JPH06507724A - 気体の流れ速度及び又はこれ等の速度から得られる量の測定を行う方法及び装置 - Google Patents

気体の流れ速度及び又はこれ等の速度から得られる量の測定を行う方法及び装置

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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】 り 気体の流れ速度及び又はこれ等の速度から得られる鳳の測定を行う方法及び装置 本発明は、気体(ガス)の流れ速度及び又はこれ等の流れ速度から得られる鳳の 測定を行う音響流れ測定法に関する0本発明測定法では、長波音響を測定管内に 送り、ガス流中を下流側及び上流側に進む音響信号をこの測定管に関して相互に 特定の距離を隔てて位置させた2個の音響検出器により検出する。測定管内を流 れるガスの流れ速度は前記信号の極性相関を使用することにより定める。そして 本測定法では測定管内に送る音響の周波数を成る最低及び最高の周波数の間で走 査する。
さらに本発明は、ガスの流れ速度及び又は体積流量及び又は質量流量のように流 れ速度から得られる量の測定を行う装置に関する。
本発明測定装置は、測定しようとするガス流が流れる測定管を備え、音響信号の 送信器としての拡声器(ラウドスピーカ−)と前記測定管に関して前記各拡声器 の間に相互に成る既知の距離を隔てて位置させた音響検出器としてのマイクロホ ンとを備えている0本装置は、前記拡声器に周波数走査電気信号を送給する周波 数走査信号発生器を備え、又前記拡声器から受ける信号を送る極性相関器を備え ていフィンランド国テクニカル・リサーチ・センター(TechnicalRe search Centrel [バルツィオン・ツッキムスヶスクス(Val tjohtutkimuskeskus) VTTIによるフィンランド国特許 第76.8a5号明細書によれば、音響流れ測定を行う方法及び装置は、下流側 及び上流側に向かい進む音波を使用することにより管内又は等砺波管(equi valent wave tubeJ内のガス、液体又は及び又は多相懸濁液の 流れ速度、体8I流量及び又は質量流量の測定を行うものでよく知られている。
この従来の方法及び装置では音響源から来る広帯域音響信号は、111定管又は 等砺波管内を平面波モードで下流側及び上流側に進行させ、流れ速度は、測定音 響信号の相関関数の最大値及び又は最小値から得られる音響進行時間に基づいて 又測定点間の相互距離に基づいて定める。
前記フィンランド国特許明細書に記載しである技術的解決法では、音響は周波数 走査の形で測定管内に送られ、そして音響の進行時間は、極性相関器により測定 距離の各端部に位置させた拡声器の信号から定める。下流側及び上流側で測定さ れた進行時間から、高い精度で平均流れ速度及び媒体静止時の音響速度を測定す ることができる。さらに必要に応じ流れ速度と管の横断面積とから体積流れ速度 を計算し、さらに圧力及び温度の測定値を組合せることにより質量流れ速度を計 算することができる。
実験により前記のフィンランド国特許明細書による方法及び装置は、管内に送ら れる周波数走査信号の音響レベルが管内に生ずる干渉ノイズと少なくとも同じレ ベルであれば所望の方式で動作することが確dされている0強いバックラウンド ノイズが存在すると、所望の音響信号はノイズにより生ずる信号に重畳する。こ の場合極性相関器の人力に存在する比較回路の状態は所望通りに変えることはで きない、この現象は第3図に関連してなお詳しく後述する。環境中のノイズのほ かに、測定方法及び装置に必要なマイクロホン及び拡声器の測定管への接続によ りガス流中に乱流を生じ、この乱流は比較的広いスペクトルを持つノイズを生ず る。また、弁、流量絞り又は管エルボのような流れダクト内の他の不連続部は流 れ内にノイズ生成性の乱流を生ずる。場合により流れ自体により生ずるノイズは 極めて高いパワーを持つ各別(discretelの周波数を含む、音響流れ測 定システムに干渉するノイズはまた、このシステム内に流れ管の壁及びその支持 構造に沿い導かれる。たとえば天然ガスの安全基準は、音響の入力パワーの全環 境のもとで適当なレベルまでの上昇を妨げる。そのため、何か他の方法で、音響 測定システムのSN比を高めるようにしなければならない。
