(57)【要約】  この測定装置は、流路（１）を備える。またプローブ管（１０）を備え、このプローブ管は、第１の開口を通って流路（１）の内部に差し込まれて、そこで流速が（ｖs）である流れの作用を受け、そしてプローブ管（１０）の流れに正対する側に複数の穴（１１）を有する。これらの穴はプローブ管（１０）の内部で相互に接続されているので、プローブ管（１０）の内部では、流速に依存する全圧（ｐG、ｐ1、ｐ5）が支配する。またこの測定装置は、流路（１）に静圧開口（１４）を備える。そしてまたこの測定装置は、差圧センサ（２０）を備え、この差圧センサは、プローブ内部における全圧（ｐG、ｐ1、ｐ5）と流路（１）における静圧（ｐ0）との間の差圧（ｐS）を測定するのに適しているものである。このような測定装置において、プローブ管（１０）は少なくともその一部が、スライド可能および／または長さを調節可能なシールド（１２ａ、１２ｂ）にかこまれている。そしてこのシールドは次のように形成される。すなわち、プローブ管（２０）にそってのシールド（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）のポジションおよび／または長さに応じて、穴（１１）を１つも閉じないか、あるいは１つまたは複数個閉じるように形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路中の流速を測定する測定装置において、前記測定装置は、
−流路（１）を備え、
−プローブ管（１０）を備え、前記プローブ管は、第１の開口を通って流路（１）の内部に差し込まれて、そこで流速が（ｖs）である流れの作用を受け、そしてプローブ管（１０）の流れに正対する側に複数の穴（１１）を持ち、前記穴はプローブ管（１０）の内部で相互に接続されているので、プローブ管（１０）の内部では、流速に依存する全圧（ｐG、ｐ1、ｐ5）が支配し、
−また差圧センサ（２０）を備え、前記差圧センサは、プローブ内部における全圧（ｐG、ｐ1、ｐ5）と流路（１）における静圧（ｐ0）との間の差圧（ｐS）を測定するのに適しているものである、測定装置であって、
プローブ管（１０）は少なくともその一部が、スライド可能および／または長さを調節可能なシールド（１２ａ、１２ｂ）にかこまれ、前記シールドが形成されるに当たっては、プローブ管（２０）にそってのシールド（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）のポジションおよび／または長さに応じて、穴（１１）を１つも閉じないか、あるいは１つまたは複数個閉じるように形成されている、測定装置。
【請求項２】
前記シールドがベローズ（１２ｂ）として形成されている、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記シールドがテレスコピックチューブ（１２ａ）として形成されている、請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
前記プローブ管（１０）はその一部だけが流路（１）に差し込まれて、前記シールド（１２ａ、１２ｂ）が流路（１）の外にある穴（１１）を覆う、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記シールドが、スライド可能なチューブまたはスライド可能なレール（１２ｃ）として形成され、前記チューブまたはレールは複数の穴（１３）を備えるが、前記穴が配置されるに当たっては、シールドの第１のポジション、すなわち前記穴（１３）がプローブ管（１０）の穴（１１）とオーバラップする前記ポジションから出発して、シールドをスライドするとき、プローブ管の穴（１１）が順次１つずつシールドによって閉じられるように配置される、請求項１に記載の測定装置。
【請求項６】
流路（１）内の静圧を測定するため、前記差圧センサ（２０）が第２の開口を経由して流路に直接接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記プローブ管（１０）が第１のチャンバ（１０ａ）と第２のチャンバ（１０ｂ）とを備え、前記第１のチャンバは、穴（１１）を経由して流路に接続されて、全圧（ｐ1、ｐ2、ｐ3、ｐ4、ｐ5）の作用を受け、前記第２のチャンバは、プローブ管（１０）の末端面に設けられた開口（１４）を経由して流路に接続されて、静圧（ｐ0）の作用を受ける、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記差圧センサ（２０）をプローブ管に接続して