JP4634270B2 - An anemometer using a surface acoustic wave device, its element, and a method for measuring the velocity - Google Patents
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Description
本発明は、弾性表面波素子を用いた流速計に関し、例えば、耐久性を有し、圧力や密度の変化を検知可能な小型の流速計に関する。 The present invention relates to a flowmeter using a surface acoustic wave element, for example, a small-sized flowmeter that has durability and can detect changes in pressure and density.
気体の流れる速度を測定するものとして、一般大気を前提とした風速計がある。これは一種の流速計である。一方流量計とは、たとえば質量流量計は、一定時間にいくらの質量の気体が所定の断面を流動しているかを測定するものである。流量計と流速計は、流量計が一般には密度が大きく変化しない液体などを測定対象として、ある箇所から流れる総量を測定するものであるのに対して、流速計は、局所的なあるいはその分布として物質の移動速度を指す点が異なる。流体が流れる一定の断面を仮定してその断面法線方向に横切る速度と密度との積を断面にわたって積分した値が流量となる。 An anemometer based on the general atmosphere is used to measure the velocity of gas flow. This is a kind of anemometer. On the other hand, a flow meter is, for example, a mass flow meter that measures how much mass of gas is flowing in a predetermined cross section in a certain time. Flowmeters and velocimeters measure the total amount flowing from a certain point, with liquid meters generally measuring liquids whose density does not change significantly, whereas flowmeters are localized or their distribution. As for the point which shows the movement speed of the substance as. Assuming a constant cross section through which the fluid flows, the value obtained by integrating the product of the velocity and density crossing in the normal direction of the cross section over the cross section is the flow rate.
たとえば配管内部においては基材が配管断面を塞ぐことによって、基材表面を流れる流体の実際の速度は速くなるが、この速度は配管内部の基材が塞いでいない部位の配管断面にわたる断面垂直方向の流速の平均値とは異なる値を示すが、配管内を流れる流体の流速あるいは流量に変化に従って変化する。 For example, when the base material closes the pipe cross section inside the pipe, the actual speed of the fluid flowing on the base surface increases, but this speed is perpendicular to the cross section of the pipe cross section of the part where the base material inside the pipe is not plugged. Although the value is different from the average value of the flow velocity of the fluid, it changes according to the change in the flow velocity or flow rate of the fluid flowing in the pipe.
本発明は、流量計測に用いることも可能であり、測定対象を流速、あるいは流量を測定対象とするかは区別せず、広い意味で流量を求める計測行為や、その装置を流速測定あるいは流速計と称することとする。基材が配置された空間において、流体の移動に伴って基材の持つ熱量の流出が起きることを利用して流れの程度を測定するものであればよい。 The present invention can also be used for flow rate measurement, and does not distinguish whether the measurement target is a flow rate or whether the flow rate is a measurement target. It shall be called. Any method may be used as long as the degree of flow is measured by utilizing the outflow of the heat amount of the base material as the fluid moves in the space where the base material is disposed.
さらに、本発明は、実際の流速が一定であっても、周囲の流体の密度が変化したり、熱伝導率の異なる流体が流れても、その変化を失う熱量の変化として検知する。この場合にも、流体の流れの状況を、基材からの熱の流出速度をもって検知するものであれば其れを除外するものではない。 Furthermore, even if the actual flow rate is constant, the present invention detects the change in the amount of heat that loses the change even if the density of the surrounding fluid changes or fluids with different thermal conductivities flow. Also in this case, as long as the flow state of the fluid is detected by the heat outflow rate from the base material, it is not excluded.
圧力が変化して密度が変わる場合に、流量計は当然異なる流量を指すが、流速はその媒体の移動速度が同じであれば同じ値を示す。気体を扱う場合、気体の運動量によって空間的に密度分布を生じることから、その流速分布を測定する必要が生じてくる。 When the pressure changes and the density changes, the flow meter naturally indicates a different flow rate, but the flow rate shows the same value if the moving speed of the medium is the same. When a gas is handled, a density distribution is generated spatially depending on the momentum of the gas, so that it is necessary to measure the flow velocity distribution.
つまり、流体の流れを制御したり、測定したりする場合に、流体の密度と流れとを独立に測定することが望まれている。 That is, it is desired to measure the density and flow of the fluid independently when controlling or measuring the flow of the fluid.
なお、流速に関しては、従来から熱線風速計などが知られている(例えば、特許文献1参照)。そこで、このような風速計を利用して配管内の水素ガス等の流速等を求めることも考えられている。
近年、マイクロフルーイッドチップが非常に微量な液体材料を用いたプロセスとして研究されており、複雑なプロセスを小型に構成する研究も成されている。また、微量の気体材料を用いたプロセスも開発されている。微量のガス分析装置や臭い分析においては、ピストンやロータリー式のポンプを用いて非常に微量の気体の流量を制御するが、その流量を測定する装置を小型化することは難しい。 In recent years, a microfluidic chip has been studied as a process using a very small amount of liquid material, and studies have been made to make a complicated process small. A process using a small amount of gaseous material has also been developed. In a very small amount of gas analyzer or odor analysis, the flow rate of a very small amount of gas is controlled using a piston or a rotary pump, but it is difficult to downsize the device for measuring the flow rate.
また、流速(流量)測定において、マイクロマシン技術を用いて、非常に小型のヒーターと非常に小型の温度測定機構とを作りこむことによって小型化が成されているが、耐久性に優れたより頑強なシステムが求められている。 In addition, in the measurement of flow velocity (flow rate), miniaturization has been achieved by incorporating a very small heater and a very small temperature measurement mechanism using micromachine technology, but it is more robust and durable. A system is needed.
しかしながら、上述したような従来の風速計(流速計)だけでは水素ガス等の質量流量を求めることができない。すなわち、配管内におけるガスの質量流量は、
質量流量=(密度×断面積)×流速 …(1)
の式に基づいて求められる。密度は圧力にほぼ比例する。
However, the mass flow rate of hydrogen gas or the like cannot be obtained only with the conventional anemometer (velocimeter) as described above. That is, the mass flow rate of the gas in the pipe is
Mass flow rate = (Density x Cross-sectional area) x Flow velocity (1)
It is calculated based on the following formula. Density is approximately proportional to pressure.
このような事情から、流体の流れ(特に気体)を測定して制御しようとすると、密度、流速、流量のいずれか2つを測定しなければならない。流量計自体の大きさもさることながら、密度(圧力)を求めるための圧力計等も必要である。この結果、計測装置全体が大きくなってしまうという問題点が生じる。 Under such circumstances, when trying to measure and control the flow of fluid (especially gas), any two of density, flow velocity, and flow rate must be measured. In addition to the size of the flow meter itself, a pressure gauge or the like for determining the density (pressure) is also required. As a result, there arises a problem that the entire measuring apparatus becomes large.
計測装置全体が大きくなると、自動車等に搭載された配管の計測装置としては使用することができない場合も生じる。例えば、燃料電池を自動車の動力として搭載することを考えた場合、直径5mm以下の配管が必要とされる。そのため、計測装置において水素ガス等を直接測定するセンサー部分は直径5mm以下の大きさであることが求められる。この点、従来の風速計はセンサー部分が1cm程度もしくはそれ以上の大きさを有しており、配管に設置することが困難である。 When the entire measuring device becomes large, it may not be used as a measuring device for piping mounted on an automobile or the like. For example, when considering mounting a fuel cell as the power of an automobile, a pipe having a diameter of 5 mm or less is required. Therefore, the sensor part that directly measures hydrogen gas or the like in the measuring device is required to have a diameter of 5 mm or less. In this regard, in the conventional anemometer, the sensor portion has a size of about 1 cm or more, and it is difficult to install it on the pipe.
