特許 5773950 液位測定装置およびそのＶＣＯキャリブレイション方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5773950

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月2日

(54)【発明の名称】液位測定装置およびそのＶＣＯキャリブレイション方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/284 20060101AFI20150813BHJP

【ＦＩ】

   G01F23/284

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-131114(P2012-131114)

(22)【出願日】2012年6月8日

(65)【公開番号】特開2013-253936(P2013-253936A)

(43)【公開日】2013年12月19日

【審査請求日】2014年1月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】391014631

【氏名又は名称】ムサシノ機器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088856

【弁理士】

【氏名又は名称】石橋 佳之夫

(72)【発明者】

【氏名】大浦 秀人

(72)【発明者】

【氏名】杉山 直樹

【審査官】 濱本 禎広

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１１９９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７１４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１１５６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９０４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５３−００６６６９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６３−０９６５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４７５９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ ２３／００，２３／１４−２３／２９６

Ｇ０１Ｓ ７／００− ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００−１３／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

掃引時間において予め決められた周波数を掃引しながら液面に向かって電波を送信し、液面で反射される上記電波を受信した瞬間の送信周波数と反射波の受信周波数の差であるビート周波数によって液面までの距離を測定するＦＭＣＷレーダー方式の液位測定装置であって、
掃引周波数信号を生成するＶＣＯと、
上記ＶＣＯで生成する信号の周波数を周波数−時間特性（以下「Ｆ−Ｔ特性」という）に従い掃引するための印加電圧を決定する、電圧―時間テーブル（以下「Ｖ−Ｔテーブル」という）と、
上記ＶＣＯのＦ−Ｔ特性を補正するために既知の距離位置に配置されている反射部材と、
直線性が保たれているＦ−Ｔ特性により上記ＶＣＯで生成する周波数掃引信号を上記反射部材に向かって送信し、この送信信号と上記反射部材からの反射信号とのビート波形から固定正弦波信号を得る固定正弦波信号生成部と、
液面への送信周波数と受信周波数のビート波形信号の上記固定正弦波信号に対する誤差を解析して生成される補正電圧−時間カーブテーブル（以下「補正Ｖ−Ｔカーブテーブル」という）と、
上記補正Ｖ−Ｔカーブテーブルで上記Ｖ−Ｔテーブルを補正することにより得られる補正後Ｖ−Ｔテーブルと、を備え、
上記補正後Ｖ−Ｔテーブルに基づき上記ＶＣＯを動作させることにより直線性を持ったＦ−Ｔ特性を得る液位測定装置。

【請求項2】

上記補正Ｖ−Ｔカーブテーブルは、上記ビート波形信号と上記固定正弦波信号とを時間軸上で対比しながら、上記固定正弦波信号に対する上記ビート波形信号のずれを解析し、その結果より生成される波形誤差関数にしたがって得られる請求項１記載の液位測定装置。

【請求項3】

上記ＶＣＯで生成される掃引周波数信号を液面に向かって導くアンテナまたは変換装置を備えている請求項１または２記載の液位測定装置。

【請求項4】

掃引時間において予め決められた周波数を掃引しながら液面に向かって電波を送信し、液面で反射された上記電波を受信した瞬間の送信周波数と反射波の受信周波数の差であるビート周波数によって液面までの距離を測定するＦＭＣＷレーダー方式の液位測定装置のＶＣＯキャリブレイション方法であって、
ＶＣＯで掃引周波数信号を生成する工程と、
上記ＶＣＯでＶ−Ｔテーブルに基づき周波数掃引信号をする生成する工程と、
直線性が保たれているＦ−Ｔ特性により上記ＶＣＯで生成する周波数掃引信号を既知の距離位置に配置されている反射部材に向かって送信し、この送信信号と上記反射部材からの反射信号とのビート波形から固定正弦波信号を得る工程と、
液面への送信周波数と受信周波数のビート波形信号の上記固定正弦波信号に対する誤差を解析して補正Ｖ−Ｔカーブテーブルを生成する工程と、
上記補正Ｖ−Ｔカーブテーブルで上記Ｖ−Ｔテーブルを補正することにより補正後Ｖ−Ｔテーブルを得る工程と、を備え、
上記補正後Ｖ−Ｔテーブルに基づき上記ＶＣＯを動作させることにより直線性を持ったＦ−Ｔ特性を得る液位測定装置のＶＣＯキャリブレイション方法。

