(57)【要約】【課題】  構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別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、測定用超音波ビームの周波数を可変設定する周波数設定部１０２を有し、液体有無判定に係る残響検出に先立って、測定用超音波ビームの当該検出に使用する測定用周波数を決定するために、容器上にて液体無しとなることが予め知れている周波数設定位置にて周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動の計測を行ない、該残響振動の持続時間が最大化する周波数を見出して測定用周波数として決定する。【選択図】    図１
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【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、該容器の壁部外面に定められた測定実施位置に着脱可能に取り付けて使用され、前記被測定系に前記測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断する超音波出力部と、
前記測定実施位置に取り付けて使用され、前記測定用超音波ビームの入力遮断後の残響振動波形を検出する残響検出手段と、
前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定する液体有無判定手段と、
該判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、
前記測定用超音波ビームの周波数を可変設定する周波数設定部と、
液体有無判定に係る残響検出に先立って、前記測定用超音波ビームの当該検出に使用する測定用周波数を決定するために、前記容器上にて液体無しとなることが予め知れている周波数設定位置にて前記周波数を種々に変更しつつ前記測定用超音波ビームを出力して前記残響振動の計測を行ない、該残響振動の持続時間が最大化する周波数を見出して前記測定用周波数として決定する測定用周波数決定手段と、
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】
前記容器が金属タンクであり、前記超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に前記測定用超音波ビームを出力するものである請求項１記載の超音波液体検知装置。
【請求項３】
前記容器は上面が閉塞された構造を有するものが使用され、前記周波数設定位置が該容器の最上面部上に定められる請求項２記載の超音波液体検知装置。
【請求項４】
前記測定用周波数決定手段は、
前記周波数設定位置における初期測定にて、前記周波数を種々に変更しつつ前記測定用超音波ビームを出力して前記残響振動の計測を行なうことにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと、同じく最小化する周波数である初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの双方を測定する初期周波数測定手段と、
それら初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの測定結果を記憶する初期周波数記憶手段とを備え、
前記容器の側壁部上にて、前記周波数を種々に変更しつつ前記測定用超音波ビームを出力して前記残響振動を計測することにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である最大化周波数ｆｍａｘと、同じく最小化する周波数である最小化周波数ｆｍｉｎとの双方を測定する処理を、前記超音波出力部の位置を液深さ方向に変化させつつ行なう処理を周波数決定用測定として行ない、該周波数決定用測定にて前記最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が前記初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎに対して不一致となる液深さ方向位置を見出すとともに、当該位置にて前記最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと一致した場合に、該最小化周波数ｆｍｉｎを前記測定用周波数として設定するものである請求項２又は請求項３に記載の超音波液体検知装置。
【請求項５】
前記金属タンクは、前記最上面部の周縁に前記側壁部の上端部が連なる一体の蓋部材を有し、前記側壁部の残余部分をなす容器本体部の上縁部に該蓋部材が全周溶接部により接合された構造を有するものであり、
前記測定用周波数決定手段による前記周波数決定用測定が、前記側壁部の前記全周溶接部より下側に位置する部分にて実施される請求項４記載の超音波液体検知装置。
【請求項６】
前記周波数決定用測定を、前記容器上にて液体有りとなることが予め知れている位置にて行なう請求項４又は請求項５に記載の超音波液体検知装置。
【請求項７】
前記周波数決定用測定を、前記側壁部の下端部にて行なう請求項６記載の記載の超音波液体検知装置。
【請求項８】
前記測定用周波数決定手段は、前記残響振動の振幅を予め定められた時間間隔でサンプリングする振幅サンプリング手段を有し、サンプリングされた振幅が時間とともに単調に減少することを条件として前記測定用周波数を決定するものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項９】
前記振幅サンプリング手段は、前記残響振動の包絡線検波波形を用いて前記振幅のサンプリングを行なうものである請求項８記載の超音波液体検知装置。
【請求項１０】
前記振幅サンプリング手段は、前記残響振動の検出波形を、各々複数個の振幅ピーク点を包含する複数区間に分割し、各区間の振幅の平均値を前記振幅のサンプリング値として算出するものである請求項９記載の超音波液体検知装置。
【請求項１１】
前記測定用周波数決定手段は、前記残響振動の包絡線検波波形の積分値を演算する積分演算手段を有し、該積分値が最大化される周波数を前記測定用周波数として決定する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項１２】
前記超音波出力部が、互いに異なる容器の間で着脱可能に構成されるとともに、
各容器について決定された前記測定用周波数の値を容器特定情報と対応付けて記憶する測定用周波数記憶手段と、
前記超音波出力部が装着される前記容器を選択する容器選択手段と、
選択された容器に対応する周波数を前記測定用周波数記憶手段から読み出して、前記測定用周波数として設定する測定用周波数選択設定手段と、
を有する請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項１３】
前記容器が金属タンクであり、前記液体として液化ガスを収容するものである請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項１４】
前記超音波出力部は、前記被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、前記被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、前記残響検出手段に兼用されるものである請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項１５】
前記超音波トランスジューサの超音波送受信面と密着する形で音響インピーダンス整合層が配置され、該音響インピーダンス整合層が前記筐体の表面に露出するとともに、その露出面が検知面として前記容器の前記測定実施位置に着脱可能に密着保持される請求項１４記載の超音波液体検知装置。
【請求項１６】
前記筐体を操作者が手で把持しつつ前記検知面を前記測定実施位置に押し当て保持し、その状態で前記超音波トランスジューサを励振駆動して液体有無に係る測定を行なうようにした請求項１５記載の超音波液体検知装置。
【請求項１７】
前記検知面を前記測定実施位置に押し当てた状態で前記筐体を前記容器の前記側壁面に着脱可能に固定する着脱式固定部が設けられている請求項１５記載の超音波液体検知装置。
【請求項１８】
前記着脱式固定部が吸盤式固定部にて構成されている請求項１７記載の超音波液体検知装置。
【請求項１９】
前記検知面は、前記吸盤式固定部の凹状吸着面の底に露出する形で設けられている請求項１８記載の超音波液体検知装置。
【請求項２０】
前記着脱式固定部がマグネット式固定部にて構成されている請求項１７記載の超音波液体検知装置。
【請求項２１】
前記マグネット式固定部は前記検知面の周囲を取り囲む環状マグネットにて構成されている請求項２０記載の超音波液体検知装置。
【請求項２２】
前記超音波出力部は、前記被測定系に前記測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断するものであり、
前記残響検出手段は、前記測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動を検出するものであり、
検出される前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定する液体有無判定手段を有し、前記液体存在状態情報出力手段は、その判定結果を出力するものである請求項１ないし請求項２１のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項２３】
前記液体有無判定手段は、前記減衰残響振動の検出情報に基づいて、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映した減衰レベル情報を取得し、当該減衰レベル情報に反映された減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものである請求項２２記載の超音波液体検知装置。
【請求項２４】
前記液体有無判定手段は、前記減衰残響振動の検出情報に基づいて、該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものである請求項２２記載の超音波液体検知装置。
【請求項２５】
前記残響振動波形を包絡線検波する包絡線検波手段を有し、
前記液体有無判定手段は、該包絡線検波波形に反映される前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定するものである請求項２２ないし請求項２４のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項２６】
前記液体有無判定手段は、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、前記包絡線検波波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものである請求項２５記載の超音波液体検知装置。
【請求項２７】
前記液体有無判定手段は、前記包絡線検波波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、前記測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものである請求項２６記載の超音波液体検知装置。
【請求項２８】
