JPH04328424A - 超音波気体流量計 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えば超音波を用いて
管路内を流れる気体の流量を測定する超音波気体流量計
の測定精度の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の超音波気体流量計の一例を
示すブロック図であり，１は管路，２は第１超音波プロ
ーブ，３は第２超音波プローブ，２８は伝搬時間測定回
路，２９は流量演算回路，Ｄは管路１内径，Ｌは管路１
内の超音波伝搬路長，Ｖは流速である。従来の超音波気
体流量計は上記のように構成され，内径Ｄの管路１の中
心からθだけ傾いた軸上に第１超音波プローブ２と第２
超音波プローブ３を配置し，それぞれの超音波プローブ
には伝搬時間測定回路２８および流量演算回路２９が接
続される。

【０００３】管路１内に音速Ｃの気体が流速Ｖにて矢示
の方向へ流れている場合，第１超音波プローブ２から第
２超音波プローブ３への超音波が伝搬するのに要する時
間ｔｕは

【数１】 また第２超音波プローブ３から第１超音波プローブ２へ
の超音波伝搬時間ｔｄは

【数２】 τは固定遅延時間，すなわち超音波信号の第１波からト
リガ波まで，あるいは回路やケーブルなどによって生じ
る時間遅れの総和を示す。

【０００４】上記伝搬時間ｔｕ，ｔｄを用いて流量演算
回路２９にて流量を算出する。伝搬時間の逆数の差から
の流速Ｖは

【数３】 従って流量Ｑは管路１の断面図をＳとすると

【数４】 （３）式を代入して

【数５】 上式のとおり流量Ｑを得る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような超音波気
体流量計では，気体流量の測定は管路１内気体の流れの
順方向ならびに逆方向における超音波伝搬時間の逆数の
差と温度補正された音速Ｃを用いて行う。上記測定の超
音波伝搬時間には固定遅延時間τが含まれている。超音
波伝搬時間は送信回路から超音波プローブ，超音波伝搬
路長Ｌ，超音波プローブから受信回路により形成される
超音波伝搬路にかかわり，例えばφ１００管路１におい
ては上記値は約４００μｓ，しかし流量測定にかかわる
順方向と逆方向との伝搬時間差△ｔは管路１寸法や流速
に依存するが約３０〜４０μｓである。超音波伝搬路に
生ずる固定遅延時間τは，超音波プローブの管路１への
実装後には測定できない上，その値は超音波プローブ毎
に異なるため管路１への実装前に測定し設定値として記
憶して置かなければならない。

【０００６】また固定遅延時間τは振動子の弾性定数が
変わりその結果共振周波数が変化して時間差測定におけ
る固定遅延時間τが変動して，上記設定値との間に偏差
が生じスケールファクタが変化するため流量測定精度が
低下するという問題点があった。

【０００７】この発明はかかる問題点を解決するために
なされたもので，温度発信器にて測定された気体温度か
ら求められた音速を用いることにより，予め固定遅延時
間を測定することなく当該遅延時間にかかわらない気体
流量が得られる超音波気体流量計を得ることを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る超音波気
体流量計は，管路内気体温度を測定する温度発信器と，
温度発信器からの気体温度を絶対温度に変換する温度測
定回路と，管路内気体の流れに対する順方向ならびに逆
方向の超音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路と，
管路寸法や管路への超音波プローブ取付姿態ならびに気
体温度から音速への変換などにかかわる定数を設定する
係数設定器と，伝搬時間測定回路にて測定された順方向
および逆方向の伝搬時間から得られた伝搬時間差と温度
測定回路からの絶対温度ならびに係数設定器からの定数
に基づいて気体流量への変換を行う流量演算回路とを設
けたものである。

【０００９】

【作用】この発明においては，気体が流れている管路の
中心軸に対して傾斜した直線上に対向配置された一対の
超音波プローブを用いて，両者の間を流れる気体の方向
に対して順方向および逆方向の超音波伝搬時間を測定し
，これらから得られた伝搬時間差や管路内気体温度から
変換さらた絶対温度，ならびに管路寸法や管路へのプロ
ーブ取付姿態などの係数に基づいて流量演算回路におい
て気体流量を測定する。

【００１０】上記測定においては，順方向ならびに逆方
向への超音波伝搬時間の伝搬時間差を用いるため，超音
波伝搬路の固定遅延時間は両者に共通な温度その他に起
因する変動の影響が除去できる。流量測定におけるスケ
ールファクタの安定化が図れ測定精度が著しく向上でき
る。

