JP2853508B2

JP2853508B2 - ガス流量計

Info

Publication number: JP2853508B2
Application number: JP5079311A
Authority: JP
Inventors: 謙三黄地; 邦夫中村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH06288803A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音波、超音波を用いた
ガス流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のガス流量計１は、図４に
示すように、流体が流れる管状流路２の側壁に、振動な
どの物理量を測定する複数個のセンサ３、４を距離Ｌだ
け離して設け、各センサ３、４で得られる信号の相互相
関関数を演算器５で求め、これらの相互相関関数の時間
遅れτを用いて、流速換算器６で流体の平均流速ｖを演
算していた。この平均流速ｖに管状流路２の断面積Ｓを
乗じて、ガス流量Ｑとしていた（特公平４−５４８９２
号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような構成では、各センサ間で同一の信号が得られる必
要があるため、各センサ間の設置距離Ｌが大幅に制約さ
れるという課題があった。即ち、距離Ｌが短いと得られ
る信号の類似性は良好であるが、時間遅れτが短くな
る。その結果、時間分解能が悪くなって、測定精度が悪
くなり、ガス流量Ｑに誤差が発生する。また、距離Ｌが
長いと、時間遅れτが長くなって時間分解能は向上する
が、信号の類似性が低下し、測定精度が悪くなり、ガス
流量Ｑに誤差が発生する。前記と同様の理由により、即
ち、ガス流量が大きいと、ガス流速ｖが大きくなり、時
間遅れτが短くなって、時間分解能が悪くなり、測定精
度が悪くなる。ガス流量が小さいと、ガス流速ｖが小さ
くなり、時間遅れτが長くなり、信号の類似性が劣化
し、測定精度が悪くなるなどし、ガス流量の検知範囲が
大幅に限定されるという課題もあった。また、複雑な相
関関数を演算するための演算器や、時間遅れτから平均
流速ｖを求める流速換算器などが必要になるためコスト
高になるなど、多くの課題があった。

【０００４】本発明は、前記従来の課題を解決するもの
で、測定精度の良好な簡単な構成の、検知範囲の広い、
ガス流量計を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、流体が流れる管状流路と、前記管状流路
の流体の流れ方向に、音波もしくは超音波を供給する音
源と、前記管状流路の側壁に細孔を設け、前記細孔から
洩れ出る音波もしくは超音波を受信する受波器とからな
り、前記音源を各種の周波数で励振する音源駆動部を備
え、前記励振周波数と、前記受波器の受信レベルとから
流体の流速を検知する構成としたものである。

【０００６】また、前記音波もしくは超音波を反射する
反射板を、前記管状流路の他端に設け、前記受波器を、
前記音源から前記受波器までの等価的な距離、即ち、前
記音源から受波器までの直接波の伝播距離と、前記音源
から受波器までの、反射板を介した反射波伝播距離との
比が、非整数比になるように配置したものである。

【０００７】

【作用】本発明の第１の構成によれば、ある励振周波数
で音源を励振し、音波もしくは超音波をガスが流れる管
状流路内に、流体の流れる方向もしくは、対向する方向
に供給し、管状流路の側壁に設置した受波器で受信す
る。ここで、励振周波数をｆ、音波もしくは超音波の波
長をλ、ガス中の音波もしくは超音波の伝播速度をｃと
し、流体の流速をｖとすると、それぞれは良く知られた
次の関係がある。

