JP6065751B2

JP6065751B2 - 流量計測装置

Info

Publication number: JP6065751B2
Application number: JP2013113736A
Authority: JP
Inventors: 義弘外野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: JP2014232063A

Description

本発明は、光ファイバレーザードップラー流速計を用いた流量計測装置に関するものである。

流体の散乱光によるドップラー効果を利用して当該散乱光の周波数変位を測定することで、流体の流速を測定するレーザードップラー流速計が知られている（特許文献１）。この特許文献１に開示されたレーザードップラー流速計は、同文献１の第２図に示されるとおり、プローブ９の先端にシールリング１０を介してＬ型レンズアッセンブリ８を相対回転可能に支持し、プローブ外周にその外径より僅かに大きい径の円筒管９を嵌め、当該円筒管の一端をＬ型レンズアッセンブリに固着したものであり、そしてこれを流体収納容器１の取付け孔１´に、シールリング５を介して締め付けボルト４により装着したものである。

実開昭６３−８４５６６号公報

しかしながら、上記従来の構造の流速計を内燃機関の潤滑オイルの流速測定に利用した場合に、高圧・高温の条件下で潤滑オイルの粘度が低下すると、締め付けボルト４と円筒管９と間に配置しているシールリング５からオイル漏れが生じるおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、シール性に優れた流量計測装置を提供することである。

本発明は、インナスリーブに対して進退移動するプローブスピンドルの外周面とインナスリーブの第１通孔の周面との間に複数の第１シール部材を設け、光ファイバが挿通されるプローブスピンドルの第２通孔の周面と光ファイバの外周面との間に第２シール部材を設け、プローブスピンドルに対して回転移動するアウタスリーブの内周面とプローブスピンドルの外周面との間に第３シール部材を設けることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、インナスリーブに対して進退移動するプローブスピンドルの外周面とインナスリーブの第１通孔の周面との間、光ファイバが挿通されるプローブスピンドルの第２通孔の周面と光ファイバの外周面との間、およびプローブスピンドルに対して回転移動するアウタスリーブの内周面とプローブスピンドルの外周面との間のシール性が確保されるので、シール性に優れた流量計測装置となる。

本発明の一実施の形態に係る流量計測装置を示すブロック図である。図１の流速計を示す縦断面図である。図１の信号処理部で実行されるシフトピーク周波数の同定処理を説明するためのグラフである。図１の信号処理部で実行される同定処理手順を示すフローチャートである。図４のステップＳ３のサブルーチンを示すフローチャートである。１光束の光ファイバレーザードップラー流速計において求められるパワースペクトル密度の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る流量計測装置１を示すブロック図であり、本例の流量計測装置１は、光ファイバレーザードップラー流速計１０と、光ファイバ２０と、レーザー発振器・光電気信号変換器３０と、増幅器４０と、Ａ／Ｄ変換器５０と、信号処理部６０とを備える。

図２は、図１の光ファイバレーザードップラー流速計１０（以下、単に流速計１０ともいう）を示す縦断面図である。本例の流速計１０は、内燃機関のオイル通路を循環するエンジンオイルの流速を計測して、オイルポンプの駆動条件の最適化にフィードバックするものであり、自動車の開発時に試作車等に装着してエンジンオイルの流量を計測したりするのに用いることができる。

本例の流速計１０は、インナスリーブ１１０、プローブスピンドル１２０、光ファイバ１３０、アウタスリーブ１４０を備え、オイル配管２の通孔２１に水密に装着されたネジ継手２２に、インナスリーブ１１０が水密に取り付けられている。通孔２１とネジ継手２２との間、及びネジ継手２２とインナスリーブ１１０の下端との間のシール構造は、シールテープなど従来公知の手段を用いることができる。

本例のインナスリーブ１１０は、軸方向に延在して形成された第１通孔１１１と、外周面に形成された第１ネジ１１２と、第１通孔１１１の周面に設けられた第１係合部１１３とを有し、外周部に把持部を構成するシンブル１１４が係合ピン１１５により固定されている。流速計１０をネジ継手２２に締め込んだり緩めたりする場合は、シンブル１１４を掴みここを回転させる。