また、水素ガス等の流量を測る流量計には耐久性が求められる。すなわち、水素ガスが漏れている場合に正確に流量値が測定できていないと、爆発の予測をすることができず極めて危険だからである。この点、従来の風速計のセンサー部分はワイヤーで構成されており壊れやすいものである。 Further, a flow meter that measures the flow rate of hydrogen gas or the like is required to have durability. That is, if hydrogen gas is leaking and an accurate flow rate value cannot be measured, an explosion cannot be predicted and it is extremely dangerous. In this regard, the sensor part of the conventional anemometer is made of wire and is fragile.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、耐久性を有する小型の流速計を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a small-sized current meter having durability.
本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じる。 The present invention takes the following means in order to solve the above problems.
請求項1に対応する発明は、弾性表面波素子を用いて、周囲を流れる流体の流速を求める流速計であって、前記弾性表面波素子は、弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の伝搬面を有する3次元基材と、その表面に形成されており前記流速計本体からの加熱制御信号に基づき、前記基材を加熱する加熱手段と、前記流速計本体からの励起制御信号に基づき、前記伝搬面に弾性表面波を励起する励起手段と、前記伝搬面を周回する該弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段とを備え、前記流速計本体は、前記弾性表面波素子と接続して、前記基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御手段と、前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御手段と、前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得手段と、前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出手段とを備え、前記流速計本体は、流体が流れる配管内にて使用され、3次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うことを可能にした流速計である。
The invention corresponding to
請求項2に対応する発明は、請求項1に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記加熱手段は、前記伝搬面に弾性表面波の周回に伴うエネルギーの熱的吸収により基材を加熱することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a surface acoustic wave device used in the anemometer according to the first aspect, wherein the heating means is a base material by thermally absorbing energy associated with the circulation of the surface acoustic wave on the propagation surface. It is a velocimeter using the surface acoustic wave element characterized by heating.
請求項3に対応する発明は、請求項1または請求項2に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記3次元基材は、前記伝搬面を内表面に有する空洞を具備することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計である。 According to a third aspect of the present invention, in the surface acoustic wave device used in the anemometer according to the first or second aspect, the three-dimensional base material includes a cavity having the propagation surface on the inner surface. Is a velocity meter using a surface acoustic wave element characterized by
請求項4に対応する発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記3次元基材の円環状の伝搬表面は、球形状であることを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計である。
The invention corresponding to
請求項5に対応する発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の流速計に用いられる弾性表面波素子において、前記3次元基材は、圧電材料からなり、前記励起手段は、前記圧電材料の上に形成されたすだれ状電極よりなることを特徴とする弾性表面波素子である。
The invention corresponding to
請求項6に対応する発明は、弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の且つ球形の伝搬面を有する3次元基材と、前記基材を加熱制御信号に基づき加熱する加熱手段と、前記伝搬面に励起制御信号に基づき弾性表面波を励起する励起手段と、前記伝搬面を周回する弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段とを備えた弾性表面波素子を用いた流速計測方法であって、前記3次元基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御ステップと、前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御ステップと、前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得ステップと、前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度測定ステップと、前記温度測定ステップにより得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出ステップと、流体が流れる配管内にて、3次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うステップとを備えた流速計測方法である。 The invention corresponding to claim 6 includes a three-dimensional substrate having an annular and spherical propagation surface capable of propagating a surface acoustic wave by multiple wrapping, and heating means for heating the substrate based on a heating control signal. A surface acoustic wave device comprising: excitation means for exciting a surface acoustic wave on the propagation surface based on an excitation control signal; and detection means for detecting a surface acoustic wave that circulates the propagation surface and outputting a detection signal. A heating control step of sending and controlling a heating control signal to the heating means so as to heat the three-dimensional base material, and a propagation surface of the base material heated by the heating means, An excitation control step for sending and controlling an excitation control signal to the excitation means so as to excite the surface acoustic wave, and temperature information from the revolving speed or phase information obtained from the detection signal of the surface acoustic wave output by the detection means A flow rate calculation for calculating the flow rate of the substance based on the acquisition step to be acquired, the temperature measurement step of the propagation surface based on the data of the detection signal, the temperature information obtained by the temperature measurement step, and the heating amount A flow velocity measurement comprising: a step; and a step of measuring the density or pressure of the fluid in accordance with the measurement of the amount of attenuation accompanying the circulation of the surface acoustic wave that circulates around the surface of the three-dimensional substrate in a pipe through which the fluid flows Is the method.
<用語>
ここで、本発明において、「弾性表面波」と表記している波は、境界波、回廊波、内郭を周回する表面波、弾性表面波、漏洩弾性表面波、擬似弾性表面波、擬似漏洩弾性表面波等、球形表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含する。
<Terminology>
Here, in the present invention, the wave described as “surface acoustic wave” is a boundary wave, a corridor wave, a surface wave that circulates the inner shell, a surface acoustic wave, a leaky surface acoustic wave, a pseudo surface acoustic wave, a pseudo leak It includes all surface acoustic waves that propagate by concentrating energy on a spherical surface, such as surface acoustic waves.
たとえば配管内部においては基材が配管断面を塞ぐことによって、基材表面を流れる流体の実際の速度は速くなるが、この速度は配管内部の基材が塞いでいない部位の配管断面にわたる断面垂直方向の流速の平均値とは異なる値を示すが、配管内を流れる流体の流速あるいは流量に変化に従って変化する。 For example, when the base material closes the pipe cross section inside the pipe, the actual speed of the fluid flowing on the base surface increases, but this speed is perpendicular to the cross section of the pipe cross section of the part where the base material inside the pipe is not plugged. Although the value is different from the average value of the flow velocity of the fluid, it changes according to the change in the flow velocity or flow rate of the fluid flowing in the pipe.
本発明は、流量計測に用いることも可能であり、測定対象を流速、あるいは流量を測定対象とするかは区別せず広い意味で流量を求める計測行為や、その装置を流速測定あるいは流速計と称することとする。基材が配置された空間において、流体の移動に伴って基材の持つ熱量の流出が起きることを利用して流れの程度を測定するものであればよい。 The present invention can also be used for flow rate measurement, and does not distinguish whether the measurement target is a flow velocity or whether the flow rate is a measurement target. I will call it. Any method may be used as long as the degree of flow is measured by utilizing the outflow of the heat amount of the base material as the fluid moves in the space where the base material is disposed.
さらに、本発明は、実際の流速が一定であっても、周囲の流体の密度が変化したり、熱伝導率の異なる流体が流れても、その変化を失う熱量の変化として検知する。この場合にも、流体の流れの状況を、基材からの熱の流出速度をもって検知するものであれば其れを除外するものではない。 Furthermore, even if the actual flow rate is constant, the present invention detects the change in the amount of heat that loses the change even if the density of the surrounding fluid changes or fluids with different thermal conductivities flow. Also in this case, as long as the flow state of the fluid is detected by the heat outflow rate from the base material, it is not excluded.
<作用>
従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより、以下の作用を有する。
<Action>
Therefore, the present invention has the following effects by taking the above-described means.
請求項1・6に係る発明によれば、弾性表面波素子を用いた流速計であって、基材を設定した温度にまで加熱するように制御する加熱制御手段と、加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように制御する励起制御手段と、弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報を取得する取得手段と、検出信号の位相のデータに基づいて、伝搬面の温度を測定する温度測定手段と、温度情報と加熱量とに基づいて、物質の流速を算出する流速算出手段とを備え、流速計本体は、流体が流れる配管内にて使用され、3次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うことを可能にした構成により、単一の弾性表面波素子からの検出信号のデータに基づいて配管内の物質の流速を算出することができる。すなわち、流速および圧力を単一の弾性表面波素子により算出しているので、小型の流速計を実現することができる。また、弾性表面波素子により流速および圧力を測定しているので、ワイヤーを用いた風速計等に比して、耐久性を有する。
According to the inventions according to
また、温度算出手段は、伝搬面を伝搬する弾性表面波の伝搬速度(周回速度)から温度を算出するので、高精度に温度を求めることができる。すなわち、弾性表面波の伝搬速度はppm単位で変化量を算出することができるので、温度測定においてもppm単位で変化量を算出することができる。 Moreover, since the temperature calculation means calculates the temperature from the propagation velocity (circumferential velocity) of the surface acoustic wave propagating on the propagation surface, the temperature can be obtained with high accuracy. That is, since the change amount of the propagation speed of the surface acoustic wave can be calculated in the ppm unit, the change amount can be calculated in the ppm unit even in the temperature measurement.
