JP2011127948A

JP2011127948A - 流速測定装置

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Publication number: JP2011127948A
Application number: JP2009284974A
Authority: JP
Inventors: Gentaro Yamanaka; 玄太郎山中; Yuji Osada; 裕司長田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: JP5347940B2

Abstract

【課題】液体の流速を測定する装置において、予め取得しておくべき定数の個数を削減することを目的とする。
【解決手段】制御／演算部２８は、第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、当該超音波が第２超音波振動子１４で受信されるまでの時間と、第２超音波振動子１４から超音波が送信されてから、当該超音波が第１超音波振動子１０で受信されるまでの時間との差異を時間Δとして求める。制御／演算部２８は、時間Δ、超音波の液体中での伝搬速度ｃ₃、液体中の超音波の伝搬方向θ₃、および液体中の超音波の伝搬路を含む断面における前記液体流路の幅Ｄに基づいて、液体の流速を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状の液体流路に導かれる液体の流速を測定する装置に関する。

ハイブリッド自動車、エンジン駆動自動車等のエンジンを搭載する自動車には、エンジンを冷却する装置が搭載される。また、ハイブリッド自動車、電気自動車等の駆動用モータを搭載する自動車には、駆動用モータの電力供給回路を冷却する装置が搭載される。このような冷却装置は、エンジン、駆動用モータ等の冷却対象物に液体の冷媒を導く液体配管を備える。冷媒の流量（単位時間当たりに流れる体積）を制御するため、あるいは、冷媒の流量が適切であるか否かを検出するため、冷却装置には、冷媒の流量を測定する流量測定装置が用いられる。また、電力調整設備の水冷式冷却装置、油圧駆動機構、液体を用いる工業用機械等、液体を循環させる必要のある一般の装置にも、流量測定装置が広く用いられている。

流量測定装置には、液体配管内の第１の点から第２の点へと伝搬する超音波の伝搬時間と、液体配管内の第２の点から第１の点へと伝搬する超音波の伝搬時間との差異に基づいて液体の流速および流量を測定するものがある。このような流量測定装置は、液体配管の所定位置に固定された２つの超音波振動子を備える。流量測定装置は、一方の超音波振動子から超音波が送信されてから、他方の超音波振動子でその超音波が受信されるまでの時間と、他方の超音波振動子から超音波が送信されてから、一方の超音波振動子でその超音波が受信されるまでの時間との差異に基づいて液体が流れる速度を測定し、測定された速度に基づいて液体の流量を求める。

なお、以下の特許文献には、超音波を用いて液体の流量を測定する装置について記載されている。

特許第３２１６７６９号公報特開平１０−２３９１２７号公報特開２００４−２６４２５０号公報特開２００４−２６４２５１号公報国際公開第００／２５０９６号

２つの超音波振動子を備える流量測定装置は、送信側の超音波振動子から超音波が送信されてから、受信側の超音波振動子でその超音波が受信されるまでの時間を測定し、測定された時間を予め定められた数式に当てはめることで液体の流量を求める。この数式には、超音波振動子の配置位置、液体配管の厚み、液体配管の材質等の測定系の構造に依存する定数が含まれる。そのため、液体の流量の測定に際しては、測定系の構造に依存する定数を予め計測、実験、シミュレーション等によって取得しておく必要があった。

本発明は、液体の流速を測定する装置において、予め取得しておくべき定数の個数を削減することを目的とする。

本発明は、管状の液体流路の管壁に配置され、超音波を送受信する第１および第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第２超音波送受信部で受信されるまでの時間と、前記第２超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第１超音波送受信部で受信されるまでの時間と、の差異を往復差異時間として求める時間測定部と、前記往復差異時間、超音波の液体中での伝搬速度、液体中の超音波の伝搬方向、および液体中の超音波の伝搬路を含む断面における前記液体流路の幅、に基づいて、液体の流速を求める流速測定部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る流速測定装置においては、前記第１超音波送受信部は、前記液体流路の互いに対向する管壁のうちの一方に配置され、前記第２超音波送受信部は、前記互いに対向する管壁のうちの他方に、前記液体流路を挟んで前記第１超音波送受信部に斜向かいに対向するよう配置され、前記流速測定部は、前記互いに対向する管壁間の距離を前記液体流路の幅として、液体の流速を求めることが好適である。

また、本発明に係る流速測定装置においては、前記時間測定部は、前記第１超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第２超音波送受信部で受信されるまでの時間と、前記第２超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第１超音波送受信部で受信されるまでの時間と、の差異を往復差異時間として求めることが好適である。

