(57)【要約】【課題】流体の流速または流量を正確に測定する方法を提供する。【解決手段】流体が流れている中に、棒または板を位置させ、かつその棒または板の長さ方向に振動を伝播させ、前記振動が伝播する棒または板の振動の伝播方向が流体の流れ方向と同じ方向である時の伝播時間と、流体の流れ方向と逆方向である時の伝播時間の差を測定することにより流速または流量を測定するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れている中に、棒または板を位置させ、かつその棒または板の長さ方向に振動を伝播させることを特徴とする流体の流速または流量を測定する方法。
【請求項２】
前記振動が伝播する棒または板の振動の伝播方向が流体の流れ方向と同じ方向かまたは逆方向であることを特徴とする請求項１に記載の流体の流速または流量を測定する方法。
【請求項３】
前記振動が伝播する棒または板の振動の伝播方向が流体の流れ方向と同じ方向である時の伝播時間と、流体の流れ方向と逆方向である時の伝播時間の差を測定することにより流速または流量を測定することを特徴とする請求項１に記載の流体の流速または流量を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流速または流量を測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体が流れる中に棒状のセンサを挿入し流量を測定する技術についての記載は、例えば（「実用  流量測定」１９９９年、省エネルギーセンター発行、ｐ．１５１−１５３）がある。これは一般的に熱式質量流量計と呼ばれているものである。その一つとして、温度差測定法がある。温度差測定法は、ヒータと２本の温度センサで構成されている。ヒータは、一定の電力で１本の温度センサを加熱している。これを管内の気体流中に入れると、加熱されているほうの温度センサは熱を奪われて温度が下がる。このとき、両温度センサ間の温度差を測定して気体の流量を知る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記熱式質量流量計は、気体の流れが熱源から奪う熱量が「流速×密度」に依存することを測定原理とするものである。ただし、気体が熱源から奪う熱量は気体の種類によって異なるので、質量流量を知るためには、気体の熱的特性、すなわち、すくなくとも気体の種類と組成が既知でなければならない。
さらに、温度センサが極細い金属線であるので外部振動により断線する恐れがある。また、温度センサに異物が付着し正確な温度が計測できなくなる恐れもある。
【０００４】
本発明の目的は上述の問題点を解消し、高精度な流速または流量測定装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
流体が流れている中に、棒または板を位置させ、かつその棒または板の長さ方向に振動を伝播させ、前記振動が伝播する棒または板の振動の伝播方向が流体の流れ方向と同じ方向である時の伝播時間と、流体の流れ方向と逆方向である時の伝播時間の差を測定することにより流速または流量を測定するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態を示す実施例の断面図である。流管１の中に気体である流体２がある。なおここでは、流体２を気体にしたが、もちろん液体でもよい。
流管１の中に振動板３とこれを取り付けるための支柱４がある。振動板３には振動を発生させるためと、振動を検出するための圧電素子５ａ、５ｂが接合されている。
【０００７】
図２は、振動板３、支柱４および圧電素子５ａ、５ｂだけを示す斜視図である。
圧電素子５ａにパルス電圧を印加すると振動板３に図３（Ａ）に示す実線で示す横波が伝播する。図３（Ａ）は、説明を容易にするために振動板３の正面図と変位した時の中心線だけを示す。
流速または流量を測定する原理は、コリオリ力を利用するものであるから、流体に角速度を与える振動板３の振動モードが必要である。このため、振動板３の長さ方向と垂直な方向の振動変位が必要であり、ここでは横波を発生させた。また、圧電素子５ａに連続するサイン波電圧を印加しない理由は、振動板３に定在波を生じさせないためである。振動板３に定在波が生じてしまうと所望するコリオリ力による変位が得られなくなるためである。流体が流れていないときは、振動板３の振動によってもコリオリ力は生じない。そして図４に示すバースト波の電圧ａを検出する。
