JP2003042822A - 流体の流速流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度に関して一次線形な計測特性を有し、外
乱要因の影響を受けず、流体の流速、流量の平均値にき
わめて近い計測が可能な流体の流速流量計測装置を提供
する。 【解決手段】 ダクトなどの計測管路と集塵機吸い込み
口を接続する接続管等のパイプＰの軸方向中央部の管壁
に穴ＰＴを設け、その穴ＰＴに音響を放射するスピーカ
３を設置する。パイプＰの穴ＰＴに対向する面には音響
信号を検出するマイクロホンＭＡ，ＭＢを設置する。Ａ
／Ｄコンバータ５を介してパソコン１０などに音響信号
を取り込む。パソコン１０は、Ａ／Ｄコンバータ５から
のデジタル音響信号を基に、相互相関関数や伝達関数を
使用して演算処理して、パイプＰの空洞部ＰＨ内の流体
の流速流量などの状態を計測処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集塵機、送風機な
どの性能監視用に用いて有効な、風速、風量などを計測
する計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体の流速流量計測装置として、従来よ
り、集塵機の吸い込み口などにピトー管を設置し、動
圧、全圧を計測することにより風速を計算により求める
ものや、羽根車とカウンタや発電機を組み合わせた風速
計等がある。また、流量計として例えば実公昭６１−３
３５２号公報の流量計が提案されている。この公報には
音響を利用した流量計に関する記載があり、相互相関関
数を利用したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、集塵
機の吸い込み口などにピトー管を設置し、動圧、全圧を
計測することにより風速を計算により求めるものでは、
ピトー管計測にあたって次のような問題点がある。即
ち、（１）流線に対し、正確に正対していないと正確な
計測ができないこと、（２）温度に対し一次線形でない
（双曲線関数）補正が必要であること、（３）流体内に
流れの障害となる突出物を設けているため、流れに影響
を与えること、（４）粉塵による開口部の詰まりなどに
より正確な計測ができないことがあること、（５）流体
の分布の１点しか計測できず、正確な値を求めるために
は複数点計測する必要があることである。

【０００４】また、羽根車とカウンタや発電機を組み合
わせた風速計については、上記（１）、（３）、（５）
項と同様な問題点があるほかに、（６）機械可動部を用
いたシステムであるため、製作誤差、劣化、粉塵堆積に
よる回転数のばらつきが発生し、計測精度上の問題があ
ること、（７）発電機と組合せた場合、羽根車の回転数
と計測特性に線形性がないため、全ての風速域で同じ精
度とならないことである。

【０００５】さらに、上述した実公昭６１−３３５２号
公報の流量計では、集塵装置にどに使用する場合、ブロ
アの発生する音、管内における流体の発生する音、その
他の音響が災いして、音響のマイクロホンへの伝達が正
確に行われない。また、音が増幅したり、減衰したりし
て、計測が不正確になる等の問題があった。

【０００６】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、設置精度を要求せず、温度
に関して一次線形な計測特性を有し、外乱要因の影響を
受けず、流体の流速、流量の平均値にきわめて近い計測
を可能にして、高性能な流体の流速流量計測装置を提供
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る流体の流速流量計測装置は、前記特
許請求の範囲に記載の如く、音響発生指令信号を発生す
る信号発生器と、前記音響発生指令信号を入力として音
響信号を発生する音響発生器を含む音響信号発生手段
と、空洞部内に流体を通流させると共に前記音響発生器
に音響信号を放射させる計測管と、前記空洞部内に放射
する音響信号を検出する複数の音響受信器を含む音響信
号検出手段と、前記音響信号を量子化した信号を取り込
み、該量子化した信号をもとに相互相関関数演算を行
い、前記計測管の空洞部における前記流体の流れに基づ
く前記複数の音響受信器間の音響信号受信時間差を算出
し、前記計測管内の流速もしくは流量を求める演算手段
によって構成されている。

