界面検出装置および界面検出方法
【課題】液界面の揺れ、気泡の発生等に関係なく、液体残量を正確に検出できる界面検出装置および界面検出方法を提供することにある。
【解決手段】信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出装置である。そして、異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とする。
【解決手段】信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出装置である。そして、異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面検出装置および界面検出方法、例えば、タンク内の液体残量を検出できる界面検出装置および界面検出方法に関する。ただし、前記界面には、液体と気体との界面、気体と固体との界面、液体中の異物（例えば、固体）と前記液体との界面が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
従来、タンク内の液体残量を検出できる界面検出装置としては、例えば、図１９（Ａ）に示すように、タンク１の底面に取付けた超音波センサ２から液界面３に向けて超音波４を発射する装置がある。そして、発射された超音波４が液界面３で反射して前記超音波センサ２に受信されるまでの時間をカウントし、カウントした時間を距離に換算することにより、液界面３の高さを検出して液体５の残量を測定していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、図２０に示すように、外部からの振動により液界面３が揺れ、波立つことがある。このため、前述の測定方法では、超音波４が高さの異なる液界面３で反射し、前記超音波センサ２が受信時間を正確にカウントできない。
また、揮発性液体が温度，圧力の変化で沸騰した場合には、液界面３および液体５中に気泡６が発生することがある。また、炭酸ガスを溶解した溶液からも気泡６が発生することもある。このような場合には、超音波４が気泡６で反射し、液界面３で反射することなく超音波センサ２に受信されるだけでなく、乱反射によって反射波を検出できない場合もあった。
さらに、図２１に示すように、超音波センサ２から発射された超音波４が液界面３で何度の反射し、前記超音波センサ２が第１反射波だけでなく、第２反射波，第３反射波をも受信することがある。
以上のような理由により、従来の測定方法では液界面３までの距離を正確に測定できず、タンク１内の液体５の残量を正確に検出できないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、前記問題点に鑑み、液界面の揺れ、気泡の発生等に関係なく、液体残量などを正確に測定できる界面検出装置および界面検出方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる界面検出装置は、前記課題を解決すべく、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出装置において、異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とする構成からなるものであってもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、液界面が揺れている場合であっても、送信信号を複数回送信することにより、反射波の受信時間を測定すると、得られたデータは一定の母集団となる。このデータを受信時間幅毎に分類，累積すると、正規分布となる。そして、正規分布の山頂部、すなわち、最多頻度におけるデータが真値を示すと考えられる。このため、最多頻度のデータを真値として採用することにより、液界面の揺れによる測定誤差を除去できる。
【０００７】
また、気泡が発生した場合であっても、通常、気泡は液体中を上昇し、一定の位置に停止していない。このため、同一の気泡で反射した反射波（受信波）であっても、受信時間は一定でない。この結果、同一の気泡で反射して受信される受信波の受信時間は長くなり、同一気泡に基づく受信信号であっても、同一受信時間の受信信号は得られない。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、気泡の影響を解消して液界面までの距離を求めることができる。
【０００８】
さらに、複数の反射波が混在する場合であっても、通常、送信された送信信号は界面で反射して液体等の中を往復する間に減衰してゆく。このため、受信信号の増幅が小さい、あるいは、しきい値が高いと、所定のしきい値を超えない受信信号がある一方で、常にしきい値を超える受信信号がある。この結果、得られた受信信号のうち、最多頻度の受信信号が第１反射波と断定できる。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、第１反射波の受信時間、すなわち、液界面までの距離を求められる。
【０００９】
特に、本発明によれば、例えば、装置の稼働開始時において最適な初期検出周波数を自動的に選択できるので、マニュアル調整のような調整のバラツキがなく、消費電力を確実に低減できる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、界面の揺れ、気泡の発生、および、複数回の反射波の存在に関係なく、界面までの距離を正確に検出できる界面検出装置が得られる。
【００１１】
本発明の実施形態としては、送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号の検出周波数の近傍領域としてもよい。
【００１２】
本実施形態によれば、時々刻々と変化する外部環境に応じて最適な検出周波数を短時間で選択できる。このため、常に最適な検出周波数で界面を検出でき、信頼性の高い界面検出装置が得られるという利点がある。
【００１３】
本発明にかかる界面検出方法としては、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、送信回数に応じて受信感度を変化させ、送信毎に得られた受信信号を受信時間毎に累積し、最大累積度数が規定頻度を越えた場合に、最多頻度の受信時間に基づいて前記界面までの距離を決定する工程であってもよい。
【００１４】
なお、ここで受信感度を変化させるとは、反射波に対する増幅の度合いを変化させることにより、前記反射波がしきい値を越えるか否かで受信信号を選択する場合と、しきい値を変化させることにより、反射波が前記しきい値を超えるか否かで受信信号を選択する場合とを意味する。
【００１５】
本発明によれば、液界面が揺れている場合、気泡が発生した場合、および、複数の反射波が混在する場合であっても、前述の界面検出装置と同様、最多頻度のデータを真値として採用することにより、液界面の揺れによる測定誤差を除去できる。
【００１６】
別の発明にかかる界面検出方法としては、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とする工程からなるものであってもよい。
【００１７】
本発明によれば、例えば、装置の稼働開始時において最適な初期検出周波数を自動的に選択できるので、マニュアル調整のような調整のバラツキがなく、消費電力を確実に低減できる。
【００１８】
本発明の実施形態としては、送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号の検出周波数の近傍領域としてもよい。
【００１９】
本実施形態によれば、時々刻々と変化する外部環境に応じて最適な検出周波数を短時間で選択できるので、常に最適な状態で界面を検出でき、信頼性の高い界面検出装置が得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明にかかる第１実施形態は、図１ないし図１１に示すように、バルクタンク１０内に貯留した液体プロパンガス１１の液界面を検出することにより、液体プロパンガス１１の残量を検出する超音波計測システムに適用した場合である。