【請求項5】

上記補正Ｖ−Ｔカーブテーブルは、上記ビート波形信号と上記固定正弦波信号とを時間軸上で対比しながら、上記固定正弦波信号に対する上記ビート波形信号のずれを解析し、その結果により生成される波形誤差関数にしたがって生成する請求項４記載の液位測定装置のＶＣＯキャリブレイション方法。

【請求項6】

上記ＶＣＯで生成される掃引周波数信号を、アンテナまたは変換装置によって液面に導く請求項４または５記載の液位測定装置のＶＣＯキャリブレイション方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば液化ガスなどの液体を保管するタンクなどにおける液体の液面レベルを測定するレーダー方式による液位測定装置およびそのＶＣＯキャリブレイション方法に関するもので、特に、測定精度を高めるための構成を備えていることを特徴とするものである。

【背景技術】

【0002】

液位測定装置に用いられるレーダー方式の一つとしてＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダー方式がある。このＦＭＣＷレーダー方式は、図８に示すように、予め決められた固定時間（この時間を、掃引時間（Ｔ）という）において、予め決められた周波数（Ｆ）を掃引しながら測定地点に向かって電波を送信するものである。図９に示すように、送信地点で送信された電波が、測定地点（送信地点からの距離をＬとする）で反射されて送信地点に戻るまでの往復時間ｔの間に、送信周波数がＦ・ｔ／Ｔ（Ｈｚ）だけ掃引される。この掃引された周波数は、反射波（受信周波数Ｆ_Ｒ）を受信した瞬間の送信周波数Ｆ_Ｔと受信周波数Ｆ_Ｒの差（以下「ビート周波数Ｆ_Ｂ」という）になる。

【0003】

上記往復時間ｔは
ｔ＝（Ｔ／Ｆ）×Ｆ_Ｂ
であるから、上記ビート周波数Ｆ_Ｂを計測することができれば、送信地点から測定地点まで電波が往復するのに要した時間ｔを計測することができる。自由空間における電波の伝搬速度は光速Ｃと同じであるから、送信地点から測定地点までの距離Ｌは、
Ｌ＝Ｃ×ｔ／２＝Ｃ×Ｔ×Ｆ_Ｂ／２Ｆ （１）
で表すことができる。

【0004】

以上、ＦＭＣＷレーダー方式による距離測定原理を概略的に説明した。図７は、ＦＭＣＷレーダー方式距離測定装置の従来例を示す。図７において、ＦＭＣＷレーダー方式距離測定装置は、ＤＳＰ（デジタル信号処理装置：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｓｅｓｓｏｒ）１０１、デジタル・アナログ変換器１０３、ＶＣＯ（電圧制御発振器）１０４、結合回路１０５、混合器１１０、ＡＧＣ（自動利得制御回路）１１１、アナログ・デジタル変換器１１２を有してなる。デジタル・アナログ変換器１０３とＶＣＯ１０４を含む構成部分は送信系を構成し、混合器１１０からアナログ・デジタル変換器１１２に至る構成部分は受信系を構成している。ＤＳＰ１０１はメモリ１０２を内蔵し、メモリ１０２には、掃引時間Ｔに対するＶＣＯ１０４の発振周波数を決定するＶＣＯ１０４への印加電圧の関係すなわち電圧−時間カーブ（以下「Ｖ−Ｔカーブ」という）が電圧−時間テーブル（以下「Ｖ−Ｔテーブル」という）として記憶されている。

