(57)【要約】【課題】送受信用のデバイスを高温ガスから保護するために設置する導波管内の音波伝播時間の補正方法に起因して生じるガス流速計測誤差をなくし、音響式ガス流量計の精度向上を図ること。【解決手段】スピーカ１１１ａとマイク１１２ｂ間の伝播時間（τＡｓＢｍ１）と、スピーカ１１１ｂとマイク１１２ａ間の伝播時間（τＢｓＡｍ１）と、スピーカ１１１ａとマイク１２１ｂとの間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）とスピーカ１１１ｂとマイク１２１ａとの間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）とスピーカ１１１ａとマイク１２１ａとの間の伝播時間（τＡｓＡｍ２）とスピーカ１１１ｂとマイク１２１ｂとの間の伝播時間（τＢｓＢｍ２）とから次式１５）【数１５】2004361088.tif 000025に従ってガス流体の流速を求めて、得られたガス流速値に基づきガス流量を計測する。【選択図】      図１
2004361088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダクト（１）内を流れるガス流体の流れに対して上流から下流方向に流体中を通過して音波を送受信する送受信器（１１ａ）及び該送受信器（１１ａ）からダクト内のガス流体を介して対向配置された下流から上流方向に音波を送受信する送受信器（１１ｂ）から成る一対以上の送受信器（１１ａ）、（１１ｂ）をダクト壁面に対向配置し、前記少なくとも一対の送受信器（１１ａ）、（１１ｂ）によりダクト内のガス流路中の上流から下流方向への音波の伝播時間（τＡＢ）及び下流から上流方向への音波の伝播時間（τＢＡ）を検出してガス流速を計測し、得られた流速値に基づき流量を計測する音響式ガス流量計において、
前記上流側の送受信器（１１ａ）と下流側の送受信器（１１ｂ）は、それぞれ送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）と受信用デバイス（１２０ａ）、（１２０ｂ）を隣接位置に設けた構成から成り、
送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）はダクト（１）に開口して設けられた送受信用導波管（１１３ａ）、（１１３ｂ）と該導波管基部にそれぞれ設けられた音波発信用のスピーカ（１１１ａ）、（１１１ｂ）と音波受信用のマイクロホン（１１２ａ）、（１１２ｂ）を備え、
受信用デバイス（１２０ａ）、（１２０ｂ）は前記送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）の送受信用導波管（１１３ａ）、（１１３ｂ）のダクト（１）の開口部又はその近傍に臨むダクト開口部を有する受信用導波管（１２２ａ）、（１２２ｂ）と該受信用導波管基部に設けられたマイクロフォン（１２１ａ）、（１２１ｂ）を備えたことを特徴とする音響式ガス流量計。
【請求項２】
送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）の音波発信用のスピーカ（１１１ａ）、（１１１ｂ）と音波受信用のマイクロフォン（１１２ａ）、（１１２ｂ）は導波管基部に設けられた分岐導波管にそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１記載の音響式ガス流量計。
【請求項３】
送受信用デバイス（２１０ａ）、（２１０ｂ）はダクト（１）に開口して設けられた送受信用導波管（２１３ａ）、（２１３ｂ）と該導波管基部に設けられたスピーカ機能とマイクロフォン機能に切り替え可能なスピーカ（２１１ａ）、（２１１ｂ）からなり、該スピーカ（２１１ａ）、（２１１ｂ）は、その送信側、受信側の切り替えを行う切換器（２０）に接続していることを特徴とする請求項１記載の音響式ガス流量計。
【請求項４】
請求項１記載の音響式ガス流量計により、
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１１２ｂ）間の伝播時間（τＡｓＢｍ１）と、
スピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１１２ａ）間の伝播時間（τＢｓＡｍ１）と、
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）と、
スピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）と、
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＡｓＡｍ２）と、
スピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＢｓＢｍ２）とから次式１５）
【数１５】
2004361088.tif 000024
に従ってガス流体の流速を求めて、得られたガス流速値に基づきガス流量を計測することを特徴とする音響式ガス流量計測方法。
【請求項５】
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＡｓＡｍ２）とスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＢｓＢ２）の平均値｛（τＡｓＡｍ２＋τＢｓＢｍ２）／２｝を導波管内伝播時間（τａｖｅｒａｇｅ）として用い、
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）及びスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）から前記平均値である導波管内伝播時間（τａｖｅｒａｇｅ）を除くことによりガス流体中を上流から下流方向及び下流から上流方向に音波が伝播する流体中伝播時間（τＡＢ又はτＢＡ）を算出し、上流側送受信デバイスと下流側送受信デバイス間の双方向の伝播時間の時間差と前記上流から下流、下流から上流方向への流体中伝播時間算出値よりガス流体の流速を求めることを特徴とする請求項４記載の音響式ガス流量計測方法。
【請求項６】
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＡｓＡｍ２）とスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＢｓＢｍ２）の平均値｛（τＡｓＡｍ２＋τＢｓＢｍ２）／２｝を導波管内伝播時間（τａｖｅｒａｇｅ）として用い、
スピーカ（１１１ａ）とマイクロホン（１１２ｂ）間の伝播時間（τＡｓＢｍ１）及びスピーカ（１１１ｂ）とマイクロホン（１１２ａ）間の伝播時間（τＢｓＡｍ１）から前記平均値である導波管内伝播時間（τａｖｅｒａｇｅ）を除くことによりガス流体中を上流から下流方向及び下流から上流方向に音波が伝播する流体中伝播時間（τＡＢ又はτＢＡ）を算出し、上流側送受信デバイスと下流側送受信デバイス間の双方向の伝播時間の時間差と前記上流から下流、下流から上流方向への流体中伝播時間算出値よりガス流体の流速を求めることを特徴とする請求項４記載の音響式ガス流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の流量を計測する装置に係わり、特に発電用火力プラントの燃焼空気用ダクト、再循環排ガスダクト等の大型ダクト内高温気体の計測に好適な流量計測装置と該流量計測装置を用いる流量計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電用ボイラ等のプラントにおける大型ダクト内高温ガス流体の流量計測には、オリフィスに代表される差圧方式が従来より用いられてきたが、差圧を発生させるための長大な直線区間が必要であり、また差圧機構で生じる圧力損失及び排ガス等の汚れた環境下で生じるダスト詰まりによる計測性能低下等の問題がある。
【０００３】
オリフィス等の差圧方式が従来主力であった大型ダクト内高温ガス流体の流量計測に対して無圧力損失性、非接触性を備えたより好適な計測手段として、可聴音波の伝播時間検出による特開２０００−２０６１３３号公報記載の音響式ガス流量計がある。
【０００４】
図５に構成を示す音響式ガス流量計は、低ダンピング特性を有する気体が追従可能な２０ｋＨｚ以下の可聴域の周波数で鋭敏な自己相関性を有するＭ系列ＰＲＫ（Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｋｅｙｉｎｇ）波形等の疑似ランダム信号波形を生成する送信信号生成手段２０７と、この送信信号生成手段２０７により生成した信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２０５と、このＤ／Ａ変換器２０５により生成したアナログ信号により駆動され、ダクト１内を流れる気体流体中に音波を送信し、かつ気体流体中を伝播した音波を受信するための送受信器３０１ａと送受信器３０１ｂと、該送受信器３０１ａと送受信器３０１ｂで、それぞれ受信した信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器２０６と、該Ａ／Ｄ変換器２０６により取り込んだ受信信号波形と前記送信信号生成手段２０７により生成した送信信号波形の高速同期をとるマッチドフィルタ２０９を備えている。
【０００５】
