JP3350501B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジンな
どの内燃機関の排ガスなどのように変動する流体の流量
を測定する流量測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波を利用して流体の流量
を測定する超音波流量計が知られている。このような超
音波流量計は、自動車エンジンが排出する排ガスの流量
を超音波の送受信によって測定しており、自動車エンジ
ンの性能の把握や環境保全などの分野で利用されてい
る。そして、従来の超音波流量計は、１つの計測区間内
においてある間隔で流量を計測していた。

【０００３】図６は、従来の流量測定装置のブロック図
であり、図７は、従来の流量測定装置における周期的な
流量変動時の流量波形図である。図６に示すように、熱
式のフローセンサなどの流量検出部１０４が流体管路１
１０ｂに取り付けられており、この流量検出装置の出力
信号を信号処理部１０３がディジタル化する。流体の流
れに周期的な変動があるときには、信号処理部１０３の
出力信号を平均化部１０５が平均化して、流量演算部１
０６が平均流量を演算する。図７に示すように、この流
量測定装置は、流量を間欠的にサンプリングしており、
時間ｔ１，ｔ２，ｔ３における流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を
平均化して流量を算出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超音波
流量計では、内燃機関の排ガスのように、比較的高周波
で脈動する流体の流量を正確に測定することができず、
流量の平均値を算出するためには、長時間計測する必要
があった。また、流量の瞬時値に測定誤差が大きく、過
渡状態の測定が困難であった。さらに、排ガス規制が厳
しくなる中で、流量の平均値のみならず、流量の瞬時値
や脈動そのものを解析する必要が生じていた。このため
に、脈動の代表値を短時間で測定可能であり、かつ、脈
動流を再現可能な超音波流量計が求められていた。

【０００５】本発明の課題は、変動する流体の流量を精
度よく測定することができる流量測定装置を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下のような
解決手段により、前記課題を解決する。すなわち、請求
項１の発明は、内燃機関の排ガス流量を測定する流量測
定装置において、排ガスの流路内を脈動する流体に超音
波を送信する超音波送信部と、前記流体を通過した超音
波を受信する超音波受信部と、送信タイミングの異なる
複数の送信モードに基づいて、前記超音波送信部に超音
波を送信させる送信タイミング制御部と、前記超音波受
信部の出力信号に基づいて、前記流体の流量を演算する
流量演算部と、前記流量演算部の演算結果に基づいて、
前記送信モードを切り替える送信モード切替部とを含
み、前記送信モードが、クランク軸の一回転毎に発生す
るクランクパルスの一周期毎に所定のタイミングで超音
波を送信する第１の送信モードと、前記クランクパルス
の１周期毎に所定時間づつずらしたタイミングで超音波
を送信する第２の送信モードとを含むことを特徴とする
流量測定装置である。

【０００７】

【０００８】

【０００９】請求項２の発明は、前記送信モードは、ク
ランク軸の一回転毎に発生するクランクパルス間より狭
い所定の間隔で超音波を送信する第３の送信モードを含
むことを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置であ
る。

【００１０】請求項３の発明は、前記流量演算部の演算
結果に基づいて、前記第１の送信モードの送信タイミン
グを再設定する送信タイミング設定部を含み、前記送信
モード切替部は、再設定された記第１の送信モードに前
記第２の送信モードから切り替えることを特徴とする請
求項１又は２に記載の流量測定装置である。

【００１１】請求項４の発明は、前記流量演算部の演算
結果に基づいて、前記流量の変動が小さいか否かを判定
する流量変動判定部を含み、前記送信モード切替部は、
前記流量の変動が小さいときには、前記第１又は前記第
２の送信モードから前記第３の送信モードに切り替える
ことを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置であ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面などを参照して、本発
明の実施形態について、さらに詳しく説明する。なお、
以下では、本発明の実施形態に係る流量測定装置によっ
て、自動車の排ガスの流量を測定する場合を例に挙げて
説明する。図１は、本発明の実施形態に係る流量測定装
置のブロック図であり、図２は、排ガスの変動流による
波形を示す図である。本発明の実施形態に係る流量測定
装置は、図１に示すように、エンコーダ１と、送信タイ
ミング制御部２と、送受信回路３と、超音波送受信器４
ａ，４ｂと、流量検出回路５と、演算回路６とを備えて
いる。

