(57)【要約】  流量センサ（１０１）は、導管（１０４）を通して流れ軸線（１５４）に沿って燃料を流す導管（１０４）であって、流れ軸線（１５４）に直交する流れ面積を画定する導管（１０４）を含む。流量センサ（１０１）は、流れ面積（１５２）近傍の導管（１０４）を通して第１の信号を第２の変換器（１１４）に導く第１の変換器（１０２）と、流れ面積（１５２）近傍の導管（１０４）を通して第２の信号を第１の変換器（１０２）に導く第２の変換器（１１４）とを更に含み、第１の変換器（１０２）が、第２の変換器（１１４）から信号経路長さ（１１２）だけ間隔を置いてかつ流れ軸線（１５４）に平行な方向に軸方向距離だけ間隔を置いて配置される。燃料流量計測システム（１００）は、第１および第２の信号伝送時間（１２２、１１８）、既知の燃料特性、および燃料温度（１５０）に基づいて燃料質量流量（１７０）を算出するプロセッサ（１８０）を更に含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管（１０４）を通して実質的に流れ軸線（１５４）に沿って燃料を流すように配設された前記導管（１０４）と、
前記流れ面積（１５２）近傍の前記導管（１０４）を通して第１の信号を第２の変換器（１１４）に導くように配設された第１の変換器（１０２）、および前記流れ面積（１５２）近傍の前記導管（１０４）を通して第２の信号を前記第１の変換器（１０２）に導くように配設された前記第２の変換器（１１４）であって、前記第１の変換器（１０２）が前記第２の変換器（１１４）から信号経路長さ（１１２）だけ間隔を置いて配置され、前記第１の変換器（１０２）と前記第２の変換器（１１４）が、前記流れ軸線（１５４）に平行な方向に軸方向距離（１１６）だけ間隔を置いて配置される、前記第１の変換器（１０２）および前記第２の変換器（１１４）と、
前記第１の信号が前記第１の変換器（１０２）から前記第２の変換器（１１４）に移動する第１の信号伝送時間（１２２）、前記第２の信号が前記第２の変換器（１１４）から前記第１の変換器（１０２）に移動する第２の信号伝送時間（１１８）、１つもしくは複数の既知の燃料流量特性または燃料特性、および燃料温度（１５０）に少なくとも部分的に基づいて前記導管（１０４）を通る燃料質量流量（１７０）を算出するためのプロセッサ（１８０）と
を備える、燃料流量計測システム（１００）。
【請求項２】
前記燃料流量特性が差圧を含む、請求項１に記載の燃料流量計測システム（１００）。
【請求項３】
前記燃料特性が、密度、燃料タイプ（１６０）、および減衰係数のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の燃料流量計測システム（１００）。
【請求項４】
前記燃料温度（１５０）に関連する燃料温度信号を供給するように動作可能に結合された燃料温度センサを更に備える、請求項１に記載の燃料流量計測システム（１００）。
【請求項５】
前記燃料温度センサが、抵抗温度検出器、熱電対、サーミスタ、高温計、および温度（１５０）を計測するために音速を使用する１つまたは複数の超音波センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の燃料流量計測システム（１００）。
【請求項６】
前記燃料が、Ｊｅｔ‐Ａ、ＪＰ５、ＪＰ８、およびＪＰ４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の燃料流量計測システム。
【請求項７】
前記信号経路長さ（１１２）が、前記流れ軸線（１５４）に対して鋭角または鈍角（１０６）に配置される、請求項１に記載の燃料流量計測システム（１００）。
【請求項８】
前記導管（１０４）が、前記流れ軸線（１５４）に対して第１の角度で配置された入口部分と、前記流れ軸線（１５４）に対して第２の角度で配置された出口部分とを備える、請求項１に記載の燃料流量計測システム（１００）。
【請求項９】
更新速度で動作するように構成された電子エンジン制御装置（１９０）と、
燃料質量流量（１７０）信号を前記電子エンジン制御装置（１９０）に供給するように動作可能に結合された燃料流量計測システムであって、
燃料が流れることができる導管（１０４）と、
前記導管（１０４）を通って流れる燃料に関連する燃料温度（１５０）を計測するように配設された少なくとも１つの燃料温度センサと、
前記導管（１０４）の少なくとも一部分を通して超音波信号を導くように配設された第１の超音波変換器（１０２）および第２の超音波変換器（１１４）であって、前記第２の超音波変換器（１１４）が前記第１の超音波変換器（１０２）に対向し、前記第１および第２の変換器（１０２、１１４）が変換器計測間隔で動作する、前記第１の超音波変換器（１０２）および前記第２の超音波変換器（１１４）と、
第１の信号が前記第１の超音波変換器（１０２）から前記第２の超音波変換器（１１４）に移動する第１の信号伝送時間（１２２）、第２の信号が前記第２の超音波変換器（１１４）から前記第１の超音波変換器（１０２）に移動する第２の信号伝送時間、および前記燃料温度（１５０）に少なくとも部分的に基づいて前記導管（１０４）を通る燃料の質量流量（１７０）を算出するように構成されたプロセッサ（１８０）とを備え、
前記変換器計測間隔が、前記電子エンジン制御装置（１９０）の前記更新速度と実質的に同じかまたは前記更新速度よりも短い、前記燃料流量計測システムと
を備える、エンジン制御システム。
【請求項１０】
前記変換器計測間隔が、約２５Ｈｚ〜約２００Ｈｚの間である、請求項９に記載のエンジン制御システム。
【請求項１１】
