JP3037779B2

JP3037779B2 - 音響的距離測定システム用制御ユニット

Info

Publication number: JP3037779B2
Application number: JP3128800A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・ジェイ・ウッドワード
Original assignee: ミルトロニクス・リミテッド
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 2000-05-08
Anticipated expiration: 2015-05-08
Also published as: JPH04230883A; CA2036738C; DK0447076T3; EP0447076B1; US5079751A; ES2090236T3; ZA911890B; GB2242023B; CA2036738A1; EP0447076A3; DE69121264T2; ATE141416T1; GB2242023A; EP0447076A2; DE69121264D1; AU627685B2; GB9005722D0; AU7288191A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電気・音響トランス
ジューサ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が音響エネルギーの
パルス又はショットを距離が測定される表面に放射し、
そしてトランスジューサからの直後の信号はモニタさ
れ、前記表面からのエコーの暫定的位置を判断するタイ
プの音響的範囲検出システムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】異なる
トランスジューサの特性及び動作パラメータが、異なる
条件で使用するのに必要である。一般に短い範囲での最
も優れた性能は、一般に比較的高周波数の５０ｋＨｚオ
ーダで、２０メートルぐらいの範囲で動作するトランス
ジューサを用いて得られる。一方、長距離範囲では、低
い周波数で動作するトランスジューサが優れた性能を示
す。５０メートルぐらいの長距離範囲での周波数は１２
ｋＨｚのオーダが適しており、中位の距離に対しては前
述した周波数の中間位がよい。概して、高い周波数ほど
シャープにエコーを捕らえ、分解能も優れているが、ほ
こりなどがある悪い状態では減衰しやすい。一方、低周
波数は減衰しにくいが、エコーが拡散して分解能が低
い。位置が測定される表面の反射率及び形状は周波数に
より変化する。従って、測定される物質表面の認識、及
びその静止角度はトランスジューサに使用する周波数の
選択に影響する。例えば、粒状物質からなる傾いた表面
はベゼル（ｖｅｓｓｅｌ）の壁に対して低周波数を反射
する傾向があり、従って弱い直接エコーを発生し、強い
直接エコーはベゼルの壁を一回以上反射する。この特性
は高周波では殆どないが、この問題を解決できるほどの
高周波数を使用するのは実際的ではない。低周波数で長
いパルスを使用するのが一般的であり、それにより大き
な音響エネルギーを送信でき、又低周波数トランスジュ
ーサの遅い応答時間を用いることができる。受信信号は
一般に送信信号より非常に小さく、ノイズの影響を受け
やすいので、システムの信号／ノイズ比を良くするため
に、送信器及び受信器はトランスジューサの共振周波数
に接近して調整されなければならない。送信器周波数は
様々な理由によりトランスジューサの実際の共振周波数
から僅かにオフセットすることがある。従って、設計上
の共振周波数から僅かにオフセットして発生することの
あるエコー振幅を最適に調整することが一般に知られて
おり、又、測定される環境における妨害によるエコー応
答内のヌル（ｎｕｌｌ）を防ぐために、送信器周波数を
狭い範囲でシフト又は走引することが一般に知られてい
る。そのような送信器の周波数変化は非常に少なく、受
信器の周波数帯域に含まれる。

【０００３】１９８０年４月２２日に発行された米国特
許Ｎｏ．４，１９９，２４６（Ｍｕｇｇｌｉ）では、
送信器が電圧制御発振器によりドライブされる超音波領
域システムが開示され、そのシステムではトランスジュ
ーサにより送信される周波数は、送信パルスのコース
（ｃｏｕｒｓｅ）の間の実質的範囲にわたり、所定の方
法で変化する。受信器の帯域幅は次の周期の間、このパ
ターンに従って再び変化し、それにより受信器の帯域幅
はパルスに続く時間の経過により狭められ、受信器の通
過バンドの中心周波数は送信される最も低い周波数であ
る。初期の短い部分は比較的高周波数で送信されるよう
に送信されるパルスを形成することにより、この周波数
は一段又は数段のステップで比較的低周波数に変換さ
れ、又、受信器の最初の帯域幅を最も高い周波数及び最
も低い周波数を通過させるように広く設定することによ
り、高周波数パルス成分のエコーを検出できるが、長距
離範囲では、バンド幅を減少することにより、低周波数
成分及びノイズの偏倚は最適化され、従って受信器の品
質ファクター（ｑｕａｌｉｔｕｆａｃｔｏｒ）（Ｑ）
が改善される。

【０００４】マギーシステムは応用に関する二つの制限
を受けやすい。トランスジューサそれ自体広い周波数範
囲で動作しなければならず、そのような周波数における
受信器の広帯域性により、短距離範囲でシステムはノイ
ズに弱い。マギーシステムの設計が最初明らかに応用さ
れたカメラ制御には、それらの制限は重大ではなかっ
た。なぜならば、そのカメラ制御はローパワートランス
ジューサを用いて、比較的短い範囲及び低周波数で比較
的静かな環境で行われたからである。しかし広帯域周波
数で動作する適切なトランスジューサを一般に入手でき
ない代表的な工業的応用において、それらは非常に重大
である。適切なトランスジューサを選択し、周波数特性
及び出力電圧がそのトランスジューサに適合する送信器
／受信器システムを提供することが必要である。

【０００５】この問題を克服するために、総合的に適合
するトランシーバユニット、及び基本的にトランスジュ
ーサのタイプに関係しない標準化されたフォーマットの
データに受信したエコーを変換する、受信信号の前段プ
ロセッサを提供することが一般に知られている。この標
準化されたデータは、トランスジューサの特性に関係し
ない方法で、遠隔点での次の処理のために送信すること
ができる。このような構成は米国特許Ｎｏ．４，７０
０，５６９（Ｍｉｃｈａｌｓｋｉ）に開示されている。
このような構成により、トランスジューサの遠隔処理ユ
ニットを簡単な構造とし、異なるタイプのトランスジュ
ーサからのデータを扱えるようになるが、エコートラン
スジューサに対する複雑な追加回路が必要となる。

