JP2915366B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波の送受信に
より検出対象物までの距離を検出する超音波センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波レベルセンサ、超音波レベルリレ
ー等の超音波センサは、化学装置等の容器の内部に設置
され、検出対象物となる液面までの距離を検出するのに
用いられることが多い。この場合、容器内部には各種機
器や突起物など種々の障害物が配設されているため、超
音波センサがこれらの障害物を液面として誤検出しない
ように、超音波センサの取付位置には充分な注意を払う
必要がある。しかし、容器内の障害物の配設状況や容器
の使用条件により、センサと液面との間にどうしても障
害物が位置してしまう場合がある。

【０００３】このような場合、超音波センサが障害物を
検出してしまうのを避けることができないため、従来か
ら不感知帯を設定することが行われている。この不感知
帯の設定は、センサメーカがユーザの使用環境を事前に
調査し、障害物の上方及び下方に各上下限値を設定し、
この上下限値間を不感知帯領域とすることにより行われ
るのが通常である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、障害物
の取付位置が予め分かっている場合は、メーカによる不
感知帯の設定によって超音波センサが障害物を液面とし
て誤検出するのを防止することができる。しかし、容器
内に超音波センサを取り付けた後で障害物の配設状況や
使用条件が変更される場合がある。このような場合は、
不感知帯の設定を再度やり直す必要があるが、不感知帯
の設定は検出対象物の検出機能に対して直接的な影響を
及ぼすものであるため、種々の条件を考慮して行わなけ
ればならず、特に、多重反射による誤検出を避けるため
に慎重に行う必要があった。そのため、不感知帯の設定
は、従来からメーカでなければ行えないようになってお
り、ユーザはその都度容器の使用を中止して不感知帯の
再設定をメーカに依頼しなければならなかった。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、ユーザが自ら不感知帯の設定を行うことが可能な
超音波センサを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、請求項１記載の発明は、検出対象物に向
けて超音波を送波すると共にその反射波を検出し、この
超音波送波時点から反射波検出時点までの時間を測定す
ることにより検出対象物の位置を検出するが、検出対象
領域内に障害物が存在する場合には、この障害物が検出
対象物として誤検出されることを防止するために、所定
の上限値及び下限値間に形成される不感知帯を設定する
ことが可能な超音波センサにおいて、前記反射波検出に
ついての不感知帯の設定を行うための不感知帯設定スイ
ッチと、前記不感知帯設定スイッチにより設定された不
感知帯の領域をも表示する表示器と、前記不感知帯設定
スイッチにより設定された不感知帯の領域中に存在する
障害物からの反射波が検出されないように制御すると共
に、前記上限値又は下限値の２倍の値の位置よりも遠距
離の領域を検出禁止領域として検出動作を制御する検出
動作制御回路と、を備えたことを特徴とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記検出動作制御回路の制御モードは、検
出距離に応じて区分された低感度モード及び高感度モー
ドを含んでおり、検出動作制御回路は両モードを交互に
切り換えて検出動作を制御するものである、ことを特徴
とする。

【０００８】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、前記検出動作制御回路は、雰囲気検
出温度の入力に基づいて設定された不感知帯領域の値を
温度補償するものである、ことを特徴とする。

【０００９】

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づき説明する。図１は本実施形態に係る超音波レベルセ
ンサの構成を示すブロック図である。この図において、
ＣＰＵ１内には、この超音波レベルセンサの検出動作の
総合的な制御を行う検出動作制御回路２が設けられてい
る。検出動作制御回路２は不感知帯設定スイッチ３から
の設定信号を入力すると、その設定内容を書換可能不揮
発メモリ４に書き込むと共に、設定内容を表示器５に表
示するようになっている。ここで、不感知帯設定スイッ
チ３及び表示器５としては種々のタイプのものが考えら
れるが、本実施形態では、押しボタン式の不感知帯設定
スイッチ３をユーザが指で押す毎に表示器５の画面に不
感知帯の上限値及び下限値が順次ディジタル表示される
ようなものを想定している。検出動作制御回路２は、ま
た、温度検出器６から雰囲気温度についての検出信号を
入力するようになっており、後述するようにこの温度検
出に基づいて不感知帯の上限値及び下限値の温度補償を
行うようになっている。

