JP2001056244A - 超音波流量計 - Google Patents
超音波流量計Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】自動車の排気ガスなどの脈動と流動状態の急激
な変化を伴う流体の流量を追随性良く検出できる簡易・
安価な構成の超音波流量計を提供する。 【解決手段】本発明の超音波流量計は、流体中に流れの
方向とその逆方向とに超音波を伝播させ、トランスジュ
ーサの対（ T11,T12 ; T21,T22 )の間における両方向へ
の伝播所要時間を測定し、これらの測定超音波から流体
の流量や流速を算定するように構成されている。そし
て、上記トランスジューサの対は、対間を連結する線分
が測定しようとする流体の流れの方向に対して４５°よ
りも小さな、かつ好適には１５°よりも大きな交差角(
θ )を保つように配置される。
な変化を伴う流体の流量を追随性良く検出できる簡易・
安価な構成の超音波流量計を提供する。 【解決手段】本発明の超音波流量計は、流体中に流れの
方向とその逆方向とに超音波を伝播させ、トランスジュ
ーサの対（ T11,T12 ; T21,T22 )の間における両方向へ
の伝播所要時間を測定し、これらの測定超音波から流体
の流量や流速を算定するように構成されている。そし
て、上記トランスジューサの対は、対間を連結する線分
が測定しようとする流体の流れの方向に対して４５°よ
りも小さな、かつ好適には１５°よりも大きな交差角(
θ )を保つように配置される。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は超音波流量計に関す
るものであり、特に、自動車の排気ガスなどの脈動を伴
う流体の計測に適した超音波流量計に関するものであ
る。
るものであり、特に、自動車の排気ガスなどの脈動を伴
う流体の計測に適した超音波流量計に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、流体の流量や流速を測定する計器
として、超音波流量計が広く使用されている。この超音
波流量計は、流体中に超音波を伝播させ、この超音波が
トランスジューサの対で流れの方向とその逆方向とに伝
播するのに要した伝播所要時間を測定し、これらの測定
値からこの流体の流量や流速を算定するように構成され
ている。
として、超音波流量計が広く使用されている。この超音
波流量計は、流体中に超音波を伝播させ、この超音波が
トランスジューサの対で流れの方向とその逆方向とに伝
播するのに要した伝播所要時間を測定し、これらの測定
値からこの流体の流量や流速を算定するように構成され
ている。
【０００３】従来、この種の超音波流量計は、化学製品
や醸造製品や半導体装置の製造プロセス内の処理液や反
応ガスなどの流量や、屋外の風速や、クリーンルームな
どの屋内の微小な風速などの測定に利用されてきた。最
近、環境汚染に対する規制の強化に伴い、自動車からの
排気ガスの流量の検出が必要とされている。このような
排気ガスの流量の測定に超音波流量計を使用する際に問
題となるのは、排気ガスにエンジンの回転に起因する脈
動が伴う点である。
や醸造製品や半導体装置の製造プロセス内の処理液や反
応ガスなどの流量や、屋外の風速や、クリーンルームな
どの屋内の微小な風速などの測定に利用されてきた。最
近、環境汚染に対する規制の強化に伴い、自動車からの
排気ガスの流量の検出が必要とされている。このような
排気ガスの流量の測定に超音波流量計を使用する際に問
題となるのは、排気ガスにエンジンの回転に起因する脈
動が伴う点である。
【０００４】一般に、超音波による流速の測定は、流速
が一定の定常流の場合についても、雑音などの影響を除
くために一定の周期で多数回反復され、その平均値が測
定値として算定される。従って、流速が脈動を伴う場
合、平均化された流速を得るために、さらに多数回の測
定を反復する必要がある。この結果、１回の測定値、す
なわち、多数回の測定結果の平均値を算定するまでにか
なりの時間がかかる。このため、急停止、急発進など走
行状態の急激な態変化を伴って流量が急激に変化する自
動車の排気ガスについて、その時々刻々の流量を追随性
良く測定することが困難になる。
が一定の定常流の場合についても、雑音などの影響を除
くために一定の周期で多数回反復され、その平均値が測
定値として算定される。従って、流速が脈動を伴う場
合、平均化された流速を得るために、さらに多数回の測