導管（１０４）を通して燃料を搬送するように配設された前記導管（１０４）であって、前記導管（１０４）が、上流から下流にかけて、導管入口部分（１１４８、３１４８）と、導管中央部分（１１２８、３１２８）と、導管出口部分（１１３２、３１３２）とを備え、前記導管中央部分（１１２８、３１２８）が、前記導管入口部分（１１４８、３１４８）に結合された第１の端部（１１３６、３１３６）と、前記導管出口部分（１１３２、３１３２）に結合された第２の端部（１１３８、３１３８）とを備える、前記導管（１０４）と、前記導管中央部分（１１２８、３１２８）の前記第１の端部（１１３６、３１３６）近傍に配置された第１の超音波変換器（１０２）と、前記導管中央部分（１１２８、３１２８）の前記第２の端部（１１３８、３１３８）近傍に配置された第２の超音波変換器（１１４）とを備え、前記導管入口部分（１１４８、３１４８）と前記導管出口部分（１１３２、３１３２）が実質的に平行であり、かつ前記導管中央部分（１１２８、３１２８）が、前記導管入口部分（１１４８、３１４８）および前記導管出口部分（１１３２、３１３２）に対してゼロでない角度で配置される、燃料流量センサ。
【請求項１２】
前記第２の導管部分が、前記第１の導管部分および前記第３の導管部分に対して約０度よりも大きく約９０度よりも小さい角度で傾斜している、請求項１１に記載の燃料流量センサ。
【請求項１３】
前記第２の導管部分が、前記第１の導管部分および前記第３の導管部分に対して約２０度よりも大きく約７０度よりも小さい角度で傾斜している、請求項１２に記載の燃料流量センサ。
【請求項１４】
前記第２の導管部分が、前記第１の導管部分および前記第３の導管部分に対して約４０度よりも大きく約６０度よりも小さい角度で傾斜している、請求項１３に記載の燃料流量センサ。
【請求項１５】
前記第１の導管部分と前記第２の導管部分との交差部に近似する第１の移行領域が、流れ分離を低減するような輪郭とされる、請求項１１に記載の燃料流量センサ。
【請求項１６】
前記第２の導管部分と前記第３の導管部分との交差部に近似する第２の移行領域が、流れ分離を低減するような輪郭とされる、請求項１１に記載の燃料流量センサ。
【請求項１７】
前記導管（１０４）に対して直列流配置で配置されたベンチュリと、前記ベンチュリ前後の差圧を検出するために動作可能に配設された差圧変換器とを更に備える、請求項１１に記載の燃料流量センサ。
【請求項１８】
前記燃料流量計測システムが、燃焼ガスタービンエンジン（２００）に流入する前記燃料流量を計測するために配設される、請求項１１に記載の燃料流量センサ。
【請求項１９】
前記燃料流量計測システムが、航空機エンジンに流入する前記燃料流量を計測するために配設される、請求項１１に記載の燃料流量センサ。
【請求項２０】
導管（１０４）を通してほぼ流れ軸線（１５４）に沿って燃料を流すように配設された前記導管（１０４）であって、前記流れ軸線（１５４）にほぼ直交する流れ面積を画定する前記導管（１０４）と、
前記流れ面積近傍の前記導管（１０４）を通して第１の信号を第２の変換器（１１４）に導くように配設された第１の変換器（１０２）、および
前記流れ面積近傍の前記導管を通して第２の信号を第４の変換器に導くように配設された第３の変換器であって、
前記第１の変換器（１０２）が前記第２の変換器（１１４）から信号経路長さ（１１２）だけ間隔を置いて配置され、前記第１の変換器（１０２）と前記第２の変換器（１１４）が、前記流れ軸線（１５４）に平行な方向に軸方向距離だけ間隔を置いて配置され、
前記第３の変換器が前記第４の変換器から信号経路長さだけ間隔を置いて配置され、前記第３の変換器と前記第４の変換器が、前記流れ軸線（１５４）に平行な方向に軸方向距離だけ間隔を置いて配置される、前記第１の変換器（１０２）および前記第３の変換器と、
前記第１の信号が前記第１の変換器（１０２）から前記第２の変換器（１１４）に移動する第１の信号伝送時間（１２２）、前記第２の信号が前記第３の変換器から前記第４の変換器に移動する第２の信号伝送時間（１１８）、１つまたは複数の既知の燃料特性、および燃料温度（１５０）に少なくとも部分的に基づいて前記導管（１０４）を通る燃料質量流量（１７０）を算出するように配設されたプロセッサ（１８０）と
を備える、燃料流量計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、全体として燃料流量計測システムに関し、より詳細には、導管内の液体燃料流量を計測するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料流量計測システムは、車両または１台の機械がどれだけ多くの燃料を消費しているのかを確認する（またはその代わりに、どれだけ多くの燃料がパイプラインまたは導管を通過しているのかを確認する）必要性から、自動車、石油・ガス、電力および航空を含む多くの産業に不可欠である。多くの高質量流量用途では、燃料流量計測の僅かな不正確さでさえ、大きな収益損失をもたらす可能性がある。
【０００３】
既存の燃料計測システムは、体積流量に比例した速度で回転するタービン式メータを使用してもよい。これらのタイプのシステムは、タービン軸受にかかる応力に起因して経時的に損耗する傾向がある。加えて、それらシステムは、タービンメータの回転に関連する固有の摩擦に起因して燃料流量を制限する可能性がある。他のタイプの計器は、流通部またはオリフィス板と、流量に比例した差圧計測値とを使用する。これらのタイプのシステムはまた、燃料流れの圧力損失を被る。更に、タービン式およびオリフィス板式の燃料計は、一般に、限られた精度しかもたらさないと考えられる。ベンチュリ式流量計には、空間および／または重量の制限が存在する多くの用途に最適ではない非常に長い流通部が必要となる可能性がある。いくつかの従来の超音波流量計には、同様の欠点がある場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０５５２６３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
より高い精度を有しかつ制御装置と共に利用できる、圧力損失のより少ない、丈夫で軽量の燃料流量計測システムを有することが望ましい。
【０００６】
解決策は、例示的な教示のために提供されるとともに限定することを意図するものではない、例示的な実施形態を含む本開示により提供される。
【０００７】
