JP3274115B2

JP3274115B2 - 超音波流量計及びこれを備えた流量測定装置

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Publication number: JP3274115B2
Application number: JP32331799A
Authority: JP
Inventors: 和義清水
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: JP2001141534A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に流体物質とし
ての高温流体、例えば、排気ガス、高温空気等の高精度
な流量測定が可能な超音波流量計及びこれを備えた流量
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波流量計としては、図８に示
すものがある。

【０００３】図８は、従来の超音波流量計の原理を示す
断面図である。

【０００４】図８に示すように、この超音波流量計１０
５は、測定管１０１と、電気−音響変換手段としての一
対の超音波送受波器（トランスデューサ）１０２、超音
波送受波器１０３とからなっている。

【０００５】測定管１０１は、断面がほぼ真円状で、管
内直径がＤとなっている。この測定管１０１の管壁に
は、管軸に対してθの角度（例えば、θ＝１５度）で超
音波送受波器１０２と超音波送受波器１０３とが対向し
て取付固定されている。これらの超音波送受波器１０２
及び超音波送受波器１０３は、ピエゾセラミック素子
（ＰＺＴ）で構成されている。

【０００６】超音波送受波器１０２及び超音波送受波器
１０３は、間欠的に交互に２００ｋＨｚ程度の超音波ビ
ームを発射し、この超音波ビームの伝播時間に基づいて
ガスの流量を演算する。すなわち、図８に示すように、
矢印で示すガスの流れの方向に対して上流側、下流側に
設けた超音波送受波器１０２及び超音波送受波器１０３
から測定管１０１の内部を横切るように発射された超音
波ビームを双方で切り替えて、これら順逆方向の伝播時
間ｔ₁，ｔ₂を繰り返し計測する。

【０００７】この計測した時間を逆数にして演算するこ
とによって音速Ｃの影響をなくし、以下の式を得る。

【０００８】

【数２】

【０００９】

【数３】

【００１０】式（１）及び（２）より式（３）が得られ
る。

【００１１】

【数４】

【００１２】ただし、Ｌ：超音波の伝播路長（Ｌ＝Ｄ／ｓｉｎθ）Ｄ：管内径Ｃ：流体物質中の音速 θ：超音波伝播路と管軸のなす角Ｖ：超音波伝播路上の線平均流速

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波流量計１
０５は、超音波を空中に伝播させ時間計測を行う素子、
すなわち超音波振動子としてピエゾセラミック素子（Ｐ
ＺＴ）を使用している。この素子のキューリー温度は、
例えば１８０℃程度であり、キューリー温度を越える条
件下では使用することができない。

【００１４】すなわち、この従来の超音波流量計１０５
では流体物質としての高温流体、例えば、排ガス、高温
空気等の測定には好適なものではない。例えば、排ガ
ス、高温空気等の高温の流体の温度は、３００〜４００
℃であり、従来の超音波流量計に使用しているピエゾセ
ラミック素子（ＰＺＴ）のキューリー温度（１８０℃程
度）より高温になっている。

【００１５】そこで、本発明の目的は、排ガス、高温空
気等の流体物質としての高温流体中であっても従来の超
音波流量計に使用されているピエゾセラミック素子（Ｐ
ＺＴ）を用いることができ、しかも安価に構成すること
のできるとともに、流量測定部の温度勾配を一定に制御
して高精度の流量測定を行うことのできる超音波流量計
を提供することである。また、この超音波流量計を備え
て高精度の流量測定を行うことができる流量測定装置を
提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波流量
計は、一方の電気−音響変換手段から出射した超音波を
測定管内の流体物質中を透過させて他方の電気−音響変
換手段で受波し、これらを双方で切り替えて超音波伝播
時間を測定して測定管内部を流れる流体物質の流量測定
を行う超音波流量計であって、測定管と、前記測定管の
管軸に対して所定の角度で該測定管の外壁に取り付けら
れ、、前記電気−音響変換手段を該測定管から外方へ離
れる方向に所定距離だけ引き込んで形成された冷却空間
を内部に有する取付管と、前記取付管の端部に取付固定
された前記電気−音響変換手段とを備え、前記取付管に
設けられて前記冷却空間に連通する導入管及び排気管
と、前記冷却空間内の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段からの信号に基づいて空気を加熱又は
冷却して所定の温度に制御された恒温空気を供給する温
度制御装置とを備え、前記温度制御装置は、所定の温度
に制御した恒温空気を前記導入管から供給して、前記冷
却空間内の温度を一定に保持することを特徴とする。

