(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準容器と、測定容器と、上記二つの容器の内部に交番的体積変化を差動的に与える手段と、
上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出する手段と、
上記検出された二つの圧力変化の大きさの比から測定容器に入れた物体の体積を算出する手段と、
上記算出された体積の値の表面積誤差を測定容器が空の場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ0と、測定容器に体積既知の標準物体を入れ体積VSとした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θSと、測定容器に測定対象物体を入れ体積V3とした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ3から、
θEX＝θ3-θ0-V3/VS(θS-θ0)
により求められる超過位相進み角度θEXを、測定容器に被測定物体を入れたときの余積に乗算した値で補償する手段と
からなる音響式体積計。
【請求項２】
前記標準物体には、体積の異なる第1標準物体と第2標準物体があり、各々を前記測定容器に入れた場合の前記検出された二つの圧力変化の位相差を用いることを特徴とする請求項１記載の音響式体積計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複雑な形状の物体の体積または複雑な形状の容器の体積を音響的方法によって測定する装置で、特に、物体または容器内部の表面積による体積測定値の誤差を補償する手段を備えたことを特徴とする。
【０００２】
【従来の技術】
複雑な形状の物体の体積を測定する一つの方法として、スピーカなどの音源によって物体を入れた容器内部の空間に交番的な体積変化を与えて内部の気体を断熱的に圧縮膨張せしめ、そのときの圧力変化から容器と物体の間の空間の体積、すなわち余積、を求め、容器の体積から余積を引き去ることにより物体の体積をその形状にかかわりなく求めるという方法がある。
【０００３】
この種の測定方法として、出願人は特公平２−３３０８４号、特開平５−２２３６１６号および特開平１０−３８６５８号において、基準容器と測定容器の双方に交番的体積変化を差動的に与え、そのときに生ずるこれらの容器内の気体の圧力変化の大きさの比、すなわち音圧の大きさの比から、交番的体積変化の大きさには無関係に、かつ、容器内の気体の静圧力にも影響されないで、測定容器の中に入れた物体の体積を測定する音響式体積計を示した。出願人は、また、特開平８−２９２３２号において、エンジン燃焼室など、複雑な形状の容器の容積を、上記の音響式体積計と同じ原理により測定する装置を示した。以下、これらの発明を前願発明と称する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前願発明では容器内の気体は断熱的に変化するものとしているが、実際には、物体表面および容器内面に接した気体の薄層は、物体および容器の壁と熱の授受を行ない、部分的に等温変化する。その影響は、容器の中の空間の音響的体積をその表面積に比例して少し大きくするように作用する。すなわち、前願発明の体積計では、容器の余積はわずかに大きく測定され、したがって容器の中に入れられた物体の体積はわずかに小さく測定される。あるいは、エンジン燃焼室など容器そのものの体積は、その内部の表面積に比例してわずかに大きく測定される。そして、この誤差が精密な体積測定の障害となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の部分的に等温変化する気体の熱境界層では、また、物体および容器の壁と熱の授受が行なわれることによって、表面積に比例した大きさの音響エネルギの損失が生ずる。その結果、容器内部の音圧の位相は表面積に比例してわずかに進む。本発明では、この位相の変化を検出して、測定容器が空の場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ0と、測定容器に体積既知の標準物体を入れ体積VSとした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θSと、測定容器に測定対象物体を入れ体積V3とした場合の上記二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化の位相差θ3から、
