JPH02216452A - 超音波濃度測定方法およびシステム - Google Patents

超音波濃度測定方法およびシステム

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JPH02216452A
JPH02216452A JP1262285A JP26228589A JPH02216452A JP H02216452 A JPH02216452 A JP H02216452A JP 1262285 A JP1262285 A JP 1262285A JP 26228589 A JP26228589 A JP 26228589A JP H02216452 A JPH02216452 A JP H02216452A
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ブルース　ロバート　クライン
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波による液体燃料の濃度測定システムおよ
び方法に関する。以下に説明する本発明の実施例は、燃
料容器内の基準物質が反射する３つの超音波パルスの振
幅に基づき濃度を測定する。
［従来の技術と発明が解決しようとする課題］米国特許
出願第４．２９７．６０８号（発明者ジエンセン）は超
音波によって液体の濃度を測定する装置を開示する。こ
の開示において超音波変換器の発信するパルスは、反射
不連続面を有する基準物質を通過し、液体媒質を含む領
域を通過し、反射器に至る。この反射器は前記媒質を介
して反射パルスを返す、前記基準物質の表面および反射
器から返される各パルスを分析して前記液体の濃度を測
定する。この発明は定数を必要とし、該定数は較正手順
によって実験的に決定されるべきものである。
米国特許出願第４．３８０．９２９号（発明者タスザレ
ク他）は試料中における傷（割れや空隙などの不連続性
）を検出するための８音波検査装置を開示する。この開
示は、傷を有すると思われる試料に超音波を発信する９
発信された超音波エネルギの一部は傷の共鳴特性の関数
として反射される９反射共鳴エネルギをその波長に関し
て分析し、傷の物理特性を決定する。この発明は濃度測
定を開示していない。
米国特許出願第４．３６４．２７３号（発明者レッディ
ング）は媒体中の界面を探索する装置を開示する。
この開示の一実施例において、超音波変換器は受信器に
対してエネルギを発信し、石油ガス容器内の高濃度層を
検出する。この発明は燃料測定における不均一性の検出
に関係するが、濃度測定は開示していない。
米国特許出願下４．３９１．１４２号（発明者カントレ
ルジュニア他）は超音波分析技術を開示する。スペクト
ル分析器の掃引周波数局所発振器によって超音波変換器
を駆動し、試料内に周波数搬送の質問パルスを発信する
。
米国特許出願下４．５６６、３３０号（発明者フジイ他
）は特に超音波医療装置に使用されることを目的とした
装置および方法を開示する。この開示の提供する較正装
置は基準液体（脱ガス水）の容器と反射器とを含む０発
信器は多周波質問パルスを発信する０反射パルスを分析
して減衰係数を提供する。
この発明は質問パルスの発信と反射パルスの測定とを開
示しており、介在する液体の減衰係数の測定に関係して
いるが、その液体の濃度測定には関係していない。
ザックスの「超音波分光測定による弾性固体中の液体含
有物の濃度測定Ｊ　　（１９７４年超音波シンポジウム
議事録、Ｉ　ＥＥＥカタログ＃７４ＣＨＯ８９６−ｌ５
ＬＩ、７１６〜７１９ページ）は超音波手法を開示する
。この手法は弾性固体中の円筒形の空洞に収容された液
体の濃度を測定する。
［課趙を解決するための手段及び作用］本発明は測定物
質の濃度を測定する方法を提供する。この方法は、第１
および第２反射面を有する基準物質を提供し、質問超音
波を発信し測定物質を通過させて前記基準物質に到達さ
せ、前記第１反射面によって１回反射された前記質問超
音波の第１部分によって第１の振幅を有する第１反射波
を形成し、前記第２反射面によって１回反射された前記
質問超音波の第２部分によって第２の振幅を有する第２
反射波を形成し、前記第２反射面によって２回反射され
た前記質問超音波の第３部分によって第３の振幅を有す
