JP2008232801A - Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage - Google Patents
Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008232801A JP2008232801A JP2007072324A JP2007072324A JP2008232801A JP 2008232801 A JP2008232801 A JP 2008232801A JP 2007072324 A JP2007072324 A JP 2007072324A JP 2007072324 A JP2007072324 A JP 2007072324A JP 2008232801 A JP2008232801 A JP 2008232801A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- level
- piezoelectric elements
- liquid level
- liquid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
本発明は、超音波トランスジューサ及び超音波レベル計、より詳細には、超音波の伝播時間を利用して容器内の液体の液面レベルなどを計測するための超音波トランスジューサ及び該超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic level meter, and more specifically, an ultrasonic transducer for measuring a liquid level of a liquid in a container using an ultrasonic propagation time, and the ultrasonic transducer. The present invention relates to an equipped ultrasonic level meter.
送受信兼用の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計は、超音波トランスジューサから超音波を送信し、その反射波を受信するまでの時間を計測し、その時間に基づいて対象物までの距離を算出するもので、対象物までの距離を正確かつ容易に計測することができるため、各種用途で利用されている。 An ultrasonic level meter equipped with an ultrasonic transducer for both transmission and reception measures the time taken to transmit an ultrasonic wave from the ultrasonic transducer and receive the reflected wave, and calculates the distance to the object based on that time. Therefore, since the distance to the object can be measured accurately and easily, it is used for various purposes.
貯槽内部の液面が高い位置にある場合（貯槽底面から遠距離にある場合）、液面が近い場合に比べて微弱な波であるため、従来の受信回路では、液面が高い場合であっても十分にエコーを取得するには増幅回路のゲインを高める必要があった。ところが、増幅回路を高ゲインにした場合、駆動残響が指数関数的に減衰しきるところまでの十分な時間が必要となってしまう。すなわち、高い液面まで対応させようとすると、駆動残響時間が長引くために、液面位置が低い場合に液面をとらえることができないという問題があった。 When the liquid level inside the storage tank is at a high position (when it is far from the bottom of the storage tank), the wave is weaker than when the liquid level is close. However, it is necessary to increase the gain of the amplifier circuit in order to obtain sufficient echo. However, when the amplification circuit is set to a high gain, sufficient time is required until the drive reverberation is attenuated exponentially. That is, when trying to cope with a high liquid level, the drive reverberation time is prolonged, so that there is a problem that the liquid level cannot be captured when the liquid level is low.
この問題を解決するために、受信回路をゲイン可変増幅回路で構成し、前回の計測結果で液面位置が低い場合には、低ゲインで反射エコーを検出する方法が考えられる。しかし、この方法では、液面位置が急激に変化するような場合、あるいは計測間隔が非常に長い場合には液面変動に追従できず、安定した計測ができない。 In order to solve this problem, a method is conceivable in which the receiving circuit is configured by a variable gain amplification circuit, and when the liquid level position is low in the previous measurement result, the reflected echo is detected with a low gain. However, with this method, when the liquid level position changes suddenly or when the measurement interval is very long, it is not possible to follow the liquid level fluctuation and stable measurement cannot be performed.
これに対して、特許文献１には、超音波トランスジューサの駆動タイミングを起点として時間に応じて信号の増幅率が大きくなるように制御することにより、残響により検出できない不感帯時間（距離）を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を実現できるようにした技術が開示されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術の場合、信号の増幅率を制御することで、残響により検出できない不感帯時間を調整し、常に安定した残響特性と感度特性を両立させるには限界がある。また貯槽の板厚が大きい場合、信号の増幅率を変化させると共に、超音波トランスジューサに入力するパルス信号の発振時間を変化させることにより、ある程度の残響による不感帯時間（距離）を短く調整できるが、調整にも限界があり、温度や経時変化等を考慮すると、検出マージンが問題となる上、上記調整のタイミングなどの制御が複雑化し、消費電力の増加が余儀なくされるという問題がある。 However, in the case of the technique described in Patent Document 1, there is a limit in adjusting the dead zone time that cannot be detected by reverberation by controlling the signal amplification factor, and always achieving both stable reverberation characteristics and sensitivity characteristics. In addition, when the thickness of the storage tank is large, the dead zone time (distance) due to a certain amount of reverberation can be shortened by changing the signal amplification factor and changing the oscillation time of the pulse signal input to the ultrasonic transducer. There is a limit to the adjustment, and considering the temperature, changes with time, and the like, there is a problem that the detection margin becomes a problem, and the control of the adjustment timing and the like becomes complicated and the power consumption is inevitably increased.
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、液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とする超音波トランスジューサ及び該超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を提供すること、を目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is less affected by reverberation characteristics when the liquid level is low, strong against liquid level changes such as liquid filling, and when the liquid level is low to high An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of stable liquid level measurement with simple control and an ultrasonic level meter equipped with the ultrasonic transducer.