【００２１】
本実施形態にかかる超音波計測システムは、図１Ａに示すように、前記バルクタンク１０の底面に取り付けた超音波センサ１３を、ガス漏れ警報機１４内の制御装置１５に接続したものである。そして、前記制御装置１５およびガスメータ１６はネットワーク・コントロール・ユニット１７（以下、「ＮＣＵ」という）に接続されている。前記ＮＣＵ１７は電話回線，ＰＨＳ等を介して図示しないガス管理センターに接続されている。
【００２２】
したがって、前記液体ガス１１の残量が所定量よりも少なくなったことを超音波センサ１３が検出すると、前記制御装置１５が前記ＮＣＵ１７を介してガス管理センターに信号を自動的に出力し、前記液体ガス１１の補充を依頼する。このため、図１Ｂに示すように、ガス供給信号を受信したガス管理センターはローリー車１８で液体ガス１１を前記バルクタンク１０に補給する。なお、１９ａは圧力計、１９ｂは流量計、１９ｃはバーナーである。
【００２３】
前記制御装置１５は、図２のブロック図に示すように、入力信号を処理して種々の出力信号を出力するＣＰＵ２０を備えている。
すなわち、前記超音波センサ１３は、増幅回路２１、フィルタ回路２２、検波回路２３、更に増幅回路２４、比較回路２５を介して前記ＣＰＵ２０に接続されている。そして、前記ＣＰＵ２０は相互に信号を入出力するバースト波発生回路２６および駆動回路２７を介して前記超音波センサ１３に接続されている。また、前記ＣＰＵ２０は発信回路２８を介して前記バースト波発生回路２６に接続されている。さらに、前記ＣＰＵ２０は増幅回路２４に増幅の度合いを変更するゲイン制御を行うとともに、検波回路２３の出力信号に対して残響制御を行う。なお、前記ＣＰＵ２０および前記駆動回路２７等の各ブロックは電源部２９にそれぞれ接続されている。
一方、前記ＣＰＵ２０は警報出力部３０を介して前記ＮＣＵ１７に接続されているとともに、通信制御部をも介して前記ＮＣＵ１７に接続されている。また、前記ガスメータ１６もガスの使用量を検出し、前記ＮＣＵ１７を介してガス管理センターに信号を出力する。
【００２４】
次に、超音波センサ１３による計測方法について説明する。
発信回路２８から出力された高周波がバースト波発生回路２６に入力されると、スタート信号が前記ＣＰＵ２０に入力される。このため、前記ＣＰＵ２０から前記バースト波発生回路２６に制御信号が出力され、前記バースト波発生回路２６から所定の周波数のバースト波が出力される。このバースト波は駆動回路２７で増幅され、超音波センサ１３から超音波として発射される。そして、液界面あるいは気泡で反射した反射波は前記超音波センサ１３に受信波として受信される。前記受信波は増幅回路２１で増幅された後、フィルタ回路２２で雑音が除去され、検波回路２３で検波される。ついで、前記検波回路２３で処理された受信信号が出力されるとき、前記ＣＰＵ２０からの残響制御で超音波センサ１３の残響に基づく信号がカットされる。そして、増幅回路２４で再度増幅され、比較回路２５で比較されて一定のしきい値を超える受信信号のみが前記ＣＰＵ２０に格納される。
【００２５】
次に、超音波センサ１３から得られた受信信号の処理手順について図３から図５のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１でＣＰＵ２０から増幅器２４にゲイン制御を行い、ゲイン、すなわち増幅率を小とした後、ステップＳ２でバースト波を超音波センサ１３から送信する。そして、ステップＳ３で反射波である受信波を受信したか否かを判断し、受信していないのであれば、ステップＳ５にスキップし、受信していれば、ステップＳ４で受信までの時間をカウントして距離に換算した後、格納する。ついで、ステップＳ５で所定時間、送信を待った後、送信回数が規定回数Ｎ以上であるか否かを判断し、Ｎ回よりも少ない場合には、ステップＳ２にリターンし、Ｎ以上であれば、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では収集した距離の最多頻度が規定頻度Ｍ以上であるか否かを判断し、規定頻度Ｍよりも少ない場合にはステップＳ９にスキップし、規定頻度Ｍ以上であれば、ステップＳ８で最多頻度の距離を真値と決定し、計測を終了する。
【００２６】
図４に示すように、ステップＳ９でＣＰＵ２０から増幅器２４にゲイン制御を行い、ゲイン、すなわち増幅率を中とした後、ステップＳ１０でバースト波を超音波センサ１３から送信する。そして、ステップＳ１１で反射波である受信波を受信したか否かを判断し、受信していないのであれば、ステップＳ１３にスキップし、受信していれば、ステップＳ１２で受信までの時間をカウントして距離に換算した後、格納する。ついで、ステップＳ１３で所定時間、送信を待った後、送信回数が規定回数Ｎ以上であるか否かを判断し、Ｎよりも少ない場合には、ステップＳ１０にリターンし、Ｎ以上であれば、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では収集した距離の最多頻度が規定頻度Ｍ以上であるか否かを判断し、規定頻度Ｍよりも少ない場合にはステップＳ１７にスキップし、規定頻度Ｍ以上であれば、ステップＳ１６で最多頻度の距離を真値と決定し、計測を終了する。
【００２７】
図５に示すように、ステップＳ１７でＣＰＵ２０から増幅器２４にゲイン制御を行い、ゲイン、すなわち増幅率を大とした後、ステップＳ１８でバースト波を超音波センサから送信する。そして、ステップＳ１９で反射波である受信波を受信したか否かを判断し、受信していないのであれば、ステップＳ２１にスキップし、受信していれば、ステップＳ２０で受信までの時間をカウントして距離に換算した後、格納する。ついで、ステップＳ２１で所定時間、送信を待った後、送信回数が規定回数Ｎ以上であるか否かを判断し、Ｎよりも少ない場合には、ステップＳ１８にリターンし、Ｎ以上であれば、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では収集した距離の最多頻度が規定頻度Ｍ以上であるか否かを判断し、規定頻度Ｍよりも少ない場合には計測範囲外とし、規定頻度Ｍ以上であれば、ステップＳ２４で最多頻度の距離を真値と決定し、計測を終了する。
したがって、ゲイン、すなわち増幅率を徐々に増大させることにより、規定頻度に達するデータを収集し、最多頻度のデータを真値と決定して所望の距離を求めることができる。
【００２８】
次に、図６のタイムチャートに基づき、超音波センサが収集したデータから真値を決定する方法について説明する。なお、説明の便宜上、実際の計測回数よりも少ない計測回数で説明する。
ゲインが小さい場合、バースト波を送信した後、大きな反射波を受信するまでの間の受信時間Ｔ１，Ｔ２をカウントする。ついで、所定の時間間隔ｔ１でバースト波を送信し、同様に処理して受信時間Ｔ３，Ｔ４を求める。ただし、超音波センサの残響による影響を除去するため、送信波時間および残響時間の合計時間ｔ２の間は、計測されない。
【００２９】
そして、ゲインの程度を中とし、前述と同様な処理を施して反射波の受信時間Ｔ５を測定する。さらに、ゲインの程度を大とし、前述と同様な処理を施して反射波の受信時間Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０，Ｔ１１を測定する。
【００３０】
次に、図７に示すように、前述の処理で得られた受信時間Ｔ１ないしＴ１１を、受信時の温度に基づく超音波の伝達速度を考慮して距離換算し、距離Ｌ１ないしＬ１１を得る。そして、距離幅１ｃｍ毎に分類し、距離幅毎に累積した後、最多頻度の距離幅を真値と決定する。送信回数毎に得られた距離幅をグラフ化すると、図８Ａに示すようになり、これをより判りやすく分類して累積すると、図８Ｂとなる。
