(57)【要約】【課題】  構成が簡単で低消費電力であり、かつ、液面高さｈを限りなくゼロに近いレベルまで高精度に計測できる超音波液面計を提供する。【解決手段】  周波数スイープされる連続波ＷＣが形成する定在波挙動を圧電素子２の電気インピーダンス変化により測定し、その測定により得られる圧電素子２の電気インピーダンス周波数特性に基づいて液面高さｈを検出する。液面高さｈが低い場合でも、バースト反射波が残響に埋もれてＳ／Ｎ比が低下してしまう不具合が本質的に発生せず、液面高さｈが小さい場合であっても、ひいては、液面高さｈは限りなくゼロに近い状況下であっても高精度に計測することができる。【選択図】    図１
2009109296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容した容器からなる被測定系において、前記容器の底部に取り付けられるとともに、該容器内部の液面に向けて測定用超音波を送出する超音波送信素子と、
前記超音波送信素子を、駆動周波数を予め定められた範囲でスイープしつつ前記測定用超音波が連続波として送出されるように駆動する連続波駆動手段と、
前記連続波の前記液面に向かう送出進行波と、同じく前記液面による反射波とにより前記液体中に発生する定在波振動を受けて励振され、当該励振により電気インピーダンスを変化させる圧電素子からな定在波被励振素子と、
前記連続波のスイープに伴う前記定在波被励振素子の電気インピーダンス変化をモニタリングすることにより、前記電気インピーダンスの周波数特性プロファイルを測定するインピーダンス周波数特性測定手段と、
測定により得られた前記周波数特性プロファイルに基づいて前記容器内の液面高さを算出する液面高さ算出手段と、
液面高さ情報を出力する液面高さ情報出力手段と、
を備えたことを特徴とする超音波液面計。
【請求項２】
前記超音波送信素子が前記定在波被励振素子に兼用される圧電素子にて構成されてなる請求項１記載の超音波液面計。
【請求項３】
前記超音波送信素子を、予め定められた駆動周波数にて前記測定用超音波がバースト波として送出されるように駆動するバースト波駆動手段と、
前記バースト波の前記液面での反射波を前記容器底部にて受信する反射波受信素子と、
前記バースト波が送出された場合に、該送出から前記反射波受信部により受信されるまでの該バースト波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
計測された該バースト波の伝播時間に基づいて前記液面高さを算出する第二液面高さ算出手段と、
前記液面高さの測定モードを、前記連続波を用いて得られる前記周波数特性プロファイルに基づいて前記液面高さを計測する第一測定モードと、前記バースト波の伝播時間計測により前記液面高さを計測する第二測定モードとの間で切り替える測定モード切替手段と、
を有する請求項１又は請求項２に記載の超音波液面計。
【請求項４】
前記第一測定モードにより前記液面高さを計測し、該第一測定モードにて得られた液面高さが予め定められた閾液面高さを超えていた場合は、前記第二測定モードに切り替えて前記液面高さの再計測を行なう計測制御手段を有し、
前記液面高さ情報出力手段は、その再計測された液面高さ情報を出力するものである請求項３記載の超音波液面計。
【請求項５】
前記電気インピーダンス周波数特性測定手段が測定する前記周波数特性プロファイルは、電気インピーダンスの前記定在波に由来した極大値と極小値とが交互に出現する鋸刃状区間を有するものであり、
前記液面高さ算出手段は、当該鋸刃状区間において互いに隣接する極大値間又は極小値間の周波数差に基づいて前記液面高さを算出する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波液面計。
【請求項６】
前記周波数特性プロファイルにおける前記鋸刃状区間の有無に基づいて、前記容器内における液体有無判定を行なう液体有無判定手段と、
該液体有無判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段と、
を有する請求項５記載の超音波液面計。
【請求項７】
前記液面高さ算出手段は、前記周波数差の逆数の１／２を前記測定用超音波の前記容器底面と前記液面との間の伝播時間とみなすことにより前記液面高さを算出する請求項５又は請求項６に記載の超音波液面計。
【請求項８】
前記液面高さ算出手段は、前記鋸刃状区間において互いに隣接する前記極大値と前記極小値との電気インピーダンス差分値が一定化する差分一定化区間を検出し、当該差分一定化区間において前記液面高さを算出するための前記周波数差を特定するものである請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の超音波液面計。
【請求項９】
前記液面高さ算出手段は、検出された前記差分一定化区間の周波数中心に対応する隣接極大値間ないし隣接極小値間の周波数差に基づいて前記液面高さを算出する請求項８記載の超音波液面計。
【請求項１０】
前記液面高さ算出手段は、前記鋸刃状区間において一定化する前記電気インピーダンス差分値が相違する複数の前記差分一定化区間が検出される場合に、前記電気インピーダンス差分値が最も大きい差分一定化区間にて前記液面高さを算出するための前記周波数差を特定するものである請求項８又は請求項９に記載の超音波液面計。
