JP3482167B2 - Ultrasonic level meter - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波送受信器か
ら超音波を発信し、反射面で反射された超音波を超音波
送受信器で受信し、超音波を発信してから反射波を受信
するまでに要した時間をもとに反射面のレベルを検出す
るように構成された超音波レベル計に関し、特に、前記
超音波送受信器が反射波を受信するまでに要した時間を
もとに反射面のレベルを検出するための演算方式の改善
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to transmitting an ultrasonic wave from an ultrasonic transmitter / receiver, receiving the ultrasonic wave reflected by a reflecting surface with the ultrasonic transmitter / receiver, and transmitting the ultrasonic wave and then receiving a reflected wave. The ultrasonic level meter is configured to detect the level of the reflecting surface based on the time required to perform, especially based on the time required for the ultrasonic transceiver to receive the reflected wave. The present invention relates to improvement of a calculation method for detecting the level of a reflecting surface.

【０００２】[0002]

【従来の技術】図６は従来の超音波レベル計の一例を示
す図である。駆動回路１０は、トランスＴを介して、数
十ＫＨｚの駆動周波数fdで１ＫＶ_P-P〜２ＫＶ_P-P程度の
パルス列駆動信号を出力する。このパルス列駆動信号
は、ダイオード回路Ｄを介して超音波送受信器（圧電素
子が使用される例が多いため、以後圧電素子という）２
０に印加される。2. Description of the Related Art FIG. 6 is a diagram showing an example of a conventional ultrasonic level meter. Drive circuit 10 through the transformer T, and outputs a pulse train driving signal of about 1KV _PP ~2KV _PP tens KHz drive frequency fd. This pulse train drive signal is transmitted via the diode circuit D to an ultrasonic wave transmitter / receiver (hereinafter, referred to as a piezoelectric element because a piezoelectric element is often used).
Applied to zero.

【０００３】圧電素子２０は、この駆動信号に応じて超
音波信号を送信すると共に反射した超音波を受信するセ
ンサとして働くもので、例えばＰＺＴ等が用いられる。
圧電素子２０で受信されたエコー信号はダイオード回路
Ｄを介して受信回路３０に入力され、その後信号処理回
路３２に入力される。The piezoelectric element 20 functions as a sensor that transmits an ultrasonic signal in response to the drive signal and receives the reflected ultrasonic wave, and for example, PZT or the like is used.
The echo signal received by the piezoelectric element 20 is input to the receiving circuit 30 via the diode circuit D and then to the signal processing circuit 32.

【０００４】信号処理回路３２は、図７に示すように、
圧電素子２０から超音波Ｐ１が発生してエコー波Ｐ２が
到達するまでの時間Ｔ１を計測し、被反射物体までの距
離（Ｌx）を算出する。The signal processing circuit 32, as shown in FIG.
The time T1 from the generation of the ultrasonic wave P1 to the arrival of the echo wave P2 from the piezoelectric element 20 is measured, and the distance (Lx) to the reflected object is calculated.

【０００５】この場合、エコー信号の到達時刻は次のよ
うに定めている。エコー信号には通常ノイズ成分が含ま
れている。そのノイズ成分の影響を避けるために、ある
しきい値Ｖthを設け、そのしきい値とエコー信号が交差
する点をもってエコー波の到達時刻と定めている。そし
て、上記しきい値は、図８に示すように、全波整流した
エコー波のエンベロープのピーク値を基準化し、その基
準値から割り出した値を用いている。In this case, the arrival time of the echo signal is determined as follows. The echo signal usually contains a noise component. In order to avoid the influence of the noise component, a certain threshold Vth is provided, and the point at which the threshold and the echo signal intersect is defined as the arrival time of the echo wave. Then, as the threshold value, as shown in FIG. 8, the peak value of the envelope of the echo wave subjected to the full-wave rectification is standardized, and the value calculated from the standard value is used.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の超音波レベル計では、次のような課題があっ
た。 １）しきい値は余裕を見てノイズ成分の２倍以上となる
ような大きな値に設定しているため、求めたエコー波到
達時間は正確でなく、実際の到達時間より長めになる。 ２）上記全波整流したエコー波のエンベロープのピーク
値は「信号＋ノイズ」の値であり、ノイズが大きくなる
と直接誤差要因となる。 ３）Ｓ／Ｎ比を改善するためにデータを複数回（ｎ回）
測定加算した場合、一般には統計計算上ｎの平方根（こ
こでは、√ｎのように表す）の改善値となる。これは、
値の増加が２乗で、測定時間の増加を意味する。それゆ
え現実的には大幅な改善は無理である。However, such a conventional ultrasonic level meter has the following problems. 1) Since the threshold value is set to a large value which is twice or more the noise component with a margin, the calculated arrival time of the echo wave is not accurate and is longer than the actual arrival time. 2) The peak value of the envelope of the above-mentioned full-wave rectified echo wave is the value of "signal + noise", and if the noise becomes large, it becomes a direct error factor. 3) Data multiple times (n times) to improve S / N ratio
When measured and added, it is generally an improved value of the square root of n (expressed as √n here) in statistical calculation. this is,
The increase in value is squared, which means an increase in measurement time. Therefore, in reality, significant improvement is impossible.