本開示の少なくともいくつかの態様による例示的な燃料流量計測システムは、導管を通してほぼ流れ軸線に沿って燃料を流すように配設された導管と、流れ面積近傍の導管を通して第１の信号を第２の変換器に導くように配設された第１の変換器、および流れ面積近傍の導管を通して第２の信号を第１の変換器に導くように配設された第２の変換器であって、第１の変換器が第２の変換器から信号経路長さだけ間隔を置いて配置され、第１の変換器と第２の変換器が、流れ軸線に平行な方向に軸方向距離だけ間隔を置いて配置される、第１の変換器および第２の変換器と、第１の信号が第１の変換器から第２の変換器に移動する第１の信号伝送時間、第２の信号が第２の変換器から第１の変換器に移動する第２の信号伝送時間、１つまたは複数の既知の燃料流量特性、および燃料温度に少なくとも部分的に基づいて導管を通る燃料質量流量を算出するためのプロセッサとを含んでもよい。
【０００８】
本開示の少なくともいくつかの態様による例示的なエンジン制御システムは、更新速度で動作するように構成された電子エンジン制御装置と、燃料質量流量信号を電子エンジン制御装置に供給するように動作可能に結合された燃料流量計測システムであって、燃料が流れることができる導管と、導管を通って流れる燃料に関連する燃料温度を計測するように配設された少なくとも１つの燃料温度センサと、導管の少なくとも一部を通して超音波信号を導くように配設された第１の超音波変換器および第２の超音波変換器であって、第２の超音波変換器が第１の超音波変換器に対向し、第１および第２の変換器が計測間隔で動作する、第１の超音波変換器および第２の超音波変換器と、第１の信号が第１の超音波変換器から第２の超音波変換器に移動する第１の信号伝送時間、第２の信号が第２の超音波変換器から第１の超音波変換器に移動する第２の信号伝送時間、および燃料温度に少なくとも部分的に基づいて導管を通る燃料の質量流量を算出するように構成されたプロセッサとを備える、燃料流量計測システムとを含んでもよい。計測間隔は、電子エンジン制御装置の更新速度と実質的に同じかまたは更新速度よりも短くてもよい。
【０００９】
本開示の少なくともいくつかの態様による例示的な燃料流量センサは、導管を通して燃料を搬送するように配設された導管であって、導管が、上流から下流にかけて、第１の導管部分と、第２の導管部分と、第３の導管部分とを備え、第２の導管部分が第１の端部と第２の端部とを備える、導管と、第２の導管部分の第１の端部近傍に配置された第１の超音波変換器と、前記第２の導管部分の第２の端部近傍に配置された第２の超音波変換器とを含んでもよく、前記第１の導管部分と前記第３の導管部分が実質的に平行であり、かつ前記第２の導管部分が、前記第１の導管部分および前記第３の導管部分に対してゼロでない角度で配置される。
【００１０】
本開示の少なくともいくつかの態様による例示的な燃料流量計測システムは、導管を通してほぼ流れ軸線に沿って燃料を流すように配設された導管であって、前記流れ軸線にほぼ直交する流れ面積を画定する導管と、流れ面積近傍の導管を通して第１の信号を第２の変換器に導くように配設された第１の変換器、および流れ面積近傍の導管を通して第２の信号を第４の変換器に導くように配設された第３の変換器であって、第１の変換器が第２の変換器から信号経路長さだけ間隔を置いて配置され、第１の変換器と第２の変換器が、流れ軸線に平行な方向に軸方向距離だけ間隔を置いて配置され、第３の変換器が第４の変換器から信号経路長さだけ間隔を置いて配置され、第３の変換器と第４の変換器が、流れ軸線に平行な方向に軸方向距離だけ間隔を置いて配置される、第１の変換器および第３の変換器と、第１の信号が第１の変換器から第２の変換器に移動する第１の信号伝送時間、第２の信号が第３の変換器から第４の変換器に移動する第２の信号伝送時間、１つまたは複数の既知の燃料特性、および燃料温度に少なくとも部分的に基づいて導管を通る燃料質量流量を算出するように配設されたプロセッサとを含んでもよい。
【００１１】
特許請求の範囲に求められる主題が、本明細書において特に指摘されかつ特許請求されている。しかしながら、本主題およびその実施形態は、添付図面と併せて以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】航空機エンジンで使用するために構成された例示的な燃料流量計測システムのブロック図である。
【図２】標準構成の例示的な超音波燃料流量センサの側面図である。
【図３】オフセットされたＵ字形構成の例示的な超音波燃料流量センサの側面図である。
【図４】インライン構成の例示的な超音波燃料流量センサの側面図である。
【図５】オフセットされたＳ字形構成の例示的な超音波燃料流量システムの側面図である。
【図６】種々のジェット燃料タイプに関して燃料温度の関数として音速を示す例示的な図である。
【図７】種々のジェット燃料タイプに関して燃料温度の関数として減衰係数を示す例示的な図である。
【図８】種々のジェット燃料タイプに関して音速の関数として密度を示す例示的な図である。
【図９】種々のジェット燃料タイプに関して減衰相関の関数として密度を示す例示的な図である。
【図１０】全てが本開示の少なくともいくつかの態様に係る、別個の送信機および受信機を備えた構成の例示的な超音波燃料流量センサの側面図である。
【図１１】燃料タイプおよび燃料温度の関数として密度を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部をなす、添付図面が参照される。図面では、文脈がそうでないと定めない限り、同様の符号は通常、同様の構成要素を示す。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲で説明する例示的な実施形態は、限定することを意図するものではない。ここで提示する主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用してもよく、他の変更を行ってもよい。本明細書で全体的に説明され、図に図示される本開示の態様は、多様な異なる構成で配設し、置換し、組み合わせ、かつ設計することができ、それら構成の全てが明確に考慮されかつ本開示の一部をなすことは容易に理解されるであろう。
