JPH0516529B2

JPH0516529B2 -

Info

Publication number: JPH0516529B2
Application number: JP59225087A
Authority: JP
Inventors: Esu Gataaman Jefurei
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1983-10-25
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1993-03-04
Also published as: DK510184D0; DK510184A; CA1216656A; EP0141546A3; US4527433A; JPS60115811A; EP0141546A2; AU3455784A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は流体の流量を測定する方法及び装置に
関し、さらに詳細には音響流体流量測定装置及び
その動作方法に関する。

自動車のエンジンのある種の燃料制御装置にお
いては、空気の重量流量を測定することが望まし
く、そのような測定は短い間隔で、空気流のあら
ゆる変化に対して急速に応答するように高い分解
能をもつて実施されなければならない。その他の
用途においては、流体の流速又は体積流量などの
情報を得るために空気又はその他の気体の流量あ
るいは液体の流量を測定することが望まれる。

通常は超音波領域で動作する音響流量測定装置
はそのような流体の流量測定のために提案された
ものであり、そのような測定に適するある程度は
高い性能を示すが、数多くの用途に十分に適用し
うる高い分解能を得るようには最適化されていな
い。

このような流量測定装置は、一般に、１つの変
換器から別の変換器へ音響エネルギーの短いバー
ストを送り、流体の上流側と下流側で伝搬時間を
測定する。この伝搬時間は流量を計算するための
基礎となる。しかしながら、固有の伝播時間制限
のために測定データ点の収集速度は低い。このよ
うにデータが散在していることにより分解能は低
くなる。さらに、受信変換器に音響エネルギーの
バーストが到達する時間は本来不正確である。こ
の構成の一般的な変化として、シンガラウド
（singaround）回路の使用がある。この回路で
は、変換器が音響エネルギーバーストを受取るこ
とにより別のバーストの発生がトリガされるの
で、音響信号の周波数は変換時間の音響伝播時間
を表わす値となる。当然のことながら、この場合
も分解能は同様に低く、前述の方法と同じように
不確実である。

上述のシステム及びその他のシステムにおいて
は、変換器は一般に圧電結晶であり、音響信号送
信のために実際には圧電結晶を高電圧、通常は
300ボルトの動作させることにより励起している。
このような衝撃励起は、特に音響エネルギーの急
速なバーストが必要であるときに要求され、ま
た、変換器の効率が良くないために、出力のＳ／
Ｎ比を高くするために非常に大きな信号が必要で
ある。

流路に所定の周波数の長いパルス列を伝播し、
送信変換器と受信変換器との間に整数個の波を維
持するようにその周波数を変化させるためにフエ
ーズロツクループを使用することにより、流体の
流量を測定することが提案されている。その結果
として得られる周波数は変換器間の伝播時間を表
わす値であり、多数の入力パルスが繰返しサンプ
リングされるため、定常状態が流れが測定されて
いるならば高い分解能を得ることができる。フエ
ーズロツクループ回路では受信信号をロツクする
ために本来長い時間を必要とするので、システム
の応答は非常に遅く、多くの用途において出力情
報はその情報が有用でなくなつてしまうほど流量
変化より遅延すると考えられる。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、非常に高い分解能と急速な応
答を特徴とする音響流体流量測定の方法及び装置
を提供することである。本発明の別の目的は、出
力に高いＳ／Ｎ比を得るために低電圧の励起信号
しか必要としないような方法及び装置を提供する
ことである。

本発明の方法は、流路に隣接する上流側と下流
側の音響変換器により、他方の変換器において受
信信号を発生するために変換器の間の音波経路に
多数の波長を含む長いパルス列を有する送信信号
により変換器を交互を動作させる過程と、受信信
号を安定させるために最初の信号送信の後の遅延
時間を待機とする過程と；次に上流方向音響信号
伝播と下流方向音響信号伝播との双方について送
信信号と受信信号との位相差を測定する過程によ
り実施される。上流方向位相差と下流方向位相差
との差は流路を流れる流体の流量の関数である。

本発明の方法は、受信変換器ほぼ共振状態で駆
動して、強い受信信号を発生し且つ外部非共振ノ
イズを除去するために、各変換器の共振ピーク周
波数からわずかにはずれた周波数で低電圧により
変換器を動作させることにより実施されるのが好
ましい。