【００１７】

【００１８】また、前記電気−音響変換手段は超音波送
受波器であって、ピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）から
なる超音波振動子を有するものである。

【００１９】また、前記測定管と前記取付管との管内側
の接合部に前記冷却空間と流体物質の流路とを隔離する
隔壁を有するものである。

【００２０】また、前記取付管の外周に前記電気−音響
変換手段を冷却する冷却手段を有するものである。

【００２１】また、前記冷却手段は、複数の放熱フィン
である。

【００２２】また、前記冷却手段は、冷却水循環装置と
冷却パイプとからなるものである。

【００２３】また、本発明の流量測定装置は、エンジン
の吸気側であって流体物質の流動方向の上流側に前記流
体物質の圧力の変化を緩和するサージタンクと、前記流
体物質の流速分布の乱れを整える整流部とを備え、前記
吸気側の流体物質の流量を測定する第１の超音波流量計
と、前記エンジンの排気側の流体物質の流量を測定する
第２の超音波流量計とを有し、少なくとも第２の前記超
音波流量計は、一方の電気−音響変換手段から出射した
超音波を測定管内の流体物質中を透過させて他方の電気
−音響変換手段で受波し、これらを双方で切り替えて超
音波伝播時間を測定して測定管内部を流れる流体物質の
流量測定を行う超音波流量計であって、測定管と、前記
測定管の管軸に対して所定の角度で該測定管の外壁に取
り付けられた取付管と、前記取付管の端部に取付固定さ
れた前記電気−音響変換手段とを備え、前記取付管は、
前記電気−音響変換手段を前記測定管から外方へ離れる
方向に所定距離だけ引き込んで形成した冷却空間を内部
に有し、前記冷却空間内の温度を所定の温度で一定に保
持する温度制御手段を有するものである。

【００２４】また、前記第２の超音波流量計における超
音波の伝播路長をＬ、超音波の順逆方向の伝播時間をｔ
₁及びｔ₂としたときに、前記流体物質の絶対温度Ｔを次
式

【数５】により求めるものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明によ
る超音波流量計及びこれを備えた流量測定装置の第１実
施例について説明する。

【００２６】図１は、本発明による超音波流量計の一部
断面を含む図、図２は図１に示す超音波流量計の平面図
である。

【００２７】図１及び図２に示すように、この超音波流
量計１は、測定管２と、電気−音響変換手段としての一
対の超音波送受波器（トランスデューサ）３及び超音波
送受波器４ともう一組の超音波送受波器（トランスデュ
ーサ）５及び超音波送受波器６とからなっている。

【００２８】測定管２は、断面が真円状で管内直径Ｄの
円筒管であって、その上下外周部にフランジ２ａ及びフ
ランジ２ｂを有している。このフランジ２ａ及びフラン
ジ２ｂは、外周面に所定の間隔で複数の取付穴７が設け
られている。この取付穴７を用いてボルト等による締結
部材により計測しようとする流体物質の供給管と取り付
ける。なお、測定管２は、円筒でなくてもよく、例えば
断面が四角形状の角形管等、他の形状のものを使用する
ことも可能である。

【００２９】また、超音波送受波器３及び超音波送受波
器４は、測定管２の管軸Ｏ₁に対して所定の角度θ（例
えば、θ＝６０度）で傾斜して前記測定管２の外壁に取
付られた略円筒状の取付管８の両端部に超音波送受波器
３と超音波送受波器４とが対向する状態に取付固定され
ている。この超音波送受波器３及び超音波送受波器４の
超音波振動子は、ピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）で構
成されている。

【００３０】超音波送受波器３（または超音波送受波器
４）は、図１に示すように、取付管８（一方を８ａ、他
方を８ｂとする）の中心軸Ｏ₂と測定管２との交点Ｘ₁か
ら所定の距離ΔＬ／２だけ測定管２から外方へ離れる方
向に引き込まれて取り付けられている。これによって、
前記取付管８の内部に冷却空間２５が形成される。した
がって、超音波送受波器３と超音波送受波器４との間の
距離Ｌ₁は、Ｌ₁＝Ｌ＋ΔＬとなる。ここで、例えばＬ₁
を３０ｃｍとすると、Ｌは１０ｃｍ、ΔＬは２０ｃｍと
なる。すなわち、ΔＬ／２≧Ｌの関係になっている。

