JP2003254987A - 温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置および温度揺らぎを利用した静電容量式流量検出装置 - Google Patents

温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置および温度揺らぎを利用した静電容量式流量検出装置

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JP2003254987A JP2002052190A JP2002052190A JP2003254987A JP 2003254987 A JP2003254987 A JP 2003254987A JP 2002052190 A JP2002052190 A JP 2002052190A JP 2002052190 A JP2002052190 A JP 2002052190A JP 2003254987 A JP2003254987 A JP 2003254987A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 配管内の流体の流速を、静電容量の変化とし
て取り出して検出する静電容量式流速検出装置を提供す
る。 【解決手段】 平板状の誘電体11の両表面に設けた静
電電極12,13からなるコンデンサ1およびコンデン
サ1を発振用のコンデンサとした発振回路2とからなる
第1の静電容量−周波数変換手段10Aと第2の静電容
量−周波数変換手段10Bと、両静電容量−周波数変換
手段の出力の変化を比較して両手段間の出力の時間差を
算出する時間差算出手段31および時間差算出手段が算
出した時間差と両コンデンサ間の距離を用いて流速を算
出する流速算出手段32とからなる流速検出器3とから
温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置を構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、温度揺らぎを利用
した静電容量型流速検出装置および温度揺らぎを利用し
た静電容量型流量検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】流体の流速や流量を計測する流速計ある
いは流量計には、差圧式、容量式、電磁式など多様な種
類の測定原理を利用したのものがあり、測定対象や設置
条件などの兼ね合いにより選定され使用される。しかし
ながら、その多くは、流体配管の一部を、流体の圧力や
温度などを検出するセンサなどを内蔵した配管に変更す
る必要があり、設置に対して制約が生じるだけでなく、
流体の圧損を生じるなど流体自体に少なからず影響を与
える。よって、配管に何ら変更を及ぼさず配管内部の流
体の速度あるいは流量を、配管外部より計測することが
可能となれば、工業的にもその応用は多岐にわたる。
【0003】例えば、床暖房などの給湯器の温水の流速
を測定するときに、配管に変更を伴わずに流速を測定す
ることが期待される。特開平5ー223684号公報に
は、配管中に流体の温度揺らぎを測定する複数の温度測
定プローブを距離lを隔てて設け、温度測定プローブで
測定した信号の相互相関を取る相関分析手段とを備えた
流量測定装置が示されている。しかしながら、この流量
測定装置は、配管中の流体の温度を測定するために配管
中に温度測定プローブを設置することが必要となり流体
の圧損などを生じたり、配管中から信号を取り出すため
に設けたシール部が劣化して流体の漏れを生じたり、流
量の測定が不要となったときにも配管中に配置した温度
測定プローブが残ってしまう、温度測定プローブの間隔
が固定されてしまい変更することができないという問題
がある。
【0004】静電容量式の粉体流量計の測定原理は、配
管内あるいは外部に組み込んだ一対の電極により流体の
誘電率変化による容量の変動を測定し、積算容量から流
量を、単位時間当たりの積算容量から平均流速を計測す
るものである。
【0005】静電容量式の流速計は、以下の3点の問題
点がある。ア.測定対象流体の流れの有無に関わらず、
あらゆる状況で均一流体である場合には、流体の誘電率
が変化せず静電容量は変化しないので、原理上測定でき
ない。イ.容量が変化するような上記の固気2相流体中
の測定であっても、開発に当たっては様々な工夫が施さ
れている。とくに測定の安定性を向上させるために、配
管に設置する電極により生じる電界を配管内にのみ集中
させるためのシールドや、電極形状を工夫している。よ
って、測定原理自体は、電極間の誘電率変化を測定する
という極めて単純であるにもかかわらず、結局は配管の
一部に電極(センサ)を内蔵した配管を挿入することに
より、配管の径や形状に応じたセンサを用意する必要が
ある。ウ.配管が金属の場合は、配管の材質を金属以外
の物質に変更する必要がある。
【0006】以上3点を解決することが可能なセンサを
開発することができれば、そのセンサを上流側と下流側