【請求項１１】
前記インピーダンス周波数特性測定手段が測定する前記周波数特性プロファイルは、前記定在波被励振素子の電気的共振点に対応する周波数位置にベース極小点を、同じく機械的共振点に対応する周波数位置にベース極大点をそれぞれ生ずるＳ字状のベースプロファイルに対し、前記定在波に由来した極大値と極小値とが、それらベース極小点とベース極大点との周波数間隔よりも小さい周波数間隔にて出現する前記鋸刃状区間が重畳されたものであり、
前記液面高さ算出手段は、前記ベース極小点と前記ベース極大点との間に位置する鋸刃状区間内にて検出される前記差分一定化区間にて前記液面高さを算出するための前記周波数差を特定するものである請求項１０記載の超音波液面計。
【請求項１２】
前記差分一定化区間における前記極大値と前記極小値との電気インピーダンス差分値のレベルに基づいて、前記定在波被励振素子の取付状態判定を行なう取付状態判定手段と、
その判定結果を出力する取付状態判定出力手段と、
を有する請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載の超音波液面計。
【請求項１３】
前記取付状態判定手段は、前記電気インピーダンス差分値の初期値を記憶する初期値レベル記憶手段を備え、液面計測に伴い取得された前記電気インピーダンス差分値の現在値を前記初期値と比較し、その比較結果に基づいて前記取付状態判定を行なうものである請求項１２記載の超音波液面計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波液面計に関する。
【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
【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トランスジューサ（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超音波液面計が知られている（特許文献１，２）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の超音波液面計の構成においては、超音波発生のためにトランスジューサをパルス状にバースト駆動すると、そのバースト駆動による強制振動と、トランスジューサ／容器境界、あるいは容器／液体境界で生ずる反射超音波振動とが、時間的に重なり合いながら徐々に減衰してゆく。しかし、液面高さが低い場合には、その減衰が十分に進まない上記強制振動ないし境界反射振動の残響継続期間に、液本来検出すべき液面での反射波が埋もれてしまい、液面検出精度が十分に確保できなくなる問題がある。検出可能な液面下限値は、容器の材料や厚さ、塗装状態、計測環境（特に環境温度）、トランスジューサの取付状態等の要因によりさらに小さくなることもありえ、液面が低い場合（つまり、容器内液体量が少ない場合）の検出精度の悪化はさらに著しくなる。従来、液面が低い場合の検出精度向上には、超音波駆動の回数制御や、増幅器のゲイン変更あるいはコンパレータレベルの変更等、複雑な信号処理が必要であり、信号処理回路やソフトウェアの複雑化や回路消費電力の増加が避けがたかったし、かけたコストに見合う改善効果も十分に得られているとはいいがたかった。
【０００５】
本発明の課題は、構成が簡単で低消費電力であり、かつ、液面高さを限りなくゼロに近いレベルまで高精度に計測できる超音波液面計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、本発明の超音波液面計は、
液体を収容した容器からなる被測定系において、容器の底部に取り付けられるとともに、該容器内部の液面に向けて測定用超音波を送出する超音波送信素子と、
超音波送信素子を、駆動周波数を予め定められた範囲でスイープしつつ測定用超音波が連続波として送出されるように駆動する連続波駆動手段と、
連続波の液面に向かう送出進行波と、同じく液面による反射波とにより液体中に発生する定在波振動を受けて励振され、当該励振により電気インピーダンスを変化させる圧電素子からな定在波被励振素子と、
連続波のスイープに伴う定在波被励振素子の電気インピーダンス変化をモニタリングすることにより、電気インピーダンスの周波数特性プロファイルを測定するインピーダンス周波数特性測定手段と、
測定により得られた周波数特性プロファイルに基づいて容器内の液面高さを算出する液面高さ算出手段と、
液面高さ情報を出力する液面高さ情報出力手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明の超音波液面計では、測定用超音波として従来のごときパルス状のバースト波ではなく、連続波（連続正弦波）を用いる。超音波送信素子からの出力連続波は、容器底面から液面に向かう進行波であり、その液面で反射され反射波を生ずる。これら進行波と反射波とが合成されて液体中には定在波が発生する。
【０００８】
この場合、入射波は測定用超音波であり、その測定用超音波に周波数が液面高さｈに対する共鳴条件（つまり、固有振動数条件）を充足しているか否かにより、発生する定常波の振幅が変化する。具体的には、
