JP3121794B2 - 超音波流量計 - 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、自動車の排気ガス
の流量などの計測に利用される超音波流量計に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体や液体などの流体の流量を測
定するために、超音波流量計が広く使用されてきた。こ
の超音波流量計は、流体中に超音波を放射し、その伝播
速度の上流と下流への差や、流体内で生じた反射波の周
波数のドップラーシフト量などの受信された超音波の特
性に基づき流体の流速と流量とを測定するように構成さ
れている。

【０００３】近年、自動車の排気ガス中に含まれる窒素
酸化物や硫黄酸化物などの有害物質による大気汚染を防
止するために、そのような有害物質の排出量の規制の強
化が必要となってきている。このような有害物質は、排
気ガス中の含有率（排気ガスに対する重量比や体積比）
で測定されるが、個々の自動車による有害物質の排出量
は、そのような含有率と排気ガスの流量（質量あるいは
体積流量）との積で与えられる。このため、個々の自動
車を規制の対象とする場合には、有害物質の含有率と共
に排気ガスの流量を測定することが必要になる。

【０００４】従来、自動車の排気ガスの流量の測定方法
の典型的なものは、自動車の排気管に１対の超音波セン
サを排気ガスの流れに沿って取付け、一定の周期で、超
音波の伝播方向を上流側から下流側に、下流側から上流
側へと交番させながら、送受波を行わせることにより流
速を周期的に測定して時間平均値を算定し、この流速の
時間平均値から流量の時間平均値を算定している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】自動車の排気ガスは、
エンジンの回転に伴う周期的かつ間欠的な排気工程によ
って発生するため、その流量がある周期で脈動する。す
なわち、図５に単純化して例示するように、排気ガスの
流速Ｖ（従って流量Ｑ））が、時間軸ｔ上である周期Ｔ
で正弦波状に変動する。この脈動する排気ガスの流速Ｖ
が、ある周期τで伝播方向を交番させながら超音波の送
受波が行われる超音波流量計によって測定されることに
なる。

【０００６】排気ガスの脈動の周期Ｔは、自動車のエン
ジンの回転数などによって変動するため、超音波の送受
波の周期τとは全く無関係になる。このため、周期τで
測定される排気ガスの流速Ｖが測定のたびごとに広範囲
にわたって変動する。すなわち、図５において、○印の
時点では超音波を上流から下流側に伝播させることによ
って伝播所要時間の測定が行われ、●印は逆に、超音波
を下流側から上流側に伝播させることによって伝播所要
時間の測定が行われる。このように脈動が存在すると、
超音波の伝播方向を逆転させる間に、測定対象の流速が
変化してしまうため、正確な流速が得られなくなる。

【０００７】上記脈動に伴う測定誤差は、測定を何回も
繰り返すことによって、平均化されて相殺される。しか
しながら、その時間平均値を算定するまでには多数個の
測定値、すなわち、多数回の測定が必要になる。この結
果、１個のデータの測定所要時間が増大し、自動車の発
進や急停止などに伴って発生する流量の急激な変動に追
随できなくなるという問題がある。従って、本発明の一
つの目的は、自動車の発進や急停止などに伴って発生す
る流量の急激な変動に追随可能な、測定所要時間が短縮
された超音波流量計を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明の第１の超音波流量計は、流量計測対象の
流体の脈動の状態を検出する脈動状態検出手段と、この
検出した脈動の状態がほぼ同一の時点においてこの流体
の流速を反復して検出する流速検出手段とを備えてい
る。そして、上記脈動の状態がほぼ同一の時点は、この
脈動の最大ピーク値と最小ピーク値との中間に設定され
る。

【０００９】本発明の第２の超音波流量計は、流量計測
対象の流体の脈動の状態を検出する脈動状態検出手段
と、この流体の流速を一定の周期で反復して検出する流
速検出手段と、この流速検出手段で検出された流速につ
いて上記脈動状態検出手段で検出された脈動の状態を考
慮しながら時間的な平均化処理を行う処理手段とを備
え、上記脈動の状態を考慮しながら行う時間的な平均化
処理は、脈動の振幅に応じて設定した係数を用いて上記
検出された流速を補正することにより行われるように構
成されている。

