JPH0336889Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は熱線式流速測定装置、少し詳しくは、
熱線式呼吸流速計のように流体の温度が刻々変化
する流体の流速を測定する場合、温度の変化を補
償して正確な流速測定を可能とした上記装置に関
する。

（従来の技術） 熱線式流速測定装置は被測定流体の流路に熱線
を置いて流体によつて放熱した熱線の電気抵抗の
変化を検知して周知のキング（King）の式より
流速を求めるものである。即ち、熱線の出力電圧
Ｖと流速ｖとの関係は V²／Ｒ＝（Ａ＋Ｂ√）（θ−θa） − 但し、θ…熱線温度、θa…流体温度、Ｒ…熱
線の動作抵抗、Ａ，Ｂ…流体の性質により定まる
定数 今上記式に於て、ｖ＝₀（ｍ／ｓ）の時の出力
電圧をV₀とすると； V₀ ²／Ｒ＝Ａ（θ−θa） − (2)式より V²＝V₀ ²＋Ｒ・Ｂ（θ−θa）・√ √＝V²−V₀ ²／Ｒ・Ｂ（θ−θa） − ∴ｖ＝｛V²−V₀ ²／Ｒ・Ｂ（θ−θa）｝² − (3)式より√とV²とは直線の関係となり、Ｂ
及びＲ，θは定数と考えられるから、式より
V₀，Ｖ及びθaが判明すれば流速ｖを算出するこ
とが出来る。

（考案が解決しようとする問題点） 而して上式に於てはθaが刻々変化するような
流体の場合、次のような不都合を生ずる。例え
ば、呼吸流の流速測定の場合、呼気と吸気とに於
て相当の温度差がありその温度差のために測定流
速値には相応の測定誤差を生み出す。従つて、誤
差をなくすためには、流体の温度を刻々測定して
流速値を補正しなければならない。その手法とし
て温度センサーを流路の中に入れることも考えら
れるが、この方法だと流れが乱れて正確な流体の
移動が阻害されるのみならず空気流による温度セ
ンサーの熱平衡がくずれて指示が正確とならな
い。この点に着目して熱線と低抗線とを同時に補
正する方法が提案された（特開昭56−51618）が、
この提案によつても尚、流体の流れが阻害された
り、複雑な回路構成並びに計算が必要となる問題
点が残されている。

本考案は上記に鑑みてなされたもので、流体温
度が熱線出力に及ぼす影響を補正するに当つて、
流速がリアルタイムで測定出来且つ非侵襲で流れ
を乱さない装置を提供することを目的としてい
る。

（問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成する構成を実施例対応図をもつ
て説明するに、図に於て、 第１図は本考案装置全体の関連を示すシステム
ブロツク図、第２図Ａ，Ｂは超音波温度計測部
の２様の実施態様を示すブロツク図、第３図は超
音波受信センサを対向関係に配置した例の説明
図、第４図は定温度型熱線流速測定部のブロツク
図、第５図は演算装置に於ける動作を説明するブ
ロツク図である。図より本考案は、超音波温度計
測部、定温度型熱線流速測定部及び演算装置
とより成り、上記超音波温度計測部は超音波
送受信センサ１，２、超音波パルス送信回路３、
超音波パルス受信回路４及び超音波パルス伝幡時
間カウント手段５を含み、上記定温度型熱線流速
測定部は流速計測用の熱線６、ブリツヂ回路
７、熱線温度を一定にする制御回路８及び電流−
電圧変換器９を含み、上記演算装置は前記計測
部より出力される流体温度及び前記測定部よ
り出力される熱線の出力電圧を夫々に取り込んで
その温度下での流速を算出するようにした熱線式
流速測定装置に係わる。

上記構成に於て、超音波温度計測部は流体の
温度を計測して式中のθaを求めるもの、定温
度型熱線流速測定部は流体の刻々変化する温度
に対応した熱線の出力電圧Ｖを求めるもの、演算
装置は上記θa及びＶを入力して式に従つて
ｖを演算するもので実質的にはコンピユータの
CPU装置である。

以下に夫々を図に採つて更に詳細に説明する。
超音波温度計測部による流体の温度θaの測定
の原理は次の如くである。空気中の音速Ｃは温度
θa（℃）の関数として Ｃ20.067√273＋ 331.6＋0.61θa（ｍ／ｓ） ∴θa＝Ｃ−331.6／0.61 − 式からＣを測定すればθaが求められる。而
して音速Ｃを測定するに本考案では超音波パスル
の伝幡時間の測定より求めるようにしている。即
ち、超音波パスルの発信・受信間距離をＬとし、
超音波パスルの距離をＬ間における伝幡時間をｔ
とすると、 Ｃ＝Ｌ／ｔ（ｍ／ｓ） − となる。従つて、伝幡時間ｔを測定すれば式に
より音速Ｃが求められる。