【００３１】
最多頻度の距離幅にかかる受信時間を採用すれば、真値が得られる理由について詳述する。ただし、説明の便宜上、ゲイン（増幅率）を大きくした場合を基準として説明する。
通常、超音波センサから発射された超音波は液界面で反射して液体中を往復する間に減衰してゆく。そこで、例えば、図９に示すように、インターバル時間Ｔの間隔で送信するとともに、送信毎にゲイン（増幅率）を小さくすると、同一の液界面に反射して減衰した第２反射波、第３反射波は計測されなくなり、第１反射波だけが計測される。このため、１回目の送信で受信時間ｔ１，ｔ２，ｔ３の受信波を受信し、次いで、２回目の送信で受信時間ｔ４，ｔ５の受信波を受信し、３回目の送信で受信時間ｔ６の受信波を受信した場合、第１反射波の受信時間は最多頻度の受信時間ｔ１（＝ｔ４＝ｔ６）であることになる。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、第１反射波の受信時間、すなわち、液界面までの距離を求められる。
【００３２】
また、液界面で反射した複数回目の反射波と気泡で反射した反射波とが混在している場合がある。通常、気泡は液体中を上昇し、一定の位置に停止していない。このため、同一の気泡に反射した反射波（受信波）であっても、受信時間は同一でない。このため、例えば、図１０に示すように、インターバル時間Ｔの間隔で送信するとともに、送信毎にゲイン（増幅率）を小さくして受信する。
【００３３】
すなわち、１回目の送信で受信時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の受信波を受信し、次いで、２回目の送信で受信時間ｔ５，ｔ６，ｔ７，ｔ８，ｔ９の受信波を受信し、３回目の送信で受信時間ｔ１０，ｔ１１の受信波を受信したとする。この場合、前述の説明から明らかなように、同一の液界面に反射して減衰した第２反射波、第３反射波が受信される回数が減少する。さらに、同一の気泡で反射しても、受信される受信波の受信時間は長くなるので、同一気泡に基づく受信信号であっても、同一受信時間の受信信号は得られない。このため、最多頻度の受信時間ｔ２（＝ｔ６＝ｔ１０）が第１反射波の受信時間であると判断できる。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、複数回の反射波および気泡の影響を除去し、第１反射波の受信時間、すなわち、液界面までの距離を求めることができる。
【００３４】
さらに、図１１に示すように、液界面で反射した前回の受信波と気泡で反射した今回の受信波とを送信毎に順次受信する場合がある。液界面で反射した前回の受信波の受信時間ｔ１と気泡で反射した受信波の今回の受信時間ｔ２との差が充填速度あるいは放出速度から存在し得ない場合には、今回の受信時間ｔ２を除去する。気泡は一定の位置に留まっていないので、このように処理することにより、気泡の存在による測定誤差を除去できる。
【００３５】
そして、液界面が揺れている場合であっても、送信信号を複数回送信することにより、反射波の受信時間を測定すると、得られたデータは一定の母集団となる。このデータを受信時間幅毎に分類，累積すると、正規分布する。そして、正規分布の山頂部、すなわち、最多頻度におけるデータが真値を示すと考えられる。このため、最多頻度のデータを真値として採用することにより、液界面の揺れによる測定誤差を除去できる。
【００３６】
第２実施形態は、図１２ないし図１７に示すように、最適な初期検出周波数を自動的に選択できる機能を第１実施形態に付加した場合である。
前述の第１実施形態における界面検出装置は、その初期検出周波数が固定式の場合である。しかし、例えば、鉄製タンクに充填した液体の界面を検出しようとすると、超音波カップリング剤の組成および厚み、鉄製タンクの鉄板の材質および厚み、液体の内容等により、最も透過しやすい超音波の周波数は変化する。そして、最適な検出周波数と現実の検出周波数との間にズレがあると、所望の検出感度が得られず、所望の検出感度を得るために出力電力を大きくする必要があり、消費電力が多くなる。そこで、最適な初期検出周波数とするため、現場ではマニュアルによって初期の検出周波数を調整していた。しかし、現場におけるマニュアル調整では手間がかかるだけでなく、バラツキが大きいという不具合がある。第２実施形態は、前述の不具合に鑑み、自動的に最適な初期検出周波数を選択して界面を検出できる界面検出装置を提供することにある。
【００３７】
基本的構成は、図１２に示すように、第１実施形態とほぼ同様であるので、異なる点についてのみ説明する。
すなわち、検波回路２３に直接接続された本実施形態にかかる比較回路２５は、図１３に示すように、ＣＰＵ２０からの信号を受けてＳＷ１，２，３，４が順次切り変わる。したがって、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４それぞれと抵抗Ｒ５との合成抵抗に基づき、抵抗Ｒ５における分圧でしきい値が順次切り変わる。そして、前記しきい値を検出信号が超えたか否かを比較器２５ａが比較，検出する。
【００３８】
また、本実施形態にかかる発信回路２８は、図１４に示すように、ＣＰＵ２０から出力されたデジタル信号をＤＡコンバータ２８ａがアナログ信号に変換し、そのアナログ信号の電圧に応じた周波数を出力する。したがって、ＣＰＵ２０で検出周波数を任意に変更できる可変式の界面検出装置が得られる。
【００３９】
図１２に示したブロック図に基づく制御工程のうち、最適の周波数を判定する工程を図１５のフローチャートに基づいて説明する。
すなわち、ステップＳ３０でしきい値を最大に設定し、かつ、送信周波数を最小に設定する。ついで、ステップＳ３１で超音波を最小の周波数で送信し、ステップＳ３２で受信信号がしきい値を越えたか否かを判定し、超えていればステップＳ３３で記憶し、超えていなければ、ステップＳ３４でしきい値が最小か否かを判定する。ステップＳ３４では前述のしきい値が最小でなければ、ステップＳ３５でしきい値を下げてステップＳ３１にリターンし、最小であれば、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６ではしきい値を最大とした後、ステップＳ３７で超音波の周波数が最大か否かを判定する。周波数が最大でなければ、ステップＳ３８で送信周波数を変更し、ステップＳ３１にリターンし、最大であれば、ステップＳ３９に進む。ステップＳ３９では送信された超音波の周波数を記憶、収集し、ステップＳ４０で初期検出周波数ｆ０を判定、記憶する。
【００４０】
より具体的に説明すると、例えば、所定の周波数の超音波を送信して得られた受信信号が、図１６Ａに示す山形波形を描く場合には、前記山形波形に交差するしきい値Ｖ３を特定できる。前記しきい値および送信された超音波の周波数を記憶，収集し、その中で最も高いしきい値にかかる周波数を初期検出周波数ｆ０として判定，記憶する（図１６Ｂ）。したがって、記憶した前記初期検出周波数ｆ０の超音波を超音波センサ１３から発射することにより、最適な周波数の超音波で界面を検出できる。
【００４１】
なお、最適な周波数を選択する場合に、液体中に気泡が発生していたとき、あるいは、液面が揺れていたときには反射波の信号電圧が小さくなる。このため、気泡等が存在していても、反射波の最大の信号電圧に基づいて最適な初期検出周波数を選択できるという利点がある。
【００４２】
第３実施形態は、図１７および図１８に示すように、初期検出周波数を設定した後に外部環境が変化しても、最適な検出周波数で界面を自動的に検出できる界面検出装置，方法である。
すなわち、前述の第２実施形態は装置稼働開始時の初期検出周波数を自動的に選定する場合である。しかし、装置稼働開始時の初期設定が適正であっても、外部温度の変化、超音波カップリング剤の経時変化、液体の成分変化等により、最適な検出周波数が初期検出周波数と異なる場合がある。このような場合であっても、常に最適な検出周波数で界面を検出できる界面検出装置を提供することが第３実施形態の目的である。
