JP2010249574A

JP2010249574A - 超音波液面計

Info

Publication number: JP2010249574A
Application number: JP2009097169A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sekine; 良浩関根
Original assignee: Ricoh Elemex Corp
Current assignee: Ricoh Elemex Corp
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】容器底部に取り付けた超音波トランスジューサにより液面検出する際に、容器底部の板厚による誤差を生じにくい超音波液面計を提供する。
【解決手段】周波数を変化させながら超音波トランスジューサ２をバースト駆動して容器３０の底部を経て液面に向け超音波を発射すると、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサ２に発生する各周波数での検出情報には異次数の板厚固有周波数の出現に対応して極値が周期的に現れるので、これを利用すれば容器３０の底部の次数の異なる複数の板厚固有周波数を特定することができる。そして、液面検知用駆動周波数での液面反射波ＲＷの受信信号に基づいて容器３０内の液面高さを算出する際に、上記板厚ｔの値により補正することにより、容器３０板厚が変動した場合も液面高さを常に正確に特定でき、例えば、液面高さから容器３０内のガス残量を検針する際の信頼性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波液面計に関する。

従来、容器底部下面に超音波トランスジューサを取り付け、容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、該測定用超音波が液面位置で反射して戻ってくるまでの伝播往復時間を計測することにより液面高さを知ることができるようにした超音波液面計が知られている（特許文献１、２）。

特許３３７８２３１号公報特許４０８３０３８号公報

上記超音波液面計においては、上記伝播往復時間に容器底部の板厚情報が含まれるため、これが誤差となって正確な液面高さを算出できず、タンク内部の液残量が高精度に算出できない問題がある。特にＬＰガス容器（タンクあるいはボンベ）の場合等においては、容器板厚はメーカや容積によりまちまちであり、また板厚公差も異なるため、液面高さからガス残量を検針する際の信頼性に及ぼす影響が大きい。

本発明の課題は、容器底部に取り付けた超音波トランスジューサにより液面検出する際に、容器底部の板厚による誤差を生じにくい超音波液面計を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の超音波液面計は、
液体を収容した容器からなる被測定系において容器底部に取り付けられるとともに、該容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、測定用超音波の反射波を受信する超音波トランスジューサと、
容器底部の板厚方向の縦波振動に係る固有周波数を板厚固有周波数として、種々に周波数を変更しつつ超音波トランスジューサをバースト駆動し、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサに発生する各周波数での検出情報に基づき、容器底部の次数の異なる複数の板厚固有周波数を特定する板厚固有周波数特定手段と、
特定された複数の板厚固有周波数を用いて容器底部の板厚を特定する板厚特定手段と、
予め設定された液面検知用駆動周波数にて超音波トランスジューサをバースト駆動したときの、該超音波トランスジューサによる液面反射波の受信信号に基づいて容器内の液面高さを算出する液面高さ算出手段と、
算出された液面高さを、特定された容器底部の板厚にて補正する液面高さ補正手段と、
補正後の液面高さを出力する液面高さ出力手段と、を備えたことを特徴とする。

容器底部を透過する縦波音波の波長をλ、容器底部の板厚をｔとすると、共振条件では、
ｔ＝ｍ・λ／２ ‥（１）
あるいは、
λ＝２ｔ／ｍ ‥（１）’
である。従って、縦波の音速をＣとすると、板厚固有周波数ｆ_ｍは、
ｆ_ｍ＝Ｃ／λ ‥（２）
なので、（１）’（２）より、
ｆ_ｍ＝ｍ・Ｃ／２ｔ ‥（３）
ここに、ｍは固有振動の次数を示す整数である。

周知のごとく、超音波の容器底部透過効率は、超音波の周波数が容器底部の板厚固有周波数と一致している場合に最も良好となり、逆に、互いに隣りあう異次数の板厚固有周波数（隣接板厚固有周波数）の中間に超音波の周波数が位置するときに境界反射の影響が最も大となる。従って、周波数を変化させながら超音波トランスジューサをバースト駆動して容器底部を経て液面に向け超音波を発射した場合、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサに発生する各周波数での検出情報には異次数の板厚固有周波数の出現に対応して極値が周期的に現れるので、これを利用すれば容器底部の次数の異なる複数の板厚固有周波数を特定することができる。