【００１４】
本開示は、特に燃料流量計測システムのための方法および装置を含み、より詳細には、導管内の液体燃料流量を計測するための方法および装置を含む。
【００１５】
本開示では、他の流量計の代わりに、圧力損失および必要な導管の長さを低減し得る、超音波流量計を使用することが考慮される。しかしながら、超音波変換器間に十分な長さのパイプがない場合には、超音波流量計の流量計測の精度が制限されることがある。いくつかの例示的なオフセットされた流量計構成は、変換器間のより大きなパイプ長さを可能にし得るが、同時に通常は、圧力損失と、場合により流量計の内壁からの燃料の分離とを被る場合がある。更に、変換器を動作させる計測間隔は、燃料が流れる装置または機械を制御するために燃料流量計が使用されることを可能にするのには一般的に不十分である。
【００１６】
本開示では、いくつかの状況では、実質的に流れを遅らせないまたは妨害しない方法で液体燃料流量を正確に計測することが困難であることが考慮される。よって、超音波センサは、いくつかの状況において好ましい解決策であり得る。例えば、信号送信機としても信号受信機としても機能できる上流側および下流側の超音波センサは、２つのセンサを結ぶ線（例えば、信号経路）が燃料流れ方向の少なくとも小さな成分を含むように流れ経路を横断するように配置されてもよい。信号伝送時間は、信号が上流側センサから下流側センサに移動する（およびその逆も同様である）のにどれだけの時間がかかるかを決定するために算出されてもよい。信号伝送時間は、例えば、燃料流量計測システムのプロセッサまたは電子ボックスに組み込まれた時計またはタイマを使用して計測されてもよい。信号伝送時間の差は、液体燃料がどれだけ速く移動しているかを算出するために使用されてもよい。この手法は、センサの設置とそれに続くシステム校正とを含んでもよい。超音波信号により生み出される、燃料流れ対する抵抗がほとんどまたは全くない可能性がある。しかしながら、例えば、燃料密度に大幅な変動がある場合には、単にある燃料速度に達することが、質量流量を確認することにつながらない場合がある。
【００１７】
本開示では、いくつかの状況では、いくつかの燃料流量計測システムおよび装置は、システム（それ自体が移動する）内で（例えば、大きな慣性力または重力の環境を一定時間ごとに作り出し得る航空機または機関車で）使用される場合に、経時的に損耗し、動かなくなりまたは詰まり得る数個の可動部品を含み得ることが考慮される。よって、超音波センサは、いくつかの状況において好ましい解決策であり得る。例えば、上流側および下流側の超音波センサは、導管とセンサとの間の相対運動を最小限に抑えるために、流導管に対して固定された位置に堅固に配置されてもよい。超音波信号またはパルスは流れ経路を横断するように伝送されてもよく、任意の可動固体部品または可動機械部品を有する必要をなくす。
【００１８】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態は、燃料速度を燃料質量流量に変換するために、１つまたは複数の計測された燃料特性との関連で１つまたは複数の既知の燃料特性を使用することを含んでもよい。一例は、既知のジェット燃料の燃料温度を計測することと、燃料が属する燃料のカテゴリに基づいて、燃料密度、音速、および／または減衰係数を導出することとを含んでもよい。
【００１９】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、超音波センサは、燃料が流入している方向にほぼ平行である（またはほぼ直交する）信号経路を備えたパイプおよび／または導管の実質的に内部にあってもよい。一例は、燃料がセンサとパイプの内壁との間の環状空間内でセンサを通過して流れる、超音波センサがパイプ内にほぼ同心に位置する構成を含んでもよい。
【００２０】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、パイプおよび／または導管は、出口部分に対してゼロでない角度をなす中央部分に対して入口部分がゼロでない角度をなすほぼＵ字形構成であってもよい。一例は、中央部分の端部が２つの超音波変換器を含み、２つのセンサ間の十分な信号経路長さを可能にする構成を含んでもよい。別の例は、中央部分を入口部分と出口部分に対して回転させる一方で入口部分と出口部分が互いに実質的に平行または直交するＳ字形構成を含んでもよい。Ｓ字形構成の別の例は、パイプまたは導管の内壁からの燃料流れの分離を低減または排除するために、入口部分と中央部分との間の移行部付近のパイプまたは導管の輪郭と、パイプまたは導管の中央部分と出口部分との間の移行部付近のパイプまたは導管の輪郭とを含んでもよい。
【００２１】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、超音波センサを動作させる計測間隔は、電子エンジン制御装置との関連でセンサを使用することを可能にするのに十分に短くてもよい。一例は、燃料流量計測システムが航空機エンジンで使用され、かつセンサ計測間隔が、航空機エンジンの制御システムへの入力としてセンサを使用することを可能にする航空機エンジン制御システムの更新速度と一致するまたは更新速度を上回るように十分に短い用途を含んでもよい。本開示では、超音波センサのいくつかの従来の使用法が、例えばセンサが使用されているシステムの精度要件により定められる、約０〜約１０Ｈｚの範囲の超音波センサ計測間隔を含み得ることが考慮される。（例えば、約５０〜約２００Ｈｚの範囲および／または、より具体的には、約８０Ｈｚ〜約１２０Ｈｚの範囲などの）より短い計測間隔で動作する超音波センサを使用することにより、超音波センサ計測間隔は、航空機エンジン制御システムの内部制御フィードバックループ内でセンサを使用し得るように十分に短くてもよい。超音波センサを動作させ得る計測間隔は、超音波経路長さと、所望の計測間隔でデータを受信するように構成されなければならない使用されるプロセッサの処理能力とに少なくとも部分的に依存し得る。例えば、約０〜約１２インチの範囲の超音波経路長さは、信号が移動しなければならない距離はあまり長くないので、必要なシステム精度が維持されることを確実にするのに十分に速く信号が流れ経路を通って移動することを可能にし得る。同様に、別の例は、燃料流量計測システムが機関車用エンジンで使用され、かつセンサ計測間隔が、機関車用電子エンジン制御装置への入力としてセンサを使用することを可能にする機関車用電子エンジン制御装置の更新速度と一致するまたは更新速度を上回るように十分に短い用途を含んでもよい。本明細書で説明する方法および装置は他のタイプのガスタービンエンジンおよび他のタイプの内燃機関にも適用可能であることが十分に理解されるべきである。上記の各場合では、所望の回転角、信号経路長さ、センサ計測間隔および／または流通部輪郭が達成される構成を設計することが好ましい場合がある。
