JP4724714B2 - 音響流量計の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスの流速を測定するために用いられる、超音波流量計を含む音響流量計に関するものである。

流体を通過する音響エネルギーの伝達パルスは、その流体の状態及び性質、特にその流速及び温度の測定に役立つ。ピエゾセラミック素子は、一般的に、超音波音響パルス又は連続波場を発生させる音響変換器に利用されている。

超音波流量計は、以下の式を用いて、排ガスの流速を測定する。
（１／Ｔ１−１／Ｔ２）＝２×Ｖ×ｃｏｓφ／Ｌ
ここで、Ｔ１は上流方向への超音波パルスの伝播時間、Ｔ２は下流方向への超音波パルスの伝播時間、Ｖは管内を流れる排ガスの流速、φは超音波ビームと管との角度、及び、Ｌは送受信器間の超音波ビームの経路の長さある。

伝播時間（すなわちＴ１及びＴ２）は、管内を横切って超音波パルスを送信し、その超音波パルスが受信器で検出されるまでの時間差（すなわち伝播時間）を計測して、測定される。排ガスの流速が０ｆｔ／ｓの場合、典型的な伝播時間は３．１インチの経路の距離で約２２０μｓである。流量が最大のとき、つまりガスの流速が約１５０ｆｔ／ｓの場合には、上流方向への伝播時間は約２５６μｓであり、下流方向への伝播時間は約３４μｓである。

測定された伝播時間は、排ガスの温度により影響を受ける。空気中の音速は、以下の式により、温度とともに変化する。
Ｃ＝２０．０３×（Ｔ_ｇａｓ）^１／２
ここで、Ｃは単位メートル毎秒あたりの音速で、Ｔ_ｇａｓは単位ケルビンあたりのガスの絶対温度である。

室温では、Ｔ_ｇａｓは２９８Ｋであり、Ｃは３４５ｍ／ｓ又は１１３５ｆｔ／ｓである。ガスの温度が４２５℃の高温の場合、Ｔ_ｇａｓは６９８Ｋであり、Ｃは５２９ｍ／ｓ又は１７３６ｆｔ／ｓである。

超音波流量計が２９８Ｋのガス温度で校正される場合、ガスの流速は以下の式により算出される。
Ｖ＝（１／Ｔ１−１／Ｔ２）×Ｌ／（２×ｃｏｓφ）

ガスの温度が６９８Ｋまで上昇した場合、この速度式は、実際のガスの流速との差異が５％〜１０％見られる。

更なる背景技術は、米国特許番号第５，７５６，３６０号、第４，３３６，７１９号、第５，２１７，０１８号、第５，１５９，８３８号、第６，３４３，５１１号、第５，２４１，２８７号、第４，７４３，８７０号、第５，４３８，９９９号、第４，２９７，６０７号、及び第６，３０７，３０２号に記載されている。

以上の理由から、音響流量計の校正方法の改善が必要とされている。

したがって本発明は、音響流量計の改良した校正方法を提供することをその目的とするものである。

本発明は、温度上昇に伴う超音波変換器の遅延時間のばらつき、すなわち、Ｔ１_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝Ｔ１−Ｔ_{ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ}を解決するものである。超音波パルスは、２９８Ｋのテスト条件の下、変換器、それに接続された測定用電子増幅器及び同軸ケーブルを伝播するのに通常約１２μｓを必要とする。本発明は、この遅延時間が、温度により変化することに着目したものである。

本発明は、超音波流量計の校正に関する複数の方法を含む。広い意味では、これら方法は、温度変化に伴う遅延時間のばらつきを解決とするものである。第１の方法においては、送受信器間の距離（経路の距離）の校正、及び広範囲の温度における前記変換器の遅延時間の校正が最適化される。第２の方法においては、流量計の出力が、（一般的な１／Ｔ密度補正を超えて）流量計のガス温度に基づいて温度補正される。これら２つの方法は、本発明に従い、それぞれ単独で超音波流量計において実施されてもよいし、それらを組み合わせて超音波流量計において実施されてもよい。本発明に含まれる方法は、音響流量計を含む種々のアプリケーション、例えば排ガスのサンプリングシステムに用いられてもよい。

