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JP3860802B2 - 電子式多目的物質レベルセンサ - Google Patents
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JP3860802B2 - 電子式多目的物質レベルセンサ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にセンサに関し、特に容器内や、リアクトル、導管、川床、潅漑水路、コンベア、自立型パイル、その他種々のシステム内の液体レベルおよび他の物質のレベル、並びにその状態を正確に測定するためのレベルセンサに関するものである。本発明は、また工作機械、油圧作動装置、および可動部品を有する類似装置用の線形変位変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、液体のレベルや、2つの液体間の境界面のレベルを測定するため、色々な装置が利用されてきた。これらの装置は、通常、容器内のセンサと、センサから遠隔位置に向けてデータを送り、その位置で液体のレベルを検出し、かつ容器内の液体のレベルを表す使用可能な方式に変換する手段とから構成される。
【０００３】
フロート式に代表される機械的および電気機械的センサは、精度の信頼性に欠け、深いタンク、または腐食性の液体が充填されたタンク内で使用するには困難が伴う。音波信号および超音波信号を使用する装置は、音速が温度や湿度によって変動するため比較的不正確である。超音波をベースとして使用するセンサは、超音波信号が一般に、液面上にできる泡状の物質（または泡）から反射されるため、正確な液体レベルについて測定をすることができない。容量性レベルセンサを使用するときには、液体はセンサに接近していなければならないし、壁部に湿気があるとセンサの検出に誤りを生じる。また容量性センサでは、そのセンサが浸漬される液体または混合物の状態に関する情報を得ることができない。
【０００４】
周波数変調(FM)持続波(CW)レーダセンサも、容器内の液体のレベルを測定するために使用されてきた。これらのセンサでは、自由伝搬レーダ信号が液体の表面に向けて送出され、この表面から反射されて受信機に送り戻され、信号の飛翔時間、従って基準点と液体レベルとの間の距離が計測される。これらのレーダセンサは高価で、かさばり、解像度も限られて通常6インチ（約15cm）である。
【０００５】
最も一般的な時間領域反射(TDR)システムは、液体のレベルについて正確な示度を与え、液体レベルの変化に関して迅速に反応するが、システムが適切に機能するためには複雑で高価になる。このようなシステムの1例が、ロス(Ross)に付与された米国特許第3,832,900号に記載されており、充填された含有液体中に浸漬した裸の同軸線を利用している。液面によって、同軸線内に不連続性を引き起こし、それにより伝送線路に沿って逆伝搬される基底帯域パルス信号の反射を生じさせる。パルスが伝送された時間に対する、この反射が受信されるまでの時間が、液体のレベルを確定する。しかし、伝送路は詰まりやすいので、頻繁にクリーニングが必要である。
【０００６】
ロス(Ross)に付与された米国特許第3,995,212号には液体のレベルを測定する装置が記載され、伝送路の詰まり問題、および放射反射検出システムの複雑性の軽減に対処することが意図されている。より具体的には、この特許は、方向性結合器を介して遷移装置に結合された、ナノ秒を下回る持続時間の基底帯域プローブパルスを発生するパルス発生器で構成した装置について記述してある。上記の遷移装置はプローブパルスを導く伝送線路を、パルス波がそれに沿って引き続き伝搬する単一電線式伝送線路に変換する。この電線は、液体の表面と垂直に液面を貫通するように配置される。液体表面における誘電率により生じるプローブパルスの反射は、電線沿いに遷移装置に向け逆伝搬し方向性結合器に結合される。
【０００７】
反射波のサンプルは、入射波のサンプルが現れるポートを備える方向性結合器の反射ポートに結合される。これらのポートはスイッチを介して、入射波と反射波との間の遅延が測定されるレベルプロセッサに結合してある。この遅延は、液体レベルの測定に利用される。しかし、この液体レベル検出システムは、比較的高価で、かさばり、かつ導電性液体の深さの測定ができない。
【０００８】
ラオ(Rao)らに付与された米国特許第4,489,601号は、基準レベル以上の導電性または非導電性液体の高さを測定する装置について記述している。グボー(Goubau)伝送線路が、入力端子からグボー線路の外部直径以上の直径を備えた中空シリンダを有する接合部に向けて伸長している。この接合部においてグボー線路は中空シリンダの中へ伸長して同軸伝送線路を形成する。この同軸伝送線路は液体内に垂直に浸漬され、液体表面の上から表面下部のある基準レベル、通常は、液底にまで伸長する。
【０００９】
1個のパルスが入力端末でグボー線路に結合され、表面波として接合部に到達するまで伸長し、接合部にて2つのモード、すなわち同軸線路の外側上の表面波モードと、同軸線路内部の横断電磁モードとに変形される。遷移装置は、2つのモードに分配された相対パワーの調整を行なう。反射が起こるのは、同軸線路の外側を伝搬する表面波が液体の表面と遭遇するときである。横断電磁モードは、全体的に同軸線路の中にとどまり、後刻、液体表面下部の基準レベルに到達するまでは反射されない。同軸線路の外側で反射された表面波と、同軸線路内で反射された横断電磁モード波とは、同軸線路沿いに逆伝搬して、やがて分離される反射表面波としてグボー線路に結合される。グボー線路上を伝搬する反射波は、方向結合器に転送され受信機により検出される。受信されるパルスとパルスとの間の時間は、液体の表面から基準レベルまでの距離に比例する。しかし、この在来型のTDRレベル検出装置は、相対的に割高で、かさばる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、未だ満たされていない在来型の装置に関連した上述の関心事に対処して、適切な解決策を提供する、新規な物質レベルセンサに対する必要性が高まっている。この新規なレベルセンサは、容器内や、リアクトル、導管、川床、潅漑水路、コンベア、自立型パイル、その他種々のシステム内の液体と他の物質のレベルおよび状態を正確に計測することが可能であるべきである。さらに、この新規なセンサは、工作機械、油圧作動装置、および可動部品を有する類似装置用の線形変位変換器にも適用できるべきである。