【００４３】
第３実施形態の特徴は、図１７に示すように、前述の第２実施形態が最小周波数から最大周波数までの全ての領域についてサーチするのに対し、前回の検出周波数ｆｎを中心とする周辺の周波数についてのみサーチする場合である。これは、経時変化、温度変化に基づく最適周波数の変化はあまり大きくないという経験則に基づくものである。
【００４４】
すなわち、第３実施形態の検出手法は第２実施形態とほぼ同様である。異なる点は、図１８に示すように、前回の最適周波数ｆｎを中心とし、その前後の周波数ｆｎ±Δｆの領域をサーチすることより、最適周波数のサーチ時間を短縮するようにした点である。
【００４５】
本実施形態にかかる制御工程のうち、最適の周波数を判定するための工程を図１８のフローチャートに基づいて説明する。
すなわち、ステップＳ５０でしきい値を最大に設定し、かつ、送信周波数を（ｆｎ−Δｆ）に設定する。ついで、ステップＳ５１で超音波を前述の周波数で送信し、ステップＳ５２で受信信号がしきい値を越えたか否かを判定し、超えていればステップＳ５３で記憶し、超えていなければ、ステップＳ５４でしきい値が最小か否かを判定する。ステップＳ５４で前述のしきい値が最小でなければ、ステップＳ５５でしきい値を下げてステップＳ５１にリターンし、最小であれば、ステップＳ５６に進む。ステップＳ５６ではしきい値を最大とした後、ステップＳ５７で超音波の周波数が（ｆｎ＋Δｆ）であるか否かを判定する。周波数が（ｆｎ＋Δｆ）でなければ、ステップＳ５８で送信周波数を変更してステップＳ５１にリターンし、周波数が（ｆｎ＋Δｆ）であれば、ステップＳ５９に進む。ステップＳ５９では送信された超音波の周波数を記憶、収集し、ステップＳ６０で最適検出周波数ｆｎ＋１を判定、記憶する。
【００４６】
本実施形態によれは、温度の変化等によって外部環境が変化しても、短時間で最適な周波数を選択でき、常に最適な条件で界面を検出できる界面検出装置，方法が得られるという利点がある。
【００４７】
前述の第２，第３実施形態では、最適な検出周波数を選択できる機能を付加した場合について説明したが、前述の最適な検出周波数を選択する方法と同一の方法で、界面を検出するための受信信号を選択してもよい。すなわち、高いしきい値を徐々に下げゆき、しきい値と交差する受信信号をＣＰＵに出力する方法である。ただし、選択した受信信号に基づいてＣＰＵが行う処理方法は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
前述の実施形態では、送信信号が超音波である場合について説明したが、必ずしもこれに限らず、レーザ光を使用してもよい。ただし、タンク壁面を透過させて計測する場合には、前記タンクは光が透過できる透明または透光性を有するものに限られる。
レーザ光を送信信号とした場合、レーザ光の伝達速度は液体の温度による影響を受けず、応答が速いので、より一層精度の高い測定を迅速に行うことができるという利点がある。データの基本的処理方法は超音波と同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
なお、液体の残量を検出する方法としては、送信信号が液体中を通過する必要はなく、液界面の上方から送信信号を送信して受信してもよい。また、液体と気体との界面を検出する場合に限らず、液体中の異物の検出、個体と気体との界面を検出する場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、液体プロパンガスの液界面だけでなく、他の液体の液界面、また、固体と気体との界面を検出する場合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明にかかる一実施形態を示し、図１Ａは全体配置図、図１Ｂは液体ガスの補給状態を示す説明図である。
【図２】図１Ａで示した制御装置のブロック図である。
【図３】図２のブロック図に基づく制御工程を示すフローチャートである。
【図４】図３に続くフローチャートである。
【図５】図４に続くフローチャートである。
【図６】前記フローチャートに基づくタイムチャートである。
【図７】データの処理過程を示す説明図である。
【図８】図８Ａは処理データをグラフ化した図面であり、図８Ｂはより判りやすくまとめた図表である。
【図９】同一液界面からの複数回の反射波による測定誤差を除去する方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１０】同一液界面からの複数回の反射波、および、気泡からの反射波が混在する場合の測定誤差を除去する方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】液中の気泡の発生による測定誤差を除去する方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１２】第２実施形態にかかる制御装置のブロック図である。
【図１３】図１２で示した比較回路の詳細図である。
【図１４】図１２で示した発信回路の詳細図である。
【図１５】図１２で示したブロック図に基づく制御工程を示すフローチャートである。
【図１６】図１５で示したフローチャート図に基づくサーチを説明するためのグラフ図であり、図Ａは受信信号としきい値との関係を示し、図Ｂは周波数としきい値との関係を示す。
【図１７】第３実施形態の基本原理を説明するためのグラフ図である。
【図１８】第３実施形態にかかる制御工程を示すフローチャートである。
【図１９】従来例にかかる界面検出装置を示し、図Ａは装置の概略図、図Ｂはタイムチャート図である。
【図２０】従来例にかかる界面検出装置を示し、図Ａは装置の概略図、図Ｂはタイムチャート図である。
【図２１】従来例にかかる界面検出装置を示し、図Ａは装置の概略図、図Ｂはタイムチャート図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：バルクタンク
１１：液体プロパンガス
１２：液界面
１３：超音波センサ
１４：ガス警報機
１５：制御装置
１６：ガスメータ
１７：ＮＣＵ
２０：ＣＰＵ
２５：比較回路
２６：バースト波発生回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面検出装置および界面検出方法、例えば、タンク内の液体残量を検出できる界面検出装置および界面検出方法に関する。ただし、前記界面には、液体と気体との界面、気体と固体との界面、液体中の異物（例えば、固体）と前記液体との界面が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
従来、タンク内の液体残量を検出できる界面検出装置としては、例えば、図１９（Ａ）に示すように、タンク１の底面に取付けた超音波センサ２から液界面３に向けて超音波４を発射する装置がある。そして、発射された超音波４が液界面３で反射して前記超音波センサ２に受信されるまでの時間をカウントし、カウントした時間を距離に換算することにより、液界面３の高さを検出して液体５の残量を測定していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、図２０に示すように、外部からの振動により液界面３が揺れ、波立つことがある。このため、前述の測定方法では、超音波４が高さの異なる液界面３で反射し、前記超音波センサ２が受信時間を正確にカウントできない。
また、揮発性液体が温度，圧力の変化で沸騰した場合には、液界面３および液体５中に気泡６が発生することがある。また、炭酸ガスを溶解した溶液からも気泡６が発生することもある。このような場合には、超音波４が気泡６で反射し、液界面３で反射することなく超音波センサ２に受信されるだけでなく、乱反射によって反射波を検出できない場合もあった。
