JPH0627126A

JPH0627126A - 流体速度検出方法

Info

Publication number: JPH0627126A
Application number: JP20109591A
Authority: JP
Inventors: Yoshijirou Watanabe; 嘉二郎渡辺
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1991-07-17
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1994-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】例えば音響部品として一般によく知られてい
るスピーカとマイクロホンとを用いることによつて従来
にない安く、精度のよい、かつ装置を簡単にできる流体
速度検出方法を提案することを目的とする。【構成】壁面に孔が穿設された包囲体の内部空間の圧
力を低周波数で変動せしめると共に、前記壁面の孔を測
定対象である流体の流れに接するように配設し、それに
よつて発生する前記包囲体の内部空間の圧力変化に基づ
いて前記流体の速度を算出する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、パイプ等を流れる流
体の速度（流速）を検出する流体速度検出方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の流体速度検出方法としては、例え
ば気体の流れの中に細いヒーターを気体の流れ方向に直
角に配置し、そのヒーターに一定の電流をパルス状に供
給し、そのヒーターの放熱による抵抗変化を検出するこ
とによつて、流れる気体の流速を検出していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の流体速度検出方法にあつては、ヒーターが直
接流体に接触する構成であるので、流体に塵挨、気化物
の蒸気等が混入されていた場合にはそれがヒーターに付
着したり、またヒーターの表面が流体中の不純物に直接
的に長時間接触することによつて変化して放熱状態が経
年変化し、流体とヒーターとの熱的関係が変わってしま
い誤差が徐々に大きくなる恐れが多分にあるという問題
点があつた。またヒーターの抵抗値変化を大きくとるた
めに、非常に細いヒーターを用いるので塵挨が大きいも
のであつた場合には、ヒーターに非常に大きな外力が作
用し、断線する恐れがあつた。さらに、流体の速度の大
きさに比例した大きさの外力がその細いヒーターに作用
する構成であるので、速度の大きな流体を測定対象とし
た場合には、ヒーターが伸びてしまい測定誤差が大きく
なると共に、ヒーターの弾性限界を越えて外力が作用し
た場合にはヒーターは測定初期の抵抗値のものと違って
しまう恐れがあつた。

【０００４】この発明は、上記のような技術領域と全く
異なる小生の研究領域、すなわち音響技術の原理を適応
させることによつて上記のような問題点を解消させたも
ので、例えば音響部品として一般によく知られているス
ピーカとマイクロホンとを用いることによつて従来にな
い安く、精度のよい、かつ装置を簡単にできる流体速度
検出方法を提案することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、壁面に孔が
穿設された包囲体の内部空間の圧力を低周波数で変動せ
しめると共に、前記壁面の孔を、測定対象である流体の
流れに接するように配設し、それによつて発生する前記
包囲体の内部空間の圧力変化に基づいて前記流体の速度
を算出する構成とする。

【０００６】

【作用】この発明による流体速度方法は、包囲体の中の
気体の圧力を低周波振動させ、かつ包囲体の孔を介して
測定対象である流体と作用させてそのときの圧力変動を
検出することによつて流体の速度を測定する。

【０００７】

【実施例】図１に基づいてこの発明の基本原理の理論を
説明する。図１において、１は肉厚ｈのパイプで、その
一端Ａから他端Ｂに向けて測定対象である気体（流体）
が流速Ｖ_fで流通している。２は前記パイプ１の壁面に
穿設された直径２ｒの小径（前記パイプ１の内径に対し
て）の孔、３は前記パイプ１の壁面に穿設された孔２に
対して所定の間隔で対向配設されたスピーカ等の音圧発
生手段で、所定の周波数で駆動される。４は前記音圧発
生手段３から発生された音波（ここでは音圧と同義であ
る）が疎密波となり、孔２を通過した後に円弧状に拡散
形成される音波の回折波動である。

【０００８】次に、上記基本構成に基づき流体速度Ｖ_f
が求められる原理を図２乃至図４に基づいて説明する。
まず、図２に示されるようにパイプ１に穿設された孔２
の部分には斜線で示されるように直径２ｒ、厚さ（肉
厚）ｈの空気（密度ρ）の円柱が形成され、それによつ
て音響学的には直径２ｒ、長さｈの音響管５が形成され
ているものと考えられる。この音響管５に対して、下方
から音圧発生手段３が対面するように、すなわち、前記
孔２に前記音圧発生手段３が向き合うように配置され、
前記音圧発生手段３は所定周波数で正弦波駆動される。