【００１３】エンコーダ１は、自動車エンジン１０のク
ランク軸１０ａに取り付けられており、クランク軸１０
ａから角度信号を取り出して、分周／パルス発生回路２
１に出力する。エンコーダ１は、図２に示すように、ク
ランク軸１０ａの１回転（周期２π（角度３６０°））
毎に１個の第１クランクパルスを発生するとともに、ク
ランク軸１０ａが１回転する間に所定の間隔（角度０．
５°間隔）で７２０個の第２クランクパルスを発生す
る。

【００１４】図１に示す送信タイミング制御部２は、送
信タイミングの異なる複数の送信モードに基づいて、超
音波送受信器４ａ，４ｂに超音波を送信させる。送信タ
イミング制御部２は、モード設定回路２０と、分周／パ
ルス発生回路２１と、モード切替回路２２とを備えてい
る。送信タイミング制御部２は、送受信回路３に同期パ
ルス（トリガパルス）を出力する。

【００１５】モード設定回路２０は、手動操作によっ
て、予め設定された複数の送信モードから任意の送信モ
ードに設定する。モード設定回路２０は、排ガスの流動
波形の１周期毎に所定のタイミングで超音波を送信する
第１送信モード、排ガスの流動波形の１周期毎に所定時
間づつずらしたタイミングで超音波を送信する第２送信
モード及び所定の間隔で超音波を送信する第３送信モー
ドのいずれか１つのモードに設定する。

【００１６】分周／パルス発生回路２１は、モード設定
回路２０によって設定された送信モード及びエンコーダ
１の出力信号に基づいて、超音波同期信号を生成する。
この分周／パルス発生回路２１は、モード切替回路２２
を介して送受信回路３にトリガパルスを出力する。

【００１７】図３は、本発明の実施形態に係る流量測定
装置における分周／パルス発生回路の動作を説明するた
めの図であり、図３（ａ）は、第１送信モードに設定さ
れた場合の動作を示し、図３（ｂ）は、第２送信モード
に設定された場合の動作を示し、図３（ｃ）は、第３送
信モードに設定された場合の動作を示す。

【００１８】図３（ａ）に示すように、分周／パルス発
生回路２１は、第１送信モードに設定されたときには、
第１クランクパルスの発生時を基準として、第２クラン
クパルスのＮ発目にトリガパルスを発生する。その結
果、分周／パルス発生回路２１は、排ガスの変動流の任
意の点においてトリガパルスを出力する。

【００１９】図３（ｂ）に示すように、分周／パルス発
生回路２１は、第２送信モードに設定されたときには、
第１クランクパルスの発生時を基準として、１周期目に
は第２クランクパルスのＮ発目に、２周期目には第２ク
ランクパルスのＮ＋１発目に、・・・、ｎ周期目には第
２クランクパルスのＮ＋ｎ−１発目に、それぞれトリガ
パルスを発生する。その結果、分周／パルス発生回路２
１は、１周期毎に逐次変化（スイープ）させてトリガパ
ルスを出力する。

【００２０】図３（ｃ）に示すように、分周／パルス発
生回路２１は、第３送信モードに設定されたときには、
第２クランクパルスのＮ発目毎（予め決められた間隔）
にトリガパルスを発生する。

【００２１】図１に示すモード切替回路２２は、演算回
路６の演算結果に基づいて、送信モードを切り替える。
モード切替回路２２は、演算回路６の演算結果に基づい
て、第１送信モードの送信タイミングを再設定して、再
設定後の第１送信モードに第２送信モードから切り替え
たり、排ガス流量の変動が小さいときには、第１送信モ
ード又は第２送信モードから第３送信モードに切り替え
たりする。

【００２２】送受信回路３は、超音波送受信器４ａ，４
ｂに超音波の送信を指示したり、超音波送受信器４ａ，
４ｂの出力信号を所定の処理をして流量検出回路５に出
力する。