【００１１】
従って、本発明の目的は、廉価で精密で軽量の、かつ使用が簡単な改良型レベルセンサを提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、厳しい環境と複雑な構造体内で使用するためコンパクトなサイズのレベルセンサを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、消費電力が極めて少なく、また動作範囲が長い新規なレベルセンサを提供することにある。
【００１４】
本発明がなお他に目的とするところは、流体と他の物質、たとえば粒状物質などのレベルと状態を正確に測定するのに使用できる新規なレベルセンサを提供することにある。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、平行移動測定用として可動反射境界面を突き止めることができる新規なレベルセンサを提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、線形変位変換器としても使用できるセンサを提供することにある。
【００１７】
本発明がなおも他に利点とするところは、測定されるべき正確な状態の液体レベルを検出し、泡状の物質には通常、感知しないレベルセンサを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
手短にいうと、本発明の上述した目的、および、さらなる目的と利点とは、新規のレベルセンサによって実現されるものであり、この新レベルセンサは極めて短い電気パルスの時間領域反射(TDR)をベースとしている。パルスは、流体または固体物質などの物質中に浸漬した伝送線路に沿って伝搬される。誘発基準反射と多重誘電境界面との間の時間差によって物質のレベルと状態の測定ができるようになる。
【００１９】
センサは、大部分、回路素子と温度の変化には無関係で、費用をかけずに製作できる。伝送線路は、グボー線路、マイクロストリップ、同軸ケーブル、対のリード線、共面ストリップまたは共面導波路とすることができる。一般に、伝送線路には、タンクまたは容器の内部壁面に沿って配設したストリップが含まれる。反射パルスも、オイルタンクの底に沈着したヘドロのように、流体内の層膜に関する情報を含有する。センサは手で持ち運びができ、狭くて手が届かぬような場所でも容易に使用できる。加えて、センサは、伝送線路に近接した対象物について平行移動式に測定することもできる。
【００２０】
自動車分野または類似した用途の分野で、センサはガスタンク、クランクケース、変速機、後尾、ブレーキ液タンク、フロントガラス水差し内、その他クリーニング機械の充填量、工業用大おけの充填量などの測定用計量棒として使用することができる。また、このセンサは、トイレ、穀物のサイロ、ガソリンスタンドの貯蔵タンク、超大型油タンカーなどで使用されているレベルセンサを含め、ほとんどのレベルセンサに、とって代わることができる。さらに、金属または誘電性の対象物が伝送線路に近接あるいは接触して移動される機械位置の調整や、リミットスイッチ、楽器用の線形変位変換器としても使用することができる。
【００２１】
センサには、単に単一のダイオードからなる極めて簡単で低廉なサンプラーが備わっている。サンプリングされる信号は１個の端子、すなわちダイオードの陽極に加えられ、ゲートパルスが他の端子、すなわち陰極に加えられる。さらに、共通問題であるサンプラー（試料採取器）のブローバイ、すなわちサンプリング不能について、信号入力からサンプラー出力へのスプリアス・カップリングは、問題の原因とはならない。理由は、信号が高周波数成分とゼロ平均値だけしか持たないからであり、これについては後程TDRシステム構成に関連して説明する。限定された高周波帯域幅を有する増幅器がサンプラーに接続してあり、これらの高周波数成分を阻止する。このようにして、在来のサンプラー、Tektronix Model S-4などに見出される複雑なブローバイ・キャンセル回路は不要となる。
【００２２】
さらに、本発明によるセンサは自己バイアス設計を具備し、平均的整流ゲートパルスが、約1V DCの逆バイアスをサンプリング・ダイオードの両端に発生させることにより、パルスが伝送される間中、ダイオードの順方向電気伝導を防止する。1個のキャパシタ(C＝22 pF[ピコファラッド])がこのバイアスに耐えて平滑化する一方で、単一の接地された1メグオーム・バイアス抵抗がブリーダを形成して、バイアス回路の絶対最小値を有するバイアス電圧を維持する。
【００２３】
サンプルバッファ増幅器は、主に帯域幅の範囲を定めるトランスインピーダンス増幅器を用いる。トランスインピーダンス増幅器は、直流結合されてサンプリング・ダイオードにおける順降下と逆バイアス変動の影響を無くするようにする。なお、その高周波帯域幅を、パルス繰返し周波数(PRF)以下に制限して、パルス繰返し周波数(PRF)のパルス周波数が2MHzのときに生じるパルスーパルスバイアス変動の増幅を防止し、かつ、ランダムノイズを平滑化する。
【００２４】
このセンサは、さらに、受信ゲート経路内で単純なRC遅延回路を用いる距離掃引回路を具備し、この掃引回路は、4.7キロオーム 抵抗を介して供給される制御距離遅延電圧に関して指数関数的な遅延機能を提示する。この距離掃引の独特な設計は、本発明によるセンサを、高価で複雑、高精度・高速・アナログ電流源、および線形電圧ランプ遅延回路を形成する比較回路を必要とする在来型のセンサと明白に区別するものである。
【００２５】
等価時間(ET)指数関数的ランプが上記の実時間指数関数的遅延ランプ回路に対する掃引基準入力として使用され、最少の成分を有する線形掃引遅延機能を提供する。さらに、電源側で、実時間と等価時間のランプ振幅、および比較器機能（論理インバータにより形成される）の決定しきい値(VTH＝Vcc/2)を同時に規定するため、距離掃引回路は相対的に電源(Vcc)の変動には影響されない。これに関して、Vccが10%だけ増えると、ランプ振幅と決定しきい値電圧VTH も10%だけ増加するが、実時間ランプのしきい値は変化せず（最大振幅の50%）すなわち、電源Vcc側で10%増加しても同じ遅延が維持される。このキャンセル作用は安定した少ない微小変動のタイミングに非常に重要である。
