JP2004361322A - 光ファイバセンサを用いた流向計及び流速・流向計 - Google Patents
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Abstract
【課題】歪み検出板や光ファイバ式歪みゲージの数量を増やすことなく、流向を全方向について高精度で検出できる光ファイバセンサを用いた流向計及び流向・流速計を提供する。
【解決手段】回転自在に支持された回転軸２と、回転軸２に取り付けられ、流体の流れに沿って回転軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、回転軸２に取り付けられ、回転軸２の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面７ｆを有する円板状のカム部材７と、カム部材７のガイド面７ｆに先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面７ｆに応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板８と、方向歪み検出板８に設けられ方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する光ファイバ式歪みゲージ９とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】回転自在に支持された回転軸２と、回転軸２に取り付けられ、流体の流れに沿って回転軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、回転軸２に取り付けられ、回転軸２の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面７ｆを有する円板状のカム部材７と、カム部材７のガイド面７ｆに先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面７ｆに応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板８と、方向歪み検出板８に設けられ方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する光ファイバ式歪みゲージ９とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ式歪みゲージセンサを用い、河川や海並びに水路の流速・流向を検出するための光ファイバセンサを用いた流向計及び流速・流向計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来技術に係る光ファイバセンサ式流向計の構造図である。
【０００３】
図９に示すように、従来の光ファイバセンサ式流向計は、回転自在に支持された回転軸としての流向検出フィン軸２と、この流向検出フィン軸２の下部に設けられ流体の流れに沿って流向検出フィン軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、この流向検出フィン軸２の上部に取り付けられた磁石３と、この磁石３の回転軌道に臨んで複数設けられ磁石３が近接したとき、鉄片５が引き寄せられて弾性的に湾曲する歪み検出板４と、各歪み検出板４に取り付けられた光ファイバ式歪みゲージ６とがケース９０内に収容された構造になっている。
【０００４】
この光ファイバセンサ式流向計は、流体中に設置されると、流向検出フィン１の回動に伴い、流向検出フィン軸２に取り付けられた磁石３が回動し、この磁石３に鉄片５が引き寄せられて歪み検出板４が湾曲する。そして結果として、この歪み検出板４に取り付けられた光ファイバ式歪みゲージ６に歪みが発生し、その歪みが発生した光ファイバ式歪みゲージ６の位置から、流向検出フィン１の方向、すなわち流体の流向が検出される。
【０００５】
また、これ以外の従来技術としては、流体が導入されるセンサケースに備えられた流速センサにて流速が検出されると共に、そのセンサケースが垂直翼により流体に沿う方向に回動され、その方向に応じた所定のリードスイッチがＯＮされることにより流向が検出される流向・流速計が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２８８６２３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来技術の光ファイバセンサ式流向計は、流向を全方向について高精度で検出するには、流向検出フィン軸２を取り囲むように、円周状に多数の歪み検出板４と光ファイバ式歪みゲージ６とを配置することで可能になる。
【０００８】
しかしながら、従来技術の光ファイバセンサ式流向計は、このように構成されると構造が複雑になる他、磁石３によって同時に複数の隣接した歪み検出板４に曲げが加わり、正確な方向確定が難しい等の欠点があった。さらに、歪み検出板４と光ファイバ式歪みゲージ６の個数が増えると、計測器の台数も増加するという問題もある。また、従来技術の光ファイバセンサ式流向計では、流体の速度を検出できず、河川情報を得るための効果的な測定ができなかった。
【０００９】
