JP2014215129A - 圧力測定装置、圧力測定方法およびリーク検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試供体の表面の非定常かつ微小な圧力変動を精度良く測定可能な圧力測定装置を提供する。【解決手段】 圧力測定装置は、試供体の表面に沿って固定可能なチューブ１１と、チューブ１１内に所定間隔を有して固定された圧力センサ１２および閉止栓１５と、参照圧力を送るパイプ２６と、圧力センサ１２および閉止栓１５間に区画された空間１６と、チューブ１１を貫通して空間１６に連通する圧力検出孔１１ｂとを備える。共にチューブ１１内に固定された圧力センサ１２および閉止栓１５間の空間１６は容積が小さいため、測定すべき非定常圧力の変動がなまされることが防止されて測定精度が向上するだけでなく、空間１６の容積を、その空間１６のヘルムホルツ共鳴周波数が非定常圧力の変動周波数から外れるように設定したので、ヘルムホルツ共鳴の圧力変動が測定すべき非定常圧力の変動に重畳することが防止されて測定精度が更に向上する。【選択図】 図１

Description

本発明は、試供体の表面に沿って固定可能なチューブと、前記チューブ内に固定された圧力センサと、前記圧力センサに参照圧力を送るパイプと、前記圧力センサと所定間隔を有して前記チューブ内に固定された閉止栓と、前記チューブ内で前記圧力センサおよび前記閉止栓間に区画された空間と、前記チューブを貫通して前記空間に連通する圧力検出孔とを備え、前記試供体の表面の非定常圧力を前記圧力検出孔および前記空間を介して前記圧力センサに伝達して測定する圧力測定装置に関する。また本発明は、前記圧力測定装置を用いた圧力測定方法と、前記圧力測定装置のチューブのリークを検査するリーク検査装置とに関する。

自動車の車体表面に貼り付けられる板状部材の内部に、一端が板状部材の上面に開口して他端が板状部材の周縁部に開口する貫通孔を形成し、板状部材の周縁部に開口する貫通孔を圧力取出部材を介して圧力測定器に接続することで、車体表面の圧力分布を測定するものが、下記特許文献１により公知である。

また飛行機の機体表面に接着されるフレキシブル基板の内部にセンサ、回路、バッテリ等を収納し、フレキシブル基板に設けたポートを介してセンサおよび外気を連通させることで、機体表面の温度や圧力を測定するものが、下記特許文献２により公知である。

特開昭６２−３５２３５号公報 特開２００９−２５３１４号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたものは、圧力センサが板状部材の外部に設けられており、板状部材の上面の開口と圧力センサとが板状部材の内部に形成された長い貫通孔を介して接続されているため、車体表面の定常的な圧力分布を測定することは可能であるが、車体表面の非定常かつ微小な圧力変動を測定しようとしても、その圧力変動が長い貫通孔でなまされてしまい、充分な測定精度が得られないという問題があった。

また上記特許文献２に記載されたものは、フレキシブル基板に開口するポートの近傍にセンサが設けられているため、車体表面の非定常な圧力変動がなまされる問題はないが、ポートおよびセンサ間の空間の空気がヘルムホルツ共鳴により振動してしまい、その圧力変動が測定すべき機体表面の圧力変動に重畳して測定精度を低下させるという問題があった。しかも上記手法ではセンサに基準となる参照圧力を入力できないため、絶対圧力しか測定することができず、測定精度が低いという問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、試供体の表面の非定常かつ微小な圧力変動を精度良く測定可能な圧力測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、試供体の表面に沿って固定可能なチューブと、前記チューブ内に固定された圧力センサと、前記圧力センサに参照圧力を送るパイプと、前記圧力センサと所定間隔を有して前記チューブ内に固定された閉止栓と、前記チューブ内で前記圧力センサおよび前記閉止栓間に区画された空間と、前記チューブを貫通して前記空間に連通する圧力検出孔とを備え、前記試供体の表面の非定常圧力を前記圧力検出孔および前記空間を介して前記圧力センサに伝達して測定する圧力測定装置であって、前記空間の容積を、該空間のヘルムホルツ共鳴周波数が前記非定常圧力の変動周波数から外れるように設定したことを特徴とする圧力測定装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記圧力センサは前記閉止栓に接しており、前記空間を前記閉止栓の前記圧力センサに対向する面に形成された凹部により構成したことを特徴とする圧力測定装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記圧力センサが出力する圧力信号を伝達する信号線を、外部からのノイズを遮断するシールド線で構成したことを特徴とする圧力測定装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の圧力測定装置を用いた圧力測定方法であって、気流中に配置した第１の前記圧力センサが出力する圧力信号を、気流外に配置した第２の前記圧力センサが出力する圧力信号でノイズ除去することを特徴とする圧力測定方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の圧力測定装置のチューブのリークを検査するリーク検査装置であって、前記チューブの圧力検出孔の周囲に着脱自在に粘着可能な環状の粘着部と、前記粘着部に一端が接続された圧力配管と、前記圧力配管の他端に接続された加圧手段とを備えることを特徴とするリーク検査装置が提案される。

