JP4106075B2 - 流量計測装置 - Google Patents
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Description
このような状況に鑑みて、マイクロ波を利用した微量粉流量計が提案されている(特許文献1、参照)。かかる構成において、誘電体で充填した空洞内を貫通する微粉流路に対してマイクロ波ビームを照射することにより、微粉流量に応じた干渉縞パターンの変化を検知し、当該変化に基づいて微粉流量を解析する。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波の定在波あるいは進行波による空間フィルタを構成して観測時間中の通過油滴の体積を測定して流量を求めるなど、微量な液体や粉末の搬送といった分野で正確な流量計測を実現させる流量計測装置を提供することを目的とする。
また、請求項3に記載の発明では、上記空洞共振器は、上記貫通管路を完全に露出するように分離可能に形成されている構成としてある。
(1)第1の実施形態:
(1−1)装置構成:
(1−2)解析理論:
(2)第2の実施形態:
(3)第3の実施形態
(1−1)装置構成
図1は、流量計測装置を断面図により示している。図において、定在波型の空洞共振器10は、金属素材により概略円筒形形状に形成されている。空洞共振器10は、円筒形の本体筒部11と、当該本体筒部11の両端を概ね閉塞する端部壁材12a,12bと、同端部壁材12a,12bの軸芯と一致するように配置されて外方へ突出する金属筒体13a,13bと、本体筒部11の内部で軸芯と一致しつつ両端部を上記金属製筒体13a,13bに連結される誘電素材の管路支持体14とから構成されている。ここで、上記金属製筒体13a,13bと誘電体の素材からなる管路支持体14とは内径が一致するように形成されている。この結果、当該空洞共振器10はその軸芯に貫通管路を有することになる。なお、本体筒部11と、端部壁材12a,12bと、金属筒体13a,13bとは、一体で形成することもできるし、それぞれを個別に形成して組み付ける構成とすることもできる。
以下、上記のように構成した流量計測装置によって、輸送管路Pを空気とともに流動するオイルエアーに含まれる油滴の流速を解析するための理論について説明する。なお、オイルエアーは不飽和の油滴を供給するための空気流であり、各種機械に対する微量の給油に用いられる。オイルエアーによる給油方式は、空気が高速に流れる輸送管路Pに微少体積の油滴を容積ポンプなどで間欠的に滴下することにより行われ、通常、給油量の調節は油滴の滴下周期の調節によって実現されている。油滴はオイルエアーの下流に行くに従って平準化されるが、滴下直後においては油滴による空間斑が数メートルにわたって保持される。このオイルエアーは管路を通しての撮影が困難である事から模式的に誇張して示すと図5の様である。このようにオイルエアーにおける油滴の流れは輸送管路Pの管壁に沿うこととなり、当該輸送管路Pの軸方向に沿った一筋の流れとなるが、当該軸方向に直交する断面において油滴が存在する位置は定まらない。
上記の(2)式において、Aは電界強度Eの振幅を示し、λは電界強度E(定在波)の波長を示している。ここで、油滴OMの軸方向の流速をUとすると、油滴OMが存在する輸送管路Pの軸方向の位置xは、時間tを使用して下記の(3)式のように表すことができる。
上記の(2)式と(3)式を上記の(1)に代入すると、下記の(4)式を得ることができる。
上記の(4)式によれば、吸収電力Sが時間tの周期関数で表せたこととなる。同時に、吸収電力Sが位置xの周期関数であるということも言える。ここで、cosθの倍角定理より、任意の角度θについて下記の(5)式が成立する。
上記の(5)式の関係によって、上記の(4)式を整理すると、下記の(6)式を得ることができる。
上記の(6)の第1項は位置xおよび時間tにかかわらず一定の値を示す直流成分となる。一方、第2項は余弦関数で表され、位置x=Ut=λ/2の空間ごとに周期的な変動を示す交流成分となる。すなわち、油滴OMがマイクロ波(定在波)の波長λの半分の長さλ/2だけ進むごとに吸収電力Sの交流成分は周期的に変動することとなる。また、この交流成分の振幅は、体積qに比例した値となっている。以上の考察から、定在波による電磁界の場を通過する油滴OMによる吸収電力Sは、油滴OMの軸方向の長さλ/2において周期的な交流成分を含み、当該交流成分の振幅は油滴OMの体積qに比例することが分かる。なお、図3に示すように軸方向に直交する方向の位置に関しては、電界強度Eが一定に保たれているため、当該方向のいずれの位置に油滴OMが流動していても上記の(6)式が成立すると考えることができる。