定を反復する必要がある。この結果、１回の測定値、す
なわち、多数回の測定結果の平均値を算定するまでにか
なりの時間がかかる。このため、急停止、急発進など走
行状態の急激な態変化を伴って流量が急激に変化する自
動車の排気ガスについて、その時々刻々の流量を追随性
良く測定することが困難になる。
【０００５】本出願人の先願に係わる、特願平１０ー２
３１１９０号には、圧力センサなどを使用して脈動の状
態を検出し、この脈動の状態がほぼ同一の時点で流速を
反復して測定することにより反復回数を減らして、追随
性を高めようとする超音波流量計が開示されている。
３１１９０号には、圧力センサなどを使用して脈動の状
態を検出し、この脈動の状態がほぼ同一の時点で流速を
反復して測定することにより反復回数を減らして、追随
性を高めようとする超音波流量計が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記先願の超音波流量
計は、追随性を高める上では有効であるが、圧力センサ
などの脈動検出手段と、これに関連した処理を追加しな
ければならず、装置の構成と処理とが多少複雑になると
いう問題がある。従って、本発明の目的は、圧力センサ
などの脈動検出手段を追加することなく、追随性を向上
できる超音波流量計を提供することにある。
計は、追随性を高める上では有効であるが、圧力センサ
などの脈動検出手段と、これに関連した処理を追加しな
ければならず、装置の構成と処理とが多少複雑になると
いう問題がある。従って、本発明の目的は、圧力センサ
などの脈動検出手段を追加することなく、追随性を向上
できる超音波流量計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明の超音波流量計は、流体中に流れの方向と
その逆方向とに超音波を伝播させ、トランスジューサの
対の間における前記両方向への伝播所要時間を測定し、
これらの測定値からこの流体の流量又は流速を算定する
ように構成されている。そして、この超音波流量計は、
測定対象の流体は流速の脈動を伴う気体であり、上記ト
ランスジューサの対は対間を連結する線分が測定しよう
とする流体の流れの方向と４５度よりも小さな角度を保
つように配置されている。
決する本発明の超音波流量計は、流体中に流れの方向と
その逆方向とに超音波を伝播させ、トランスジューサの
対の間における前記両方向への伝播所要時間を測定し、
これらの測定値からこの流体の流量又は流速を算定する
ように構成されている。そして、この超音波流量計は、
測定対象の流体は流速の脈動を伴う気体であり、上記ト
ランスジューサの対は対間を連結する線分が測定しよう
とする流体の流れの方向と４５度よりも小さな角度を保
つように配置されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、上記交差角度は１５°よりも大きな値に設定されて
いる。
ば、上記交差角度は１５°よりも大きな値に設定されて
いる。
【０００９】本発明の他の好適な実施の形態によれば、
トランスジューサの対の交差角度の設定誤差に基づく測
定誤差を補正するための手段を備えている。
トランスジューサの対の交差角度の設定誤差に基づく測
定誤差を補正するための手段を備えている。
【００１０】本発明の更に他の好適な実施の形態によれ
ば、流速の脈動を伴う気体は、自動車の排気ガスであ
り、上記トランスジューサの対はその対間を連結する線
分が異なる空間に配置されるように複数設置され、各ト
ランスジューサの対による測定値を平均化した値が空間
的に平均化された測定値とされることにより、脈動の影
響が一層軽減されるように構成されている。
ば、流速の脈動を伴う気体は、自動車の排気ガスであ
り、上記トランスジューサの対はその対間を連結する線
分が異なる空間に配置されるように複数設置され、各ト
ランスジューサの対による測定値を平均化した値が空間
的に平均化された測定値とされることにより、脈動の影
響が一層軽減されるように構成されている。
【００１１】
【本発明の原理】本発明の実施例を説明するのに先立っ
て、まず、本発明の原理を説明する。通常、この種の超
音波流量計において超音波の送受信を行うトランスジュ
ーサの対は、管路によって囲まれる流路の外部に取付け
られる。これは、測定対象の流体内部にトランスジュー
サの対を設置する場合に生ずる種々の問題点、例えば、
流体内の流速分布への影響や、流体に対する汚染や、流
