JP3130975B2 - 音響式温度測定方法および装置 - Google Patents

音響式温度測定方法および装置

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JP3130975B2
JP3130975B2 JP03223119A JP22311991A JP3130975B2 JP 3130975 B2 JP3130975 B2 JP 3130975B2 JP 03223119 A JP03223119 A JP 03223119A JP 22311991 A JP22311991 A JP 22311991A JP 3130975 B2 JP3130975 B2 JP 3130975B2
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典幸 今田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は音響式温度測定方法およ
び装置に係り、特に高温雰囲気または腐食雰囲気にある
ダクト内の流体温度を音波を用いて求める音響式温度測
定方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の音響式温度計測装置(特開平2−
112741号公報参照)を図3に示す。この音響式温
度計はダクトの側壁29に取り付けたホーン32、導波
管33、音波送信器30、音波受信器31(以後、これ
ら4つをまとめて音波センサと呼ぶ)、制御器4、波形
発生器6、送信用アンプ7、受信用アンプ10、A/D
変換器9、伝播時間検出器12、温度演算器27、表示
器28とからなっている。
【0003】温度計測の手順を以下に示す。制御器4か
ら測定開始信号を波形発生器6に送出し、波形発生器6
から送信信号を送出する。この送信信号を送信用アンプ
7で増幅し、音波送信器30で音波に変換し、導波管と
ホーンを経由してダクト内に発信する。そして、ダクト
内のガス中を伝わった音波を音波受信器31で受信し、
受信用アンプ10で増幅する。伝播時間検出器12で
は、この受信信号を用いて音波の伝播時間を求める。た
だし、受信器に到達した音波の伝播時間は音波が導波管
中を伝播する時間を含んでいるので、後述する方法で補
正する。そして、温度演算器27で伝播時間を温度に換
算し、その結果を表示器28で表示する。
【0004】上記の例は二組の音波センサを使用してい
るが一組のみを使用し、壁からの反射波を測定すること
によっても同様の原理で測定可能である。また、ホーン
と導波管はいずれか一つで間に合う場合もあるし、2つ
を同時に備えることが必要な場合もある。導波管部の伝
播時間を補正する方法を図4に示す。同図(a)に伝播
経路の概略を示す。tABは14のスピーカAから15の
マイクBに、tBAは16のスピーカBから17のマイク
Aに到達した音波の伝播時間である。tdAは音波センサ
A内の、tdBは音波センサB内の反射波の伝播時間であ
る。図4の(b)にスピーカAからマイクBに到達した
音波信号を示す。横軸はスピーカから音波を発信してか
らの時刻、縦軸はマイクアンプの出力電圧である。音波
信号中の到達波から伝播時間tABを求める。この伝播時
間tABは音波が導波管部を伝播する時間も含んでいる。
そこで、音波センサ内の反射波を用いて導波管部の伝播
時間を補正する。図4の(c)に音波センサA内の反射
波を示す。音波発信直後の波形はスピーカAからマイク
Aに直接到達する直接波18である。音波発信から約8
ms後に到達した音波はホーン先端から反射して返って
きた反射波19である。この反射波より伝播時間tdA
求める。同様にしてtBA、tdBを求め、次式でダクト内
を伝わる伝播時間tを算出する。
【0005】
【数1】
【0006】この伝播時間を用い、以下の式により流体
温度T(K)を求める。
【0007】
【数2】
【0008】ここに、Lはダクト内の伝播距離、αはガ
ス組成によって決まるガス定数である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ホ
ーンの先端とマイクとの距離が短い場合や、ホーンと導
波管の接続部に段または角がある場合、次の問題が生じ
る。図5(a)はホーン先端とマイク間の距離が短い例
である。同図(b)にマイクとホーン先端との距離L1
を200mmとした時に受信した波形36を示す。この受
信波形は図5(c)に示すように、直接波34とホーン
先端からの反射波35とが重なっているため、ホーン先
端からの反射波の伝播時間td を求めることができな
い。
【0010】図6(a)はホーンと導波管との接続部に
段または角がある例である。同図(b)に接続部37と
ホーン先端との距離L2 を200mmとし、受信した波形
を示す。この反射波19は同図(c)に示すように接続
部の段または角によって生じた反射波38とホーン先端
からの反射波35が重なっている。そのため、ホーン先
端からの反射波35のtd を正確に求めることができな
い。
【0011】上記のように伝播時間が補正できない場合
の誤差の大きさを試算した結果を次に示す。ダクト内の