【００３１】また、前記冷却空間２５は、前記測定管２
と前記取付管８（取付管８ａ及び取付管８ｂ）との管内
側の接合部に設けられた隔壁１０によって流体物質の流
路２ｃと隔離されており、流体物質の流量測定部として
作用する。前記隔壁１０は、微細な網目状の構造を持つ
金属膜等からなり、前記超音波送受波器３及び超音波送
受波器４が発生する超音波ビームの進行を妨げずに透過
させることができるとともに、前記流路２ｃ内を流動す
る高温の流体物質と前記冷却空間２５内の空気とが互い
に混合することを防止している。

【００３２】なお、超音波送受波器４は、超音波送受波
器３と同一であるので説明を省略する。

【００３３】また、他方の超音波送受波器５及び超音波
送受波器６は、超音波送受波器３及び超音波送受波器４
と同一の構成からなり、測定管２の外周管壁に超音波送
受波器３及び超音波送受波器４の取付管８の中心軸Ｏ₂
に対して９０度離間した位置であって、前記取付管８と
同一の構成からなる取付管９の両端部に超音波送受波器
５と超音波送受波器６とが対向する状態に取付固定され
ている。

【００３４】したがって、本発明による超音波流量計１
は、一方の超音波送受波器３及び超音波送受波器４と、
他方の超音波送受波器５及び超音波送受波器６の２組の
超音波送受波器を有している。この２組の超音波送受波
器により流体物質の流速を計測して誤差を補正すること
によって高精度な流量の測定が可能になっている。

【００３５】また、前記取付管８ａ及び取付管８ｂに
は、各々の前記冷却空間２５に連通する導入管２０ａ及
び排気管２０ｂが設けられている。前記導入管２０ａ及
び排気管２０ｂは、流体物質の流量測定部である前記冷
却空間２５を設定した所定の温度に制御して温度勾配を
一定に保持する温度制御手段（後述する）の一部であ
り、温度制御装置２１（図３、図５及び図６に図示）に
よって所定の温度に制御された恒温空気が前記導入管２
０ａから前記冷却空間２５内に供給され、前記排気管２
０ｂから前記冷却空間２５内の空気が排出される構成に
なっている。なお、本実施例では前記冷却空間２５内の
空気を前記温度制御装置２１に還流して所定の温度に制
御する構成になっているが、前記冷却空間２５内の空気
を前記排気管２０ｂからそのまま外部に排出してもよ
い。

【００３６】また、前記取付管９にも、前記取付管８と
同一の構成からなる導入管２０ａ及び排気管２０ｂが設
けられている。

【００３７】以下の説明においては、前記超音波送受波
器３及び超音波送受波器４に基づいて説明を行い、同一
の構成からなる前記超音波送受波器５及び超音波送受波
器６についての説明を省略する。

【００３８】まず、本発明による超音波流量計１が備え
る温度制御手段について図３及び図４を参照して説明す
る。図３は、温度制御手段が前記取付管８（前記取付管
８ａ及び取付管８ｂ）に取り付けられた状態を示す一部
断面を含む図、図４は、温度制御手段による温度の制御
方法を示すフローチャートである。

【００３９】温度制御手段は、前記温度制御装置２１
と、前記冷却空間内の空気の温度を検出する温度検出手
段である温度センサ２２と、前記導入管２０ａと、前記
排気管２０ｂとからなる。前記温度制御手段は、流体物
質の流量測定部である前記冷却空間２５内の空気の温度
を所定の温度で一定に保持して前記冷却空間２５内の温
度勾配を一定に制御するものであり、前記冷却空間２５
内の温度は、ピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）からなる
前記超音波送受波器３及び超音波送受波器４のキュリー
温度より低い温度であって、かつ可能な範囲で高温に設
定することが好ましく、本実施例では１５０℃に設定さ
れている。すなわち、前記流路２ｃ内を流動する流体物
質の温度と前記冷却空間２５内の空気の温度との差を小
さく設定することによって、流体物質と前記超音波送受
波器３及び超音波送受波器４の取付部位との温度差に基
づく測定誤差が小さくなり、高精度な測定が可能にな
る。