【００１０】

【発明の実施の形態】上記第１，第２の発明に共通する
好適な実施の形態によれば、上記脈動の状態は流路内の
圧力に基づき検出され、さらに、この流体は自動車の排
気ガスから成る。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の超音波流量計の
概略の構成を示す機能ブロック図であり、１はＣＰＵ、
２は送信回路、３，４は送受波器（トランスジュー
サ）、５は受信回路、６は送受切替器、７は入出力イン
ターフェイス回路、８は圧力センサ、９はＡ／Ｄ変換器
である。

【００１２】送受波器３と４とは、図示しない自動車の
排気管内を流れる排気ガスの流路に沿ってかつこの流路
を挟んで互いに対向するようにこの排気管の管軸に対し
て斜めに、その管壁に取付けられている。送信回路２で
発生されたパルス状の駆動信号が送受切替器６を経て送
受波器３と４の一方に供給され、この一方の送受波器で
発生された超音波信号が排気ガス中に送信される。排気
ガス中を伝播した超音波信号は、送受波器３と４の他方
に受信され、送受波切替器６を経て受信回路５に受信さ
れる。

【００１３】上記超音波信号の送信と受信が、ＣＰＵ１
の制御のもとに動作する送受切替器６によって、送信側
と受信側の送受波器を交互に切替えながら反復して行わ
れる。ＣＰＵ１は、送信回路２に超音波信号の送信を指
令したのち、受信回路５から超音波信号を受信した旨を
通知する受信通知信号を入出力インターフェイス回路７
を介して受信し、上記超音波信号の送信から受信までの
経過時間を、流体中の超音波信号の伝播所要時間として
検出する。

【００１４】ＣＰＵ１は、超音波信号を排気ガスの流れ
の上流に向けて伝播させた場合、例えば送受波器３から
送信させ送受波器４で受信した場合の伝播所要時間と、
逆に超音波信号を下流に向けて伝播させた場合、例えば
送受波器４から送信させ送受波器３で受信した場合の伝
播所要時間とから、排気ガスの流路の横断面内の空間平
均流速を算定し、この流路断面内の空間平均流速に流路
の断面積を乗算することにより、排気ガスの体積流量を
算定する。

【００１５】ＣＰＵ１は、図示しない密度センサを使用
して実測した排気ガスの密度や、予め設定されている排
気ガスの密度を、上述の手順に従って算出した排気ガス
の体積流量に乗算することにより、排気ガスの重量流量
を算定する。ＣＰＵ１は、図示しない適宜な成分センサ
を使用して実測した排気ガス中の着目するＮＯｘなどの
有害物質の含有率に、上記排気ガスの重量流量を乗算す
ることにより着目する有害物質の排出重量を算定する。

【００１６】上述のように、流路に斜めに設置した１対
の送受波器を使用して排気ガスの空間平均流速と体積流
量を測定したり、この体積流量から密度センサなどとの
組合せによって排気ガスの重量流量を測定したり、さら
には、成分センサとの組合せによって排気ガスに含まれ
る有害物質の排出重量を算定する技術そのものは従来か
ら知られている。本実施例の特徴は、以下で述べるよう
に、超音波の放射と受信による流速測定の時点を、検出
した圧力に基づいて制御する点にある。

【００１７】まず、上記排気ガスの流量の測定は、精度
を高めたり、測定対象の排気ガスが脈動状態にあること
などを考慮して繰り返して行われ、これによって得られ
た多数のサンプルについての時間的な平均値が算定され
る。本実施例によれば、ＣＰＵ１は、排気ガスの脈動の
状態を検出し、この検出した脈動の状態がほぼ同一の時
点において排気ガスの流速を反復して検出するように、
送信回路２と送受切替器６の動作を制御する。

