JP3571701B2

JP3571701B2 - 温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置および温度揺らぎを利用した静電容量式流量検出装置

Info

Publication number: JP3571701B2
Application number: JP2002052190A
Authority: JP
Inventors: 健安部; 清人猪俣; 康彦篠澤
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003254987A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度揺らぎを利用した静電容量型流速検出装置および温度揺らぎを利用した静電容量型流量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流速や流量を計測する流速計あるいは流量計には、差圧式、容量式、電磁式など多様な種類の測定原理を利用したのものがあり、測定対象や設置条件などの兼ね合いにより選定され使用される。しかしながら、その多くは、流体配管の一部を、流体の圧力や温度などを検出するセンサなどを内蔵した配管に変更する必要があり、設置に対して制約が生じるだけでなく、流体の圧損を生じるなど流体自体に少なからず影響を与える。よって、配管に何ら変更を及ぼさず配管内部の流体の速度あるいは流量を、配管外部より計測することが可能となれば、工業的にもその応用は多岐にわたる。
【０００３】
例えば、床暖房などの給湯器の温水の流速を測定するときに、配管に変更を伴わずに流速を測定することが期待される。特開平５ー２２３６８４号公報には、配管中に流体の温度揺らぎを測定する複数の温度測定プローブを距離ｌを隔てて設け、温度測定プローブで測定した信号の相互相関を取る相関分析手段とを備えた流量測定装置が示されている。しかしながら、この流量測定装置は、配管中の流体の温度を測定するために配管中に温度測定プローブを設置することが必要となり流体の圧損などを生じたり、配管中から信号を取り出すために設けたシール部が劣化して流体の漏れを生じたり、流量の測定が不要となったときにも配管中に配置した温度測定プローブが残ってしまう、温度測定プローブの間隔が固定されてしまい変更することができないという問題がある。
【０００４】
静電容量式の粉体流量計の測定原理は、配管内あるいは外部に組み込んだ一対の電極により流体の誘電率変化による容量の変動を測定し、積算容量から流量を、単位時間当たりの積算容量から平均流速を計測するものである。
【０００５】
静電容量式の流速計は、以下の３点の問題点がある。ア．測定対象流体の流れの有無に関わらず、あらゆる状況で均一流体である場合には、流体の誘電率が変化せず静電容量は変化しないので、原理上測定できない。イ．容量が変化するような上記の固気２相流体中の測定であっても、開発に当たっては様々な工夫が施されている。とくに測定の安定性を向上させるために、配管に設置する電極により生じる電界を配管内にのみ集中させるためのシールドや、電極形状を工夫している。よって、測定原理自体は、電極間の誘電率変化を測定するという極めて単純であるにもかかわらず、結局は配管の一部に電極（センサ）を内蔵した配管を挿入することにより、配管の径や形状に応じたセンサを用意する必要がある。ウ．配管が金属の場合は、配管の材質を金属以外の物質に変更する必要がある。
【０００６】
以上３点を解決することが可能なセンサを開発することができれば、そのセンサを上流側と下流側の任意の位置に配置し、それぞれが検出した波形の類似性から速度を計算する相関測定法により行うことで、可能となる。
【０００７】
上記アとウは、比較的容易に解決できる問題である。すなわち、アの問題は、均一流体の場合に発生する問題で、測定対象が完全に均一系である場合は実際上稀である。つまり測定対象が給湯器などの温水の流量や流速である場合、温水の温度はパルス的に制御されており、時間的に温度の高低差が生じる。つまり、制御上の温度揺らぎが生じる。よって単一物質の流れであっても、均質流体ではない。また、水の比誘電率は温度に対して敏感で、例えば２５℃と２６℃の水の比誘電率は、７８．５４１と７８．１９１となり、１℃の差で０．４５％変化する。これらより、温度の高低差による比誘電率の変化を静電容量変化として測定することが可能である。ウの問題は、給湯器から温水を取り出す部位に樹脂配管を使用することで解決している。
【０００８】
上記２点に比べ、イは困難な問題である。すなわち、静電容量の変化を安定的に測定するために、電界を測定対象に集中させるための配管形状にあわせシールドを施した電極が必要になっている。
【０００９】