【０００８】また、放射する音響信号を構成する周波数
帯域を決定するに当って、計測する計測管路に対して、
予め無騒音状態でチャープ信号を音響化して放射し、上
下流のマイクロホンで受信する。元信号（チャープ信
号）と受信した信号の伝達関数を求め、計測管路の音響
特性を把握する。次いで、この伝達関数より管路の音響
特性の影響を受け、音響信号が増幅、減衰する周波数帯
域を把握する。次に、例えば、集塵機を作動させ、集塵
機の騒音ならびに計測管路を流れる流体に起因する騒音
（擦渦音、渦など）を採集し、その音響信号を周波数分
析する。上記２つの音響信号の周波数帯（計測管路の音
響信号と騒音）を求め、白色雑音に上記以外の周波数帯
域のバンドパスフイルタ処理を行った結果を探測信号と
して使用するように構成している。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る流体の流速流
量計測装置の実施の形態を、図１から図５を参照しなが
ら説明する。図１は本発明の実施例による流体の流速流
量計測装置ＭＸを示すもので、図中、１は音響発生指令
信号を発生する信号発生器、１Ａは信号発生器１の音響
指令信号を増幅するアンプ、３は音響指令信号を入力と
して音響信号を発生する音響発生器であるスピーカ、４
はアンプ１Ａの出力側とスピーカ３の入力側との間に接
続したスイッチ、Ｐは計測管であるパイプ、ＰＨはパイ
プＰの空洞部、ＰＴはパイプの軸長方向中央部に設けら
れた穴、ＭＡ，ＭＢはそれぞれパイプＰの両端部に配置
され、空洞部ＰＨ内に放射される音響信号を受信する音
響信号検出手段であるマイクロホン、ＡＰ，ＡＰはそれ
ぞれマイクロホンの出力側に接続されたアンプ、５はア
ンプＡＰ，ＡＰの出力側に接続された量子化手段であり
アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバー
タ、１０は演算部であるパソコン、１０ＡはＡ／Ｄコン
バータ５の出力側に接続線１１を介して接続されたパソ
コン１０の操作制御部であって、パイプＰの軸方向中央
部の管壁に穴ＰＴを設け、この穴ＰＴの位置する部位に
スピーカ３の音響出力側を配置する仕組に成っている。

【００１０】信号発生器１の出力信号はアンプ１Ａによ
って増幅される。アンプ１Ａによって増幅された音響駆
動信号はスイッチ４を介してスピーカ３に入力され、ス
ピーカ３からパイプＰの空洞部ＰＨ内に音響信号が放射
される。マイクロホンＭＡ，ＭＢは音響信号を受信し
て、アナログ音響信号を出力する。アナログ音響信号
は、アンプＡＰ，ＡＰによって増幅され、Ａ／Ｄコンバ
ータ５に導かれる。Ａ／Ｄコンバータ５は、アナログ音
響信号をデジタル音響信号に変換して、デジタル音響信
号を接続線１１を介してパソコン１０に入力する。

【００１１】即ち、図１に示すように、例えばダクト等
の計測管路と集塵機吸い込み口を接続する接続管の軸方
向中央部の管壁に穴を設け、その穴に音響（超音波を含
む）を放射する音響発生手段であるスピーカ３（ブザ
ー、超音波発信器でもよい）を設置する。スピーカ３に
関して、流体の流れに対するパイプＰの上流側、下流側
にそれぞれ等距離でスピーカ３を設け、パイプＰの穴Ｐ
Ｔと対向する面には穴を設け、該穴に音響信号を検出す
る音響検出手段であるマイクロホンＭＡ，ＭＢを設置す
る。マイクロホンの出力を増幅する手段であるアンプＡ
Ｐ，ＡＰと、アナログデータを量子化する手段であるＡ
／Ｄコンバータ５を介して、演算手段であるパソコン１
０などにデジタル音響信号を取り込む。パソコン１０
は、Ａ／Ｄコンバータ５からのデジタル音響信号を基
に、相互相関関数や伝達関数を使用して演算処理して、
パイプＰの空洞部ＰＨ内の流体の流速流量などの状態を
計測処理する。