、それにより、前記差圧センサが、プローブ管（１０）の第１のチャンバにおける全圧（ｐ1、ｐ2、ｐ3、ｐ4、ｐ5）と、第２のチャンバにおける静圧（ｐ0）との差を測定する、請求項７に記載の測定装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の測定装置を用いて、流路（１）中の流れプロフィールを測定する方法であって、プローブ管の穴（１１）すべてが開かれている基本状態から出発して、シールド（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）をスライドさせることにより、プローブ管の穴を（１１）を順次１つずつ閉じる、方法。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載の測定装置を用いて、流路（１）中の流れプロフィールを測定する方法であって、プローブ管（１０）の穴（１１）の１つだけが閉じられないでいる基本状態から出発して、シールド（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）またはプローブ管をスライドさせることにより、プローブ管の穴を（１１）を順次１つずつ開く、方法。
【請求項１１】
圧力数値の１つの測定シリーズを測定する際、差圧（ｐs）を得るための新しい測定値は、プローブ管（１０）で次の１つの穴（１１）が閉じられたとき、あるいは開かれたときに測定される、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記測定シリーズから流れプロフィールが計算される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動圧プローブを用いて流路内の流速と体積流量を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
動圧プローブ（ピトー管ともいう）は、流速を測定する際、流れ測定技術で広く用いられているセンサである。ピトー管の特殊な形態は、たとえば飛行の際に速度測定に用いられるプラントル型ピトー管である。しかし、ピトー管は、ベンチレーション技術においても、ベンチレーション流路中で流速、体積流量、または質量流量を測定する際に用いることができる。ピトー管は、取り付けが簡単な点で、そしてまた取り付け状態では圧力損失が小さい点で、すぐれているからである。
【０００３】
この種の動圧プローブの公知の構造形態の例を、図１に示す。プローブ管１０は、１つの開口を通って流路１の内部に差し込まれている。プローブ管１０の流れに正対する側には、プローブ管１０の軸にそって複数の穴１１が配置されているので、プローブ管内部では、流速ｖSに依存する全圧ｐGが支配する。プローブ管１０の内部は、差圧センサ２０の第１のポートに接続されている。差圧センサ２０の第２のポートは、流路のもう１つの開口に接続されているが、この開口には流れが直接には流入しない。したがって差圧センサ２０の第２のポートは、流路内部における静圧ｐ0に相当する圧力レベルがかかっている。差圧ｐS＝ｐG−ｐ0は動圧と呼ばれる。動圧ｐSから、下記のようにして流速ｖSを簡単に計算できる。
【数１】
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【０００４】
ここでρは、流れる媒体の密度を表す。上記の関係式は、ベルヌーイの方程式から直接得られる。
流速ｖSは通常、流路断面上にわたって一定ではない。プローブ管１０はその長軸にそって複数の穴１１を有するので、平均動圧ｐSと、そこから流路１０における平均流速ｖSとが求められる。しかし平均流速のこの種の測定は不正確であって、そのときどきの流れプロフィールを測定結果に取り込む必要がある。これまでこの問題は、動圧プローブを可能性ある流路断面それぞれに個別に適合させて、校正することによって解決している。動圧プローブが固定組付けされている場合、この解決法は問題が少ないが、ポータブルの動作チェック機器を用いる移動型の測定の場合、可能性ある流路断面それぞれに対して適合されたプローブ管が必要であるというのは、移動型の応用として実用的ではない。膨大な数のさまざまなプローブ（可能性ある流路断面それぞれに１つずつのプローブ）が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって本発明の課題は、流路中の流速を測定する測定装置として、任意の管径において流速を十分正確に測定するに適したものを示すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、請求項１に記載の測定装置によって解決される。さまざまな実施形態および発展形、ならびにこの測定装置を用いる方法を、従属請求項に記載した。