さらに、図２１に示すように、超音波センサ２から発射された超音波４が液界面３で何度の反射し、前記超音波センサ２が第１反射波だけでなく、第２反射波，第３反射波をも受信することがある。
以上のような理由により、従来の測定方法では液界面３までの距離を正確に測定できず、タンク１内の液体５の残量を正確に検出できないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、前記問題点に鑑み、液界面の揺れ、気泡の発生等に関係なく、液体残量などを正確に測定できる界面検出装置および界面検出方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる界面検出装置は、前記課題を解決すべく、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出装置において、異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とする構成からなるものであってもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、液界面が揺れている場合であっても、送信信号を複数回送信することにより、反射波の受信時間を測定すると、得られたデータは一定の母集団となる。このデータを受信時間幅毎に分類，累積すると、正規分布となる。そして、正規分布の山頂部、すなわち、最多頻度におけるデータが真値を示すと考えられる。このため、最多頻度のデータを真値として採用することにより、液界面の揺れによる測定誤差を除去できる。
【０００７】
また、気泡が発生した場合であっても、通常、気泡は液体中を上昇し、一定の位置に停止していない。このため、同一の気泡で反射した反射波（受信波）であっても、受信時間は一定でない。この結果、同一の気泡で反射して受信される受信波の受信時間は長くなり、同一気泡に基づく受信信号であっても、同一受信時間の受信信号は得られない。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、気泡の影響を解消して液界面までの距離を求めることができる。
【０００８】
さらに、複数の反射波が混在する場合であっても、通常、送信された送信信号は界面で反射して液体等の中を往復する間に減衰してゆく。このため、受信信号の増幅が小さい、あるいは、しきい値が高いと、所定のしきい値を超えない受信信号がある一方で、常にしきい値を超える受信信号がある。この結果、得られた受信信号のうち、最多頻度の受信信号が第１反射波と断定できる。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、第１反射波の受信時間、すなわち、液界面までの距離を求められる。
【０００９】
特に、本発明によれば、例えば、装置の稼働開始時において最適な初期検出周波数を自動的に選択できるので、マニュアル調整のような調整のバラツキがなく、消費電力を確実に低減できる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、界面の揺れ、気泡の発生、および、複数回の反射波の存在に関係なく、界面までの距離を正確に検出できる界面検出装置が得られる。
【００１１】
本発明の実施形態としては、送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号の検出周波数の近傍領域としてもよい。
【００１２】
本実施形態によれば、時々刻々と変化する外部環境に応じて最適な検出周波数を短時間で選択できる。このため、常に最適な検出周波数で界面を検出でき、信頼性の高い界面検出装置が得られるという利点がある。
【００１３】
本発明にかかる界面検出方法としては、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、送信回数に応じて受信感度を変化させ、送信毎に得られた受信信号を受信時間毎に累積し、最大累積度数が規定頻度を越えた場合に、最多頻度の受信時間に基づいて前記界面までの距離を決定する工程であってもよい。
【００１４】
なお、ここで受信感度を変化させるとは、反射波に対する増幅の度合いを変化させることにより、前記反射波がしきい値を越えるか否かで受信信号を選択する場合と、しきい値を変化させることにより、反射波が前記しきい値を超えるか否かで受信信号を選択する場合とを意味する。
【００１５】
本発明によれば、液界面が揺れている場合、気泡が発生した場合、および、複数の反射波が混在する場合であっても、前述の界面検出装置と同様、最多頻度のデータを真値として採用することにより、液界面の揺れによる測定誤差を除去できる。
【００１６】
別の発明にかかる界面検出方法としては、信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とする工程からなるものであってもよい。
【００１７】
本発明によれば、例えば、装置の稼働開始時において最適な初期検出周波数を自動的に選択できるので、マニュアル調整のような調整のバラツキがなく、消費電力を確実に低減できる。
【００１８】
本発明の実施形態としては、送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号の検出周波数の近傍領域としてもよい。
【００１９】
本実施形態によれば、時々刻々と変化する外部環境に応じて最適な検出周波数を短時間で選択できるので、常に最適な状態で界面を検出でき、信頼性の高い界面検出装置が得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明にかかる第１実施形態は、図１ないし図１１に示すように、バルクタンク１０内に貯留した液体プロパンガス１１の液界面を検出することにより、液体プロパンガス１１の残量を検出する超音波計測システムに適用した場合である。
【００２１】
本実施形態にかかる超音波計測システムは、図１Ａに示すように、前記バルクタンク１０の底面に取り付けた超音波センサ１３を、ガス漏れ警報機１４内の制御装置１５に接続したものである。そして、前記制御装置１５およびガスメータ１６はネットワーク・コントロール・ユニット１７（以下、「ＮＣＵ」という）に接続されている。前記ＮＣＵ１７は電話回線，ＰＨＳ等を介して図示しないガス管理センターに接続されている。
【００２２】
したがって、前記液体ガス１１の残量が所定量よりも少なくなったことを超音波センサ１３が検出すると、前記制御装置１５が前記ＮＣＵ１７を介してガス管理センターに信号を自動的に出力し、前記液体ガス１１の補充を依頼する。このため、図１Ｂに示すように、ガス供給信号を受信したガス管理センターはローリー車１８で液体ガス１１を前記バルクタンク１０に補給する。なお、１９ａは圧力計、１９ｂは流量計、１９ｃはバーナーである。
【００２３】
前記制御装置１５は、図２のブロック図に示すように、入力信号を処理して種々の出力信号を出力するＣＰＵ２０を備えている。
すなわち、前記超音波センサ１３は、増幅回路２１、フィルタ回路２２、検波回路２３、更に増幅回路２４、比較回路２５を介して前記ＣＰＵ２０に接続されている。そして、前記ＣＰＵ２０は相互に信号を入出力するバースト波発生回路２６および駆動回路２７を介して前記超音波センサ１３に接続されている。また、前記ＣＰＵ２０は発信回路２８を介して前記バースト波発生回路２６に接続されている。さらに、前記ＣＰＵ２０は増幅回路２４に増幅の度合いを変更するゲイン制御を行うとともに、検波回路２３の出力信号に対して残響制御を行う。なお、前記ＣＰＵ２０および前記駆動回路２７等の各ブロックは電源部２９にそれぞれ接続されている。
一方、前記ＣＰＵ２０は警報出力部３０を介して前記ＮＣＵ１７に接続されているとともに、通信制御部をも介して前記ＮＣＵ１７に接続されている。また、前記ガスメータ１６もガスの使用量を検出し、前記ＮＣＵ１７を介してガス管理センターに信号を出力する。
【００２４】