る第３反射波を形成し、前記第１反射波の振幅を測定し
、前記第２反射波の振幅を測定し、前記第３反射波の振
幅を測定し、前記第１．第２および第３の振幅を用いて
測定物質の濃度を決定する。
また本発明は液体燃料の濃度を測定するシステムを提供
する。このシステムは、超音波変換器と容器と基準物質
とを備え、前記容器が前記基準物質と液体燃料とを収容
し、前記基準物質が第１の平坦な音波反射側面と第２の
平坦な音波反射側面とを有し、前記側面が互いに平行で
あり、前記第１の側面が前面と後面とを有し、前記第２
の側面が前面を有し、前記超音波変換器が前記燃料を通
過する質問音波を発信し、前記基準物質の前記各面が前
記質問音波を部分的に反射して第１．第２゜第３の振幅
を各々有する第１．第２．第３の反射音波を提供すべく
配置され、前記超音波変換器が前記第１．第２．第３の
反射音波を検出して前記第１．第２．第３の振幅を代表
する信号を発生し、該信号に応答して前記液体燃料の濃
度を決定する濃度決定手段を備える。
本発明に基づく超音波濃度測定システムおよび方法を図
面を参照して以下に説明するが、この説明は例示的なも
のであり発明を限定するものではない。
［実施例］ 航空燃料などの液体の濃度を測定するための本発明に基
づく方法およびシステムを説明する９本発明は、基準物
質の壁面から反射される超音波パルスの振幅を測定する
ことによって濃度を測定する０本濃度測定システムは変
換器を使用して超音波質量パルスを発信する。この質問
パルスは、液体燃料などの測定物質を通過し基準物質に
到達する。基準物質は既知の濃度と明確に区画された境
界とを有し、ガラスやスグネシウムまたはアルミニウム
のブロックで形成される。この基準物質は１対の平坦な
平行側面を有する。これら側面は、該側面の中心を通る
前記パルスの通路に対してほぼ垂直である。
前記質問パルスは基準物質の平坦な側面によって反射さ
れ、第１、第２および第３の反射パルスを提供する。こ
れら反射パルスを利用して測定物質の濃度を測定できる
。前記第１の反射パルスは、基準物質の近位の側面の外
面から反射される。第２の反射パルスは、基準物質の遠
位の側面の内面から反射される。第３の反射パルスは、
前記第２の反射パルスの残留パルスであり、ｉ＆準物質
の近位の側面の裏側つまり内面で反射され、それが基準
物質の遠位の側面の内面で２回目の反射がなされたもの
である。測定物質の濃度はこれら反射パルスの振幅の関
数として決定される。
第１図を多照して詳細に説明する。超音波濃度測定シス
テム１０は、容器１２と超音波変換器１４とモニタ回路
１６とを旙える。超音波変換器１４は容器１２とモニタ
回路１６とに接続される。容器１２は、液体君空燃料な
どの測定物質１８と基準物質２０とを収容する。基準物
質２０はガラスやアルミニウムまたはマグネシウムで形
成することが好ましい、ｉ＊なのはガラスである。超音
波変換器１４は、導電線２２．２４を介して受信増幅器
２６に接続される。受信増幅器２６は超音波変換器１４
からの信号を受信して増幅し、増幅信号を導電線２８を
介してサンプル・ホールド回路３０に送る。サンプル・
ホールド回路３０は導電線３２によってアナログデジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換器３４に接続される。Ａ／Ｄ変換器３
４はデジタル信号を導電Ｒ３６を介してコンピュータ３
８に送る。
コンピュータ３８は信号を、導＠１１４０を介して発信
器４２に送り、導電線４６を介してタイマに送り、導電
線４４を介してサンプル・ホールド回路３０に送る。
発信器４２は導’ＪＪ％４７を介して超音波変換器１４
に接続される。コンピュータ３８は導電線５２を介して
デイスプレィ５４に接続される。
コンピュータ３８は中央処理装置　（ＣＰＵ、マイクロ
プロセッサが好ましい）３９を含む、ＣＰＵ３９はメモ
リ３９′に接続される。液体燃料などの測定物質１８は
、容器】２からライン５８を介してポンプ６０によって
エンジン５６に送り込まれる。エンジン５６とポンプ６
０はライン６２を介して接続される。エンジン５６はジ
ェットエンジンまたはタービン燃焼エンジンである。
第２図はコンピュータ３８の動作を示すフローチャー１