前記包絡線検波手段は、前記残響検出手段からの前記残響振動波形を増幅する波形増幅部と、増幅された残響振動波形を半波整流する半波整流部と、該半波整流された残響振動波形を包絡線検波部とを有する検波回路にて構成されている請求項２５ないし請求項２７のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項２９】
前記検波回路は、前記波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去するバイアス直流成分除去部を有し、前記半波整流部は、該バイアス直流成分を除去後の増幅入力波形を半波整流するものである請求項２８記載の超音波液体検知装置。
【請求項３０】
前記波形増幅部の増幅出力を前記測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部が組み込まれてなる請求項２９記載の超音波液体検知装置。
【請求項３１】
前記波形増幅部から分岐入力される増幅出力を積分演算する増幅出力と、該積分出力と前記検波回路からの包絡線検波出力との比較に基づいて、前記分岐減衰残響振動の減衰特性を反映した減衰反映信号を出力する積分比較演算部とを有し、前記液体有無判定手段は該減衰反映信号に基づいて前記液体の有無を判定するものである請求項２８ないし請求項３０のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項３２】
前記積分比較演算部は、前記減衰反映信号として前記積分出力と前記包絡線検波出力との二値比較結果を出力するものである請求項３１記載の超音波液体検知装置。
【請求項３３】
前記残響振動波形を積分する波形積分手段を有し、
前記液体有無判定手段は、該積分波形に反映される前記減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて前記容器内の前記測定実施位置における前記液体の有無を判定するものである請求項２２ないし請求項３２のいずれか１項に記載の超音波液体検知装置。
【請求項３４】
前記残響振動波形を包絡線検波する包絡線検波手段を有し、前記波形積分手段は、該包絡線検波後の波形を積分処理するものである請求項３３記載の超音波液体検知装置。
【請求項３５】
該容器内の液体深さ方向において互いに異なる測定実施位置にて前記残響情報を検出し、個々の測定実施位置における前記残響情報の検出結果に基づいて、前記容器内の液面位置を反映した液面位置反映情報が出力可能とされてなる請求項１ないし請求項３４のいずれか１項に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２００４−５３５０４号公報
【特許文献２】特開２００２−９０２１０号公報
【特許文献３】特開平７−１８１０７２号公報
【０００３】
従来、タンク内面に超音波の送信面ないし受信面を露出させる形で超音波送信部及び受信部を配置し、超音波ビームが液面位置で反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより液面高さを知ることができるようにした液面計が知られている（特許文献１，２）。しかし、この方式の液面計は容器内部に超音波送信部及び受信部を露出配置しなければならず、構造が複雑化する上、液面計を有さない容器へは適用できない難点がある。一方、対象となる容器の外側から非接触で液面を検知する方式として、容器壁を透過させる形で送信された超音波を反対側の壁（正反対側の鋼板材の壁で媒質との境界）で反射させ、再び容器壁を透過してトランスジューサまで戻ってく反射波を検出し、液の有無を判断する方式が知られている（例えば特許文献３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記透過型の液面検出方式には、超音波を送信後、反射波が戻ってくるまでの伝播遅延時間があり、反射経路に沿った超音波パルスの伝播距離が長く信号のロスが大きい欠点がある。信号のロスが大きいということは、結局のところ、駆動直後に容器に伝播する機械的振動ノイズや残響ノイズ、温度・経時変化によるトランスジューサの特性劣化（特に、ダンパー特性の劣化）、トランスジューサと容器との機械的な結合状態などの影響を受けやすいことを意味し、感度低下を招きやすいことは必至である。特に、容器壁部を透過する音波の信号レベル低下や、取り付け状態によるノイズの影響をとりわけ受けやすく、液の有無を判定する受信信号を検出する際のＳ／Ｎが悪化する問題がある。
【０００５】
結局、上記透過型方式では、Ｓ／Ｎ比の低下を防止するために、フィルタリングなどの複雑な信号処理や制御が必要となり、回路やソフトウェアの複雑化ひいては高コスト化が避け難い。また、検出周波数の決定や、回路ゲインあるいはコンパレータレベル等の設定・調整にも長時間を要し、液面判定の迅速性も損なわれやすくなる。
【０００６】
本発明の課題は、構成が簡単であり、容器内の液存在状態を、容器外部からより短時間で作業性良く判別できる液体検知装置を提供する。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
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、該容器の壁部外面に定められた測定実施位置に着脱可能に取り付けて使用され、被測定系に測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断する超音波出力部と、
測定実施位置に取り付けて使用され、測定用超音波ビームの入力遮断後の残響振動波形を検出する残響検出手段と、
減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定する液体有無判定手段と、
該判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、
測定用超音波ビームの周波数を可変設定する周波数設定部と、
液体有無判定に係る残響検出に先立って、測定用超音波ビームの当該検出に使用する測定用周波数を決定するために、容器上にて液体無しとなることが予め知れている周波数設定位置にて周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動の計測を行ない、該残響振動の持続時間が最大化する周波数を見出して測定用周波数として決定する測定用周波数決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の超音波液体検知装置によると、容器の壁部外側に取り付けた音響励振手段により、液体を収容した容器を被測定系としてこれを音響励振し、その音響励振を遮断したときの被測定系からの残響情報に基づいて容器内の測定実施位置における液体の存在状態を検出する。すなわち、従来のごとく液体中へ伝播する励振音波の反射情報を検出するのではなく、駆動直後の被測定系からの残響情報を自由振動波形の形で検出するので、音波が媒質中を伝播する遅延時間が発生せず検出時間が早い。また、従来の透過型検出方式では、検知情報となる反射波に対し駆動直後の残響がノイズとして作用し、特に容器の寸法が小さい場合や、音速が大きい液体の場合、残響ノイズによるＳ／Ｎ比低下が避け難かった。しかし、この発明では、その残響情報がノイズではなく信号（シグナル）として逆に利用されるのであり、しかも、残響情報が検出される際には音響励振のための入力波は遮断された後なので、これがノイズ要因となることは原理的にありえない。従って、極めて安定で高感度な液体検出が可能となり、信頼性が大きく向上する。
【０００９】
ここで、上記の液体検出装置の原理においては、容器壁部に対する音響励振の周波数が容器壁部の固有振動数（倍音振動を含む）から大きく隔たっていると、液の非存在部であっても残響振動の減衰が著しくなるので、液存在部との間で減衰特性に差異を生じにくくなり、液体の有無の判定精度が低下することにつながる。従って、測定用超音波ビームの周波数については上記固有振動数に対応した値（例えば、固有振動数を中心とする±１０％以内の所定幅に属する近傍値：望ましくは一致した値）に設定されていることが望ましい。
【００１０】
ここで、測定対象となる容器が常に同じであれば、上記周波数は、一度最適値に設定してしまえば超音波トランスジューサの経時劣化等に伴う微調整を除けば、以降は同じ周波数での測定を継続すればよい。しかし、１つの検出装置で、容器壁部の材質や厚みの異なる任意の容器での測定に対応できるようにするためには、測定用超音波ビームの周波数を可変に構成し、測定対象容器が変更されるたびに、個々の容器に最適に周波数に調整しつつ用いることが必要である。具体的には、上記固有振動数は、容器壁部の材質や厚みにより異なる値を示すので、測定用超音波ビームの周波数も該材質や厚みに応じて最適の値に設定することが望ましいといえる。
【００１１】
本発明によると、測定用超音波ビームの周波数を可変設定する周波数設定部を有し、液体有無判定に係る残響検出に先立って、測定用超音波ビームの当該検出に使用する測定用周波数を決定するために、容器上にて液体無しとなることが予め知れている周波数設定位置にて周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動の計測を行ない、該残響振動の持続時間が最大化する周波数を見出して測定用周波数として決定する。すなわち、容器上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置を選択して種々の周波数にて減衰残響振動の計測を行ない、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間（残響時間）が最大化されるように周波数を選択することで、容器の仕様によらず、液無し状態で残響時間が最大となる条件を容易に決定でき、液の有無を確実に判定できるようになる。
【００１２】
測定適用対象となる容器が金属タンク（特に鋼鉄製など、内部音響損失の比較的小さい材料で構成されたもの）である場合は、空の状態で残響が減衰し難く、液体を収容した状態との残響特性にも大きな差を生じ易いので、液体検出の精度が高い利点がある。この場合、超音波出力部は該金属タンクの金属壁部に取り付けられ、当該金属壁部の厚さ方向に測定用超音波ビームを出力するように構成しておくとよい。
【００１３】
上記の金属タンクが液体として液化ガス（液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）などの燃料用液化ガス、液化炭酸ガス、液化アンモニアガス、液体窒素などのボンベ、タンク、コンテナなどが主な用途である）を収容するものである場合、超音波を励振用測定プローブとして採用することの波及効果が高い。すなわち、液化ガスの場合密度が低く、タンク壁部とタンク内部との音響インピーダンス差が液有り状態と液無し状態とでそれほど大きくない。この場合、可聴帯音源を励振用測定プローブとして用いると残響挙動にも差を生じにくく、液体存在状態に係る正確な知見が得にくくなる。しかし、超音波ビームを用いれば液体存在状態に応じて残響挙動に大きな差を生じ、正確な液体検出が可能となる。
【００１４】
容器として上面が閉塞された構造を有するものが使用される場合、周波数設定位置は確実に液が非存在となる該容器の最上面部上に定めておくとよい。また、これに準じて、容器側壁部の上部も周波数設定位置として有効に活用できる。
【００１５】
次に、測定用周波数決定手段は、周波数設定位置における初期測定にて、周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動の計測を行なうことにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと、同じく最小化する周波数である初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの双方を測定する初期周波数測定手段と、それら初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの測定結果を記憶する初期周波数記憶手段とを備えたものとして構成できる。