【０００７】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、エコー波全体を積分してその積分波形から最大エ
ネルギー位置をピーク値として求め、このピーク値に関
連して高感度で距離演算できるようにした超音波レベル
計を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems. The whole echo wave is integrated, the maximum energy position is obtained as a peak value from the integrated waveform, and the distance calculation is performed with high sensitivity in relation to this peak value. It is to provide an ultrasonic level meter that can be used.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１の発明では、超音波送受信器をパル
ス駆動して超音波を発生させ、反射面からのエコー波を
受信し、超音波の発信からエコー波の受信までに要した
時間をもとに反射面のレベルを求めるように構成された
超音波レベル計において、前記超音波送受信器の駆動信
号と同相およびこれより四半周期ずれた位相の信号でエ
コー信号をそれぞれ同期積分する２相同期積分回路と、
この２相同期積分回路の２つの出力に対してそれぞれ移
動平均化処理、移動差微分処理および正規化処理を行な
い、その処理後の２つの信号を合成した合成波形のピー
ク値に対応してしきい値を得、そのしきい値に基づいて
超音波の発信からエコー波の受信までに要した時間を求
め、反射面のレベルを算出する機能を有した演算回路を
具備したことを特徴とする。In order to achieve such an object, in the invention of claim 1, the ultrasonic wave transmitter / receiver is pulse-driven to generate an ultrasonic wave, and the echo wave from the reflecting surface is received. In an ultrasonic level meter configured to obtain the level of the reflecting surface based on the time required from the transmission of ultrasonic waves to the reception of echo waves, in-phase with the drive signal of the ultrasonic transceiver and quarter A two-phase synchronous integrator circuit that synchronously integrates echo signals with signals having a phase shifted from each other,
Moving averaging processing, moving difference differentiating processing and normalizing processing are respectively performed on the two outputs of the two-phase synchronous integrator circuit, and the two values after the processing are combined to correspond to the peak value of the combined waveform. A threshold value is obtained, the time required from the transmission of ultrasonic waves to the reception of echo waves is obtained based on the threshold value, and the arithmetic circuit having the function of calculating the level of the reflecting surface is provided. .

【０００９】このような構成においては、２相同期積分
回路により、エコー波に重畳したノイズ成分を除去した
計測が実現でき、エコー波振幅を高感度に測定すること
ができる。In such a configuration, the two-phase synchronous integrator circuit can realize the measurement with the noise component superimposed on the echo wave removed, and the echo wave amplitude can be measured with high sensitivity.

【００１０】そして演算回路により、２つの同期積分信
号について、移動平均化処理、超音波の送信時間幅を移
動差とした移動差微分処理、同期積分出力の正負を正規
化した処理等を行ない、このような処理の結果得られる
２つの波形を合成し、この合成波形に基づいてエコー波
の到達時間を求め、反射面のレベルを算出することがで
きる。特に、合成波形からエコー波の到達時間を求める
際、合成波形の到達時刻を求めるためのしきい値をこの
合成波形のピーク値に対応した値に設定することが特徴
である。The arithmetic circuit performs a moving averaging process, a moving difference differentiating process using the ultrasonic transmission time width as a moving difference, a process of normalizing the positive and negative of the synchronous integrated output, and the like for the two synchronous integrated signals. It is possible to combine the two waveforms obtained as a result of such processing, obtain the arrival time of the echo wave based on the combined waveform, and calculate the level of the reflecting surface. In particular, when the arrival time of the echo wave is obtained from the composite waveform, the threshold value for obtaining the arrival time of the composite waveform is set to a value corresponding to the peak value of the composite waveform.