前記のフィンランド国特許明細書に記載しである方法では、下流側及び上流側に 進む音響はまた、相互にすなわち相対的に妨害しあう傾向があり、これ等の信号 は測定環境内のノイズに匹敵する。そのため音響信号を下流側及び上流側に交互 に送らなければならない。
しかしこの場合急速に変化する流れでは測定の誤差を生ずる。
本発明の目的は、前記した障害を実質的になくすように、前記フィンランド国特 許76.885号明細書に記載しである流量測定の方法及び装置をさらに開発す ることにある。
とくに本発明の目的は、たとえば天然ガスの測定のような騒音状態の測定環境に 使用するのに一層適した方法を提供することにある。
前記した目的又は後述の目的を達成するために、本発明の方法は、2@の音響検 出器から来る測定信号を狭帯域フィルタ又はフィルタ系に進め、各フィルタの通 過帯域を音響送信の周波数走査に同期して走査し、周波数走査の持続時間と前記 各フィルタの通過帯域の幅とは測定シーケンスの間に各音響検出器により検出し た測定信号が実質的に減衰を伴わないでアクセスするが、各フィルタの平均周波 数とは実質的に異なる干渉周波数は著しく減衰するように選択されることを特徴 とする。
また、本発明による装置は1本装置が前記各マイクロホンから米る信号が前記極 性相関器に送給される間に経由す3:Lつの周波数走査フィルタ又は等価フィル タ系を備え、又本装置が周波数走査の制御を行いこの制御手段により周波数走査 信号発生器の周波数と前記の狭帯域フィルタの周波数走査とを相互に同期して制 御することを特徴とする。
本発明では、極性相関器は(それ自体利点を有し、簡単な実施例を構成するが) 、送信信号の周波数走査に追従する帯域を持っ狭帯域フィルタに各マイクロホン 信号を先ず送るときに、従来に比べてはるかに強いバックグラウンドノイズの存 在下で使用できることが示されている。このような場合に、各フィルタがたとえ ばFIR−フィルタの場合のように周波数とは無関係な時間遅れを持つことがZ 要である。FIR−フィルタの帯域走査は、クロック周波数を変えることにより 最も簡単に行うことができる。この場合しかしフィルタにより生ずる時間遅れは クロック周波数に反比例して変る。しかしこのことは有害ではない、その理由は 2個のフィルタの時間遅れの差だけしか測定結果に影響しないからである。しか しこの差は零のままである。実際上周波数走査は、それぞれ時間遅れに関係なく 両マイクロホンの信号が実質的な減衰を伴わないで同じ狭帯域フィルタを経てア クセスするように遅く選定しなければならない、しかし各フィルタの平均周波数 からより大きく離れた他の周波数はかなり減衰する。このことは、各フィルタの 通過帯域の平均周波数が各マイクロフォンから等しい測定距離の中間で測定する 信号の周波数に各特定の場合に同等であれば最もよく行われる。
走査できるフィルタの使用により極性相関器の有用性が他の点でも増す0本発明 で走査できるフィルタを使用しないと、下流側及び上流側に送信される音響信号 はこれ等の信号を交互に送信しなればならないような程度に相互に防害する。こ の場合前記したように流れ速度が急速に変るときは誤差を生ずる0本発明では走 査できる狭い帯域フィルタによって下流側及び上流側に同時に進む音響でも、周 波数の差を十分に大きくするときは相互に分離することができる。
このような場合には4個の走査できるフィルタを使うのがよい。
以下本発明を添付図面に例示した若干の実施例について詳細に説明する。
第1図は下流側及び上流側に交互に生ずる音響速度測定に基づく本発明による音 響流量計のブロック図である。
第2図は下流側及び上流側に同時に生ずる音響速度測定に基づ(本発明流量計の 第1図に相当するブロック図である。
第3A)図は振幅及び時間の座標系におけるノイズと混合した測定信号を示す線 図である。第3B)図はフィルタリングを行わない信号の極性を示す線図である 。第3G)図は本発明によるフィルタリングを行った場合を示す線図である。
