JPH04328423A - 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温度補正された流量を測定する超
音波気体流量計に関する。

【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，２７は温度発信器，２
８は伝搬時間測定回路，２９は流量演算回路，３０は測
定流量の温度補正を行う温度補正回路，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，流量演算回
路２９および温度補正回路３０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】 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の断面積を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】ところが一般に気体の体積は温度によって
膨脹・収縮を行い

【数６】 ここでＱ１は絶対温度Ｔ１（゜ｋ）における体積，Ｑ２
は絶対温度Ｔ２（゜ｋ）における体積である。従って標
準状態の絶対温度をＴｎとおくと標準状態の流量Ｑｎは

【数７】 ここでＴは温度発信器２７からの流量測定時の絶対温度
である。

【０００６】

【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。

【０００７】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。更に算出された気体流量は温度補正が行われ
る。このため管路１内気体温度測定に用いる温度発信器
２７ならびにこれの管路１への装着のための取付具と温
度補正回路３０を設けなければならないという問題点が
あった。

【０００８】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，超音波伝搬路の固定遅延時間τの測定
ならびに管路１に気体温度測定のための温度発信器の装
着を行うことなく温度補正された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。

【０００９】

【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
標準状態の温度指定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係数設定器に
て設定された定数に基づいて温度補正された気体流量へ
の変換を行う流量演算回路を設けたものである。

【００１０】

【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き流量演算回
路において温度補正された気体流量を測定する。

【００１１】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。また温度による気体の
体積の変化を温度発信器を用いることなく補正すること
ができる。

【００１２】

【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，Ｄ，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。５は超音波伝搬時間を測定する伝搬時間測定回路，
６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，７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，８
は減算器，９は乗算器を示している。

【００１３】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。

【００１４】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８】 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９】 流量演算回路７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１０】

【００１５】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１１】 Ｃ２の対してＶ２ｃｏｓ２θは０．１９％程度なので省
略する。従って

【数１２】 また流量Ｑは管路１の断面積をｓとすると

【数１３】 流速の式を代入して

【数１４】

【００１６】ここで空気の音速Ｃは次式で示される

【数
１５】 ａは比例係数，Ｔは流体の絶対温度（°ｋ），従って

【
数１６】 標準状態における流量Ｑｎは

【数１７】 となり標準状態の絶対温度を規定すると気体の温度に依
存せず伝搬時間差△ｔのみに比例する気体流量を得る。

【００１７】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７の減算
器８を経て両者の超音波伝搬時間差△ｔを得る。管路１
寸法や管路１へのプローブ取付姿態ならびに標準状態で
の温度の指定などの定数を設定する係数設定器６からの
出力と共に乗算器９に加わる。温度補正された気体流量
Ｑｎが得られる。

【００１８】図２は固定遅延時間の一例を示す説明図で
あり，プローブに用いられる振動子の音−電変換時の立
上り特性の一例を示し，ｓ１は正常時における振動子の
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。

【００１９】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。

【００２０】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，１，２，３，５，６，７，８，９，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。

【００２１】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にて
受波され，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ｓ
６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２１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。

【００２２】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
４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
パルスが計数され第２測定回路２４へ加わる。

【００２３】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られたクロ
ックパルスは，逐次第１測定回路２３での順方向測定ｓ
８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７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と係数設定器６からの
定数により温度補正された流量測定を行う。

【００２４】係数設定器６にて標準状態における絶対温
度を規定することにより標準状態における流量Ｑｎが得
られる。上記のように温度補正された流量Ｑｎの測定に
際しては，気体温度の測定が不要になるとともに固定遅
延時間τの影響が回避できる。なお上記演算をソフトウ
ェアで実行してもよい。

【００２５】

【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，逆方向の超音波伝搬時間から得られた
伝搬時間差ならびに測定にかかわる諸定数を設定する係
数設定器に基づいて気体流量の演算を行う流量演算回路
を設ける簡単な構造により，温度発信器を用いることな
く温度補正された流量測定ができる。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
算誤差の発生が防止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 ５　　　　伝搬時間測定回路 ６　　　　係数設定器 ７　　　　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
   して対抗させて実装し，両者の間を流れる流体の向きに
   対して順方向および逆方向になるように超音波を伝えさ
   せそれぞれの方向毎の超音波伝搬時間より気体の流量を
   測定する超音波気体流量計において，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標準状態の温度指定にかかわる
   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係数設定器にて設定された定数に基
   づいて温度補正された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気体流量計。