JP2021076553A

JP2021076553A - 熱式流速計

Info

Publication number: JP2021076553A
Application number: JP2019205548A
Authority: JP
Inventors: 正平 ▲高▼木; Shohei Takagi; 雅人淺井; Masahito Asai; 歩稲澤; Ayumu Inasawa
Original assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20

Abstract

【課題】流れの中に配置されるプローブから流れの外に設置された測定回路までの間がケーブルで接続されている従来構成に比べて、流速の測定精度を向上させること。【解決手段】先端部（３ａ）が流体（２）中に配置されたプローブ（３）と、プローブ（３）の先端部（３ａ）に支持され且つ流体（２）中に配置され、給電時に発熱する測定部（４）と、測定部（４）における温度変化に応じた電気特性の変化を出力して、流体の流速を測定するための測定回路（６）であって、プローブ（３）の内部に収容された測定回路（６）と、を備えた流速測定装置（１）。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流速及びその揺らぎ（流速変動）を測定する熱式流速計に関し、特に、流速が変動してもセンサ温度が一定に保たれる熱式の流速計に関する。

従来から、流速及び流速変動を測定する流速測定装置として、ジュール発熱させた金属細線の冷却特性を利用した熱式熱線流速計が知られている（例えば、特許文献１−３参照）。加熱金属細線（熱線素子）の温度を自動制御（負帰還制御）により一定に保つ定温度型（定抵抗）熱線流速計の場合、流速値は熱線素子の加熱電流ないしは熱線素子の両端間電圧から求める。

実開昭６３−６７８６８号公報実開平１−８１５２３号公報特開２００６−１１３０６４号公報

(従来技術の問題点)
従来の定温度型熱線流速計では、供給する電源電圧が高い方が流速変動に対して応答特性が良好であり、特に、電圧が＋極性から−極性まで対応する電源、いわゆる両電源を使用することで、様々な測定環境でも歪の小さい計測を可能としてきた。一方、高電圧駆動する自動制御回路の構成素子は消費電力も大きく、回路放熱の観点から、従来設計のままでの小型化は難しい。さらに、両電源駆動の制御回路は正ないしは負電圧出力が可能で、設定した出力電圧と逆符号の電圧が出力された場合にはセンサを溶断するため、溶断保護回路も設けられていた。

したがって、従来の構成では、高電圧制御回路や、保護回路が大きなスペースを占めるため、これらの回路を流体内に設置すると流れが乱されることとなり、流速の測定に悪影響を及ぼす。よって、特許文献３に示されているように、従来の構成では、流体中には熱線素子を取付けたプローブのみが配置され、プローブからケーブルで流体外の制御回路、保護回路、電源に接続されていた。このケーブルは、流体内から流体外まで引き回されるため、常用ケーブル長が４ｍから５ｍ程度のものが多く使用されている。

しかしながら、熱線素子から制御回路までのケーブルが長くなると、ケーブルのインダクタンスが大きくなるとともに、空間飛来の電磁波ノイズ等の影響を受けやすくなる問題がある。
一般にケーブルに誘導された電磁波ノイズと流速信号を弁別する手立てはないだけでなく、インダクタンスが無視できない場合には、流速変動に対する制御回路の応答特性が複雑になり、制御回路の持つ固有の電気雑音も把握できない問題もある。

本発明は、流れの中に配置されるプローブから流れの外に設置された制御回路までの間がケーブルで接続されている従来構成に比べて、流速の測定精度を向上させることを技術的課題とする。