また、前記第１および第２超音波送受信装置が、前記流体経路の管壁外側に配置される、上記の流速測定装置においては、前記液体流路の管壁に配置され、超音波を送受信する第３超音波送受信部と、前記第３超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第３超音波送受信部で受信されるまでの時間に基づいて、超音波の液体中での伝搬速度を求める伝搬速度測定部と、前記伝搬速度測定部によって求められた伝搬速度、前記第１若しくは第２超音波送受信部から前記液体流路の管壁に入射する超音波の伝搬速度、および当該超音波の入射角度、に基づいて、液体中の超音波の伝搬方向を求める伝搬方向測定部と、を備え、前記流速測定部は、前記伝搬速度測定部によって求められた伝搬速度、および前記伝搬方向測定部によって求められた伝搬方向に基づいて、液体の流速を求めることが好適である。

また、本発明は、管状の液体流路の管壁外側に配置され、超音波を送受信する第１および第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第２超音波送受信部で受信されるまでの時間から、液体外の領域に対する液体外伝搬時間を除いた第１時間と、前記第２超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第１超音波送受信部で受信されるまでの時間から液体外伝搬時間を除いた第２時間と、を求める時間測定部と、前記第１時間、前記第２時間、液体中の超音波の伝搬方向、および、液体中の超音波の伝搬路を含む断面における前記液体流路の幅に基づいて、液体の流速を求める流速測定部と、を備える流速測定装置において、前記液体流路の管壁外側に配置され、超音波を送受信する第３超音波送受信部と、前記第３超音波送受信部から超音波が送信されてから、前記第３超音波送受信部が配置された壁面に対する裏側の壁面で当該超音波が反射し、前記第３超音波送受信部で受信されるまでの時間に基づいて、液体外伝搬時間を求める液体外伝搬時間測定部と、を備え、前記時間測定部は、前記液体外伝搬時間測定部によって求められた液体外伝搬時間に基づいて、前記第１および第２時間を求めることを特徴とする流速測定装置。

また、本発明に係る流速測定装置においては、前記第３超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第３超音波送受信部で受信されるまでの時間に基づいて、超音波の液体中での伝搬速度を求める伝搬速度測定部と、前記伝搬速度測定部によって求められた伝搬速度、前記第１若しくは第２超音波送受信部から前記液体流路の管壁に入射する超音波の伝搬速度、および当該超音波の入射角度、に基づいて、超音波の伝搬方向を求める伝搬方向測定部と、を備え、前記流速測定部は、前記伝搬方向測定部によって求められた伝搬方向に基づいて、液体の流速を求めることが好適である。

本発明によれば、液体の流速を測定する装置において、予め取得しておくべき定数の個数を削減することができる。

第１実施形態に係る流量測定装置の構成を示す図である。第２実施形態に係る流量測定装置の構成を示す図である。第３実施形態に係る流量測定装置の構成を示す図である。本発明の応用例に係る冷却システムの構成を示す図である。

図１に本発明の第１実施形態に係る流量測定装置の構成を示す。この流量測定装置は、液体配管１８に導かれる液体の流量を超音波の送受信に基づいて測定する。

液体配管１８には、延伸方向に垂直な断面（管壁より内側の領域をいう。以下、管断面とする。）が、矩形、その他の多角形、円形、楕円形等であるものを用いることができる。ここでは、例として、液体配管１８として管断面が矩形であるものを採り上げる。また、液体配管１８の管断面の形状および大きさは、延伸方向に一様であるものとする。図１には、液体配管１８を中心軸を通る面で切断した場合における、上側管壁２０の断面および下側管壁２２の断面が示されている。

第１超音波振動子１０は液体配管１８の上側管壁２０の外側面に固定部材１２を介して固定されている。第２超音波振動子１４は、液体配管１８を挟んで第１超音波振動子１０に対し斜向かいに対向するよう、液体配管１８の下側管壁２２の外側面に固定部材１６を介して固定されている。

固定部材１２および１６は、同一の材料によって三角柱形状に形成されている。固定部材１２は、３面の長方形面のうち１面が、液体配管１８の上側管壁２０に接するよう液体配管１８に固定されている。第１超音波振動子１０は、固定部材１２の他の２面の長方形面のうちの一方に、その面の法線方向に超音波の送受信方向が一致するよう固定されている。ここで、液体配管１８に接する長方形面と、第１超音波振動子１０が固定される長方形面とがなす角度をθ₁で表す。

固定部材１６は、３面の長方形面のうち１面が、液体配管１８の下側管壁２２に接するよう液体配管１８に固定されている。第２超音波振動子１４は、固定部材１６の他の２面の長方形面のうち第１超音波振動子１０の送受信面に対向する面に、その面の法線方向に送受信方向が一致するよう固定されている。固定部材１６は、液体配管１８に接する長方形面と、第２超音波振動子１４が固定される長方形面とがなす角度がθ₁となるよう形成されている。