【００４０】前記温度センサ２２は、前記取付管８の内
壁に取り付けられており、前記冷却空間２５内の空気の
温度を検出して前記温度制御装置２１に信号を出力す
る。前記温度制御装置２１は、コンピュータ等からなる
制御部と、空気を加熱する加熱装置及び冷却する冷却装
置（ともに図示せず）等からなり、前記温度センサ２２
からの信号に基づいて、所定の設定温度（本実施例では
１５０℃）に制御した恒温空気を前記導入管２０ａから
前記冷却空間２５内に供給する。すなわち、前記温度セ
ンサ２２からの信号が設定温度より低ければ加熱装置を
作動させて空気を加熱し、逆に設定温度より高ければ冷
却装置を作動させて空気を冷却して設定された温度に制
御された恒温空気を流量の制御を行いながら供給する構
成になっている。

【００４１】また、前記冷却空間２５内の空気は、前記
排気管２０ｂから排出される。本実施例では前記排気管
２０ｂから排出される空気を前記温度制御装置２１に還
流して所定の一定温度に制御する構成になっており、前
記冷却空間２５内の温度勾配は、所定の設定温度（本実
施例では１５０℃）で一定に保持される。すなわち、前
記冷却空間２５内の空気の温度が部位によってばらつい
て測定誤差が発生することを防止することができ、測定
精度が高いものになっている。なお、温度センサ２２の
取付位置は、前記取付管８の前記冷却空間２５の温度を
適正に検出可能であれば、取付場所及び取付位置は適宜
選定すればよく、また、前記温度センサ２２の数につい
ても適宜選定すればよい。また、本実施例では、前記冷
却空間２５内に恒温空気を供給する構成になっている
が、これに限らず、窒素等の種々の気体を恒温に制御し
て供給する構成であってもよい。

【００４２】ここで、前記温度制御手段による前記冷却
空間２５内の空気の温度制御方法について、図４を参照
して説明する。

【００４３】図４に示すように、第１のステップ（Ｓ
１）において、前記温度センサ２１による前記冷却空間
２５内の温度測定及び前記冷却空間２５内に供給する空
気の温度測定が行われる。前記冷却空間２５内に供給す
る空気の温度測定は、前記温度制御装置２１が有する温
度センサ（図示せず）により行われる。

【００４４】次に、前記温度制御装置２１が備える前記
制御部（図示せず）は、前記冷却空間２５内の測定温度
及び前記冷却空間２５内に供給する空気の測定温度と、
あらかじめ設定した設定温度（例えば、１５０℃）との
差に基づいて、供給する空気の冷却又は加熱の比率を演
算する（第２のステップ（Ｓ２））。

【００４５】すなわち、前記温度センサ２２からの信号
が設定温度より高ければ、前記冷却空間２５内の温度を
設定温度まで下降させるために必要な冷却の比率を演算
して、供給する空気の温度を所定の温度にまで冷却する
信号を出力する。また、逆に設定温度より低ければ、前
記冷却空間２５内の温度を設定温度まで上昇させるため
に必要な加熱の比率を演算して、供給する空気の温度を
所定の温度にまで加熱する信号を出力する。

【００４６】そして、前記温度制御装置２１は、前記制
御部（図示せず）からの信号に基づいて、前記加熱装置
（図示せず）又は前記冷却装置（図示せず）を作動させ
（第３のステップ（Ｓ３））、供給する空気を加熱又は
冷却して設定された温度に制御された恒温空気を流量の
制御を行いながら供給（第４のステップ（Ｓ４））す
る。

【００４７】また、本発明による超音波流量計１の測定
の基本原理は、図８に示す従来の前記超音波流量計１０
５と同様であり、前記超音波送受波器３及び超音波送受
波器４から間欠的に交互に２００ｋＨｚ程度の超音波ビ
ームを発射し、この超音波ビームの伝播時間に基づいて
ガスの流量を演算する。すなわち、ガスの流れの方向に
対して上流側、下流側に設けた前記超音波送受波器３及
び超音波送受波器４から前記測定管２の内部を横切るよ
うに発射された超音波ビームを双方で切り替えて、これ
ら順逆方向の伝播時間ｔ₁，ｔ₂を繰り返し計測する。

