JP3607364B2 - Flow measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、気体と液体とを混合する混合室から噴射された混相流中の液体の流量を測定する流量測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、上記のような、混合室内で気体と液体とを混合して噴射する技術が、例えば自動車のエンジン内にガソリンを噴入する装置等に使用されている。
図3は、混合室の模式図である。
この混合室10には、液体(例えばガソリン)11と気体(例えば空気)12が流入し、この混合室10の内部でそれらが混合されてその混合室10から噴射される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
例えば上述した、エンジン内へのガソリンの噴入量の時間的変化を測定することが要望されているが、これまでは、適切な測定手法が見出されていない。
例えば、混合室10から噴出された混相流を圧力センサ等に吹き付けてその圧力変化から噴射量を求める、いわゆるモーメンタム法を採用することが考えられるが、混相流中の液体の吹付圧力と気体の吹付圧力とを分離することができず、したがって混相流中の液体のみの噴出量を測定することはできない。
【0004】
本発明は、上記事情に鑑み、噴射混相流中の液体の噴射量を、気体の噴射量とは分離して測定する流量測定装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の流量測定装置は、気体と液体との双方が流入する所定の混合室から噴射された、これらの気体と液体とが混合された混相流中の液体の噴出量を測定する流量測定装置であって、
(1)混合室に流入する液体の流量を測定する流量センサ
(2)混合室内の気体の体積ないし体積変化を測定する体積センサ
(3)流量センサで測定された流量と体積センサで測定された体積ないし体積変化とに基づいて、混相流中の液体の噴出量を求める演算部
を備えたことを特徴とする。
【0006】
ここで、上記本発明の流量測定装置において、上記(2)の体積センサが、
(2−1)混合室内の気体中に、少なくとも所定の周波数を含む音波を放出する音源
(2−2)混合室内の圧力を測定する圧力センサ
(2−3)混合室内の、所定の周波数の音圧を測定する音圧センサを備えたものであることが好ましい。
【0007】
【作用】
図1は、本発明の原理説明図であり、図3に示す混合室の模式図に、各種記号を書き加えた図である。本発明の流量測定装置は、この図1に示すような矩形の混合室等にのみ適用されるものではないが、解り易さのため、以下、この図1を参照しながら、本発明の測定原理について説明する。
【0008】
図1に示す系で、液体11の混合室10への流入体積速度をQL,in(t)、混合室10の内容積をVO 、混合室10内の液体11の体積をVL (t)、混合室10内の気体の体積をVG (t)、混合室10から噴射される混相流中の液体の流出体積速度をQL,out (t)とする。尚、(t)は時刻tの関数であることを表わす。ここで求めようとしているのは、液体の流出体積速度QL,out (t)である。
【0009】
混合室10の内の液体11の体積VL (t)は、
VL (t)=VO −VG (t) ……(1)
で与えられるので、
【0010】
【数1】
【0011】
により、噴射混相流中の液体の流出体積速度QL,out (t)が推定される。ただし、ここでは、液体11は、非圧縮性流体であるとしている。
すなわち(2)式によると、混合室10に流入する液体11の流入体積速度QL,in(t)と、混合室10内の気体12の体積VG (t)もしくはその体積変化{dVG (t)/dt}とを測定することにより、噴射混相流中の流体の流出体積速度QL,out (t)を求めることができる。
【0012】
(液体の流入体積速度QL,in(t)の測定)
これは、液体のみが液体流入管13内を流れている状態における液体の流入体積速度であるから、例えばレーザドプラ流速計、超音波流速計等によりその液体11の流速VL,in(t)を測定し、管13(図1参照)の内断面積をS、補正係数をαとして、
QL,in(t)=α・S・VL,in(t) ……(3)
により求めることができる。この、液体流入管13内を流れる液体の体積速度を求める手法自体は従来知られており、また流速計についても種々の原理に基づくものが従来知られており、ここでは、これ以上の詳細説明は省略する。
【0013】
(混合室内の気体の体積ないし体積変化の測定)
本発明は、混合室内の体積ないし体積変化を求める手法自体を特定の手法に限定するものではなく、例えば混合室10を透明体で形成し混合室10の内部の様子を連続的に撮影して画像処理を行なうこと等によってその体積ないし体積変化を測定するものであってもよいが、ここでは、例えば上述したガソリンの噴入のような、例えば数msecを単位とした高速の流量変化を知ることのできる手法として、以下の原理に基づく、気体の体積を測定する手法を説明する。