また、請求項1・6に係る発明によれば、機体が流れる配管内にて、3次元基体の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うので、高精度に流速を測定できる。
Further, the invention according to
請求項2に係る発明によれば、請求項1に対応する作用に加え、弾性表面波素子の加熱手段として、伝搬面に弾性表面波を周回させることにより基材を過熱するので、弾性表面波素子にヒーター等を設置する必要がなく、装置を簡易化することができる。 According to the second aspect of the invention, in addition to the operation corresponding to the first aspect, as the heating means of the surface acoustic wave element, the substrate is overheated by circulating the surface acoustic wave around the propagation surface. It is not necessary to install a heater or the like on the element, and the apparatus can be simplified.
請求項3に係る発明によれば、請求項1・2に対応する作用に加え、弾性表面波素子の基材は伝搬面を内表面に有する空洞を具備するので、物質の進行を妨害せずに配管内の流量を測定することができる。 According to the third aspect of the invention, in addition to the actions corresponding to the first and second aspects, the substrate of the surface acoustic wave element includes the cavity having the propagation surface on the inner surface, so that the progress of the substance is not hindered. The flow rate in the pipe can be measured.
請求項4に係る発明によれば、請求項1〜3に対応する作用に加え、弾性表面波素子の基材は球形状であるので、配管内の物質の進行方向に沿って、弾性表面波を励起することができる。ゆえに、配管内の物質の進行方向に沿って流量を測定することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, in addition to the actions corresponding to the first to third aspects, the surface of the surface acoustic wave element has a spherical shape. Can be excited. Therefore, the flow rate can be measured along the traveling direction of the substance in the pipe.
請求項5に係る発明によれば、請求項1〜4に対応する作用に加え、弾性表面波素子の基材は圧電性結晶である水晶からなるので、伝搬面を形成するための圧電膜等を形成する必要が無く、弾性表面波素子を簡素化することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the actions corresponding to the first to fourth aspects, the substrate of the surface acoustic wave element is made of quartz crystal, which is a piezoelectric crystal. Therefore, the surface acoustic wave element can be simplified.
本発明によれば、耐久性を有する小型の圧力あるいは密度計測も可能な流速計を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the flowmeter which can also measure the small pressure or density which has durability.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
(1−1.構成)
図1および図2は本発明の第1の実施形態に係る弾性表面波素子10を用いた流速計20の構成を示す模式図である。
<First Embodiment>
(1-1. Configuration)
FIG. 1 and FIG. 2 are schematic views showing the configuration of a
ここで、弾性表面波素子10を用いた流速計20は、配管5内の物質6の流速を計測するために用いられる。
Here, the
配管5は、気体の供給管であり、直径5mm程度のものである。球状弾性表面波素子の水晶球の直径は1mmで、その周波数は約150MHzである。すだれ状電極の対数は10本で、線幅及びスペースは約5マイクロメートルである。また電極の重なり幅は0.12mmである。図1においては結晶球の大きさを配管の径に対して相対的に大きく描きパターンを省略して描いている。なお、配管5としては、例えば、真空ガスプロセス装置の供給管等が挙げられる。なお、ここでは気体の供給管としているが、必ずしも気体に限らず液体の供給管であっても良い。
The
物質6は、空気や水素ガス等の気体である。他にも様々の気体を挙げることができる。また、必ずしも気体に限らず液体であっても良い。 The substance 6 is a gas such as air or hydrogen gas. Various other gases can also be mentioned. Moreover, it is not necessarily limited to gas but may be liquid.
弾性表面波素子10は、基材11の表面にヒーター12とすだれ状電極13とを形成したものである。また、弾性表面波素子10は、設置台14により配管5内に固定される。
The surface
基材11は、弾性表面波が多重周回して伝搬することができる伝搬面11Sを有するものである。具体的には、水晶やランガサイト(La3Ga5SiO14)及びそのファミリーや、LiNbO3・LiTaO3などの圧電性結晶でできた結晶球等を用いることができる。なお、結晶球の大きさは概ね1mm〜3mm程度が好ましいが、大きすぎると結晶球の熱容量が大きくなり応答性が悪くなる。
The
伝搬面11Sにおいて、弾性表面波の伝搬速度(周回速度ともいう)は温度依存性を有する。例えば、弾性表面波の基材11として水晶球を用いた場合、Z軸シリンダーと呼ばれる弾性表面波の周回経路においては、約25ppm/℃の変化率で温度に対して伝搬速度が変化する。また、LiNbO3を用いた場合は、52ppm/℃の温度依存性を持つ。このような伝搬面11Sの温度依存性に基づいて、伝搬速度の変化から伝搬面の温度を小数点2桁以下まで正確に測定することができる。
In the
ヒーター12は、基材11を加熱するものである。具体的には、ヒーター電源12Sが流量計20(制御部22)からの加熱制御信号を受ける。そして、この加熱制御信号に基づき、ヒーター12の温度を制御して基材11を加熱する。なお、ヒーター12の材料としては様々な材料を用いることが出来る。ニクロム線材料や白金でもかまわない。成膜方法についても、蒸着やスパックでもかまわない。また、メッキ方法でも容易に作成可能である。パターン化もフォトリソグラフィー技術を用いて作成することができ、各種の印刷方法を採用出来る。また、基材11をできるだけ均一に加熱するために、白金細線パターンを広い面積にわたり引き回すことが望ましい。
The
本実施形態における加熱用ヒーターは、Z軸シリンダー経路の両側夫々に、以下の仕様のものを用いることができる。 As the heater for heating in the present embodiment, those having the following specifications can be used on both sides of the Z-axis cylinder path.
密着性を挙げる為の僅かなクロム層のスパッタ上に金成膜を行ってライン幅5マイクロメートル、全長2570マイクロメートル、厚さ1〜1.5マイクロメートルとする。また、抵抗値は約10オームとなる。なお、パターニングは、リフトオフ手法を用いる。 A gold film is formed on a sputter of a slight chromium layer for improving adhesion to have a line width of 5 micrometers, a total length of 2570 micrometers, and a thickness of 1 to 1.5 micrometers. The resistance value is about 10 ohms. The patterning uses a lift-off method.
すだれ状電極13は、伝搬面11Sに弾性表面波を励起するものである。具体的には、高周波信号源13Sが流量計20(制御部22)からの励起制御信号を受ける。そして、この励起制御信号に基づき、すだれ状電極13にバースト信号を印加することで、伝搬面11Sに弾性表面波(SAW)が励起される。励起した弾性表面波は伝搬面11Sを周回するようなる。それゆえ、すだれ状電極13は、限られた領域において、実質的に長い距離、弾性表面波を伝搬させることができる。このように弾性表面波を長い距離伝搬させることにより、周回速度を高精度に測定することができ、その速度変化に基づいたセンサーを構成することができる。
The
また、すだれ状電極13は、弾性表面波を励起する役目を持つと共に弾性表面波が伝搬面11Sを周回した後、その弾性表面波を検出することも出来る。検出した弾性表面波は、検出信号として流量計20(取得部24)に出力される。なお、高周波信号13Sからのバースト信号の入力と、流量計20(取得部24)への検出信号の出力とはサーキュレーター15を介して行なわれる。
Further, the
本実施例では励起手段と検出手段を一つのすだれ状電極によってかねさせている。 In this embodiment, the excitation means and the detection means are made up of one interdigital electrode.