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、容器の底部外壁面に取り付けられ、該容器内部に収容された液体の液面に向けて超音波を送信させると共に、前記液面からの反射波を受信する超音波トランスジューサであって、２つの圧電素子が略同一箇所に配置され、該２つの圧電素子がそれぞれ異なる振動状態により超音波の送受信を行うことを特徴としたものである。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is attached to the bottom outer wall surface of the container, transmits ultrasonic waves toward the liquid surface of the liquid contained in the container, and An ultrasonic transducer that receives reflected waves, wherein two piezoelectric elements are arranged at substantially the same location, and the two piezoelectric elements transmit and receive ultrasonic waves in different vibration states.
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記２つの圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としたものである。 The invention of claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, the two piezoelectric elements are arranged concentrically.
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記２つの圧電素子のうち、送信用圧電素子の機械的共振周波数と、受信用圧電素子の電気的***振周波数とが略等しいことを特徴としたものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the mechanical resonance frequency of the transmitting piezoelectric element and the electrical anti-resonance frequency of the receiving piezoelectric element of the two piezoelectric elements are substantially equal. It is characterized by.
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記容器の底部外壁面と前記２つの圧電素子との間に音響整合層を備え、前記音響整合層の厚みは、前記２つの圧電素子間で一致した共振周波数における音波の波長の１／２の整数倍に音響整合されていることを特徴としたものである。 The invention of claim 4 is the invention of any one of claims 1 to 3, further comprising an acoustic matching layer between the bottom outer wall surface of the container and the two piezoelectric elements, and the thickness of the acoustic matching layer is: The two piezoelectric elements are acoustically matched to an integral multiple of 1/2 of the wavelength of the sound wave at the resonance frequency that coincides between the two piezoelectric elements.
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の領域と、他方の圧電素子が固定された第２の領域とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域との境界にスリットが形成されていることを特徴としたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention of the fourth aspect, the acoustic matching layer includes a first region where one of the two piezoelectric elements is fixed, and the other piezoelectric element is fixed. A second region, and a slit is formed at a boundary between the first region and the second region.
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記音響整合層は、前記２つの圧電素子のうち、一方の圧電素子が固定された第１の部材と、他方の圧電素子が固定された第２の部材とにより一体的に形成され、前記第１の部材と前記第２の部材とがそれぞれ別の材質で構成されていることを特徴としたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the invention, the acoustic matching layer includes a first member to which one of the two piezoelectric elements is fixed, and the other piezoelectric element to which the other piezoelectric element is fixed. The second member is formed integrally with the first member, and the first member and the second member are made of different materials.
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１の発明における超音波トランスジューサと、該超音波トランスジューサにより超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて前記液面の検出動作を制御する制御部とが接続されたことを特徴とする超音波レベル計である。 The invention of claim 7 is based on the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 6 and time information from the time when the ultrasonic wave is transmitted by the ultrasonic transducer to the time when the reflected wave is received. The ultrasonic level meter is connected to a control unit that controls the liquid level detection operation.
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベル以下の場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子のうち、厚み方向に縦振動する一方の圧電素子を駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記厚み方向と直交する方向に横振動する他方の圧電素子で前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。 The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7, wherein, when the level of the liquid surface is equal to or lower than a predetermined level, the control unit longitudinally vibrates in the thickness direction of the two piezoelectric elements during transmission of ultrasonic waves. One piezoelectric element is driven, and when the ultrasonic wave reflected by the liquid surface is received, control is performed so that the ultrasonic wave is received by the other piezoelectric element that laterally vibrates in a direction orthogonal to the thickness direction. It is a feature.
請求項９の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベル及び／又は前記液面の状態に基づいて、前記２つの圧電素子の使用状態を切り換えることを特徴としたものである。 The invention according to claim 9 is the invention according to claim 7, wherein the control unit switches use states of the two piezoelectric elements based on the level of the liquid level and / or the state of the liquid level. It is a thing.
請求項１０の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えている場合、前記液面で反射した超音波の受信時、前記２つの圧電素子を同時に使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。 According to a tenth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the invention, when the level of the liquid surface exceeds a predetermined level, the control unit is configured to receive the two piezoelectric elements upon reception of an ultrasonic wave reflected by the liquid surface. And controlling to receive the ultrasonic wave simultaneously.
請求項１１の発明は、請求項７の発明において、前記制御部は、前記液面のレベルが所定レベルを超えており且つ前記液面の揺れが発生した場合、超音波の送信時、前記２つの圧電素子を同時に駆動させ、前記液面で反射した前記超音波の受信時、前記２つの圧電素子を使用して前記超音波を受信するように制御することを特徴としたものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the seventh aspect of the present invention, when the level of the liquid level exceeds a predetermined level and the fluctuation of the liquid level occurs, Two piezoelectric elements are driven at the same time, and when the ultrasonic waves reflected by the liquid surface are received, control is performed so that the ultrasonic waves are received using the two piezoelectric elements.
本発明によれば、液面レベルの低い場合の残響特性の影響が少なく、液体の充填等の液面変化に強く、液面の低い場合から高い場合まで、簡単な制御で安定した液面計測を可能とし、消費電力の低減を図ることができる。 According to the present invention, the effect of reverberation characteristics when the liquid level is low is small, resistant to liquid level changes such as liquid filling, and stable liquid level measurement with simple control from low to high liquid levels. And power consumption can be reduced.
