JP2010518370A - ガス状流体の流れの速さおよび方向を測定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明の対象は、流体の流れの速さ、その方向およびその向きの測定装置であって、熱センサ式の測定原理に基づき、少なくとも３つの流れ測定プローブ（１、１ａ、．．．、１ｆ）を備え、それぞれのプローブが、感温素子（２）と、感温素子の決まった測定ゾーンをマスキングする障害物（３）とを備える装置において、流れ測定プローブが支柱（７）に固定され、その支柱（７）が、前記流れ測定プローブの感温素子正面の測定プローブの角領域に対するマスキング要素（４）を形成する前記障害物（２）を構成することを特徴とする装置である。

Description

本発明は、空気のようなガス状流体の流れの速さ、方向および向きを測定する装置および方法に関する。

空気流の速さを測定する既存の装置および方法には様々な技術が利用されている。最も一般的なものとしては、ピトー管型の圧力プローブ式風速計、プロペラ式風速計、熱式風速計、そして、最近では超音波プローブがある。

ピトー管の技術は、全圧と、ある流束の静圧との差圧の測定に基づいている。この差圧は動圧（ΔＰ＝α＊１／２＊ρ＊Ｖ²）に比例する。式中、Ｖはガス流の速さである。ピトー管は、測定品質が流束の方向に非常に左右されやすいという面はあるものの、高速に対しては特に適している。

プロペラ式またはタービン式の装置を空気流の中に置いた場合、流れの速さは回転要素の回転速度によって決定される。この種の装置は、中程度の速さの場合で、流れがそれらの回転軸に沿った向きであるときには、良好な測定精度を得ることができる。プロペラの回転運動による機械的損耗や水頭損失の発生がこの種の装置の主な欠点である。

周知のもう１つの手段は熱線式装置で、その測定法は、空気流によって冷やされる糸の温度を維持するための電流を測定し、その電流の値を空気流がないときの所与の温度における公称値と比較するというものである。

熱式風速計は、電流、温度または定温度差を調整することができる感温素子の温度を利用する。この調整に流束の速さが反映される。熱式風速計は、空気の流れのようにきわめて弱い流れの測定が可能で、そのため、空調や通気の分野に非常に適している。

定温度風速計の例は、米国特許第４５０３７０６号で取り上げられている。

熱線式装置は無指向性であることができるが、その場合は、空気流の方向について何も示さず、また、ある測定方向に着目するために流線形にすることもでき、その場合は、狭い角領域に沿って流れを測定することができる。

上述の様々な技術は、ものによっては、流れの方向に関する特徴を完全に決定できることはあっても、往々にして小さな角領域しか調べることができない。

米国特許第４５０３７０６号

本発明は、空気のような流体の流れを測定する装置および方法であって、極力広く、ほぼ球形でさえある分布について、流れの速さ、方向および向きを測定するのに適した装置および方法を提案することを目的とする。

とりわけ、本発明は、空間内における流れの３つのベクトル成分を、極力広く、ほぼ球形でさえある角領域で測定することを可能にするものであり、その測定は極力大きな立体角を、しかも極力広い温度範囲にわたってカバーするものであるものとする。これは、コンパクトかつ軽量で、可動部品のない静的プローブ装置である。そのため、この装置は、閉鎖空間で使用可能であり、航空機に搭載することが可能である。

そこで、本発明は、まず、流体の流れの速さ、その方向およびその向きの測定装置であって、熱センサ式の測定原理に基づく装置において、少なくとも２つの流れ測定プローブを備え、それぞれのプローブが、感温素子と、感温素子の特定の測定ゾーンをマスキングする障害物とを備える装置を提供する。

より具体的には、障害物は、流れ測定プローブの感温素子正面の該プローブの角領域に対するマスキング要素からなる。

本発明の有利な実施形態によれば、測定装置は球形エンベロープを有し、複数の流れ測定プローブが少なくとも測定装置のエンベロープの円形母線１本の上に配置され、補完的な角領域をカバーする。

より具体的には、流れ測定プローブは測定装置の赤道面上に位置する。

とりわけ、本装置は、共通の円形母線上に互いに９０°をなして配置されて４つの方位点を定める４つの流れ測定プローブを備えることができる。

第１の代替形態によれば、本装置は、円形母線上に互いに６０°をなして配置されて、それぞれが少なくとも流れの風上の２つの測定領域と、流れの風下の２つの測定領域とを作り出す、６つの流れ測定プローブを備える。

