特許 5932746 媒質境界の位置計測システム

(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】5932746

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月8日

(54)【発明の名称】媒質境界の位置計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01B 15/00 20060101AFI20160526BHJP

   G01F 23/284 20060101ALI20160526BHJP

【ＦＩ】

   G01B15/00 C

   G01F23/284

【請求項の数】1

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-197758(P2013-197758)

(22)【出願日】2013年9月25日

(65)【公開番号】特開2015-64266(P2015-64266A)

(43)【公開日】2015年4月9日

【審査請求日】2015年5月25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

(73)【特許権者】

【識別番号】513240364

【氏名又は名称】深澤 敦司

(74)【代理人】

【識別番号】100141173

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 啓一

(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】瀧澤 由美

(72)【発明者】

【氏名】深澤 敦司

(72)【発明者】

【氏名】阿部 正治

【審査官】 神谷 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１２−５１３０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５１５０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２１０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２９８０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−８２６８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １５／００−１５／０８

Ｇ０１Ｆ ２３／００

Ｇ０１Ｆ ２３／１４−２３／２９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定物に向けて電波を伝搬する伝搬空間を形成する構造体と、
上記伝搬空間内において電波を送受信する電波送受信装置と、
上記電波送受信装置が受信した電波に基づいて被測定物の位置計測処理を実行する演算装置と、
を有する媒質境界の位置計測システムであって、
上記構造体は、上記伝搬空間に上記電波送受信装置からの位置を検出可能な電波反射体を複数有し、
上記電波送受信装置は、
上記伝搬空間における電波の送受信により得られる上記媒質境界までの上記電波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出部を有し、
上記演算装置は、
上記伝搬時間算出部が算出する上記電波反射体および上記媒質境界に対応する上記電波の伝搬時間を記憶する第１記憶部と、
上記電波反射体のそれぞれの位置に対応する、予め計測された上記電波の伝搬時間を記憶する第２記憶部と、
上記電波反射体のそれぞれと上記電波送受信装置との距離を予め記憶する第３記憶部と、
上記第１記憶部に記憶されている伝搬時間と上記第２記憶部に記憶されている伝搬時間とを比較し、上記第１記憶部に記憶されている伝搬時間のうち、上記第２記憶部に記憶されている伝搬時間の組に属すると推測される第１伝搬時間の組と上記第２記憶部に記憶されている伝搬時間には属さないと推測される第２伝搬時間の組とにグループ分けをするグループ演算部と、
上記グループ演算部における演算処理による２つのグループのうち、上記第２伝搬時間の組に属する伝搬時間のそれぞれに対応する電波伝搬速度を算出する第１速度演算部と、
上記第１速度演算部において算出された複数の電波伝搬速度に対応する距離と上記第３記憶部に記憶されている各距離とを比較し、上記電波反射体により区切られた区間の距離には相当しない区間の電波伝搬速度に基づいて上記媒質境界が存在する区間の電波伝搬速度を算出する第２速度演算部と、
上記第２速度演算部における演算結果に基づいて上記電波送受信装置から上記媒質境界までの距離を算出する媒質境界位置算出部と、
を有することを特徴とする媒質境界の位置計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空間と被測定物との間の境界の位置を、電波の伝搬速度の差に基づいて計測する、媒質境界位置の計測システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

被測定物に向けて電波を送信し、被測定物によって反射された電波を受信し、送信から受信までの経過時間に基づいて、被測定物の位置を計測する計測装置には、様々な方式のものがある。例えば、チャープ方式や、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダー方式などが知られている。

【0003】

ＦＭＣＷレーダー方式は、図４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を掃引しながら測定地点に向けて電波を送信する方式である。この送信される電波の周波数を掃引周波数（Ｆ）という。

【0004】

送信された電波が被測定物で反射されて戻るまでの往復時間をｔとすると、図５に示すように、往復時間ｔが経過する間に、送信周波数はＦ・ｔ／Ｔだけ掃引される。反射波を受信した時点の送信波と反射波を混合したビート信号の周波数（ビート周波数Ｆ_Ｂ）は、送信周波数Ｆ_Ｔと受信周波数Ｆ_Ｒの差となる。