【００１１】この場合、移動平均化処理は、請求項２の
ように５セル分の移動平均とする。また、移動差微分処
理は、請求項３のように、前記移動平均化処理後の波形
について次式の演算により行われる。 (1) 前記超音波送受信器が１６パルス駆動のときは ｊn＝ｄn−ｄ（ｎ−１２） (2) 前記超音波送受信器が６４パルス駆動のときは ｊn＝ｄn−ｄ（ｎ−４６）In this case, the moving average processing is a moving average for 5 cells as claimed in claim 2. Further, the moving difference differentiating process is performed by calculating the following equation for the waveform after the moving averaging process, as in the third aspect. (1) jn = dn-d (n-12) when the ultrasonic transceiver is driven by 16 pulses (2) jn = dn-d (n-46) when the ultrasonic transceiver is driven by 64 pulses

【００１２】また、請求項４のように、移動差微分処理
後の波形が負の場合は、正規化処理により正の波形とな
るように処理する。前記しきい値は、合成波形の適宜の
分圧比としてよいが、例えば請求項５のように合成波形
のピーク値の１／２にしてもよい。When the waveform after the movement difference differentiation process is negative as in claim 4, the normalization process is performed so that the waveform becomes a positive waveform. The threshold value may be an appropriate voltage division ratio of the combined waveform, but may be ½ of the peak value of the combined waveform, as in claim 5.

【００１３】そして、実際にエコー波が到達した時刻
は、請求項６のように、そのしきい値と一致した合成波
形のセル位置から所定のセル数だけバックした位置とす
る。この場合、バックするセル数は超音波送受信器の駆
動パルス数に対応し、請求項７のように、超音波送受信
器が１６パルス駆動のときは６セル、超音波送受信器が
６４パルス駆動のときは２３セルとする。Then, the time when the echo wave actually arrives is set at a position back by a predetermined number of cells from the cell position of the composite waveform that matches the threshold value, as in claim 6. In this case, the number of cells to be backed corresponds to the number of drive pulses of the ultrasonic transmitter / receiver, and when the ultrasonic transmitter / receiver is 16 pulse drive, the number of cells is 6 cells, and the ultrasonic transmitter / receiver is 64 pulse drive. In this case, 23 cells are used.

【００１４】[0014]

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係る超音波レベル計の一実施
例を示す構成図である。図において、図６と同等のもの
は同一符号を付し、その説明は省略する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an ultrasonic level meter according to the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG.

【００１５】受信回路３０は、プリアンプＡ１と、Ｄ／
Ａ変換器ＤＡＣと、メインアンプＡ２が直列接続された
ものである。プリアンプＡ１は圧電素子２０からのエコ
ー信号を受けるが、圧電素子２０に与えられた駆動信号
の影響を取り除くようにして信号を受信する。The receiving circuit 30 includes a preamplifier A1 and D /
The A converter DAC and the main amplifier A2 are connected in series. The preamplifier A1 receives the echo signal from the piezoelectric element 20, but receives the signal so as to remove the influence of the drive signal applied to the piezoelectric element 20.

【００１６】Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、デジタル・アナロ
グ変換処理と共に、プリアンプＡ１から入力された波形
信号に対して時間経過と共にゲインを上げて行くＴＶＧ
（Time Variable Gain）処理も行なうことができるよ
うに構成されている。このＴＶＧ処理は、超音波信号の
時間に比例した（換言すれば、距離に比例した）減衰を
補償する処理である。The D / A converter DAC is a TVG that increases the gain of the waveform signal input from the preamplifier A1 with time along with the digital-analog conversion processing.
(Time Variable Gain) processing is also configured to be performed. The TVG process is a process of compensating for the attenuation of the ultrasonic signal in proportion to the time (in other words, in proportion to the distance).

【００１７】メインアンプＡ２は、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣ
の信号を受信して適宜に増幅し、その出力を２相同期積
分回路４０に与えている。The main amplifier A2 is a D / A converter DAC.
Signal is received, amplified as appropriate, and its output is given to the two-phase synchronous integration circuit 40.

【００１８】２相同期積分回路４０は、Ｘ位相積分部分
４１、Ｙ位相積分部分４２より構成される。Ｘ位相積分
部分４１は、第１の同期積分回路とも呼ばれ、フリップ
フロップ、X位相側スイッチ、Ｘ位相積分回路およびＡ
／Ｄ変換器で構成される。Ｙ位相積分部分４２は、第２
の同期積分回路とも呼ばれ、フリップフロップ、Ｙ位相
側スイッチ、Ｙ位相積分回路およびＡ／Ｄ変換器で構成
される。The two-phase synchronous integration circuit 40 is composed of an X phase integration part 41 and a Y phase integration part 42. The X phase integration portion 41 is also called a first synchronous integration circuit, and includes a flip-flop, an X phase side switch, an X phase integration circuit and an A phase integration circuit.
It is composed of a / D converter. The Y phase integration part 42 is
It is also called a synchronous integrator circuit, and is composed of a flip-flop, a Y phase side switch, a Y phase integrator circuit, and an A / D converter.