なお、固定部材１２および１６としては、液体配管１８に接する面および超音波振動子が固定される平面を有し、これらのなす角度が所定角度θ₁である立体形状であれば、三角柱以外の形状を採用することができる。

第１超音波振動子１０から超音波を送信し、その超音波を第２超音波振動子１４で受信する場合における超音波の伝搬経路について説明する。第１超音波振動子１０から送信された超音波は、固定部材１２内を伝搬し、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₁の角度を以て上側管壁２０に入射する。上側管壁２０に入射した超音波は、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₂の角度をなす方向に上側管壁２０内を伝搬する。そして、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₂の角度を以て液体配管１８内に入射する。液体配管１８内に入射した超音波は、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₃の角度をなす方向に伝搬する。そして、下側管壁２２の壁面法線に対しθ₃の角度を以て下側管壁２２に入射する。下側管壁２２に入射した超音波は、下側管壁２２の壁面法線に対しθ₂の角度をなす方向に下側管壁２２内を伝搬する。そして、下側管壁２２の壁面法線に対しθ₂の角度を以て固定部材１６に入射する。固定部材１６に入射した超音波は、下側管壁２２の壁面法線に対しθ₁の角度をなす方向に固定部材１６内を伝搬し、第２超音波振動子１４へと至る。なお、角度θ₁〜θ₃は、固定部材１２、液体配管１８、液体配管１８を流れる液体、および固定部材１６の超音波に対する媒質定数に基づき、スネルの法則に従って定まる角度である。

第１超音波振動子１０および第２超音波振動子１４は、液体配管１８内を伝搬する超音波の経路の中点に関し回転対称となるよう配置されている。したがって、第２超音波振動子１４から超音波を送信し、その超音波を第１超音波振動子１０で受信する場合における超音波の伝搬経路は、上記の経路を逆に辿った経路となる。

流量測定装置が液体の流量を測定する処理について説明する。制御／演算部２８は、次のような処理によって、第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、第２超音波振動子１４で超音波が受信されるまでの時間ｔｕを測定する。

制御／演算部２８は、第１送受信部２４が第１超音波振動子１０にパルス信号を出力するよう、第１送受信部２４を制御する。これによって、第１送受信部２４は、パルス信号を第１超音波振動子１０に出力する。第１超音波振動子１０は、第１送受信部２４から出力されたパルス信号をパルス超音波に変換し、固定部材１２に送信する。

パルス超音波は、上述のように、固定部材１２、液体配管１８内、および固定部材１６を伝搬して第２超音波振動子１４で受信される。第２超音波振動子１４は、受信したパルス超音波をパルス信号に変換し、第２送受信部２６に出力する。第２送受信部２６は、第２超音波振動子１４から出力されたパルス信号を、制御／演算部２８が処理可能な信号に変換し、受信パルス信号として制御／演算部２８に出力する。

制御／演算部２８は、第１送受信部２４にパルス信号を送信させてから、第２送受信部２６から受信パルス信号が出力されるまでの時間に基づいて、第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、第２超音波振動子１４で超音波が受信されるまでの時間ｔｕを求める。

具体的には、制御／演算部２８は、第２送受信部２６が受信パルス信号を出力した時刻から、第１送受信部２４にパルス信号を送信させた時刻を減算した時間ｔｕ₀を求める。そして、第１送受信部２４から第１超音波振動子１０にパルス信号を伝送するのに要する時間として予め取得された時間、および第２超音波振動子１４から制御／演算部２８にパルス信号を伝送するのに要する時間として予め取得された時間を時間ｔｕ₀から減算した時間をｔｕとして求める。

制御／演算部２８は、時間ｔｕを求めた処理と同様の処理によって、第２超音波振動子１４から超音波が送信されてから、第１超音波振動子１０で超音波が受信されるまでの時間ｔｄを求める。

制御／演算部２８は、時間ｔｄから時間ｔｕを減算した時間Δ＝ｔｄ−ｔｕを求め、液体が流れる速度ｖを次の（数１）に基づいて求める。図１に矢印を以て示された速度ｖは第２超音波振動子１４の位置に対して第１超音波振動子１０側を上流とし、上流から下流へと流れる方向を正とするものである。（数１）の導出過程については後述する。