本発明の装置は、流路に隣接して上流側と下流
側に取付けられる一対の音響変換器と、変換器の
間に音響エネルギーの多数の波長を提供するのに
十分な周波数でいずれか一方の変換器を動作させ
る高周波数源と、変換器の送信器及び受信器とし
ての役割を交互に切換えるために動作信号を変換
器の間で交互に切換える回路と、上流方向伝播と
下流方向伝播について位相差の値を得るために、
変換器の役割切換えに続いて受信信号が安定した
後に、送信信号と受信信号との位相差を測定する
手段とを具備する。本発明は、位相差情報を利用
してそれから流量を決定する回路をさらに含み、
空気の重量流量測定の場合には、空気の重量流量
計算に必要な空気圧情報を回路に供給する空気圧
センサを含む。

本発明は、送信変換器の低電圧励起と、受信変
換器の強い応答とを可能にするために、ほぼ等し
い共振周波数を有する変換器と、変換器の共振ピ
ークからわずかにはずれた周波数の発生源とを使
用することをさらに含む。

〔実施例〕

以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説
明する。

ここで、説明される発明は、自動車のエンジン
の燃料制御に必要なデータを得るためにエンジン
の吸込管路における空気流の体積流量又は重量流
量を測定する際に適用される。空気流の変化によ
り燃料の供給量が厳しい制御基準に適合し、直ち
に変化するように、データはアルタイムで必要と
される。ただし、ここで説明される原理はこのよ
うな用途に限定されるのではなく、本発明による
急速応答及び非常に高い分解能という特徴によつ
て、空気以外の気体の流量測定や液体の流量測定
などを含むきわめて広い用途にこの原理を適用す
ることができる。

第１図に関して説明する。流路１０の壁には、
上流側変換器Ａ及び下流側変換器Ｂとして示され
る一対の電気音響変換器が設けられる。「上流側」
及び「下流側」という用語は通常の流れ方向を示
す矢印１１に関するものであるが、計器はいずれ
の流れ方向に対しても動作する。変換器は、いず
れか一方の変換器から発生される一連の音波１２
が壁領域１４から反射された後に他方の変換器へ
伝送されるように流路１０の壁の中に互いに角度
をなして配置される。反射方式に制限はなく、た
とえば、一連の音波１２が１回だけ流路を横切る
ように下流側変換器Ｂを壁領域１４に配置しても
良い。しかしながら、音響信号の周波数は２つの
変換器の間の音波経路に沿つて多数のパルス又は
波長が発生するようなものとすることが重量であ
る。たとえば、変換器の間に公称で16波長分の波
長の動作音波列が得られるように流路と変換器を
配置し、変換器の間隔が正確に16波長分となるよ
うに計器を所定の流量（ゼロであるのが好まし
い）及び温度に校正することができる。流量が変
化すると波長も変化するので、有効音波経路の長
さは流量が少ないときは１波長の何分の一かだけ
変化し、流量が多いときには１波長分以上変化す
る。本発明の回路は、実際には、流量を決定する
ためにそのような波長の変化を測定するものであ
る。超音波駆動／分析回路１６は、上流側変換器
Ａ及び下流側変換器Ｂを交互に動作させる伝送信
号を発生し且つ音響エネルギーを受取つている方
の変換器から出力信号を受信するために、双方の
変換器にそれぞれ結合される。

変換器として圧電結晶が使用される。各変換器
は送信機兼受信機として動作するため、同じ特性
を有しているべきである。変換器の効率をできる
限り高くするために、変換器の共振周波数は動作
周波数に近い値に設定される。共振周波数が動作
周波数と等しい場合、圧電結晶のインピーダンス
は最少となり、音響信号の伝送は最良の状態で行
なわれるが、音響信号の受信能力は最少限とな
る。動作点を共振点からいずれの方向へわずかに
ずらして設定することにより、圧電結晶のインピ
ーダンスは適度になり、送信と受信の双方が良好
に行なわれる。たとえば、共振点が36KHz 、反
共振点が39KHzであり、インピーダンスがそれぞ
れ500オームと、22000オームである圧電結晶は、
7000オームのインピーダンスの約40KHz又は同じ
インピーダンスの34KHzで動作されるのが好まし
い。このようにして動作させたとき、10ボルトの
ピークピーク値をもつ信号を伝信すると、受信さ
れる信号のピークピーク値は0.5ボルトである。
圧電結晶は本質的には結晶の共振周波数とは非常
に異なる周波数には応答しないので、そのような
周波数の音響ノイズを有効に除去する。自動車の
エンジンに適用した場合、35〜40KHzの範囲で発
生されるノイズはごく少ないが、受信機が感知し
ない約20KHzのノイズは多い。