体が強い腐食性を持っていたり排気ガスのように高温で
ある場合などはトランスジューサの保護が困難になるな
どの問題点の発生を回避するためである。
て、まず、本発明の原理を説明する。通常、この種の超
音波流量計において超音波の送受信を行うトランスジュ
ーサの対は、管路によって囲まれる流路の外部に取付け
られる。これは、測定対象の流体内部にトランスジュー
サの対を設置する場合に生ずる種々の問題点、例えば、
流体内の流速分布への影響や、流体に対する汚染や、流
体が強い腐食性を持っていたり排気ガスのように高温で
ある場合などはトランスジューサの保護が困難になるな
どの問題点の発生を回避するためである。
【００１２】そして、流路の外部にトランスジューサの
対を設置する場合、超音波の伝播速度のうち流速と平行
な成分が有限値となるように、すなわち、トランスジュ
ーサ対を連結する線分が流体の流れの方向と直交しない
ように、図３に示すように、管路Ｐに傾けて設置され
る。対間を連結する線分Ｓと管路Ｐの中心軸Ｚとのなす
交差角度が一定値θに設定され、流体の流速Ｖのうち超
音波の伝播速度Ｃと平行な成分がＶ cosθに設定され
る。
対を設置する場合、超音波の伝播速度のうち流速と平行
な成分が有限値となるように、すなわち、トランスジュ
ーサ対を連結する線分が流体の流れの方向と直交しない
ように、図３に示すように、管路Ｐに傾けて設置され
る。対間を連結する線分Ｓと管路Ｐの中心軸Ｚとのなす
交差角度が一定値θに設定され、流体の流速Ｖのうち超
音波の伝播速度Ｃと平行な成分がＶ cosθに設定され
る。
【００１３】そして、超音波が流れの下流に伝播したと
きの伝播所要時間をｔ1 とおき、流れと逆の上流に伝播
したときの伝播所要時間をｔ2 とおくと、 ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ cosθ） ・・・(1) ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ cosθ） ・・・(2) を得る。ただし、Ｌはトランスジューサの対間の距離、
すなわち超音波の伝播路長である。そして、(1) 式と
(2) 式とから音速Ｃを消去することにより流速Ｖが算定
される。
きの伝播所要時間をｔ1 とおき、流れと逆の上流に伝播
したときの伝播所要時間をｔ2 とおくと、 ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ cosθ） ・・・(1) ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ cosθ） ・・・(2) を得る。ただし、Ｌはトランスジューサの対間の距離、
すなわち超音波の伝播路長である。そして、(1) 式と
(2) 式とから音速Ｃを消去することにより流速Ｖが算定
される。
【００１４】従来、上記交差角度θに関しては、トラン
スジューサの管路への取付け誤差に基づく測定精度の低
下を考慮した最適値として、４５°の値が選択されてき
た。これは、トランスジューサ対の管路への取付け角度
に誤差が生ずると、超音波の伝播路長に誤差が生じ、こ
の誤差を含む伝播路長に基づいて算定した流速に誤差が
生じるからである。
スジューサの管路への取付け誤差に基づく測定精度の低
下を考慮した最適値として、４５°の値が選択されてき
た。これは、トランスジューサ対の管路への取付け角度
に誤差が生ずると、超音波の伝播路長に誤差が生じ、こ
の誤差を含む伝播路長に基づいて算定した流速に誤差が
生じるからである。
【００１５】すなわち、図３において管路Ｐの内径をＤ
とおくと、超音波の伝播路長Ｌは、 Ｌ＝Ｄ／（２ sinθ）＋δＬ ・・・(3) となる。ただし、δＬは超音波の伝播路のうち管路Ｐの
外部に存在する部分の長さである。実際の取付け角度が
目標値のまわりに±δθだけずれると、 Ｌ' ＝Ｄ／〔２ sin（θ±δθ）〕＋δＬ ・・・(4) となる。
とおくと、超音波の伝播路長Ｌは、 Ｌ＝Ｄ／（２ sinθ）＋δＬ ・・・(3) となる。ただし、δＬは超音波の伝播路のうち管路Ｐの
外部に存在する部分の長さである。実際の取付け角度が
目標値のまわりに±δθだけずれると、 Ｌ' ＝Ｄ／〔２ sin（θ±δθ）〕＋δＬ ・・・(4) となる。
【００１６】取付け角度θの目標値として15°，30°，
45°，60°の４種類を選択し、それぞれの目標値に±δ
θの取付け角度の誤差が生じた場合の伝播路長の比Ｌ'