図１は、本発明の超音波トランスジューサを備えた超音波レベル計を容器に設置した状態の一例を示す図である。図中、１０は超音波トランスジューサ、２０はコントローラ（制御部）、３０は液化ガスや灯油等を収容する貯槽又は容器（以下、容器で代表する）、３１は液面を示す。超音波レベル計は、後述する２つの圧電素子を備えた超音波トランスジューサ１０と、超音波トランスジューサ１０により超音波を送信した時点からその反射波を受信する時点までの時間情報に基づいて液面３１の検出動作を制御するコントローラ２０とで構成される。超音波トランスジューサ１０は、容器３０の外壁底面に図示しないマグネット等により設置され、有線によりコントローラ２０に接続されている。
FIG. 1 is a view showing an example of a state in which an ultrasonic level meter equipped with the ultrasonic transducer of the present invention is installed in a container. In the figure, 10 is an ultrasonic transducer, 20 is a controller (control unit), 30 is a storage tank or container (hereinafter, represented by a container) for storing liquefied gas, kerosene, and the like, and 31 is a liquid level. The ultrasonic level meter includes an
なお、超音波トランスジューサ１０とコントローラ２０との間の通信を無線を介して行うように構成してもよく、この場合、配線の損傷や第三者による故意の切断等による動作不良を回避することが可能となる。
In addition, you may comprise so that communication between the
上記のような構成において、例えば、液体の液面３１を検出しようとする際に、作業者はコントローラ２０を操作して、超音波トランスジューサ１０から超音波ｗを送信し、主に液面３１で反射して戻ってきた反射エコーを受信し、この受信した反射エコーに基づいて液面位置、すなわち液面３１までの液面距離を算出し、さらに算出した液面距離に基づいて容器３０内の液体容量を算出することができる。
In the above configuration, for example, when detecting the
液面３１の高さを検出する際に、超音波トランスジューサ１０は、容器３０の底部壁に向けて上方に超音波ｗを送信する。送信した超音波ｗは、液面３１で反射して戻ってくるが、液面３１の高さに応じて超音波トランスジューサ１０が反射波を受信するまでの遅延時間が異なる。コントローラ２０は、受信した反射波の遅延時間から液面距離を算出するためのデータ、例えば温度や伝播速度（空気又は液体等）に応じた音速データ等を保持しており、このデータに基づいて液面距離を算出する。
When detecting the height of the
図２は、図１に示した超音波トランスジューサ１０の詳細構成例を示す図である。図中、超音波トランスジューサ１０は、振動状態（振動モード）の異なる２つの圧電素子１２，１３を備え、容器３０と圧電素子１２，１３との間に設けられた音響整合層１１により、圧電素子１２，１３が音響整合される。これら２つの圧電素子１２，１３は略同一箇所（本例の場合、同心円状）に配置され、容器３０の底部外壁面に音響整合層１１を介して取り付けられる。そして、２つの圧電素子１２，１３は、それぞれ異なる振動モードにより超音波の送受信を行う。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration example of the
すなわち、超音波トランスジューサ１０には、それぞれ異なる振動モードを有する圧電素子１２，１３が備えられ、本例の場合、圧電素子１２は円板状圧電素子であり、圧電素子１３はリング状圧電素子である。２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２に外部（図１に示したコントローラ２０）より電圧を印加し、この電気信号により電気機械変換された振動による超音波が音響整合層１１へと伝播され、容器３０の壁（板厚部）を透過し、媒質中の既存のＬＰＧなどの液体へと超音波が伝播される。その後、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（図１に示した液面３１）にて全反射した超音波が、再び受信側の超音波トランスジューサ１０の一部であるリング状圧電素子１３で受信される。
That is, the
このように、超音波トランスジューサを構成する２つの圧電素子が略同一な位置で超音波を送受信することができるため、送受信の効率が良く、実装スペースも最小限で済むため、小型コンパクトにすることができ、簡単な制御で消費電力の低減を図ることができる。
また、２つの圧電素子の振動状態の相異により、受信時の残響特性が良く、液面レベルが低い場合でも液面検出が可能となる。
As described above, since the two piezoelectric elements constituting the ultrasonic transducer can transmit and receive ultrasonic waves at substantially the same position, the transmission and reception efficiency is high, and the mounting space is minimized. Therefore, power consumption can be reduced with simple control.
Also, due to the difference in the vibration state of the two piezoelectric elements, the reverberation characteristics at the time of reception are good, and the liquid level can be detected even when the liquid level is low.