【0005】

ＤＳＰ１０１は、メモリ１０２からＶ−Ｔテーブルを読み出し、時間の経過に伴って連続的に変化する電圧値をデジタル・アナログ変換器１０３でアナログ信号に変換してＶＣＯ１０４の制御電圧とする。ＶＣＯ１０４の発振周波数は制御電圧に応じて連続的に変化する。この発振信号が結合回路１０５を経て適宜のアンテナから測定地点（例えば、液体の液面）に向けて送信される。上記アンテナから測定地点までの間に被測定系１２０が介在している。測定地点で反射された電波は被測定系１２０を戻り上記アンテナでとらえられ、結合回路１０５を経て受信系に導かれる。受信系では、混合器１１０で受信信号と受信時の発振信号が混合され、受信周波数とその瞬間の発振周波数との差、すなわち前記ビート周波数Ｆ_Ｂが取り出される。

【0006】

ビート周波数Ｆ_Ｂ信号は、ＡＧＣ１１１で適宜の振幅値に制御されたのち、アナログ・デジタル変換器１１２でデジタル信号に変換され、ＤＳＰ１０１に入力される。ＤＳＰ１０１では、前記（１）式を適用して演算処理することによって測定地点までの距離Ｌを求める。

【0007】

以上説明したＦＭＣＷレーダー方式距離測定原理によって精度よく距離を測定するには、上記ビート周波数Ｆ_Ｂを精度よく測定することであり、そのためには、掃引時間Ｔとそれに伴う掃引周波数Ｆの関係が常に一定に保たれていることが求められる。換言すれば、単位掃引時間ΔＴにおける掃引周波数の変化ΔＦが常に一定であること、すなわち横軸の掃引時間に対して掃引周波数が直線性を持っていることが必要である。

【0008】

図７に示す例のように、ＦＭＣＷレーダーの送信機は一般的にＶＣＯ１０４を使用している。ＶＣＯ１０４は、制御電圧を印加することによって発振し、かつ、掃引時間Ｔにおいて、掃引周波数に対応する制御電圧を連続的に変化させることにより発振周波数を連続的に変化することができる。図８では、掃引開始から掃引停止までの時間をＴで表し、掃引開始から掃引停止までの発振周波数の変化幅をＦで表している。以下、掃引時間ＴにおけるＶＣＯ１０４の発振周波数の変化を表すグラフを周波数−時間特性という。以下、周波数−時間特性を「Ｆ−Ｔ特性」という。

【0009】

ＶＣＯは、一般的には周波数の安定した信号を発振することができるＰＬＬ（フェイズ・ロックド・ループ）回路に用いられており、上記ＶＣＯ１０４のように周波数を掃引する用途は特殊な用途といえる。ＶＣＯ１０４から出力される周波数−電圧特性（Ｆ−Ｖ特性）の直線性は、ＦＭＣＷレーダーで要求される計測精度を得るには不十分である。そのため、ＦＭＣＷレーダーでは、ＶＣＯ１０４から出力されるＦ−Ｔ特性の直線性を保証するために、電圧―時間テーブル（以下、これを「Ｖ−Ｔテーブル」という）を生成し、このテーブルを用いてＶＣＯ１０４の発振電圧を制御している。

【0010】

さらに、ＶＣＯ１０４のＦ−Ｖカーブは周囲温度の変化によって微妙に変化するため、一つの固定したＶ−Ｔテーブルのみでは、ＦＭＣＷレーダー方式距離測定装置で要求される温度範囲で要求精度を満たす計測を行うことはできない。そこで、従来は、温度が異なる複数のＶ−Ｔをテーブルとしてメモリに記憶させておき、計測時の周囲温度に対応したＶ−Ｔテーブルを選択してＦ−Ｔ特性を補正している。