／Ｌを算定すると、図４に示すようなものとなる。取付
け角度の目標値が45°の場合に、伝播路長の比Ｌ' ／Ｌ
の値が1.0 に最も近く、従って、算定値に含まれる誤差
が最小となることが分かる。そして、この目標値が45°
の場合には、取付け角度の誤差が±５°程度であれば、
要求される精度によっては、測定値に対する補正を省略
することもできる。
45°，60°の４種類を選択し、それぞれの目標値に±δ
θの取付け角度の誤差が生じた場合の伝播路長の比Ｌ'
／Ｌを算定すると、図４に示すようなものとなる。取付
け角度の目標値が45°の場合に、伝播路長の比Ｌ' ／Ｌ
の値が1.0 に最も近く、従って、算定値に含まれる誤差
が最小となることが分かる。そして、この目標値が45°
の場合には、取付け角度の誤差が±５°程度であれば、
要求される精度によっては、測定値に対する補正を省略
することもできる。
【００１７】一方、測定対象の流体が自動車のエンジン
から排出される排気ガスの場合のように、流体中に流速
の脈動が存在する場合を考える。この脈動の波長λに比
べて超音波の伝播経路長Ｌを十分大きな値に設定すれ
ば、すなわち、Ｌ≫λに設定すれば、超音波が流体中の
高速の箇所や低速の箇所をまんべんなく通過することに
なる。従って、この場合、脈動を有する流体の流速を空
間的な平均した空間平均値が検出されることになる。
から排出される排気ガスの場合のように、流体中に流速
の脈動が存在する場合を考える。この脈動の波長λに比
べて超音波の伝播経路長Ｌを十分大きな値に設定すれ
ば、すなわち、Ｌ≫λに設定すれば、超音波が流体中の
高速の箇所や低速の箇所をまんべんなく通過することに
なる。従って、この場合、脈動を有する流体の流速を空
間的な平均した空間平均値が検出されることになる。
【００１８】流路に沿ってｚ軸を設定し、波長λの脈動
を有する流体の流速Ｖの変動分δｖを次式で与える。 δｖ＝δｖo sin（２πｚ／λ） ・・・(1) この脈動を有する流体の流速の変動分δｖを座標ｚ' を
中心とする有限長ｄにわたって平均化すると、次式を得
る。
を有する流体の流速Ｖの変動分δｖを次式で与える。 δｖ＝δｖo sin（２πｚ／λ） ・・・(1) この脈動を有する流体の流速の変動分δｖを座標ｚ' を
中心とする有限長ｄにわたって平均化すると、次式を得
る。
【００１９】 δｖ' ＝（１／ｄ）z'-d/2∫z'+d/2δｖｄｚ ＝〔λ／（πｄ）〕 sin（πｄ／λ）・δｖo sin（２πｚ' ／λ） ＝ｋ・δｖo sin（２πｚ' ／λ） ・・・(2) ｋ＝〔λ／（πｄ）〕 sin（πｄ／λ） ・・・(3) ただし、（２）式中の演算記号 z'-d/2∫z'+d/2 δｖ
ｄｚは、流体の流速の変動分δｖをｚ' −ｄ／２から
ｚ' ＋ｄ／２までにわたって積分することを意味してい
る。
ｄｚは、流体の流速の変動分δｖをｚ' −ｄ／２から
ｚ' ＋ｄ／２までにわたって積分することを意味してい
る。
【００２０】（３）式のｋは、脈動の振幅の空間的平均
化による低減の度合いを示す係数である。この脈動低減
係数ｋを図５に示す。図５を参照すると、λ／ｄ＝１、
すなわち、脈動のちょうど１波長にわたって空間的平均
化を行えば、ｋ＝０となり、脈動の影響はゼロになる。
これは、大きな流速の箇所と小さな流速の箇所が空間的
に平均化されて脈動が存在しない場合と同一になるため
である。
化による低減の度合いを示す係数である。この脈動低減
係数ｋを図５に示す。図５を参照すると、λ／ｄ＝１、
すなわち、脈動のちょうど１波長にわたって空間的平均
化を行えば、ｋ＝０となり、脈動の影響はゼロになる。
これは、大きな流速の箇所と小さな流速の箇所が空間的
に平均化されて脈動が存在しない場合と同一になるため
である。
【００２１】図５の更に詳細な説明については、必要に
応じて、 Special Contributions,Gegraphycal Institu
te, Kyoto Univercity,No.8,1968, pp45-60に掲載され
た"APPLICATION OF SONIC ANEMOMETER-THERMO-METER TO
THE STUDIES OF VERTICALEDDY TRANSPORT PROCESSES I
N THE ATOMOSPHERIC BOUNDARY LAYER " と題するYasu
shi Mitsuya の論文などを参照されたい。
応じて、 Special Contributions,Gegraphycal Institu