また、インナスリーブ１１０の上端部には、ボルトやピンを当該上端部に挿通させることにより構成された第１係合部１１３が第１通孔１１１の周面から突出する。この第１係合部１１３が、後述するプローブスピンドル１２０の第２係合部１２１である軸方向に延在する溝に係合することで、アウタスリーブ１４０を廻してもプローブスピンドル１２０は連れ廻らず、軸方向にのみ進退移動することになる。

また、インナスリーブ１１０の上部の外周面には第１ネジ１１２が形成され、後述するアウタスリーブ１４０の第２ネジ１４１と螺合する。そして、アウタスリーブ１４０を廻すと、第１ネジ１１２と第２ネジ１４１とが螺合しながら、オイル配管２に固定されたインナスリーブ１１０に対してアウタスリーブ１４０が相対的に軸方向に移動する。このときプローブスピンドル１２０は、第１係合部１１３と第２係合部１２１との係合によって回転方向には規制されているので連れ廻りしないが、軸方向には第２係合部１２１の溝の長さＬ（以下、プローブスピンドル１２０のストロークＬともいう）だけ移動が許容されている。したがって、アウタスリーブ１４０を廻すことでプローブスピンドル１２０が軸方向に進退移動し、これによりプローブスピンドル１２０に支持された光ファイバ１３０の先端部がオイル配管２の断面方向の所望位置に移動させることができる。

本例のプローブスピンドル１２０は、インナスリーブ１１０の第１通孔１１１に軸方向に対して移動可能に挿通されている。また本例のプローブスピンドル１２０は、その外周面に軸方向に延在して形成された溝からなり、インナスリーブ１１０の第１係合部１１３に係合する第２係合部１２１と、軸方向に延在して形成された第２通孔１２２と、を有する。

プローブスピンドル１２０の第２通孔１２２は、下部において光ファイバ１３０より僅かに大きな内径とされ、上部において拡径されている。この上部の拡径された部分には、プローブスピンドル１２０の第２通孔１２２の周面と、光ファイバ１３０のプローブ（鞘部材）１３１の外周面との間を水密にするための第２シール部材たるシール充填材１６０が充填されている。シール充填材１６０は、たとえば耐熱耐薬品性ゴムなどを用いることができる。そして、このシール充填材１６０の上から固定具１２３を挿入し、プローブスピンドル１２０の上端にキャップ１２４を締め込んで固定具１２３を押し付けることで、シール充填材１６０による第２通孔１２２の周面と光ファイバ１３０のプローブ（鞘部材）１３１の外周面との間の水密性を確保することができる。

一方、プローブスピンドル１２０の下端部の外周面には、２つのＯリング１５０，１５０が軸方向に並んで設けられている。これら２つのＯリング１５０，１５０が、プローブスピンドル１２０の外周面とインナスリーブ１１０の第１通孔１１１の周面との間の第１シール部材を構成する。なお本例では、第１シール部材として２つのＯリング１５０，１５０を設けたが、３つ以上であってもよい。

本例の光ファイバ１３０は、プローブスピンドル１２０の第２通孔１２２に挿通され、その先端がオイル配管２の内部に臨み、後述するレーザー発振器・光電気信号変換器３０から発射された１光束のレーザー参照光を先端に導くとともに、エンジンオイルに含まれる散乱粒子によって散乱したドップラーシフト光とレーザー参照光との干渉光をレーザー発振器・光電気信号変換器３０に導くものである。このため、光ファイバ１３０の先端はエンジンオイルの流れの上流に向かってレーザー参照光が照射されるように、内部に反射ミラーを含むＬ型とされている。

なお、オイル配管２を流れる潤滑オイルの流速分布を求めるために、上述したとおりプローブスピンドル１２０が軸方向に進退移動可能とされ、これによりプローブスピンドル１２０に支持された光ファイバ１３０の先端が、管壁から管中心の間の所望位置に移動することができる。なお、プローブスピンドル１２０を挿通する光ファイバ１３０の外周部分にプローブ１３１が装着されている。

本例のアウタスリーブ１４０は、プローブスピンドル１２０に回転可能に取り付けられ、その下部の内周面がインナスリーブ１１０の第１ネジ１１２を包囲し、当該内周面にインナスリーブ１１０の第１ネジ１１２に螺合する第２ネジ１４１が形成されている。また本例のアウタスリーブ１４０の上部には、軸中心方向へ突出する環状のフランジ部１４２が形成され、またこのフランジ部１４２との間でプローブスピンドル１２０の上部を支持するキャップ１４３がアウタスリーブ１４０の上端に締め付けられている。