【００１２】音響信号を放射すると、流体の流速によっ
て上流、下流それぞれの音響検出器であるマイクロホン
ＭＡ，ＭＢ間で音響信号を受信するタイミングにずれが
生じる。そのずれを相互相関関数などの信号処理により
計測することで、方程式により管内風速を求めることが
できる。

【００１３】相互相関関数とは、２つの信号データの類
似している箇所を見つけ、２つの信号の到達時間にどの
位の時間差があるかを求める関数である。一つの信号に
対して他の信号がどの位の時間差で遅れているかを求め
ている。２つの信号のそれぞれの波形データを以下の関
数で表わす。即ち、一つの信号Ａの時刻０から始まる長
さＮの波形をＡ0（ｎ）、他の信号Ｂの時刻ｋから始ま
る長さＮの波形をＢ0（ｎ）とすると、時刻ｋにおける
信号Ａと信号Ｂの相互相関関数Ｃｒｒは以下の通りとな
る。

【数１】 全ての時刻において、相互相関関数を計算し、最も値が
高くなった時刻が２つの信号波形の時間差となる。

【００１４】音響信号を放射する手段に入力する音響信
号は、相互相関関数のピークを顕著に出力させるために
次の必要条件を満たす必要がある。即ち、必要条件と
は、（１）一連の信号中のパワー変化が不規則であるこ
と、（２）一連の信号中において周波数変化が不規則で
あること、（３）予想される外乱信号と異なる周波数帯
域に存在すること、（４）計測管路の音響特性により、
上流、下流の各観測点に到達するまでに変質しないこと
である。

【００１５】風速計測である信号を得るために、流体の
流れのみによって発生する擦渦音、渦、ブロア騒音を上
下流のマイクロホンＭＡ，ＭＢで検出、周波数分析し、
その周波数帯：ｆｎを把握すると共に、計測管Ｐの音響
特性を把握する手段として、計測管Ｐの空洞部ＰＨにチ
ャープ信号（周波数が漸減又は漸増する信号）を音響化
して放射し、これを上下流のマイクロホンＭＡ，ＭＢで
検出し、元信号に対する伝達関数の出力（ｄＢ）に近い
周波数帯：ｆωを把握する。伝達関数の出力（ｄＢ）の
絶対値が大きいと、元信号が周波数環境の音響特性によ
り変質しているため、上下流で検出する信号間の相互相
関関数の結果に対する信頼性が乏しくなる。

【００１６】伝達関数とは、あるシステムの周波数特性
を調査する手段の一つであり、システムに入力された信
号の各周波数成分のパワーがそのシステムによりどの程
度増幅、減衰されるかを、各周波数毎に調べる信号処理
関数である。

【００１７】図２は、伝達関数の一例を示すもので、計
測管Ｐの音響特性を調査するためにスピーカから発信し
たチャープ信号（音響信号）に対する、上流のマイクロ
ホンＭＡで観測した音響信号の伝達関数を調査した結果
である。図２に示すように、０ｄＢとなり元信号に対し
て忠実に受信している伝達関数波形が存在する。

【００１８】周波数とパワーが不規則に変化する一連の
信号（白色雑音、周波数分析をすると観測可能な全ての
周波数帯域で一様なパワー分布である。）に対し、周囲
の雑音の周波数領域を除き、伝達関数の出力が０ｄＢに
近い周波数帯域を抽出するためのデジタルフイルタ処理
を行う。デジタルフイルタとは、信号に対しハードウエ
ア、またはソフトウエアにより信号を構成している周波
数成分のうち、必要な周波数成分のみを抽出する信号処
理を行うフイルタである。その結果の信号を音響信号と
して使用する。