（３）式からも明らかなごとく、板厚固有周波数ｆ_ｍは容器底部の厚さｔと密接な関係を有するので、次数ｍの異なる複数の板厚固有周波数が特定できれば、次数ｍが整数であることを考慮して板厚ｔの値を容易に見積もることができる。そして、液面検知用駆動周波数での液面反射波の受信信号に基づいて容器内の液面高さを算出する際に、上記板厚ｔの値により補正することにより、容器板厚が変動した場合も液面高さを常に正確に特定でき、例えば、液面高さから容器内のガス残量を検針する際の信頼性を向上できる。

板厚固有周波数特定手段は、種々に周波数を変更しつつ超音波トランスジューサをバースト駆動したときの、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサが受信する反射波形の各周波数での受信レベルを特定するとともに、受信レベルが極大化される周波数を板厚固有周波数として特定するものとして構成することができる。液面反射波の受信レベルは、容器底部と液体との界面での超音波反射が小さくなるほど、つまり、容器底部の超音波透過率が大きくなるほど高くなるので、周波数を変化させてこれを測定したとき、液面反射波強度の周波数プロファイルには板厚固有周波数に対応した極大値を生ずる。つまり、この極大値を検出することで板厚固有周波数を容易に特定でき、ひいては容器底部の板厚を簡単かつ正確に算出することができる。

他方、板厚固有周波数特定手段は、種々に周波数を変更しつつ超音波トランスジューサをバースト駆動したときの、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサが検出する各周波数での残響レベルを特定するとともに、残響レベルが極小化される周波数を板厚固有周波数として特定するものとして構成することもできる。該残響レベルは、容器底部と液体との界面での超音波反射が大きくなるほど、つまり、容器底部の超音波透過率が小さくなるほど高くなる。換言すれば、残響レベルは、液面反射波の受信レベルとは全く逆の傾向、すなわち、隣接する板厚固有周波数の中間に存在する板厚反共振周波数で極大値をとり、個々の板厚固有周波数の位置では極小値をとる。そこで、この残響レベルの極小値を検出することで板厚固有周波数を容易に特定でき、ひいては容器底部の板厚を簡単かつ正確に算出することができる。

板厚特定手段は、板厚固有周波数特定手段が特定した次数の異なる複数の板厚固有周波数に基づいて容器底部の縦波振動の基本周波数を算出し、容器底部をなす材料の音速と該基本周波数とに基づいて板厚を特定することができる。（３）式によると、板厚固有周波数ｆ_ｍはｍ・Ｃ／２ｔで表され、そのｍ＝１の場合の値ｆ_１（＝Ｃ／２ｔ）が基本周波数である。

板厚特定手段は、板厚固有周波数特定手段が特定した次数の異なる複数の板厚固有周波数に基づいて容器底部の縦波振動の基本周波数を算出し、容器底部をなす材料の音速と該基本周波数とに基づいて板厚を特定することができる。（３）式によると、板厚固有周波数ｆ_ｍはｍ・Ｃ／２ｔで表され、そのｍ＝１の場合の値ｆ_１（＝Ｃ／２ｔ）が基本周波数である。ｍが整数であることに着目して複数の板厚固有周波数の値から基本周波数ｆ_１＝Ｃ／２ｔを算出できれば、板厚ｔを、
ｔ＝Ｃ／２ｆ_１ ‥（４）
により簡単に算出することができる。