そしてこの伝幡時間ｔの測定のために本考案で
は超音波伝幡時間カウント手段５を採択してい
る。該手段５の一つはクロツクパレスカウント方
式、別の一つは超音波パルスの繰返し周波数カウ
ント方式である。前方式を第２図Ａについて説明
すると、同図のものはパルス反射型の例を示して
いるが、パルス繰返し周波数発信回路３０により
トリガーされたパルス発信回路３から超音波発信
信号が超音波送信センサ１に送られ、このセンサ
１から発射された超音波パルスは流体管路１０内
の流体ｆを横断して相手の管壁に衝突反射された
超音波受信センサ２によりキヤツチされてから超
音波パルス受信回路４にて受信され、更に増幅・
検波される。クロツクパレスは、クロツクパレス
発信器３１よりカウンタ３３のゲート３２に送ら
れると共に前記パルス繰返し周波数発信回路３０
のトリガパルスと同期してスタートパルスが送ら
れこのスタートパルスによつてゲート３２はゲー
トオープンとなり、上記のクロツクパルスのゲー
トインを許容する。超音波パルスがパルス受信回
路４により受信（増幅・検波）されるとこの受信
パルスがストツプパルスとしてゲート３２に入力
されゲートクローズとなす。従つて、超音波パル
スの発射から到着（受信）に至る時限、即ち伝幡
時間ｔはゲート３２のオープンからクローズに至
る時限にカウンタ３３に取り込まれたクロツクパ
レスの計数値によつて算出される。後者の方式は
第２図Ｂの如く、パルス発振回路３よりの発信信
号により送信センサ１から発射された超音波パル
スが前例と同様受信センサ２によりキヤツチされ
パルス受信回路４により受信（増幅・検波）され
これが整形回路３４を経て波形整形され再びパル
ス発振回路３を経て閉ループ回路を循環しパルス
繰返し周波数を形成する。従つて、パルス繰返し
周波数カウンタ３５をもつて超音波パルスの伝幡
時間ｔを算出することが出来る。

超音波温度計測部はこのようにして超音波パ
ルスの伝幡時間ｔから流体の温度θaを求めるも
のである。次に、定温度型熱線式流速測定部は
熱線流速装置に於て、流体によつて熱線の放熱量
が変化する場合熱線の温度を常に一定に保つよう
にすると、流速或は流速変動により熱線に流れる
電流が変化する。この電流を流速信号として検出
するものである。具体的には第４図の如く熱線６
に抵抗ブリツヂ回路７を接続し、熱線６の電流を
電流増幅器６０にて取り出し、検知増幅電流に対
応した電流を制御回路８より熱線６に送つて常時
一定の発熱温度を維持する。一方、検知増幅電流
を電流−電圧変換器９により電圧Ｖとして取り出
し、演算装置に入力し式による演算を行なわ
しめる。

演算装置の動作は第５図のブロツク図に一例
を示す如くであり、第１図のシステムブロツク図
と照合する時、その動作要領は容易に理解され得
るであろう。なお、流速測定部よりＶを取り込
む時Ｖとｖとは式より４乗の関数関係となる
為、信号処理上、Ｖを一旦直線化器（不図示）を
経て入力するか入力した后に直線化するかいづれ
かを採択するのがよい。また、よく行なわれるよ
うにＶ信号中のノイズを除去するためのフイルタ
（不図示）も望ましく採択される。演算装置に
付帯して記憶装置、表示装置を併用することは通
常のマイコン技術のそれと同様である。

（作用） 本考案装置は以上の如く、超音波温度計測部
に於て、超音波パルスの流体管路１０の管壁間の
超音波パルスの伝幡時間ｔより流体ｆの温度θa
を求めると共に定温度型熱線流速測定部に於て
上記温度θa下に於ける熱線の出力電圧Ｖを求め、
温度θa及び出力電圧Ｖを演算装置に入力して
キングの公式よりその時の流速ｖを時々刻々と求
めることにより、温度変動による流速ｖの誤差を
リアルタイムで補償し得るものである。

