JPH0280922A - ガス流体の流速および温度を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は流体の流速および温度の測定方法に係り、特に
ダクト内のガス流体の流速および温度を超音波を使って
測定する方法に関する。

〔従来の技術〕

温度の計測方法には数多くあるが、その使用形式から接
触式と非接触式とに大別される。接触式のものは熱電対
に代表されるように挿入点の温度を極めて高精度に測定
することができる。これに対し、ふく射温度計のような
非接触式のものは精度はやや落ちるものの高温度の物体
を遠距離からでも測定できることから工業的には利用度
が高い。

非接触式では光学を応用したものが多いが、最近では音
波を用いる方法が着目されている。代表的な例を第８図
に示す。第８図において、コンピュータ８から指令が出
ると信号発生器４から正弦波信号が発生し、アンプ３に
よって増幅され送信器１７から音波が発生する。この音
波は受信器１８で検出され、アンプ６、フィルタ７を経
てコンピュータ８に入る。コンピュータでは指令から受
信までの伝播時間を用いて、ガス１５の温度を算出する
。伝播時間仁と温度Ｔには次の関係がある。

ｔ＝／／ｃ　　＝ｌ／ａ　ｍ了　・（１）ここで、ａ−
ガス性状で決まる定数 β＝発信器から受信器までの距離 Ｃ−ガスの音速 つまり、音速を計測することによって温度を逆算するの
である。

第８図の場合はガスの温度が均一でないと使用できない
が、第９図に示す例（特開昭６１−２６５５４０号）送
信と受信を兼ねた送受信器を炉壁２１の周囲に複数配置
し伝播経路２０のように音波を飛ばしその伝播時間を測
定する。すなわち、第１０図のように可能なかぎりの伝
播経路を測定し、断面における温度分布を算出する。こ
の方法をＣＴ法、コンピュータトモグラフィ法という。

第１０図の破線で示した矩形要素内では温度は一定とす
ると、それぞれの伝播時間ｔｎは各要素における伝播時
間ｔｉの積算値となる。

Ｌｎ＝Σｔｉ　　　　　　　　　・・・（２）各要素に
おけるｔｌは（１）式のむと同じであるから、要素数よ
りも多数の伝播経路を測定すれば、連立方程式を解くこ
とによって各要素の温度が求まる。

なお、第９図の測定系を第１１図に示す。基本構成は第
８図とほとんど変わらないが、複数の送受信器１９を切
り換えるためのスキャナ２．５が加わっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第８図および第１１図の例は温度のみを求めるものであ
るが、工業的にはさらに流体の速度も必要な場合がある
。例えば、火炉内における燃焼状態を把握する場合には
各要素における熱量が必要となる。つまり、第１０図に
おいて各要素を垂直に通過するガス量が必要な場合であ
る。

しかし、従来技術では速度分布までは求めることができ
ない。なお、平均ガス流速を第８図の構成と類似の方法
で測定する方法は知られている（特開昭５６−７４６２
２号）。ガス流速が存在する場合、（１）式は次のよう
になる。

ｔ　＝　１　／　ｃ　＝　１　／　（Ｖ　＋　ａ　５　
）　−（３）ここで、■は伝播方向と同じ方向の速度成
分である。音波を順方向に飛ばした場合と逆方向に飛ば
した場合では■の符号が異なるので、もの値が異なり、
それらを連立解法することにより、■、Ｔをそれぞれ分
離することができる。ただし、この方法は平均速度の測
定しかできない。

さらに、第１Ｏ図の方法（ＣＴ法）に類似したものとし
て第１２図の例があるが（実開昭５５１０９８３６号）
、この方法は伝播経路の交点の温度を求めるものであり
、■）交点の温度しか求まらない、２）最小２乗法が使
えず精度が悪い、３）送・受信器の数に対して計測点が
少ないなどの欠点をもっている。

第１３図は全く交差しない伝播経路を用いたＣＴ法の例
を示す。第１２図が５ケの交点の温度を算出するのに対
し、第１３図では任意の破線で区切られた４つの要素の
温度が求まる。

また、ＣＴ法では第１４図のように第１２図と同数の送
受信器数とした場合、伝播経路は１５ケとることができ
る。この場合、１５ケの要素の温度が求まるのはもちろ
んであるが、最小２乗法を通用すれば１５ケ以下の要素
を精度良く計測でき、非常に実用的である。

さらに、送受信器数が少ない場合、実開昭５５−１０９
８３６号では第１５図のように１点しか温度が求まらな
いのに対し、ＣＴ法では第１６図のように４ケの要素の
温度が求まる。

〔課題を解決するための手段〕

上記従来技術の課題は、ダクト内を流れるガス流体の流
速および温度を測定する方法において、ダクトのガス流
れ方向の複数断面内のダクト壁に互いに対をなす多数の
超音波送受信装置を配置し、上記各対をなす超音波送受
信装置間で超音波伝送経路を構成し、各伝送経路の長さ
と各伝送経路の超音波の往路伝播時間および復路伝播時
間を測定して各経路内のガス流速およびガス温度を求め
、これによりダクト内のガス流体の流速および温度を測
定する方法により解決される。

〔作用〕

立体的に配置された送受信器間の伝播時間を往路と復路
でそれぞれ計測する。伝播時間は立体内の要素における
速度ベクトルと温度の関数となっているが、往路、復路
の伝播時間差は速度ベクトルのみの関数となる。従って
、複数の往路、復路の伝播時間差を連立させて解くこと
により、立体内の要素における速度ベクトルが求まる。