また、流速センサが備えられたセンサケースを用いた流向・流速計は、流向と流速の両方を検出できるが、より高い精度で流向を検出するにはそれに応じて多数のリードスイッチを設けなければならず、装置が複雑になり、コストも上昇するという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、歪み検出板や光ファイバ式歪みゲージの数量を増やすことなく、流向を全方向について高精度で検出できる光ファイバセンサを用いた流向計及び流向・流速計を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、回転自在に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられ、流体の流れに沿って上記回転軸を所定の角度回動させるための流向検出フィンと、上記回転軸に取り付けられ、回転軸の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面を有する円板状のカム部材と、該カム部材のガイド面に先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面に応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板と、該方向歪み検出板に設けられその方向歪み検出板の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する光ファイバ式歪みゲージとを備えたものである。
【００１２】
このように構成することにより、流向検出フィンの回動に応じてカム部材のガイド面が正弦曲線を描き、方向歪み検出板に設けられた光ファイバ式歪みゲージに歪みが発生するので、その光ファイバ式歪みゲージに生じた歪み量を計測することにより、流向を検出できる。
【００１３】
また、上記円板状のカム部材は、直径の一端から他端に向かって順次傾斜した傾斜面を有し、かつ上記直径に対して線対称な一方の半周部が磁性体で形成されていると共に他方の半周部が非磁性体で形成されており、先端部に磁石を有し該先端部が上記カム部材の周縁部に臨み基端部が固定されて取り付けられ、上記カム部材の上記磁性体で形成された半周部が近接すると弾性的に湾曲する回転位置検出板と、該回転位置検出板の湾曲に伴い歪みが発生する方向判定用光ファイバ式歪みゲージとを設けることが好ましい。
【００１４】
このように構成することにより、全方向を二枚の歪み検出板と二つの歪みゲージとで検出できるので、低コストで流向を検出できる。
【００１５】
また、請求項３の発明は、回転自在に支持された第１の回転軸と、該第１の回転軸に取り付けられ、流体の流れに沿って上記第１の回転軸を所定の角度回動させるための流向検出フィンと、上記第１の回転軸に取り付けられ、第１の回転軸の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面を有する円板状のカム部材と、該カム部材のガイド面に先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面に応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板と、該方向歪み検出板に設けられその方向歪み検出板の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージと、上記第１の回転軸と同軸上に且つ独立して回転する第２の回転軸と、該第２の回転軸に取り付けられ、流体の流れに応じて上記第２の回転軸を回転させるための回転翼と、上記第２の回転軸の外周部に設けられた磁石と、該磁石が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板と、該回転歪み検出板の湾曲に伴い歪みが発生し、単位時間当りに発生した歪みの回数から流速を検出する流速検出用光ファイバ式歪みゲージとを備えたものである。
【００１６】
このように構成することにより、流向検出フィンの回動に応じてカム部材のガイド面が正弦曲線を描き、方向歪み検出板に設けられた流向検出用光ファイバ式歪みゲージに歪みが発生するので、その流向検出用光ファイバ式歪みゲージに生じた歪み量を計測することにより、流向を検出できると共に、回転翼の所定時間当たりの回転数に応じて流速検出用光ファイバ式歪みゲージに生じる歪みを計測することにより、流速を検出できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は本発明に係る光ファイバセンサを用いた流向計の構造図である。
【００１９】
図１に示すように、本発明に係る光ファイバセンサを用いた流向計は、回転自在に支持された回転軸としての流向検出フィン軸２と、この流向検出フィン軸２の下部に取り付けられ流体の流れに沿って流向検出フィン軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、流向検出フィン軸２の上部に取り付けられ流向検出フィン軸２の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面７ｆを有する円板状のカム部材７と、このカム部材７のガイド面７ｆに先端部が摺接し基端部が固定部１９ａに固定されて取り付けられ、ガイド面７ｆに応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板８と、この方向歪み検出板８の湾曲方向に沿って設けられ、方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９とがケース１９内に収容されて主に構成されている。
【００２０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、カム部材７のガイド面７ｆは、直径の一端から他端に向かって徐々に高く、かつその直径に対して線対称の高さで形成されている。
【００２１】
すなわち、カム部材７は、厚みが円周上で回転角ごとに変化して形成されていることにより、回転角によって方向歪み検出板８に発生するたわみが異なるようになっている。
【００２２】
この場合、カム部材７は、円周上に厚みが同じ点、すなわち流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に発生する歪みの大きさが同じとなる点が発生することになる。
【００２３】
この解決策として、図３（ａ）に示すように、カム部材７は、中心を通る直線により分割された一方の半周部７ａは磁性体、例えば銅、コバルト、ニッケル及びそれらの化合物で形成され、他の半周部７ｂは非磁性体で形成されている。
