(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量測定装置であって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って梁部材を設け、
前記測定流体の流れにより、周期的に振動して電力を発生する自己励起式の発電シートを、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付け、
前記発電シートにより発生する電力の周波数を検出する周波数検出手段を、前記発電シートに接続して設け、
前記周波数検出手段により検出される電力の周波数に基づいて、前記測定流体の流速を導出する流速導出手段を設け、
前記梁部材に、前記発電シートを複数併設するとともに、前記発電シートを電気的に直列に接続し、
複数の前記発電シートは、同一形状で同一厚さに形成してある流量測定装置。
【請求項２】
前記発電シートを、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けてある請求項１に記載の流量測定装置。
【請求項３】
前記発電シートは、長手方向における一端部を前記梁部材に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材を付設してある請求項１又は２に記載の流量測定装置。
【請求項４】
前記発電シートは、前記梁部材に取り付けられる一端部となる短辺と、その一端部に対して発電シートが振動する必要長さ以上の長辺を有する短冊状である請求項１〜３のいずれか一項に記載の流量測定装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような流量測定装置としては、従来から多種多様のものがある。一例を挙げると、カルマン渦の周期的な挙動に基づいて流体の流速を検出する流速センサがあり、通常、その検出した流速を基に流体の流量を検出するカルマン流量計として知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、カルマン流量計に適用される流量測定装置は、カルマン渦の挙動により圧力差が生じる２箇所の部位の圧力を、導圧路などを介して圧力センサに導いて検出する構成を採用しており、流体の流れに即した状態で、つまり、流体中の渦の流れに沿った状態で流速を直接検出する構成ではなかった。
【０００４】
そこで、本発明者らは、流体の流れに即した状態で、その流体の流速を直接検出することのできる流量測定装置を提供する目的で、流体の流速検出のために自己励起式の発電シートを使用し、その発電シートが渦発生部により発生される渦の周期的な挙動によって、その渦に沿って振動して電力を発生するのを利用し、その電力の周波数に基づいて流体の流速を検出する流量測定装置を開発している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２０６１８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１７３１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の流量測定装置は、発電シートにカルマン渦を作用させる必要があるため、カルマン渦を形成するための障害物、溝等の渦発生部を設ける必要があり、その渦発生部により発生するカルマン渦に対して適した条件で発電シートを取り付けてはじめて、所望の出力が期待できる構造となっている。
【０００７】
そのため、発電シートのわずかな形状寸法の相違、わずかな取り付け位置のずれ等によりその出力特性が大きく異なる場合があって、流量測定装置ごとに個別に較正作業を行わなければ、正確な出力を得ることができる流量測定装置として用いることができない虞があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記実情に鑑み、簡単で組み立て容易な構成としつつ、正確な出力を、より確実に得られる流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〔構成１〕
上記目的を達成するための本発明の流量測定装置の特徴構成は、
管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量測定装置であって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って梁部材を設け、
前記測定流体の流れにより、周期的に振動して電力を発生する自己励起式の発電シートを、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付け、
前記発電シートにより発生する電力の周波数を検出する周波数検出手段を、前記発電シートに接続して設け、
前記周波数検出手段により検出される電力の周波数に基づいて、前記測定流体の流速を導出する流速導出手段を設け、
前記梁部材に、前記発電シートを複数併設するとともに、前記発電シートを電気的に直列に接続し、
複数の前記発電シートは、同一形状で同一厚さに形成してある点にある。 
【００１０】
〔作用効果１〕