【００１６】
金属容器の最上面部は確実に液無しとなるので、周波数決定用測定には確かに好都合であるが、例えばＬＰＧ容器などでは凸状に湾曲していることがあり、容器肉厚も不均一な場合が多く、測定周波数に誤差を生じやすい懸念がある（特に、超音波出力部と容器との音響結合状態による縦波音波の伝達効率や、振動ノイズの影響によるＳ／Ｎ比低下）。そこで、上記の構成では、周波数設定位置における初期測定にて、周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動の計測を行なうことにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと、同じく最小化する周波数である初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの双方を測定し記憶しておく。そして、容器の側壁部上にて、周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動を計測することにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である最大化周波数ｆｍａｘと、同じく最小化する周波数である最小化周波数ｆｍｉｎとの双方を測定する処理を、超音波出力部の位置を液深さ方向に変化させつつ行なう処理を周波数決定用測定として行ない、該周波数決定用測定にて最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎに対して不一致となる液深さ方向位置を見出す。そして、当該位置にて最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと一致した場合に、該最小化周波数ｆｍｉｎを測定用周波数として設定するように構成すれば、仮に周波数設定位置での初期最大化周波数ｆ０ｍａｘの測定値に誤差が生じていても、引き続いて実施される周波数決定用測定により適性な測定用周波数値に修正することができ、長期にわたって安定した計測が可能となり信頼性も向上できる。
【００１７】
金属タンクが、例えば、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を有し、側壁部の残余部分をなす容器本体部の上縁部に該蓋部材が全周溶接部により接合された構造を有するものである場合、定用周波数決定手段による周波数決定用測定を、側壁部の全周溶接部より下側に位置する部分にて実施すれば、溶接部による誤差を受けにくい利点がある。
【００１８】
周波数決定用測定は、容器上にて液体有りとなることが予め知れている位置にて行なうことが望ましく、具体的には、該周波数決定用測定を、側壁部の下端部にて行なうことができる。初期測定から時間が経過すれば、容器内部の液体（ＬＰＧ等）も供出量が増加し、液面が下がっていることが多くなる。しかし、側壁部の下端部であれば液体が確実に存在する場所として特定できる。そして、液体が容器補充（充填）されるまでの途中の段階にて、溶接部から外れた側壁部の下端部位置にて、残響振動の持続時間が最大化する周波数である最大化周波数ｆｍａｘと、同じく最小化する周波数である最小化周波数ｆｍｉｎとの双方を測定し、最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと一致したことを確認できれば、該最小化周波数ｆｍｉｎを測定用周波数としてより確実に調整できる。なお、容器の側壁部上にて、上記下端部よりも上にある液体非存在位置で同様の測定を行ない、このときの最大化周波数ｆｍａｘ’（下端部位置での最小化周波数ｆｍｉｎとほぼ一致する）が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘとほぼ一致することを合わせて確認することで、測定用周波数の設定精度をより高めることができる。
【００１９】
次に、測定用周波数決定手段は、残響振動の振幅を予め定められた時間間隔でサンプリングする振幅サンプリング手段を有するものとして構成できる。この場合、残響振動は減衰振動となるから、サンプリングされた振幅が時間とともに単調に減少することを条件として測定用周波数を決定するように構成できる。
【００２０】
振幅サンプリング手段は、残響振動の包絡線検波波形を用いて振幅のサンプリングを行なうことにより、サンプリング点が振動波形のピーク点からずれていても正確な振幅評価を行なうことができる。この場合、振幅サンプリング手段は、残響振動の検出波形を、各々複数個の振幅ピーク点を包含する複数区間に分割し、各区間の振幅の平均値を振幅のサンプリング値として算出するように構成すれば、ノイズ等による異常サンプリング値の影響を軽減することができる。
【００２１】
他方、測定用周波数決定手段は、残響振動の包絡線検波波形の積分値を演算する積分演算手段を有するものとして構成することもできる。このようにすれば、該積分値が最大化される周波数を測定用周波数として容易に決定することができる。
【００２２】
次に、音響励振手段、残響検出手段及び液体存在状態情報出力手段とは、筐体を介して一体可搬かつ容器に対し着脱可能に構成しておくことで、容器側壁面上の任意の位置に取り付けて液体有無に係る測定が可能となる。例えば、容器壁部に対する音響励振手段及び残響検出手段の取り付け位置を容器深さ方向に順次変えながら測定を行ない、その検出状態が液有り状態（ないし液無し状態）から液無し状態（ないし液有り状態）に変化する位置を読み取ることで、液面位置を知ることができる。また、容器壁部の望みの位置に取り付けておくことで、当該レベルに液面が到達したかどうかを知るための簡易レベルセンサとして使用することも可能である。
【００２３】
そして、超音波出力部は、互いに異なる容器の間で着脱可能に構成することができる。この場合、各容器について決定された測定用周波数の値を容器特定情報と対応付けて記憶する測定用周波数記憶手段と、超音波出力部が装着される容器を選択する容器選択手段と、選択された容器に対応する周波数を測定用周波数記憶手段から読み出して、測定用周波数として設定する測定用周波数選択設定手段と、を設けておけば、異なる容器について液面位置検出を行なう場合、いちいち測定用周波数を決定せずとも、測定用周波数記憶手段から対応する周波数を読み出すことで、各容器に最適な測定用周波数を容易にかつ速やかに設定することができ、液面測定の迅速化を図ることができる。
【００２４】
本発明においては、超音波ビームによる励振を遮断した後の残響を検出するので、励振期間と残響検出期間とが時系列的に順次行なわれる形になる。従って、超音波出力部は、被測定系への測定用超音波ビームの出力が可能とされるとともに、被測定系からの残響超音波の受信も可能な超音波トランスジューサとして、残響検出手段に兼用されるものとして構成することができる。このようにすると、１個の超音波トランスジューサにより超音波送信部と残響検出部とを兼用でき、装置のコンパクト化及び低コスト化に寄与する。
【００２５】
本発明の超音波液体検知装置においては、超音波トランスジューサの超音波送受信面と密着する形で音響インピーダンス整合層を配置することができる。そして、該音響インピーダンス整合層を筐体の表面に露出させ、その露出面を検知面として容器の測定実施位置に着脱可能に密着保持させることができる。このようなインピーダンス整合層を設けることで、容器壁部との接触面における測定用超音波ビームの反射を軽減でき、液体検知の感度を高めることができる。
【００２６】
この場合、筐体を操作者が手で把持しつつ検知面を測定実施位置に押し当て保持し、その状態で超音波トランスジューサを励振駆動して液体有無に係る測定を行なうように構成することができる。この構成は、いわばハンディ型液面計ともいえるものであって、任意の場所に設置された容器に対し、その側壁面の所望の位置に検知面を、筐体を手で保持して押し当てることで、その位置での液体の有無を簡単に検知することができる。この場合、筐体を手で保持しながら検知面の押し当て位置を上側から（ないし下側から）少しずつ変えながら液体有無検知を行なうことで、内部の液面位置を容易に知ることができる。例えば、使用者はこの構成の超音波液体検知装置を携帯して、燃料用液化ガスボンベ（ＬＰＧやＬＮＧなど）が設置されている各家庭や事業所を巡回し、各ガスボンベの液面位置を手軽にチェックして回ることができる。
【００２７】
この場合、検知面を測定実施位置に押し当てた状態で筐体を容器の側壁面に着脱可能に固定する着脱式固定部を設けておくと、筐体を手で保持しなくとも所望の測定実施位置に検知面を一時的に固定することができ、液面検知の便宜を図ることができるほか、当該の固定位置を検知対象液面レベルとする形で簡易レベルセンサとして活用することが可能となる。
【００２８】
着脱式固定部は、例えば吸盤式固定部にて構成することができる。吸盤式固定部は、一旦固定すると位置ずれを比較的起こしにくいので、検知面を比較的長期に渡って固定したい場合に便利である。この場合、検知面は、吸盤式固定部の凹状吸着面の底に露出する形で設けておくと、吸盤式固定部が１つで済み、また、検知面の密着保持効果にも優れる。
【００２９】
一方、着脱式固定部はマグネット式固定部にて構成することもできる。マグネット式固定部を用いた構成は、検知面の着脱が比較的容易であり、同じ容器上で検知面位置を変更したり、あるいは複数用容器間で使いまわす等のため着脱を頻繁に繰り返したりしたい場合に便利である。マグネット式固定部の設け方は特に限定されないが、検知面の周囲を取り囲む環状マグネットにて構成すると検知面の固定安定性を向上させることができる。また、縦長の筐体の先端面に検知面が形成される場合は、マグネット式固定部を筐体先端面周囲にコンパクトに納めることができる。
【００３０】
超音波出力部は、被測定系に測定用超音波ビームを予め定められた時間励振入力した後、当該測定用超音波ビームの入力を遮断するものとして構成することができる。また、残響検出手段は、測定用超音波ビームの入力遮断後の減衰残響振動を検出するものとすることができる。そして、検出される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定する液体有無判定手段を有し、前述の液体存在状態情報出力手段は、その判定結果を出力するものとして構成することができる。液体の非存在部では容器壁部の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。その結果、容器壁部を外から音響励振した場合、容器壁部は、壁部内に反射して戻る音波が主体的となるため内側の空間からは音響的に分離され、固体で構成された壁部の固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。この傾向は、容器側が内部摩擦の小さい金属にて構成されている場合に特に著しい。しかし、液体の存在部では、容器壁部の内側に液体が存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、壁部内面を経て内部摩擦の大きい液体内に漏れこむ音波比率が増加して振動減衰は著しくなる。従って、検出される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を容易に判定することができるのである。
【００３１】