【０００６】この発明の目的は、異なる電子音響トラン
スジューサによる広い範囲に使用できる音響範囲システ
ムに用いる制御ユニットを提供することであり、そのシ
ステムには、複数のトランスジューサが単一制御ユニッ
トにより制御される構成における異なるタイプのトラン
スジューサの組み合わせが含まれる。出願人の知るかぎ
りにおいて、この発明の一実施例は、駆動周波数及び駆
動電圧に関して、トランスジューサが設計上の同様な要
求を実質的に有する、走査構成における複数のトランス
ジューサを制御する単一ユニットを使用することができ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、電子
音響トランスジューサへの接続に関する制御ユニットが
提供され、音響範囲システムを形成する。このシステム
は、前記トランスジューサに適用する高周波数電気エネ
ルギーのショット（ｓｈｏｔｓ）を発生する送信器と、
前記トランスジューサからの高周波数エネルギーを受信
し増幅する調整された受信器と、前記受信器からの出力
をデジタル化する手段と、前記送信器のショット時間を
制御し、前記デジタル化された処理して距離の測定され
るターゲットからの初段エコーを示す特徴を認識する制
御コンピュータを具備する。更に前記ユニットは前記送
信器の動作周波数を決定する電子的制御手段と、前記送
信器の動作周波数に追随するように前記受信器を調整す
る電子的制御手段を有し、前記制御コンピュータは前記
トランスジューサの特性に関係するデータに応答する各
ショットの間に、前記送信器を電子的に調整する手段を
制御する。

【０００８】コンピュータの制御の下に、各トランスジ
ューサへの選択的接続を実行するユニットに対策が施さ
れる。

【０００９】この発明の他の特徴は、以下に示す好適実
施例の詳細な説明により明らかになる。

【００１０】

【実施例】図１には、複数の超音波トランスジューサ
（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）４に接続される制御ユニッ
トを示すが、一つのトランスジューサ４のみの接続が示
される。トランスジューサはモニタされる複数の箱、サ
イロ、チャンネル、又は他のベゼルの中に配置され、こ
れら容器はポイントとして参照される。一般に１個のト
ランスジューサが各ポイントに各々位置するが、７図に
むすびついて述べられるように１個以上のトランスジュ
ーサが単一ポイントに配置されることもある。各トラン
スジューサ４の端子は、通常オープンのリレー６の接点
を介してグランド及びライン１６に各々接続され、それ
自身は一般に適切な定数のトランジスタによるドライバ
８を介してデコーダ１０の出力により制御され、デコー
ダのあらゆる出力は、多重ポートアレイ１４により制御
されてライン１２上の適切なロジックレベルの組み合わ
せを適用することによって選択することができる。ライ
ン１６は送信器１８の出力及び受信器２０の入力に接続
される。

【００１１】送信器１８は変換器ユニットにより形成さ
れる。変換器ユニットは電源２２から低電圧の直流が供
給され（この電源はユニットの他の部分を形成する構成
要素にも適切な電源を供給する）、チョッパーユニット
２４又は２６を介してトランス２８にその電源を供給す
る。トランス２８の二次側はグランドとライン１６に接
続される。チョッパユニット２４は、電源２２の１極と
トランスの一次側巻線端の間に接続されるスイッチング
トランジスタを具備し、電源の他極はトランスの一次側
センター端子に接続される。トランジスタは適切なドラ
イブアンプを介してプログラマブルロジッシアレイ３２
からのライン３４上の信号により駆動される。チョッパ
ーユニット２６も同様であるが、そのトランジスタが一
次側巻線の中間端子に接続されるところが異なり、その
駆動信号はライン３０から入力される。一つのチョッパ
ーユニットのみが一度に駆動される。即ち、トランス２
８のステップアップ比は、チョッパーユニットが使用さ
れたときよりも高く、従って出力電圧は高い。例えばチ
ョッパーユニットが使用されたときは３５０Ｖピーク・
ピークであるのに比べ、７００Ｖピーク・ピークであ
る。送信器はロジックアレイ３２によって供給される信
号により決まる周波数で動作する。その周波数は以下に
示される方法により、電圧制御発振器１１４及びドライ
バ１１６によって制御される。

【００１２】ライン１６からのトランスジューサ信号は
クリップ（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）回路３６及び３８を介し
て受信器２０に入力し、クリップ回路３６及び３８は送
信器により発生する高出力電圧から入力を保護する。ク
リップ回路は第１に、電流制限抵抗４０と４２を有し、
第２に、逆接続された制限ダイオード４４、４６、４８
及び５０を有し、受信器部品の入力電圧範囲を越える信
号を制限する。電流制限抵抗４２は負荷抵抗としても作
用し、トランスジューサに所望量の電流を供給し、従っ
てそのＱを所望レベルに調整することができる。ポート
アレイ１４からの制御ライン５８により、リレードライ
バ５３を介して制御されるリレーを用いて、この負荷は
並列抵抗５２のスイッチングによって変えることができ
る。

【００１３】クリップ回路３６の出力は電子的に制御さ
れるバンドパスフィルタ６０に供給され、このフィルタ
の中心周波数は、所望中心周波数の倍数（この場合は５
０倍）のクロック信号が供給されることにより設定され
る。このようなフィルタはＭｉｃｒｏＬｉｎｅａｒ社
の部品番号ＭＬ２１１１により入手することがで
き、これに類似する部品としてＮａｔｉｏｎａｌＳｅ
ｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社のＬＭＦ１００が入手可能で
ある。フィルタの出力はログアンプ（ｌｏｇａｒｉｔｈ
ｍｉｃａｍｐｌｉｆｉｅｒ）６２に供給され、抵抗６
４を介して加算アンプ６６の入力に供給される。

