JP2011013020A - 流向流速計 - Google Patents

Abstract

【課題】流向依存性の少ない流速計測を行う。
【解決手段】流向流速計は、被計測流体を加熱する加熱部１１と、加熱部１１の周囲に配置され、被計測流体の温度を計測する少なくとも３つ以上の温度計測部１２ａ〜１２ｈと、温度計測部１２ａ〜１２ｈにより計測された被計測流体の温度の変化から被計測流体の流向及び流速を演算する演算部とを備える。３つ以上の温度計測部１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈは正多角形の頂点を成し、当該正多角形の中心点と加熱部１１の中心点Ｃｔは同じ位置に配置され、温度計測部の数は（１）式を満たす自然数ｎである。
【数１】

【選択図】図１

Description

本発明は、被計測流体を加熱する加熱部と、加熱部の周囲に配置された少なくとも３つ以上の温度計測部とを備え、温度計測部により計測された被計測流体の温度の変化から被計測流体の流向及び流速を計測する流向流速計に関する。

この種の流向流速計として、被計測流体（地下水）の中に配置されたヒータ（加熱部）と、その周囲に配置された４つの温度センサ（温度計測部）とを備えたものが従来から知られている（特許文献１参照）。特許文献１では、ヒータにパルス状に一定時間通電してから、４つの温度センサの各々が最も高い温度に達するまでの時間をそれぞれ求め、これらの時間から地下水の流速及び流向を演算している。

また、半導体装置の製造に用いられる微細加工技術を利用して、ＳＯＩ基板の一部に空洞部を設け、当該空洞部を介してＳＯＩ基板から熱分離した薄膜に、ヒータ及びそのヒータを取り囲むように配列した複数の温度センサアレイを配置したフローセンサが従来から知られている（特許文献２参照）

特開昭５９−１６０７８８号公報（特に、第２図、第３図及び第２頁右上欄〜同頁左下欄参照） 特開２００６−１６２４２３号公報（特に、図１参照）

ところで、加熱部により加熱された被計測流体の高温部は流向の下流側に裾を引くため、被計測流体の流向がある温度計測部の中点に向いた場合、高温部の裾の中心が温度計測部の中点に向かうため、その温度計測部は多くの熱を受けて出力が大きくなる。その結果、流向流速計は早い流速を計測する。これに対して、被計測流体の流向が隣接する２つの温度計測部の間に向いた場合、高温部の裾は、隣接する２つの温度計測部に跨って交わるため、各々の温度計測部は少ない熱を受けて出力が小さくなる。その結果、流向流速計は遅い流速を計測する。このように、温度計測部と流向との位置関係に依って、計測される流速に差が生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、流向依存性の少ない流速計測を行う流向流速計を提供することである。

本発明の第１の特徴は、被計測流体を加熱する加熱部と、当該加熱部の周囲に配置され、被計測流体の温度を計測する少なくとも３つ以上の温度計測部と、温度計測部により計測された被計測流体の温度の変化から被計測流体の流向及び流速を演算する演算部とを備える流向流速計であって、３つ以上の温度計測部の中点は正多角形の頂点を成し、当該正多角形の中心点と加熱部の中心点は同じ位置に配置され、温度計測部の数は（１）式を満たす自然数ｎである。

本発明の第１の特徴によれば、流速測定のバラツキを±α％以内に抑えることができるので、流向依存性の少ない流速計測を行うことができる。なお、（１）式は、本発明を実施するための形態の欄において記載する。

本発明の第１の特徴において、温度計測部の数ｎは、（１）式を満たす最も小さい自然数ｎであることが望ましい。これにより、流向流速計の信号とノイズとの比（Ｓ／Ｎ比）の悪化を抑制して正確な流速測定を行うことができる。

本発明の第２の特徴は、被計測流体を加熱する加熱部と、当該加熱部の周囲に配置され、被計測流体の温度を計測する少なくとも３つ以上の温度計測部と、温度計測部により計測された被計測流体の温度の変化から、方向及び長さがそれぞれ被計測流体の流向及び流速に対応する合成ベクトルを演算し、当該合成ベクトルの方向及び長さから被計測流体の流向及び流速を演算する演算部とを備える流向流速計であって、演算部が、各流速について演算した合成ベクトルの長さと実際の流速との関係を示す検量線データを予め用意し、当該検量線データに基づいて、合成ベクトルの長さから被計測流体の流速を演算することである。