【００２６】
本発明によるセンサは、さらにディザPRF回路を具備しており、この回路によって、同時に設けたセンサや、無線局のようなCWエミッタからの干渉を防止する。ディザPRF回路は、また、ガイドワイヤや伝送線路、またはセンサ先端からのスプリアス放出スペクトル線を広げて、通信業務に対する干渉を低減し、特定周波数におけるピーク振幅度を抑制する。
【００２７】
本発明によるセンサは、また、伝送パルス発生器とゲートパルス発生器の一部を形成し、かつ、マイクロ波シリコン・バイポーラ・トランジスタを駆動する高速CMOSまたはSchottkyTTL論理ゲート／インバータを有する高速パルス発生器を具備している。この極めて廉価で取得できる高速パルス発生器は、消費電力も僅か（たとえば、1mA未満）で、高速で動作する（すなわち、遷移時間100ピコ秒）。この高速パルス発生器は、高速転移の終りにトランジスタが飽和するため、リンギングの無い非常に「きれいな」遷移を提供する。これに代わる在来型の高速パルス発生器は、相対的に非常に高価なステップ・リカバリ・ダイオードを主にベースとしている。
【００２８】
本発明のセンサは、計画的なインピーダンス不整合をセンサ伝送線路の始端で用い、不整合箇所で反射された基準パルスが、タイミングドリフト、すなわち、距離読取りにおけるゼロオフセットを取り除くように配してある。
【００２９】
TDR（時間領域反射）の構成は (1) 伝送パルス発生器からケーブルドライブノードまで接続された小形 （すなわち 1pF)微分キャパシタと、(2) ドライブノードから接地接続された50オーム終端抵抗と、(3) ドライブノードに接続されたサンプリング・ダイオード とから成っている。このように、本発明のTDR は、すべてではないにしろ、ほとんどの在来 TDR よりは簡略化されている。一般に既存の TDR は抵抗を備えてキャパシタの代わりに使用しており、伝送パルス発生器により供給されるパルスと区別するため、別個のパルス形成 ネットワークが必要である。本発明のTDR で使用するキャパシタは、十分に小型ではあるが、ドライブノードに現れる反射パルスに関して回路に負荷をかけない。従って、これらのパルスは、抵抗が使用されている在来TDR の場合のように減衰することがない。さらに、これらの在来 TDR は、高価でロスが多い方向性結合器を多用している。
【００３０】
サンプリングダイオードの配向によって、伝送パルスによる意図しないターンオンを防止し、ゲートパルスだけでターンオンされるようになる。伝送パルスの持続時間の間、通常、直流バイアス電圧により逆バイアスされるダイオードは、伝送パルスによってさらに逆方向にバイアスされ、ドライブノードから効果的に隔離された状態を維持し、伝送パルスの最大振幅がケーブルに送信され、最適SN比を得ることを可能にする。
【００３１】
本発明のセンサは、組立用ツールとして、または組立用ツールと一緒に使用することができる。たとえば、センサをドリルと共に使用した場合、穿孔深さの正確な情報が得られる。また、自動車の電動開閉式窓の安全性センサとして使用でき、ガイドワイヤが窓ガラスの中に埋め込まれ、手または対象物の近接によって反射を生じさせ、この反射は窓モータへの電源を切断する目的に検出される。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１、2、及び図3は、本発明の好ましい第1の実施態様により設計されたレベルセンサ10の略図を表わす。レベルセンサ10は、一般にトランシーバ 12を具備し、このトランシーバ 12は、50オーム同軸ケーブルなどのケーブル16を介してガイドワイヤ、または伝送線路14に電気的に連結している。発射プレート18はケーブル16のシールド19に接続され、鏡像電圧がシールド19上に誘導されないようにしてある。ケーブル16の内部導線21がガイドワイヤ 14に接続してある。図3で示すように、ケーブル 16が発射プレート18に密封式、かつ継目なしで接続され、抵抗20が発射プレート18の背面側に位置決めされ、プラスチックの支持ハウジング24内に埋め込まれている。
【００３３】
トランシーバ 12は、ケーブル 16上を発射プレート18に向け伝導される極度に短い電気パルスを発生し、発射プレート18は送信アンテナの接地面としての役割を果たし、かつこれらの電気パルスが近視野誘導電磁(EM)波として発射されるのを援助する。このEM波は、図示のようにその液面レベル23が測定される液体22内に浸漬されたガイドワイヤ 14に沿って伝搬する。このEM波が液体22の液面に到達すると、空気と液体間の境界面により生じる不連続性のためEM波は部分的に反射される。
【００３４】
反射波は、ガイドワイヤ 14沿いに受信アンテナの接地面としての役割を果たす発射プレート18に向け逆伝搬され、そこから反射パルスとしてトランシーバ 12に向け伝送される。トランシーバ 12は伝送信号と反射信号間の時間的遅延を測定し、その結果から発射プレート18に対する液面レベル23が確定される。
【００３５】
反射パルスの規模Γは、以下の式に示すように空気の誘電率ε0と液体の誘電率εvatとに関連付けられている。
【００３６】
【数１】
Γ ＝ [1-(εvat/ε0)5]/[1+(εvat/ε0)5]
トランシーバ 12は、パルスの往復移動時間を測定し、標準電子カウンターすなわちディジタル表示に対する等価時間(ET)ゲートを生成する。ゲートの持続時間は、等価時間換算係数1.0インチ＝1.0 msにおいて、発射プレート18と空気・液体境界面との間の距離が増えるに伴い増大する。発射プレート18は、誘導波の発射を容易にし、ケーブル 16に生じる帯電接地問題を最小限に抑える。
【００３７】
