JP2011515689A - 流体の瞬時流量実時間測定システム - Google Patents

Abstract

本発明は、導管内で定常流又は非定常流の流体の瞬時流量を実時間測定するシステムであって、少なくとも２つの壁圧力タップ（Ａ，Ｂ）を設けた流体の流路部材（１）と、２つの圧力タップ（Ａ，Ｂ）と結合された圧力差を測定する手段（２）と、瞬時流量を圧力差に関連させる非線形常微分方程式を解くことによって流量を実時間で演算するようにプログラムされた演算手段（３）とを備え、式の圧力差が、導管内の流体の流速の変動及び／又は流体の流れの方向に関して正又は負であるシステムであり、流路部材（１）が圧力降下を増大させるために２つの圧力タップ（Ａ，Ｂ）間に配置されたフィルタ（４）を備えることを特徴とする実時間測定システムに関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の瞬時流量実時間測定システムに係り、特に非定常流の流体の瞬時流量測定の分野に使用する実時間非定常流量計に関する。

本発明の流体の瞬時流量実時間測定システムは、特にプロセス工学及び自動車産業の領域に用途があるが、これに限定されない。

特に、本発明の流体の瞬時流量実時間測定システムは、熱機関、テストセンター及び研究所の制御及び調整での用途、及び従来技術の流量計に関して現在の全てに用途があるので有利である。

さらに、流れが非定常であり、したがって流量を知るには、時間及び空間で速度を積分する必要がある全ての状況に用途があるので有利である。

流量の測定は、工業プロセスを実施し、最適化するのに不可欠な要素である。

現在では、非定常流の流体流量を所与の時間に求めるには、通常、この流体の速度を求めることができるようにする測定技術を使用することが必要である。様々な時間で一組の速度が求められると、時間の関数として流量の傾向を判定するために、この速度の組を空間的に積分する。

非定常流の流体速度を求めることによって、この流体の流量を得るために使用することができる特定数のシステム及び方法が既に提案されている。

一例として、いわゆる粒子画像流速測定法（ＰＩＶ）、又はいわゆるレーザドップラー流速測定法（ＬＤＶ）、及びそれに関連するシステムを引用することができる。これらの方法は、流れる流体に含まれる小さい粒子の移動を測定することに基づき、この移動は、画像処理技術を使用して、又はドップラー周波数処理によって測定される。

しかし、これらの方法及びシステムには一定数の欠点がある。特に、ＰＩＶ及びＬＤＶ法では流体の流量を実時間で求めることができない。何故なら、これらの技術では、流体の速度を得るために、入手した画像の後処理が必要だからである。また、上記技術の適用は煩雑でコスト高になる。これらの方法は、時間分解能も低く、したがって帯域幅が狭い（通常はＰＩＶ法では１０Ｈｚ未満）。

非定常流を有する流体の流量をその速度から得る別の方法は、ピトー管（又はプラントルプローブ）を使用する。

ピトー管とは、圧力差を測定することによって流れる流体の速度を求めるために導管に浸漬するように意図された計器である。しかし、ピトー管を設定するために、流れの方向を知らなければならず、これは一定でなければならない。また、流れの方向が変動すると、全圧の測定が不可能であり、速度測定時の誤差につながる。最後に、このタイプのシステムは侵入性であり、したがって流れを摂動させる。

非定常流の流体の流量は、また、流れる流体中に配置された熱線式又はホットフィルムシステムを使用することにより、その速度からも得ることができる。しかし、上記方法は点測定であり、流体の流れの方向に対しては鈍感である。また、その実施は複雑でコスト高になる。何故なら、特に、熱線式又はホットフィルムが非常に脆弱で、急速に劣化し、定期的な保守を必要とするからである。最後に、これは流れ内に熱線又はホットフィルムを浸漬して測定する方法であるため、流れを変形する（乱す）という問題がある。