２ｈ＝ｎ・λ＝ｎ・Ｃ／ｆｎ  （ｎ＝１，２，‥）  ‥（１）
の関係が成立するとき、共鳴条件を充足して定在波の振幅が極大化し、逆に、
２ｈ＝ｎ・λ’＋λ’／２＝ｎ・Ｃ／ｆｎ＋Ｃ／（２ｆｎ）（ｎ＝１，２，‥）  ‥（２）
の関係が成立するとき、定在波の振幅が極小化する。ここに、ｎは固有振動の次数である。従って、容器の底部に、この定在波振動を受けて励振される圧電素子からな定在波被励振素子を設けておくと、圧電素子の電気インピーダンスが定在波による励振レベルに応じて変化する。従って、この電気インピーダンスの周波数特性プロファイルを測定すれば、その測定結果から容器内の液面高さを算出することができる。
【０００９】
上記本発明の液面計によると、連続波が形成する定在波挙動から液面高さを検出するので、従来方式のように、液面高さが低い場合でも、バースト反射波が残響に埋もれてＳ／Ｎ比が低下してしまう不具合が本質的に発生せず、液面高さが小さい場合であっても、ひいては、液面高さは限りなくゼロに近い状況下であっても高精度に計測することができる。
【００１０】
超音波送信素子は連続波出力の駆動中であっても、そのインピーダンス測定は問題なく行なうことができる。従って、超音波送信素子は、定在波被励振素子に兼用される圧電素子にて構成することができる。これにより、測定系を構成する素子の総数を減ずることができ、装置の簡略化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の超音波液面計においては、
超音波送信素子を、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波がバースト波として送出されるように駆動するバースト波駆動手段と、
バースト波の液面での反射波を容器底部にて受信する反射波受信素子と、
バースト波が送出された場合に、該送出から反射波受信部により受信されるまでの該バースト波の伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
計測された該バースト波の伝播時間に基づいて液面高さを算出する第二液面高さ算出手段と、
液面高さの測定モードを、連続波を用いて得られる周波数特性プロファイルに基づいて液面高さを計測する第一測定モードと、バースト波の伝播時間計測により液面高さを計測する第二測定モードとの間で切り替える測定モード切替手段と、を設けることができる。
【００１２】
上記のような連続波による定在波を定在波被励振素子の電気インピーダンス変化により検出し、液面検出する方式では、液面高さが大きい場合の測定も可能である。しかし、バースト駆動方式を用いた場合も、液面高さが十分に大きければ、液面での反射波が残響振動に埋没する心配はなく、反射超音波を検出する伝播長が長くなる分だけ、液面検出精度は却って高く確保できる。そこで、上記のごとく、液面高さの測定モードを、連続波を用いて得られる周波数特性プロファイルに基づいて液面高さを計測する第一測定モードと、バースト波の伝播時間計測により液面高さを計測する第二測定モードとの間で切り替える測定モード切替手段を設けておくと、測定すべき液面高さに応じて、より高精度で測定が可能な測定モードを随時切り替えて使用することができ、液面計としての使い勝手が大幅に向上する。
【００１３】
この場合、定在波被励振素子の電気インピーダンス変化により液面高さ計測する第一測定モードでは、やや精度は落ちるものの液面高さが大きい場合の測定も十分可能であることを考慮すれば、まず、この第一測定モードにより（ラフに）液面高さを計測し、該第一測定モードにて得られた液面高さが予め定められた閾液面高さを超えていた場合は、第二測定モードに切り替えて液面高さの再計測を行なう計測制御手段を設けておくとよい。この場合、液面高さ情報出力手段は、その再計測された（第二測定モードによる）液面高さ情報を出力するように構成することができる。つまり、第一測定モードで測定された液面高さが閾液面高さより小さい場合には、もともと第二測定モードでの測定は困難であるから、そのままその測定結果を液面高さ情報として採用・出力すればよく、第一測定モードで測定された液面高さが閾液面高さより大きければ、第二測定モードでの再測定を行なうことで、精度をより向上させた形で液面高さ情報を出力することが可能となる。なお、この閾液面高さは、（例えば超音波送受信素子の経時劣化等に応じて）随時変更可能に構成することが可能である。
【００１４】
以下、定在波被励振素子の電気インピーダンス変化を用いて液面高さを算出する方法の具体的内容について説明する。前述の（１）（２）式からも明らかなごとく、定在波の励振レベル（振幅）、ひいてはこれを反映する定在波被励振素子の電気インピーダンス変化は、（１）（２）式が示す条件測定用超音波の波長λ（あるいは周波数ν）と密接な関係があり、連続波の波長λで液面高さｈの２倍（２ｈ）が割り切れる場合（（１））の周波数と、λ／２の端数が生ずる場合（（２）：超音波の片道の伝播長ではλ／４；つまり、固定端となる液面位置で定在波が腹になってしまう場合に相当）の周波数とに対応して、極大値と極小値とが交互に出現する特徴がある。つまり、電気インピーダンス周波数特性測定手段が測定する周波数特性プロファイルは、電気インピーダンスの定在波に由来した極大値と極小値とが交互に出現する鋸刃状区間を有するものとなる。そこで、液面高さ算出手段は、当該鋸刃状区間において互いに隣接する極大値間又は極小値間の周波数差に基づいて液面高さを算出するように構成することができる。得られた電気インピーダンスの周波数プロファイルに鋸刃状区間を見出し、その鋸刃状区間の互いに隣接する極大値間又は極小値間の周波数差を演算することで、液面高さを簡単に算出することができる。液面高さ算出手段は、具体的には、周波数差の逆数の１／２を測定用超音波の容器底面と液面との間の伝播時間ｔｐとみなすことにより液面高さｈを算出することができる。