本発明の第２の特徴によれば、各流速について演算した合成ベクトルと実際の流速との関係を示す検量線データを予め用意し、当該検量線データに基づいて合成ベクトルから被計測流体の流速を演算することにより、流速測定のバラツキを小さく抑えることができる。

以上説明したように、本発明によれば、流向依存性の少ない流速計測を行う流向流速計を提供することができる。

本発明の実施の形態に係わる流向流速計のうち検知部の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係わる流向流速計の構成のうち演算部が有する機能及び処理動作の一例を説明する為のベクトル図である。 流速を一定にして流向を０°〜３６０°まで変化させた場合の流向流速計が算出した合成ベクトルＲＶの軌跡の一例を示すグラフである。 図１の流向流速計においてヒータ１１により加熱された被計測流体の高温部の裾引きＨＡの様子を示し、図４（ａ）は、被計測流体の流向ＦＤが温度センサ１２ｄの中点Ｃｄに向いた場合を示し、図４（ｂ）は、被計測流体の流向ＦＤが隣接する２つの温度センサ１２ｄ、１２ｅの間に向いた場合を示す。 温度センサの数が４である場合の合成ベクトルＲＶの軌跡Ｂ４とその外接円及び内接円を示す図である。 図６（ａ）は検量線データを作成するための装置の一例を示すブロック図であり、図６（ｂ）は作成された検量線データの一例を示すグラフである。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係わる流向流速計の構成を説明する。本発明の実施の形態に係わる流向流速計は、液体や気体などの被計測流体を加熱する加熱部としてのヒータ１１と、ヒータ１１の周囲に配置され、被計測流体の温度を計測する３以上の温度計測部としての温度センサ１２ａ〜１２ｈと、温度センサ１２ａ〜１２ｈにより計測された被計測流体の温度の変化から、当該被計測流体の流向及び流速を演算する演算部とを備える。

なお、図１には、温度センサ１２ａ〜１２ｈの数（ｎ）が８である場合について述べるが、流向流速計が備える温度センサの数（ｎ）は８に限定されるわけではない。流向流速計が備える温度センサの数（ｎ）の詳細については図５を参照して後述する。

ヒータ１１及び温度センサ１２ａ〜１２ｈを含む検知部は、被計測流体の中に配置されている。ヒータ１１及び温度センサ１２ａ〜１２ｈは図１に示す一平面上に配置され、流向流速計は当該平面内における被計測流体の流向及び流速を計測する。温度センサ１２ａ〜１２ｈは、ヒータ１１から離間してヒータ１１の周りを取り囲むように配置されている。また、温度センサ１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈは正八角形の頂点を成し、当該正八角形の中心点とヒータ１１の中心点Ｃｔは同じ位置に配置されている。

温度センサ１２ａ〜１２ｈは、その中点Ｃａ〜Ｃｈからヒータ１１の中心点Ｃｔに向かって左右方向に拡がる所定の幅を有している。温度センサ１２ａ〜１２ｈは、ヒータ１１の中心点Ｃｔを中心とする円に沿って、湾曲した平面形状を有している。よって、温度センサ１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈとヒータ１１の中心点Ｃｔの間の距離は、温度センサ１２ａ〜１２ｈの端とヒータ１１の中心点Ｃｔの間の距離と等しい。ここで、温度センサ１２ａ〜１２ｈの端とは、上記した左右方向の端を示している。また、温度センサ１２ａ〜１２ｈの曲率半径は、温度センサ１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈとヒータ１１の中心点Ｃｔの間の距離と等しい。

なお、本発明の実施の形態において、温度センサ１２ａ〜１２ｈとしてはサーモパイルを用い、サーモパイルを構成する個々の熱電対の感度はその中点と端で等しい。

図２を参照して、本発明の実施の形態に係わる流向流速計の構成のうち演算部が有する機能及び処理動作の一例を説明する。図２の実線及び点線で示した矢印ＴＰ１〜ＴＰ８は、温度センサ１２ａ〜１２ｈの出力電圧から求められるベクトルを示す。ベクトルＴＰ１〜ＴＰ８の向きは、ヒータ１１の中心点Ｃｔから温度センサ１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈへの方向に相当する。ベクトルＴＰ１〜ＴＰ８の角度は、図１のヒータ１１の中心点Ｃｔから温度センサ１２ａと温度センサ１２ｈの隙間に向かう方向を０°とした場合における時計回り方向の回転角度に相当する。そして、ベクトルＴＰ１〜ＴＰ８の長さは、温度センサ１２ａ〜１２ｈから出力される電圧に応じて変化する量であって、温度センサ１２ａ〜１２ｈが配置された方向ごとの流速成分に相当する。