以上で提示した方法の欠点を克服するために、流れる流体の瞬時流量を実時間で測定できるようにし、流体の流れの方向を考慮に入れる特定の測定システムが開発されている。このシステム及び関連する測定方法は、参照により本明細書に組み込むものとする引用文献１（ＷＯ２００５／０８０９２４）により２００５年９月１日公開の引用文献２（ＰＣＴ／ＦＲ２００５／０００３５２）により詳細に記載されている。上記システムは、数十ヘルツという高い周波数で変動する流れを有する流体の瞬時流量の測定を特に良好に実行する。しかし、これは特に提案されたシステムによって占有される空間に関する幾つかの短所を有する。

ＷＯ２００５／０８０９２４ ＰＣＴ／ＦＲ２００５／０００３５２

したがって、本発明の目的は、非定常流の流体流量を実時間測定し、上述した欠点の大部分を解決するために使用できるシステムを提供することである。

このため、導管内における定常流又は非定常流の流体の瞬時流量を実時間測定するシステムであって、少なくとも２つの壁圧力タップを設けた流体流路部材と、２つの圧力タップと結合された圧力差を測定する手段と、瞬時流量を圧力差に関連させる非線形常微分方程式を解くことによって流量を実時間で演算するようにプログラムされた演算手段とを備え、上記式の圧力差が、導管内の流体流の速度の変動及び／又は流体の流れの方向に関して正又は負であるシステムであって、流路部材が圧力損失を増大させるために２つの圧力タップ間に配置されたフィルタを備えることを特徴とするシステムを提案する。

この測定システムの好ましい態様は以下の通りであるが、これに限定されない。
−流路部材は、直径が一定の円形断面の円筒形幾何形状を有する。
−流路部材は、ベンチュリタイプの円錐台形幾何形状を有する。
−流路部材は、流れを調整するために、それぞれ流体の流れに対して流路部材の上流側及び下流側に配置された２つの追加フィルタを備える。
−フィルタは、流路部材の軸に対して実質的に垂直に配置される。
−フィルタは、格子である。
−フィルタは、ハニカム構造を有する。
−フィルタは、多孔質材料で形成される。
−流路部材は、演算手段と結合された１つ又は複数の温度測定プローブをさらに備える。
−流路部材は、演算手段と結合された静圧測定プローブをさらに備える。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面を参照して以下の説明を読めばさらに明らかになる。説明は、単に例示としてのものであって、本発明を制限するものではない。
本発明により流体の瞬時流量を測定するシステムの略図である。 本発明によるシステムで測定した流量と熱線式システムを使用して測定した流量とを比較できるようにするグラフである。

図１は、圧力差を使用して導管内の流体の流量を実時間で測定することができる提案されたシステムを概略的に示す。このシステムは、流量計であり、基本的に導管に挿入するように意図された流路部材１と、圧力差を測定する手段２と、流路部材内で測定された圧力差から流量を実時間で演算するように構成された演算手段３とを備える。

流路部材１は、測定することが望ましい瞬時流量を有する流体の流れがある導管内に容易に挿入又は介在するように構成された特に単純な形状である。

特に、流路部材１は任意の内部断面Ｓを有し、部材は円筒形幾何形状を有することが可能である。流路部材１の全体的形状は、直径が一定の円形断面の円筒形で、これが挿入される導管と同じ特徴を有することが好ましい。これは円錐台形の形状で、したがってベンチュリを形成することもできる。

２つの静圧タップＡ及びＢがこの流路部材１の壁に配置されている。これらの静圧タップＡ及びＢは、システム内の圧力差を測定するために測定手段２と結合されている。したがって、該測定手段２によって、それぞれＡとＢにタップを設けた２つの静圧Ｐ１とＰ２の差を測定することができる。例えば圧力差センサを使用する。