超音波駆動／分析回路１６は第２図に詳細に示
されており、後述するように、この回路は変換器
を駆動し、変換器からの信号を受信するばかりで
なく、受信される信号の送信信号に対する位相関
係を決定し且つその位相情報を利用回路１８に伝
達する出力信号を提供するために信号を分析する
こともできる。回路１８は、位相情報から所望の
流体流量出力を取出すようにプログラムされるマ
イクロコンピユータの形態をとるのが好ましい。
エンジンの燃料制御の場合、回路１８は、エンジ
ンの動作を制御するための空気流量情報の他に、
特にエンジンへの燃料供給などに関する多数の入
力端子を有するマイクロコンピユータであるエン
ジン制御モジユールである。空気の質量流量はエ
ンジン制御アルゴリズムにおける主要な要素であ
るので、空気の温度と圧力はマイクロコンピユー
タへの重要な入力データである。超音波駆動／分
析回路１６からの位相情報は温度情報と、流量情
報とを含む。マイクロコンピユータ１８に圧力情
報を供給するのは別の空気圧センサ２０である。

第２図において、クロツク５０は40KHzの出力
信号を発生するのが好ましく、クロツクの出力端
子はアナログスイツチ５２を介して、スイツチの
状態に従つて上流側変換器Ａ又は下流側変換器Ｂ
に接続される。クロツクの出力信号はサイクルカ
ウンタ５４にも供給される。サイクルカウンタ５
４は回路の様々な面における動作を制御するため
に所定の周期及び関係を有するいくつかの出力を
発生する。まず、信号線５６に発生される方向出
力は256サイクルごとに１回ずつ発生するのが好
ましく、送信信号によりどの変換器が動作される
べきかを制御し、それにより流路における音響信
号の伝播方向を確定するためにアナログスイツチ
５２を介して供給される。この明細書において
は、方向Ａは上流側変換器Ａで受信される音響信
号により測定される上流への伝播を指すために使
用され、方向Ｂは下流への伝播を指す。方向信号
はクロツクパルス256個がカウントされるごとに
状態を変化するのが好ましい。サイクルカウンタ
のもう１つの出力は信号線５８に発生されるカウ
ント時間出力である。この出力は方向パルスのほ
ぼ中間の時点と終了時に状態を変化し、少なくと
もパルス128個分の時間だけ持続するのが好まし
い。信号線６０に発生されるモード出力は上流方
向が開始されたときに始まり、方向周期２つ分、
すなわちパルス512個分だけ持続する。信号線６
２のリングダウン時間パルスは方向信号が変化す
るたびに発生し、パルス約16個分だけ持続する。

アナログスイツチ５２の動作に応じていずれか
一方の変換器に送信信号を提供するクロツク５０
の出力端子は、比較器６４の正入力端子にも持続
する。比較器６４の負入力端子は、クロツクへの
入力が負から正へ変化するたびに比較器が正の出
力パルス発生し、それによりゼロ交差検出器とし
て動作するように接地される。第２の比較器６６
の正入力端子はアナログスイツチを介して、音響
信号を受信している変換器Ａ又はＢに接続され
る。比較器６４及び６６の出力端子は単安定マル
チバイブレータ６８及び７０に接続される。それ
らの単安定マルチバイブレータの出力端子は信号
線７２及び７４により双安定マルチバイブレータ
（フリツプフロツプ）７６のセツト入力端子とリ
セツト入力端子とにそれぞれ接続される。フリツ
プフロツプ７６への入力信号の立上り端間の時間
は、信号線７８に発生されるフリツプフロツプの
出力のパルス幅を決定する。このパルス幅は比較
器６４への送信信号入力と比較器６６への受信信
号入力との位相差に比例する。信号線７８に現わ
れるフリツプフロツプの出力は３つの入力端子を
有するANDゲート８０に供給される。ANDゲー
ト８０の第２の入力は信号線５８に発生されるサ
イクルカウンタからカウント時間出力であり、第
３の入力は10MHzのクロツク８２から得られる。
従つて、カウント時間信号が存在すると仮定すれ
ば、ANDゲートの出力はフリツプフロツプ７６
の出力のパルス幅だけ持続するバーストの形態を
とる10MHzの周波数の一連のパルスとなる。すな
わち、ANDゲートからの各周波数バーストに含
まれるパルスの数は変換器における送信パルス
と、受信パルスとの位相差を表わす値となる。