【0005】

往復時間ｔは「ｔ＝（Ｔ／Ｆ）×Ｆ_Ｂ」で定まるから、上記ビート周波数Ｆ_Ｂを知ることができれば、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を算定できる。自由空間における電波の伝搬速度は光速Ｃ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」（式Ａ）により算出することができる。

【0006】

以上説明したＦＭＣＷレーダー方式を用いた従来例の計測装置について説明する。図６は従来のＦＭＣＷデータ方式の測定装置の機能ブロックの例を示している。図６において、ＦＭＣＷレーダー方式の測定装置１００は、ＤＳＰ（デジタル信号処理装置：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｓｅｓｓｏｒ）１０１と、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１０２と、ＶＣＯ（電圧制御発振器）１０３と、結合回路（ＨＹＢ）１０４と、トランスデューサ１０６と、混合器（Ｍｉｘｅｒ）１０７と、自動利得制御回路（ＡＧＣ）１０８と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１０９と、を有してなる。ＤＡＣ１０２とＶＣＯ１０３を含む部分は送信系を構成し、Ｍｉｘｅｒ１０７からＡＤＣ１０９に至る部分は受信系を構成する。

【0007】

ＤＳＰ１０１にはメモリ１１１が内蔵されている。メモリ１１１には、掃引時間Ｔに対するＶＣＯ１０３の発振周波数を決定するデータであって、ＶＣＯ１０３への印加電圧と掃引時間Ｔとの関係を規定する電圧−時間カーブ（Ｖ−Ｔカーブ）が、電圧−時間テーブル（Ｖ−Ｔテーブル）として記憶されている。また、メモリ１１１には、上記にて説明したＦＭＣＷレーダー方式による、距離の測定処理を実行するためのプログラムが記憶されている。

【0008】

ＤＳＰ１０１は、メモリ１１１に記憶されているプログラムに基づいて、Ｖ−Ｔテーブルを読み出す。読み出されたＶ−Ｔテーブルは、ＤＡＣ１０２によって、時間の経過に伴い連続的に変化する電圧値（アナログ信号）に変換される。このアナログ信号がＶＣＯ１０３の制御電圧となる。この制御電圧がＶＣＯ１０３に加えられると、発振される信号の周波数（発振周波数）は、連続的に変化する。この周波数が連続的に変化する発振信号が、ＨＹＢ１０４を経てアンテナであるトランスデューサ１０６において電波に変換される。この電波が測定地点（例えば、液面計であれば液体の液面）に向けて送信される。

【0009】

上記トランスデューサ１０６から測定地点までの間には被測定系３１が介在している。測定地点で反射された電波は被測定系３１を介して上記トランスデューサ１０６でとらえられる。トランデューサ１０６でとらえられた反射波は受信信号に変換されて、ＨＹＢ１０４を経て受信系に導かれる。受信系では、Ｍｉｘｅｒ１０７において、受信信号と、この受信信号を受信した時刻の発振信号が混合される。受信信号と送信信号の混合によって、受信周波数と送信周波数の差の周波数によるビート信号が生成される。このビート信号がＡＧＣ１０８に入力される。このビート信号の周波数をビート周波数Ｆ_Ｂという。

【0010】

ビート信号は、ＡＧＣ１０８で適宜の振幅値に制御されたのち、ＡＤＣ１０９でデジタル信号に変換されて、振幅値としてＤＳＰ１０１に入力される。ＤＳＰ１０１では、Ｖ−Ｔデータの読み出しからビート信号の振幅値を取込む処理を、掃引時間（Ｔ）の間実行する。この掃引時間（Ｔ）の間に取り込まれた時間軸データであるビート信号振幅値群に対して、フィルタリング処理を行ない不要なノイズ成分を除去した後に、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理が行なわれて、ビート周波数Ｆ_Ｂが抽出される。