温度を1200℃、ダクト内の伝播距離を2m、導波管
部の平均温度を200℃としたとき、上記のように
1 ,L2 =200mmの伝播時間の補正ができないと、
測定温度は885℃となり、315℃低い値となる。
【0012】本発明の目的は、ホーン先端からの反射波
が直接波や他の部分の反射波と重なったとき、重なった
波形からホーン先端からの反射波を検出し、これを用い
て正確な伝播時間td を求めることにより、計測精度が
向上する音響式温度測定方法および装置を提供すること
にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願の第1の発明は、被測定流体を囲む側壁に、導波管
および/またはホーンと音波の送信器と受信器とから構
成される1台以上の音波センサを設け、送信器から被測
定流体を経由し受信器に到達した音波の総伝播時間を測
定し、該音波センサ内を反射する音波の伝播時間を求
め、これらの時間と伝播経路の距離との関係より被測定
流体の温度を算出する音響式温度測定方法において、基
準時の音波センサ内の基準反射波形と測定時の該音波セ
ンサ内の反射波形とを記憶し、前記基準反射波形の初期
時刻を測定時反射波形の初期時刻に合わせて両波形の差
を求め、これにより音波センサ内の正しい伝播時間を求
め、この伝播時間と前記総伝播時間とに基づき被測定流
体の温度を算出することを特徴とする音響式温度測定方
法に関する。
【0014】第2の発明は、被測定流体を囲む側壁に設
けられ、導波管および、またはホーンと音波の送信器と
受信器とから構成される1台以上の音波センサと、送信
器から被測定流体を経由し受信器に到達した音波の伝播
時間を測定する総伝播時間検出器と、該音波センサ内を
反射する音波の伝播時間を求める音波センサ内伝播時間
検出器と、これらの時間と伝播経路の距離との関係よ
り、被測定流体の温度を算出する温度演算器とを備えた
音響式温度測定装置において、音波センサ内の基準反射
波形を記憶する反射波メモリと、測定時に該音波センサ
内の反射波を記憶する受信波メモリと、両メモリ内の反
射波に基づき音波センサ内の正しい伝播時間を検出する
手段とを設けたことを特徴とする音響式温度測定装置に
関する。
【0015】
【作用】図2を用いて本発明の作用を説明する。ここに
示す波形はホーンと導波管の接続部で生じた反射波とホ
ーン先端からの反射波とが重なった波形である。図2
(a)にホーン内部が10℃の時の反射波を実線で、1
00℃の時の反射波を破線で示す。測定したときの導波
管部の温度が両者で異なるので、各々の接続部からの反
射波の到達時刻、すなわち反射波の到達時刻がずれる。
そこで、両者の反射波の到達時刻が同じになるように、
各々の反射波の到達時刻を検出し、10℃の時の波形を
100℃の波形の到達時刻に合わせて時間軸の左方向に
ずらして表示している。それぞれ測定時のホーン部の温
度が異なるので、接続部からの反射波とホーン先端から
の反射波との時間差τが変化し、両者の波形に差が生じ
ている。両者の差を求めた結果を同図(b)に示す。差
が生じている部分は100℃の時のホーン先端からの反
射波に相当するので、この差の波形から求めた時間td
は100℃の時のホーン先端からの反射波の伝播時間で
ある。すなわち、図2において波形23と22は、図6
の反射波38と35よりなる合成波であり、ホーン内部
温度が100℃と10℃の時の合成波である。
【0016】また、10℃の時の波形の初期時刻は10
0℃の時の波形のそれに合わせて表示してあるので、両
波形23と22の差を求めると、波形38の部分は消去
され、温度100℃と10℃の時の波形35の差が波形
24として生成される。この波形24から求めた時間t
d が100℃の時のホーン先端からの反射波の伝播時間
に相当する。
【0017】すなわち、常温時の反射波をあらかじめメ
モリに記憶しておき、測定時の反射波との差を求めるこ
とでホーン先端からの反射波の伝播時間が検出できる。
【0018】
【実施例】本発明の実施例を図1に示す。内部を120
0℃の高温流体が流れるダクト側壁29に音波送信器3
0と音波受信器31とからなる音波送受信器を一対取り
付けた。受信信号から伝播時間を求める処理部に、本発
明による反射波メモリ26と到達時刻修正器51と音波
センサ内伝播時間検出器52が設けてある。測定に先立
ち、ダクト内が常温の時に各々の音波送信器から音波を
発信し、同じ位置にあるマイクで受信した波形を反射波
メモリ26に記録した。
【0019】温度測定の手順を以下に示す。まず、制御
器4からの信号に基づき、波形発生器6と一方の音波送
信器30とを接続する。つぎに、制御器4から測定開始
信号を波形発生器6に発信し、波形発生器6はパルス信
号を発信する。このパルス信号が音波送信器のスピーカ
30で音波に変換され、導波管内を伝わって、ダクト内
に放出される。このとき、測定開始信号は同時にA/D
変換器9にも発信され、A/D変換器は音波受信器から
の信号をデジタル化し、受信波形用メモリ11に記録し
始める。伝播時間検出器12では、音波を発信した送信
器の反対側の受信器からの信号を用いて、伝播時間tAB