そしてこの音響式ガス流量計は、送受信器３０１ａと送受信器３０１ｂがダクト１を構成する対向する壁面にそれぞれ配置されており、送受信器３０１ａ、３０１ｂで受信した信号波形中に送信信号波形が位置する時刻をマッチドフィルタ出力が最大となるタイミングより検出し、この検出した時刻から送受信器３０１ａ、３０１ｂ間の送信音波電波時間を求めてガス流速、ガス温度、ガス流量に換算する構成である。
【０００６】
前記マッチドフィルタ２０９は、受信信号波形ｆ（ｔ）と送信Ｍ系列ＰＲＫ波形ｇ（ｔ）の高速同期を行うものであり、次式１）の相関式によりＭ系列ＰＲＫ波の鋭敏な自己相関性を利用して受信信号中に含まれる送信信号を弁別する。
【０００７】
【数１】
2004361088.tif 000003
【０００８】
Ｍｆ（τ）がマッチドフィルタ２０９の出力である。受信信号波形ｆ（ｔ）中に含まれる送信Ｍ系列ＰＲＫ波形とタイミング（位相）が一致した時刻でマッチドフィルタ２０９には鋭いピーク信号が現れ、受信信号と送信信号が同期したことを検知する。この同期時刻が音波の伝播時間である。
【０００９】
マッチドフィルタ２０９により検出した送受信器３０１ａから送受信器３０１ｂへの伝播時間をτＡＢ、送受信器３０１ｂから送受信器３０１ａへの伝播時間をτＢＡとすると、伝播時間τＡＢ、τＢＡとガス流速Ｖｆ、ガス温度により定まる音速Ｖｓの関係は次式２）、３）で表される。
【００１０】
【数２】
2004361088.tif 000004
【００１１】
【数３】
2004361088.tif 000005
【００１２】
ここで、Ｌは送受信器３０１ａと送受信器３０１ｂ間の距離、θは距離Ｌが流体の流れ方向となす伝播角である。
【００１３】
前記数式２）、３）式から伝播時間検出値τＡＢ、τＢＡよりガス流速Ｖｆ、音速Ｖｓは次式４）、５）のように表される。
【００１４】
【数４】
2004361088.tif 000006
【００１５】
【数５】
2004361088.tif 000007
【００１６】
ガス温度Ｔ［℃］は音速の温度依存性より次式６）のように表される。
【数６】
2004361088.tif 000008
ここで、αはガス組成により定まる定数である。
【００１７】
ボイラの燃焼空気用ダクトでは約４００℃、再循環排ガスダクトも同じく約４００℃、煙道排ガスでは約１０００℃の高温ガスになり、このような高温流体を測定するため実際の音響式ガス流量計の送受信器は図６に示す構造をとる。
【００１８】
図６に示す音波式ガス温度計の送受信器３０１ａは、Ａ側スピーカ４１１ａ、Ａ側マイクロフォン４１２ａ、Ａ側スピーカ用導波管４１３ａ、Ａ側マイク用導波管４１４ａより構成され、スピーカ用導波管４１３ａ、マイク導波管４１４ａの出射端面、入射端面がダクト１の壁面に合わせて取り付けられる。送受信器３０１ｂも同様にＢ側スピーカ４１１ｂ、Ｂ側マイクロフォン４１２ｂ、Ｂ側スピーカ用導波管４１３ｂ、Ｂ側マイク用導波管４１４ｂより構成される。
【００１９】
このように導波管４１３ａ、４１４ａ、４１３ｂ、４１４ｂを用いてスピーカ４１１ａ、４１１ｂ、マイクロフォン４１２ａ、４１２ｂを高温測定流体より隔離し、高温気体の流量計測を実現している。
【００２０】
音響式ガス流量計では、ダクト１内を伝播する音波の伝播速度にガス流速、ガス温度が影響を与えることから、伝播時間の検出よりガス流速及びガス温度を計測し、ガス流量に換算する。ここで検出する伝播時間はダクト内の被測定流体中を音波が伝播するのに要する時間であり、図６中の伝播時間τＡＢ、τＢＡである。
このため送受信器の導波管４１３ａ、４１４ａ、４１３ｂ、４１４ｂ内で音波の伝播に要する時間を補正する必要があり、従来では、同様の構造をとる音響式温度計の特開平０９−１６６５０３号公報記載の導波管内伝播時間補正方法を用いていた。
【００２１】
この補正方法ではＡ側スピーカ４１１ａから音波を発してＢ側マイク４１２ｂで受信するまでの時間τＡｓＢｍ、Ｂ側スピーカ４１１ｂから音波を発してＡ側マイク４１２ａで受信するまでの時間τＢｓＡｍ、Ａ側スピーカ４１１ａからＡ側マイク４１２ａまでのＡ側スピーカ導波管４１３ａとＡ側マイク導波管４１４ａを伝播するのに要する時間τＡｓＡｍ、Ｂ側スピーカ４１１ｂからＢ側マイク４１２ｂまでのＢ側スピーカ導波管４１３ｂとＢ側マイク導波管４１４ｂを伝播するのに要する時間τＢｓＢｍを計測する。
【００２２】
Ａ側スピーカ導波管４１３ａとＡ側マイク導波管４１４ａは近接して設置されることから、その温度は同様になり、それぞれの導波管４１３ａ、４１４ａ内の音波伝播時間はτＡｓＡｍ／２で近似される。Ｂ側においても同様でありＢ側スピーカ、マイク導波管４１３ｂ、４１４ｂの伝播時間はτＢｓＢｍ／２となり、必要とする流路中の伝播時間τＡＢ、τＢＡを、次のように補正して求め、上記４）、５）、６）式よりガス流速、ガス温度を得る。
【００２３】
【数７】