前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明の熱式流速計は、
先端部に給電時に発熱する熱線素子を保持し流体中に配置されたプローブと、
前記熱線素子の電圧変化または電流変化を検出して、前記流体の流速を測定するための測定回路であって、前記プローブの内部に収容された前記測定回路と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱式流速計において、給電を行う電源であって、正極のみの極性の電圧を供給する単電源により構成された前記電源と、前記単電源で駆動する前記測定回路とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の熱式流速計において、ユニバーサルシリアルバス規格で給電される前記測定回路を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の熱式流速計において、前記測定回路に併設され且つ前記測定回路を駆動する電池により構成された前記電源を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、流れの中に配置されるプローブから流れの外に設置された測定回路までの間がケーブルで接続されている従来構成に比べて、流速の測定精度を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、両電源を使用する場合に比べて、全体構成の小型化と測定回路の安定化が計られ、低コスト化することができる。
請求項３に記載の発明によれば、汎用のＵＳＢ電源を使用することで、専用の給電装置が不要でコストを低減できる。
請求項４に記載の発明によれば、プローブに電源を内蔵でき、測定回路と電源を接続するケーブルを短くすることができる。よって、流速測定装置の可搬性が向上して、野外計測や軽量ケースを採用することで無人機搭載など用途は拡張する。

図１は本発明の実施例１の流速測定装置の説明図である。図２は実施例１の熱線素子を含んだ測定回路の説明図である。図３は、従来の熱線素子と測定回路を繋ぐ長いケーブルのインダクタンスを考慮した従来の熱線素子を含んだ測定回路の説明図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（以下、実施例と記載する）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

図１は本発明の実施例１の流速測定装置の説明図である。
図１において、本発明の流速測定装置の一例としての実施例１の流速計１は、流体が流れる流路２内に設置されるプローブ３を有する。プローブ３は、細長い中空の円筒状に構成されている。なお、実施例１では、一例として、プローブ３の長さが５０ｃｍ程度の細長い管状に形成されている。また、実施例１のプローブ３は、一例として、導電性の金属材料で構成されており、内部に収容されている部材を、電磁的にシールド可能に構成されている。
プローブ３の先端部３ａの内部には、測定部の一例としての熱線素子４が支持されている。熱線素子４は、一例として、タングステン（Ｗ）製のワイヤにより構成されており、通電時に発熱する。

プローブ３の内部に、測定回路６が内蔵され、熱線素子４と電気的に接続されている。測定回路６は、プローブ３に収容可能な細長い基板上に抵抗や配線、ＩＣ等が搭載された電子回路により構成されている。測定回路６は、熱線素子４の温度が一定になるように電流を制御し、流路２の流速変化に応じて電流の変動値が検知結果として出力される。
したがって、実施例１の流速計１は、いわゆる定温度型の熱線流速計により構成されている。なお、本発明は、定温度型に限定されず、熱線素子の加熱電流を一定に保つ定電流型の熱線流速計にも適用可能である。

測定回路６には、外部接続端子の一例としての図示しないマイクロＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）端子が設けられている。マイクロＵＳＢ端子には、ＵＳＢケーブル７を介して、流路２の外部に設置された情報処理装置の一例としてのパーソナルコンピュータＰＣのＵＳＢ端子に接続されている。なお、パーソナルコンピュータＰＣのＵＳＢ端子に接続する場合に限定されず、測定回路６に対して、ＵＳＢケーブル７を介して直流電源を給電することも可能である。そして、測定回路６は、出力信号（電流）と外部信号の入力が可能な構成となっている。
なお、実施例１では、ＵＳＢケーブル７を介して行われる給電は、正負の直流電源は不要で、単一の直流電圧で歪なく駆動できるよう回路構成されている。

（電子回路の説明）
図２は実施例１の熱線素子を含んだ測定回路の説明図である。
図２において、実施例１の流速計１では、直流電源ないしはＵＳＢケーブル７から測定回路６のサーボアンプ１２に電力を供給する。
抵抗値Ｒ_Ｌのタングステンワイヤ（＝熱線素子４）を一辺に含み、３個の固定抵抗器Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃでホイートストンブリッジ（Wheatstone bridge）１１が形成されている。
ホイートストンブリッジ１１の端子ＡとＣはサーボアンプ１２の負と正の入力端子にそれぞれ接続され、サーボアンプ１２の出力はホイートストンブリッジ１１の頭頂（端子Ｂ）に負帰還されることで、熱線素子４は定抵抗（Ｒ_Ｌ＝Ｒａ・Ｒｃ／Ｒｂ）、すなわち定温度動作が実現される。
端子Ａに接続された抵抗Ｒ_Ｓの他端から、外部から矩形波信号８を注入することでホイートストンブリッジ１１とサーボアンプ１２で構成された負帰還回路の応答特性が、サーボアンプ１２の零点調整機能９を用いて調整（Damping調整）される。