ここで、Ｄは液体配管１８の上側管壁２０の内側面と下側管壁２２の内側面との間の距離、ｃ₃は液体中を伝搬する超音波の伝搬速度である。距離Ｄは、液体中の超音波の伝搬路を含む断面における液体配管１８の幅であると捉えることができる。距離Ｄ、伝搬速度ｃ₃および角度θ₃は予め取得しておく定数である。伝搬速度ｃ₃および角度θ₃は、計測、実験、シュレーション等によって取得することができる。これらの値は、制御／演算部２８に記憶させておくことが好ましい。

また、伝搬速度ｃ₃、固定部材１２および１６における超音波の伝搬速度ｃ₁、および角度θ₁が予め取得されている場合には、制御／演算部２８は、スネルの法則を示す（数２）に基づいて角度θ₃を求めてもよい。この場合、伝搬速度ｃ₁、ｃ₃、および角度θ₁は、制御／演算部２８に記憶させておくことが好ましい。

制御／演算部２８は、速度ｖに液体配管１８の管断面の面積を乗算した値に基づいて、液体の流量を求める。ここで、（数１）に基づく速度ｖは、液体配管１８の管断面内において速度が一様であると仮定して求められるものである。しかし、液体配管１８の管断面内において速度にばらつきが生じた場合、この速度ｖには管断面内の速度ばらつきに基づく誤差が含まれる。そこで、制御／演算部２８は、速度ｖに液体配管１８の管断面の面積を乗算し、さらに、流速分布補正係数を乗算した値に基づいて、液体の流量を求めてもよい。流速分布補正係数は、広く知られた技術に基づいて求めることができる。

本実施形態に係る処理に基づく効果について説明する。従来、液体が流れる速度ｖは次の（数３）に基づいて求められることが一般的であった。

ここで、τは、送信側の超音波振動子から液体配管１８内の液体に至る経路に対する伝搬時間、および、液体配管１８内の液体から受信側の超音波振動子に至る経路に対する伝搬時間を合わせたものである。伝搬時間τは、液体外の領域に対する超音波の伝搬時間であると捉えることができる。

（数３）の導出過程について説明する。第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、第２超音波振動子１４で超音波が受信されるまでの時間ｔｕについては（数４）が成立し、第２超音波振動子１４から超音波が送信されてから、第１超音波振動子１０で超音波が受信されるまでの時間ｔｄについては（数５）が成立する。

（数４）および（数５）を用いて伝搬速度ｃ₃を消去し、速度ｖについて解くことで（数３）が得られる。

伝搬時間τは、超音波振動子の配置位置、液体配管１８の管壁の厚み、液体配管１８の材質等の測定系の固有条件によって異なる値である。このように、従来技術では、測定系の固有条件に依存する伝搬時間τを予め計測、実験、シミュレーション等に基づいて取得しておく必要があった。

次に、本実施形態で用いられる（数１）について説明する。（数１）は、（数４）および（数５）を用いてτを消去し、速度ｖについて解くことで得られる。速度ｖは二次方程式の解であるため、速度ｖについては２つの解が得られるが、Δとｖの極性が異なる解は、物理的に不合理であるため採用しないものとする。

（数１）には、液体外の領域に対する伝搬時間τが含まれない。したがって、本実施形態に係る流量測定装置によれば、予め取得しておくべき定数の個数を削減することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る流量測定装置について説明する。図２に第２実施形態に係る流量測定装置の構成を示す。この流量測定装置は、上側管壁２０に第１超音波振動子１０および第２超音波振動子１４を配置したものである。図１に示す流量測定装置と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

第１超音波振動子１０から超音波を送信し、その超音波を第２超音波振動子１４で受信する場合における超音波の伝搬経路について説明する。第１超音波振動子１０から送信された超音波は、固定部材１２内を伝搬し、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₁の角度を以て上側管壁２０に入射する。上側管壁２０に入射した超音波は、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₂の角度をなす方向に上側管壁２０内を伝搬する。そして、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₂の角度を以て液体配管１８内に入射する。液体配管１８内に入射した超音波は、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₃の角度をなす方向に伝搬する。そして、下側管壁２２の壁面法線に対しθ₃の角度を以て下側管壁２２に入射する。下側管壁２２に入射した超音波は、下側管壁２２の内側面で反射し、下側管壁２２の壁面法線に対しθ₃の角度をなす方向に伝搬する。そして、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₃の角度を以て上側管壁２０に入射する。上側管壁２０に入射した超音波は、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₂の角度をなす方向に上側管壁２０内を伝搬する。そして、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₂の角度を以て固定部材１６に入射する。固定部材１６に入射した超音波は、上側管壁２０の壁面法線に対しθ₁の角度をなす方向に固定部材１６内を伝搬し、第２超音波振動子１４へと至る。なお、角度θ₁〜θ₃は、固定部材１２、液体配管１８、液体配管１８を流れる液体、および固定部材１６の超音波に対する媒質定数に基づき、スネルの法則に従って定まる角度である。