【0011】

しかしながら、より高精度の計測精度が求められる距離測定装置では、温度が異なる複数のＶ−Ｔテーブルの中から選択して使用することにより補完する上記の仕組みでは、要求精度を担保することができない。また、ＶＣＯ自体の特性が経年変化して各温度におけるＦ−Ｖカーブが変化するため、定期的にＶＣＯの特性を計測して、Ｖ−Ｔテーブルを修正ないしは更新する必要があり、面倒である。

【0012】

本発明に関連のある技術を開示するものとして特許文献１がある。特許文献１には、ＦＭＣＷレーダーに適用可能な、通常の動作モードとキャリブレイション（校正）モードの二つのモードを持ったＶＣＯを備えた周波数キャリブレイション構造が記載されている。しかし、上記ＶＣＯは、キャリブレイションモードにおいてそれ自身がＰＬＬ回路に組み込まれてキャリブレイションＶＣＯの代わりをするというもので、以下に述べる本願発明とは技術思想を異にするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許第７，８０４，３６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、リアルタイムに最適なＦ−Ｔ特性を取得することを可能にすることによって、より高い精度で計測を行うことができる液位測定装置およびそのＶＣＯキャリブレイション方法を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明に係る液位測定装置は、
掃引時間において予め決められた周波数を掃引しながら液面に向かって電波を送信し、液面で反射される上記電波を受信した瞬間の送信周波数と反射波の受信周波数の差であるビート周波数によって液面までの距離を測定するＦＭＣＷレーダー方式の液位測定装置であって、
掃引周波数信号を生成するＶＣＯと、
上記ＶＣＯで生成する信号の周波数を周波数−時間特性（以下「Ｆ−Ｔ特性」という）に従い掃引するための印加電圧を決定する、電圧―時間テーブル（以下「Ｖ−Ｔテーブル」という）と、
上記ＶＣＯのＦ−Ｔ特性を補正するために既知の距離位置に配置されている反射部材と、
直線性が保たれているＦ−Ｔ特性により上記ＶＣＯで生成する周波数掃引信号を上記反射部材に向かって送信し、この送信信号と上記反射部材からの反射信号とのビート波形から固定正弦波信号を得る固定正弦波信号生成部と、
液面への送信周波数と受信周波数のビート波形信号の上記固定正弦波信号に対する誤差を解析して生成される補正電圧−時間カーブテーブル（以下「補正Ｖ−Ｔカーブテーブル」という）と、
上記補正Ｖ−Ｔカーブテーブルで上記Ｖ−Ｔテーブルを補正することにより得られる補正後Ｖ−Ｔテーブルと、を備え、
上記補正後Ｖ−Ｔテーブルに基づき上記ＶＣＯを動作させることにより直線性を持ったＦ−Ｔ特性を得る
ことを最も主要な特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

ＶＣＯに適用するＶ−Ｔカーブが直線性を持っていたとしても、ＶＣＯの特性上そのＦ−Ｔ特性が非直線であれば、ビート信号の周波数に誤差を生じ、高い精度の液位測定はできない。その点、上記本発明に係る液位測定装置によれば、ＶＣＯの特性に応じてそのＶＣＯに適用するＶ−Ｔテーブルを補正し、直線性を持ったＦ−Ｔ特性を得ことができるため、ビート信号の周波数に誤差を生じることがなく、高い精度の液位測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係る液位測定装置の実施例を示すブロック図である。

【図2】上記実施例における補正前Ｆ−Ｔ特性を得るプロセスを示すグラフである。

【図3】上記実施例における補正後Ｆ−Ｔ特性を得るプロセスを示すグラフである。

【図4】（ａ）はＦ−Ｔ特性の直線性が保たれている場合の周波数掃引の様子を、（ｂ）はＦ−Ｔ特性の直線性が保たれていない場合の周波数掃引の様子を、（ｃ）はＦ−Ｔ特性の直線性の有無によるビート波形の違いを示すグラフである。

