JPS62148862A - 流体の速度及び方向等を測定する方法及び装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、流体の速度、方向、その他の物理的特定を測
定する方法及び装置に関する ［従来例とその問題点］ 流体（特に空気のような気体）の速度及び方向、更に、
流体の温度及び湿度等は、種々の方法及び装置で測定可
能である。

流体の温度及び湿度の測定には、流体の速度及び方向の
測定と異なった装置が使用される。気象関係では、空気
流の速度及び方向の測定に、風速計などのように可動部
品を有する装置を使用する。

このような装置は、可動部品の慣性及び京棟のために測
定結果が正確でなく、流体自体に影響を及ぼし、更には
、校正（キャリブレイション）が容易でないという問題
がある。

音波の異なった方向（特に反対方向）の伝搬時間を測定
し、流体の速度及び方向を測定する方法が提案されてい
る。しかし、この従来方法による測定は不正確であり、
特に、干渉や反射の影響を受けやすいという欠点がある
。

［目的コ したがって、本発明の目的は、正確でかつ信顆性があり
、安価で小形であって、保守の簡単な、流体の速度及び
方向等を測定する方法及び装置を提供することにあるー
。

［発明の要旨コ 本発明は、流体、特に気体、の速度及び方向を測定する
方法であって、第１のトランスジューサが音響パルス信
号を、上記流体を介して、第１の方向に、第２のトラン
スジューサに向けて発射し、該第２のトランスジューサ
は上記音響パルス信号を受けると対応する電気信号を出
力し、上記第１及び第２のトランスジューサ間の音響パ
ルス信号の伝搬時間を、音響パルス信号の発射から受信
までの時間を測定することにより測定し、上記第１の方
向とは別の方向で同様に音響パルス信号の伝搬時間を測
定し、このようにして得た複数の伝搬時間の測定の差か
ら、上記流体の速度及び方向を測定する方法に関し、 上記第１のトランスジューサから発射される音響パルス
信号は急激に減衰する信号であり、上記第２のトランス
ジューサは、上記音響パルス信号を受けて減衰交流信号
を出力し、該減衰交流信号の第１の波の振幅は後続する
波の振幅よりも大きく、上記減衰交流信号は、第１の波
のピーク値（絶対値）よりも小さい値（絶対値）を有す
る閾値と比較され、該閾値を超えると時間測定期間の終
わりとされ、この時間測定期間の始点は、上記第１のト
ランスジューサによる上記音響パルス信号の発射により
開始されることを特徴とする測定方法である。

更に、上記音響パルス信号の発射により、タイミングパ
ルス・カウンタが、パルス発生器から発生するタイミン
グパルスの計数を開始し、上記タイミングパルス・カウ
ンタは、上記閾値を超えた波を検知すると計数を停止し
、上記音響パルス信号は上記固定周期のタイミングパル
スの任意の時間に発射される。

更に、音響パルス信号の繰返し周波数は、上記第２のト
ランスジューサから出力する信号の減衰周波数よりも低
く、タイミングパルスの周波数は上記減衰周波数よりも
高い。

更に、複数の時間測定が連続的に行われ、上記伝搬時間
は、各々の時間測定結果の統計的な平均値である。

更に、異なった方向の信号伝搬時間の和を、流体の温度
測定に使用し、 更に、上記音響パルス信号の減衰を、流体の湿度の測定
に使用し、 更に、上記第２のトランスジューサから出力する信号の
第１の波を、複数の閾値と比較して上記第１の波のピー
ク値を決定し、このように求められたピーク値を、乾燥
気体に関連する基準値と比較している。

更に又、本発明は、流体、特に気体、の速度及び方向を
測定する装置に関し、音響パルス信号を発射する第１の
トランスジューサと、この音響パルス信号を受ける第２
のトランスジューサと、上記第１及び第２のトランスジ
ューサに接続し且つ上記音響パルス信号を発射してから
受信する道の時間を測定する手段とを少なくとも備え、
上記第１のトランスジューサは減衰度合の太きい音響パ
ルス信号を発射し、上記第２のトランスジューサは閾値
を有する閾値回路に接続し、上記閾値は上記第２のトラ
ンスジューサから出力する電気信号の第１の波のピーク
値よりも小さく、上記閾値回路は、上記第１の波が上記
閾値を超えると、信号を出力し、上記第１のトランスジ
ューサの付勢回路はパルスカウンタのエネーブル入力端
に接続し、上記閾値回路の出力端は上記カウンタのディ
スエーブル端子に接続し、上記カウンタのカウント入力
端はタイミングパルスを発生する発生器に接続している
装置に関する。

