レベル計において、
パルス駆動と同位相およびこの位相とは四半周期ずれた位相とでエコー信号を２相同期積分する同期積分回路と、
この同期積分回路からの２相同期積分波形を合成した波形に基づき、所定の検索範囲内で行なう低分解能のエコー位置検索によりエコー位置を求め、このエコー位置に基づき前記所定の検索範囲よりも時間軸上で狭い検索範囲を定めてこの範囲で高分解能のエコー位置検索を行なう演算手段と
を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
【請求項２】
前記低分解能のエコー位置検索においては、前記同期積分回路は、１２セルを１ブロックとして積分を繰り返し、前記演算手段は、各ブロックごとに各セルの積分値を有極加算し、有極加算された２相の積分値を合成して得られた積分波形に基づいてエコー位置を求めるように構成した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３】
前記低分解能のエコー位置検索においては、前記超音波送受信器は、近距離範囲でエコー位置検索を行なうときは少ないパルス数により駆動され、前記近距離範囲に一部が重複する遠距離範囲でエコー位置検索を行なう場合は多いパルス数の駆動に切り換えて駆動されるように構成したことを特徴とする請求項１または２または３記載の超音波レベル計。
【請求項４】
前記超音波送受信器は駆動パルス数が１６パルスと６４パルスであり、前記演算手段は、１６パルス駆動のときは前記合成波形について２ブロックの移動加算を、６４パルス駆動のときは前記合成波形について５ブロックの移動加算を行ない、その波形のピーク位置に基づいてエコー位置を検出するように構成したことを特徴とする請求項４記載の超音波レベル計。
【請求項５】
前記演算手段は、高分解能エコー位置検索用の検索範囲を、１６パルス駆動のときは前記ピーク位置より４８セル手前から１０８セル後までの範囲に、６４パルス駆動のときは前記ピーク位置より４８セル手前から１４４セル後までの範囲に設定することを特徴とする請求項５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】
本発明は、超音波レベル計に関し、特に、測定開始後にエコー波がどの位置にあるかを効率よく検出するための検出方式の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の超音波レベル計の一例を示す図である。駆動回路１０は、トランスＴを介して、数十ＫＨｚの駆動周波数fdで１ＫＶP-P〜２ＫＶP-P程度のパルス列駆動信号を出力する。このパルス列駆動信号は、ダイオード回路Ｄを介して超音波送受信器（圧電素子が使用される例が多いため、以後圧電素子という）２０に印加される。
【０００３】
圧電素子２０は、この駆動信号に応じて超音波信号を送信すると共に反射した超音波を受信するセンサとして働くもので、例えばＰＺＴ等が用いられる。
圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路Ｄを介して受信回路３０に入力され、その後信号処理回路３２に入力される。
【０００４】
信号処理回路３２は、図７に示すように、圧電素子２０から超音波Ｐ１が発生してエコー波Ｐ２が到達するまでの時間Ｔ１を計測し、被反射物体までの距離（Ｌx）を算出する。
【０００５】
エコー波Ｐ２が到達するまでの時間の計測、換言すればエコー波の位置の検出は、通常超音波発信後（測定開始後）から連続して信号の受信と、その受信信号の振幅チェックを行って、エコー位置を検出するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなエコー波の位置検出方式では、高精度で（高分解能で）検出しようとすると時間がかかるという欠陥があった。
