JP2008070388A - 音響による液位検出方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容器内液相中に気相や固相がある場合にも、確実で安定した判定が行える音響による液位検出方法及び装置を提供する。
【解決手段】音響センサ30により、容器1の外から容器内の液位を検出する液位検出装置において、容器の外壁に沿って上下方向に列設され、容器内から発生する数十ヘルツ〜数百キロヘルツの音波を受信する多数の音波受信器301−30nと、これらの多数の音波受信器の受信状況を前記各受信器毎に観測する受信信号観測部8と、前記受信信号観測部の観測結果から液位を判定する液位判定部9とを備える。
【選択図】図13
【解決手段】音響センサ30により、容器1の外から容器内の液位を検出する液位検出装置において、容器の外壁に沿って上下方向に列設され、容器内から発生する数十ヘルツ〜数百キロヘルツの音波を受信する多数の音波受信器301−30nと、これらの多数の音波受信器の受信状況を前記各受信器毎に観測する受信信号観測部8と、前記受信信号観測部の観測結果から液位を判定する液位判定部9とを備える。
【選択図】図13
Description
本発明は、容器の外から音響センサにより容器内の液位を検出する音響による液位検出方法及び装置の改良に関し、特に、圧力タンク内のエチレンの液位等の検出に好適な液位検出方法及び装置に係る。
従来から、容器の外壁面から音響的手段により内部の液位を計測する多くの方法が知られている。まず、(1)特許文献1及び特許文献2では、超音波を入射した壁面の対向側の内壁面反射波を容器内の液相を通して受信し液相の有無を検出するとともに、この対向側内壁面からの反射波のみを受信する工夫により、液位を確実に判定しようとしている。また、(2)特許文献3には、容器の外壁面から容器内液中の斜め上方に向かって超音波を発射し、液面と容器内壁が接するコーナ部から反射して戻ってきた超音波を検出し、その伝播時間から液面を検出することが開示されている。更に、(3)特許文献4及び特許文献5には、超音波センサを設置した側の内壁面からの反射波を受信し、容器内液相の有無による壁内の多重反射波の減衰特性の違いから液位を判定することが開示されている。
上記従来技術(1)や(2)では、超音波が容器内液相中を伝播して対向側の内壁面またはコーナ部で反射して戻ってくることを利用するものであるため、液相中に気相や固相があると、気相または固相によって超音波が散乱・減衰し、対向側の内壁面やコーナ部からの反射波が得られず、確実で安定した液位判定はできない。
また、従来技術(3)では、超音波センサを設置した側の内壁面からの(多重)反射波が液相の存在で大きく減衰することを利用している。しかし、容器の材質がプラスチック系で液体の音響インピーダンスとの差が小さい場合には、容器内の液相により反射波は例えば30%程度に減衰し顕著であるが、容器が鋼材のタンクの場合には、液相の存在によっても94%までしか減衰せず、判定が必ずしも確実ではない欠点がある。
本発明の目的は、容器内液相中に気相や固相がある場合にも、確実で安定した判定が行える音響による液位検出方法及び装置を提供することである。
本発明の望ましい実施態様においては、音響センサにより、容器内の液位を検出する液位検出方法において、容器外壁に配置した数十ヘルツ〜数百キロヘルツ内の音波受信器による音波の受信により、容器内液相中の気相の発生音もしくは気相の破裂音を受信するステップと、この受信信号の有無もしくはこの受信信号の周波数分析,位置評定,相関処理等の信号分析処理結果に基づいて容器内の液位を判定するステップを含むことを特徴とする。
本発明の望ましい他の実施態様においては、音響センサにより、容器の外から容器内の液位を検出する液位検出装置において、容器の外壁に沿って上下方向に列設され、容器内から発生する数十ヘルツ〜数百キロヘルツの音波を受信する多数の音波受信器と、これらの多数の音波受信器の受信状況を前記各受信器毎に観測する受信信号観測部と、前記受信信号観測部の観測結果から液位を判定する液位判定部とを備えたことを特徴とする。
本発明のこれら望ましい実施態様によれば、容器内液相中に気相や固相が存在しても、容器内液位を容器外面から安定して確実に検出することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の一実施例における液位検出方法の原理説明図である。図において、圧力タンク等の容器1内にはエチレン等の液体(液相)2が存在し、その液位は液面21である。超音波送受信器(以下、単にセンサと呼ぶ)3は、図のセンサ31や32で示すように容器外壁に複数個設置され、あるいは1個のセンサが容器外壁に沿って上下方向に移動可能に配置される。センサ3から容器内に向かって、ほぼ水平方向に超音波を送信すれば、センサ3は液相2中の気相4や固相5による散乱反射波Nを受信する。通常エチレンは沸騰しており、多くの気相4が存在する。