図１は、１０におけるバックミニダイリュータ（ＢＭＤ）法サンプリングシステムを示す。サンプリングシステム１０は、排ガス吸気口１２を有する主管を含む。流量計１４は、前記主管を流れる流体の流れを測定し、総排気量が累算される。流量計１４は、直接排ガス測定による測定信号を提供し、本発明に基づいて校正される。その実施によっては、ブロワ（送風機）１６が前記主管内の流体の流れを補助してもよい。

サンプルライン１８は、前記主管から排ガスをサンプリングする。希釈ガス吸気口２０は、希釈ガスを受け入れる。定流量制御部２２及び定流量制御部２４（マスフローコントローラ又は臨界流量ベンチュリ）は、混合部において略一定の比率となるように、希釈ガスの流量及びサンプリングされた排ガスの流量をそれぞれ制御する。ポンプ２６は、前記希釈ガスとサンプリングされた排ガスとの混合ガスを最終的に捕集するために送り出す。比例流量装置２８は、前記主管を流れる流量に比例する流量をサンプル採取バッグ３２に供給する。したがって、バイパス３０は、前記混合ガスの一部を前記採取ガスから排気するために設けられている。

図２は、前記主管を横切るように対向して配置される一組の音響変換器４０を詳細に示す流量計１４を図示するものである。流量計１４は、適宜変形可能である。変換器４０もまた適宜変形可能である。すなわち、本発明は音響流量計の校正方法に関するものであり、サンプリングシステムにおける一組の超音波流量計の校正により例示される。

本発明によると、送受信器間の距離の校正、及び広範囲の温度における変換器の遅延時間の校正が最適化される。更に本発明によると、流量計の出力は、（一般的な１／Ｔ密度補正を超えて）排ガス流量計のガス温度に基づき温度補正される。これら２つの方法は、それぞれ単独で超音波流量計において実施されてもよいし、それらを組み合わせて超音波流量計において実施されてもよい。好ましい実施形態では、これら２つの校正方法が組み合わされて、以下に詳述するように、実施される。

好ましい実施形態は、以下の実施例により最も理解されるであろう。

＜実施例＞
本実施例における超音波流量計は、２９８Ｋで空気を流すことにより校正され、距離はキャリパー（caliper）を用いて計測して３．２６０インチとした。伝播時間はガスの流速を正しく測定するために調整され、以下の変換器の遅延時間が導かれた。
第１経路（Channel1）の変換器に対し、Ｔ１_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝Ｔ１−９．０μｓ、Ｌ＝３．２６０インチ
第２経路（Channel2）の変換器に対し、Ｔ１_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝Ｔ１−５．７μｓ、Ｌ＝３．２６０インチ

Ｔ２_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}に対しても同じ結果が適用される。これらの校正要素により、２０℃〜約２５０℃までの温度範囲において満足な流速測定を行うことができた。ガス温度が２５０℃〜４５０℃の温度範囲において測定された流速には、絶えず誤差が生じた。

＜解決例＞
本実施例における好ましい実施形態の解決例には、２つの方法があり、以下にそれぞれの方法について、好ましいアプローチを示す。

第１の方法は、異なる温度下でのデータを生成し、あらゆる温度下で最も正しい結果を導き出すために、距離（Ｌ）の値及び変換器の遅延時間（ｔｗ）の値を最適化する。
Ｖ_{Ｔ＝２３Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _２３ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _２３ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝２３Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、
Ｖ_{Ｔ＝１００Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _１００ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _１００ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝１００Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、
Ｖ_{Ｔ＝１５０Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _１５０ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _１５０ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝２３Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、
Ｖ_{Ｔ＝２００Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _２００ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _２００ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝２００Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、
Ｖ_{Ｔ＝２５０Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _２５０ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _２５０ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝２５０Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、
Ｖ_{Ｔ＝３００Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _３００ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _３００ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝３００Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、
Ｖ_{Ｔ＝３５０Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _３５０ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _３５０ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝３５０Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）、及び、
Ｖ_{Ｔ＝４００Ｃ}＝｛１／（Ｔ１−ｔｗ _４００ ）−１／（Ｔ２−ｔｗ _４００ ）｝×Ｌ_{Ｔ＝４００Ｃ}／（２×ｃｏｓφ）