第4図は本発明に適用する狭帯域フィルタの通過帯域を示す線図である。
第5図は下流側及び上流鋼を測定する走査できるフィルタの通過帯域を示す線図 である。
第1図及び第2図によれば流速Vを音響測定するガス流は管10内を流れる。測 定しようとするガスは典型的には天然ガスである。
測定管lO内に音響信号を拡声器13a、13bにより下流側及び上流側に送る 。これ等の信号は、各拡声器13a、13bの間に位置させたマイクロホン14 a、14bにより受ける。これ等のマイクロホン間の相互距離りは流量測定に重 要である。測定管lOの直径りと測定距離りとはたとえばL尭100になるよう に選定する。
本発明に係わる測定法の見地から、剛性壁を持つ管10では管10の寸法に依存 する成る限定周波数以下でもっばらいわゆる平面波モード又はピストンモードが 進行できることが最も必要な物理的事項である。このモードの進行速度は媒体内 の温度又は流れ速度の局部的変化には依存しないでもっばら測定距離内の平均値 に依存する[1977年lO月発行のJ、^coust、 Sac、 Am、第 62巻第4号813ないし818頁のビー・ロバートソン(B、 Robert son)の論文「管内の音響速度に対する随意の温度及び流れ輪郭の影響」、及 び1984年3月発行のTransactions of ASME @ 10 6巻18ないし20頁のビー・ロバートソンの論文「長音波を使う流量測定に対 する流れ及び温度輪郭の独立性」】、このようにして輪郭(profi let とは無関係な正確な流量測定ができる9円形断面を持つ管に対しては前記の限度 周波数fcは次の式から計算することができる。
rc =C(1,7・D) (1) この式でCは管を満たす媒体中の音響の進行 速度であり、Dは管10の直径で ある。
次に本発明による流量測定に使う計算式は次の通りである。
流れ速度(m/5)v=0.5・L(t+−’−t、−1) (2)体積流れ( m’/5)Q=v−A (3)質量流れ(kg/s)M=Q・ρ (4)V = 平均流れ速度 L =マイクロホン14a、14b間の距離j、=音響の下流側への進行時間 t2=音響の上流側への進行時間 Q =体積流量 A =管lOの横断面積 M =質量流量 ρ =ガスの密度 第1図によれば拡声器13a、13bは走査発生器12から受ける電気信号を交 互に送給される。拡声器13a、13bの交互の送給は周波数走査の制御ユニッ ト11により制御されるスイッチ18により制御する。音響測定システムの受信 側は、相互に測定距離りを隔てて位置させた前記のマイクロホン14a、14b を備えている。これ等のマイクロホンの出力信号は、増幅器16a、16bを介 して走査できるフィルタ17a、17bに送る。各フィルタ17a、17bは本 発明では重要な部品であり、これ等のフィルタの走査帯域は周波数走査の制御ユ ニット11により制御する。走査できるフィルタ17a、17bは極性相関器1 5に接続しである。
本発明による極性相関器15の一方の入力信号f、(tlは実時間形(real  timelであり、他方の入力信号fb (t−で)は伝達レジスタにより遅 延させる。 「極性」という用語は、関数f1、f5が連続関数であればその値 はわずかに1ビツトの精度で定められることを意味し、すなわちこの関数が所定 の零基準レベルに比較して正であるか又は負であるかを判定する。信号の値が+ 1(正)及び−1(負)であれば、次の式から正規化相関関数を定めることがで きる。
R−、b (て)0丁= l/T S (f居tlfbft−て)+1)dt  (5)信号f、(tl及びfbftlへの間に強い正での相関があるときは、関 数Ra 、 bはlに近い値を得る。又強い負の相関では値は零に近い。
相関がないときは値0.5が得られる。
信号f6又は信号fbの正の値を論理値lとして定めると共に負の値が論理値O に対応する場合には、被積分関数I (t、τ) = ff、f’rlfb(t −τ)+1) (6)と等しく大きい値を受ける論理関数は排他的NORゲート により実施することができる。