【００１１】そして、検出動作制御回路２が超音波発射
指令を基準パルス発生回路７に出力すると、基準パルス
発生回路７は基準パルスを発生する。このパルスはパル
ス変調器８を介してセンサ駆動回路９に送られ、センサ
駆動回路９は超音波送受信部１０から超音波を検出対象
物である液面に向けて送波する。次いで、液面で反射し
た超音波の反射波は超音波送受信部１０で受信されて増
幅回路１１に送られる。増幅回路１１により増幅された
反射波の信号は検波回路１２により復調され、増幅回路
１３により再度増幅された後検出動作制御回路２に送ら
れる。

【００１２】ところで、検出動作制御回路２は、低感度
モード及び高感度モードの２つの制御モードを有してお
り、超音波のワンショットの送波毎に両モードを切り換
えて超音波による検出制御を行うようになっている。こ
こで、低感度モードとは近距離の検出のためのものであ
り、高感度モードとは遠距離の検出のためのものであ
る。感度切換回路１４は、このような低感度モードと高
感度モードとの切換を行うものであり、パルス変調器８
及び増幅回路１３を制御して、超音波送波の際のパルス
幅及び超音波受信の際の増幅度を切り換えるようになっ
ている。なお、この低感度モードと高感度モードとを切
り換えながら検出を行う技術については、例えば、特願
平７−１５５２９４号において出願人により既に呈示さ
れている。そして、検出動作制御回路２は、検出対象物
の距離検出を行う際に、その検出された距離が不感知帯
設定スイッチ３により設定された不感知帯領域に含まれ
る場合は、不感知帯設定実行回路１５を介して検波回路
１２を制御し、反射波をカットすることにより不感知帯
領域内の対象物が検出されないようにしている。

【００１３】なお、電源回路１６は、図１に示した各回
路及び図示を省略した他の回路に電力を供給するための
ものであり、リレー駆動回路１７はユーザ側の各種制御
機器を駆動するためのものである。

【００１４】図２は、図１における検出動作制御回路２
の主な制御動作を示すフローチャートである。検出動作
制御回路２は、まず、初期設定を行うが（ステップ５
１）、この初期設定において先に書換可能不揮発メモリ
４に書き込んでおいた不感知帯の上限値及び下限を読み
込んでおく。次いで、発射プログラムを実行し（ステッ
プ５２）、温度検出器６から雰囲気温度を読み込んで不
感知帯の温度補償を行う（ステップ５３）。この不感知
帯の温度補償については図３において後述する。その
後、検出動作制御回路２は、検出対象物からの反射波に
より演算した検出距離が不感知帯領域に含まれる距離で
あるか否かを判別し、この判別に基づき検波回路１２が
入力した反射波信号をカットしたり、カットしなかった
りする処理を不感知帯設定実行回路１５を介して行う
（ステップ５４）。そして、このカットが行われなかっ
た場合は、先に演算した距離を最終的な反射波測定距離
と決定し（ステップ５５）、表示器５にその距離を表示
する。このように、最初の超音波パルスが発射され受信
された後、ステップ５１に戻って２回目以降の超音波パ
ルスの発射及び受信が繰り返される。

【００１５】次に、ステップ５３における不感知帯の温
度補償につき図３を参照しつつ説明する。一般に、超音
波の伝播速度は雰囲気温度によって変化し、特に、化学
装置等の容器内では温度変化が大きなために不感知帯の
温度補償を行う必要性が高くなる。本実施形態では、図
４に示すように、予想される温度変化を−２０℃〜７０
℃とし、各温度について補正係数δ1，δ2，…δ90，δ
91を設定して、これを図示を省略してあるメモリに記憶
させてある。