の任意の位置に配置し、それぞれが検出した波形の類似
性から速度を計算する相関測定法により行うことで、可
能となる。
【0007】上記アとウは、比較的容易に解決できる問
題である。すなわち、アの問題は、均一流体の場合に発
生する問題で、測定対象が完全に均一系である場合は実
際上稀である。つまり測定対象が給湯器などの温水の流
量や流速である場合、温水の温度はパルス的に制御され
ており、時間的に温度の高低差が生じる。つまり、制御
上の温度揺らぎが生じる。よって単一物質の流れであっ
ても、均質流体ではない。また、水の比誘電率は温度に
対して敏感で、例えば25℃と26℃の水の比誘電率
は、78.541と78.191となり、1℃の差で
0.45%変化する。これらより、温度の高低差による
比誘電率の変化を静電容量変化として測定することが可
能である。ウの問題は、給湯器から温水を取り出す部位
に樹脂配管を使用することで解決している。
【0008】上記2点に比べ、イは困難な問題である。
すなわち、静電容量の変化を安定的に測定するために、
電界を測定対象に集中させるための配管形状にあわせシ
ールドを施した電極が必要になっている。
【0009】静電容量式の流速測定装置あるいは流量測
定装置自体は、これまでも数多くの開発が行われ、例え
ば、気体によって搬送される粉体の流量を計測する粉体
流量計(富士時報第54巻第8号(1981)第530
頁〜536頁.富士電機株式会社)が市販品として存在
する。この相関式粉粒流量検出装置は、電気絶縁性パイ
プの外壁に溶着した一対の薄い金属板から構成された静
電検出用電極と、配管内の流体の濃度に依存して変換す
る静電電極の静電容量を検出する静電容量検出手段と、
複数の静電容量検出手段から出力された検出信号の相関
関係を算出して流体の流速を算出する流速検出手段とか
ら構成される。
【0010】この構成の静電容量式の流速計は、パイプ
の外径によって電極間の距離が決まってしまうので電極
間距離が大きくなりコンデンサ容量を自由に決めること
ができず、かつ、静電容量の変化が極めて小さな値とな
り配線間容量などのノイズ成分に影響されやすいという
問題を有している。さらに、この構成の静電容量式の流
速計は、あらかじめ電極をパイプの外側に溶着して設け
なければならず、流速計のパイプへの取付けが容易では
ないという問題を有している。
【0011】静電容量は、通常、図6に示すような電極
12,13間の均一場を想定して、静電容量Cは式
(1)のように記述される。
【0012】
【数1】
【0013】ここで、εは真空の誘電率、εrは誘電
体の比誘電率、a×bは電極面積、dは電極間隔である
とする。
【0014】(1)式は、実際よく利用される公式であ
るが、実際には正確ではない。実際には、図7のよう
に、電極縁を回り込む電場の効果を考慮する必要があ
る。その近似式は、電極面積a×b(=A)を人為的に
平板間隔dの3/8だけ延ばして得られるとされ、下記
(2)式のように記述できる。
【0015】
【数2】
【0016】上記(1)式、(2)式に、それぞれ、a
=1.0(cm),b=1.0(cm),d=1.0
(cm),ε0=8.854×10ー12(F/
ー1)、εr=1.000536(20℃の乾燥空
気)を代入し計算すると、(1)式で計算した場合より
も(2)式で計算した場合の方が、約3.75%も容量
は大きくなる。
【0017】本発明者らは、外部に漏れる電場が測定に
影響を与えるのであれば、発想を少し転換すれば外部に
漏れた電界を測定に利用することが可能であると考え
る。
【0018】すなわち、電極間に測定対象を挿入せずと
も、例えば電極のそばに測定対象を設置し、平行板電極
の静電容量を測定すれば、流体による静電容量の変化を
測定できることになり、上記問題は解決される。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、配管内を流
れる流体の流速や流量を、温度によって流体の比誘電率
が変化することを利用して静電容量の変化として取り出
して検出する、温度揺らぎを利用した静電容量式流速検
出装置または静電容量式流量検出装置を提供することを
目的とする。さらに、本発明は、静電容量の変化を検出
する手段を、配管の外側の任意の位置に任意の間隔で配
置することができ、配管内には何ら影響をおよぼすこと
がない温度揺らぎを利用した流速検出装置および流量検
出装置を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、誘電体の両表面に設けた静電電極からなる
第1のコンデンサと、誘電体の両表面に設けた静電電極
からなる第2のコンデンサと、第1のコンデンサおよび
第2のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出手
段と、第1のコンデンサと第2のコンデンサの静電容量
の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の時
間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段が
