(57)【要約】【課題】タンク鋼板板厚と超音波センサ特性との組合せ、および、超音波センサ駆動周波数条件の最適化により安定性を向上させた超音波式液面検出器を提供する。【解決手段】超音波センサ２０の共振周波数をタンク鋼板の理論通過周波数に合致させるのが得策であるが、残響エコー時間も最大になることから、超音波センサの共振周波数をタンク鋼板の理論通過周波数と異ならせている。さらに、超音波センサ２０の駆動周波数として、超音波センサの共振周波数とは異なりかつ反射エコーが最大となる周波数から、さらに所定周波数の値だけずらせた周波数を用いている。【選択図】図３
2009300374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク外側面に設置され、タンク内部に向けて超音波を送受信する超音波センサを有し、超音波の反射エコーの受信タイミングをもとにタンク内に収容された液体の有無を判別する超音波液面検出器において、
前記タンクの超音波通過周波数と超音波センサの共振周波数とを異ならせたことを特徴とする超音波液面検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波液面検出器において、前記タンクの超音波通過周波数と超音波センサの共振周波数とが、ほぼ１００ｋＨｚずれていることを特徴とする超音波液面検出器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波液面検出器において、前記超音波センサの共振周波数と異なりかつ反射エコーが最大となる周波数から、さらにセンサの共振周波数から離れる方向に所定周波数の値をずらせた周波数で前記超音波センサを駆動することを特徴とする超音波液面検出器。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波液面検出器において、前記所定周波数の値がほぼ２０ｋＨｚであることを特徴とする超音波液面検出器。
【請求項５】
タンク外側面に設置され、タンク内部に向けて超音波を送受信する超音波センサを有し、超音波の反射エコーの受信タイミングをもとにタンク内に収容された液体の有無を判別する超音波液面検出器の駆動周波数調整方法において、超音波センサの共振周波数と異なりかつ反射エコーが最大となる周波数を求める第１ステップ、前記反射エコーが最大となる周波数からさらにセンサの共振周波数から離れる方向に所定周波数ずらせた周波数を求める第２ステップ、前記第２ステップで求めた周波数によって前記超音波センサを駆動する第３のステップを有することを特徴とする超音波液面検出器の駆動周波数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンク外側面に設置した超音波センサによりタンク内へ発信した超音波の反射エコーの受信タイミングをもとに液の有無を検知する超音波液面検出器およびその駆動周波数調整方法に関し、詳細には、タンク鋼板板厚と超音波センサ特性との組合せ、および、超音波センサ駆動周波数条件の最適化により安定性を向上させた超音波式液面検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場や施設園芸等の農業分野では熱源としてＡ重油を燃焼させ、蒸気発生や加温用温風の発生等に広く利用されている。これらの熱源に求められるのは低コスト、長期間安定して稼動することで、Ａ重油を屋外設置された１．９ｋＬ程度の小型タンクから２０ｋＬ等の大型タンク等まで、消費量により適宜選択設置されている。これらのタンクは消防法で定められた設置要件を満たすとともに、Ａ重油の残量を確認するための液面計として、Ａ重油に浮き子とバランスウエイトをタンク上部の滑車を介してロープで繋いだ釣瓶落式の液面計が多用されている。
【０００３】
しかしながら、前述の液面計は機械式であり、稼動各部を常時グリスアップしておかないと、摩擦が増加し正確な液面を表示しなくなるという欠点がある。また、Ａ重油の配送効率を上げようとした場合、誰かが目視で残量確認するしかなく、テレメトリー監視等との適合性が低く、気象条件の急変や製品の急な増産等があると、一般的に行われている計画配送やエンドユーザによるオンコール配送ではＡ重油を切らしてしまい、経済的な損失が発生することがあった。
【０００４】