演算手段３はコンピュータ機器（電子計算機）である。これらの演算手段３は、以下で説明する式で解くアルゴリズムを適用するようにプログラムされ、このプログラムは瞬時流量を演算できるようにする非線形常微分方程式が組み込まれたプログラムであり、この流量の記号が流れの方向を示す。電子計算機３は、差圧センサ２に結合される。何故なら、この電子計算機３が流路部材１内で測定された圧力差から瞬時流量を演算するからであり、この圧力差も瞬時に測定できる。

以上で示したように、流路部材１の第１の特徴は、実施が特に容易な円筒形の形状であることである。流路部材は、例えば直径が一定の円形断面を有することができ、これは相応してその実施を容易にする。

また、この流路部材１は、流路部材１の内側にある流体の経路に配置され、２つの圧力タップＡとＢの間に配置されたフィルタ４を一体化する。このフィルタ４は、圧力タップＡとＢの間に圧力差を設定するように、流路部材１内に、特にこれら２つの圧力タップＡと圧力タップＢの間に圧力損失を誘導するように設計される。

したがって、このフィルタ４は、流路部材１の、及び特にその壁の幾何形状による通常の圧力損失に加えて、流路部材１内に追加の圧力損失を設定するように設計されている。

以下で詳細に述べるように、導管内にある非定常流の流体の圧力と瞬時流量との間には関係がある、又はより正確には、流体の圧力とその加速度及び運動エネルギー（圧力損失と直接の関係がある）との間には関係がある。フィルタ４によって追加された追加の圧力損失によって、流れの運動エネルギーの量を流体の加速度と平衡させることができ、したがって測定された圧力差から、導管内の流体の瞬時流量をより正確に演算することが可能である。したがって、フィルタ４は、圧力損失を流体の流れの特定の力学に適合するようにする。

フィルタ４は、２つの圧力タップＡとＢの間に均一な圧力損失を導入できる限り、任意の構成、形状及び構造を有することができる。

流路部材１の内部断面Ｓの実質的に全部を覆うように、この内部断面Ｓに実質的に対応する断面を有するフィルタ４を使用する。また、フィルタ４は、流路部材１内の流体の流れに対して実質的に垂直に配置することが好ましく、この流体の流れは図１の黒い矢印で概略的に図示されている。

フィルタ４は、例えば格子の形態とすることができる。このフィルタ４は、ハニカム構造を有することができる。このフィルタ４を多孔質材料で製作することもできる。

したがって、提案される流量測定システムは、設計及び実施が特に容易である。これは特に、流路部材１が一定の直径の円形断面の円筒形部分で構成され、それによって測定される流体が内部を循環する導管の寸法に実質的に対応する寸法を有する管を形成し、簡易フィルタ４がこの円筒形部分に挿入されるケースである。

また、上記構成は従来技術の装置と比較して、他の著しい利点を有する。特に、このシステムは幾何形状における対称の構成であり、これによってまず流体流導管へのこの挿入が容易になる。また、これは導管内の流体の流れの方向と関係ない機能及び信頼性を提供する。流路部材１の幾何形状におけるこの対称性は、測定システムが上流側及び下流側の状態にほとんど敏感ではないことを意味する。何故なら、フィルタ４が考察中の流体の流れの方向に関係なく、圧力損失に関して全く同じ効果を有するからである。したがって、測定システムの正確さは流れの方向に関係なく、これは、例えば熱機関の吸気流のような何らかの流れが周期的に方向転換することがある自動車産業のような幾つかの用途領域で特に有利である。

流路部材１のこの特定の構成によって誘導される別の利点は、対応する測定システムの小さい嵩にある。流路部材１の長さは、例えば測定領域の上流側及び下流側の導管が流れを調整するために十分な長さを有する状態で、特別な幾何形状を有する流路部材の設計を必要とする（例えばベンチュリタイプの）特定の速度プロファイルに基づくシステムと比較すると、大幅に低減することができる。

