JPH0572219A

JPH0572219A - 流体速度検出方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0572219A
Application number: JP25723491A
Authority: JP
Inventors: Yoshijirou Watanabe; 嘉二郎渡辺
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】例えば音響部品として一般によく知られてい
るスピーカとマイクロホンとを用いることによつて従来
にない安く、精度のよい、かつ装置を簡単にできるよう
にした。【構成】それぞれの壁面に孔が穿設され、かつ該孔の
それぞれが流体の流れに接するように位置せしめられる
第１包囲手段及び第２包囲手段と、密閉された第３包囲
手段と、圧力変動を伝播するために前記第１乃至第３包
囲手段のそれぞれの壁面に形成された振動伝達手段と、
前記第１及び第３包囲手段内の圧力変動に基づいて前記
流体の速度を算出する流速検出手段とを備えてなること
を特徴とする流体速度検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、パイプ等を流れる流
体の速度（流速）を検出する流体速度検出方法及びその
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の流体速度検出方法として、例えば
エアフローセンサを例にとって説明する。即ちエアフロ
ーセンサは、気体の流れの中に細いヒーター線を気体の
流れ方向に直交するように配置し、そのヒーター線に一
定の電流をパルス状に供給し、そのヒーター線の放熱に
よる抵抗変化を検出することによつて、流れる流体の流
速を検出するものであつた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の流体速度検出方法にあつては、ヒーター線が
直接流体に接触する構成であるので、流体に塵挨、薬剤
の蒸気等が混入されていた場合にはそれがヒーター線に
付着したり、またヒーター線の表面が流体中の前記薬剤
の蒸気等に直接的に長時間接触することによつて変化し
て放熱状態が経年変化し、流体とヒーター線との熱的関
係が変わってしまい誤差が徐々に大きくなる恐れが多分
にあるという恐れがあつた。

【０００４】また、ヒーター線の抵抗値変化を大きくと
るために、非常に細いヒーター線を用いるので塵挨が大
きく、かつそれが高速で移動するものであつた場合に
は、ヒーター線に非常に大きな外力が作用し、塑性変形
する恐れがあつたので、風上側にフィルタを設ける必要
があつた。

【０００５】さらに、流体の速度に比例した外力がその
細いヒーター線に当り、ヒーター線が流量抵抗として流
体に常時作用する構成であるので、速度の大きな流体を
測定対象とした場合には、ヒーター線が伸びてしまい測
定誤差が大きくなり、またヒーター線の弾性限界を越え
ないように外力が作用した場合にはヒーター線は測定初
期の抵抗値のものと違ってしまう恐れがあつた。

【０００６】この発明は、上記のような技術領域と全く
異なる小生の研究領域、すなわち音響技術の原理を適応
させることによつて上記のような問題点を解消させたも
ので、例えば音響部品として一般によく知られているス
ピーカとマイクロホンとを用いることによつて測定方法
を簡略かでき、従来になく安く、精度のよい、かつ装置
構成を簡単にできる流体速度検出方法及びその装置を提
案することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、壁面に穴が
穿設された包囲体（包囲手段）の内部空間の圧力を所定
の周波数で変動せしめると共に、前記壁面の穴を、測定
対象である流体の流れに接するように配置し、それによ
つて発生する前記包囲体の内部空間の圧力変化に基づい
て前記流体の速度を算出する構成とする。

【０００８】

【作用】この発明による流体速度方法及びその装置は、
包囲体、孔の寸法等によって決まるヘルムホルツ共振周
波数で包囲体の中の気体の圧力を変動させ、かつ包囲体
の孔を介して測定対象である流体と作用させてそのとき
の包囲手段内の圧力変動を検出することによつて流体の
速度を簡単に測定する。

【０００９】

【実施例】図１に基づいて、この発明の基本原理の理論
の概要を説明する。図１において、１は肉厚ｈのパイプ
で、その一端Ａから他端Ｂに向けて測定対象である気体
（流体）が流速Ｖ_fで流通している。２は前記パイプ１
の壁面に穿設された直径２ｒの小径の孔、３は前記パイ
プ１の壁面に穿設された孔２に対して所定の間隔で対向
配置されたスピーカ等の音圧発生手段で、所定の周波数
で駆動される。４は前記音圧発生手段３から発生された
音波（ここでは音圧と同義である）が疎密波となり、孔
２を通過した後に円弧状に拡散形成される音波の回折波
動である。