センサ 10の重要な特徴は、計画的な反射が発射プレート18に導入されることである。これに関して、発射プレート18とガイドワイヤ 14との間に接続された抵抗20は、EM波の部分的反射を生じさせる局部インピーダンスの不連続性を提供するようにする。この反射は、トランシーバ 12によって基準パルスまたは参照パルスとして使用される。測定は基準パルスと反射パルスとの間で、トランシーバ12に対してではなく、むしろ発射プレート18に対して行なわれ、従って、ケーブル 16により導入されるエラーやドリフトは完全ではないにしても顕著に低減される。
【００３８】
空気・液体境界面によっては反射されないEM波は、液体22を経て、液体22を収納している容器または大おけ27の底部25に向けて入射伝搬を継続する。これらのEM波は底部25から反射され、ガイドワイヤ 14に沿ってトランシーバ 12による処理のため逆伝搬される。
【００３９】
この電磁波が入射伝搬中に他の2つの物質の境界層、たとえば容器27の底部25に存在する気泡29や固体被着物31などに遭遇すると、発射プレート18に向け部分的に逆反射される。通常、本発明のセンサ 10は、その伝搬経路に沿ったあらゆる不連続性を検出することができ、さらにこのような不連続性の発射プレート18からの距離を測定することができる。
【００４０】
本発明のセンサ 10の一般的な動作は、トランシーバ 12からパルスを放射し、短時間(TSAMP)待機した後、ゲートか窓を開いて反射パルスをサンプリングする処理をベースとするものである。このプロセスは、1MHzの速度で繰り返され、待ち時間TSAMPをインクリメントする前に、約10-100の受信パルスが平均化される。平均レベルが高いと、サンプリングされる信号に付随するランダムノイズが低減される。
【００４１】
平均化されたパルスは、放射されたパルスとゲート時間またはサンプラー回路の操作時間との間の遅延により規定される一連の距離の内の特定の距離のパルス反射率に対応する電圧レベルを備える。このプロセスは「距離ゲーティング」と呼ばれ、走査される表面レベルと境界面についての深さ情報を提供する。
【００４２】
本発明は、「距離ゲート」（すなわち走査される領域）を等価時間にて掃引または走査する。距離ゲートが表面レベルまたは境界面を通って移動すると、距離ゲート内の反射率がトランシーバ 12により検出される。ゲートは通常、放射されるパルス幅に等しい持続時間の間だけ開放状態に保たれる。本発明は、またトーマス・イー・マックイーワン(Thomas E McEwan)に付与され、“Wideband Receiver”「広帯域受信装置」と題する米国特許第5,345,471号に記述された超広帯域受信装置の概念を利用していおり、この文献を参照文献として引用する。
【００４３】
図4は、トランシーバ 12のブロック回路図である。トランシーバ 12には、パルス繰返し周波数/パルス繰返し間隔(PRF/PRI)発生器40の変調用、および1MHz平均と1-10%のランダム変化、約1MHz すなわち1-10%PRF ディザを有するPRFの作成用としてオプションのノイズ発生器39が備わっている。 ディザは、発射プレート18からの放射スペクトラムを広げて、RFスペクトラムのユーザとの潜在的な干渉を低減し、またガイドワイヤ 14に現れる外部からの干渉信号のサンプルをランダム化する。
【００４４】
発射プレート18における受信された信号またはパルスは、ランダム化されたサンプルがゼロ平均値になるようにサンプリングかつ平均化され、これによってRF送信装置など他の出所源からの干渉が大部分除去される。所望のエコーはディザによる影響を受けない。それは、これらのエコーは伝送されて間もなく一定の時間において受信され、次の繰返し間隔が生じる時間には影響されないからである。ディザを与えることは、通常のRFユーザとのスペクトラム両立性を与え、多数のセンサを近接して使用できるようにする。他のパルスシステムによって放射された短いパルスをサンプリングする機会は不規則であり、少ない。他のパルスシステムからの十分なパルスを逐次サンプリングして、干渉性の検出可能な信号を確立できる確率は、全ての実用目的において事実上ゼロである。
【００４５】
1MHz パルス繰返し周波数/繰返し間隔(PRF/PRI)発生器40からのパルスは、2つの経路、すなわち伝送経路42 とゲート経路 44に沿って入力される。伝送経路42では、 PRF/PRI発生器40はパルス発生器 46を駆動する。このパルス発生器46は、5Vで立ち上がり時間200ピコ秒のステップ状パルスを提供し、それはキャパシタ48(C =1pF)によりエッジを微分されて200ピコ秒幅のインパルスとなる。キャパシタ48の出力におけるインパルスは、ケーブル 16に加えられ、そこから発射プレート18に送られる。
【００４６】
発射プレート18は、表面レベル23または多重物質境界面層から反射されたパルスをピックアップし、それらをケーブル 16を介してサンプルホールド回路 50に送る。ケーブル 16の特性インピーダンス(Zo)に等しい値を持つ終端抵抗(RT) 51がケーブル 16の基端部に配したノード54と接地との間に接続されて、ノード54とケーブル 16の先端部に配したノード56間における種々の不連続性間の三重遷移反射を最小限に抑える。ノード56は、特性インピーダンスZo の抵抗よりも大きい抵抗 20に接続され、それにより反射、又は基準パルスの振幅が空気／液体境界面からの反射と等しくなるように設定される。
【００４７】
サンプルホールド回路 50もノード54に接続され、ゲート用経路44に加えられる一連のゲートパルスにより2MHzの速度でゲートされる。サンプルホールド回路 50は、スイッチ又はサンプラー52と、サンプリングされた反射パルスを保持するため接地接続された保持キャパシタ59とを備えている。サンプラー52は、ゲートパルスによって一連の交代開閉を行なうように駆動される。ゲートパルスは、発射プレート18が伝送インパルスを放射した時から約5-10ナノ秒の遅延距離にわたって遅延される。ゲートパルスのタイミングは、掃引距離遅延発生器53によって40Hzの掃引速度で、各ゲートパルスが全遅延距離について各1/40秒に線形掃引されるように制御される。これにより、サンプルされた電圧がホールドキャパシタ59の両端に現われるが、これはサンプルホールド回路 50の入力に見られる実時間反射パルスの等価時間(ET)の複製である。言い換えれば、ナノ秒の時間スケールで現われる波形が、ミリ秒の時間スケールで現われる同一形状の波形に変換されるということである。
