(57)【要約】      （修正有）【課題】変化の速い流量の計測に対し計測誤差を低下させた超音波流量計測装置の制御方法を提供する。【解決手段】計測流路６の一端に第１トランスデューサ２０を備え、かつ他端に第２トランスデューサを備え、各トランスデューサが他方のトランスデューサに対して超音波を放出するとともに他方のトランスデューサから放出された超音波を受信するものであり、第１トランスデューサが第２トランスデューサに超音波を放出する第１ステップと、第２トランスデューサが第１トランスデューサに超音波を放出する第２ステップとを含み、第２ステップと第１ステップとを同時に実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測流路（６）内の流体の流量を超音波計測する装置の制御方法であって、
上記装置は、計測流路（６）の一端に第１トランスデューサ（２０）を備えかつ他端に第２トランスデューサ（２０）を備え、各トランスデューサ（２０）が、他方のトランスデューサに対して超音波を放出するとともに、他方のトランスデューサ（２０）から放出された超音波を受信するものであり、
上記第１トランスデューサ（２０）が上記第２トランスデューサ（２０）に超音波を放出する第１ステップと、
上記第２トランスデューサ（２０）が上記第１トランスデューサ（２０）に超音波を放出する第２ステップとを含み、
上記第２ステップは上記第１ステップと同時に実行可能であることを特徴とする制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の制御方法において、
上記第１ステップと上記第２ステップとは繰り返し実行されることを特徴とする制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の制御方法において、
各トランスデューサ（２０）は、他のトランスデューサ（２０）とは同期せずに超音波の放出を行うことを特徴とする制御方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の制御方法において、
各トランスデューサ（２０）は、他のトランスデューサ（２０）と同期して超音波の放出を行うことを特徴とする制御方法。
【請求項５】
流体の流量を超音波計測する装置の制御システムであって、請求項１〜４のいずれか１つに記載の制御方法を実行する手段を含むことを特徴とする制御システム。
【請求項６】
請求項５に記載の制御システムにおいて、
２つの上記トランスデューサ（２０）用の共通の起動信号放出パス（６０）を含むことを特徴とする制御システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の制御システムにおいて、
上記トランスデューサ（２０）に接続されたマルチプレクサ（５２）の前又は後に配置されたインピーダンス整合回路（５６）に送信される起動信号（６０）を生成するジェネレータ（５４）を含む起動信号放出パス（６０）を含むことを特徴とする制御システム。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１つに記載の制御システムにおいて、
少なくとも２つの分割受信経路（Ａ，Ｂ）を含むことを特徴とする制御システム。
【請求項９】
請求項８に記載の制御システムにおいて、
上記各受信経路（Ａ，Ｂ）は、インピーダンス整合回路（７０）と、バンドパスフィルタ（７２）及び増幅器（７６）を備える信号調整装置とを連続して含むことを特徴とする制御システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の制御システムにおいて、
各受信経路（Ａ，Ｂ）は、処理信号（８０）を伝達する波の到達を探査するモジュール（７８）と、上記波の到達時間を検査するロジック回路（８２）とを含むことを特徴とする制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測流路内の流体の流量を超音波計測する装置の制御方法、及び、その制御方法を実行する制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
配管内の流体の流量は、トランジットタイムの差を計測する方法に応じて、超音波流量計により計測できる。この手段は、現在、タイムインターバルを高精細に計測できる電子技術の進歩のおかげで一般に普及している。
【０００３】
従来のタイプの超音波流量計（特に米国特許出願公開第２０１４／０３４５３９０号明細書に記載）は流体通路用シリンダを備える。流体通路用シリンダは、各端部に、このシリンダに対して垂直な方向に流れる流体の流入口又は流出口を有する。
【０００４】
流体通路用シリンダの各端部には、このシリンダに対して垂直な閉鎖面を有する。閉鎖面の外部の一方側には超音波エミッタが、他方側にはエミッタが放射する超音波を受信するレシーバが設けられている。
【０００５】