算出した時間差と第1のコンデンサおよび第2のコンデ
ンサ間の距離を用いて流速を算出する流速算出手段とか
らなる流速検出器とから構成され、第1のコンデンサと
第2のコンデンサを、内部に流体が流れる配管の外側に
所定の間隔を置いて配置する温度揺らぎを利用した流速
検出装置である。
【0021】本発明は、上記温度揺らぎを利用した流速
検出装置において、第1のコンデンサと第2のコンデン
サを構成する誘電体を平板状とし、静電容量検出手段
を、コンデンサを含む発振回路としたことを特徴とす
る。
【0022】上記課題を解決するための本発明は、誘電
体の両表面に設けた静電電極からなる第1のコンデンサ
と、誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第2のコ
ンデンサと、第1のコンデンサおよび第2のコンデンサ
の静電容量を検出する静電容量検出手段と、第1のコン
デンサと第2のコンデンサの静電容量の変化を比較して
両コンデンサ間の静電容量の変化の時間差を算出する時
間差算出手段および時間差算出手段が算出した時間差と
第1のコンデンサおよび第2のコンデンサの間隔を用い
て算出した流速を所定時間積算して流量を算出する流量
算出手段とからなる流量検出器とからなり、第1のコン
デンサと第2のコンデンサが、内部に流体が流れる配管
の外側に所定の間隔を置いて配置されることを特徴とす
る温度揺らぎを利用した流量検出装置である。
【0023】本発明は、上記温度揺らぎを利用した流量
検出装置において、第1のコンデンサと第2のコンデン
サを構成する誘電体を平板状とし、静電容量検出手段
が、例えばRC発信回路やLC発信回路のようなコンデ
ンサを含む発振回路としたことを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる温度揺らぎ
を利用した静電容量式流速検出装置および温度揺らぎを
利用した静電容量式流量検出装置の検出原理と構成の概
要を説明する。
【0025】本発明は、図7に示した、コンデンサの電
極縁を回り込む電場の効果を利用して、コンデンサに接
触して設けた配管内を流れる流体の誘電率の変化(静電
容量の変化)を検出する方式を採用している。
【0026】本発明にかかる温度揺らぎを利用した静電
容量式流速検出装置の構成の概要を図1を用いて、流速
検出用の駆動回路である発振回路の構成の概要を図2を
用いて説明する。
【0027】図1に示すように、本発明にかかる温度揺
らぎを利用した流速検出装置は、平板状の誘電体11A
の両表面に設けた静電電極12A,13Aからなる第1
のコンデンサ1Aと、第1のコンデンサを発振用のコン
デンサとした第1の発振回路2Aとからなる第1の静電
容量−周波数変換手段(静電容量検出手段)10Aと、平
板状の誘電体11Bの両表面に設けた静電電極12B、
13Bからなる第2のコンデンサ1Bと、第2のコンデ
ンサを発振用のコンデンサとした第2の発振回路2Bと
からなる第2の静電容量−周波数変換手段(静電容量検
出手段)10Bと、第1の静電容量−周波数変換手段1
0Aと第2の静電容量−周波数変換手段10Bの出力の
変化を比較して両静電容量−周波数変換手段間の出力の
時間差を算出する時間差算出手段31および時間差算出
手段が算出した時間差と第1のコンデンサおよび第2の
コンデンサ間の距離Lを用いて流速を算出する流速算出
手段33からなる流速検出器30とから構成される。
【0028】第1の静電容量−周波数変換手段10Aと
第2の静電容量−周波数変換手段10Bは、同一の構成
を有しており、流体Rが流れる内部を配管5に接して設
けられる。両静電容量−周波数変換手段10A、10B
のコンデンサ1A、1Bは、所定の間隔Lをおいて配置
される。
【0029】コンデンサ1は、たとえば発泡スチロール
からなる平板状の誘電体1の両表面にそれぞれ独立して
設けられた静電電極12と静電電極13を有している。
静電電極12,13は、それぞれアルミニウム箔を接触
させたりアルミニウムを蒸着するなどの任意の手法によ
って誘電体11の表面に設けることができる。
【0030】この実施例においては、コンデンサ1は、
電極の大きさ50mm×130mm、発泡スチロール誘
電体の厚み7mm、静電電極の厚み50μmとしてお
り、その静電容量は、、約14PFである。
【0031】図2に示すように、発振器2は、例えばR
C発振回路を用いて構成され、直列に接続された2個の
排他的論理和素子21、22と、直列に接続された2個
の抵抗23,24を互いに並列に接続し、排他的論理和
素子21、22の接続点および抵抗23、24の接続点
間にコンデンサ1を接続して構成される。排他的論理和
素子21の入力の一方は接地され他方は抵抗23に接続
される。排他的論理和素子22の入力の一方は、電源V
ccに接続され他方は排他的論理和素子21の出力とコ
ンデンサ1に接続される。排他的論理和素子22の出力
fは抵抗24に接続され出力端子とされる。
【0032】
【数3】
【0033】上記(3)式に示すように、発振回路2の