【図5】上記実施例におけるキャリブレイション処理を順に示すフローチャートである。

【図6】本発明に係る液位測定装置による測定の様子を概念的に示す模式図である。

【図7】従来の液位測定装置の例を示すブロック図である。

【図8】ＦＭＣＷレーダーによる周波数掃引の例を示すグラフである。

【図9】ＦＭＣＷレーダーの周波数掃引による距離計測原理を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係る液位測定装置およびそのＶＣＯキャリブレイション方法の実施例について図面を参照しながら説明する。

【実施例】

【0019】

図１は、本発明によるＦＭＣＷレーダー方式による液位測定装置の実施例を示す。図１において、液位測定装置は、ＤＳＰ１１、デジタル・アナログ変換器１３、ＶＣＯ１４、結合回路１５、スイッチ１６、混合器２０、ＡＧＣ２１、アナログ・デジタル変換器２２を有してなる。デジタル・アナログ変換器１３とＶＣＯ１４を含む構成部分は送信系を構成し、混合器２０からアナログ・デジタル変換器２２に至る構成部分は受信系を構成している。ＤＳＰ１１はメモリ１２を内蔵し、メモリ１２には、掃引時間Ｔに対するＶＣＯ１４の発振周波数を決定するＶＣＯ１４への印加電圧の関係すなわちＶ−ＴカーブがＶ−Ｔテーブルとして記憶されている。

【0020】

ここまで説明した部分は、スイッチ１６が追加されていることを除けば図７に示す従来のレーダー方式による距離測定装置の構成と同じである。したがって、測定時の動作も上記従来例と同じである。すなわち、ＤＳＰ１１は、メモリ１２に記憶されているＶ−Ｔテーブルから、掃引時間とサンプリングポイント数により決定されるクロック周波数に同期してＶＣＯ１４の動作を制御する電圧を読み出す。読み出された制御電圧値はデジタル・アナログ変換器１３でアナログ信号に変換され、ＶＣＯ１４に制御電圧として印加される。ＶＣＯ１４は制御電圧に対応した周波数の信号、すなわち時間の経過とともに周波数が連続的に変化する高周波信号を出力する。この高周波信号が結合回路１５、スイッチ１６を経て適宜のアンテナから被測定系２５に向けて送信される。

【0021】

被測定系２５には測定地点である前記液体４１の液面があり、液面で上記高周波信号が反射される。反射された高周波信号は被測定系２５を戻り上記アンテナでとらえられ、スイッチ１６、結合回路１５を経て受信系に導かれる。受信系の混合器２０では、受信信号と受信時の発振信号が混合され、受信周波数とその瞬間の発振周波数との差信号、すなわちビート波形信号が取り出される。ビート波形信号は、ＡＧＣ２１で適正振幅に調整されたのち、アナログ・デジタル変換器２２でデジタル信号に変換され、ＤＳＰ１１に入力される。

【0022】

ＤＳＰ１１では、掃引時間Ｔの間、Ｖ−Ｔテーブルの読み出し、ビート波形信号の取り込みを実行し、取り込んだ時間軸上のビート波形信号データ群にフィルタリング処理を施して不要なノイズを除去する。さらに、ＤＳＰ１１で上記ビート波形信号データ群をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理して周波数軸のデータに変換し、その結果からビート周波数Ｆ_Ｂを抽出する。このビート周波数Ｆ_Ｂを前記（１）式に入力して演算処理することによって測定地点までの距離Ｌを求める。したがって、ＤＳＰ１１は、上記ノイズ除去用のフィルタ、ビート周波数Ｆ_Ｂの抽出部としてのＦＦＴ処理部を備えている。

【0023】

以上説明した液位測定装置の設置例を図６に模式的に示す。図６において符号１０はレーダーユニットを、符号４０は液位測定装置１０を設置したタンクを示している。タンク１０は液体４１を収納するもので、レーダーユニット１０は、図１に示す各ブロックで構成されたＦＭＣＷレーダー方式による液位測定装置で、変換器３２は、上記ユニット１０から出力される信号を電波に変換して上記液面に向かい電波を放射するアンテナである。