具体的には、板厚特定手段は、複数の板厚固有周波数を各々２以上の一連の整数でそれぞれ順に除算して、個々の板厚固有周波数毎に除算結果周波数列を得るとともに、それら除算結果周波数列を互いに比較して、予め定められた範囲内にて一致する除算結果周波数を見出し、該除算結果周波数を基本周波数として特定するように構成できる。次数の異なる複数の板厚固有周波数ｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋが得られていれば、それぞれ
ｆ_ｉ＝ｍ_ｉ・ｆ_１
ｆ_ｊ＝ｍ_ｊ・ｆ_１
ｆ_ｋ＝ｍ_ｋ・ｆ_１（ｍ_ｉ，ｍ_ｊ，ｍ_ｋは互いに異なる整数） ‥（５）
と表すことができる。（５）を変形すると、
ｆ_ｉ／ｍ_ｉ＝ｆ_１
ｆ_ｊ／ｍ_ｊ＝ｆ_１
ｆ_ｋ／ｍ_ｋ＝ｆ_１ ‥（５）’
である。該（５）’から、ｍ_ｉ，ｍ_ｊ，ｍ_ｋを２から順に大きくしてｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋを除算し、最初に一致する除算結果（つまり、ｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋの最大公約数）が見つかれば、該除算結果が基本周波数ｆ_１となることは自明である。ただし、局所的な板厚むらや極値に対応する周波数の測定精度等の影響により、測定により得られたｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋと得るべき基本周波数ｆ_１との間に整数逓倍関係が常に厳密に成り立つとは限らないので、上記除算結果が予め定められた範囲内（例えば±５ｋＨｚ）にて一致すれば、これを基本周波数ｆ_１とみなすようにする。

本発明の超音波液面計の取り付け形態を例示する模式図。図１の超音波液面計の電気的構成を示すブロック図。図１の超音波液面計の測定波形の一例を示す説明図。板厚固有周波数解と板厚値との関係を示すダイアグラム。反射波の受信レベルの極大値から板厚固有周波数を特定する概念を説明する図。駆動周波数に応じて残響レベルが変化する様子を説明する図。レベルの極小値から板厚固有周波数を特定する概念を説明する図。

本発明に係る超音波液面計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、容器３０はＬＰＧやＬＮＧ等の液化ガスや灯油等の液体を収容するものであり、超音波液面計１は、収容された液体の液面３１の容器内底面からの高さ（ひいては、液体貯蔵量）を測定するためのものである。超音波液面計１は制御回路１０と超音波トランスジューサ２とを要部とし、超音波トランスジューサ２は容器３０の底部下面に図示しないマグネット等により設置され、ケーブルＣを介して制御回路１０に接続されている。超音波トランスジューサ２は、容器底部を介して液面３１に向け測定用超音波ＰＷを送出し、該測定用超音波の液面反射波ＲＷを受信する。

容器３０は鋼鉄製のタンクであり、図２に示すように、その底面に圧電素子にて構成された超音波トランスジューサ２が、音響整合層３及びシリコーンシートからなる共振結合抑制層４を介して取り付けられている。超音波液面計１は、上記超音波トランスジューサ２により、容器３０内の液面３１の高さを、容器外から測定できるように構成されている。図２には、制御回路１０の電気的構成をブロック図の形で示している。超音波トランスジューサ２は、板厚方向に分極処理された板状の圧電セラミック素子２Ｐと、該圧電セラミック素子２Ｐの各主表面を覆う形で該圧電セラミック素子２Ｐを挟んで対向形成された電極対２ｅ，２ｅとを備える。この電極対２ｅ，２ｅは、測定用超音波ビームの送信駆動時には該圧電セラミック素子２Ｐを超音波振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極となり、反射超音波の受信時には圧電セラミック素子２Ｐの振動に伴う電気信号を出力する出力電極となる。