図３は、円板状圧電素子１２とリング状圧電素子１３の周波数インピーダンス特性の一例を示す図である。図中、４１は円板状圧電素子１２の周波数インピーダンスで、４２はリング状圧電素子１３の周波数インピーダンスである。図中の点線部において、送信時に縦振動モード（Ａモード）を行う。このＡモードでは円板状圧電素子１２を縦（厚み）方向に機械振動させ、機械的共振周波数ｆ３により超音波を伝播させる。また、受信時に横振動モード（Ｂモード）を行う。このＢモードではリング状圧電素子１３を円板状圧電素子１２の縦振動とは直交関係となる横方向へ広がり振動させる。この際、リング状圧電素子１３の電気的***振周波数ｆ２が、円板状圧電素子１２の機械的共振周波数ｆ３と略同一周波数（ｆ２≒ｆ３）となる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of frequency impedance characteristics of the disk-shaped
このように、送信用圧電素子（円板状圧電素子）の厚み（液面）方向への縦振動による機械的共振周波数ｆ３が、受信用圧電素子（リング状圧電素子）の電気的***振周波数ｆ２とほぼ一致していることで、互いの振動が阻害されることが無く、送受信の効率が良い超音波トランスジューサを提供することができる。 Thus, the mechanical resonance frequency f3 due to longitudinal vibration in the thickness (liquid surface) direction of the transmitting piezoelectric element (disk-shaped piezoelectric element) is the electrical anti-resonant frequency of the receiving piezoelectric element (ring-shaped piezoelectric element). By substantially matching with f2, it is possible to provide an ultrasonic transducer with good transmission and reception efficiency without interfering with mutual vibration.
図４は、音響整合層１１の厚みと２つの圧電素子１２，１３の共振周波数との関係を説明するための図である。ここで、図３において略一致した共振周波数ｆ３≒ｆ２以下の周波数で、ｆ２近傍周波数における共振周波数ｆ（≒ｆ２≒ｆ３）において、音響整合層１１の厚みｔは、この周波数ｆによる音波の波長λのおおよそ１／２の整数倍ｍで音響整合される。
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the thickness of the
すなわち、音響整合層１１の厚みｔは下記の式（１）から求められる。
ｔ＝ｍ・λ／２＝ｍ・｛Ｃ／（２ｆ）｝ …式（１）
但し、ｍ：整数、λ：音響整合層１１を伝搬する音波の波長、Ｃ：音響整合層１１を伝搬する縦波音波の速度、ｆ：２つの圧電素子間の共振周波数とする。例えば、ｍ＝１である場合、厚みｔ＝Ｃ／（２ｆ）の音響整合層となる。
That is, the thickness t of the
t = m · λ / 2 = m · {C / (2f)} Equation (1)
Where m is an integer, λ is the wavelength of the sound wave propagating through the
このように、超音波トランスジューサの音響整合層の厚みが、２つの圧電素子で一致した共振周波数における音波の波長のおおよそ１／２の整数倍に音響整合することで、２つの圧電素子の振動特性を変化させること無く、超音波振動を発生でき、使用帯域内における不要な共振の発生を低減することができる。このため、Ｓ／Ｎが良く、効率の良い送受信特性が確保することができる。 As described above, the thickness of the acoustic matching layer of the ultrasonic transducer is acoustically matched to an integral multiple of approximately 1/2 of the wavelength of the sound wave at the resonance frequency matched by the two piezoelectric elements. The ultrasonic vibration can be generated without changing the frequency, and the occurrence of unnecessary resonance within the use band can be reduced. For this reason, S / N is good and efficient transmission / reception characteristics can be ensured.
図５は、本発明に係る超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。本例における音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２が固定された第１の領域１１１と、リング状圧電素子１３が固定された第２の領域１１２とを備える。そして、第１の領域１１１と第２の領域１１２との境界にスリット１４が形成されている。これにより、音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３の境界で、スリット１４により一定の間隔をおいて分離される。
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the
すなわち、円板状圧電素子１２の外周縁から一定の距離だけ離れた位置に、この外周に沿う形で相似形のリング状スリット１４が形成され、このスリット１４の外周には、さらに一定の距離を隔てて、リング状圧電素子１３が配置される。２つの圧電素子１２，１３は音響整合層１１と接着等により結合され、このスリット１４によって機械的にアイソレーションされた超音波トランスジューサ１０の放射面の構造を有する。図５の構造とすることで、２つの圧電素子１２，１３は、機械的にアイソレーションされ、同一の音響整合層１１に接着剤等で固定されていながら、互いの振動モードによる干渉が抑えられ、異なる振動モードで振動し、超音波の送受信を行うことができる。
That is, a ring-shaped
このように、２つの圧電素子を固定する音響整合層が、圧電素子間の境界においてスリット（溝）で分離されるため、互いに異なる振動モードによる振動位相の微妙なズレを機械的に分離することができる。これにより、残響が少なく、個々の振動を効率良く伝播できるようになるため、消費電力の低減化が図れ、液面検出におけるＳ／Ｎの向上が期待できる。また温度や経時変化、互いの圧電素子振動による機械的なストレスを低減することができる。 As described above, since the acoustic matching layer for fixing the two piezoelectric elements is separated by the slit (groove) at the boundary between the piezoelectric elements, the subtle deviation of the vibration phase due to the different vibration modes can be mechanically separated. Can do. Thereby, since there is little reverberation and it becomes possible to propagate each vibration efficiently, power consumption can be reduced and an improvement in S / N in liquid level detection can be expected. Further, it is possible to reduce mechanical stress due to temperature, change with time, and mutual vibration of piezoelectric elements.
