(57)【要約】【課題】低消費電力であって簡単かつ短時間に液の有無を判定できる超音波液体検知装置を提供する。【解決手段】  液体検知装置１は、周波数を複数の設定値に変更しつつ超音波送信部２により被測定系に超音波を送信し、各周波数における受信振幅の測定結果の集合に基づいて、測定位置における容器内の液体有無を判定する。【選択図】    図２
2009031136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容した容器を被測定系として該容器の壁部外面の測定位置に取り付けて使用され、前記被測定系に前記超音波を送信する超音波送信部と、
入力された該超音波に基づく反射波を受信する超音波受信部と、
前記超音波の周波数を変更可能に設定する周波数設定部と、
前記周波数を複数の設定値に変更しつつ前記超音波送信部により前記被測定系に前記超音波を送信し、各周波数にて前記超音波受信部による前記反射波の受信振幅を測定する振幅測定手段と、
各前記周波数における前記受信振幅の測定結果の集合に基づいて、前記測定位置における前記容器内の液体有無を判定する液体有無判定手段と、
該液体有無の判定結果を出力する判定結果出力手段と、
を備えたことを特徴とする超音波液体検知装置。
【請求項２】
前記液体有無判定手段は、前記複数の周波数設定値のそれぞれについて、前記受信振幅を予め定められた閾値と比較する振幅比較手段を有し、前記複数の周波数設定値のそれぞれにおいて前記受信振幅が前記閾値を超えているか否かに基づいて、前記測定位置における前記容器内の液体有無を判定する請求項１記載の超音波液体検知装置。
【請求項３】
前記閾値を変更可能に設定する閾値設定手段を有する請求項２に記載の超音波液体検知装置。
【請求項４】
前記液体有無判定手段は、前記複数の周波数設定値のいずれにおいても前記受信振幅が前記閾値を超えている場合に液体ありと判定し、前記複数の周波数設定値のいずれにおいても前記受信振幅が前記閾値未満となっている場合に液体なしと判定する請求項２又は請求項３に記載の超音波液体検知装置。
【請求項５】
前記振幅測定手段は、前記壁部の板厚方向における、次数の互いに隣接する縦波固有振動に対応した２つの受信振幅ピーク位置を包含するものとなるように前記周波数帯域を設定する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項６】
前記振幅測定手段は、送信する前記超音波の周波数を、板厚方向における前記壁部の次数の異なる縦波固有振動に対応した複数の受信振幅ピーク位置を含む予め定められた周波数帯域内にてスイープし、各受信振幅ピーク位置に対応する周波数にて前記受信振幅が前記閾値を超えているか否かに基づき、前記測定位置における前記容器内の液体有無を判定する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項７】
前記振幅測定手段は、厚方向における前記壁部の次数の異なる縦波固有振動に対応した複数の受信振幅ピーク位置を目標とする形で前記超音波の基準周波数を複数個設定し、各基準周波数を個別に包含する互いに不連続な複数の周波数帯域にて、送信する前記超音波の周波数をそれぞれスイープし、各周波数帯域内にて前記受信振幅が前記閾値を超えているか否かに基づき、前記測定位置における前記容器内の液体有無を判定する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項８】
各周波数帯域内にて前記受信振幅ピーク位置を検出し、各受信振幅ピーク位置にて前記受信振幅が前記閾値を超えているか否かに基づき、前記測定位置における前記容器内の液体有無を判定するとともに、
第一の液体有無判定時において、前記閾値を超える受信振幅が得られた各受信振幅ピーク位置に対応する複数の周波数を基準周波数として記憶する基準周波数記憶手段と、
前記第一の液体有無判定よりも時系列的に後に実施される第二の液体有無判定時に、前記基準周波数記憶手段から前記基準周波数を読み出し、各基準周波数を包含する予め定められた帯域幅にて前記周波数帯域を設定する周波数帯域設定手段とを備える請求項７記載の超音波液体検知装置。
【請求項９】
前記超音波送信部から前記超音波を送信後、予め定められたマスク時間だけ前記超音波受信部による前記反射波の受信を阻止し、該マスク時間が満了した後、予め定められた時間幅にて前記反射波の受信を許容する検出ウィンドウを設定する検出ウィンドウ設定手段を有し、
前記振幅測定手段は該検出ウィンドウ内にて前記反射波の受信振幅を測定する請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項１０】
前記振幅測定手段は、前記壁部の板厚方向における、次数の互いに隣接する縦波固有振動に対応した２つの受信振幅ピーク位置を包含するものとなるように前記周波数帯域を設定するものであり、