【００２３】超音波送受信器４ａ，４ｂは、管路１０ｂ
内を矢印方向に流れる排ガスに超音波を送信するととも
に、この排ガスを通過した超音波を受信する。超音波送
受信器４ａ，４ｂは、管路１０ｂに対して傾斜して配置
されており、この管路１０ｂの外壁に互いに対向して取
り付けられている。超音波送受信器４ａ，４ｂは、それ
ぞれ上流側と下流側とに配置されており、互いに超音波
を送受信する。

【００２４】図４は、本発明の実施形態に係る流量測定
装置における流量の測定方法を説明するための図であ
る。流量検出回路５は、超音波送受信器４ａ，４ｂの出
力信号に基づいて、管路１０ｂ内を流れる排ガスの流量
を演算する。流量検出回路５は、いわゆる逆数伝搬時間
差法を利用して排ガスの流量を演算する。流量検出回路
５は、ドップラー効果を考慮して、以下の式１及び式２
によって超音波の伝搬速度ｔ_１ ，ｔ_２ を測定する。

【００２５】

【式１】

【００２６】

【式２】

【００２７】ここで、ｔ_１ は、超音波送受信器４ａが
送信した超音波が超音波送受信器４ｂに到達するまでの
伝搬時間である。ｔ_２ は、超音波送受信器４ｂが送信
した超音波が超音波送受信器４ａに到達するまでの伝搬
時間である。Ｌは、超音波送受信器４ａと超音波送受信
器４ｂとの間の直線距離である。Ｃは、超音波の音速で
あり、Ｖは、排ガスの流速である。θは、管路１０ｂの
外壁面に対する超音波送受信器４ａ，４ｂの傾斜角度で
ある。

【００２８】流量検出回路５は、式１及び式２に基づい
て、以下の式３によって流速Ｖを演算し、その演算結果
を演算回路６に出力する。

【００２９】

【式３】

【００３０】流量検出回路５は、式３の演算結果、管路
１０ｂの断面積及び公知の流速分布の補正値などに基づ
いて、流量を演算する。

【００３１】図１に示す演算回路６は、流量検出回路５
の演算結果に基づいて、排ガスの流動波形を再現しこの
流動波形を解析したり、この流動波形の交流信号のゼロ
点や上下限におけるピーク点を演算したり、排ガス流量
の変動が小さいか否かを判定する。演算回路６は、その
演算結果をモード切替回路２２に出力する。

【００３２】次に、本発明の実施形態に係る流量測定装
置の動作を説明する。図５は、本発明の実施形態に係る
流量測定装置の動作を説明するフローチャートである。
ステップ（以下、Ｓという）１において、送信タイミン
グ制御部２は、送信モード１，２，３のいずれのモード
に設定されたか判断する。モード設定回路２０が送信モ
ード１に設定されたときには、Ｓ２に進み、モード設定
回路２０が送信モード２に設定されたときには、Ｓ３に
進み、モード設定回路２０が送信モード３に設定された
ときには、Ｓ９に進む。

【００３３】Ｓ２において、送信タイミング制御部２
は、送信モード１の処理を実行する。分周／パルス発生
回路２１は、図３（ａ）に示すように、第１クランクパ
ルスの発生時を基準として、第２クランクパルスのＮ発
目にトリガパルスを発生する。その結果、流量検出回路
５は、第２クランクパルスのＮ発目の発生時における排
ガス流量を測定する。

【００３４】Ｓ３において、送信タイミング制御部２
は、送信モード２の処理を実行する。分周／パルス発生
回路２１は、図３（ｂ）に示すように、ｎ周期目には第
２クランクパルスのＮ＋ｎ−１発目にトリガパルスを発
生する。その結果、流量検出回路５は、１周期目のＮ発
目、２周期目のＮ＋１発目、・・・、ｎ周期目のＮ＋ｎ
−１発目における排ガス流量をそれぞれ測定する。

【００３５】Ｓ４において、演算回路６は、流量検出回
路５の演算結果に基づいて、排ガスの変動流を再現す
る。演算回路６は、１周期目のＮ発目、２周期目のＮ＋
１発目、・・・、ｎ周期目のＮ＋ｎ−１発目における排
ガス流量を繋ぎ合わせて、流量波形を再現する。