【００２４】
さらに、図１に示したように、カム部材７の近傍には方向判定手段が設けられている。
【００２５】
方向判定手段は、カム部材７が回転して磁性体からなる半周部７ａが近接したときに引き寄せられる磁石１１を先端部に有し、磁石１１に引き寄せられたときに弾性的に湾曲する回転位置検出板１０と、この回転位置検出板１０に取り付けられた方向判定用光ファイバ式歪みゲージ１２とで構成されている。なお、回転位置検出板１０は、基端部が固定部１９ｂに固定して取り付けられており、また、光ファイバ式歪みゲージ９，１２同士は光ファイバ２０で直列に接続されている。
【００２６】
すなわち、本実施の形態は、流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に発生する歪みの有無と、方向判定用光ファイバ式歪みゲージ１２の値とにより、予めカム部材７の方向性を決めておくことにより流向検出フィン１の方向を特定し、流向を検出する。
【００２７】
図４はカム部材７の回転角に対する２つの光ファイバ式歪みゲージ９，１２の歪み量の変化を示す図である。図４中、ｒは流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９の歪み量を示し、ｄは方向判定用光ファイバ式歪みゲージ１２の歪み量を示している。
【００２８】
図４に示すように、流向検出用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｒは正弦曲線状に変化し、方向判定用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｄは１８０°の角度範囲内で所定の歪み量ｄになる。
【００２９】
例えば流向検出用光ファイバ式歪みゲージにおいて、歪み量ｒが等しい点として、回転角が０°から９０°の範囲内のある点と、回転角が９０°から１８０°の範囲内のある点とが存在するが、回転角が０°から９０°の範囲内で方向判定用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｄが０になっており、回転角が９０°から２７０°の範囲内で方向判定用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｄが＋になっていることから、カム部材の回転角が０°から９０°の範囲内であるか、９０°から１８０°の範囲内であるかを特定できる。
【００３０】
次に、図１に示した光ファイバセンサを用いた流向計の作用を図１，図２（ａ）、図２（ｂ）を用いて説明する。
【００３１】
図１に示した流向計は、流体に沿う方向に流向検出フィン１が回動すると、この回動に伴いカム部材７も回動して、方向歪み検出板８の先端部と接触するガイド面７ｆの高さが変化する。そして、図２（ａ）に示すように、ガイド面７ｆの高さが最も低い位置に方向歪み検出板８の先端部が接触したときには、方向歪み検出板８は最も大きく湾曲し、流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に最も大きな歪みが発生する。また、図２（ｂ）に示すように、ガイド面７ｆの高さが最も高い位置に方向歪み検出板８の先端部が接触したときには、方向歪み検出板８は最も小さく湾曲し、流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に最も小さな歪みが発生する。従って、この歪み量を計測することにより、流向を検出できる。
【００３２】
このように、本実施の形態は、全方向を二枚の歪み検出板８，１０と二つの歪みゲージ９，１２とで検出できるので、低コストで流向を検出できる。
【００３３】
次に、流体の流速を測定するための流速検出部について述べる。
【００３４】
図５は本発明に適用される流速検出部の構造図である。
【００３５】
図５に示すように、流速検出部は、ケース１９に回転自在に支持された回転翼軸１４と、この回転翼軸１４の下部に設けられ流体により回転する回転翼１３と、回転翼軸１４の上部の周面に設けられた磁石１５と、この磁石１５が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板１６と、この回転歪み検出板１６に設けられた流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８とで主に構成されている。
【００３６】
回転歪み検出板１６は、回転翼軸１４に設けられた磁石１５に臨んで先端部が設けられており、その先端部に鉄片１７が設けられている。
【００３７】
このように構成することにより、流体により回転翼１３が回転すると、これに伴い回転翼軸１４に取り付けられた磁石１５が回転し、磁石１５が回転歪み検出板１６に近接したとき鉄片１７が引き寄せられ、その回転歪み検出板１６が湾曲する。そして、回転歪み検出板１６に取り付けた流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８に歪みが発生する。
【００３８】
回転翼１３の回転数から流体の流速を検出するには、回転翼１３の構造、形状により流速と回転数との関係が変化するため、事前にその流速−回転数の関係を調べておく。
【００３９】
図６は、図５の流速検出部における単位時間当たりに発生する歪みの数と流速との関係を示す図である。
【００４０】
図６より、回転翼の回転数と流速とが比例しているので、流速検出用光ファイバ式歪みゲージにおける単位時間当たりに発生した歪みの回数を計測することにより、流速を検出することができる。
【００４１】
次に、本発明に係る光ファイバセンサ式流速・流向計について詳述する。
【００４２】
図７は図１の流向計に図５の流速検出部を設けた光ファイバセンサ式流速・流向計の構造図である。
【００４３】