前記液体有無判定手段は、前記検出ウィンドウ内にて前記周波数帯域をスイープしつつ前記２つの受信振幅ピーク位置を特定し、低周波数側の受信振幅ピーク位置をなす第一周波数ｆ１と高周波数側の受信振幅ピーク位置をなす第二周波数ｆ２との比が、前記縦波固有振動の次数の比と一致していることを前提として、前記測定位置において前記容器内に液体が存在していると判定する請求項９記載の超音波液体検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波液体検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−３３３３１４号公報
【０００３】
ＬＰガスボンベ等の容器壁部に超音波送信部及び受信部を配置し、容器内部の液面や反対側の壁面で反射したエコーの信号レベルにより液面の有無を判定するようにした超音波液体検知装置が知られている（特許文献１）。このような超音波液体検知装置では、容器内部の液体に効率良く超音波を透過させるために、送信超音波の駆動周波数を変化させるとともに、予め定められた周波数帯域にて反射してくる超音波を解析し、最適な条件を見出してから駆動周波数を設定する手法がとられていた。また、その解析の適正化を図るため、受信超音波のフロントエンド部をなすアナログ回路のアンプのゲインやコンパレータレベルを制御することも行なわれていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の超音波液体検知装置の構成では、駆動周波数を広範囲で変化させる制御や、アナログ回路での信号処理等が複雑化するため、消費電流の増加を招きやすく、動作設定を最適化する演算処理にも時間がかかる問題があった。また、容器（ガスボンベ）の種類や塗装の状態にもバラツキがあり、容器ごとに動作設定に時間を要していては作業性が悪くなる上、設定の都度電流を消費するので電池消耗が進みやすくなる。さらに、ボンベ（容器）の板厚や塗装状態のレベルやバラツキに応じ、周波数の可変範囲を拡大する必要もあり、装置コストの高騰につながる問題もある。
【０００５】
本発明の課題は、低消費電力であって簡単かつ短時間に液の有無を判定できる超音波液体検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波液体検知装置は、
液体を収容した容器を被測定系として該容器の壁部外面の測定位置に取り付けて使用され、被測定系に超音波を送信する超音波送信部と、
入力された該超音波に基づく反射波を受信する超音波受信部と、
超音波の周波数を変更可能に設定する周波数設定部と、
周波数を複数の設定値に変更しつつ超音波送信部により被測定系に超音波を送信し、各周波数にて超音波受信部による反射波の受信振幅を測定する振幅測定手段と、
各周波数における受信振幅の測定結果の集合に基づいて、測定位置における容器内の液体有無を判定する液体有無判定手段と、
該液体有無の判定結果を出力する判定結果出力手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この構成によると、周波数を複数の設定値に変更しつつ超音波送信部により被測定系に超音波を送信し、各周波数における受信振幅の測定結果の集合に基づいて、測定位置における容器内の液体有無を判定する。すなわち、最適化されたワンポイントの動作周波数設定に束縛される形で液面有無検出を行なうのではなく、設定周波数を複数に分散させて各周波数で受信振幅を測定し、その測定結果の集合を用いて液面有無検出を総合的に行なう。つまり、液面有無判定を行なうための受信振幅測定を、周波数軸上で冗長化することで、次のような効果を達成できる。
（１）動作周波数をワンポイントに最適化させるための複雑な動作設定作業が不要となり、動作条件設定のための周波数スイープも最小限に留めることができる。
（２）容器（ガスボンベ）の板厚や塗装の厚さレベルが容器の種類に応じて異なったり、あるいは同一種別の容器であっても板厚や塗装の厚さレベルにバラツキを生じていたりする場合でも、動作周波数自体がある帯域にて拡がりをもって設定されるので、上記のような板厚ないし塗装のレベル相違やバラツキの影響を吸収でき、容器毎に動作設定を細かく調整しなおす必要がなくなる。その結果、容器ごとに動作設定に要する時間が短縮され、作業性が改善されるとともに、動作設定時の電流消費も抑えることができるので、電池式液面計の場合は電池を長持ちさせることができる。
【０００８】
液体有無判定手段は、複数の周波数設定値のそれぞれについて、受信振幅を予め定められた閾値と比較する振幅比較手段を有し、複数の周波数設定値のそれぞれにおいて受信振幅が閾値を超えているか否かに基づいて、測定位置における容器内の液体有無を判定するものとできる。複数の周波数設定値のそれぞれにおける受信振幅の閾値との比較判定により、本発明の方式による液面有無判定を、比較的簡単な処理により容易に実現できる。この場合、上記の容器間バラツキ等の要因により、妥当な比較判定結果を得るための閾値も変化するので、該閾値を変更可能に設定する閾値設定手段を設けておくことが望ましい。
【０００９】