【００３６】Ｓ５において、送信タイミング制御部２
は、送信タイミングが再設定されたか否かを判断する。
Ｓ４において、排ガスの流量波形が再現されるために、
この流動波形の交流信号のゼロ点、上下限ピーク値など
を検出して、これらの点に相当する送信タイミングを再
設定することができる。送信タイミング制御部２は、流
動波形の交流信号のゼロ点、上下限ピーク値などの任意
の点に送信タイミングが再設定されたか否かを判断す
る。送信タイミングが再設定されたときには、Ｓ６に進
み、送信タイミングが再設定されていないときには、Ｓ
７に進む。

【００３７】Ｓ６において、モード切替回路２２は、送
信モード１を再設定する。モード設定回路２０は、第２
クランクパルスのＮ値を任意の値に再設定して、トリガ
パルスを発生するタイミングを可変する。

【００３８】Ｓ７において、演算回路６は、流量検出回
路５が演算した排ガス流量が所定値よりも小さいか否か
を判断する。排ガス流量が所定値よりも小さいときに
は、Ｓ８に進む。

【００３９】Ｓ８において、モード切替回路２２は、送
信モード２から送信モード３に切り替える。排ガス流量
が所定値よりも小さいときには、脈動の影響が小さいと
考えられるために、モード切替回路２２は、測定間隔を
短くして排ガス流量を計測する送信モード３に送信モー
ド２から切り替える。

【００４０】Ｓ９において、送信タイミング制御部２
は、送信モード３の処理を実行する。分周／パルス発生
回路２１は、図３（ｃ）に示すように、第２クランクパ
ルスがＮ個発生する毎にトリガパルスを発生し、分周／
パルス発生回路２１は、クランク軸１０ａの回転角度と
は無関係に、予め決められた間隔でトリガパルスを発生
する。その結果、流量検出回路５は、測定間隔を短くし
て排ガス流量を測定することができる。

【００４１】本発明の実施形態に係る流量測定装置は、
以下に記載する効果を有する。 （１） 本発明の実施形態では、送信タイミングの異な
る複数の送信モード１，２，３に基づいて、超音波送受
信４ａ，４ｂに超音波を送受信させるので、任意のタイ
ミングで排ガスの流量を測定することができる。

【００４２】（２） 本発明の実施形態では、演算回路
６の演算結果に基づいて、モード切替回路２２によって
送信モードを切り替えるので、変動する流体の最適な流
量を測定することができる。

【００４３】（３） 本発明の実施形態では、排ガスの
流動波形の１周期毎に所定のタイミング（第１送信モー
ド）で超音波を送信するので、変動流の任意の点におけ
る流量を計測して、この変動流を容易に解析することが
できる。また、本発明の実施形態では、排ガスの流動波
形の１周期毎に所定時間づつずらしたタイミング（第２
送信モード）で超音波を送信する。その結果、各タイミ
ングにおける流量データを繋ぎ合わせることによって、
変動流を容易に再現し解析することができる。さらに、
本発明の実施形態では、クランク軸１０ａの回転角度と
は無関係に、所定の間隔（第３送信モード）で超音波を
送信するので、信頼性の高い流量平均値を測定すること
ができる。

【００４４】（４） 本発明の実施形態では、演算回路
６の演算結果に基づいて、モード切替回路２２によって
第１送信モードの送信タイミングＮを再設定する。その
結果、演算回路６によって再現された脈動流を参考にし
て、脈動流のゼロ点や上下限のピーク点に相当するタイ
ミングに送信タイミングＮを再設定し、変動流の平均値
やピーク値を精度よく測定することができる。

【００４５】（５） 本発明の実施形態では、流量の変
動が小さいときには、モード切替回路２２が第２送信モ
ードから第３送信モードに切り替わるので、測定間隔を
短くして信頼性の高い流量平均値を測定することができ
る。

【００４６】本発明は、以上説明した実施形態に限定す
るものではなく、以下に記載するように、種々の変形又
は変更が可能であって、これらも本発明の範囲内であ
る。 （１） 本発明の実施形態では、排ガスの流量を測定す
る場合を例に挙げて説明したが、測定対象となる流体
は、気体に限定するものではなく液体であってもよい。