液の存在部と液の非存在部との間で、減衰残響振動の減衰特性に波形の上で顕著な差が存在すれば、その差を数値化することにより液体の有無に係る判定を容易に実行することが可能となる。振動波形の減衰挙動を数値化する手法は種々存在し、そのいずれを用いてもよい。
【００３２】
例えば、液体有無判定手段は、減衰残響振動の検出情報に基づいて、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映した減衰レベル情報を取得し、当該減衰レベル情報に反映された減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成できる。この方式によると、減衰残響振動の減衰レベルを反映可能なパラメータを任意に定め、励振を遮断した後の経過時間を固定化して、そのパラメータ値を一律に測定することで、少ないパラメータサンプリング回数にて液の存在の有無に係る判定を容易に行なうことができる。当該のパラメータ値としては、減衰振動波形のピーク振幅値を採用してもよいし、励振を遮断した後の減衰振動波形変位の時間積分値を採用してもいずれでもよい。
【００３３】
他方、液体有無判定手段は、減衰残響振動の検出情報に基づいて、該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものとして構成してもよい。この方式では、上記と同様のパラメータ値の時間変化を監視する必要が有り、パラメータサンプリング回数は増大するが、ノイズ等による突発的なパラメータ値の変化を誤差として容易に識別できるので、判定精度を高めることができる利点がある。
【００３４】
上記の構成においては、残響振動波形を包絡線検波する包絡線検波手段を設けることができる。液体有無判定手段は、該包絡線検波波形に反映される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定するよう構成できる。残響振動波形を包絡線検波することで、その振幅の減衰挙動をより簡単かつ正確に把握でき、液体の有無判定をより正確に行なうことができる。この場合、液体有無判定手段は、測定用超音波ビームの入力を遮断後に予め定められ時間を経過したときの、包絡線検波波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを取得し、当該減衰レベルが予め定められた閾値未満の場合に液体有り、同じく閾値を超える場合に液体無しと判定するものとして構成できる。また、液体有無判定手段は、包絡線検波波形に反映される該減衰残響振動の減衰レベルを監視するとともに、測定用超音波ビームの入力を遮断後に当該減衰レベルが予め定められた参照レベルに到達するまでの減衰時間を計測する減衰時間計測手段を有し、当該減衰時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するものとして構成してもよい。いずれの場合も、包絡線検波波形を使用することで、減衰残響振動の減衰レベルの特定アルゴリズムひいては演算処理回路（ないしソフトウェア）構成を大幅に簡略化することができる。
【００３５】
包絡線検波手段は、残響検出手段からの残響振動波形を増幅する波形増幅部と、増幅された残響振動波形を半波整流する半波整流部と、該半波整流された残響振動波形を包絡線検波部とを有する検波回路にて構成することができる。波形増幅出力を半波整流することで、本来の減衰振動波形の片側のピーク点を選択的に抽出することができ、これを包絡線検波することで、減衰判定の容易な単調減少型（極性反転すれば単調増加型）の波形減衰曲線を得ることができる。
【００３６】
また、検波回路は、波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去するバイアス直流成分除去部を有するものとして構成でき、半波整流部は、該バイアス直流成分を除去後の増幅入力波形を半波整流するものとして構成できる。バイアス直流成分は、増幅特性を改善するために波形増幅部側で意図的に付加されるものと、定常ノイズやドリフトの影響により不可避的に重畳されるものとの双方を概念として含む。いずれにしても、バイアス直流成分を除去することで、増幅出力波形の振幅中心を確定することができ、半波整流時における切り出し振幅の誤差を低減することができる。
【００３７】
また、波形増幅部の増幅出力を測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部を組み込むこともできる。これにより、測定用超音波ビームの励振周波数に対応した必要な残響波形を抽出することができ、ノイズ振動や高調波による誤差の影響を低減することができる。
【００３８】
また、波形増幅部から分岐入力される増幅出力を積分演算する増幅出力と、該積分出力と検波回路からの包絡線検波出力との比較に基づいて、分岐減衰残響振動の減衰特性を反映した減衰反映信号を出力する積分比較演算部とを設けることができる。液体有無判定手段は該減衰反映信号に基づいて液体の有無を判定するものとする。このように構成すると、増幅出力に温特や定常ノイズ等に由来した波形ドリフトが生じている場合、その積分演算波形との比較演算（差分を概念として含む）を行なうことでドリフト成分をキャンセルでき、その影響を簡単に低減できる。積分比較演算部は、減衰反映信号として積分出力と包絡線検波出力との二値比較結果を出力するものとして構成すれば、液体の有無を判定する演算をより簡便に行なうことができる。
【００３９】
また、本発明の超音波液体検知装置においては、残響振動波形を積分する波形積分手段を設けることもできる。この場合、液体有無判定手段は、該積分波形に反映される減衰残響振動の減衰特性の差異に基づいて容器内の測定実施位置における液体の有無を判定するものとして構成することができる。残響振動波形の積分値を用いて液体の有無を判定することで、突発的なノイズ等により波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。該構成は、前述の包絡線検波手段と併用することも可能であり、この場合波形積分手段は、該包絡線検波後の波形を積分処理するものとして構成できる。残響振動波形を包絡線検波することで、その振幅の減衰挙動をより簡単かつ正確に把握でき、また、ノイズ等による波形の乱れの影響も一層受けにくくなるので、液体の有無判定をより正確に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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をそれぞれ全周溶接部２０１により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。容器本体部２００の壁厚はほぼ一様であるが、溶接部２０１の位置では溶接ビードの形成により局所的に厚みが増した形となっている。底面部２０２及び上面部２０３は、容器本体部２００と同一材質及び厚みの鋼板をカップ状にプレス成形したものであり、いずれも外周縁部が容器本体部２００との溶接部２０１に向けて滑らかにつながる湾曲面形態とされている。また、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。
【００４１】
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実施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、容器１９０の側壁面２００を介して被測定系（液体Ｌを収容した金属タンク１９０）を音響励振する音響励振手段と、該音響励振手段による被測定系への音響励振入力を遮断したときの、該被測定系からの残響情報を検出する残響検出手段とを兼ねる。具体的には、超音波トランスジューサ２は、被測定系を励振する励振用測定プローブとして所定の周波数の測定用超音波ビームＳＷを金属容器本体部２００の厚さ方向に出力する超音波出力部の機能と、その測定用超音波ビームＳＷの出力を遮断したときの被測定系からの残響超音波を受信する残響超音波受信部の機能とを合わせ有するものである。
【００４２】
図２は、液体検知装置１の構成例を、その電気的構成とともに示す概念図である。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。
【００４３】
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超音波送出機能と、残響超音波の受信により電気信号（受信信号）を信号処理回路１０３に出力する超音波受信機能とを複合して備える。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１ｅ，１ｅ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、残響超音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１ｅ，１ｅ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。
【００４４】
駆動回路１０１は、出力周波数が可変に構成された発振回路（ここでは、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１０１ｂと、その発振回路１０１ｂ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。発振回路１０１ｂの出力周波数は、周波数設定部１０２から入力される周波数指示電圧に応じて変更される。
【００４５】
図３０は、駆動回路１０１の構成例を示すものであり、マイコン１００によってデジタル情報として与えられる周波数指示電圧値がＤ／Ａ出力ポートからアナログ指示電圧としてＶＣＯ１０ｂの指示電圧入力端子ＳＣＫに入力される。ＶＣＯ１０１ｂは出力端子ＯＵから、当該指示電圧に一義的に対応した周波数の方形波パルス信号からなる基本信号（Ａ）を出力する。一方、マイコン１００からは、バースト波の駆動持続時間を規定する駆動時間パルス信号（Ｂ）が出力され、上記基本信号（Ａ）とともに主回路１０１ａに入力される。主回路１０１ａでは、上記２つの出力（Ａ，Ｂ）が変調制御用ゲートＩＣ５１に入力され、駆動時間パルス信号を上記基本信号で変調したバースト駆動信号が生成される。バースト駆動信号は、バッファ回路（シンク電流確保のため、並列接続された複数のバッファＩＣ（ここでは、論理積ゲートで代用している）で構成している：出力側にはプルダウン抵抗Ｒ５１が挿入されている）ＩＣ５２，ＩＣ５３を介して、信号Ｃとして駆動トランジスタＴｒ５１の制御端子（ここでは、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート端子）に入力される。
【００４６】
次に、主回路１０１ａは、一端が駆動電源（ＶＢ）に接続さるとともに、他端がプルダウン抵抗Ｒ５２を介して接地された駆動コイルＬ５１を有する。そして、それら駆動コイルＬ５１とプルダウン抵抗Ｒ５２との接続点からは、超音波トランスジューサ２の駆動ラインが分岐しており、該ライン上には調整抵抗Ｒ５３と、並列の双方向ダイオード対Ｄ５１，Ｄ５２からなるインピーダンス変換用のブートストラップ回路５１が設けられている。そして、上記接続点から別に分岐する駆動制御ライン上に上記の駆動トランジスタＴｒ５１が設けられている。バースト駆動信号（Ｃ）がＬレベルのとき、駆動トランジスタＴｒ５１は遮断状態となり、駆動コイルＬ５１には電磁エネルギーが蓄積される。そして、バースト駆動信号（Ｃ）がＨレベルに変化すると駆動トランジスタＴｒ５１は導通状態となり、駆動コイルＬ５１に蓄積された電磁エネルギーが誘導電流となって放出され、駆動ラインを介して超音波トランスジューサ２に供給される。