【００１９】図３の（イ）に示すように、計測管Ｐの空
洞部ＰＨ内が無風状態の時、各マイクロホンＭＡとＭＢ
は、それぞれ音響発信源から等距離であるため、音響信
号を同時（時間的に位相０）に検出する。図３の（ロ）
に示すように、計測管Ｐの空洞部ＰＨ内に流れが存在す
る場合、流れの上流のマイクロホンＭＡが音響信号を受
信するよりも早く、下流のマイクロホンＭＢが音響信号
を受信する。このときに生じる時間差は風速Ｖと線形関
係にある。空気中の音速は温度に対して一次線形である
ため単純な補正で正確な風速Ｖを求めることが出来る。

【００２０】音響発信源と受信器を対向した面に置くこ
とにより、音響は流体の速度分布による速さの異なる風
速域のそれぞれの影響を包括的に受けるため、計測管内
の平均風速にごく近い風速を１回の計測で求めることが
できる。

【００２１】風速を計測する場合パソコン１０の指令に
より信号発生器１を作動させ、前述の方法で作成した音
響信号を発信する。上下流２個のマイクロホンＭＡ，Ｍ
Ｂで音響信号受信を開始する。検出した音響信号に、信
号周波数成分と同じ周波数帯のバンドパスフイルタ処理
を施し、下流信号の相互相関関数を計算する。

【００２２】相互相関関数の出力のピーク値を検出し、
そのときの時間を抽出する。その抽出した時間が両信号
の時間位相となる。計測管Ｐの諸元とこの時間位相ｔを
下記の方程式に代入することにより、風速ｕが求まる。
音響発信源の中心と検出器の管軸方向距離を１、計測管
路の直径をＤ、計測対象の気温における音速をＶ、２信
号の時間位相をｔとして計測管路内平均風速ｕは

【数２】 となる。

【００２３】本発明による風量風速計測装置の適用例と
して、図４と図５に示すように、風量制御可能な集塵機
３０の吸い込み口近傍に風量計測装置ＭＸを設置し、フ
ィードバックデータとして制御システムを構築する。ま
た、複数の集塵機が稼動している工場内の巡回監視シス
テムとして、各集塵機３０の１次側、２次側、または両
方の計測管路３０Ｐに予めマイクロホンＭＡ，ＭＢ、ス
ピーカ３を設置しておく。各要素からのケーブルはコネ
クタ２１でまとめて集塵機３０の近傍、あるいは監視ケ
ーブルに集中配置しておく。工場内の機器保全要因は、
Ａ／Ｄコンバータと風速計測ソフト、信号発生ソフト組
込んだ携帯用パソコン２０を携行し、各集塵機の計測手
段のコネクタと接続し、計測対象用の音響信号を自動、
または手動で選択し、対象の風速、風量を計測、そのデ
ータを携帯用パソコン２０に取り込む。設備の新設時や
集塵機の増設などの場合、前述のｆｎ，ｆωを同じ携帯
用パソコン２０で計測し、その新設集塵機に関する音響
信号を自動生成保存し、監視の際にデータを携帯用パソ
コン２０から呼び出し使用する。

【００２４】従って、集塵機３０の吸い込み口近傍に流
れの障害となる突出物を設けることなく、機構部がない
ため、初期、経年、外乱要因による特性の劣化やばらつ
きが殆どなく、計測対象に対して１次線形の計測値を利
用し、計測データを単純な関数で計測管路内平均風速値
に変換することができる。

【００２５】なお、上記実施例では、流体として気体の
流れとしての風について述べたが、本発明は、これに限
定されるものではなく、流体としての液体についても適
用することが出来る。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係る流
体の流速流量計測装置は、音響発生指令信号を発生する
信号発生器と、前記音響発生指令信号を入力として音響
信号を発生する音響発生器を含む音響信号発生手段と、
空洞部内に流体を通流させると共に前記音響発生器に音
響信号を放射させる計測管と、前記空洞部内を放射する
音響信号を検出する複数の音響受信器を含む音響信号検
出手段と、前記音響信号を量子化した信号を取り込み、
該量子化した信号をもとに相互相関関数演算を行い、前
記計測管の空洞部における前記流体の流れに基づく前記
複数の音響受信器間の音響信号受信時間差を算出し、前
記計測管内の流速もしくは流量を求める演算手段によっ
て構成されているため、設置精度を要求せず、温度に関
して一次線形な計測特性を有し、外乱要因の影響を受け
ず、流体の流速、流量の平均値にきわめて近い計測可能
にして、高性能にして高信頼性の流体の流速流量計測装
置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による流体の流速流量計測装置
のブロック図。