音響整合層３は、圧電セラミック素子（ペロブスカイト型酸化物：例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛など）よりも大きい音響インピーダンス密度を有する材料で構成することが望ましい。音響インピーダンスは材料の密度ρと音速Ｃとの積に音波通過断面積Ｓを乗じた値Ｓ・ρ・Ｃとして定義され、特に密度ρと音速Ｃとの積ρ・Ｃを固有音響インピーダンスないし音響インピーダンス密度と称する。このような音響整合層の構成材料としては、アルミニウムないしその合金（例えばＡｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｌｉ系合金など）、マグネシウムないしその合金（例えば、Ｍｇ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ｚｒ系合金など）、チタンないしその合金、ベリリウム、ステンレス鋼などの金属系材料や、共振結合抑制層よりも硬質の樹脂材料、例えばＡＢＳ樹脂等を採用するのが特に好適である。これらのうち、特に、音響インピーダンス密度の値において音速Ｃの寄与が大きい材料（具体的には、Ｃ／（ρ・Ｃ）^１／２の値が１を超える材料）を採用することが望ましい。Ｃ／（ρ・Ｃ）^１／２の値は、より望ましくは１．３以上であり、これに該当する材料としてアルミニウム（１．５４）、マグネシウム（１．５８）、ＡＢＳ樹脂（１．４６）、ガラス（１．４６）、ベリリウム（２．６２）を例示できる。

制御回路１０はマイコン１００を有し、超音波トランスジューサ２の電極対２ｅ，２ｅは、切替スイッチ１０４及び反射超音波計測部１０３を介してマイコン１００の入出力部９９に接続されている。マイコン１００は、該入出力部９９と、処理主体となるＣＰＵ９８、その作業エリアとなるＲＡＭ９６及び制御プログラム９７（超音波トランスジューサ２の駆動制御（切替スイッチ１０４によるモード切替処理を含む）及び液面高さの算出処理制御とを行なう）を格納したＲＯＭ９７とを有する。入出力部９９には、測定された液面高さを表示出力するモニタ９４と、容器底部の板厚値の入力等に使用するキーボード９５（入力部）が接続されている。

また、超音波トランスジューサ２には、マイコン１００からの指令により動作する切替スイッチ１０４を介して、駆動回路１０５と受信回路１０３とが接続されている。駆動回路１０５は、マイコン１００からの制御パルス信号を受けてバーストパルス駆動信号を発生し、切替スイッチ１０４を介して超音波トランスジューサ２へ出力する。駆動周波数は、マイコン１００による制御パルス信号の周波数設定値に応じて変更可能である。

また、受信回路１０３は、受信信号から不要残響波等をフィルタリングするフィルタ１０３ａ、フィルタリング後の受信信号を増幅するアンプ１０３ｂ、受信振動波形を包絡線検波する検波回路１０３ｃ、及び、検波後の受信信号を解析し、残響信号レベルや液面反射信号レベルを特定するとともに、超音波トランスジューサ２へのバースト矩形波の出力タイミングに対応してマイコン１００から出力されるトリガ信号を受けて起動し、液面反射信号を受信するまでの伝播時間を計測する信号処理部１０３ｄを有する。

測定に際しては、マイコン１００からのスイッチ制御信号により、切替スイッチ１０４が超音波トランスジューサ２をバースト矩形波駆動回路１０５に接続し、予め定められた駆動周波数にて測定用超音波がバースト矩形波として送出されるように駆動される。駆動動作の詳細は、特許文献１，２により周知なので詳細な説明は省略する。測定用超音波の送出後は、マイコン１００からのスイッチ制御信号により、切替スイッチ１０４が超音波トランスジューサ２の接続状態を受信回路１０３側に切り替える。これにより、測定用超音波ＰＷの液面での反射波が超音波トランスジューサ２により受信される。

受信回路１０３は、受信信号から不要残響波等をフィルタリングするフィルタ１０３ａ、フィルタリング後の受信信号を増幅するアンプ１０３ｂ、受信振動波形を包絡線検波する検波回路１０３ｃ、及び、検波後の受信信号を解析し、残響信号レベルや液面反射信号レベルを特定するとともに、超音波トランスジューサ２へのバースト矩形波の出力タイミングに対応してマイコン１００から出力されるトリガ信号を受けて起動し、液面反射信号を受信するまでの往復伝播時間（図１にて、入射波ＰＷと反射波ＲＷの各伝播時間の合計）を計測する信号処理部１０３ｄを有する。

