JPH0763778A - 流体速度検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極めて簡単な測定原理を提案し、かつその測
定原理に基づき構成が簡単な装置を得ることを。 【構成】 測定対象の流体を、その流路の途中で回転さ
せ、この回転流の流体部位に前記流体の流速に対応した
周波数の圧力振動を発生させ、その圧力振動の周波数に
基づいて前記流体の流速を検出する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、気体、液体等の流体
の流速を測定するための流体速度検出方法及びその装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体、液体等の流体の流速を測定
する装置の原理としては、例えばカルマン渦等を発生さ
せてその渦による音の周波数を測定することによって流
速を測定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の装置にあって、最適な特性を持つ装置を開発
する場合、試行錯誤を繰り返しながら開発しなくてはな
らず、また一つの装置で広い範囲の流速を測定できるだ
けの性能をもたせることができないという問題点があつ
た。また、これらの従来の装置にあっては特に優れた低
速特性を得ることができないという問題点があつた。

【０００４】この発明は、このような問題点に着目して
なされたもので、ここでは極めて簡単な測定原理を提案
し、かつその測定原理に基づき構成が簡単な装置を得る
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る第１の流
体速度検出方法は、測定対象の流体を、その流路の途中
で回転させ、この回転流の流体部位に前記流体の流速に
対応した周波数の圧力振動を発生させ、その圧力振動の
周波数に基づいて前記流体の流速を検出する方法につい
てである。

【０００６】第２の発明は、流体包囲体の内周面に沿っ
て流体に回転力を与えて、その回転速度に応じた周波数
の圧力振動を派生させる手段を備え、該手段によって派
生させられた圧力振動の周波数を流速信号として出力す
る流体速度変換装置についてである。

【０００７】第３の発明は、流体包囲体の内周面に沿っ
て流体に回転力を与えて、その流体の回転速度に応じた
周波数の圧力振動を派生させる流速・周波数変換手段
と、流速・周波数変換手段からの圧力振動の周波数を検
出し、かつその周波数に基づいて流体速度を算出する演
算手段とを備えてなる流体速度検出装置についてであ
る。

【０００８】

【作用】この発明における方法は、測定対象の流体の流
れの一部分を回転させることによって流速に応じた周波
数の圧力振動を発生させ、その圧力振動の周波数に基づ
いて前記流速を検出する。また、この発明における装置
は、筒体によって流体の流路を、その途中で回転させ、
その回転によって発生する圧力振動の周波数を圧力振動
検出手段によって検出し、その検出周波数に基づいて流
体の速度を検出する。

【０００９】

【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説
明するが、それに先立って図３乃至図７に基づいてこの
発明の原理及びこの原理に基づく簡単な構成の具体例を
説明する。

【００１０】まず、図３乃至図５において、１は一端が
閉塞され、かつ他端の開口部が中央部に大径の孔１ａが
穿設された円盤状閉塞板１ｃによって閉塞された円筒状
の第１の筒体、２は前記第１の筒体１の内径よりも小さ
く、前記円盤状閉塞板１ｃの孔１ａと同一の径の内径を
有し、かつ第１の筒体１と同心円上に配置された両端開
口の第２の筒体で、この第２の筒体２の空洞部は前記第
１の筒体１の開口部１ａに一致し、双方の空洞部が連通
するように設けられる。なお、この第２の筒体２は前記
円盤状閉塞板１ｃと一体的に形成されてもよく、また前
記第１及び第２の筒体１、２の空洞部の角部は、図のよ
うに直角である必要はなく、曲面で面取りされていても
良いことはいうまでもないことである。

【００１１】３は前記第１の筒体１の半径Ｍ１よりも小
さな内径Ｍ２を有する両端開口の第３の筒体（流体吹き
込み手段）で、この第３の筒体３は前記第１の筒体１の
内周面４の接線方向に中心軸が一致し、かつ図４に示す
ように前記第１の筒体１の内壁面の接線Ｌ１に前記第３
の筒体３の内壁面が一致するように設けられている。

【００１２】また、図５に示すように前記第３の筒体３
は、その内壁面の延長線上に前記第１の筒体１の閉塞部
の内壁面１ｂが位置されるように取り付けられている。
なお、前記第３の筒体３の一端開口部は流体吹き込み口
３ａを形成し、第２の筒体２の一端開口部は流体吹き出
し口２ａを形成する。

【００１３】７はコンデンサマイクロホン（マイクロホ
ン）で、前記第２の筒体２の開口部２ａの前方の、該第
２の筒体２の中心軸Ｌ２上に配置され、前記第２の筒体
２の中心軸の近傍で発生する圧力振動、音響を検出しえ
るように第２の筒体２の開口部２ａの中心に向けて取り
付けられている。なお、圧力振動の周波数が大きい場合
は音響として検出するが、周波数が小さい場合には単な
る圧力振動として圧力センサで検出する。