【００１５】
この場合、もし容器内に液体が存在しなければ、定在波を発生させるべき液体が非存在となるに伴い、定在波被励振素子により測定される周波数特性プロファイルに、定在波励振に特有の鋸刃状区間も現れなくなる。そこで、周波数特性プロファイルにおける鋸刃状区間の有無に基づいて、容器内における液体有無判定を行なう液体有無判定手段と、該液体有無判定結果を出力する液体有無判定結果出力手段とを設けることで、液面高さに係る情報だけでなく、容器内に液体そのものが存在するか否かに係る情報も明確に得ることができる。
【００１６】
鋸刃状区間を形成する、隣接する極大値と極小値にそれぞれ対応した周波数ｆｎ＋１、ｆｎの組（以下、隣接周波数ともいう）は、固有振動の次数ｎに応じて多数存在し、そのいずれを用いても液面高さｈを測定することができるが、その測定精度は、鋸刃状区間を形成する、互いに隣接する極大値と極小値との電気インピーダンス差分値が大きいほど高くなる傾向にある。
【００１７】
ここで、定在波振動を検出する定在波被励振素子の電気インピーダンス変化の測定出力は、該定在波被励振素子を構成する圧電素子の電気的ないし機械的な共振特性に大きく影響される。具体的には、定在波被励振素子の電気インピーダンスの周波数プロファイルに現れる鋸刃状区間において、それら電気的ないし機械的な共振点の近傍では、互いに隣接する極大値と極小値との電気インピーダンス差分値が（比較的大きな値で）一定化する差分一定化区間が出現する。液面高さ算出手段は、この差分一定化区間を検出し、当該差分一定化区間において液面高さを算出するための周波数差を特定するように構成することで、液面高さｈの測定精度を高めることができる。具体的には、液面高さ算出手段は、検出された差分一定化区間の周波数中心に対応する隣接極大値／極小値間の周波数差に基づいて液面高さを算出することで、液面高さｈをさらに高精度に検出できる。
【００１８】
なお、鋸刃状区間においては、一定化する電気インピーダンス差分値の相違する複数の差分一定化区間が検出される場合がある。測定用超音波ビームは、超音波送信素子の超音波送出面の法線方向（ビーム中心軸線方向）においてビーム強度が最大となる指向性を有し、該ビーム中心軸線方向が測定すべき液面と直角になるように超音波を送信したとき、発生する定在波の振幅もこの向きに最大となる（以下、これを主定在波という）。しかし、測定用超音波ビームは、上記ビーム中心軸線方向から傾斜した向きにも一定強度の波束の広がりを有しており、この広がった波束成分は液面に対し多少傾いて入射し、これに伴い、その傾斜した向きにも別の定在波が現れる（以下、これを副定在波という）。波束成分の広がりに由来した該副定在波は、伝播経路が傾いている分だけ、ビーム中心軸線方向に現れる主定在波よりも伝播長が長く、結果として主定在波とは異なる周波数域に、該主定在波よりも小さい振幅で現れることになる。従って、鋸刃状区間において、一定化する電気インピーダンス差分値が相違する複数の差分一定化区間が検出される場合、（主定在波に由来した）電気インピーダンス差分値が最も大きい差分一定化区間にて液面高さを算出することが、液面高さの測定精度を向上させる観点においてより有利となる。
【００１９】
定在波被励振素子の電気インピーダンス変化の測定出力は、前述のごとく、該定在波被励振素子を構成する圧電素子の電気的ないし機械的な共振特性に大きく影響される。この場合、インピーダンス周波数特性測定手段が測定する周波数特性プロファイルは、具体的には、定在波被励振素子の電気的共振点に対応する周波数位置にベース極小点を、同じく機械的共振点に対応する周波数位置にベース極大点をそれぞれ生ずるＳ字状のベースプロファイルを有し、定在波に由来した極大値と極小値とが、それらベース極小点とベース極大点との周波数間隔よりも小さい周波数間隔にて出現する鋸刃状区間がこれに重畳されたものとして取得される。液面高さ算出手段は、ベース極小点とベース極大点との間に位置する鋸刃状区間内にて検出される差分一定化区間にて液面高さを算出するための周波数差を特定するよう構成すれば、液面高さを常に高精度かつ安定的に測定することができる。
【００２０】