【００１０】次に、上記基本構成に基づき流速Ｖ_fが求
められる原理を図２乃至図４に基づいて説明する。ま
ず、図２に示されるようにパイプ１の壁面に穿設された
孔２の部分には斜線で示されるように直径２ｒ、厚さ
（肉厚）ｈの空気（密度ρ）の円柱が形成され、それに
よつて音響学上における直径２ｒ、長さｈの音響管５が
形成されているものと考えられる。この音響管５に対し
て、下方から音圧発生手段３が対面するように配置され
（図１参照）、前記音圧発生手段３は所定周波数で正弦
波駆動される。

【００１１】ここで、前記音圧発生手段３が所定周波数
で正弦波駆動されると前記音響管５の上側開口端では、
図３に示すように半径ｒ、厚さ（πｒ）／２の空気（密
度ρ）の円柱状空気部（質量：ｍ）６が、前記音圧発生
手段３と音響管５内の空気バネ（図６における空気バネ
１ｃ）とにより速度Ｖ_v(t)（変位：Ｘ(t)）で上下に単
振動させられるものと考えられる。このときの円柱状空
気部６の質量ｍ（以下、付加質量という）は次式により
表わされる。

【００１２】

【数１】

【００１３】ただし、（π・ｒ）／２は理論的に計算で
きものである。また、この振動系の運動エネルギーは、
（１／２）ｍ・ｖ_v ²である。

【００１４】ここで、図１の如くパイプ１内をＡ方向か
らＢ方向に向けて気体が流速Ｖ_fで流れ、かつ前記音響
管５の上端面にも前記気体が速度Ｖ_fで流れているもの
と仮定すると、図３に斜線で示した付加質量ｍの部分の
円柱状空気部６はＡ方向から流れる気体によつて外力を
受け、図４に斜線Ｃ及びＤで示すように速度Ｖ_fに比例
した量（図４においてＬで示される）だけ下流（Ｂ方
向）に流される。その結果、図４に実線で示す部分の円
柱状空気部６が音響管５の上端面に沿って、破線で示す
円柱状空気部６’まで風下Ｂ方向にＬだけずれ、円柱状
空気部６の付加質量ｍの部分に蓄えられたエネルギーも
空気の流れによつて風下、即ちＢ方向に持ち去られる。
つまり、エネルギーの散逸が発生するのである。そこ
で、時間ｔの間にずれ量（変位量）Ｌが発生してその付
加質量ｍの部分の平面断面積をＡとすると

【００１５】

【数２】となる。ただし、Ｋは定数である。時間ｔの間に散逸し
たエネルギー量Ｄ・ｔは、

【００１６】

【数３】

【００１７】単位時間当りに散逸するエネルギー量Ｄ
は、

【００１８】

【数４】

【００１９】ただし、ｄ＝（ｍＫＶ_f）／（πｒ²）であ
る。数１を数４に代入すると

【００２０】

【数５】

【００２１】このとき、流体の速度Ｖ_fは

【００２２】

【数６】

【００２３】となる。すなわち、音響管５のダンパ係数
ｄが分かれば、流速Ｖ_fが分かる。

【００２４】次に、各具体的構成を示し、それらのダン
パ係数ｄの求め方及び流速Ｖ_fの求め方について図５及
び図６を参照しながら説明する。まず図５に基づいて
説明する。なお同図において図１と同一構成またはそれ
と均等のものには同一符号を付してその説明は省略す
る。

【００２５】図中、７はパイプ１壁面に穿設された孔２
を外側から気密状に覆う密閉用ハウジング（包囲体）
で、そのハウジング７の壁面には該壁面の一部を形成す
るように薄型スピーカ等の音圧発生手段１０が取り付け
られ、その音圧発生手段１０は、前記ハウジング７の容
積Ｖ₀、孔２の直径２ｒの寸法等によつて決まるヘルム
ホルツ共振周波数に出力周波数が設定された駆動回路１
１によつて正弦波駆動され、前記ハウジング７内の内圧
を前記ヘルムホルツ共振周波数で変化せしめる。