【００１４】クリップ回路３８の出力は５０ｄＢローノ
イズアンプ６８に供給され、そしてフィルタ６０、アン
プ６２、及び抵抗６４と同様に、フィルタ７０、ログア
ンプ７２、及び抵抗７４に接続され、加算アンプ６６の
入力に接続される。又、アンプ６８の出力は５０ｄＢア
ンプ７８に接続され、それから更に前述のフィルタ８
０、アンプ８２及び抵抗８４を介して、参照電圧発生器
７６からの参照入力と共に、加算アンプ６６に接続され
る。フィルタによって設定される周波数における受信器
入力成分の対数に比例する受信器出力は、アンプ６６の
出力に発生する。

【００１５】これまでに説明された構成は一般に、我々
による米国特許Ｎｏ．４，５９６，１４４で示される
構成と類似しており、本質的な違いは、フィルタ６０、
７０及び８０の電子的調整と、送信器周波数の制御と、
送信器の選択可能出力電圧と、及び受信器の入力回路に
よる選択可能負荷である。後者２つ各々の場合、この実
施例では２つのみの選択が示されるが、広範囲の選択が
可能である。即ち送信器の出力電圧はデジタル・アナロ
グ変換器によってデジタル的に制御されるレギュレータ
回路を使用して、広い範囲にわたり変えることができ
る。又、追加抵抗５２は回路に挿入又は削除できる。ト
ランス２８の追加端子を使用するこの送信器構成は、送
信器出力のインピーダンスがトランスジューサの典型的
なファミリーの特性に適合する電圧により減少するので
有益である。

【００１６】送信器１８及び受信器２０はデコーダ１０
と共にコンピュータ８６により制御され、コンピュータ
８６は既に説明したポートアレイ１４を具備する。コン
ピュータはアドレス及びデータバス９０、９２を有する
マイクロプロセッサ８８に基づいており、リードオンリ
メモリ９４に格納された制御プログラムの下に動作す
る。コンピュータには目的動作及び変数の格納のために
ランダムアクセスメモリ９６が提供され、メモリ９６に
は短時間バックアップ電源９８が提供され、電源ユニッ
ト２２に対する電力供給に妨害が生じたとき、その内容
を保持する。長時間の格納を必要とする変数はポートア
レイ１４を介してアクセスされるＥＥＰＲＯＭ１００即
ち電気的に消去可能不揮発性メモリに格納される。様々
の周辺装置へのアドレスデコーディングはプログラマブ
ル・ロジックアレイ１０２により提供される。周辺装置
には既に述べたポートアレイ１４、デジタル・アナログ
変換器１０４、及びアナログ・デジタル変換器１０６を
含む。

【００１７】ポートアレイ１４からのライン１１０によ
り制御され伝送ゲートを用いるデータセレクタ１０８に
より、アナログ・デジタル変換器１０６は受信器２０又
は温度センサ１１２から入力を受信する。デジタル・ア
ナログ変換器１０４の出力は、電圧制御発振器１１４の
制御入力に供給され、その出力はフィルタ６０、７０、
及び８０に供給されそれらフィルタの中心周波数を制御
する。又電圧制御発振器１１４の出力は多段ディバイダ
１１６に接続されディバイダ１１６を介して送信器周波
数が制御される。従って受信器の調整は送信器周波数に
追随する。ディバイダの出力はロジックアレイ３２に供
給され、それによりロジックアレイ３２は５０個の入力
サイクルが、発振器１１４からカウンタに受信されたと
きを検出できる。又ロジックアレイ３２はライン１１８
を介してリセットパルスをディバイダ１１６に供給で
き、従って５０に分割した機能を実施して送信器の所望
周波数を生成する。又アレイ３２は適切に同期された出
力を発生し、ポートアレイ１４からのライン１２０及び
１２２の制御の下に、チョッパー２４又は２６を駆動す
る。ライン１２０及び１２２は、出力が送信器に供給さ
れるかどうかを各々決定し、もし供給していれば、送信
器の高出力電圧又は低出力電圧を供給するために、その
出力がライン３０上であるかライン３４上であるかを決
定する。ディバイダの出力からポートアレイに入力が得
られ、それにより送信器を駆動するのに使用できる周波
数に関するフィードバックデータをコンピュータ８６に
供給する。即ちデジタル・アナログ変換器１０４に供給
されるデータを介してＶＣＯ１１４に供給される電圧を
制御することにより、この周波数は所望の値に保持され
る。必然的に発生するＶＣＯ１１４内の微量の”ハンテ
ィング（ｈｕｎｔｉｎｇ）”が望ましい。それは、送信
器出力が厳密に維持されるときに発生する問題であっ
て、モニタされる環境内に生じた妨害によってキャンセ
ルされる有効なエコーによる問題を回避する。そのよう
な影響はしばしば独自に変化し、送信器周波数を僅かな
範囲で注意深く走引することによりそれらを回避するこ
とが一般に知られている。本装置は、送信器周波数を走
引する対策を分離することなく、自動的にその問題を回
避する。

【００１８】コンピュータに対するデータの入出力に関
して対策が施される。キーボード１２４は赤外線送信器
１２６及び赤外線受信器１２８によりポートアレイ１４
にリンクされる。その構成は、１９８９年４月１１日に
発行された米国特許Ｎｏ．４、８２１、２１５に更に
詳細に説明されるように適合され、又プログラムされ
る。更にアレイ１４からのラインはディスプレイ１３０
及び直列データ送信器１３４を制御する。デジタル・ア
ナログ変換器１３６は光オシロスコープ１３８にアナロ
グ出力を供給する。分離した変換器を提供するよりも、
変換器１０４は、送信器及びフィルタ周波数が設定され
た後、帰還信号を受信している間のスイッチされるベー
スに使用することができる。アレイ１４からの他のライ
ンは同期回路１３２の入出力であり、同期回路１３２に
より多重ユニットは、この発明に従ってその超音波パル
スを同期させて送信し、それにより相互干渉を避ける。