゛である。コンピュータ３８は発信器４２をトリガして
超音波変換器１４に信号を送らす、超音波変換器１４か
ち測定物質ｌｓ内にＭ音波を発信させる。
この超音波は、超音波変換器１４から測定物質１８を通
り基準物質２０に至る距離を伝播する。そしてそこで反
射されて超音波変換器１４に戻る。この時間はＴである
。８１１定物質１８内における音速Ｃ１は伝播距１ｌＩ
Ｄを時間Ｔで割ったものに等しい０時間Ｔは、超音波が
超音波変換器１４から基準物質２０の面２１に至９その
面２１から超音波変換器１４に戻るまでの既知の距ＭＯ
を伝播するのに要する時間である。すなわち第２図に示
すようにＣＩ＝Ｄバの関係が成り立つ。
超音波（パルスまたはエコー）がＢ音波変換器１４に最
も近い基準物質２０の面２１の外面から反射されて超音
波変換器１４に戻ると、超音波変換器１４は受信増幅器
２６に信号を送る。受信増幅器２６は導電線５０を介し
てタイマ４８に信号を送る。超音波パルスは超音波変換
器１４から基準物質２０に伝わる。その第１の反射パル
ス（エコー）が超音波変換器１４に戻る時間はコンピュ
ータ３８によって記憶され、測定物質１８中の音速を測
定するために使用される。
測定物質１８からの第１の反射パルスの振幅Ａ１は、Ｃ
ＰＵ３９によって測定されメモリ３９′に記憶される。
基準物質２０の遠位の側面２１′の内面から１回目に反
射される超音波は第２の反射パルス（エコー）である、
この第２の反射パルスの振幅Ａ２は、ＣＰＵ３９によっ
て測定されメモリ３９′に記憶される。基準物質２０の
遠位の側面２１′の内面から２回目に反射される超音波
は第３の反射パルス（エコー）テアル。
この第３の反射パルスの振幅Ａ３は、ＣＰＵ３９によっ
て測定されメモリ３９′に記憶される。測定物質１８の
濃度は、ＣＰＵ３９によって測定されデイスプレィ５４
に表示される。測定物質１８および基準物質２゜のモニ
タされる部分の寸法は、前記３つの反射パルスが重なら
ないようおよび互いに干渉しないよう十分大きくしなけ
ればならない０例えば基準物１ｊ２０（７）Ｊ％す、幅
、高すヲ各々１５３１ＩＩｍ（６インチ）トすることが
できる。好ましくは基準物質２０の長さ、輻、高さは各
々約２５〜３０５ＩＩｌ（１〜１２インチ）とする。基
準物質２０の寸法がこれより大きいと動作は可能である
が航空機の運搬重量が増力■するので好ましくない、測
定物質１８のモニタされる部分の寸法は、長さ、幅、高
さとも、少なくとも基準物質２０の好適寸法範囲と同じ
程度が望丈れる。８Ｎ定物質１８のモニタされる部分の
「長、さ」とは、超音波変換器１４に隣接する容器壁か
ら基準物質２０の超音波変換器１４に最も近い面２１才
での距離である。容器１２内における測定物質１８のモ
ニタされる部分の高さは、基準物質２０を十分るニカバ
ーすることが好ましい、このため基準物質２０は容器１
２の下部に配置することが好ましい。
測定物質１８の濃度はメモリ３９′に記憶されている情
報および量体式を使用してＣＰＵ３９において決定され
る。メモリ３９′は次式（１）を記憶する。
Ｐｉ　＝　［＜１−４）／（１＋Ｒ）］（Ｐ２）Ｃ２／
ＣＩ　　・・・（１）ここで２１は測定物質１８の濃度
、Ｐ２は基準物質２０の濃度、Ｃ１は測定物質１８中の
音速、Ｃ２は基準物質２０中の音速、Ｒは基準物質２０
と測定物質１８との間の界面２１．２１’の反射率（反
射係数）である。
基準物質２０は面２１．２１’を含む、これら面は実質
的に同等Ｇご研磨さね８、実質的に同等に超音波を反則
する０面２１．２］’は互いに実質的に平行であり、超
音波変換器１４から基準物質２０の面２１の中心に至る
パルス伝送路に対して実質的に垂直である。界面２１．
２１’の反射率は次式＜２〉によって決定される。
Ｒ＝　（ＡＣ／（＾Ｃ−１））ｌ／２　　　・・・（２
）ここでＲは基準物質２０の反射率であり、ＡＣは次式
（３〉により決定される。
ＡＣ＝　　　（ＡＩ／Ａ２）＊（Ａ、３／Ａ２）　　　
　・・・　く３）ここでＡ１は第１の反射（すなわち基
準物質２０の超音波変換器１４に最も近い開面２１の外
面から反射された第１の反射パルス）の＠幅（またはピ
ーク）、Ａ２は第２の反射（すなわぢ基準物質２０の遠
位の側面２１″の内面から１回目に反射された第２の反
射パルス）の振幅（またはピーク）、八３は第３の反射