【図２】本発明で使用する伝達関数の信号波形の一例を
示す説明図。

【図３】本発明の実施例による流体の流速流量計測装置
の動作説明図。

【図４】本発明の実施例による流体の流速流量計測装置
の使用例を示す説明図。

【図５】本発明の実施例による流体のみによって流速流
量計測装置を集塵機に適用する場合の説明図。

【符号の説明】

１ 信号発生器 １Ａ アンプ ３ スピーカ ５ Ａ／Ｄコンバータ １０ 演算部であるパソコン １０Ａ 操作制御部 ２０ 携帯用パソコン ２１ コネクタ ３０ 集塵機 ＭＡ，ＭＢ マイクロホン Ｐ 計測管（パイプ） ＰＨ 計測管の空洞部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｐ 5/22 Ｇ０１Ｐ 5/22 Ｚ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響発生指令信号を発生する信号発生器
   と、 前記音響発生指令信号を入力として音響信号を発生する
   音響発生器を含む音響信号発生手段と、 空洞部内に流体を通流させると共に、前記音響発生器に
   音響信号を放射させる計測管と、 前記空洞部内に放射する音響信号を検出する複数の音響
   受信器を含む音響信号検出手段と、 前記音響信号を量子化した信号を取り込み、該量子化し
   た信号をもとに相互相関関数演算を行い、前記計測管の
   空洞部における前記流体の流れに基づく前記複数の音響
   受信器間の音響信号受信時間差を算出し、前記計測管内
   の流速もしくは流量を求める演算手段、 によって構成されていることを特徴とする流体の流速流
   量計測装置。
2. 【請求項２】 前記計測管の軸方向中央部の管壁に穴を
   設け、該穴の位置する部位に前記音響信号発生手段の音
   響発生器を配置すると共に、前記計測管の前記穴を設け
   た管壁と対向する管壁に、前記音響発生器に対して前記
   流体の流れの上流側と下流側に、それぞれ等距離になる
   ように前記複数の音響受信器を配置したことを特徴とす
   る請求項１に記載の流体の流速流量計測装置。
3. 【請求項３】 前記音響発生器が放射する音響信号を構
   成する周波数帯域を決定するに当って、流体の流れのみ
   によって発生する騒音を上流下流の各音響受信器で検
   出、周波数分析をして、系の騒音の周波数帯を把握する
   と共に、流体を流さない無騒音状態でチャープ信号を音
   響化して放射し、これを上流下流の各音響受信器で受信
   して、チャープ信号と受信した信号の伝達関数を求め、
   上記計測管路の音響伝達特性により増幅、減衰する周波
   数帯を把握し、白色雑音信号より上記騒音の周波数帯、
   及び、上記計測管路の音響特性により増幅、減衰する周
   波数帯を除くように構成したことを特徴とする上記請求
   項１に記載の流体の流速流量計測装置。
4. 【請求項４】 前記演算部の指令により前記信号発生器
   を作動させて前記上下流の音響受信器の伝達関数音響信
   号の検出を開始し、検出した音響信号に、信号周波数と
   同じ周波数帯にバンドパスフイルタ処理を施して、下流
   側の音響受信器の検出信号の相互相関関数を計算するこ
   とを特徴とする請求項１又は３に記載の流体の流速流量
   計測装置。
5. 【請求項５】 前記音響信号の周波数とパワーが不規則
   に変化する一連の信号に対し、周囲雑音を除き、伝達関
   数の出力が０ｄＢに近い周波数帯域を抽出するデジタル
   フイルタ処理手段を備えていることを特徴とする請求項
   １、３又は４に記載の流体の流速流量計測装置。