液体有無判定手段は、複数の周波数設定値のいずれにおいても受信振幅が閾値を超えている場合に液体ありと判定し、複数の周波数設定値のいずれにおいても受信振幅が閾値未満となっている場合に液体なしと判定するものとできる。いずれの場合も、複数の周波数設定値での閾値比較判定結果が一致することで、「液体あり」ないし「液体なし」の判定をより高確率にて行なうことができる。他方、複数の周波数設定値にて受信振幅の閾値との比較結果が不一致の場合には、それら受信振幅を予め定められた内容にて演算結合して得られる値を被判定値として用い、該被判定値を閾値と比較して「液体あり」ないし「液体なし」の判定を行なうようにしてもよい。この場合の被判定値は、該受信振幅を加算して得られる合計値を採用してもよいし、これを周波数設定値の数で割ることにより得られる平均値を採用してもよい。さらに、後述のごとく周波数設定値を予め定められた周波数帯域にてスイープすることにより、受信振幅の周波数依存曲線を得ることも可能であるが、この場合は、該周波数帯域にて受信振幅の該周波数依存曲線を積分した値（あるいは、それを周波数帯域幅にて除した平均受信振幅）を被判定値として採用することも可能である。
【００１０】
容器の壁部は、例えばガスボンベ等では金属板材であり、その板厚方向に超音波を入力した場合、入力された超音波は縦波振動の形で壁部内部を該板厚方向に伝播する。このとき、入力される超音波の周波数設定値が、測定温度での壁部の固有周波数ｆｍに一致しているとき、受信振幅の値はピーク（極大点）を示す。固有周波数ｆｍは、板材を最も効率良く超音波が透過する周波数であり、板材を透過する縦波音波の波をλ、板の厚さをｔとすると、
ｔ＝ｍ・λ／２  ‥（１）
あるいは、
λ＝２ｔ／ｍ  ‥（１）’
であり、縦波の音速をＣ、固有周波数をｆｍとすると、
ｆｍ＝Ｃ／λ  ‥（２）
なので、（１）’（２）より、
ｆｍ＝ｍ・Ｃ／２ｔ  ‥（３）
ここに、ｍは固有振動の次数を示す整数である。固有周波数は振動の次数ｍ＝１（基本振動），２（２次振動），‥，Ｎ（Ｎ次振動）にそれぞれ対応して、ｆ１＝１・Ｃ／２ｔ，ｆ２＝２・Ｃ／２ｔ，‥，ｆＮ＝Ｎ・Ｃ／２ｔと周期的に出現する。従って、受信振幅の極大点も、これら固有周波数に対応して周期的に出現する。受信振幅の検出値が極大となる固有周波数近傍に超音波の周波数を設定することが、液面有無判定に好都合であることはいうまでもない。
【００１１】
この場合、１回の測定により、受信振幅レベルの高い固有周波数近傍の情報が最低でも２つ得られれば、「液体あり」ないし「液体なし」の判定の精度は従来より大幅に改善されることになる。この場合、特に、設定周波数に関与する２つの固有周波数として、次数の隣接した２つの固有周波数を採用するようにすれば、設定周波数を可変するための周波数帯域幅を必要最小限に留めることができ、装置の簡略化を計ることができる。この場合、周波数振幅測定手段は、壁部の板厚方向における、次数の互いに隣接する縦波固有振動に対応した２つの受信振幅ピーク位置を包含するものとなるように周波数帯域を設定するものとできる。
【００１２】
固有周波数、すなわち受信振幅が極大値（ピーク位置）となる周波数は、前述のごとく、容器板厚や塗装厚さの容器間相違によりばらつく（変動する）。この場合、各々変動する複数の受信振幅ピーク位置を確実に捉え、液体有無判定を行なうための周波数の最適化を行なうには、振幅測定手段は、送信する超音波の周波数を、板厚方向における壁部の次数の異なる縦波固有振動に対応した複数の受信振幅ピーク位置を含む予め定められた周波数帯域内にてスイープするものとして構成することが望ましい。この場合、各受信振幅ピーク位置に対応する周波数にて受信振幅が閾値を超えているか否かに基づき、測定位置における容器内の液体有無を判定することができる。特に、次数の隣接する２つの受信振幅ピーク位置のみを包含するものとして周波数帯域を設定することにより、周波数スイープの範囲を必要最小限に留めることができ、装置構成の簡略化を図ることができる。
【００１３】
また、特定の容器に対する固有周波数ひいては受信振幅ピーク位置の概略位置が判明している場合は、振幅測定手段は、次数の異なる縦波固有振動に対応した複数の受信振幅ピーク位置を包含する周波数帯域の全域をスイープするのではなく、それら複数の受信振幅ピーク位置を目標とする形で超音波の基準周波数を複数個設定し、各基準周波数を個別に包含する互いに不連続な複数の周波数帯域にて、送信する超音波の周波数をそれぞれスイープし、各周波数帯域内にて受信振幅が閾値を超えているか否かに基づき、測定位置における容器内の液体有無を判定するように構成することができる。このようにすると、各受信振幅ピーク位置に対応する比較的狭い周波数帯域のみを選択的にスイープすればよいので、複数の受信振幅ピーク位置にまたがって設定された広い周波数帯域の全域をスイープする必要がなくなり、処理時間の短縮ひいては省電力化を図ることができる。
【００１４】