【０００８】

【数１】ｆ・λ＝ｃ＋ｖ

【０００９】

【数２】ｆ・λ＝ｃ−ｖ数式１は、音源が流れの上流にある場合で、流体が速度
ｖで流れるため、伝播速度（ｃ）が（ｃ＋ｖ）で表わさ
れるようにドップラー効果により早くなったように見
え、成り立つ。また、数式２は、音源が流れの下流にあ
る場合で、速度ｖで流れる流体に向かって伝播するた
め、ドップラー効果により、伝播速度が（ｃ）が（ｃ−
ｖ）で表わされるように遅くなったように見え、成立す
る。この時、音源から管状流路内に供給された音波もし
くは超音波は、音源から、伝播する音波もしくは超音波
の波長の整数倍の位置に設置された受波器に最も強く受
信される。従って、音源から管状流路の側壁に設置され
た受波器までの距離をｄとすると、距離ｄが、音波もし
くは超音波の波長λの整数倍に合致した時に、最も強く
受信される。このため、音源を励振する周波数ｆを変化
させ、その時の受信レベルＲを検知することにより、最
も強く受信される励振周波数ｆが求められる。音源から
受波器までの距離ｄは予め解っているため、励振周波数
ｆが求められると、波長λが解った事になり、数式１あ
るいは数式２を用いて、流速（ｃ＋ｖ）、もしくは（ｃ
−ｖ）が検知されたことになる。

【００１０】このようにして、簡単に検知することので
きる励振周波数ｆと受信レベルＲとを検知する事によ
り、流体の流速ｖを検知する事ができる。従って、計測
の困難な時間を計測する必要もなく、また、複雑な相互
相関関数などを演算する必要もない。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１２】（実施例１）図１は、本発明に基づくガス
流量計１の断面図であり、従来例と同じ構成要素には同
じ番号を付けた。２はガスを流す管状流路、７は、管状
流路２の上流側の端面に設けられたスピーカー、あるい
は、超音波振動子などの音源、８は管状流路２の側壁に
設けられた受波器、９はガスの流入孔、１０はガスの排
出孔を示す。１１は、音源７を励振する励振部、１２
は、励振部１１と受波器８とを制御する制御部を示す。
１３は、管状流路２内の音波もしくは超音波のエネルギ
ーを受波器８に導く細孔を示し、細孔１３の径は、管状
流路２内を伝播する音波もしくは超音波を乱さないよう
に、伝播する音波もしくは超音波の波長の１／１０〜１
／１００程度とした。このような構成のガス流量計１
に、ガス流入孔９から、空気を一定速度ｖとなるように
注入し、制御部１２より励振部１１を制御して、音源７
から供給される音波の振幅が一定となるよう、励振周波
数ｆを変化させて動作させた。この時、受波器８で受信
される受信レベルＲは、励振周波数ｆに大きく依存し
た。測定結果を、横軸を励振周波数ｆ、縦軸を受信レベ
ルＲとする図２に示す。最も受信レベルＲが大きかった
周波数をｆmとし、制御部１２で記憶した。この周波数
ｆmと、予め決められている音源７から受波器８までの
距離ｄ（ｄ＝ｎｘ波長λ、ｎは整数で、本実施例の場合
はｎ＝１）と、ガス（空気）中の音波の伝播速度ｃ（ｃ
＝３４０m／s）とを、数式（１）に代入し、制御部１２
で演算し、ガス（空気）の流速ｖを求めた。この時、音
波の伝播速度ｃは、よく知られているように、ガス（流
体）の温度に大きく依存するため、流路内にサーミスタ
などの測温素子１４などを挿入して、流体の温度Ｔを測
定し、音波の伝播速度ｃを補正して用いた。このように
して得られた流速ｖに、管状流路２の断面積Ｓを乗じて
ガス流量Ｑとした。例えば、受波器８の音源７からの設
置距離ｄが３８５ｍｍにある場合には、ドの音、周波数
ｆ＝８８０Ｈｚ、波長λ＝３８．５ｃｍ、を管状流路２
内に、音源７を励振し、供給した時に、受波器８の受信
レベルＲが最も強くなるということを示している。

