JP2005127722A - 超音波レベル計 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波のエコーにより被測定媒体を測定する超音波レベル計において、被測定媒体以外のところからのエコーを出来る限り無くすため、例えばノズルの内周面に凹凸の段差を均等に設けるようにしてエコーを相殺するようにして超音波による測定精度を高めた超音波レベル計を提供する。
【解決手段】
超音波レベル計は、容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズルと、前記ノズルの基部位置に超音波を発生させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサと、を少なくとも備え、前記ノズルの内周面に、前記圧電振動子で発信する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けたことである。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波レベル計に関し、詳しくは超音波レベル計を設置する内部の構造、及び超音波レベル計の発信の構造に関する。

従来技術における超音波レベル計は、例えばタンク上部のノズルに設置されて使用されるものであり、タンク内部の水面に超音波を照射することで、その反射波（エコー）を受信して水面位置を検出するというものである。 この超音波レベル計は、図６及び図７に示すように、円筒形状をしたノズル１１１に超音波センサ１１２を配置し、この超音波センサ１１２には円板形状の圧電振動子１１３を埋め込み、圧電振動子１１３から発射される超音波を誘導するための音響整合層１１４を下部位置に配設した構造となっている。
このような構造の超音波レベル計においては、一般的に円板状の圧電振動子１１３の厚み方向（Ａ方向）に超音波が発射され、そのエコーを同一の圧電振動子１１３で検出してレベル計測を行っている。 しかし、一方で径方向（Ｂ方向）にもわずかながら圧電振動子１１４より超音波が外部に発信されるので、設置ノズル１１１の内壁で反射した超音波が圧電振動子１１３に帰ってくると不要なノイズ成分となり、Ｓ／Ｎ比を悪化させる原因となる。 この問題を解決したものとして、図８及び図９に示すように、超音波センサ１１２をノズル１１１から突出した構造にすることで、径方向（Ｂ方向）の超音波が戻ってこないようにする。 又、図１０及び図１１に示すように、ノズル１１１の内側に吸音材１１４を設置して径方向（Ｂ方向）の超音波を吸収して、その影響を抑えるというものもある。

特開平１０−２０６２１３号公報（第３頁 第１図）

しかしながら、従来技術で説明した超音波レベル計においては、設置環境によっては超音波センサをノズルから突出したり、ノズル材質と異なる吸音材を設置することが困難な場合がある。又、多湿な環境では吸音材が吸湿して吸音効果が低下してしまう場合がある。 従って、レベル計の移設や吸音材の設置ができない環境下でもノズルの影響を改善する手法を実現することに解決しなければならない課題を有する。

このような課題を達成するために、本発明の超音波レベル計は次に示す構成にすることである。

（１）超音波レベル計は、容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズルと、前記ノズルの基部位置に超音波を発生させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサと、を少なくとも備え、前記ノズルの内周面に、前記圧電振動子で発信する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けたことである。（２）前記段差は、前記ノズルと同一材料で形成したことを特徴とする（１）に記載の超音波レベル計。
（３）前記波長λの１／４・λに相当する深さは、前記発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなることを特徴とする（１）に記載の超音波レベル計。
（４）（１）に記載の超音波レベル計には、更に、温度センサで測定した温度に基づいて音速を計算する音速演算手段と、前記音速演算手段により計算された音速から超音波周波数を計算する周波数補正演算手段と、前記周波数補正演算手段により計算された超音波周波数で前記超音波センサを駆動させる超音波駆動手段と、を備えたことである。

（５）超音波レベル計は、容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズルと、前記ノズルの基部位置に超音波を発生させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサと、を少なくとも備え、前記ノズルの内周面に、前記圧電振動子で発信する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けた穴付板を取付けたことである。
（６）前記穴付板に設けた前記波長λの１／４・λに相当する深さは、前記発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなることを特徴とする（５）に記載の超音波ノズル計。
（７）（５）に記載の超音波レベル計には、更に、温度センサで測定した温度に基づいて音速を計算する音速演算手段と、前記音速演算手段により計算された音速から超音波周波数を計算する周波数補正演算手段と、前記周波数補正演算手段により計算された超音波周波数で前記超音波センサを駆動させる超音波駆動手段と、を備えたことである。