発振周波数fは、コンデンサ10の容量Cが変化すると
変化して、容量が変化したことすなわち配管5内を流れ
る流体Rの温度が変化したことを知ることができる。
【0034】測定対象物を設置しない場合の、コンデン
サ1を含む静電容量−周波数変換手段10の出力周波数
fは、式(3)より求めることができ、図2の回路構成
では、324KHzとなる。しかしながら、実際の発振
周波数は、130KHzであり、これは、配線などの浮
遊容量の影響を受けていると考えられる。
【0035】上記、静電容量−周波数変換手段10を用
いて、温度揺らぎ検出感度の測定値依存性を検討した結
果を図3に示す。測定対象は、15℃の水を樹脂製ホー
ス(外径1.5cm、内径0.9cm)に平均流速15
cm/secで流し、その水流中に注射器にて70℃の
水を2.5cc注入したものである。曲線aは図3の枠
内にaとして示すようにコンデンサ10の中心部に接し
て配管5を設けた場合であり、同様に曲線bから曲線d
は、図3の枠内にb〜dとして示した位置に接して配管
5を設けた場合を示している。
【0036】図3から、測定対象(流体)を電極間に挿
入しないでも流体の温度揺らぎに基づく静電容量の変化
を計測することが可能であることが確認できるととも
に、その温水導入による周波数の変化は、測定対象(樹
脂製ホース)をセンサの中央部に位置させるほど顕著で
あることを確認できた。
【0037】図1に示した、静電容量式流速検出装置に
おける流速測定原理を図4を用いて説明する。流速は、
コンデンサ1A,1B間で気泡が生じるなど誘電率を変
化させる水温変化以外の外的要因が生じない限り、相関
測定法により第1の静電容量−周波数変換手段1Aと第
2の静電容量−周波数変換手段1Bで得られる信号遅れ
時間(tm)とセンサ間隔(L)から算出することがで
きる。
【0038】図5を用いて、実際の給湯器を用いて流速
を測定した際の測定結果を説明する。測定は、平均流速
47cm/秒で温水を流し、コンデンサ1Aとコンデン
サ1Bは、200cmの間隔(L)で設置し、測定間隔
を500msecとした。
【0039】上記測定の結果、各静電容量−周波数変換
手段10A、10Bで、水温の揺らぎを周波数変動Δf
として測定できることが確認できた。周波数変動の絶対
値は、静電容量−周波数変換手段10の個体差があり、
一致はしないが、周波数変動のパターンは非常に類似し
ている。流速は、図5中のA〜Cの平均値で52.3c
m/秒であり、誤差は11.3%であった。しかし、こ
の値は平均流速であり、また、各測定点では平均流速に
近い結果もあり、流速計算手法を最適化することで誤差
11.3%は十分低減可能であると考えられる。
【0040】以上のように、流体の温度の揺らぎを静電
容量の変化によって測定する手法で、流速を測定するこ
とが可能な静電容量式流速検出装置を構築することがで
きた。この流速検出装置は、測定対象の温度揺らぎによ
る静電容量を測定することで、流体が単一物質であって
も、その流速を測定することが可能となった。
【0041】さらに、測定対象を、静電容量−周波数変
換手段を構成するコンデンサの電極間に設置せず、コン
デンサの上部に設置して測定を行うことが可能となる。
したがって、この方式は、「配管形状にあわせてコンデ
ンサの電極を作成する必要がない」、「積極的に漏れ電
界を利用するので、シールドの必要がない」、「主容量
を平行平板電極間で確保することになり安定性が向上す
る」という、これまでにないすぐれた効果を奏すること
ができる流速検出装置である。
【0042】本発明は、給湯器の流速測定以外にも、様
々な適用が存在すると考えられる。
【0043】以上の説明では、温度揺らぎを利用して流
体の流速を静電容量式で測定する流速検出装置について
説明したが、検出した流速を所定時間積算することによ
って流量を検出することができる。
【0044】すなわち、図1に示した温度揺らぎを利用
した静電容量式流速検出装置における流速検出手段33
の後段に、該流速検出出力を単位時間積分した値に配管
の断面積を乗じて流量を算出する手段を設けることによ
り、配管中の流量を検出することができる。流速を所定
時間積分した値に配管の断面積を乗じて流量を算出する
ことは知られており、具体的な構成の説明を省略する。
【0045】上記説明において、本発明では、第1およ
び第2のコンデンサを構成する誘電体を平板状とした
が、静電容量の変化を検出するコンデンサとしては、平
板状である必要はなく、例えば配管の外側に接するよう
に湾曲した形状など、平板状以外のコンデンサ端縁の漏
れ電界が配管内の流体内を通過する形状であれば、どの
ような形状であっても温度揺らぎによる静電容量の変化
を検出することが可能である。
【0046】また、上記説明では、発振回路としてRC
発振回路を例にとって説明したが、静電容量の変化を発
振周波数の変化として出力する発振回路であれば、コン
デンサの容量の変化を利用して発振周波数を変化させる
LC発振回路などの他の発振回路を用いることができ
る。
【0047】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、配管に