【０００８】
次に振動板３を囲む流体２が矢印の方向に流れているときはコリオリ力が流体に生じ、このコリオリ力により振動板３には、実線で示す横波に対し９０度位相の進んだ図３（Ａ）の点線で示す振動変位が生じる。
実線で示す横波に点線で示すコリオリ力による横波が加わって合成された横波は圧電素子５ｂに到達し、図４に示すバースト波の電圧ｂを検出する。これは流体が流れていないときの圧電素子５ａから圧電素子５ｂまでの振動板３の横波の伝播時間（Ｔ０）に比較して、流体が流れているときの圧電素子５ａから圧電素子５ｂまでの振動板３の横波の伝播時間は短くなる。この時間を（Ｔ１）とする。
【０００９】
次に圧電素子５ｂにパルス波電圧を印加すると振動板３に図３（Ｂ）に示す実線で示す横波が伝播する。振動板３を囲む流体は矢印の方向に流れているので、コリオリ力が流体に生じる。このコリオリ力により振動板３に、実線で示す横波に対し９０度位相の遅れた図３（Ｂ）の点線で示す振動変位が生じる。
【００１０】
実線で示す横波と図３（Ｂ）の点線で示すコリオリ力による横波が合成された横波は圧電素子５ａに到達し、図４に示すバースト波の電圧ｃを検出する。これは流体が流れていないときの圧電素子５ｂから圧電素子５ａまでの振動板３の横波の伝播時間（Ｔ０）に比較して、流体が流れているときの圧電素子５ｂから圧電素子５ａまでの振動板３の横波の伝播時間は長くなる。この時間を（Ｔ２）とする。
【００１１】
ここで、図３（Ａ）の点線、図３（Ｂ）の点線で示すコリオリ力による変位は図３（Ａ）、（Ｂ）の実線で示す変位に比較して非常に小さいが、説明のため点線の変位を誇張して示した。
【００１２】
時間Ｔ２と時間Ｔ１の差が質量流量に比例するので、流量を測定することができる。
【００１３】
このように流体中に振動板を挿入することにより、直接質量流量を測定できる。
一方、熱式質量流量計は同じ質量流量計であるが、流体の熱的特性が既知でなければならない。すなわち、流体の種類、組成が予め既知でなければならない。したがって、流体の熱特性データがない場合は使用できない。一方、本発明の直接流量計は、予め流体に関するデータは必要ではないため非常に便利である。
また、振動板は構造的に強度が高いため、外部振動では破損しない。さらに振動板は間欠的に振動するので異物の付着の防止に効果的である。
【００１４】
なお、流管の直径が大きい時は、挿入する振動板の数を複数個にすれば流速分布を考慮した流量を測定できる。
【００１５】
本発明の第２の実施の形態を斜視図５に示す。これは、室内などの空気の流れを３次元で計測できる。図に示すＸ、Ｙ、Ｚ方向に棒６ａ、６ｂ、６ｃが向いている。棒６ａ、６ｂ、６ｃの一方はブッロク７ａに固定されている。棒６ａの他方の端はブッロク７ｂに固定されている。棒６ｂの他方の端はブッロク７ｃに固定されている。棒６ｃの他方の端はブッロク７ｄに固定されている。また、この構成を補強するためにブッロク７ｂとブッロク７ｃの間に棒６ｄを、ブッロク７ｃとブッロク７ｄの間に棒６ｅを、ブッロク７ｄとブッロク７ｂの間に棒６ｆを接続する。
【００１６】
棒６ａには圧電素子５ａ、５ｂが、棒６ｂには圧電素子５ｃ、５ｄが、棒６ｃには圧電素子５ｅ、５ｆが接合されている。
【００１７】
Ｘ方向の流体の流速を測定するために、先ず棒６ａの圧電素子５ａに電圧パルスを印加して、棒６ａ沿って伝播する波動を発生させる。そしてその波動を圧電素子５ｂにより検出する。圧電素子５ａに電圧パルスを印加した時間から波動を圧電素子５ｂが検出するまでの時間（Ｔ１）を測定する。
【００１８】
次に棒６ａの圧電素子５ｂに電圧パルスを印加して、棒６ａ沿って伝播する波動を発生させる。そしてその波動を圧電素子５ａにより検出する。圧電素子５ｂに電圧パルスを印加した時間から波動を圧電素子５ａが検出するまでの時間（Ｔ２）を測定する。
【００１９】
波動が振動検出手段である圧電素子５ｂおよび圧電素子５ａに伝播する時間（Ｔ１）および（Ｔ２）は、コリオリ力により波動が棒を伝わる方向により異なる値になる。
