JP2015224987A - 空間の空気温度分布の測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上させることができる空間の空気温度分布の測定システムおよび測定方法を提供する。
【解決手段】測定対象空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射・受信する複数の音波素子と、音波素子のうちの１つを選択して音波を所定時刻に発射させる音波発信手段と、選択された音波素子以外の音波素子で発射音波の受信時刻を測定する音波受信手段と、音波発射時刻と音波素子の各位置における受信時刻とに基づいて伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、伝播経路ごとの伝播時間に基づいて伝播経路の温度を算出する温度算出手段とを備え、前記測定対象空間が円筒状であり、前記複数の音波素子は円筒状空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円１０の各円周上に一定角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置８に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、空間の空気温度分布を測定する測定システムおよび測定方法に関する。

従来、空間の空気温度分布を測定するのに、空気中での音波の伝播する時間が温度の関数となることを利用し、音波を発する素子と音波を受信する素子とを複数空間に設置し、各素子間での音波伝播時間を測定し、温度に変換するものがある。そこでは素子を空間の直方体の各辺上に設置し、直方体内部の空間温度を測定している。（非特許文献1）

「Acoustic tomographic imaging of temperature and flow fields in air」、Meas. Sci. Technol. 22、pp.1-13 (2011）

しかしながら、音波を利用した温度測定の従来の手法には以下のような問題があった。すなわち、音波を利用して空間の温度を測定する装置では、素子から発射された音波が受信素子に受信されるまでに測定空間を伝播する必要があり、できるだけ多くの伝播経路が測定空間内を通過する必要があるが、直方体の各辺上に設置すると測定空間内を伝播しない多くの音波が存在するため、測定精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、多くの音波の伝播経路が測定空間内を通過させることにより、空間の空気温度分布の測定精度を向上させることができる空間の空気温度分布の測定システムおよび測定方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、音波の伝播時間に基づいて測定対象の空間の温度分布を測定する測定システムであって、前記測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子と、前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信手段と、前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信手段と、前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出手段とを備え、前記測定対象の空間が円筒状であり、前記複数の音波素子は、前記円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置されていることを特徴とする測定システムである。

他の実施形態に記載の発明は、音波の伝播時間に基づいて測定対象の空間の温度分布を測定する測定システムであって、前記測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子と、前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信手段と、前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信手段と、前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出手段とを備え、前記測定対象の空間が直方体状であり、前記複数の音波素子は、前記直方体状の空間の中心軸と中心軸が一致する円筒の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置された仮想的部位と前記中心軸を結ぶ線上に位置する直方体状の外周の部位に配置されていることを特徴とする測定システムである。

他の実施形態に記載の発明は、測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子を用いて測定した音波の伝播時間に基づいて前記測定対象の空間の温度分布を測定する測定方法であって、前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信工程と、前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信工程と、前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出工程と、前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出工程と、を含み、前記測定対象の空間が円筒状であり、前記複数の音波素子は、前記円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置されていることを特徴とする測定方法である。

さらに他の実施形態に記載の発明は、測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子を用いて測定した音波の伝播時間に基づいて前記測定対象の空間の温度分布を測定する測定方法であって、前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信工程と、前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信工程と、前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出工程と、前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出工程とを備え、前記測定対象の空間が直方体状であり、前記複数の音波素子は、前記直方体状の空間の中心軸と中心軸が一致する円筒の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置された仮想的部位と前記中心軸を結ぶ線上に位置する直方体状の外周の部位に配置されていることを特徴とする測定方法である。

測定システムの構成例を示す図である。 測定対象の空間における音波素子の配置位置の一例を示す図である。 空間温度分布の測定フローを示す図である。 測定対象の空間が円筒状の場合の音波素子の配置例を示す図である。 測定対象の空間が直方体状の場合の音波素子の配置例を示す図である。 温度推定シミュレーションで用いた空間温度分布を示す図である。 測定対象の空間が円筒状の場合の音波素子の配置例を従来と比較して示す図である。 測定対象の空間が直方体状の場合の音波素子の配置例を従来と比較して示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施形態の測定システムは、音波の伝播時間が温度に依存する性質を利用して空間の温度分布を測定するものである。測定対象の空間に対してセンサとして機能する音波素子の配置に特徴がある。

すなわち、本実施形態の測定システムは、音波の伝播時間に基づいて測定対象の空間の温度分布を測定する測定システムであって、前記測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子と、前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信手段と、前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信手段と、前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出手段とを備えている。測定対象の空間が円筒状の場合は、前記複数の音波素子は、前記円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置されている。

図１は本実施形態の測定システムの構成例である。測定システムは、複数の音波素子１と、各音波素子１にそれぞれ接続された複数の駆動回路２と、複数の駆動回路２に接続された制御回路３と、制御回路３に接続された伝播時間算出手段４と、伝播時間算出手段４に接続された温度算出手段５とを備えている。