【0011】

メモリ１１１に記憶されているプログラムは、抽出されたビート周波数Ｆ_Ｂを用いて、上記式Ａによる算定処理を実行して、測定地点までの距離Ｌを算定する。

【0012】

以上説明したＦＭＣＷレーダー方式の計測装置は、タンクに備蓄されている液体の液位測定などに用いられる。その例を図７に示す。図７において、計測装置１００ａはタンク４００ａの天板上に設置されている。タンク４００ａは液体４０１ａを備蓄するものである。タンク４００ａの上部には、アンテナであるトランスデューサ１０６ａが、タンク４００ａの天板から液体４０１ａの液面に向けて設置されている。トランスデューサ１０６ａから液体４０１ａに向けて送信される電波は、タンク４００ａ内を光速Ｃで伝搬し、液体４０１ａの液面で反射されて、トランスデューサ１０６ａで受信される。

【0013】

図７に示すように、タンク４００ａ内の空間に向けて電波を送信すると、液体４０１ａの誘電率が低いときは、液面での電波の反射レベルが低く、液面位の測定精度が低下する。これを解消するために、図８に示すように、計測装置１００をタンク４００の天板上に設置し、円筒形状の円形導波管３００を、タンク４００の天板から底に向けて設置する。この円形導波管３００内に向けてアンテナであるトランスデューサ１０６から電波を送信し、液体４００の液面で反射してくる反射波をトランスデューサ１０６で受信する。なお、円形導波管３００内には液体４０１が進入することができ、タンク４００内の液体レベルと円形導波管３００内の液体レベルが一致するようになっている。

【0014】

ここで計測装置１００の機能構成について説明する。図６は、計測装置１００の機能構成の例を示すブロック図である。計測装置１００は、ＦＭＣＷレーダー方式の計測装置であって、この計測装置１００と円形導波管３００の上端との間にはトランスデューサ１０６が介在している。トランスデューサ１０６は、上記計測装置１００から出力される高周波信号を電波に変換して円形導波管３００内に放射する送信アンテナとして、また、液体４０１の液面で反射した電波を受信する受信アンテナとして機能する。

【0015】

計測装置１００は、例えば１０ＧＨｚ帯の電波を使用する。上記天板面から液体４０１の面までの距離をＬとし、円形導波管３００の内径をｄとする。Ｆ_Ｔは計測装置１００から液面に向かって円形導波管３００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円形導波管３００内を計測装置１００に向かって戻る電波の周波数を示している。

【0016】

計測装置１００によって距離Ｌを算定するには、送信される電波および反射波の速度が明らかでなければならない。図７に示した例において、空間での電波の伝搬速度は光速Ｃと同一であることが知られている。これに対して図８のように、円形導波管３００を用いたときは、送信波の波長をλ_０とすると、円形導波管３００内における電波の波長λ_ｇεは、「ε_r×(λ_０／（ε_r−（λ_０／（Ｋ_ｍｎ×ｄ））²)^1/2)」により求められることが知られている。ここで、円形導波管３００の内径をｄ、円形導波管３００内の伝搬モードの係数をＫｍｎ、円形導波管３００内（伝搬路）の比誘電率εrとする。

【0017】

一般に円形導波管３００内の電波伝搬係数Ｋｍｎは知られている。空気中の比誘電率は１であるから、円形導波管３００の内径ｄを決定することで、円形導波管３００内における管内の波長λ_ｇεが算出される。これを用いることで、電波の速度ｖ_ｇは「（λ_０／λ_ｇ）×Ｃ」により算出される。

【0018】

しかし、タンク４００内の液体４０１の液面からタンク４０の天井面までの空間には、液体４０１の蒸発気体が充満していて、測定地点に至る伝搬空間中（液面上方）に滞留したガスの成分や、伝搬空間中の温度および圧力の影響を受けて比誘電率が変化する場合には、比誘電率を求めなければ、円形導波管３００内の波長λ_ｇεを決定することができない。

【0019】

タンク４００内のガスの成分や温度および圧力が予め判明しているならば、それに応じた誘電率を計測装置１０に予め設定し、正確な電波の速度を用いて距離Ｌを算定することができる。しかし、滞留ガスの成分や、測定時の温度、圧力などは状況によって変化するものであり、これらを正確に測定しなければ、正確な誘電率に基づく距離Ｌの算定をすることはできない。

【0020】

上記課題に対し、円形導波管内の誘電率が所定の数値範囲に収まることを前提として、液面上方に滞留ガスがあっても、精度よく液位の測定をすることができる液面計測システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】特許第４６９５３９４号明細書