また、エコー信号に重畳したノイズの影響を受け易く、測定精度を上げるのが困難であるという課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、粗検索と密検索を組み合わせて、Ｓ／Ｎ比を落とすことなく短時間にエコー波の位置を高分解能で検出することのできる超音波レベル計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明では、超音波送受信器をパルス駆動して超音波を発生させ、反射面からのエコー波を受けてエコー位置を求め反射面のレベルを測定するように構成した超音波レベル計において、パルス駆動と同位相およびこの位相とは四半周期ずれた位相とでエコー信号を２相同期積分する同期積分回路と、この同期積分回路からの２相同期積分波形を合成した波形に基づき、所定の検索範囲内で行なう低分解能のエコー位置検索によりエコー位置を求め、このエコー位置に基づき前記所定の検索範囲よりも時間軸上で狭い検索範囲を定めてこの範囲で高分解能のエコー位置検索を行なう演算手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
はじめに広い範囲にわたり低分解能でエコー位置を粗検索し、エコー位置が見つかればそのエコー位置を含む前後の狭い範囲に絞って次の高分解能エコー位置検索を行なう。
このような２段階の検索にすれば、はじめから広い範囲にわたり高分解能でエコー位置検索を行なうよりは、より短時間にエコー位置を高分解能で求めることができる。
【００１０】
また、パルス駆動と同位相およびこの位相とは四半周期ずれた位相とでエコー信号を２相同期積分し、その２相同期積分波形を合成した波形に基づきエコー位置を検出するようにする。これにより、エコー波に重畳したノイズ成分が除去でき、Ｓ／Ｎ比の良いエコー位置検出が保証される。
【００１１】
また、前記低分解能のエコー位置検索においては、請求項２のように、前記同期積分回路は、１２セルを１ブロックとして積分を繰り返し、前記演算手段は、各ブロックごとに各セルの積分値を有極加算し、有極加算された２相の積分値を合成して得られた積分波形に基づいてエコー位置を求めるように構成する。このような検索によりＳ／Ｎ比を落とすことなく広い範囲を短時間に検索することができる。
【００１２】
この場合、前記低分解能のエコー位置検索では、例えば請求項３のように、前記超音波送受信器は、近距離範囲でエコー位置検索を行なうときは少ないパルス数により駆動され、前記近距離範囲に一部が重複する遠距離範囲でエコー位置検索を行なう場合は多いパルス数の駆動に切り換えて駆動される。
【００１３】
更にこの場合、請求項４のように、前記超音波送受信器は駆動パルス数が１６パルスと６４パルスであり、前記演算手段は、１６パルス駆動のときは前記合成波形について２ブロックの移動加算を、６４パルス駆動のときは前記合成波形について５ブロックの移動加算を行ない、その波形のピーク位置に基づいてエコー位置を検出するのが望ましい。
【００１４】
更にまた、請求項５のように、前記演算手段は、高分解能エコー位置検索用の検索範囲を、１６パルス駆動のときは前記ピーク位置より４８セル手前から１０８セル後までの範囲に、６４パルス駆動のときは前記ピーク位置より４８セル手前から１４４セル後までの範囲に設定するのが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下実施例につき本発明を詳しく説明する。本発明は、はじめに所定の広いセル範囲において低分解能で高速にエコー位置を検索（これを粗検索と呼ぶ）してエコーの存在位置を確認し、このエコー位置に基づいて新たな狭い範囲のエコー位置検索範囲を定めこの範囲を高分解能で検索（この検索を密検索と呼ぶ）してエコー位置を検出するようにする。
このような粗検索と密検索との組み合わせおよび検索範囲の絞り込みにより、効率の良い高速なエコー位置検出が可能となる。
また、本発明では２相同期積分を取り入れ、エコー波に重畳したノイズ成分に影響されることなく、高Ｓ／Ｎ比でエコー位置を求めるようにしている。
【００１６】
図１は本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す構成図である。図において、図６と同等のものは同一符号を付し、その説明は省略する。
【００１７】
受信回路３０は、プリアンプＡ１と、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣと、メインアンプＡ２が直列接続されたものである。プリアンプＡ１は圧電素子２０からのエコー信号を受けるが、圧電素子２０に与えられた駆動信号の影響を取り除くようにして信号を受信する。
【００１８】
Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、デジタル・アナログ変換処理と共に、プリアンプＡ１から入力された波形信号に対してＴＶＧ（Time  Variable  Gain）処理も行なうことができるように構成されている。
このＴＶＧ処理は、距離による超音波の減衰特性に合わせてゲインを増加させるようにした処理である。
【００１９】
メインアンプＡ２は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣの信号を受信して適宜に増幅し、その出力を２相同期積分回路４０に与えている。
【００２０】
２相同期積分回路４０は、Ｘ位相積分部分４１、Ｙ位相積分部分４２より構成される。
Ｘ位相積分部分４１は、第１の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ、X位相側スイッチ、Ｘ位相積分回路およびＡ／Ｄ変換器で構成される。Ｙ位相積分部分４２は、第２の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ、Ｙ位相側スイッチ、Ｙ位相積分回路およびＡ／Ｄ変換器で構成される。
【００２１】
なお、フリップフロップには駆動回路１０の出力が印加され、Ｐ出力がＸ位相側スイッチに印加され、Ｑ出力がＹ位相側スイッチに印加される。Ｐ出力とＱ出力は、位相が四半周期ずれたもので、オンオフのデューティ比はいずれも５０％になっている。
【００２２】
これにより、上記第１の同期積分回路４１では、圧電素子２０を駆動する駆動周波数の位相（これを第１の位相と呼ぶ）でエコー信号が同期積分され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出力される。他方、上記第２の同期積分回路４２では、前記第１の位相とは四半周期離れた第２の位相で同期積分され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出力される。
なお、エコー波に重畳するノイズ信号は一般的に正負の領域をランダムに持っており、上記の積分によりこのノイズ成分は除去される。
【００２３】
演算回路５０は、２相同期積分回路４０からの時系列の各積分値ＸおよびＹをそれぞれ記憶手段（図示せず）に記憶し、その後積分値Ｘ，Ｙの有極加算、積分値Ｘ，Ｙの合成を行い、その合成信号のピークの位置と大きさからエコーの到来位置を求める。また、演算回路５０は、受信回路３０のＤＡＣのＴＶＧを制御する機能も有する。
【００２４】
このような構成における動作を次に説明する。最初は、粗検索を行う。
２相同期積分回路４０は、所定周期（例えば、１２セル周期。なお、セルとは積分値の計測ワンステップの時間幅を指す）で積分を行う。この１２セルごとのデータをブロックデータとして扱う。１２セルは音速時間距離でほぼ１４．４ｃｍに相当する。ただし、１２セル目はリセット期間である。
【００２５】
１２セルを１ブロックとして扱うため、エコー到達距離Lxの分解能としては約７．２ｃｍとなる。
なお、１２セルごとにリセットするのは、エコー位置検出にとってはそれで必要十分であり、また２相同期積分回路の積分器のドリフト等を考慮すると１２セル目でリセットするのが好適であるからである。しかしながら、本願発明は１２セル目に限定するものではなく、例えば１０〜１００セル範囲内の任意のセルを採用することができる。ただし、あまり長くすると検出分解能が悪化するばかりでなく、積分噐のドリフト等が影響して好ましくない。
【００２６】
なお、本発明では、近距離用には圧電素子２０を１６パルス駆動し、遠距離用には圧電素子２０を６４パルス駆動して超音波を送受し、エコー位置の検出を行う。
【００２７】
図２は１６パルス駆動（パルス駆動は、超音波送受信噐のパルス送信に対応するため、パルス送信とも言う）と６４パルス駆動のときの送受信関係の一例を示したものである。なお、エコー位置の検出は、パルス駆動直後から幅広く行うのではなく、図示のように意味のある有効な範囲（この範囲をＷＳ（Window  Search）と呼ぶ）に限定して行うようにしている。
ＴＶＧ処理は、１６パルス駆動および６４パルス駆動ともＷＳの全測定範囲において行われる。
【００２８】
次に、データ収集からピーク値の演算までの動作を説明する。まず、１６パルス駆動の場合について述べる。