【００４８】
距離遅延発生器53は、5V、立ち上がり時間200ピコ秒のステップ状パルスを発生するパルス発生器55を駆動する。パルス発生器 55の出力はキャパシタ57によりエッジ微分され幅200ピコ秒のインパルスとなり、サンプルホールド回路 50に加えられる。
【００４９】
キャパシタ 59のサイズは十分に大きいため、各サンプルはキャパシタ 59を部分的に充電するだけであり、終端抵抗 51(RT)の両端に現われる信号と平衡状態に達するには約10ないし100のサンプルが必要である。一設計例として、キャパシタ 59は約22ピコファラッドの大きさである。抵抗RTと並列のインピーダンスZ0とキャパシタ 59のキャパシタンスとの積は、ゲートパルスの幅よりも遥かに大きい時定数を生じるため、キャパシタ 59を充電するには多くのパルスが必要である。たとえば、200ピコ秒のパルスが発射プレート18から伝搬されると、反射されるパルスはゲートパルスと合致する。受信された各パルスは、サンプルホールド回路 50のキャパシタ 59上に増分電圧変化△Vを生じるが、正味のキャパシタ電圧は平均サンプルホールド回路 50の出力である。増分△Vは受信パルス全体の1/Nで(△V=1/N）、Nは平均されたサンプル数であり、通常、約10〜100である。Nは任意の値を仮定していることが理解されるべきである。
【００５０】
サンプルホールド回路 50のノイズ電圧は、平均サンプル数の平方根に関連する定数、この場合は10倍、およびシステムのPRF及びサンプラーの瞬間帯域幅に対する平均回路の有効な時定数に関連する定数、即ち、サンプルホールド回路50によりサンプリングされたデータの特性から生じた定数などによって低減される。要するに、２GHzの帯域幅（すなわち伝搬パルスの帯域幅）を有する回路と比較して20dBを超えるノイズ低減が達成される。
【００５１】
サンプルホールド回路 50の出力側にある等価時間の複製を、少なくとも100の利得と、10Hz〜10KHzの通過帯域を有する増幅器61に供給し、ピーク値がほぼ1Vの等価時間振幅を得る。増幅器61の出力は、基準反射パルスと空気・液体反射パルスとの間のタイミング関係を示すアナログ信号を提供する。
【００５２】
正と負のしきい値比較器63、64が、それぞれ増幅器61の出力に接続され、発射プレート18からの等価時間基準パルス、及び、表面レベル23または境界面層からの反射されたパルスを検出すると共に、セットーリセット・フリップフロップ66を切り換えて距離カウンタ・ゲートパルスを生成する。
【００５３】
セットーリセット・フリップフロップ66の出力と PRF/PRI発生器40の出力とは、ANDゲート68に入力され、その出力が距離カウンタ70に送られる。距離カウンタ70 は2MHzの速度でクロックされ、高度の距離分解能を得ることができる。ガイドワイヤ 14の等価時間スケールファクタ1.0ms=1.0インチに対して、2MHz速度の各距離カウンタ・パルスは0.5ミリ秒(mils)、すなわち0.0005インチ(1インチ × 0.5μs/1.0ms)に相当する。
【００５４】
一つの実験において観察されたジッタは、1/40秒の測定更新間隔において、0.001インチrmsほどであった。距離カウンタ70は、平均化の目的用に測定値を蓄積してジッタを軽減する。距離カウンタ70の出力は表示装置72を駆動し、また、リセットする前にプロセッサ（図示していない）に転送することもできる。
【００５５】
センサ 10の精度は広い温度範囲にわたり0.1インチ（約0.25cm）未満だけ
の変動である。このような好ましい安定性は、(1)基準パルスを使用して直接伝送経路42やゲート経路44、およびケーブル 16におけるタイミングオフセット・ドリフトを除去したこと、(2)ほぼ等振幅の基準および反射パルス検出しきい値+VTHおよび-VTHの使用によるパルス振幅変動の最少化、(3)距離遅延53および距離ランプ回路77内での安定性RC部品の使用、などに由来するものである。
【００５６】
距離遅延発生器53のタイミング遅延は、ランプ発生器77から送られるランプ信号に応じて制御される。ランプ信号は、液体レベル23に出入すると予測される反射に相当する遅延距離の全域を距離遅延発生器53により掃引させるようにする。
【００５７】
ランプ発生器 77は40 Hz走査発振器78によって駆動される。この40 Hz発振周波数は、在来のディジタル周波数分周器を用いた2MHz PRF/PRI発生器40から代わりに得られることが理解されるべきである。2MHz PRF/PRI発生器40の出力はAND ゲート 68に接続される。比較器64が増幅器61からの等価時間基準パルスを検出すると、フリップフロップ 66がセットされてAND ゲート 68に2MHzクロックを距離カウンタ 70に給送できるようになる。距離カウンタ 70は、増幅器 61からの等価時間液体レベル反射パルスがしきい値を超えるのを比較器63が検出するまで2MHzの速度でカウントを続ける。その時点でフリップフロップ 66はリセットされ、AND ゲート 68を不能にし、距離カウンタ 70を停止させる。そこで、距離カウンタ 70内のデータは、バス79を経て信号プロセッサ（図示していない）および／または液体レベル表示装置72へ供給される。
【００５８】
また、各40 Hzランプの立上がりエッジで距離カウンタにリセット信号が供給され、次の掃引に備えて距離カウントをゼロにリセットする。この立上がりエッジは、距離掃引の開始を信号で合図し、かつモニタ・オシロスコープやデータ転送回路の同期をとるためにも使用することができる。
【００５９】
等価時間(ET)スケールファクタに影響を及ぼす、距離ランプ・タイミング内のドリフトに起因する測定のずれは、距離ランプ発生器77を用いて除去することができる。この距離ランプ発生器77は、D/Aコンバータ(DAC)に接続されたPRFによりクロックされた距離カウンタを基にディジタル式に増分されたランプ電圧を供給するものである。この場合、PRF内に変動があると距離ランプのタイムスケールに悪影響を及ぼすが、距離カウンタ 70と距離ランプ発生器77とは比率式のため、この変動を取り消すことができる。たとえば、PRFが減少すると、距離ランプはその全域にわたるサイクルタイムを延ばして距離カウンタゲートパルスの幅を拡張するが、この拡張されたパルスは、より低速なPRFをゲートするため、ゲートされるパルス数は元のままである。