θEX＝θ3-θ0-V3/VS(θS-θ0)
により求められる超過位相進み角度θEXを、測定容器に被測定物体を入れたときの余積に乗算した値で前記の体積測定値の表面積誤差を補償する。
【０００６】
すなわち、本発明の体積計の一形態は、基準容器と、測定容器と、これら二つの容器の内部に交番的体積変化を差動的に与えるスピーカと、これら二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出するマイクロホンと、これらマイクロホンの出力をとり込んで処理する信号処理装置等からなり、信号処理装置において、上記二つのマイクロホンの出力の振幅の比から測定容器に入れた物体の体積を算出するとともに、これら二つのマイクロホン出力の間の位相差をも測定し、算出された体積測定値をこの測定された位相差により補正するようになっている。
【０００７】
【発明の効果】
このような補正を行なうことにより、たとえば、板のように体積に対して表面積の大きな物体の体積もより精密に測定できるようになる。また、エンジン燃焼室の体積測定のように、容器自体の体積を測定する場合にも、表面積の大きさの影響を除去して、正確な体積測定ができるようになる。以下、実施例により本発明の動作原理などを説明する。
【０００８】
【第１実施例】
図１において、２は空のときの内部体積がＶ０の測定容器で、その中にＶなる体積の物体３が入れられており、２と３の間の空間の体積、すなわち余積、をＶ２とすると、物体の体積Ｖはつぎのように表わされる。
【数１】
Ｖ＝Ｖ０−Ｖ２
【０００９】
４は蓋であって、その上に内部体積Ｖ１の基準容器１がつけられている。蓋４の上面の容器１と２の間の隔壁を成す部分には連通管５がつけられていて、容器１と２の内部を連通している。またこの隔壁の部分には音源のスピーカ６もとりつけられている。７はスピーカの振動板である。スピーカ６には端子８および９を通して導線１８および１９がつながっており、これらの導線を通して信号発生器１６より正弦波駆動信号が供給され、振動板７の表裏によって測定容器２と基準容器１に交番的体積変化を差動的に与える。その結果、測定容器２および基準容器１の内部に圧力変化、すなわち音圧、を生ずる。１１は基準容器１の内部の音圧を検出するマイクロホンで、その出力は増幅器１３で増幅されて音圧信号ｅ１となり信号処理装置１５にとりこまれる。１２は測定容器２内部の音圧を検出するマイクロホンで、その出力は端子１０を通って増幅器１４に至りここで増幅されて音圧信号ｅ２となり信号処理装置１５にとり込まれる。
【００１０】
図２は信号処理装置１５の構成の一例を示すものである。音圧信号ｅ１とｅ２はそれぞれアナログディジタル変換器１５１および１５２によってディジタル量に変換され、ディジタル計算機１５０にとり込まれる。１５５は周波数逓倍器で、信号発生器１６から導線１７を通して供給される同期信号を周波数逓倍してサンプリングパルスとし、このサンプリングパルスに同期してアナログディジタル変換が行なわれる。しかし、信号処理装置１５の内部にクロックパルス発生器を設け、アナログディジタル変換は、信号発生器１６とは独立に、このクロックパルスに同期して行なうようにしてもよい。この場合には、周波数逓倍器１５５および導線１７は不要となる。なお、アナログディジタル変換の開始は、ディジタル計算機１５０から導線１５３および１５４によって送られるスタートパルスによって制御される。ディジタル計算機１５０は音圧信号ｅ１とｅ２のフーリエ変換を行なってそれぞれの振幅Ｅ１とＥ２を測定し、これらの比Ｅ１／Ｅ２から物体３の体積Ｖを算出するとともに、上記のフーリエ変換によってｅ１とｅ２の位相差θも測定し、それを用いて上記の体積測定値の表面積補正の計算を行なう。
【００１１】
以上において、連通管５は基準容器１と測定容器２の内部の静圧を平衡させるとともに、両者の中の気体の成分を均一化する働きをするが、作動気体が空気の場合には、湿度などの成分は両者の容器の間でほとんど違いがない。したがって連通管５に替えて、静圧を平衡させるためだけの毛細管を用いることもできる。また、特に容器のシールを厳重に行なわないかぎり、容器１と２の内部の静圧は、組み立てられた装置の部品の間のすき間を通じて外部の大気圧と等しくなっているのが普通であるから、連通管や毛細管は必ずしも必須なものではない。