図３はデータ収集時の各部の波形を示す概念図である。同図（ａ）に示すように７４セル目から１１セル目まで積分を続け、１２セル目でリセットする。以下これを１ブロックとして、５７７セルまでその動作を繰り返す。
図３の（ｃ），（ｄ）はそれぞれＸ側の積分波形、Ｙ側の積分波形を示す。
【００２９】
上記Ｘ側およびＹ側の積分波形は、各セルごとにＡ／Ｄ変換し、図４（ａ），（ｂ）に示すように各ブロックごとに１１個のＡ／Ｄ変換データｄ１〜ｄ１１を得る。
【００３０】
次に、各ブロックごとにＡ／Ｄ変換値を有極加算する。有極加算とは、データの極性を正負そのままで単純に加算することを言う。そして、各ブロックごとに、Ｘ側とＹ側についてそれぞれ有極加算結果の絶対値をとり、それを合成（加算）する。
図４（ｃ）はその合成データ（Ｂｄ１，Ｂｄ２，Ｂｄ３，．．．）を示したものである。
【００３１】
続いて、この合成データについて移動加算を行う。ここでは、２ブロックの移動加算とした。２ブロックとしたのは、エコー波形はブロックに対して任意に到来するが、１６パルス駆動においては少なくとも２ブロックを合成することで１６パルスすべてのエコー波の積分値を捕らえることができるためである。
同様の理由から、後述する６４パルス駆動の場合には５ブロックの移動加算となる。
【００３２】
上記２ブロックの移動加算の後、全ブロック中のピーク値を検出し、そのピーク値の例えば２０％をしきい値に選ぶ。そしてこのしきい値を越えたブロックを検出し、それを主エコーの位置Ｓｍとする（図５）。
【００３３】
次に、この主エコー位置Ｓｍを含む適宜の範囲を特定し、これを密検索の測定範囲（ＷＭ）とする。図５（ｂ）は６４パルス駆動の場合のＷＭに係る説明図である。
【００３４】
以上のようにして、１６パルス駆動での粗検索によるエコー位置検出およびそれに基づいた密検索用のＷＭを求めることができる。１６パルス駆動でエコー位置が検出されなかったときは、圧電素子を６４パルスで駆動し遠距離検索を行う。遠距離検索も１６パルス駆動の場合と同様にしてエコー位置の検索、および密検索用のＷＭを求めることができる。なお、そのような判断および動作の制御は演算回路５０により行われる。
【００３５】
以上のように粗検索でエコー位置が検出されると、次は蜜検索でエコー位置を検出する。密検索における動作は、例えば次の通りである。
【００３６】
２相同期積分回路４０は、上記のようにして求められたＷＭ検索範囲においてＸ側，Ｙ側について同期積分を行ないその積分値をＡ／Ｄ変換する。この時系列積分値は記憶装置（図示せず）に格納される。
【００３７】
演算回路５０は、蓄積されたこれら時系列の積分値（いわゆる積分波形）に対して移動平均化処理を行ない、その積分波形を滑らかにする。続いて、移動差微分を行ないエコー波のエンベロープに対応した波形を得て、この波形のピーク値に基づきエコーの到来位置を求める。このような方式によれば、前記粗検索のエコー検索よりも高分解能でエコー位置を求めることができる。
【００３８】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
▲１▼はじめに広い範囲を低分解能でエコー位置検索し、エコー位置が確認できると狭い範囲に絞って高分解能でエコー位置を再検索するため、効率良く短時間で高精度にエコー位置を検出することができる。
▲２▼２相同期積分を採用しているため、エコー波に重畳したノイズに影響されることなくエコー位置を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す構成図である。
【図２】送受信関係の説明図である。
【図３】データ収集時の各部の波形を示す概念図である。
【図４】積分値データの処理の様子を説明するための図である。
【図５】ＷＭ幅設定についての説明図である。
【図６】従来の超音波レベル計の一例を示す図である。
【図７】超音波発生からエコー波到達までの説明図である。
【符号の説明】
１０  駆動回路
２０  圧電素子
３０  受信回路
４０  ２相同期積分回路
５０演算回路
【図１】
0004135282.tif 000002
【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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