設置台14は、弾性表面波素子10を配管5に固定するものである。また、設置台14を介して、弾性表面波素子10と流量計20の本体とは電気的に接続する。これにより、弾性表面波素子10と流量計20の本体とで信号の授受を行なうことができる。
The
流量計20は、記憶部21と入力部22・制御部23・取得部24・温度算出部25・放出熱量算出部26・圧力算出部27・流速算出部28とを備える。
The
記憶部21は、伝搬面11Sを伝搬する弾性表面波の伝搬速度と伝搬面11Sの温度とを対応付けた「テーブル1」を記憶する。配管5内の物質6の流速と伝搬面11Sの温度の減衰率とを対応付けた「テーブル2」を記憶する。配管5内の物質6の圧力と参照信号の強度の減衰率とを対応付けた「テーブル3」を記憶する。さらに、記憶部21は、配管5の断面積等の情報を記憶する。なお、これらの参照信号のデータやテーブルに記憶される情報等は、入力部22により入力される。
The
入力部22は、ヒーター12の設定温度やすだれ状電極13に高周波信号を入力するタイミング等の情報を入力するものである。入力された情報は制御部23に送出される。また、流量計20を使用する前に、参照信号の位相および強度のデータ等が入力部22を介して入力され、これらの情報が記憶部21に送出される。
The
制御部23は、弾性表面波素子10と電気的に接続して、ヒーター12が設定温度になるように制御するものである。具体的には、入力部22により入力されたヒーター12の設定温度になるように、ヒーター電源12Sに加熱制御信号を送出して制御する。
The
高周波信号源13Sは励起制御信号を送出して、高周波信号を入力するタイミング等を調整する。
The high
取得部24は、すだれ状電極13により弾性表面波が検出される度に、当該弾性表面波の検出信号の位相および強度のデータを取得するものである。また、取得した検出信号の位相のデータを温度算出部25に送出し、検出信号の強度のデータを圧力算出部27に送出する。
The
温度算出部25は、検出信号の位相のデータを記憶部に記憶されたデータあるいは計算式とに基づいて、伝搬面11Sの温度を算出するものである。この際、検出信号の位相のデータは取得部24から受け取り、算出した伝搬面11Sの温度のデータを放出熱量算出部26に送出する。
The
なお、温度の算出方法は以下のとおりである。ここでは、図3を用いて説明する。 The temperature calculation method is as follows. Here, it demonstrates using FIG.
温度を算出するためには、まず、バースト信号をすだれ状電極13に入力し、伝搬面11Sに弾性表面波を励起して多重周回させる。その後、検出信号L1を取得する(図3(A))。次に、検出信号L1のうち多重周回後の信号の位相と記憶部21のテーブル1に記憶された温度Tにおける位相との位相差ΔPを算出する(図3(B))。この位相差ΔPに高周波信号源13Sによるバースト信号の周期をかけて、伝搬速度の変化量ΔVを求める。そして、伝搬速度の変化量ΔVを弾性表面波の励起してから位相を測定するまでの伝搬時間で除すことで変化率を求め、さらに温度依存性を表わす比例定数で除して、温度変化量ΔTを求める。この温度変化量ΔTを温度Tに加えることにより、伝搬面11Sの温度T+ΔTを求めることができる。なお、ここでは、バースト信号を印加してから周回数の小さい時刻の信号の位相変化を参考にすることで、2π以上の位相変化があったときもフェイズアンラップによって、十分なダイナミックレンジを確保しながら位相差を計算するので、高精度に温度を算出することができる。
In order to calculate the temperature, first, a burst signal is input to the
また、本説明では、位相計測を指定した周回数における信号の位相によって測定するが、これらの位相変化は、弾性表面波の周回速度の測定と同値である。一方、弾性表面波の周回速度は、たとえば1周回する時間が、周回する弾性表面波の1周期の整数倍になるような周波数で励起する場合に、長い継続時間の励起信号をすだれ状電極に印加すると弾性表面波素子の周回経路上の弾性表面波は共振状態となり、非常に大きな出力をもたらす。このような周波数は弾性表面波の周回速度と反比例の関係になる。よって、特定の時刻における位相測定及びその変化を測定する代わりに、共振周波数を求めることで周回速度の変化を求め、もって温度計測を行っても本発明は其れを除外しない。 Further, in this description, phase measurement is measured by the phase of the signal at the designated number of rounds, and these phase changes are equivalent to the measurement of the round speed of the surface acoustic wave. On the other hand, the circumferential velocity of the surface acoustic wave is, for example, when an excitation signal having a long duration is applied to the interdigital electrode when excitation is performed at a frequency such that the time for one round is an integral multiple of one cycle of the circulating surface acoustic wave. When applied, the surface acoustic wave on the circulation path of the surface acoustic wave element is in a resonance state, and produces a very large output. Such a frequency is inversely proportional to the circumferential velocity of the surface acoustic wave. Therefore, instead of measuring the phase at a specific time and measuring the change thereof, the present invention does not exclude the change of the peripheral speed by obtaining the resonance frequency and the temperature measurement.
圧力算出部27は、検出信号の強度のデータと記憶部に記憶された基準となる強度のデータとに基づいて、伝搬面11Sの圧力を算出するものである。この際、検出信号の強度のデータは取得部24から受け取り、算出した伝搬面11Sの圧力のデータを流速算出部28に送出する。
The
なお、弾性表面波のエネルギーの減衰量は周囲の圧力に影響を受ける。周囲の圧力が大きいと、図6に示すように、球表面を伝搬するレーリー波LWは周囲にエネルギーを漏出してしまう。逆に、弾性表面波の周回にともなう信号の減衰量の大きさと圧力の値とを記憶部21にテーブル3の形式で記憶しておくことにより、信号強度の減衰量から一義的に圧力を求めることができる。ここでは、図7に示すように、検出信号をカーブフィッティング(図7において減衰曲線D1,D2)して減衰率αを算出し、その減衰率から圧力を求める。ここでCは任意の定数である。減衰率は常にこの式に従う必要はなく、周回に伴って弱くなる程度を計測できれば良く、例えば異なる周回数の信号間の強度の比率として求めても良い。
The amount of attenuation of the surface acoustic wave energy is affected by the ambient pressure. When the ambient pressure is large, the Rayleigh wave LW propagating on the surface of the sphere leaks energy to the periphery as shown in FIG. On the other hand, the magnitude of the signal attenuation and the pressure value associated with the circulation of the surface acoustic wave are stored in the
流速算出部28は、伝搬面11Sの温度のデータと圧力算出部のデータと記憶部21に記憶されたテーブル2のデータと流体の初期温度に基づいて、配管5内の物質6の流速を求めるものである。
The flow
一般に固体表面から熱が気体に流出(放出)する際に、気体の密度が大きいとより多くの熱が運び去られる。よって、熱式の流速計が計る速度が、実際に周囲の流体の流れる速度と一対一に対応しなくなる。 Generally, when heat flows out (releases) from a solid surface to a gas, if the density of the gas is large, more heat is carried away. Therefore, the speed measured by the thermal type anemometer does not correspond one-to-one with the speed at which the surrounding fluid actually flows.