尚、実施の形態のストリップチューブ１１は本発明のチューブに対応し、実施の形態の車体１８は本発明の試供体に対応し、実施の形態の基準圧力発生装置２２は本発明の加圧手段に対応する。

請求項１の構成によれば、圧力測定装置は、試供体の表面に沿って固定可能なチューブと、チューブ内に固定された圧力センサと、圧力センサに参照圧力を送るパイプと、圧力センサと所定間隔を有してチューブ内に固定された閉止栓と、チューブ内で圧力センサおよび閉止栓間に区画された空間と、チューブを貫通して空間に連通する圧力検出孔とを備えるので、試供体の表面の非定常圧力を圧力検出孔および空間を介して圧力センサに伝達して測定することができる。しかも共にチューブ内に固定された圧力センサおよび閉止栓間の空間は容積が小さいため、測定すべき非定常圧力の変動がなまされることが防止されて測定精度が向上するだけでなく、空間の容積を、その空間のヘルムホルツ共鳴周波数が非定常圧力の変動周波数から外れるように設定したので、ヘルムホルツ共鳴の圧力変動が測定すべき非定常圧力の変動に重畳することが防止されて測定精度が更に向上する。

また請求項２の構成によれば、圧力センサは閉止栓に接しており、空間を閉止栓の圧力センサに対向する面に形成された凹部により構成したので、閉止栓および圧力センサの相対的な位置関係を常に一定に維持し、設定したヘルムホルツ共鳴周波数のずれを防止することができる。

また請求項３の構成によれば、圧力センサが出力する圧力信号を伝達する信号線を、外部からのノイズを遮断するシールド線で構成したので、チューブに沿って長く延びる信号線がノイズを拾い難くして測定精度を高めることができる。

また請求項４の構成によれば、気流中に配置した第１の圧力センサが出力する圧力信号を、気流外に配置した第２の圧力センサが出力する圧力信号で較正するので、第１の圧力センサの圧力信号のスパイクノイズを第２の圧力センサの圧力信号のスパイクノイズで相殺し、測定すべき非定常圧力の変動を精度良く測定することができる。

また請求項５の構成によれば、チューブの圧力検出孔の周囲に着脱自在に粘着可能な環状の粘着部と、粘着部に一端が接続された圧力配管と、圧力配管の他端に接続された加圧手段とを備えるので、加圧手段から圧力配管、圧力検出孔および空間を介して圧力センサに至る経路を加圧し、その圧力変化を監視することでリークの有無を判定することができる。その際に、粘着部がチューブの圧力検出孔の周囲に粘着するので、リーク検査を行っている間に作業者が圧力配管を手で保持しておく必要がなくなり、作業性が大幅に向上する。

圧力測定装置の分解斜視図。 図１の２−２線断面図。 風洞中に配置した試供体を示す模式図。 ヘルムホルツ共鳴周波数の説明図。 試供体の表面の圧力変動のパワースペクトル（ノイズ対策を施さないもの）。 試供体の表面の圧力変動のパワースペクトル（ハードウエアによるノイズ対策を施したもの） 試供体の表面の圧力変動のパワースペクトル（更にソフトウエアによるノイズ対策を施したもの） 正規圧力センサおよびダミー圧力センサの出力を比較するグラフ。 正規圧力センサおよびダミー圧力センサの出力のＦＦＴ処理結果を比較するグラフ。 接続部材の斜視図。 図１０の１１−１１線断面図。

以下、図１〜図１１に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

本実施の形態の圧力測定装置は、自動車の車体表面の非定常圧力、例えば自動車のサイドミラーの後方の乱れた空気流が当たるフロントウインドウガラスの表面の非定常圧力や、自動車のリヤバンパーの後面の空気流が剥離する部分の非定常圧力を測定するために用いられる。