te, Kyoto Univercity,No.8,1968, pp45-60に掲載され
た"APPLICATION OF SONIC ANEMOMETER-THERMO-METER TO
THE STUDIES OF VERTICALEDDY TRANSPORT PROCESSES I
N THE ATOMOSPHERIC BOUNDARY LAYER " と題するYasu
shi Mitsuya の論文などを参照されたい。
【００２２】測定対象の排気ガスの流速Ｖ、エンジン回
転数で決まる脈動の周波数をｆとすれば、脈動の波長λ
は次式で与えられる。 λ＝Ｖ／ｆ ・・・(4) また、排気管の内径をＤ、トランスジューサを連結する
線分と排気管の管軸とのなす交差角度をθとすれば、 ｄ＝Ｄ／ tanθ ・・・(5) となる。
転数で決まる脈動の周波数をｆとすれば、脈動の波長λ
は次式で与えられる。 λ＝Ｖ／ｆ ・・・(4) また、排気管の内径をＤ、トランスジューサを連結する
線分と排気管の管軸とのなす交差角度をθとすれば、 ｄ＝Ｄ／ tanθ ・・・(5) となる。
【００２３】(4)式と(5) 式から、
ｆ＝〔（ｄ／λ）（tan θ／Ｄ）〕Ｖ ・・・(6) 図５によれば、脈動低減係数ｋが0.5 となるλ／ｄはほ
ぼ 2.4であり、この値を（５）式に代入すると、 ｆ＝（ 0.42 tanθ／Ｄ）Ｖ ・・・(6) '
ｆ＝〔（ｄ／λ）（tan θ／Ｄ）〕Ｖ ・・・(6) 図５によれば、脈動低減係数ｋが0.5 となるλ／ｄはほ
ぼ 2.4であり、この値を（５）式に代入すると、 ｆ＝（ 0.42 tanθ／Ｄ）Ｖ ・・・(6) '
【００２４】（６）' 式において、流路Ｐの内径Ｄを10
0 ｍｍとおいて算定することによって得られた流体の流
速Ｖと脈動周波数ｆとの関係を図６に示す。流体が自動
車のエンジンから排出される排気ガスの場合、脈動周波
数は30Hz〜120 Hz程度の範囲にわたって変化する。従っ
て、排気ガスの流速が10ｍ／sec 〜40ｍ／sec の範囲で
は、交差角度θを45°よりも小さく、望ましくは20°程
度の小さな値に設定することが必要になる。
0 ｍｍとおいて算定することによって得られた流体の流
速Ｖと脈動周波数ｆとの関係を図６に示す。流体が自動
車のエンジンから排出される排気ガスの場合、脈動周波
数は30Hz〜120 Hz程度の範囲にわたって変化する。従っ
て、排気ガスの流速が10ｍ／sec 〜40ｍ／sec の範囲で
は、交差角度θを45°よりも小さく、望ましくは20°程
度の小さな値に設定することが必要になる。
【００２５】上述のように、自動車のエンジンから排出
される排気ガス等の脈動を伴う流体の流速や流量を測定
する場合に、トランスジューサ対の交差角度θをできる
だけ小さな値に設定して伝播路長を増大させることによ
り、脈動の影響を軽減するが可能である。この脈動の影
響の軽減にともない、平均化のための反復検出回数が少
なくて済み、流量の急変への追随性が向上する。しかし
ながら、図４から判明するように、この交差角度を45°
よりも小さな範囲において小さな値に設定するほど設置
角度の誤差に伴う測定誤差が増大する。そこで、これら
の点を勘案することにより、最適の交差角度は、45°よ
りも小さく15°よりも大きな範囲に設定される。
される排気ガス等の脈動を伴う流体の流速や流量を測定
する場合に、トランスジューサ対の交差角度θをできる
だけ小さな値に設定して伝播路長を増大させることによ
り、脈動の影響を軽減するが可能である。この脈動の影
響の軽減にともない、平均化のための反復検出回数が少
なくて済み、流量の急変への追随性が向上する。しかし
ながら、図４から判明するように、この交差角度を45°
よりも小さな範囲において小さな値に設定するほど設置
角度の誤差に伴う測定誤差が増大する。そこで、これら
の点を勘案することにより、最適の交差角度は、45°よ
りも小さく15°よりも大きな範囲に設定される。
【００２６】
【実施例】図２は本発明の一実施例の超音波流量計の機
能ブロック図であり、図１はこの実施例の超音波流量計
を構成するトランスジューサの部分をこれらが取付けら
れる管路Ｐと共に示す断面図である。
能ブロック図であり、図１はこの実施例の超音波流量計
を構成するトランスジューサの部分をこれらが取付けら
れる管路Ｐと共に示す断面図である。
【００２７】まず、図１の断面図を参照すれば、排気管
Ｐには、自動車のエンジンから排出される脈動性の排気