【００２２】
本明細書で述べるように、角度、長さおよび計測間隔などの設計パラメータの多くに実用上の制約がある場合がある。例えば、限定されるものではないが、必要とされる計測精度を達成するために必要な導管の中央部分の十分な長さを変わらずに許容する最小限の角度に対応する回転角でセンサを設計することが有利である場合がある。同様に、燃料流量計測システムが制御入力として使用され得る最小限のセンサ計測間隔でセンサを設計することが望ましい場合がある。加えて、過剰な燃料圧力損失を回避するために、流れ分離の許容レベルが維持されることを確実にするのに必要な最小限の曲率長さでセンサを設計することが望ましい場合がある。
【００２３】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態は、航空機エンジンとの関連で使用するために配設されてもよい。図１は、本開示の少なくともいくつかの態様による、航空機エンジンへ流れる燃料を計測するように構成され得る、例示的な燃料流量計測システム１００のブロック図である。燃料流量計測システム１００は、超音波燃料流量センサ１１０と、プロセッサ１８０を含む電子ボックス１２０と、データバス出力１３０とを含んでもよい。燃料流量計測システム１００は、センサ校正によるデータ１４０ならびに燃料温度１５０および燃料タイプ１６０を受信するように構成されてもよい。燃料流量計測システムは、プロセッサ１８０を使用して航空機エンジンへ流れる燃料の質量流量１７０を計算し、データバス出力１３０により質量流量を出力するように更に構成されてもよい。データバス出力１３０は、例えば、ガスタービンエンジン２００を制御するように構成され得る電子エンジン制御装置１９０と通信するように構成されてもよい。
【００２４】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態は、パイプまたは導管の外側に装着された超音波センサを含んでもよい。いくつかの例示的な実施形態において、センサが装着される方向は、パイプまたは導管に対してある角度をなしてもよい。図２は、標準構成の例示的な超音波燃料流量センサ１０１の側面図である。燃料流量センサ１０１は、図１の燃料流量センサ１１０を備えてもよい。上流側の超音波変換器１０２は、パイプまたは導管１０４に対して角度（θ）１０６をなしてもよい。この角度は、約０°〜約９０°であってもよい。しかしながら、ちょうど９０度の角度の使用は、流れ方向１０８のいくつかの成分が信号経路長さ（Ｐ）１１２の方向に捕捉されることを確実にするために一般に回避されるべきである。同様に、下流側の超音波変換器１１４は、パイプまたは導管１０４に対して角度１０６をなしてもよい。下流側の超音波変換器１１４は、パイプまたは導管１０４のほぼ反対側に位置してもよく、および／または上流側の超音波センサ１０２により送信される信号のための受信機として機能できるように位置決めされてもよい。同様に、上流側の超音波センサ１０２はまた、下流側の超音波センサ１１４により送信される信号のための受信機として機能するように位置決めされてもよい。下流側への伝送時間（ｔｄｎ）１１８は、信号が上流側の超音波変換器１０２を出て下流側の超音波変換器１１４に到達するのにかかる時間を指す場合がある。同様に、上流側への伝送時間（ｔｕｐ）１２２は、信号が下流側の超音波変換器１１４を出て上流側の超音波変換器１０２に到達するのにかかる時間を指す場合がある。一般に、図２に図示する構成について、超音波信号は、燃料流れにより部分的に減衰される場合があり、これにより、下流側への伝送時間１１８が上流側への伝送時間１２２よりも短くなる。換言すれば、信号は、導管１０４を通る燃料の流れのために、少なくとも部分的に上流方向に移動するよりも少なくとも部分的に下流方向に「速く」移動するように見え得る。下流方向は、流れ軸線１５４に沿った燃料流れ方向１０８と同じ方向である。センサ（Ｌ）間の流れ方向距離１１６と流速（Ｖ）１２４は各々、下流側への伝送時間（ｔｄｎ）１１８と上流側への伝送時間（ｔｕｐ）１２２との差に影響を及ぼし得る。下流側への伝送時間１１８および上流側への伝送時間１２２は、２つの超音波変換器１０２および１１４により計測されてもよい。信号経路長さ（Ｐ）１１２およびセンサ（Ｌ）間の流れ方向距離１１６は、所定の構成では一定であってもよく、および／またはシステムにおいて校正されてもよい。したがって、流速（Ｖ）１２４は、以下のように算出することができる。
Ｖ＝（Ｐ2／２Ｌ）＊（（ｔｕｐ−ｔｄｎ）／（ｔｕｐ＊ｔｄｎ））
それから、燃料の質量流量は、以下のように算出される。
Ｍ＝ρ＊Ｖ＊Ａ
ここで、Ｍは燃料の質量流量を指し、ρは燃料の密度を指し、Ｖは、燃料の速度（例えば、上で説明したように算出される）を指し、かつＡは、パイプまたは導管の横断面積を指す。パイプまたは導管の横断面積（すなわち、流れ面積１５２）は、一定であるので、システムにおいて予め校正されてもよい。他方では、密度は、以下に説明する方法のうちの１つに従って、燃料温度を使用することなどにより決定されてもよい。