静電容量式の流速測定装置あるいは流量測定装置自体は、これまでも数多くの開発が行われ、例えば、気体によって搬送される粉体の流量を計測する粉体流量計（富士時報第５４巻第８号（１９８１）第５３０頁〜５３６頁．富士電機株式会社）が市販品として存在する。この相関式粉粒流量検出装置は、電気絶縁性パイプの外壁に溶着した一対の薄い金属板から構成された静電検出用電極と、配管内の流体の濃度に依存して変換する静電電極の静電容量を検出する静電容量検出手段と、複数の静電容量検出手段から出力された検出信号の相関関係を算出して流体の流速を算出する流速検出手段とから構成される。
【００１０】
この構成の静電容量式の流速計は、パイプの外径によって電極間の距離が決まってしまうので電極間距離が大きくなりコンデンサ容量を自由に決めることができず、かつ、静電容量の変化が極めて小さな値となり配線間容量などのノイズ成分に影響されやすいという問題を有している。さらに、この構成の静電容量式の流速計は、あらかじめ電極をパイプの外側に溶着して設けなければならず、流速計のパイプへの取付けが容易ではないという問題を有している。
【００１１】
静電容量は、通常、図６に示すような電極１２，１３間の均一場を想定して、静電容量Ｃは式（１）のように記述される。
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで、ε_０は真空の誘電率、εｒは誘電体の比誘電率、ａ×ｂは電極面積、ｄは電極間隔であるとする。
【００１４】
（１）式は、実際よく利用される公式であるが、実際には正確ではない。実際には、図７のように、電極縁を回り込む電場の効果を考慮する必要がある。その近似式は、電極面積ａ×ｂ（＝Ａ）を人為的に平板間隔ｄの３／８だけ延ばして得られるとされ、下記（２）式のように記述できる。
【００１５】
【数２】

【００１６】
上記（１）式、（２）式に、それぞれ、ａ＝１．０（ｃｍ），ｂ＝１．０（ｃｍ），ｄ＝１．０（ｃｍ），ε_０＝８．８５４×１０^ー１２（Ｆ／ｍ^ー１）、εｒ＝１．０００５３６（２０℃の乾燥空気）を代入し計算すると、（１）式で計算した場合よりも（２）式で計算した場合の方が、約３．７５％も容量は大きくなる。
【００１７】
本発明者らは、外部に漏れる電場が測定に影響を与えるのであれば、発想を少し転換すれば外部に漏れた電界を測定に利用することが可能であると考える。
【００１８】
すなわち、電極間に測定対象を挿入せずとも、例えば電極のそばに測定対象を設置し、平行板電極の静電容量を測定すれば、流体による静電容量の変化を測定できることになり、上記問題は解決される。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、配管内を流れる流体の流速や流量を、温度によって流体の比誘電率が変化することを利用して静電容量の変化として取り出して検出する、温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置または静電容量式流量検出装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、静電容量の変化を検出する手段を、配管の外側の任意の位置に任意の間隔で配置することができ、配管内には何ら影響をおよぼすことがない温度揺らぎを利用した流速検出装置および流量検出装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第１のコンデンサと、誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第２のコンデンサと、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出手段と、第１のコンデンサと第２のコンデンサの静電容量の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の時間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段が算出した時間差と第１のコンデンサおよび第２のコンデンサ間の距離を用いて流速を算出する流速算出手段とからなる流速検出器とから構成され、第１のコンデンサと第２のコンデンサを、それぞれの静電電極の縁を回りこむ電場の効果を利用して配管内を流れる流体の比誘電率の変化を検出するように配管の外側に所定の間隔を置いて配置する温度揺らぎを利用した流速検出装置である。
【００２１】
本発明は、上記温度揺らぎを利用した流速検出装置において、第１のコンデンサと第２のコンデンサを構成する誘電体を平板状とし、静電容量検出手段を、コンデンサを含む発振回路としたことを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決するための本発明は、誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第１のコンデンサと、
誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第２のコンデンサと、
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
第１のコンデンサと第２のコンデンサの静電容量の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の時間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段が算出した時間差と第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの間隔を用いて算出した流速を所定時間積算して流量を算出する流量算出手段とからなる流量検出器とからなり、第１のコンデンサと第２のコンデンサが、が、それぞれの静電電極の縁を回りこむ電場の効果を利用して配管内を流れる流体の比誘電率の変化を検出するように配管の外側に所定の間隔を置いて配置されることを特徴とする温度揺らぎを利用した流量検出装置である。
【００２３】
本発明は、上記温度揺らぎを利用した流量検出装置において、第１のコンデンサと第２のコンデンサを構成する誘電体を平板状とし、静電容量検出手段が、例えばＲＣ発信回路やＬＣ発信回路のようなコンデンサを含む発振回路としたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置および温度揺らぎを利用した静電容量式流量検出装置の検出原理と構成の概要を説明する。
【００２５】
本発明は、図７に示した、コンデンサの電極縁を回り込む電場の効果を利用して、コンデンサに接触して設けた配管内を流れる流体の誘電率の変化（静電容量の変化）を検出する方式を採用している。
【００２６】
本発明にかかる温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置の構成の概要を図１を用いて、流速検出用の駆動回路である発振回路の構成の概要を図２を用いて説明する。
【００２７】
図１に示すように、本発明にかかる温度揺らぎを利用した流速検出装置は、平板状の誘電体１１Ａの両表面に設けた静電電極１２Ａ，１３Ａからなる第１のコンデンサ１Ａと、第１のコンデンサを発振用のコンデンサとした第１の発振回路２Ａとからなる第１の静電容量−周波数変換手段（静電容量検出手段）１０Ａと、平板状の誘電体１１Ｂの両表面に設けた静電電極１２Ｂ、１３Ｂからなる第２のコンデンサ１Ｂと、第２のコンデンサを発振用のコンデンサとした第２の発振回路２Ｂとからなる第２の静電容量−周波数変換手段（静電容量検出手段）１０Ｂと、第１の静電容量−周波数変換手段１０Ａと第２の静電容量−周波数変換手段１０Ｂの出力の変化を比較して両静電容量−周波数変換手段間の出力の時間差を算出する時間差算出手段３１および時間差算出手段が算出した時間差と第１のコンデンサおよび第２のコンデンサ間の距離Ｌを用いて流速を算出する流速算出手段３３からなる流速検出器３０とから構成される。
【００２８】
第１の静電容量−周波数変換手段１０Ａと第２の静電容量−周波数変換手段１０Ｂは、同一の構成を有しており、流体Ｒが流れる内部を配管５に接して設けられる。両静電容量−周波数変換手段１０Ａ、１０Ｂのコンデンサ１Ａ、１Ｂは、所定の間隔Ｌをおいて配置される。
【００２９】
コンデンサ１は、たとえば発泡スチロールからなる平板状の誘電体１の両表面にそれぞれ独立して設けられた静電電極１２と静電電極１３を有している。静電電極１２，１３は、それぞれアルミニウム箔を接触させたりアルミニウムを蒸着するなどの任意の手法によって誘電体１１の表面に設けることができる。
【００３０】
この実施例においては、コンデンサ１は、電極の大きさ５０ｍｍ×１３０ｍｍ、発泡スチロール誘電体の厚み７ｍｍ、静電電極の厚み５０μｍとしており、その静電容量は、、約１４ＰＦである。
【００３１】
図２に示すように、発振器２は、例えばＲＣ発振回路を用いて構成され、直列に接続された２個の排他的論理和素子２１、２２と、直列に接続された２個の抵抗２３，２４を互いに並列に接続し、排他的論理和素子２１、２２の接続点および抵抗２３、２４の接続点間にコンデンサ１を接続して構成される。排他的論理和素子２１の入力の一方は接地され他方は抵抗２３に接続される。排他的論理和素子２２の入力の一方は、電源Ｖｃｃに接続され他方は排他的論理和素子２１の出力とコンデンサ１に接続される。排他的論理和素子２２の出力ｆは抵抗２４に接続され出力端子とされる。
【００３２】
【数３】

【００３３】