さらに圧力(密度)が変化すると、流体の流れの分布(たとえば層流や乱流など)の違いから、熱の流出量はより多様に変化する。よって、流速の測定を熱の流出量から測定する場合、あるいは、熱の流出量が、密度×流速の積にある程度比例するからと言っても、その精度には限界が生じる。圧力(密度)の変化に対して、流速や流量などをより的確に把握して計測する為には、圧力(密度)を同時に計測して、圧力ごとに、熱の流出量(流出速度量)と流速あるいは流量との相関テーブルを記憶しておくことである。このように、圧力(密度)と熱の流出量の双方が測定できることは、プロセス管理において、流速測定あるいは質量流量の測定のいずれに対しても精度向上の効果をもたらす。 Further, when the pressure (density) changes, the amount of heat outflow changes more variously due to the difference in fluid flow distribution (for example, laminar flow or turbulent flow). Therefore, when the flow rate is measured from the heat outflow amount, or even if the heat outflow amount is proportional to the product of density × flow velocity to some extent, the accuracy is limited. To accurately measure and measure the flow velocity and flow rate with respect to changes in pressure (density), measure the pressure (density) at the same time, and heat outflow (outflow velocity) for each pressure. And storing a correlation table between the flow velocity and the flow rate. Thus, the ability to measure both the pressure (density) and the amount of heat outflow has the effect of improving accuracy in either flow rate measurement or mass flow rate measurement in process management.
ここで、温度から流速を求める方法について説明する。 Here, a method for obtaining the flow velocity from the temperature will be described.
温度から流速を求める手法として、例えば熱式風速計が挙げられる。この熱式風速計では、風の冷却作用による放散熱量と同量の熱を風速素子に供給する。これにより、放散熱量と供給熱量とが平衡状態となり、風速素子の温度を一定に保つ。この際、供給熱量と風速とが対応するので、供給熱量を測定することにより風速を計測することができる。熱式風速計の具体的な構成は、図4に示すように、白金ワイヤーでできた風速素子W1に対してブリッジを構成したものである。この場合、風速素子W1の抵抗変化を抵抗W2の電圧変化として指示計で測定することにより供給熱量を測定することができる。 As a method for obtaining the flow velocity from the temperature, for example, a thermal anemometer can be cited. In this thermal anemometer, heat equal to the amount of heat dissipated by the cooling action of the wind is supplied to the wind speed element. As a result, the amount of heat dissipated and the amount of heat supplied are in an equilibrium state, and the temperature of the wind speed element is kept constant. At this time, since the supplied heat amount corresponds to the wind speed, the wind speed can be measured by measuring the supplied heat amount. As shown in FIG. 4, the specific configuration of the thermal anemometer is such that a bridge is formed with respect to an anemometer W1 made of platinum wire. In this case, the amount of heat supplied can be measured by measuring the change in resistance of the wind speed element W1 with the indicator as the change in voltage of the resistance W2.
また、一定の熱量(電力)を発生(消費)させるように発熱体を制御しておき、周囲の流体の流動に伴う熱の喪失をその温度低下曲線あるいはその平衡温度によって計測出来る。平衡に達した温度と流速とを1対1に対応させる。 Further, the heating element is controlled so as to generate (consume) a certain amount of heat (electric power), and the loss of heat accompanying the flow of the surrounding fluid can be measured by the temperature drop curve or the equilibrium temperature. There is a one-to-one correspondence between the temperature and flow rate at which equilibrium is reached.
本実施形態についても従来の流速計と同様にさまざまな方法が採用できるが、流速の増加が素子からの熱の流出の増大に影響を与えることを利用している点は同じであり、公知の方法も上記のどちらの方法も採用できる。本実施形態に係る流量計においては、温度の減衰率から物質6の流速を計測する。 Various methods can be adopted for this embodiment as well as the conventional anemometer, but the fact that the increase in the flow velocity affects the increase in the outflow of heat from the element is the same, and is known. Either of the above methods can be employed. In the flow meter according to the present embodiment, the flow rate of the substance 6 is measured from the temperature decay rate.
最も簡単には以下の手順により流速を計測する。まず、時刻t0において、ヒーター12を加熱すると、図5に示すように、時間とともにその温度(流体の温度との差)は上昇する。次に、時刻t1において加熱を中止する。その後、時刻t2,t3,t4…毎に、温度を測定する。これにより、時刻tに対する温度Tの減衰曲線C(図中C1,C2)をカーブフィッティングすることにより、減衰率を求めることができる。流体の圧力や密度などが一定の場合は、減衰率の値と流速の値とは一対一に対応しているので、予めテーブルの形式(本実施形態では、テーブル2に相当)でデータを記憶しておくことができる。そこで、テーブル2を参照することにより、ヒーター12の温度の減衰率から物質6の流速を計測することができる。
The simplest way to measure the flow velocity is as follows. First, when the
流速算出部28は、配管5内の物質6の流速を算出するものである。具体的には、温度算出部25の情報と記憶部に記憶されていた流体の初期温度から放出熱量算出部26が算出した熱の放出熱量速度量と圧力算出部27により算出した圧力により流速を初めとする流体状況をより正確に検知することが出来る。
The flow
流体が気体の場合には、圧力(密度)が小さいと同じ流速であっても流体の密度に略比例して熱の放出速度が大きくなるために、圧力(密度)も同時に測定することが望まれる。圧力に従って、異なる熱の放出レベルと流速を対応づけるテーブルを用意できる。 When the fluid is a gas, if the pressure (density) is small, the rate of heat release increases substantially in proportion to the density of the fluid even at the same flow rate. Therefore, it is desirable to measure the pressure (density) at the same time. It is. A table can be prepared that associates different heat release levels with flow rates according to pressure.
一方、圧力が一定である場合には圧力を変数とせずに、熱の放出速度量(前述α値など)と流体の温度(加熱される前の温度あるいは川上で測定した流体の温度)とに従って流速を求める事が出来る。配管の形状や断面に従って、配管を流れる流量を求めることができる。 On the other hand, if the pressure is constant, the pressure is not used as a variable, but according to the amount of heat released (such as the aforementioned α value) and the temperature of the fluid (the temperature before heating or the temperature of the fluid measured upstream). The flow velocity can be obtained. The flow rate flowing through the pipe can be determined according to the shape and cross section of the pipe.
(1−2.動作)
次に、本実施形態に係る流量計20の動作を図8のフローチャートを用いて説明する。
(1-2. Operation)
Next, the operation of the
まず、流量計20を用いて計測を行なう前に、入力部22を介して記憶部21にデータの初期設定を行なう(S1)。例えば、流体の温度、配管5の断面積やヒーター12の温度の設定、バースト信号の入力タイミング、温度の計測時刻等の設定を行なう。
First, before performing measurement using the
なお、前記した、初期設定における流体の温度測定を、周回する弾性表面波の位相や共振周波数によって測定できることは明らかである。また、流体の温度を測定する為に、別個の温度計を流体の川上に設置することが望まれ、(ヒーターを備えなくてもよい)別個の球状弾性表面波素子を用意することで正確な流体の温度測定を行うことが好ましい。 It is obvious that the above-described temperature measurement of the fluid in the initial setting can be measured by the phase of the surface acoustic wave that circulates and the resonance frequency. In order to measure the temperature of the fluid, it is desirable to install a separate thermometer on the fluid river, and by providing a separate spherical surface acoustic wave element (which may not include a heater) It is preferable to measure the temperature of the fluid.