第１超音波振動子１０および第２超音波振動子１４は、図２において左右対称となるよう配置されている。したがって、第２超音波振動子１４から超音波を送信し、その超音波を第１超音波振動子１０で受信する場合における超音波の伝搬経路は、上記の経路を逆に辿った経路となる。

流量測定装置が、液体の流量を測定する処理について説明する。制御／演算部２８は、第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、第２超音波振動子１４で超音波が受信されるまでの時間ｔｕを測定する。また、第２超音波振動子１４から超音波が送信されてから、第１超音波振動子１０で超音波が受信されるまでの時間ｔｄを測定する。

制御／演算部２８は、時間ｔｄから時間ｔｕを減算した時間Δ＝ｔｄ−ｔｕを求め、液体が流れる速度ｖを以下の（数６）に基づいて求める。図２に矢印を以て示された速度ｖは第２超音波振動子１４の位置に対し第１超音波振動子１０側を上流とし、上流から下流へと流れる方向を正とするものである。制御／演算部２８は、速度ｖに液体配管１８の管断面の面積を乗算した値に基づいて、液体の流量を求める。

（数６）の導出過程について説明する。第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、第２超音波振動子１４で超音波が受信されるまでの時間ｔｕについては（数７）が成立し、第２超音波振動子１４から超音波が送信されてから、第１超音波振動子１０で超音波が受信されるまでの時間ｔｄについては（数８）が成立する。

（数６）は、（数７）および（数８）を用いてτを消去し、速度ｖについて解くことで得られる。速度ｖは二次方程式の解であるため、２つの解が得られるが、Δとｖの極性が異なる解は、物理的に不合理であるため採用しないものとする。

（数６）には、液体外の領域に対する伝搬時間τが含まれない。したがって、本実施形態に係る流量測定装置によれば、予め取得しておくべき定数の個数を削減することができる。

次に、第３実施形態に係る流量測定装置について説明する。図３に第３実施形態に係る流量測定装置の構成を示す。この流量測定装置は、第１実施形態に係る流量測定装置に対し、超音波の伝搬速度を測定するための音速測定用探触子３０および第３送受信部３４を追加したものである。図１に示す流量測定装置の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る流量測定装置は、第１実施形態に係る（数１）および（数２）において予め取得しておくべき定数とされていた、固定部材１２および１６における超音波の伝搬速度ｃ₁、液体中の超音波の伝搬速度ｃ₃を測定によって求めるものである。

音速測定用探触子３０は、送信用の超音波振動子および受信用の超音波振動子を備え、超音波の送信および受信を行う素子である。音速測定用探触子３０としては、送信用と受信用とで超音波振動子を個別に備えるものを用いてもよいし、送受信共用の超音波振動子を備えるものを用いてもよい。

固定部材３２は、固定部材１２および１６の材料と同一の材料で、直方体形状に形成されている。固定部材３２は、その６面の長方形面のうち１面が、液体配管１８の上側管壁２０の外側面に接するよう液体配管１８に固定されている。音速測定用探触子３０は、上側管壁２０に接する固定部材３２の面に対向する面に、その面の法線方向に超音波の送受信方向が一致するよう固定されている。なお、固定部材３２の形状は、液体配管１８の管壁の法線方向に超音波が送受信されるよう音速測定用探触子３０を固定するものであれば、直方体以外の形状を採用することができる。また、音速測定用探触子３０は下側管壁２２に固定してもよい。

制御／演算部２８は、上述の処理によって、第１超音波振動子１０から超音波が送信されてから、第２超音波振動子１４で超音波が受信されるまでの時間ｔｕ、および第２超音波振動子１４から超音波が送信されてから、第１超音波振動子１０で超音波が受信されるまでの時間ｔｄを求め、時間ｔｄから時間ｔｕを減算した時間Δ＝ｔｄ−ｔｕを求める。

制御／演算部２８は、第３送受信部３４が音速測定用探触子３０にパルス信号を出力するよう、第３送受信部３４を制御する。これによって、第３送受信部３４は、パルス信号を音速測定用探触子３０に出力する。音速測定用探触子３０は、第３送受信部３４から出力されたパルス信号をパルス超音波に変換し、固定部材３２に送信する。

音速測定用探触子３０から送信されたパルス超音波は、上側管壁２０の外側面、上側管壁２０の内側面、および下側管壁２２の内側面でその一部が反射し、それぞれの面において、反射パルス超音波Ｐ₁、反射パルス超音波Ｐ₂、および反射パルス超音波Ｐ₃が生じる。反射パルス超音波Ｐ₁、Ｐ₂およびＰ₃は、この順序で音速測定用探触子３０で受信される。