このシリンダは、該シリンダに内嵌される管をさらに備える。管には軸方向に貫通する孔があり、この孔は、エミッタが送出する超音波および流体を収容する流路を構成している。ポリマーなどの超音波吸収材料からなる管は、流路の側方に拡散する音波の伝搬を減衰する。これは、レシーバにおいて、流体のみが伝達する関連信号に加えて、ノイズとなる信号の寄生伝搬を回避するためである。この寄生伝搬の回避は、レシーバにより実現されている。
【０００６】
流体中の音信号の伝搬速度に対して、計測される流体速度が加算されることにより、エミッタによる放射と、レシーバによる受信との間のタイムインターバルに生じる小さい変化が測定される。流体の特性、この流体通路の形状、流体速度および体積流量をさらに把握することが考えられる。
【０００７】
トランジットタイムの差を測定する方法としては、まず、第１トランスデューサによる放射を行い、第２トランスデューサにより該信号を受信までのタイムインターバルの測定を行う。次いで第２トランスデューサによる放射を行い、第１トランスデューサにより該信号を受信するまでのタイムインターバルの測定を行う。
【０００８】
これら２つの測定の差を計算することにより、流体の圧力や温度にほとんど依存しない良好な精度で、流路内の流体の速度、さらには流量を評価することができる。これは、それらは、並流の方向に波が伝搬する間、その直後に流れに対して反対方向に波が伝搬する間は閉じているからである。
【０００９】
この方法は、信号を受信するための１つの経路のみを含み、１つのトランスデューサ又は他のトランスデューサに対して連続して使用される電子制御システムを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非常に過渡的なフローを有するアプリケーションにおいては、放射及び受信の動作を交互に連続して繰り返し実行するのに時間がかかるため、サンプリング周波数が不十分になる可能性がある。加えて、これら２つの連続動作は、１つの動作から他の動作までの間に、強い力学の作用により、流体の圧力や温度条件が変化してしまうという可能性を含んでいる。これは、流量の測定に誤差を生じさせてしまう。
【００１１】
特に、流量、延いてはガソリン系の熱機関での噴射量の測定、すなわち、流量を増加させる噴射や流量をゼロに減少させるような各噴射を含む、かなり噴射時間の短い噴射の場合、その精度が不十分となり得る。
【００１２】
本発明は、特に、従来技術のこれらの欠点を回避することを目的とし、具体的には、超音波の伝播を動機させるとともに、並流及び向流のトランジットタイムでのサンプリング回数を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的のため、本発明は、計測流路内の流体の流量を超音波計測する装置の制御方法を対象として、上記装置は、計測流路の一端に第１トランスデューサを備えかつ他端に第２トランスデューサを備え、各トランスデューサが、他方のトランスデューサに対して超音波を放出するとともに、他方のトランスデューサから放出された超音波を受信するものであり、上記第１トランスデューサが上記第２トランスデューサに超音波を放出する第１ステップと、上記第２トランスデューサが上記第１トランスデューサに超音波を放出する第２ステップとを含み、上記第２ステップは上記第１ステップと同時に実行可能であることを特徴とする方法である。
【００１４】
この制御方法の利点は、２つのトランスデューサの受信の処理を並行して可能にする制御システムを用いて、両トランスデューサに対して並行して信号を放出することにより、他方のトランスデューサから信号を受信した後にのみトランスデューサから信号の放出が行われるという方法に比べて、伝搬条件の偏差によるエラーを削減できるということである。
【００１５】
このようにして、残った流体の特性が得られる。この特性は、同時に２つの波が伝播する間は実質的に一定のままである。これにより、改善された精度で、流体の迅速な動的遷移を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る超音波計測装置は、以下の特徴のうち１つ以上をさらに含んでもよい。これらの特徴が組み合わせられてもよい。
【００１７】
好適には、上記制御方法における第１ステップと第２ステップとは繰り返し実行される。
【００１８】
一実施形態では、各トランスデューサは、他のトランスデューサとは同期せずに超音波の放出を行う。
【００１９】
この代わりに、各トランスデューサは、他のトランスデューサと同期して超音波の放出を行ってもよい。
【００２０】
本発明は、流体の流量を超音波計測する装置の制御システムも対象とし、このシステムは、上述した特徴の少なくとも１つを含む制御方法を実行する手段を含む。
【００２１】
好適には、上記制御システムは、両トランスデューサに対して起動信号を放出する共通パスを含む。マルチプレクサに設けられる上記共通パスにより、この制御システムを単純化することができる。
【００２２】
好適には、上記制御システムは、トランスデューサに接続されたマルチプレクサの前又は後に配置されたインピーダンス整合回路に送信されるパルス信号を生成するジェネレータを備え、該パルス信号を放出するパスを含む。
【００２３】
好適には、上記制御システムは、少なくとも２つの異なる受信パスを含む。
【００２４】