第３図に示されるように、変換器のパルスが同
相であるとき、すなわち位相ずれがゼロであると
き、ANDゲートから出力されるパルスの各バー
ストに含まれる数はゼロであり、位相ずれが大き
くなるにつれて、360゜の位相ずれに達するまでパ
ルス数は増加する。360゜の位相ずれに達した時点
で不連続が発生し、パルス数はゼロまで減少し、
位相ずれが360゜を越えると再び増加する。同様
に、位相ずれが逆方向である場合、すなわちゼロ
未満である場合には、パルス数は大きな値まで急
に増加し、位相ずれがゼロ点からさらに減少する
につれてパルス数も減少する。このように、パル
ス数は位相差を表わす値であり、0゜と360゜との間
に限つて位相ずれに正比例する。ロールオーバー
回路はこのような不連続が発生する時点で指示す
るために使用され、不連続を適正に解釈するよう
に超音波駆動／分析回路及びマイクロコンピユー
タを調整する。フリツプフロツプ８４のセツト入
力端子は送信信号によりトリガされる信号線７２
に接続され、リセツト入力端子は受信信号により
トリガされる信号線７４に接続される。第２のフ
リツプフロツプ８６の入力端子は、信号線７２及
び７４に接続され、このフリツプフロツプがトグ
ル動作するように、すなわち信号線７２又は信号
線７４にパルスが発生するたびに状態を変える。
２つのフリツプフロツプの出力端子は排他的OR
ゲート８８に接続される。連続する一連のパルス
の発生中に送信信号と受信信号が交互に現われる
と、フリツプフロツプ８４及び８６は同時に状態
を変えるので、たとえば、２つのフリツプフロツ
プが同時にオン、オフされれば、それらの出力は
同相にあり、排他的ORゲート８８の出力は「ロ
ー」である。これに対し、２つの送信パルスが受
信パルスの介在なしに順次発生する場合には、ト
グル動作するフリツプフロツプ８６は状態を変え
るが、フリツプフロツプ８４は状態を変えないの
で、フリツプフロツプの出力は互いに位相はずれ
になり、排他的ORゲートはオンされて「ハイ」
出力を発生する。排他的ORゲートの出力は信号
線９０に発生し、「ロールオーバーフラグ」と呼
ばれる。ロールオーバーは不連続が存在するとき
にのみ発生し、このとき、位相ずれはゼロ又は
360゜の倍数値を越えるので、ロールオーバーフラ
グは回路がその事象を認識するのを補助するため
に使用される。

以上説明した回路について第４図を参照してさ
らに詳細に説明する。第４図は、軸ａ及びｂに示
されるように変換器Ａ及びＢにおいて発生する電
圧を示す一連の波形図である。すなわち、これら
の波形は軸ｃ〜ｇに示される所定の時点において
回路の様々な部分に記憶される論理状態又は数を
示す。以下、40KHzの送信パルスが256パルスの
パルス列として提供される好ましい実施例に関し
て第４図に説明するが、明瞭にするために各パル
ス列に含まれるパルスの数をごく少なくして図示
してある。第４図のその他の軸についても図面に
明瞭にするために同様の簡略化が行なわれてい
る。言いかえれば、タイムスケールには厳密に眞
正ではないが、様々な時間軸において発生する事
象のシーケンスは回路内の事象の適正なシーケン
スを示す。

軸ｂの方形波パルス９１は下流側変換器Ｂへの
送信信号であり、これはアナログスイツチが第２
図に示される状態にあるときに発生する。256個
のパルス列は、約6.25ミリ秒の期間に相当する時
間t₁から時間t₃まで持続する。時間t₃において、
アナログスイツチは状態を変え、変換器Ｂはクロ
ツク５０からのパルス供給を受けなくなるが、変
換器の圧電結晶のリンギングは徐々に減衰する高
電圧信号９２を発生する。リンギング信号は長時
間にわたり持続することができる。しかしなが
ら、リンギングを抑制するためにリングダウン論
理回路９４（第２図）が設けられ、この回路は比
較器６６と接地点との間に減衰抵抗器９６を接続
する。減衰抵抗器は実際には、受信のためにセツ
トされる変換器の両端に結合されることになる。
リングダウン論理回路は信号線５６の方向信号
と、信号線６２のリングダウン時間信号とにより
制御される。リングダウン時間は通常は16サイク
ルであるので、信号線５６の方向信号により指示
されるように音響信号の方向が変化するたびに、
リングダウン論理回路は16パルス分の期間にわた
り減衰抵抗器９６を受信中の変換器を結合する。
これにより、受信中の変換器のリングギング信号
９２は確実に急速に消散されるので、リンギング
が入力音響パルスの検出を妨害することはない。
他方の変換器からの新たな音響パルス列が下流側
変換器Ｂに達した後、変換器Ｂにおいて低電圧の
出力信号９８が発生される。この出力信号の大き
さは、センサが入力信号と調和して共振し始める
につれて徐々に増す。その後、センサの出力は安
定し、ほぼ一定の振幅で持続する。変換器を駆動
する方形波パルス９１のピークピーク値は約10ボ
ルトである。受信信号１００は約0.5ボルトピー
クピーク振幅に達し、流体の流れの変化が流路に
おける音響信号伝播に及ぼす影響によつてのみそ
の位相を変化させる。外部ノズル源からのノズル
信号も個々のパルスに幾分かの位相ずれを発生さ
せる。