【００６０】
この二重カウンタ装置により、ドリフトの唯一の未補償供給源となるのは実時間距離遅延回路を形成するRC ネットワークであろう。百万/℃ドリフトあたり30部品未満の、ほとんどの測定に適する低廉なRC部品が入手できる。RC ネットワーク内のドリフトは、センサのスケールファクタのみ、すなわちガイドワイヤ 14の見かけ上の長さにのみ悪影響を及ぼす。ゼロオフセット、又は、表面レベル23または境界面層に対する発射プレート18の位置は、基準パルスを用いて固定される。
【００６１】
図5A及び図5Bは、センサ 10の好ましい実施態様の回路図例である。ノイズ発生器39は、1993年 4月 12日トーマス・イー・マックイーワン(Thomas E McEwan)により提出され、“Ultra-Wideband Radar Motion Sensor”「超広帯域レーダ動作センサ」と題する、同時係属米国特許出願第08/044,717号に記述されており、この全てを参考文献としてここに挙げる。PRF/PRI発生器40には直列に接続された2個のインバータ100と101(74ACO4)が備わっている。フィードバック経路がインバータ100の入力とインバータ101の出力間に伸びており、直列のキャパシタ 103(C=22ピコファラッド)を具備している。抵抗 104(R=10 キロオーム)がインバータ100の入力と出力端子間に接続してある。
【００６２】
高速パルス発生器46は、その入力がインバータ101の出力に接続してあるインバータ105(74ACO4)を具備している。遅延トリマー半固定抵抗器107をインバータ105の入力と任意に直列接続できる。インバータ105の電源ピンが +5V電源バスとバイパスキャパシタ109(C=0.01ファラッド)とに接続してある。インバータ105の出力が抵抗 110(R=22オーム)およびキャパシタ 112(C=10ピコファラッド)に直列に接続してある。抵抗 115(R=1キロオーム)が同時にキャパシタ 112と、トランジスタ118(BFR92)のベースに接続してある。トランジスタ118のコレクタが抵抗120(R=1kオーム)を経て+5V電源バスに接続してある。
【００６３】
キャパシタ 48は、トランジスタ118のコレクタと、50オーム同軸ケーブル 16の基端部、終端抵抗 51、およびサンプルホールド回路 50とを接続するノード54との間に接続してある。実施例では、同軸ケーブル 16はさらに、正方形状で約2インチ（約5.0cm）の側面寸法（他の寸法も可能）を有する発射プレート18に接続してある。
【００６４】
サンプラ52は、ショットキーダイオード(HP HSMS2810)、および一端がダイオード52に接続され、他端が抵抗 125(R=100オーム）を経てアースに接続されたホールドキャパシタ 59とを具備している。キャパシタ 57(C=0.5ピコファラッド)はキャパシタ 59とパルス発生器44間に接続してある。
【００６５】
パルス発生器 44は、そのコレクタがキャパシタ 57と、抵抗 127(R=1キロオーム)
を経て+5V電源バスとに接続してあるトランジスタ126(BFR92)を具備している。トランジスタ126のエミッタは接地され、そのベースはバイアス抵抗130(R=1キロオーム)に接続されている。パルス発生器 44は、その入力が距離遅延発生器53に接続され、その出力が抵抗 133(R=22オーム）とキャパシタ 134(C=10ピコファラド)とを経てトランジスタ126のベースに直列に接続されたインバータ131(l1=74ACO4)をさらに具備している。
【００６６】
距離遅延発生器53は、抵抗 140(R=4.7キロオーム）の一端に接続した第1の入力端子139を具備している。抵抗 140の他端は、抵抗 142(R=10キロオーム)を経て+5V電源バスに接続され、抵抗 144(R=4.7キロオーム）を経てランプ発生器77に接続され、可変シャントキャパシタ 146(Cは2〜6ピコファラッド）に接続され、また第1のインバータ150(I1=74AC04)に接続される。この簡単なRC遅延回路(144,146)は、それに印加される制御距離遅延電圧に関して指数的遅延機能を提供する。この第1のインバータ150の出力は、可変抵抗器149を経てインバータ131の入力に接続した第2のインバータ151(I1=74AC04)の入力に接続してある。抵抗 149の出力は、シャントキャパシタ 155(C=4.7ピコファラッド)に接続してある。
【００６７】
ランプ発生器77は、一端が40Hz走査発振器78の出力側に接続され、他端が抵抗 152(R=1キロオーム)を経てトランジスタ154(2N2222)ベースに接続されたキャパシタ 153を具備している。トランジスタ154のベースは、バイアス抵抗 156(R=10キロオーム)に接続してある。トランジスタ154のエミッタは接地してある。ランプタイミングキャパシタ 157(C=1マイクロファラッド)は、トランジスタ154のコレクタと接地間に接続してある。
【００６８】
40 Hz走査発振器 78には、直列に接続した2個のNANDゲート 160、161が備わっており、NANDゲート 161の出力がランプ発生器77のキャパシタ 153に接続してある。NANDゲート 160の入力側はキャパシタ 165(C=0.01ファラッド)を経てNANDゲート 161の出力に接続してある。NANDゲート 161の入力も抵抗 162(R=2.2メグオーム)を経てその出力に接続してある。NANDゲート 161の出力は抵抗 166(R=10キロオーム)を経て“SYNC”端子に接続してある。“SYNC”端子はテストの目的で同期用パルスをオシロスコープ（図示していない）に給送する。
【００６９】