【００４７】（２） 本発明の実施形態では、モード設
定回路２０によって送信モードを手動で切り替えている
が、これらを自動的に切り替えてもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
流路内を流れる流体に超音波を送信する超音波送信部
と、この流体を通過した超音波を受信する超音波受信部
と、送信タイミングの異なる複数の送信モードに基づい
て、超音波送信部に超音波を送信させる送信タイミング
制御部と、超音波受信部の出力信号に基づいて、流体の
流量を演算する流量演算部とを含むので、変動する流体
の流量を精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る流量測定装置のブロッ
ク図である。

【図２】排ガスの変動流による波形を示す図である。

【図３】本発明の実施形態に係る流量測定装置における
分周／パルス発生回路の動作を説明するための図であ
る。

【図４】本発明の実施形態に係る流量測定装置における
流量の測定方法を説明するための図である。

【図５】本発明の実施形態に係る流量測定装置の動作を
説明するためのフローチャートである。

【図６】従来の流量測定装置のブロック図である。

【図７】従来の流量測定装置における周期的な流量変動
時の流量波形図である。

【符号の説明】

１ エンコーダ ２ 送信タイミング制御部 ３ 送受信回路 ４ａ，４ｂ 超音波送受信器 ５ 流量検出回路 ６ 演算回路 １０ エンジン １０ａ クランク軸 １０ｂ 管路 ２０ モード設定回路 ２１ 分周／パルス発生回路 ２２ モード切替回路

フロントページの続き (73)特許権者 598172181 山崎 哲 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院計量研究所内 (73)特許権者 591056927 財団法人日本自動車研究所 東京都千代田区神田錦町３丁目20番地 神田ユニオンビル (74)上記４名の代理人 100097021 弁理士 藤井 紘一 （外１名） (72)発明者 高本 正樹 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院計量研究所内 (72)発明者 山崎 哲 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院計量研究所内 (72)発明者 細井 賢三 茨城県つくば市苅間2530 財団法人日本 自動車研究所内 (72)発明者 新井 悟司 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 (72)発明者 清水 和義 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 (56)参考文献 特開2000−337939（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/66 G01F 1/72

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排ガス流量を測定する流量測
   定装置において、 排ガスの 流路内を脈動する流体に超音波を送信する超音
   波送信部と、 前記流体を通過した超音波を受信する超音波受信部と、 送信タイミングの異なる複数の送信モードに基づいて、
   前記超音波送信部に超音波を送信させる送信タイミング
   制御部と、 前記超音波受信部の出力信号に基づいて、前記流体の流
   量を演算する流量演算部と、前記流量演算部の演算結果に基づいて、前記送信モード
   を切り替える送信モード切替部とを含み、 前記送信モードが、クランク軸の一回転毎に発生するク
   ランクパルスの一周期毎に所定のタイミングで超音波を
   送信する第１の送信モードと、 前記クランクパルスの１周期毎に所定時間づつずらした
   タイミングで超音波を送信する第２の送信モードとを含
   むことを特徴とす る流量測定装置。
2. 【請求項２】 前記送信モードは、クランク軸の一回転
   毎に発生するクランクパルス間より狭い所定の間隔で超
   音波を送信する第３の送信モードを含むことを特徴とす
   る請求項１に記載の流量測定装置。
3. 【請求項３】 前記流量演算部の演算結果に基づいて、
   前記第１の送信モードの送信タイミングを再設定する送
   信タイミング設定部を含み、 前記送信モード切替部は、再設定した第１の送信モード
   に前記第２の送信モードから切り替えることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の 流量測定装置。
4. 【請求項４】 前記流量演算部の演算結果に基づいて、
   前記流量の変動が小さいか否かを判定する流量変動判定
   部を含み、 前記送信モード切替部は、前記流量の変動が小さいとき
   には、前記第１又は前記第２の送信モードから前記第３
   の送信モードに切り替えることを特徴とする請求項２に
   記載の 流量測定装置。