次に、超音波センサ１３による計測方法について説明する。
発信回路２８から出力された高周波がバースト波発生回路２６に入力されると、スタート信号が前記ＣＰＵ２０に入力される。このため、前記ＣＰＵ２０から前記バースト波発生回路２６に制御信号が出力され、前記バースト波発生回路２６から所定の周波数のバースト波が出力される。このバースト波は駆動回路２７で増幅され、超音波センサ１３から超音波として発射される。そして、液界面あるいは気泡で反射した反射波は前記超音波センサ１３に受信波として受信される。前記受信波は増幅回路２１で増幅された後、フィルタ回路２２で雑音が除去され、検波回路２３で検波される。ついで、前記検波回路２３で処理された受信信号が出力されるとき、前記ＣＰＵ２０からの残響制御で超音波センサ１３の残響に基づく信号がカットされる。そして、増幅回路２４で再度増幅され、比較回路２５で比較されて一定のしきい値を超える受信信号のみが前記ＣＰＵ２０に格納される。
【００２５】
次に、超音波センサ１３から得られた受信信号の処理手順について図３から図５のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１でＣＰＵ２０から増幅器２４にゲイン制御を行い、ゲイン、すなわち増幅率を小とした後、ステップＳ２でバースト波を超音波センサ１３から送信する。そして、ステップＳ３で反射波である受信波を受信したか否かを判断し、受信していないのであれば、ステップＳ５にスキップし、受信していれば、ステップＳ４で受信までの時間をカウントして距離に換算した後、格納する。ついで、ステップＳ５で所定時間、送信を待った後、送信回数が規定回数Ｎ以上であるか否かを判断し、Ｎ回よりも少ない場合には、ステップＳ２にリターンし、Ｎ以上であれば、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では収集した距離の最多頻度が規定頻度Ｍ以上であるか否かを判断し、規定頻度Ｍよりも少ない場合にはステップＳ９にスキップし、規定頻度Ｍ以上であれば、ステップＳ８で最多頻度の距離を真値と決定し、計測を終了する。
【００２６】
図４に示すように、ステップＳ９でＣＰＵ２０から増幅器２４にゲイン制御を行い、ゲイン、すなわち増幅率を中とした後、ステップＳ１０でバースト波を超音波センサ１３から送信する。そして、ステップＳ１１で反射波である受信波を受信したか否かを判断し、受信していないのであれば、ステップＳ１３にスキップし、受信していれば、ステップＳ１２で受信までの時間をカウントして距離に換算した後、格納する。ついで、ステップＳ１３で所定時間、送信を待った後、送信回数が規定回数Ｎ以上であるか否かを判断し、Ｎよりも少ない場合には、ステップＳ１０にリターンし、Ｎ以上であれば、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では収集した距離の最多頻度が規定頻度Ｍ以上であるか否かを判断し、規定頻度Ｍよりも少ない場合にはステップＳ１７にスキップし、規定頻度Ｍ以上であれば、ステップＳ１６で最多頻度の距離を真値と決定し、計測を終了する。
【００２７】
図５に示すように、ステップＳ１７でＣＰＵ２０から増幅器２４にゲイン制御を行い、ゲイン、すなわち増幅率を大とした後、ステップＳ１８でバースト波を超音波センサから送信する。そして、ステップＳ１９で反射波である受信波を受信したか否かを判断し、受信していないのであれば、ステップＳ２１にスキップし、受信していれば、ステップＳ２０で受信までの時間をカウントして距離に換算した後、格納する。ついで、ステップＳ２１で所定時間、送信を待った後、送信回数が規定回数Ｎ以上であるか否かを判断し、Ｎよりも少ない場合には、ステップＳ１８にリターンし、Ｎ以上であれば、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では収集した距離の最多頻度が規定頻度Ｍ以上であるか否かを判断し、規定頻度Ｍよりも少ない場合には計測範囲外とし、規定頻度Ｍ以上であれば、ステップＳ２４で最多頻度の距離を真値と決定し、計測を終了する。
したがって、ゲイン、すなわち増幅率を徐々に増大させることにより、規定頻度に達するデータを収集し、最多頻度のデータを真値と決定して所望の距離を求めることができる。
【００２８】
次に、図６のタイムチャートに基づき、超音波センサが収集したデータから真値を決定する方法について説明する。なお、説明の便宜上、実際の計測回数よりも少ない計測回数で説明する。
ゲインが小さい場合、バースト波を送信した後、大きな反射波を受信するまでの間の受信時間Ｔ１，Ｔ２をカウントする。ついで、所定の時間間隔ｔ１でバースト波を送信し、同様に処理して受信時間Ｔ３，Ｔ４を求める。ただし、超音波センサの残響による影響を除去するため、送信波時間および残響時間の合計時間ｔ２の間は、計測されない。
【００２９】
そして、ゲインの程度を中とし、前述と同様な処理を施して反射波の受信時間Ｔ５を測定する。さらに、ゲインの程度を大とし、前述と同様な処理を施して反射波の受信時間Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０，Ｔ１１を測定する。
【００３０】
次に、図７に示すように、前述の処理で得られた受信時間Ｔ１ないしＴ１１を、受信時の温度に基づく超音波の伝達速度を考慮して距離換算し、距離Ｌ１ないしＬ１１を得る。そして、距離幅１ｃｍ毎に分類し、距離幅毎に累積した後、最多頻度の距離幅を真値と決定する。送信回数毎に得られた距離幅をグラフ化すると、図８Ａに示すようになり、これをより判りやすく分類して累積すると、図８Ｂとなる。
【００３１】
最多頻度の距離幅にかかる受信時間を採用すれば、真値が得られる理由について詳述する。ただし、説明の便宜上、ゲイン（増幅率）を大きくした場合を基準として説明する。
通常、超音波センサから発射された超音波は液界面で反射して液体中を往復する間に減衰してゆく。そこで、例えば、図９に示すように、インターバル時間Ｔの間隔で送信するとともに、送信毎にゲイン（増幅率）を小さくすると、同一の液界面に反射して減衰した第２反射波、第３反射波は計測されなくなり、第１反射波だけが計測される。このため、１回目の送信で受信時間ｔ１，ｔ２，ｔ３の受信波を受信し、次いで、２回目の送信で受信時間ｔ４，ｔ５の受信波を受信し、３回目の送信で受信時間ｔ６の受信波を受信した場合、第１反射波の受信時間は最多頻度の受信時間ｔ１（＝ｔ４＝ｔ６）であることになる。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、第１反射波の受信時間、すなわち、液界面までの距離を求められる。
【００３２】
また、液界面で反射した複数回目の反射波と気泡で反射した反射波とが混在している場合がある。通常、気泡は液体中を上昇し、一定の位置に停止していない。このため、同一の気泡に反射した反射波（受信波）であっても、受信時間は同一でない。このため、例えば、図１０に示すように、インターバル時間Ｔの間隔で送信するとともに、送信毎にゲイン（増幅率）を小さくして受信する。
【００３３】
すなわち、１回目の送信で受信時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の受信波を受信し、次いで、２回目の送信で受信時間ｔ５，ｔ６，ｔ７，ｔ８，ｔ９の受信波を受信し、３回目の送信で受信時間ｔ１０，ｔ１１の受信波を受信したとする。この場合、前述の説明から明らかなように、同一の液界面に反射して減衰した第２反射波、第３反射波が受信される回数が減少する。さらに、同一の気泡で反射しても、受信される受信波の受信時間は長くなるので、同一気泡に基づく受信信号であっても、同一受信時間の受信信号は得られない。このため、最多頻度の受信時間ｔ２（＝ｔ６＝ｔ１０）が第１反射波の受信時間であると判断できる。したがって、最多頻度の受信時間を選択すれば、複数回の反射波および気泡の影響を除去し、第１反射波の受信時間、すなわち、液界面までの距離を求めることができる。