第２の代替形態によれば、本装置は、装置のエンベロープの赤道上の４つのセンサと、エンベロープの少なくとも１つの回帰線上の４つのセンサとを備える。

具体的な一実施形態によれば、マスキング要素は円形母線によって画定される円の外側に配置される。

有利には、本装置は、さらにエンベロープの極軸上に配置された測定プローブを備える。

具体的な一実施形態によれば、流れ測定プローブは支柱に固定され、支柱は好ましくは前記障害物を構成する。

本発明によれば、支柱は、装置のエンベロープによって画定される球体の等間隔の子午線に沿って配分される円弧によって構成することができる。

この枠組みにおいて、具体的な一実施形態によれば、流れ測定プローブは、球体を画定する極環の形の支柱上に配置され、プローブは球体の赤道上の円環の内側に配置される。

同じく本発明によれば、本装置は、感温素子が、前記流れ測定プローブすべてに共通の障害物を構成する球の上に配置されるようなものとすることができる。

具体的な一実施形態によれば、装置は、測定値を補償するための圧力および温度のセンサを備える。

本発明の枠組みにおいて、センサは、とりわけ、電流、温度または定温度差を調整される熱抵抗感温素子プローブである。

本発明は、さらに、本発明の装置を使用してガス状流体の流れの方向、向きおよび速さの特徴を測定する方法であって、極力広い角領域に沿って流れの速度の３つのベクトル成分を同時に評価するために、計算機によって流れ測定プローブセンサの応答を比較するステップを含む方法に関する。

本方法は、とりわけ、電位測定装置によって得られた測定値のすべてがデジタル化されて計算機に送られ、センサから送信された値を計算機が比較するようなものである。

より具体的には、本方法は、センサの分離に基づいて、流れ速度の測定に用いるセンサを選択するようなものである。

より具体的には、センサはサーミスタであり、本発明の方法は、最も温度の高いサーミスタを探すことによって流れの速度の２つの成分を決定するようなものである。

有利には、流れの特徴の理論的決定には、測定プローブから与えられる応答をもとに、１つまたは複数の計算アルゴリズム（向き、方向および絶対値）を介在させる。

本方法は、入射との関係のデータテーブルを含む計算の一部を用いて、センサから与えられる情報を記録されたデータのテーブルと比較することによって、装置への空気の流れの入射角を決定することができるようなものである。

本発明による測定の装置および方法のその他の特徴および利点は、図面を付した本発明の非限定的な実施形態についての以下の説明を読めば明らかになるはずである。

熱線式風速プローブの一例の正面および側面斜視図である。 本発明の測定プローブの感温素子および障害物の一例の斜視図である。 空気流の中にある本発明のセンサおよび障害物の構成を上から見た２つの断面図である。 本発明の流れ測定プローブの配設の細部を示した概略断面図である。 第１の構成例による測定装置の概略斜視図である。 本発明による装置の実施形態の斜視図である。 本発明による装置の実施形態の斜視図である。 本発明による装置の実施形態の斜視図である。 本発明による装置の実施形態の斜視図である。 本発明による装置の実施形態の斜視図である。 図６の装置で得られた測定曲線である。

図１Ａおよび１Ｂは、ある測定方向に着目するために流線形にした先行技術の熱線式の空気流の速さ測定装置を示したものである。

この装置には、中心軸に対して対称に２つの開口部Ｂが設けられた管Ｃの中に、サーミスタを有する熱線Ａによるセンサが配設されている。

上で説明したとおり、このような装置は、この場合、開口部Ｂの中心軸に概ね対応する狭い角領域に沿ってしか流れを測定することができない。

本発明による流体の流れの速さ、方向および向きの測定装置であって、熱センサ式の測定原理に基づく装置は、感温素子２と、図２に示すように感温素子の一部測定ゾーンをマスキングする障害物３とをそれぞれに組み込んだ少なくとも２つの流れ測定プローブを備える。

本発明の装置による空気流束の向きおよび方向の決定原理は、装置のそれぞれのサーミスタを部分的にマスキングすることに基づく。

したがって、本発明の装置による空気流束の向きおよび方向の決定は、感温素子の組合せにその空間構成を通して指向性を与える原理に存する。

これらの素子の指向性感度は、様々な種類のものであり得る障害物の存在によって可能になる。流束内に置かれた固体障害物は、衝突点でＶ＝０となるよどみ点の役を果たして、その後方に後流を形成するが、その後流中では、流れの特徴、とりわけ速さが変化する。感温素子に遮断塗料を直接塗布することも可能で、ある測定領域をそれによってマスキングすることができる。