図７に示すように、光ファイバセンサ式流速・流向計は、基本的な構成は、図１の流向計と図５の流速検出部３０と備えた構成である。
【００４４】
すなわち、光ファイバセンサ式流速・流向計は、回転自在に支持された第１の回転軸としての流向検出フィン軸２と、流向検出フィン軸２に取り付けられ、流体の流れに沿って流向検出フィン軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、流向検出フィン軸２に取り付けられ、流向検出フィン軸２の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面７ｆを有する円板状のカム部材７と、このカム部材７のガイド面７ｆに先端部が摺接し基端部が固定系に固定されて取り付けられ、ガイド面７ｆに応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板８と、この方向歪み検出板８に設けられその方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９と、流向検出フィン軸２と同軸上に且つ独立して回転する第２の回転軸としての回転翼軸１４と、この回転翼軸１４に取り付けられ、流体の流れに応じて回転翼軸１４を回転させるための回転翼１３と、回転翼軸１４の外周部に設けられた磁石１５と、この磁石が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板１６と、この回転歪み検出板１６の湾曲に伴い歪みが発生し、単位時間当りに発生した歪みの回数から流速を検出する流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８とを備えている。
【００４５】
図７の実施の形態にあっては、流向検出フィン軸２と回転翼軸１４とは互いに自由に回転する構造で且つ流向検出フィン軸２と回転翼軸１４とが同軸上に配置されるように、流向検出フィン軸２は円筒状に形成されていると共に、回転翼軸１４は円柱状に形成されており、流向検出フィン軸２に回転翼軸１４が挿入されてケース１９に取り付けられている。
【００４６】
このように構成することにより、流体に沿う方向に流向検出フィン１が回動すると、この回動に伴いカム部材７が回動するので、方向歪み検出板８の先端部と接触するガイド面７ｆの高さが変化する。これにより、方向歪み検出板８はガイド面７ｆの高さの変化に応じて湾曲し、さらにこの方向歪み検出板８に設けられた流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９は、方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪む。従って、この歪み量を計測することにより、流向を検出できる。
【００４７】
また、流体により回転翼１３が回転すると、これに伴い回転翼軸１４に取り付けられた磁石１５が回転するので、磁石１５が回転歪み検出板１６に近接したとき、鉄片１７が引き寄せられて回転歪み検出板１６が湾曲する。これにより、回転歪み検出板１６に取り付けられた流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８は、歪みを発生する。従って、流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８における所定時間当たりに発生した歪みの回数を計測することにより、流速を検出できる。
【００４８】
次に、本実施の形態の変形例について述べる。
【００４９】
図８は図７に示した回転翼１３を収容する回転翼収容部の斜視図である。
【００５０】
図８に示すように、この回転翼収容部３０は、上述した光ファイバセンサ式流向計のケース１９の一部であり、回転翼１３を収容する有底円筒体状の本体３２と、回転翼１３の回転軌道の接線方向に配置され、流体が回転翼１３の羽根に当たるように案内するための矩形筒体状の流路３１とを有している。
【００５１】
この回転翼収容部３０を用いることにより、回転翼１３を安定に回転させることができる。
【００５２】
以上説明したように、従来は流体の流向を順、逆、中位の３方向しか検出できなかったが、本実施の形態により、円盤状のカム部材７の導入により簡単な構成で全方向の流向検出が可能になる。
【００５３】
また、流向検出フィンと回転翼とを組み合わせ、流向検出用光ファイバ式歪みゲージと、流速検出用光ファイバ式歪みゲージとを連続して（直列に）結線することで、１台の測定機器で流体の流向と流速とが測定可能になる。
【００５４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、歪み検出板や光ファイバ式歪みゲージの数量を増やすことなく、流向を全方向について高精度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバセンサを用いた流向計の構造図である。
【図２】カム部材のガイド面の高さと方向歪み検出板の湾曲度との関係を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）はカム部材の平面図であり、図３（ｂ）はそのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断面図である。
【図４】カム部材の回転角に対する２つの光ファイバ式歪みゲージの歪み量の変化を示す図である。
【図５】本発明に適用される流速検出部の構造図である。
【図６】図５の流速検出部における単位時間当たりに発生する歪みの数と流速との関係を示す図である。
【図７】図１の流向計に図５の流速検出部を設けた光ファイバセンサ式流速・流向計の構造図である。
【図８】図７に示した回転翼を収容する回転翼収容部の斜視図である。
【図９】従来技術に係る光ファイバセンサ式流向計の構造図である。
【符号の説明】
１ 流向検出フィン
２ 流向検出フィン軸
７ カム部材
７ｆ ガイド面
８ 方向歪み検出板