【００４８】ここで、図８に示す従来の超音波流量計１
０５と同様に、前記超音波送受波器３及び超音波送受波
器４を前記冷却空間２５を設けない正規の位置に取り付
けた場合の超音波伝播路上の線平均流速Ｖは、上述の式
（３）により求めることができるが、前記冷却空間２５
を設けて前記取付管８の端部に前記超音波送受波器３及
び超音波送受波器４を取り付けた場合の超音波伝播路上
の線平均流速Ｖ’も同様に求めることができる。すなわ
ち、

【００４９】

【数６】

【００５０】

【数７】

【００５１】上記式（４）及び（５）のΔＬ／Ｃは、前
記冷却空間２５を設けたときの補正量である。

【００５２】したがって、上記式（４）及び（５）より
式（６）が得られる。

【００５３】

【数８】

【００５４】ただし、Ｌ：超音波の伝播路長（Ｌ＝Ｄ／ｓｉｎθ）Ｄ：管内径Ｃ：流体物質中の音速ｔ₁’，ｔ₂’：順逆方向の伝播時間 θ：超音波伝播路と管軸のなす角Ｖ’：超音波伝播路上の線平均流速

【００５５】そして、前記流速Ｖ’を公知の式により計
算することにより、体積流量Ｑを求めることができる。
このとき、前記冷却空間２５内の空気は前記温度制御装
置２１等からなる前記温度制御手段によって所定の一定
温度に制御され、温度勾配が一定に保持されていること
から、流体物質の流量測定部である前記冷却空間２５内
の温度のばらつきに基づく測定誤差が小さく、高精度な
測定が可能になっている。

【００５６】また、本発明による超音波流量計１は、前
記超音波送受波器３及び超音波送受波器４を前記測定管
２から外方に向けて所定の距離だけ引き込んで前記取付
管８（取付管８ａ、取付管８ｂ）の両端部に取り付けて
形成した前記冷却空間２５を前記取付管８の内部に有
し、かつ前記冷却空間２５内の空気を所定の一定温度に
制御する構成になっていることから、排ガス、高温空気
等の高温流体に適用した場合でも前記超音波送受波器３
及び超音波送受波器４が有する超音波振動子のキューリ
ー温度より低い温度で測定することができる。

【００５７】次に、本発明による超音波流量計の第２実
施例を図５を参照して説明する。図５は、本発明による
超音波流量計の第２実施例を示す一部断面図である。な
お、第１実施例と同一の構成及び機能を有する部分は同
一の符号を用いて説明し、説明が重複する部分について
は説明を省略する。

【００５８】本発明による超音波流量計１の第２実施例
は、ピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）からなる超音波振
動子を有する前記超音波送受波器３及び超音波送受波器
４を急速に冷却する冷却手段を備えているものである。

【００５９】図５に示すように、前記測定管２に取り付
けられた前記取付管８（前記取付管８ａ及び取付管８ｂ
（ただし、図５には前記取付管８ｂ側のみを図示してい
る））の外周には、前記超音波送受波器３及び超音波送
受波器４が備える超音波振動子に対応する幅に冷却手段
としての複数の放熱フィン１１が設けられている。前記
放熱フィン１１は前記取付管８と別部材からなっている
が、一体で構成してもよい。この放熱フィン１１は、前
記取付管８内の熱を大気中に自然放熱させるものであ
り、前記超音波送受波器３及び超音波送受波器４の超音
波振動子に対応する幅に設けられていることから、前記
超音波振動子を確実に、かつ急速に冷却して前記超音波
振動子が有するキューリー温度以下に保持することがで
きる。したがって、前記超音波送受波器３及び超音波送
受波器４に対する冷却効果が高く、前記冷却空間２５内
の温度をより高い温度に設定して、測定する流体物質の
温度との温度差をより小さくすることが可能であり、流
体物質と前記超音波送受波器３及び超音波送受波器４の
取付部位との温度差に基づく測定誤差をさらに小さくす
ることができる。なお、符号４ａは、超音波送受波器４
の超音波振動子への電源コードを示す。