音波素子１は、対応する駆動回路２に駆動されて音波を発射したり音波を受信したりする素子である。音波素子１としてはスピーカとマイクロフォンが一体となったものや、受信用と送信用の圧電セラミクス式の超音波センサが一体となったものなどが利用できる。駆動回路２は、制御回路３により音波を発射する一つの音波素子１を選択し、残りの音波素子１で音波を受信するように音波素子１を駆動する。制御回路３は、選択された一つの音波素子１から所定の時刻で音波を発射させるとともに、発射された音波について各音波素子１で受信された時刻を測定する。

伝播時間算出手段４は、制御回路５が記録した音波素子１で音波を発射した時刻と、その音波について各音波素子１で受信された時刻との差を求めることにより音波の伝播時間を算出する。温度算出手段５は、音波を発信した位置と音波を受信した位置に基づいて測定領域を特定し、算出した音波の伝搬時間から測定領域ごとの温度を算出する。

図２は本実施形態の測定システムに用いられる音波素子の配置例を示す図である。音波素子１は、測定対象の空間の外周に配置される。測定対象の空間が円筒状の場合は円筒状の外周６に配置される。測定対象の空間が直方体状の場合は直方体状の外周７に配置される。音波素子１は円筒状の外周６や直方体状の外周７を呈する測定対象の空間の内部に音波を発射する。発射された音波は広がりながら空間を伝播し、音波を発射した音波素子１以外の音波素子１が受信する。

図３は測定対象の空間が円筒状の場合の音波素子の配置例を示す図である。図３（ａ）は円筒状である測定対象の空間を示し、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円をそれぞれ示す。

測定対象の空間が円筒状の場合は、図３に示すように、円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円１０を想定する。複数の音波素子の配置位置８は、円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円１０の各円周上に一定の角度θに設定されている。すなわち、単一の円周上での音波素子の間の角度がθとなるように配置されている。図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）では、一定の間隔θがπ／２の場合が示されている。また、音波素子の配置位置８は、隣接する仮想円上の音波素子の配置位置８に対して仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に設定されている。

測定対象の空間が円筒状の場合は、音波素子の位置をxyz座標で次（式１）のように定めることができる。

（式１）において、ｒは円筒の半径、ｎとｍは０以上の整数、θは同一の円筒切断面（円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円）の円周上の音波素子間の角度、ωは隣接する円周上の音波素子間の円周方向の角度、ｈは隣接する円周間の中心軸方向における間隔とし、さらに、円筒の中心軸方向をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面にｘ軸、ｙ軸とした座標を定義した。

θは、２πすなわち３６０°を１つの円周上に配置する音波素子の数で割った値に設定される。例えば、図３では円筒の１つの切断面となる円１０の円周上に音波素子を４個設置するので、この場合θはπ／２、すなわち９０°である。ωは、例えば、２πすなわち３６０°を円筒切断面の数で割った値とすることができる。ｎは、０以上でありかつ音波素子の合計数から１引いた整数以下の値とすることができる。ｚ軸に沿って一定間隔ｌごとに音波素子１を円周上に設置するが図に示すように円を角度ωずつ回転させて位置を決定することになる。ｍは０以上切断面の数から１引いた整数以下である。

図４は測定対象の空間が直方体状の場合の音波素子の配置例を示す図である。直方体状の空間への音波素子設置はまず、中心軸を同じくする直方体と円筒を想定する。図３で示した音波素子の配置位置８を決める手法と同様の手法で円筒上への仮想的な音波素子の位置９を求める。円筒と直方体の切断面は図４で示すようになり、仮想円１０の円周上には仮想的な音波素子の位置９が描かれる。直方体の切断面は例えば長方形１１となり、仮想円１０の円周上の仮想的な音波素子の位置９と長方形の中心を結ぶ直線と長方形１１との交点を音波素子の配置位置８とする。他の切断面に対しても同様に長方形状の音波素子の配置位置８を求めることにより、直方体への音波素子の配置位置８が決定される。

次に、以上説明した測定システムにおける測定方法について説明する。図５は本実施形態の測定システムにおける測定フローを示す図である。まず、制御回路３が、ある一つの音波素子１を選択し（Ｓ１）、駆動回路２が音波素子１を駆動して音波を発射させる（Ｓ２）。一方で制御回路３が、選択された音波素子１以外の音波素子１で音波を受信した受信時刻を測定すると、伝播時間算出手段４が音波の伝播時間を算出する（Ｓ３）。制御回路３は全ての音波素子１を選択したかどうか判断し（Ｓ４）、ＮｏであればＳ１の処理に戻ってまだ選択していない音波素子１を選択する。Ｓ４で全ての音波素子１を選択したと判断したら、温度算出手段５は全ての音波素子１が発射した音波の伝播時間に基づいて伝播時間から温度への変換を行い、伝播経路ごとの伝播時間に基づいて測定対象の空間の温度を求める（Ｓ５）。

図６は温度推定シミュレーションで用いた空間温度分布である。直方体空間を０．６ｍ×０．６ｍ×０．６ｍメッシュに区切り７つの切断面ごとの温度を示す。切断面の間隔ｈは０．６ｍである。