また、差分一定化区間における極大値と極小値との電気インピーダンス差分値のレベルは、定在波被励振素子の取付状態によっても影響を受け、定在波被励振素子の取付状態（例えば容器底面との密着度など）が経時的に悪化すれば、電気インピーダンス差分値も小さくなる傾向にある。そこで、該電気インピーダンス差分値のレベルに基づいて、前記定在波被励振素子の取付状態判定を行なう取付状態判定手段と、その判定結果を出力する取付状態判定出力手段とを設ければ、超音波液面計のメンテナンスを行なう上での一助とすることができる。取付状態判定手段は、具体的には、電気インピーダンス差分値の初期値を記憶する初期値レベル記憶手段を備え、液面計測に伴い取得された電気インピーダンス差分値の現在値を初期値と比較し、その比較結果に基づいて取付状態判定を行なうように構成することができる。電気インピーダンス差分値の現在値が初期値と比較してどの程度悪化したかをモニタすることにより、定在波被励振素子の現在の取付状態を的確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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、液体ｈとしてＬＰＧ又はＬＮＧを収容する金属タンク１９０として構成されている。金属タンク１９０は鋼鉄製であり、その底面に圧電素子にて構成された超音波トランスジューサ２が、音響インピーダンス整合層３及びグリース塗付層４を介して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（圧電素子）と容器側壁部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、容器側壁部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。また、符号２００ｐは容器塗装部である。
【００２２】
そして、液体検知装置１は、上記超音波トランスジューサ２により、金属タンク１９０内の液面ＬＶ（ＬＶ’）の高さを、タンク外から測定できるように構成されている。図２は、液体検知装置１の電気的構成を示すブロック図である。超音波トランスジューサ２は、板厚方向に分極処理された圧電セラミック振動板２ｐ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、測定用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。また、圧電セラミック振動板２１（圧電素子）の電気インピーダンス計測のための測定電極の役割も兼ねる。
【００２３】
超音波トランスジューサ２の電極対２ｅ，２ｅは、切替スイッチ１０４と、連続波駆動回路１０１、インピーダンスアナライザ１０２及び反射超音波計測部１０３を介してマイコン１００の入出力部９９に接続されている。マイコン１００は、該入出力部９９と、処理主体となるＣＰＵ９８、その作業エリアとなるＲＡＭ９６及び制御プログラム９７（超音波トランスジューサ２の駆動制御（切替スイッチ１０４によるモード切替処理を含む）及び液面高さの算出処理制御とを行なう）を格納したＲＯＭ９７とを有する。入出力部９９には、測定された液面高さｈを表示出力するモニタ９４と、後述の閾液面高さｈｘの変更入力等に使用するキーボード９５が接続されている。
【００２４】
連続波駆動回路１０１は、マイコン１００からの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、該Ｄ／Ａ変換部１０１ｃからのアナログ周波数指示電圧を受けて出力周波数を変化させる発振回路（ここでは、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１０１ｂと、その発振回路１０１ｂの連続正弦波信号出力（図３：上段）を増幅して超音波トランスジューサ２（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。また、バースト波駆動回路１０５が別途設けられ、図３の中段及び下段に示すごとく、マイコン１００からの制御パルス信号を受けて方形波状のバーストパルス信号を発生し、超音波トランスジューサ２へ駆動信号として出力するようになっている。
【００２５】
連続波駆動回路１０１は、駆動周波数を予め定められた範囲でスイープしつつ測定用超音波が連続波（連続正弦波）ＷＣ（図１）として送出されるように駆動される（つまり、連続波駆動手段として機能する）。駆動周波数のスイープは、マイコン１００側にてＤ／Ａ変換部１０１ｃへの入力周波数指示値を変更することにより実施される。また、バースト波駆動回路１０５は、超音波送信素子２を、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波がバースト波ＷＢ（図１）として送出されるように駆動するバースト波駆動手段として機能する。
【００２６】
超音波トランスジューサ２は、超音波送信素子としての機能のほか、次の各素子としての兼用されるものである。
・定在波被励振素子：図１において、連続波ＷＣの液面ＬＶに向かう送出進行波と同じく液面ＬＶによる反射波とにより液体Ｌ中に発生する定在波振動を受けて励振され、当該励振により電気インピーダンスを変化させる。
・反射波受信素子：バースト波ＷＢの液面ＬＶでの反射波を容器２００底部にて受信する。
【００２７】