更に、本発明に係る装置は、複数の異なった方向に発射
された複数の音響信号を受ける複数の第２トランスジュ
ーサと、該複数の第２トランスジューサに接続して上記
複数の音響パルス信号の伝搬時間を測定する手段とを有
し、該手段は加算回路に接続され、該加算回路は伝搬時
間の加算値から流体の温度を求める手段に接続している
。

更に、本発明に係る装置において、上記複数の第２トラ
ンスジューサの少なくとも１つは、異なった閾値を有す
る閾値回路に接続され、上記第２トランスジューサの出
力の第１の波の最高値を求め、上記閾値回路は他の回路
に接続し、この回路は、求めた最高値を基準値と比較し
、比較結果から流体の湿度を測定することができる。

更に、本発明に係る装置は、１個の第１トランスジュー
サ と反射手段とを有し、該反射手段は、被測定流体が上記
第１トランスジューサと該反射手段の間を流れるように
上記第１トランスジューサの前に設けられ、上記反射手
段は、上記第１トランスから発射された音響パルス信号
を、上記流体を介して、１個或いは複数の第２トランス
ジューサの方向に反射する。

更に、上記反射手段はピラミッド型の形状をなし、その
頂点は上記第１トランスジューサの中心に向いている。

更に、上記第１及び第２トランスジューサの数は、流体
の方向を決定するのに必要とされる数よりも多く、流体
の最も好ましくない方向に関連したトランスジューサを
不動作状態にする第１手段を有し、更に、該第１手段を
制御するために流体の流れの方向を決定する第２手段を
有する。

［実施例コ 第１Ａ図に音響パルス信号１の波形を示す。音響パルス
信号１は、負方向の大きな振幅の第１のピーク（或いは
波）を有し、この第１のピークの後に、急激に減衰する
交番波形が続いている。尚、負方向は例であることに留
意されたい。このようなパルス或いは波形は、充電され
たコンデンサの電荷を、圧電（ピエゾエレクトリック）
トランスジューサ（変換器）を介して放電することによ
り得ることが出来る。音響パルス信号１の周波数はかな
り低い（例えば５００Ｈｚ）ので、連続する音響パルス
信号間は、パルス幅に比べて大きい。

第１Ｂ図は、第１Ａ図に示した音響パルス信号１を受け
る圧電トランスジューサの出力信号３の波形図である。

出力信号３は、第１図に示した音響パルス信号１と同様
に、第１のと−ク４（ここでは負方向に示す）を有し、
この第１のピーク４に続いて、複数の減衰する交番パル
スが存在する。

信号３の第１のピーク４は最大の振幅を有するので、負
方向のパルス（複数）のみを測定に使用する場合には、
第１のピーク４に続く複数のピークは、適当な閾値５を
選択することにより排除され得る。パルス１の発射から
信号３の受信までの時間を測定することにより、信号の
伝搬時間を決定することが可能である。尚、連続するパ
ルス１の間の間隔は、信号３の存在時間よりも充分に長
いことは上述の説明から明らかである。

上述の「信号の伝搬時間」の測定は、例えば、第１Ｃ図
に示したクロックパルス或いはタイミングパルス６を使
用することにより可能である。タロツクパルス６の繰返
し周波数は、例えば、１０ＭＨｚである。信号の伝搬時
間は、時点ｔ。（音響パルス信号の発射時点）から時点
ｔ１（信号３の第１ピーク４が閾値５を超える時点）ま
でクロックパルス６の数を計数すればよい。パルス６の
繰返し周波数は、高ければ高いほど測定精度は良くなる
が、実用上の限度が存在する。実際には、パルス６の繰
返し周波数として、約１０ＭＨｚを使用する。したがっ
て、３！枕する２つのパルス間の間隔Δｔは約０．１μ
ｓである。

測定精度を制限する他の要因は、時点ｔ。及びｔｌが、
連続する２個のパルスの間に存在する場合があることで
ある。この問題を解決するには、測定回数を十分大きく
して信頼できる平均値を取ることである。パルス１の繰
返し周波数が例えば５００Ｈｚであることを勘案すれば
、信頼できる測定値が短時間で得られることが判る。

信号３のピーク波４の後のピーク波が、閾値５を超えた
としても、タロツクパルスの計数には何等問題はない。

何故なら、時点ｔ１において、パルスの計数は中断して
いるからである。更に、パルスのエコー信号も、上述の
平均値を求めるのに支障はない、何故なら、エコー信号
はピーク波４よりも後に受信素子に到達し、連続するパ
ルス１の間隔は十分に大きいので、次の測定を行うまで
に減衰するからである。　クロックパルス６は連続して
発生しているが、適当なゲート素子を用いることにより
、カウンタは時点ｔｏで計数を開始し、時点ｔ１で計数
を停止する。