【００１３】（実施例２）図３に、前記実施例１で示し
たガス流量計１の、ガス流出孔１０側（下流側）に、音
波もしくは超音波を反射する反射板１５を設けたガス流
量計１の断面図を示す。この時、反射板１５は、反射特
性の良好な硬い材料で構成するとともに、音源７から励
振されたわずかに分散してきた音もしくは超音波を収束
して反射するように凹面状に構成した。受波器８の設置
位置は、音源７から直接受信される時の距離ｄと、反射
板１５により反射してから受信される時の距離ｂの比を
非整数比になるように配置した。前記の距離ｂは、管状
流路２の全長をＨとすると、ｂ＝Ｈ＋（Ｈ−ｄ）＝２＊
Ｈ−ｄ、となる。この距離の比（ｄ／ｂ）を非整数比に
することにより、低流量域での精度を大幅に改良するこ
とができた。例えば、流量０の場合、距離の比が整数比
であれば、受波器８で受信される音源７から直接波と、
反射板１５により反射された反射波とが、高調波で一致
することがある。この場合、この高調波は、雑音とな
り、測定精度が劣化する要因として作用するためであ
る。従って、距離の比（ｄ／ｂ）を非整数比に設定する
ことにより、高調波での受信レベルＲを低く抑えること
ができた。またこの時、制御部１２は音源７の励振時間
を時間制御し、管状流路２内への音もしくは超音波の供
給を単一パルス状とし、受波器８での受信波が、音源７
から直接波と、反射板１５からの反射波とが混在しない
ようにした。この場合、直接波は流体の流れの方向に伝
播するため、数式１に従って伝播する。また、反射波
は、管状流路２の全長をＨとすると、距離Ｈまでは、数
式１に従って伝播し、距離Ｈから距離ｂ｛Ｈ＋（Ｈ−
ｄ）｝までの間は、数式２に従って伝播することにな
る。数式１と数式２とは、それぞれ（ｃ＋ｖ）および
（ｃ−ｖ）の項を含むため、ｃおよびｖをそれぞれ独立
して制御部１２で計算できる。従って、この場合には、
流体の流速ｖを求めるのに、音波の伝播速度ｃを知る必
要が無くなり、実施例１で実施した温度補償が不要とな
った。このため、温度センサ１４は不要となり、ガス流
量計１の構成がより簡単になった。

【００１４】尚、前記本発明の実施例１において、受波
器８で受信された波長の数ｎを１としたが、管状流路２
の測壁に受波器を複数個設置し、それぞれの受波器の音
源７からの距離を、非整数比となるようにすれば、一義
的に波長の数ｎを求めることができる。また、実施例２
において、管状流路２の下流端に反射板１５を設置した
が、第２の音源を設置し、第１の音源と交互に励振して
も、前記実施例と同様な効果が得られる。

【００１５】

【発明の効果】以上のように本発明のガス流量計によれ
ば、次の効果が得られる。

【００１６】（１）励振周波数ｆを変化させて、受信レ
ベルＲを検知するだけの簡単な構成でガス流量計が得ら
れる。

【００１７】（２）複雑な相関関数演算器や、高分解能
の時間計測器が不要なガス流量計が、構成できる。

【００１８】（３）励振周波数ｆを変化させて検知する
ため、ガス流量に最適な波長を選択することができるた
め、流量範囲の広いガス流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例におけるガス流量計の構成図

【図２】本発明の１実施例における特性図

【図３】本発明の他の実施例におけるガス流量計の構成
図

【図４】従来のガス流量計の構成図

【符号の説明】

１ガス流量計２管状流路７音源８受波器１１励振部１２制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】流体が流れる管路と、前記管路の流体の流
れ方向に、音波もしくは超音波を供給する音源と、前記
管路の側壁に細孔を設け、前記細孔から洩れ出る音波も
しくは超音波を受信する受波器とからなり、前記音源を
各種の周波数で励振する音源駆動部を備え、励振周波数
と、前記受波器の受信レベルとから流体の流速を検知し
てなるガス流量計。
【請求項２】音波もしくは超音波を反射する反射板を管
状流路の他端に設け、音源から受波器までの直接波の伝
播距離と、前記音源から前記受波器までの反射波伝播距
離との比が非整数比になる位置に前記受波器を配置した
請求項１記載のガス流量計。