この場合、各受信パスは、インピーダンス整合回路と、バンドパスフィルタ及び増幅器を備える信号調整装置とを連続して含んでいてもよい。
【００２５】
これに加えて、各受信パスは、処理信号を伝達する波の到達を探査するモジュールと、上記波の到達時間を検査するロジック回路とを含む。
【００２６】
本発明の他の特徴および効果は、以下の説明を読むことにより明らかになる。以下の説明は、以下の添付図面を用いて例示されているに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、それぞれ放出及び受信が可能な２つのトランスデューサを含む超音波計測装置の軸方向断面図である。
【図２】図２は、トランスデューサを示すこの計測装置の詳細図である。
【図３】図３は、本発明に係る方法を実行する、計測装置の制御システムの電気ダイアグラムである。
【図４】図４は、制御システムの動作を、時間の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１および図２は、本体２を有する超音波計測装置を示す。本体２は直線状の計測流路６を有する。計測流路６は、長手方向の軸に沿って配置され、複数の供給孔８に接続され、一方側では流入貫通孔および上流側トランスデューサ２０を有し、他方側では流出貫通孔および下流側トランスデューサを有する。
【００２９】
従来より、各トランスデューサ２０の軸方向の正面は、流路６に対向する面となっている。この面は超音波の放射又は受信を行う。
【００３０】
各供給孔８は、本体２に対してねじ１４でねじ留めされる金属継手１２を収容する。この金属継手１２は、この供給孔の軸心に沿って配置される流入管２６又は流出管２８を保持する。
【００３１】
流路６の各端部には圧電トランスデューサ２０が収容される。圧電トランスデューサ２０はシリンダを構成している。このシリンダは、流路の軸心に沿って配置されるとともに、後部締付ナット２２が保持するケース４２の円筒状キャビティに後方から挿入される。トランスデューサ２０は、その軸心に沿って後方から外に出る電源ワイヤ２４を備えている。
【００３２】
流路６の各端部は、本体２の外部に向かって開口するキャビティによって延長されている。キャビティには、外側から順に、大径ボアと、軸心を中心として細くなるとともに９０°の開き角を有する円錐状面と、最終的に、一定の径Ｄを有する流路の貫通孔と、が含まれている。
【００３３】
各トランスデューサケース４２は、後側から順に、流路６の端部のキャビティの大径ボアに嵌入される円筒状部３０と、このキャビティの円錐状面に装着される円錐状狭窄部３２と、を有する。円錐状狭窄部３２は、後部締付ナット２２を締め付けることにより、この円錐状面上で支持される。
【００３４】
トランスデューサケース４２は、さらに、流路６の貫通孔に嵌入される円筒状スタッドを有する。この円筒状スタッドには、供給孔８の直前に配置される正面横断面３４が終端となる導波路４０が形成されている。トランスデューサケース４２は、超音波伝導特性並びに圧力および温度特性が公知の材料からなる。
【００３５】
導波路４０は、計測流路６の端部が充填されている部分である。この部分は、円錐状狭窄部３２の前方にあり、この流路と供給孔８との分岐まで延びている。したがって、計測流路６内には流体の窪み領域がない。この領域があれば、計測の信頼性が低下することになる。
【００３６】
トランスデューサ２０は、電圧を振動に、又は、振動を電圧に変換する素子である圧電セラミックスを有する。この圧電セラミックスは、計測流路の径Ｄよりも大きい径を有する。したがって、トランスデューサ２０によって放射されて、導波路４０を通過した後に導波路の正面横断面３４から放出される計測用超音波は、計測流路６の軸心と平行であり、この超音波は、この流路に沿って反対側のトランスデューサに向かって伝搬する。
【００３７】
また、各トランスデューサケース４２の前部の円錐状狭窄部３２は、横断面に対して４５°の角度を有する。こうして、導波路４０の手前の両側で、トランスデューサが放射した寄生超音波を後方に反射できる。一般に、円錐状狭窄部３２の開き角は６０°と１２０°との間であり得る。
【００３８】
このようにして、反対側のトランスデューサ２０に到達し得る超音波が装置の本体２の中実部内で前方へ伝搬するのが抑制される。この目的は、計測流路６の流体中に移動する超音波に追加され得る寄生波を反対側のトランスデューサ２０に送り出すことを回避することである。
【００３９】
計測装置の本体２は、流路６の各端部に、この流路の軸心を中心とする円形ボスを備えている。この円形ボスは、この本体２を後方に延伸させるものであり、雄ねじ３８を有する。
【００４０】
本発明に係る、超音波の放出及び受信の両方が可能な２つのトランスデューサを含む流量測定機のための制御方法は、流れている流体内での超音波信号の伝搬時間を測定することにある。このとき、上記信号は、流れ側では並流として放出され、流れと反対側では向流として放出される。
【００４１】