【００１４】また、上記第１、第２及び第３の筒体１、
２、３、並びに圧力変動検出素子であるコンデンサマイ
クロホン７によって流速・周波数変換手段が構成され、
また前記第１及び第２の筒体１、２によって流体包囲体
が形成されている。

【００１５】次に上記構成の作用を図５及び図６を参照
しながら説明し、かつその説明の中で本発明による原理
も説明する。気体供給パイプ５を介して測定対象である
空気等の気体（流体）が流体流入口３ａから第３の筒体
３に定常的に吹き込まれると、その気体は第１の筒体１
の閉塞面に沿って、かつ第１の筒体１の内壁面（または
内周面）４の接線方向に定常的に吹き込まれる。その結
果、気体には回転力が与えられるので気体は、遠心力の
作用を受けながら内壁面４に沿い、かつ他端開口部１ａ
に向けて螺旋状に回転しながら送り出される。また、そ
の回転して送り出された気体は、内径の小さい第２の筒
体２で加速され螺旋状回転を維持しながら筒外、すなわ
ちパイプ６内に、スカート状に広がるようにして吹き出
される。なお、上記作用は流速測定中、定常的に発生し
ていることは言うまでもないことである。

【００１６】このような構造のものをパイプ５、６の接
続点に配置し、かつ第２の筒体２の一端開口部２ａの中
央部前方にコンデンサマイクロホン７を第２の筒体２の
開口部２ａの中央部に向けて固定して配置し、そのコン
デンサマイクロホン７の出力のスペクトル解析を実験的
に行った。その実験の結果、図８に示すように低速度か
ら高速度までの広範囲にわたって非常に直線性の良い特
性を得た。しかしながら、この極めて優れた実験結果が
どのような物理現象を基にして測定可能になるのかにつ
いては、現在のところ不明な点もあるが最も適切と考え
られる論理を以下に示す。

【００１７】すなわち、第１及び第２の筒体１、２の中
を流体が螺旋状に回転しながら通り抜けるので、流体に
は遠心力が作用して第１及び第２の筒体１及び２の中心
軸Ｌ２の近傍には負圧部が発生し、第２の筒体２の外側
（マイクロホン７側）からその負圧部に向かって内側
に、気体の塊が流れ込み、その気体の塊が奥の方に流れ
込みすぎると、流れ込んだ気体の塊８が押し返されると
言う作用が交互に働いて圧力振動を発生するものと考え
られる。

【００１８】換言すると、次のようになる。気体の螺旋
状の回転によって、その回転の中心軸、すなわち第１及
び第２の筒体１及び２の中心軸Ｌ２の近傍には負圧部が
発生して、その負圧部によって図５に符号８で示す範囲
の円柱状の気体が第２及び第１の筒体２、１内に吸い込
まれ、その円柱状気体８の塊の先端部が、第３の筒体３
から吹き込まれる気体の流れの流線（この流れが形成さ
れる位置は、第１、第２、第３の筒体１、２、３の形状
及びそれらの大小関係により決まる）に接すると逆方
向、すなわち第２の筒体２の外方向に押し返され、押し
返され過ぎると、再度第１及び第２の筒体１、２内に負
圧部が発生して、再度円柱状気体８が吸い込まれ、以後
この動作が繰り返される。

【００１９】この現象は図６の物理モデルに示すように
円柱状気体８が質量１０となり、かつその質量１０が第
３の筒体３から吹き込まれる流体によって押し返される
ときの流体弾性がコイルバネ１１となり、それらが直列
接続されて矢印Ａ方向に交互に変位して気体振動を発生
する単振動のモデルを考えることができる。そしてその
交互に繰り返す周期は螺旋状になって回転する気体の速
度に比例する。換言すると、第３の筒体３内を通過する
気体の速度（または体積に相当して速度と等価に扱える
ものである）に比例する。

【００２０】すなわち、理論的には

【数１】 ここで ｆ：検出周波数（スペクトラム解析での最大ピ
ーク値を示す周波数） Ｖ：円柱状気体８の体積 Ｕ：吹き込み口３ａから流入する体積流量 Ｃ：定数 で表すことができる。また、上記式は気体（または流
体）の密度に無関係であるという極めて優れた点を有す
る。

【００２１】次に、上記構成において発生した圧力振動
の一種である音響を受音するコンデンサマイクロホン７
から出力される音響検出信号の信号処理方法について図
７に基づいて説明する。即ち、マイクロホン７から出力
された音響検出信号はアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）コ
ンバータ１３に供給されてアナログ信号からデジタル信
号に変換される。その変換された信号は、高速フーリエ
変換回路（ＦＦＴ回路）１４に供給されスペクトル解析
される。