図１および図２に示すように、圧力測定装置は、車体表面に貼り付けられる合成樹脂製のストリップチューブ１１を備える。ストリップチューブ１１は可撓性を有する帯状部材であり、気流に与える影響を小さくするために、その厚さは例えば３ｍｍ以下に抑えられる。ストリップチューブ１１の内部には、相互に平行に延びる複数本（実施の形態では５本）の正方形断面の中空部１１ａ…が長手方向に沿って形成される。このような形状のストリップチューブ１１は、切削加工、押出成形、光造形等の方法で製造可能である。

ストリップチューブ１１の各中空部１１ａ…には半導体センサよりなる圧力センサ１２が収納される。圧力センサ１２は円筒状のセンサ本体１３と、センサ本体１３の一方の端面から引き出された信号線１４とからなる。センサ本体１３の内径は中空部１１ａの一辺の長さに略一致しており、センサ本体１３をストリップチューブ１１の中空部１１ａの所定位置に接着剤１９（図２（Ｃ）、（Ｄ）参照）で固定したとき、センサ本体１３の外表面と中空部１１ａの内表面との隙間は接着剤１９で塞がれる。

センサ本体１３には基準となる参照圧力を送るパイプ２６がストリップチューブ１１の中空部１１ａを通して接続されており、センサ本体１３は参照圧力に対する相対圧力を検出する。またストリップチューブ１１の中空部１１ａ内に収納される信号線１４がノイズを拾うのを防止するために、信号線１４は電磁波を遮断する被覆で覆われたシールド線で構成される。

ストリップチューブ１１の中空部１１ａには立方体状の閉止栓１５が挿入され、センサ本体１３の他方の端面を構成する圧力検出面１３ａに接するように接着剤で固定される。金属製の閉止栓１５がセンサ本体１３の圧力検出面１３ａに対向する端面には、Ｕ字状の凹部１５ａが切り欠かれており、この凹部１５ａとセンサ本体１３の圧力検出面１３ａとの間に所定容積の空間１６が形成される。ストリップチューブ１１を貫通する円筒状の圧力検出孔１１ｂが前記空間１６に連通する。

ストリップチューブ１１の５本の中空部１１ａ…には、それぞれ圧力センサ１２…および閉止栓１５…が配置されるが、それらを配置する位置は、ストリップチューブ１１の長手方向にずれていても良いし、ストリップチューブ１１の長手方向に直交する方向に整列していても良い。またストリップチューブ１１の全ての中空部１１ａ…に圧力センサ１２…および閉止栓１５…が配置する必要はなく、必要に応じて所定の中空部１１ａ…だけに圧力センサ１２…および閉止栓１５…が配置しても良い。

図３に示すように、風洞１７中に置かれた試供体である自動車の車体１８の表面に、２枚のストリップチューブ１１，１１′が貼り付けられる。１枚は圧力を測定すべき部位に貼り付けられた正規のストリップチューブ１１であり、他の１枚は風が当たらない部位に貼り付けられたダミーのストリップチューブ１１′である。正規のストリップチューブ１１およびダミーのストリップチューブ１１′の内部には、正規の圧力センサ１２およびダミーの圧力センサ１２′が設けられる。正規のストリップチューブ１１およびダミーのストリップチューブ１１′は全く同じものであり、正規の圧力センサ１２およびダミーの圧力センサ１２′も全く同じものである。

２個の圧力センサ１２，１２′から延びる信号線１４，１４′はストリップチューブ１１，１１′の中空部１１ａ…内を通って端部から引き出され、外部の圧力測定部２０に接続される。圧力測定部２０は、２個の圧力センサ１２，１２′が出力する圧力信号を増幅してＡ／Ｄ変換した後、スパイクノイズを除去する処理を行って圧力検出孔１１ｂ…における圧力を算出する。

さて、本実施の形態の圧力測定装置は、車体１８の表面を流れる非定常流れの例えば１Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数領域の微小な圧力変動を測定するためのものである。このとき、仮に、圧力センサ１２がストリップチューブ１１の外部に設けられており、ストリップチューブ１１の圧力検出孔１１ｂと圧力センサ１２とがストリップチューブ１１の細長い中空部１１ａを介して接続されていると、車体１８の表面の非定常かつ微小な圧力変動が細長い中空部１１でなまされてしまい、充分な測定精度が得られないという問題がある。しかしながら、本実施の形態によれば、圧力センサ１２が圧力検出孔１１ｂの直近に設けられているので、細長い中空部１１ａで圧力変動がなまされて測定精度が低下するという問題が発生することがない。