（すなわち基準物質２０の遠位の側面２１′の内面から
２回目に反射された第３の反射パルス）の振＠（嘘たは
ピーク）である。
式〈２）は式（４）、　（５）、　（６）における反射
率Ｒを解くことによって得られる。
ＡＩ　　・　ＡＯＲｅ’−”五）（２ｄ）　　　、、、
（４）ここでＡＯは初期パルスの振幅、Ｒは面２１の反
射率、ａ］は測定物質１８の減衰係数、２ｄは振幅Ａ１
を有し基準物質２０の面２１から反射される第１の反射
パルスが伝播される経路の長さである。
Ａ、２：八〇（１＋Ｒ）（−Ｒ）（１−Ｒ）ｅ（−自Ｉ
　Ｊ　（２４）　６　（−＊　２ン（２＠）・・・（５
） ここで（１＋Ｒ）は測定物質１８から基準物質２（］丈
での透過率、（−Ｒ）は面２１゛の反射率、（１−Ｒ）
は基準物質２０から測定物質１８までの透過率、Ｃ２は
基準物質２０の減衰体数、２ａは振幅Ａ２を有し面２１
゛から反射される第２の反射パルスの基準物質２０内に
おける経路の長さである。
＾３＝ＡＯ（１＋Ｒ）←Ｒ）　３（１−Ｒ）ｅ（−慟１
）（２ｄｌ、（−Ｃ２）（４ａ）・・（６） ここで（−Ｒ）３は基準物質２０における３つの反射、
４ａは振ｆｋｉ４Ａ３を有し面２１′から２回目に反射
される第３の反射パルスの基準物質２０内における経路
の長さである。
測定物質１８は液体航空燃料であることが好ま［。
い、エンジン５６の動作中、前記燃料は燃料ライン５８
を介してポンプ６０によって吸い上げられ、燃料ライン
６２を介してエンジン５６に送り込まれる。
第２図はコンピュータ３９が実行する論理ステップを示
す、ステップ７０の手順は発信器４２をトリガしてタイ
マ４８を始動させる。ステップ７２においてタイマ４８
は第１の反射パルスを受は収ると停止する９次にステッ
プ７４において、測定物質１８中の音速が計算される。
ステップ７６．７８．８０において振幅ピークＡｌ、　
Ａ２．　Ａ３が各々測定される１次にステップ８２．８
４において測定物質Ｊ８の濃度が決定され表示される。
以上説明した通り、本発明のシステムおよび方法は、超
音波を利用し基準物質の各面からの反則波の振幅から液
体の濃度を測定する０本発明は現在数も実際的で好適と
思われる実施例に関連して説明したが、本発明はそれら
実施例に限定されるものではな（、特許請求の範囲を逸
脱せずに各種の変更形態や同等形態が可能である。これ
ら同等形態のすべては特許請求の範囲に含まれるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第１ｒＭは本発明の一実施例に基づ＜Ｓ音波濃度測定シ
ステムを示す構成図、および 第２図は第１図のＢ音波濃度測定システムのメモリに記
憶され同システムのコンピュータのマイクロプロセッサ
によって実行される論理ステップを示す図である。 １０・・・超音波濃度測定システム １２・・・容器 １４・・・超音波変換器 １６・・・モニタ回路 １８・・・測定物質 ２０・・・基準物質 ２６・・・受信増幅器 ３０・・・サンプル・ホールド回路 ３４・・・アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器３８・・
・コンピュータ ３９・・・ＣＰＵ ３９′・・・メモリ ４２・・・発信器 ４８・・・タイマ ５４・・・デイスプレィ ５６・・・エンジン ６０・・・ポンプ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、第１および第２反射面（２１、２１′）を有する基
    準物質（２０）を提供し、 質問超音波を発信し測定物質（１８）を通過させて前記
    基準物質（２０）に到達させ、 前記第１反射面（２１）によつて１回反射された前記質
    問超音波の第１部分によって第１の振幅を有する第１反
    射波を形成し、 前記第２反射面（２１′）によつて１回反射された前記
    質問超音波の第２部分によって第２の振幅を有する第２
    反射波を形成し、 前記第２反射面（２１′）によつて２回反射された前記
    質問超音波の第３部分によって第３の振幅を有する第３
    反射波を形成し、 前記第１反射波の振幅を測定し、 前記第２反射波の振幅を測定し、 前記第３反射波の振幅を測定し、 前記第１、第２および第３の振幅を用いて測定物質（１