【００２２】そのスペクトル解析結果は、次段のマイク
ロコンピュータ１５に供給され前記流体の流速によって
発生される圧力振動である音響を形成する各種の周波数
成分のうちの特定の周波数が検出され（スペクトルの中
に現れる波形のうち最大ピークを示す周波数を信号とし
て選択する）、かつその検出された周波数に基づいて対
応する流速（または流量）が図８に示す特性を表す関係
式に基づいて算出され、その算出された流体の速度信号
をデスプレーユニット１７に供給して表示する。

【００２３】なお、図８において上記構成の装置を用い
て実験的に得られた周波数・流速特性図が示され、図中
の１５ｍｍ，３５ｍｍ，５５ｍｍの数値は第２の筒体２
の長さを表している（この時の第１の筒体１の内径は２
０ｍｍ、長さは２０ｍｍであり、第２の筒体２の内径は
１０ｍｍに設定してある）。

【００２４】なお、図３及び図５に示す円盤状閉塞板１
ｃを上記説明の中では平板状のものを使用し、流路を急
激に絞って基礎的な確認実験に使用したが、図８に示し
たように円盤状閉塞板１ｃの形状を逆ロート状に形成し
て徐々に流路を絞り込み圧力損失を小さくしてもよい。

【００２５】次に、この発明による、より実際的な実施
例を図１及び図２に基づいて説明する。なお、図１及び
図２において、上記説明の中で説明した構成と同一なも
の、または均等なものには同一符号を付して、その説明
を省略し、異なる構成部分についてのみ説明する。

【００２６】すなわち、第１の筒体２０は上記構成の中
で説明した第１の筒体１と同一機能を有するが、その第
１の筒体１の周面の中央部分から一端開口部１ａに向け
てテーパ面（絞り部）が形成され、また他端閉塞面１ｂ
の中央部がその一端開口面１ａに向けて凹状に形成され
ることよって窪み部２１が形成されている。またこのテ
ーパ面の形状は図２では直線で表したが設計仕様によっ
て各種曲面を選択しえるものである。

【００２７】また、前記窪み部２１の上端部に形成され
た平坦面２１ａ上にはコンデンサマイクロホン７が配置
されている。なお、前記窪み部の上端部２１ａの平坦面
に取り付け穴を穿設し、その穴にコンデンサマイクロホ
ン７を嵌入して固定しても良い。なお、上記において
は、気体の流路の断面積に流速をかけ算することによっ
て流量が算出されることはいうまでもないことである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、従来の装置では得ることのできない極めて優れた
特性を有し、かつ簡単な構成及び原理で作動させること
のできる装置を安価に得ることができるという効果が発
揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による装置の実施例の全体構造を示す
斜視図である。

【図２】図１の要部断面説明図である。

【図３】この発明の原理に基づいて考えた簡単な構造の
具体例の全体構造を斜めからみた説明図である。

【図４】図３のＸ１・Ｘ２断面説明図である。

【図５】図３及び図４に示した具体例の作用及びこの発
明の原理を説明するための断面説明図である。

【図６】この発明の作用を説明するための物理モデルで
ある。

【図７】この発明による圧力振動を検出するための電気
回路ブロック図である。

【図８】この発明による実施例の実験結果を示す特性図
である。

【図９】この発明による図３の具体例の変形例を示す断
面説明図である。

【符号の説明】

１、２、３、２０ 筒体 ５、６、３０ パイプ ７ コンデンサマイクロホン（圧力検出手段） ８ 円柱状気体 １３ Ａ／Ｄコンバータ １４ ＦＦＴ回路 １５ マイクロコンピュータ １６ メモリ １７ デスプレーユニット ２１ 窪み部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象の流体を、その流路の途中で回
   転させ、この回転流の流体部位に前記流体の流速に対応
   した周波数の圧力振動を発生させ、その圧力振動の周波
   数に基づいて前記流体の流速を検出することを特徴とす
   る流体速度検出方法。
2. 【請求項２】 流体包囲体の内周面に沿って流体に回転
   力を与えて、その回転速度に応じた周波数の圧力振動を
   派生させる手段を備え、該手段によって派生させられた
   圧力振動の周波数を流速信号として出力することを特徴
   とする流体速度変換装置。
3. 【請求項３】 流体包囲体の内周面に沿って流体に回転
   力を与えて、その流体の回転速度に応じた周波数の圧力
   振動を派生させる流速・周波数変換手段と、流速・周波
   数変換手段からの圧力振動の周波数を検出する検出手段
   と、検出手段から供給される検出信号の周波数に基づい
   て流体速度を算出する演算手段とを備えてなることを特
   徴とする流体速度検出装置。