したがって、演算部は、先ず、温度センサ１２ａ〜１２ｈの各出力電圧に基づいて、温度センサ１２ａ〜１２ｈごとのベクトルＴＰ１〜ＴＰ８を演算し、その後、温度センサ１２ａ〜１２ｈごとのベクトルＴＰ１〜ＴＰ８を合算して合成ベクトルＲＶを求める。合成ベクトルＲＶの向きは流向流速計により計測される流向（流れの方向）に相当し、合成ベクトルＲＶの長さは流向流速計により計測される流速に相当する。

具体的には、先ず、ヒータ１１に１ｍＡの直流電流を流し、各温度センサ１２ａ〜１２ｈの出力電圧を測定する。各温度センサ１２ａ〜１２ｈのヒータ１１の中心点Ｃｔに対する角度と各温度センサ１２ａ〜１２ｈの出力電圧とを用いて、図２に示すような極座標上においてベクトルＴＰ１〜ＴＰ８を形成する。そして、この８つのベクトルＴＰ１〜ＴＰ８の和を合成ベクトルＲＶとして求める。

このようにして、図１に示した流向流速計は、ヒータ１１と温度センサ１２ａ〜１２ｈとを用いて、温度センサ１２ａ〜１２ｈにより計測された被計測流体の温度の変化から被計測流体の流向及び流速を計測することができる。

図４を参照して、図１の流向流速計においてヒータ１１により加熱された被計測流体の高温部の裾引きＨＡの様子を説明する。図４（ａ）は、被計測流体の流向ＦＤが温度センサ１２ｄの中点Ｃｄに向いた場合を示す。この場合、裾引きＨＡの中心は温度センサ１２ｄの中点Ｃｄに向かうため、温度センサ１２ｄは多くの熱を受けて出力が大きくなる。その結果、図２のベクトルＴＰ４の長さが長くなり、流向流速計は早い流速を計測してしまう。

これに対して、図４（ｂ）は、被計測流体の流向ＦＤが隣接する２つの温度センサ１２ｄ、１２ｅの間に向いた場合を示す。この場合、高温部の裾引きＨＡは、温度センサ１２ｄ、１２ｅの端に跨って交わるため、各々の温度センサ１２ｄ、１２ｅは少ない熱を受けて出力が小さくなる。その結果、図２のベクトルＴＰ４及びベクトルＴＰ５の長さが短くなり、流向流速計は遅い流速を計測する。

図３を参照して、流速を一定にして流向を０°〜３６０°まで変化させた場合の流向流速計が算出した合成ベクトルＲＶの軌跡について説明する。図３には、毎秒５ｍの流速についての合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ５と、毎秒３０ｍの流速についての合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ３０とを示す。

流速が遅い場合の一例として、毎秒５ｍの流速についての合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ_５は、ほぼ円形に近い。これより、毎秒５ｍの流速において、流向流速計は、流向依存性の少ない流速計測を行うことができると言える。

これに対して、流速が速い場合の一例として、毎秒３０ｍの流速についての合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ_３０は、八角形に近い形状を有する。また、軌跡Ｔ_３０の八角形の頂点の方向は、図１の８つの温度センサ１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈの方向と同じである。なお、図３の点線は、図１の８つの温度センサ１２ａ〜１２ｈの中点Ｃａ〜Ｃｈを結ぶ正八角形を示している。

ここで、合成ベクトルＲＶａは、図４（ａ）に示した被計測流体の流向ＦＤが温度センサ１２ｄの中点Ｃｄに向いた場合を示し、合成ベクトルＲＶｂは、図４（ｂ）に示した被計測流体の流向ＦＤが隣接する２つの温度センサ１２ｄ、１２ｅの間に向いた場合を示している。合成ベクトルＲＶｂは、合成ベクトルＲＶａよりも短い。実際の流速が同じであっても、流向が図４（ａ）に示す方向と図４（ｂ）に示す方向とで異なれば、流向流速計が計測する流速は、図４（ａ）に示す場合よりも図４（ｂ）に示す場合の方が遅くなってしまう。このように、図１に示す流向流速計の構成においては、温度センサ１２ａ〜１２ｈと流向ＦＤとの位置関係に依って、温度センサ１２ａ〜１２ｈが受ける熱量が変化するため、計測される流速に差が生じてしまう。

なお、ここでは示さないが、温度センサの数が３つの場合及び４つの場合に、合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ３０が三角形或いは四角形になることは、上記と同様な実験により確認されている。