【００１９】送信器と受信器の動作周波数及び他の特性
を制御するための前述した対策は別として、コンピュー
タ８６は過去の米国特許Ｎｏ．４，５９６，１４４；
４，８３１，５６５；及び４，８９０，２６６に類似し
ている。即ち前述した装置の追加的特性を制御及び利用
するプログラムのような局面は別として、装置の動作及
び機能に関する制御プログラムは過去の私の特許に説明
されたものに類似している。前述のような局面は図２〜
７のフロー図を参照して以下に説明される。図２におい
て、装置の制御プログラムは通常の測定及び表示ルーチ
ン２００を含み、ルーチン２００は、キーボード１２４
から設定されるフラグをテストするルーチン２０２を含
むプログラムループ内で動作する。フラグは、装置がル
ーチン２００を介してループする“ラン”モード内で作
動しているか、又は様々な点で装置を校正するのに必要
な処理を含むルーチン２０１を介したループに２０４に
おいて分岐する校正モードであるか否かを示す。ここで
示される処理はループに含まれる全ての校正を有する必
要はなく、前述した装置の特性に関係する特定の処理の
みが必要であり、それらにより異なるトランスジューサ
の特性に適合しそれを利用することができる。校正ルー
プはオペレータによるキーボードからの様々な校正要求
の入力をテストし、及びそれらが検出されたときその要
求を実行する。要求は自動的に入力され、例えばスター
トアップシーケンスの一部として、又はモニタされる箱
内の動作条件が適切であると判断されたときに入力され
る。各要求に関して、一般にどのトランスジューサが校
正されるかを決定する必要がある。この選択はキーボー
ドから行われるか、又はシーケンス内で自動的に行われ
るか、又は自動校正シーケンスの一部としての利用度に
従って行われる。単一のトランスジューサが制御される
とき、この機能は勿論削除されるが、トランスジューサ
が校正されていることの確認はその要求内に含まれる。

【００２０】発生する要求の第１のタイプは要求２０６
であり、それは装置に接続されるトランスジューサ４の
タイプをを決定する。そのような要求が検出されたと
き、図３に更に詳細に示されるサブルーチン２０８が実
行される。要求２１４及び２１８が更に決定され、メモ
リに変数”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥＱ”、”ＬＯＮＧ＿ＦＲ
ＥＱ”及び”ＳＴＥＥＰ＿ＦＲＥＱ”が格納される。こ
れらは各々、短距離範囲測定に関してトランスジューサ
を動作する最適な周波数、長距離範囲測定に関してトラ
ンスジューサを動作する最適な周波数、及びトランスジ
ューサが最高精度を得るための最適周波数を示し、これ
ら要求が検出されたならば、処理”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥ
Ｑを決定”、”ＬＯＮＧ＿ＦＲＥＱを決定”及び”ＳＴ
ＥＥＰ＿ＦＲＥＱを決定”により実行される。これらの
中で第１の処理は、更に詳細に図４に示され、残りの２
つはほぼそれに同一である。

【００２１】図３において、処理”トランスジューサの
タイプを決定”によりポートアレイ１４は、デコーダ１
０が正しいトランスジューサを選択する（ステップ３
００）ようにプログラムされる。又、２つのトランスジ
ューサの出力電圧の低い方の選択に従って、ロジックア
レイ３２が送信器１８に対して信号を供給するために、
ライン３４を選択するようにプログラムされる。これ
は、使用されそうな異なるトランスジューサ全ての電圧
範囲以内になるように選択される。以下に示す説明に関
して、３つのタイプのトランスジューサが使用され、そ
れらの設計上の動作周波数は各々、１３ｋＨｚ、２２ｋ
Ｈｚ、及び４４ｋＨｚであると仮定する。

【００２２】ステップ３０２において、電圧がＶＣＯ１
１４に供給されたとき、ＶＣＯ１１４が２．２ＭＨｚ、
即ちｋＨｚの５０倍の周波数で発振するような出力電圧
を供給するように、デジタルデータはデジタル・アナロ
グ変換器（ＤＡＣ）１０４に供給される。ＶＣＯ出力は
ディバイダ１１６及びロジックアレイ３２の組み合わせ
により、後者の周波数に分割される。その周波数はディ
バイダの出力からポートアレイ１４に及ぶラインにより
モニタされ、ＤＡＣ１０４に供給されるデータは所望の
周波数を得るために調整される。ＶＣＯ１１４の出力は
フィルタ６０、７０、８０にも供給され、それらフィル
タを４４ｋＨｚに調整する。所望の周波数が得られたと
き、ライン３４が活性化されそれにより短時間の間４４
ｋＨｚのエネルギーバーストが、デコーダ１０により選
択されたトランスジューサ４に供給される。受信器２０
からの結果的出力信号はアナログ・デジタル変換器（Ａ
ＤＣ）１０６によりデジタル化され、そのサンプルはＲ
ＡＭ９６に格納され、リングダウン（ｒｉｎｇｄｏｗ
ｎ）期間中の受信器応答の少なくとも初期部分のエコー
形状を形成する。

【００２３】最初、クリップ回路３６及び３８は動作可
能であるが、受信器は送信されたパルスの間飽和する。
これはリングダウン期間の次に起こり、リングダウン期
間中にトランスジューサは送信パルスの適用後もリンギ
ングしている。トランスジューサが４４ｋＨｚトランス
ジューサであれば、エネルギー発生はそのトランスジュ
ーサの共振周波数に近い周波数であり、減少する実際の
リンギングにより強いパルスが続し、それはリングダウ
ン期間中に発生する。トランスジューサが２２ｋＨｚト
ランスジューサであれば、エネルギー発生はその共振周
波数から離れた周波数であり、僅かなリンギング又はリ
ンギングなしに弱いパルスが発生される。パルス発生後
の例えば２ｍｓの限定されたリングダウンの期間中に得
られるエコー形状のサンプルの振幅が測定され、それは
トランスジューサにより発生したリンギングの振幅を示
す。

【００２４】ＤＡＣ１０４は送信器周波数を２２ｋＨｚ
に調整するようにプログラムされ、以上の処理はステッ
プ３０４で繰り返され、更に周波数は１３Ｈｚに調整さ
れた後、再びステップ３０６に移行する。低周波数トラ
ンスジューサにより予想される長いリングダウンより、
パルス開始の後の代表的に２〜４ｍｓについてのサンプ
ルの平均レベルを決定することができる。