（実施例１の作用）
図１に示された実施例１の流速計１では、測定回路６がプローブ３の内部に収容されている。したがって、熱線素子４から測定回路６までの結線が、従来のケーブルで接続される構成に比べて、短くすることが可能である。具体的には、従来構成では、４ｍ〜５ｍ程度のケーブルで接続されていたものが、０．１〜０．４ｍ程度の結線ですむ。したがって、従来構成のケーブルによるインダクタンスが大幅に低下するとともに、電磁波ノイズ等の影響が低減される。言い換えると、インダクタンスの効果をゼロに近づけることで負帰還回路の共振を防止、ないしは、実用上問題とならない高い周波数帯にシフトさせることができるので、電気雑音が著しく低減される。すなわち、センサケーブルが短くなることで、より広帯域のサーボアンプを使用できた、と同義である。
特に、実施例１では、熱線素子４から測定回路６までの結線も、プローブ３の内部に収容されている。したがって、プローブ３で結線部分が電磁的に遮断される。よって、従来構成に比べて、ノイズを大幅に低減可能である。したがって、従来に比べて、流速の測定精度を向上させることが可能である。

図３は、従来の熱線素子と測定回路を繋ぐ長いケーブルのインダクタンスを考慮した従来の熱線素子を含んだ測定回路の説明図である。
図３において、従来構成の熱線素子４から測定回路６までの間のケーブルが長い構成では、ホイートストンブリッジ０１１において、点Ａと抵抗値Ｒ_Ｌのタングステンワイヤとの間に、ケーブルのインダクタンス（ケーブルインダクタンスＬｗ）とケーブルの抵抗（ケーブル抵抗Ｒ_Ｌ）を考慮する必要がある。この付加的なＬｗとＲｗによる効果を軽減ないしは除去するために、ホイートストンブリッジ０１１の抵抗Ｒｂに直列に、ケーブルインダクタンスＬｗとケーブル抵抗Ｒｗを打ち消すための補償部品を挿入する必要がある。すなわち、補償インダクタンスＬｔおよび補償抵抗Ｒｔを挿入する必要がある。このとき、ケーブルの構成（材料や長さ、太さ）や状態（伸びているか巻かれているか等）により、ケーブルインダクタンスＬｗおよびケーブル抵抗Ｒｗが変動することに応じて、補償インダクタンスＬｔや補償抵抗Ｒｔは、可変インダクタンスおよび可変抵抗とする必要がある。

図３に示す構成における出力ｅ０と流速変動ｕの関係は、以下の数１の式（０１）で示されるように、Ｎ．Ｂ．Woodの式（以下、「Ｗｏｏｄの式」）として、従来公知である。

なお、例えばＲｗ＋Ｒ_ＬはＲｗ_Ｌと略記している。

これに対して、実施例１の流速計１では、ケーブルインダクタンスＬｗおよびケーブル抵抗Ｒｗが従来構成に比べて大幅に小さくなる（１オーダー以上小さくなる）。したがって、Ｌｗ＝０、Ｌｂ＝０と近似することができる。また、ケーブルインダクタンスＬｗ、ケーブル抵抗Ｒｗが小さくなるので、補償インダクタンスＬｂや補償抵抗Ｒｂも必要なくなる。すなわち、Ｌｂ＝Ｒｂ＝０と近似することが可能である。よって、数１の式（０５）の５次の項と、式（０６）の４次の項がなくなり、３次以下の項も数１の式（０１３）〜式（０１６）のように計算される。また、数１の式（０７）、（０１３）の３次の項において、Ｍ”は、Ｗｏｏｄが式（０１）を導出する際に使用したアンプが２次の特性を有していたため、２次の時定数Ｍ”が存在していたが、１次の特性のサーボアンプ１２を使用することでＭ”＝０となる。よって、実施例１では、数１の式（０７）の３次の項もなくなる。