上記の(8)式においては、各周波数区分fiついて流速Uiと受信電力RPの交流成分の振幅の合計値aiを乗算し、当該乗算値を全周波数fiについて合計し、さらに所定の校正係数kを乗算することによって体積流量Qを算出している。上記の(6)式により、受信電力RPの交流成分の振幅は油滴OMの体積qに比例することが分かっているため、各周波数区分fiついての振幅の合計値aiは、各周波数区分fiに属する複数の油滴OMの体積qの合計値に比例した値であると考えることができる。一方、流速Uiは、当該流速Uiに対応する周波数区分fiに属する油滴OMが軸方向の単位長さに存在する確率相当値であると考えることができるため、Ui×aiは、軸方向の単位長さに存在する各周波数区分fiに属する複数の油滴OMの体積qの合計値に比例する値であると考えることができる。従って、Ui×aiを全周波数区分fiについて合計したΣUi×aiは、全体積流量Qに比例した値となる。
上記の(9)式において、D0は校正定数kを算出した際の受信電力RPの直流成分DCの大きさを示し、D1は実際の計測時の受信電力RPの直流成分DCの大きさを示している。上述したとおり、直流成分DCは送信アンテナ15aが発信したマイクロ波の電界強度を反映した値であると考えられるため、送信アンテナ15aが発信したマイクロ波の電界強度に依存しない体積流量Qを求めることが可能となる。なお、上記の(6)式が示すように、受信電力RPの交流成分の振幅は油滴OMの誘電率εと誘電正接tanδに依存するため、校正係数kは油滴OMの種類ごとに算出しておく必要がある。
図9は、図1に示す上記の全ての構成に加えて端部壁材12aの軸端側内壁面に電波吸収体16を配設して無反射面を形成してある。これにより、上記空洞共振器10内に進行波を形成することが出来る。進行波においても当該空洞共振器10の軸方向に直交する方向にかんして略均一な電界強度となる電磁界の場を形成することができる。そして、輸送管路Pに誘電体たる油滴OMを不飽和に含んだオイルエアーを流動させることにより、同油滴OMによる電磁界の場の変化を受信アンテナ15bを介して検出することができる。ただし、進行波においては受信アンテナ15bが受信するマイクロ波の電界強度が絶えず変動するため、上記解析とは異なる手法によって解析を行う必要がある。
なお、上記の(10)式において、Aは送信波の振幅を示し、Bは反射波の振幅を示し、f1は送信波の周波数を示し、f2は反射波の周波数を示している。上記の(10)式の左辺に示すように混合波は送信波と反射波を乗算したものであり、右辺のように展開することができる。右辺の第1項では送信波と反射波の周波数の差(f1−f2)を意味するビート周波数δfが表れ、右辺の第2項では送信波と反射波の周波数の和(f1+f2)が表れる。すなわち、混合波には低周波成分と高周波成分が含まれるということができる。
C>>Uであるため、上記の(11)式を下記の(12)式で表すことができる。
上記の(12)式によれば、混合波におけるビート周波数δfと油滴OMの速度Uとの関係を得ることができる。従って、アンテナ13にて受信された混合波のうち低周波成分の周波数(ビート周波数)を解析することにより、油滴OMの速度Uを算出することができる。
図10は、上記一対の送信アンテナ15aと受信アンテナ15bとに代えて、ヘリカルアンテナからなる送受信アンテナ17で形成した変形例を示し、図11は端部壁材12bの側に平面のスパイラルアンテナで形成した送受信アンテナ18で形成した変形例を示している。なお、これらの送受信アンテナ17,18を利用する場合は空洞共振器10を分離可能に形成しつつ、合体時には相対面する導線の端部同士が電気的に接続し、一定長の連続する電路を形成して所定長のアンテナとして作動するようにする。このようにしても、第1の実施形態と同様の解析を行うことができる。
Claims (4)
- 導波管型の空洞共振器と、
この空洞共振器を貫通する貫通管路と、
誘電体で形成されるとともに上記空洞共振器の内部において上記貫通管路の外側を取り巻く管路支持体と、
この空洞共振器の内部における上記管路支持体の外側の空洞において上記空洞共振器内にマイクロ波を送信することにより、当該空洞共振器内おける誘電性の流体の流動方向の空間軸に関して周期的かつ定在的な定在波の場を形成する送信アンテナと、
同形成された定在波を受信する受信アンテナと、
上記受信アンテナから得られる受信電力の交流成分の周波数に基づいて上記定在波の場を流動する上記流体の流速を算出し、上記交流成分の振幅に基づいて上記流体の体積を算出するとともに、当該流速と当該体積に基づいて上記流体の流量を算出するコンピュータを具備することを特徴とする流量計測装置。 - 上記空洞共振器における上記貫通管路の開口部から外方に向けて突出する同空洞共振器の内径より小さい開口径の金属筒体を有することを特徴とする請求項1に記載の流量計測装置。
- 上記空洞共振器は、上記貫通管路を完全に露出するように分離可能に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の流量計測装置。
- 上記体積を算出するにあたり、上記受信アンテナから得られる受信電力の直流成分に基づいて上記体積を補正することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の流量計測装置。
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