したがって、本発明による装置は、広い角領域にわたり、また広い温度範囲にわたって、流れの速度の３つのベクトル成分を測定するのに適している。

装置は、試験飛行のために航空機に使用することが可能で、そのコンパクトさから、フラップから翼に接続する区域など、アクセスが困難な区域における流れの測定を可能にする。

感温素子について見た流れを図３Ａおよび３Ｂに図示する。図３Ａは、感温素子に向かう流れに相当するものであり、図３Ｂは、感温素子が障害物によってマスキングされた状態の流れに相当する。

感温素子の測定範囲は図３Ａで角度Ｍによって規定される領域に相当し、マスキング範囲は図３Ｂで角度Ｎによって規定される領域に相当する。

障害物３は、流れ測定プローブの感温素子正面の該プローブの角領域に対するマスキング要素４を構成する。

したがって、性質を測定しようとする気体流束の方向によって、それぞれの感温素子がその流束から受ける影響は異なる。

感温素子は、それぞれのセンサ応答すべてを組み合わせることによって、大きな角領域と広い温度範囲にわたって空気の速度の３つのベクトル成分を同時に評価することができるように、その向きが定められる。

一方、速度の絶対値は、いくつかの実施形態では無指向性であってよいプローブによって評価される。

流れの特徴の理論的決定には、測定プローブから与えられる応答をもとに、流れの向き、方向および速さに関する１つまたは複数の計算アルゴリズムを介在させることができる。

装置への空気流束の入射角を決定するこのオペレーションは、入射との関係のデータテーブルからも行うことができる。

このテーブルの情報は、装置を風洞内に設置して、三次元の入射のすべてを一定のピッチで掃引することによって行われるそれぞれのセンサの校正段階で与えられる。

次いで、サーミスタから与えられる情報を記録されたデータテーブルと比較することにより、入射角の決定が行われる。

本発明について様々な実施形態を企図することが可能である。したがって、採用する解決法により、幾何学的な基準およびそれに付随する技術は変わり得る。

図５では、流れ測定プローブ１ａ、．．．、１ｆは、５のような円形母線上に配置され、補完的な角領域をカバーする。

第１の実施形態によれば、装置は、円形母線５上に互いに９０°をなして配置されて４つの方位点を定める４つの流れ測定プローブを備えることができ、両極１３には２つの極プローブ８ａおよび８ｂが配置される。図５、６、７および８に図示するように、好ましくは、装置は、同じく円形母線５上に互いに６０°をなして配置されて、それぞれが少なくとも、流れの風上の２つの測定領域と、流れの風下の２つの測定領域とを作り出す、６つの流れ測定プローブ１ａ、．．．、１ｆを備える。このような構成では、不感ゾーンができないように測定ゾーンを重ね合わせることも可能になる。

図４に示すように、流れ測定プローブ１は、流束に対する障害物の役割を果たす支柱７に固定される。これらの支柱は、有利には、その中を給電ケーブル１１が通る管からなる。感温素子は支柱７に設けられた穴に差し込まれ、そのマスキング領域が最適化されるように適合された距離だけその支柱から突き出る。

装置が全体で直径２５ｍｍ程度のものであるとすると、支柱は、例えば直径１ｍｍの管である。

図６の例では、支柱７は、球体の等間隔の子午線１２に沿って配分される円弧によって構成されている。プローブ８ａは独立しており、プローブ８ｂは三面体によって支えられている。

図７の例は、赤道円環支持体を備える装置であり、その支持体に流れ測定プローブのセンサが固定されており、さらにこの装置では、同一の極輪に属する両極１３の近くにセンサ８ａおよび８ｂが配置されている。

図８では、流れ測定プローブ１ａ、．．．、１ｆは、球体を画定する極環の形の支柱上に配置され、プローブは球体の赤道上の円環の内側に配置されている。

図９は、前記流れ測定プローブすべてに共通の障害を構成する球９の上に感温素子２が配置されている代替実施形態である。この例では、球の体積がセンサの測定ゾーンをより一層制限する大型の障害物を構成しているため、より多数のセンサが必要となる。

図１０の例は、一連の４つのセンサ１０ａ〜１０ｄが装置の体積を画定する球形エンベロープの赤道円上に配置され、他の４つのセンサ１１ａ〜１１ｄが前記エンベロープの回帰線１０上に配置されている実施形態である。この実施形態は極プローブを必要としない。