【0022】

特許文献１の液面計測システムは、液面上の正確なガス成分の状況や圧力に係る情報がなくても、前提にした比誘電率の変動範囲による測定結果が、測定誤差の許容範囲内であれば有効である。

【0023】

しかし、特許文献１の液面計測システムでは、媒質の境界面（液面）における電磁波の反射率が小さい場合には、反射波の振幅が雑音に比べて充分には大きくないために不確定な反射波を利用して計測することになる。そうすると、液面の位置を確実に計測することはできない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0024】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、反射波の振幅の大きさに依存することなく、正確に媒質境界の位置を計測することができる媒質境界位置計測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0025】

本発明は、被測定物に向けて電波を伝搬する伝搬空間を形成する構造体と、上記伝搬空間内において電波を送受信する電波送受信装置と、上記電波送受信装置が受信した電波に基づいて被測定物の位置計測処理を実行する演算装置と、を有する媒質境界の位置計測システムであって、上記構造体は、上記伝搬空間に上記電波送受信装置からの位置を検出可能な電波反射体を複数有し、上記電波送受信装置は、上記伝搬空間における電波の送受信により得られる上記媒質境界までの上記電波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出部を有し、上記演算装置は、上記伝搬時間算出部が算出する上記電波反射体および上記媒質境界に対応する上記電波の伝搬時間を記憶する第１記憶部と、上記電波反射体のそれぞれの位置に対応する、予め計測された上記電波の伝搬時間を記憶する第２記憶部と、上記電波反射体のそれぞれと上記電波送受信装置との距離を予め記憶する第３記憶部と、上記第１記憶部に記憶されている伝搬時間と上記第２記憶部に記憶されている伝搬時間とを比較し、上記第１記憶部に記憶されている伝搬時間のうち、上記第２記憶部に記憶されている伝搬時間の組に属すると推測される第１伝搬時間の組と上記第２記憶部に記憶されている伝搬時間には属さないと推測される第２伝搬時間の組とにグループ分けをするグループ演算部と、上記グループ演算部における演算処理による２つのグループのうち、上記第２伝搬時間の組に属する各伝搬時間のそれぞれに対応する電波伝搬速度を算出する第１速度演算部と、上記第１速度演算部において算出された複数の電波伝搬速度に対応する距離と上記第３記憶部に記憶されている各距離とを比較し、上記電波反射体により区切られた区間の距離には相当しない区間の電波伝搬速度に基づいて上記媒質境界が存在する区間の電波伝搬速度を算出する第２速度演算部と、上記第２速度演算部における演算結果に基づいて上記電波送受信装置から上記媒質境界までの距離を算出する媒質境界位置算出部と、を有することを主な特徴とする。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、反射波の振幅の大きさに依存することなく、正確に媒質境界の位置を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明に係る媒質境界位置計測システムの実施形態を示す構成図である。

【図2】上記媒質境界位置計測システムが備える導波管を横方向に描いた概略図である。

【図3】上記媒質境界位置計測システムの機能構成を示すブロック図である。

【図4】従来のレーダー式液面計測装置であるＦＭＣＷレーダー方式による周波数掃引の例を示すグラフである。

【図5】ＦＭＣＷレーダー方式の周波数掃引による距離計測の原理を示すグラフである。

【図6】従来のＦＭＣＷレーダー方式の測定装置の例を示すブロック図である。

【図7】従来のＦＭＣＷレーダー方式の測定装置の設置例を示す図である。

【図8】従来のＦＭＣＷレーダー方式の測定装置の別の設置例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明にかかる媒質境界の位置計測システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の実施例を図１に示す。図１は、本実施形態に係る媒質境界の位置計測システムの例である計測システム１を示す構成図である。

【0029】

図１に示すように計測システム１は、電波送受信装置１０と、構造体である導波管２と、図示しない演算手段と、を有してなる。演算手段については、後述する。

【0030】

電波送受信装置１０は、被測定物である液体３１が貯蓄されるタンク３の天板上に設置されている。この電波送受信装置１０からタンク３の内部に向かって、導波管２が設置されている。