【００１１】

【実施例】この発明の一実施例を添付図面を参照して詳
細に説明する。図１はこの発明の一実施例を示すブロッ
ク図であり，１，２，３，Ｃ，Ｖ，θ，τは上記従来流
量計と同一で，同一符号は同一または相当部分を示す。 ４は温度発信器，５は超音波伝搬時間を測定する伝搬時
間測定回路，６は気体温度を絶対温度へ変換する温度測
定回路，７は管路１寸法や管路１への超音波プローブの
取付姿態ならびに温度と音速との関連を示す諸定数を設
定する係数設定器，８は気体の流れる順方向ならびに逆
方向の伝搬時間差△ｔに基づき流量を算出する流量演算
回路，９は減算器，１０，１１は乗算器を示している。

【００１２】上記のように構成された超音波気体流量計
においては，気体が流れている管路１の中心軸に対して
傾斜した直線上に被測定流体を介して対向させて実装し
た，第１超音波プローブ２から第２超音波プローブ３へ
超音波が伝搬するのに要する時間の移動平均値ｔｕ，お
よび逆に第２超音波プローブ３から第１超音波プローブ
２へ超音波が伝搬する際の時間の移動平均値ｔｄが下記
のとおり求められる。

【００１３】音速Ｃの気体が流速Ｖで流れている場合，
第１超音波プローブ２から第２超音波プローブ３へ超音
波が伝搬するのに要する時間ｔｕは

【数６】 第２超音波プローブ３から第１超音波プローブ２への超
音波の伝搬時間ｔｄは

【数７】 流量演算回路８においてそれぞれの超音波伝搬時間ｔｕ
，ｔｄから流量を算出する，すなわち伝搬時間差△ｔは

【数８】

【００１４】空気の流量測定においては，Ｃ＝３４０（
ｍ／ｓ），Ｖ＝３０（ｍ／ｓ），θ＝（６０°）のとき
，

【数９】 Ｃ２の対してＶ２ｃｏｓ２θは０．１９％程度なので省
略する。

【数１０】 また流量Ｑは管路１の断面積をｓとすると

【数１１】 流速の式を代入して

【数１２】

【００１５】ここで空気の音速Ｃは次式で示される

【数
１３】 ａは比例係数，Ｔは流体の絶対温度（°ｋ），従って

【
数１４】 上式より絶対温度Ｔにおける伝搬時間差△ｔに基づく気
体流量を得る。

【００１６】気体の流れの順，逆方向における超音波伝
搬時間ｔｕ，ｔｄは伝搬時間測定回路５にて測定され移
動平均などによる平均値となり，流量演算回路８の減算
器９を経て超音波伝搬時間差△ｔを得る。管路１に設け
た温度発信器４は気体温度を測定し，温度測定回路６に
て当該測定温度を絶対温度に変換する。管路１寸法や管
路１への超音波プローブ取付姿態，ならびに上記絶対温
度による気体の音速補正などの係数を設定する係数設定
器７からの出力は共に乗算器１０に加わる。乗算器１０
出力は減算器９からの超音波伝搬時間差△ｔと共に再び
乗算器１１へ加わり，流量演算回路８にて管路１内を流
れる気体の当該温度における流量が得られる。

【００１７】図２は固定遅延時間の一例を示す説明図で
あり，超音波プローブ内振動子の音−電変換時の立上り
特性の一例を示し，ｓ１は正常時の振動子の立上り特性
，ｓ２は閾値を示し閾値を超えた信号により回路が動作
し，信号が基線ｓ３と交叉する位置までの立上り時間を
固定遅延時間τとする。ｓ４は振動子の他の立上り特性
を示している。

【００１８】特性ｓ４における振動子の立上り特性は固
定遅延時間τに対して更に振動子特性や接合構造などの
相違により△τ１の遅延が生じる。また振動子はその厚
さが動作周波数の半波長λ／２に等しい寸法にて共振し
，この感度のよい状態で通常使用されているが，しかし
気体温度により音速が変わるのでこのとき厚さ一定の振
動子は波長即ち共振周波数が変化する。この状態におい
ても固定遅延時間τが変わり同様に△τ２の遅延が生じ
る。従って△τ＝△τ１＋△τ２の遅延が発生するが，
超音波伝搬路の順方向ならびに逆方向の時間差の演算に
より遅延は相殺され測定精度へ影響を与えない。