実施形態にかかわらず、測定素子の数は要求される精度および感度によって決まる。

測定プローブは、好ましくは、素子の内部抵抗がその温度によって変化する、抵抗素子と呼ばれる素子である。非限定的なその例として、ＮＴＣ（温度係数が負のサーミスタ）、ＰＴＣ（温度係数が正のサーミスタ）、ＰＴ１００、ＰＴ１０００が挙げられる。

流れの測定を行うため、センサは、様々な種類のものでよい電源装置に接続される。定電流給電の場合は、空気流束の強さに応じて感温素子の温度が大なり小なり下がるのを受けて感温素子の端子間で電位を測定する。

定温度動作の場合は、電流のフィードバックを行うことによってそれぞれの感温素子の抵抗は一定に保たれる。この制御は流れの速さに比例する。

さらには、付属の補償プローブを利用することで、測定素子と雰囲気の温度差が一定になるように装置に給電することができる。

図５に模式的に示した好ましい装置について、図６に図示し、以下にさらに詳しく説明する。

すべての感温素子は定電流で給電される。これらの素子の温度、したがってその内部抵抗は、流束にさらされることによって変化する。測定は、これらの抵抗素子の端子間の電位を読み取ることで行う。動作周囲温度に応じて注入電流を調整することもできる。典型的には、供給される電流は周囲温度とともに増大する。

子午線プローブと称するプローブ１ａ、．．．、１ｆは、図５に示すように、まず、プローブの極軸６のまわりの回転角を評価することを可能にする。子午線プローブは、さらに、図５で６の符号を付した極軸上に配置されたプローブ８ａおよび８ｂに加えて利用すれば、装置の赤道面５に対する伏角または仰角１５を与えることで、流れの方向に関する情報を補完することもできる。

支柱の自由端には、その自由端が流れ測定プローブ付近で発生させる流れの乱れを制限するための被覆を施す。

決定方法は、この場合はＮＴＣであるそれぞれの感温素子による応答の比較の原理に基づく。

空気流束が装置に当たると、流束に対面する位置にあるＮＴＣは、支柱のような障害物の背後に位置するＮＴＣよりも余計に冷やされる。プローブから与えられる値を測定することにより、ＮＴＣが障害物によってどれだけ隠されているかによって、プローブに到達する空気流束の方向を全単射的に逆にたどることができる。

流れ測定を行うために、ＮＴＣは、ＮＴＣによる定電流発生装置を備える測定装置と、各ＮＴＣの端子間電位の測定装置とに接続される。

装置によって得られた測定値はすべてデジタル化されて計算機に送られ、計算機がそのデータを解析する。

装置への空気の流れの入射角を決定するこのオペレーションは、入射との関係のデータテーブルを含む計算の一部によっても行うことができる。

このテーブルの情報は、装置を風洞内に設置して、三次元の入射のすべてを一定のピッチで掃引することによって行われるそれぞれのセンサの校正段階で与えられる。

次いで、サーミスタから与えられる情報を記録されたデータテーブルと比較することにより、入射角の決定が行われる。

子午線プローブ６つを備える図６の装置の子午線ＮＴＣ１ａ、．．．、１ｆの応答曲線の例を図１１に流れ方向との関係で示す。このグラフは、６つの子午線ＮＴＣの丸１回転分の温度応答を、所与の仰角および速さ（ここでは、それぞれ３０°および１０ｍ・ｓ^-1）について示したものである。この曲線は流束の回転角１４の決定に利用される。

それには、６つの子午線ＮＴＣの温度の読みの中から、ある固定された角度位置において最も高温のＮＴＣを探す。計算に用いるセンサを分離した後、アルゴリズムを用いて回転角を決定する。

仰角１５は、基本的に極プローブ８ａおよび８ｂの応答に対してアルゴリズムを適用することによって評価される。子午線プローブによってもたらされるデータはこれらの情報を補完することができる。

速度の絶対値は、いくつかの実施形態では無指向性であってよいプローブによって決定される。

予想される精度は、速度の絶対値については±１０％程度であり、回転角については±１５°程度、仰角については±３０°程度である。回転については３６０°カバーされるが、仰角の範囲は０°から１２０°、すなわち、立体角で３πである。

装置は、絶対圧力センサおよび温度センサを補完的に備えることができる。実際、密度や対流伝達率などのようなガス状流体の性質はこれらの物理量に依存し、結果に影響を及ぼす。そのため、測定値を補償するには周囲条件の変化を考慮に入れる必要がある。