【０００９】ここで、前記音圧発生手段３が所定周波数
で正弦波駆動されると、前記音響管５の上側開口端で
は、図３に示すように半径ｒ、厚さ（πｒ）／２の空気
（密度ρ）の円柱状空気部（質量：ｍ）６が、前記音圧
発生手段３と音響管５内の空気バネとにより速度Ｖv(t)
（変位：Ｘ(t)）で上下に単振動させられるものと考え
られる。このときの質量ｍ（以下、付加質量という）は
次式により表される。

【００１０】

【数１】ただし、（πｒ）／２は理論的に計算できものである。
また、この振動系の運動エネルギーは、（１／２）ｍｖ
_v ²である。

【００１１】ここで、図１の如くパイプ１の中をＡから
Ｂ方向に向けて空気が流速Ｖ_fで流れ、前記音響管５の
上端面にも空気が速度Ｖ_fで流れているものと仮定する
と、図３に斜線で示した付加質量ｍの部分の円柱状空気
部６はＡ方向から流れる空気によつて外力を受け、図３
で斜線で示した部分の円柱が図４に斜線Ｃで示すように
速度Ｖ_fに比例した量（図４においてＬで示される）だ
け下流（Ｂ方向）に流される。その結果、図４に斜線Ｄ
で示す部分の空気が音響管５の上端面に沿ってずれ、円
柱状空気部６の付加質量ｍの部分に蓄えられたエネルギ
ーも空気の流れによつて下流方向（Ｂ方向）に持ち去ら
れる。つまり、エネルギーの散逸が発生するのであ
る。そこで、時間ｔの間にずれ量（変位量）Ｌが発生し
てその付加質量ｍの部分の平面断面積をＡとすると

【００１２】

【数２】となる。ただし、Ｋは定数である。時間ｔの間に散逸し
たエネルギー量Ｄ・ｔは、

【００１３】

【数３】単位時間当りに散逸するエネルギー量Ｄは、

【００１４】

【数４】ただし、ｄ＝（ｍＫＶ_f）／（πｒ²）である。数１を数
４に代入すると

【００１５】

【数５】このとき、速度Ｖ_fは

【００１６】

【数６】となる。すなわち、音響管５のダンパ係数ｄが分かれ
ば、速度Ｖ_fが分かる。

【００１７】次にダンパ係数ｄの求め方について図５及
び図６を参照しながら説明する。なお図５において、図
１と同一構成またはそれと均等のものには同一符号を付
してその説明は省略する。図中、７はパイプ１壁面に穿
設された孔２を外側から気密状に覆う密閉用ハウジング
（包囲体）で、そのハウジング７の壁面には該壁面の一
部を形成するように薄型スピーカ等の音圧発生手段１０
が取り付けられ、その音圧発生手段１０は、駆動回路１
１によつて所定周波数で正弦波駆動され、前記ハウジン
グ７内の内圧を所定周波数で正弦波状に変化せしめる。
なお、図５においてはパイプ１の壁面に孔２を穿設した
が、ハウジング７の壁面の一部分で前記パイプ１の壁面
の一部を形成せしめ、かつその壁面に孔２を設け、壁面
を共用する構成にしても良いことは言うまでもないこと
である。８は圧力検出用のコンデンサーマイクロホン
で、ハウジング７内に取り付けられ、該ハウジング内の
圧力変動を検出する。９は検出回路で、前記マイクロホ
ン８からの検出出力に基づいて前記パイプ１内の空気流
速Ｖ_fを検出して出力する。

【００１８】次に、上記図５に示す構成に基づいて前記
音響管５のダンパ係数ｄの算出論理を図６を参照しなが
ら説明する。まず図５及び図６において、Ｐ₀は大気
圧、△Ｐ(t)は音圧発生手段１０の駆動によつて発生す
るハウジング７内の圧力変化量、Ｘ(t)はパイプ１の孔
２の部分に発生する付加質量ｍを形成する円柱状空気部
６の変位量、Ｕ(t)は音圧発生手段１０の受圧面の変位
量、ｒはパイプ１の孔２の半径（付加質量ｍを形成する
円柱状空気部６の半径でもある）、Ｖ₀はハウジング７
内の実空間容積、Ｓは音圧発生手段１０の受圧面の面
積、γは比熱比（空気の場合は１.４）、Ｖ_fは測定対象
の空気の流速、Ａは付加質量ｍを形成する円柱状空気部
６の断面積（開口面積）、ｍは円柱状空気部６の質量
（付加質量）、ｄは付加質量ｍを形成する円柱状空気部
６のダンパ係数、として設定すると図５に示す構成は図
６に示す振動系の物理モデルと等価と考えることが出来
る。すなわち、前記物理モデルにおける円柱状空気部６
の部分は、円柱状空気部６自身の付加質量ｍ、空気円柱
６の空気バネ１ｃ、ダンパ１ｂなどの制御要素から構成
されている。そこで図６において、次の数７及び数８が
成立する。