【００３４】
さらに、図１１に示すように、液界面で反射した前回の受信波と気泡で反射した今回の受信波とを送信毎に順次受信する場合がある。液界面で反射した前回の受信波の受信時間ｔ１と気泡で反射した受信波の今回の受信時間ｔ２との差が充填速度あるいは放出速度から存在し得ない場合には、今回の受信時間ｔ２を除去する。気泡は一定の位置に留まっていないので、このように処理することにより、気泡の存在による測定誤差を除去できる。
【００３５】
そして、液界面が揺れている場合であっても、送信信号を複数回送信することにより、反射波の受信時間を測定すると、得られたデータは一定の母集団となる。このデータを受信時間幅毎に分類，累積すると、正規分布する。そして、正規分布の山頂部、すなわち、最多頻度におけるデータが真値を示すと考えられる。このため、最多頻度のデータを真値として採用することにより、液界面の揺れによる測定誤差を除去できる。
【００３６】
第２実施形態は、図１２ないし図１７に示すように、最適な初期検出周波数を自動的に選択できる機能を第１実施形態に付加した場合である。
前述の第１実施形態における界面検出装置は、その初期検出周波数が固定式の場合である。しかし、例えば、鉄製タンクに充填した液体の界面を検出しようとすると、超音波カップリング剤の組成および厚み、鉄製タンクの鉄板の材質および厚み、液体の内容等により、最も透過しやすい超音波の周波数は変化する。そして、最適な検出周波数と現実の検出周波数との間にズレがあると、所望の検出感度が得られず、所望の検出感度を得るために出力電力を大きくする必要があり、消費電力が多くなる。そこで、最適な初期検出周波数とするため、現場ではマニュアルによって初期の検出周波数を調整していた。しかし、現場におけるマニュアル調整では手間がかかるだけでなく、バラツキが大きいという不具合がある。第２実施形態は、前述の不具合に鑑み、自動的に最適な初期検出周波数を選択して界面を検出できる界面検出装置を提供することにある。
【００３７】
基本的構成は、図１２に示すように、第１実施形態とほぼ同様であるので、異なる点についてのみ説明する。
すなわち、検波回路２３に直接接続された本実施形態にかかる比較回路２５は、図１３に示すように、ＣＰＵ２０からの信号を受けてＳＷ１，２，３，４が順次切り変わる。したがって、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４それぞれと抵抗Ｒ５との合成抵抗に基づき、抵抗Ｒ５における分圧でしきい値が順次切り変わる。そして、前記しきい値を検出信号が超えたか否かを比較器２５ａが比較，検出する。
【００３８】
また、本実施形態にかかる発信回路２８は、図１４に示すように、ＣＰＵ２０から出力されたデジタル信号をＤＡコンバータ２８ａがアナログ信号に変換し、そのアナログ信号の電圧に応じた周波数を出力する。したがって、ＣＰＵ２０で検出周波数を任意に変更できる可変式の界面検出装置が得られる。
【００３９】
図１２に示したブロック図に基づく制御工程のうち、最適の周波数を判定する工程を図１５のフローチャートに基づいて説明する。
すなわち、ステップＳ３０でしきい値を最大に設定し、かつ、送信周波数を最小に設定する。ついで、ステップＳ３１で超音波を最小の周波数で送信し、ステップＳ３２で受信信号がしきい値を越えたか否かを判定し、超えていればステップＳ３３で記憶し、超えていなければ、ステップＳ３４でしきい値が最小か否かを判定する。ステップＳ３４では前述のしきい値が最小でなければ、ステップＳ３５でしきい値を下げてステップＳ３１にリターンし、最小であれば、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６ではしきい値を最大とした後、ステップＳ３７で超音波の周波数が最大か否かを判定する。周波数が最大でなければ、ステップＳ３８で送信周波数を変更し、ステップＳ３１にリターンし、最大であれば、ステップＳ３９に進む。ステップＳ３９では送信された超音波の周波数を記憶、収集し、ステップＳ４０で初期検出周波数ｆ０を判定、記憶する。
【００４０】
より具体的に説明すると、例えば、所定の周波数の超音波を送信して得られた受信信号が、図１６Ａに示す山形波形を描く場合には、前記山形波形に交差するしきい値Ｖ３を特定できる。前記しきい値および送信された超音波の周波数を記憶，収集し、その中で最も高いしきい値にかかる周波数を初期検出周波数ｆ０として判定，記憶する（図１６Ｂ）。したがって、記憶した前記初期検出周波数ｆ０の超音波を超音波センサ１３から発射することにより、最適な周波数の超音波で界面を検出できる。
【００４１】
なお、最適な周波数を選択する場合に、液体中に気泡が発生していたとき、あるいは、液面が揺れていたときには反射波の信号電圧が小さくなる。このため、気泡等が存在していても、反射波の最大の信号電圧に基づいて最適な初期検出周波数を選択できるという利点がある。
【００４２】
第３実施形態は、図１７および図１８に示すように、初期検出周波数を設定した後に外部環境が変化しても、最適な検出周波数で界面を自動的に検出できる界面検出装置，方法である。
すなわち、前述の第２実施形態は装置稼働開始時の初期検出周波数を自動的に選定する場合である。しかし、装置稼働開始時の初期設定が適正であっても、外部温度の変化、超音波カップリング剤の経時変化、液体の成分変化等により、最適な検出周波数が初期検出周波数と異なる場合がある。このような場合であっても、常に最適な検出周波数で界面を検出できる界面検出装置を提供することが第３実施形態の目的である。
【００４３】
第３実施形態の特徴は、図１７に示すように、前述の第２実施形態が最小周波数から最大周波数までの全ての領域についてサーチするのに対し、前回の検出周波数ｆｎを中心とする周辺の周波数についてのみサーチする場合である。これは、経時変化、温度変化に基づく最適周波数の変化はあまり大きくないという経験則に基づくものである。
【００４４】
すなわち、第３実施形態の検出手法は第２実施形態とほぼ同様である。異なる点は、図１８に示すように、前回の最適周波数ｆｎを中心とし、その前後の周波数ｆｎ±Δｆの領域をサーチすることより、最適周波数のサーチ時間を短縮するようにした点である。
【００４５】
本実施形態にかかる制御工程のうち、最適の周波数を判定するための工程を図１８のフローチャートに基づいて説明する。
すなわち、ステップＳ５０でしきい値を最大に設定し、かつ、送信周波数を（ｆｎ−Δｆ）に設定する。ついで、ステップＳ５１で超音波を前述の周波数で送信し、ステップＳ５２で受信信号がしきい値を越えたか否かを判定し、超えていればステップＳ５３で記憶し、超えていなければ、ステップＳ５４でしきい値が最小か否かを判定する。ステップＳ５４で前述のしきい値が最小でなければ、ステップＳ５５でしきい値を下げてステップＳ５１にリターンし、最小であれば、ステップＳ５６に進む。ステップＳ５６ではしきい値を最大とした後、ステップＳ５７で超音波の周波数が（ｆｎ＋Δｆ）であるか否かを判定する。周波数が（ｆｎ＋Δｆ）でなければ、ステップＳ５８で送信周波数を変更してステップＳ５１にリターンし、周波数が（ｆｎ＋Δｆ）であれば、ステップＳ５９に進む。ステップＳ５９では送信された超音波の周波数を記憶、収集し、ステップＳ６０で最適検出周波数ｆｎ＋１を判定、記憶する。
【００４６】
本実施形態によれは、温度の変化等によって外部環境が変化しても、短時間で最適な周波数を選択でき、常に最適な条件で界面を検出できる界面検出装置，方法が得られるという利点がある。
【００４７】
前述の第２，第３実施形態では、最適な検出周波数を選択できる機能を付加した場合について説明したが、前述の最適な検出周波数を選択する方法と同一の方法で、界面を検出するための受信信号を選択してもよい。すなわち、高いしきい値を徐々に下げゆき、しきい値と交差する受信信号をＣＰＵに出力する方法である。ただし、選択した受信信号に基づいてＣＰＵが行う処理方法は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