【００６０】次に、本発明による超音波流量計１の第３
実施例について、図６を参照して説明する。図６は本発
明による超音波流量計の第３実施例を示す一部断面図で
ある。なお、本発明の第３実施例は、第２実施例と同様
にピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）からなる超音波振動
子を有する前記超音波送受波器３及び超音波送受波器４
を急速に冷却する冷却手段を備えているものであり、第
１実施例及び第２実施例と説明が重複する部分について
は説明を省略する。

【００６１】図６に示すように、前記測定管２に取り付
けられた前記取付管８（前記取付管８ａ及び取付管８ｂ
（ただし、図６には前記取付管８ｂ側のみを図示してい
る））の外周には、冷却水循環装置１５及び冷却パイプ
１６からなる冷却手段が設けられている。前記冷却水循
環装置１５は、外部のポンプ（図示せず）等から供給さ
れた水を冷却して冷却パイプ１６に供給し、循環させな
がら前記超音波送受波器３及び超音波送受波器４を冷却
する。また、前記冷却パイプ１６は、前記取付管８の外
周に複数条巻き回されており、前記超音波送受波器３及
び超音波送受波器４が備える超音波振動子に対応する幅
に取り付けられている。したがって、前記超音波振動子
を確実に、かつ急速に冷却して前記超音波振動子のキュ
ーリー温度以下に保持することが可能であり、前記冷却
空間２５内の温度をより高い温度に設定して、流体物質
と前記超音波送受波器３及び超音波送受波器４の取付部
位との温度差に基づく測定誤差をさらに小さくすること
ができる。

【００６２】なお、本発明による超音波流量計において
は、第２実施例としての前記放熱フィン１１と、第３実
施例としての前記冷却パイプ１６を別々の構成として説
明しているが、前記放熱フィン１１と前記冷却パイプ１
６とを同じ前記取付管８に組み合わせて構成してもよ
い。その他、本発明の趣旨の範囲内で適宜組み合わせて
使用することも可能である。

【００６３】次に、本発明の第４実施例として、本発明
の超音波流量計１を備えた流量測定装置について、図７
を参照して説明する。図７は、本発明の第４実施例とし
ての流量測定装置を示す平面図である。なお、本発明の
第４実施例としての流量測定装置は、第１実施例乃至第
３実施例の前記超音波流量計１のうち少なくともいずれ
か１を備えたものであり、第１実施例乃至第３実施例と
説明が重複する部分については説明を省略する。

【００６４】図７に示すように、本発明の超音波流量計
１を備えた流量測定装置５０は、例えば、船や自動車の
エンジンなどの吸気流量及び排気流量を測定するシステ
ムとして好適であり、エンジン３５の吸気側３５ａに設
けられて、流体物質の流動方向（矢印Ａ方向）の上流側
から順次接続されたサージタンク３１、整流部（整流装
置）３２及び第１の超音波流量計としての前記超音波流
量計１０５と、前記エンジン３５の排気側３５ｂに設け
られた第２の超音波流量計としての前記超音波流量計１
とからなり、それぞれ、配管パイプ４０によってエンジ
ン３５と連通している。なお、前記吸気側３５ａから流
入する流体物質、この場合、空気は常温であることか
ら、本実施例では、低温側である前記吸気側３５ａの流
量測定に従来の前記超音波流量計１０５を使用し、前記
エンジン３５からの排気ガスによって高温になる前記排
気側３５ｂの流量測定にのみ前記超音波流量計１を使用
しているが、前記吸気側３５ａ（低温側）及び前記排気
側３５ｂ（高温側）の両方に前記超音波流量計１を使用
してもよい。

【００６５】前記サージタンク３１は、前記エンジン３
５の吸入及び排気動作にともなって発生する流体物質の
圧力の変化を緩和して脈動流を防止するものである。ま
た、前記整流部（整流装置）３２は、流体物質の流速分
布の乱れを整えるものであり、前記サージタンク３１及
び前記整流部３２を流体物質の流動方向（矢印Ａ方向）
の上流側、すなわち、前記超音波流量計１０５及び前器
量音波流量計１より前段の位置に設けることによって、
前記超音波流量計１０５及び前記超音波流量計１におけ
る流体物質の流量測定の精度を向上させることができ
る。