2004361088.tif 000009
【００２４】
【数８】
2004361088.tif 000010
【００２５】
【特許文献１】
特開２０００−２０６１３３号公報
【００２６】
【特許文献２】
特開平９−１６６５０３号公報
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の導波管内伝播時間の補正方法はガス温度計測には有効であるが、高温流体の流速計測に用いる場合、この補正方法では無視できない誤差を生じる。
【００２８】
流体、導波管内気体が熱平衡状態にあるときは、スピーカ導波管４１３ａとマイク導波管４１４ａ及びスピーカ導波管４１３ｂとマイク導波管４１４ｂがそれぞれ近接して配置されることから同一温度であるとの近似が実用上十分に成立するが、高温流体の温度が変化している非平衡の状態では同一温度であるとの近似が崩れ、ガス流速の計測上無視できない差を生じる。
【００２９】
従来の導波管補正方法ではＡ側スピーカ導波管４１３ａとＡ側マイク導波管４１４ａ内の伝播時間の和であるτＡｓＡｍを計測しているのみで個々の導波管の伝播に要する時間を分離できない。Ｂ側スピーカ導波管４１３ｂとＢ側マイク導波管４１４ｂについても同じである。
【００３０】
送受信器Ａ側スピーカ導波管４１３ａ内を音波が伝播するのに要する時間をτＡｓ、Ａ側マイク導波管４１４ａ内を音波が伝播するのに要する時間をτＡｍ、同様にＢ側スピーカ導波管４１３ｂ内を音波が伝播するのに要する時間をτＢｓ、Ｂ側マイク導波管４１４ｂ内を音波が伝播するのに要する時間をτＢｍとすると、従来の方法によって計測される伝播時間τＡｓＢｍ、τＢｓＡｍ、τＡｓＡｍ、τＢｓＢｍは次式９）、１０）、１１）及び１２）のように表される。
【００３１】
【数９】
2004361088.tif 000011
【００３２】
【数１０】
2004361088.tif 000012
【００３３】
【数１１】
2004361088.tif 000013
【００３４】
【数１２】
2004361088.tif 000014
【００３５】
これを従来の導波管補正の式７）、８）、流速算出式４）に置き換えると、流速計測値の誤差は次式１３）のように表される。ここでＶｆｒは流速の真値、Ｖｆｃは従来の導波管補正方法による算出値である。
【００３６】
【数式１３】
2004361088.tif 000015
【００３７】
１３）式において、
τＡＢτＢＡ＞＞（τＢＡ−τＡＢ）△τ
τＡＢτＢＡ＞＞△τ２
であり、誤差は次式１４）のように近似される。
【００３８】
【数１４】
2004361088.tif 000016
【００３９】
Ａ側スピーカ導波管４１３ａとＡ側マイク導波管４１４ａ、Ｂ側スピーカ導波管４１３ｂとＢ側マイク導波管４１４ｂに温度差が生じなければ△τ＝０となり誤差を生じないが、ガス温度の過渡的な変化時にはＡ側、Ｂ側送受信器３０１ａ、３０１ｂでの温度差、それぞれのスピーカ導波管４１３ａ、４１３ｂとマイク導波管４１４ａ、４１４ｂの温度差によって生じる温度差△τがガス流速の計算値に影響し、特に低流速域において、その影響が大きく表れる。
【００４０】
別途、導波管４１３ａ、４１３ｂ、４１４ａ、４１４ｂ内の温度を計測すれば高精度な補正が可能であるが、このためには導波管４１３ａ、４１３ｂ、４１４ａ、４１４ｂ内の温度分布を正しく、かつ音波による計測に対して遅れなく計測する必要があり、多点熱電対の配置、熱電対の応答遅れの高精度な補償が必要となり、コスト的に、また補正の汎用性、信頼性の面で実用的でない。
【００４１】
ダクト幅約３ｍ、空気温度約３５０℃の火力発電用ボイラの燃焼空気ダクト環境で、保温厚約４００ｍｍのダクト壁に必要な送受信器の導波管長においてマイク側導波管、スピーカ側導波管の温度差の影響を試算すると、導波管内の平均温度に過渡的に１℃の温度差が生じるとガス流速計測値に約１ｍ／ｓの誤差を生じる。従来の計測方法によりボイラ燃焼空気ダクトで計測した例では、ガス流速、空気温度が変化する過程で、この試算に相当する誤差が実際に生じる。
【００４２】
そこで本発明の課題は、送受信用のデバイスを高温ガスから保護するために設置する導波管内の音波伝播時間の補正方法に起因して生じるガス流速計測誤差をなくし、音響式ガス流量計の精度向上を図ることにある。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明では、４）式におけるガス流路中の伝播時間τＡＢ、τＢＡの時間差（τＢＡ−τＡＢ）の計測にあたって、ガス流体温度の影響を受ける範囲において送受信とも同一の経路を通る送受信器構成をとり、４）式における伝播時間τＡＢ、τＢＡの積（τＡＢ・τＢＡ）の計測には従来の導波管内伝播時間補正方法を用いる。これにより導波管内伝播時間補正の影響を強く受ける伝播時間差（τＢＡ−τＡＢ）の計測に導波管補正を不要とする。