９ 流向検出用光ファイバ式歪みゲージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ式歪みゲージセンサを用い、河川や海並びに水路の流速・流向を検出するための光ファイバセンサを用いた流向計及び流速・流向計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来技術に係る光ファイバセンサ式流向計の構造図である。
【０００３】
図９に示すように、従来の光ファイバセンサ式流向計は、回転自在に支持された回転軸としての流向検出フィン軸２と、この流向検出フィン軸２の下部に設けられ流体の流れに沿って流向検出フィン軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、この流向検出フィン軸２の上部に取り付けられた磁石３と、この磁石３の回転軌道に臨んで複数設けられ磁石３が近接したとき、鉄片５が引き寄せられて弾性的に湾曲する歪み検出板４と、各歪み検出板４に取り付けられた光ファイバ式歪みゲージ６とがケース９０内に収容された構造になっている。
【０００４】
この光ファイバセンサ式流向計は、流体中に設置されると、流向検出フィン１の回動に伴い、流向検出フィン軸２に取り付けられた磁石３が回動し、この磁石３に鉄片５が引き寄せられて歪み検出板４が湾曲する。そして結果として、この歪み検出板４に取り付けられた光ファイバ式歪みゲージ６に歪みが発生し、その歪みが発生した光ファイバ式歪みゲージ６の位置から、流向検出フィン１の方向、すなわち流体の流向が検出される。
【０００５】
また、これ以外の従来技術としては、流体が導入されるセンサケースに備えられた流速センサにて流速が検出されると共に、そのセンサケースが垂直翼により流体に沿う方向に回動され、その方向に応じた所定のリードスイッチがＯＮされることにより流向が検出される流向・流速計が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２８８６２３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来技術の光ファイバセンサ式流向計は、流向を全方向について高精度で検出するには、流向検出フィン軸２を取り囲むように、円周状に多数の歪み検出板４と光ファイバ式歪みゲージ６とを配置することで可能になる。
【０００８】
しかしながら、従来技術の光ファイバセンサ式流向計は、このように構成されると構造が複雑になる他、磁石３によって同時に複数の隣接した歪み検出板４に曲げが加わり、正確な方向確定が難しい等の欠点があった。さらに、歪み検出板４と光ファイバ式歪みゲージ６の個数が増えると、計測器の台数も増加するという問題もある。また、従来技術の光ファイバセンサ式流向計では、流体の速度を検出できず、河川情報を得るための効果的な測定ができなかった。
【０００９】
また、流速センサが備えられたセンサケースを用いた流向・流速計は、流向と流速の両方を検出できるが、より高い精度で流向を検出するにはそれに応じて多数のリードスイッチを設けなければならず、装置が複雑になり、コストも上昇するという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、歪み検出板や光ファイバ式歪みゲージの数量を増やすことなく、流向を全方向について高精度で検出できる光ファイバセンサを用いた流向計及び流向・流速計を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、回転自在に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられ、流体の流れに沿って上記回転軸を所定の角度回動させるための流向検出フィンと、上記回転軸に取り付けられ、回転軸の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面を有する円板状のカム部材と、該カム部材のガイド面に先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面に応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板と、該方向歪み検出板に設けられその方向歪み検出板の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する光ファイバ式歪みゲージとを備えたものである。
【００１２】
このように構成することにより、流向検出フィンの回動に応じてカム部材のガイド面が正弦曲線を描き、方向歪み検出板に設けられた光ファイバ式歪みゲージに歪みが発生するので、その光ファイバ式歪みゲージに生じた歪み量を計測することにより、流向を検出できる。
【００１３】
また、上記円板状のカム部材は、直径の一端から他端に向かって順次傾斜した傾斜面を有し、かつ上記直径に対して線対称な一方の半周部が磁性体で形成されていると共に他方の半周部が非磁性体で形成されており、先端部に磁石を有し該先端部が上記カム部材の周縁部に臨み基端部が固定されて取り付けられ、上記カム部材の上記磁性体で形成された半周部が近接すると弾性的に湾曲する回転位置検出板と、該回転位置検出板の湾曲に伴い歪みが発生する方向判定用光ファイバ式歪みゲージとを設けることが好ましい。
【００１４】
このように構成することにより、全方向を二枚の歪み検出板と二つの歪みゲージとで検出できるので、低コストで流向を検出できる。
【００１５】