    ８）の濃度を決定する各段階を備える、測定物質（１８
    ）の濃度を測定する方法。 ２、前記第１および第２反射面（２１、２１′）が平行
    であつて前記基準物質（２０）によって互いに隔てられ
    ていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３、前記質問超音波の第３部分が、前記第２反射面（２
    １′）による２回の反射の間に、前記第１反射面（２１
    ）の後面によつて１回反射されることを特徴とする、請
    求項２に記載の方法。 ４、前記測定物質が液体燃料であることを特徴とする、
    請求項１〜３のいずれかに記載の方法。 ５、前記基準物質がアルミニウムであることを特徴とす
    る、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。 ６、前記基準物質（２０）がガラスであることを特徴と
    する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。 ７、前記基準物質（２０）が２つの側面を備え、前記側
    面の各々が平坦な外面を有し、前記外面が互いに平行で
    あることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載
    の方法。 ８、前記側面の各々が超音波を実質的に同等に反射する
    ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。 ９、前記濃度を決定する段階が、メモリ（３９′）と中
    央処理装置（３９）とを有するコンピュータ（３８）に
    よつて実行されることを特徴とする、請求項１〜８のい
    ずれかに記載の方法。 １０、前記濃度を決定する段階が前記各振幅と前記基準
    物質（２０）中の音速を含むデータとを用いて実行され
    ることを特徴とする、請求項９に記載の方法。 １１、前記測定物質（１８）の濃度が前記基準物質（２
    ０）の第１および第２反射面（２１、２１′）からの超
    音波の反射率を含むデータに基づき決定されることを特
    徴とする、請求項１０に記載の方法。 １２、前記基準物質（２０）の濃度、音速および反射率
    についてのデータが前記メモリ（３９′）に記憶されて
    いることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。 １３、超音波変換器（１４）と容器と基準物質（２０）
    とを備え、前記容器が前記基準物質（２０）と液体燃料
    （１８）とを収容し、前記基準物質（２０）が第１の平
    坦な音波反射側面（２１）と第２の平坦な音波反射側面
    （２１′）とを有し、前記側面（２１、２１′）が互い
    に平行であり、前記第１の側面（２１）が前面と後面と
    を有し、前記第２の側面（２１′）が前面を有し、前記
    超音波変換器（１４）が前記燃料（１８）を通過する質
    問音波を発信し、前記基準物質（２０）の前記各面が前
    記質問音波を部分的に反射して第１、第２、第３の振幅
    を各々有する第１、第２、第３の反射音波を提供すべく
    配置され、前記超音波変換器（１４）が前記第１、第２
    、第３の反射音波を検出して前記第１、第２、第３の振
    幅を代表する信号を発生し、該信号に応答して前記液体
    燃料（１８）の濃度を決定する濃度決定手段を備える、
    液体燃料（１８）の濃度を測定するシステム。 １４、前記濃度決定手段が、メモリ（３９′）と中央処
    理装置（３９）とを有し前記超音波変換器（１４）に接
    続されたコンピュータ（３８）を備えることを特徴とす
    る、請求項１３に記載のシステム。 １５、前記基準物質（２０）がガラスであることを特徴
    とする、請求項１３または１４のいずれかに記載のシス
    テム。 １６、前記基準物質（２０）がアルミニウムであること
    を特徴とする、請求項１３または１４のいずれかに記載
    のシステム。
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