リンギング信号９２及び出力信号９８（受信パ
ルスのビルドアツプ）が発生している各受信期間
の開始中に測定値をとるのを回避するために、回
路は送信音波列の最初の128パルスについては発
生するパルスを全て無視するように調整され、そ
の後、送信波の残りの128パルスについて受信パ
ルスの読取りが行なわれる。第２図において、信
号線５８のカウント時間信号は、各送信期間の最
初の128パルスについては、ANDゲート８０が確
実にデイスエーブルされ、それによりデータの読
取りが禁止されるように「ロー」の値を有する。
時間カウントは時間t₄において「ハイ」の値に変
化し、そこで、軸ａに示される上流側変換器Ａか
らの送信パルスと、下流側変換器Ｂの出力端子か
らの受信パルスとの位相差を読取ることができ
る。前述のように、送信パルス及び受信パルスの
ゼロ交差点は比較器６４及び６６をトリガし、そ
れらの比較器は、位相差に比例する長さの期間に
わたりANDゲート８０をエネイブルするように
単安定マルチバイブレータ６８，７０及びフリツ
プフロツプ７６を制御し、この間、10MHzのクロ
ツクパルスがANDゲートを通過する。従つて、
第４図の軸ａ及びｂに示されるように、変換器Ａ
及びＢは音響源及び受信機として交互に動作し、
上流及び下流への伝播の速度は送信パルスと受信
パルスの相対位相を決定する。

第２図に戻つて説明すると、主アツプ／ダウン
カウンタ１０２の入力端子はANDゲート８０の
出力端子に接続され、その制御入力は信号線９０
からのロールオーバーフラグと、信号線５６から
の方向信号と、信号線６０からのモード信号であ
る。モード信号は第４図の時間t₁からt₅までは第
１の状態にあり、時間t₅からt₉までは別の状態に
あり、その後、元の状態に戻る。第１のモード状
態は、位相差測定値として現われる上流方向伝播
時間と下流方向伝播時間との差を決定するために
測定が実施されていることを示す。第４図の軸ｃ
に示されるように、時間t₂からt₃までの間に、主
アツプ／ダウンカウンタ１０２は、上流への信号
伝播中に発生するANDゲート８０からのパルス
を累積記憶し、時間t₃までカウントを増分し続け
る。その後、時間t₄までカウントはそのままの状
態に保持され、この時点で、下流への信号伝搬の
読取りが開始され、入力信号は累積された上流方
向カウントから減分される。時間t₅において発生
する最終結果はＡ−Ｂであり、これは平均上流方
向位相差Ａから平均下流方向位相差Ｂを減算した
値である。この値は流体の流速又は流れ体積に比
例すると考えられる。時間t₅において、この値Ａ
−Ｂは、モード信号により制御されるモードスイ
ツチ１０４を介してダウンカウンタ１０６へシフ
トされる。ダウンカウンタ１０６は、これがゼロ
状態に達するたびに出力信号線１１０に出力パル
スを発生するＴ形フリツプフロツプ１０８をトリ
ガするために、内部で決定される速度でカウント
ダウンする。次に、ダウンカウンタ１０６は同じ
数まで再びロードされ、再びＴ形フリツプフロツ
プ１０８をトリガして第４図の軸ｄに示されるよ
うな方形波信号を発生するためにカウントダウン
を繰返す。この方形波信号の周波数は値Ａ−Ｂと
逆に変化する。この信号は、主アツプ／ダウンカ
ウンタ１０２から新しいＡ−Ｂの値が取出される
まで、同じ周波数で持続する。回路動作の第２の
モードにおいては、回路は上流方向伝播に関する
位相ずれカウントについては前述のように動作す
るが、下流方向カウントの間には、位相値は上流
方向値に加算されるので、時間t₉において、主ア
ツプ／ダウンカウンタは流体中の音速を示す値Ａ
＋Ｂを含む。時間t₉において、この値はモードス
イツチ１０４を介してダウンカウンタ１１２へシ
フトされる。ダウンカウンタは一定の速度でカウ
ントダウンし、カウンタが値を有している間は
「ハイ」出力を維持するが、カウンタがゼロ状態
に達するたびに「ロー」出力へ切換えられる。従
つて、第４図の軸ｅに示されるパルス１１４はダ
ウンカウンタの出力信号線１１６に発生し、パル
ス１１４のパルス幅は値Ａ＋Ｂに比例する。２本
の信号線１１０及び１１６はマイクロコンピユー
タ１８に出力を供給するためのものであり、マイ
クロコンピユータはそのデータを利用して所望の
流量情報を計算する。