【００２５】ステップ３０２、３０４及び３０６で決定
された平均レベルは、ステップ３０８、３１０及び３１
２の上部及び下部スレショルド、１３ｋＨｚ、２２ｋＨ
ｚ及び４４ｋＨｚトランスジューサについて各々比較さ
れ、これらスレショルドは使用されるトランスジューサ
の特性に従って選択される。図３に示されるスレショル
ドは一例に過ぎない。これら３つのステップのいずれか
においてテストされたレベルがこれらスレショルド間に
あるならば、そのトランスジューサタイプはステップ３
１４、３１６又は３１８内で設定され、一方、これら特
性のスレショルド間に相当するレベルがないとき、その
トランスジューサは故障か又はトランスジューサがない
と判断される。このようにして得られたトランスジュー
サのタイプ設定値は直接使用することができるが、トラ
ンスジューサタイプについて曖昧性があるとき、例えば
同一周波数を有する２つ以上のタイプのトランスジュー
サが使用されているときは更にステップ３２０を使用す
るのが望ましい。即ち、ステップ３２０は一貫性に関し
て得られたトランスジューサ周波数を、オペレータによ
って入力されたトランスジューサタイプの周波数と比較
し、一貫性のないときに警告メッセージを表示する。

【００２６】以上の処理は設計上のトランスジューサの
動作周波数を決定するだけでなく、米国特許Ｎｏ．４，
８３１，５６５に開示される技術に従って適切なその動
作を照合する。

【００２７】与えられた設計上の周波数のトランスジュ
ーサから最良の性能を得るために、動作周波数に関する
更に正確な制御が望ましく、それにより異なるユニット
間の差異及び異なる条件での動作を許容できる。特定ト
ランスジューサの広範な特徴を提供するために、我々
は、一般に異なる少なくとも３つの動作周波数が決定さ
れるべきと考える。即ち、リングダウン期間のエコーを
含む短い範囲測定に関する最適な周波数”ＳＨＯＲＴ＿
ＦＲＥＱ”。尚、リンギングのレベルを越えるエコーの
サイズは最大であるのが望ましい；リングダウン期間以
外のエコーを含む長い範囲測定に関する最適周波数”Ｌ
ＯＮＧ＿ＦＲＥＱ”。これにより最大エコー振幅が検出
される；及び高精度測定に用いる最適周波数。これによ
り帰還したエコーの最も急俊な立ち上がりエッジが検出
される。これら周波数は処理２１２”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲ
ＥＱを決定”；処理２１６”ＬＯＮＦ＿ＦＲＥＱを決
定”；及び処理２２０”ＳＴＥＥＰ＿ＦＲＥＱを決定”
である。これらの処理を実行するためには、適切なエコ
ーが発生され、そして校正されるトランスジューサの最
終的導入に先立ち、その構成処理の一部を実行するのが
通常望ましく、それにより壁のような適切なターゲット
や、校正に関して適したエコー発生する適切な距離を目
指すことができる。”ｓｉｔｕ”内の校正は、適切な範
囲、即ちモニタされるタンク、箱、チャンネル又はサイ
ロの反射面の存在に依存する。

【００２８】短距離範囲周波数（ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥ
Ｑ）を決定する処理を図４に示す。第１ステップ４００
において、更に送信電圧を設定し、周波数を得る処理が
必要であり、この処理は図５に更に詳細に示される。後
者の処理において、設計上のトランスジューサの周波数
を示す”ＮＯＭＦＲＥＱ”、最低トランスジューサ周
波数を示す”ＭＩＮ＿ＦＲＥＱ”、そして最高周波数を
示す”ＭＡＸ＿ＦＲＥＱ”の３つの変数は、全て零にな
る（ステップ５００）。この段階で選択される送信電圧
はない。ステップ５０２、５０４、５０６において、ト
ランスジューサのタイプが１３、２２、又は４４であれ
ば、適切な値が変数として格納され（ステップ５０３、
５０５、５０７）、それらはそのタイプのトランスジュ
ーサの設計上の周波数、及びそのタイプのトランスジュ
ーサが動作できる最高と最低周波数を示す。ライン３０
又は３４に適用するためロジックアレイにより選択され
る送信電圧は、タイプ１３及び２２のトランスジューサ
に対してロー（ライン３４）に選択され、タイプ４４の
トランスジューサに対してハイ（ライン３０）に選択さ
れる。勿論これは一例として説明される特定のトランス
ジューサの一機能であり、電圧はあらゆる場合、使用さ
れるトランスジューサの実際のタイプに適合するように
選ばれるのが望ましい。事実、短い範囲において、出力
振幅及びリンギングの両方が動作電圧の減少に伴って落
ちるので、我々は最高電圧以下で動作しているトランス
ジューサに発生するペナルティはないことを発見した。
しかし、信号／ノイズ比を良くするために、長い範囲で
はできるだけ高いトランスジューサ出力を維持するのが
重要であり、従ってトランスジューサはその全動作電圧
範囲で動作するのが望ましい。

【００２９】再び図４において、エコーが短い範囲、例
えば可能最小範囲より僅かに大きな値（０．２メータ）
から３．５メータの間の範囲から受信されるような範囲
のテストターゲットに対して、トランスジューサは配置
される。ステップ４０２において、送信器を設計上の周
波数”ＮＯＭ＿ＦＲＥＱ”で動作してショット（ｓｈｏ
ｔ）が送信され、そして受信器からの信号はサンプルさ
れ、エコー形態が格納される。エコー形態は一般的な方
法で処理され、ターゲットからのエコーを認識し、その
形態についての位置が可変位置（ＰＯＳＩＴＩＯＮ）と
して格納される。ステップ４０４において、ＰＯＳＩＴ
ＩＯＮが特定範囲内にあるかチェックされ、特定範囲内
にない場合、その処理は集結する。