【0014】
混合室10内に、角周波数ω,体積速度QO の音波QO exp(jωt)を発生する音源を配置して混合室10内の気体に音波(圧力変化)を与え、その混合室10内の気体の圧力PO と、角周波数ωの音圧PW exp(jωt)を測定する。尚、jは虚数単位を表わす。ここでは、混合室10内の代表的な長さが音波QO exp(jωt)の波長に比べ十分小さいものとする。
【0015】
混合室10内部の気体12の密度をρ、粒子速度(ベクトル)をvとしたとき、質量に関する連続の式は、
【0016】
【数2】
【0017】
で表わされる。また、混合室10内の気体12の圧力をPとし、
P = PO + p
ρ = ρO + ρ´
v = vO + v´= v´ ……(5)
のように、平行状態での圧力PO ,密度ρO ,速度vO と、それからの偏差p(音圧),ρ´,v´との和で表わす。ただし、粒子速度vについては、平衡状態では気体の流れはないものとし、したがって粒子速度vO はvO =0とする。
【0018】
(5)式を(4)式に代入すると、PO ,ρO は一定値であるため、
【0019】
【数3】
【0020】
となる。この(6)式の左辺の第3項v´・grad(ρ´)は2次の微小量であるためこれを省略すると、
【0021】
【数4】
【0022】
が成立する。
更に、熱力学考察より、気体の密度ρを圧力PとエントロピーSとの関数
ρ = ρ(P,S) ……(7)
と考えるとともに、熱伝導や粘性の影響は無視できる等エントロピー過程を考え、
【0023】
【数5】
【0024】
ここで(…)S,O の‘o’は平衡状態での値であることを示している。(7)式は、
【0025】
【数6】
【0026】
となる。
次に、上記(9)式を混合室10の気体12の部分全体(VG )にわたって積分する。
ここで、上述したように、混合室10の長さディメンションは音波の波長に比べて十分小さい場合は、音圧は混合室10内部で一様と考えてよく、
【0027】
【数7】
【0028】
但し、xはベクトルを表わす
となる。
さて、(9)式をVG 内で積分し、
【0029】
【数8】
【0030】
を得る。ただし、簡単のため音源は平面ピストン音源とし、音源の振動速度の法線成分をVn ・exp(jωt),音源の面積をA、また、
P = PW exp(jωt)
とし、共通因子exp(jωt)は省略した。(11)式より、
【0031】
【数9】
【0032】
QO = −A・Vn ……(13)
を得る。理想気体の場合には、
【0033】
【数10】
【0034】
が成り立ち、(12)式は、
【0035】
【数11】
【0036】
となる。従って
【0037】
【数12】
【0038】
を得る。
尚、今まで、VG ,PO は一定としたが、これらがexp(jωt)に比べ、ゆっくり変化する場合には、
VG → VG (t), PO → PO (t) ……(18)
としてよい。また、(5)式以降vO =0としたが、気体の熱伝導の影響は無視し得るとして(10)式で仮定したのと同じ理由で、密度ρ=ρ0 +ρ’も混合室内では空間的に一様に変化すると考えるならば、そして、音波の時間変動が背景のP0 (t)等の時間変動に比べ十分速いとするならばvO ≠0の場合にも、(7)式は成り立つことになる。
【0039】
ここで、上記(17)式において、音源の体積速度QO は測定、制御可能な量であり、圧力PO ,音圧PW も測定可能量である。
ところで(17)式中に示される比熱比γは、理想気体の場合は比熱比でよかったが、現実には、混合室10の内壁と気体との間の熱伝導は無視できない。そこで、上記(17)式を、
【0040】
【数13】
【0041】
と書き換える。ここで、γeff は低周波でγeff ≒1、高周波では、γeff ≒γとなる複素数値をとる無次元量である。このγeff は球や円筒内部等の簡単な境界条件の場合は容易に算出し得るが、図1に示すような複雑な系については解析的な手法では一般的には求めることはできない。
そこで、混合室10の内部の形状、攪拌状態等とγeff との関係マップを、測定データを基に作成しておき、その関係マップから求められたγeff を用いてVG を推定することが望ましい。
【0042】
このようにして、(3)式に基づいて液体の流入体積速度QL,in(t)を求めるとともに、(17)式ないし(19)式に基づいて混合室内部の気体の体積VG を求めることにより、(2)式から、噴射混相流中の液体の流出体積速度QL,out (t)が求められる。