【００１９】なお、フリップフロップには駆動回路１０
の出力が印加され、Ｐ出力がＸ位相側スイッチに印加さ
れ、Ｑ出力がＹ位相側スイッチに印加される。Ｐ出力と
Ｑ出力は、位相が四半周期ずれたもので、オンオフのデ
ューティ比はいずれも５０％になっている。The flip-flop has a driving circuit 10
Is applied, the P output is applied to the X phase side switch, and the Q output is applied to the Y phase side switch. The P output and the Q output are out of phase with each other by a quarter cycle, and the on / off duty ratios thereof are both 50%.

【００２０】これにより、上記第１の同期積分回路４１
では、圧電素子２０を駆動する駆動周波数の位相（これ
を第１の位相と呼ぶ）でエコー信号が同期積分され、そ
の積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変換して出
力される。他方、上記第２の同期積分回路４２では、前
記第１の位相とは四半周期離れた第２の位相で同期積分
され、その積分値（これを積分値Ｘと呼ぶ）はＡ／Ｄ変
換して出力される。なお、エコー波に重畳するノイズ信
号は一般的に正負の領域をランダムに持っており、上記
の積分によりこのノイズ成分は除去される。As a result, the first synchronous integration circuit 41 described above is provided.
Then, the echo signal is synchronously integrated at the phase of the drive frequency that drives the piezoelectric element 20 (this is called the first phase), and the integrated value (this is called the integrated value X) is A / D converted and output. To be done. On the other hand, in the second synchronous integration circuit 42, synchronous integration is performed at a second phase that is a quarter cycle away from the first phase, and the integrated value (this is called an integrated value X) is A / D converted. Is output. The noise signal superimposed on the echo wave generally has positive and negative regions at random, and this noise component is removed by the above integration.

【００２１】演算回路５０は、圧電素子２０から超音波
を発生する時点からエコー波の到達までの時間を計測す
る２相同期積分回路４０からの時系列の各積分値Ｘおよ
びＹをそれぞれ記憶手段（図示せず）に記憶し、その後
これらのデータに対して移動平均化処理や移動差微分処
理等の各種処理を行なってエコー信号の振幅を求め、こ
れから被反射物体までの距離を求める。なお、受信回路
３０のＤＡＣのＴＶＧ機能の制御も演算回路５０で行な
うようになっている。The arithmetic circuit 50 stores the time-series integrated values X and Y from the two-phase synchronous integration circuit 40 for measuring the time from the time when the ultrasonic wave is generated from the piezoelectric element 20 to the arrival of the echo wave. The data is stored in a memory (not shown), and then various types of processing such as moving averaging processing and moving difference differentiating processing are performed on these data to obtain the amplitude of the echo signal, and the distance from this to the reflected object. The arithmetic circuit 50 also controls the TVG function of the DAC of the receiving circuit 30.

【００２２】このような構成において、同期積分値から
距離を求めるまでの演算について、各部の更に詳細な機
能の説明も含めて次に説明する。２相同期積分回路４０
ではエコー波全体にわたって積分を行なう。演算回路５
０では、２相同期積分回路４０で得られたＸ側とＹ側の
積分波形（１セルごとの離散データが連続したもの）に
対し、滑らかな波形とするための移動平均化処理を行な
う。なお、セルとは、ここでは、上記積分値の計測ワン
ステップの時間幅を指す。In such a configuration, the calculation from the synchronous integral value to the distance calculation will be described below, including a more detailed description of the function of each unit. Two-phase synchronous integration circuit 40
Then, the integration is performed over the entire echo wave. Arithmetic circuit 5
At 0, the moving average processing for smoothing the X-side integrated waveform and the Y-side integrated waveform (discrete discrete data for each cell) obtained by the two-phase synchronous integration circuit 40 is performed. Here, the cell refers to a time width of one step of measuring the integrated value.