【００２６】なお、図５においてはパイプ１の壁面に孔
２を穿設したが、ハウジング７の壁面の一部分で前記パ
イプ１の壁面の一部を形成せしめ、かつその壁面に孔２
を設け、壁面を共用する構成にしても良く、またその孔
２の形状は円形のみならず、長方形、正方形等の方形で
あつてもよく、またその寸法形状はその時々の設計仕様
で決められることは言うまでもないことである。８はコ
ンデンサーマイクロホン（音圧検出手段）で、ハウジン
グ７内に取り付けられ、該ハウジング内の圧力（音圧）
変動を検出する。９は増幅回路等からなる係数回路で、
前記マイクロホン８からの検出出力を所定の増幅率で増
幅して前記パイプ１内の空気流速Ｖ_fを検出して出力す
る。

【００２７】次に、上記図５に示す構成に基づいて前記
音響管５のダンパ係数ｄの算出論理を図６を参照しなが
ら説明する。

【００２８】まず図５及び図６において、Ｐ₀は大気
圧、△Ｐ(t)は音圧発生手段１０の駆動によつて発生す
るハウジング７内の圧力（音圧）変化量、Ｘ(t)はパイ
プ１の孔２の部分に発生する付加質量ｍを形成する円柱
状空気部６の上下方向の変位量、Ｕ(t)は音圧発生手段
１０の受圧面の変位量、ｒはパイプ１の孔２の半径（付
加質量ｍを形成する円柱状空気部６の半径でもある）、
Ｖ₀はハウジング７内の実空間容積、Ｓは音圧発生手段
１０の受圧面の面積、γは気体の比熱比（空気の場合は
１.４）、Ｖ_fは測定対象の気体の流速、Ａは付加質量ｍ
を形成する円柱状空気部６の断面積（孔２の開口面
積）、ｍは円柱状空気部６の質量（付加質量）、ｄは音
響管５に発生するダンパ係数として設定すると図５に示
す構成のものは図６に示す振動系の物理モデルと等価と
考えることが出来る。

【００２９】すなわち、前記物理モデルにおける円柱状
空気部６の部分は、円柱状空気部６自身の付加質量ｍ、
ハウジング７内に発生する空気バネ１ｃ、音響管５に発
生するダンパ１ｂなどの制御要素から構成されている。
そこで図６において、次の数７及び数８が成立する。

【００３０】

【数７】

【００３１】

【数８】

【００３２】上記数７及び数８をラプラス変換して整理
する。ここで、パイプ１内の気体の流速Ｖ_fとダンパ係
数ｄとが比例関係にあることが前提条件にあるため、音
圧発生手段１０の駆動周波数が上記の如くヘルムホルツ
共振周波数に設定されると、その共振角周波数ω_rは

【００３３】

【数９】

【００３４】により

【数１０】

【００３５】と設定できる。すなわち

【００３６】

【数１１】

【００３７】が成立する。つぎに、上記数１１より△Ｐ
(s)からＵ(s)までの伝達関数は

【００３８】

【数１２】

【００３９】上記数１２において、音圧発生手段１０の
駆動周波数（または駆動角周波数）をヘルムホルツ共振
周波数（ヘルムホルツ共振角周波数）とし、かつ駆動電
圧をピーク値が一定な正弦波と設定しているので、Ｕ
(ｉω)＝定数値、△Ｐ(ｉω)＝マイクロホン８の出力電
圧値と設定できる。それゆえに、上記数１２からダンパ
係数ｄを算術計算により求め、その結果を数６に代入す
ることにより

【００４０】となり、測定対象の流体の流速Ｖ_fは求め
られる。

【００４１】次に上記構成のものを作成して実験を行っ
て得た入出力特性図を図８に示す。この入出力特性図に
示されているように流速検出装置の入出力特性は線形で
あることが示される。

【００４２】次に図７に示す装置に基づいてこの発明、
即ちスピーカ等の音圧変化手段を用いない実施例の流速
検出方法及びその装置を説明する。図７において、図５
に示したものと同一構成のもの、またはそれと均等なも
のには同一符号を付してその説明を省略する。