上記構成によると、発電シートは、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられているから、その発電シートは管路の内周面から離間した姿勢に保持される。ここで、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材は、カルマン渦を発生させないまでも、前記梁部材に取り付けられた発電シートの周囲に測定流体の断続的な流れを生起する。そのため、測定流体の断続的な流れは、その発電シートを、旗がはためくように動かし、その発電シートを周期的に振動させることができる。つまり、自己励起式の発電シートを使用し、その発電シートが前記測定流体の流れにより、周期的に振動する周期的な挙動によって、電力を発生するのを利用し、周波数検出手段により検出される電力の周波数に基づいて流速導出手段が流体の流速を検出する。そのため、流体の流れに即した状態で、その流体の流速を直接検出することができる。
【００１１】
そのため、前記発電シートは、測定流体の流れに即して振動し、安定した出力が得られやすい。
【００１２】
したがって、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、発電シートを、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けるだけの簡単な構成でありながら、安定した出力の得られる流量測定装置を得られるようになった。
【００１４】
又、発電シートごとの振動特性の相違は、その発電シートの複数を電気的に直列に接続した状態で用いることにより、各発電シートに固有の周波数の出力が重畳するために高出力化される。そのために、複数直列接続された発電シートの振動特性は、安定した出力特性を有するものとして得られやすいことを、本発明者らは実証により明らかにした。そのため、構成を大きく複雑化することなく、正確で高い出力の得られる流量測定装置を得られる。 
【００１６】
又、各発電シートの振動特性は、あらかじめほぼ同一に規格化しておくことができる。そのため、梁部材に取り付けた複数の発電シートの振動特性（固有周波数）に大きなばらつきは生じにくくなり、より一層正確で高い出力の得られる流量測定装置を得るのに寄与することになる。 
【００１７】
なお、発電シートの出力は交流波形となるため、複数の発電シートを電気的に直列に接続した場合の各発電シートの出力の総和としての合成出力値は、各発電シートからの出力のピーク値の和になるとは限らないようにも思われるが、実際の実験結果では、合成出力値は、各発電シートの出力値の単純和に近い値として得られる。これは、各発電シートの振動が共振するような形で同期することによると考えることができる。
【００１８】
〔構成２〕
また、上記目的を達成するために、本発明の流量測定装置として、
前記発電シートを、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けてある構成とすることができる。 
【００１９】
〔作用効果２〕
上記構成によると、前記発電シートは、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けることにより、発電シートの変形、復帰に伴う振動を誘導しやすく、安定した高出力が得られやすいことを、本発明者らは実験により明らかにしている。 
【００２０】
具体的には、少なくともシート表面の一部を水平方向に沿う姿勢とすることによって、その発電シートが自重で下方に垂れようとする動きと、測定流体の流れにより発電シートが上方へ跳ね上げられる動きとが、測定流体の断続的な流れにより振動として現れる。この振動は、梁部材に片持ち姿勢で取り付ける構造に起因するものであり、梁部材に対する取り付け構造が簡便に得られやすいことから、この振動状態も規格化されやすく、取り付け構造による個体差が生じにくく、安定した出力特性を有するものとして得られやすくなる原因となっているものと考えられる。
【００２１】
また、少なくともシート表面の一部を水平方向に沿う姿勢であるから、その発電シートが自重で下方に垂れようとする動きにねじれが生じにくく、測定流体の断続的な流れにより安定した振動を生起しやすい。
【００２２】
そのため、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、発電シートを、上記適切な姿勢で取り付ける簡単な構成とするだけで、正確で高い出力の得られる流量測定装置を作成することが容易になった。
【００２３】
〔構成３〕
また、上記構成において、長手方向における一端部を前記梁部材に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材を付設することができる。 
【００２４】
〔作用効果３〕
このように、他端部におもりを設けると、前記発電シートからの出力を増強することができ、ノイズ等に対する発電シートの出力の分離特性を向上することができ、正確な出力周波数を求めるのに寄与する。 
【００２５】
〔構成４〕
また、上記構成において、前記梁部材に取り付けられる一端部となる短辺と、その一端部に対して発電シートが振動する必要長さ以上の長辺を有する短冊状とすることができる。 
【００２６】
〔作用効果４〕
このように構成すると、発電シートは一端部となる短辺を梁部材に沿わせた状態で固定することができ、作業性が高く、安定して同一特性の流量測定装置を組み立てるのに寄与する。また、前記発電シートは、その一端部に対して発電シートが振動する必要長さ以上の長辺を有するから、片持ち姿勢とされた他端部は、前記一端部を固定された状態で、幟の先に設けられた吹き流しのごとくはためき、振動する形態で梁部材に固定される。すると、その発電シートの振動は容易に検出されるとともに、十分高い電力が出力されるように構成することができる。したがって、正確で高い出力の得られる流量測定装置を作成することができる。 
【発明の効果】
【００２７】