初期設定の後、ヒーター電源12Sが制御されてヒーター12が加熱される(S2)。これにより、ヒーター12の温度は時間とともに比例して上昇する。ヒーター12の温度が設定温度に達すると、ヒーター電源12Sは加熱を停止する(S3)。
After the initial setting, the
続いて、高周波信号源13Sからバースト信号がすだれ状電極13に入力される。これにより、弾性表面波が励起されて伝搬面11Sを周回する。この際、弾性表面波が伝搬面11Sを周回する度に、すだれ状電極13を介して検出信号が出力される。出力された検出信号は取得部24により順次取得される(S4)。
Subsequently, a burst signal is input to the
取得された検出信号の位相のデータは温度算出部25に送出される。そして、送出された位相のデータに基づいて、周回速度の変化を求めることで温度算出部25により伝搬面11Sの温度変化が算出される(S5)。
The acquired phase data of the detection signal is sent to the
なお、検出信号のデータの取得は、入力部21により入力された全ての計測時刻に対する温度が算出されるまで行なわれる(S6−No)。
The detection signal data is acquired until the temperatures for all the measurement times input by the
一方、検出信号のデータの取得が完了すると、放出熱量算出部26により流体の加熱される前の本来の温度及び先に弾性表面波の周回速度から求めた素子表面の温度減衰率αが求められる(S6−Yes,S7)。詳しくは、ヒーター電源12Sをオフにすると、図5に示すように伝搬面11Sの温度は低下する。この際、伝搬面11Sの周囲に物質が流れていると、その物体の流速に従って、ヒーターの温度が冷却していく。流速が早ければ、減衰曲線C1のように短時間で冷却され、流速が遅ければ、減衰曲線C2のように冷却するまで長い時間を要する。このように温度が冷却するまでの時間の違いから周囲の物質の流速を求める。
On the other hand, when the acquisition of the detection signal data is completed, the elemental surface temperature attenuation rate α previously obtained from the original temperature before the fluid is heated and the circular velocity of the surface acoustic wave is obtained by the emitted heat
また、加熱を停止した時点における検出信号の波形に基づいて、圧力算出部27により圧力が求められる(S8)。
Further, the pressure is calculated by the
そして、圧力算出部27により求められた圧力及び放出熱量から流速が求められ、配管断面等の情報から物質6の質量流量が算出される(S9)。
And the flow rate is calculated | required from the pressure and discharge | release heat amount which were calculated | required by the
(1−3.効果)
以上説明したように本実施形態に係る弾性表面波素子10を用いた流量計20は、配管5内の物質6および伝搬面11Sの圧力と強度の減衰率とを対応付けて記憶する記憶部21と、基材11を設定した温度にまで加熱するように制御する制御部23と、弾性表面波の検出信号の位相および強度のデータを取得する取得部24と、検出信号の位相のデータの変化から、伝搬面11Sの温度を算出する温度算出部25と、検出信号の強度あるいはその減衰定数に基づいて、伝搬面11Sの圧力を算出する圧力算出部27とを備えた構成である。
(1-3. Effect)
As described above, the
すなわち、本実施形態においては、加熱用のヒーター12とすだれ状電極13とを同一の基材11の表面上に形成することにより、温度を測定するとともに、圧力を測定し、且つ加熱する熱量とその温度変化を観測する機構を単一の弾性表面波素子10に構成する。このように、単一の弾性表面波素子10により流速および圧力を測定しているので、複雑な機構を有さずに小型の圧力、あるいはおよび密度等も計測可能な流速計20を実現することができる。
That is, in the present embodiment, the
また、弾性表面波素子10の基材11には水晶の結晶球等が用いられるので、ワイヤーを用いた風速計等に比して、耐久性を有する。この点、水晶の結晶球等の表面にヒーター12を直接形成することから、従来の風速計等とは異なり線状の加熱ヒーターが存在しないので、計測装置が破壊されにくいことは明らかである。なお、水晶は圧電性結晶であることから、伝搬面11Sを形成するための圧電膜等を形成する必要が無く、弾性表面波素子10を簡素化することができる。加熱を要求されるこのような熱式流速計にとって圧電膜の剥離の心配の不要なこの構造は極めて有用であり好ましい。
In addition, since a crystal sphere of quartz or the like is used for the
また、本実施形態において、温度算出部25は、伝搬面11Sを伝搬する弾性表面波の伝搬速度から温度を算出するので、高精度に温度を求めることができる。すなわち、弾性表面波の伝搬速度はppm単位で変化量を算出することができるので、温度測定においても0.01度精度で変化量を算出することができる。それゆえ、高精度の温度測定を実施することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態に係る弾性表面波素子10の基材11は球形状であるので、配管5内の物質6の移動に伴う。
Moreover, since the
なお、ヒーター12を用いて基材11を加熱するのではなく、伝搬面11Sに弾性表面波を周回させることにより基材11を加熱する構成としても良い。このような構成にすれば、装置を簡易化することができる。
In addition, it is good also as a structure which heats the
なお、球状弾性表面波素子の出力を用いて温度計測する場合には、周回する全ての経路上の温度依存性(特に体積膨張率)の影響を受けて、弾性表面波の周回速度が決められる。よって、特定の箇所の温度ではなく、平均的な温度計測を可能にする。 When measuring the temperature using the output of the spherical surface acoustic wave element, the circulation speed of the surface acoustic wave is determined by the influence of the temperature dependence (particularly the volume expansion coefficient) on all the circulation paths. . Therefore, it is possible to measure an average temperature instead of a temperature at a specific location.
また、水晶球を使った球状弾性表面波素子の場合には、例えば圧力が1気圧から0気圧に減ずる際のレーリー波の位相速度の低下は30ppm以下である。一方、温度に対しては、前記したように、1℃あたり25ppm変化する。このことから圧力の変化が所定の変化より小さい場合、位相の変化(=周回速度の変化、あるいは共振周波数の変化)から温度を測定し、強度から圧力を測定することが可能である。 Further, in the case of a spherical surface acoustic wave device using a crystal sphere, for example, when the pressure is reduced from 1 atm to 0 atm, the decrease in Rayleigh wave phase velocity is 30 ppm or less. On the other hand, the temperature changes by 25 ppm per 1 ° C. as described above. From this, when the change in pressure is smaller than the predetermined change, it is possible to measure the temperature from the change in phase (= change in the circulation speed or change in the resonance frequency) and measure the pressure from the intensity.
(実施例)
ここで、本実施形態に関連する実施例について述べる。
(Example)
Here, examples related to the present embodiment will be described.
本実施例では、弾性表面波素子10を用いて直径6mm配管における流速(流量)と温度との変化を計測した。
In this example, the surface
まず、ヒーター12に対して、1Vの電圧を印加して約95mAの電流が流れ、温度が約100℃で平衡状態に達した。温度測定は、バースト信号を印加して、弾性表面波の伝搬速度の変化から行った。
First, a voltage of 1 V was applied to the
伝搬速度は空気(流体)の温度30℃の状態で51周目の波形を測定しておき、同じ波形の位置の時間的な移動(遅延時間)を求め周回速度の変化を0.2L/minから2L/minにONとOFFを繰り返しながら変化させたときの温度変化をモニターしたところ、図9に示すグラフを得ることができた。 The propagation speed is measured by measuring the waveform at the 51st lap with the air (fluid) temperature at 30 ° C., and obtaining the temporal movement (delay time) of the position of the same waveform to determine the change in the lap speed at 0.2 L / min. When the temperature change was monitored while repeating ON and OFF from 2 to 2 L / min, the graph shown in FIG. 9 could be obtained.
流量が増えるに従って、平衡状態になる温度の変化を正確に測定していることがわかる。 図10は、平衡状態に達する温度を周回速度変化率から温度低下値に換算してグラフにした図である。 It can be seen that as the flow rate increases, the temperature change at which the equilibrium state is reached is accurately measured. FIG. 10 is a graph in which the temperature at which the equilibrium state is reached is converted into a temperature drop value from the rotation speed change rate and is graphed.