また、請求項３の発明は、回転自在に支持された第１の回転軸と、該第１の回転軸に取り付けられ、流体の流れに沿って上記第１の回転軸を所定の角度回動させるための流向検出フィンと、上記第１の回転軸に取り付けられ、第１の回転軸の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面を有する円板状のカム部材と、該カム部材のガイド面に先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面に応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板と、該方向歪み検出板に設けられその方向歪み検出板の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージと、上記第１の回転軸と同軸上に且つ独立して回転する第２の回転軸と、該第２の回転軸に取り付けられ、流体の流れに応じて上記第２の回転軸を回転させるための回転翼と、上記第２の回転軸の外周部に設けられた磁石と、該磁石が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板と、該回転歪み検出板の湾曲に伴い歪みが発生し、単位時間当りに発生した歪みの回数から流速を検出する流速検出用光ファイバ式歪みゲージとを備えたものである。
【００１６】
このように構成することにより、流向検出フィンの回動に応じてカム部材のガイド面が正弦曲線を描き、方向歪み検出板に設けられた流向検出用光ファイバ式歪みゲージに歪みが発生するので、その流向検出用光ファイバ式歪みゲージに生じた歪み量を計測することにより、流向を検出できると共に、回転翼の所定時間当たりの回転数に応じて流速検出用光ファイバ式歪みゲージに生じる歪みを計測することにより、流速を検出できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は本発明に係る光ファイバセンサを用いた流向計の構造図である。
【００１９】
図１に示すように、本発明に係る光ファイバセンサを用いた流向計は、回転自在に支持された回転軸としての流向検出フィン軸２と、この流向検出フィン軸２の下部に取り付けられ流体の流れに沿って流向検出フィン軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、流向検出フィン軸２の上部に取り付けられ流向検出フィン軸２の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面７ｆを有する円板状のカム部材７と、このカム部材７のガイド面７ｆに先端部が摺接し基端部が固定部１９ａに固定されて取り付けられ、ガイド面７ｆに応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板８と、この方向歪み検出板８の湾曲方向に沿って設けられ、方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９とがケース１９内に収容されて主に構成されている。
【００２０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、カム部材７のガイド面７ｆは、直径の一端から他端に向かって徐々に高く、かつその直径に対して線対称の高さで形成されている。
【００２１】
すなわち、カム部材７は、厚みが円周上で回転角ごとに変化して形成されていることにより、回転角によって方向歪み検出板８に発生するたわみが異なるようになっている。
【００２２】
この場合、カム部材７は、円周上に厚みが同じ点、すなわち流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に発生する歪みの大きさが同じとなる点が発生することになる。
【００２３】
この解決策として、図３（ａ）に示すように、カム部材７は、中心を通る直線により分割された一方の半周部７ａは磁性体、例えば銅、コバルト、ニッケル及びそれらの化合物で形成され、他の半周部７ｂは非磁性体で形成されている。
【００２４】
さらに、図１に示したように、カム部材７の近傍には方向判定手段が設けられている。
【００２５】
方向判定手段は、カム部材７が回転して磁性体からなる半周部７ａが近接したときに引き寄せられる磁石１１を先端部に有し、磁石１１に引き寄せられたときに弾性的に湾曲する回転位置検出板１０と、この回転位置検出板１０に取り付けられた方向判定用光ファイバ式歪みゲージ１２とで構成されている。なお、回転位置検出板１０は、基端部が固定部１９ｂに固定して取り付けられており、また、光ファイバ式歪みゲージ９，１２同士は光ファイバ２０で直列に接続されている。
【００２６】
すなわち、本実施の形態は、流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に発生する歪みの有無と、方向判定用光ファイバ式歪みゲージ１２の値とにより、予めカム部材７の方向性を決めておくことにより流向検出フィン１の方向を特定し、流向を検出する。
【００２７】
図４はカム部材７の回転角に対する２つの光ファイバ式歪みゲージ９，１２の歪み量の変化を示す図である。図４中、ｒは流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９の歪み量を示し、ｄは方向判定用光ファイバ式歪みゲージ１２の歪み量を示している。
【００２８】
図４に示すように、流向検出用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｒは正弦曲線状に変化し、方向判定用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｄは１８０°の角度範囲内で所定の歪み量ｄになる。
【００２９】
例えば流向検出用光ファイバ式歪みゲージにおいて、歪み量ｒが等しい点として、回転角が０°から９０°の範囲内のある点と、回転角が９０°から１８０°の範囲内のある点とが存在するが、回転角が０°から９０°の範囲内で方向判定用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｄが０になっており、回転角が９０°から２７０°の範囲内で方向判定用光ファイバ式歪みゲージの歪み量ｄが＋になっていることから、カム部材の回転角が０°から９０°の範囲内であるか、９０°から１８０°の範囲内であるかを特定できる。