上記（３）式に示すように、発振回路２の発振周波数ｆは、コンデンサ１０の容量Ｃが変化すると変化して、容量が変化したことすなわち配管５内を流れる流体Ｒの温度が変化したことを知ることができる。
【００３４】
測定対象物を設置しない場合の、コンデンサ１を含む静電容量−周波数変換手段１０の出力周波数ｆは、式（３）より求めることができ、図２の回路構成では、３２４ＫＨｚとなる。しかしながら、実際の発振周波数は、１３０ＫＨｚであり、これは、配線などの浮遊容量の影響を受けていると考えられる。
【００３５】
上記、静電容量−周波数変換手段１０を用いて、温度揺らぎ検出感度の測定値依存性を検討した結果を図３に示す。測定対象は、１５℃の水を樹脂製ホース（外径１．５ｃｍ、内径０．９ｃｍ）に平均流速１５ｃｍ／ｓｅｃで流し、その水流中に注射器にて７０℃の水を２．５ｃｃ注入したものである。曲線ａは図３の枠内にａとして示すようにコンデンサ１０の中心部に接して配管５を設けた場合であり、同様に曲線ｂから曲線ｄは、図３の枠内にｂ〜ｄとして示した位置に接して配管５を設けた場合を示している。
【００３６】
図３から、測定対象（流体）を電極間に挿入しないでも流体の温度揺らぎに基づく静電容量の変化を計測することが可能であることが確認できるとともに、その温水導入による周波数の変化は、測定対象（樹脂製ホース）をセンサの中央部に位置させるほど顕著であることを確認できた。
【００３７】
図１に示した、静電容量式流速検出装置における流速測定原理を図４を用いて説明する。流速は、コンデンサ１Ａ，１Ｂ間で気泡が生じるなど誘電率を変化させる水温変化以外の外的要因が生じない限り、相関測定法により第１の静電容量−周波数変換手段１Ａと第２の静電容量−周波数変換手段１Ｂで得られる信号遅れ時間（ｔｍ）とセンサ間隔（Ｌ）から算出することができる。
【００３８】
図５を用いて、実際の給湯器を用いて流速を測定した際の測定結果を説明する。測定は、平均流速４７ｃｍ／秒で温水を流し、コンデンサ１Ａとコンデンサ１Ｂは、２００ｃｍの間隔（Ｌ）で設置し、測定間隔を５００ｍｓｅｃとした。
【００３９】
上記測定の結果、各静電容量−周波数変換手段１０Ａ、１０Ｂで、水温の揺らぎを周波数変動Δｆとして測定できることが確認できた。周波数変動の絶対値は、静電容量−周波数変換手段１０の個体差があり、一致はしないが、周波数変動のパターンは非常に類似している。流速は、図５中のＡ〜Ｃの平均値で５２．３ｃｍ／秒であり、誤差は１１．３％であった。しかし、この値は平均流速であり、また、各測定点では平均流速に近い結果もあり、流速計算手法を最適化することで誤差１１．３％は十分低減可能であると考えられる。
【００４０】
以上のように、流体の温度の揺らぎを静電容量の変化によって測定する手法で、流速を測定することが可能な静電容量式流速検出装置を構築することができた。この流速検出装置は、測定対象の温度揺らぎによる静電容量を測定することで、流体が単一物質であっても、その流速を測定することが可能となった。
【００４１】
さらに、測定対象を、静電容量−周波数変換手段を構成するコンデンサの電極間に設置せず、コンデンサの上部に設置して測定を行うことが可能となる。したがって、この方式は、「配管形状にあわせてコンデンサの電極を作成する必要がない」、「積極的に漏れ電界を利用するので、シールドの必要がない」、「主容量を平行平板電極間で確保することになり安定性が向上する」という、これまでにないすぐれた効果を奏することができる流速検出装置である。
【００４２】
本発明は、給湯器の流速測定以外にも、様々な適用が存在すると考えられる。
【００４３】
以上の説明では、温度揺らぎを利用して流体の流速を静電容量式で測定する流速検出装置について説明したが、検出した流速を所定時間積算することによって流量を検出することができる。
【００４４】
すなわち、図１に示した温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置における流速検出手段３３の後段に、該流速検出出力を単位時間積分した値に配管の断面積を乗じて流量を算出する手段を設けることにより、配管中の流量を検出することができる。流速を所定時間積分した値に配管の断面積を乗じて流量を算出することは知られており、具体的な構成の説明を省略する。
【００４５】
上記説明において、本発明では、第１および第２のコンデンサを構成する誘電体を平板状としたが、静電容量の変化を検出するコンデンサとしては、平板状である必要はなく、例えば配管の外側に接するように湾曲した形状など、平板状以外のコンデンサ端縁の漏れ電界が配管内の流体内を通過する形状であれば、どのような形状であっても温度揺らぎによる静電容量の変化を検出することが可能である。
【００４６】