残量を確認する他の方法として、上面から空中超音波を用いた液面計や、圧力計により水頭圧を計測し、液残量を連続計測する残量計等色々試みられているが、Ａ重油タンク上面は、降雨がタンク内に進入しづらくする目的で、タンク中央部から周辺部に向け下り勾配が設けられていたり、また、タンク下部は結露等で発生する水滴がタンク底部に溜まったりするので、これを排出するドレイン配管が設けられており、ドレインを効率よく抜く為に小型タンクでは下部中央がロート状になっているものもある。これらのことから、上面からの空中超音波式ではタンクに追加工が必要となったり、圧力式では最下部のドレイン対策が必要となったりするなど、運用中のタンクでは追加施工しづらく、新規タンクでも加工コストが高くなるなどの問題がある。
【０００５】
また、Ａ重油の消費量は分単位での液面残量を確認することは皆無であり、通常は日単位の管理を行っており、最短でも時間単位の管理を行えばよいことから、機能面・コスト面・設置性のバランスを満たすものとしてタンク外側面に超音波センサを取付け、側面より超音波を発射し対向するタンク内壁面までの超音波の伝播時間を計測して、液の有無を検出する超音波式液面スイッチが考案されている(例えば、特許文献１を参照)。
【特許文献１】特開平０８−１３６３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波式液面検出器には反射型と透過型があるが、設置性、コストの両面から反射式が優位である。反射型超音波式液面検出器を安定動作させるには、タンク内の液有り時に対向するタンク壁面に直角に超音波を発射し、タンク対向壁面での反射エコーを確実に捕捉でき、尚且つ、誤判定を防止するために、タンク内の液無し時に残響波の継続時間が距離換算でタンク直径の半分以下となるようにマージンを取ることが望ましい。
【０００７】
また、反射型超音波式液面スイッチでは送受信型超音波センサをタンク壁側面に取付け、液有り時はタンク対向壁面による反射エコーを認識でき、尚且つ液無し時の駆動残響エコー長が液有り時の反射エコー検出レベル以下に減衰している必要がある。
【０００８】
一般に、超音波液面検出器は、汎用性を考慮し市場設置数の多いタンク仕様（＝形状・板厚等）に対応するべく、超音波センサの帯域を広帯域化し一種類で商品化している。しかしながら、反射エコー感度を考慮すると帯域内にセンサ共振点を持ってくる必要があり、タンク鋼板の超音波通過周波数近傍に超音波センサの共振点がきてしまうと、残響エコーの減衰時間が長くなり、タンク内液の有無判定が出来なくなってしまう場合がある。
【０００９】
また、例えば、施設園芸等の農業分野では熱源として利用されるのは外気温が低下した場合のみであり、作物にもよるが夏季前後の約半年間は燃料消費が無く、タンクの液位変動がなくなる。タンク内燃料残量が液面検出スイッチの取付け位置を下回った常態で非暖房期に入ると、約半年間液なし無し状態となり、残響エコーが長くなり誤って液有と誤判定する事例がある。
【００１０】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、タンク鋼板板厚と超音波センサ特性との組合せ、および、超音波センサ駆動周波数条件の最適化により、動作安定性を向上させた超音波式液面検出器を提供するものである
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、タンク外側面に設置され、タンク内部に向けて超音波を送受信する超音波センサを有し、超音波の反射エコーの受信タイミングをもとにタンク内に収容された液体の有無を判別する超音波液面検出器において、前記タンクの超音波通過周波数と超音波センサの共振周波数とを異ならせたことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記タンクの超音波通過周波数と超音波センサの共振周波数とが、ほぼ１００ｋＨｚずれていることを特徴としたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記超音波センサの共振周波数と異なりかつ反射エコーが最大となる周波数から、さらにセンサの共振周波数から離れる方向に所定周波数の値をずらせた周波数で前記超音波センサを駆動することを特徴としたものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記所定周波数の値がほぼ２０ｋＨｚであることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項５の発明は、タンク外側面に設置され、タンク内部に向けて超音波を送受信する超音波センサを有し、超音波の反射エコーの受信タイミングをもとにタンク内に収容された液体の有無を判別する超音波液面検出器の駆動周波数調整方法において、超音波センサの共振周波数と異なりかつ反射エコーが最大となる周波数を求める第１ステップ、前記反射エコーが最大となる周波数からさらにセンサの共振周波数から離れる方向に所定周波数ずらせた周波数を求める第２ステップ、前記第２ステップで求めた周波数によって前記超音波センサを駆動する第３のステップを有することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
超音波式液面検出器において、動作マージンが向上したことにより長期間安定した動作が可能となる。
【００１７】
従来、オシロスコープにてエコー波形観測などで調整していた駆動周波数調整作業を自動で短時間に行う事ができる。また、定期的な自動再学習が実現できるので機器の経時変化や季節変動要因も吸収でき安定性の向上が計れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る超音波液液面検出器について、Ａ重油タンクに適用した場合について説明するが、超音波式液面検出器であれば液種、タンク形状に限ったものではない。
【００１９】
本発明は、送受信兼用型超音波センサを用いた超音波式液面検出器で、超音波センサ、コントロールユニットおよびコントロールソフトウェアを有している。
【００２０】
図１は、小型Ａ重油タンクに、本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器を設けた場合を示す図である。小型Ａ重油タンク１内のＡ重油液２の液面３０に浮き子８が浮遊しており、上部滑車６、接続ワイヤ７、錘兼表示指針９からなる液面計が設けられている。液面３０の液上下動に応じて指針９も追従して上下動し、液残量目盛り１０のどの位置に指針９があるかで液残量が読み取れる。タンク構造は平鋼板をロール加工し上下のロート状鋼板を溶接した構造で、溶接線５から下の下部鋼板の中央にドレインバルブ４が設けられている。また、上部鋼板には点検口３が設けられている。
【００２１】
ここで、超音波センサ２０は小型Ａ重油タンク１の側面鋼板に設けられており、この超音波センサ２０に接続されたコントロールユニット３１を操作することにより、超音波センサ２０からタンク内に超音波を発射し、タンク内壁で反射された超音波を受信することにより、超音波センサ２０を取付けた位置でのＡ重油液の存在を検出している。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器の超音波センサの例を示す図である。
Ａ重油タンク１の側面鋼板に取り付けられた超音波センサ２０は、超音波センサ素子（圧電素子）２１を備えており、この超音波センサ素子２１が永久磁石２３により波スプリング２２を介して鋼板側に押し付けられている。鋼板と超音波センサ素子２１との間には音響結合、熱結合を図るためセンサシート２５を設けている。また、コントロールユニット３１との接続のためセンサケーブル２４を設けている。なお、センサシート２５は無機微粉末をシリコーンゴムに分散したものである。
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器の回路ブロック図である。超音波センサ２０はＡ重油タンク１の外壁側面にマグネット吸着で固定され、センサケーブル２４でコントロールユニット３１に接続されている。
【００２４】
超音波センサ２０に設けた超音波センサ素子２１は送受兼用型センサとして動作させている。Ａ重油２の液面３０の有無確認は、コントロールユニット３１に設けられたＣＰＵのＴ信号により駆動回路ＤＲＶを有効にし、タンク鋼板通過帯の周波数で超音波センサ２０を駆動し、対向壁面で反射した超音波エコーが増幅回路ＡＭＰにて増幅・波形整形され、ＣＰＵのＲ端子に到着するまでの遅延時間を計測する。
【００２５】
また、超音波センサ２０の内蔵サーミスタＴＨＲの抵抗値が、温度変換回路ＴＡＭＰを経てＣＰＵのＡ／Ｄ端子に入力され温度計測値として変換される。前述の遅延時間計測値および温度計測値とＣＰＵが予め持っている超音波伝播音速とを用いて対向壁面までの距離を算出する。そして、この動作を複数回繰返し、平均化した距離値がタンク直径の例えば±２０％以内かどうかを判断し、判定範囲以内の距離であれば液有と判断する。