2個のコンデンサを接触させ、配管中を流れる流体の温
度揺らぎによる静電容量の変化を検出し、その相関関係
を検出して流速または流量を測定することができる。
【0048】本発明は、流体の誘電率の変化を検出する
コンデンサを、配管の外部に配置するようにしたので、
各コンデンサの配置場所を、例えば配管の上部や配管の
下部など任意に選択することができるとともに、二つの
コンデンサの間隔を任意に変更することができるので、
流速にあわせて2つのコンデンサを配置することができ
る。さらに、コンデンサを配管の外部に配置するので、
コンデンサの誘電体として任意の材質を用いたり、電極
間距離や電極面積を任意の値とすることができ、コンデ
ンサの容量を任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置
の構成の概要を説明するブロック図。
【図2】図1の流速検出装置の発振器の構成例を説明す
る回路図。
【図3】本発明で使用する流体の温度揺らぎ検出結果を
説明する図。
【図4】本発明の流速測定原理を説明する図。
【図5】本発明による流速測定結果を説明する図。
【図6】平行電極によって構成されるコンデンサの原理
を説明する図。
【図7】本発明の誘電体の比誘電率を検出する原理を説
明する図。
【符号の説明】
1 コンデンサ 10 静電容量−周波数変換手段 11 誘電体 12 静電電極 13 静電電極 2 発振器 21,22 排他的論理和素子 23,24 抵抗 3 流速検出器 31 時間差算出手段 32 流速検出手段 5 配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠澤 康彦 東京都港区海岸一丁目5番20号 東京瓦斯 株式会社内 Fターム(参考) 2F035 AA04 AB05 FA01 FB03

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体の両表面に設けた静電電極からな
    る第1のコンデンサと、誘電体の両表面に設けた静電電
    極からなる第2のコンデンサと、第1のコンデンサおよ
    び第2のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出
    手段と、第1のコンデンサと第2のコンデンサの静電容
    量の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の
    時間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段
    が算出した時間差と第1のコンデンサおよび第2のコン
    デンサ間の距離を用いて流速を算出する流速算出手段と
    からなる流速検出器とからなり、第1のコンデンサと第
    2のコンデンサが、内部に流体が流れる配管の外側に所
    定の間隔をおいて配置されることを特徴とする温度揺ら
    ぎを利用した流速検出装置。
  2. 【請求項2】 第1のコンデンサと第2のコンデンサを
    構成する誘電体が平板状である請求項1に記載の温度揺
    らぎを利用した流速検出装置。
  3. 【請求項3】 静電容量検出手段が、コンデンサを含む
    発振回路であることを特徴とする請求項1または請求項
    2に記載の温度揺らぎを利用した流速検出装置。
  4. 【請求項4】 誘電体の両表面に設けた静電電極からな
    る第1のコンデンサと、誘電体の両表面に設けた静電電
    極からなる第2のコンデンサと、第1のコンデンサおよ
    び第2のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出
    手段と、第1のコンデンサと第2のコンデンサの静電容
    量の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の
    時間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段
    が算出した時間差と第1のコンデンサおよび第2のコン
    デンサの間隔を用いて算出した流速を所定時間積算して
    流量を算出する流量算出手段とからなる流量検出器とか
    らなり、第1のコンデンサと第2のコンデンサが、内部
    に流体が流れる配管の外側に所定の間隔を置いて配置さ
    れることを特徴とする温度揺らぎを利用した流量検出装
    置。
  5. 【請求項5】 第1のコンデンサと第2のコンデンサを
    構成する誘電体が平板状である請求項4に記載の温度揺
    らぎを利用した流量検出装置。
  6. 【請求項6】 静電容量検出手段が、コンデンサを含む
    発振回路であることを特徴とする請求項4または請求項
    5に記載の温度揺らぎを利用した流量検出装置。
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