同一種別にかかる複数の容器の液体有無を順次行なう場合は、受信振幅ピーク位置のバラツキ要因は、主に容器板厚や塗装膜厚（あるいは塗装密着状態）などであるが、そのバラツキの範囲はある程度の範囲内には収まる。そこで、液面有無判定のための測定を最初の容器について実施し、その時点での受信振幅ピーク位置を特定できていれば、同種の別容器についての次の測定時については、次のような方式を採用するとよい。すなわち、各周波数帯域内にて受信振幅ピーク位置を検出し、各受信振幅ピーク位置にて受信振幅が閾値を超えているか否かに基づき、測定位置における容器内の液体有無を判定する。装置には、第一の液体有無判定時において、閾値を超える受信振幅が得られた各受信振幅ピーク位置に対応する複数の周波数を基準周波数として記憶する基準周波数記憶手段と、第一の液体有無判定よりも時系列的に後に実施される第二の液体有無判定時に、基準周波数記憶手段から基準周波数を読み出し、各基準周波数を包含する予め定められた帯域幅にて周波数帯域を設定する周波数帯域設定手段とを設ける。すなわち、前回測定時（第一の液体有無判定時）において周波数スイープにより既に特定されている受信振幅ピーク位置を基準周波数として記憶しておき、次回測定時にはその基準周波数を元にスイープの帯域幅を決定することで、バラツキ幅を包含できる程度の小さなスイープにて受信振幅ピーク位置を効率的に見出すことができる。
【００１５】
次に、超音波送信部から超音波を送信後、予め定められたマスク時間だけ超音波受信部による反射波の受信を阻止し、該マスク時間が満了した後、予め定められた時間幅にて反射波の受信を許容する検出ウィンドウを設定する検出ウィンドウ設定手段を設けることができる。この場合、振幅測定手段は、該検出ウィンドウ内にて反射波の受信振幅を測定するものとされる。液面検知を行なう容器の仕様、特に容器の板厚や超音波入射方向の内寸法等が予め知れている場合は、超音波を入射後、反射波を受信するまで時間も概ね推定できるので、目的反射波が明らかに非存在となることが予想される期間については、マスク時間を設けて反射波の受信を阻止することができる。そして、そのマスク時間を満了後に予め定められた時間幅の検出ウィンドウにより反射波の受信を許容し（検出ウィンドウ期間が満了すれば再びマスク期間となる）、該検出ウィンドウ内の反射波の受信振幅に基づき液の有無を判定する。これにより、目的反射波とは異なる伝播時間にて受信される不要な容器内多重反射波（繰り返し反射）等の影響を効果的に除外でき、検出ウィンドウ内でのみ目的反射波の受信振幅判定が可能となるので、前記容器内多重反射波等に由来した液面の誤検出を効果的に阻止できる。
【００１６】
なお、振幅測定手段が、壁部の板厚方向における、次数の互いに隣接する縦波固有振動に対応した２つの受信振幅ピーク位置を包含するものとなるように周波数帯域を設定するものである場合、液体有無判定手段は、検出ウィンドウ内にて周波数帯域をスイープしつつ２つの受信振幅ピーク位置を特定し、低周波数側の受信振幅ピーク位置をなす第一周波数ｆ１と高周波数側の受信振幅ピーク位置をなす第二周波数ｆ２との比が、縦波固有振動の次数の比と一致していることを前提として、測定位置において容器内に液体が存在していると判定するよう構成することができる。上記周波数比が次数の比と一致しない場合は、例え検出ウィンドウ内にて検出される反射波であっても、目的反射波以外のものを検出していることになるので、これを液体有無の判定には用いないようにすることで判定精度をより向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る液体検知装置の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、測定対象となる容器の一例を示すものであり、ＬＰＧ又はＬＮＧの金属タンク１９０として構成されている。金属タンク１９０は鋼鉄製であり、円筒状の容器本体部２００（容器本体部）の上下に、底面部２０２及び上面部２０３を溶接接合した構造を有する。上面部２０３は、容器最上面部の周縁に側壁部の上端部が連なる一体の蓋部材として形成されている。また、容器本体部２００は、側壁部の残余部分をなすものである。上面部２０３の上部中央には圧力制御弁が組み込まれたガス取出部２０３Ｖが形成されている。該金属タンク１９０に上記ＬＰＧないしＬＮＧからなる液体Ｌが収容され、被測定系を構成する。
【００１８】
そして、液体検知装置１は、上記の金属タンク１９０内の液体Ｌの存在状態、具体的には液面ＬＶの位置を、タンク外から測定できるように構成されている。液体検知装置１は、具体的には、該容器１９０の容器本体部２００の外面に対し、液深さ方向の任意位置に押し当て可能な（つまり、ユーザーの欲する任意の測定位置に取り付け可能な）超音波トランスジューサ２を有している。該超音波トランスジューサ２は、被測定系に超音波を送信する超音波送信部と、入力された該超音波に基づく反射波を受信する超音波受信部との機能を合わせ有するものである（すなわち、超音波送受信部として機能する）。
【００１９】
図２は、液体検知装置１の電気回路構成を概念的に示すブロック図である。該液体検知装置１は、ユーザーが手で保持可能な樹脂等で構成された筐体３を有し、その先端面に超音波トランスジューサ２がはめ込まれている。超音波放出面となる超音波トランスジューサ２の前端面は、筐体３の前端に形成された開口内に位置し、その表面に密着する形で音響インピーダンス整合層２Ｐが取り付けられている。音響インピーダンス整合層２Ｐは、超音波トランスジューサ２（圧電セラミック）と容器本体部２００（鋼鉄）との中間（望ましくは両者の幾何学平均値）の音響インピーダンスを有するとともに、容器本体部２００に押し付けられたときに追従変形してその外面に密着できる柔軟弾性材料（例えば、シリコーン樹脂）にて構成されている。