主アツプ／ダウンカウンタの動作に関する以上
の説明は、位相差の測定値がゼロと360゜の間の領
域にとどまり、従つてロールオーバーが発生しな
いことを前提としたものである。しかしながら、
ロールオーバーが発生し、その期間中の位相差が
ゼロ又は360゜にごく近いことを指示した場合に
は、信号線９０から主アツプ／ダウンカウンタに
供給されるロールオーバーフラグ入力がその期間
についてカウンタ出力を正確な読みにごく近いゼ
ロにセツトすると考えられる。これにより、たと
えば359゜を表わす高いカウントと1゜を表わす近い
カウントとが平均されて、ほぼ180゜を表わす中間
値が得られるといつた不適正な事態は回避され
る。位相ずれの経歴を追跡することができるマイ
クロコンピユータにロールオーバー情報を提供す
ることにより、負の位相ずれの領域に入るように
空気流の方向が変化しても又は360゜を越える位相
ずれを発生させるほど空気流の速度が上がつて
も、空気流を正確に決定することができる。

回路から測定データを出力する経路は数多くあ
る。そのための第２の手段はアツプカウンタ／シ
フトレジスタ１１８であり、その入力端子は
ANDゲート８０の出力端子に接続され、その制
御入力は信号線５６からの方向信号と、信号線６
０からのモード信号と、信号線９０からのロール
オーバーフラグである。第４図の軸ｆ及びｇに示
されるように、時間t₂で開始される測定期間中、
アツプカウンタ／シフトレジスタ１１８は主アツ
プ／ダウンカウンタと全く同様に上流方向伝播カ
ウントを増分し、時間t₃において上流方向値Ａを
含む。この時点で、信号５６の方向信号の制御の
下に、アツプカウンタ／シフトレジスタ１１８は
信号線１２０に蓄積信号を16ビツトの直列２進数
として出力する。付加情報は直列出力ごとに送ら
れる。直列パルス列の第１のビツトは常に１であ
り、第２のビツトは、情報がＡ方向すなわち上流
方向伝播に関するものであるときは１であり、下
流方向伝播に関するものであれば０である。残る
14ビツトは、単に、値Ａを表わすカウンタの２進
内容である。時間t₄において、下流方向伝播中の
測定のために、アツプカウンタ／シフトレジスタ
１１８はゼロ値から再びスタートし、時間t₅まで
増分し続ける。このとき、アツプカウンタ／シフ
トレジスタは値Ｂを含んでおり、この値は直列形
態でマイクロコンピユータ１８へ出力される。次
に、値Ａ及びＢはマイクロコンピユータの指示に
従つて加算又は減算される。

周知のように、上流方向伝播時間と下流方向伝
播時間との差（位相ずれの差として表わされる）
は流体の速度に比例するので、マイクロコンピユ
ータ１８はそのパラメータと、体積とを計算する
ように容易にプログラムされる。重量流量を決定
するために、空気の密度も知つておかなければな
らない。密度は空気圧及び温度の関数である。位
相ずれの和（Ａ＋Ｂ）は空気中の音速を表わす値
であり、音速は温度及び湿度によつて決定され
る。自動車のエンジン制御への適用という好まし
い用途においては、大気中の湿度が極端に変化し
ても音速には殆んど影響がなく、従つてこれは無
視することができる。従つて、位相ずれの和（Ａ
＋Ｂ）は密度計算のための温度の有用な値であ
る。圧力情報は空気圧センサ２０により供給され
る。従つて、マイクロコンピユータは重量流量を
正確に決定することができる。

流路におけるそれぞれの方向への信号伝播につ
いて、１回の位相測定（一対のパルスの比較）で
は出力値の分解能は低くなつてしまうが、多数の
測定値を組合わせれば分解能は高くなる。従つ
て、各方向に128個の位相差を累積測定する好ま
しい実施例は高い分解能を有する。禁止期間を短
縮し、その結果として測定期間を延長すると、応
答時間を長くすることなく分解能が改善される。
各方向へ伝播されるパルスが多くなれば分解能を
高くすることはできるが、応答時間は長くなる。
すなわち、各方向の更新測定値の間の経過時間が
長くなる。個々の位相ずれ値を累積することによ
り測定値を積算すれば、受信信号からのノイズは
有効に除去される。これは、変換器による非共振
周波数の拒否と相まつて、比較的低電圧の送信信
号を使用する場合にも高いＳ／Ｎ比を提供する。