【００２３】上記移動平均化処理とは、下式のように、
元積分波形（Ａ／Ｄ変換器の直接出力値波形）において
両隣の２セル分を含む５セル分を平均化する処理であ
る。 ｄn＝Δ（ｎ−２）＋Δ（ｎ−１）＋Δｎ＋Δ（ｎ＋１）＋Δ（ｎ＋２） ……(1) ここに、 ｄnはｎ番目データの移動平均化処理データ Δｎは元積分波形のｎ番目のデータ Δ（ｎ−１），Δ（ｎ−２），Δ（ｎ＋１），Δ（ｎ＋
２）は元積分波形のｎ番目データの両隣２セル分の各デ
ータ である。The moving averaging process is as follows:
This is a process of averaging 5 cells including 2 cells on both sides of the original integral waveform (direct output value waveform of the A / D converter). dn = Δ (n−2) + Δ (n−1) + Δn + Δ (n + 1) + Δ (n + 2) (1) where dn is the moving average processing data Δn of the nth data Data Δ (n-1), Δ (n-2), Δ (n + 1), Δ (n +
2) is each data for two cells on both sides of the n-th data of the original integrated waveform.

【００２４】図２は元積分波形と移動平均化処理後の積
分波形Ｍとの対比図である。横軸は経過時間、縦軸は積
分値（digit）である。FIG. 2 is a comparison diagram of the original integrated waveform and the integrated waveform M after the moving average processing. The horizontal axis is the elapsed time, and the vertical axis is the integrated value (digit).

【００２５】次に演算回路５０は、図３（ａ）に示す積
分波形Ｍについて移動差微分を行ない、同図（ｂ）のよ
うなピーク値（Peak値）波形を得る。なお、ここでの移
動差微分は次式による。 ｊn＝ｄn−ｄ（ｎ−１２） ……(2) ｊn＝ｄn−ｄ（ｎ−４６） ……(3) ただし、(2)式は圧電素子２０を１６パルスで駆動した
とき、(3)式は圧電素子を６４パルスで駆動したときで
ある。Next, the arithmetic circuit 50 carries out a moving difference differentiation on the integrated waveform M shown in FIG. 3A to obtain a peak value (Peak value) waveform as shown in FIG. In addition, the movement difference differentiation here is based on the following equation. jn = dn−d (n−12) (2) jn = dn−d (n−46) (3) However, the formula (2) is obtained when the piezoelectric element 20 is driven by 16 pulses, (3) ) Is when the piezoelectric element is driven by 64 pulses.

【００２６】続いて、図３（ｃ）に示すように、有極加
算のための正規化を行なう。すなわち、移動差微分波形
ｋnのピーク値を検索し、正ならばそのまま、負ならば
その波形全体に−１を乗じ、図３（ｃ）のＹ側波形のよ
うにピーク値を正にする。Then, as shown in FIG. 3C, normalization for polar addition is performed. That is, the peak value of the movement difference differential waveform kn is searched for, if it is positive, it is unchanged, and if it is negative, the entire waveform is multiplied by -1, and the peak value is made positive as in the Y-side waveform of FIG. 3C.

【００２７】その後、Ｘ側，Ｙ側の正規化した波形デー
タを単純加算して合成波形を求め、次の方式により距離
計算を行なう。図４に示すように合成波形の最大位置を
Ｓm（時刻）、そのときの値（digit）がｋmであったと
する。そして、これを所定比で分圧し、その値をしきい
値とする。例えば、ｋmの１／２の値をしきい値ｋpとす
る。After that, the normalized waveform data on the X side and the Y side are simply added to obtain a composite waveform, and the distance is calculated by the following method. As shown in FIG. 4, it is assumed that the maximum position of the composite waveform is Sm (time) and the value (digit) at that time is km. Then, this is divided by a predetermined ratio, and the value is set as a threshold value. For example, the value of 1/2 of km is set as the threshold value kp.

【００２８】このしきい値ｋpに対応する時刻Ｓpは演算
値であるため、必ずしもＡ／Ｄ変換で求めた積分値のセ
ル位置とは一致しない。そこで、次のようにして時刻Ｓ
pを求める。Since the time Sp corresponding to the threshold value kp is a calculated value, it does not always coincide with the cell position of the integrated value obtained by A / D conversion. Therefore, the time S
Find p.