流路部材１内にフィルタ４を使用することは、流れる流体の摂動（流体の運動の乱れ）を低減するという別の利点を有し、これは圧力測定の信頼性をさらに向上させる。

流路部材１は、また、それぞれ流体の流れの主な方向に対して流路部材１の上流側及び下流側に配置された追加のフィルタ５及び６を備えることもできる。上記フィルタ５及び６は、圧力タップＡとＢの間に配置されたフィルタ４と同じ形状、構造及び構成を有することができる。

これらの上流側５及び下流側６のフィルタがあると、いかなる大規模な流体流構造も回避することが可能である。流体流が大きいサイズの渦構造を含む場合は、流路部材１の２つの端部に配置されたフィルタ５及び６によって、流体の流れを調整することができる。すなわち、流路部材１の内部の流体の流れを安定化させ、規則化することができ、したがって圧力測定の信頼性がさらに向上する。

したがって、この解決法によって、非常に低減した空間要件を維持しながら、流体の全体的な流れの構造に関係なく、上記流体の瞬時流量を高い信頼性で測定することができる。提案された解決法では、流量を調節するために流路部材１の長さを増加させる必要がない。

図１の測定システムの動作原理は以下の通りである。流体が導管内を流れ、流路部材１内へと渡る。

圧力差を測定する手段２は、圧力タップＡにて得た静圧Ｐ１と圧力タップＢにて得た静圧Ｐ２との差を測定する。測定手段２によって測定された圧力差は、演算手段３の入力部に伝送される。

演算手段３は、その入力部で受信した圧力差から実時間で流体の流量を演算する。上述したように、演算手段３は、流量を圧力差に関連させる式を解くように構成され、この式によって流量を実時間で演算でき、流体の流れの方向を与えることもできる。

演算手段３の出力部では、非定常流についても流体の流量が実時間で得られる。

したがって図１の装置では、導管内で流体の非定常流量を測定することが可能である。この流量の測定には、２つの静圧測定しか必要なく、対応する圧力差は、例えば圧力タップに結合された１つの差圧センサ２によって、又は２つの相対（又は絶対）圧力センサによって得られる。

以上で示したように、流体の流量の実時間演算は、導管内の非定常流の流体について、瞬時流量と圧力との間で確立された関係を使用して演算される。この流量の値は正又は負であり得ることが想起される。すなわち、演算した流量の記号が流体の流れの方向を示す。

上記関係は、特許文献１（ＷＯ２００５／０８０９２４）で公開されたＰＣＴ公開に記載された実時間非定常流量計については既に確立されており、詳細な説明については、これを参照できるので役立つ。

本発明の流量測定システムに使用する式は、以下の一般式の非線形常微分方程式によって与えられる。
ｋ_１・ｄｑ（ｔ）／ｄｔ＋Ｋ_２・ｆ（ｑ（ｔ））＝ΔＰ（ｔ） ［式１］
ここで、
−ｑ（ｔ）は、所望の瞬時流量の一般的形式を表す。
−Ｋ_１及びＫ_２は、定数である。
−ｄｑ（ｔ）／ｄｔは、所望の流量の時間に関する導関数を表す。
−ｆ（ｑ（ｔ））は、瞬時体積流量の非線形関数である。
−ΔＰ（ｔ）は、測定された圧力差である。

したがって、所望の瞬時質量流量をｑｍ（ｔ）で表し、所望の瞬時体積流量をｑｖ（ｔ）で表すと、式１は以下のように書くことができる。
ｋ_１・ｄｑ_ｍ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ_２・ｆ（ｑ_ｍ（ｔ））／ｒｈｏ＝ΔＰ（ｔ） ［式２］
又は
ｋ_１・ｄｑ_ｖ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ_２・ｆ（ｑ_ｖ（ｔ））＝ΔＰ（ｔ）／ｒｈｏ ［式３］
ここで、
−ｋ_１及びｋ_２は、較正によって求めた定数である。
−ｒｈｏは、ｑｍ（ｔ）＝ｒｈｏ．ｑｖ（ｔ）の状態の流体の密度である。