【００２６】
図４は種々の条件における、超音波センサ素子２１の駆動波形と、反射エコーないし残響エコーの受信波形を示す図である。
図４（Ａ１）に、タンク鋼板の理論通過周波数と超音波センサ２０との共振周波数が合致していて、タンク内に液があり、反射エコーが最大感度になる周波数（超音波センサ共振周波数とほぼ同等）で超音波センサ素子２１を駆動した場合の、反射エコー波形と残響エコー波形を示す。
この場合、反射エコーが大きく残響エコーが小さいため、受信波形は良好であり、液ありの判定も問題なく可能である。
【００２７】
また、図４（Ａ１）の場合と同じ条件で超音波センサ素子２１を駆動するものの、タンク内液が無くなった場合の、反射エコー波形と残響エコー波形を図４（Ａ２）に示す。
この場合、超音波センサ素子２１の受信波形は残響エコーが大きくなり反射エコーの時間域まで達している。したがって、液面位置を誤判定してしまうおそれがある。
【００２８】
次に、タンク鋼板の理論通過周波数と超音波センサ２０の共振周波数とが１００ｋＨｚほどズレており、タンク内に液があり、反射エコーが最大感度になる周波数（タンク鋼板の理論通過周波数とほぼ同等）で超音波センサ素子２１を駆動した場合の、反射エコー波形と残響エコー波形を図４（Ｂ１）に示す。
この場合、反射エコーが大きく残響エコーが小さいため、受信波形は良好であり、液ありの判定も問題なく可能である。
【００２９】
また、図４（Ｂ１）の場合と同じ条件で超音波センサ素子２１を駆動するものの、タンク内液が無くなった場合の、反射エコー波形と残響エコー波形を図４（Ｂ２）に示す。
この場合、超音波センサ素子２１の駆動周波数が超音波センサの共振点を外れているので、残響エコーが図４（Ａ２）と比べ抑制されている。しかし、反射エコーの時間域では液面位置を判定するためによりマージンがあることが望まれる。
【００３０】
次に、タンク鋼板の理論通過周波数と超音波センサ２０の共振周波数とが１００ｋＨｚほどズレており、タンク内に液があり、超音波センサ素子２１の駆動周波数を反射エコーが最大感度になる周波数（タンク鋼板の理論通過周波数とほぼ同等）から更に超音波センサの共振周波数から離れる方向に約２０ｋＨｚずらせた場合の反射エコー波形と残響エコー波形を図４（Ｃ１）に示す。
この場合、反射エコーの減少は殆ど見られず残響エコーも小さく良好であり、液ありの判定も問題なく可能である。
【００３１】
図４（Ｃ１）の場合と同じ条件で超音波センサ素子２１を駆動し、タンク内液が無くなった場合の反射エコー波形と残響エコー波形を図４（Ｃ２）に示す。
この場合、残響エコーが小さく反射エコーの時間域でも液面位置を判定するのに充分なＳ／Ｎが確保できている。
【００３２】
以上から、本実施形態では、タンク鋼板の理論通過周波数と超音波センサ２０の共振周波数とを１００ｋＨｚ程度離し、さらに、超音波センサ素子２１の駆動周波数を反射エコーが最大感度になる周波数（タンク鋼板の理論通過周波数とほぼ同等）からセンサ共振周波数から離れる方向に約２０ＫＨｚずらせた周波数に、超音波センサ素子２１の駆動周波数を調整することにより、液面検出器として安定した性能が確保できる。
【００３３】
このように、超音波センサとタンク鋼板板厚との関係では、反射エコー感度を第一優先で考慮すると、超音波センサの共振周波数をタンク鋼板の理論通過周波数に合致させるのが得策であるが、残響エコー時間も最大になること、および、タンク鋼板の理論通過周波数帯域が超音波センサ共振点と合致してしまうと、タンク内の液なし時に残響エコーが長時間減衰できない現象となることを考慮し、超音波センサの感度帯域としては対応しているが、超音波センサ共振点は合致していない超音波センサを複数用意し、鋼板板厚との組合せで上記現象を回避することができる。
【００３４】
図５は、タンク鋼板板厚に対する超音波通過周波数の関係および超音波センサの共振周波数を示す図であり、以下に、超音波センサ素子２１の選択方法について説明する。
図５では、横軸がタンク鋼板板厚で、縦軸に超音波通過周波数をプロットした曲線が描かれており、また、縦軸には超音波センサ２０のタイプ別（Ｓ１からＳ６）の共振周波数も示している。