【００４７】
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からの減衰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検波回路１０３ｂ、その検波出力を積分する積分回路１０３ｃ、該積分回路からの出力を閾値Ｖｔｈと比較して液有無に関する判定信号を出力する判定回路１０３ｄとを有する。検波回路１０３ｂは種々の構成が可能であるが、本実施形態では、入力側にて不要なバイアス直流成分（例えば、アンプ１０３を単極性増幅とする場合に、アンプ入力信号に作為的に重畳される増幅用バイアス電流である）を除去するバイアスカットコンデンサＣ１と、そのバイアスカット後の交流入力波形を半波整流する整流用ダイオードＤ１と、半波整流後の波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部とを有している。リップル除去部は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２とで構成された簡易ローパスフィルタ回路であり、リップルを十分除去しつつも半波整流波形のピーク点を包絡線結合した減衰波形は損なわれないように時定数が設定される。
【００４８】
また、積分回路１０３ｃは、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３とで構成されているが、コンデンサＣ３の容量は、規定のタイミングｔｍまでの減衰波形入力に伴い、判定に支障のない程度まで出力電圧が上昇する程度に上記のリップル除去部よりも大きく設定されている。判定回路は、この積分出力電圧を、閾電圧Ｖｔｈ（抵抗ハーフブリッジ（Ｒ３，Ｒ４）による電源電圧Ｖｃｃの抵抗分圧電圧として与えられている）と比較して、その比較結果を二値出力するコンパレータＩＣ１にて構成されている。そして、図４に示すように、コンパレータＩＣ１の出力レベルにより液有りと液無しとが判別可能となる。この実施形態では、積分出力電圧が閾電圧Ｖｔｈよりも大きい場合にはコンパレータＩＣ１の出力が液無しを示すＨレベルとなり、逆の場合に液有りを示すＬレベルとなる。
【００４９】
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。
【００５０】
図１８に示すごとく、本実施形態では、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、測定モード表示（例えは、液検出モードと周波数設定処理モード）や操作誘導情報の出力等も可能とするために、図１９に示すように、表示部を液晶ディスプレイ等の表示パネル１０４ｄにて構成することも可能である。
【００５１】
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。
【００５２】
なお、図２の構成では、信号処理回路１０３からの液面判定信号Ｖｏｕｔ（液無し＝Ｈレベル、液有り＝Ｌレベル（回路上のロジックを反転させれば逆でもよい））の内容をマイコン１００にて解析し、その結果に基づいて該マイコン１００が表示部１０４ないしソナー１０６の動作制御を行なう。しかし、液面判定信号Ｖｏｕｔを用いて表示部１０４ないしソナー１０６の動作制御を直接行なうことも可能である。図２３は、その場合の回路例を示している。該回路２５０においては、二値の液面判定信号Ｖｏｕｔが、第一ＬＥＤ１０４ａ用のコンパレータＩＣ８０１と第二ＬＥＤ１０４ｂ用のコンパレータＩＣ８０２とに、一方をインバータＩＣ８０３によりレベル反転させた形で分配入力するとともに、それぞれ抵抗ハーフブリッジＲ８０３，Ｒ８０４により信号電源電圧Ｖｃｃから分圧形成される閾電圧と比較する。
【００５３】
第一ＬＥＤ１０４ａと第二ＬＥＤ１０４ｂとは、それぞれ電流調整抵抗Ｒ８０１，Ｒ８０２を介して駆動電圧＋ＶＢ（装置を可搬型に構成するため、他の信号電圧とともにバッテリーを電源とする）に接続され、液面判定信号Ｖｏｕｔのレベルに応じて、対応するコンパレータＩＣ８０１ないしコンパレータＩＣ８０２による引き込み電流により、第一ＬＥＤ１０４ａと第二ＬＥＤ１０４ｂとのいずれかが点灯することとなる。また、この実施形態では、「液有り」に対してソナー１０６を鳴らすことになっており、液面判定信号Ｖｏｕｔの対応する信号分配路からソナー１０６側に駆動信号として分岐入力されるようになっている。ここでは、この駆動信号により駆動トランジスタＴｒ１０８が導通し、ソナー１０６が動作するようになっている。
【００５４】
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上にて液体無しとなることが予め知れている測定実施位置ＰＲ（ここでは容器頂面部２０３の上面に設定されている）に押し付けて周波数設定を行なう。この設定時の動作の詳細は液体有無検知処理と関連が深いので後述する。
【００５５】
周波数設定が完了すれば、容器１９０の容器本体部２００の外面に対し、所望の測定実施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。ここでは、入力部１０５に含まれる検知ボタン１０５ａ（図１８）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５は、その処理の流れを示すフローチャートである（この処理は、例えば入力部１０５に含まれる検知中止ボタン（電源スイッチボタンに兼用される）１０５ｂが押されるまで繰り返し実行される）。まず、Ｓ１にて、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替スイッチ１０１Ｓが切り替わり、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から測定用超音波ビームＳＷが上記の測定実施位置にて容器本体部２００に向け出力され、これを音響励振する。
【００５６】
図７Ａに示すように、この駆動交流電圧の印加はパルス状のバースト駆動入力波形にて行なわれ、例えば１０〜５０μｓ程度に定められた印加パルス期間ｔｎが完了すれば強制的に遮断される。そして、その遮断とともに切替スイッチ１０１Ｓは、超音波トランスジューサ２を信号処理回路１０３に接続する信号検出接続状態に切り替わり、励振遮断後の容器１９０からの残響振動を超音波トランスジューサ２により検出する。実際には、切替スイッチ１０１Ｓの切替動作に要する期間等を勘案し、励振遮断後一定の遅延時間Δｔ経過してから残響振動の検出が開始される。
【００５７】
図６は、その残響振動の検出波形の一例を示すもので、液体Ｌの非存在部（液無し部）では容器１９０容器本体部２００の内側が空隙となり、壁部内面を境とした音響インピーダンス差が非常に大きくなる。容器本体部２００に入力された測定用超音波ビームは、壁部内面にてほぼ全反射して金属製の容器本体部２００内に戻り、容器本体部２００の材質及び厚さにて決まる固有振動に支配された形で振動継続するため振動の減衰が生じにくい。その結果、図６の上に示すように、残響の尾引きが非常に長くなる。しかし、液体Ｌの存在部（液有り部）では、容器本体部２００の内側に液体Ｌが存在するため、上記の音響インピーダンス差は縮小し、容器本体部２００を透過して内部摩擦の大きい液体Ｌ内に漏れこむ音波比率が増加するので振動減衰は著しくなる。
【００５８】
そこで、液有り部と液無し部との間で、図６のごとく生ずる波形の差を識別するのに好都合な数値パラメータを上記残響振動波形から抽出し、パラメータ値を閾値と比較することで、液体Ｌの有無に係る判定を容易に実行できる。例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、測定用超音波ビームＳＷの入力を遮断後に予め定められ時間ｔｓを経過したときの、該減衰残響振動の減衰レベルを反映したパラメータを減衰レベル情報として取得し、図７Ａのごとく当該パラメータに反映された減衰レベルが予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく図７Ｂに示すように閾値未満の場合に液体有り、と判定することができる。
【００５９】
図２の信号処理回路では、図８に示すごとく、減衰振動波形をアンプ１０３ａにて増幅し（ステップ１）、検波回路１０３ｂにより半波整流し（ステップ２）、さらにその半波整流波形を包絡線検波し（ステップ３）、その包絡線検波波形を積分回路１０３ｃにより、図７Ａ及び図７Ｂの期間ｔｓに渡って積分演算する（ステップ４）。そして、図９に示すように、その期間ｔｓが終了するタイミング（遮断後Δｔを経過したタイミングを時間起点としてｔｓだけ計測するようにしてもよいし、バースト駆動開始時のタイミングを時間起点として、図７Ａのｔｎ＋Δｔ＋ｔｓに相当するｔｍだけ時間計測するようにしてもよい）にて、その積分出力電圧を閾電圧Ｖｔｈと比較するコンパレータＩＣ１の出力Ｖｏｕｔ（液面判定信号）を読み取る（図５：Ｓ３）。液有り部では波形減衰が速いので積分出力の増加が鈍くなり、逆に液無し部では波形減衰が遅いので積分出力は素早く増加する。従って、上記時刻での積分出力をサンプリングしたとき、図４に示すように、該液面判定信号がＨレベルであれば液無し出力となり（図５：Ｓ４→Ｓ５）、Ｌレベルであれば液有り出力となる（図５：Ｓ４→Ｓ６）。
【００６０】
表示部１０４は、液面判定信号を受けて対応する表示状態となる。例えば、図１に示すように、Ｈレベルであれば液無しを示す第一ＬＥＤ１０４ａ（例えば、赤色）が点灯し（ソナー１０６は非動作）、Ｌレベルであれば液有りを示す第二ＬＥＤ１０４ｂ（例えば、緑色）が点灯する（ソナー１０６が動作）。これにより、装置１の検知面を押し当てた位置（すなわち測定実施位置）に液体が存在しているか否かがわかる。そこで、筐体３を手で保持しつつ、容器本体部２００上にて測定実施位置を上側から下方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部１０４が液無しを示す表示状態から液有りを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。また、逆に、測定実施位置を下側から上方向に変えながら上記測定を順次行なったとき、表示部１０４が液有りを示す表示状態から液無しを示す表示状態に変化したときの位置を液面位置として特定することができる。
【００６１】
図９に示すように、上記積分出力（減衰残響振動の減衰レベル）が予め定められた参照レベルＶＲに到達するまでの減衰時間ｔｄをマイコン１００にて計測し、当該減衰時間ｔｄが予め定められた閾値を超える場合に液体有り、同じく閾値未満となる場合に液体無しと判定するように処理を行なうこともできる。
【００６２】
なお、上記の構成では、検知面を測定実施位置に押し当てた状態で筐体３を容器の側壁面２００ｗに着脱可能に固定する着脱式固定部を設けることができる。筐体３をある位置に一時的に固定してしまえば、液の有り無しを判定する測定実施位置が固定され、その位置まで液面が来ているかどうかを検知結果により容易に判別することができる。つまり、液体検知装置１を、当該の固定位置を検知対象液面レベルとする形で簡易レベルセンサとして活用できる。
【００６３】