【００４４】
本発明の装置構成を図面に示す例で説明する。
（１）図１に示すようにダクト（１）内を流れるガス流体の流れに対して上流から下流方向に流体中を通過して音波を送受信する送受信器（１１ａ）及び該送受信器（１１ａ）からダクト内のガス流体を介して対向配置された下流から上流方向に音波を送受信する送受信器（１１ｂ）から成る一対以上の送受信器（１１ａ）、（１１ｂ）をダクト壁面に対向配置し、前記少なくとも一対の送受信器（１１ａ）、（１１ｂ）によりダクト内のガス流路中の上流から下流方向への音波の伝播時間（τＡＢ）及び下流から上流方向への音波の伝播時間（τＢＡ）を検出してガス流速を計測し、得られた流速値に基づき流量を計測する音響式ガス流量計において、前記上流側の送受信器（１１ａ）と下流側の送受信器（１１ｂ）は、それぞれ送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）と受信用デバイス（１２０ａ）、（１２０ｂ）を隣接位置に設けた構成から成り、送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）はダクト（１）に開口して設けられた送受信用導波管（１１３ａ）、（１１３ｂ）と該導波管基部にそれぞれ設けられた音波発信用のスピーカ（１１１ａ）、（１１１ｂ）と音波受信用のマイクロホン（１１２ａ）、（１１２ｂ）を備え、受信用デバイス（１２０ａ）、（１２０ｂ）は前記送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）の送受信用導波管（１１３ａ）、（１１３ｂ）のダクト（１）の開口部又はその近傍に臨むダクト開口部を有する受信用導波管（１２２ａ）、（１２２ｂ）と該受信用導波管基部に設けられたマイクロフォン（１２１ａ）、（１２１ｂ）を備えた音響式ガス流量計である。
【００４５】
ここで、送受信用デバイス（１１０ａ）、（１１０ｂ）の音波発信用のスピーカ（１１１ａ）、（１１１ｂ）と音波受信用のマイクロフォン（１１２ａ）、（１１２ｂ）は図１に示すように導波管（１１３ａ）、（１１３ｂ）の基部に設けられた分岐部にそれぞれ設けることで、上流側の送受信器（１１ａ）と下流側の送受信器（１１ｂ）の導波管（１１３ａ）、（１１３ｂ）内の温度条件を同一にすることができ、ガス温度が過渡的な状態であるときも、ガス流速の計算に誤差を生じることが無くなる。
【００４６】
また、図２に示すように、送受信用デバイス（２１０ａ）、（２１０ｂ）はダクト（１）に開口して設けられた送受信用導波管（２１３ａ）、（２１３ｂ）と該導波管基部に設けられたスピーカとマイクロフォンに切り替え可能なスピーカ（２１１ａ）、（２１１ｂ）からなり、該スピーカ（２１１ａ）、（２１１ｂ）は、その送信側、受信側の切り替えを行う切換器（２０）を備えた構成にしても送受信用デバイス（２１０ａ）、（２１０ｂ）の各送受信用導波管（２１３ａ）、（２１３ｂ）内を同一温度条件に保つことができる。
【００４７】
（２）本発明の音響式ガス流速測定方法の考え方を図１に示す模式図を用いて説明する。
スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１１２ｂ）間の伝播時間（τＡｓＢｍ１）と、スピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１１２ａ）間の伝播時間（τＢｓＡｍ１）と、スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）と、スピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）と、スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＡｓＡｍ２）と、スピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＢｓＢｍ２）とから次式１５）
【数１５】
2004361088.tif 000017
に従ってガス流体の流速を求めて、得られたガス流速値に基づきガス流量を計測する。
【００４８】