【００１６】検出動作制御回路２は、まず、温度検出器
６からの検出温度を所定周期でサンプリングし（ステッ
プ１０１）、現在温度を決定する（ステップ１０２）。
そして、この決定した温度に対応する補正係数を図４か
ら求める（ステップ１０３）。次いで、この求めた補正
係数を現在設定されている上限値及び下限値にそれぞれ
乗じ（ステップ１０４，１０５）、容器内の雰囲気温度
に適合した上限値及び下限値に修正する。このように、
本実施形態では、超音波パルスのワンショット毎に上限
値及び下限値を修正しているので、急激な温度変化が生
じる化学装置等の容器内においても不感知帯領域を常時
適正に設定することができる。

【００１７】次に、ステップ５５の距離決定における制
御内容について、図５のフローチャートを参照しつつ詳
細に説明する。まず、検出動作制御回路２は、先に検出
対象物からの反射波により演算した検出距離を温度補正
した距離に変換する（ステップ７１）。この温度補正
は、図３において説明した不感知帯の温度補正とほぼ同
様の方法で行うことができる。

【００１８】そして、今回の距離検出が低感度モードで
行われたものか高感度モードで行われたものかについて
判別を行い（ステップ７２）、低感度モードであれば低
感度モード用の補正処理を行い（ステップ７３〜７
５）、高感度モードであれば高感度モード用の補正処理
を行う（ステップ７６〜７８）。

【００１９】すなわち、ステップ７２で低感度モードと
判別されると、反射波のパルスの立下がり部分が不感知
帯の上限値と一致しているか否かについて判別する（ス
テップ７３）。これは、検出距離が不感知帯に属するか
否かは、反射波のパルスの立下がり部分が不感知帯に属
するか否かにより決定されるためである。そして、反射
波のパルスの立下がり部分が不感知帯の上限値と一致し
ていれば、先に検出していた検出距離の補正を行わない
（ステップ７４）。これは、この場合の補正はパルス幅
に応じて行うものであるが、パルスの立下がり部分が不
感知帯領域に入り込んでいるために、正確なパルス幅を
検出することができないからである。一方、反射波のパ
ルスの立下がり部分が不感知帯の上限値と一致していな
い場合は、先に検出していた検出距離は不感知帯領域に
は属さず検出可能領域に属しているので、パルス幅に応
じた検出距離の補正を行う（ステップ７５）。

【００２０】ステップ７６〜７８もステップ７３〜７５
と同様に行われるため、その説明は省略する。なお、こ
のステップ７３〜７８の補正処理は、検出対象物の超音
波振動面における振動遅れに起因して発生する検出距離
の誤差を是正するために行うものであるが、本出願人
は、この補正処理の技術内容については別の出願により
開示を行っている。したがって、ここでは、この補正処
理の内容の詳細については省略することとする。

【００２１】次いで、低感度モードの補正処理を終えた
後、得られた検出距離が低感度モードの検出可能領域内
にあるか否かを判別し（ステップ７９）、検出可能領域
内にあれば、検出対象物が検出されたものとして処理を
行う（ステップ８０）。一方、得られた検出距離が低感
度モードの検出可能領域内になければ、この検出距離は
最終的には採用されず、次回以降の低感度モード又は高
感度モードでの検出動作に委ねられることになる。

【００２２】また、高感度モードの補正処理を終えた
後、得られた検出距離が高感度モードの検出可能領域内
にあるか否かを判別し（ステップ８１）、検出可能領域
内になければ、さらに、低感度モードの検出可能領域内
にも検出物体が存在しないかどうかを判別する（ステッ
プ８２）。そして、低感度モードの検出可能領域内にも
検出物体が存在しなければ、検出対象物は検出されなか
ったものとして処理を行い（ステップ８３）、低感度モ
ードの検出可能領域内に検出物体が存在していれば、今
回は高感度モードでの検出であるため、この検出距離は
最終的には採用されず、次回以降の低感度モードでの検
出動作に委ねられることになる。