したがって、簡単な構成で、組み立て容易で、正確な出力をより確実に得られる流量測定装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の流量測定装置の概略図
【図２】発電シートの出力特性を示すグラフ
【図３】直列接続された発電シートの出力例
【図４】別実施形態における流量測定装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の流量測定装置を説明する。なお、以下に好適な実施形態を記すが、これら実施形態はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
【００３０】
本発明の実施形態に係る流量測定装置１は、図１に示すように、たとえば、各家庭や事業所等に供給される都市ガスの配管中に通流される都市ガスの流量を測定すべく、その管路２に取り付けて設けられる。
前記流量測定装置１は、前記管路２内の測定流体３の流れ方向を横断する方向に沿って梁部材４を設け、
前記測定流体３の流れにより、周期的に振動して電力を発生する自己励起式の発電シート５の複数を、前記梁部材４に片持ち姿勢で取り付け、
前記発電シート５により発生する電力の周波数を検出する周波数検出手段６を、前記発電シート５に接続して設け、
前記周波数検出手段６により検出される電力の周波数に基づいて、前記測定流体３の流速を導出する流速導出手段７を設けてある。
【００３１】
前記梁部材４は、管路２を管径方向に水平に横断する樹脂製の棒状体からなり、管路２の周壁に両端を接着固定して設けられる。前記発電シート５は、たとえば、ポリフッ化ビニリデンに代表される強誘電性高分子からなり、より具体的には、例えば、ピエゾフィルム（（株）東京センサ製の商品名）からなり、振動することにより自己励起して高電圧の電力を発生する特性を備えている。この発電シート５は、たとえば、薄膜化により柔軟性に優れ、かつ、耐水性や耐衝撃性などを備えた複数（図中４片）の短冊状の発電シート５の一端部となる短辺が梁部材４の長手方向に沿い、かつ、発電シート５が振動する必要長さ以上の長辺が、梁部材４の下流側で、管路２に流通する測定流体３の流れ方向に沿う姿勢で、梁部材４に接着により各別に取り付けられ、その発電シート５のシート面に直交する方向での両側に、測定流体３が通流する構成となっている。
【００３２】
具体的には、内径２５ｍｍのガス供給配管に対しては、厚さ４０μｍのピエゾフィルムからなる発電シート５の場合、短辺５ｍｍ、長辺３０〜５０ｍｍの短冊状に形成され、長辺が測定流体３の流れ方向に沿う姿勢で、かつ、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢に、前記梁部材４に片持ち姿勢で取り付けられる。（図１の構成ではシート表面が測定流体３の流れ方向に沿う水平姿勢となるように取り付けられる。）
【００３３】
また、発電シート５は、電気的に直列に接続されるとともに、２本のリード線８が接続され、そのリード線８の端子８ａが、管路２外部へ取り出される状態で設けられる。また、リード線８の端子８ａには、２本のケーブル９を介して周波数検出手段６が接続されている。つまり、周波数検出手段６が、２本のリード線８とケーブル９を介して発電シート５に電気的に接続して設けられ、その周波数検出手段６が、発電シート５により発生する電力の周波数に基づいて発電シート５の振動周波数を求めるように構成され、その周波数検出手段６に対して、流速導出手段７が接続されている。
【００３４】
このような構成により、前記管路２に測定流体３を通流させると、その発電シート５が自重で下方に垂れようとする動きと、測定流体３の流れにより発電シート５が上方に跳ね上げられる動きとが、測定流体３の断続的な流れにより振動として現れる。そして、その振動に基づき、発電シート５による電力出力が得られる。
【００３５】
流速導出手段７は、予め計測された発電シート５の振動周波数と流体の流速との関係データを記憶していて、周波数検出手段６から送信される発電シート５により検出される電力の周波数に基づいて流体の流速（もしくは、さらに管径を考慮して流量）を導出するように構成されている。
【００３６】
〔実施例〕
先に示した、内径２５ｍｍのガス供給配管に対して、厚さ４０μｍ、短辺５ｍｍ、長辺３０ｍｍの短冊状のピエゾフィルムからなる発電シート５のそれぞれを、長辺が測定流体３の流れ方向に沿う姿勢で、かつ、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢に、前記梁部材４に片持ち姿勢で取り付けた流体測定装置１の出力特性を調べたところ、図２のようになった。図中Ｌ１〜Ｌ４は、４片の発電シート５それぞれの出力特性（出力周波数の風速依存性）を求めたものである。
【００３７】
すなわち、測定流体３の流速（風速）に応じて発電シート５から得られる電力の周波数が直線的に変化していることが読み取れる。また、その変化度合いは発電シート５ごとにある程度のばらつきを有するものになっているが、合成出力（発電シート５を電気的に直列に接続した場合の合成出力）は、発電シート５ごとの出力周波数が固有値に集約されるとともに、出力が重畳して高出力化されるものとなっている。また、この時の合成出力について出力の周波数依存性は、図３のようになっており、商用電源のノイズに比してきわめて高く鋭い、識別性の高い出力として得られ、出力電力の周波数に基づき、測定流体３の流速を精度よく求められることが読み取れる。
【００３８】
〔別実施形態〕