瞬時体積流量の非線形関数であるｆ（ｑ（ｔ））については、例えば下式を使用することが可能である。
ｆ（ｑ（ｔ））＝｜ｑ（ｔ）｜・ｑ（ｔ） ［式４］

導管内の流体の流速における変動に関する、及び／又は流れの方向に関する記号の変動がある項（項ｄｑ（ｔ）／ｄｔ及びΔＰ（ｔ））、及び導管内の流体の流れの方向に関する記号の変動がある項が式内に存在することによって、正又は負の流量の演算をすることができ、その記号は流体の流れの方向を示す。特に、上記式では、絶対値がない状態で項ΔＰ（ｔ）をこのように考慮に入れる。圧力差ΔＰ（ｔ）に割り当てられた記号は特に、流体の流速及び／又は流体の流れの方向における変動に関して変動する。したがって圧力差ΔＰ（ｔ）は、例えば導管内を流れる流体が加速又は減速する、及び／又は流体が導管内を一方向に、又は反対方向に流れる場合、正又は負である。また上記式では、項ｄｑ（ｔ）／ｄｔ及びｆ（ｑ（ｔ））も、絶対値がない状態でこのように考慮に入れる。

演算された流量の記号は、流れの方向を示し、演算された流量の記号が反転すると、流体の流れが反対方向であることを示す。公式化された非線形常微分方程式は、流量の大きさを求めるために初期状態を適切に選択すれば、常に有界の解に向かって収束するという注目すべき特性を有する。初期状態としてｑ（ｔ＝０）＝０を選択することが好ましい。実際には、初期状態を適切に選択すると、電子計算機（演算手段）３からの出力信号は所望の流量の瞬時値に向かって収束する。

これを解くアルゴリズムは、数値とアナログの両方を使用して与えることができ、瞬時流量の値を実時間で得られるようにする。

この方法で測定した流量は、導管内の非定常流の非圧縮性流体の流量ｑ（ｔ）に対応する。流体の密度は、上記式１、２又は３を解くために知らなければならないデータ項目である。これは、それ自体が流体の温度、静圧及び任意選択でモル質量などの特定数の他の物理的大きさの関数であることに留意されたい。

流体の圧縮性を無視できない場合は、温度測定プローブ及び／又は流れの中で優勢である静圧を測定するプローブを測定システムに一体化し、考察中の流体の流れにおける密度の変動を考慮に入れることを可能にする。

第３の手段を使用して、体積流量の絶対値｜ｑｖ｜の瞬時値を求めることが可能である場合は、提案された計器を使用して、そこから密度ｒｈｏの変動に関係なく（しかし今回はその方向で）瞬時質量流量ｑ_ｍを導き出すことができ、このケースでは密度を求める必要がない。これは、式２及び４から導かれた式５で示すことができる。
ｋ_１・ｄｑ_ｍ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ_２・ｑ_ｍ（ｔ）・｜ｑ_ｖ（ｔ）｜＝ΔＰ（ｔ） ［式５］

同様に、第３の手段を使用して体積流量の平均値（又は実効値）｜ｑ_ｖ｜などの体積流量の絶対値｜ｑ_ｖ｜に関連する統計的な大きさを求めることが可能である場合は、密度ｒｈｏの遅い変動があっても関係なく、提案された計器を使用し、そこから瞬時質量流量ｑｍを（その方向とともに）導き出すことができ、このケースでは密度ｒｈｏの遅い変動をもはや求める必要がない。これは、式２及び４から導かれた式６によって示すことができる。
ｋ_１・ｄｑ_ｍ（ｔ）／ｄｔ＋ｋ_２・ｑ_ｍ（ｔ）・｜ｑ_ｍ（ｔ）｜・＜｜ｑ_ｖ（ｔ）｜＞／＜｜ｑ_ｍ（ｔ）｜＞＝ΔＰ（ｔ） ［式６］
ここで、＜＞は算術平均演算子を表し、したがって＜｜ｑ（ｔ）｜＞は、特定の時間の経過中の流量の絶対値の平均値を表す。