図5Bについて説明する。増幅器 61の入力はショットキー・ダイオード52の陰極に接続され、また、ホールドキャパシタ 59に抵抗 170(R=10キロオーム)を介して接続してある。増幅器 61には、一端をバイアス抵抗 174(R=1メグオーム)に接続し、他端をインバータ175(MC14069)に接続したキャパシタ 172(C=0.1マイクロファラッド)が備わっている。インバータ175は、キャパシタ 177(C=100ピコファラッド)と抵抗 179(R=2.2メグオーム)とを並列に配置して形成したフィードバックRC回路に接続してある。インバータ175の出力は、インバータ180(I3=MC14069)の入力にキャパシタ 181(C=2マイクロファラッド)と抵抗 183(R=100キロオーム)を経て接続してある。インバータ180は、キャパシタ 185(C=470pF)と抵抗 188(R=470キロオーム)とを並列に配置して形成したフィードバックRC回路に接続してある。
【００７０】
正のしきい値比較器 63 は、一端をインバータ180の出力に接続し、他端をバイアス抵抗 192(R=1メグオーム)およびインバータ193(MC14069)の入力とに接続した入力抵抗 190(R=330キロオーム)を具備している。インバータ193の電源ピンは、+5V電源バスに抵抗 195(R=1キロオーム)を介して接続してあり、さらにバイパスキャパシタ 196(C=100マイクロファラッド)にも接続してある。
【００７１】
負のしきい値比較器 64は、一端をインバータ180の出力に接続した入力抵抗 200(R=330キロオーム)を具備している。入力抵抗 200の他端は、バイアス抵抗 202(R=680キロオーム)を介して+5V電源バスに接続され、また、インバータ203(I3=MC14069)の入力に接続してある。
【００７２】
セット-リセット フリップフロップ 66は、2個のNANDゲート 210, 212(74HC00)を具備しており、インバータ215の電源ピンは、+5V電源バスとバイパスキャパシタ 215(C=0.01マイクロファラッド)に接続してある。NANDゲート 210の入力の1つが、インバータ193の出力にダイオード219を経て接続してあり、さらに抵抗 217(R=1.5メグオーム)を介して+5V電源バスにも接続してある。ダイオード219の陽極がタイミングキャパシタ 220(C=0.003マイクロファラッド)に接続してある。インバータ203の出力がインバータ204(I3=MC14069)を経てNANDゲート 212の入力に接続してある。
【００７３】
図6は、発射プレート18に生じるET基準パルスと、ガイドワイヤ 14の1インチ（約2.5cm）と8インチの浸漬レベルに対する空気・液体反射パルスP(1)、P(2)それぞれのオシロスコープでのトレースを表わす。空気・液体反射パルスは、ほぼ200ピコ秒の幅（持続時間）である。距離カウンタ 70のゲートパルスは、基準反射パルスの目盛りTM1が開始、空気・液体反射パルスの目盛りTM2が終了マークで、これにより液体レベル23上でのガイドワイヤ 14の長さが測定される。
【００７４】
当業者には、本発明の上記記述を検討した後、本発明の範囲を逸脱すること無く種々の修整が行われることが明白となろう。たとえば、前述の回路図は個別の部品に関連して記述されているが、同回路は、公知の集積回路技術によって統合、かつ小型化されるものである。発射プレート18は、種々のプレーナおよび非プレーナ形状と幾何学的寸法をとることができ、たとえば不規則な形状の容器上で使用できるような輪郭を持たせることができる。
【００７５】
伝送線路すなわちガイドワイヤ 14には、色々な設計が考えられる。たとえば、単線、二線、誘電体で分離した二線式、中空管、管外部の流体サンプル電磁波用の誘電コア壁または溝壁付きの導電性管、誘電体管、その他の変種である。また、ガイドワイヤ 14として、既存容器の金属構造部材を使用することもできよう。
【００７６】
図7は、液体277を収納する誘電体または金属容器275の斜視、切欠略図である。同図において、ガイドワイヤはマイクロストリップ278であって、容器275の内面280に取り付け、軸方向に所定の深さまで伸長する。この特定の実施態様において、発射プレートは厳密には必要としないが、しかし、不連続性インピーダンスと共に基準パルスを導入するため、マイクロストリップの上端に抵抗20を備える必要がある。マイクロストリップ278は、反射パルスの規模にはほとんど影響しない保護絶縁コーティングで被覆することができる。
【００７７】
図3は、センサ 10の線形変位モードを示すもので、電磁ガイドワイヤ 14は、通常、自由空間内に突出して、金属または誘電体の対象物28がガイドワイヤ 14と接触、あるいは近接するように配置または移動させられ、センサ 10の作動に関連して前述したように、測定可能な反射が作り出される。ガイドワイヤ 14はマイクロストリップ、または伝送路型の他のタイプで形成することができる。
【００７８】
図8は、本発明によるセンサ 10を用いたドリル300など工具の側面図である。センサ 10によって穿孔用ドリルの刃先302が表面レベル303を超えて貫通する深さ(P)を正確に測定することができる。ドリルの刃先先端307と発射プレート18間の距離(L)が固定されるように発射プレート18がドリル本体305に固着してある。たとえば、いくつかの応用例で、距離(L)はドリルの刃先302の全長と等しくなる。穿孔作業が始まると、センサ 10が発射プレート18と表面レベル303間の距離(S)を測定し、貫通深さ(P)の正確な測定値を式 P＝L-S によって得る。
【００７９】
創意に富む物質レベルセンサの固有の実施態様について図解と記述を行なってきたが、装置、パラメータ、材料、製法、用途および操作法についての修正や変更は、本発明の範囲から逸脱することなく当業者にとって明白になろう。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、廉価で精密で軽量の、かつ使用が簡単な改良型レベルセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第1の好ましい実施態様によって位置決めされた物質レベルセンサの側面図
【図２】図２は、図1のセンサの平面図
【図３】図３は、図1及び図２のセンサの側面図
【図４】図４は、図1〜図3のセンサを形成する電気回路のブロック図
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは図1〜図4のセンサの詳細な回路線図