着脱式固定部は、例えば図２０に示すように、吸盤式固定部７にて構成することができる。吸盤式固定部７は、筐体３に対する固定支持力を確保するため、検知面を構成する音響インピーダンス層２ｐの構成材料（例えばシリコーンゴム）より硬質のゴム材料（例えばブタジエンゴムなど）にて構成しておくとよい。図２０の構成では、検知面は、吸盤式固定部７の凹状吸着面の底に露出する形で配置されている。装着する場合は、筐体３を手で保持し、吸盤式固定部７の凹状吸着面側を音響インピーダンス層２ｐとともに容器本体部２００に押し当てる。これにより、吸盤式固定部７は凹状吸着面内の空気を排出しながら弾性変形し、また、音響インピーダンス層２ｐは容器本体部２００に向けて押し当てられることで、厚さ方向に潰れるように弾性変形する。そして、押圧力を解除すると吸盤式固定部７は音響インピーダンス層２ｐとともに一部弾性復帰しながら、吸盤作用により吸着保持される。なお、吸盤式固定部７の凹状吸着面と反対側の外縁部には、吸着状態の吸盤の外周縁をめくれ起こして内部をリークするための、吸盤取り外し用突起７ｈが一体形成されている。
【００６４】
一方、着脱式固定部は、図２１に示すように、マグネット式固定部８にて構成することもできる。図２１においては、マグネット式固定部８は、検知面の周囲を取り囲む環状マグネットにて構成されている。ここでは、筐体３は縦長であり、その先端面に形成される検知面の周囲に沿ってマグネット式固定部８が設けられている。図２２に示すように、マグネット式固定部８は環状の永久磁石８を保護層８ｙで覆ったものであり、筐体３の先端周囲に圧入、接着ないしインサート成形等の周知の手法により一体化されている。なお、本実施形態においては、マグネット式固定部８の固定面は、固定時の密着安定性を向上させるために、円筒面状の容器容器本体部２００の外周面に対応させた湾曲形状とされている。
【００６５】
次に、前述の周波数設定処理については、図１のように、液体無しとなることが予め知れている周波数設定位置（容器の最上面部の位置ＰＲないし側壁部における溶接部２０１の直上位置ＰＵなど）に検知面を押し当て、周波数設定処理モードにて液体検知装置１を動作させる。図３において液体検知装置１は、低周波数側もしくは高周波数側から周波数を段階的にスイープしながら駆動交流電圧をバースト出力し、その遮断後にて時間ｔｓだけ経過したときの前述の積分出力値を、Ａ／Ｄ変換器ＩＣ２を介して直接モニタリングする。そして、その積分出力値が最大となる周波数（つまり、図７Ａに示すように、減衰の尾引きが最も大きくなる周波数）を読み取って、測定用周波数として設定する。
【００６６】
なお、包絡線検波波形の積分値を用いることで、突発的なノイズ等により波形が乱れた場合でも判定誤差を低く留めることが可能である。しかし、ノイズの影響がそれほど大きくない場合には、積分値を用いず、図１０に示すごとく、規定の判定タイミング（ｔｍないしｔｓ）での包絡線検波波形のレベルを直接サンプリングして、そのレベルを閾値Ｖｔｈと比較してもよい（この場合、図３において積分回路１０３ｃは省略され、検波回路１０３ｂの出力が判定回路１０３ｄに直接入力される）。また、包絡線検波波形のレベルが基準値ＶＲに到達するまでの時間（ｔｄないしｔｄ’）をマイコン１００にて計測し、当該時間が予め定められた閾値を超える場合に液体無し、同じく閾値未満となる場合に液体有りと判定するように処理を行なうこともできる。
【００６７】
なお、積分処理を用いない周波数設定処理としては、次のような方法を例示できる。まず、図３７に示すように、周波数設定位置（ＰＲないしＰＵ）における初期測定にて、周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動の計測を行なうことにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと、同じく最小化する周波数である初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの双方を測定する（初期周波数測定手段）それら初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎとの測定結果は、図２においてマイコン１００内に設けられたＲＡＭ１００ｍｂ内に記憶される（初期周波数記憶手段）。
【００６８】
次いで、図３７に示すように、容器の側壁部上にて、周波数を種々に変更しつつ測定用超音波ビームを出力して残響振動を計測することにより、残響振動の持続時間が最大化する周波数である最大化周波数ｆｍａｘと、同じく最小化する周波数である最小化周波数ｆｍｉｎとの双方を測定する処理を、超音波出力部の位置を液深さ方向に変化させつつ順次行なう（ＰＳ→ＰＬ）周波数決定用測定）。そして、該周波数決定用測定にて最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最小化周波数ｆ０ｍｉｎに対して不一致となる液深さ方向位置（ここでは、位置ＰＬ）を見出す。そして、図３７に示すように、当該位置ＰＬでの最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘとほぼ一致した場合に（例えば１０％以内の誤差は許容、該最小化周波数ｆｍｉｎを測定用周波数として設定する。これにより、仮に周波数設定位置ＰＵでの初期最大化周波数ｆ０ｍａｘの測定値に誤差が生じていても、引き続いて実施される周波数決定用測定により適性な測定用周波数値に修正することができ、長期にわたって安定した計測が可能となり信頼性も向上できる。
【００６９】
なお、図３７に破線で示すように、周波数決定用測定は、容器上にて液体有りとなることが予め知れている位置、すなわち側壁部の下端部ＰＢにて行なうこともできる。初期測定から時間が経過すれば、容器内部の液体（ＬＰＧ等）も供出量が増加し、液面が下がっていることが多くなる。しかし、側壁部の下端部ＰＢであれば液体が確実に存在する場所として特定できる。そして、液体が容器補充（充填）されるまでの途中の段階にて、溶接部から外れた側壁部の下端部位置ＰＢにて、残響振動の持続時間が最大化する周波数である最大化周波数ｆｍａｘと、同じく最小化する周波数である最小化周波数ｆｍｉｎとの双方を測定し、最小化周波数ｆｍｉｎの測定結果が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘと一致したことを確認できれば、該最小化周波数ｆｍｉｎを測定用周波数として設定できる。なお、容器の側壁部上にて、上記下端部よりも上にある液体非存在位置で同様の測定を行ない、このときの最大化周波数ｆｍａｘ’（下端部位置ＰＢでの最小化周波数ｆｍｉｎとほぼ一致する）が初期最大化周波数ｆ０ｍａｘとほぼ一致することを合わせて確認することで、測定用周波数の設定精度をより高めることができる。この場合、最大化周波数ｆｍａｘ’と最小化周波数ｆｍｉｎとのいずれかを測定用周波数として設定してもよいし、両者の平均値を測定用周波数として設定してもよい。
【００７０】
次に、図３９に示すように、残響振動の振幅を予め定められた時間間隔でサンプリングし、このサンプリング結果を用いて測定用周波数を決定することも可能である。このサンプリングは、図４０に示すように、半波整流後の残響振動の包絡線検波波形を用いて実施される（半波整流及び包絡線検波に係る波形処理は、マイコン１００上でのプログラム処理で行なってもよいし、Ａ／Ｄ変換器１１２の前段に挿入される波形処理用のフロントエンド回路にて行なってもよい）。
【００７１】
具体的には、残響振動は減衰振動となるから、サンプリングされた振幅が時間とともに単調に減少することを条件として測定用周波数を決定する。この場合の回路構成は、波形のデジタルサンプリングが可能な図２４に示すものが好適である。図３９においては、サンプリング間隔Δｔが５〜１０μｓ（例えば、音波一波長分程度）に設定され、各サンプリング時間：ｔｎ（ｔ１  ｔ２  ｔ３・・・ｔｎ）に対応した検出電圧：Ｖ（ｎ）（Ｖ（１）  Ｖ（２）  Ｖ（３）・・・Ｖ（ｎ））との関係が、Ｖ（１）≧Ｖ（２）≧Ｖ（３）・・・≧Ｖ（ｎ）となることが必要である。電圧Ｖが
Ｖ＝Ｖ０ｅｘｐ（−Ｂｔ）
の関係を充足するならば、両辺対数を取れば、
ｌｎＶ＝ｌｎＶ０−Ｂｔ
となる。そこで、種々の周波数にて、Ｖのサンプリング結果を時間ｔに対して片対数プロットしたときの勾配Ｂを例えば最小二乗法等により各々計算し、その値Ｂが最小化する周波数を測定用周波数として決定することも可能である。
【００７２】
残響振動が理想的な減衰振動波形となる場合には、サンプリング時間の設定値とは無関係に、検出電圧Ｖ（ｎ）は単調に減少する挙動をとる。しかし、これは超音波トランスジューサの共振特性が単一の共振点を有する場合に限られる。実際には、超音波トランスジューサが２以上の共振が複合した挙動を取ることが多く、（エンベロープ検波後の）検出電圧Ｖ（ｎ）が例えば脈動形態に減衰することも多い。この場合は、サンプリング時間を短く設定しすぎると検出電圧Ｖ（ｎ）が必ずしも単調に減少しなくなり、適正な測定用周波数を見出す上での障害となる場合がある。そこで、図４１に示すように、残響振動の検出波形を、各々複数個の振幅ピーク点を包含する複数区間に分割し、各区間の振幅の平均値を振幅のサンプリング値として算出すれば、区間内で検出電圧Ｖ（ｎ）が脈動しても。区間毎の平均値は単調減少する形となり、測定用周波数の設定精度を高めることができる。図４１においては、時間の増加に伴なうｔ１⇒ｔ２⇒ｔ３・・・・・・・⇒ｔｎのｎ個のサンプル数に対応したＶ（１）⇒Ｖ（２）⇒Ｖ（３）⇒・・・・・⇒Ｖ（ｎ）のｎ個の電圧に対する大小関係において、サンプル数：ｎの例えば１／５で区切られた区間内で、［Ｖ（１）〜Ｖ（Ｓ１）］、［Ｖ（Ｓ１）〜Ｖ（Ｓ２）］、［Ｖ（Ｓ２）〜Ｖ（Ｓ３）］、［Ｖ（Ｓ３）〜Ｖ（Ｓ４）］、［Ｖ（Ｓ４）〜Ｖ（ｎ）］とし、この時の区間内平均をそれぞれ、Ｖａ  、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅとして、Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃ＞Ｖｄ＞Ｖｅとなることを条件として測定用周波数を決定する。なお、上記のような検出電圧Ｖ（ｎ）の脈動の影響は、エンベロープ検波後の波形を、当該脈動除去に適したカットオフ周波数を有するローパスフィルタを通すことで除去することも可能である。
【００７３】
なお、図２に示すように、各容器について決定された測定用周波数ｆ（ｆ１，ｆ２，ｆ３，‥）の値は、容器特定情報（容器１，容器２，‥）と対応付けて、不揮発性メモリにて構成された測定用周波数記憶部１００ｍ’に記憶することができる。例えば図１９の構成を採用する場合、ボタン１０５ａ，１０５ｂ（あるいはモード選択ボタンを別に設けてもよい）からなる入力部１０５にて、表示部１０４の表示内容を参照しつつ超音波出力部が装着される容器を選択する（例えば、ボタン１０５ａ，１０５ｂをカーソル移動ボタンとして用い、表示部１０４に一覧表示される容器登録番号をカーソル選択するなど）。決定された測定用周波数は、この容器登録番号を容器特定情報とする形で測定用周波数記憶部１００ｍ’に記憶される。
【００７４】
そして、測定モードを選択した際は、表示部１０４への初期画面にて登録済みの容器番号を一覧表示し、入力部１０５からの入力により使用する容器番号を選択する。すると、選択された番号の容器に対応する周波数が定用周波数記憶部１００ｍ’から読み出され、測定用周波数として設定される。
【００７５】
次に、図１１は、図３をさらに発展させた信号処理回路１０３の例を示すものである。波形増幅部を構成するアンプ１０３ａは、超音波トランスジューサ２からの減衰振動波形がベース入力される増幅用トランジスタＴｒ１０１を有する。そのコレクタ及びエミッタにはゲイン決定用抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０３が挿入されている。また、エミッタ側には、コレクタ側の増幅出力を測定用超音波ビームの励振周波数に同調させる波形同調部が組み込まれている。波形同調部は、この実施形態では、励振周波数近傍で低インピーダンス化するＲＣ直列回路（コンデンサＣ１０１と抵抗Ｒ１０２）をエミッタと並列に挿入する形で設けている。