図３に示すように、超音波トランスジューサ２を、予め設定された液面検知用駆動周波数ｆａの駆動パルスにて超音波トランスジューサ２をバースト駆動し、駆動パルスを遮断すると、超音波トランスジューサ２の検出出力には容器底部による残響の信号が現れ、その後、容器底部を透過して液面で反射した超音波による第一反射エコーの信号が現れる。超音波トランスジューサ２の駆動を開始してから第一反射エコー（液面反射波ＲＷの受信信号）が検出されるまでの時間ｔ１が上記の往復伝播時間であり、基本的にはこの往復伝播時間で液中の音速を除した値の１／２が超音波トランスジューサ２の超音波放出面から液面までの距離（つまり、液面高さ）を反映した情報として算出される。すなわち、往復伝播時間をｔ１、液体中の音速をＣとすれば、液面高さｈは、
ｈ＝（ｔ１／２）・Ｃ ‥ （６）
としてマイコン１００により算出される。なお、測定用超音波は容器底部と液面との間で減衰しつつ多重反射を繰り返すので、反射エコーも液面高さを反映した時間間隔で周期的に繰り返し検知される。

ここで、容器底部に対する超音波透過率は、駆動周波数ｆａが容器底部の共振点に一致するとき容器底部の超音波透過率は極大となり、反共振点に一致するとき極小なる。当然、反射エコーの検出レベル残響レベルは極大となる。前述のごとく、共振条件を与える板厚固有周波数ｆ_ｍは、
ｆ_ｍ＝ｍ・Ｃ／２ｔ ‥（３）
で与えられるので、超音波トランスジューサ２の駆動可能範囲内にて適当な次数ｍの板厚固有周波数を液面検知用駆動周波数ｆａとして選ぶことで、液面反射波の受信信号（反射エコー）のレベルが最適化され、高感度の液面検出が可能となる。

ところで、上記の伝播往復時間ｔ１には容器３０の底部の板厚を透過するのに要した時間が含まれるので、底部の板厚が予め正確に知れていない場合は、測定により得られた液面高さから容器内部の液残量を高精度に特定できない場合がある。この問題は、容器内の液面高さが低く、伝播往復時間ｔ１に占める板厚の寄与が大きくなるほど著しくなる。特にＬＰガス容器３０（タンクあるいはボンベ）の場合等においては、容器３０板厚はメーカや容積によりまちまちであり、また板厚公差も異なるため、液面高さからガス残量を検針する際の信頼性に及ぼす影響が大きい。

そこで、この発明の超音波液面計では、液面高さの測定に先立って、種々に周波数を変更しつつ超音波トランスジューサ２をバースト駆動し、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサ２に発生する各周波数での検出情報に基づいて、容器３０の底部の次数の異なる複数の板厚固有周波数を特定するとともに、特定された複数の板厚固有周波数を用いて容器３０の底部の板厚を算出する処理を行なう。

前述のごとく、超音波の容器３０の底部透過効率は、超音波の周波数が容器３０の底部の板厚固有周波数と一致している場合に最も良好となり、逆に、互いに隣りあう異次数の板厚固有周波数（隣接板厚固有周波数）の中間に超音波の周波数が位置するときに境界反射の影響が最も大となる。従って、周波数を変化させながら超音波トランスジューサ２をバースト駆動し、容器３０の底部を経て液面に向け超音波を発射した場合、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサ２に発生する各周波数での検出情報には異次数の板厚固有周波数の出現に対応して極値が周期的に現れるので、これを利用すれば容器３０の底部の次数の異なる複数の板厚固有周波数を特定することができる。

本実施形態では、具体的には、液面反射波ＲＷの受信レベルを、周波数を変化させて測定する。板厚固有周波数は振動の次数ｍ＝１（基本振動），２（２次振動），‥，Ｎ（Ｎ次振動）にそれぞれ対応して、ｆ_１＝１・Ｃ／２ｔ，ｆ_２＝２・Ｃ／２ｔ，‥，ｆ_Ｎ＝Ｎ・Ｃ／２ｔと周期的に出現する。従って、受信振幅の極大点も、これら板厚固有周波数に対応して周期的に出現する。板厚ｔが変化すれば、各次数の板厚固有周波数も（３）式に従って双曲線状に変化する。これを各次数ｍの値毎にｔ（板厚）−ｆ（周波数）平面上に描画すれば図４のようになる。板厚固有周波数列は、（３）式に容器底部材質（例えば鉄）に応じた音速Ｃと次数ｍを代入して得られる曲線となる。

