JPH0572220A

JPH0572220A - 流体速度検出装置

Info

Publication number: JPH0572220A
Application number: JP25723791A
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】壁面に穴が穿設された包囲体の内部空間の圧
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設し、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し、かつその速度を算出
する構成とする。

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装置として、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て発熱せしめ、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
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装置にあつては、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
るような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維持管理
が容易で、従来になく安く、かつ精度のよい流体速度検
出装置を提供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、流体の流通
路の上側に設けられ、かつその流通路に接する壁面に孔
が穿設された包囲体と、該包囲体の内部空間の圧力を所
定の周波数で変動せしめるための音圧発生手段と、前記
包囲体の内部空間に発生する圧力変化に基づいて前記流
体の速度を算出する流速検出手段とを備え、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装置は、包囲体の実空
間容積、孔の寸法等によって決まるヘルムホルツ共振周
波数で該包囲体の中の気体の圧力を変動させ、かつその
包囲体の孔を介して測定流体と作用させ、そのときの包
囲体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、その中を一端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
を穿接し、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内の気体の流速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（例えばスピーカのコーン紙に相当する）
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（またはハウジング
７内に発生し、それが音響管５を介して円柱状空気部６
に伝わるので、音響管５に発生するとも言える）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（または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。

【００４０】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
により測定対象の流体の流速Ｖ_fは求められる。

【００４１】次に図７に示す装置に基づいて実施例を説
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。

【００４２】すなわち同図は、パイプ１は左右水平方向
に延設され、そのパイプ１の頂部には孔２が穿設され、
かつその孔２を上方から覆うようにハウジング７が設置
されている状態が示されており、その詳細及び検出回路
は次のようである。１３はハウジング７を左右同一容積
に仕切るための仕切り板で、その仕切り板１３の中央部
分は、その仕切り板１３によつて形成される第１及び第
２ハウジング７ａ、７ｂを交互に加圧するための薄型ス
ピーカ等の音圧発生手段１０で形成されている。また前
記仕切り板１３によつて仕切られた第１ハウジング７ａ
は、孔２を介して前記パイプ１の内部空間と連通し、ま
た第２ハウジング７ｂは完全に密閉され、第１及び第２
ハウジング７ａ及び７ｂのそれぞれには、同一特性のマ
イクロホン８、１４が配設され、マイクロホン８からの
出力信号は加算回路２１に、またマイクロホン１４から
の出力信号は第１絶対値回路２０及び加算回路２１にそ
れぞれ接続されている。

【００４３】なお、音圧発生手段１０は上記で説明した
ヘルムホルツ共振周波数に設定された正弦波を出力する
駆動回路１１によつて駆動される。

【００４４】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)は音圧発生手段１０の駆
動によつて発生した第１ハウジング７ａ内の内圧変化
量、△Ｐ₂(t)は音圧発生手段１０の駆動によつて発生し
た第２ハウジング７ｂ内の内圧変化量、Ｘ(t)はパイプ
１の孔２の部分に発生する円柱状空気部６の上下方向の
変位量、Ｕ(t)は音圧発生手段１０の受圧面の左右方向
の変位量、ｒはパイプ１の孔２の半径、Ｖ₀は第１及び
第２ハウジング７ａ及び７ｂ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はパイプ１内を流通する気体の流速、
Ａは円柱状空気部６の断面積、ｍは前記円柱状空気部６
の質量、ｄは音響管５に発生するダンパ係数、Ｃ₀は音
速として設定すると

【００４５】

【数１３】

【００４６】

【数１４】

【００４７】ここで、△Ｐ₂(s)の振幅の絶対値と△Ｐ
₁(s)＋△Ｐ₂(s)の振幅の絶対値との比をとると

【００４８】

【数１５】

【００４９】上記数１５中において、｜△Ｐ₂(s)｜はマ
イクロホン１４の出力の絶対値、すなわち第１絶対値回
路２０の出力であり、また｜△Ｐ₁(s)＋△Ｐ₂(s)｜はマ
イクロホン８及び１４のそれぞれの出力を加算回路２１
で加算したものの絶対値、すなわちマイクロホン８及び
１４のそれぞれの加算回路２２からの加算出力を第２絶
対値回路２２で絶対値をとったものであり、かつＶ₀、
Ａ、π、γ、Ｋ、Ｃ₀のそれぞれは定数で、前記係数回
路２４の係数として設定されるものであるので、Ｖ_fを
求めることが出来る。

【００５０】すなわち、双方のマイクロホン８、１４出
力を、それぞれの出力側に接続された加算回路２１を介
して第２絶対値回路２２に供給し、その絶対値出力で、
マイクロホン１４の出力が接続された第１絶対値回路２
０の出力を、次段の割算回路２３において除算し、その
除算結果に対して、係数回路２４で係数を掛けて流速Ｖ
_fを算出する。なお、前記係数回路２４の係数は、数１
５における定数Ｖ₀、Ａ、π、γ、Ｋ、Ｃ₀の大きさによ
りその状況に合わせて設定される。

【００５１】また、上記図７で説明した構成のものの要
部詳細については図８に示されているように、第１ハウ
ジング７ａの内底面は鞍状に形成され、その頂部に孔２
が穿設されているが、図９に示されているように、内底
面を孔２に向けて傾くテーパ面２６で形成せしめ、第１
ハウジング７ａ内に水滴等が発生した場合などには、そ
の水滴はテーパ面２６を落下して孔２方向に集められ、
その孔２を介してパイプ１内に水滴等を排出し易くする
構成にしてもよい。

【００５２】次に図１０にパイプ１に穿設される孔の位
置及びその形状について示し、その説明をする。図１０
において、孔２５はハウジング７がパイプ１に取り付け
られる取付部に近接して設けられている。換言すると、
図１１に示すようにハウジング７の底壁を形成する部分
の内のパイプ１の一番低い位置に設けることによつて、
ハウジング７内で発生した水滴等はその孔２５に向けて
矢印方向に落下することになる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明は、流体
の流通路の上側に設けられ、かつその流通路に接する壁
面に孔が穿設された包囲体と、該包囲体の内部空間の圧
力を所定の周波数で変動せしめるための音圧発生手段
と、前記包囲体の内部空間に発生する圧力変化に基づい
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
装置が安価になると共に、水滴がハウジング内に入るこ
とが防止できるので保守管理が簡単になるという極めて
大きな効果が発揮される。

【００５４】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に示した実施例の要部拡大図である。

【図９】図７に示した部分の他の実施例の説明図であ
る。

【図１０】本発明の他の実施例を説明するための図であ
る。

【図１１】図１０の要部断面説明図である。

【符号の説明】

１パイプ２、２５孔３、１０スピーカ（音圧発生手段）７ハウジング８、１４マイクロホン（音圧検出手段）９、２４係数回路１１駆動回路１３仕切り板２０、２２絶対値回路２１加算回路２３除算回路１７ハウジング２６テーパ面

【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】流体の流通路の上側に設けられ、かつそ
の流通路に接する壁面に孔が穿設された包囲体と、該包
囲体の内部空間の圧力を所定の周波数で変動せしめるた
めの音圧発生手段と、前記包囲体の内部空間に発生する
圧力変化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。