前述の実施形態では、送信信号が超音波である場合について説明したが、必ずしもこれに限らず、レーザ光を使用してもよい。ただし、タンク壁面を透過させて計測する場合には、前記タンクは光が透過できる透明または透光性を有するものに限られる。
レーザ光を送信信号とした場合、レーザ光の伝達速度は液体の温度による影響を受けず、応答が速いので、より一層精度の高い測定を迅速に行うことができるという利点がある。データの基本的処理方法は超音波と同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
なお、液体の残量を検出する方法としては、送信信号が液体中を通過する必要はなく、液界面の上方から送信信号を送信して受信してもよい。また、液体と気体との界面を検出する場合に限らず、液体中の異物の検出、個体と気体との界面を検出する場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、液体プロパンガスの液界面だけでなく、他の液体の液界面、また、固体と気体との界面を検出する場合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明にかかる一実施形態を示し、図１Ａは全体配置図、図１Ｂは液体ガスの補給状態を示す説明図である。
【図２】図１Ａで示した制御装置のブロック図である。
【図３】図２のブロック図に基づく制御工程を示すフローチャートである。
【図４】図３に続くフローチャートである。
【図５】図４に続くフローチャートである。
【図６】前記フローチャートに基づくタイムチャートである。
【図７】データの処理過程を示す説明図である。
【図８】図８Ａは処理データをグラフ化した図面であり、図８Ｂはより判りやすくまとめた図表である。
【図９】同一液界面からの複数回の反射波による測定誤差を除去する方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１０】同一液界面からの複数回の反射波、および、気泡からの反射波が混在する場合の測定誤差を除去する方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】液中の気泡の発生による測定誤差を除去する方法を説明するためのタイムチャートである。
【図１２】第２実施形態にかかる制御装置のブロック図である。
【図１３】図１２で示した比較回路の詳細図である。
【図１４】図１２で示した発信回路の詳細図である。
【図１５】図１２で示したブロック図に基づく制御工程を示すフローチャートである。
【図１６】図１５で示したフローチャート図に基づくサーチを説明するためのグラフ図であり、図Ａは受信信号としきい値との関係を示し、図Ｂは周波数としきい値との関係を示す。
【図１７】第３実施形態の基本原理を説明するためのグラフ図である。
【図１８】第３実施形態にかかる制御工程を示すフローチャートである。
【図１９】従来例にかかる界面検出装置を示し、図Ａは装置の概略図、図Ｂはタイムチャート図である。
【図２０】従来例にかかる界面検出装置を示し、図Ａは装置の概略図、図Ｂはタイムチャート図である。
【図２１】従来例にかかる界面検出装置を示し、図Ａは装置の概略図、図Ｂはタイムチャート図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：バルクタンク
１１：液体プロパンガス
１２：液界面
１３：超音波センサ
１４：ガス警報機
１５：制御装置
１６：ガスメータ
１７：ＮＣＵ
２０：ＣＰＵ
２５：比較回路
２６：バースト波発生回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出装置において、
異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とすることを特徴とする界面検出装置。
【請求項２】
送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号にかかる検出周波数の近傍領域としたことを特徴とする請求項１に記載の界面検出装置。
【請求項３】
信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、
送信回数に応じて受信感度を変化させ、送信毎に得られた受信信号を受信時間毎に累積し、最大累積度数が規定頻度を越えた場合に、最多頻度の受信時間に基づいて前記界面までの距離を決定することを特徴とする界面検出方法。
【請求項４】
信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、
異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とすることを特徴とする界面検出方法。
【請求項５】
送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号にかかる検出周波数の近傍領域としたことを特徴とする請求項４に記載の界面検出方法。
【請求項１】
信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出装置において、
異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とすることを特徴とする界面検出装置。
【請求項２】
送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号にかかる検出周波数の近傍領域としたことを特徴とする請求項１に記載の界面検出装置。
【請求項３】
信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、
送信回数に応じて受信感度を変化させ、送信毎に得られた受信信号を受信時間毎に累積し、最大累積度数が規定頻度を越えた場合に、最多頻度の受信時間に基づいて前記界面までの距離を決定することを特徴とする界面検出方法。
【請求項４】
信号送信手段から送信信号を界面に所定の時間間隔で複数回送信し、反射した前記送信信号の反射波を受信し、送信から受信までの受信時間で前記界面までの距離を検出する界面検出方法において、
異なる周波数の送信信号を送信して得られる受信信号の信号電圧のうち、最大のしきい値を超えた信号電圧にかかる周波数を、界面検出に最適な送信信号の検出周波数とすることを特徴とする界面検出方法。
【請求項５】
送信信号にかかる最適な検出周波数を選択するためのサーチ領域を、直前に送信した送信信号にかかる検出周波数の近傍領域としたことを特徴とする請求項４に記載の界面検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００６−８４４７９（Ｐ２００６−８４４７９Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３９２５８（Ｐ２００５−３３９２５８）
【出願日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【分割の表示】特願２００１−３１５５０９（Ｐ２００１−３１５５０９）の分割
【原出願日】平成１３年１０月１２日（２００１．１０．１２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【分割の表示】特願２００１−３１５５０９（Ｐ２００１−３１５５０９）の分割
【原出願日】平成１３年１０月１２日（２００１．１０．１２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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