【図６】図６は、図1〜図5のセンサの一部を形成する発射プレートで生じる等価時間の基準パルスについてオシロスコープによるトレース、および1インチ(約 2.5cm )と8インチ(約 20cm )各レベルに浸漬された空気・流体の反射パルスを表わす図
【図７】図７は、壁部に沿ったマイクロストリップ伝送線路センサを有する容器の切欠略図
【図８】図８は、ドリルの深さを測定するため本発明のセンサを用いたドリルの側面図
【符号の説明】
１２ トランシーバ
１４ ガイドワイヤ
１６ 同軸ケーブル
１８ 発射プレート
２０ インピーダンス

Claims (14)

  1. 物質の表面レベルまたは境界面レベルを測定するセンサであって、
    電気的伝送パルスを発生するパルス発生器と、
    少なくとも部分的に前記物質内に浸漬されたガイドワイヤと、
    前記パルス発生器と前記ガイドワイヤを電気的に結合させ、前記伝送パルスを伝導して、前記伝送パルスが前記表面または前記境界面により少なくとも部分的に反射されて対応する電気的反射パルスに変換されるようにする導電体と、
    前記反射パルスをサンプリングするために、前記導電体に接続されたサンプルホールド回路と、
    前記伝送パルスと反射パルスとの間の時間的遅延を決定して、前記表面レベルまたは境界面レベルを確定する手段と、
    前記導電体に接続された発射プレートと
    を備えることを特徴とするセンサ。
  2. 前記導電体が、前記伝送パルスを前記物質に対して、近視野誘導電磁(EM)波として伝導する、請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記パルス発生器に接続されたパルス繰返し間隔発生器と、
    前記パルス発生器に接続された微分キャパシタと、
    前記微分キャパシタから接地接続された終端抵抗であって、前記導電体が、前記微分キャパシタ及び終端抵抗に接続された第１の端部と、前記ガイドワイヤに接続された第２の端部とを有しているところの終端抵抗と、
    前記パルス繰返し間隔発生器に接続された第1の入力を有するランプ遅延発生器と、
    前記ランプ遅延発生器に接続された遅延パルス発生器と、
    前記遅延パルス発生器に接続され、かつ前記サンプルホールド回路の第2の入力に接続された遅延パルス微分キャパシタと
    を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のセンサ。
  4. 前記サンプルホールド回路が、高入力インピーダンスサンプルホールド回路であることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１つに記載のセンサ。
  5. 前記パルス発生器は、トランシーバの一部であり、
    前記発射プレートは、送信接地面として機能し、前記電気的伝送パルスが、前記ガイドワイヤに沿って伝搬する近視野誘導電磁 (EM) 波として発射されることを援助し、
    反射された前記 EM 波は、前記ガイドワイヤに沿って前記発射プレートに向けて逆伝搬し、前記発射プレートは受信接地面として機能し、そして、反射された前記 EM 波は、前記発射プレートから反射パルスとして前記トランシーバに向けて伝送され、
    前記トランシーバは、前記伝送パルスと前記反射パルスとの間の時間遅延を決定して、前記表面レベルまたは境界面レベルを確定するための手段として作用する
    ことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
  6. 前記サンプルホールド回路は、ホールドキャパシタ、及び、ダイオードからなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載のセンサ。
  7. 物質の表面レベルまたは境界面レベルを検出する方法において、
    少なくとも部分的に前記物質内に浸漬されたガイドワイヤに沿って、電気的伝送パルスを発生させる工程であって、前記伝送パルスが、前記表面または前記境界面により少なくとも部分的に反射され、そして、対応する電気的反射パルスに変換されるように伝導されるところの工程と、
    前記反射パルスを直接的にサンプリングする工程と、
    前記伝送パルスと反射パルスとの間の時間的遅延を決定して、前記表面レベルまたは境界面レベルを確定する工程と、
    発射プレートを設ける工程と
    を含むことを特徴とする方法。
  8. 前記発射プレートは、送信接地面及び受信接地面の双方として作用する、請求項７に記載の方法。
  9. 前記送信接地面は、電気的伝送パルスが、近視野誘導電磁(EM)波として発射されることを援助し、
    前記受信接地面は、電気反射パルスが電磁波として反射されることを援助する、
    請求項８に記載の方法。
  10. 前記サンプルホールド回路に伝送されるパルスのタイミングを調整する指数的距離遅延回路を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１つに記載のセンサ。
  11. 前記指数的距離遅延回路は、指数的遅延関数を提供する RC 遅延回路を含むことを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
  12. 前記指数的距離遅延回路は、線形掃引遅延機能を提供するために前記 RC 遅延回路への掃引入力として用いられる等価時間指数的ランプを更に有することを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
  13. 前記サンプルホールド回路は、ホールドキャパシタ、及び、ダイオードからなることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
  14. 各ゲートパルスは遅延距離にわたり線形に掃引されて、前記反射パルスの等価時間複製であるサンプル電圧が前記ホールドキャパシタの両端に現われるようにすることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
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