尚、上記説明では、混合室10内部の体積VO としては、混合室10内部の幾何学的形状のみにより定まる体積を想定したが、必要に応じて、幾何学的な体積に代わり、実効的な体積を想定してもよい。また必要に応じて、混合室10に流入する気体12の流路に音響フィルタを取り付けてもよい。
【0043】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図2は、図1に示す混合室に、本発明の流量測定装置の一実施例を取り付けた状態を示す模式図である。この図2中に記入された符号は、図1もしくは図3に記入された符号、もしくは、前述した各式中に表われた符号と同一の意味を有しており、ここでは重複説明は省略する。
【0044】
液体流入管13には、その管13の内部を流れる液体11の流速を測定する、レーザドプラ流速計(LDV)20が備えられており、流速VL,in(t)が求められ、演算部26では、前述した(3)式に従って、入力された流速VL,in(t)を基に、液体11の流入体積速度QL,in(t)が求められる。尚、本実施例ではLVD20と、演算部26の流速VL,in(t)を流入体積速度QL,in(t)に換算する機能とを合わせた構成が、本発明にいう流量センサに対応する。
【0045】
また、混合室10の壁には、音源21,圧力センサ22,音圧センサ23が備えられている。圧力センサ22は、混合室10の内部の気体12の静圧(もしくはexp(jωt)と比べゆっくりと変化する準静圧)を測定するものであり、音圧センサ23は、角周波数ωの圧力変化を測定するものである。ここでは、名称で区別しているが、圧力センサ22および音圧センサ23は各用途を満足するものであればよく、各用途を満足する限り、同一仕様のものであってもよい。また、その場合、気体の圧力ないし音圧を直接測定する部分は1つであって、フィルタ等により圧力(静圧ないし準静圧)と音圧(角周波数ω)とに分けてもよい。
【0046】
音源21は、その音源に入力される駆動信号Dに応じて混合室10の内部側の面(面積A)がQO exp(jωt)で振動する。その駆動信号Dは、振幅QO の情報を担持する信号として、演算部26に入力される。
圧力センサ22は、混合室10内部の気体12の圧力を測定するためのセンサであり、圧力センサ22からの出力信号は、ローパスフィルタ24に入力され、静圧ないし準静圧PO を表わす信号が抽出されて演算部26に入力される。
【0047】
また、音圧センサ23は、混合室10の内部の気体12の、角周波数ωの音圧PW を測定するためのセンサであり、音圧センサ23からの出力信号は、バンドパスフィルタ25に入力され、角周波数ωの音圧PW を表わす信号が抽出されて演算部26に入力される。
演算部26には、この図2に示す系においてあらかじめ測定されたγeff についてのデータが格納されており、演算部26では、前述した(19)式に基づいて、混合室10の内部の気体に体積VG (t)が求められる。
【0048】
このようにして、演算部26では、液体11の流入体積速度QL,in(t)と、混合室10の内部の気体12の体積VG (t)が求められ、さらに、前述した(2)式に基づいて液体11の流出体積速度QL,out (t)が求められる。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、噴射混相流中の液体の噴射量を、気体の噴射量とは分離して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図であり、図3に示す混合室の模式図に、各種記号を書き加えた図である。
【図2】図1に示す混合室に、本発明の流量測定装置の一実施例を取り付けた状態を示す模式図である。
【図3】混合室の模式図である。
【符号の説明】
10 混合室
11 液体
12 気体
13 液体流入管
20 レーザドプラ流速計
21 音源
22 圧力センサ
23 音圧センサ
24,25 フィルタ
26 演算部[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a flow rate measuring device for measuring a flow rate of a liquid in a multiphase flow ejected from a mixing chamber for mixing a gas and a liquid.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a technique for mixing and injecting a gas and a liquid in a mixing chamber as described above has been used in, for example, an apparatus for injecting gasoline into an engine of an automobile.