【００２０】
超音波トランスジューサ２は、駆動回路１０１からの駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する一方、反射波の受信により電気信号（受信信号）を信号処理回路１０３に出力する。具体的には、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板２１と、該圧電セラミック振動板２１の各主表面を覆う形で該圧電セラミック振動板２１を挟んで対向形成された電極対２ｅ，２ｅとを備える。この電極対２ｅ，２ｅは、超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック振動板２１を超音波振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極となり、反射波の受信時には圧電セラミック振動板２１の振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。これら電極対２ｅ，２ｅと、駆動回路１０１及び信号処理回路１０３との接続切り替えは切替スイッチ１０１ｓにより行なわれる。
【００２１】
駆動回路１０１は、マイコン１００からのデジタル周波数指示値をアナログ周波数指示電圧に変換するＤ／Ａ変換部１０１ｃと、そのアナログ周波数指示電圧が入力され、対応する周波数にて発振出力するＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１０１ｂと、そのＶＣＯ１０１ｂの出力を増幅して圧電セラミック振動板２１へ駆動信号として出力する主回路（アンプ）１０１ａとを有する。
【００２２】
図３は信号処理回路１０３の構成例を示すもので、圧電セラミック振動板２１の振動波形を増幅するアンプ１０３ａ、増幅された減衰振動波形を包絡線検波する包絡線検波部１０３ｂ、その検波出力をデジタル変換してマイコン１００に入力するＡ／Ｄ変換部１０３ｃとを有する。
【００２３】
図２に戻り、上記の駆動回路１０１、切替スイッチ１０１ｓ、周波数設定部１０２、信号処理回路１０３は、これらの動作シーケンス制御を司るマイコン１００に接続されている。また、該マイコン１００には入力部１０５と表示部１０４も接続されている。入力部１０５は押しボタンスイッチやキーボードなどで構成され、液体検知の開始トリガー操作や、周波数設定処理に使用される。また、表示部１０４は液体有無の検出判定結果を視覚的に出力するものであり、例えばＬＥＤ点灯部として構成されている。さらに、ソナー１０６は、液体有無の検出判定結果を音響的に出力するものである。
【００２４】
本実施形態では、表示部１０４は、液無しの場合に点灯する第一ＬＥＤ１０４ａ（例えば、赤色）と、液有りの場合に点灯する第二ＬＥＤ１０４ｂ（例えば、緑色）とで構成されているが、これを１つのＬＥＤの点灯状態で識別させることも可能である（例えば、液有り＝連続点灯、液無し＝点滅点灯）。また、操作誘導情報の出力等も可能とするために、表示部を液晶ディスプレイ等の表示パネルにて構成することも可能である。また、ソナー１０６ｓは、液無しの場合と液有りの場合とで音響出力形態が互いに異なるものとなるように出力制御される。例えば、液有り＝ソナー音出力、液無し＝ソナー音非出力（逆でもよい）とできるほか、液有り＝ソナー音連続出力、液無し＝ソナー音断続出力（逆でもよい）、電源ＯＦＦ＝ソナー音非出力とする構成も可能である。
【００２５】
液体検知装置１の各回路ブロック（マイコン１００、駆動回路１０１、信号処理回路１０３）へは、交換可能な乾電池Ｂから安定化電源回路１０２を介して電源電圧が供給される。
【００２６】
以下、液体検知装置１の動作について説明する。図１に示すように、まず、超音波トランスジューサ２上の音響インピーダンス整合層２Ｐの表面（以下、検知面という）を、容器１９０の容器本体部２００の外面に対し、所望の測定位置に検知面を押し当て、図２の入力部１０５から測定開始入力を行なう（例えば、入力部１０５に含まれる検知ボタン１０５ａを押すなど）。すると、マイコン１００は測定駆動プログラムを起動し、測定処理を開始する。図３は、その処理の流れを示すフローチャートである。まず、Ｓ１にて、超音波トランスジューサ２の駆動周波数を、周波数スイープの帯域開始値ｆｍｉｎに設定する。そして、Ｓ２において、切替スイッチ１０１Ｓが、超音波トランスジューサ２を駆動回路１０４に接続する駆動接続状態に切り替わり、駆動回路１０４は、設定された周波数にて駆動交流電圧を１ないし複数回、超音波トランスジューサ２に印加する。これにより、超音波トランスジューサ２から超音波ビームＳＷが上記の測定位置にて容器本体部２００に向け出力される。
【００２７】