【００７６】
次に、検波回路１０３ｅは次のように構成されている。まず、アンプ１０３ａからの増幅出力は、半波整流部を兼ねた検波用トランジスタＴｒ２０２のベースに入力される。検波出力は検波用トランジスタＴｒ２０２のエミッタ側にて取り出され、その出力系路上には、波形増幅部からの増幅出力波形からバイアス直流成分を除去する直流カットコンデンサ（バイアス直流成分除去部）Ｃ２０２が挿入されている。そして、そのエミッタ接地経路上には、波形をリップル除去して包絡線検波波形とするリップル除去部が、互いに並列接続された抵抗Ｒ２０６とコンデンサＣ２０３とからなるＲＣローパスフィルタの形で挿入されている。
【００７７】
また、アンプ１０３ａからの増幅出力は、半波整流部を兼ねた積分用トランジスタＴｒ２０１のベースに分岐入力される。該積分用トランジスタＴｒ２０１はプルダウン抵抗Ｒ２０３，Ｒ２０４によりエミッタフォロワ回路を構成し、積分時定数を決定するための抵抗Ｒ２０１及びコンデンサＣ２０１とともに積分部を構成するとともに、その積分演算出力がエミッタ側から取り出される。
【００７８】
上記の包絡線検波波形出力と、増幅出力の積分演算出力とは積分比較演算部をなすコンパレータＩＣ２０１に入力される。該コンパレータＩＣ２０１は、積分出力と包絡線検波出力との比較結果を二値出力する。なお、残響振動波形は直流カットコンデンサＣ２０２により接地レベルを基準として振幅中心電圧が定められるが、これをもとに形成される包絡線検波出力電圧に対しＲ２０３，Ｒ２０４の分圧比で定まる積分演算出力の分圧電圧を、調整用抵抗Ｒ２０６を介してバイアス電圧として重畳させることにより、上記包絡線検波出力を任意のベース電圧レベルにシフトさせることができるようになっている（この実施形態では、抵抗Ｒ２０４がベース電圧レベル設定用の可変抵抗とされている）。つまり、包絡線検波出力に対する上記積分出力の相対的な切り出し閾値を可変に設定することができる。
【００７９】
コンパレータＩＣ２０１の二値出力は下段の積分回路１０３ｆに出力されるが、コンパレータＩＣ２０１の出力側には、信号電源ラインＶｃｃとの間に挿入されたプルアップ抵抗Ｒ２０９と、出力制御用コンパレータＩＣ２０２が接続されている。出力制御用コンパレータＩＣ２０２は、マスク信号発生回路１０３ｇからのマスク信号を基準電圧（信号電源Ｖｃｃを抵抗ハーフブリッジＲ２０７，Ｒ２０８により分圧することにより作られる）と比較するものである。そして、マスク信号電圧レベルと基準電圧との大小関係が出力マスク側に有効化される条件を充足すると、出力制御用コンパレータＩＣ２０２の出力はＬ（接地）レベルとなり、検波回路１０３ｅのコンパレータＩＣ２０１の出力が出力制御用コンパレータＩＣ２０２側に引き込む形で接地側にバイパスされる。これにより、コンパレータＩＣ２０１の積分回路１０３ｆ側への出力は遮断される。他方、マスク信号電圧レベルと基準電圧との大小関係が出力許容側に有効化される条件を充足すると、出力制御用コンパレータＩＣ２０２の出力はＨ（接地）レベルとなる。これにより、検波回路１０３ｅのコンパレータＩＣ２０１の出力がプルアップされ、その二値出力（減衰反映信号）が積分回路１０３ｆ側へ出力される。
【００８０】
マスク信号は、超音波トランスジューサ２の駆動遮断後における前述の一定期間ｔｓだけ検波回路１０３ｅの出力を取り出し、他の期間の信号を液有無判定に考慮されないようにマスクするためのものである。この実施形態では、このマスク信号は、コンパレータＩＣ２０２に二値のレベル信号として入力することができ、この場合は、例えば図２のマイコン１００のポートから出力するように構成すればよい。しかし、本実施形態では、マスク信号発生回路１０３ｇは、マイコン１００のポートを節約するために、マイコン１００に対する外付け回路にてマスク信号発生回路１０３ｇを構成している。
【００８１】
具体的には、該マスク信号発生回路１０３ｇは、超音波トランスジューサ２の駆動／遮断を指令する駆動／遮断指令信号を流用してマスク信号を発生するように構成されている。すなわち、規定する駆動／遮断信号にて超音波トランスジューサ２の駆動遮断タイミングを規定するレベルエッジを図示しない単安定回路（図示せず）に入力し、その単安定回路からのパルスを抵抗ハーフブリッジＲ４０１，Ｒ４０２を介してコレクタフォロワ回路をなすマスク信号発生トランジスタＴｒ４０１のベースに入力する（ここでは、遮断後直ちにパルスを発生させるようにしているが、前述の遅延時間Δｔだけ遅延させてパルスを発生させるように構成することもできる）。
【００８２】
マスク信号発生トランジスタＴｒ４０１のコレクタ側は信号電源Ｖｃｃにプルアップ抵抗４０３を介して接続され、接地されるエミッタとの間に信号レベル保持用のコンデンサＣ４０１が挿入されている。マスク信号発生トランジスタＴｒ４０１は単安定回路からのパルス入力期間だけ導通するが、マスク信号となるそのコレクタ出力は、コンデンサＣ４０１の放電時定数で定まる上記パルス長よりも長い所定期間（前述の時間ｔｓとなるように調整される）だけ、マスク信号レベルを閾値未満、すなわち、非マスクとなる条件を充足するように保持される。
【００８３】
積分回路１０３ｆは、次のように構成されている。検波回路１０３ｅのコンパレータＩＣ２０１の出力は、エミッタフォロワ回路を構成する積分制御トランジスタＴｒ３０１のベースに入力される。積分制御トランジスタＴｒ３０１のエミッタには、コンデンサＣ３０１と抵抗Ｒ３０２からなる積分部が接続される。なお、コンデンサＣ３０１と並列接続されるＲ３０２は、積分出力遮断時にコンデンサＣ３０１を所定の時定数で放電させる放電用抵抗である。積分制御トランジスタＴｒ３０１はコンパレータＩＣ２０１の出力がＨレベルのとき導通し、同じくＬレベルのとき遮断される。その結果、上記の積分部は、コンパレータＩＣ２０１の出力がＨレベルの期間のみ積分制御トランジスタＴｒ３０１のエミッタ側出力電圧を積分する形となる。この積分出力が、判定回路をなす液有無判定用コンパレータＩＣ３０１に入力され、閾電圧（抵抗ハーフブリッジ（Ｒ３０３，Ｒ３０４）による電源電圧Ｖｃｃの抵抗分圧電圧として与えられている）と比較され、その比較結果が液有無判定信号としてコンパレータＩＣ３０１から二値出力される。
【００８４】
図１２及び図１３を用いて、図１１の信号処理回路１０３の動作を説明する。図１２に示すように、マイコン１００からの駆動／遮断指令信号により、超音波トランスジューサは一定期間強制的にバースト駆動され、その後、その駆動が遮断される。そして、その遮断後、一定期間ｔｓだけ、前述のマスク信号発生回路１０３ｇからのマスク信号（図１１：Ｃ）の出力がＬレベル、すなわち、非マスク状態となる。
【００８５】
図１２にＡにて示す包絡線検波出力は、Ｂに示す積分演算出力とコンパレータＩＣ２０１にて比較される。図１３の上に示すように、液なし状態では包絡線検波出力Ａはゆっくりとしか減衰せず、液あり状態では逆に速やかに減衰する。他方、前述の積分部の積分時定数は、積分演算出力Ｂの液なし状態と液あり状態との間での電圧の時間増加率の差が包絡線検波出力Ａの減衰率の差よりも十分小さくなるように設定されている。その結果、図１３の中段に示すように、コンパレータＩＣ２０１に入力される包絡線検波出力と積分演算出力との大小関係が反転するまでの時間（つまり、コンパレータＩＣ２０１が出力反転するまでの時間）には、液なし状態と液あり状態とで大きな差を生ずる。
【００８６】
上記の時間を直接計測することにより、液の有り無しを判定することももちろん可能であるが、上記図１１の回路では、図１３の下段に示すように、コンパレータＩＣ２０１の二値出力（減衰反映信号）を上記期間ｔｓだけ積分した値（図１１Ｅ）を液有無判定に用いる。すなわち、積分回路１０３ｆにおいて、該積分値ＥはコンパレータＩＣ３０１にて閾値Ｖｔｈと比較される。このコンパレータＩＣ３０１の出力は、図３の回路と全く同様にして液有無判定出力として使用される。
【００８７】
なお、図３及び図１１の各回路にて使用される包絡線検波回路、半波整流回路あるいは積分回路は、上記開示されたものに限定されない。図１４及び図１５は、検波トランスＴＦ５０１を用いた包絡線検波回路の例を示すものであり、コンデンサＣ５０１にて直流カットされた減衰振動波形信号は検波トランスＴＦ５０１を介して、トランジスタＴｒ５０１（図１４）ないしダイオードＤ５０１（図１５）にて半波整流され、その下段に挿入された並列ＲＣ部（Ｒ５０１，Ｃ５０２）にて包絡線検波される。検波トランスＴＦ５０１は、入力信号に対するインピーダンス変換部を形成するとともに、二次側コイルがコンデンサＣ５０２と結合して同調部を形成する。また、図１６に示す回路では、減衰振動波形信号がインピーダンス変換用のオペアンプＩＣ６０１に入力され、その出力と負期間経路との間に挿入されたダイオードＤ６０１が半波整流部を形成する。また、積分回路は、図１７に示すように、オペアンプＩＣ７０１の負帰還部にコンデンサＣ７０１及び積分時定数決定用の抵抗Ｒ７０１を組み合わせたアクティブ型積分回路として構成することが可能である。
【００８８】
次に、減衰振動波形を直接デジタルサンプリングできる場合には、取り込んだ波形の減衰ピーク値をパラメータとして用い、液体の有無を判定することもできる。図２４はその場合の回路図であり、超音波トランスジューサ２からの減衰波形信号はアンプ１１１を介してＡ／Ｄ変換器１１２を介してマイコン１００によりデジタル波形として取り込まれる。マイコン１００による処理の流れは図２６の通りである。まず、図５と同様にして、超音波トランスジューサ２をバースト駆動した後遮断し（Ｓ５１）、減衰波形のデジタルデータを取り込む（Ｓ５２）。
【００８９】
図２５に示すように、取り込まれたデジタル波形データにて、例えば波形変位が極大値（極小値でもよい）を示すデータ点をピーク値Ｐ１，Ｐ２，‥，Ｐｋとして抽出する（Ｓ５３）。減衰振動波形のピーク値Ｐ１，Ｐ２，‥，Ｐｋは離散パラメータなので、前述の判定タイミングｔｍにて一定の時間幅ｔｗに入るピーク値の代表値（例えば、最も大きい値か、ｔｗに入るピーク値の平均値）を判定用ピーク値Ｐｍとして抽出し（Ｓ５４）、これを閾値Ｖｔｈと比較する（Ｓ５５）。判定用ピーク値Ｐｍが閾値Ｖｔｈよりも大きければ液無し出力とし（Ｓ５６）、同じく閾値Ｖｔｈよりも小さければ液有り出力とする（Ｓ５７）。
【００９０】
また、デジタル波形データをサンプリングする代わりに、図２７に示すように、波形ピーク値をピークホールド回路１１２にて検出する方法も可能である。この場合の処理の流れを図２９に示す。まず、超音波トランスジューサ２をバースト駆動した後遮断し（Ｓ１０１）、判定タイミングｔｍが到来するまで待機する（Ｓ１０２）。判定タイミングｔｍが到来すれば、一定のウィンドウ期間ｔｗで波形入力を行ない、その期間内での最大波形値を判定用ピーク値ＰＨとしてホールドする（Ｓ１０３：図２８参照）。判定用ピーク値ＰＨが閾値Ｖｔｈよりも大きければ液無し出力とし（Ｓ１０４→Ｓ１０５）、同じく閾値Ｖｔｈよりも小さければ液有り出力とする（Ｓ１０４→Ｓ１０６）。
【００９１】
なお、検出対象となる液体の密度が比較的大きい場合は、超音波トランスジューサに代え、励振用測定プローブとして可聴帯音波信号を出力する可聴帯音波出力部（例えば小形スピーカなど）を用いることもできる。また、可聴帯音波出力部の代わりに容器の壁部外面に打撃を加えることでこれを音響励振する打撃機構を設けてもよい。
【００９２】