極性相関器15は被積分関数の式(6)から時間遅れての成る時間間隔でサンプ ルを取る。積分は、測定シーケンスの時間Tによるδ相関器のサンプリング結果 を加算することによって実施する。チャネルと呼ばれる個別の値てはそれ自体の 計算器を持つ、最高サンプリング回数は伝達レジスタのクロック周波数に等しい 。
極性相関器の1実施例を本出願人の前記フィンランド国特許第76.885号明 細書の第5図及び第6図に詳細に例示しである極性相関器15.15..15. の実施例に関しては前記各図面を参照しである。極性相関器15.15..15 2から、前記した式(2)、(3)又は(4)に基づいて、 測定しようとする 流れ速度Vと、必要に応じ測定しようとする体積流量Q又は質量流量Mとを計算 するたとえばコンピュータを備えたユニット20に測定信号を送給する。
ユニット20は又測定結実用のコンピュータ出力又は表示手段を備えている。
本発明によれば狭帯域フィルタ17a、17bの通過帯域はユニット11による 制御に基づいて走査発生器12の周波数走査に追従する。各フィルタ17a、1 7bは、これ等が周波数とは無関係の時間遅れを持つようにしである。このため にこれ等のフィルタは、クロック周波数を変えることにより帯域走査が極めて簡 単に行われるFIR(有限インパルス応答Finite Impulse Re s+ponse)フィルタが好適である。しかしこのような場合にはFIRフィ ルタにより生ずる時間遅れは反比例クロック周波数と称する。しかしこの反比例 クロック周波数は有害ではない、その理由は、測定結果が影響を及ぼすのは2個 のフィルタの時間遅れの間の差にすぎず、それはゼロのままであるからである1 周波数走査の周波数範囲f、、9 ・・・f a*atはたとえば0.1ないし 10kHzの範囲で選定する。さらに実際上周波数走査は、時間遅れに関係なく 各マイクホン14a、14bの信号が相互に同じ帯域フィルタ17a、17bを 実質的な減衰を伴わないで通過することができるように十分に遅く選定しなけれ ばならない、そして他方、これらのフィルタの平均周波数からより大きく離れた 他の周波数は第4図に明らかなようにかなり減衰する。このことは極めて有利に 行われ、従って各特定の場合に各フィルタ17a、17bの平均周波数f。は、 2個のマイクロホン14a、14bから等しい距離を隔てた測定距離の中間点で 測定される信号の周波数に対応する。
縦軸が信号の振幅を示し横軸が時間を示す第3図には、測定信号の極性の指示に 対する測定器10内の干渉ノイズの作用を例示しである。3A)図には測定周波 数より実質的に低い周波数を持つ騒音信号に重畳した実質的に正弦波形の測定材 料を示しである。第3B図は、本発明によりフィルタリングを行わないで生ずる 信号極性の指示を示す、第3G>図は本発明によりフィルタリングを行って生ず る極性の対応する指示を示す。
第4図は狭帯域フィルタ17a、17bの周波数帯域の選択の原理を示す、縦軸 Gはフィルタ17a、17bの通過帯域を表わし、横軸は周波数fを表わす、平 均周波数f。の両側で対称に各フィルタ17a、I7bの通過帯域に各マイクロ ホン14a、14bを介して検出される瞬間周波数f1、f5を位置させるよう にしである。
第1図において下流側及び上流側に伝送される音響信号は交互iこ伝送される。
この場合、流れ速度を測定シーケンスの持続時間より一層早く変るときは測定の 誤差を生ずる1本発明による走査できるフィルタの適用によって又たとえば第2 図に示した測定装置によってこの障害をなくすことができる。第2図によれば4 個の走査できるフィルタ17a1.17a2及びフィルタ17b、、17b2と 2個の極性相関器15+、152とを使う、走査できるフィルタ17のうちでフ ィルタ17a、及び17a2は検出器マイクロホン14aに接続しである。走査 できるフィルタのうちで各フィルタ17bl及び17b2は他方の検出器マイク ロホン14bに接続しである。各フィルタ17a4.および17b、は極性相関 器15゜に接続され、これに対応して各フィルタ17a2.および17b2は他 方の極性相関器152に接続しである。