(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と液体との双方が流入する所定の混合室から噴射された、これらの気体と液体とが混合された混相流中の液体の噴出量を測定する流量測定装置であって、
前記混合室に流入する液体の流量を測定する流量センサと、
前記混合室内の気体の体積ないし体積変化を測定する体積センサと、
前記流量センサで測定された前記流量と前記体積センサで測定された前記体積ないし前記体積変化とに基づいて、前記混相流中の液体の噴出量を求める演算部とを備えたことを特徴とする流量測定装置。
【請求項２】
前記体積センサが、
前記混合室内の気体中に、少なくとも所定の周波数を含む音波を放出する音源と、
前記混合室内の圧力を測定する圧力センサと、
前記混合室内の、前記所定の周波数の音圧を測定する音圧センサとを備えたことを特徴とする請求項１記載の流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、気体と液体とを混合する混合室から噴射された混相流中の液体の流量を測定する流量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、上記のような、混合室内で気体と液体とを混合して噴射する技術が、例えば自動車のエンジン内にガソリンを噴入する装置等に使用されている。
図３は、混合室の模式図である。
この混合室１０には、液体（例えばガソリン）１１と気体（例えば空気）１２が流入し、この混合室１０の内部でそれらが混合されてその混合室１０から噴射される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば上述した、エンジン内へのガソリンの噴入量の時間的変化を測定することが要望されているが、これまでは、適切な測定手法が見出されていない。
例えば、混合室１０から噴出された混相流を圧力センサ等に吹き付けてその圧力変化から噴射量を求める、いわゆるモーメンタム法を採用することが考えられるが、混相流中の液体の吹付圧力と気体の吹付圧力とを分離することができず、したがって混相流中の液体のみの噴出量を測定することはできない。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑み、噴射混相流中の液体の噴射量を、気体の噴射量とは分離して測定する流量測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の流量測定装置は、気体と液体との双方が流入する所定の混合室から噴射された、これらの気体と液体とが混合された混相流中の液体の噴出量を測定する流量測定装置であって、
（１）混合室に流入する液体の流量を測定する流量センサ
（２）混合室内の気体の体積ないし体積変化を測定する体積センサ
（３）流量センサで測定された流量と体積センサで測定された体積ないし体積変化とに基づいて、混相流中の液体の噴出量を求める演算部
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
ここで、上記本発明の流量測定装置において、上記（２）の体積センサが、
（２−１）混合室内の気体中に、少なくとも所定の周波数を含む音波を放出する音源
（２−２）混合室内の圧力を測定する圧力センサ
（２−３）混合室内の、所定の周波数の音圧を測定する音圧センサを備えたものであることが好ましい。
【０００７】
【作用】
図１は、本発明の原理説明図であり、図３に示す混合室の模式図に、各種記号を書き加えた図である。本発明の流量測定装置は、この図１に示すような矩形の混合室等にのみ適用されるものではないが、解り易さのため、以下、この図１を参照しながら、本発明の測定原理について説明する。
【０００８】