このとき、スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＡｓＡｍ２）とスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＢｓＢｍ２）の平均値｛（τＡｓＡｍ２＋τＢｓＢｍ２）／２｝を導波管内伝播時間（τａｖｅｒａｇｅ）として用い、スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）及びスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）から前記平均値である導波管内伝播時間（τａｖｅｒａｇｅ）を除くことによりガス流体中を上流から下流方向及び下流から上流方向に音波が伝播する流体中伝播時間（τＡＢ又はτＢＡ）を算出し、上流側送受信デバイスと下流側送受信デバイス間の双方向の伝播時間の時間差と前記上流から下流、下流から上流方向への流体中伝播時間算出値よりガス流体の流速を求めることができる。
【００４９】
また、大型ダクト内での流体中での伝播時間（τＡＢ又はτＢＡ）は十分大きな値であるので、スピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１２１ｂ）との間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）はスピーカ（１１１ａ）とマイクロフォン（１１２ｂ）との間の伝播時間（τＡｓＢｍ１）とほぼ同一値であり、またスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１２１ａ）との間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）はスピーカ（１１１ｂ）とマイクロフォン（１１２ａ）との間の伝播時間（τＢｓＡｍ１）とほぼ同一値とみなせるので、伝播時間（τＡｓＢｍ２）を伝播時間（τＡｓＢｍ１）で代用し、また伝播時間（τＢｓＡｍ２）を伝播時間（τＢｓＡｍ１）で代用して伝播時間の計測時間、演算時間などを節約することができる。
【００５０】
【作用】
図３には本発明のガス流速算出式の考え方を簡略図で示している。
ダクトの対向壁面のそれぞれに送受信併用のスピーカＡｓと送受信併用のスピーカＢｓを配置し、各スピーカＡｓ、Ｂｓには導波管補正用のマイクロフォンＡｍ，Ｂｍを付設している。
【００５１】
送受信併用のスピーカＡｓ、Ｂｓの導波管の先端部同士の間隔でのガス流路中の伝播時間はτＡＢとτＢＡであり、スピーカＡｓとスピーカＢｓ間の伝播時間はτＡｓＢｓとτＢｓＡｓ、各スピーカの導波管補正値はτＡｓＡｍとτＢｓＢｍである。
【００５２】
導波管の補正値を考慮しての伝播時間τＡＢ、τＢＡは
2004361088.tif 000018
であり、
ガス流速Ｖｆは
2004361088.tif 000019
である。ここでｋは定数とする。
【００５３】
本発明ではガス流速算出式である４）式の伝播時間差（τＢＡ−τＡＢ）の計測にあたり、ガス流路となるダクトの対向する壁面の各送受信器ともに送信・受信に少なくともガス温度変化の影響を受ける範囲において全く同一経路を音波が伝播するように構成したので、実際に導波管内の伝播分を含めて計測される伝播時間計測値の差は流速算出に必要とする伝播時間差（τＢＡ−τＡＢ）と一致する。
【００５４】
このときのダクト対向壁面の一方の壁面の導波管内伝播時間をτＡｇｕｉｄｅ、ダクト対向壁面の他方の壁面の導波管内伝播時間をτＢｇｕｉｄｅとすると、実際に検出される一方壁面の送受信器から他方壁面の送受信器までの伝播時間τＡＢ’、Ｂ側送受信器からＡ側送受信器までの伝播時間τＢＡ’は、送受信ともに同一経路を通るため、
τＡＢ’＝τＡＢ＋τＡｇｕｉｄｅ＋τＢｇｕｉｄｅ
τＢＡ’＝τＢＡ＋τＢｇｕｉｄｅ＋τＡｇｕｉｄｅ
となり、
τＢＡ’−τＡＢ’＝τＢＡ−τＡＢ
が成立する。
【００５５】
４）式のガス流速算出式におけるガス流路中の伝播時間τＡＢ、τＢＡの積（τＡＢ・τＢＡ）の計測にあたっては、ガス流路中の伝播時間τＡＢ、τＢＡの絶対値が必要であり、導波管内伝播時間補正が必要であるが、これについては上述のように送受信共に同一経路を通るように構成することにより考慮する必要がなく、絶対値を求めることができる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面とともに説明する。
図１に本実施の形態の音響式ガス流量計を示すが、この音響式ガス流量計はダクト１内を流れるガス流体を横切るように対向配置した送受信器１１ａ、送受信器１１ｂ、Ｍ系列ＰＲＫ信号などの疑似ランダム信号波形を生成する送信信号生成手段２０７と、この送信信号生成手段２０７により生成した送信信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２０５、送受信器１１ａ、送受信器１１ｂと、送受信器１１ａ、１１ｂで受信した信号をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器２０６と、Ａ／Ｄ変換器２０６により取り込んだ受信信号波形と送信信号生成手段２０７により生成した送信信号波形の高速同期をとるマッチドフィルタ２０９から構成される。