【００２３】ステップ８１において、得られた検出距離
が高感度モードの検出可能領域内にあると判別した場合
は、さらに、低感度モードの検出可能領域内にも検出物
体が存在しているか否かを判別する（ステップ８４）。
低感度モードの検出可能領域内にも検出物体が存在して
いれば、低感度モードでの検出動作を優先させ、今回は
この検出距離を採用せず、次回以降の低感度モードで検
出された距離を採用するようにする。一方、低感度モー
ドの検出可能領域内にも検出物体が存在していなけれ
ば、検出対象物が検出されたものとして処理を行う（ス
テップ８０）。なお、上記の例では、ステップ８１での
判別がＹＥＳの場合にはステップ８４を介在させて低感
度モードの検出動作を優先させるようにしているが、こ
のステップ８４を省略することも可能である。

【００２４】次に、本実施形態に係る超音波レベルセン
サの不感知帯処理を図６の説明図及び図７のフローチャ
ートを参照しつつ具体的に説明する。本実施形態に係る
超音波レベルセンサは、低感度モードでは４０〜３００
ｃｍ、高感度モードでは８０〜３００ｃｍの検出可能領
域を有するものとする。このように、高感度モードの方
が検出可能領域が狭いために、この８０ｃｍの位置を基
準とした不感知帯の位置に応じて、検出動作制御回路２
は不感知帯処理を行う必要がある。図６（ａ）は上限値
及び下限値の双方が８０ｃｍより短い場合（上限値：５
０ｃｍ，下限値：７０ｃｍ）、図６（ｂ）は上限値及び
下限値の双方が８０ｃｍより長い場合（上限値：１１０
ｃｍ，下限値：１４０ｃｍ）、図６（ｃ）は上限値が８
０ｃｍより短く下限値が８０ｃｍより長い場合（上限
値：６０ｃｍ，下限値：１００ｃｍ）をそれぞれ示して
いる。なお、本実施形態では、距離の短い方つまりセン
サに近い側を上限値とし、距離の長い方を下限値として
いる。検出距離の値を基準にして考えれば、本来は、距
離の短い方を下限値とし、距離の長い方を上限値と呼ぶ
べきであるが、本実施形態ではレベルセンサを対象とし
ているため、検出液面の上下の位置関係を基準にして考
え、敢えて距離の短い方を上限値として説明する。

【００２５】そして、本実施形態では、不感知帯が設定
された場合、検出可能領域を最大で２×上限値までの距
離に設定してある。これは超音波の多重反射が発生した
場合を考慮したものである。つまり、例えば、障害物が
６０ｃｍの位置に配設されており、これに超音波が２回
反射したと仮定すると、センサはこの場合の障害物の位
置を１２０ｃｍとして検出してしまい、実際には不感知
帯領域内に配設され検出されないはずの障害物が検出さ
れてしまうことになる。このような事態を防止するため
に、本実施形態では２×上限値を検出可能領域の最大値
としてある。

【００２６】まず、図６（ａ）のように不感知帯が設定
されている場合から順に説明する。検出動作制御回路２
は、今回の超音波を発射した制御モードが低感度モード
か高感度モードかを判別し（ステップ１）、低感度モー
ドであれば反射波により演算された距離が４０ｃｍより
短いか否かを判別する（ステップ２）。４０ｃｍより短
い場合には、この距離は検出禁止領域に属しているた
め、この反射波をカットする（ステップ３）。

【００２７】ステップ２で距離が４０ｃｍより長いと判
別した場合、次に、距離が上限値（５０ｃｍ）より短い
か否かを判別する（ステップ４）。上限値より短い場合
には、この距離は検出可能領域に属しているため、この
反射波をそのまま測定する（ステップ５）。ステップ４
で距離が上限値より長いと判別した場合、さらに、この
距離が下限値（７０ｃｍ）より短いか否かを判別する
（ステップ６）。下限値より短い場合、この距離は不感
知帯領域に属しているため、この反射波をカットする
（ステップ７）。