ガスが流れる。この排気管Ｐの管壁上に互いに対向する
ように、第１のトランスジューサの対Ｔ１１，Ｔ１２
と、第２のトランスジューサの対Ｔ２１，Ｔ２２が設置
されている。各対内のトランスジューサを連結する線分
と、排気ガスの流速の方向、すなわち排気管Ｐの管軸Ｚ
とのなす交差角度θは、45°よりも小さくかつ15°より
も大きな25°前後の値に設定されている。
Ｐには、自動車のエンジンから排出される脈動性の排気
ガスが流れる。この排気管Ｐの管壁上に互いに対向する
ように、第１のトランスジューサの対Ｔ１１，Ｔ１２
と、第２のトランスジューサの対Ｔ２１，Ｔ２２が設置
されている。各対内のトランスジューサを連結する線分
と、排気ガスの流速の方向、すなわち排気管Ｐの管軸Ｚ
とのなす交差角度θは、45°よりも小さくかつ15°より
も大きな25°前後の値に設定されている。
【００２８】図２のブロック図を参照すれば、この実施
例の超音波流量計は、上記第１のトランスジューサＴ１
１，Ｔ１２と、第２のトランスジューサの対Ｔ２１，Ｔ
２２とに加えて、第１，第２の送受信部ＴＸ１，ＴＸ２
と、制御・演算部Ｐと、表示部ＤＩＳと、入力部ＩＮと
を備えている。
例の超音波流量計は、上記第１のトランスジューサＴ１
１，Ｔ１２と、第２のトランスジューサの対Ｔ２１，Ｔ
２２とに加えて、第１，第２の送受信部ＴＸ１，ＴＸ２
と、制御・演算部Ｐと、表示部ＤＩＳと、入力部ＩＮと
を備えている。
【００２９】制御・演算部Ｐは、第１，第２の送受信部
ＴＸ１，ＴＸ２に制御信号を送出することにより、第１
のトランスジューサの対Ｔ１１，Ｔ１２と、第２のトラ
ンスジューサの対Ｔ２１，Ｔ２２との双方において、そ
の一方から流体中に超音波信号を放射させ、この流体中
を伝播してきた超音波を他方のトランスジューサで受信
させるという超音波の送受信動作を、送信側のトランス
ジューサを交番させながら反復させる。
ＴＸ１，ＴＸ２に制御信号を送出することにより、第１
のトランスジューサの対Ｔ１１，Ｔ１２と、第２のトラ
ンスジューサの対Ｔ２１，Ｔ２２との双方において、そ
の一方から流体中に超音波信号を放射させ、この流体中
を伝播してきた超音波を他方のトランスジューサで受信
させるという超音波の送受信動作を、送信側のトランス
ジューサを交番させながら反復させる。
【００３０】制御・演算部Ｐは、送受信部ＴＸ１，ＴＸ
２に超音波信号の送信を指令したのち、これらの送受信
部ＴＸ１，ＴＸ２から超音波信号を受信した旨の通知を
受け取るまでの所要時間を監視することにより、この超
音波信号の送信から受信までに要した時間を、超音波が
第１，第２のトランスジューサの対間を伝播するのに要
した伝播所要時間として検出する。
２に超音波信号の送信を指令したのち、これらの送受信
部ＴＸ１，ＴＸ２から超音波信号を受信した旨の通知を
受け取るまでの所要時間を監視することにより、この超
音波信号の送信から受信までに要した時間を、超音波が
第１，第２のトランスジューサの対間を伝播するのに要
した伝播所要時間として検出する。
【００３１】そして、制御・演算部Ｐは、超音波が流れ
の下流に伝播したときの伝播所要時間ｔ1 と、流れと逆
の上流に伝播したときの伝播所要時間をｔ2 とを検出
し、前述した（１）式と（２）式に従って、流速Ｖを算
定し、この流速に断面積を乗算することにより流量を算
定する。
の下流に伝播したときの伝播所要時間ｔ1 と、流れと逆
の上流に伝播したときの伝播所要時間をｔ2 とを検出
し、前述した（１）式と（２）式に従って、流速Ｖを算
定し、この流速に断面積を乗算することにより流量を算
定する。
【００３２】制御・演算部Ｐは、第１のトランスジュー
サの対Ｔ１１，Ｔ１２間の伝播所要時間から算定した流
量と、第２のトランスジューサの対Ｔ２１，Ｔ２２間の
伝播所要時間から算定した流量との平均値を算定するこ
とにより、異なる超音波の伝播路について流量の空間平
均化を行う。このように、伝播方向に沿う空間的平均化
を図ると共に、管路Ｐの断面内の空間的平均化を図るこ
とにより、脈動の影響が軽減される。
サの対Ｔ１１，Ｔ１２間の伝播所要時間から算定した流
量と、第２のトランスジューサの対Ｔ２１，Ｔ２２間の
伝播所要時間から算定した流量との平均値を算定するこ
とにより、異なる超音波の伝播路について流量の空間平
均化を行う。このように、伝播方向に沿う空間的平均化
を図ると共に、管路Ｐの断面内の空間的平均化を図るこ
とにより、脈動の影響が軽減される。
【００３３】上述のように交差角度θを20°前後の小さ