【００３０】周波数により指示されるピーク振幅及びリ
ング振幅の２つのファイルが明確にされ（ステップ４０
６）、カウンタが例えば以下に示す処理の間の各周波数
で使用されるショットの数に設定される。

【００３１】ステップ４１０において、可変周波数（Ｆ
ＲＥＱＵＥＮＣＹ）は”ＭＩＮ＿ＦＲＥＱ”になる。ス
テップ４１２において、ショットは可変ＦＲＥＱＵＥＮ
ＣＹにより特定される周波数で送信され、エコー形態が
格納され、そしてエコーの先頭にあるリンギングレベル
以上のエコーのピーク値は、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹの値に
より指示されるピークファイル内に格納される。最小範
囲内の信号の振幅はリングファイルに格納され”ＦＲＥ
ＱＵＥＮＣＹ”の値により指示される。”ＦＲＥＱＵＥ
ＮＣＹ”の値は、例えば１２０Ｈｚだけインクリメント
され（ステップ４１４）、周波数が”ＭＡＸＦＲＥ
Ｑ”を越えなければ（ステップ４１６）、実行ループは
ステップ４１２へ戻る。従ってエコーのピーク値と、最
小範囲でのリングダウン振幅はテストされ、制限周波
数”ＭＡＸ＿ＦＲＥＱ”及び”ＭＩＮ＿ＦＲＥＱ”の間
に格納される。

【００３２】カウンタはステップ４１８でデクリメント
され、ステップ４２０でテストされたとき計数値が零に
達していないとき、実行ループはステップ４２０に戻
り、それにより追加ショットが各周波数でとられ、ラン
ダムな変化に関する影響を避ける。

【００３３】計数値が零に到達していれば、ピークとリ
ングファイルの内容は４で割られ格納した振幅を平均す
る。各インデックス周波数に関して格納された振幅は比
較され、ピーク振幅が最大値によりリング振幅を越える
周波数を決定する（ステップ４２２）。

【００３４】”ＮＯＭ＿ＦＲＥＱ”、”ＭＩＮ＿ＦＲＥ
Ｑ”、”ＭＡＸ＿ＦＲＥＱ”及び”ＭＩＮＩＭＵＭ＿Ｒ
ＡＮＧＥ”、及び送信電圧はトランスジューサのタイプ
により変化する。代表的値を次に示す。

【００３５】”ＬＯＮＧ＿ＦＲＥＱを決定する”処理及
び”ＳＴＥＥＰ＿ＦＲＥＱを決定する”処理はリングフ
ァイルが用いられることを除き同一であり、ターゲット
までの距離はリングダウン期間以外の部分にそれを移動
するのに充分大きいか、及び決定された値が各々”ＬＯ
ＮＧ＿ＦＲＥＱ”及び”ＳＴＥＥＰ＿ＦＲＥＱ”である
かが照合される。”ＬＯＮＧ＿ＦＲＥＱ”の決定におい
て、ピークファイル内の最大エコー振幅を提供する周波
数が決定され、一方その点でのエコーの立ち上がりエッ
ジが決定され、ピークファイルに類似するファイルに追
加され、最も急俊な傾きを提供する周波数が選択され
る。これらの処理の間、帰還信号は所望であればオシロ
スコープ１３８に表示し、ディスプレイの検査基準に従
って最適周波数のマニュアル選択ができる。

【００３６】設計上の測定及びランモードで実行される
表示ルーチン２００は（図２参照）、図６、８を参照し
て更に詳細に説明される。”ラン”ループはポイント６
００から始まり、又はラン／校正テスト２００から再開
し、第１ステップ６０２は次のポイント又は測定するト
ランスジューサの位置の選択であり、各ポイントは回転
して選択される。次のステップ６０４において、メモリ
に格納されたその位置に関係する変数、例えば”ＳＨＯ
ＲＴＦＲＥＱ”、”ＬＯＮＧＦＲＥＱ”、”ＳＴＥ
ＥＰ＿ＦＲＥＱ” ”トランスジューサのタイプ”及
び”送信電圧”が回復される。そしてトランスジューサ
のタイプが、トランスジューサか無いか、故障か、又は
特徴がない場合かを示しているかどうかがチェックされ
る（ステップ６０６）。それらの場合、実行ループはス
テップ２０２へ移行する。ショットは”ＬＯＮＧＦＲ
ＥＱ”で送信され、エコーファイルが格納される（ステ
ップ６０８）。要求によりこのショットは何回か繰り返
され、平均エコーファイルを生成する。次のステップ６
１０で、格納された形態は試され、真実と考えられるエ
コー選択され、形状内のエコーの一時的位置は変数”Ｌ
ＯＮＧＰＯＳＩＴＩＯＮ”として格納され、その選択
に付随する確信ファクターは変数”ＬＯＮＧ＿ＣＯＮ
Ｆ”として格納される。この機能を実行するのに使用さ
れた実際のデータ処理はこの発明の一部を形成しない。
適切な方法の説明は過去の私の発明に示され、それらは
既に参照されている。

【００３７】そしてステップ６１２及び６１４が実行さ
れ、これらのステップでは送信は”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥ
Ｑ”で行われる。位置及び確信データが変数”ＳＨＯＲ
Ｔ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ”及び”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥＱ”
として格納されることを除き、これらのステップはステ
ップ６０８及び６１０と同一である。短距離範囲データ
を集めるように意図されているので、一般に”ＳＨＯＲ
Ｔ＿ＦＲＥＱ”でのショットは”ＬＯＮＧ＿ＦＲＥＱ”
でのショットに比べ短い。ここで短いショットは先に終
り、更に短いリングダウン期間を有し、従って更に短い
範囲のエコーを検出できる。