【0031】

導波管２の内部空間には、電波反射手段である基準ピン２１が複数接地されている。計測システム１は、電波送受信装置１０からの基準ピン２１の位置を検出可能であって、さらに、実際の位置と計測位置との誤差を較正可能とする。基準ピン２１は、導波管２内の伝搬空間を適当な数の区間に分割するものである。基準ピン２１の設置位置は、電波送受信装置１０からの距離によって決まる。予め、この距離を正確に測った上で、各基準ピン２１を設置する。設置された各基準ピン２１における電波送受信装置１０からの距離は、図示しない演算手段の記憶部に記憶しておく。

【0032】

ここで、計測システム１における媒質境界位置の計測原理について説明する。計測システム１は、被測定物である液体３１に向けて照射されたマイクロ波の反射波ではなく、透過波の被測定物（媒質）内における伝搬速度を計測する。計測された伝搬速度に基づいて、被測定物と伝搬空間との境界位置を計測することができる。計測システム１は、媒質境界における反射波の振幅の大きさに依存することなく、媒質境界の位置を正確に計測することができる。

【0033】

そのために、導波管２の内部空間（電波の全伝搬空間）を、適当な数の区間に分割しておく。各区間内における電波の伝搬時間を計測結果に応じて算出し、これに基づいて媒質境界の位置を算出するものである。

【0034】

導波管２に形成されている各区間は、媒質境界が含まれる区間もあるし、液体３１のみの区間もある。もちろん、空気のみの区間もある。

【0035】

媒質境界を含む区間において電波の伝搬時間は、気体中（伝搬空間内）の伝搬速度と液体３１中（被測定物内）の伝搬速度の距離配分で決まる。一方、媒質境界を含まない区間では、各々の速度のみで伝搬時間が決まる。この伝搬時間の違いを算出することで、媒質境界の正確な位置を演算により計測することができる。

【0036】

具体的には、基準ピン２１により区間が分割された伝搬空間において、各区間における透過伝搬波を反射させて、この反射波を計測する。この反射波に基づいて、各区間における透過伝搬速度を算出する。

【0037】

このように、本実施形態に係る計測システム１は、透過波の持つ情報（伝搬速度、伝搬時間等）から導波管２内に設置される基準ピン２１の位置を算出する。例えば、導波管２の内部空間である伝搬区間内に基準ピン２１を５か所設置した例を用いて、計測システム１による媒質境界の計測方法について説明する。図２は、導波管２を横方向に描いた概略図である。図２紙面左側が電波送受信装置１０であって、図２紙面右側がタンク３の底面である。

【0038】

図２に示す導波管２は、内部の伝搬区間を６区間に分割したものの例である。なお、各基準ピン２１の位置は既知であるものとする。液面位置Ｐ_Ｒが、媒質境界の位置である。まず、液面位置Ｐ_Ｒが属する区間を判定し（第１ステップ）、次に、この区間内における液面位置Ｐ_Ｒを計算によって算出する（第２ステップ）。

【0039】

●第１ステップ
図２に示すように、５本の基準ピン２１とタンク３の底面によって伝搬空間は、ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_６の６区間に分割される。各区間における電波伝搬時間（Ｔ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_６）は、漸化式により以下の式（１）、式（２）によって表される。

【0040】

式（１）及び式（２）において、ｃ（ｘ_１），ｃ（ｘ_２），…，ｃ（ｘ_６）は、各区間における区間内平均伝搬速度とする。

【0041】

上記の式（１）及び式（２）に基づいて、各区間内平均速度ｃ（ｘ_ｎ）は以下の式（３）及び式（４）により得られる。

【0042】

一例として６区間の中のいずれかの区間に境界面（液面）が存在する場合について説明する。

【0043】

液面が存在する区間の前後では、区間内平均速度ｃ（ｘ_ｎ）が隣接区間と比べて大きく変化する。

【0044】

したがって、液面存在区間ｎは、以下の式（５）によって求めることできる。なお、式（５）において、ｃ（ｘ０）は、空気中の伝搬速度とする。

【0045】

以上説明した演算処理を、全ての区間において実行する。その中でｅ_ｎが最大となった区間が、液面位置Ｐ_Ｒの属する区間である。すなわち、上記の演算によりｅ_ｎの判定が行われるとき、液面位置Ｐ_ＲはＰ_ｎ−１とＰ_ｎとの間にある。