な値に設定したため、この交差角度θに設定誤差δθが
生ずることによって、流量や流速に大きな測定誤差が生
ずるという問題がある。そこで、本実施例の超音波流量
計では、このδθに基づく測定誤差を除去するため、予
め算定した所定の補正係数を測定値に乗算するという補
正が行われる。
な値に設定したため、この交差角度θに設定誤差δθが
生ずることによって、流量や流速に大きな測定誤差が生
ずるという問題がある。そこで、本実施例の超音波流量
計では、このδθに基づく測定誤差を除去するため、予
め算定した所定の補正係数を測定値に乗算するという補
正が行われる。
【００３４】この補正係数を算定するために、この実施
例の超音波流量計と、上記交差角度を４５°に設定する
ことにより設定誤差δθに基づく測定誤差を低減させた
基準の超音波流量計とを用いて、脈動を伴わない流体の
流量の実測が行われる。そして、この実施例の超音波流
量計による測定値と、基準の超音波流量計の測定値との
比が補正係数として算定される。
例の超音波流量計と、上記交差角度を４５°に設定する
ことにより設定誤差δθに基づく測定誤差を低減させた
基準の超音波流量計とを用いて、脈動を伴わない流体の
流量の実測が行われる。そして、この実施例の超音波流
量計による測定値と、基準の超音波流量計の測定値との
比が補正係数として算定される。
【００３５】上記交差角度を４５°に設定した基準の超
音波流量計を使用する代わりに、流量が予め判明してい
る流体の流量をこの実施例の超音波流量計を用いて実測
し、この実測値と予め判明している流量との比から補正
係数を算定する構成を採用することもできる。あるい
は、角度誤差δθをレーザ光線などを利用して直接実測
し、図４の関係を利用して補正するようにすることもで
きる。
音波流量計を使用する代わりに、流量が予め判明してい
る流体の流量をこの実施例の超音波流量計を用いて実測
し、この実測値と予め判明している流量との比から補正
係数を算定する構成を採用することもできる。あるい
は、角度誤差δθをレーザ光線などを利用して直接実測
し、図４の関係を利用して補正するようにすることもで
きる。
【００３６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の超
音波流量計は、トランスジューサの対間を連結する線分
が脈動を伴う排気ガスなどの流体の流れの方向と４５度
よりも小さな角度を保つように配置される構成であるか
ら、一定の管径のもとで大きな伝播路長を実現すること
が可能になる。この結果、脈動の影響が軽減され，脈動
に対する平均化のための反復検出回数が少なくて済み、
流量の変化に対する追随性が向上するという効果が奏さ
れる。
音波流量計は、トランスジューサの対間を連結する線分
が脈動を伴う排気ガスなどの流体の流れの方向と４５度
よりも小さな角度を保つように配置される構成であるか
ら、一定の管径のもとで大きな伝播路長を実現すること
が可能になる。この結果、脈動の影響が軽減され，脈動
に対する平均化のための反復検出回数が少なくて済み、
流量の変化に対する追随性が向上するという効果が奏さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の超音波流量計を構成するト
ランスジューサの部分をこれらが取付けられる管路Ｐと
共に示す断面図である。
ランスジューサの部分をこれらが取付けられる管路Ｐと
共に示す断面図である。
【図２】上記実施例の超音波流量計の機能ブロック図で
ある。
ある。
【図３】従来の超音波流量計のトランスジューサの部分
をこれらが取付けられる管路Ｐと共に示す断面図であ
る。
をこれらが取付けられる管路Ｐと共に示す断面図であ
る。
【図４】交差角度の誤差δθに伴って発生する流量の測
定誤差を交差角度の目標値15°，30°，45°，60°につ
いて示す計算値である。
定誤差を交差角度の目標値15°，30°，45°，60°につ
いて示す計算値である。
【図５】空間的平均化による脈動の振幅の低減の度合い
を示す脈動低減係数ｋと、λ／ｄとの関係を示す計算値
である。
を示す脈動低減係数ｋと、λ／ｄとの関係を示す計算値
である。
【図６】脈動低減係数が0.5 の場合について、脈動の周
波数と流速と、トランスジューサ対の交差角度との関係
を示す計算値である。
波数と流速と、トランスジューサ対の交差角度との関係
を示す計算値である。