【００６６】また、前記流量測定装置５０は、前記吸気
側３５ａの流体物質の圧力を測定する圧力測定部３６ａ
及び温度を測定する温度測定部３７を有している。前記
吸気側３５ａ側から流入する流体物質、この場合、空気
は常温であるとともに、温度の変動が少ないことから、
前記温度測定部３７には熱電対などの種々の温度センサ
を使用することができる。

【００６７】一方、前記排気側３５ｂにも流体物質、こ
の場合、前記エンジン３５から発生する排ガスの温度を
測定する温度測定手段及び圧力を測定する圧力測定部３
６ｂを備えている。前記排気側３５ｂが備える前記温度
測定手段については、前記エンジン３５から発生する排
ガスが高温であるとともに、前記エンジン３５の作動に
ともなう温度の変動が大きいことから、熱電対などの通
常の温度センサでは応答速度が不十分である。そこで、
本実施例では前記温度測定手段として、前記超音波流量
計１を使用する構成になっており、超音波で温度測定を
行うことによって流体物質の急激な温度変化にも追従し
て高精度な温度測定が可能になっている。以下、前記超
音波流量計１による温度測定の原理について説明する。

【００６８】第２の超音波流量計である前記超音波流量
計１による温度の測定は、流体物質の流量測定の際に測
定する超音波ビームの伝播時間に基づいて演算すること
ができる。すなわち、前記超音波送受波器３及び超音波
送受波器４から間欠的に交互に２００ｋＨｚ程度の超音
波ビームを発射して計測した超音波ビームの伝播時間を
流体物質の温度測定の演算にも適用することができる。

【００６９】まず、前述の式（１）及び式（２）から流
体物質中の音速Ｃの関係を求めると、次式（７）のよう
になる。

【００７０】

【数９】

【００７１】ここで、流体物質中の音速Ｃは、流体物質
の圧力や水蒸気圧及び流体物質の温度の影響を受け、そ
の関係は次式（８）のようになる。

【００７２】

【数１０】

【００７３】ただし、Ｃ：流体物質中の音速Ｔ：流体物質の絶対温度ｅ：水蒸気圧ｐ：流体物質の圧力である。

【００７４】式（８）において、ｅ／ｐは十分小さいこ
とから、次式（９）が得られる。

【００７５】

【数１１】

【００７６】したがって、式（７）及び式（９）から流
体物質の絶対温度Ｔは、次式（１０）により求めること
ができる。

【００７７】

【数１２】

【００７８】以上のようにして求められた高温側である
前記排気側３５ｂを流動する流体物質（この場合、排ガ
ス）の温度及び圧力と、低温側である前記吸気側３５ａ
を流動する流体物質（この場合、空気）の温度及び圧力
とによって、例えば、前記排気側３５ｂ及び前記吸気側
３５ａを流動する流体物質の質量流量Ｍをそれぞれ演算
することができる。

【００７９】すなわち、質量流量Ｍは、上記式（３）及
び上記式（６）から得られる流体物質の流速Ｖ及び流速
Ｖ’を公知の式により演算して求められる体積流量Ｑ
と、流体物質の密度ρとの積として各々求めることがで
きるが、この密度ρを測定した流体物質の温度及び圧力
で補正して演算することにより、質量流量Ｍについても
高精度で測定することができる。

【００８０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなとおり、本発明に
よる超音波流量計は、電気−音響変換手段としての超音
波送受波器を測定管から外方へ所定距離引き込んで取り
付けて冷却空間を形成し、流量測定部として作用する前
記冷却空間内の温度勾配を温度制御手段によって一定に
制御する構成であることから、排ガス、高温空気等の流
体物質としての高温の流体中であっても電気−音響変換
手段としての超音波送受波器を構成する超音波振動子の
キューリー温度を越えることがなく、従来の超音波流量
計に使用されているピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）を
用いて安価に構成することができるとともに、流量測定
部の温度のばらつきに基づく測定誤差を防止して高精度
な流量測定を行うことができる。

【００８１】また、本発明による流量測定装置は、例え
ば、船や自動車のエンジンなどの吸気流量及び排気流量
を測定するシステムとして好適であり、本発明の超音波
流量計によって安価に構成することができるとともに、
排ガス等の高温の流体物質の流量を高精度に測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波流量計の一部断面を含む図
である。