このグラフにより、平衡に達した温度の値から流量(流速)が測定できることを示した。この実験の場合には配管に流す流量に対して、圧力が大気圧で一定であることから圧力測定の必要がなく容易に測定実施が可能で、温度測定精度に応じた高い精度での流量測定が可能になる。流速については、先に求めた流量を配管径で割ることで流速を求めることが可能である。 From this graph, it was shown that the flow rate (flow velocity) can be measured from the temperature value at which equilibrium is reached. In this experiment, since the pressure is constant at atmospheric pressure with respect to the flow rate flowing through the piping, it is not necessary to measure the pressure and can be easily measured, and the flow rate can be measured with high accuracy according to the temperature measurement accuracy. Is possible. Regarding the flow velocity, the flow velocity can be obtained by dividing the previously obtained flow rate by the pipe diameter.
次に、同様の実験装置を圧力チャンバーに入れて、0.8気圧、及び0.6気圧に減じた際の図10と同様に行った流量に対する低下温度を図11に示している。圧力測定は、前もって150周回の信号の強度の変化(電圧)と圧力(気圧)との相関表(図12)を用いて行った。圧力が減少すると空気の密度が減少して弾性表面波の周回に伴う強度値が減少する特性を利用した。減衰する前の強度が既知あるいは一定であれば任意の周回数(遅延時間)における強度を測定することで減衰定数αは簡易的に求まることを利用した。 Next, FIG. 11 shows the temperature drop with respect to the flow rate performed in the same manner as in FIG. 10 when the same experimental apparatus was put in the pressure chamber and reduced to 0.8 atmosphere and 0.6 atmosphere. The pressure measurement was performed in advance using a correlation table (FIG. 12) between the change in the intensity (voltage) of the signal of 150 laps and the pressure (atmospheric pressure). The characteristic is that when the pressure decreases, the density of air decreases and the strength value associated with the surface acoustic wave wrap decreases. If the intensity before attenuation is known or constant, the attenuation constant α can be easily obtained by measuring the intensity at an arbitrary number of laps (delay time).
圧力の減少に従って流量UPに伴う温度低下量が減少していることがわかる。一般に、圧力に比例して素子表面から熱を奪う分子が多くなる為に圧力測定を行うことでより高精度の流量(流速)測定が可能であることを示している。 図9、図10、図11の横軸の流量は夫々の気体圧力状態における体積で定義された体積流量である。 It can be seen that the amount of temperature decrease accompanying the flow rate UP decreases as the pressure decreases. In general, since more molecules take heat away from the element surface in proportion to the pressure, it is shown that more accurate flow rate (flow velocity) measurement is possible by performing pressure measurement. The flow rate on the horizontal axis in FIGS. 9, 10, and 11 is a volume flow rate defined by the volume in each gas pressure state.
このように圧力に対して異なる温度低下と流量との対応曲線(テーブル)を用意できる。 Thus, it is possible to prepare correspondence curves (tables) between different temperature drops and flow rates with respect to pressure.
なお、本実施例では、一定の過熱を行うようにヒーターの制御部によって制御しているが、制御部は、温度算出部からの温度データに基づき、一定の温度に維持するように制御させ、入力部で入力する過熱のための電力(熱量)を測定することで素子の流体への熱喪失量を求めることも出来る。このような、一定の温度に素子を維持する為に必要な電力によって流速を測定する方法を採用しても、球状弾性表面波素子を使用する利点や上記した圧力測定が可能であることに変わりは無い。 In this embodiment, the heater control unit is controlled to perform constant overheating, but the control unit is controlled to maintain a constant temperature based on the temperature data from the temperature calculation unit, The amount of heat lost to the fluid of the element can also be obtained by measuring the power (heat amount) for overheating input at the input unit. Even if such a method of measuring the flow velocity with electric power necessary to maintain the element at a constant temperature is adopted, the advantage of using the spherical surface acoustic wave element and the pressure measurement described above are possible. There is no.
素子の流出熱量は、圧力(密度)と流速とに略比例することから、前記した強度(減衰率)変化測定による方法により圧力測定を行うことで気体の密度が算出でき、もって測定された熱の流失量から流速を測定することも可能であることは明らかである。 Since the amount of heat flowing out of the element is approximately proportional to the pressure (density) and the flow velocity, the gas density can be calculated by measuring the pressure by the above-described method of measuring the intensity (decay rate), and the measured heat It is obvious that the flow rate can be measured from the amount of lost water.
<第2の実施形態>
図13は本発明の第2の実施形態にかかる弾性表面波素子10Xの構成を示す模式図である。なお、既に説明した部分と同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a surface
本実施形態においては、基材11XにLiNbO3を用いている。LiNbO3は水晶とは異なり、弾性表面波の伝搬面11Sを複数持つ。 In this embodiment, LiNbO3 is used for the base material 11X. Unlike quartz, LiNbO3 has a plurality of surface acoustic wave propagation surfaces 11S.
図13には、3本の伝搬面11Sを示しているが、3本内のひとつを強度測定(圧力測定)に、他を温度測定に使用することも可能である。尚、図では加熱用のヒーターパターンは省略している。ヒーターパターンは経路に対して出来るだけ交差しないようにすることが望まれるが、温度測定の為の周回速度の測定、また、これらの経路の何れかによる圧力測定を阻害しない程度に形成が可能である。このように、複数の経路を結晶球の表面に形成して温度を測定すれば、流体の流れる向きが変わっても素子の平均的な温度測定を可能にし正確な流速(流量)測定が可能になる利点を有する。
Although three
<第3の実施形態>
図14は本発明の第3の実施形態に係る弾性表面波素子10Yの構成を示す模式図である。
<Third Embodiment>
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a surface acoustic wave element 10Y according to the third embodiment of the present invention.
本実施形態においては、配管5内に弾性表面波素子を設置するのではなく、配管5内に球状の空洞(中空)を有する基材11Yを設け、その壁面に、すだれ状電極13を形成している。すなわち、伝搬面11Sを内表面に有する空洞を具備する構造であるので、配管5内の物質6の進行を妨害せずに、流量を測定することができる。この例は弾性波によって加熱する方法であってヒーターはすだれ状電極がかねている。
In the present embodiment, a surface acoustic wave element is not installed in the
<本発明に使用するヒーターの種類>
なお、弾性表面波の伝搬経路に、弾性表面波のエネルギーを熱的に吸収させる、場合によっては効率よく弾性表面波のエネルギーを吸収して発熱するたとえば有機膜などを形成し、且つ、弾性表面波を励起するための高周波信号を図3に示すようなバースト信号よりも遥かに長い信号を入力することでヒーターの役割を果たさせることも可能である。弾性表面波のエネルギーによるその伝搬面の発熱についてについては公知であり、ここではこれ以上の説明を行わないが、記載した実施例において温度計測あるいは圧力計測(密度計測)にしか使用しなかったすだれ状電極に対して大きな電気的にエネルギーを投入するために、すだれ状電極の劣化や蒸発が起こりやすくなる。この対処として、すだれ状電極の電極パターンの繰り返し数を大きくして大きな面積で弾性表面波を励起することで負荷を減らす事が出来る。
<Type of heater used in the present invention>
In addition, in the propagation path of the surface acoustic wave, the surface acoustic wave energy is thermally absorbed, and in some cases, the surface acoustic wave energy is efficiently absorbed to generate heat, such as an organic film, and the surface It is possible to play the role of a heater by inputting a signal that is much longer than the burst signal as shown in FIG. 3 as a high-frequency signal for exciting the wave. The heat generation of the propagation surface due to the energy of the surface acoustic wave is well known and will not be further described here, but in the embodiment described, it is only used for temperature measurement or pressure measurement (density measurement). Since large electrical energy is input to the electrode, the interdigital electrode is likely to be deteriorated or evaporated. As a countermeasure, the load can be reduced by increasing the number of repetitions of the interdigital electrode pattern and exciting the surface acoustic wave in a large area.