【００２０】
これら伝播時間の差（Ｔ２−Ｔ１）は、棒の周囲を移動する流体の速度と相関がある。そして、この伝播時間の差と別に用意された流速と伝播時間の差との関係を示す較正用のデータを比較することにより流速を決定する。このようにしてＸ方向の流速を測ることができる。
【００２１】
同様にして、圧電素子５ｃに電圧パルスを印加した時間から波動を圧電素子５ｄが検出するまでの時間（Ｔ３）を測定する。圧電素子５ｄに電圧パルスを印加した時間から波動を圧電素子５ｃが検出するまでの時間（Ｔ４）を測定する。そして伝播時間差（Ｔ４−Ｔ３）からＹ方向の流速を測ることができる。
【００２２】
さらに、圧電素子５ｅに電圧パルスを印加した時間から波動を圧電素子５ｆが検出するまでの時間（Ｔ５）を測定する。圧電素子５ｆに電圧パルスを印加した時間から波動を圧電素子５ｅが検出するまでの時間（Ｔ６）を測定する。そして伝播時間差（Ｔ６−Ｔ５）から、Ｚ方向の流速を測ることができる。
【００２３】
このようにして、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３次元の流速を測定できる。
【００２４】
また、斜視図５に示した棒の太さは図を描きやすくするために実際より大きく示している。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態を図６に示す。流管内の流体中の振動板３が圧電材料で構成されているものである。振動板３の材料は圧電セラミックスであるＰＺＴと一般に呼ばれているものである。振動板３には電極８ａ、８ｂが設けられている。このくし形電極８ａには、パルス電圧を印加する電源９ａと波動を検出するための検出器１０ａが設けられている。くし形電極８ａに電源９ａがスイッチ１１ａにより接続されている時には、スイッチ１１ｂにより検出器は切られ、かつくし形電極８ｂの電源９ｂはスイッチ１１ｃにより切られ、スイッチ１１ｄにより検出器１０ｂは接続される。
くし形電極８ｂの電源９ｂがスイッチ１１ｃにより接続されている時には、スイッチ１１ｄにより検出器１０ｂは切られ、かつくし形電極８ａの電源９ａはスイッチ１１ａにより切られ、スイッチ１１ｂにより検出器は接続される。
このような構成にすると振動を発生させる部品と振動を検出する部品が不要になるのでより小型化が可能になる。また、部品点数も少なくなるのでより安価に製造できる。
【００２６】
第３の実施の形態では、多結晶であるＰＺＴを用いたが、他の圧電材料としては水晶、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３などの単結晶などもある。
【００２７】
以上の実施の形態では、流体について説明したが、粉末でも流動性がある場合には本発明を適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の流速または流量を測定する方法を用いることにより、流体の種類を問わず、正確な質量流量を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の断面図である。
【図２】第１の実施の形態の振動板などの斜視図である。
【図３】振動板の振動変位示す図である。
【図４】波動の到達時間を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の斜視図である。
【図６】第３の実施の形態の斜視図である。
【符号の説明】
１    流管
２    流体
３    振動板
４    支柱
５    圧電素子
６    棒
７    ブロック
８    くし形電極
９    電源
１０  検出器
１１  スイッチ
【図１】
2004191344.tif 000003
【図２】
2004191344.tif 000004
【図３】
2004191344.tif 000005
【図４】
2004191344.tif 000006
【図５】
2004191344.tif 000007
【図６】
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