（８）超音波レベル計は、容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を発射させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサを、前記被測定媒体の方向に超音波を発射できる位置に配置してなる超音波レベル計であって、前記容器を含む超音波が到着する面に、前記圧電振動子で発射する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けたことである。
（９）前記容器を含む超音波が到着する面は、前記圧電振動子を配置している円筒形状のノズルの内周面、容器の内壁、容器の天井、容器内部の梁、容器へ被測定媒体を注排水する注排水口を含む構造物表面の一部或いは全てであることを特徴とする（８）に記載の超音波レベル計。
（１０）前記波長λの１／４・λに相当する深さは、前記発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなることを特徴とする（８）に記載の超音波レベル計。
（１１）（８）に記載の超音波レベル計には、更に、温度センサで測定した温度に基づいて音速を計算する音速演算手段と、前記音速演算手段により計算された音速から超音波周波数を計算する周波数補正演算手段と、前記周波数補正演算手段により計算された超音波周波数で前記超音波センサを駆動させる超音波駆動手段と、を備えたことである。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
ノズルの内側に超音波レベル計の伝播媒体中における波長λの1／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けることで、径方向に発射された超音波はノズルの内側で反射する。このとき段差の凸部と凹部でそれぞれ反射して戻ってきた超音波は、お互いに１／２波長の位相差を持つ。超音波が到達する圧電振動子円周面では、その円周方向にノズル内側の凹凸分布と同様な逆位相の音圧分布となり、圧電振動子の径方向から入力される全音圧総計は相殺される。これによって、レベル測定に不要となる径方向の超音波の検出量が小さく抑えることができる。

以下本発明に係る超音波レベル計の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施例１）
本願発明の第１の実施形態の超音波レベル計は、図１及び図２に示すように、容器１１に収容されている被測定媒体１２にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズル１３と、このノズル１３の基部位置に超音波を発生させる圧電振動子１５を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサ１４と、を備えた構成になっている。
この円筒形状をしたノズル１３の内周面に、発信超音波の伝播媒体中における波長の１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けた凹凸部１６を備えた構造になっている。ここで、超音波の波長λは、波長λ＝伝播媒体中の音速ｃ／発信超音波周波数ｆで計算できる。

このような構造のノズル１３において、圧電振動子１５から発射された超音波のうち、特に径方向（Ｂ方向）に発信された超音波はノズルの内側の凹凸部１６で反射する。このとき、ノズル１３の内周面の凹凸部１６は波長の１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けた構造となっているために、この段差の凸部と凹部でそれぞれ反射して戻ってきた超音波（（１）と（２））は、図３に示すように、凸部と凹部とではお互いに１／２波長の位相差を持つ。これは、超音波が到達する圧電振動子１５円筒面では、その円周方向にノズル１３内側の凹凸分布と同様な逆位相の音圧分布となることで、圧電振動子１５の径方向（Ｂ方向）から入力される全音圧総計は相殺されることになる。これによってレベル測定に不要となる径方向の超音波の検出量が小さく抑えられる。
この凹凸部１６の段差は、ノズル１３と同一の材質で実現できるため、例えば、吸音材が使用できない腐食性環境化でもノズル１３の影響を改善することができるのである。

（実施例２）
次に、第２の実施形態の超音波レベル計について、図面を参照して説明する。

第２の実施形態の超音波レベル計は、図４に示すように、容器１１に収容されている被測定媒体１２にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズル１３と、ノズル１３の基部位置に超音波を発生させる圧電振動子１５を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサ１４と、を少なくとも備え、このノズル１３の内周面に、圧電振動子１５で発信する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差、凸部と凹部を均等に設けた穴付板１７を取付けた構造となっている。
この穴付板１７に設けた波長λの１／４・λに相当する深さの凹部は、発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなる。
この波長λは、
波長λ＝伝播媒体中の音速ｃ／発信超音波周波数ｆ
の関係になっている。