【００４３】すなわち同図において、１２はハウジング
（包囲体）で、同一容積を有する第１ハウジング（第１
包囲体）１２ａ及び第３ハウジング（第３包囲体）と、
該ハウジングの容積より若干小さめの容積Ｖ_h（発生す
る乱流による膨張分△Ｖだけ小さい容積）を有する第２
ハウジング（第２包囲体）からなり、第１ハウジング１
２ａはその上壁に第１の孔１３が穿設され、パイプ１内
に連通されている。また第２ハウジング１２ｂもその上
壁に第２の孔（前記孔１３の開口面積と同一）１４が穿
設されている。また第１ハウジング１２ａ及び第２ハウ
ジング１２ｂの互いに隣接する側壁は仕切り板１５によ
つて共用化され、その仕切り板１５の一部分は弾性振動
板１５ａから形成されている。また第２ハウジング１２
ｂ及び第３ハウジング１２ｃの互いに隣接する側壁も、
仕切り板１６によつて共用化され、その仕切り板１６の
一部分も弾性振動板１６ａから形成されている。

【００４４】なお、弾性振動板１５ａ、１５ｂの双方は
同一形状で、かつ同一特性のものであり、また前記第１
の孔１３はパイプ１内を流通する気体によつて第１ハウ
ジング１２ａ内に乱流を発生させないように、即ち音響
を発生させないように、また後述の第２の孔１４におい
て乱流が発生しやすく、かつその乱流（この乱流の周波
数成分の中にはヘルムホルツ共振を発生するような周波
数成分が含まれるように設定されている）が第２ハウジ
ング１２ｃ内に入り込み易いように、開口部の風上側及
び風下側に一対の整流用板部材１３ａ及び１３ｂがパイ
プ１内方向に、かつ流通する流体の下流に向け、平行し
て延設され、また第２の孔１４の開口部の風上側からは
第２ハウジング１２ｂ内に向けて第１流れ方向変更板１
４ａが延設され、風下側からはパイプ１内風上側に向け
て第２流れ方向変更板１４ｂが平行して延設されてい
る。

【００４５】１９は差動増幅回路で、第３ハウジング１
２ｃ内の音圧変動を検出するマイクロホン（第１マイク
ロホン１７と同一特性）１８からの検出出力と、第１ハ
ウジング１２ａ内に設けられ、該第１ハウジング内の音
圧変動を検出する第１マイクロホン１７から出力される
検出出力との差を求め、その差に所定の係数を掛け合わ
せてた信号を出力する。２０は第１係数回路で、第３ハ
ウジング１２ｃ内に設けられ、該第３ハウジング内の音
圧変動を検出する第２マイクロホン１８から出力される
検出出力を入力し、その入力信号に所定の係数を掛け合
わせて、出力する。

【００４６】２１は第１絶対値回路で、第１係数回路２
０からの出力信号の絶対値を求める。２２は第２絶対値
回路で、前記差動増幅回路１９からの出力を入力し、そ
の絶対値を求める。２３は第１絶対値回路２１及び第２
絶対値回路２２からのそれぞれの出力信号を入力し、第
１絶対値回路２１からの出力信号を第２絶対値回路２２
からの出力信号で除算して除算結果を出力する。２４は
第２係数回路で、除算回路２４からの出力信号に所定の
係数を掛け合わせ、目的とする流体の速度Ｖ_fを求め
る。