さらに本例のアウタスリーブ１４０は、上述したフランジ部１４２とプローブスピンドル１２０との間の回転摺動面と、キャップ１４３とプローブスピンドル１２０との間の回転摺動面のそれぞれにシールワッシャ１７０，１７０が設けられている。これら２つのシールワッシャ１７０，１７０が、アウタスリーブ１４０の内周面とプローブスピンドル１２０の外周面との間に設けられた第３シール部材を構成する。

なお、プローブスピンドル１２０の上端に締め付けられたキャップ１２４のさらに上端には、光ファイバ１３０のプローブ１３１を固定するためのスリーブ１３２が設けられ、このスリーブ１３２の外周に光ファイバ１３０とプローブ１３１との境界等を保護するためのブーツ１３３が設けられている。

図１に戻り、本例のレーザー発振器・光電気信号変換器３０は、１光束のレーザー光を発振させて光ファイバ１３０を介してオイル配管２を流れるエンジンオイルの上流に向かって参照光として照射する機能と、エンジンオイルに含まれる散乱粒子の速度に応じて生じるドップラーシフト光と、参照光とがヘテロダイン干渉した光信号を受信して、この光信号を電気信号に変換する機能とを備える。変換された電気信号は、増幅器４０によって増幅されたのちＡ／Ｄ変換器４０によりディジタル信号に変換されて信号処理部６０に出力される。

本例の信号処理部６０は、入力したヘテロダイン干渉光に基づくディジタル信号をフーリエ変換するスペクトルアナライザーとしての機能と、このフーリエ変換されたパワースペクトル密度データからドップラーシフト周波数のピーク周波数を検索する機能とを備える。そして、検索されたドップラーシフト周波数のピーク値からエンジンオイルの流速を下記式１に基づいて演算する機能をも備える。

エンジンオイルの流速ｕは、ドップラーシフト周波数をｆ_Ｄ、レーザー光波長をλ_０、流体屈折率をｎ_ｆ、流れで移動する散乱粒子とレーザー出射光のなす角度をθoutとしたときに、下記式１で求めることができる。
［数１］
ｕ＝ｆ_Ｄ・λ_０／｛２ｎ_ｆ｜cosθout｜｝
上記式１において、レーザー光波長λ_０、流体屈折率ｎ_ｆ、流れで移動する散乱粒子とレーザー出射光のなす角度θoutは既知であるから、ドップラーシフト周波数をｆ_Ｄが求めれば流速が演算により求めることができる。ただし、このドップラーシフト周波数ｆ_Ｄは、測定誤差の因子の中で支配的であるため、正確に読みとることが重要である。従来、このドップラーシフト周波数をフーリエ変換処理したパワースペクトル密度のグラフから求める場合に、解析する周波数帯のスペクトルデータ群の中から、単純に最大値を自動検索して抽出することや、観測者がスペクトルアナライザーのフーリエ変換処理グラフの画面において、カーソルを手動で動かして、ピークを同定する方法が一般的であった。

１光束の光ファイバレーザードップラー流速計においては、図１，２に示すように、光ファイバ１３０からの出射光軸を流れに正対させ、オイル配管２内の流速を測定する場合、ドップラーシフト信号のフーリエ変換（以下ＦＦＴともいう）処理結果は、図６のようになる。すなわち、周波数が０の近傍に最大ピークが出現し、高い周波数に向かって大きく減衰し、さらに光軸中の主流速のドップラーシフト信号の第２のピークが出現する特徴を有する。これは、ファイバープローブの出射光軸壁面の淀み点に向かう流れが、光軸壁面近傍で減速する現象による低流速成分のドップラーシフト信号と、主流速の散乱粒子の信号度数が支配的であるため、主流速のドップラーシフト信号が第２のピークとして出現するからである。さらに流速が遅くなると、光軸中の主流速ピークレベルが相対的に低下したり、不安定な流れの場合にはいくつかのブロードなピークが出現したりするなど、光軸中の主流速のドップラーシフト周波数の同定が困難になる問題がある。