次に、図３１に示すように、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、容器内の検知対象となる特定の液面レベルに対応した液体検知位置に固定的に取り付け、液体検知機能付き容器として構成することもできる。図３１において、液体検知装置１は、容器１９０の深さ方向において、容器１９０内に定められた上限液面位置及び下限液面位置にそれぞれ対応する２つの液体検知位置（以下、上限液面位置側の超音波液体検知装置には符号１Ａを、下限液面位置側の超音波液体検知装置には符号１Ｂを付与して区別する）に取り付けてある。音響インピーダンス整合層２Ｐは、該音響インピーダンス整合層２Ｐよりも薄い適当な接着剤層を介し容器１９０の表面に固定される。
【００９３】
図３１においては、各液体検知装置１が個別に図２、図２４あるいは図２７に示す電気的構成を有し、その信号処理回路１０３からの液面判定信号Ｖｏｕｔ（液無し＝Ｈレベル、液有り＝Ｌレベル（回路上のロジックを反転させれば逆でもよい））の内容を個々の超音波液体検知装置のマイコン１００にて解析し、その結果に基づいて該マイコン１００がＬＥＤ点灯部１０４の点灯制御を行なうようにしてある。しかし、図３３に示すように、各液体検知装置２１Ａ，２１Ｂにて検知制御部を共用化することも可能である。この場合、各液体検知装置２１Ａ，２１Ｂからの液面判定信号Ｖｏｕｔは共通制御部をなすマイコン１００に集約され、個々の超音波液体検知装置に対応するＬＥＤ点灯部の動作制御も一括して行なわれる。この場合、ＬＥＤ点灯部を液体検知装置から分離して設けることも可能である。この構成は、例えば、乗り物（自動車等）の燃料タンクなど、容器上に表示部を設けたのでは検知結果を視認できない場合や、タンクが大型のためタンク上に表示部を設けたのでは検知結果の視認が困難になる場合などに有効である。
【００９４】
図３３の構成では、各液体検知装置２１Ａ，２１Ｂのトランスジューサが、マイコン１００からの指令を受けた切替スイッチ１０１ｓにより、駆動回路１０１及び信号処理回路１０３に順次切り替えて接続され、それぞれ液体有無検知を行なうとともに、各トランスジューサ位置での検知結果がマイコン１００のメモリ内に記憶される。２つの超音波液体検知装置２１Ａ，２１Ｂを設けることで、図３２に示すごとく、下限液面位置側液体検知装置１Ｂよりも液面が下にある場合（０〜１）、上限液面位置側液体検知装置１Ａと下限液面位置側液体検知装置１Ｂとの間に有る場合（１〜２）及び上限液面位置側液体検知装置１Ａよりも上にある場合（２〜）、の３つの液面状態を識別することができる。従って、マイコン１００は、それら検知結果に基づいて、液面が上記のどの区間にあるかを判定し、例えば、液面レベルが（２〜）のときは第一ＬＥＤ１０４ａが点灯し、液面レベルが（１〜２）のときは第二ＬＥＤ１０４ｂが点灯し、液面レベルが（０〜１）のときは第三ＬＥＤ１０４ｂが点灯するよう、駆動制御を行なう。
【００９５】
また、上限液面位置側液体検知装置１Ａと下限液面位置側液体検知装置１Ｂとの間には、さらに１ないし複数の中間液体検知装置１ｃを設けることも可能であり、この場合は、図３３中に示すように、中間液体検知装置１ｃの検知状態に応じて複数のＬＥＤ１０４ｋにより、さらに細分化した形で液面位置を表示することができる。この場合は、液体検知装置の総数をＮとして、Ｎ＋１個に容器内を深さ方向の区間に分割し、各区間に対応するＬＥＤ１０４ｋのいずれが点灯しているかに応じて、どの区間に液面が存在しているかを報知することができる。なお、液面が存在している区間に対応するＬＥＤ１０４ｋだけでなく、それより下に位置するＬＥＤ１０４ｋも全て点灯するように制御を行なってもよい。
【００９６】
図３４は、各液体検知装置１Ａ，１Ｂからの二値の液面判定信号Ｖｏｕｔ（Ａ）及びＶｏｕｔ（Ｂ）（いずれも、液無しがＨ、液ありがＬである：以下、Ｌアクティブとして説明する）に基づいて、マイコンを用いずにＬＥＤの点灯制御を行なう回路の事例を示すものである。すなわち、図中の真理表に従うロジックにより、Ｖｏｕｔ（Ａ）及びＶｏｕｔ（Ｂ）の入力レベルに基づいて、第一ＬＥＤ１０４ａ、第二ＬＥＤ１０４ｂ及び第三ＬＥＤ１０４ｂのいずれかが点灯制御されるようになっている。具体的には、Ｖｏｕｔ（Ａ）及びＶｏｕｔ（Ｂ）は、論理積ゲートＩＣ８０４と論理和ゲートＩＣ８０５にそれぞれ分配入力される。論理積ゲートＩＣ８０４の出力は第一ＬＥＤ１０４ａ用のコンパレータＩＣ８０１に入力される。また、論理和ゲートＩＣ８０５の出力は、第二ＬＥＤ１０４ｂ用のコンパレータＩＣ８０２と第三ＬＥＤ１０４ｃ用のコンパレータＩＣ８０３とに、一方をインバータＩＣ８０６によりレベル反転させた形で分配入力される。各コンパレータＩＣ８０１〜ＩＣ８０３は、それぞれ各入力電圧を抵抗ハーフブリッジＲ８０３，Ｒ８０４により信号電源電圧Ｖｃｃから分圧形成される閾電圧と比較する。そして、各コンパレータＩＣ８０１〜ＩＣ８０３の出力側には、各ＬＥＤ１０４ａ〜１０４ｃが、それぞれ電流調整抵抗Ｒ８０５〜Ｒ８０７を介して駆動電圧＋ＶＢに接続されている。そして入力電圧がアクティブ（Ｌ）のとき、コンパレータＩＣ８０１〜ＩＣ８０３の出力もアクティブ（Ｌ）となり、ＬＥＤ１０４ａ〜１０４ｃの対応するものをコンパレータ側への引き込み電流により点灯させる。
【００９７】
上記の回路によると、Ｖｏｕｔ（Ａ）及びＶｏｕｔ（Ｂ）がともにアクティブのとき（つまり、液面レベル（２〜）のとき）ＩＣ８０４の出力はアクティブとなり、ＩＣ８０１を介して第一ＬＥＤ１０４ａが点灯する。Ｖｏｕｔ（Ａ）が非アクティブでＶｏｕｔ（Ｂ）がアクティブのとき（つまり、液面レベル（１〜２）のとき）は、ＩＣ８０５の出力がアクティブとなり（ＩＣ８０４は非アクティブ）、ＩＣ８０２を介して第二ＬＥＤ１０４ｂが点灯する。Ｖｏｕｔ（Ａ）とＶｏｕｔ（Ｂ）とがともにアクティブのとき（つまり、液面レベル（１〜２）のとき）は、ＩＣ８０４及びＩＣ８０５はともに非アクティブとなるが、ＩＣ８０５のＩＣ８０３側への分配出力はＩＣ８０６によりアクティブに反転するので、ＩＣ８０３を介して第三ＬＥＤ１０４ｂが点灯する。このように、液面レベルが上記各区間のいずれに属するかに応じて、対応するＬＥＤ（インジケータ）が択一的に点灯するようになっている。
【００９８】
次に、図３５に示すように、液体検知装置は、容器１９０の容器本体部２００のうち鉛直方向に対して傾斜した部分（傾斜壁部）２００ｊにも取り付け可能である。図３５は、内燃機関を動力源とする乗り物の燃料タンク、特に、自動車の燃料タンクに適用した場合を例に取っており、上限液面位置側液体検知装置１Ａと下限液面位置側液体検知装置１Ｂのうち、後者が傾斜壁部２００ｊに取り付けられている（自動車の燃料タンクは、密集配置されるシャシ側の他の構造体との干渉を避けるため、傾斜壁部２００ｊによりタンク下部が断面縮小されていることが多い）。このことは、従来の反射式超音波液面計と比較して次のような利点をもたらす。すなわち、反射式の超音波液面計では、液体が存在している場合に特有の、壁部を透過した超音波ビームの反対側壁面での反射波の有無により液体検知する方式なので、液体検知装置が鉛直方向に対して傾斜した壁面に取り付けられていると、反対側壁面での反射波が仮に発生しても、その反射波は液面等でも反射を繰り返し、しかも液面位置によって到達位置も変化することになるので検出が非常に困難となる。しかし、本発明の方式であれば、反射波とは無関係の残響情報を検知するので、液体検知装置１Ｂの取付壁面２００ｊが傾斜している場合でも問題なく液体の有無を検知できる。
【００９９】
また、図３６に示すように、液体検知装置１は容器１９０の底壁部２００Ｂに取り付けることも可能であり、この場合も残響情報により液体の有無を検知できる。なお、底壁部２００Ｂは液面と平行であっても、図に示すごとく傾斜していてもいずれでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【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第一例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図３】図２の信号処理回路の一例を示す回路図。
【図４】図３のコンパレータの出力と、液有り／液無しの判定結果との関係を示すタイミングチャート。
【図５】図３の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図６】減衰残響振動の波形測定例を示す図。
【図７Ａ】液無し部での残響振動の減衰挙動を示す図。
【図７Ｂ】同じく液有り部での残響振動の減衰挙動を示す図。
【図８】図３の回路の動作を各部の模式的波形にて示す説明図。
【図９】図３の積分回路の出力と、液有り／液無しの判定閾値との関係を示す模式図。
【図１０】図３にて積分回路を省略した場合の、検波出力と液有り／液無しの判定閾値との関係を示す模式図。
【図１１】図２の信号処理回路の発展例を示す回路図。
【図１２】図１１の回路の動作説明図。
【図１３】図１２に続く説明図。
【図１４】検波回路の第一変形例を示す回路図。
【図１５】検波回路の第二変形例を示す回路図。
【図１６】半波整流回路の変形例を示す回路図。
【図１７】積分回路の変形例を示す回路図。
【図１８】本発明に係る液体検出装置の外観の第一例を示す正面図。
【図１９】同じく第二例を示す正面図。
【図２０】着脱式固定部を吸盤式固定部で構成した例を、その使用方法とともに示す説明図。
【図２１】着脱式固定部をマグネット式固定部で構成した例を示す斜視図。
【図２２】図２１のマグネット式固定部の使用方法を示す説明図。
【図２３】表示部及びソナーの駆動回路の一例を示す回路図。
【図２４】図１の超音波液体検知装置の第二例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図２５】図２４の構成における波形処理の内容を説明する模式図。
【図２６】図２４の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図２７】図１の超音波液体検知装置の第三例を、その電気的構成とともに示す模式図。
【図２８】図２７の構成におけるピークホールド処理の内容を説明する図。
【図２９】図２７の構成におけるマイコンの制御流れを示すフローチャート。
【図３０】駆動回路の一例を示す回路図。
【図３１】液体検知機能付き容器として構成した第一例を示す模式図。
【図３２】液体検知機能付き容器における液体検知装置の配置形態を、その変形例とともに示す模式図。
【図３３】複数の超音波トランスジューサの駆動を１つのマイコンにて共通制御する構成の例を示すブロック図。
【図３４】ＬＥＤ点灯制御回路の変形例を示す回路図。
【図３５】液体検知機能付き容器として構成した第二例を示す模式図。
【図３６】同じく第三例を示す模式図。
【図３７】測定用周波数の決定手順の変形例を示す説明図。
【図３８】図３７の手順の原理説明図。
【図３９】測定用周波数を決定するための波形サンプリングの第一例を示す説明図。
【図４０】図３９の波形サンプリングに係る波形前処理の内容を示す説明図。
【図４１】測定用周波数を決定するための波形サンプリングの第二例を示す説明図。
【符号の説明】
【０１０１】
１  液体検知装置
２  超音波トランスジューサ（音響励振手段、残響検出手段）
ＳＷ  測定用超音波ビーム
Ｌ  液体
７  吸盤式固定部
８  マグネット式固定部
１００  マイコン（液体有無判定手段、測定用周波数決定手段）
１００ｍ  初期周波数記憶部
１００ｍ’  測定用周波数記憶部
１０２  周波数設定部
１０３  信号処理回路（液体有無判定手段）
１０３ｅ  検波回路
１０４  表示部（液体存在状態情報出力手段）
１９０  容器
２００  金属側壁部
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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