また、マイコン１００には、超音波トランスジューサ２が受信する液面ＬＶでの反射波信号を増幅するアンプ１０３ａと、超音波トランスジューサ２へのバースト波の出力タイミングに対応してマイコン１００から出力されるトリガ信号を受けて起動し、反射波信号を受信するまでの伝播時間を計測する伝播時間計測部１０３ｂとからなる伝播時間計測回路１０３が接続されている。この伝播時間計測回路１０３が伝播時間計測手段を構成する。
【００２８】
超音波トランスジューサ２による液体高さｈの計測モードは、マイコン１００により、連続波ＷＣを用いて得られる周波数特性プロファイルに基づいて液面高さｈを計測する第一測定モードと、バースト波ＷＢの伝播時間計測により液面高さｈを計測する第二測定モードとの間で切り替え可能となっている（測定モード切替手段）。
【００２９】
第一測定モードでは、マイコン１００からのスイッチ制御信号により切替スイッチ１０４は、連続波駆動回路１０１とインピーダンスアナライザ１０２とが超音波トランスジューサ２に接続されるように動作する。超音波トランスジューサ（超音波送信素子）２は、連続波駆動回路１０１により、駆動周波数が予め定められた範囲でスイープされながら、連続正弦波ＷＣを送出するように駆動される。該連続波ＷＣの、液面ＬＶに向かう送出進行波は、同じく液面ＬＶによる反射波と重なり合って液体Ｌ中に定在波を発生させる。超音波トランスジューサ２は、この定在波振動を受けて励振され、当該励振により電気インピーダンスを変化させる。この電気インピーダンスは周波数毎にインピーダンスアナライザが１０２により計測され、デジタル値として出力される。該電気インピーダンスのデジタル出力はマイコン１００によりサンプリングされ、設定集は数値と対応付けてＲＡＭ９６内に電気インピーダンスの周波数特性プロファイルデータとして取り込まれる。マイコン１００においては、この周波数特性プロファイルデータが解析され、容器２００内の液面高さｈが算出される（液面高さ算出手段）。
【００３０】
以下、さらに詳細に説明する。連続超音波により液体中に発生する定在波の励振レベル（振幅）は、前述の（１）（２）式が示す通り、液面高さｈの２倍が波長λの整数倍となる共鳴条件を満たすとき極大となり、片道伝播長にλ／４の端数が生ずる場合に極小値となる。その結果、電気インピーダンス周波数特性測定手段が測定する周波数特性プロファイルは、図６に示すように、電気インピーダンスの定在波に由来した極大値と極小値とが交互に出現する鋸刃状区間を有するものとなる（上は全体図を、下は要部拡大図を示す：横軸を波長λとすれば、極大値と極小値とはλ／２周期で交替する形になる）。
【００３１】
すなわち、得られた電気インピーダンスの周波数プロファイルに鋸刃状区間を見出し、図７に示すように、この鋸刃状区間において互いに隣接する極大値の周波数ｆｎ＋１及びｆｎを読み取り、その周波数差Δｆ＝ｆｎ＋１−ｆｎに基づいて液面高さを算出することができる。なお、互いに隣接する極小値の周波数ｆｎ＋１’及びｆｎ’を読み取り、その周波数差Δｆ’＝ｆｎ＋１’−ｆｎ’に基づいて液面高さを算出することもできる。
【００３２】
鋸刃状区間の抽出は、マイコン１００による周波数プロファイルデータの解析により実行される。すなわちプロファイルを構成する各データ点の電気インピーダンス値を、周波数を一方向に変化させながら順次比較してピーク点（極大点／極小点）を特定し、隣接する極大点／極小点の電気インピーダンス差が予め定められた閾値以上となる周波数区間を鋸刃状区間として特定することができる。
【００３３】
測定用超音波の音速Ｃは周波数とは無関係に同じであり、液面高さをｈとすれば、連続波の往復伝播時間ｔｓとの間に、
ｔｓ＝２ｈ／Ｃ  ‥（３）
の関係が成立する。ｎ＋１次にて定在波振幅が極大化する（１）式の周波数ｆｎ＋１では、（３）式の時間ｔｓ内に伝播する総波数は、
ｎ＋１＝ｆｎ＋１・ｔｓ＝ｆｎ＋１・（２ｈ／Ｃ）  ‥（４）
であり、同じくｎ次にて定在波振幅が極大化する（２）式の周波数ｆｎでは、（３）式の時間ｔｓ内に伝播する総波数は、
ｎ＝ｆｎ・ｔｓ＝ｆｎ・（２ｈ／Ｃ）  ‥（５）
である。（４）（５）式の波数差は１だから、
（ｆｎ＋１−ｆｎ）・ｔｓ＝（ｆｎ＋１−ｆｎ）・（２ｈ／Ｃ）＝１  ‥（６）
これを変形すれば、
ｔｓ＝２ｈ／Ｃ＝（ｆｎ＋１−ｆｎ）−１  ‥（６）’
すなわち、
ｈ＝（Ｃ／２）・（ｆｎ＋１−ｆｎ）−１  ＝Ｃ・｛（１／２）・（ｆｎ＋１−ｆｎ）−１｝
＝Ｃ・ｔｐ  （ただし、ｔｐ≡ｔｓ／２＝｛（１／２）・（ｆｎ＋１−ｆｎ）−１｝）  ‥（６）”
つまり、周波数差の逆数の１／２を、容器底面と液面との間の測定用超音波の（片道）伝播時間ｔｐとみなすことにより液面高さｈを算出できることが明らかである。
【００３４】
液面高さｈは、鋸刃状区間に含まれるどの隣接周波数ｆｎ＋１、ｆｎを用いても算出が可能であるが、測定精度自体は、当該の隣接周波数ｆｎ＋１、ｆｎに対する電気インピーダンス差分値が大きいほど高くなる。例えば、超音波トランスジューサ（定在波被励振素子）２の電気インピーダンス変化の測定出力は、素子要部をなす圧電素子（圧電セラミック）の電気的ないし機械的な共振特性に大きく影響される。図６に示すインピーダンス周波数特性プロファイルでは、超音波トランスジューサ２の電気的共振点に対応する周波数位置にベース極小点が、同じく機械的共振点（電気的には反共振点）に対応する周波数位置にベース極大点をそれぞれ生ずるＳ字状のベースプロファイルを有し、定在波に由来した極大値と極小値とが、それらベース極小点とベース極大点との周波数間隔よりも小さい周波数間隔にて出現する鋸刃状区間がこれに重畳されたものとなっている。そして、そのベース極小点とベース極大点との間に位置する鋸刃状区間が差分一定化区間となっている。差分一定化区間は、隣接する極大点／極小点の電気インピーダンス差が予め定められた範囲内に収まる区間として特定が可能である。