【００３０】
次に、図１に示した光ファイバセンサを用いた流向計の作用を図１，図２（ａ）、図２（ｂ）を用いて説明する。
【００３１】
図１に示した流向計は、流体に沿う方向に流向検出フィン１が回動すると、この回動に伴いカム部材７も回動して、方向歪み検出板８の先端部と接触するガイド面７ｆの高さが変化する。そして、図２（ａ）に示すように、ガイド面７ｆの高さが最も低い位置に方向歪み検出板８の先端部が接触したときには、方向歪み検出板８は最も大きく湾曲し、流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に最も大きな歪みが発生する。また、図２（ｂ）に示すように、ガイド面７ｆの高さが最も高い位置に方向歪み検出板８の先端部が接触したときには、方向歪み検出板８は最も小さく湾曲し、流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９に最も小さな歪みが発生する。従って、この歪み量を計測することにより、流向を検出できる。
【００３２】
このように、本実施の形態は、全方向を二枚の歪み検出板８，１０と二つの歪みゲージ９，１２とで検出できるので、低コストで流向を検出できる。
【００３３】
次に、流体の流速を測定するための流速検出部について述べる。
【００３４】
図５は本発明に適用される流速検出部の構造図である。
【００３５】
図５に示すように、流速検出部は、ケース１９に回転自在に支持された回転翼軸１４と、この回転翼軸１４の下部に設けられ流体により回転する回転翼１３と、回転翼軸１４の上部の周面に設けられた磁石１５と、この磁石１５が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板１６と、この回転歪み検出板１６に設けられた流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８とで主に構成されている。
【００３６】
回転歪み検出板１６は、回転翼軸１４に設けられた磁石１５に臨んで先端部が設けられており、その先端部に鉄片１７が設けられている。
【００３７】
このように構成することにより、流体により回転翼１３が回転すると、これに伴い回転翼軸１４に取り付けられた磁石１５が回転し、磁石１５が回転歪み検出板１６に近接したとき鉄片１７が引き寄せられ、その回転歪み検出板１６が湾曲する。そして、回転歪み検出板１６に取り付けた流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８に歪みが発生する。
【００３８】
回転翼１３の回転数から流体の流速を検出するには、回転翼１３の構造、形状により流速と回転数との関係が変化するため、事前にその流速−回転数の関係を調べておく。
【００３９】
図６は、図５の流速検出部における単位時間当たりに発生する歪みの数と流速との関係を示す図である。
【００４０】
図６より、回転翼の回転数と流速とが比例しているので、流速検出用光ファイバ式歪みゲージにおける単位時間当たりに発生した歪みの回数を計測することにより、流速を検出することができる。
【００４１】
次に、本発明に係る光ファイバセンサ式流速・流向計について詳述する。
【００４２】
図７は図１の流向計に図５の流速検出部を設けた光ファイバセンサ式流速・流向計の構造図である。
【００４３】
図７に示すように、光ファイバセンサ式流速・流向計は、基本的な構成は、図１の流向計と図５の流速検出部３０と備えた構成である。
【００４４】
すなわち、光ファイバセンサ式流速・流向計は、回転自在に支持された第１の回転軸としての流向検出フィン軸２と、流向検出フィン軸２に取り付けられ、流体の流れに沿って流向検出フィン軸２を所定の角度回動させるための流向検出フィン１と、流向検出フィン軸２に取り付けられ、流向検出フィン軸２の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面７ｆを有する円板状のカム部材７と、このカム部材７のガイド面７ｆに先端部が摺接し基端部が固定系に固定されて取り付けられ、ガイド面７ｆに応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板８と、この方向歪み検出板８に設けられその方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９と、流向検出フィン軸２と同軸上に且つ独立して回転する第２の回転軸としての回転翼軸１４と、この回転翼軸１４に取り付けられ、流体の流れに応じて回転翼軸１４を回転させるための回転翼１３と、回転翼軸１４の外周部に設けられた磁石１５と、この磁石が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板１６と、この回転歪み検出板１６の湾曲に伴い歪みが発生し、単位時間当りに発生した歪みの回数から流速を検出する流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８とを備えている。
【００４５】
図７の実施の形態にあっては、流向検出フィン軸２と回転翼軸１４とは互いに自由に回転する構造で且つ流向検出フィン軸２と回転翼軸１４とが同軸上に配置されるように、流向検出フィン軸２は円筒状に形成されていると共に、回転翼軸１４は円柱状に形成されており、流向検出フィン軸２に回転翼軸１４が挿入されてケース１９に取り付けられている。
【００４６】
このように構成することにより、流体に沿う方向に流向検出フィン１が回動すると、この回動に伴いカム部材７が回動するので、方向歪み検出板８の先端部と接触するガイド面７ｆの高さが変化する。これにより、方向歪み検出板８はガイド面７ｆの高さの変化に応じて湾曲し、さらにこの方向歪み検出板８に設けられた流向検出用光ファイバ式歪みゲージ９は、方向歪み検出板８の湾曲度に応じて歪む。従って、この歪み量を計測することにより、流向を検出できる。