図2は、本発明の第1の実施例における液位検出方法による受信波形説明図である。超音波センサ3が容器1内液面21よりも下方に位置する、すなわちセンサ31の位置にあるときの受信波形は、図2(a)液相有りに示すようになり、送信パルスTの後に、最初の内壁面反射波B1以降に、液相2中の気相4や固相5からの散乱反射波N(N1〜N4)が受信される。超音波センサ3を上方に移動して、容器1内液相2の上面21より上の超音波センサ32の位置に移動させると、その受信波形は図2(b)液相無しに示すようになり、内壁面反射波B1及びその多重反射波B2、B3…のみが受信される。従って、超音波センサ3を複数設けるか、あるいは1個のセンサを移動させながら、内壁面反射波B1及びその多重反射波B2、B3…の間に受信する気相4や固相5からの散乱反射波N(N1,N2,N3…)の有無を監視することによって、液相2内に気相4や固相5を含む場合にも、容器1内の液位を検出できる。また、液相2内に気相4や固相5を含まない場合には、対向側の内壁面の反射波Aを検出することで液位を検出できることは言うまでもない。
図3は、容器壁が薄い場合の本発明の第1の実施例における液位検出方法による液相が存在する場合の受信波形説明図である。同図(a)、(b)に示すように、内壁面反射波B1及びその多重反射波B2、B3…の受信時刻以降から、本来対向側の内壁面反射波Aが受信される時刻までの間に受信する液相2中の気相4や固相5による散乱反射波N(N1,N2…)を監視すれば、センサの高さ位置における液相2及び気相4や固相5の有無を検出できるので、同様にして容器1内の液位を判定できる。
図4は、本発明の第一実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図である。超音波センサ3として、多数(N個)のセンサ31,32,…3Nが容器1の壁面に沿って上下方向に列設されている。切替え回路6は、信号処理及び液位判定部9からの切替え信号によって、これらの超音波センサ3群を電気的に切替え、順次タンク1内液相2中の気相4や固相5からの反射波Nを受信する。反射波の受信状況は、超音波送受信部7、受信信号観測部8を介して観測され、信号処理及び液位判定部9にて液位を判定する。
図5は、図4の本発明の第一実施例による液位検出方法の処理フロー図である。まず、ステップ501で感度調整の後、センサ31をONにする初期条件設定を行う。ステップ502では、気相4や固相5からの反射波N波または対向内壁面反射波A波の有無を判断し、無ければステップ503にて次のセンサをONして再びステップ502の判断を行う。これをN波またはA波を検出するまで繰り返し、ステップ504へ進む。ステップ504では、受信したセンサのナンバーすなわち上下方向の位置を確認する。予め設定された複数のセンサの取付位置から、どのセンサが受信したかが分かれば液位を検出できる。これによってステップ505にて液位を判定し、その結果を表示する。
本実施例によれば、順次センサを切替えることによって、気相4や固相5からの反射波Nあるいは対向内壁面反射波Aが無くなりあるいは現れるセンサ位置から、液位を知ることができ、気相4や固相5が多く、対向内壁面反射波Aが得られにくい液体2であっても、確実に液位を判定できる。
図6は、本発明の第二実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図である。図4と同一符号はほぼ同様の機能を持つものであり重複説明は省略する。この実施例においては、センサ3は1個とし、駆動及び位置測定部10で上下方向に駆動するとともにその現在位置を測定する。符号31及び32は、移動した1個のセンサの2つの位置を表すものである。
図7に、図6の本発明の第二実施例における液位判定のフローチャート図を示す。最初、ステップ701において、超音波センサ3を容器外壁面に音響的に接触し、容器内壁面反射波B等を受信して感度など装置の初期設定を行う。次に、ステップ702で、受信波形から容器1内液相2中の気相4や固相5による散乱反射波Nまたは対向内壁面反射波Aの有無を判断する。反射波NまたはAを確認した場合は、ステップ703に進み、超音波センサ3を上方に移動させ、ステップ704にて反射波NやAの消失を確認するまでセンサ3の移動を繰返す。反射波NやAの消失を確認すれば、ステップ705でその時点の超音波センサ位置を駆動及び位置測定部10で測定する。前記ステップ702で、最初から反射波NもAもが無かった場合には、ステップ706に進んで、逆にセンサ3を下方へ移動させる。同様にステップ707で反射波NまたはAの出現を確認するまでセンサ3を移動させ、ステップ705でそのセンサ位置を測定する。この結果によりステップ708にて液位を判定する。