図１に示す系で、液体１１の混合室１０への流入体積速度をＱＬ，ｉｎ（ｔ）、混合室１０の内容積をＶＯ  、混合室１０内の液体１１の体積をＶＬ  （ｔ）、混合室１０内の気体の体積をＶＧ  （ｔ）、混合室１０から噴射される混相流中の液体の流出体積速度をＱＬ，ｏｕｔ  （ｔ）とする。尚、（ｔ）は時刻ｔの関数であることを表わす。ここで求めようとしているのは、液体の流出体積速度ＱＬ，ｏｕｔ  （ｔ）である。
【０００９】
混合室１０の内の液体１１の体積ＶＬ  （ｔ）は、
ＶＬ  （ｔ）＝ＶＯ  −ＶＧ  （ｔ）          ……（１）
で与えられるので、
【００１０】
【数１】
0003607364.tif 000002
【００１１】
により、噴射混相流中の液体の流出体積速度ＱＬ，ｏｕｔ  （ｔ）が推定される。ただし、ここでは、液体１１は、非圧縮性流体であるとしている。
すなわち（２）式によると、混合室１０に流入する液体１１の流入体積速度ＱＬ，ｉｎ（ｔ）と、混合室１０内の気体１２の体積ＶＧ  （ｔ）もしくはその体積変化｛ｄＶＧ  （ｔ）／ｄｔ｝とを測定することにより、噴射混相流中の流体の流出体積速度ＱＬ，ｏｕｔ  （ｔ）を求めることができる。
【００１２】
（液体の流入体積速度ＱＬ，ｉｎ（ｔ）の測定）
これは、液体のみが液体流入管１３内を流れている状態における液体の流入体積速度であるから、例えばレーザドプラ流速計、超音波流速計等によりその液体１１の流速ＶＬ，ｉｎ（ｔ）を測定し、管１３（図１参照）の内断面積をＳ、補正係数をαとして、
ＱＬ，ｉｎ（ｔ）＝α・Ｓ・ＶＬ，ｉｎ（ｔ）          ……（３）
により求めることができる。この、液体流入管１３内を流れる液体の体積速度を求める手法自体は従来知られており、また流速計についても種々の原理に基づくものが従来知られており、ここでは、これ以上の詳細説明は省略する。
【００１３】
（混合室内の気体の体積ないし体積変化の測定）
本発明は、混合室内の体積ないし体積変化を求める手法自体を特定の手法に限定するものではなく、例えば混合室１０を透明体で形成し混合室１０の内部の様子を連続的に撮影して画像処理を行なうこと等によってその体積ないし体積変化を測定するものであってもよいが、ここでは、例えば上述したガソリンの噴入のような、例えば数ｍｓｅｃを単位とした高速の流量変化を知ることのできる手法として、以下の原理に基づく、気体の体積を測定する手法を説明する。
【００１４】
混合室１０内に、角周波数ω，体積速度ＱＯ  の音波ＱＯ  ｅｘｐ（ｊωｔ）を発生する音源を配置して混合室１０内の気体に音波（圧力変化）を与え、その混合室１０内の気体の圧力ＰＯ  と、角周波数ωの音圧ＰＷ  ｅｘｐ（ｊωｔ）を測定する。尚、ｊは虚数単位を表わす。ここでは、混合室１０内の代表的な長さが音波ＱＯ  ｅｘｐ（ｊωｔ）の波長に比べ十分小さいものとする。
【００１５】
混合室１０内部の気体１２の密度をρ、粒子速度（ベクトル）をｖとしたとき、質量に関する連続の式は、
【００１６】
【数２】
0003607364.tif 000003
【００１７】
で表わされる。また、混合室１０内の気体１２の圧力をＰとし、
Ｐ  ＝  ＰＯ    ＋  ｐ
ρ  ＝  ρＯ    ＋  ρ´
ｖ  ＝  ｖＯ    ＋  ｖ´＝  ｖ´        ……（５）
のように、平行状態での圧力ＰＯ  ，密度ρＯ  ，速度ｖＯ  と、それからの偏差ｐ（音圧），ρ´，ｖ´との和で表わす。ただし、粒子速度ｖについては、平衡状態では気体の流れはないものとし、したがって粒子速度ｖＯ  はｖＯ  ＝０とする。
【００１８】
（５）式を（４）式に代入すると、ＰＯ  ，ρＯ  は一定値であるため、
【００１９】
【数３】
0003607364.tif 000004
【００２０】
となる。この（６）式の左辺の第３項ｖ´・ｇｒａｄ（ρ´）は２次の微小量であるためこれを省略すると、
【００２１】
【数４】
0003607364.tif 000005
【００２２】
が成立する。
更に、熱力学考察より、気体の密度ρを圧力ＰとエントロピーＳとの関数