【００２９】図５に示すように、ｋpに最も近いセル位
置Ｓnのdigitをｋn（ただし、ｋn≦ｋp）、そしてＳn，
ｋnに対して１つ上位のセル位置とdigitをＳ(n+1)，ｋ
(n+1)とすると、ＳnからＳpまでの時間ΔＳは次式から
求められる。 ΔＳ＝（ｋp−ｋn）×［Ｓ(n+1)−Ｓn］／［ｋ(n+1)−
ｋn］As shown in FIG. 5, the digit at the cell position Sn closest to kp is kn (where kn≤kp), and Sn,
The cell position and digit one higher than kn are S (n + 1), k
Assuming (n + 1), the time ΔS from Sn to Sp can be obtained from the following equation. ΔS = (kp−kn) × [S (n + 1) −Sn] / [k (n + 1) −
kn]

【００３０】さて、距離Ｌxの基準点（エコー信号が到
達した時刻）となるセル位置ＳＬは、移動差微分処理後
の波形から求めた時刻Ｓpに対して２３セル分（圧電素
子２０を６４パルスで駆動した場合、２３セル分。１６
パルス駆動の場合は６セル分。）時間軸をバックした位
置であり、これを演算により算出する。The cell position SL, which is the reference point of the distance Lx (the time when the echo signal arrives), is 23 cells (64 pulses of the piezoelectric element 20 for 64 pulses with respect to the time Sp obtained from the waveform after the movement difference differentiating process). 23 cells when driven by 16
6 cells for pulse drive. ) This is the position back on the time axis, which is calculated by calculation.

【００３１】このように本発明では、エコー波の全体を
積分し、その積分波形から最大エネルギー位置をピーク
とし、これから距離を算定するようにしている。本発明
ではＳ／Ｎ比が良く高感度に距離測定ができるため、特
に被測定物面の反射係数が極度に悪いようなときに効果
がある。As described above, in the present invention, the whole echo wave is integrated, and the maximum energy position is peaked from the integrated waveform, and the distance is calculated from this. Since the present invention has a good S / N ratio and can measure distance with high sensitivity, it is particularly effective when the reflection coefficient of the surface of the object to be measured is extremely bad.

【００３２】また、本発明では、エコー信号を積分しそ
の積分波形に基づき距離演算するため、アンプにはこと
さらシールディングや低ノイズ対策を必要としない。プ
リント板に配置される汎用のアンプが利用でき、安価な
構成とすることができる。Further, according to the present invention, since the echo signal is integrated and the distance is calculated based on the integrated waveform, the amplifier does not need any shielding or low noise countermeasures. A general-purpose amplifier arranged on the printed board can be used, and the cost can be reduced.

【００３３】なお、個々のデータにバラツキが大きい場
合はデータを重ねて距離計算を行なう。例えば２００ｍ
Ｓごとの素データを１６回集積し、距離計算するように
してもよい。データを重ねてもこの場合ノイズは増加し
ない。したがって、データをｎ回重ねるとＳ／Ｎ比はｎ
倍改善される。When there is a large variation in individual data, the data is overlaid to calculate the distance. For example, 200m
The raw data for each S may be accumulated 16 times to calculate the distance. In this case, the noise does not increase even if the data is overlaid. Therefore, if the data is repeated n times, the S / N ratio will be n.
Doubled.

【００３４】なお、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。The above description merely shows specific preferred embodiments for the purpose of explaining and exemplifying the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and many modifications are made without departing from the essence thereof.
It also includes deformation.

【００３５】[0035]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果がある。 （１）２相同期積分により、ノイズ成分が除去されたエ
コー波のみを取出して、そのエコー波全体についての積
分波形から最大エネルギー位置を検出し、そのピーク値
からエコー波到達時間およびエコー波反射面のレベルを
算出するため、Ｓ／Ｎ比の良い高感度の測定ができる。As described above, the present invention has the following effects. (1) Only the echo wave from which the noise component has been removed is extracted by two-phase synchronous integration, the maximum energy position is detected from the integrated waveform of the entire echo wave, and the echo wave arrival time and echo wave reflection are detected from the peak value. Since the surface level is calculated, highly sensitive measurement with a good S / N ratio can be performed.

【００３６】（２）ノイズ成分の除去されたエコー信号
が測定できるので、データをｎ回重ねてもノイズは増加
せず、Ｓ／Ｎ比を容易にｎ倍に改善することができ、感
度アップが容易である。従来の超音波レベル計でデータ
をｎ回測定加算してもＳ／Ｎ比を√ｎ以上に良くするこ
とは現実的に無理であるのに比べ、本発明では容易に√
ｎ以上のｎ倍のＳ／Ｎ比に改善することができる。(2) Since the echo signal from which the noise component is removed can be measured, the noise does not increase even if the data is repeated n times, the S / N ratio can be easily improved to n times, and the sensitivity is improved. Is easy. Even if the conventional ultrasonic level meter measures and adds data n times, it is practically impossible to improve the S / N ratio to √n or more.
It is possible to improve the S / N ratio to n times or more.