【００３５】
そして、上記差分一定化区間内にて選ばれたいずれかの隣接周波数ｆｎ＋１、ｆｎ（例えば、検出された差分一定化区間の周波数中心に対応する隣接極大値／極小値間の周波数差に：極小値に対応したｆｎ＋１’、ｆｎ’でもよい）を用いて、液面高さｈを算出するための周波数差Δｆｎ＋１＝ｆｎ＋１−ｆｎが算出される。あるいは、差分一定化区間内の各隣接周波数ｆｊ＋１、ｆｊに係る周波数差Δｆｊ＋１＝ｆｊ＋１−ｆｊの平均値；
（Δｆｊ＋１）ｍ＝（１／Ｎ）・Σ（ｆｊ＋１−ｆｊ）  （Ｎは隣接周波数の総数）
を用いることも可能である。
【００３６】
図６に示すインピーダンス周波数特性プロファイルの鋸刃状区間においては、一定化する電気インピーダンス差分値の相違する複数の差分一定化区間、具体的には、ベース極小点とベース極大点との間の区間（以下、主区間ともいう）、ベース極小点の低周波側に現れる付加区間Ａ及びベース極大点の高周波側に現れる付加区間Ｂの３つの差分一定化区間が現れている。測定用超音波ＷＣビームは、超音波送信素子２の超音波送出面の法線方向（ビーム中心軸線方向）においてビーム強度が最大となる指向性を有し、該ビーム中心軸線方向が測定すべき液面ＬＶと直角になるように超音波を送信したとき、発生する定在波の振幅もこの向きに最大となる（以下、これを主定在波という）。しかし、測定用超音波ＷＣビームは、上記ビーム中心軸線方向から傾斜した向きにも一定強度の波束の広がりを有しており、この広がった波束成分は液面ＬＶに対し多少傾いて入射し、これに伴い、その傾斜した向きにも別の定在波が現れる（以下、これを副定在波という）。波束成分の広がりに由来した該副定在波は、伝播経路が傾いている分だけ、ビーム中心軸線方向に現れる主定在波よりも伝播長が長く、結果として主定在波とは異なる周波数域に、該主定在波よりも小さい振幅で現れることになる（これを用いてしまうと、伝播長が長くなる分だけ液面高さの計測誤差が大きくなる）。従って、上記のごとく複数の差分一定化区間が検出される場合、主定在波に由来した上記の主区間にて液面高さｈを算出することが、測定精度向上の上で有利である。
【００３７】
なお、図８に示すように、容器２００（図１）内に液体Ｌが存在しなければ、定在波を発生させるべき液体が非存在となるに伴い、定在波被励振素子により測定される周波数特性プロファイルに、定在波励振に特有の鋸刃状区間も現れなくなる。そこで、周波数特性プロファイルにおける鋸刃状区間の有無に基づいて、容器内における液体有無判定を行なうことができる。具体的には、周波数特性プロファイル上にて、隣接する極大点／極小点の電気インピーダンス差が一様に閾値未満となっていれば、液体無しとして判定できる。判定結果は図２のモニタ９４に出力される。
【００３８】
なお、図６〜図８は、インピーダンスアナライザにより測定された電気インピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜（＝（Ｒ２＋Ｘ２）１／２：ただし、Ｒは直流抵抗、Ｘは交流リアクタンス）に基づく周波数特性プロファイルを用いている。しかし、定在波励振による圧電素子の電気インピーダンス変化は、リアクタンス項Ｘ（＝ｊ（ωＬ−（１／ωＣ）：複素インピーダンス表示）、特にその容量性リアクタンス項（ｊ（１／ωＣ））が担うので、超音波トランスジューサ２（圧電素子）の静電容量測定にてこれを代替することもできる。この場合、図９に示すように、得られる電気インピーダンスの周波数特性プロファイルは、静電容量Ｃの周波数特性プロファイルとして得られることになる。
【００３９】
次に、第二測定モードでは、マイコン１００からのスイッチ制御信号により切替スイッチ１０４は、バースト波駆動回路１０５と伝播時間計測回路１０３とが超音波トランスジューサ２に接続されるように動作する。超音波トランスジューサ（超音波送信素子）２は、バースト波駆動回路１０５により、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波がバースト波ＷＢとして送出されるように駆動される（特許文献１，２により周知なので、詳細な説明は省略する）。バースト波ＷＢの液面ＬＶでの反射波は超音波トランスジューサ２により受信される。この受信波形は、伝播時間計測回路１０３のアンプ１０３ａによリ増幅され、さらに、伝播時間計測部１０３ｂに含まれる周知のゼロクロス点検出回路により、所定順位のゼロクロス点が検出される。伝播時間計測部１０３ｂでは、バースト波のトリガ信号出力タイミングからこのゼロクロス点の検出タイミングまでの時間を、バースト波ＷＢの液面までの往復伝播時間ｔｓとして計測する。音速をＣとすれば、液面高さｈは、
ｈ＝（ｔｓ／２）・Ｃ  ‥  （７）
として算出される（第二液面高さ算出手段）。
【００４０】