【００２８】ステップ６で距離が下限値より長いと判別
した場合、次に、距離が２×上限値（１００ｃｍ）より
短いか否かを判別する（ステップ８）。２×上限値より
短い場合、この距離は検出可能領域に属しているため、
この反射波をそのまま測定し（ステップ５）、また、２
×上限値より長い場合はこの領域は多重反射を考慮した
検出禁止領域に属しているため、この反射波をカットす
る（ステップ７）。

【００２９】ステップ１で今回の制御モードが高感度モ
ードであると判別した場合、検出動作制御回路２は不感
知帯領域の下限値が８０ｃｍより短いか否かにつき判別
する（ステップ９）。いまの場合は下限値が７０ｃｍで
あるため、当然８０ｃｍより短いと判別するが、この場
合は更に演算された距離が８０ｃｍより短いか否かを判
別し（ステップ１０）、短い場合にはこの距離は高感度
モードにおける検出禁止領域に属しているので反射波を
カットする（ステップ１１）。

【００３０】また、ステップ１０で距離が８０ｃｍより
長いと判別した場合、さらに、この距離が２×上限値よ
り短いか否かを判別する（ステップ１２）。２×上限値
より短い場合、この距離は検出可能領域に属しているた
め、この反射波をそのまま測定し（ステップ１３）、２
×上限値より長い場合にはこの領域は検出禁止領域に属
しているため、この反射波をカットする（ステップ１
１）。

【００３１】次に、図６（ｂ）のように不感知帯が設定
されている場合につき説明する。この場合、ステップ１
〜８までは図６（ａ）の場合と同様であり、下限値が１
４０ｃｍに設定されているため、ステップ９において判
別がＮＯとなる。次いで、検出動作制御回路２は更に上
限値が８０ｃｍより長いか否かを判別するが（ステップ
１４）、いまの場合、上限値は１１０ｃｍに設定されて
いるのでこの判別はＹＥＳとなる。

【００３２】そして、演算された距離が８０ｃｍより短
いか否かを判別し（ステップ１５）、短い場合、この領
域は検出禁止領域に属しているため反射波をカットする
（ステップ１１）。距離が８０ｃｍより長いと判別した
場合、更にこの距離が上限値（１１０ｃｍ）より短いか
否かを判別する（ステップ１６）。距離が上限値よりも
短ければ、この距離は検出可能領域に属するためそのま
ま反射波を測定する（ステップ１３）。距離が上限値よ
り長い場合は更に下限値より短いか否かを判別し（ステ
ップ１７）、短い場合はこの距離は不感知帯領域に属し
ているので、この反射波をカットする（ステップ１
１）。

【００３３】ステップ１７で距離が下限値（１４０ｃ
ｍ）より長いと判別した場合は、更に２×上限値（２２
０ｃｍ）より短いか否かを判別する（ステップ１８）。
２×上限値よりも短ければ、この距離は検出可能領域に
属しているのでそのまま反射波を測定し（ステップ１
３）、また、２×上限値よりも長ければ、この距離は検
出禁止領域に属しているので反射波をカットする（ステ
ップ１１）。

【００３４】次に、図６（ｃ）のように不感知帯が設定
されている場合につき説明する。この場合、ステップ１
〜９までは図６（ｂ）の場合と同様であり、上限値が６
０ｃｍに設定されているため、ステップ１４における判
別がＮＯとなる。次いで、検出動作制御回路２は、演算
した距離が下限値（１００ｃｍ）よりも短ければ、この
距離は不感知帯領域又は検出禁止領域のどちらかには必
ず属していることになるため、反射波をカットする（ス
テップ２０）。

【００３５】ステップ１９で距離が下限値より長いと判
別した場合、更にこの距離が２×上限値（１２０ｃｍ）
よりも短いか否かを判別する（ステップ２１）。２×上
限値よりも短ければ、この距離は検出可能領域に属して
いるので、そのまま反射波を測定し（ステップ２２）、
２×上限値よりも長ければ、この距離は検出禁止領域に
属しているので、反射波をカットする（ステップ２
０）。