【００３７】例えば、Ｓ／Ｎ比を１／１０（換言すれ
ば、−２０ｄＢ）に改善したい場合、従来は１００回の
測定を要したが、本発明では１０回の測定で済む。ま
た、１／１００（−４０ｄＢ）に改善したい場合、従来
のものでは１００００回の測定（超音波の伝達時間を考
慮すると１００００回の測定は現実的でない）が必要で
あるのに対し、本発明では１００回の測定で済む。For example, when it is desired to improve the S / N ratio to 1/10 (in other words, -20 dB), 100 times of measurements were conventionally required, but the present invention only requires 10 times of measurement. Further, when it is desired to improve to 1/100 (−40 dB), the conventional method requires 10000 measurements (10000 measurements are not realistic considering the ultrasonic wave transmission time), whereas the present invention Then 100 measurements are enough.

【００３８】（３）上記のようにＳ／Ｎ比を大幅に改善
できることから、反射面での反射効率の悪いところでも
容易に測定可能である。 （４）使用するアンプは汎用アンプでよく、その取付け
もプリント板配置でよく、低ノイズアンプを必要としな
い。このため、超音波レベル計を安価に構成できる。(3) Since the S / N ratio can be greatly improved as described above, it is possible to easily measure even in a place where the reflection efficiency on the reflecting surface is poor. (4) The amplifier to be used may be a general-purpose amplifier, and its mounting may be arranged on a printed board, and a low noise amplifier is not required. Therefore, the ultrasonic level meter can be constructed at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明に係る超音波レベル計の一実施例を示す
構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an ultrasonic level meter according to the present invention.

【図２】元積分波形と移動平均化処理後の積分波形Ｍと
の対比図である。FIG. 2 is a comparison diagram of an original integrated waveform and an integrated waveform M after moving averaging processing.

【図３】各処理ごとの波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a waveform for each process.

【図４】距離計算時のセル位置とその値の関係を示す図
である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a cell position and its value when calculating a distance.

【図５】距離計算時の補正演算に係る説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram related to a correction calculation when calculating a distance.

【図６】従来の超音波レベル計の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a conventional ultrasonic level meter.

【図７】超音波発生からエコー波到達までの説明図であ
る。FIG. 7 is an explanatory diagram from generation of ultrasonic waves to arrival of echo waves.

【図８】しきい値に係る説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram related to a threshold.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ 駆動回路 ２０ 圧電素子 ３０ 受信回路 ４０ ２相同期積分回路 ５０演算回路 10 drive circuit 20 Piezoelectric element 30 receiver circuit 40 Two-phase synchronous integration circuit 50 arithmetic circuits

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 義則 東京都中央区新川１丁目５番13号 横河 ウェザック株式会社内 (56)参考文献 特開 平11−83597（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−246774（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−232279（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−304163（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−34154（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−273023（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−248082（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 23/28 G01S 15/08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Yoshinori Ishii 1-5-13 Shinkawa, Chuo-ku, Tokyo Inside Yokogawa Wesack Co., Ltd. (56) Reference JP-A-11-83597 (JP, A) JP-A 10-246774 (JP, A) JP-A-10-232279 (JP, A) JP-A-9-304163 (JP, A) JP-A-5-34154 (JP, A) JP-A-4-273023 (JP, A) A) JP-A-3-248082 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) G01F 23/28 G01S 15/08