【００４７】
また、流体により回転翼１３が回転すると、これに伴い回転翼軸１４に取り付けられた磁石１５が回転するので、磁石１５が回転歪み検出板１６に近接したとき、鉄片１７が引き寄せられて回転歪み検出板１６が湾曲する。これにより、回転歪み検出板１６に取り付けられた流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８は、歪みを発生する。従って、流速検出用光ファイバ式歪みゲージ１８における所定時間当たりに発生した歪みの回数を計測することにより、流速を検出できる。
【００４８】
次に、本実施の形態の変形例について述べる。
【００４９】
図８は図７に示した回転翼１３を収容する回転翼収容部の斜視図である。
【００５０】
図８に示すように、この回転翼収容部３０は、上述した光ファイバセンサ式流向計のケース１９の一部であり、回転翼１３を収容する有底円筒体状の本体３２と、回転翼１３の回転軌道の接線方向に配置され、流体が回転翼１３の羽根に当たるように案内するための矩形筒体状の流路３１とを有している。
【００５１】
この回転翼収容部３０を用いることにより、回転翼１３を安定に回転させることができる。
【００５２】
以上説明したように、従来は流体の流向を順、逆、中位の３方向しか検出できなかったが、本実施の形態により、円盤状のカム部材７の導入により簡単な構成で全方向の流向検出が可能になる。
【００５３】
また、流向検出フィンと回転翼とを組み合わせ、流向検出用光ファイバ式歪みゲージと、流速検出用光ファイバ式歪みゲージとを連続して（直列に）結線することで、１台の測定機器で流体の流向と流速とが測定可能になる。
【００５４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、歪み検出板や光ファイバ式歪みゲージの数量を増やすことなく、流向を全方向について高精度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバセンサを用いた流向計の構造図である。
【図２】カム部材のガイド面の高さと方向歪み検出板の湾曲度との関係を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）はカム部材の平面図であり、図３（ｂ）はそのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断面図である。
【図４】カム部材の回転角に対する２つの光ファイバ式歪みゲージの歪み量の変化を示す図である。
【図５】本発明に適用される流速検出部の構造図である。
【図６】図５の流速検出部における単位時間当たりに発生する歪みの数と流速との関係を示す図である。
【図７】図１の流向計に図５の流速検出部を設けた光ファイバセンサ式流速・流向計の構造図である。
【図８】図７に示した回転翼を収容する回転翼収容部の斜視図である。
【図９】従来技術に係る光ファイバセンサ式流向計の構造図である。
【符号の説明】
１ 流向検出フィン
２ 流向検出フィン軸
７ カム部材
７ｆ ガイド面
８ 方向歪み検出板
９ 流向検出用光ファイバ式歪みゲージ
Claims (3)
- 回転自在に支持された回転軸と、該回転軸に取り付けられ、流体の流れに沿って上記回転軸を所定の角度回動させるための流向検出フィンと、上記回転軸に取り付けられ、回転軸の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面を有する円板状のカム部材と、該カム部材のガイド面に先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面に応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板と、該方向歪み検出板に設けられその方向歪み検出板の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する光ファイバ式歪みゲージとを備えたことを特徴とする光ファイバセンサを用いた流向計。
- 上記円板状のカム部材は、直径の一端から他端に向かって順次傾斜した傾斜面を有し、かつ上記直径に対して線対称な一方の半周部が磁性体で形成されていると共に他方の半周部が非磁性体で形成されており、先端部に磁石を有し該先端部が上記カム部材の周縁部に臨み基端部が固定されて取り付けられ、上記カム部材の上記磁性体で形成された半周部が近接すると弾性的に湾曲する回転位置検出板と、該回転位置検出板の湾曲に伴い歪みが発生する方向判定用光ファイバ式歪みゲージとを設けた請求項１に記載の光ファイバセンサを用いた流向計。
- 回転自在に支持された第１の回転軸と、該第１の回転軸に取り付けられ、流体の流れに沿って上記第１の回転軸を所定の角度回動させるための流向検出フィンと、上記第１の回転軸に取り付けられ、第１の回転軸の回転角度ごとに変化した正弦曲線を描くガイド面を有する円板状のカム部材と、該カム部材のガイド面に先端部が摺接し基端部が固定されて取り付けられ、ガイド面に応じて弾性的に湾曲する方向歪み検出板と、該方向歪み検出板に設けられその方向歪み検出板の湾曲度に応じて歪みが発生し、この歪みの大きさから流向を検出する流向検出用光ファイバ式歪みゲージと、上記第１の回転軸と同軸上に且つ独立して回転する第２の回転軸と、該第２の回転軸に取り付けられ、流体の流れに応じて上記第２の回転軸を回転させるための回転翼と、上記第２の回転軸の外周部に設けられた磁石と、該磁石が回転して近接すると弾性的に湾曲する回転歪み検出板と、該回転歪み検出板の湾曲に伴い歪みが発生し、単位時間当りに発生した歪みの回数から流速を検出する流速検出用光ファイバ式歪みゲージとを備えたことを特徴とする光ファイバセンサを用いた流速・流向計。
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