【0046】

●第２ステップ
基準面である電波送受信装置１０のアンテナ面から、液面位置Ｐ_Ｒまでの距離をＸ_Ｒとする。また、ピンｐ_ｎ−１までの距離をＸ_ｎ−１等とする。Ｘ_Ｒは、以下の式（６）、式（７）、式（８）によって表わされる。ここで、ガス中および液中速度としてガス側および液側の隣接区間の値を代用する。

【0047】

【0048】

なお、液面位置Ｐ_Ｒが基準ピン２１の区間外にあるときであって、第１基準ピンＰ_１よりも上にあるときには、以下の式（９）を用いてδ_１を算出すればよい。算出されたδ_１を上記の式（６）に用いて、液面位置Ｐ_Ｒまでの距離Ｘ_Ｒを算出すればよい。なお、ｃ_Ｇ（ｘ_１）は、空気中の速度を代用すればよい。

【0049】

また、液面位置Ｐ_Ｒが基準ピン２１の区間外にある場合であって、第５基準ピンＰ_５と第６基準ピンに相当するタンク３の底面との間にあるときには、以下の式（１０）を用いてδ_６を算出すればよい。算出されたδ_６を上記の式（６）を用いて、液面位置Ｐ_Ｒまでの距離Ｘ_Ｒを算出すればよい。なお、ｃ_Ｌ（ｘ_６）は、液体中の平均速度を代用すればよい。

【0050】

次に、本実施形態に係る計測システム１の動作について説明する。図３は、計測システム１の機能構成を示すブロック図である。図３に示す計測システム１は、大きく３つの部分からなる。すなわち、計測システム１は、電波送受信装置１０と、導波管２と、演算装置４０と、を有してなる。

【0051】

電波送受信装置１０は、従来から知られているチャープ方式によるものであるから、電波送受信装置１０の詳細な構成については、説明を省略する。本実施形態に係る計測システム１は、電波送受信装置１０に導波管２と演算装置４０とを付加することで、媒質境界の計測方法を実行することができる。

【0052】

電波送受信装置１０が備えるＴＲＸ１１から送信された電波は、導波管２の内部空間を伝搬して、液面位置Ｐ_Ｒにおいて反射される。反射波は、ＴＲＸ１１の受信ミキサーにおいて周波数変換される。その後、ＬＰＦ１２を経由し、スペクトル推定部１３と伝搬時間算出部１４によって、受信した周波数における伝搬時間が算出される。この伝搬時間を用いて、液面位置Ｐ_Ｒまでの距離が算出される。なお、算出された液面位置Ｐ_Ｒの距離は、表示部に表示される。

【0053】

電波送受信装置１０と演算装置４０は、演算装置４０が備える第１記憶部４１を介して接続される。なお、第１記憶部４１を介することなく、電波送受信装置１０において算出された上記の伝搬時間がグループ演算部４４に通知されてもよい。

【0054】

第１記憶部４１には、電波送受信装置１０において算出された伝搬時間Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、・・・が、時系列に沿って記憶される。

【0055】

演算装置４０は、電波送受信装置１０の動作制御を行う図示しない制御部と、被測定物の位置計測処理を実行する演算処理部と、を有してなる。

【0056】

演算装置４０が備える第２記憶部４２には、各基準ピン２１に対する伝搬時間が、予め計測されて記憶されている。なお、第２記憶部４２に記憶される伝搬時間は、導波管２内の伝搬空間が空気である場合における伝搬時間系列Ｔ_ｋ^Ｇ（ｋ＝１，…，Ｎ）と、液体で満たされている場合における伝搬時間系列Ｔ_ｋ^Ｌ（ｋ＝１，…，Ｎ）との対によって構成される伝搬時間系列である。

【0057】

グループ演算部４４は、第１記憶部４１に記憶されている各伝搬時間と、第２記憶部４２に記憶されている各基準ピン２１対する伝搬時間とを比較する演算処理を行う。このグループ演算部４４おける演算処理によって、第１記憶部４１に記憶されている各伝搬時間は２つのグループに分けられる。すなわち、基準ピン２１によって反射されたであろう電波による第１伝搬時間の組（第１伝搬時間系列Ｔ_ｋ）と、それには属さない第２伝搬時間の組（第２伝搬時間Ｔ_ｎ）に、グループ分けがされる。