あらゆる温度下における、本実施例の距離（Ｌ）及び変換器の遅延時間（ｔｗ）のおおよその最適条件は以下の通りである。
第１経路（Channel1）の変換器に対し、Ｔ１_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝Ｔ１−２０．０μｓ、Ｌ＝３．１３５インチ
第２経路（Channel2）の変換器に対しＴ１_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝Ｔ１−１３．５μｓ、Ｌ＝３．１７０インチ

温度により最適化した変換器の遅延時間は、室温における値（the ambient value）とは実際には異なることを留意する必要がある。チャネル１は９．０μｓから２０．０μｓまで変化し、チャネル２は５．７μｓから１３．５μｓまで変化し、その変化率はそれぞれ１２２％、１３７％であった。距離の変化は比較的小さく、３．２６０インチから３．１３５インチに変化し、その差は３．８％である。

５０℃〜３７５℃の温度範囲においては、距離及び変換器の遅延時間のこれらの値により、図３に示すように、超音波流量計の音速測定値を、各温度下での正確な算出値の１％以内とすることができる。これは、超音波流量計の流速測定が、この温度範囲においてほぼ安定していることを示している。

図４は、本実施例における温度下で測定された体積について一貫して生じる誤差を示す。本実施例では、この誤差を補正するために第２の方法を用いる。

第２の方法は、このグラフ（図４）に基づいて、２５ＳＣＦＭ（立方フィート毎分）の一定の空気流量では、３５０℃の温度範囲において、超音波流量計の測定体積に２ＣＦＭ（立体フィート毎分）の変化がある。この誤差は、５０ＳＣＦＭ及び９０ＳＣＦＭの高い流量で略同一であることが見出された。この誤差は、本実施例において、次の式により特徴付けられる。
Ｑ´＝Ｑ−０．０６×Ｑ×Ｔ／４００＋２
ここでＱはＳＣＦＭ単位の測定した流量である（一般の多項式又はその他のモデルが代わりに用いられてもよいと理解される。）。

第２の方法によると、この補正は超音波流量計のユーザ機能に含まれ、次のような結果になる。加重燃費（weighted fuel economy）のためのＦＴＰ７５走行モードはＣＶＳの０．８％以内で、ＨＷＦＥ走行モードは０．６％以内で、ＵＳ０６走行モードは０．６％以内である。

本発明の好ましい実施形態は、温度による遅延時間のばらつきを解決するための校正方法として、本発明の２つの方法それぞれを組み合わせることであると理解される。これら２つの方法に対する好ましいアプローチは、実施例で述べている。他のアプローチでも、広範囲の温度における距離の校正及び変換器の遅延時間の校正が可能であり、そして、流量計出力の温度補償が可能であると理解される。本発明の１つ又は両方の方法を実施するための実施形態は、広範囲の温度における使用に対応できる。一方、先行技術における超音波流量計は、非常に制限された温度範囲においてのみ使用可能であり、大きな熱変換器を用いて、ガス温度がその制限された温度範囲となるようにしなければならない。

これまで、本発明の実施形態を説明し述べてきてが、これらの実施形態は本発明のすべての可能な実施形態を論述しているものではない。また、本明細書において使われた用語は、制限を加えるものではなく説明するための用語であって、本発明の趣旨とその範囲を逸脱することなく様々な変更がなされうると解される。