従来の技術とは異なって、本発明の場合は、流路断面上の流れプロフィールが平均流速の測定結果に影響するという問題を、動圧プローブを特別にある特定の流路断面に適合させ、校正することによって解決するのではない。そうではなく、流れプロフィールの測定も可能になるように、そして流れプロフィールの測定結果を平均流速の計算に取り入れることができるように、動圧プローブを改善することによって解決する。
【０００７】
流路中の流速を測定するための本発明による測定装置は、流路の傍らにプローブ管と差圧センサとを備え、このプローブ管は、プローブ管の長軸に平行な線にそって配置された複数の穴を有する。このプローブ管は、第１の開口を通って流路の内部に差し込まれ、その際プローブ管の穴は、流路内の流れに正対している。流れに正対するすべての穴はプローブ管内部につながり、プローブ管内部では、流速に依存する全圧（静圧＋動圧）が支配している。
【０００８】
差圧センサは、プローブ管内部に接続された第１のポートを備える。差圧センサの第２のポートは、一方の開口を経由して流路に接続されるが、その際第２のポートには流路内部の静圧がかかるようにする。したがって、この後者の開口には流路の流れが流入してはならず、その開口断面は流れの線に平行に位置しなければならない。差圧センサによって測定された差圧は、プローブ内部の動圧に正確に等しい。
【０００９】
さらにプローブ管は少なくともその一部が、スライド可能および／または長さを変更可能なシールドにかこまれている。このシールドを形成するに当たっては、プローブ管にそっての前記シールドのポジションおよび／または長さに応じて、穴を１つも閉じたり覆ったりしないか、あるいは１つまたは複数の穴を閉じたり覆ったりするように形成する。
【００１０】
プローブを流路に差し込んだ後は、平均圧力だけでなく、プローブ管にある穴と同数の個別圧力測定からなる測定シリーズ全体を測定できる。この場合流入を受ける穴の個数をさまざまに変えながら、その測定シリーズのあらゆる測定が行われる。流入を受けるべきでない穴は、この場合シールドで覆わなければならない。１つの測定でプローブの一部だけを流路に差し込むことができる。この場合シールドを配置するに当たっては、流路に位置しない穴はシールドで覆い、流路内に位置する穴が流入を受けるようにする。したがって、この場合シールドは、流路の外だけに位置する。プローブは、全体を流路に差し込むことができる。この場合は当然、シールドも少なくともその一部が流路内に配置され、シールドの長さとポジションに応じてさまざまに異なる個数の穴を覆うようにしなければならない。
【００１１】
測定シリーズで最初の差圧測定の際には、プローブ管の第１の穴だけを閉じないで置き、自由に流入可能にする。第２の差圧測定の前に、プローブ管の第２の穴（たとえばすでに開いている第１の穴に直接隣接する穴）を開放し、こうして、第２の測定の際に２つの（たとえばたがいに隣接する）穴が流入を受け、プローブ管内部の平均動圧をそれに応じて変化させる。その後いずれの測定の前にも、プローブ管のもう１つの穴、すなわちそれ以前にはシールドによって覆われていた穴を開放する（たとえばその１つ前に開放された穴に直接隣接する穴）。このプロセスを、プローブ管のすべての穴が閉じられることなく、自由に流入可能となるまで続ける。当然のことであるがこのプロセスは、逆の順序でも同様に良好に行うことができる。すなわち最初の測定では、プローブ管のすべての穴が流入を受けて、後続の測定の際には順次１つずつ穴をシールドで覆う。そして、自由に流入可能な穴、かつプローブ管内の平均圧力に寄与する穴がただ１つとなるまで、上記のプロセスを続ける。穴を覆い、あるいは開放する順序は、結果には影響しない。しかし実際的な理由から、穴は多くの場合、上記の順序に従って覆われ、あるいは開放されるものとする。
【００１２】
プローブ管の穴を次々と開きまたは閉じるとき、プローブ管内部の平均動圧の変化は、流路断面上の流れプロフィールに関する情報を含む。測定された動圧数値の列から、流れプロフィールの形状を求めることができる。
【００１３】