図５から、例えば、タンク鋼板厚さが６．２ｍｍの場合は、タンク鋼板のポイントを上になぞり通過周波数曲線で交わったところを左側になぞれば、このタンクの超音波通過周波数がほぼ９５０ｋＨｚであることが分かる。そして、超音波センサとしては、９５０ｋＨｚの近傍にＳ３センサがあるが、９５０ｋＨｚから約１００ｋＨｚ離れた共振周波数を有するＳ４センサを使用すれば良い事がわかる。
なお、タンクの板厚はタンク図面を用いるか、超音波厚さ計での実測値を用いることにより把握できる。
【００３５】
図６は、本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器の周波数調整方法を示すフローチャートである。   なお、周波数調整はタンクに液がある状態で行われる。
まず、タンク鋼板板厚を求め（ステップＳ１）、このタンク鋼板板厚に適した超音波センサタイプを選択し（ステップＳ２）、選択した超音波センサをタンクに取り付けるとともにコントローラに接続し、コントローラに選択したセンサタイプを設定する（ステップＳ３）。
タンク鋼板板厚に適した超音波センサタイプの選択は、先述したとおりであり、板圧６．２ｍｍの場合は、その超音波通過周波数よりも約１００ｋＨｚ高い共振周波数を有するＳ４タイプのセンサが選択されている。
【００３６】
次に、反射エコーの確認動作を行い（ステップＳ４）、反射エコーのレベルが最大になる周波数（最大感度が得られる周波数）を求める（ステップＳ４〜６）。なお、ステップＳ６における１ステップは５ｋＨｚに設定してあるが、他の値でもよい。
反射エコーが最大感度となるセンサ駆動周波数は、先述のとおり、タンク鋼板の理論通過周波数とほぼ同等になるが、センサ共振周波数付近でも極大値を取る場合がある。
ここで、コントローラには予めセンサタイプ毎の共振周波数情報を記憶しているので、反射エコーが最高感度になった時の超音波駆動周波数ｆｄがセンサ共振周波数ｆｓと比較し（ステップＳ７）、ほぼ同じであったら、共振点を回避するために、例えば共振周波数から理論通過周波数側へ−８０ｋＨｚオフセットし（ステップＳ８）、再度、反射エコーの最高感度となる駆動周波数を見つける（ステップＳ９〜１１）。
【００３７】
そして、ステップＳ７で、超音波センサの駆動周波数ｆｄがセンサ共振周波数ｆｓと異なる場合、あるいは、ステップＳ１０で反射エコーレベルが最大となる場合は、超音波駆動周波数ｆｄは残響エコー抑制のためさらにセンサ共振周波数から離れる方向に２０ｋＨｚ（この場合は−２０ｋＨｚ）オフセットし、液面検出動作時の超音波センサ駆動周波数とする（ステップＳ１２）。
以上のセンサ駆動周波数調整は、コントローラの内蔵時計により定期的に再学習を行い季節変動要因等を吸収している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】小型Ａ重油タンクに、本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器を設けた場合を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器の超音波センサの例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器の回路ブロック図である。
【図４】図４は種々の条件における、超音波センサ素子２１の駆動波形と、反射エコーないし残響エコーの受信波形を示す図である。
【図５】タンク鋼板板厚に対する超音波通過周波数の関係および超音波センサの共振周波数を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る超音波式液面検出器の周波数調整方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１…小型Ａ重油タンク、２…Ａ重油液、３…点検口、４…ドレインバルブ、５…溶接線、６…滑車、７…ワイヤ、８…浮き子、９…錘兼指示針、１０…目盛り、２０…超音波センサ、２１…超音波センサ素子（圧電素子）、２２…波スプリング、２３…永久磁石、２４…センサケーブル、２５…センサシート、３０…液面、３１…コントロールユニット。
【図１】
2009300374.tif 000003
【図２】
2009300374.tif 000004
【図３】
2009300374.tif 000005
【図４】
2009300374.tif 000006
【図５】
2009300374.tif 000007
【図６】
2009300374.tif 000008