このような穴付板１７は、ノズル１３の内周面に設けたことで、圧電振動子１５から発射されるＢ方向の超音波は、上記実施例と同様に凸部と凹部のそれぞれに１／２波長の位相差を持つことになる。これは、超音波が到達する圧電振動子１５円筒面では、その円周方向にノズル１３内側の凹凸分布と同様な逆位相の音圧分布となることで、振動子の径方向（Ｂ方向）から入力される全音圧総計は相殺されることになる。

実施例においては、この穴付板１７をノズル１３の内周面に取付けたが、これに限定されることなく、容器１１における被測定媒体１２以外の超音波が到達する箇所、例えば、容器１１の内壁、容器１１の天井、容器１１内部の梁、容器１１へ被測定媒体を注排水する注排水口を含む構造物表面の一部或いは全てに取付けることで、凹凸による１／２波長の位相差を持たせることで、超音波を相殺することが可能になり、これは、被測定媒体１２以外に発射される超音波をなくすか、それに近い状態にすることが可能で、精度のよい測定をすることができるのである。

（実施例３）
次に、第３の実施形態の超音波レベル計について、図面を参照して説明する。

第３の実施形態の超音波レベル計は、図５に示すように、温度の変化に基づく超音波の音速を計算により求め、この求めた音速から発射する超音波を求めて温度により変化する超音波を補正することで、精度のよい測定を得るようにしたものである。
被測定媒体以外に発射される超音波を相殺する手法は、上記実施例１及び２に示す手法と同じであり、例えば、ノズルの内周面に圧電振動子で発射する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差、即ち凹部及び凸部を均等に設けた凹凸部を設けた構造、或いは実施例２で示した凹凸を有する穴付板を取付けた構造でもよい。

温度センサに基づいて超音波の波長を補正するための回路構成は、図５に示すように、温度センサ２１と、温度センサ２１で測定した温度に基づいて音速を演算する音速演算器２２と、音速演算器２２で得られた音速に基づいて周波数を補正する周波数補正演算器２３と、周波数補正演算器２３で得られた補正周波数を入力する送信回路２４と、音速演算器２２で得られた音速に基づいて距離やレベルを演算する距離／レベル演算器２５と、その演算された距離或いはレベルを出力する出力回路２６と、伝播時間を測定する伝播時間測定器２７と、伝播時間測定器２７で測定された超音波を受信する受信回路２８と、送信回路２４或いは受信回路２８からの信号を切り替える送／受切替器２９と、送受信器３０とから大略構成されている。

このような構造において、温度センサ２１より測定した温度Ｔ２を音速演算器２２で音速Ｃ２を計算し、音速Ｃ２から周波数補正演算器２３で発信する超音波の周波数ｆ２を計算する。そして、送信回路２４から発信する超音波の周波数ｆ２で送受信器３０を駆動させることで、速度の変化分だけ波長がずれることによる相殺条件のズレを補正する機能を有するようにしたことである。

さて、凹凸の段差による超音波を相殺する条件は、周囲温度Ｔ１において、次式を満足する。
段差Ｌ＝λ１・１／４……（式１）
λ１＝Ｃ１／ｆ１
Ｃ１：周囲温度Ｔ１での伝播媒体中の音速
ｆ１：発信超音波周波数

しかし、温度がＴ１からＴ２に変化すると音速もＣ２に変化する。例えば、空気中の音速は、次式に示すように温度によって変化する。
Ｃ＝３３１．５＋０．６＊Ｔ（ｍ／ｓ）……（式２）
Ｔ：温度（℃）

音速の変化で、波長もλ２に変化するため、式１を満足しなくなり、相殺効果が低下する。温度が変化しても、式１を満足させるように発信周波数を次式で与えるｆ２に変化させることで、波長はλ１となり、相殺条件を満足する。
ｆ２＝（Ｃ２／Ｃ１）＊ｆ１……（式３）

以上のようにして、温度により変化する音速を用いて超音波の波長を変化させることで、凹凸部による相殺条件のズレを補正することができるのである。

圧電振動子から発射される被測定媒体方向の超音波に対して、径方向に発射される超音波を、例えばノズルの内周面に設けた発信超音波の伝播媒体中における波長の１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けた凹凸部で相殺するようにしたことで、レベル測定に不要となる超音波の検出量を小さく抑える超音波レベル計が提供できる。