本発明の重要な視点は、シールドの形成である。これは長さを調節できるベローズまたはテレスコピックチューブとして形成できる。このベローズまたはテレスコピックチューブはプローブ管にかぶせられ、そのポジションおよび／または長さに応じて、プローブ管の穴を１つも覆わなかったり、あるいは１つまたは複数の穴を覆って、覆われた穴が流入を受けることをできなくしたりする。もう１つの方法は、もう１つのチューブを使用することである。このもう１つのチューブは、やはりプローブ管にかぶせられるもので、複数の穴が設けられ、これらの穴は、シールドのポジションに応じてプローブ管の穴とオーバラップし、後者の穴をポジションに依存して開放し、あるいは閉じることができる。この場合、チューブの代わりにレールを用い、このレールを流れに正対する側に配置することができる。
【００１４】
汎用的なパラメータ測定プローブとして使用できるようにするために、プローブ管における本発明の測定装置に、湿度センサや温度センサを設けることができる。
下記では、各図に示す実施例により、本発明を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の技術による動圧プローブを備える測定装置である。
【図２】シールドとしてテレスコピックチューブを備える本発明による動圧プローブである。
【図３】シールドとしてベローズを備える本発明による動圧プローブである。
【図４】本発明による動圧プローブであって、シールドとしてチューブを備えるものである。このチューブはやはり複数の穴を備え、これらの穴は、ポジションに依存してプローブ管の穴とオーバラップする。
【図５】図３と同様な本発明による動圧プローブであるが、この動圧プローブは、静圧を同時に検出するために、内部スペースを２つのチャンバに分けられている。
【図６ａ】本発明の方法によって記録された動圧の測定シリーズの線図である。この測定シリーズは、プローブ管の自由に流入可能な穴に依存する。
【図６ｂ】図６ａの測定シリーズから計算された数値の線図である。この数値は、流路断面上の流れプロフィールに比例する。  各図に記載する部品で同一のものには、同一の符号を付した。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２ａおよび２ｂは、本発明による測定装置の一部、すなわち穴１１を備えるプローブ管１０を示す。これらの穴は、流れに正対する側で、対称軸に平行な１本の線にそって配置されている。またこのプローブ管は、テレスコピックチューブ１２ａを備え、このテレスコピックチューブは、プローブ管にかぶせられて、ポジションおよび長さの調整に応じて、１つも穴を覆わなかったり、あるいは１つまたは並んで続く複数の穴を覆ったりするのに好適である。プローブ管１１は流路に差し込まれるが、その際、テレスコピックチューブ１２ａの長さの調整に応じて、差し込みの深さを変えることができる。図２ａは、引き出しポジションにあるテレスコピックチューブを示す。このポジションで、プローブ管の穴はただ１つの穴を残してほかはすべて、このテレスコピックチューブに覆われている。ただ１つの穴だけが流路に位置する。したがってプローブ管内部における全圧ｐ1の形成には、流路に１つ残った穴が寄与する。ここでテレスコピックチューブ１２ａのポジションに応じて、任意の個数の穴１１を開き、または閉じることができる。開いていて自由に流入を受けることができる穴１１だけが、全圧ｐ1、ｐ2などの形成に寄与する。図２ｂは、繰り込みポジションにあるテレスコピックチューブを示す。このポジションでテレスコピックチューブは、長さが最小となり、穴１１を１つも覆わない。その結果、すべての穴１１は流路内に位置し、自由に流入可能であって、プローブチューブ１０の内部で平均全圧ｐ5を形成するのに寄与する。全圧ｐ5という場合の添え字「５」は、測定の際にプローブ管の５つの穴１１が流入を受けたことを表す。
【００１７】
図３ａおよび３ｂは、図２ａおよび２ｂとほぼ同様であるが、テレスコピックチューブ１２ａの代わりに、ベローズ１２ｂがシールドとして用いられる。したがって、ベローズ１２ｂは、たとえばその最小長さの２０倍に伸張でき、プローブ管の穴１１のうち覆われて流れに対してシールドされる個数を調節するのに、非常によく適する。
【００１８】