駆動交流電圧の印加とともにマスク時間Ｔｍがタイマーにセットされ、タイマーが起動する（Ｓ３）。マイコン１００はマスク時間Ｔｍがタイムアップするまで、超音波トランスジューサ２による受信波形のサンプリングを開始しない。この実施形態では、超音波トランスジューサ２を信号処理回路１０３に接続する測定接続状態への切替スイッチ１０１Ｓの切り替えを、マスク時間Ｔｍがタイムアップするまで待機するようにしている。
【００２８】
マスク時間ＴｍがタイムアップすればＳ４に進み、受信波形のサンプリングを開始する（すなわち、切替スイッチ１０１Ｓを測定接続状態へ切り替える）。また、マスク時間Ｔｍがタイムアップするとともに、検出ウィンドウ時間Ｔｗがタイマーにセットされ、タイマーが起動する（Ｓ５）。マイコン１００は検出ウィンドウ時間Ｔｗがタイムアップするまで、受信波形のサンプリングを継続する（すなわち、切替スイッチ１０１Ｓを測定接続状態に維持する）。
【００２９】
検出ウィンドウ時間ＴｗがタイムアップすればＳ６に進み、受信波形のサンプリングを終了する（すなわち、切替スイッチ１０１Ｓを駆動接続状態に戻す）。受信波形は包絡線検波された状態でＡ／Ｄ変換後、マイコン１００に入力される。Ｓ７にて、マイコン１００はその検波波形の振幅Ａｉ（最大振幅あるいは積分平均振幅）を算出し、図４に示すように、設定周波数ｆｉと対応付けて記憶する。Ｓ８では、現在の設定周波数が、周波数スイープの帯域終了値ｆｍａｘに到達したかどうかを確認する。帯域終了値ｆｍａｘに到達していなければＳ９に進み、設定周波数を帯域終了値ｆｍａｘに向けて予め定められた変更代だけ変更・設定し、Ｓ２に戻り、以下Ｓ７までの処理を繰り返す。周波数の変更代は、例えば一定の変更単位（Δｆ＝ｆｉ−ｆｉ−１）として設定できる。一方、Ｓ８にて現在の設定周波数が終了値に到達していればＳ１０に進み、ループを脱出する。このようにして、送信する超音波の周波数が帯域開始値ｆｍｉｎから帯域終了値ｆｍａｘに至る区間にてスイープされながら、受信振幅の値が順次測定され記憶される。そして、Ｓ１０で、得られた振幅Ａｉと設定周波数ｆｉとの組の集合を用いて液体有無が判定され、Ｓ１１にてその結果が出力される。
【００３０】
スイープする周波数帯域は、図１において、液面有無の測定位置が設定される側壁部２００の板厚方向において、該側壁部の次数の異なる縦波固有振動に対応した複数の受信振幅ピーク位置、本実施形態では互いに次数の隣接する２つの縦波固有振動（Ｎ次及びＮ＋１次）に対応した受信振幅ピーク位置を包含するように定められている。容器の板厚をｔ、音速をＣとして、前述の（３）式から、縦波固有振動の基本振動数ｆ０は、
ｆ０＝Ｃ／２ｔ  ‥（４）
として計算でき、これより、Ｎ次の縦波固有振動の周波数ｆＮはＮ・ｆ０、Ｎ＋１次の縦波固有振動の周波数ｆＮ＋１は（Ｎ＋１）・ｆ０である。本実施形態では、帯域開始値ｆｍｉｎをＮ・ｆ０、帯域終了値ｆｍａｘを（Ｎ＋１）・ｆ０に設定している。なお、図６は、より具体的に、１次及び２次の縦波固有振動に対応した受信振幅ピーク位置を包含するように周波数帯域を定めた例である。帯域開始値ｆｍｉｎはｆ０、帯域終了値ｆｍａｘは２ｆ０に設定されている。
【００３１】
図７は、各次数の縦波固有振動数（縦軸）と板厚（横軸）との関係を示すグラフである。上下のグラフは同一であり、上が板厚６．５ｍｍにおける２次及び３次の固有振動を用いた場合の周波数帯域（Δｆ）の設定例を示すものであり、下は、板厚３．５ｍｍにおける１次及び２次の固有振動を用いた場合の周波数帯域（Δｆ）の設定例を示すものである。例えば、板厚３．５ｍｍのボンベ（容器）にて液面位置を計測する場合、下のグラフを参照すれば、初期周波数を７００ＫＨｚとして超音波トランスジューサから超音波を出力すれば、該超音波は液体が入っているタンク内部を透過し、反対側の壁面で反射して、その反射波が超音波トランスジューサで受信される。超音波トランスジューサによる反射波の受信振幅（電圧レベル）は、マイコン１００（図２）にて閾値と比較され大小判定される。次いで周波数を変更し、繰り返し超音波を送受信する。徐々に駆動周波数を上げていくと、８５０ｋＨｚ付近で一次の固有周波数ｆ１と一致する。測定位置に液体が存在する場合は、この時、受信振幅が最大になる。さらに周波数を可変していくと受信振幅は一旦減少して極小値となり（１４２５ｋＨｚ付近）、その後再び増加に転じ、１７００ｋＨｚ付近で二次の固有周波数ｆ２（≒２ｆ１）と一致し、再び極大点を示す。このように容器内部に液が存在する位置での測定の場合、受信振幅が極大（ピーク値）となる周波数は縦波固有周波数と一致し、受信振幅の出力が周波数に対して周期的に変化する。例えば、一次の固有周波数ｆ１と二次の固有周波数ｆ２との双方で、受信振幅が閾値を超えた場合は液体有りと判定し、同じく双方で閾値未満となった場合は液体なしと判定する。また、ｆ１とｆ２との一方でのみ受信振幅が閾値を超えた場合は、例えば再測定を行なうようにする。
【００３２】
図８は測定位置に液が存在するときの、図９は同じく測定位置に液が存在しないときの、受信振幅の周波数依存性に係る各測定結果の例を示すものである。液が存在する場合と存在しない場合との受信振幅の差が、各固有周波数ｆ１，ｆ２において最大となっており、この両周波数にて閾値Ａｔｈにより受信振幅を大小判定することで、液体の有無を高精度に判定できる。