【００１８】すなわち、本実施例の超音波流量計では、
ダイヤフラムと電歪素子などを組み合わせた適宜な形式
の圧力センサ８が排気ガスの流路内に設置されており、
その出力がＡ／Ｄ変換器９でディジタル信号に変換さ
れ、ＣＰＵ１に供給される。この検出された排気ガスの
圧力Ｐの典型的なものは、図２に例示するように、経過
時間ｔに対して正弦波状の脈動を示す。そして、排気ガ
スの流速Ｖの規格化波形は、典型的には、上記圧力Ｐの
正弦波形とほぼ同位相になることが本発明者によって確
認されている。

【００１９】この排気ガスの圧力Ｐと流速Ｖの脈動の周
期は、車種や自動車の走行状態によって変化するが、典
型的な一例は、ディーゼルエンジンの自動車では概ね30
Hzから120Hz の範囲であり、ガソリンエンジンの自動車
では概ね30Hzから200Hz の範囲である。

【００２０】ＣＰＵ１は、圧力センサ８で検出した排気
ガスの圧力Ｐの極大値Ｐmax と極小値Ｐmin とからこれ
らの中間の値Ｐｏを検出し、圧力Ｐが上記中間値Ｐo に
ほぼ等しくなるたびに、送信回路２と送受切替器６とを
起動することにより、図中○印で示す上流側から下流側
への伝播による測定と、●印で示す下流側から上流側へ
の伝播による流速の測定を交互に行わせる。ＣＰＵ１
は、上述したように、下流側と上流側へのトーン・バー
スト信号の伝播時間の差から排気ガスの流速Ｖを算定
し、この流速Ｖから流量Ｑを算定する。

【００２１】○印と●印とによって示す各測定点では、
排気ガスの脈動の状態がほぼ同一であるため、流速Ｖも
ほぼ同一であり、これらほぼ同一の流速について下流方
向と上流方向への伝播速度の差が検出される。圧力がＰ
o の時点の流速をＶo とし、送受波器３と４の間隔を
Ｌ、送受波器３と４を結ぶ直線（超音波の伝播経路）と
排気管の管軸（排気ガスの流れの方向）とがなす角度を
θ、下流方向と上流方向への伝播所要時間をそれぞれｔ
ｄ、ｔｕ、超音波の伝播速度をｃとおくと、 ｔd ＝Ｌ／（ｃ＋Ｖo cosθ） ・・・(1) ｔu ＝Ｌ／（ｃ−Ｖo cosθ） ・・・(2)

【００２２】(1) 式と(2) 式とから、次式を得る。 Δｔo ＝ｔｕ−ｔｄ ＝２Ｖo Ｌ cosθ／（ｃ² −Ｖｏ² cos²θ） ・・・ (3) 通常、ｃ² ≪Ｖｏ² cos²θであるから、(3) 式から、 Ｖo ≒（ｃ² ／２Ｌ cosθ）Δｔo ・・・ (4)

【００２３】各測定の時点の流速がほぼ一定の値Ｖｏと
なるため、(4) 式によって算定される流速は誤差が少な
く、かつ少数回の時間平均化により、高精度の計測値が
得られる。

【００２４】図３は、図１の実施例の超音波流量計によ
る他の流量測定方法を説明するための概念図である。こ
の測定方法によれば、脈動の周期とは無関係の一定の周
期τで超音波信号の送受波が行われると共に、送受波が
行われた各時点の圧力Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ ，Ｐ₄ ・・・が
計測される。そして、中間の値Ｐ₀ を用いて、各送受波
時点の流速Ｖ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ₃ ，Ｖ₄ ・・・に対する補正
係数として、α₁ （＝Ｐ₁/Ｐ₀ ) , α₂(＝Ｐ₂/Ｐ₀)，α
₃(＝Ｐ₃/Ｐ₀)，α₄(＝Ｐ₄/Ｐ₀) ・・・が算定される。