下流側に伝送される周波数走査に追従す るように接続したフィルタ17a1.および17b、は相互に同じであり、父上 流側に伝送される走査に追従するように制御されるフィルタ17a2.および1 7b2も同様に相互に同じである。下流側及び上流側に伝送される周波数走査の 瞬間周波数は、正しい音響だけが実質的な減衰を伴わないで各フィルタを経てア クセスするような程度につねに互いに異なるのがよい、最も簡単な方法は両方向 に同じ周波数走査を用い一方の方向における周波数走査を各フィルタ17の通過 帯域が一部でも相互に重ならなし\ように他方の方向の走査に対して十分に遅延 するようにする。前記のことは、第2図に示した2個の走査発生器12aおよび 12bの代りに1個の発生器2だけしか使わないことを意味する。電気信号番よ 、公知の時間遅延回路を経て拡声器の一方に送給する。この構造は第5図に斜め の陰影線により周波数一時間目盛で例示したフィルり17の通過帯域により例示 しである。第5図におしAてD+よ、下流側で測定するフィルタ17の通過帯域 であり、Uは上流側で測定するフィルタ17の通過帯域である。これ等の通過帯 域は、伝送周波数走査を相対的に十分に遅らせることにより相互に完全に隔離し である。WR波数走査の最高周波数はfl、1であり最低周波数Gよf mln である。第5図によればたとえば時間t、に下流側を測定するフィルタの周波数 帯域は△foであり、上流側を測定するフィルタ17の通過帯域はΔfuであり 、又前記各帯域の平均周波数fO間の間隔はΔfである。
以下に本発明の請求の範囲を述べる0本発明の種々の詳細1前:己請求の範囲の 精神を逸脱しないで種々の変化変型を行うこと力鷺でき前記の詳細は更に例示し ただけである。
フロントページの続き (72)発明者 ヒースメキ、ペッカ フィンランド、 02320 ニスポー、ネキンカーリ 2 シー 4 (72)発明者 クヌーツティラ、マツティフィンランド、 02940 ニス ポー、イソンイエルヴエンテイエ 8−10 シー 9(72)発明者 カール 、レイフ フィンランド、 02770 ニスポー、ケレイエクヤ 4 (72)発明者 ティーツタ、アンチロフィンランド、 02360 ニスポー 、ユレカウピンクヤ 1 デー 19

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.長波の音響を測定管(10)内に伝送しガス流中を下流側及び上流側に進む 音響信号を測定管(10)に関して相互に特定の距離Lを隔てて位置させた2個 の音響検出器(14a、14b)により検出し、前記測定管(10)内を流れる ガスの流れ速度vを前記各信号の極性相関(15)、(151、152)を用い ることにより定め、前記測定管(10)内に伝送する音響の周波数を成る最低及 び最高の周波数(fmfn…fmax)の間で走査する、ガスの流れ速度及び又 はこの流れ速度から導くことのできる量の測定を行う音響式流量測定法において 、前記の2個の音響検出器(14a、14b)から到達する測定信号(fa(t )、fb(t))を狭帯域フィルタ(17a、17b)又はフィルタ(17a1 、17a2、17b1、17b2)の系に送り、前記各フィルタ(17)の通過 帯域を音響伝送の周波数走査と同期して走査し、周波数走査の持続時間と前記各 スペクトル(17)の通過帯域の幅とを、測定シーケンスの間に前記音響検出器 (14a、14b)により検出した測定信号が実質的に減衰を伴わないで前記フ ィルタ(17)を経てアクセスし、かつ前記各フィルタ(17)の平均周波数( fo)とは実質的に異なる干渉周波数を著しく減衰させるように選定しておくこ とを特徴とする測定法。
  2. 2.前記各フィルタ(17)を、これ等のフィルタにより生ずる信号移動時間遅 延が前記フィルタの各平均周波数(fo)で適当な精度で周波数とは無関係にな るように選定することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の測定法。
  3. 3.前記音響検出器(14a、14b)の信号の時間差から生ずる「瞬間」間波 数(fa、fb)を通過帯域の平均周波数(fo)の両側で実質的に対称に位置 させる(第4図)ことを特徴とする請求の範囲第1項又は第2項に記載の測定法 。