以上のように、本実施の形態によれば、圧力センサ１２のセンサ本体１３の検出面１３ａが臨む空間１６を小さくすることで、車体１８の表面のなまされていない圧力変動を測定することができる。その反面、圧力検出孔１１ｂの外側を流れる非定常な空気流により空間１６の空気が共振（ヘルムホルツ共鳴）し、その共振周波数が測定したい圧力変動の周波数（例えば１Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）に接近していると、圧力センサ１２による測定精度が低下してしまう可能性がある。以下、ヘルムホルツ共鳴に対する対策について説明する。

図４に示すように、ストリップチューブ１１における空間１６および圧力検出孔１１ｂは、空間１６よりなる箱に、圧力検出孔１１ｂよりなる口が付いたものとしてモデル化することができる。口の中の空気をマスとし、箱の中の空気をバネとした一つの仮想的な振動系を考えると、その共振周波数はヘルムホルツ共鳴周波数と呼ばれる。空間１６の容積をＶとし、圧力検出孔１１ｂの直径をＤとし、圧力検出孔１１ｂの高さをＨとし、圧力検出孔１１ｂの断面積をＳとし、音速をｃとすると、空間１６のヘルムホルツ共鳴周波数ｆは、以下のように表される。

従って、閉止栓１５の凹部１５ａの形状を変化させ、そこに形成される空間１６の容積Ｖを変化させ、空間１６のヘルムホルツ共鳴周波数ｆを１０ＫＨｚよりも高い領域にシフトさせることで、圧力の測定精度が低下を回避することができる。その際に、空間１６のヘルムホルツ共鳴周波数ｆの調整は、閉止栓１５の凹部１５ａの形状を変化させるだけで行えるので、極めて容易である。しかも閉止栓１５はセンサ本体１３の圧力検出面１３ａに当接する位置に固定されるので、空間１６の容積Ｖを常に一定に保つことができる。

図５は、信号線１４のシールド等のハードウエアによる対策を施す前の車体１８表面の圧力変動のパワースペクトルであり、破線は理論値に対応し、実線は測定値に対応する。実線で示す測定値には大きなノイズが乗っており、所定圧力の分解能を達成していない（破線参照）。尚、図５〜図７の縦軸は対数目盛りであり、その１目盛りは１０倍の圧力に相当する。

図６は、上記ハードウエアによる対策を施した後の車体１８表面の圧力変動のパワースペクトルであり、ノイズが低減したことで分解能が向上しているが（破線参照）、依然として所定圧力の分解能を達成しておらず、そのためにはソフトウエアによるスパイクノイズ対策が必要である。

即ち、図８（Ａ）に示す正規の圧力センサ１２の出力信号と、図８（Ｂ）に示すダミーの圧力センサ１２′の出力信号とを比較すると明らかなように、２個の圧力センサ１２，１２′の出力信号には同じ時刻にスパイクノイズが乗っているが、両者を直接差し引きしてもノイズ成分を除去することは不可能である。

そこで、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、両者をそれぞれＦＦＴ（高速フーリエ変換）した結果を周波数領域で差し引きすることで、図７に示すようにノイズ成分を大幅に低減することができ、所定圧力の分解能が得られることが分かる（破線参照）。

次に、ストリップチューブ１１のリークチェックおよび信号線１４…の配線チェックの手法について説明する。

ストリップチューブ１１の中空部１１ａには、圧力センサ１２および閉止栓１５により挟まれた空間１６が区画されており、その空間１６は圧力検出孔１１ｂを介して外気に連通するが、例えばストリップチューブ１１の中空部１１ａと圧力センサ１２との間、あるいはストリップチューブ１１の中空部１１ａと閉止栓１５との間に隙間が存在したり、空間１６に臨むストリップチューブ１１に亀裂が存在したりすると、圧力センサ１２による圧力測定精度が低下するため、空間１６の気密性をチェックする必要がある。

また車体１８の各部の圧力分布を測定するには、数十個あるいは数百個の圧力センサ１２…の信号線１４…が正しく圧力測定部２０に接続されていることが必要であるため、信号線１４…の配線が正しく行われているか否かをチェックする必要がある。

図１０および図１１はリークチェックや配線チェックを行うための接続部材２１を示すもので、所定圧力を供給する基準圧力発生装置２２に接続された可撓性を有する圧力配管２３と、圧力配管２３の先端に接続された金属管２４と、金属管２４の外周を囲むように設けられたブチレンゴムのような可撓性を有する自己粘着物質よりなる粘着部２５とを備える。粘着部２５はストリップチューブ１１や、それが貼り付けられた車体１８に粘着可能であり、かつ何回でも剥がして繰り返し使用可能である。環状に形成された粘着部２５の先端の粘着面には、金属管２４の先端が開口する円形の凹部２５ａが形成される。