図６は、本発明に係る超音波トランスジューサ１０の他の構成例を示す図である。本例における音響整合層１１は、２つの圧電素子１２，１３のうち、円板状圧電素子１２が固定された第１の部材１１ａと、リング状圧電素子１３が固定された第２の部材１１ｂとにより一体的に形成される。そして、第１の部材１１ａと第２の部材１１ｂとがそれぞれ別の材質で構成されている。
FIG. 6 is a diagram showing another configuration example of the
すなわち、音響整合層１１は、円板状圧電素子１２の外周と、この外周に沿う形で配置された、リング状圧電素子１３の内周との中心線を境界に、それぞれ材質の異なる２つの部材１１ａ，１１ｂが接合部１５で貼り合わされた構造を有する。そして、音響整合層１１の下面には振動モードが互いに異なる圧電素子１２，１３が接着固定され、これら互いに異なる振動モードによる振動を、互いに材質の異なる音響整合層の第１の部材１１ａ，第２の部材１１ｂへと伝播させ、超音波の送受信を行う。
That is, the
このように、２つの圧電素子を固定する音響整合層が、圧電素子間の境界において材質の異なる２つの部材で構成されるため、２つの圧電素子の共振周波数の差（特性差）を緩和でき、更には機械的な振動における互いの干渉が低減できるので、送受信効率がよく、消費電力の低減化が図れ、更には液面検出におけるＳ／Ｎの向上が期待できる。また温度や経時変化、互いの圧電素子振動による機械的なストレスを低減することができる。 As described above, since the acoustic matching layer for fixing the two piezoelectric elements is composed of two members having different materials at the boundary between the piezoelectric elements, the difference in resonance frequency (characteristic difference) between the two piezoelectric elements can be reduced. Furthermore, since mutual interference in mechanical vibration can be reduced, transmission / reception efficiency is good, power consumption can be reduced, and further improvement in S / N in liquid level detection can be expected. Further, it is possible to reduce mechanical stress due to temperature, change with time, and mutual vibration of piezoelectric elements.
図７は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の一例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベル以下の場合、超音波ｗの送信時、２つの圧電素子１２，１３のうち、厚み（液面）方向に縦振動する円板状圧電素子１２を駆動させ、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、厚み方向と直交する方向に横振動するリング状圧電素子１３で超音波ｗを受信するように制御する。
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the liquid level detection process by the ultrasonic level meter of the present invention. This example will be described based on the configuration of the ultrasonic level meter shown in FIGS.
When the level of the
すなわち、図７（Ａ）に示すように、液面レベルが規定のレベルｈｘ以下の場合、特に近距離での残響を考慮して計測する場合、図７（Ｂ）に示すように、２つの圧電素子１２，１３のうち、送信用の縦振動をする円板状圧電素子１２を駆動し、電気機械変換された振動音波が音響整合層１１へ伝播され、これによる超音波ｗ１が、容器３０の壁を透過し、媒質中の液体（ＬＰＧ等）へ送信され、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（液面３１）にて反射し、反射した超音波ｗ２が再び受信側のリング状圧電素子１３で受信される。
That is, as shown in FIG. 7A, when the liquid level is equal to or lower than the prescribed level hx, particularly when measurement is performed in consideration of reverberation at a short distance, as shown in FIG. Of the
超音波ｗ２の受信時において、リング状圧電素子１３は、送信側の円板状圧電素子１２の振動方向と直交関係となる広がり振動（横方向振動）を行い、且つ、共振周波数が円板状圧電素子１２の共振周波数と略一致するようにしている。
When receiving the ultrasonic wave w2, the ring-shaped
このように、液面レベルが規定のレベル以下の場合、特に近距離での残響を考慮して計測する場合、２つの圧電素子のうち、縦振動する一方の圧電素子を駆動し、受信時には、送信側と直交関係となる広がり振動（横方向振動）し且つ上記一方の圧電素子と共振周波数が略一致した他方の圧電素子により、超音波を受信するので、送信側と振動が分離できるため、送信時の圧電素子による残響の影響が低減され、近距離検出における検出マージンを向上させることができる。さらに、送受信を別々の圧電素子にすることで、送受信効率が良く、液面検出におけるＳ／Ｎの向上を図ることができる。 In this way, when the liquid level is below a specified level, particularly when measuring in consideration of reverberation at a short distance, one piezoelectric element that vibrates longitudinally out of the two piezoelectric elements is driven. Since the ultrasonic wave is received by the other piezoelectric element that has a spread vibration (lateral vibration) that is orthogonal to the transmission side and the resonance frequency of the one piezoelectric element is substantially the same, the vibration can be separated from the transmission side. The influence of reverberation due to the piezoelectric element during transmission is reduced, and the detection margin in short-range detection can be improved. Furthermore, by using separate piezoelectric elements for transmission and reception, transmission and reception efficiency is good, and S / N can be improved in liquid level detection.