流向流速計が総ての流向について流速を正確に計測するためには、図３に示す合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ３０が円形に近づける必要がある。

そこで、本発明の実施の形態においては、温度センサ１２ａ〜１２ｈの数を（１）式を満たす自然数ｎにする。これにより、流速測定のバラツキを±α％以内に抑えることができるので、流向依存性の少ない流速計測を行うことができる。なお、αは個々の製品におけるバラツキの許容値である。

以下に、図５を参照して、温度センサ１２ａ〜１２ｈの数（ｎ）と流速測定のバラツキ（±α％）との関係式（１）式について説明する。

合成ベクトルＲＶの長さの最大値Ａと最小値Ｂの比率は、温度センサの数がｎ個の場合、正ｎ角形の外接円の半径と内接円の半径の比率に相当する。例えば、温度センサの数が４個である、つまりｎ＝４である場合、図３の合成ベクトルＲＶの軌跡Ｔ_３０ は、図５に示すように正方形Ｂ４に近い形状となる。よって、合成ベクトルＲＶの長さの最大値Ａは正方形Ｂ４の外接円の半径ｒ_ａに等しく、合成ベクトルＲＶの長さの最小値Ｂは、正方形Ｂ４の内接円の半径ｒ_ｂに等しくなる。そして、合成ベクトルＲＶの長さの最小値Ｂは、合成ベクトルＲＶの長さの最大値Ａと温度センサの数（ｎ）との間で、（２）式に示す等式が成り立つ。

Ｂ＝Ａｃｏｓ(π／ｎ) ・・・（２）

合成ベクトルＲＶの最大値Ａと最小値Ｂの中間の長さを（３）式で定義し、これを「基準長さ」とし、この「基準長さ」に対する最大値Ａのバラツキを（４）式で定義する。

（Ａ＋Ｂ）／２＝基準長さ ・・・（３）

バラツキ＝（Ａ−基準長さ）／基準長さ ・・・（４）

（４）式の“基準長さ”に（３）式の左辺を代入し、更に“Ｂ”に（２）の式の右辺を代入する。これにより、（１）式の左辺が「基準長さ」に対する最大値Ａのバラツキに相当することが分かる。よって、流速測定のバラツキの許容範囲が±α％以内である場合、流向流速計が備える温度センサの数を（１）式を満たす自然数ｎとすればよい。（１）式の左辺は、ｎの増加にしたがって零に向かって収束していく。よって、温度センサの数を増やすことにより、“バラツキ”を小さくすることができるので、流向依存性の少ない流速計測を行うことができる。

なお、（１）式によれば、自然数ｎが大きい程、流向に対する依存性が小さくなる。しかし、流向流速計自体の寸法を変えないことを前提とすると、自然数ｎを大きくするほど各温度センサの寸法が小さくなり、各温度センサの出力も小さくなる。これにより、信号とノイズとの比（Ｓ／Ｎ比）が悪化して、正確な流速計測が困難となる。そこで、αを流向流速計におけるバラツキの許容値とした場合、温度センサの数ｎをどれだけ少なくして良いかを、（１）式に基づいて決定すればよい。

すなわち、温度センサの数ｎは、（１）式を満たす最も小さい自然数ｎであることが望ましい。これにより、流向流速計のＳ／Ｎ比の悪化を抑制しつつ、流向依存性の少ない正確な流速計測を行うことができる。

上記のように、本発明は、１つの実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、演算部は、各流速について演算した合成ベクトルＲＶの長さＶ_Ｒと実際の流速Ｕとの関係を示す検量線データを予め用意し、当該検量線データに基づいて合成ベクトルＲＶの長さＶ_Ｒから被計測流体の流速を演算してもよい。

検量線データは、例えば図６（ａ）に示す装置を用いた実験を予め行うことで作成すればよい。一定の温度に管理された温度管理室２１内において、減圧弁２３、熱交換器３２、整流装置２４、基準流量計３０及びバルブ３１がガス流路２５を介して直列に接続されている。ガス供給源２２から供給されるガスは、ガス流路２５を介して温度管理室２１内の上記構成を流れ、排気される。整流装置２４と基準流量計３０の間のガス流路２５内には、流向流速計の検知部２６、圧力センサ２７、及び温度センサ２８が配置されている。そして、検知部２６には、演算部の一例としてのマルチメータ２９が接続されている。