【００３８】確信ファクター”ＳＨＯＲＴ＿ＣＯＮＦ”
はスレショルド”ＳＨＯＲＴ＿ＴＨＲＥＳＨ”に対して
テストされ、”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥＱ”でのショットに
より認識されるエコーの確信ファクターが更に次の処理
（ステップ６１６）を正当化するのに充分かどうか決定
する。それが正当であれば、”ＳＨＯＲＴ＿ＣＯＮＦ”
はバイアスファクターＢＩＡＳだけインクリメントさ
れ、”ＳＨＯＲＴ＿ＴＨＲＥＳＨ”についてインクリメ
ントされたその超過分は、その確信ファクターに関して
設定されたスレショルド”ＬＯＮＧ＿ＴＨＲＥＳＨ”に
ついての”ＬＯＮＧ＿ＣＯＮＦ”の超過分をこえたか否
かが判断される（ステップ６１８）。それが超過してい
れば、”ＳＨＯＲＴ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ”は変数”ＰＯ
ＳＩＴＩＯＮ”に伝送される（ステップ６２０）。

【００３９】ステップ６１６及び６１８のテストに失敗
したならば、”ＬＯＮＧＣＯＮＦ”が”ＬＯＮＧ＿ＴＨ
ＲＥＳＨ”を越えたか否かが判断され、越えない場合、
プログラムループはステップ２０２へ戻る。越えた場
合、”ＬＯＮＧ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ”は”ＰＯＳＩＴＩ
ＯＮ”に設定される（ステップ６２４）。”ＳＨＯＲＴ
＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ”と”ＬＯＮＧ＿ＰＯＳＩＴＩＯ
Ｎ”のとちらかが”ＰＯＳＩＴＩＯＮ”に転送される場
合、”ＰＯＳＩＴＩＯＮ”変数は処理され（ステップ６
２６）、それを１つ以上の距離、レベル、又はボリュー
ム測定値に変換し、それらは一般的な方法でメモリに格
納されディスプレイ１３０に転送される。

【００４０】”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥＱ”でのショットに
よる結果に好適なバイアスは短距離範囲なので、一般に
読取りは、それらが電圧過剰即ち電圧オーバーフロー状
態及び重要な短距離範囲のエコーを示し、従って重要な
短距離測定エコーは特別の考慮に値する。特定の状況に
おいてエンプティ又は低レベル状態の検出が、過剰即ち
オーバーフロー状態よりも更に激しいときは、バイアス
を印加しないか、又は長距離範囲のエコーと逆方向にバ
イアスを選ぶ。

【００４１】異なるタイプの複数のトランスジューサを
制御するこの装置の能力は、異なるトランスジューサの
特性を開発するために、単一の箱、サイロ、又は他の容
器内の複数の異なるトランスジューサを提案する。一般
に低周波数トランスジューサは長距離範囲で優れた性能
を提供し、高周波数トランスジューサは短い範囲で優れ
た性能及び高い分解脳を示し、同時に応用できる最小範
囲を減少する。同一のベゼルに３個以上のトランスジュ
ーサを使用できる一方、殆どの場合２個のトランスジュ
ーサで充分であり、以下に示す例では２個のトランスジ
ューサを使用するが、開示される原則は追加トランスジ
ューサの使用に拡張できるものである。

【００４２】図７及び９において、修正された処理２０
０が示される。この処理は、高周波数トランスジューサ
及び低周波数トランスジューサが同一のベゼル内に設け
られる応用に使用される。簡単のため、幾つかのステッ
プは省略される。各トランスジューサについて後者の場
合、図６と同様なステップ６０２及び６０６を含むこと
ができる。高周波数トランスジューサを使用して実行さ
れるステップ７００、７０２、７０４、７０６、７０８
は図６に関して説明されたステップ６０４、６０８、６
１０、６１２、６１４に類似するが、実行の順序が異な
り、得られた位置及び確信データは、変数”ＮＥＡＲ＿
ＰＯＳＩＴＩＥＮ”、”ＭＩＤ＿ＰＯＳＩＴＩＯ
Ｎ”、”ＮＥＡＲ＿ＣＯＮＦ及びＭＩＤ＿ＣＯＮＦ”に
格納される。ステップ７００、７０６及び７０８に類似
する次の３ステップ、７１０、７１２、及び７１４は低
周波数トランスジューサを用いて実行され、それによ
り、変数ＦＡＲＰＯＳＩＴＩＯＮ及びＦＡＲＣＯＮ
Ｆに格納される位置及び確信データを発生する。

【００４３】”ＮＥＡＲＣＯＮＦ”の値は、スレショ
ルド値”ＮＥＡＲＴＨＲＥＳＨ”と比較され（ステッ
プ７１６）、それがスレショルド値を超過していれ
ば、”ＮＥＡＲ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ”の値は”ＰＯＳＩ
ＴＩＯＮ”に格納される（ステップ７２２）。超過して
いなければ、”ＭＩＤＣＯＮＦ”の値がスレショルドＭ
ＩＤＴＨＲＥＳＨを越えているか否かを判断するため
に更に比較が行われる（ステップ７１８）。越えている
場合、”ＭＩＤ＿ＰＯＳＩＴＩＯＮ”の値は”ＰＯＳＩ
ＴＩＯＮ”に格納される（ステップ７２４）。越えてい
ない場合、”ＦＡＲ＿ＣＯＮＦ”の値がスレショルド”
ＦＡＲ＿ＴＨＲＥＳＨ”を越えているか否かを判断する
ために更に比較が行われ（ステップ７２０）、この場
合”ＦＡＲＰＯＳＩＴＩＯＮ”は”ＰＯＳＩＴＩＯ
Ｎ”に格納される（ステップ７２６）。スレショルドを
越えるものがない場合、処理は終結し、スレショルドを
越えるものがある場合、ステップ６２６のように”ＰＯ
ＳＩＴＩＯＮ”は処理される（ステップ７２８）。