従って、図５の上に示すように、図２にてマイコン１００から駆動回路１０５に向けて出力する制御パルスの駆動周波数を、想定される板厚に応じて適宜定められた下限値（例えば５００ｋＨｚ）から上限値（例えば１５００ｋＨｚ）に向けて（逆でもよい）、所定の間隔（例えば１〜１０ｋＨｚ）でスイープさせ、液面反射波ＲＷの受信レベル（反射波形レベル）を測定する。受信レベルは駆動周波数に応じて変化するが、これを駆動周波数に対してプロットすると図５の下に示すような結果が得られる。すなわち、マイコン１００では、受信レベルが周波数に対して、谷（極小値）から山（極大値）へ、山（極大値）から谷（極小値）へと繰り返す極値の変化に対して、極大値となる複数の周波数を抽出し、次数の異なる複数の板厚固有周波数として特定する（板厚固有周波数特定手段）。なお、駆動周波数を比較的粗い第一の間隔（例えば１０ｋＨｚ）にてスイープし、受信レベル変化を大まかに追跡した後、極値近傍の区間を抽出して駆動周波数を第一の間隔より狭い第二の間隔（例えば１ｋＨｚ）にてスイープすれば、極大値となる周波数をより高精度に特定することが可能である。

また、マイコン１００では、上記の板厚固有周波数の組を用いて、容器３０の底部の縦波振動の基本周波数ｆ_１（（３）式にて、次数ｍが１の場合の板厚固有周波数（＝Ｃ／２ｔ））を算出する。具体的には、複数の板厚固有周波数を各々２以上の一連の整数でそれぞれ順に除算し、個々の板厚固有周波数毎に除算結果周波数列を得る。得られたそれら除算結果周波数列を互いに比較したとき、予め定められた範囲内にて一致する除算結果周波数が見出されれば、該値を基本周波数ｆ_１として特定できる。例えば、３つの次数の異なる複数の板厚固有周波数ｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋが得られていれば、前述の（５）’から
ｆ_ｉ／ｍ_ｉ＝ｆ_ｊ／ｍ_ｊ＝ｆ_ｋ／ｍ_ｋ＝ｆ_１ ‥（５）’
なので、ｍ_ｉ，ｍ_ｊ，ｍ_ｋを２から順に大きくしてｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋを除算し、最初に一致する除算結果（つまり、ｆ_ｉ，ｆ_ｊ，ｆ_ｋの最大公約数）を見つける演算を行なう。なお、局所的な板厚むらや極値に対応する周波数の測定精度等の影響による誤差を見込み、上記除算結果が予め定められた範囲内（例えば±５ｋＨｚ）にて一致すれば、これを基本周波数ｆ_１とみなす。

例えば図４に示すように、超音波トランスジューサの周波数帯域内（余裕を持たせ、上限周波数＋１００ｋＨｚ、下限周波数−１００ｋＨｚ）において、見出された板厚固有周波数が低い順に、
ｆ_ｎ＝８８７ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１：１１８３ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋２：１４７４ｋＨｚ；
が得られたとする。これら各周波数を、２以上の整数で順に除した結果を並べると次のようになる。
ｆ_ｎ／１＝８８７ｋＨｚ；
ｆ_ｎ／２≒４４３．５０ｋＨｚ；
ｆ_ｎ／３≒２９５．６７ｋＨｚ；
ｆ_ｎ／４≒２２１．７５ｋＨｚ；
・・・（７）
ｆ_ｎ＋１／２＝５９２．１５ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１／３≒３９４．３３ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１／４＝２９５．７５ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１／５＝２３６．６ｋＨｚ；
・・・（８）
ｆ_ｎ＋２／３≒４９１．３３ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋２／４≒３６８．５ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋２／５≒２９４．８ｋＨｚ；
・・・（９）