【００１９】図３は超音波気体流量計の一例を示すブロ
ック図，図４は超音波気体流量計動作のタイムチャート
を示し，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，
１１は上記実施例と同一で，クロックパルス発生器１５
にて駆動されたタイマ１６からのタイマ指令ｓ４により
第１切換器１７は超音波の管路１内伝搬方向を切換える
。

【００２０】例えば送信回路１８からの送信波ｓ５によ
り第１超音波プローブ２を付勢し，管路１内流体の流れ
の逆方向へ伝搬した超音波は第２超音波プローブ３が受
波し，再び第１切換器１７を経て受信回路１９に加わり
受信波ｓ６を得る。上記タイマ指令ｓ４と受信波ｓ６は
共にフリップフロップ回路２０へ加わり，超音波伝搬時
間を持続時間とする方形波ｓ７を発生する。カウンタ２
１は上記方形波ｓ７のクロックパルスによる計数を行い
，その出力は第１切換器１７と同期して作動する第２切
換器２２を経て第１測定回路２３へ加わる。

【００２１】つぎのタイマ指令ｓ４により第１切換器１
７ならびに第２切換器２２は共にその動作が反転し，送
信回路１８からの送信波ｓ５により第２超音波プローブ
３を付勢すると，管路１内流体の流れの順方向へ超音波
が伝搬する。同様に超音波伝搬時間に該当するクロック
パルスを計数し第２測定回路２４へ加える。

【００２２】上記のとりタイマ指令ｓ４により管路１内
の順方向と逆方向への超音波伝搬時間から得たクロック
パルスは，逐次第１測定回路２３での順方向測定ｓ８な
らびに第２測定回路２４での逆方向測定ｓ９にて，移動
平均が行われ伝搬時間の平均値を出力する。流量測定回
路８では管路１内の気体の流れの順方向ならびに逆方向
における超音波伝搬の時間差を利用して流量測定ｓ１０
を行う。この結果，温度変化などにより固定遅延時間τ
が変動しても超音波の伝搬方向毎の差をとる段階で相殺
されるため，スケールファクタの変化が抑制され測定精
度が向上できる。なお上記演算をソフトウエアで実行し
てもよい。

【００２３】

【発明の効果】この発明は以上説明したとおり，管路内
気体の流れの順方向ならびに逆方向の超音波伝搬時間か
ら得られた伝搬時間差と測定された気体温度を絶対温度
に変換する温度測定回路ならびに各測定値に基づき気体
流量を得る流量演算回路を設ける簡単な構造により，装
置毎に異る固定遅延時間を出荷時に実測して固定値とし
て設定する必要がない。設定後の固定遅延時間の変動に
ともなう流量演算誤差の発生が抑制でき流量測定精度が
向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図

【図２】
固定遅延時間の一例を示す説明図

【図３】超音波気体流
量計の一例を示すブロック図

【図４】超音波気体流量計
動作のタイムチャート

【図５】従来の超音波気体流量計
の一例を示すブロック図

【符号の説明】

１　　　　管路 ２　　　　第１超音波プローブ ３　　　　第２超音波プローブ ４　　　　温度発信器 ５　　　　伝搬時間測定回路 ６　　　　温度測定回路 ８　　　　流量演算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　気体が流れる管路の中心軸に対して傾
   斜した直線上に一対の超音波プローブを被測定流体を介
   して対向させて実装し，両者の間を流れる流体の流れの
   向きに対して順方向および逆方向になるように超音波を
   伝搬させそれぞれの方向毎の伝搬時間より気体流量を測
   定する超音波気体流量計において，管路内気体温度を測
   定する温度発信器と，上記温度発信器からの気体温度を
   絶対温度に変換する温度測定回路と，管路内気体の流れ
   に対する順方向ならびに逆方向の超音波伝搬時間を測定
   する伝搬時間測定回路と，管路寸法や管路への超音波プ
   ローブ取付姿態ならびに気体温度から音速への変換など
   に係わる定数を設定する係数設定器と，上記伝搬時間測
   定回路にて測定された順方向および逆方向の伝搬時間か
   ら得られた伝搬時間差と上記温度測定回路からの絶対温
   度ならびに上記係数設定器からの定数に基づいて気体流
   量への変換を行う流量演算回路とを備えたことを特徴と
   する超音波気体流量計。