【００３３】
次に、検出ウィンドウについて説明する。これは超音波が超音波トランスジューサから発振され、その超音波が反対側の壁等で反射して戻ってくるまでの伝播時間は、容器の直径が決まっているので概算が可能である。その伝搬時間の前後マージンを考慮しておけば、反射波の推定到達時刻の前後に一定幅にて検出ウィンドウを設定することができ、この検出ウィンドウの期間のみをターゲットとして、反射派の受信振幅を検出するのである。
【００３４】
図１０に示すように、液体が存在しない測定位置では、検出ウィンドウ内では本来なら反射波は存在しないはずであり、その時の受信振幅レベルは、ノイズマージンを考慮した場合、予め定められた閾値（ここでは、後述する３段階閾値の中央の値：Ｖｔｈ２））未満となるはずである。従って、検出ウィンドウ以外の区間で受信振幅のサンプリングをマスクするようにすれば、より高精度な判定が可能である。
【００３５】
しかし、図１１に示すように、駆動後の残響レベルが長く、その残響の尾引きが検出ウィンドウ近傍にまで及び、上記閾値Ｖｔｈ２を超えるケースがまれにある。そこで、検出ウィンドウ内に現れる該閾値Ｖｔｈ２を超える疑わしい反射波を除外するために、次のような方法を採用可能である。すなわち、液体が存在しない測定位置での判定には、周波数帯域をスイープしつつ２つの受信振幅ピーク位置を特定し、低周波数側の受信振幅ピーク位置をなす第一周波数ｆＮと高周波数側の受信振幅ピーク位置をなす第二周波数ｆＮ＋１との比を演算する。例えば、ｆ１とｆ２を採用する場合は、２ｆ１＝ｆ２が成立しているかどうかを判定すればよい。そして、疑わしい反射波が検出ウィンドウ内に存在する場合には、上記の関係は明らかに崩れるから、検出ウィンドウ内に、閾値（Ｖｔｈ２）を超える受信振幅があっても、「液体なし」と判定すればよい。
【００３６】
なお、検出ウィンドウ内での受信振幅の閾値との比較判定に関しては、残響や繰り返し反射波の回り込みにより正常に行なえない場合がある。そこで、図１２に示すように、このため、コンパレータ等の閾値を変更設定可能とし、最適な条件を選択できるように構成することができる。具体的には、容器の塗装等の状態や、板厚、取り付け固定状態、ないしそれらのバラツキ等に応じて閾値を適正化する。図１２は閾値をＶｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３の３段階にて変更可能とした例を示しているが、この限りではない。
【００３７】
また、液体有無測定の精度向上のため、同一測定位置にて超音波入力を繰り返し実施する場合、繰り返しの周期が適当でない（例えば短い）と、繰り返し生ずる反射波が減衰しきれず、図１３に破線で示すように、駆動後の残響波形が、第１反射波の区間や検出ウィンドウ内に出現し、誤検出をする危険性がある。そこで、図１４に示すように、繰り返し反射波が充分減衰するまで繰り返しの周期を充分に長くすることが望ましく、例えば、閾値の最小可能設定値（Ｖｔｈ３）より受信振幅が小さくなるように繰り返しの周期を定めればよい。
【００３８】
以下、種々の変形例について説明する。
容器の板厚や塗装の厚さレベルは容器の種類に応じて異なり、また、同一種別の容器であっても板厚や塗装の厚さレベルにバラツキを生じていたりすることがある。この場合、縦波固有振動の固有周波数にも対応した変動が生じる。受信振幅のピーク位置を与える周波数は、変動の結果として、それぞれｆ１’，ｆ２’となる。この場合、液面有無判定に採用する周波数として、周波数変動量が比較的小さければ、基準となる周波数ｆ１，ｆ２を固定的に採用しても液体有無の判定結果にはそれほど影響は及ばない。
【００３９】
しかし、図８に破線で示すごとく、容器間ばらつきに伴うピーク位置の周波数変動が大きい場合は判定精度に及ぶ影響も大きくなる。そこで、この変動幅も考慮に入れて、固有周波数の初期値ｆ１，ｆ２に、前述の帯域開始値ｆｍｉｎ及び帯域終了値ｆｍａｘを一致させたスイープ帯域幅に対し、さらに低周波数側及び高周波数側にｆ’ｍｉｎ及びｆ’ｍａｘとして拡張しておく。そして、その拡張されたスイープ帯域にて受信振幅の周波数依存曲線を取得し（図８の破線）、該曲線上でピーク位置ｆ１’，ｆ２’を特定し、該ピーク位置ｆ１’，ｆ２’での受信振幅を閾値と比較するようにすれば、測定対象となる容器種別の縦波固有振動の固有周波数が、個々の容器間でばらつく場合においても、常に良好な精度で液体有無の判定を行なうことができる。
【００４０】