（実施例） 超音波温度計測部に於ける超音波パルスの発
信・受信を記述説明の発射型に代つて対向型とす
ることが出来る。第３図は対向型の一例で送信セ
ンサ１と受信センサ２とが一直線上に対置した場
合を示す。超音波パルス伝幡時間カウント手段５
の応答性を考慮する時、パルス伝幡時間ｔが長い
方が望ましいのでこの点反射型が良いが応答性の
速い場合は対向型のものを用いることも出来る。
後者の型に於て超音波パルスは流体ｆに対して直
交関係となるようにすることが、該パルスの流速
による影響を少なくする意味で望ましくまた流体
を層流とするために管路１０に垂直に金網１１を
設けることが好ましい。また、前者の反射型、後
者の対向型共に超音波パルスの発信・受信を１つ
のセンサで行うこともできる（不図示）。これに
は周知の１体型センサを使用すればよい。また既
に述べたように直線化器及びフイルタを演算装置
側に不備させることに代つて、これを第４図の
電流−電圧変換器９に後接続することも可能であ
る。

（考案の効果） 本考案は以上説明した所から明らかなように、
流体管路内に温度センサの如き侵襲物をのぞませ
ることなく、超音波温度計測部に於て超音波パ
ルスを流体管路の管壁より発射させて、その伝幡
速度より流体の温度θaを求めると共に、定温度
型熱線流速測定部によつて温度θaの時の熱線の
出力電圧Ｖを求め、これらを演算装置に入力して
流体の各温度に対応した流速ｖを算出するもので
あるから、流体温度が熱線出力に及ぼす影響を補
正するに当つて、流速がリアルタイムで測定可能
となること並びに非侵襲で流れを乱さないことの
利益を生み出すもので、呼吸流のように流体の温
度が刻々変化する場合の流速測定に頗る有意義で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案装置全体の関連を示すシステム
ブロツク図、第２図Ａ，Ｂは超音波温度計測部
の２様の実施態様を示すブロツク図、第３図は超
音波受信センサを対向関係に配置した例の説明
図、第４図は定温度型熱線流速測定部のブロツク
図、第５図は演算装置に於ける動作を説明するブ
ロツク図である。 符号の説明、……超音波温度計測部、……
定温度型熱線流速測定部、……演算装置、１，
２……は超音波送受信センサ、３……超音波パル
ス送信回路、４……超音波パルス受信回路、５…
…超音波パルス伝幡カウント手段、６……流速計
測用の熱線、７……ブリツヂ回路、８……制御回
路、９……電流−電圧変換器。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 超音波温度計測部、定温度型熱線流速測定
   部及び演算装置とより成り、上記超音波温
   度計測部は超音波送受信センサ１，２、超音
   波パルス送信回路３、超音波パルス受信回路４
   及び超音波パルス伝幡時間カウント手段５を含
   み、上記定温度型熱線流速測定部は流速計測
   用の熱線６、ブリツヂ回路７、熱線温度を一定
   にする制御回路８及び電流−電圧変換器９を含
   み、上記演算装置は前記計測部より出力さ
   れる流体の温度及び前記測定部より出力され
   る熱線の出力電圧を夫々取り込んでその温度下
   での流速を算出するようにした熱線式流速測定
   装置。 ２ 超音波送受信センサ１，２が流体管路１０の
   片側の管壁に隔置され送信センサ１より発射さ
   れた超音波パルスが流体ｆを横切つて相手の管
   壁より反射され受信センサ２によつて受信さ
   れ、この発射と受信との時限を超音波パルスの
   伝幡時間とする実用新案登録請求の範囲第１項
   記載の装置。 ３ 超音波送受信センサ１，２が流体管路１０の
   互いに対向する管壁に取着され送信センサ１よ
   り発射された超音波パルスが流体ｆをほゞ直角
   に横切つて受信センサ２により受信され、この
   発射と受信との時限を超音波パルスの伝幡時間
   とする実用新案登録請求の範囲第１項記載の装
   置。 ４ 超音波パルスの伝幡時間カウント手段５がク
   ロツク発振器３１及びカウンタ３３を含み、超
   音波発信回路３より発射された超音波パルスが
   超音波受信回路４に到着する時限内上記カウン
   タ３３のゲート３２をオープンにしこの間に上
   記クロツク発振器３１より該ゲート３２内に取
   り込まれたクロツクパレスの数を求めることに
   より上記超音波パルスの伝幡時間を求めるよう
   にした実用新案登録請求の範囲第２項もしくは
   第３項記載の装置。 ５ 超音波パルスの伝幡時間カウント手段５が超
   音波パルス発信回路３と超音波受信回路４との
   間に直列設された整形回路３４並びに該受信回
   路４に並列設されたパルス周波数カウンタ３５
   を含み、該受信回路４よりパルス繰返し周波数
   を上記カウンタ３５によりカウントしてそれよ
   り超音波パルスの伝幡時間を求めるようにした
   実用新案登録請求の範囲第２項もしくは第３項
   記載の装置。 ６ 超音波送受信センサ１，２が送信と受信とを
   １個のセンサで行うものである実用新案登録請
   求の範囲第１項記載の装置。