したがって、スペクトルアナライザーなどで単純にピーク最大値を自動で読み取ると、０周波数付近のピークを読み取るといった問題がある。また、観測者が熟練者であれば、正しいドップラーシフト周波数を手動で正しく読み取ることは比較的容易であるが、非熟練者はそれが困難になるため、測定精度が著しく低下するといった問題もある。

本例の信号処理部６０では、ドップラーシフト周波数のピーク値を単純に自動読み取りするのではなく、また観測者が手動で読み取るのでもなく、以下の手順で求める。すなわち、本例の１光束の光ファイバレーザードップラー流速計において、光軸中の主流速のドップラーシフト周波数を精度良く自動で同定する手法を図３〜５に示す。

１光束のレーザー光の場合、ドップラーシフト信号は、出射光軸中に存在する散乱粒子から得られるドップラーシフト信号となる。出射光軸中の散乱粒子から得られる速度情報としては、光軸中の主流速の速度情報の他、光ファイバープローブ光軸壁面近傍の流れが減速された流速情報も含まれる。したがって、ＦＦＴ解析を行った場合、ファイバープローブ壁近傍の速度の低いドップラーシフト信号の他に、出射光軸中の主流速情報として高い周波数域のドップラーシフト周波数が表示され、これが出射光軸中の流れ場の最大周波数を示す。ＦＦＴ解析においてこのピーク以降のスペクトル周波数に出現する信号に、流れによるドップラーシフト信号は存在しないことが分かる。すなわち、これ以降の周波数は光ノイズ背景信号と見なすことができる。

そこで、ＦＦＴ解析結果から、ドップラーシフト信号周波数ｆ_Ｄを同定するには、周波数帯域の高い方から、最大ピークを探索し、最初のピーク周波数を同定すれば所望の信号が得られることになる。すなわち、図３に示すように、ピーク探索の効率を上げるため、同図の「光学ノイズデータ区間削除」として示すように、高い周波数帯域にある光学ノイズデータを削除する（図５のステップＳ３１）。この区間設定は光学ノイズレベルが既知であるため、このレベルより高い信号閾値を設定した上でデータを削除すればよい。

次に図３の「ピークサーチ開始」として示すように、０周波数に向かって最大値の探索を行い、最大値を随時更新する（図５のステップＳ３２）。このとき、ドップラーシフト周波数とパワースペクトル密度とを関連付け、パワースペクトル密度が最大値となったときのドップラーシフト周波数を求める。

最後に、図３の「ピークサーチ終了点」として示すように、この周波数で探索を終了する（図５のステップＳ３３）。この終了周波数は、０周波数と最大値周波数の任意の位置で終了すればよいが、たとえば０周波数とピーク周波数の１／２の位置で相対的に決めることができる。

なお、こうしたＦＦＴ処理の結果から自動同定の処理を行うためには、図４のステップＳ１に示す信号フィルタリング処理や、ステップＳ２に示す平均化処理を前処理として行うと、ピーク同定が容易となる。

以上のとおり、本例の流量計測装置１によれば以下の効果を奏する。
（１）本例の流速計１０をエンジンオイルの流速測定に利用する場合には、光ファイバ１３０が高温、高圧、振動の厳しい環境に晒されるため、光ファイバ１３０を支持する流速計本体は堅牢でオイル漏れ防止に十分配慮する構造をとらなければならない。また、オイル配管２内の流速分布測定から体積流量を算出する場合には、光ファイバ１３０の先端の挿入量を可変させる構造が必要となるが、この構造についてもオイル漏れの防止と光ファイバの軸回転方向の出射光軸位置決め測定精度が重要となる。

本例の流速計１０では、光ファイバ１３０（プローブ１３１）の外周面とプローブスピンドル１２０の第２通孔１２２の周面との間はシール充填材１６０からなる第２シール部材でシールし、プローブスピンドル１２０の外周面とインナスリーブ１１０の第１通孔１１１の周面との間は、２つのＯリング１５０，１５０からなる第１シール部材でシールし、さらにアウタスリーブ１４０の内周面とプローブスピンドル１２０の外周面との間は、２つのシールワッシャ１７０，１７０からなる第３シール部材でシールしているので、オイル漏れを堅実に防止することができる。