音速測定用探触子３０は、受信した反射パルス超音波をパルス信号に変換し、第３送受信部３４に出力する。第３送受信部３４は、音速測定用探触子３０から出力されたパルス信号を、制御／演算部２８が処理可能な信号に変換し、受信パルス信号として制御／演算部２８に出力する。

制御／演算部２８は、第３送受信部３４にパルス信号を送信させてから、反射パルス超音波Ｐ₁に対応する受信パルス信号が第３送受信部３４から出力されるまでの時間に基づいて、音速測定用探触子３０から超音波が送信されてから、音速測定用探触子３０で反射パルス超音波Ｐ₁が受信されるまでの時間ｔ₁を求める。

具体的には、制御／演算部２８は、第３送受信部３４が反射パルス超音波Ｐ₁に対応する受信パルス信号を出力した時刻から、第３送受信部３４にパルス信号を送信させた時刻を減算した時間ｔ₁₀を求める。そして、第３送受信部３４から音速測定用探触子３０にパルス信号を伝送するのに要する時間として予め取得された時間、および音速測定用探触子３０から制御／演算部２８にパルス信号を伝送するのに要する時間として予め取得された時間を時間ｔ₁₀から減算した時間をｔ₁として求める。

制御／演算部２８は、（数９）に基づいて固定部材３２における超音波の伝搬速度ｃ₁を求める。固定部材１２、１６、および３２は同一の材料で形成されているため、ここで求められる伝搬速度ｃ₁は、固定部材１２および１６における超音波の伝搬速度と同一である。

ここで、Ｈ₁は固定部材３２の超音波伝搬方向の厚みである。固定部材３２の厚みＨ₁は、予め取得しておく定数であり、制御／演算部２８に記憶させておくことが好ましい。

また、制御／演算部２８は、時間ｔ₁を求める処理と同様の処理に基づいて、音速測定用探触子３０から超音波が送信されてから、音速測定用探触子３０で反射パルス超音波Ｐ₂が受信されるまでの時間ｔ₂を求める。

さらに、制御／演算部２８は、時間ｔ₁を求める処理と同様の処理に基づいて、音速測定用探触子３０から超音波が送信されてから、音速測定用探触子３０で反射パルス超音波Ｐ₃が受信されるまでの時間ｔ₃を求める。

制御／演算部２８は、（数１１）に基づいて液体中における超音波の伝搬速度ｃ₃を求める。

制御／演算部２８は、測定によって得られた伝搬速度ｃ₁およびｃ₃を用い、（数２）に基づいて角度θ₃を求める。そして、（数２）によって求められた角度、測定によって得られた伝搬速度ｃ₃、および時間Δを用い、（数１）に基づいて液体の流速および流量を求める。

第３実施形態に係る流量測定装置によれば、伝搬速度ｃ₁およびｃ₃が、音速測定用探触子３０を用いた測定によって求められる。（数１）および（数２）を用いるに当たって予め取得しておくべき定数は、第１超音波振動子１０による超音波の入射角度θ₁、距離Ｄ、および固定部材３２の厚みＨ₁である。したがって、本実施形態に係る流量測定装置によれば、予め取得しておくべき定数の個数を削減することができる。

ここでは、図１に示す第１実施形態に係る流量測定装置に対し、音速測定用探触子３０および第３送受信部３４を、超音波の伝搬速度を測定するために追加したものを第３実施形態とした。このような構成の他、図２に示す第２実施形態に係る流量測定装置に対し、音速測定用探触子３０および第３送受信部３４を追加した構成としてもよい。

次に、第４実施形態に係る流量測定装置について説明する。第３実施形態に係る流量測定装置では、固定部材３２における超音波の伝搬速度ｃ₁、液体配管１８の管壁中の超音波の伝搬速度ｃ₂、液体中の超音波の伝搬速度ｃ₃が測定によって得られる。本実施形態では、音速測定用探触子３０を用いた測定によって得られた伝搬速度ｃ₁、ｃ₂、およびｃ₃を用いて、液体外の領域に対する伝搬時間τを求め、上記（数２）および（数３）を用いて液体の流量を求める。第４実施形態に係る流量測定装置の構成は、第３実施形態に係る流量測定装置の構成と同様であるため、説明に際しては図３を援用する。