【００２５】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態は、計測温度と、燃料タイプと、音が燃料を通って移動する速度とを使用して燃料の密度を導出することを含んでもよい。図６は、種々のジェット燃料タイプに関して燃料温度の関数として音速を示す例示的な図である。図８は、種々のジェット燃料タイプに関して音速の関数として密度を示す例示的な図である。図８の例示的な図は単一の温度に対応しているが、いくつかの例示的な燃料流量計測システム１００（図１に示す電子ボックス１２０など）は、燃料温度の範囲に関して同様のデータを含んでも（または利用しても）よい。
【００２６】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態は、計測温度、燃料タイプおよび燃料の減衰係数を使用して燃料の密度を導出することを含んでもよい。図７は、種々のジェット燃料タイプに関して燃料温度の関数として減衰係数を示す例示的な図である。図９は、種々のジェット燃料タイプに関して減衰係数の関数として密度を示す例示的な図である。図９の例示的な図は単一の温度に対応しているが、いくつかの例示的な燃料流量計測システム１００（図１に示す電子ボックス１２０など）は、燃料温度の範囲に関して同様のデータを含んでも（または利用しても）よい。図６〜図９に図示するようなデータを使用して、燃料タイプを確認しかつ燃料音速または燃料減衰係数と燃料音速のいずれかを使用することにより、燃料温度から燃料密度を導出することが可能である。更に、図１１は、燃料タイプおよび燃料温度の関数として密度を示す例示的な図である。
【００２７】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、計測される燃料のタイプは、ＪＥＴ‐Ａ、ＪＰ‐４、ＪＰ‐５および／またはＪＰ‐８を含んでもよい。本明細書に列挙した燃料タイプは網羅的なリストを構成せず、概ね予測可能な燃料特性を有する多くの他の燃料も用いてもよいことが十分に理解されるべきである。同様に、本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、温度計測装置のタイプは、熱電対、サーミスタ、抵抗温度検出器、高温計、および／または温度を計測するために音速を使用する超音波センサを含み得る。例えば、超音波センサから発せられるパルスが既知の燃料を通って移動する速度は、その燃料の温度に実質的に比例し得る。燃料の温度は、ある超音波センサから別の超音波センサに届くのにかかる時間から導出されてもよい。同様に、燃料の温度は、信号がセンサから導管内壁まで移動し、次いで壁から反射した後にセンサに戻るのにかかる時間から導出されてもよい。この場合もまた、これらのタイプの温度計測装置は網羅的なリストを構成せず、多くの他の温度計測装置も用いてもよいことが十分に理解されるべきである。
【００２８】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、燃料流量計測システム１００は、パイプまたは導管の入口および出口部分が燃料流量センサ１１０の中央部分と同一直線上にないオフセットされた流量計を含んでもよい。図３は、導管入口部分１１４８が導管中央部分１１２８とゼロでない角度１１２６をなし得るオフセットされたＵ字形構成の例示的な超音波燃料流量センサ１０００の側面図である。燃料流量センサ１０００は、図１の燃料流量センサ１１０を備えてもよい。同様に、導管出口部分１１３２はまた、導管中央部分１１２８に対してゼロでない角度１１３４をなしてもよい。上流側の超音波変換器１１０２は、導管中央部分１１２８の第１の端部１１３６にあり、その一方で、下流側の超音波変換器１１１４は、導管中央部分１１２８の第２の端部１１３８にある。信号経路長さ（Ｐ）１１１２、燃料流速（Ｖ）１１２４、およびセンサ（Ｌ）間の流れ方向距離１１１６は、オフセットされたＵ字形構成で図３に寸法的に示されており、ならびに、図２に示す構成で使用されるのとほぼ同じ方法でかつ上記のパラグラフで説明したように燃料の質量流量を算出するために使用されもよい。同様に、下流側への伝送時間１１１８および上流側への伝送時間１１２２もまた図３に示されている。下流方向は、燃料の流れ方向におけるほぼ流れ軸線１１５４に沿った方向であってもよい。上記のパラグラフ００２２に示す数式により燃料流速を質量流量に変換するために使用され得るパイプ横断面積または流れ面積１１５２も示されている。
【００２９】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、燃料流量計測システム１００は、上流側の超音波変換器２１０２と下流側の超音波変換器２１１４がパイプまたは導管２１０４の実質的に内部にある概ねインライン流量計の形態の燃料流量センサ２０００を含んでもよい。図４は、信号経路方向と燃料流れ方向がほぼ平行であるインライン構成の例示的な超音波燃料流計測システムの側面図である。燃料流量センサ２０００は、図１の燃料流量センサ１１０を備えてもよい。信号経路長さ（Ｐ）２１１２、燃料流速（Ｖ）２１２４、およびセンサ（Ｌ）間の流れ方向距離２１１６は、インライン構成で図４に寸法的に示されており、ならびに、図２に示す構成で使用されるのとほぼ同じ方法で質量燃料流量を算出するために使用されもよい。同様に、下流側への信号伝送時間２１１８および上流側への信号伝送時間２１２２もまた図４に示されている。インライン構成では、センサ（Ｌ）間の流れ方向距離２１１６と信号経路長さ（Ｐ）２１１２とが等しい長さであり得ることが留意されるべきである。下流方向は、燃料の流れ方向におけるほぼ流れ軸線２１５４に沿った方向であってもよい。上記のパラグラフ００２２に示す数式により燃料流速を質量流量に変換するために使用され得るパイプ横断面積または流れ面積２１５２も示されている。