【００４７】次に図７に示した構成のものによつてダン
パ係数ｄが求められ、かつ流速Ｖ_fが求められる論理を
説明する。すなわち、△Ｐ₁(t)は第２ハウジング１２ｂ
内に案内される乱流により、弾性振動板１５を介して誘
起される第１ハウジング１２ａ内の内圧変化量（音圧変
化量）、△Ｐ₂(t)は第３ハウジング１２ｂ内に案内され
る乱流により、弾性振動板１６ａを介して誘起される第
３ハウジング１２ｃ内の内圧変化量、△Ｐは第２ハウジ
ング１２ｃ内に案内される乱流によつて発生する内圧変
化量、Ｐ₀は大気圧、Ｘ(t)はパイプ１の孔１３の部分に
発生する空気柱６の上下方向の変位量、Ｕ(t)は弾性振
動板１５ａ、１６ａの受圧面の振動方向の変位量、ｒは
パイプ１の孔１３の半径（空気柱６の半径でもある）、
Ｖ₀は双方の部屋７ａ，７ｂの実空間容積、Ｓは弾性振
動板１５ａ、１６ａの面積、γは気体（流体）の比熱比
（空気の場合は1.4）、Ｖ_fはパイプ１内を流通する気体
の流速、Ａは空気柱６の断面積（孔１３、１４の開口面
積に等しい）、ｋ_sは弾性振動板１５ａ，１６ａのバネ
定数、ｍは前記空気柱６の質量、ｄは音響管５に発生す
るダンパ係数として設定し、第１ハウジング１２ａ、及
び第３ハウジング１２ｃ内の音圧変動について式を立て
ると

【００４８】

【数１３】

【００４９】

【数１４】

【００５０】ただし、ｍ＝ρ（π／２）ｒＡｄ＝Ｋ（π／２）ｒρＶ_f ｋ＝（γＰ₀／Ｖ₀）Ａ²

【００５１】また、弾性振動板１５ａ，１６ａのそれぞ
れに作用する力について式を立てとＵ(s)＝（△Ｐ／ｋ_s）・Ｓとなる。ここで、第２ハウジング１２ｂについて考える
と、第２ハウジング１２ｂは第２の孔１４の周縁部に突
設された流れ方向変更板１４ａ、１４ｂを介して乱流が
入り込むことによつて少し膨らむので、膨らむ前の容積
をＶ_h、入り込む乱流の圧力を△Ｐ_dとして、第２ハウジ
ング１２ｂ内の音圧変化について式を立てると

【００５２】

【数１５】また、付加質量ｍに作用した力について式を
立てると

【００５３】

【数１６】となる。数１６をラプラス変換して整理する
と

【００５４】

【数１７】ここで、数１７を数１５に代入して、整理す
ると

【００５５】

【数１８】ここで、第２ハウジング１２ｂの容積Ｖを次
の数１９のように設定すると

【００５６】

【数１９】第２ハウジング１２ｂの最大膨らみ量Ｖ_hは

【００５７】

【数２０】となる。ここで、数１３及び数１４より△Ｐ
₂(t)−△Ｐ₁(t)を求めると

【００５８】

【数２１】また、第１ハウジング１２ａ内の圧力変動は
ヘルムホルツ共振周波数で変動しているので、その角周
波数ω_rではｍｓ²＋ｋ＝０それゆえ

【００５９】

【数２２】となる（差動増幅回路１９の出力）ので、△
Ｐ₂(t)の絶対値と△Ｐ₂(t)−△Ｐ₁(t)の絶対値との比を
とると

【００６０】

【数２３】となる（除算回路３の出力）。さらに、数６
に数２３を代入すると

【００６２】

【数２４】となり、流体の速度Ｖ_fは

【数２５】と求められ、その実験結果による特性は図９
のような直線性が得られる。数２５に示されるように、
式中には音速Ｃ₀の項が入っておらないので、周囲温度
に関係なく流速Ｖ_fが求められる。