  4. 4.周波数走査音響信号を、スイッチ(18)又は相当品により交互に下流側送 信器(13a)及び上流側送信器(13b)にそれぞれ走査発生器を切換えるこ とにより交互に下流側及び上流側に伝送することを特徴とする請求の範囲1ない し3のいずれかに記載の測定法。
  5. 5.各別の帯域の周波数走査を下流側及び上流側に同時に伝達し、2つの並列の フィルタ系(17a1、17a2)、(17b1、17b2)を使い、その一方 の系(17a1、17a2)は下流側に伝送される周波数走査に追従するように 同調させ、他方の系(17b1、17b2)は上流側に伝送される周波数走査に 追従するように同調させ、前記各走査の瞬間周波数を各フィルタ系がその糸を経 て追従するように同調させた走査だけを通すように十分なだけ相互に異なるよう になした(第2図)ことを特徴とする、とくに急速に変るガス流量の測定を行う 請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の測定法。
  6. 6.使用する周波数走査フィルタ(17)をFIR(有限インパルス応答)フィ ルタとし、これ等のフィルタ(17)の帯域走査を好適にはそのクロック周波数 を変えることにより実施することを特徴とする請求の範囲第1項ないし第5項の いずれかに記載の測定法。
  7. 7.測定しょうとするガス流が流れる測定管(10)を備え、音響信号の送信器 として拡声器(13a、13b)と前記測定管(10)に関して前記各拡声器( 13a、13b)の間に相互に或る既知の距離Lを隔てて位置させた音響検出器 としてのマイクロホン(14a、14b)とを備え、周波数走査電気信号を前記 拡声器(13a、13b)に送給する周波数走査信号の発生器(12)又は各発 生器(12a、12b)を備え、又前記各マイクロホン(14a、14b)が受 けた信号が送給される極性相関器(15)、(151、152)を備え、ガスの 流れ速度v及び又は体積流量Q及び又は質量流量Mのように前記流れ速度から導 くことのできる量の測定を行う測定装置において、前記マイクロホン(14a、 14b)から来る信号が前記極性相関器(15)、(15a、15b)に送給さ れる間に経由する2個の周波数走査フィルタ(17a、17b)又は相当するフ ィルタ系(17a1、17a2、17b1、17b2)を備え、前記周波数走査 信号発生器(12)の周波数と前記狭帯域フィルタ(17)の周波数走査とを相 互に同期して制御する周波数走査の制御装置(11)を備えたことを特徴とする 測定装置。
  8. 8.互いに異なる拡声器(13a、13b)に交互に切換わるように制御される 1個の周波数走査発生器を備えたことを特徴とする請求の範囲第7項に記載の測 定装置。
  9. 9.互いに異なる周波数を持つ音響信号を前記拡声器(13a、13b)の両方 に同時に送給する各別の2個の周波数走査発生器(12a、12b)を備えた( 第2図)ことを特徴とする請求の範囲第7項に記載の測定装置。
  10. 10.相互に同じ対から成り一方の対(17a1、17a2)は下流側に伝送さ れる周波数走査に追従するように制御され、他方の対(17b1、17b2)は 上流側に伝送される周波数走査に追従するように制御される4個の周波数走査で きるフィルタ(17al、17a2、17b1、17b2)を備え、前記各フィ ルタ対の周波数走査の瞬間周波数の間の差Δfを正しい音響だけが実質的な減衰 を伴わないで前記各フィルタを経てアクセスするように十分大きくしたことを特 徴とする請求の範囲第9項に記載の測定装置。
  11. 11.同じ周波数走査を下流側及び上流側の両方に使い、これ等のうちの一方を 他方に対して遅延させ前記各フィルタ(17)の通過帯域(ΔfD、Δfu)が 同時には一部でも相互に重なり合わないようにした(第5図)ことを特徴とする 請求の範囲第10項に記載の測定装置。
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