図５は、液面高さｈと、第一測定モードにおいて、その算出に用いる周波数差Δｆ＝（ｆｎ＋１−ｆｎ）−１との関係をグラフ化したものである。液面高さｈが高くなるほど周波数差Δｆが縮小することが明らかである。つまり、第一測定モードによる液面高さ測定は、液面高さｈが小さいほど測定精度確保の観点で有利であり、一定以上の液面高さでは第二測定モードを用いたほうが測定精度を確保しやすくなる。そこで、ある閾液面高さｈｘ未満では第一測定モードによる測定が行なわれ、閾液面高さｈｘを超える場合は第一測定モードによる測定が行なわれるように、測定モードが自動的に切り替わるようにしておくと便利である。
【００４１】
図１２は、その場合のマイコン１００による測定処理の流れを示すものである。まず、Ｓ１では第一測定モードに設定し、第一の周波数間隔（例えば、２〜１０ｋＨｚ）にて断続的に変化させる形で連続波の周波数をスイープすることにより、液面高さｈをラフに計測する。Ｓ２では、このラフ第一測定モードにて得られた液面高さｈが予め定められた閾液面高さｈｘを超えているかどうかを判定する。閾液面高さｈｘより大きければ、Ｓ３に進み、第二測定モードに切り替えて再測定を行なう。結果がｈ＞ｈｘであれば、その再計測された（第二測定モードによる）液面高さｈを最終的な液面高さとして表示出力する（他方、Ｓ４でｈ＜ｈｘであれば、Ｓ５に進む）。また、第一測定モードで測定された液面高さｈが閾液面高さｈｘより小さい場合には、もともと第二測定モードでの測定は困難であるから、そのままその測定結果ｈを表示出力することができる。ただし、本実施形態では、第一の周波数間隔（例えば、２〜１０ｋＨｚ）よりも小さい第二の周波数間隔（例えば、５０〜１０００Ｈｚ）にて断続的に変化させる形で連続波の周波数をスイープする精密第一測定モード（Ｓ５）を実施し、この精密測定ステップＳ５の測定結果ｈを表示出力するようにしている。
【００４２】
次に、差分一定化区間における極大値と極小値との電気インピーダンス差分値のレベルは、超音波トランスジューサ２の取付状態によっても影響を受ける。特に、超音波トランスジューサ２の取付状態（例えば容器２００底面との密着度など）が経時的に悪化した場合、電気インピーダンス差分値も小さくなる傾向にある。そこで、図１０に示すように、この電気インピーダンス差分値の初期値ΔＺ０（例えば工場出荷時の値）をマイコン１００のＲＯＭ９７に記憶しておき（初期値レベル記憶手段）、液面計測に伴い取得された電気インピーダンス差分値の現在値ΔＺＣを初期値ΔＺ０と比較し、その比較結果に基づいて取付状態判定を行なうことができる。具体的には、ΔＺＣ／ΔＺ０がある閾値未満に小さくなった場合は取付状態悪化と判定し、モニタ９４に出力したり、あるいは別途設けられたアラーム出力部から警報音を出力したりして、これを報知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の超音波液面計の要部を示す模式図。
【図２】図１の超音波液面計の電気的構成を示すブロック図。
【図３】測定用超音波の形態を示す模式図。
【図４】図１の超音波液面計における測定モード切替の概念を示す図。
【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】第一測定モードにおける電気インピーダンスの周波数特性プロファイルの測定例を示す図。
【図７】図６の一部を拡大して示す図。
【図８】液体が存在しない場合にかかる電気インピーダンスの周波数特性プロファイルの測定例を示す図。
【図９】電気インピーダンスの周波数特性プロファイルを静電容量測定結果で代替した場合の例を示す図。
【図１０】電気インピーダンス差分値のレベルが超音波トランスジューサ２の取付状態によっても影響を受ける様子を説明する図。
【図１１】マイコンによる測定モード切替の処理例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４４】
１  超音波液面計
２  超音波トランスジューサ（超音波送信素子、定在波被励振素子、反射波受信素子、伝播時間計測手段）
９４  モニタ（液面高さ情報出力手段）
１００  マイコン（液面高さ算出手段、第二液面高さ算出手段、液体有無判定手段、取付状態判定手段）
１０１  連続波駆動回路（連続波駆動手段）
１０２  インピーダンスアナライザ（インピーダンス周波数特性測定手段）
１０３  モニタ（液面高さ情報出力手段、液体有無判定結果出力手段、取付状態判定出力手段）
１０４  切替スイッチ（測定モード切替手段）
１０５  バースト波駆動回路（バースト波駆動手段）
２００  容器
Ｌ  液体
【図１】
2009109296.tif 000003
【図２】
2009109296.tif 000004
【図３】
2009109296.tif 000005
【図４】
2009109296.tif 000006
【図５】
2009109296.tif 000007
【図６】
2009109296.tif 000008
【図７】
2009109296.tif 000009
【図８】
2009109296.tif 000010
【図９】
2009109296.tif 000011
【図１０】
2009109296.tif 000012
【図１１】
2009109296.tif 000013