【図２】図１に示す超音波流量計の平面図である。

【図３】温度制御手段が取付管８（取付管８ａ及び取付
管８ｂ）に取り付けられた状態を示す一部断面を含む図
である。

【図４】温度制御手段による温度の制御方法を示すフロ
ーチャートである。

【図５】本発明による超音波流量計の第２実施例を示す
一部断面図である。

【図６】本発明による超音波流量計の第３実施例を示す
一部断面図である。

【図７】本発明の第４実施例としての流量測定装置を示
す平面図である。

【図８】従来の超音波流量計の原理を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１超音波流量計２測定管２ａ、２ｂフランジ２ｃ流路３，４，５，６超音波送受波器４ａ電源コード７取付穴８（８ａ，８ｂ）、９取付管１０隔壁１１放熱フィン１５冷却水循環装置１６冷却パイプ２０ａ導入管２０ｂ排気管２１温度制御装置２２温度センサ２５冷却空間３１サージタンク３２整流部３５エンジン３５ａ吸気側（低温側）３５ｂ排気側（高温側）３６ａ、３６ｂ圧力測定部３７温度測定部４０配管パイプ５０流量測定装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の電気−音響変換手段から出射した
超音波を測定管内の流体物質中を透過させて他方の電気
−音響変換手段で受波し、これらを双方で切り替えて超
音波伝播時間を測定して測定管内部を流れる流体物質の
流量測定を行う超音波流量計であって、測定管と、前記測定管の管軸に対して所定の角度で該測定管の外壁
に取り付けられ、、前記電気−音響変換手段を該測定管
から外方へ離れる方向に所定距離だけ引き込んで形成さ
れた冷却空間を内部に有する取付管と、前記取付管の端部に取付固定された前記電気−音響変換
手段とを備え、前記取付管に設けられて前記冷却空間に連通する導入管
及び排気管と、前記冷却空間内の温度を検出する温度検
出手段と、前記温度検出手段からの信号に基づいて空気
を加熱又は冷却して所定の温度に制御された恒温空気を
供給する温度制御装置とを備え、前記温度制御装置は、所定の温度に制御した恒温空気を
前記導入管から供給して、前記冷却空間内の温度を一定
に保持することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】前記電気−音響変換手段は、超音波送受
波器であって、ピエゾセラミック素子（ＰＺＴ）からな
る超音波振動子を有することを特徴とする請求項１記載
の超音波流量計。
【請求項３】前記測定管と前記取付管との管内側の接
合部に前記冷却空間と流体物質の流路とを隔離する隔壁
を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の
超音波流量計。
【請求項４】前記取付管の外周に前記電気−音響変換
手段を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求
項１乃至請求項３のうちいずれか１記載の超音波流量
計。
【請求項５】前記冷却手段は、複数の放熱フィンであ
ることを特徴とする請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】前記冷却手段は、冷却水循環装置と冷却
パイプとからなることを特徴とする請求項４記載の超音
波流量計。
【請求項７】エンジンの吸気側であって流体物質の流
動方向の上流側に前記流体物質の圧力の変化を緩和する
サージタンクと、前記流体物質の流速分布の乱れを整え
る整流部とを備え、前記吸気側の流体物質の流量を測定する第１の超音波流
量計と、前記エンジンの排気側の流体物質の流量を測定
する第２の超音波流量計とを有し、少なくとも第２の前記超音波流量計は、一方の電気−音
響変換手段から出射した超音波を測定管内の流体物質中
を透過させて他方の電気−音響変換手段で受波し、これ
らを双方で切り替えて超音波伝播時間を測定して測定管
内部を流れる流体物質の流量測定を行う超音波流量計で
あって、測定管と、前記測定管の管軸に対して所定の角
度で該測定管の外壁に取り付けられた取付管と、前記取
付管の端部に取付固定された前記電気−音響変換手段と
を備え、前記取付管は、前記電気−音響変換手段を前記
測定管から外方へ離れる方向に所定距離だけ引き込んで
形成した冷却空間を内部に有し、前記冷却空間内の温度
を所定の温度で一定に保持する温度制御手段を有するこ
とを特徴とする流量測定装置。
【請求項８】前記第２の超音波流量計における超音波
の伝播路長をＬ、超音波の順逆方向の伝播時間をｔ₁及
びｔ₂としたときに、前記流体物質の絶対温度Ｔを次式【数１】により求めることを特徴とする請求項７記載の流量測定
装置。