【００６３】また、上記図７で説明した構成のものは、
装置の製造工程での温度と使用場所での温度とがほぼ同
一の場合を対象としているが、温度が異なったり、また
使用中に温度が大きく変化するような場所である場合に
は、図８に示すように仕切り板１５、１６に微細孔２６
ａ、２６ｂを穿設し、周囲温度変化による圧力変動が第
１乃至第３ハウジング１２ａ、１２ｂ、１２ｃのいずれ
かに発生した場合でも該微細孔２６ａ，２６ｂを介して
第１乃至第３ハウジング１２ａ、１２ｂ、１２ｃの空気
を流通せしめることによつて静的圧力（ゆっつくりした
圧力変化を意味する）を同一にする様にすればよい。な
お図８においては、第２ハウジング１２ｂの底壁にネジ
孔を設け、そのネジ孔にボルト２５を螺合して第２ハウ
ジング１２ｂの容積を調整可能にしたものを示す。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明は、壁面
に孔が穿設された第１及び第２包囲手段並びに壁面に孔
の穿設されない第３包囲手段を隣接して設け、かつそれ
らの隣接する該第１乃至第３包囲体の壁面の一部を弾性
振動体で形成せしめ、さらに前記第１及び第２包囲手段
に設けられた前記孔及びに接するように流体を流通せし
めて、前記一方の孔を介して第２包囲手段内で圧力変動
を発生せしめ、その圧力変動に伴う第１包囲手段内の圧
力変動の大きさに基づいて前記流体の速度を求めること
を特徴とする流体速度検出方法及びそれぞれの壁面に孔
が穿設され、かつ該孔のそれぞれが流体の流れに接する
ように位置せしめられる第１包囲手段及び第２包囲手段
と、密閉された第３包囲手段と、圧力変動を伝播するた
めに前記第１乃至第３包囲手段のそれぞれの壁面に形成
された振動伝達手段と、前記第１及び第３包囲手段内の
圧力変動に基づいて前記流体の速度を算出する流速検出
手段とを備えてなることを特徴とする流体速度検出装置
であるので、測定方法が簡略化され、精度よく流速を測
定することができるようになり、測定装置が安価になる
と共に、保守管理が簡単になることが出来るという極め
て大きな効果が発揮される。また小規模な製造設備で作
成することが出来るので、設備投資が少なくて済むとい
う極めて大きな産業上の効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための構成説明図であ
る。

【図２】図１を説明するための作用説明図である。

【図３】図１を説明するための作用説明図である。

【図４】図１を説明するための作用説明図である。

【図５】本発明の基本原理を説明するために示した図１
の構成説明図を具体化した構成説明図である。

【図６】図５に示した構成説明図のモデルと等価な振動
系の物理モデルである。

【図７】本発明の実施例を説明するための図である。

【図８】図７に示した実施例の他の実施例を説明する説
明図である。

【図９】図７に示した実施例による実験結果（精度）を
示すグラフである。

【符号の説明】

１パイプ２、１３、１４孔３、１０スピーカ（音圧発生手段）７、１２ａ、１２ｂ、１２ｃハウジング８、１７、１８マイクロホン（音圧検出手段）９、２０、２４係数回路１１駆動回路１３ａ、１３ｂ整流用板部材１４ａ、１４ｂ流れ方向変更板１９差動増幅回路２１、２２絶対値回路２３除算回路

【数１３】

【数１４】

【数１５】

【数１６】

【数１７】

【数１８】

【数１９】

【数２０】

【数２１】

【数２２】

【数２３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】壁面に孔（１３）及び（１４）が穿設さ
れた第１及び第２包囲手段（１２ａ）及び（１２ｂ）、
並びに壁面に孔の穿設されない第３包囲手段（１２ｃ）
を隣接して設け、かつそれらの隣接する該第１乃至第３
包囲体の壁面の一部を弾性振動体（１５ａ）、（１６
ａ）で形成せしめ、さらに前記第１及び第２包囲手段
（１２ａ）、（１２ｂ）に設けられた前記孔（１３）及
び（１４）に接するように流体を流通せしめて、前記一
方の孔（１４）を介して第２包囲手段（１２ｂ）内で圧
力変動を発生せしめ、その圧力変動に伴う第１包囲手段
（１２ａ）内の圧力変動の大きさに基づいて前記流体の
速度を求めることを特徴とする流体速度検出方法。
【請求項２】それぞれの壁面に孔（１３）、（１４）
が穿設され、かつ該孔のそれぞれが流体の流れに接する
ように位置せしめられる第１包囲手段（１２ａ）及び第
２包囲手段（１２ｂ）と、密閉された第３包囲手段（１
２ｃ）と、圧力変動を伝播するために前記第１乃至第３
包囲手段のそれぞれの壁面に形成された振動伝達手段
（１５ａ）及び（１６ａ）と、前記第１及び第３包囲手
段（１２ａ）及び（１２ｃ）内の圧力変動に基づいて前
記流体の速度を算出する流速検出手段（１７、１８、１
９、２０）とを備えてなることを特徴とする流体速度検
出装置。