制御／演算部２８は、第３実施形態と同様にして伝搬速度ｃ₁およびｃ₃を求める他、（数１１）に基づいて管壁内における超音波の伝搬速度ｃ₂を求める。

ここで、Ｈ₂は液体配管１８の管壁の厚みである。管壁の厚みＨ₂は、予め取得しておく定数であり、制御／演算部２８に記憶させておくことが好ましい。

制御／演算部２８は、測定によって得られた伝搬速度ｃ₁およびｃ₂を用い、スネルの法則を示す（数１２）に基づいて、管壁中を伝搬する超音波の伝搬方向が上側管壁２０の壁面法線に対してなす角θ₂を求める。

ここで、角度θ₁は、予め取得しておく定数であり、制御／演算部２８に記憶させておくことが好ましい。

制御／演算部２８は、（数１２）に基づいて求められた角度θ₂および測定によって得られた伝搬速度ｃ₂を用い、（数１３）に基づいて伝搬時間τを求める。

（数１３）の右辺第１項は、第１超音波振動子１０から上側管壁２０に至るまでの経路に対する伝搬時間を示し、右辺第２項は上側管壁２０に超音波が入射されてから液体配管１８内に至る経路に対する伝搬時間を示す。ここで、Ｌ₁は第１超音波振動子１０から上側管壁２０までの距離である。距離Ｌ₁は、予め取得しておく定数であり、制御／演算部２８に記憶させておくことが好ましい。

次に、制御／演算部２８は、測定によって得られた伝搬速度ｃ₁およびｃ₃を用い、スネルの法則を示す（数２）に基づいて角度θ₃を求める。

そして、（数１２）および（数１３）に基づいて得られた伝搬時間τ、および（数２）に基づいて得られた角度θ₃、さらに、測定処理によって得られた時間ｔｄおよび時間ｔｕを用い、（数３）に基づいて液体の速度および流量を求める。

第４実施形態に係る流量測定装置によれば、伝搬速度ｃ₁〜ｃ₃および伝搬時間τが、音速測定用探触子３０を用いた測定によって求められる。（数１２）、（数１３）、（数２）および（数３）を用いるに当たって、予め取得しておくべき定数は、第１超音波振動子１０による超音波の入射角度θ₁、第１超音波振動子１０から上側管壁２０までの距離Ｌ₁、、距離Ｄ、固定部材３２の厚みＨ₁、および管壁の厚みＨ₂である。したがって、本実施形態に係る流量測定装置によれば、予め取得しておくべき定数の個数を削減することができる。

次に、本発明の応用例について説明する。図４に本発明の応用例に係る冷却システムの構成を示す。冷却システムは、ハイブリッド自動車、電気自動車等の駆動用モータを搭載する自動車に用いられる。

電力供給回路４２は、駆動用モータ４４に供給する電力を車両制御部４６の制御に基づいて調整する。電力供給回路４２は、駆動用モータ４４への電力供給に伴い発熱する。そのため、電力供給回路４２には、発生した熱を冷媒へと導く受熱用熱交換器４０が取り付けられている。

ポンプ３６は、放熱用熱交換器４２の側から受熱用熱交換器４０の側へと冷媒を送り出す。液体配管３８は、ポンプ３６、受熱用熱交換器４０、放熱用熱交換器４２の順に冷媒を導く。ポンプ３６、ポンプ３６から受熱用熱交換器４０に送り出された冷媒には、受熱用熱交換器４０によって、電力供給回路４２が発生した熱が与えられる。そして、受熱用熱交換器４０から放熱用熱交換器４２へと導かれた冷媒からは、放熱用熱交換器４２によって熱が放出される。放熱後の冷媒は、放熱用熱交換器４２からポンプ３６へと導かれる。

液体配管３８には、第１から第４のいずれかの実施形態に係る流量測定装置４８が取り付けられている。流量測定装置４８は、液体配管３８を流れる冷媒の流量を測定し、測定値を車両制御部４６に出力する。

車両制御部４６は、流量測定装置４８から出力された測定値が、予め定められた基準値を下回るときは、駆動力が大きくなるようポンプ３６を制御する。また、車両制御部４６は、流量測定装置４８から出力された測定値が、予め定められた基準値を上回るときは、駆動力が小さくなるようポンプ３６を制御する。

流量測定装置４８の測定値は、冷却システムの異常を検出するために用いてもよい。この場合、車両制御部４６は、流量測定装置４８から出力された測定値が予め定められた基準範囲内にないときは、記憶部５０に冷却システムに異常がある旨の情報を記憶する。記憶された情報は、自動車の保守、点検等の際に参照される。また、冷却システムに異常がある旨の情報を記憶部５０に記憶する処理と共に、または、その処理に代えて、運転席に設けられた表示器５２に冷却システムに異常がある旨の情報を表示させる構成としてもよい。