また、光ファイバ１３０の先端を進退移動させる場合にアウタスリーブ１４０を左右いずれかに廻すが、インナスリーブ１１０の第１係合部１１３とプローブスピンドル１２０の第２係合部１２１とが係合しているので、光ファイバ１３０を支持するプローブスピンドル１２０はアウタスリーブ１４０の回転に対して連れ廻りしない。したがって、光ファイバ１３０の先端の方向を変えることなく進退移動させることができる。

（２）本例の流量計測装置１によれば、信号処理部６０においてピーク探索を高い周波数から低い周波数に向かって探索するので効率的にドップラーシフト周波数のピーク値を求めることができる。また、光学ノイズデータ区間のスペクトルデータを予め削除し、更に探索終了点を設定するので、探索処理時間の大幅な効率化を図ることができる。

上記Ｏリング１５０は本発明に係る第１シール部材に相当し、上記シール充填材１６０は本発明に係る第２シール部材に相当し、上記シールワッシャ１７０は本発明に係る第３シール部材に相当する。

１…流量計測装置
１０…光ファイバレーザードップラー流速計
１１０…インナスリーブ
１１１…第１通孔
１１２…第１ネジ
１１３…第１係合部
１１４…シンブル
１２０…プローブスピンドル
１２１…第２係合部
１２２…第２通孔
１２３…固定具
１２４…キャップ
１３０…光ファイバ
１３１…プローブ
１３２…スリーブ
１３３…ブーツ
１４０…アウタスリーブ
１４１…第２ネジ
１４２…フランジ部
１４３…キャップ
１５０…Ｏリング
１６０…シール充填材
１７０…シールワッシャ
２０…光ファイバ
３０…レーザー発振器・光電気信号変換器
４０…増幅器
５０…Ａ／Ｄ変換器
６０…信号処理部
２…オイル配管
２１…通孔
２２…ネジ継手
Ｌ…プローブスピンドルのストローク

Claims

測定対象たる流体が流れる容器に直接又は間接的に取り付けられ、軸方向に延在して形成された第１通孔と、外周面に形成された第１ネジと、前記第１通孔の周面に設けられた第１係合部とを有するインナスリーブと、
前記インナスリーブの第１通孔に前記軸方向に対して移動可能に挿通され、その外周面に前記軸方向に延在して形成され前記インナスリーブの第１係合部に係合する第２係合部と、前記軸方向に延在して形成された第２通孔と、を有するプローブスピンドルと、
前記プローブスピンドルの第２通孔に挿通され、その先端が前記容器内に臨んでレーザー光を導く光ファイバと、
前記プローブスピンドルに回転可能に取り付けられ、その内周面が前記インナスリーブの第１ネジを包囲し、当該内周面に前記インナスリーブの第１ネジに螺合する第２ネジを有するアウタスリーブと、
前記プローブスピンドルの外周面と前記インナスリーブの第１通孔の周面との間に設けられた複数の第１シール部材と、
前記プローブスピンドルの第２通孔の周面と前記光ファイバの外周面との間に設けられた第２シール部材と、
前記アウタスリーブの内周面と前記プローブスピンドルの外周面との間に設けられた第３シール部材と、を備える光ファイバレーザードップラー流速計を含む流量計測装置。
前記第１シール部材はＯリング、前記第２シール部材はシール充填材、前記第３シール部材はシールワッシャからなる請求項１に記載の流量計測装置。
１光束のレーザー光を参照光として前記流体の散乱粒子に照射するレーザー発振器と、
前記散乱粒子の速度に応じて生じるドップラーシフト光と前記参照光とが干渉した光信号を受光して電気信号に変換する光電気信号変換器と、
前記電気信号をフーリエ変換して、レーザードップラーシフト周波数に対するパワースペクトル密度を演算する信号処理部と、をさらに含む請求項１又は２に記載の流量計測装置。
前記信号処理部は、得られたレーザードップラーシフト周波数に対するパワースペクトル密度のデータについて、
前記レーザードップラーシフト周波数のうち所定以上の周波数に対して光学ノイズデータであるとして削除または検索対象から除外し、
残りのパワースペクトル密度データに対し、高い周波数から順に低い周波数へ向かってピーク検索を実行し、
前記ピーク検索を開始した周波数と周波数０との間の所定周波数において前記ピーク検索を終了する請求項３に記載の流量計測装置。
前記所定周波数は、前記ピーク検索を開始した周波数と周波数０との中間周波数である請求項４に記載の流量計測装置。