流体の速度は、２つの異なった方向（特に反対方向）の
信号の伝搬時間差から求めることができる。一方、流体
の方向は、複数の角度での複数の測定により求めること
が可能である。

更に、気体中の音波の伝搬速度と気体の温度との関係は
、実質上、直線的である。したがって、伝搬速度と温度
との関係が判っていれば、気体の温度は、複数の信号の
伝搬時間測定の平均値から求めることができる。

気体の湿度は、気体中の音響パルス信号の減衰に影響を
与える。この減衰は、信号３のピーク波４のピーク値を
、乾燥気体の基準値と比較することにより決定される。

ピーク波４のピーク値は、例えば、複数の他の閾値う′
を用いて決定される。

ピーク波４のピーク値は、更に、周期的にシフトする閾
値（例えば適当なのこぎり波で制御する）を使用しても
求めることができる。連続する測定では、直前の測定に
用いた閾値は次の測定での初期値となるので、上述の周
期的にシフトする閾値は、自己学習的な閾値といえる。

したがって、信頼できる測定平均値を求めることが可能
である。

このように、１つの測定器を使用して、気体流の全変数
を迅速に且つ正確に求めることができる。

第２図は、本発明の上述の目的に使用して好適な電気回
路ブロック図である。第２図において、トリガ回路１０
は、パルス１の繰返し周期を固定する回路であり、圧電
パルス発生器（ｌ＃Ｊ或いは複数ン１２用のサプライ（
５ｔｌＰＦＬＹ）回Ｂ１１を制０１１する。このパルス
発生器１２は、所望の数の方向に音響パルス信号を発射
するものである。第２図では、説明を簡潔にするため、
２方向のみを示しているが、方向の数は１にも或いは３
以上にもなり得る。発射された音響パルス信号は、方向
の数に等しい数のトランスジューサ１３により受は取ら
れて電気信号３に変換される。この電気信号３は、上述
の閾値５を供給する閾値回路１４に加えられる。

回路１１は、トリ力パルスを受けると、例えば、トラン
スジューサ１２を介してコンデンサ（図示せず）を放電
させ、更に、ライン１５を介して、カウンタ１６にエネ
ーブル（動作開始）パルスを加える。一方、このカウン
タ１６は、関連する閾値回路１４からデイスエーブ（動
作停止）パルスを受けるようになっている６更にまた、
夫々のカウンタ１６は、ライン１９を介し、タロツクパ
ルス発生器１８から、タロツクパルス６を受ける。

したがって、カウンタ１６をイネーブルしてからディス
エーブルするまでの期間に、カウンタ１６は加えられた
クロックパルスを計数する。必要であれば、上述の計数
処理後に、カウンタ１６をリセットできる手段（図示せ
ず）を設けても良い。

カウンタ１６の出力端は、処理回路２０に接続し、この
処理回路２０において、流体速度及び流体の方向などを
測定するために、種々の信号伝搬時間の測定が行われる
。尚、測定結果は、表示装置２１に表示される。

一方、複数のカウンタ１６の出力信号は、他の処理回路
２２に供給される。この処理回路２２は加算回路であり
、この加算回路を用いて、信号の伝搬時間の平均値に対
応する値、或いは、この平均値に比例する値が求められ
る。処理回＃！２２は気体の温度を測定するための回路
であり、測定結果は他の表示装置２３に表示される。

更に、複数のトランスジューサ１３の内の１個からの信
号３は、特別の閾値回路２４に供給され、この閾値回路
２４を用いて、信号３のピーク４のピーク値が測定され
る。次いで、このピーク値は、次段の回路２５において
、基準信号入力端２６に入力する基準値と比較される。

この基準値は、乾燥気体での減衰値に相当する値である
。比較により求められた２つの値の差は被測定気体の湿
度を示し、測定値は表示装置２７に表示される。閾値回
路２４は、上述したように、複数の閾値回路からなるよ
うに構成する場合もあり、或いは、可変の閾値を有する
回路であってもよい。この場合、必要であれば、複数の
閾値回路１４の内の１個を、この目的のために使用する
ことも可能である。

第２図は、本発明の目的達成に好適な回路の基本構成を
示したものであり、この回路の変型・変更は容易である
。例えば、これまでの説明で求めるとした物理量の内、
不要のものがあれば、対応する回路部分を省略すること
ができる。