図２のグラフは、図１のシステムを使用して得られた瞬時流量の測定結果である。より正確には、このグラフは単気筒型熱機関の吸気管内におけるパルス状流量の傾向を示し、これは提案されたシステムを使用して測定し、熱線式システムを使用して求めたままの流体の速度から再構築された流量と比較したものである。

図２の第１の曲線Ｃ１及び第２の曲線Ｃ２は、時間の関数として管中の流量の傾向を示す。実線（曲線Ｃ１）は、提案されたシステムで得た結果を表し、点線（曲線Ｃ２）は、熱線式測定システムで得た結果を表す。

曲線Ｃ２で、設計により流れの方向を出すことができない熱線式測定システムは、流れが逆であっても常に正の流量を出すことが分かる。これは、曲線Ｃ１で見られるように流れの方向の逆転を完全に辿る本発明のシステムには当てはまらない。これは、本発明の測定システムが流れの方向を考慮に入れるという事によるものである。

提案されたシステムは、非常に良好な時間分解能（大きい帯域幅）を有する。何故なら、３０００回転／分の速度までのテストに成功しているからである。曲線Ｃ１は、９００回転／分というアイドリング速度について、流量の傾向を示す。したがって、提案されたシステムは、熱線式又はホットフィルムシステムの多数の欠点を有さずに、それらに匹敵する高い時間分解能を有する。

本明細書で説明した新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、それに多くの修正ができることを読者には理解することができるだろう。したがって、そのようなタイプの修正はすべて、本発明の測定システムの範囲内に含まれる。

Claims (10)

1. 導管内における定常流又は非定常流の流体の瞬時流量の実時間測定システムであって、少なくとも２つの壁圧力タップ（Ａ，Ｂ）を設けた前記流体の流路部材（１）と、前記２つの圧力タップ（Ａ，Ｂ）と結合された圧力差を測定する測定手段（２）と、瞬時流量を圧力差に関連させる非線形常微分方程式を解くことによって流量を実時間で演算するようにプログラムされた演算手段（３）とを備え、前記式の前記圧力差が、前記導管内の前記流体の流速の変動及び／又は前記流体の流れの方向に関して正又は負であるシステムであり、前記流路部材（１）が、圧力降下を増大させるために前記２つの圧力タップ（Ａ，Ｂ）間に配置されたフィルタ（４）を備えることを特徴とする実時間測定システム。
2. 前記流路部材（１）が、一定の直径の円形断面（Ｓ）の円筒形幾何形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の実時間測定システム。
3. 前記流路部材（１）が、ベンチュリタイプの円錐台形幾何形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の実時間測定システム。
4. 前記流路部材（１）が、前記流れを調整するように、前記流体の流れに対して前記流路部材（１）のそれぞれ上流側及び下流側に配置された２つの追加のフィルタ（５，６）を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の実時間測定システム。
5. 前記フィルタ（４，５，６）が、前記流路部材の軸に対して実質的に垂直に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の実時間測定システム。
6. 前記フィルタ（４，５，６）が、格子であることを特徴とする、請求項１から５いずれか１項に記載の実時間測定システム。
7. 前記フィルタ（４，５，６）が、ハニカム構造を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の実時間測定システム。
8. 前記フィルタ（４，５，６）が、多孔質材料で形成されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の実時間測定システム。
9. 前記流路部材（１）が、前記演算手段（３）に結合された１つ又は複数の温度測定プローブをさらに備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の実時間測定システム。
10. 前記流路部材（１）が、前記演算システム（３）と結合された静圧測定プローブをさらに備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の実時間測定システム。

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