【0058】

ここで、第１伝搬時間系列データＴ_ｋは、伝搬路が全てガスで充填されているときの時間系列データ（Ｔ_ｋ^Ｇ）と、全て媒質で充填されているときの時間系列データ（Ｔ_ｋ^Ｌ）からなる。このＴ_ｋ^ＧとＴ_ｋ^Ｌは前もって実験より事前に記録し、第２記憶部４２に保存しておくものとする。

【0059】

次に、第１速度演算部４５において、基準ピン２１によって反射された電波の伝搬時間には属さない第２伝搬時間の組（Ｔ_ｎ）を用いて、電波伝搬速度を算出する演算処理を実行する。すなわち、第２伝搬時間の組（Ｔ_ｎ）における各伝搬時間に基づく電波伝搬速度を算出する。

【0060】

第１速度演算部４５において算出された各伝搬時間に対応する電波伝搬速度から逆算をして、各伝搬時間に応じた距離を算出する。この算出された各距離と、第３記憶部４３に予め記憶されている各基準ピン２１までの距離とを比較して、基準ピン２１の間の各区間の距離には相当しない区間の速度ｃ_ｎを、第２速度演算部４６に通知する。

【0061】

第２速度演算部４６は、通知された距離に基づいて、上記式（７）から式（１０）に基づく演算処理を実行し、δ_ｎを算出する。

【0062】

この算出されたδ_ｎを用いて、媒質境界位置算出部４７において、上記式（６）に基づく演算処理を実行し、媒質境界位置Ｘ_ｎを算出し、その結果をディスプレイに出力する。

【0063】

このように、本実施形態に係る計測システム１は、電波が電波反射手段２１に至るまでの第１伝搬時間系列Ｔ_ｋ(ｋ＝１，２，…，Ｎ)と、媒質境界面に至るまでの第２伝搬時間Ｔ_nと、を計測する伝搬時間計測手段を用いて、被測定物と上記伝搬空間との媒質境界の位置を計測することが出来る。

【0064】

なお、媒質境界の存在区間の判定処理は、上記の式（５）を用いなくてもよい。この場合、第２記憶部４２に記憶されている伝搬時間（Ｔ_１〜Ｔ_６）により、基準ピン２１によって形成される区間の伝搬時間を算出する。この算出された区間伝搬時間と、各基準ピン２１間の距離とを用いることで、各区間における伝搬速度を算出することができる。算出された各区間の伝搬速度において、隣接区間との差が大きい区間を、媒質境界が存在する区間ｎとして決定してもよい。

【0065】

なお、媒質境界が存在する区間の判定に用いる演算処理は、上記した式（５）を用いた演算処理でもよい。

【0066】

また、媒質境界が存在する区間の判定は、上記に示したいずれかの判定処理によって行い、さらに媒質境界の検出精度を高めるために、反射の振幅情報を用いてもよい。

【0067】

この場合、図３に示したスペクトル推定部１３から、反射波の各周波数に関する振幅情報が振幅情報付加部４８に対して通知される。振幅情報付加部４８は、各周波数における振幅情報を算出する。振幅情報付加部４８において算出された振幅情報群は、グループ演算部４４に通知される。この振幅情報群を加味して、グループ演算部４４における比較演算処理に用いることで、媒質の境界検出精度を高めることができる。

【0068】

以上説明した計測システム１によれば、被測定対象や伝搬空間の状況等により、電波の反射率が小さく、反射波の振幅が安定しない場合であっても、媒質の境界を正確に計測することができる。

【0069】

また、上説明した計測システム１においては、導波管内の電波反射手段として基準ピン２１を用いているが、反射手段としては特定の形状および材質に限定されず、同様の効果を得ることができる。

【0070】

第２の実施例として、第１の実施例の媒質境界面を含む区間ｎの判定において、原理の式（５）を用いることができる。この場合には第２記憶部４２を不要である。

【符号の説明】

【0071】

１ 計測システム
２ 導波管
１０ 電波送受信装置
４０ 演算装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】