第２図では、独立した複数の閾値回路１４及び独立した
複数のカウンタ１６を示したが、複数のトランスジュー
サ１３からの出力信号３を１個の記憶手段に記憶し、連
続するパルス１の間に、記憶した信号を処理するように
すれば、回路構成を簡単にできる。

気体の速度及び方向を測定には、トランスジューサ１２
と１３の種々の組み合わせが可能である。

例えば、相互に交差した方向を有する複数の対のトラン
スジューサを使用することもできるし、任意の方向で相
対するように配置したトランスジューサを設けてもよい
。パルス発射器（エミッタ）及びパルス受信器の双方の
機能を有するトランスジューサの場合には、上述の相対
するようにトランスジューサを配置することができる。

更に、２対のトランスジューサを用い、夫々の対のトラ
ンスジューサから発射された音響パルス信号を、夫々の
対で受けるようにすることも出来ることは勿論である。

トランスジューサの対の数は、流体の流れの方向を、２
次元或いは３次元で測定するがどうかによって決定され
る。

第３図は、本発明の目的を達成する他の実施例を示す図
である。この実施例では、１個の圧電パルス発生器１２
しか使用していない。第３図の圧電素子１２は、被測定
流体の流路の一方の側に配置されている。この圧電パル
ス発生器１２の前には、反射手段２８が設けられている
。図面では、簡単にするなめ、反射手段２８は三角形に
描がれている。圧電パルス発生器１２から発射したパル
ス信号は、反射手段２８の斜面２９で反射し、対応する
トランスジューサ１４に向かう。したがって、夫々の音
響パルス信号は、２度流体中を通ることになる。

第３図において、必要であれば、パルス発生器１２及び
反射手段２８を適当に設計することにより、パルス信号
の通過路を斜面２９の法線に対して対象にすることがで
きる（即ち、入射角と反射角を等しくするすることがで
きる。

特に、反射手段２８をピラミッドの形状即ち４面体にし
てもよい。この場合、３個のトランスジューサを使用す
る必要があるが、流体のベクトル３０の正確な測定が可
能である。

更に、被測定流体が、複数の方向がら発生する場合には
、流体の方向測定に必要な数似上の数の圧電トランスジ
ューサを設けてもよい。この場合、測定に不適当な箇所
にあるトランスジューサの動作を停止し、他のトランス
ジューサで正確な測定を行うようにする。トランスジュ
ーサの動作停止の判断は、例えば、一連の測定の最初に
、予め大まかな方向測定を行い、この測定を参考にする
ことが考えられる。