【００３０】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、燃料流量計測システム１００は、導管中央部分３１２８を導管入口部分３１４８と導管出口部分３１３２に対して回転させるほぼＳ字形構成を有する燃料流量センサ３０００を含んでもよい。図５は、導管入口部分３１４８が導管中央部分３１２８に対してある角度３１０６をなすオフセットされたＳ字形構成の例示的な超音波燃料流量センサ３０００の側面図である。燃料流量センサ３０００は、図１の燃料流量センサ１１０を備えてもよい。同様に、導管中央部分３１２８はまた、導管入口部分３１４８と実質的に同一線上にありかつ／または平行であり得る導管出口部分３１３２に対してある角度３１０６をなす。上流側の超音波変換器３１０２は、導管中央部分３１２８の第１の端部３１３６にあり、その一方で、下流側の超音波変換器３１１４は、導管中央部分３１２８の第２の端部３１３８にある。信号経路長さ（Ｐ）３１１２、燃料流速（Ｖ）３１２４、およびセンサ（Ｌ）間の流れ方向距離３１１６は、オフセットされたＳ字形構成で図５に寸法的に示されており、ならびに、図２に示す構成で使用されるのとほぼ同じ方法でかつ上記のパラグラフで説明したように燃料の質量流量を算出するために使用されもよい。同様に、下流側への伝送時間３１１８および上流側への伝送時間３１２２もまた図５に示されている。導管入口部分３１４８と導管中央部分３１２８との間の第１の移行領域３１４４は、流れの分離を防止または低減するために、導管の内壁に輪郭３１４２を含む。同様に、導管中央部分３１２８と導管出口部分３１３２との間の第２の移行領域３１４６は、流れの分離を防止または低減し、したがって抗力を低減するために、導管の内壁に輪郭３１５０を含む。下流方向は、燃料の流れ方向におけるほぼ流れ軸線３１５４に沿った方向であってもよい。上記のパラグラフ００２２に示す数式により燃料流速を質量流量に変換するために使用され得るパイプ横断面積または流れ面積３１５２も示されている。ベンチュリ式冗長燃料計測システムはまた図５に見られる。上流側圧力タップ３１５６は、第２の移行領域３１４６近傍の流れ制限部３１６０の上流側の燃料流量圧力を計測する。同様に、下流側圧力タップ３１５８は、第２の移行領域３１４６近傍の流れ制限部３１６０の下流側の燃料流量圧力を計測する。上流側燃料圧力タップ３１５６および下流側燃料圧力タップ３１５８をそれぞれ使用して、差圧を算出し、冗長または二次的な燃料流量計測値を導出するために使用することができる。
【００３１】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態において、燃料流量計測システム１００は、流れ制限部３１６０の前後の差圧を算出するために上流側圧力タップ３１５６と下流側圧力タップ３１５８が使用されるほぼＳ字形構成を有する燃料流量センサ３０００を含んでもよい。上記のパラグラフ２２は、上流側への伝送時間１２２、下流側への伝送時間１１８、信号経路長さ（Ｐ）１１２およびセンサ（Ｌ）間の流れ方向距離１１６に基づいて体積流量をどのように算出できるかを説明している。そして、燃料タイプおよび燃料温度を使用して、燃料密度を導出することができ、かつ質量流量をパラグラフ２３で説明するように算出することができる。しかしながら、流れ制限部３１６０および上流側圧力タップと下流側圧力タップの両方（３１５６と３１５８それぞれ）が存在するシステムでは、燃料タイプの確認もせずに質量流量を算出することが可能である。燃料密度は、以下のように差圧から算出することができる。
【００３２】
ρ＝（２ｘΔＰ／（Ｖ2−Ｖ12））
Ｖ×Ａ＝Ｖ1×Ａ1
ここで、Ａは、パイプ横断面積３１５２であり、Ａ１は、流れ制限部３１６０の位置におけるパイプ横断面積である。Ｖは、（上記のパラグラフ２２で説明したように超音波センサを使用して算出される）上流位置での流速である。ΔＰは、上流側圧力−下流側圧力である。そして、質量流量は、パラグラフ２３の数式を使用して密度から算出することができる。上流側圧力タップと下流側圧力タップとの差圧がゼロに近づくときの低い流量においてその流量計測の精度が低下することに留意すべきである。しかしながら、計測は、飛行の非常に初期の離陸中に航空機エンジンが受ける燃料流量などの、より高い流量では非常に正確である。よって、この方法を使用して、燃料の密度を飛行初期の離陸中に正確に確定することができる。その後、エンジンがより低い燃料流量で動作しているときでさえ、飛行中に質量流量を正確に算出するために、超音波流量計を密度と関連で使用することができる。加えて、図１１を参照すると、航空機グレードのジェット燃料の正確な混合物が分からないときでさえ、密度と音速との関係が予測可能であることは明らかである。換言すれば、ジェット燃料の混合物を使用することにより、傾斜が同じでありかつ線が既知のジェット燃料の線と平行のままとなるように、図１１に示す線が上または下にシフトする。したがって、燃料の混合物の密度が単一の音速で決定される場合には、音速の全範囲に対して図１１を使用して密度を導出することができる。
【００３３】
本開示の少なくともいくつかの態様によるいくつかの例示的な実施形態は、パイプまたは導管の外側に装着された超音波センサを含んでもよい。いくつかの例示的な実施形態において、センサが装着される方向は、パイプまたは導管に対してある角度をなしてもよい。図１０は、別個の送信機および受信機を備えた構成の例示的な超音波燃料流量センサ４１０１の側面図である。燃料流量センサ４１０１は、図１の燃料流量センサ１１０を備えてもよい。上流側の超音波変換器４１０２および４１５８は、パイプまたは導管４１０４に対して角度（θ）４１０６をなしてもよい。この角度は、例えば、約０°〜約９０°であってもよい。しかしながら、実質的に９０度の角度の使用は、流れ方向４１０８のいくつかの成分が信号経路長さ（Ｐ）４１１２の方向に捕捉されることを確実にするために回避されてもよい。同様に、下流側の超音波変換器４１１４および４１５６は、パイプまたは導管４１０４に対して角度４１０６をなしてもよい。下流側の超音波変換器４１１４は、パイプまたは導管４１０４のほぼ反対側に位置してもよく、および／または上流側の超音波変換器４１０２により送信される信号のための受信機として機能できるように位置決めされてもよい。