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】超音波送受信器をパルス駆動して超音波を
発生させ、反射面からのエコー波を受信し、超音波の発
信からエコー波の受信までに要した時間をもとに反射面
のレベルを求めるように構成された超音波レベル計にお
いて、 前記超音波送受信器の駆動信号と同相およびこれより四
半周期ずれた位相の信号でエコー信号をそれぞれ同期積
分する２相同期積分回路と、 この２相同期積分回路の２つの出力に対してそれぞれ移
動平均化処理、移動差微分処理および正規化処理を行な
い、その処理後の２つの信号を合成した合成波形のピー
ク値に対応してしきい値を得、そのしきい値に基づいて
超音波の発信からエコー波の受信までに要した時間を求
め、反射面のレベルを算出する機能を有した演算回路を
具備したことを特徴とする超音波レベル計。1. A reflection surface based on the time required from the transmission of the ultrasonic wave to the reception of the echo wave by receiving the echo wave from the reflection surface by pulse-driving the ultrasonic transceiver In the ultrasonic level meter configured to obtain the level of, a two-phase synchronous integrator circuit that synchronously integrates echo signals with a signal in phase with the drive signal of the ultrasonic transceiver and a phase shifted by a quarter cycle from the drive signal, Moving averaging processing, moving difference differentiating processing and normalizing processing are respectively performed on the two outputs of the two-phase synchronous integrator circuit, and the two values after the processing are combined to correspond to the peak value of the combined waveform. A threshold value is obtained, the time required from the transmission of ultrasonic waves to the reception of echo waves is obtained based on the threshold value, and the arithmetic circuit having the function of calculating the level of the reflecting surface is provided. Ultrasonic wave Le meter. 【請求項２】前記演算回路の移動平均化処理が、前記２
相同期積分回路から出力される元積分波形について両隣
の２セルを加算する５セルの移動平均をとる処理である
ことを特徴とする請求項１記載の超音波レベル計。2. The moving averaging process of the arithmetic circuit comprises
2. The ultrasonic level meter according to claim 1, which is a process of taking a moving average of 5 cells by adding 2 cells on both sides of the original integrated waveform output from the phase-locked integration circuit. 【請求項３】前記演算回路の移動差微分処理が、前記移
動平均化処理後の波形について下記(1)または(2)に基づ
く演算処理であることを特徴とする請求項１記載の超音
波レベル計。 (1) 前記超音波送受信器が１６パルス駆動のとき ｊn＝ｄn−ｄ（ｎ−１２） (2) 前記超音波送受信器が６４パルス駆動のとき ｊn＝ｄn−ｄ（ｎ−４６） ここに、ｄnはｎ番目、ｄ（ｎ−１２）はｎ−１２番
目、ｄ（ｎ−４６）はｎ−４６番目の各データ、ｊnは
求められたｎ番目の移動差微分データ。3. The ultrasonic wave according to claim 1, wherein the moving difference differentiating process of the arithmetic circuit is an arithmetic process based on the following (1) or (2) for the waveform after the moving averaging process. Level meter. (1) jn = dn-d (n-12) when the ultrasonic transceiver is driven by 16 pulses (2) jn = dn-d (n-46) when the ultrasonic transceiver is driven by 64 pulses , Dn is the nth data, d (n-12) is the n-12th data, d (n-46) is the n-46th data, and jn is the obtained nth movement difference differential data. 【請求項４】前記演算回路の正規化処理が、前記移動差
微分処理により得られた波形についてそのピーク値を検
出し、ピーク値が負の場合のみ移動差微分波形全体に−
１を乗じる処理であることを特徴とする請求項１記載の
超音波レベル計。4. The normalization processing of the arithmetic circuit detects the peak value of the waveform obtained by the movement difference differentiation processing, and only when the peak value is negative, the whole movement difference differentiation waveform-
The ultrasonic level meter according to claim 1, wherein the process is a process of multiplying by 1. 【請求項５】前記しきい値は、前記合成波形のピーク値
の１／２であることを特徴とする請求項１記載の超音波
レベル計。5. The ultrasonic level meter according to claim 1, wherein the threshold value is 1/2 of a peak value of the composite waveform. 【請求項６】前記演算回路は、前記しきい値と一致する
合成波形のセル位置から所定のセル数だけ時間軸をバッ
クしたセル位置を前記エコー波の到達時刻と見なすよう
にしたことを特徴とする請求項１記載の超音波レベル
計。6. The arithmetic circuit is configured to consider a cell position, which is a predetermined number of cells back on the time axis from a cell position of a composite waveform that matches the threshold value, as the arrival time of the echo wave. The ultrasonic level meter according to claim 1. 【請求項７】前記バックするセル数を、前記しきい値が
合成波形のピーク値の１／２である場合において、前記
超音波送受信器が１６パルス駆動のときは６セル分に、
前記超音波送受信器が６４パルス駆動のときは２３セル
分にしたことを特徴とする請求項６記載の超音波レベル
計。7. The number of cells to be backed up is 6 cells when the threshold value is 1/2 of the peak value of the composite waveform and the ultrasonic transceiver is driven by 16 pulses,
7. The ultrasonic level meter according to claim 6, wherein when the ultrasonic transceiver is driven by 64 pulses, the number of cells is 23 cells.