さらに、温度や圧力の計測の為に弾性表面波を励起検出するためのすだれ状電極と、上記加熱のためのヒーターとしてすだれ状電極を別々に形成してもよい。特に同一経路上に形成することによって、温度計測する経路と同じ経路を加熱可能であって、より高精度に流出する熱量計測を測定できるとともに、高速応答が期待できる。 Furthermore, the interdigital electrode for exciting and detecting the surface acoustic wave for measurement of temperature and pressure and the interdigital electrode as a heater for the heating may be formed separately. In particular, by forming on the same path, it is possible to heat the same path as the temperature measurement path, and to measure the calorific value flowing out with higher accuracy and to expect a high-speed response.
このように、本発明では、基材を加熱する方法として抵抗加熱のみに限っているものではない。場合によっては赤外線を弾性表面波の経路に導入して基材表面に形成したたとえば樹脂薄膜などの赤外線吸収膜を発熱体として利用することも可能なことは明白である。 Thus, in the present invention, the method of heating the substrate is not limited to resistance heating alone. In some cases, it is obvious that an infrared absorbing film such as a resin thin film formed on the surface of the substrate by introducing infrared into the surface acoustic wave path can be used as a heating element.
<その他>
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。
<Others>
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine a component suitably in different embodiment.
5…配管、6…物質、10・10X・10Y…弾性表面波素子、11・11X・11Y…基材、11S…伝搬面、11P…回折パターン、12…ヒーター、12S…ヒーター電源、13…すだれ状電極、13S…高周波信号源、14…設置台、15…サーキュレーター、20…流速計、21…記憶部、22…入力部、23…制御部、24…取得部、25…温度算出部、26…放出熱量算出部、27…圧力算出部、28…流速算出部、W1…風速素子。 5 ... Piping, 6 ... Substance, 10.10X.10Y ... Surface acoustic wave element, 11.11X.11Y ... Base material, 11S ... Propagation surface, 11P ... Diffraction pattern, 12 ... Heater, 12S ... Heater power supply, 13 ... Electrode, 13S ... high frequency signal source, 14 ... installation base, 15 ... circulator, 20 ... current meter, 21 ... storage unit, 22 ... input unit, 23 ... control unit, 24 ... acquisition unit, 25 ... temperature calculation unit, 26 ... calorific value calculation part, 27 ... pressure calculation part, 28 ... flow velocity calculation part, W1 ... wind speed element.
Claims (6)
前記弾性表面波素子は、
弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な円環状の伝搬面を有する3次元基材と、
その表面に形成されており前記流速計本体からの加熱制御信号に基づき、前記基材を加熱する加熱手段と、
前記流速計本体からの励起制御信号に基づき、前記伝搬面に弾性表面波を励起する励起手段と、
前記伝搬面を周回する該弾性表面波を検出して検出信号を出力する検出手段と
を備え、
前記流速計本体は、
前記弾性表面波素子と接続して、前記基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御手段と、
前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御手段と、
前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得手段と、
前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出手段と
を備え、
前記流速計本体は、流体が流れる配管内にて使用され、3次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うことを可能にした
ことを特徴とする流速計。 An anemometer that uses a surface acoustic wave element to determine the flow velocity of the fluid flowing around it,
The surface acoustic wave element is
A three-dimensional base material having an annular propagation surface capable of propagating a surface acoustic wave through multiple laps;
Based on the heating control signal from the anemometer body formed on the surface, heating means for heating the substrate,
Excitation means for exciting a surface acoustic wave on the propagation surface based on an excitation control signal from the anemometer body;
Detecting means for detecting the surface acoustic wave that circulates around the propagation surface and outputting a detection signal;
The anemometer body is
Heating control means connected to the surface acoustic wave element to send and control a heating control signal to the heating means to heat the substrate;
Excitation control means for sending and controlling an excitation control signal to the excitation means so as to excite surface acoustic waves on the propagation surface of the substrate heated by the heating means;
An acquisition means for acquiring temperature information from the rotational speed or phase information obtained from the detection signal of the surface acoustic wave output by the detection means;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the propagation surface based on the data of the detection signal;
A flow rate calculating means for calculating a flow rate of the substance based on the temperature information and the heating amount obtained by the temperature measuring means ,
The anemometer body is used in a pipe through which a fluid flows, and measures the density or pressure of the fluid in accordance with the measurement of the amount of attenuation associated with the circulation of the surface acoustic wave that circulates around the surface of the three-dimensional substrate. An anemometer characterized in that it was made possible .
前記加熱手段は、前記伝搬面に弾性表面波の周回に伴うエネルギーの熱的吸収により基材を加熱することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計。 In the surface acoustic wave device used for the anemometer according to claim 1 ,
The said heating means heats a base material by the thermal absorption of the energy accompanying the circumference | surroundings of a surface acoustic wave on the said propagation surface, The velocimeter using the surface acoustic wave element characterized by the above-mentioned.
前記3次元基材は、前記伝搬面を内表面に有する空洞を具備することを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計。 In the surface acoustic wave device used for the anemometer according to claim 1 or 2 ,
The three-dimensional base material includes a cavity having the propagation surface on an inner surface thereof, and a velocimeter using a surface acoustic wave element.
前記3次元基材の円環状の伝搬表面は、球形状であることを特徴とする弾性表面波素子を用いた流速計。 In the surface acoustic wave element used for the anemometer according to any one of claims 1 to 3 ,
An annular propagation surface of the three-dimensional substrate has a spherical shape, and a velocimeter using a surface acoustic wave element.
前記3次元基材は、圧電材料からなり、
前記励起手段は、前記圧電材料の上に形成されたすだれ状電極よりなることを特徴とする弾性表面波素子。 In the surface acoustic wave element used for the anemometer according to any one of claims 1 to 4 ,
The three-dimensional substrate is made of a piezoelectric material,
2. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the excitation means comprises a comb-like electrode formed on the piezoelectric material.
前記3次元基材を加熱するように前記加熱手段に加熱制御信号を送出して制御する加熱制御ステップと、
前記加熱手段により加熱された基材の伝搬面に、弾性表面波を励起するように前記励起手段に励起制御信号を送出して制御する励起制御ステップと、
前記検出手段により出力される弾性表面波の検出信号から得られる周回速度あるいは位相情報から温度情報を取得する取得ステップと、
前記検出信号のデータに基づいて、前記伝搬面の温度測定ステップと、
前記温度測定ステップにより得た温度情報と加熱量とに基づいて、前記物質の流速を算出する流速算出ステップと、
流体が流れる配管内にて、3次元基材の表面を多重周回する弾性表面波の周回に伴う減衰量の測定に従って、流体の密度あるいは圧力の測定を行うステップと
を備えたことを特徴とする流速計測方法。 A three-dimensional base material having an annular and spherical propagation surface capable of propagating by making multiple rounds of surface acoustic waves; heating means for heating the base material based on a heating control signal; and an excitation control signal on the propagation surface A flow velocity measuring method using a surface acoustic wave element comprising: excitation means for exciting a surface acoustic wave based on the detection means; and detection means for detecting a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface and outputting a detection signal,
A heating control step of sending and controlling a heating control signal to the heating means so as to heat the three-dimensional substrate;
An excitation control step of sending and controlling an excitation control signal to the excitation means so as to excite a surface acoustic wave on the propagation surface of the substrate heated by the heating means;
An acquisition step of acquiring temperature information from the rotational speed or phase information obtained from the detection signal of the surface acoustic wave output by the detection means;
Based on the data of the detection signal, the temperature measurement step of the propagation surface,
A flow rate calculating step for calculating a flow rate of the substance based on the temperature information and the heating amount obtained by the temperature measuring step ;
A step of measuring the density or pressure of the fluid according to the measurement of the amount of attenuation accompanying the circulation of the surface acoustic wave that circulates around the surface of the three-dimensional substrate in the pipe through which the fluid flows. A flow velocity measurement method characterized by
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