ρ  ＝  ρ（Ｐ，Ｓ）          ……（７）
と考えるとともに、熱伝導や粘性の影響は無視できる等エントロピー過程を考え、
【００２３】
【数５】
0003607364.tif 000006
【００２４】
ここで（…）Ｓ，Ｏ  の‘ｏ’は平衡状態での値であることを示している。（７）式は、
【００２５】
【数６】
0003607364.tif 000007
【００２６】
となる。
次に、上記（９）式を混合室１０の気体１２の部分全体（ＶＧ  ）にわたって積分する。
ここで、上述したように、混合室１０の長さディメンションは音波の波長に比べて十分小さい場合は、音圧は混合室１０内部で一様と考えてよく、
【００２７】
【数７】
0003607364.tif 000008
【００２８】
但し、ｘはベクトルを表わす
となる。
さて、（９）式をＶＧ  内で積分し、
【００２９】
【数８】
0003607364.tif 000009
【００３０】
を得る。ただし、簡単のため音源は平面ピストン音源とし、音源の振動速度の法線成分をＶｎ  ・ｅｘｐ（ｊωｔ），音源の面積をＡ、また、
Ｐ  ＝  ＰＷ  ｅｘｐ（ｊωｔ）
とし、共通因子ｅｘｐ（ｊωｔ）は省略した。（１１）式より、
【００３１】
【数９】
0003607364.tif 000010
【００３２】
ＱＯ    ＝  −Ａ・Ｖｎ                      ……（１３）
を得る。理想気体の場合には、
【００３３】
【数１０】
0003607364.tif 000011
【００３４】
が成り立ち、（１２）式は、
【００３５】
【数１１】
0003607364.tif 000012
【００３６】
となる。従って
【００３７】
【数１２】
0003607364.tif 000013
【００３８】
を得る。
尚、今まで、ＶＧ  ，ＰＯ  は一定としたが、これらがｅｘｐ（ｊωｔ）に比べ、ゆっくり変化する場合には、
ＶＧ    →  ＶＧ  （ｔ），  ＰＯ    →  ＰＯ  （ｔ）      ……（１８）
としてよい。また、（５）式以降ｖＯ  ＝０としたが、気体の熱伝導の影響は無視し得るとして（１０）式で仮定したのと同じ理由で、密度ρ＝ρ０  ＋ρ’も混合室内では空間的に一様に変化すると考えるならば、そして、音波の時間変動が背景のＰ０  （ｔ）等の時間変動に比べ十分速いとするならばｖＯ  ≠０の場合にも、（７）式は成り立つことになる。
【００３９】
ここで、上記（１７）式において、音源の体積速度ＱＯ  は測定、制御可能な量であり、圧力ＰＯ  ，音圧ＰＷ  も測定可能量である。
ところで（１７）式中に示される比熱比γは、理想気体の場合は比熱比でよかったが、現実には、混合室１０の内壁と気体との間の熱伝導は無視できない。そこで、上記（１７）式を、
【００４０】
【数１３】
0003607364.tif 000014
【００４１】
と書き換える。ここで、γｅｆｆ  は低周波でγｅｆｆ  ≒１、高周波では、γｅｆｆ  ≒γとなる複素数値をとる無次元量である。このγｅｆｆ  は球や円筒内部等の簡単な境界条件の場合は容易に算出し得るが、図１に示すような複雑な系については解析的な手法では一般的には求めることはできない。
そこで、混合室１０の内部の形状、攪拌状態等とγｅｆｆ  との関係マップを、測定データを基に作成しておき、その関係マップから求められたγｅｆｆ  を用いてＶＧ  を推定することが望ましい。
【００４２】
このようにして、（３）式に基づいて液体の流入体積速度ＱＬ，ｉｎ（ｔ）を求めるとともに、（１７）式ないし（１９）式に基づいて混合室内部の気体の体積ＶＧ  を求めることにより、（２）式から、噴射混相流中の液体の流出体積速度ＱＬ，ｏｕｔ  （ｔ）が求められる。