マッチドフィルタ２０９の出力のピークより伝播時間を検出し、ガス流速、ガス温度を計測、流量に換算することができる。
【００５７】
送受信器１１ａは、送受信用デバイス１１０ａと受信用デバイス１２０ａを隣接位置に設けた構成から成る。送受信用デバイス１１０ａはダクト１に開口して設けられた送受信用導波管１１３ａと該導波管１１３ａの基部の分岐導波管部にそれぞれ音波発信用のスピーカ１１１ａと音波受信用のマイクロホン１１２ａを備えている。
【００５８】
また、受信用デバイス１２０ａは送受信用デバイス１１０ａの送受信用導波管１１３ａのダクト１の開口部に臨むダクト開口部を有する受信用導波管１２２ａと該受信用導波管１２２ａの基部にスピーカ１１１ｂからの音波を受信するマイクロフォン１２１ａを備えている。
【００５９】
送受信器１１ｂにおいても送受信器１１ａにおける構成と同様の構成からなる。送受信用導波管１１３ａを経由してスピーカ１１１ａから発した音波がダクト１内に出射する際と、送受信用導波管１１３ａを経由してマイクロフォン１１２ａが送受信器１１ｂからの音波を受信する際には、送受信用導波管１１３ａ内ではダクト１内のガス流体の温度変化の影響を全く同じ条件で受ける。送受信器１１ｂにおいても同様である。
【００６０】
図１の構成においては、スピーカ１１１ａ、マイクロフォン１１２ａ、マイクロフォン１２１ａ、スピーカ１１１ｂ、マイクロフォン１１２ｂ、マイクロフォン１２１ｂの間で次の伝播時間を検出する。
【００６１】
スピーカ１１１ａ−マイクロフォン１１２ｂ間伝播時間：τＡｓＢｍｌ
スピーカ１１１ｂ−マイクロフォン１１２ａ間伝播時間：τＢｓＡｍｌ
スピーカ１１１ａ−マイクロフォン１２１ｂ間伝播時間：τＡｓＢｍ２
スピーカ１１１ｂ−マイクロフォン１２１ａ間伝播時間：τＢｓＡｍ２
スピーカ１１１ａ−マイクロフォン１２１ａ間伝播時間：τＡｓＡｍ２
スピーカ１１１ｂ−マイクロフォン１２１ｂ間伝播時間：τＢｓＢｍ２
【００６２】
上記の伝播時間τＡｓＢｍｌ〜τＢｓＢｍ２の検出値より、４）式の流速算出式から次式１５）のようにガス流速Ｖｆを求める。
【００６３】
【数１５】
2004361088.tif 000020
【００６４】
１５）式において、時間差（τＢｓＡｍｌ−τＡｓＢｍｌ）はガス流体温度の影響を受ける側送受信用導波管１１３ａ内と送受信用導波管１１３ｂ内を全く同様に伝播するため、両方のダクト壁面の送受信用導波管１１３ａ、１１３ｂ内の伝播分が同様に加わり、ガス流体中の伝播時間τＡＢ、τＢＡの時間差（τＡＢ−τＢＡ）と実用上十分な精度で一致する。
【００６５】
従って、図１の構成になる送受信器１１ａ、１１ｂにおいて１５）式で必要な伝播時間τＡｓＢｍｌ〜τＢｓＢｍ２を検出し、ガス流速を計測することにより、従来の導波管内伝播時間補正方法に起因して生じていた流速誤差を実用上無視できるレベルにすることができ、高温ガス流体の高精度な流量計測を行うことができる。
【００６６】
また、大ダクトでガス流体中の伝播時間τＡＢ、τＢＡが十分に大きな値をとる環境では、スピーカ１１１ａとマイクロフォン１２１ｂとの間の伝播時間（τＡｓＢｍ２）はスピーカ１１１ａとマイクロフォン１１２ｂとの間の伝播時間（τＡｓＢｍ１）とほぼ同一値であり、またスピーカ１１１ｂとマイクロフォン１２１ａとの間の伝播時間（τＢｓＡｍ２）はスピーカ１１１ｂとマイクロフォン１１２ａとの間の伝播時間（τＢｓＡｍ１）とほぼ同一値であるので、伝播時間（τＡｓＢｍ２）を伝播時間（τＡｓＢｍ１）で代用し、また伝播時間（τＢｓＡｍ２）を伝播時間（τＢｓＡｍ１）で代用して、次の方法で流速Ｖｆを計測することによって同様の効果を得ることができる。
【００６７】
【数１６】
2004361088.tif 000021
【００６８】
１６）式は、１５）式で必要とする伝播時間（τＡｓＢｍ２）と伝播時間（τＢｓＡｍ２）を不要とした計測法であり、伝播時間（τＡｓＢｍ２）と伝播時間（τＢｓＡｍ２）の計測に必要とする時間、演算量、演算時間を軽減できる。この場合の導波管内伝播時間補正による誤差は次式１７）のように表される。
【００６９】
【数式１７】
2004361088.tif 000022
ここで、τＡｇｕｉｄｅは側送受信用導波管１１３ａ内の伝播時間、τＢｇｕｉｄｅは送受信用導波管１１３ｂ内の伝播時間、τＡｍ２はマイク用導波管１２２ａ内の伝播時間、τＢｍ２はマイク用導波管１２２ｂ内の伝播時間である。
【００７０】
伝播時間（τＡＢ、τＢＡ）が十分に大きな値をとる大型ダクトにおいては１７）式の分母を、
【００７１】
【数式１８】
2004361088.tif 000023
と見なすことができる。よって大型ダクトでは従来の同等の計測負荷で、導波管内伝播時間補正による誤差を無くし、高温ガス流体の高精度な流量計測を実現できる。