【0024】

Ｆ_Ｔはレーダーユニット１０から液面に向かって導波管３０内に放射される電波の周波数を、Ｆ_Ｒは上記電波が液面で反射され導波管３０内をレーダーユニット１０に向かって戻る電波の周波数を示している。

【0025】

図１に示す本発明に係る液位測定装置の実施例が前記従来のレーダー方式による距離測定装置の例と異なる点は、近端反射部材２６を備えている点である。近端反射部材２６は、液位測定装置すなわちレーダーユニット１０から放射される電波を反射することができる部材からなり、基準面位置から既知の長さ位置に設置されている。近端反射部材２６は、本発明の特徴であるＶＣＯキャリブレイションを行うのに必要な部材である。そこで次に、ＶＣＯキャリブレイションの必要性とＶＣＯキャリブレイションそのものについて説明する。

【0026】

ＶＣＯにおける制御電圧に対する発振周波数の関係は必ずしも直線性を備えているとは限らない。また、温度変化により、あるいは経年変化により特性が変化するのが一般的である。図２（ａ）は、ＶＣＯの一般的なＦ−Ｖ特性の例を示すもので、直線性が崩れている。図２（ｂ）はメモリ１２に記憶されている補正前のＶ−Ｔテーブルを示しており、時間軸に対して制御電圧が直線的に変化している。ＤＳＰ１１でメモリ１２から上記Ｖ−Ｔテーブルを読み出し、時間の経過とともに変化する制御電圧値をデジタル・アナログ変換器１３でアナログ信号に変換してＶＣＯ１４に印加したとする。Ｖ−Ｔカーブは直線であっても、ＶＣＯ１４のＦ−Ｖ特性の直線性が上記のように崩れていると、ＶＣＯ１４から出力される時間軸に対する発振周波数の関係を表すＦ−Ｔ特性は、図２（ｃ）に示すように非直線となる。したがって、このＦ−Ｔ特性を用いて液位の測定を行っても、精度の良好な測定を行うことはできない。

【0027】

そこで、ＶＣＯ１４から出力される信号のＦ−Ｔ特性が直線になるように、メモリ１２に記憶するＶ−ＴカーブをＶＣＯ１４のＦ−Ｖ特性に対応して補正する。図３はこの補正について示すもので、図３（ａ）は図２（ａ）と同じＶＣＯ１４の非直線性Ｆ−Ｖ特性を示す。図３（ｂ）は、メモリ１２に記憶されている補正後Ｖ−ＴテーブルによるＶ−Ｔカーブを示している。この補正後のＶ−Ｔカーブは、ＶＣＯ１４の非直線性Ｆ−Ｖ特性と逆特性の非直線性になっている。上記補正後のＶ−Ｔカーブテーブルを読み出し、時間の経過とともに変化する制御電圧値をデジタル・アナログ変換器１３でアナログ信号に変換してＶＣＯ１４に印加すると、図３（ｃ）に示すような直線性が確保された補正後のＦ−Ｔ特性を得ることができる。この補正後のＦ−Ｔ特性を用いて液位の測定を行うと、精度の良好な測定を行うことができる。

【0028】

図３（ｂ）に示すような、ＶＣＯ１４のＦ−Ｖ特性に対応した補正後Ｖ−Ｔテーブルを生成する処理を、ここではＶＣＯキャリブレイション（校正）という。ＶＣＯキャリブレイションを行うことにより直線性を保ったＦ−Ｔ特性を得ることができ、高精度の液位測定を行うことができる。

【0029】

次に、ＶＣＯキャリブレイションを行うための具体的な構成およびＶＣＯキャリブレイションの方法について説明する。ＶＣＯキャリブレイションは、図９に示すように、ＦＭＣＷレーダーが、掃引時間を通じてＦ−Ｔ特性の直線性が確保されているとき、既知の距離からの電波の反射によって生じるビート周波数Ｆ_Ｂ信号が、掃引周波数帯域を通して同じ周波数になることを活用する。