この場合、上記のように、周波数区間を［ｆ’ｍｉｎ，ｆ’ｍａｘ］に固定して、常時その全域で周波数スイープを行なうようにしてもよいが、より効率的な方法として次のような態様がある。まず、容器仕様に応じて定まる固有周波数の標準値を目安に、対応する２つの受信振幅ピーク位置が包含されるように周波数区間［ｆ’ｍｉｎ，ｆ’ｍａｘ］を定め、一旦その周波数区間を全域にてスイープしながら受信振幅の周波数依存曲線を測定するとともに、そのピーク位置を特定して、対応する周波数を基準周波数ｆ１，ｆ２として記憶する。そして、同種の別容器に係る測定を行なう場合は、その記憶されている基準周波数ｆ１，ｆ２を読み出し、その基準周波数ｆ１，ｆ２を包含する一定のスイープ帯域（例えば［ｆ１−ｆｗ，ｆ１＋ｆｗ］、［ｆ２−ｆｗ，ｆ２＋ｆｗ］：両区間の合計長は［ｆ’ｍｉｎ，ｆ’ｍａｘ］の区間長よりも短い（例えばｆ１＝８５０ｋＨｚであれば、ｆｗ＝１００ｋＨｚとして［７５０ｋＨｚ，９５０ｋＨｚ］となる））を設定し、それぞれ個別に周波数スイープを行ないながら受信振幅測定を行なう。すなわち、次数の異なる縦波固有振動に対応した複数の受信振幅ピーク位置を目標とする形で超音波の基準周波数を複数個設定し、各基準周波数を個別に包含する互いに不連続な複数の周波数帯域にて、送信する超音波の周波数をそれぞれスイープするようにする。受信振幅ピーク位置に対応する比較的狭い周波数帯域のみを選択的にスイープすればよいので、複数の受信振幅ピーク位置にまたがって設定された広い周波数帯域の全域をスイープする必要がなくなり、処理時間の短縮ひいては省電力化を図ることができる。
【００４１】
なお、スイープした周波数帯域にて得られる受信振幅の該周波数依存曲線を積分した値（あるいは、それを周波数帯域幅にて除した平均受信振幅）を閾値と比較して液体有無を判定するように構成することも可能である。例えば、予め液体が存在していることが確実に知れている位置で測定を行なったとき図８のような結果が得られ、また、予め液体が存在しないことが確実に知れている位置で測定を行なったとき図９のような結果が得られたとすると、２つの受信振幅ピークを有する周波数依存曲線を区間［ｆ’ｍｉｎ，ｆ’ｍａｘ］（あるいは［ｆ１，ｆ２］でもよい）にて積分したとき、図８が「液体有り」判定となり、図９が「液体なし」判定となるように閾値を定めればよいのである。
【００４２】
さらに、図８と図９とを対比してみれば明らかな通り、２つの受信振幅ピークの中間の周波数ｆｑでは、受信振幅が極小点を示している（これは、（ｍ＋１／２）・ｆ０に対応する）。この極小点における受信振幅は、液体が存在する位置での測定では非常に小さいが、液体が存在しない位置では増加する傾向にある。そこで、上記極小点での受信振幅を閾値と比較して、閾値よりも小さい場合には液体あり、閾値よりも大きい場合には液体なしとして判定することも可能である（この場合、前述の極大点における受信振幅の閾値比較と組み合わせて判定を行なうこともできる）。
【００４３】
さらに、容器の種別により板厚が大きく相違する場合は、超音波が効率良く透過する周波数の絶対値も大きく相違するので、スイープを行なう周波数帯域を所定周波数区間だけシフトして測定できるように構成しておくとよい。例えば、図１５は、［Ｎ・ｆ０，（Ｎ＋１）・ｆ０］から［（Ｎ＋１）・ｆ０，（Ｎ＋２）・ｆ０］へ１周期シフトさせた例であるがシフト量は１周期に限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の超音波液体検知装置の使用例を示す模式図。
【図２】図１の超音波液体検知装置の電気的構成例を示すブロック図。
【図３】図２のマイコンが実行する測定プログラムの流れを示すフローチャート。
【図４】受信振幅の測定記憶内容を概念的に示す図。
【図５】周波数スイープする帯域設定と、得られる受信振幅の周波数依存曲線との関係を概念的に示す図。
【図６】１次及び２次の縦波固有振動を包含するように周波数帯域を定めた例を示す図。
【図７】板厚と固有周波数との関係を示すグラフ。
【図８】液体ありと判定する場合の周波数依存曲線の例を示す図。
【図９】液体なしと判定する場合の周波数依存曲線の例を示す図。
【図１０】検出ウィンドウの説明図。
【図１１】検出ウィンドウを用いた判定方式における残響の影響を説明する図。
【図１２】検出ウィンドウ内の閾値の可変設定例を示す図。
【図１３】繰り返し測定時における残響の影響を説明する図。
【図１４】図１３の問題を解決するための、繰返し周期の適正化例を示す図。
【図１５】周波数スイープの帯域をシフト設定可能にする概念を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１  液体検知装置
２  超音波トランスジューサ（超音波送信部、超音波受信部）
ＳＷ  超音波ビーム
Ｌ  液体
１００  マイコン（振幅測定手段、液体有無判定手段、基準周波数記憶手段、周波数帯域設定手段、検出ウィンドウ設定手段）
１０２  周波数設定部
１０３  信号処理回路（液体有無判定手段）
１０４  表示部（判定結果出力手段）
１０６  ソナー（判定結果出力手段）
１９０  容器
【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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【図１４】
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【図１５】
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