尚、上記説明では、混合室１０内部の体積ＶＯ  としては、混合室１０内部の幾何学的形状のみにより定まる体積を想定したが、必要に応じて、幾何学的な体積に代わり、実効的な体積を想定してもよい。また必要に応じて、混合室１０に流入する気体１２の流路に音響フィルタを取り付けてもよい。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図２は、図１に示す混合室に、本発明の流量測定装置の一実施例を取り付けた状態を示す模式図である。この図２中に記入された符号は、図１もしくは図３に記入された符号、もしくは、前述した各式中に表われた符号と同一の意味を有しており、ここでは重複説明は省略する。
【００４４】
液体流入管１３には、その管１３の内部を流れる液体１１の流速を測定する、レーザドプラ流速計（ＬＤＶ）２０が備えられており、流速ＶＬ，ｉｎ（ｔ）が求められ、演算部２６では、前述した（３）式に従って、入力された流速ＶＬ，ｉｎ（ｔ）を基に、液体１１の流入体積速度ＱＬ，ｉｎ（ｔ）が求められる。尚、本実施例ではＬＶＤ２０と、演算部２６の流速ＶＬ，ｉｎ（ｔ）を流入体積速度ＱＬ，ｉｎ（ｔ）に換算する機能とを合わせた構成が、本発明にいう流量センサに対応する。
【００４５】
また、混合室１０の壁には、音源２１，圧力センサ２２，音圧センサ２３が備えられている。圧力センサ２２は、混合室１０の内部の気体１２の静圧（もしくはｅｘｐ（ｊωｔ）と比べゆっくりと変化する準静圧）を測定するものであり、音圧センサ２３は、角周波数ωの圧力変化を測定するものである。ここでは、名称で区別しているが、圧力センサ２２および音圧センサ２３は各用途を満足するものであればよく、各用途を満足する限り、同一仕様のものであってもよい。また、その場合、気体の圧力ないし音圧を直接測定する部分は１つであって、フィルタ等により圧力（静圧ないし準静圧）と音圧（角周波数ω）とに分けてもよい。
【００４６】
音源２１は、その音源に入力される駆動信号Ｄに応じて混合室１０の内部側の面（面積Ａ）がＱＯ  ｅｘｐ（ｊωｔ）で振動する。その駆動信号Ｄは、振幅ＱＯ  の情報を担持する信号として、演算部２６に入力される。
圧力センサ２２は、混合室１０内部の気体１２の圧力を測定するためのセンサであり、圧力センサ２２からの出力信号は、ローパスフィルタ２４に入力され、静圧ないし準静圧ＰＯ  を表わす信号が抽出されて演算部２６に入力される。
【００４７】
また、音圧センサ２３は、混合室１０の内部の気体１２の、角周波数ωの音圧ＰＷ  を測定するためのセンサであり、音圧センサ２３からの出力信号は、バンドパスフィルタ２５に入力され、角周波数ωの音圧ＰＷ  を表わす信号が抽出されて演算部２６に入力される。
演算部２６には、この図２に示す系においてあらかじめ測定されたγｅｆｆ  についてのデータが格納されており、演算部２６では、前述した（１９）式に基づいて、混合室１０の内部の気体に体積ＶＧ  （ｔ）が求められる。
【００４８】
このようにして、演算部２６では、液体１１の流入体積速度ＱＬ，ｉｎ（ｔ）と、混合室１０の内部の気体１２の体積ＶＧ  （ｔ）が求められ、さらに、前述した（２）式に基づいて液体１１の流出体積速度ＱＬ，ｏｕｔ  （ｔ）が求められる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、噴射混相流中の液体の噴射量を、気体の噴射量とは分離して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図であり、図３に示す混合室の模式図に、各種記号を書き加えた図である。
【図２】図１に示す混合室に、本発明の流量測定装置の一実施例を取り付けた状態を示す模式図である。
【図３】混合室の模式図である。
【符号の説明】
１０  混合室
１１  液体
１２  気体
１３  液体流入管
２０  レーザドプラ流速計
２１  音源
２２  圧力センサ
２３  音圧センサ
２４，２５  フィルタ
２６  演算部
【図１】
0003607364.tif 000015
【図２】
0003607364.tif 000016
【図３】
0003607364.tif 000017