以上、気体を主にして本発明の詳細な説明したが、本発
明は、液体にも応用できることは明らかである。

気体の湿度を測定するには、第１図に示しなよりも減衰
の少ない信号を使用し、信号の包路線の減衰を測定すれ
ばよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための信号波形図、第２図は
本発明の１実施例を示す回路図、第３図は本発明の他の
実施例を示す図である。 図中、１０はトリガ回路、１３はトランスジューサ、１
４は閾値回路、２１．２３及び２７は夫々表示装置を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体、特に気体、の速度及び方向を測定する方法で
   あつて、第１のトランスジューサが音響パルス信号を、
   上記流体を介して、第１の方向に、第２のトランスジュ
   ーサに向けて発射し、該第２のトランスジューサは上記
   音響パルス信号を受けると対応する電気信号を出力し、
   上記第１及び第２のトランスジューサ間の音響パルス信
   号の伝搬時間を、音響パルス信号の発射から受信までの
   時間を測定することにより測定し、上記第１の方向とは
   別の方向で同様に音響パルス信号の伝搬時間を測定し、
   このようにして得た複数の伝搬時間の測定の差から、上
   記流体の速度及び方向を測定する方法に関し、 上記第１のトランスジューサ（１２）から発射される音
   響パルス信号（１）は急激に減衰する信号であり、上記
   第２のトランスジューサは、上記音響パルス信号を受け
   て減衰交流信号を出力し、該減衰交流信号の第１の波（
   ４）の振幅は後続する波の振幅よりも大きく、上記減衰
   交流信号は、第１の波のピーク値（絶対値）よりも小さ
   い値（絶対値）を有する閾値（５）と比較され、該閾値
   を超えると時間測定期間の終わりとされ、この時間測定
   期間の始点は、上記第１のトランスジューサ（１２）に
   よる上記音響パルス信号（１）の発射により開始される
   ことを特徴とする測定方法。 ２、上記音響パルス信号の発射により、タイミングパル
   ス・カウンタ（１６）は、パルス発生器（１８）から発
   生するタイミングパルス（６）の計数を開始し、上記タ
   イミングパルス・カウンタ（１６）は、上記閾値を超え
   た波を検知すると計数を停止し、上記音響パルス信号は
   上記固定周期のタイミングパルスの任意の時間に発射さ
   れる特許請求の範囲第１項記載の測定方法。 ３、音響パルス信号（１）の繰返し周波数は、上記第２
   のトランスジューサ（１３）から出力する信号（３）の
   減衰周波数よりも低く、タイミングパルス（６）の周波
   数は上記減衰周波数よりも高い特許請求の範囲第２項記
   載の測定方法。 ４、複数の時間測定が連続的に行われ、上記伝搬時間は
   、各々の時間測定結果の統計的な平均値である特許請求
   の範囲第２項或いは第３項記載の測定方法。 ５、異なった方向の信号伝搬時間の和を、流体の温度測
   定に使用する特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれ
   かに記載の測定方法。 ６、上記音響パルス信号の減衰を、流体の湿度の測定に
   使用する特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに
   記載の測定方法。 ７、上記第２のトランスジューサ（１３）から出力する
   信号の第１の波（４）を、複数の閾値（５′）と比較し
   て上記第１の波のピーク値を決定し、このように求めら
   れたピーク値を、乾燥気体に関連する基準値と比較する
   特許請求の範囲第６項記載の測定方法。 ８、流体、特に気体、の速度及び方向を測定する装置で
   あつて、音響パルス信号を発射する第１のトランスジュ
   ーサと、この音響パルス信号を受ける第２のトランスジ
   ューサと、上記第１及び第２のトランスジューサに接続
   し且つ上記音響パルス信号を発射してから受信する迄の
   時間を測定する手段とを少なくとも備え、 上記第１のトランスジューサ（１２）は減衰度合の大き
   い音響パルス信号を発射し、上記第２のトランスジュー
   サ（１３）は閾値（５）を有する閾値回路（１４）に接
   続し、上記閾値は上記第２のトランスジューサから出力
   する電気信号の第１の波のピーク値よりも小さく、上記
   閾値回路（１４）は、上記第１の波が上記閾値を超える
   と、信号を出力し、上記第１のトランスジューサの付勢
   回路はパルスカウンタ（１６）のエネーブル入力端に接
   続し、上記閾値回路の出力端は上記カウンタ（１６）の
   デイスエーブル端子に接続し、上記カウンタのカウント
   入力端はタイミングパルス（６）を発生する発生器（１
   ８）に接続していることを特徴とする測定装置。 ９、複数の異なった方向に発射された複数の音響信号を
   受ける複数の第２トランスジューサと、該複数の第２ト
   ランスジューサに接続して上記複数の音響パルス信号の
   伝搬時間を測定する手段と、該手段は加算回路（２２）
   に接続され、該加算回路は伝搬時間の加算値から流体の
   温度を求める手段に接続した特許請求の範囲第８項記載
   の測定方法。 １０、上記複数の第２トランスジューサの少なくとも１
   つは、異なった閾値（５′）を有する閾値回路（２４）
   に接続され、上記第２トランスジューサの出力（３）の
   第１の波の最高値を求め、上記閾値回路は回路（２５）
   に接続し、該回路（２５）は、求めた最高値を基準値（
   ２６）と比較し、比較結果から流体の湿度を測定する ことを特徴とする特許請求の範囲第８項或いは第９項記
   載の測定装置。 １１、１個の第１トランスジューサ（１２）と反射手段
   （２８）とを有し、該反射手段は、被測定流体が上記第
   １トランスジューサと該反射手段の間を流れるように上
   記第１トランスジューサの前に設けられ、上記反射手段
   は、上記第１トランスから発射された音響パルス信号を
   、上記流体を介して、１個或いは複数の第２トランスジ
   ューサ（１３）の方向に反射する特許請求の範囲第８項
   乃至第１０項のいずれかに記載の測定装置。 １２、上記反射手段はピラミッド型の形状をなし、その
   頂点は上記第１トランスジューサ（１２）の中心に向い
   ている特許請求の範囲第１１項記載の測定装置。 １３、上記第１及び第２トランスジューサの数は、流体
   の方向を決定するのに必要とされる数よりも多く、流体
   の最も好ましくない方向に関連したトランスジューサを
   不動作状態にする第１手段を有し、更に、該第１手段を
   制御するために流体の流れの方向を決定する第２手段を
   有する特許請求の範囲第８項乃至第１２項のいずれかに
   記載の測定装置。