【００３６】上述した超音波レベルセンサによれば、表
示器５にディジタル表示された数値を見ながら不感知帯
設定スイッチ３を操作するだけで不感知帯の設定を簡単
に行うことができる。したがって、ユーザは、従来セン
サメーカに頼っていた、障害物配設状況変更後における
不感知帯の再設定を、自らの手で容易に行うことができ
る。

【００３７】なお、上記実施形態の説明における不感知
帯の上限値及び下限値、検出可能領域についての数値等
は、もちろん、説明の便宜上用いたものであり、これら
の数値は種々変更可能なものであることは言うまでもな
い。また、超音波センサの例として超音波レベルセンサ
を取り上げ、検出対象物が化学装置等の容器内の液面で
ある場合につき説明したが、検出対象物についても液面
に限定されることなく種々の物を考えることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ユーザ
は、多重反射による誤検出を心配せずに、簡単な操作に
より自らの手で不感知帯を設定することができるように
なる。したがって、センサ取付後の障害物の配設状況の
変更に対して容易且つ迅速に対処することが可能にな
る。

【００３９】また、本発明のセンサにおける検出動作制
御回路には、不感知帯の設定にかかわらず低感度モード
及び高感度モード間の切換制御を維持する機能、不感知
帯の温度補償を行う機能等を付加することができるの
で、より正確な検出動作を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る超音波レベルセンサの
構成を示すブロック図。

【図２】図１における検出動作制御回路２の主な制御動
作を説明するためのフローチャート。

【図３】図２における不感知帯の温度補償を説明するた
めのフローチャート。

【図４】不感知帯の雰囲気温度と不感知帯の補正係数と
の関係を示す図表。

【図５】図２における距離決定の制御動作を説明するた
めのフローチャート。

【図６】本発明の実施形態における不感知帯の設定領域
を示した説明図。

【図７】本発明の実施形態における不感知帯処理を説明
するためのフローチャート。

【符号の説明】 １ ＣＰＵ ２ 検出動作制御回路 ３ 不感知帯設定スイッチ ４ 書換可能不揮発メモリ ５ 表示器 ６ 温度検出器 ７ 基準パルス発生回路 ８ パルス変調器 ９ センサ駆動回路 １０ 超音波送受信部 １１ 増幅回路 １２ 検波回路 １３ 増幅回路 １４ 感度切換回路 １５ 不感知帯設定実行回路 １６ 電源回路 １７ リレー駆動回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 照 井 越 雄 東京都文京区湯島４丁目１番18号 株式 会社関電工内 (72)発明者 石 井 晴 夫 東京都港区西新橋３丁目20番４号 東京 電設サービス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−124482（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−11048（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−168876（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−168877（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−149071（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−75889（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出対象物に向けて超音波を送波すると共
   にその反射波を検出し、この超音波送波時点から反射波
   検出時点までの時間を測定することにより検出対象物の
   位置を検出するが、検出対象領域内に障害物が存在する
   場合には、この障害物が検出対象物として誤検出される
   ことを防止するために、所定の上限値及び下限値間に形
   成される不感知帯を設定することが可能な超音波センサ
   において、 前記反射波検出についての不感知帯の設定を行うための
   不感知帯設定スイッチと、 前記不感知帯設定スイッチにより設定された不感知帯の
   領域をも表示する表示器と、 前記不感知帯設定スイッチにより設定された不感知帯の
   領域中に存在する障害物からの反射波が検出されないよ
   うに制御すると共に、前記上限値又は下限値の２倍の値
   の位置よりも遠距離の領域を検出禁止領域として検出動
   作を制御する検出動作制御回路と、 を備えたことを特徴とする超音波センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の超音波センサにおいて、 前記検出動作制御回路の制御モードは、検出距離に応じ
   て区分された低感度モード及び高感度モードを含んでお
   り、検出動作制御回路は両モードを交互に切り換えて検
   出動作を制御するものである、 ことを特徴とする超音波センサ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の超音波センサにおい
   て、 前記検出動作制御回路は、雰囲気検出温度の入力に基づ
   いて設定された不感知帯領域の値を温度補償するもので
   ある、 ことを特徴とする超音波センサ。