本発明に係る第１の実施形態の超音波レベル計を示す説明図である。 同、底面からみた説明図である。 同、段差の凹凸部でそれぞれ反射して振動子円筒面に到達して超音波音圧波形を示す波形図である。 本発明に係る第２の実施形態の超音波レベル計を示す説明図である。 本発明に係る第３の実施形態の超音波レベル計を示す説明図である。 従来技術における第１の例の超音波レベル計の説明図である。 図６における超音波レベル計の底面を示す説明図である。 従来技術における第２の例の超音波レベル計の説明図である。 図８における超音波レベル計の底面を示す説明図である。 従来技術における第３の例の超音波レベル計の説明図である。 図１０における超音波レベル計の底面を示す説明図である。

符号の説明

１１ 容器
１２ 被測定媒体
１３ ノズル
１４ 超音波センサ
１５ 圧電振動子
１６ 凹凸部
１７ 穴付板
２１ 温度センサ
２２ 音速演算器
２３ 周波数補正演算器
２４ 送信回路
２５ 距離／レベル演算器
２６ 出力回路
２７ 伝播時間測定器
２８ 受信回路
２９ 送／受切替器
３０ 送受信機。

Claims (11)

1. 容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズルと、
   前記ノズルの基部位置に超音波を発生させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサと、を少なくとも備え、
   前記ノズルの内周面に、前記圧電振動子で発信する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けたことを特徴とする超音波レベル計。
2. 前記段差は、前記ノズルと同一材料で形成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波レベル計。
3. 前記波長λの１／４・λに相当する深さは、前記発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなることを特徴とする請求項１に記載の超音波レベル計。
4. 請求項１に記載の超音波レベル計には、更に、
   温度センサで測定した温度に基づいて音速を計算する音速演算手段と、
   前記音速演算手段により計算された音速から超音波周波数を計算する周波数補正演算手段と、
   前記周波数補正演算手段により計算された超音波周波数で前記超音波センサを駆動させる超音波駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
5. 容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を誘導するための前方開口の円筒形状をしたノズルと、
   前記ノズルの基部位置に超音波を発生させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサと、を少なくとも備え、
   前記ノズルの内周面に、前記圧電振動子で発信する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けた穴付板を取付けたことを特徴とする超音波レベル計。
6. 前記穴付板に設けた前記波長λの１／４・λに相当する深さは、前記発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなることを特徴とする請求項５に記載の超音波レベル計。
7. 請求項５に記載の超音波レベル計には、更に、
   温度センサで測定した温度に基づいて音速を計算する音速演算手段と、
   前記音速演算手段により計算された音速から超音波周波数を計算する周波数補正演算手段と、
   前記周波数補正演算手段により計算された超音波周波数で前記超音波センサを駆動させる超音波駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
8. 容器に収容されている被測定媒体にむけて超音波を発射させる圧電振動子を備えると共に反射してくる超音波を受信する受信手段を備えた超音波センサを、前記被測定媒体の方向に超音波を発射できる位置に配置してなる超音波レベル計であって、
   前記容器を含む超音波が到着する面に、前記圧電振動子で発射する超音波の伝播媒体中における波長λの１／４・λに相当する深さを持つ段差を均等に設けたことを特徴とする超音波レベル計
9. 前記容器を含む超音波が到着する面は、前記圧電振動子を配置している円筒形状のノズルの内周面、容器の内壁、容器の天井、容器内部の梁、容器へ被測定媒体を注排水する注排水口を含む構造物表面の一部或いは全てであることを特徴とする請求項８に記載の超音波レベル計。
10. 前記波長λの１／４・λに相当する深さは、前記発信する超音波の波長λに対して、深さが（１／４＋ｎ／２（ｎ＝０、１、２、・・・））・λとなることを特徴とする請求項８に記載の超音波レベル計。
11. 請求項８に記載の超音波レベル計には、更に、
    温度センサで測定した温度に基づいて音速を計算する音速演算手段と、
    前記音速演算手段により計算された音速から超音波周波数を計算する周波数補正演算手段と、
    前記周波数補正演算手段により計算された超音波周波数で前記超音波センサを駆動させる超音波駆動手段と、
    を備えたことを特徴とする超音波レベル計。
    

Images