図６と同じ温度分布である円筒の内部の温度を推定する。円筒の半径ｒは１．５ｍである。図７（ａ）は円筒切断面における温度分布で、円筒切断面である円の内部の温度を推定する。音波素子は１つの切断面で４個使用するとし、全部で２８個使用する。この場合θはπ／２、すなわち９０°である。図７（ｂ）は従来の方法、すなわちω＝０で音波素子１を設置した状態を示している。図７（ｃ）はωを（３６０／７）°として音波素子１を設置した状態を示している。非特許文献１に記載の音波の伝播時間から温度を推定する逐次計算方法を用いて、各切断面ごとのメッシュの温度を推定した結果、温度誤差の平均値は図７（ｂ）で２．０℃、図７（ｃ）で１．０℃であり、図７（ｃ）の方が温度推定精度が高いことが判る。

同様に３．０ｍ×１．５ｍ×４．２ｍの直方体の内部の温度を推定する。図８（ａ）の直方体断面である長方形の内部の温度を推定する。音波素子は１つの切断面で６個使用するとし、全部で４２個使用する。この場合θはπ／３、すなわち６０°である。図８（ｂ）は従来の方法でω＝０で音波素子１を設置した状態を示している。図８（ｃ）はωを（３６０／７）°として音波素子１を設置した状態を示している。非特許文献１に記載の音波の伝播時間から温度を推定する逐次計算方法を用いて、各切断面ごとのメッシュの温度を推定した結果、温度誤差の平均値は図８（ｂ）で２．５℃、図８（ｃ）で１．１℃であり、図８（ｃ）の方が温度推定精度が高いことが判る。

以上の実施形態に記載した測定システムおよび測定方法によれば、多くの音波の伝播経路が測定空間内を通過することが可能になり、空間の空気温度分布の測定精度を向上させることが可能となる。

１ 音波素子
２ 駆動回路
３ 制御回路
４ 伝播時間算出手段
５ 温度算出手段
６ 円筒状の外周
７ 直方体状の外周
８ 音波素子の配置位置
９ 仮想的な音波素子の位置
１０ 仮想円
１１ 長方形

Claims (6)

1. 音波の伝播時間に基づいて測定対象の空間の温度分布を測定する測定システムであって、
   前記測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子と、
   前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信手段と、
   前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信手段と、
   前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、
   前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出手段とを備え、
   前記測定対象の空間が円筒状であり、前記複数の音波素子は、前記円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置されていることを特徴とする測定システム。
2. 音波の伝播時間に基づいて測定対象の空間の温度分布を測定する測定システムであって、
   前記測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子と、
   前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信手段と、
   前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信手段と、
   前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、
   前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出手段とを備え、
   前記測定対象の空間が直方体状であり、前記複数の音波素子は、前記直方体状の空間の中心軸と中心軸が一致する円筒の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置された仮想的部位と前記中心軸を結ぶ線上に位置する直方体状の外周の部位に配置されていることを特徴とする測定システム。
3. 素子が配置される該仮想円は一定の間隔ｈで離間していることを特徴とする請求項１または２に記載の測定システム。
4. 測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子を用いて測定した音波の伝播時間に基づいて前記測定対象の空間の温度分布を測定する測定方法であって、
   前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信工程と、
   前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信工程と、
   前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出工程と、
   前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出工程と、を含み、
   前記測定対象の空間が円筒状であり、前記複数の音波素子は、前記円筒状の空間の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置されていることを特徴とする測定方法。
5. 測定対象の空間の外周に所定間隔で配置され、音波を発射するとともに、音波を受信する複数の音波素子を用いて測定した音波の伝播時間に基づいて前記測定対象の空間の温度分布を測定する測定方法であって、
   前記複数の音波素子のうちの１つを選択して音波を所定の時刻に発射させる音波発信工程と、
   前記選択された音波素子以外の音波素子において前記発射された音波を受信した時刻を測定する音波受信工程と、
   前記音波の発射時刻と前記音波素子の各位置における当該音波の受信時刻とに基づいて音波の伝播経路ごとの伝播時間を算出する伝播時間算出工程と、
   前記算出された伝播経路ごとの伝播時間に基づいて前記伝播経路の温度を算出する温度算出工程とを備え、
   前記測定対象の空間が直方体状であり、前記複数の音波素子は、前記直方体状の空間の中心軸と中心軸が一致する円筒の中心軸を垂直に横切って複数並列する仮想円の各円周上に一定の角度θで配置されるとともに、隣接する仮想円上に配置された音波素子に対して該仮想円の円周方向に角度ωだけ回転した位置に配置された仮想的部位と前記中心軸を結ぶ線上に位置する直方体状の外周の部位に配置されていることを特徴とする測定方法。
6. 素子が配置される該仮想円は一定の間隔ｈで離間していることを特徴とする請求項４または５に記載の測定方法。