【0030】

図１に示す実施例において、ＶＣＯキャリブレイションは、ＤＳＰ１１が制御信号線ＣＡＬを通じてスイッチ１６を被測定系２５から近端反射部材２６側に切り替えて行う。近端反射部材２６は、前述のとおり、基準面位置から既知の長さ位置に設置されているため、Ｆ−Ｔ特性の直線性が確保されていれば、近端反射部材２６からの反射信号を受信することによって得られる前記ビート信号波形は固定された正弦波信号になる。これに対して、図２（ｃ）に示す補正前のＦ−Ｔ特性のように非直線性のカーブになる場合は、掃引時間Ｔ内でビート周波数が変動するため、ビート信号波形は正確な正弦波信号にならない。このＦ−Ｔ特性の直線性が保たれている場合と保たれていない場合の動作の違いを図４に示す。

【0031】

図４（ａ）は掃引時間Ｔ内でビート周波数Ｆ_Ｂが変動しない場合を示しており、掃引時間内における送信信号と受信信号の掃引周波数はともに直線性を保っているから、送信信号と受信信号のビート信号の周波数Ｆ_Ｂは掃引時間内のどこでも一定である。したがって、このときのビート信号の波形は図４（ｃ）の波形Ａで示すように、ビート周波数Ｆ_Ｂが一定で波形の崩れがない正確な正弦波になる。

【0032】

これに対して図４（ｂ）は、掃引時間Ｔ内でビート周波数Ｆ_Ｂが変動し、Ｆ−Ｔ特性が非直線性になる場合を示している。このときのビート信号の波形は図４（ｃ）の波形Ｂで示すように、正確な正弦波である上記波形Ａから崩れた波形になり、ビート周波数Ｆ_Ｂが本来のビート周波数からずれる。したがって、このビート周波数Ｆ_Ｂ信号を前記式（１）に適用して測定地点までの距離Ｌを求めても、精度の高い距離Ｌを求めることはできず、測定結果に誤差を生ずる。

【0033】

図５は、図１に示す実施例において、ＶＣＯ１４の出力信号のＦ−Ｔ特性が直線になるように、Ｖ−Ｔテーブルを補正するＶＣＯキャリブレイションの手順を説明している。図５の中央に縦方向に処理ステップを示す。各処理ステップには、ステップごとにＳ１，Ｓ２，・・・のように符号を付している。

【0034】

ＶＣＯキャリブレイションを行う前提として、前述のように、Ｆ−Ｔ特性の直線性が確保されている状態で、スイッチ１６を近端反射部材１６側に切り換え、近端反射部材２６からの反射信号を受信する。近端反射部材２６は、予め測定装置ユニットからの距離が正確に計測されている固定長の反射点である。近端反射部材２６までの距離は予め精度よく定められているため、Ｆ−Ｔ特性の直線性が確保されていることによって、固定された正弦波信号のビート信号波形を得ることができる。上記固定された正弦波信号のビート信号波形を「固定正弦波」、この固定正弦波信号を生成する部分を「固定正弦波信号生成部」ということにする。固定正弦波信号生成部は前記ＤＳＰ１１内に一機能をなす部分として存在している。直線性が確保されているＦ−Ｔ特性は、掃引時間に対して掃引周波数が直線状に変化するように予め設定されているもので、ＤＳＰ１１のメモリ１２にＶ−Ｔテーブルとして記憶されている。