同様に、上流側の超音波センサ４１５８を、下流側の超音波センサ４１５６により送信される信号のための受信機として機能するように位置決めされてもよい。下流側への伝送時間（ｔｄｎ）４１１８は、信号が上流側の超音波変換器４１０２を出て下流側の超音波変換器４１１４に到達するのにかかる時間を指す場合がある。同様に、上流側への伝送時間（ｔｕｐ）４１２２は、信号が下流側の超音波変換器４１５６を出て上流側の超音波変換器４１５８に到達するのにかかる時間を指す場合がある。一般に、図１０に図示する構成について、超音波信号は、燃料流れにより部分的に減衰される場合があり、これにより、下流側への伝送時間４１１８が上流側への伝送時間４１２２よりも短くなる。換言すれば、信号は、導管４１０４を通る燃料の流れのために、少なくとも部分的に上流方向に移動するよりも少なくとも部分的に下流方向に「速く」移動するように見え得る。下流方向は、流れ軸線４１５４に沿った燃料流れ方向４１０８とほぼ同じ方向であってもよい。センサ（Ｌ）間の流れ方向距離４１１６と流速（Ｖ）４１２４は各々、下流側への伝送時間（ｔｄｎ）４１１８と上流側への伝送時間（ｔｕｐ）４１２２との差に影響を及ぼし得る。下流側への伝送時間４１１８および上流側への伝送時間４１２２は、４つの超音波変換器４１０２、４１１４、４１５６および４１５８により計測されてもよい。信号経路長さ（Ｐ）４１１２およびセンサ（Ｌ）間の流れ方向距離４１１６は、所定の構成では一定であってもよく、および／またはシステムにおいて校正されてもよい。上記のパラグラフ００２２に示す数式により燃料流速を質量流量に変換するために使用され得るパイプ横断面積または流れ面積４１５２も示されている。
【００３４】
本明細書では、最良の形態を含めて本発明を開示するとともに、任意の装置またはシステムの製造および使用ならびに任意の包含される方法の実行を含めて、当業者が本発明を実施できるようにもするために、例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含んでもよい。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１００  燃料流量計測システム
１０１  超音波燃料流量センサ
１０２  上流側の超音波センサ、上流側の超音波変換器
１０４  導管
１０６  角度
１０８  流れ方向
１１０  超音波燃料流量センサ
１１０  燃料流量センサ
１１２  信号経路長さ（Ｐ）
１１４  下流側の超音波センサ、下流側の超音波変換器
１１６  センサ（Ｌ）間の流れ方向距離
１１８  下流側への伝送時間（ｔｄｎ）
１２０  電子ボックス
１２２  上流側への伝送時間（ｔｕｐ）
１２４  流速（Ｖ）
１３０  データバス出力
１４０  データ
１５０  燃料温度
１５２  流れ面積
１５４  流れ軸線
１６０  燃料タイプ
１７０  質量流量
１８０  プロセッサ
１９０  電子エンジン制御装置
２００  ガスタービンエンジン
１０００  超音波燃料流量センサ
１１０２  上流側の超音波変換器
１１１２  信号経路長さ（Ｐ）
１１１４  下流側の超音波変換器
１１１６  センサ（Ｌ）間の流れ方向距離
１１１８  下流側への伝送時間
１１２２  上流側への伝送時間
１１２４  燃料流速（Ｖ）
１１２６  ゼロでない角度
１１２８  導管中央部分
１１３２  導管出口部分
１１３４  ゼロでない角度
１１３６  第１の端部
１１３８  第２の端部
１１４８  導管入口部分
１１５２  流れ面積
１１５４  流れ軸線
２０００  燃料流量センサ
２１０２  上流側の超音波変換器
２１０４  導管
２１１２  信号経路長さ（Ｐ）
２１１４  下流側の超音波変換器
２１１６  センサ（Ｌ）間の流れ方向距離
２１１８  下流側への信号伝送時間
２１２２  上流側への信号伝送時間
２１２４  燃料流速（Ｖ）
２１５２  流れ面積
２１５４  流れ軸線
３０００  燃料流量センサ
３１０２  上流側の超音波変換器
３１０６  角度
３１１２  信号経路長さ（Ｐ）
３１１４  下流側の超音波変換器
３１１６  センサ（Ｌ）間の流れ方向距離
３１１８  下流側への伝送時間
３１２２  上流側への伝送時間
３１２４  燃料流速（Ｖ）
３１２８  導管中央部分
３１３２  導管出口部分
３１３６  第１の端部
３１３８  第２の端部
３１４２  輪郭
３１４４  第１の移行領域
３１４６  第２の移行領域
３１４８  導管入口部分
３１５０  輪郭
３１５２  流れ面積、パイプ横断面積
３１５４  流れ軸線
３１５６  上流側圧力タップ、上流側燃料圧力
３１５８  下流側圧力タップ、下流側燃料圧力タップ
３１６０  流れ制限部
４１０１  超音波燃料流量センサ
４１０２  上流側の超音波変換器
４１０４  導管
４１０６  角度
４１０８  流れ方向
４１１２  信号経路長さ（Ｐ）
４１１４  下流側の超音波変換器
４１１６  センサ（Ｌ）間の流れ方向距離
４１１８  下流側への伝送時間（ｔｄｎ）
４１２２  上流側への伝送時間（ｔｕｐ）
４１２４  流速（Ｖ）
４１５２  流れ面積
４１５４  流れ軸線
４１５６  下流側の超音波変換器、下流側の超音波センサ
４１５８  上流側の超音波変換器、上流側の超音波センサ
【図１】
2016533488.tif 000003
【図２】
2016533488.tif 000004
【図３】
2016533488.tif 000005
【図４】
2016533488.tif 000006
【図５】
2016533488.tif 000007
【図６】
2016533488.tif 000008
【図７】
2016533488.tif 000009
【図８】
2016533488.tif 000010
【図９】
2016533488.tif 000011
【図１０】
2016533488.tif 000012
【図１１】
2016533488.tif 000013
【国際調査報告】
2016533488.tif 000014
2016533488.tif 000015
2016533488.tif 000016