図８は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベル及び／又は液面３１の状態に基づいて、２つの圧電素子１２，１３の使用状態を切り換える制御を行う。
FIG. 8 is a diagram for explaining another example of the liquid level detection process by the ultrasonic level meter of the present invention. This example will be described based on the configuration of the ultrasonic level meter shown in FIGS.
The
すなわち、図８において、Ａモード（縦振動モード）では円板状圧電素子１２を動作させ、Ｂモード（横振動モード）ではリング状圧電素子１３を動作させる。本例の場合、液面３１のレベル（液面の高さ）や、液面３１の状態（液面の揺れなど）に応じて、超音波の送受信モード（Ａモード，Ｂモード）を使い分ける。
That is, in FIG. 8, the disk-shaped
例えば、通常時においては、送信をＡモード、受信をＢモードにしておき、送信時に円板状圧電素子１２でのみ超音波の送信を行い、受信時にリング状圧電素子１３でのみ超音波の受信を行う。この際、容器３０の内部に媒質（ＬＰＧ等）を充填し、液面レベルがｈｘ以上となり且つ液面３１に揺れが発生したと判断（検出能力が低下）した場合には、超音波の送受信を行う圧電素子のモード（Ａモード，Ｂモード）を切り換えて、使い分けを行う。具体的には、送信の場合、Ａモードの円板状圧電素子１２に加えて、Ｂモードのリング状圧電素子１３を駆動させ、両方の圧電素子で超音波の送信を行い、受信の場合、Ｂモードのリング状圧電素子１３に加えて、Ａモードの円板状圧電素子１２でも受信し、両方の圧電素子で超音波の受信を行う。
For example, in normal times, transmission is set to A mode and reception is set to B mode, ultrasonic waves are transmitted only by the disk-shaped
このように、液面のレベル及び／又は液面の状態に応じて、さらには、温度変化による残響特性、感度特性などに応じて、送受信用の２つの圧電素子の使用状態を切り換える構成とすることで、２つの圧電素子の最適な使い分けが可能となるため、全計測範囲に渡って検出マージンが高く、常に安定した液面検出が可能となる。 As described above, the usage state of the two piezoelectric elements for transmission / reception is switched according to the level of the liquid level and / or the state of the liquid level, and further according to the reverberation characteristics, sensitivity characteristics, etc. due to temperature change. Thus, since the two piezoelectric elements can be optimally used properly, the detection margin is high over the entire measurement range, and stable liquid level detection is always possible.
図９は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベルを超えている場合、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、２つの圧電素子１２，１３を同時に使用して超音波ｗを受信するように制御する。
FIG. 9 is a diagram for explaining another example of the liquid level detection process by the ultrasonic level meter of the present invention. This example will be described based on the configuration of the ultrasonic level meter shown in FIGS.
When the level of the
すなわち、図９（Ａ）に示すように、液面３１のレベルが規定のレベルｈｘを超えた状態で、超音波を送受信する際に、図９（Ｂ）に示すように、超音波の受信時において、振動モードの互いに異なる２つの圧電素子１２，１３を同時に使用する。本例の場合、送信時はＡモードで一方の圧電素子のみで送信し、受信時はＡ＋Ｂモードで両方の圧電素子により受信するように制御される。
That is, as shown in FIG. 9 (A), when transmitting / receiving ultrasonic waves in a state where the level of the
より具体的には、超音波を送信し伝播させる際には、Ａモードの円板状圧電素子１２を駆動し、電気機械変換された振動音波が音響整合層１１へ伝播され、これによる超音波振動が、容器３０の壁を透過し、媒質中の液体（ＬＰＧ等）へ送信され、この媒質中を伝播し、液層と気層との境界面（液面３１）にて反射し、再び受信側のリング状圧電素子１３と円板状圧電素子１２で受信される。
More specifically, when transmitting and propagating the ultrasonic wave, the A-mode disk-shaped
なお、受信時には、互いに振動モードの異なる、Ａモード（円板状圧電素子１２の縦振動）とＢモード（リング状圧電素子１３の横振動）の２つの振動モードによる圧電素子により、ほぼ同時に液面境界で反射し再び戻ってくる超音波を受信する。この際、互いの圧電素子１２，１３の電気的***振周波数がほぼ一致していることと、互いの振動モードが直交関係となることで、図９（Ｂ）に示すように、Ａモード（円板状圧電素子１２）及びＢモード（リング状圧電素子１３）の位相がほぼ揃って縦横に振動する。
At the time of reception, liquids are almost simultaneously applied by piezoelectric elements having two vibration modes, A mode (longitudinal vibration of disc-shaped piezoelectric element 12) and B mode (lateral vibration of ring-shaped piezoelectric element 13), which have different vibration modes. Receives the ultrasonic wave that is reflected at the surface boundary and returns again. At this time, the electrical anti-resonance frequencies of the
このように、液面のレベルが所定レベルを超えた場合、超音波を受信する際、２つの圧電素子を同時に使用し、２つの圧電素子によりほぼ同時に反射音波を受信することで、特に液面が遠い時（遠距離の液面計測時）に超音波信号の減衰による影響が少なく、効率良く超音波を受信することが可能となる。 Thus, when the level of the liquid level exceeds a predetermined level, when receiving ultrasonic waves, two piezoelectric elements are used at the same time, and the reflected sound waves are received almost simultaneously by the two piezoelectric elements. When the distance is long (when measuring the liquid level at a long distance), the influence of attenuation of the ultrasonic signal is small, and it is possible to efficiently receive the ultrasonic wave.