なお、超音波センサ3の移動や位置読み取りは手動、自動いずれでもよい。
以上の図4〜7にて説明した本発明の第一、第二実施例においては、特に、エチレン等の気泡4の多い液相2の液位測定の場合には、散乱反射波Nのみを受信し、対向内壁面反射波Aはタイミング的に受信しないように構成しても、液位判定は十分に可能である。この場合、あらかじめ超音波センサの位置と受信信号情報から真の液位の位置を把握した状態で、データを収集し、その結果により受信パターン情報と判定結果のモデルを作っておき、実際の測定に当っては、このようなモデルデータと比較することで液位を判定するようにすれば、液位をさらに精度良く判定できる。
図8は、本発明の第三実施例による液位検出装置の全体構成ブロック図である。斜角の超音波センサ3を容器外壁面に当て、超音波を容器1内の液面21の下方側(液相側)から液面21方向に向かって送信している。超音波は液面21が容器内壁11と接する境界部(液面コーナ)12すなわち表面張力の接触角で成す液面で反射し、その反射波Rは超音波センサ3(31または32)で受信できる。
図9は、図8の実施例における受信波形説明図である。液面21の位置は、超音波センサ3を上下方向に移動して前記反射波Rの最大受信強度位置において、超音波送信時刻T1から反射波Rを受信する時刻T2までの時間Thと、容器壁内への超音波入射角度θ、容器壁の厚さL及び容器壁材中の超音波音速等から算出できる。たとえば図8に示すように、容器壁中にθ度で超音波を入射すると、超音波入射点位置から液面21までの距離ΔYは、式(1)で算出できる。
ΔY=(tan−1θ)×L …(1)
したがって、液位Pは、センサ位置をP31とすれば、(2)式で求められる。
したがって、液位Pは、センサ位置をP31とすれば、(2)式で求められる。
液位P=P31+ΔY …(2)
この場合、容器内壁面11から液面コーナ12までの距離は無視しているが、必要に応じてこの距離を加味して計算したり校正することもできる。また、超音波を送信した時刻T1から反射波Rを受信するまでの時間Thは、超音波センサ3内の距離とその音速、容器壁中の距離とその音速及び容器内壁面から液面コーナ12までの距離とその音速によって計算できる。
この場合、容器内壁面11から液面コーナ12までの距離は無視しているが、必要に応じてこの距離を加味して計算したり校正することもできる。また、超音波を送信した時刻T1から反射波Rを受信するまでの時間Thは、超音波センサ3内の距離とその音速、容器壁中の距離とその音速及び容器内壁面から液面コーナ12までの距離とその音速によって計算できる。
図10は、図8,9の実施例における処理フローチャートである。ステップ101で初期設定後、ステップ102でセンサ3を液面21より下方から上方に移動させ、ステップ103にてコーナ反射波Rの受信を確認できるまで繰返す。反射波Rを検出すると、ステップ104にて音響センサ3を上下に移動して、ステップ105で反射波Rの振幅がピークを示す位置又は消滅する位置を特定する。内壁11への超音波の到達点が液面コーナ12を過ぎると、コーナ反射波Rは受信できなくなる。したがって、コーナ反射波Rがピークとなる位置又は消滅する位置を液位Pと判定する。ステップ107でセンサ位置P31と距離ΔYから前述のようにして液位Pを判定する。
図11は、本発明による第四実施例の液位検出装置の全体構成ブロック図である。図8と同一符号は殆ど同一機能を持つものであり重複説明は避ける。本実施例では、容器壁中に横波で伝播し、内壁面で一種の縦波にモード変換され、壁面に沿って伝播する波(クリーピング波と呼ばれる)の反射を利用する。本構成では音響センサの種類が異なり、今まで垂直に伝播する超音波を利用していたが、ここでは超音波を特定の角度で斜めに入射する。鋼中への縦波の入射角度θを70〜90度で入射すると、30〜33度の横波が発生する。タンク(容器)1の内壁11に到達した横波は内壁11面に沿って伝播するクリーピング波となる。クリーピング波は液中に漏れ込みながら伝播し、液面21のコーナ12の表面張力による曲線部で反射して散乱し、同じ経路を戻る波を同じセンサ31で受信する。あるいは、散乱した反射波を別のセンサ32で受信しても良い。また、超音波アレイセンサ等を用いて前記コーナ12からの反射波を最適条件で常に効率良く受信しても良い。さらに、液位が上下に揺動する場合や容器内壁面11と液面21の接触角が鈍角になる場合には、超音波を容器1内液相2の液面21の上方側(気相側)から送受信して液位を検出することもできる。