このように、本発明は短い応答時間で分解能の
高い流体流量情報を得るのに有用である音響流量
測定方法及びその装置を提供するものであり、さ
らに、そのような情報は低電圧の励起信号によつ
て得られるので、Ｓ／Ｎ比は高いことがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従つて構成され、動作され
る回路に結合される流路内の変換器配置を示す略
図、第２図は、本発明による第１図の回路の一部
のブロツク線図、第３図は、第２図の回路により
決定される位相ずれと測定値との関係を示すグラ
フ、及び第４図は、第２図の回路の動作を示す一
連の波形図である。Ａ，Ｂ……変換器、１０……流路、１６……超
音波駆動／分析回路、１８……マイクロコンピユ
ータ、２０……気圧センサ、５０……クロツク、
５２……アナログスイツチ、６４，６６……比較
器、６８，７０……単安定マルチバイブレータ、
７６……フリツプフロツプ、８０……ANDゲー
ト、１０２……主アツプ／ダウンカウンタ。

Claims

【特許請求の範囲】１流路１０と、それぞれ流路１０に隣接して上
流側と下流側に取付けられ、少なくとも所定の音
波長の数倍の音響経路長さだけ互いに離間する音
響変換器Ａ，Ｂとを有する音響流量測定装置で流
体の流量を測定する方法において、送信信号９１により一方の変換器を付勢させ変
換器の間で必要とされる伝播時間より長く接続す
る音響パルス列を発生して、他方の変換器におい
て受信信号９２を発生させる過程と、；受信信号９２が安定した後に始まり、送信信号
９１が存在する間は継続する測定期間t₂〜t₃中に
送信信号９１と受信信号９２との位相差を測定す
る過程と；変換器Ａ，Ｂの送信変換器及び受信変換器とし
ての役割を交互に切換え、上流方向音響信号伝播
と下流方向音響信号伝播との双方について位相差
測定を繰返す過程とを含み、上流方向位相差と下
流方向位相差との差が流路における流体の流量の
関数であるとすることを特徴とする方法。２特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記位相差が、多数のパルスを含む前記測定期
間t₂〜t₃中、送信信号パルスと受信信号パルスと
の累積位相差として測定されることを特徴とする
方法。３特許請求の範囲第１項又は第２項記載の方法
において、受信変換器からの信号の測定は受信信号９２が
安定するまで禁止されていることを特徴とする方
法。４特許請求の範囲第１項記載の方法において、一方向への信号伝播中の送信パルス及び受信パ
ルスの多数のパルス対の位相差を表わす値を加算
し所定数のパルスについて和（カウントＡ）を発
生する過程と；他方向への信号伝播中の同じ数のパルス対の位
相差を合計値から減算し上流方向累積パルス差と
下流方向累積パルス差との差を表わす結果（Ａ−
Ｂ）を発生する過程とをさらに含む方法。５特許請求の範囲第４項記載の方法において、一方向の信号伝播中、続いて他方向の信号伝播
中の送信パルス及び受信パルスのパルス対の位相
差を表わす値を加算し上流方向位相差と下流方向
位相差との合計を表わす第２の結果（Ａ＋Ｂ）を
得る過程を含み、第２の結果は流体中の音速を表
わす値である方法。６流路１０と、それぞれ流路１０に隣接して上
流側と下流側に取付けられ、少なくとも変換器の
共振時における音波の数倍の音響経路長さだけ互
いに離間する音響変換器Ａ，Ｂとを有する音響流
量測定装置で流体の流量を測定する方法におい
て、共振周波数に近い周波数を有する送信信号によ
り一方の変換器Ｂを付勢し変換器の間で、必要と
される伝播時間より長く持続する音響パルス列９
１を発生して、他方の変換器Ａを強い受信信号９
２を発生するほぼ共振状態で駆動する過程と；受信信号９２が安定した後に始まり、送信信号
９１が存在する間は継続する測定期間t₂〜t₃中に
送信信号９１と受信信号９２との位相差を測定す
る過程と；変換器Ａ，Ｂの送信変換器及び受信変換器とし
ての役割を交互に切換え、上流方向音響信号伝播
と下流方向音響信号伝播の双方について位相差測
定を繰返す過程とを含み、上流方向位相差と下流
方向位相差との差が流路における流体の流量の関
数とすることを特徴とする方法。７特許請求の範囲第６項記載の方法において、共振周波数と異なる周波数のスプリアス信号を