本発明に係るＢＭＤ法サンプリングシステムを示す図。 図１のシステムにおける流量計を示す図。 本発明の第１の方法による距離及び変換器の遅延時間の最適校正された音速の誤差を示すグラフ。 本発明の第２の方法により温度補正で修正される測定体積の誤差を示すグラフ。

Claims (9)

1. 第１の音響変換器及び第２の音響変換器を含み、当該第１の音響変換器及び第２の音響変換器が管を横切る経路を定めるように配置され、当該経路が所定の角度で前記管を横断する音響流量計において、前記管を流れる流体の流速又は流量を、前記経路と、前記変換器の遅延時間を考慮して測定された音響パルスの前記経路の上流方向への伝播時間と、前記変換器の遅延時間を考慮して測定された音響パルスの前記経路の下流方向への伝播時間とに基づいて測定する測定方法であって、
   前記流体が前記管内を既知の流速又は流量で流れる場合において、複数の異なる流体温度に対し、各温度における音響パルスの上流方向への生の伝播時間及び音響パルスの下流方向への生の伝播時間を生成し、
   前記生成された生の各伝播時間及びそれに関連する既知の流速又は流量に基づいて、音響流量計を校正するために経路の長さ及び変換器の遅延時間を見積もり、前記見積もられた経路の長さ及び前記見積もられた変換器の遅延時間により、広範囲の温度において、流体の流速又は流量を測定可能にし、
   前記管を流れる前記流体の流速又は流量を、前記校正中に見積もられた経路の長さと、前記上流方向への生の伝播時間及び前記校正中に見積もられた変換器の遅延時間の差分と、前記下流方向への生の伝播時間及び前記校正中に見積もられた変換器の遅延時間の差分とに基づいて測定し、
   測定された前記流体の流速又は流量を、前記流体の温度に基づいて補正する測定方法。
2. 前記音響流量計の第１の変換器及び第２の変換器が、第１経路を規定するものであり、さらに、前記音響流量計が第２経路を規定する第３の変換器及び第４の変換器を備えている請求項１記載の測定方法。
3. 前記音響流量計により測定された流体の流速に基づいて流体の流量を測定し、測定された前記流体の流量を、前記流体の温度に基づいて補正する請求項１又は２記載の測定方法。
4. 前記音響流量計により測定される流体の流速を温度に基づいて補正し、
   流体の流量を測定する際に前記補正された流速を用いる請求項１又は２記載の測定方法。
5. 前記補正が、温度を変数とする多項式関数である補正要素によって前記流体の流速又は流量をさらに補正するものである請求項１乃至４いずれかに記載の測定方法。
6. 前記流体の流速又は流量を補正するために用いられる多項式が一次多項式である請求項５記載の測定方法。
7. 第１の音響変換器及び第２の音響変換器を含み、当該第１の音響変換器及び第２の音響変換器が管を横切る経路を定めるように配置され、当該経路が所定の角度で前記管を横断する音響流量計において、前記管を流れる流体の流速又は流量を、前記経路と、前記変換器の遅延時間を考慮して測定された音響パルスの前記経路の上流方向への伝播時間と、前記変換器の遅延時間を考慮して測定された音響パルスの前記経路の下流方向への伝播時間とに基づいて測定する測定方法であって、
   前記管を流れる流体の流速又は流量を、前記経路の長さと、前記変換器の遅延時間及び測定された音響パルスの前記経路の上流方向への伝播時間の差分と、前記変換器の遅延時間及び測定された音響パルスの前記経路の下流方向への伝播時間の差分とに基づいて測定し、
   前記音響流量計により測定された流体の流速又は流量を、前記流体の温度に基づいて補正する測定方法。
8. 前記補正が、温度を変数とする多項式関数である補正要素によって前記流体の流速をさらに補正するものである請求項７記載の測定方法。
9. 前記流体の流速を補正するために用いられる多項式が一次多項式である請求項８記載の測定方法。