この方法では、上流側トランスデューサに電圧が印加されて、超音波が並流として放出される。該超音波は下流側トランスデューサに受信される。さらに、下流側トランスデューサに電圧が印加されて、超音波が向流として放出される。該超音波は上流側トランスデューサに受信される。すなわち、各トランスデューサは、放出状態から受信状態に交互に切り替わる。
【００４２】
２つのトランスデューサの間の距離が分かっているため、上記超音波のトランジットタイムの差により、主に圧力及び温度に依存した流体の流速、並びに、流体の密度及び圧縮性等の物理的特徴を決めることができる。
【００４３】
この制御方法は、上述の測定装置に限定されることなく、放出と受信とが可能な２つのトランスデューサ２０を含む、あらゆるタイプの測定装置に適用される。
【００４４】
図３及び図４は、図４のグラフの上部に概略的に示す２つの信号４８，６０を確立する、２つのトランスデューサ２０用の、単一の共通放出パスを含む制御システムを示す。
【００４５】
制御システムは、マルチレセプタ５２を介してトランスデューサにそれぞれ接続された２つの受信パスＡ，Ｂを含む。各受信パスＡ，Ｂは、トランスデューサにより放出された信号を処理して、これらのパスのそれぞれに対して、図４のグラフの下部に示すような信号７４，８４を確立する。
【００４６】
制御システムは、マルチプレクサ５２に情報を送信するプロセッサ５０を含む。このプロセッサ５０は、装置の地面により電気回路のループを含んで２つのトランスデューサ２０に接続されている。
【００４７】
２つのトランスデューサ２０用の共通放出パスは、図４のグラフに示される時間Ｔ０において、プロセッサ５０によって与えられるトリガ信号５８からスロットの連続を含む放出起動信号６０を生成するパルスジェネレータ５４を含む。この放出起動信号６０は、放出インピーダンス調整回路５６に伝達され、その後、マルチプレクサ５２に伝達される。
【００４８】
放出起動信号は時間Ｔ０でスタートする。同時に、パルスジェネレータ５４は、開始信号４８を、受信パスＡ，Ｂ上に配置されたタイムインターバル計測装置８６（ＴＩＭＭとも呼ばれる）に送る。
【００４９】
マルチプレクサ５２は起動信号を各トランスデューサ２０に送る。これにより、各トランスデューサ２０は、反対側のトランスデューサに向かって、測定されるべき流体の流量を含む計測流路６内に、これらの信号に対応する超音波を放出する。
【００５０】
マルチプレクサ５２から始まる各受信パスＡ，Ｂは、受信インピーダンス調整回路７０と、受信パルス信号７４を伝達するバンドパスフィルタ７２を含む信号調整装置とを含む。上記信号調整装置は、増幅機７６と、処理信号８０を伝達する波の到達を検査するモジュール７８とを含む。
【００５１】
各パスＡ，Ｂに対して、処理信号８０は、プログラム可能なロジック装置８２（ＰＬＤとも呼ばれる）に伝達される。このロジック装置８２は、パスＡに時間Ｔ１で伝達され、パスＢに時間Ｔ２で伝達される受信時間を検証するプログラムを含んでいる。
【００５２】
また、アナログ閾値の検出は、受信パルス信号７４の振幅変動から生じる誤差を避けるために、放射信号の電圧又は検出閾値のサーボ制御を含んでもよい。
【００５３】
各パスＡ，Ｂのために、受信時間８４の表示は、タイムインターバル測定モジュール８６に送信され、タイムインターバル測定モジュール８６は、パルス発生器５４によって伝達された開始信号４８から、対応するタイムインターバル８８を計算し、これをプロセッサ５０に送る 。
【００５４】
第１の受信パスＡが下流側トランスデューサから受信した信号を処理するための、時間Ｔ１で終了するタイムインターバル８８は、第２の受信パスＢが上流側トランスデューサから受信した信号を処理するための、時間Ｔ２で終了するタイムインターバルとは異なることに留意する。これは、超音波を伝達する流体の速度により、第１の受信パスＡでの伝達時間が減少し、第２の受信パスでは伝達時間が増加するためである。
【００５５】
プロセッサ５０は、２つのパスＡ，Ｂの両タイムインターバルを受信した後、流速を計算し、対応する流量を導出する。
【００５６】
各トランスデューサ２０での放出起動信号６０の新たなサイクルは、時間Ｔ３において実行される。
【００５７】
好適には、各トランスデューサ２０での起動信号６０の放出は、他方のトランスデューサに対して同期しない独立したものである。特に、他のトランスデューサからの信号を受信した直後に、各トランスデューサ２０が、起動信号６０を新しく放出させることが可能である。これにより、サンプリング周波数が増加する。
【００５８】
また、制御システムは、結果の精度を向上させるために、温度センサや圧力センサを用いた、測定装置に排出される流体の温度や圧力によって引き起こされる誤差を補償するための手段を含んでいてもよい。
【００５９】
本発明に係る計測装置は、特に、熱機関の燃料噴射のための燃料流量を計測するのに適している。燃料噴射の圧力範囲は、０バールと３０００バールとの間であり、温度範囲は、−３０℃と１４０℃との間である。
【００６０】
噴射時間が非常に短いこのタイプの用途の場合、正確な計測値を得るために、高いサンプリング周波数が必要とされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2018189634000001.pdf