除去する過程と、前記測定期間t₂〜t₃中の位相差測定値を累算す
る過程とを含み、ノイズを除去し且つ高い分解能
を発生する方法。８特許請求の範囲第６項又は第７項記載の方法
において、各変換器Ａ，Ｂが、受信モードにあるとき、送
信に続く期間と受信モードの最初の部分でリンギ
ングの影響を受け、次に徐々に受信パルス列と共
振し始め、前記方法が、リンギングがなくなり、共振する
受信信号が安定する後まで受信変換器からの信号
の測定を禁止する過程を含むことを特徴とする方
法。９流路１０と、空気圧センサーとそれぞれ流路
１０に隣接して上流側と下流側に取付けられ、少
なくとも共振の際の音波長の数倍の音響経路長さ
だけ互いに離間音響流量測定装置で空気流の重量
流量を測定する方法において、共振周波数近くの周波数を有する送信信号９１
により一方の変換器Ｂを付勢し変換器の間で必要
とされる伝播時間より長く接続する音響パルス列
を発生して、他方の変換器Ａを駆動し強力な受信
信号９２を発生する状態にする過程と；受信信号９２が安定した後に始まり、送信信号
９１が存在する間は継続する測定期間t₂〜t₃中に
送信信号９１と受信信号９２との位相差を測定す
る過程と；変換器Ａ，Ｂの送信変換器及び受信変換器とし
ての役割を交互に切換え、上流方向音響信号伝播
と下流方向音響信号伝播との双方ついて位相差測
定を繰返し、上流方向位相差と下流方向位相差の
差（Ａ−Ｂ）と和（Ａ＋Ｂ）はそれぞれ空気の流
速と温度の関数とする過程と；測定される位相差の値及び圧力信号から空気の
重量流量を計算する過程とを含むことを特徴とす
る方法。１０流路１０を流れる流体の流量を測定する音
響流体流量測定装置において、測定装置は、流路１０に隣接して上流側と下流
側に取付けられ、一方から他方へ流路１０を介し
て音響エネルギーを交互に送る一対の音響変換器
Ａ，Ｂであつて、音響伝播経路は少なくとも伝播
されるエネルギーの波長の数倍の長さであるもの
と；他方の変換器を駆動するための音波列を発生
するために、一方の変換器Ａ，Ｂに送信信号を印
加する高周波電圧源５０と；変換器の間で必要と
される伝播時間よりはるかに長い期間にわたり各
変換器を順に動作させるために、変換器Ａ，Ｂに
送信信号を交互に結合するスイツチング手段５２
であつて、それぞれ動作されない変換器は受信信
号を出力する受信器として作用し、各受信期間t₁
〜t₂の開始時には当初は安定性を欠く動作をする
ものと；受信器として作用する交換器が安定した
後の各期間に動作し、上流方向伝播と下流方向伝
播について位相差の値を得るために、送信信号と
受信信号との位相差を測定する手段６４，６６，
６８，７０，７６，８０，１０２であつて、上流
方向位相差の値と下流方向位相差の値との差は測
定装置を流れる流体の流量を表わす値であるもの
とを具備することを特徴とする装置。１１特許請求の範囲第１０項記載の音響流体流
量測定装置において、音響変換器Ａ，Ｂはほぼ等しい共振周波数を有
し、高周波電源５０は、一連の受信パルスを発生
するために他方の変換器をほぼ共振状態で駆動す
るために、変換器の共振周波数とはわずかに異な
る周波数で一方の変換器に一連の送信パルスから
構成される送信信号を供給することを特徴とする
装置。１２特許請求の範囲第１１項記載の音響流体流
量測定装置において、位相差を測定する手段が、各送信パルスと対応
する受信パルスとの位相差を測定する手段６４，
６６，６８，７０，７６，８０と、各送信期間に
ついて位相差の値を測定するために、測定される
位相差を累積する手段１０２とを含む装置。１３特許請求の範囲第１１項記載の音響流体流
量測定装置において、位相差を測定する手段が、各送信パルスと対応
する受信パルスとの位相差を測定する手段６４，
６６，６８，７０，７６，８０と、流体の流量を
表わす位相差値の差を得るために上流方向伝播値
から下流方向伝播値を減算するように２つの連続
する送信期間にわたり測定される位相差を累積す
る手段１０２とを含む装置。１４流体は空気であり、空気の重量流量を測定
する特許請求の範囲第１０項記載の音響流体流量
測定装置において、前記測定装置は、圧力信号を供給する空気圧セ
ンサ２０と、前記測定装置を流れる空気の重量流
量を表わす値を得るために圧力信号及び位相差の
値を処理するようにプログラムされるコンピユー
タ手段１８とを含む装置。