図１０は、本発明の超音波レベル計による液面検出処理の他の例を説明するための図である。本例は図１及び図２に示した超音波レベル計の構成に基づいて説明する。
超音波レベル計のコントローラ２０は、液面３１のレベルが所定レベルを超えており且つ液面３１の揺れが発生した場合、超音波ｗの送信時、２つの圧電素子１２，１３を同時に駆動させ、液面３１で反射した超音波ｗの受信時、２つの圧電素子１２，１３を使用して超音波ｗを受信するように制御する。
FIG. 10 is a diagram for explaining another example of the liquid level detection process by the ultrasonic level meter of the present invention. This example will be described based on the configuration of the ultrasonic level meter shown in FIGS.
The
ずなわち、図１０に示すように、液面３１のレベルが規定のレベル：ｈｘを超え、液面３１の揺れが発生した場合、送信時に２つの圧電素子１２，１３を同時に使用（Ａ＋Ｂモード）し、これらを駆動し、送信パワーを増強させると同時に、受信時に、圧電素子１２，１３を切り換えることなく、２つの圧電素子１２，１３を同時に使用（Ａ＋Ｂモード）することで、液面３１の揺れにより分散され散乱される境界面からの反射音波を効率良く取得する。
In other words, as shown in FIG. 10, when the level of the
このように、液面のレベルが所定レベルを超え、内容液の充填等により液面の揺れが発生した場合、送受信の２つの圧電素子を同時に駆動し、送信パワーを増強させ、液面の揺れ等により分散される反射波の超音波信号を、２つの圧電素子により広い範囲で、しかも効率良く受信できるので、液面に揺れがあっても安定した液面検出が可能となる。 In this way, when the liquid level exceeds a predetermined level and the liquid level fluctuates due to filling of the content liquid, etc., the two piezoelectric elements for transmission and reception are simultaneously driven to increase the transmission power and the liquid level fluctuations. Since an ultrasonic signal of a reflected wave dispersed by the above method can be efficiently received in a wide range by two piezoelectric elements, stable liquid level detection is possible even if the liquid level fluctuates.
１０…超音波トランスジューサ、１１…音響整合層、１１ａ…第１の部材、１１ｂ…第２の部材、１２…圧電素子（円板状圧電素子）、１３…圧電素子（リング状圧電素子）、１４…スリット、１５…接合部、２０…コントローラ、３０…容器、３１…液面、４１…円板状圧電素子の周波数インピーダンス特性、４２…リング状圧電素子の周波数インピーダンス特性、１１１…第１の領域、１１２…第２の領域。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
２つの圧電素子が略同一箇所に配置され、該２つの圧電素子がそれぞれ異なる振動状態により超音波の送受信を行うことを特徴とする超音波トランスジューサ。 An ultrasonic transducer that is attached to the bottom outer wall surface of the container, transmits ultrasonic waves toward the liquid surface of the liquid contained in the container, and receives reflected waves from the liquid surface,
An ultrasonic transducer, wherein two piezoelectric elements are arranged at substantially the same location, and the two piezoelectric elements transmit and receive ultrasonic waves in different vibration states.
前記音響整合層の厚みは、前記２つの圧電素子間で一致した共振周波数における音波の波長の１／２の整数倍に音響整合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波トランスジューサ。 An acoustic matching layer is provided between the bottom outer wall surface of the container and the two piezoelectric elements,
The thickness of the acoustic matching layer is acoustically matched to an integral multiple of ½ of the wavelength of a sound wave at a resonance frequency that matches between the two piezoelectric elements. The ultrasonic transducer according to item.
前記第１の領域と前記第２の領域との境界にスリットが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。 The acoustic matching layer includes a first region in which one of the two piezoelectric elements is fixed, and a second region in which the other piezoelectric element is fixed,
The ultrasonic transducer according to claim 4, wherein a slit is formed at a boundary between the first region and the second region.