上記実施形態では、発電シート５を短冊状に形成したが、梁部材４に対して取り付けられる一端部の長さが、その一端部を梁部材４に取り付けた状態における一端部から、自由端となる他端部までの長さよりも長い方形であってもよく、寸法比率は、上述のものに限るものではない。また、方形でなくても、ペナント型でもよく、さらに立体的に屈曲した形状としてあってもよい（図４（ａ）、（ｂ）参照)。立体的に屈曲させることにより、発電シート５が電力を出力する好適な流速範囲を調整することができ、たとえば、トンボの羽状に屈曲した図４（ａ）のものでは、流速の低い測定流体３の流速を測定するのに適しており、昆虫の触覚形状に屈曲した図４（ｂ）のものでは、測定流体３の流速がある程度のレベルを超えた時に特異的に出力を発するので、異常検知時のみ出力を得たいような用途で有用であるといえる。
【００３９】
また、上記実施形態では、梁部材４を管径方向に水平に横断する姿勢に設けて、発電シート５をほぼ水平姿勢に設けたが、これに限らず、発電シート５の姿勢は任意に設定することができる。たとえば、梁部材４を管径方向に鉛直に横断する姿勢に設けて発電シート５を立て姿勢に設けた場合（図４（ｃ）参照）であっても、発電シート５の複数を直列に接続して設けてあれば、発電シート５の測定流体３による振動が微小なものとなっても十分に出力を増幅できるとともに、識別性を高くすることができるので、測定流体３の流速を正確に求めることができる。なお、短冊状の発電シート５を梁部材４に片持ち姿勢で取り付ける場合に、シート表面の一部が水平方向に沿う姿勢で、取り付けることが好ましいが、シート表面が鉛直方向に沿う姿勢で、短冊状の発電シート５の長辺側が測定流体３の流れ方向に交差する方向に取り付けてあった場合（図４（ｄ）参照、この場合、測定流体３の流れ方向にほぼ直交する垂下姿勢）でも、測定流体３の作用により、シート表面の一部が水平方向に沿う姿勢となりうる姿勢であれば同様に出力を得ることができる。本発明においては、発電シート５の一部が梁部材４に固定され、一部に対向する他端部が自由端となるこれらの姿勢を総称して、「梁部材４に片持ち姿勢で取り付け」ているものとする。
【００４０】
一方、発電シート５が、少なくともそのシート表面の一部が水平方向に沿う姿勢に、前記梁部材４に片持ち姿勢で取り付けられている場合、すなわち発電シート５の取り付け姿勢が、シート表面の一部に水平成分を有する場合、その発電シート５が自重で下方に垂れようとする動きと、測定流体３の流れにより発電シート５が平坦な形状に復帰させられる動きとが、測定流体３の断続的な流れにより振動として現れるため、少なくとも一枚の発電シート５からの出力によって、十分高い出力を得ることができ、測定流体３の流速を正確に求めることができる。
【００４１】
また、前記発電シート５の長手方向における一端部を前記梁部材４に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材５ａを付設することができる（図４（ｅ）参照）。このようにすると、発電シート５の振動特性をおもり部材５ａの重さにより調整できるので、適切な流量範囲で識別性の高い電力出力を得られるように調整することができるので有効である。具体的には、発電シート５からの出力に商用電源からの電力周波数ノイズが混入して出力の識別性が低下するような場合、おもり部材５ａを付設することにより、出力を増大させることができるので、商用電源ノイズとの識別性を向上することができる。厚さ４０μｍ、短辺１０ｍｍ、長辺６５ｍｍの短冊状のピエゾフィルムからなる発電シート５の場合、先端５ｍｍの範囲にアルミフォイルを２００μｍ厚で貼付（付設）しておくと、流速２．６ｍ／秒において得られる電力の出力がＦＦＴ変換後で約４倍となることがわかっている。
【００４２】
なお、上述の例では、測定流体３を都市ガスとして、ガスヒートポンプに流通される都市ガスの流量を測定するものとして流量測定装置１を構成し、０．５ｍ／秒〜３．０ｍ／秒の流速を測定するのに特に好適な例を示したが、測定流体３の種別、流速範囲に応じて発電シート５の出力特性を設計することができる。
【００４３】
尚、流量測定装置１の配設形態としては、直管部分における層流を検知して平均流量を求めるのみならず、曲管部分の断面視で、複数の流量測定装置１を設けることで、曲管部分における流速分布を求めるのに用いることもできる。
【００４４】
上記実施形態では、発電シート５からの出力は、直接リード線８の端子８ａから周波数検出手段６に対して取り出す形態としたが、出力増幅器を介して赤外線発光素子等に取り出し、その赤外線発光素子からの無線出力を介して、周波数検出手段６、流速導出手段７が、電力の周波数に基づいて、前記測定流体３の流速を導出する構成とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の流量測定装置は、組み立て容易で、正確な出力をより確実に得られるため、たとえば、ガス供給配管における流量測定装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１        ：流量測定装置
２        ：管路
３        ：測定流体
４        ：梁部材
５        ：発電シート
５ａ      ：おもり部材
６        ：周波数検出手段
７        ：流速導出手段
８        ：リード線
８ａ      ：端子
９        ：ケーブル
【図１】
0006406936.tif 000002
【図２】
0006406936.tif 000003
【図３】
0006406936.tif 000004
【図４】
0006406936.tif 000005