この結果からもわかるとおり、一致する除算結果を見出すための演算の便宜として、周波数の次数が１増えるに従い、１つ前の固有周波数（今の場合ｆ_ｎ）で除算に採用した整数より、１つ上の整数から除算を開始すればよいことがわかる（ｆ_ｎ＋１では２から除算開始、ｆ_ｎ＋２の場合は３から除算開始）。除算結果（７）、（８）、（９）を比較すると、±５ｋＨｚにてほぼ等しくなる除算結果として、
ｆ_ｎ／３≒２９５．６７ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１／４＝２９５．７５ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋２／５≒２９４．８ｋＨｚ；
・・・（１０）
を見出すことができる（以上の結果から、ｆ_ｎは３次の、ｆ_ｎ＋１は４次の、ｆ_ｎ＋２は５次の固有周波数であることも同時に把握できる）。基本周波数ｆ_１は、例えば上記３つの値の平均値として算出することが可能である。その結果、ｆ_１＝Ｃ／２ｔなので、板厚ｔは、
ｔ＝Ｃ／２ｆ_１ ‥（４）
により算出できる。具体的には、鉄板の縦波音速Ｃを５９００ｍ／ｓとすれば、容器底部の厚さｔはほぼ１０．０ｍｍと算出される。

なお、上記の例では、スイープした帯域内で板厚固有周波数が３個見出された場合を例にとって説明したが、周波数解は最低２つ見出すことができれば、基本周波数ｆ_１、すなわち板厚ｔを演算することが可能である。以下にその具体例を示す。例えば、板厚固有周波数として特定できたのが、
ｆ_ｎ＝８４０ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１：１２６９ｋＨｚのみであったとする。前述と同様に、整数による一連の除算を行なうと、
ｆ_ｎ／２≒４２０ｋＨｚ；
ｆ_ｎ／３≒２８０ｋＨｚ；
ｆ_ｎ／４≒２１０ｋＨｚ；
・・・（１１）
ｆ_ｎ＋１／３≒４２３ｋＨｚ；
ｆ_ｎ＋１／４≒３１７．２５ｋＨｚ；
・・・（１２）
を得る。

ここでも、低次側の板厚固有周波数の除算を先に行ない、その除算結果列に対して高次側の板厚固有周波数に対する除算を順に比較しながら進めてゆき、除算結果の差が規定のレベル以下のものが見つかった段階で、高次側の板厚固有周波数に対する除算を打ち切ればよい。上記の場合、高次側の最初の除算結果ｆ_ｎ＋２／３≒４２３ｋＨｚが、ｆ_ｎ／２２≒４２０ｋＨｚに対して差分が規定の範囲内（例えば±５ｋＨｚ）に収まっているので、この段階でｆ_ｎ＋２／４以降の除算は不要となる。基本周波数ｆ_１は４２０〜４２３ｋＨｚであり、容器底部の板厚ｔはほぼ７．０ｍｍと算出される。

こうして容器底部の板厚ｔが特定できれば、例えば上記の板厚固有周波数のいずれかに測定用駆動周波数を設定して図３に示すように反射エコーを測定し、往復伝播時間ｔ１から液面高さｈを算出する。そして、その液面高さｈから容器底部の板厚ｔを減じた値ｈ’＝ｈ−ｔを真の液面高さとして算出し、例えばモニタ９４に出力することができる。

なお、上記の実施形態では、反射波の受信レベルの極大値から板厚固有周波数を特定するようにしたが、図３の残響レベルが極小化される周波数を板厚固有周波数として特定するようにしてもよい。図６の上に示すように、残響領域では減衰正弦波状の振動波形が得られるが、図２の検波回路１０３ｃにてこれを包絡線検波し、その検波波形の裾引きが長いほど残響レベルは大きいとみなされる。定量化の方法として、超音波トランスジューサをバースト駆動して遮断後一定時間経過したときの、検波波形の電圧レベルで残響レベルを特定する方法（電圧レベルが高いほど残響が大きい）、あるいは、検波波形の電圧レベルが一定レベルにまで減衰するまでの時間を計測し、その減衰時間で残響レベルを特定する方法（減衰時間が長いほど残響が大きい）等があり、いずれを用いてもよい。