本発明は、図示された例だけに限定されるものではない。同様に、センサが異なる方式で組み合わされ、とりわけ、４つの第１のセンサが第１の回帰線上に配置され、４つの第２のセンサが第２の回帰線上に配置される構成が、本発明の枠組みに含まれる。

１，１ａ，・・１ｆ 測定プローブ； ２ 感温素子； ３ 障害物； ４
マスキング要素； ５ 円形母線； ６ 極軸； ７ 支柱；
８ａ，８ｂ プローブ； ９ 球； １０ａ・・１０ｄ，１１ａ・・１１ｄ センサ； １２ 子午線； １３ 極。

Claims (18)

1. 流体の流れの速さ、その方向およびその向きの測定用の、熱センサ式の測定原理に基づく測定装置であって、少なくとも３つの流れ測定プローブ（１、１ａ、．．．、１ｆ）を備え、
   前記プローブそれぞれが感温素子（２）と、前記感温素子の決まった測定ゾーンをマスキングする障害物（３）とを備え、且つ、前記流れ測定プローブが支柱（７）に固定され、
   前記支柱（７）が、前記流れ測定プローブの前記感温素子正面の前記測定プローブの角領域に対するマスキング要素（４）を形成する前記障害物を構成する
   ことを特徴とする測定装置。
2. 前記測定装置が球形エンベロープを有し、前記流れ測定プローブ（１ａ、．．．、１ｆ）が少なくとも前記測定装置の前記エンベロープの円形母線（５）１本の上に配置され、補完的な角領域をカバーする、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記流れ測定プローブが特に前記測定装置の赤道面上に位置する、請求項２に記載の測定装置。
4. 共通の円形母線（５）上に互いに９０°をなして配置されて４つの方位点を定める４つの流れ測定プローブを備えることを特徴とする、請求項２または３に記載の測定装置。
5. 前記円形母線（５）上に互いに６０°をなして配置されて、それぞれが少なくとも、流れの風上の２つの測定領域と、流れの風下の２つの測定領域とを作り出す、６つの流れ測定プローブを備えることを特徴とする、請求項２または３に記載の測定装置。
6. 前記測定装置の前記エンベロープの赤道上の４つのセンサと、前記エンベロープの少なくとも１つの回帰線上の４つのセンサとを備えることを特徴とする、請求項２または３に記載の測定装置。
7. 前記マスキング要素（４）が前記円形母線によって画定される円の外側に配置される、請求項２から６のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 前記エンベロープの極軸上に配置された測定プローブ（８ａ、８ｂ）をさらに備えることを特徴とする、請求項２から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記支柱（７）が、前記装置の前記エンベロープによって画定される球体の等間隔の子午線に沿って配分される円弧によって構成される、前記請求項のいずれか一項に記載の測定装置。
10. 前記流れ測定プローブ（１ａ、．．．、１ｆ）が、球体を画定する極環の形の支柱上に配置され、前記プローブは前記球体の赤道上の円環の内側に配置される、前記請求項のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 前記流れ測定プローブによる流体の流れの速さ、方向および向きの測定値を補償するために、圧力および温度のセンサを備えることを特徴とする、下記請求項のいずれか一項に記載の測定装置。
12. 前記センサが、電流、温度または定温度差を調整される熱抵抗感温素子プローブである、前記請求項のいずれか一項に記載の測定装置。
13. 前記請求項のいずれか一項に記載の装置を使用してガス状流体の流れの方向、向きおよび速さの特徴を測定する方法において、広い角領域に沿って流れ速度の３つのベクトル成分を同時に評価するために、計算機によって前記流れ測定プローブセンサの応答を比較するステップを含むことを特徴とする方法。
14. 電位測定装置によって得られる測定値のすべてがデジタル化されて計算機に送られ、前記計算機が前記センサから送信された値を比較する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記センサの分離に基づいて、流れ速度の測定に用いるセンサを選択する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記センサがサーミスタであり、最も温度の高いサーミスタを探すことによって流れ速度の２つの成分を決定する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記測定プローブから与えられる応答をもとに、１つまたは複数の計算アルゴリズム（向き、方向および絶対値）によって前記流れの特徴を決定する、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 入射との関係のデータテーブルを含む計算の一部を用いて、前記センサから与えられる情報を記録されたデータの前記テーブルと比較することによって前記装置への空気の流れの入射角を決定する、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。

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