【００４４】以上説明されたルーチンは一例に過ぎな
い。簡単な場合、使用されるトランスジューサのタイプ
や、メモリ９６に入力される各ポイントに配置されるト
ランスジューサに関係するデータ、及び不揮発性メモリ
１００によるバックアップに関わらず、図１に示される
装置が単一又は複数のトランスジューサの導入に使用す
ることができる。それにより、送信器及び受信器の特徴
は、あらゆるポイントに位置するトランスジューサの特
徴に適した前述の方法により制御できる。更に改良され
た応用において、装置は前述したようにトランスジュー
サパラメータを決定し、更に装置の性能を改善するため
に、前述したようにそれらを改良できるばかりでなく、
受信された信号に従って、使用される距離測定処理を変
えることができる。例えば図６に示す実施例では、”Ｌ
ＯＮＧ＿ＦＲＥＱ”や、”ＳＨＯＲＴ＿ＦＲＥＱ”及
び”ＬＯＮＧ＿ＦＲＥＱ”の代わりに、”ＳＴＥＥＰ＿
ＦＲＥＱ”を選択して使用することにより、測定される
確信因数に応答することができる。ここで使用される”
ＳＴＥＥＰ＿ＦＲＥＱ”は、選択されたポジションの値
の確信因数が、”ＬＯＮＧ＿ＴＨＲＥＳＨ”より高いス
レショルド以上である限り使用される。又、”ＳＨＯＲ
Ｔ＿ＦＲＥＱ”は、精度を僅かに犠牲にして、少ない確
信因数によりエコー認識の確率を高めるのが望ましいと
きにのみ使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による超音波距離検出システムのブロ
ック図。

【図２】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図３】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図４】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図５】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図６】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図７】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図８】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【図９】図１のシステムに関する制御プログラムの様々
な特徴を示す図。

【符号の説明】

４…トランスジューサ、１０…デコーダ、２４・２６…
チョッパ、３２…ロジックアレイ、８８…マイクロプロ
ッセサ、９６…ＲＡＭ、９４…ＤＡＣ、９８…バックア
ップ、１１４…電圧制御発振器、１３０…ディスプレ
イ、１３６…ＤＡＣ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−115880（ＪＰ，Ａ) 特開平２−253181（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−272629（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−5288（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−192733（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/00 - 7/64 G01S 13/00 - 15/96 G01B 17/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】音響的距離測定システムを構成する、電
子音響的トランスジューサに接続される制御ユニットで
あって、前記制御ユニットは、前記トランスジューサに
用いられる電子的高周波数エネルギーのショットを発生
する送信器と、前記トランスジューサからの高周波数エ
ネルギーを受信及び増幅する調整される受信器と、前記
受信器からの出力をデジタル化する手段と、前記送信器
の前記ショットの時間を制御し、前記デジタル化した受
信器出力を処理することにより距離測定されるターゲッ
トからの初期エコーの特徴を認識する制御コンピュータ
とを具備し、前記制御ユニットは、さらに前記送信器（１８）の動作
周波数を決定する第１電子的制御手段（１１４）と、前
記送信器の動作周波数に追随するように前記受信器（２
０）を調整する電子的第２制御手段（６０、７０、８
０）とを具備し、そして前記制御コンピュータは（８
６）は前記第１電子制御手段（１１４）を更に制御し、
前記トランスジューサ（４）の特性に関するデータに対
応する各ショットの間、前記送信器（１８）の動作周波
数を決定することを特徴とする制御ユニット。
【請求項２】前記制御コンピュータ（８６）は、前記
各トランスジューサ（４）への接続を選択的に設定し、
及び１個のトランスジューサヘの接続が確定したとき、
前記送信器（１８）の動作周波数を制御するのに使用す
る前記各トランスジューサに関する分離データを格納す
る手段（６）を更に制御することを特徴とする請求項１
記載の制御ユニット。
【請求項３】前記トランスジューサ（４）の特性に関
する前記データは、設計上のトランスジューサ動作周波
数（ＮＯＭＦＲＥＱ）を含むことを特徴とする請求項
１又は２記載の制御ユニット。
【請求項４】前記各トランスジューサ（４）の特性に
関するデータは、更に前記トランスジューサの動作電圧
に関するデータを含むことを特徴とする請求項３記載の
制御ユニット。
【請求項５】前記各トランスジューサ（４）の特性に
関するデータは、更に前記エコーが前記ショットに続く
リングダウン期間以外の時間に生じるとき、前記トラン
スジューサからのショットにより、ターゲットから最大
振幅エコーを発生させる動作周波数を含むことを特徴と
する請求項３又は４記載の制御ユニット。
【請求項６】前記各トランスジューサ（４）の特性に
関するデータは更に、前記ショットに続くリングダウン
期間がエコーの先頭に位置するリンギングの前記振幅を
越える最大振幅を有するように、前記トランスジューサ
からの前記ショットが前記ターゲットからエコーを発生
する動作周波数を含むことを特徴とする請求項３、４又
は５記載の制御ユニット。
【請求項７】前記各トランスジューサ（４）の特性に
関するデータは更に、前記トランスジューサからのショ
ットにより発生するエコーが最も急俊な立ち上がりエッ
ジを持たせる動作周波数を含むことを特徴とする請求項
３、４、５又は６記載の制御ユニット。
【請求項８】前記制御コンピュータ（８６）は、前記
送信器（１８）が異なる周波数で連続的にショットを発
生することにより、及び前記受信器（２０）からの結果
的信号を分析することにより、前記各トランスジューサ
（４）の特性に関するデータを発生するようにプログラ
ムされることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１
項に記載の制御ユニット。
【請求項９】前記制御コンピュータ（８６）は、連続
的なショットの間に、同一のトランスジューサ（４）に
関する異なるデータに応答して、前記連続的ショットが
異なる周波数で、異なる距離に対して最適な結果を提供
するようにプログラムされることを特徴とする請求項１
乃至８のいずれか１項に記載の制御ユニット。
【請求項１０】前記制御ユニットは同一ベゼル内の複
数のトランスジューサ（４）に選択的に接続され、前記
制御コンピュータは、前記複数のトランスジューサから
発せられたショットによるエコーから、最も真のエコー
と考えられる前記トランスジューサの１つからのエコー
を選択するようにプログラムされることを特徴とする請
求項２、又は請求項２に従属するすべての請求項のいず
れか１項に記載の制御ユニット。