図６の下に示すように、残響レベルは容器３０の底部と液体との界面での超音波反射が大きくなるほど、つまり、容器３０の底部の超音波透過率が小さくなるほど高くなる。換言すれば、残響周波数プロファイルは、液面反射波ＲＷの受信レベルとは全く逆の傾向、すなわち、図７に示すように、隣接する板厚固有周波数の中間に存在する板厚反共振周波数で極大値をとり、個々の板厚固有周波数（ｆ_ｎ、ｆ_ｎ＋１、ｆ_ｎ＋２）の位置では極小値をとる。従って、駆動周波数をスイープして該極小値から板厚反共振周波数を求めればよい。該板厚反共振周波数により実際の板厚を求める演算内容はすでに説明した通りであり、詳細な内容は繰り返さない。なお、板厚反共振周波数に対応して残響周波数プロファイルに生ずる極大値レベルは、当該の板厚反共振周波数が超音波トランスジューサの共振周波数に近いほど、板厚反共振周波数と超音波トランスジューサの共振周波数との差が小さいほど大きくなる。

１超音波液面計
２超音波トランスジューサ
３０容器
１００マイコン（板厚固有周波数特定手段、板厚特定手段、液面高さ算出手段、液面高さ補正手段）
９４モニタ（液面高さ情報出力手段）
２００容器

Claims

液体を収容した容器からなる被測定系において容器底部に取り付けられるとともに、該容器底部を介して液面に向け測定用超音波を送出し、前記測定用超音波の反射波を受信する超音波トランスジューサと、
容器底部の板厚方向の縦波振動に係る固有周波数を板厚固有周波数として、種々に周波数を変更しつつ前記超音波トランスジューサをバースト駆動し、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサに発生する各周波数での検出情報に基づき、前記容器底部の次数の異なる複数の前記板厚固有周波数を特定する板厚固有周波数特定手段と、
特定された複数の前記板厚固有周波数を用いて前記容器底部の板厚を特定する板厚特定手段と、
予め設定された液面検知用駆動周波数にて前記超音波トランスジューサをバースト駆動したときの、該超音波トランスジューサによる液面反射波の受信信号に基づいて前記容器内の液面高さを算出する液面高さ算出手段と、
算出された前記液面高さを、特定された前記容器底部の前記板厚にて補正する液面高さ補正手段と、
補正後の液面高さを出力する液面高さ出力手段と、
を備えたことを特徴とする超音波液面計。
前記板厚固有周波数特定手段は、種々に周波数を変更しつつ前記超音波トランスジューサをバースト駆動したときの、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサが受信する反射波形の各周波数での受信レベルを特定するとともに、前記受信レベルが極大化される周波数を前記板厚固有周波数として特定するものである請求項１記載の超音波液面計。
前記板厚固有周波数特定手段は、種々に周波数を変更しつつ前記超音波トランスジューサをバースト駆動したときの、該駆動に伴ない当該超音波トランスジューサが検出する各周波数での残響レベルを特定するとともに、前記残響レベルが極小化される周波数を前記板厚固有周波数として特定するものである請求項１記載の超音波液面計。
前記板厚特定手段は、前記板厚固有周波数特定手段が特定した次数の異なる複数の前記板厚固有周波数に基づいて前記容器底部の前記縦波振動の基本周波数を算出し、前記容器底部をなす材料の音速と該基本周波数とに基づいて前記板厚を特定するものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波液面計。
前記板厚特定手段は、複数の前記板厚固有周波数を各々２以上の一連の整数でそれぞれ順に除算して、個々の板厚固有周波数毎に除算結果周波数列を得るとともに、それら除算結果周波数列を互いに比較して、予め定められた範囲内にて一致する除算結果周波数を見出し、該除算結果周波数を前記基本周波数として特定するものである請求項４記載の超音波液面計。