FIG. 3 is a schematic view of the mixing chamber.
A liquid (for example, gasoline) 11 and a gas (for example, air) 12 flow into the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
For example, it is desired to measure the temporal change in the amount of gasoline injected into the engine as described above, but no appropriate measurement method has been found so far.
For example, it is conceivable to employ a so-called momentum method in which a mixed phase flow ejected from the
[0004]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a flow rate measuring device that measures a liquid injection amount in an injection multiphase flow separately from a gas injection amount.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The flow rate measuring device of the present invention that achieves the above object is characterized in that the amount of liquid ejected in a mixed phase flow in which both the gas and the liquid are ejected is injected from a predetermined mixing chamber into which both the gas and the liquid flow. A flow measuring device for measuring,
(1) A flow sensor for measuring the flow rate of the liquid flowing into the mixing chamber (2) A volume sensor for measuring the volume or volume change of the gas in the mixing chamber (3) The flow rate measured by the flow sensor and the volume sensor A calculation unit is provided that calculates the amount of liquid ejected in the multiphase flow based on the volume or volume change.
[0006]
Here, in the flow rate measuring device of the present invention, the volume sensor of the above (2) is
(2-1) A sound source that emits sound waves including at least a predetermined frequency in the gas in the mixing chamber (2-2) A pressure sensor that measures the pressure in the mixing chamber (2-3) A predetermined frequency in the mixing chamber It is preferable that a sound pressure sensor for measuring the sound pressure is provided.
[0007]
[Action]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention, in which various symbols are added to the schematic diagram of the mixing chamber shown in FIG. The flow rate measuring device of the present invention is not applied only to the rectangular mixing chamber or the like as shown in FIG. 1, but for the sake of easy understanding, hereinafter, the measurement of the present invention will be described with reference to FIG. The principle will be described.
[0008]
In the system shown in FIG. 1, the inflow volume velocity of the
[0009]
The volume V L (t) of the
V L (t) = V O −V G (t) (1)
Is given by
[0010]
[Expression 1]
[0011]
Thus, the outflow volume velocity Q L, out (t) of the liquid in the jet mixed phase flow is estimated. However, here, the
That is, according to the equation (2), the inflow volume velocity Q L, in (t) of the
[0012]
(Measurement of liquid inflow volume velocity Q L, in (t))
This is the inflow volume velocity of the liquid in a state where only the liquid is flowing in the
Q L, in (t) = α · S · V L, in (t) (3)
It can ask for. The technique itself for determining the volume velocity of the liquid flowing in the
[0013]
(Measurement of volume or volume change of gas in mixing chamber)
The present invention does not limit the method itself for obtaining the volume or volume change in the mixing chamber to a specific method. For example, the
[0014]
A sound source that generates a sound wave Q O exp (jωt) having an angular frequency ω and a volume velocity Q O is disposed in the
[0015]
When the density of the
[0016]
[Expression 2]
[0017]
It is represented by Further, the pressure of the
P = PO + p
ρ = ρ O + ρ ′
v = v O + v'= v' ...... (5)
The pressure P O , the density ρ O , the velocity v O in the parallel state and the deviation p (sound pressure), ρ ′, v ′ therefrom are expressed as follows. However, regarding the particle velocity v, it is assumed that there is no gas flow in the equilibrium state, and therefore the particle velocity v O is set to v O = 0.
[0018]
By substituting equation (5) into equation (4), P O and ρ O are constant values.
[0019]
[Equation 3]
[0020]
It becomes. Since the third term v ′ · grad (ρ ′) on the left side of the equation (6) is a secondary minute amount, if omitted,
[0021]
[Expression 4]
[0022]
Is established.
Furthermore, from the thermodynamic consideration, the density ρ of the gas is a function ρ = ρ (P, S) of the pressure P and the entropy S (7)
And an isentropic process where the effects of heat conduction and viscosity are negligible,
[0023]
[Equation 5]
[0024]
Here, (...) “o” of S and O indicates a value in an equilibrium state. Equation (7) is
[0025]
[Formula 6]
[0026]
It becomes.
Next, the above equation (9) is integrated over the entire portion (V G ) of the
Here, as described above, when the length dimension of the mixing
[0027]
[Expression 7]
[0028]
However, x represents a vector.