図４は、シールドを備える本発明のプローブ管のもう１つの実施形態を示す。これがほかの実施形態と異なるのは、測定シリーズ実行の際はいつも、プローブ管１０の全体が流路内に差し込まれている点である。この場合−やはり流路内に位置する−シールドが、もう１つのチューブによって形成され、このチューブがプローブ管にかぶせられている。これと異なる実施形態では、上記もう１つのチューブの代わりにただ１本のレールを、プローブ管の流れと正対する側に配置することもできる。このもう１つのチューブ１２ｃまたはレールは、やはり穴１３を備える。これらの穴を形成、配置するに当たっては、このもう１つのチューブのポジションに応じて、このもう１つのチューブの穴１３すべてが、プローブ管の穴１１すべてとオーバラップし、それにより流れが自由に流入可能となるように、あるいはまたプローブ管における任意の個数の穴１１が、もう１つのチューブによって覆われるように、形成、配置する。この実施形態の場合も、このもう１つのチューブ１２ｃのポジションに応じて、プローブ管の穴１１がこのもう１つのチューブ１２ｃによって、１つも覆われなかったり、あるいは１つの穴または並んで続く複数の穴が覆われたりする。図４は、５つの穴１１を有するプローブ管に対して、もう１つのチューブ１２ｃが取る５つの異なるポジションを模式的に示す。これにより、もう１つのチューブ１２ｃのポジションに応じて、プローブ管では５つ、４つ、３つ、２つ、またはただ１つの穴１１が覆われず、流れが自由に流入可能である。それに付随してプローブ管内部に生じる全圧は、圧力ｐ5からｐ1に相当する。
【００１９】
図５は、図３に示したベローズを備えるプローブ管であるが、プローブ管内部は、この場合２つのチャンバ１５および１６を有する。穴１１すべては第１のチャンバ１５につながり、第２のチャンバ１６は、ただ１つの開口１４を経由して流路に接続されている。しかしこの開口１４を配置するに当たっては、この開口に流れが直接流入しないように、すなわちこの穴が流れの線に平行に位置するように、たとえば円筒形プローブ管の末端面に位置するように配置する。相応の流れがあれば、第１のチャンバ１５にはふたたび全圧ｐ1、ｐ2などが生じ、この全圧は、流れに依存する動圧と静圧との和として計算される。第２のチャンバ１６には、静圧ｐ0だけが生じる。なぜならば、チャンバ１６を流路に接続する穴１４を通っては、流れが流入しないからである。この配置の利点は、全圧ｐ1、ｐ2など、および静圧ｐ0を、同一のプローブ管で測定できることと、図１に示す従来の技術のような、静圧ｐ0を測定するための専用の流路開口を必要としないことである。
【００２０】
図６ａは、本発明の測定プロセスで求められる測定シリーズの経過の例を示す（縮尺に忠実ではない）。当初シールドによって完全に閉じられていた動圧プローブは、シールドまたは動圧プローブを手動でスライドさせることにより（動圧プローブをスライドすることにより、シールドもまたスライドし、および／または圧縮され、または伸張される）、ステップごとに動圧プローブの穴を順次１つずつ開放する。そして該当する穴が開放された後、動圧プローブ内部における全圧と静圧との差圧として、動圧が求められる。したがって、穴１１をｎ個持つ動圧プローブの場合、１つの測定プロセスで、個別数値ｐnがｎ個得られる。
【００２１】
この測定シリーズから、流れプロフィールの形状が容易に求められる。流れプロフィールに比例する個々のポイントの動圧数値Δｐnの列は、それぞれの時点で測定された動圧と、その時点の測定時に覆われていない穴の個数との積から、その前に測定された動圧と、その際覆われていなかった穴の個数との積を引き算することによって得られる。したがって、その測定シリーズのｎ番目の測定の際に、ｎ個の穴が流入を受けるならば、個々のポイントの動圧は下記のようにして得られる。
【００２２】
Δｐn＝ｐn・ｎ−ｐn-1・（ｎ−１）        ただしｎ＞１        （２）
プローブ管で流入を受ける穴がただ１つである最初の測定の際、個々のポイントの動圧Δｐ1は、平均動圧ｐ1に当然等しい。
Δｐ1＝ｐ1                                                   （３）
【００２３】
そうすると、個々のポイントの動圧数値Δｐnに相当する数値であって、かつ求められる局部的な流速ｖnに対する数値は、式（１）と同様にして下記の式から得られる。
【数２】
2009544021.tif 000004
【００２４】
流れプロフィールの位置分解能は、各穴の間隔に正確に相当する。このようにして求められた流れプロフィールの形状から、流路内の平均流速、あるいは体積流量または質量流量を容易に計算できる。
【図１】
2009544021.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
2009544021.tif 000011
【国際調査報告】
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2009544021.tif 000013
2009544021.tif 000014
2009544021.tif 000015