P 自動車の排気管 T11 〜T22 トランスジューサ Z 排気ガスの流れの方向 θ トランスジューサ対間を連結する線分と排
気ガスの流れの方向 との交差角度
気ガスの流れの方向 との交差角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川野邉 滋之 東京都羽村市栄町３丁目１番地の５ 株式 会社カイジョー内 Ｆターム(参考） 2F035 AA02 DA07 DA20 GA02
Claims (5)
- 【請求項１】流体中に流れの方向とその逆方向とに超音
波を伝播させ、トランスジューサの対の間における前記
両方向への伝播所要時間を測定し、これらの測定値から
この流体の流量又は流速を算定する超音波流量計におい
て、 前記流体は流速の脈動を伴う気体であり、 前記トランスジューサの対は、対間を連結する線分が測
定しようとする流体の流れの方向と４５°よりも小さな
交差角度を保つように配置されたことを特徴とする超音
波流量計。 - 【請求項２】請求項１において、 前記交差角度は１５°よりも大きな値に設定されたこと
を特徴とする超音波流量計。 - 【請求項３】請求項１と２のそれぞれにおいて、 前記交差角度の設定誤差に基づく測定誤差を補正するた
めの手段を備えたことを特徴とする超音波流量計。 - 【請求項４】請求項１乃至３のそれぞれにおいて、 前記流速の脈動を伴う気体は、自動車の排気ガスである
ことを特徴とする超音波流量計。 - 【請求項５】請求項１乃至４のそれぞれにおいて、 前記トランスジューサの対はその対間を連結する線分が
異なる空間に配置されるように複数設置され、各トラン
スジューサの対による測定値を平均化した値が空間的に
平均化された測定値とされることを特徴とする超音波流
量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11232482A JP2001056244A (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11232482A JP2001056244A (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 超音波流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001056244A true JP2001056244A (ja) | 2001-02-27 |
Family
ID=16940010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11232482A Pending JP2001056244A (ja) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001056244A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150112614A1 (en) * | 2013-10-18 | 2015-04-23 | Japan Aerospace Exploration Agency | Flow rate measurement method and apparatus |
-
1999
- 1999-08-19 JP JP11232482A patent/JP2001056244A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150112614A1 (en) * | 2013-10-18 | 2015-04-23 | Japan Aerospace Exploration Agency | Flow rate measurement method and apparatus |
| US10352741B2 (en) * | 2013-10-18 | 2019-07-16 | Japan Aerospace Exploration Agency | Flow rate measurement method and apparatus |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031216 |
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| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040206 |