【００７２】
図４には本発明の装置を用いてガス流路中内をファンで送風制御して導波管内の温度を変化させたときのガス流速の測定結果を従来方法と比較した結果を示す。明らかに本発明によれば、安定したガス流速の測定結果が得られることが分かる。
【００７３】
本発明になるその他の実施の形態として図２の構成をとることができる。
図２の実施の形態を構成する送受信用デバイス２１０ａ、２１０ｂと受信用デバイス２２０ａ、２２０ｂを備え、送受信器２１０ａ、２１０ｂは、図６の従来の構成と基本的に同様であり、送受信用デバイス２１０ａは、スピーカ２１１ａとスピーカ用導波管２１３ａを備え、受信用デバイス２２０ａはマイクロフォン２２１ａとマイクロフォン用導波管２２２ａより構成される。送受信器２１０ｂも同様にスピーカ２１１ｂとスピーカ用導波管２１３ｂを備え、受信用デバイス２２０ｂはマイクロフォン２２１ｂとマイクロフォン用導波管２２２ｂより構成される。
【００７４】
スピーカ２１１ａとスピーカ２１１ｂはリレー２０を介してＤ／Ａ変換器２０５及びＡ／Ｄ変換器２０６に接続される。なお、図２に示すリレー２０の結線の位置ではスピーカ２１１ａが発信側であり、スピーカ２１１ｂが受信側である。
【００７５】
通常、送信に使用するスピーカでも、特に数ｋＨｚ以上の周波数に用いられるツィータスピーカはマイクロフォンと同様な構造を持ち、感度的には十分受信に使用できる。受信特性はマイクロフォンに対して直線性を持たず、また感度も若干低下するが、音響式ガス流量計で送受信に用いるＭ系列ＰＲＫ波形等の疑似ランダム信号波形は振幅によらず、ノイズとの弁別性に優れた検出が可能であり、十分に受信デバイスとしての併用が可能である。
【００７６】
このように図２に示す構成を採用することにより、リレー２０の切り替えによりスピーカ２１１ａ、スピーカ２１１ｂを送信・受信双方に使用でき、スピーカ２１１ａからスピーカ２１１ｂへの伝播時間とスピーカ２１１ｂからスピーカ２１１ａへの伝播時間検出値の時間差を計測することで、スピーカ用導波管２１３ａ、スピーカ用導波管２１３ｂの影響を除去して、ガス流路中の伝播時間差（τＢＡ−τＡＢ）を計測でき、図１に示す実施の形態と同様に、１５）式、１６）式による流速計測方法を採用することができ、高温ガス流体の高精度な流量計測を実現できる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、高温ガス流路中を流れに対して上流方向から下流方向への音波の伝播時間と下流方向から上流方向に対しての音波の伝播時間からガス流速を計測する音響式ガス流量計において、送受信用デバイスを高温ガスから保護するために設置する導波管内の音波伝播時間補正誤差の影響を強く受けるガス流路中の伝播時間差計測に導波管内伝播時間補正を不要とすることができる。これにより、従来差圧方式が主流であった高温ガス流量計測を高精度で行える音響式ガス流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる実施の形態の音響式ガス流量計の構成を示した図である。
【図２】本発明になる他の実施の形態の構成を示した図である。
【図３】本発明のガス流速算出式の考え方を示す簡略図である。
【図４】本発明の装置を用いてダクト内のガス流速の測定結果を従来方法と比較したグラフである。
【図５】従来の音響式ガス流量計の構成を示した図である。
【図６】従来の音響式ガス流量計の送受信器の構成を示した図である。
【符号の説明】
１  ダクト                      １１ａ、１１ｂ  送受信器
２０  リレー
１１０ａ、１１０ｂ  送受信用デバイス
１１１ａ、１１１ｂ  スピーカ
１１２ａ、１１２ｂ  マイクロフォン
１１３ａ、１１３ｂ  送受信用導波管
１２０ａ、１２０ｂ  受信用デバイス
１２１ａ、１２１ｂ  マイクロフォン
１２２ａ、１２２ｂ  マイク用導波管
２０５  Ｄ／Ａ変換器            ２０６  Ａ／Ｄ変換器
２０７  送信信号生成手段        ２０９  マッチドフィルタ
２１０ａ、２１０ｂ  送受信用デバイス
２１１ａ、２１１ｂ  スピーカ
２２０ａ、２２０ｂ  受信用デバイス
２２１ａ、２２１ｂ  スピーカ
２２２ａ、２２２ｂ  マイク用導波管
３０１ａ、３０１ｂ  送受信器
Ｌ  距離                        θ  伝播角
【図１】
2004361088.tif 000026
【図２】
2004361088.tif 000027
【図３】
2004361088.tif 000028
【図４】
2004361088.tif 000029
【図５】
2004361088.tif 000030
【図６】
2004361088.tif 000031