【0035】

次に、図５のステップＳ１に示すように、初期Ｖ−Ｔテーブルすなわち補正前のＶ−Ｔテーブルで掃引を行い、放射される電波の周波数Ｆ_Ｔと上記電波が液面で反射されて戻る電波の周波数Ｆ_Ｒのビート波形を取得する（Ｓ２）。図５右上の正弦波状の波形は上記のようにして取得されるビート波形の例を示す。次に、ステップＳ２で取得したビート波形と上記固定正弦波とを時間軸上で対比しながら上記ビート波形の上記固定正弦波に対するずれを解析する（Ｓ３）。図５の右側第２段目の波形図は上記ビート波形解析のイメージを示しており、取得したビート波形が固定正弦波に対し時間軸上においてずれる様子がわかる。

【0036】

上記ビート波形解析ステップにおいて、固定正弦波に対する上記ビート波形の誤差を掃引時間軸上で解析した結果から波形誤差関数：ｅ（ｘ）を生成する（Ｓ４）。図５の右側第３段目の波形図は上記波形誤差関数：ｅ（ｘ）の例を示しており、時間軸上において、基準値に対し波形誤差が上から下に連続的に生じている様子がわかる。

【0037】

次に、波形誤差が生じないようにするために、波形誤差関数：ｅ（ｘ）に基づき、Ｖ−Ｔテーブルを補正する補正Ｖ−Ｔカーブテーブルを生成する（Ｓ５）。図５の右側最下段の波形図はＶ−Ｔカーブを補正するための補正Ｖ−Ｔカーブを示しており、上記波形誤差関数：ｅ（ｘ）の波形に対応した波形になっている。Ｖ−Ｔカーブを補正する補正Ｖ−Ｔカーブテーブルを生成する部分は、ＤＳＰ１１内に一機能をなす部分として存在している。

【0038】

次に、上記補正Ｖ−Ｔカーブテーブルを適用して補正後Ｖ−Ｔテーブルを生成する（Ｓ６）。図５の左下に示す二つのグラフのうち左側のグラフはＶ−Ｔカーブを示しており、カーブａ１は補正前のＶ−Ｔカーブを、カーブａ２は補正後のＶ−Ｔカーブを示している。上記二つのグラフのうち右側のグラフはＶＣＯ１１から出力されるＦ−Ｔ特性を示しており、カーブｂ１は補正前のＦ−Ｔ特性を、カーブｂ２は補正後のＦ−Ｔ特性を示している。上記ａ２で示す補正後のＶ−Ｔカーブは、上記ステップＳ６で生成される補正後Ｖ−Ｔテーブルの例を示しており、この補正後Ｖ−ＴテーブルをＶＣＯ１１に適用することにより、ＶＣＯ１１からは上記ｂ２で示す直線性を保った補正後Ｆ−Ｔ特性を得ることができる。補正後Ｖ−Ｔカーブテーブルおよびこれを生成する部分は、ＤＳＰ１１内に一機能をなす部分として存在している。

【0039】

以上のようにしてＶＣＯ１１のキャリブレイションが行われ、キャリブレイション後のＶＣＯ１１からは掃引時間に対して周波数が直線的に変化するＦ−Ｔ特性の信号を出力することができる。この直線的に変化するＦ−Ｔ特性の信号を測定対象である液面に向けて放射し、液面からの反射信号を受信して得られる前記ビート信号Ｆ_Ｂは波形に歪みがなく、液面までの距離を精度よく測定することができる。

【0040】

ＶＣＯ１１のキャリブレイションは、固定正弦波信号に対してリアルタイムで行うことができるから、液位測定装置が設置されている環境条件の変化や、経時的なＶＣＯの特性変化などに迅速に対応して、常に高い精度で液位の計測を行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明による測定対象は、液体であればなんでもよいが、特に高精度の液面レベルを計測するアプリケーションに適している。

【符号の説明】

【0042】

１１ ＤＳＰ
１２ メモリ
１３ デジタル・アナログ変換器
１４ ＶＣＯ
１５ 結合回路
１６ スイッチ
２０ 混合器
２１ ＡＧＣ回路
２５ 被測定系
２６ 近端反射部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図7】

【図8】

【図9】

【図6】