本応用例に係る冷却システムは、エンジン駆動自動車のエンジンの冷却に用いてもよい。この場合、受熱用熱交換器４０をエンジンに取り付ければよい。

１０第１超音波振動子、１２，１６，３２固定部材、１４第２超音波振動子、１８，３８液体配管、２０上側管壁、２２下側管壁、２４第１送受信部、２６第２送受信部、２８制御／演算部、３０音速測定用探触子、３４第３送受信部、３６ポンプ、４０受熱用熱交換器、４２電力供給回路、４４駆動用モータ、４６車両制御部、４８流量測定装置、５０記憶部、５２表示器。

Claims

管状の液体流路の管壁に配置され、超音波を送受信する第１および第２超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第２超音波送受信部で受信されるまでの時間と、前記第２超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第１超音波送受信部で受信されるまでの時間と、の差異を往復差異時間として求める時間測定部と、
前記往復差異時間、超音波の液体中での伝搬速度、液体中の超音波の伝搬方向、および液体中の超音波の伝搬路を含む断面における前記液体流路の幅、に基づいて、液体の流速を求める流速測定部と、
を備えることを特徴とする流速測定装置。
請求項１に記載の流速測定装置において、
前記第１超音波送受信部は、
前記液体流路の互いに対向する管壁のうちの一方に配置され、
前記第２超音波送受信部は、
前記互いに対向する管壁のうちの他方に、前記液体流路を挟んで前記第１超音波送受信部に斜向かいに対向するよう配置され、
前記流速測定部は、
前記互いに対向する管壁間の距離を前記液体流路の幅として、液体の流速を求めることを特徴とする流速測定装置。
請求項１に記載の流速測定装置において、
前記時間測定部は、
前記第１超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第２超音波送受信部で受信されるまでの時間と、前記第２超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第１超音波送受信部で受信されるまでの時間と、の差異を往復差異時間として求めることを特徴とする流速測定装置。
前記第１および第２超音波送受信装置が、前記流体経路の管壁外側に配置される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流速測定装置において、
前記液体流路の管壁に配置され、超音波を送受信する第３超音波送受信部と、
前記第３超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第３超音波送受信部で受信されるまでの時間に基づいて、超音波の液体中での伝搬速度を求める伝搬速度測定部と、
前記伝搬速度測定部によって求められた伝搬速度、前記第１若しくは第２超音波送受信部から前記液体流路の管壁に入射する超音波の伝搬速度、および当該超音波の入射角度、に基づいて、液体中の超音波の伝搬方向を求める伝搬方向測定部と、
を備え、
前記流速測定部は、
前記伝搬速度測定部によって求められた伝搬速度、および前記伝搬方向測定部によって求められた伝搬方向に基づいて、液体の流速を求めることを特徴とする流速測定装置。
管状の液体流路の管壁外側に配置され、超音波を送受信する第１および第２超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第２超音波送受信部で受信されるまでの時間から、液体外の領域に対する液体外伝搬時間を除いた第１時間と、前記第２超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記第１超音波送受信部で受信されるまでの時間から液体外伝搬時間を除いた第２時間と、を求める時間測定部と、
前記第１時間、前記第２時間、液体中の超音波の伝搬方向、および、液体中の超音波の伝搬路を含む断面における前記液体流路の幅に基づいて、液体の流速を求める流速測定部と、
を備える流速測定装置において、
前記液体流路の管壁外側に配置され、超音波を送受信する第３超音波送受信部と、
前記第３超音波送受信部から超音波が送信されてから、前記第３超音波送受信部が配置された壁面に対する裏側の壁面で当該超音波が反射し、前記第３超音波送受信部で受信されるまでの時間に基づいて、液体外伝搬時間を求める液体外伝搬時間測定部と、
を備え、
前記時間測定部は、
前記液体外伝搬時間測定部によって求められた液体外伝搬時間に基づいて、前記第１および第２時間を求めることを特徴とする流速測定装置。
請求項５に記載の流速測定装置において、
前記第３超音波送受信部から超音波が送信されてから、当該超音波が前記液体流路内で反射し前記第３超音波送受信部で受信されるまでの時間に基づいて、超音波の液体中での伝搬速度を求める伝搬速度測定部と、
前記伝搬速度測定部によって求められた伝搬速度、前記第１若しくは第２超音波送受信部から前記液体流路の管壁に入射する超音波の伝搬速度、および当該超音波の入射角度、に基づいて、超音波の伝搬方向を求める伝搬方向測定部と、
を備え、
前記流速測定部は、
前記伝搬方向測定部によって求められた伝搬方向に基づいて、液体の流速を求めることを特徴とする流速測定装置。