前記第１の部材と前記第２の部材とがそれぞれ別の材質で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。 The acoustic matching layer is integrally formed of a first member to which one of the two piezoelectric elements is fixed and a second member to which the other piezoelectric element is fixed,
The ultrasonic transducer according to claim 4, wherein the first member and the second member are made of different materials.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007072324A JP2008232801A (en) | 2007-03-20 | 2007-03-20 | Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007072324A JP2008232801A (en) | 2007-03-20 | 2007-03-20 | Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008232801A true JP2008232801A (en) | 2008-10-02 |
Family
ID=39905779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007072324A Pending JP2008232801A (en) | 2007-03-20 | 2007-03-20 | Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008232801A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101109158B1 (en) * | 2010-01-20 | 2012-02-15 | 주성대학산학협력단 | Ultrasonic transducer and ultrasonic bathe tub for leg |
| DE102011013687A1 (en) * | 2011-03-11 | 2012-09-13 | Continental Automotive Gmbh | Method for calibrating a level sensor |
| US9818926B2 (en) | 2014-07-31 | 2017-11-14 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic device and probe as well as electronic apparatus and ultrasonic imaging apparatus |
| US10811590B1 (en) | 2016-06-23 | 2020-10-20 | Plastipak Packaging, Inc. | Containers with sensing and/or communication features |
| CN112985544A (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-18 | 西安定华电子股份有限公司 | External measuring liquid level system |
| DE102021128380A1 (en) | 2021-10-29 | 2023-05-04 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Ultrasonic sensor for an ultrasonic measuring device and ultrasonic measuring device |
| CN116818047A (en) * | 2023-04-25 | 2023-09-29 | 河北华创测控技术有限公司 | Integrated intelligent ultrasonic liquid level meter |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01102387A (en) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Tokyo Keiki Co Ltd | Wave propagation time measuring device |
| JP2000314651A (en) * | 1999-04-30 | 2000-11-14 | Kinseki Ltd | Method and apparatus for detection of liquid level |
| JP2001194210A (en) * | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Ultrasonic level measuring apparatus |
| JP2001272266A (en) * | 2000-03-27 | 2001-10-05 | Ricoh Elemex Corp | Ultrasonic level gauge |
-
2007
- 2007-03-20 JP JP2007072324A patent/JP2008232801A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01102387A (en) * | 1987-10-16 | 1989-04-20 | Tokyo Keiki Co Ltd | Wave propagation time measuring device |
| JP2000314651A (en) * | 1999-04-30 | 2000-11-14 | Kinseki Ltd | Method and apparatus for detection of liquid level |
| JP2001194210A (en) * | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Ultrasonic level measuring apparatus |
| JP2001272266A (en) * | 2000-03-27 | 2001-10-05 | Ricoh Elemex Corp | Ultrasonic level gauge |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101109158B1 (en) * | 2010-01-20 | 2012-02-15 | 주성대학산학협력단 | Ultrasonic transducer and ultrasonic bathe tub for leg |
| DE102011013687A1 (en) * | 2011-03-11 | 2012-09-13 | Continental Automotive Gmbh | Method for calibrating a level sensor |
| DE102011013687B4 (en) * | 2011-03-11 | 2014-10-09 | Continental Automotive Gmbh | Method for calibrating a level sensor |
| US9818926B2 (en) | 2014-07-31 | 2017-11-14 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic device and probe as well as electronic apparatus and ultrasonic imaging apparatus |
| US10811590B1 (en) | 2016-06-23 | 2020-10-20 | Plastipak Packaging, Inc. | Containers with sensing and/or communication features |
| CN112985544A (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-18 | 西安定华电子股份有限公司 | External measuring liquid level system |
| DE102021128380A1 (en) | 2021-10-29 | 2023-05-04 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Ultrasonic sensor for an ultrasonic measuring device and ultrasonic measuring device |
| CN116818047A (en) * | 2023-04-25 | 2023-09-29 | 河北华创测控技术有限公司 | Integrated intelligent ultrasonic liquid level meter |
| CN116818047B (en) * | 2023-04-25 | 2024-01-12 | 河北华创测控技术有限公司 | Integrated intelligent ultrasonic liquid level meter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10775222B2 (en) | Measurement device and method for determining a fluid flow in a measurement tube | |
| JP2008232801A (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage | |
| US5446332A (en) | Ultrasonic transducer | |
| US7518491B2 (en) | Ultrasonic object detector | |
| US9636709B2 (en) | Ultrasonic generation device | |
| EP2076061B1 (en) | Ultrasonic transducer | |
| JP6172533B2 (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic flow meter having the same | |
| CN102405653B (en) | Ultrasonic probe | |
| JP2007088805A (en) | Ultrasonic radar | |
| JP2012026878A (en) | Ultrasonic device | |
| JP2007067500A (en) | Ultrasonic transceiver | |
| JP3062170B2 (en) | Sound conversion device | |
| WO2012060042A1 (en) | Electronic equipment | |
| JP2012220434A (en) | Object detecting device | |
| CN109211338B (en) | Method and measuring device for determining a fluid quantity | |
| JP5332056B2 (en) | Ultrasonic sensor | |
| JP2010014496A (en) | Mounting structure of ultrasonic sensor | |
| JP2009267510A (en) | Ultrasonic sensor | |
| JP3708226B2 (en) | Flow velocity measuring device | |
| JP2008256597A (en) | Ultrasonic transducer and ultrasonic level gage | |
| JPH1114649A (en) | Flow-rate measuring device | |
| JP2000298045A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
| JP2008294719A (en) | Transducer and its driving method | |
| JP3629481B2 (en) | Ultrasonic vibrator and ultrasonic flow meter using the same | |
| JP2011007764A (en) | Ultrasonic level meter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100305 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110303 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120321 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120807 |