Now, integrated in the V G the equation (9),
[0029]
[Equation 8]
[0030]
Get. However, for simplicity, the sound source is a flat piston sound source, the normal component of the vibration speed of the sound source is V n · exp (jωt), the area of the sound source is A,
P = P W exp (jωt)
And the common factor exp (jωt) was omitted. From equation (11)
[0031]
[Equation 9]
[0032]
Q O = −A · V n (13)
Get. In the case of an ideal gas,
[0033]
[Expression 10]
[0034]
And the equation (12) is
[0035]
[Expression 11]
[0036]
It becomes. Therefore, [0037]
[Expression 12]
[0038]
Get.
Until now, V G and PO have been constant, but when these change slowly compared to exp (jωt),
V G → V G (t) , P O → P O (t) ...... (18)
As good as Also, (5) was the expression since
[0039]
Here, in the above equation (17), the volume velocity Q O of the sound source is a quantity that can be measured and controlled, and the pressure P O and the sound pressure P W are also measurable quantities.
Incidentally, the specific heat ratio γ shown in the equation (17) may be the specific heat ratio in the case of an ideal gas, but in reality, the heat conduction between the inner wall of the mixing
[0040]
[Formula 13]
[0041]
And rewrite. Here, gamma eff is gamma eff ≒ 1 at low frequencies, the high frequency is a dimensionless quantity that takes complex values to be γ eff ≒ γ. This γ eff can be easily calculated in the case of a simple boundary condition such as the inside of a sphere or cylinder, but it cannot be generally obtained by an analytical method for a complicated system as shown in FIG.
Therefore, the internal shape of the mixing
[0042]
In this way, the liquid inflow volume velocity Q L, in (t) is obtained based on the equation (3), and the gas volume V G in the mixing chamber is calculated based on the equations (17) to (19). By obtaining, the outflow volume velocity Q L, out (t) of the liquid in the jet mixed phase flow is obtained from the equation (2).
In the above description, the volume V O inside the mixing
[0043]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which one embodiment of the flow measuring device of the present invention is attached to the mixing chamber shown in FIG. 2 has the same meaning as the code entered in FIG. 1 or FIG. 3 or the code shown in each of the above-mentioned formulas, and redundant description is omitted here. To do.
[0044]
The
[0045]
A
[0046]
In the
The
[0047]
The
Data on γ eff measured in advance in the system shown in FIG. 2 is stored in the
[0048]
In this way, the
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the injection amount of the liquid in the injection multiphase flow can be measured separately from the injection amount of the gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention, and is a diagram in which various symbols are added to the schematic diagram of the mixing chamber shown in FIG. 3;
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which one embodiment of the flow measuring device of the present invention is attached to the mixing chamber shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic view of a mixing chamber.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記混合室に流入する液体の流量を測定する流量センサと、
前記混合室内の気体の体積ないし体積変化を測定する体積センサと、
前記流量センサで測定された前記流量と前記体積センサで測定された前記体積ないし前記体積変化とに基づいて、前記混相流中の液体の噴出量を求める演算部とを備えたことを特徴とする流量測定装置。A flow rate measuring device that measures the amount of liquid ejected from a predetermined mixing chamber into which both gas and liquid flow, in a mixed phase flow in which these gas and liquid are mixed,
A flow rate sensor for measuring the flow rate of the liquid flowing into the mixing chamber;
A volume sensor for measuring the volume or volume change of the gas in the mixing chamber;
And a calculation unit for obtaining an ejection amount of the liquid in the multiphase flow based on the flow rate measured by the flow rate sensor and the volume or the volume change measured by the volume sensor. Flow measurement device.
前記混合室内の気体中に、少なくとも所定の周波数を含む音波を放出する音源と、
前記混合室内の圧力を測定する圧力センサと、
前記混合室内の、前記所定の周波数の音圧を測定する音圧センサとを備えたことを特徴とする請求項1記載の流量測定装置。The volume sensor is
A sound source that emits sound waves including at least a predetermined frequency in the gas in the mixing chamber;
A pressure sensor for measuring the pressure in the mixing chamber;
The flow rate measuring device according to claim 1, further comprising: a sound pressure sensor that measures a sound pressure of the predetermined frequency in the mixing chamber.
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