【００１９】

【数７】

【００２０】

【数８】上記数７及び数８をラプラス変換して整理すると（パイ
プ１内の空気の流速Ｖ_fとダンパ係数ｄとが比例関係に
あることが前提条件にあるため音圧発生手段３の駆動周
波数を十分に小さく設定すると、ｍｓ²＝０とできる）

【００２１】

【数９】上記数９より△Ｐ(s)からＵ(s)までの伝達関数は

【００２２】

【数１０】上記数１０において、音圧発生手段３の駆動周波数を小
さな値とし、かつ駆動電圧をピーク値が一定な正弦波と
設定しているので、Ｕ(ｉω)＝定数値、△Ｐ(ｉω)＝マ
イクロホン８の出力電圧値と設定できる。それゆえに

【００２３】

【数１１】となり、測定対象の流体の流速Ｖ_fは次の数１２のよう
に求められる。

【００２４】

【数１２】

【００２５】次に、上記構成のものを作成して実験を行
って得たグラフを図８に示す。このグラフに示された特
性は本発明による流速検出方法が線形であることを示し
ている。

【００２６】なお、上記構成においては測定対象である
流体をパイプ１の中で流通せしめたが図７に示すように
壁板１２の一側面側に流体を流通せしめると共に、その
壁板１２に孔２を穿設し、かつ壁板１２の他側側面にハ
ウジング７を設け、そのハウジング７内にマイクロホン
８等を配置せしめてもよい。また、図７において図５に
示した構成のものと同一または均等なものには同一符号
を付してその説明は省略する。

【００２７】また、上記実施例では孔２を円状にした
が、図９及び図１０に示すように長方形の形状の孔であ
つてもよく、図９に示すものはずれ量Ｌを大きく採れる
ので、流体の流れ方向（ＡからＢの方向）に対して流体
の速度が早い場合の流速検出に向いており、また図１０
に示すものはずれ量Ｌを大きく採れないので、流速の遅
いものに向いている。たとえば、図９及び図１０に示す
ごとく流速Ｖfが同一の場合、付加質量ｍは破線で示さ
れるように同一量Ｌだけずれるので、図９の場合のずれ
量Ｌは孔２’の長さ（流体の流れ方向に対する長さＬ
1）に対して３０％弱のずれに対して、図１０の場合、
孔２’’の長さＬ2に対してずれ量Ｌはおおよそ６０％
強のずれを発生している。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明は、壁面
に孔が穿設された包囲体の内部空間の圧力を低周波数で
変動せしめると共に、前記壁面の孔を、測定対象である
流体の流れに接するように配設し、それによつて発生す
る前記包囲体の内部空間の圧力変化に基づいて前記流体
の速度を算出することを特徴とする流体速度検出方法で
あるので、簡単な方法で精度よく流速を測定することが
できるようになり、測定装置が安価になると共に、保守
管理が簡単になることが出来るという極めて大きな効果
が発揮される。また小規模な製造設備で作成することが
出来るので、設備投資が少なくて済むという極めて大き
な産業上の効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための構成説明図であ
る。

【図２】図１を説明するための作用説明図である。

【図３】図１を説明するための作用説明図である。

【図４】図１を説明するための作用説明図である。

【図５】本発明の原理を説明するために示した図１の構
成説明図を具体化した実施例を示す構成説明図である。

【図６】図５に示した構成説明図のモデルと等価な振動
系の物理モデルである。

【図７】図５に示した本発明の実施例の他の実施例の構
成を説明するための構成説明図である。

【図８】図５に示した実施例による実験結果（精度）を
示すグラフである。

【図９】図４及び図５に示した円形状の孔２に対する他
の形状の実施例を示す説明図である。

【図１０】図９に示した長方形の孔２’に対する他の実
施例を示す説明図である。

【符号の説明】

１パイプ２孔２’ 孔２’’ 孔３スピーカ（音圧発生手段）７ハウジング８マイクロホン（音圧検出手段）９検出回路１１駆動回路１２壁板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】壁面に孔が穿設された包囲体の内部空間
の圧力を低周波数で変動せしめると共に、前記壁面の孔
を、測定対象である流体の流れに接するように配設し、
それによつて発生する前記包囲体の内部空間の圧力変化
に基づいて前記流体の速度を算出することを特徴とする
流体速度検出方法。