圧力センサ２７、温度センサ２８、及び基準流量計３０をモニターしながら、減圧弁２３の開度、温度管理室２１内の温度、バルブ３１の開度を調整して、検知部２６付近のガス（気体）の圧力、温度、流速を一定に制御する。なお、流速Ｕは、基準流量計３０が計測する流量をガス流路２５の断面積で除算して求める。また、実験は、減圧弁２３の開度、温度管理室２１内の温度、バルブ３１の開度を操作した後に充分放置してガスの圧力、温度、流速を安定させてから行う。以下に、実験の手順の一例を説明する。

先ず、ガスの温度、圧力を一定に保った状態で、流速Ｕを少しずつ変化させる。そして、各流速における検知部２６内の各温度センサ１２ａ〜１２ｈの出力Ｖ_ＴＰｉを測定して、各流速Ｕについて、（Ｕ、Ｖ_ＴＰ１、・・・、Ｖ_ＴＰ８、）というデータセットを作成する。そして、合成ベクトルの長さＶ_Ｒを（５）式に従って演算する。ここで、θ_ＴＰｉは、各温度センサ１２ａ〜１２ｈのヒータ１１の中心点Ｃｔに対する角度、すなわち、図２のベクトルＴＰ１〜ＴＰ８の角度を示す。

合成ベクトルの長さＶ_Ｒのｘ成分は、各温度センサ１２ａ〜１２ｈの出力Ｖ_ＴＰｉのｘ成分の総和であり、ｙ成分についても同様である。したがって、（５）式に示すように、ｘ成分の総和及びｙ成分の総和をそれぞれ二乗して和を取り、その平方根が合成ベクトルの長さＶ_Ｒに相当する。

このようにして、予め、基準流量計３０により求められる実際の流速Ｕと、各温度センサ１２ａ〜１２ｈの出力Ｖ_ＴＰｉから求められる合成ベクトルの長さＶ_Ｒとの関係（Ｕ、Ｖ_Ｒ）を、複数の流速Ｕについて実験により求め、例えば、図６（ｂ）のグラフに示すような検量線をデータとして作成する。

検量線データは、図６（ｂ）に示す検量線自体のデータであってもよいし、図６（ｂ）に示す検量線の近似式のデータであっても構わない。予め作成された検量線データは、演算部としてのマルチメータ内の記憶装置に記憶させておく。

そして、マルチメータは、当該検量線データに基づいて合成ベクトルＲＶの長さＶ_Ｒから被計測流体の流速を演算する。これにより、流速測定のバラツキを小さく抑えることができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１２ａ〜１２ｈ 温度センサ（温度計測部）
１１ ヒータ（加熱部）
２１ 温度管理室
２２ ガス供給源
２３ 減圧弁
２４ 整流装置
２５ ガス流路
２６ 検知部
２７ 圧力センサ
２８ 温度センサ
２９ マルチメータ（演算部）
３０ 基準流量計
３１ バルブ
Ｃａ〜Ｃｈ 中点
Ｃｔ 中心点
ＦＤ 風向
ＨＡ 高温部
ＴＰ１〜ＴＰ８ ベクトル
ＲＶ、ＲＶａ、ＲＶｂ 合成ベクトル
Ｔ_５、Ｔ_３０、Ｂ４ 軌跡

Claims (3)

1. 被計測流体を加熱する加熱部と、
   当該加熱部の周囲に配置され、前記被計測流体の温度を計測する少なくとも３つ以上の温度計測部と、
   前記温度計測部により計測された前記被計測流体の温度の変化から、当該被計測流体の流向及び流速を演算する演算部と、を備え、
   前記３つ以上の温度計測部の中点は正多角形の頂点を成し、当該正多角形の中心点と前記加熱部の中心点は同じ位置に配置され、
   前記温度計測部の数は、（１）式を満たす自然数ｎであることを特徴とする流向流速計。
   

   
2. 前記温度計測部の数は、（１）式を満たす最も小さい自然数ｎであることを特徴とする請求項１に記載の流向流速計。
3. 被計測流体を加熱する加熱部と、
   当該加熱部の周囲に配置され、前記被計測流体の温度を計測する少なくとも３つ以上の温度計測部と、
   前記温度計測部により計測された前記被計測流体の温度の変化から、方向及び長さがそれぞれ前記被計測流体の流向及び流速に対応する合成ベクトルを演算し、当該合成ベクトルの方向及び長さから前記被計測流体の流向及び流速を演算する演算部と、を備え、
   前記演算部は、各流速について演算した合成ベクトルの長さと実際の流速との関係を示す検量線データを予め用意し、当該検量線データに基づいて、当該合成ベクトルの長さから被計測流体の流速を演算することを特徴とする流向流速計。

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