従って、車体１８に貼り付けられたストリップチューブ１１の圧力検出孔１１ｂを凹部２５ａで覆うように粘着部２５を粘着させた状態で、基準圧力発生装置２２から圧力配管２３および金属管２４を介してストリップチューブ１１の圧力検出孔１１ｂに基準圧力を供給して圧力センサ１２の出力を監視することで、リークの発生を確実に判定することができる。また粘着部２５を粘着させると、力を加えて引き剥がさない限り、手を放しても外れることがないため、チェック中に作業者が接続部材２１を手で押さえておく必要がなくなって作業性が大幅に向上する。

尚、接続部材２１を製造する際に、テープ状に形成された粘着部２５を金属管２４の外周に巻き付けることで、特別の金型を必要とせずに所定形状に成形することができ、製造コストが低減される。

また実施の形態では、内部に圧力センサ１２を収納したストリップチューブ１１のリークチェックや信号線１４の配線チェックに接続部材２１を使用しているが、接続部材２１は上記以外のストリップチューブ１１のチェックに対しても使用可能である。例えば、中空部１１ａの一端あるいは中間部に圧力検出孔１１ｂを備えるストリップチューブ１１の他端を外部に配置した圧力センサに接続し、圧力検出孔１１ｂにおける静圧を中空部１１ａを介して圧力センサに伝達するものであっても、本実施の形態の接続部材２１を用いてリークチェックや配線チェックを行うことができる。この場合、ストリップチューブ１１が途中で折れ曲がって中空部１１ａが閉塞されると、基準圧力発生装置２２からの圧力が圧力センサに伝達されなくなるため、ストリップチューブ１１の折れ曲がりを判定することも可能である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の試供体は実施の形態の自動車の車体１８に限定されず、航空機の機体、建築物の躯体、あるいはそれらの模型等であっても良い。

また実施の形態では圧力センサ１２と閉止栓１５とを相互に接触した状態で配置しているが、両者が一定の間隔を有するように配置しても良い。

１１ ストリップチューブ（チューブ）
１１ｂ 圧力検出孔
１２ 圧力センサ
１４ 信号線
１５ 閉止栓
１５ａ 凹部
１６ 空間
１８ 車体（試供体）
２２ 基準圧力発生装置（加圧手段）
２３ 圧力配管
２５ 粘着部
２６ パイプ

Claims (5)

1. 試供体（１８）の表面に沿って固定可能なチューブ（１１）と、前記チューブ（１１）内に固定された圧力センサ（１２）と、前記圧力センサ（１２）に参照圧力を送るパイプ（２６）と、前記圧力センサ（１２）と所定間隔を有して前記チューブ（１１）内に固定された閉止栓（１５）と、前記チューブ（１１）内で前記圧力センサ（１２）および前記閉止栓（１５）間に区画された空間（１６）と、前記チューブ（１１）を貫通して前記空間（１６）に連通する圧力検出孔（１１ｂ）とを備え、前記試供体（１８）の表面の非定常圧力を前記圧力検出孔（１１ｂ）および前記空間（１６）を介して前記圧力センサ（１２）に伝達して測定する圧力測定装置であって、
   前記空間（１６）の容積を、該空間（１６）のヘルムホルツ共鳴周波数が前記非定常圧力の変動周波数から外れるように設定したことを特徴とする圧力測定装置。
2. 前記圧力センサ（１２）は前記閉止栓（１５）に接しており、前記空間（１６）を前記閉止栓（１５）の前記圧力センサ（１２）に対向する面に形成された凹部（１５ａ）により構成したことを特徴とする、請求項１に記載の圧力測定装置。
3. 前記圧力センサ（１２）が出力する圧力信号を伝達する信号線（１４）を、外部からのノイズを遮断するシールド線で構成したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の圧力測定装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の圧力測定装置を用いた圧力測定方法であって、気流中に配置した第１の前記圧力センサ（１２）が出力する圧力信号を、気流外に配置した第２の前記センサ（１２）が出力する圧力信号でノイズ除去することを特徴とする圧力測定方法。
5. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の圧力測定装置のチューブ（１１）のリークを検査するリーク検査装置であって、
   前記チューブ（１１）の圧力検出孔（１１ｂ）の周囲に着脱自在に粘着可能な環状の粘着部（２５）と、前記粘着部（２５）に一端が接続された圧力配管（２３）と、前記圧力配管（２３）の他端に接続された加圧手段（２２）とを備えることを特徴とするリーク検査装置。

Images