図12は、図11の実施例における液位検出方法の処理フローチャートである。このフローチャートはセンサ31で受信する場合である。ステップ121で初期設定後、ステップ122でセンサ3を液面21より下方から上方に移動させ、ステップ123にてコーナ反射波Rの受信を確認できるまで繰返す。反射波Rを検出すると、ステップ124にて音響センサ3を上下に移動して、ステップ125で反射波Rが消滅する位置を特定する。受信したコーナ反射波はセンサが液面コーナ部に近づくに連れて時間的に速く受信され、内壁面への超音波の到達点がコーナ部を過ぎるとコーナ反射波は受信できなくなる。従ってコーナ反射波が消滅する位置を持って液位と判定する。ステップ126で、コーナ反射波Rが消滅するセンサ位置を測定し、ステップ127でセンサ位置P31と距離ΔYから前述のようにして液位Pを判定する。
図13は、本発明による液位検出装置の第五実施例の全体構成ブロック図である。本構成の音響センサ30は、数十ヘルツ〜数百キロヘルツ内の音波受信器で、容器1の内部で発生する気相4の破裂音や発生音を受信するのみで、自身では音波を発生しない。この実施例においても類似物の重複説明は避ける。これまでの実施例と構成は似ているが、異なるのは受信のみのセンサ30(301,302、…30N)のほか、超音波送受信部7に代えて単なる音波受信部70で良く、またセンサ30の各位置における受信信号の基準パターンを蓄積したデータ13を用意している。
図14は、本発明の第五実施例による液位検出方法の処理フローチャートである。ステップ141で初期設定を行い、ステップ142で受信信号を取り込む。ステップ143では、受信信号を前記の基準パターン13のどれかに合致するかどうかを照合し、合致しなければステップ145で次のセンサに切替える。合致すればステップ146にて仮の水位として判定し、ステップ147ですべてのセンサでの終了を確認する。そしてステップ148にて最終水位の判定を行い、結果を表示する。このように、センサ301〜30Nを切替えて受信信号を受信する度に前記の基準パターン13のどれかに合致するかどうかを照合し、合致すれば仮の水位として判定し、最終的には全部のセンサの受信信号の合致状況を総合的に判断して水位を決定している。水位決定に当っては、水位の付近に設置した2個以上のセンサの受信信号パターンが基準パターンとほぼ合致することを確認することが望ましい。このとき、受信信号に対して、破裂音発生位置の位置標定、相関処理、周波数分析等の処理法を適用しても良い。
以上の実施例において、容器が高温あるいは低温状態にある場合には、高温用及び低温用の音響センサを使い分けて液位を検出することもできる。
以上の実施例によれば、容器内液相中に発生する気相や固相からの反射波並びに容器内液面と内壁面との境界部(液面コーナ)からの反射波を検出して液位を検出することにより、容器内の液相中に気相や固相が存在し、対向する容器の内壁面からの反射波を得にくい場合にも、液位を容器外面から安定・確実かつ簡単な構成で検出することができる。
1…容器、2…液相、21…液面、3,31,32,3N…超音波送受信器(超音波センサ)、30,301,302,30N…音波受信器(受信のみの音波センサ)、4…気相、5…固相、6…切替え回路、7…超音波送受信部、70…音波受信部、8…受信信号観測部、9…信号処理及び液位判定部、10…駆動及び位置測定部、11…容器内壁、12…境界部(液面コーナ)、13…受信信号の基準パターン蓄積データ、T…送信波、A…対向する容器内壁からの反射波、B…送受信器を配置した容器壁の内壁からの反射波、N…気相や固相からの反射波、R…境界部(液面コーナ)からの反射波。
Claims (2)
- 音響センサにより、容器内の液位を検出する液位検出方法において、容器外壁に配置した数十ヘルツ〜数百キロヘルツ内の音波受信器による音波の受信により、容器内液相中の気相の発生音もしくは気相の破裂音を受信するステップと、この受信信号の有無もしくはこの受信信号の周波数分析,位置評定,相関処理等の信号分析処理結果に基づいて容器内の液位を判定するステップを含むことを特徴とする音響による液位検出方法。
- 音響センサにより、容器の外から容器内の液位を検出する液位検出装置において、容器の外壁に沿って上下方向に列設され、容器内から発生する数十ヘルツ〜数百キロヘルツの音波を受信する多数の音波受信器と、これらの多数の音波受信器の受信状況を前記各受信器毎に観測する受信信号観測部と、前記受信信号観測部の観測結果から液位を判定する液位判定部とを備えたことを特徴とする音響による液位検出装置。
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