【００２５】そして、超音波信号の各送受波時点の流速
Ｖ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ₃ ，Ｖ₄ ・・・は、上記各送受波時点の
補正係数を用いて、Ｖ₁ ＝α₁ Ｖ₀ ，Ｖ₂ ＝α₂ Ｖ₀ ，
Ｖ₃＝α₃ Ｖ₀ ，Ｖ₄ ＝α₄ Ｖ₀ ・・・で与えられる。
例えば、図３中の送受波の時点１と２については、(1)
式と(2) 式とから、伝播所要時間は、次式に基づいて算
定される。 ｔd ₁ ＝Ｌ／（ｃ−α₁ Ｖ₀ cosθ） ・・・(5) ｔu ₂ ＝Ｌ／（ｃ＋α₂ Ｖ₀ cosθ） ・・・(6)

【００２６】上述のように、超音波信号の各送受波の時
点に検出した圧力値によって流速の補正を行う方法にお
いては、超音波信号の各送受波の周期を必ずしも一定と
する必要がなく、必要であれば、この送受波のタイミン
グを不定期にすることもできる。

【００２７】また、上述の手法によって算定した流速を
メモリに保存しておき、この保存した過去の流速の変化
のデータを、超音波信号の送受波の時点の設定や補正係
数の算定に利用するというフィードバック系を構成する
こともできる。

【００２８】更に、送受波器の間に超音波信号を伝播さ
せ、その伝播所要時間から流速を測定する場合を例にと
って本発明の流量計を説明した。しかしながら、流体中
に超音波信号を送出し、流体からの反射波を受信し、そ
の周波数のドップラーシフト量から流体の流速を計測す
るドップラー型の流量計に対しても本発明を適用できる
ことは明らかである。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の超
音波流量計は、流量計測対象の流体の脈動の状態を検出
し、この検出した脈動の状態がほぼ同一の時点などにお
いてこの流体の流速を反復して検出する構成であるか
ら、測定所要時間が短縮され、自動車の発進や急停止な
どに伴って発生する流量の急激な変動に追随可能な、高
性能の超音波流量計が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超音波流量計の構成を示す
機能ブロック図である。

【図２】上記実施例の超音波流量計の動作の一例を説明
するための波形図である。

【図３】上記実施例の超音波流量計の動作の他の一例を
説明するための波形図である。

【図４】従来の超音波流量計の動作の一例と問題点を説
明するための波形図である。

【符号の説明】

1 ＣＰＵ 2 送信回路 3,4 送受波器 5 受信回路 6 送受切替器 8 圧力センサ 9 Ａ／Ｄ変換器

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流量計測対象の流体中に超音波を放射し、
   この流体の流速に関する情報を含む超音波を受信してこ
   の流体の流速を検出する超音波流量計において、 前記流量計測対象の流体の脈動の状態を検出する脈動状
   態検出手段と、 前記検出した脈動の状態がほぼ同一の時点において前記
   流体の流速を反復して検出する流速検出手段とを備え、前記脈動の状態がほぼ同一の時点は、この脈動の最大ピ
   ーク値と最小ピーク値との中間に設定される ことを特徴
   とする超音波流量計。
2. 【請求項２】流量計測対象の流体中に超音波を放射し、
   この流体の流速に関する情報を含む超音波を受信してこ
   の流体の流速を検出する超音波流量計において、 前記流量計測対象の流体の脈動の状態を検出する脈動状
   態検出手段と、 前記流体の流速を一定又は不定の周期で反復して検出す
   る流速検出手段と、 この流速検出手段で検出された流速について前記脈動状
   態検出手段で検出された脈動の状態を考慮しながら時間
   的な平均化処理を行う処理手段とを備え、前記脈動の状態を考慮しながら行う時間的な平均化処理
   は、脈動の振幅に応じて設定した係数を用いて前記検出
   された流速を補正することにより行われる ことを特徴と
   する超音波流量計。
3. 【請求項３】請求項１と２のそれぞれにおいて、 前記脈動の状態は、流路内の圧力に基づき検出されるこ
   とを特徴とする超音波流量計。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のそれぞれにおいて、 前記計測対象の流体は、自動車の排気ガスであることを
   特徴とする超音波流量計。