したがって、実施例１の流速計１では、５次の微分方程式であるＷｏｏｄの式が２次式（２次の微分方程式）となる。そして、この２次式を使用して、出力ｅ０から流速ｕをパーソナルコンピュータＰＣで計算、導出可能である。よって、５次式である従来に比べて、実施例１では２次式であるため、計算負荷が低下し、計算精度も向上する。
また、従来構成では、補償インダクタンスＬｂおよび補償抵抗Ｒｂの調整を手動で行うことになるが、調整が困難であり、調整に手間と時間がかかるにも関わらず、精度の向上も困難である。これに対して、実施例１では、補償インダクタンスＬｂおよび補償抵抗Ｒｂを設ける必要がなく、インダクタンスに関わる調整が不要であるため、従来構成に比べて、利用者の手間を削減できる。さらに、外部信号として矩形波を注入し、その応答波形から式（０１９）の未知数ζ、熱線の時定数Ｍ並びにサーボアンプの共振周波数ωoが決まるために、図２に示す構成において流速変動ｕに対する応答関数は完全に把握できる。流速変動ｕの計測精度も向上させることが可能である。

また、実施例１では、両電源を使用する従来の構成に比べて、単電源で駆動される。したがって、両電源を使用する場合に比べて、同一のＩＣを使用する場合は、応答性が下がるが、近年ＩＣの高性能化に伴って、単電源で駆動するＩＣでも十分な応答性の確保は可能である。そして、単電源を使用することにより、両電源を使用する場合に比べて、全体の構成を小型化、低コスト化することができる。また、両電源では必要であった保護回路も必要なくなり、保護回路が必要だった従来構成に比べて、全体の構成を小型化、低コスト化することが可能である。
特に、実施例１のようにＵＳＢ給電を採用することも可能であり、市販の低コストな汎用部品で構成することも可能である。よって、専用の電源を使用する場合に比べて、大幅に低コスト化することが可能である。

（変形例）
実施例１の構成において、ＵＳＢケーブル７で測定回路６に給電を行う構成を例示したが、これに限定されない。例えば、電源の一例としての電池（乾電池または充電池）を使用することも可能である。そして、測定回路６に、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等のパーソナルコンピュータＰＣと無線通信を行うための無線通信チップを搭載することも可能である。このように構成した場合、測定部４、測定回路６、電池、無線通信チップがプローブ３に収容されることとなり、プローブ３を使用してワイヤレスで流速測定が可能である。
よって、流速計１の可搬性が向上する。また、プローブ３を流路２内に設置できればよく、ＵＳＢケーブル７の引き回しを考慮する必要がなくなる。よって、従来測定できなかった場所、位置、方向等でも流速を測定しやすくなる。
なお、電池は、プローブ３の内部に収容できない場合は、プローブ３の延長上に隣接して配置する等、近接して配置することも可能である。すなわち、電池は測定回路６に対して併設（プローブ３に収容または近接配置）する構成とすることも可能である。

（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、例示した具体的な数値や材料等については、設計や仕様等に応じて適宜変更可能である。

１…流速測定装置、
３…プローブ、
３ａ…先端部、
４…測定部、
６…測定回路、
ＰＣ…電源。

Claims

先端部に給電時に発熱する熱線素子を保持し流体中に配置されたプローブと、
前記熱線素子の電圧変化または電流変化を検出して、前記流体の流速を測定するための測定回路であって、前記プローブの内部に収容された前記測定回路と、
を備えたことを特徴とする熱式流速計。
給電を行う電源であって、正極のみの極性の電圧を供給する単電源により構成された前記電源と、
前記単電源で駆動する前記測定回路と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱式流速計。
ユニバーサルシリアルバス規格で給電される前記測定回路、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の熱式流速計。
前記測定回路に併設され且つ前記測定回路を駆動する電池により構成された前記電源、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の熱式流速計。