を求める。到達時刻修正器51では、まず、音波を発信
した送信器と同じ位置にある受信器で受信した波形(音
波センサ内の反射波)を用いて反射波の到達時刻を検出
する。つぎに、到達時刻修正器51では、あらかじめ記
録しておいた同じ経路の常温時の反射波の到達時刻と比
較し、両反射波の到達時刻が同じになるように常温時の
波形を修正(時間合わせ)した後、両波形の差を求め受
信波メモリ11に記憶する。音波センサ内伝播時間検出
器52では上記処理後の波形からホーン先端からの伝播
時間tdAを求める。
【0020】つぎに、リレーを切り替えて、他方の音波
送信器から音波を発信し、伝播時間tBA、tdBを求め
る。そして、温度演算器27では(1)式を用いてダク
ト内の伝播時間tを算出し、(2)式を用いて温度に換
算する。この結果は表示器28に表示される。図1に基
づいて説明した音響式温度計は本発明の好ましい具体例
を示すものであるが、本発明の全体範囲を逸脱すること
なく種々の変更が可能である。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、ホーン先端からの反射
波が直接波や接続部からの反射波と重なっても、ホーン
先端からの反射波の伝播時間が検出できるので、温度計
測の精度が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施例説明図である。
【図2】図2は、本発明の原理を説明する図である。
【図3】、
【図4】図3および図4は、従来技術の説明図である。
【図5】、
【図6】図5および図6は、従来技術の問題点の説明図
である。
【符号の説明】
4…制御器、5…リレー、6…波形発生器、9…A/D
変換器、10…受信用アンプ、11…受信波メモリ、1
2…伝播時間検出器、13…参照波形用メモリ、14…
スピーカ(送信用)A、15…マイク(受信用)B、1
6…スピーカB、17…マイクA、18…直接波、19
…反射波、20…到達波、22…10℃時反射波、23
…100℃時反射波、24…差、26…反射波メモリ、
27…温度演算器、28…表示器、29…側壁、30…
音波送信器、31…音波受信器、32…ホーン、33…
導波管、51…到達時刻修正器、52…音波センサ内伝
播時間検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01K 11/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定流体を囲む側壁に、導波管および
    /またはホーンと音波の送信器と受信器とから構成され
    る1台以上の音波センサを設け、前記送信器から被測定
    流体を経由し受信器に到達した音波の総伝播時間を測定
    し、該音波センサ内を反射する音波の伝播時間を求め、
    これらの時間と伝播経路の距離との関係より被測定流体
    の温度を算出する音響式温度測定方法において、基準時
    の音波センサ内の基準反射波形と測定時の該音波センサ
    内の反射波形とを記憶し、前記基準反射波形の初期時刻
    を測定時反射波形の初期時刻に合わせて両波形の差を求
    め、これにより音波センサ内の正しい伝播時間を求め、
    この伝播時間と前記総伝播時間とに基づき被測定流体の
    温度を算出することを特徴とする音響式温度測定方法。
  2. 【請求項2】 被測定流体を囲む側壁に設けられ、導波
    管および/またはホーンと音波の送信器と受信器とから
    構成される1台以上の音波センサと、前記送信器から被
    測定流体を経由し受信器に到達した音波の伝播時間を測
    定する総伝播時間検出器と、該音波センサ内を反射する
    音波の伝播時間を求める音波センサ内伝播時間検出器
    と、これらの時間と伝播経路の距離との関係より、被測
    定流体の温度を算出する温度演算器とを備えた音響式温
    度測定装置において、音波センサ内の基準反射波形を記
    憶する反射波メモリと、測定時に該音波センサ内の反射
    波を記憶する受信波メモリと、両メモリ内の反射波に基
    づき音波センサ内の正しい伝播時間を検出する手段とを
    設けたことを特徴とする音響式温度測定装置。
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EP3839495A1 (en) * 2019-12-18 2021-06-23 KIMA Process Control GmbH Device for acoustic temperature measurement

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3839495A1 (en) * 2019-12-18 2021-06-23 KIMA Process Control GmbH Device for acoustic temperature measurement
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