つぎに、この速度ベクトルと複数の往路、復路の伝播時
間和を連立することによって、立体内の要素における温
度が求まる。

〔実施例〕

第１図に本発明の実施例を示す。本実施例のシステムは
コンピュータ８、信号発生器４、送信用アンプ３、送信
用スキャナ２、受信用スキャナ５、受信用アンプ６、フ
ィルタ７、および本発明に基づいて配置された送受信器
１よりなる。

コンピュータ８から出た音波発生用のトリガ信号は信号
発生器４を駆動させ、正弦波を発生する。

この出力は微少なので送信用アンプ３で増幅する。

増幅された正弦波は送信用スキャナ２によって送信器１
０に到る。ここで電気信号は音波に変換される。本例で
用いた音波の周波数は３〜４０ＫＨ２の音波であり、出
力は５０Ｗｔである。送信器１ａから出た音波は受信器
１ｂで検出され電気信号に変換される。本例では送信と
受信を兼ねたセンサを用いている。音波は複数の受信器
で検出されるが、受信用スキャナ５によって選択され、
アンプ６で増幅してコンピュータ８まで送られる。

この時、信号には不要なノイズが含まれているのでバン
ドパスフィルタ７によってノイズを除去する。

本発明における送受信器の配置状況を第２図に示す。送
受信・器は取付は位置１９で示された場所に設置されて
いる。ダクト１４は２ｍ×３ｍの寸法であり、この中を
温度分布および速度分布をもったガスが流れている。ガ
スの平均温度は約３００℃でその分布中は±５０゛Ｃで
ある。平均流速は約１０ｍ／秒でその分布中は±５ｍ／
秒程度である。■断面につき１０個の送受信器がダクト
の周囲に設置されている。本例では２断面に配置してお
り、合計で２０（［１ｉ１配置している。

送受信の組み合わせはあらかじめコンピュータにプログ
ラムしてあり、送受信用スキャナを駆動するようになっ
ている。第２図に示した状態ではガス流１３に対し下流
側から上流側に音波を飛ばしているが、この逆の上流側
から下流側への経路も測定する。つまり、同一経路に対
し往路と復路で伝播時間を計測する。

ダクト内の各要素では往路に対しては、ｔｌ−’　／　
（Ｖ　＋　ａ　７０）−（４）復路に対しては ｔ２−１！／　（Ｖ＋ａ　５０）・（５）となる。従っ
て式（４）、（５）を連立することによって■とＴが求
まる。ただし、■は伝播経路方向の速度成分であるから
、種々の方向から測定し、ベクトル合成して実際の速度
ベクトルを求める。

これはダクト内の各要素に対して成立するから全経路を
測定すれば温度分布と速度ベクトル分布を求めることが
できる。速度ベクトルを求めるには最低でも３個の速度
成分が必要であるから、第２図では２６の経路を測定し
ているので８個の要素で速度ベクトルと温度分布が求ま
る。第２図の場合２０個の送受信器があるので原理的に
はより以上の経路が考えられるが、壁面に沿う経路では
計測不能となるので、本例の場合２６本の経路となって
いる。

第３図に示した例は送受信器１９を上下４段に配置し、
さらに３次元的な計測を可能にしたものである。送受信
器は合計４０個付いている。

第４図に示した例は送受信器の配置を千鳥状にしたもの
である。第２図および第３図の場合、縦横同一線上に配
列しているため、列と列との間が計測されず、各要素の
測定値に偏りが発生する場合がある。これを解消したの
が、第４図の例である。

この他に、本発明の応用として任意の３次元配置が考え
られるが、原理は同じである。

第１図の送受信器を拡大して示したのが第５図であり、
セラミックスセンサ１を用いている。セラミックスセン
サではより周波数の高い音波が得られ、高分解能な計測
が可能である。

第６図の例は送信器１７と受信器１８を同一の座に設け
たものである。この場合、専用の送信、受信器が使用で
きるので、大出力の計測が可能で騒音レベルの高い場所
に通す。

第７図の例は第５図の送受信器１７．１８をダクト１４
内のガス流体１５内部に挿入したものである。この場合
、壁面での影響を受けにくいので、より精度の高い測定
が可能である。

〔発明の効果］ 本発明によれば、ダクト内を流れるガス流体の流速およ
び温度を同時に測定することができ、特にダクト内のガ
ス流れ方向の複数断面について立体的な計測が行なわれ
るので、ダクト内のガスの速度ベクトルを正確に求める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図、第２図〜第４図は本発
明における送受信器の配置図、第５図は送受信器の取付
部説明図、第６図〜第７図は本発明の送受信器の取付要
領図、第８図は従来技術の説明図、第９図は従来技術に
おける送受信器の配置図、第１Ｏ図は従来例における送
受信経路図、第１１図は従来技術における装置の系統図
、第１２図〜第１６図は従来技術の説明図である。 第２図 第３図 】４：ダクト 】６：送受１用配線 】７：送信器 １８：受ｍ器 第１ 送受信器 送信用スキャナ 送信用アンプ 信号発生器 受信用スキャナ 受１言用アンブ フィルタ コンピュータ ガス 第 図 １ら 第 図 第１０ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ダクト内を流れるガス流体の流速および温度を測定する
   方法において、ダクトのガス流れ方向の複数断面内のダ
   クト壁に互いに対をなす多数の超音波送受信装置を配置
   し、上記各対をなす超音波送受信装置間で超音波伝送経
   路を構成し、各伝送経路の長さと各伝送経路の超音波の
   往路伝播時間および復路伝播時間を測定して各経路内の
   ガス流速およびガス温度を求め、これによりダクト内の
   ガス流体の流速および温度を測定する方法。