また、上記説明では、発振回路としてＲＣ発振回路を例にとって説明したが、静電容量の変化を発振周波数の変化として出力する発振回路であれば、コンデンサの容量の変化を利用して発振周波数を変化させるＬＣ発振回路などの他の発振回路を用いることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、配管に２個のコンデンサを接触させ、配管中を流れる流体の温度揺らぎによる静電容量の変化を検出し、その相関関係を検出して流速または流量を測定することができる。
【００４８】
本発明は、流体の誘電率の変化を検出するコンデンサを、配管の外部に配置するようにしたので、各コンデンサの配置場所を、例えば配管の上部や配管の下部など任意に選択することができるとともに、二つのコンデンサの間隔を任意に変更することができるので、流速にあわせて２つのコンデンサを配置することができる。さらに、コンデンサを配管の外部に配置するので、コンデンサの誘電体として任意の材質を用いたり、電極間距離や電極面積を任意の値とすることができ、コンデンサの容量を任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度揺らぎを利用した静電容量式流速検出装置の構成の概要を説明するブロック図。
【図２】図１の流速検出装置の発振器の構成例を説明する回路図。
【図３】本発明で使用する流体の温度揺らぎ検出結果を説明する図。
【図４】本発明の流速測定原理を説明する図。
【図５】本発明による流速測定結果を説明する図。
【図６】平行電極によって構成されるコンデンサの原理を説明する図。
【図７】本発明の誘電体の比誘電率を検出する原理を説明する図。
【符号の説明】
１コンデンサ
１０静電容量−周波数変換手段
１１誘電体
１２静電電極
１３静電電極
２発振器
２１，２２排他的論理和素子
２３，２４抵抗
３流速検出器
３１時間差算出手段
３２流速検出手段
５配管

Claims

誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第１のコンデンサと、
誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第２のコンデンサと、
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
第１のコンデンサと第２のコンデンサの静電容量の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の時間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段が算出した時間差と第１のコンデンサおよび第２のコンデンサ間の距離を用いて流速を算出する流速算出手段とからなる流速検出器とからなり、
第１のコンデンサと第２のコンデンサが、それぞれの静電電極の縁を回りこむ電場の効果を利用して配管内を流れる流体の比誘電率の変化を検出するように配管の外側に所定の間隔をおいて配置されることを特徴とする温度揺らぎを利用した流速検出装置。
第１のコンデンサと第２のコンデンサを構成する誘電体が平板状である請求項１に記載の温度揺らぎを利用した流速検出装置。
静電容量検出手段が、コンデンサを含む発振回路であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度揺らぎを利用した流速検出装置。
誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第１のコンデンサと、
誘電体の両表面に設けた静電電極からなる第２のコンデンサと、
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
第１のコンデンサと第２のコンデンサの静電容量の変化を比較して両コンデンサ間の静電容量の変化の時間差を算出する時間差算出手段および時間差算出手段が算出した時間差と第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの間隔を用いて算出した流速を所定時間積算して流量を算出する流量算出手段とからなる流量検出器とからなり、
第１のコンデンサと第２のコンデンサが、それぞれの静電電極の縁を回りこむ電場の効果を利用して配管内を流れる流体の比誘電率の変化を検出するように配管の外側に所定の間隔を置いて配置されることを特徴とする温度揺らぎを利用した流量検出装置。
第１のコンデンサと第２のコンデンサを構成する誘電体が平板状である請求項４に記載の温度揺らぎを利用した流量検出装置。
静電容量検出手段が、コンデンサを含む発振回路であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の温度揺らぎを利用した流量検出装置。