【００１２】
ここで、まず、表面積の影響を無視して体積測定の原理を説明し、つぎに表面積の影響とその補償方法を説明する。
【００１３】
いま信号発生器１６からの信号によってスピーカ６が駆動され、その結果振動板７が押し出されて測定容器２の余積Ｖ２がΔＶＶなる微小体積だけ圧縮されると、基準容器１の内部体積Ｖ１はΔＶＶだけ膨張する。また連通管５を通して測定容器２の中にΔＶＰなる微小体積の気体が流入すると、基準容器１からはΔＶＰなる体積の気体が連通管５を通して流出する。このとき基準容器１および測定容器２の内部に生ずる圧力変化をそれぞれ−ΔＰ１、ΔＰ２とし、また
【数２】
ΔＶ＝ΔＶＶ＋ΔＶＰ
【００１４】
とおくと、気体の断熱変化の関係式よりつぎのようになる。
【数３】
ΔＰ１／Ｐ０＝γΔＶ／Ｖ１
【数４】
ΔＰ２／Ｐ０＝γΔＶ／Ｖ２
【００１５】
ここでＰ０は容器１および２内部の気体の平均的な静圧力であり、γ（ガンマ）は気体の比熱比で、空気の場合約１．４である。上記二つの式より
【数５】
ΔＰ１／ΔＰ２＝Ｖ２／Ｖ１
【００１６】
あるいは
【数６】
Ｖ２＝Ｖ１ΔＰ１／ΔＰ２
【００１７】
なる関係がえられる。式（１）と式（６）より物体の体積Ｖはつぎのように表わされる。
【数７】
Ｖ＝Ｖ０−Ｖ１ΔＰ１／ΔＰ２
【００１８】
上式において、Ｖ０とＶ１は一定値であるから、物体の体積Ｖは圧力変化の大きさの比ΔＰ１／ΔＰ２から求められることになる。
【００１９】
ディジタル計算機１５０においては、上式におけるΔＰ１／ΔＰ２に対応する量として、後述するフーリエ変換によって測定された音圧信号の振幅比Ｅ１／Ｅ２を用い、次式によって物体の体積Ｖが算出される。
【数８】
Ｖ＝Ｖ０−Ｖ１Ｅ１／Ｅ２
【００２０】
以上に説明した体積測定の原理は、スピーカ６から測定容器２の内部をみたときの音響インピーダンスの絶対値を測ることと等価である。余積Ｖ２の測定容器内部の音響インピーダンスＺ２は、測定容器の大きさが音の波長にくらべて十分小さい場合、近似的につぎのように表わされる。
【数９】
0004379759.tif 000002
【数１０】
ε＝（γ−１）Ｓ２δ／２Ｖ２
【数１１】
δ＝（２ｋ／ρωｃＰ）１／２
【００２１】
ここでｊは単位虚数、ωは音の角周波数、ｋは容器内の気体の熱伝導度、ρは気体の密度、ｃＰは気体の定圧比熱、Ｓ２は測定容器内部の全表面積である。δは熱境界層の厚さを意味するが、標準状態の空気の場合、ｆ＝ω／２π＝２５Ｈｚで、約０．５ｍｍである。
【００２２】
εは上記の熱境界層の音響インピーダンスへの影響を表わしており、いままでに説明した体積測定の原理は、この影響が小さいものとしてε＝０としたときのものである。この場合、Ｚ２の絶対値｜Ｚ２｜はつぎのようになる。
【数１２】
｜Ｚ２｜＝γＰ０／ωＶ２
【００２３】
熱境界層の影響があると、上記の値は｛（１−ε）２＋ε２｝１／２倍されるが、εは１にくらべて非常に小さいから、近似的につぎのようになる。
【数１３】
｜Ｚ２｜＝γＰ０／｛ωＶ２（１＋ε）｝
【００２４】
すなわち、熱境界層の体積測定への影響は、余積Ｖ２がεＶ２だけ大きくなることである。そして、その増加分εＶ２は、式（１０）から明らかなように、表面積Ｓ２に比例する。
【００２５】
熱境界層の影響は、一方で、音響インピーダンスＺ２にεγＰ０／ωＶ２なる実数部を生ぜしめる。その結果、測定容器内部の音圧は、熱境界層の影響がない場合にくらべて少し進むが、その角度は式（９）の音響インピーダンスの偏角の増加分に等しい。すなわち位相進み角度をα  ｒａｄとすると
【数１４】
α＝ｔａｎ−１｛ε／（１−ε）｝
【００２６】
であるが、前述したようにεは１にくらべて非常に小さいから、近似的に
【数１５】
α＝ε
【００２７】
となる。すなわち、前記の熱境界層によって生ずる余積Ｖ２の増加分εＶ２は位相進み角度αに比例する。これが本発明の補償方法の基本原理である。しかし、上記のεＶ２がそのまま体積測定値の誤差になるわけではない。
【００２８】
物体の体積Ｖを算出するための式（８）は音圧信号の振幅比Ｅ１／Ｅ２の１次式であるが、体積測定に先立つキャリブレーションにおいて、測定容器２を空にした状態、すなわちＶ＝０の状態と、測定容器２の中に既知の体積ＶＳの標準物体を入れた状態、すなわちＶ＝ＶＳとの状態における振幅比Ｅ１／Ｅ２を測定することにより、式（８）の中の定数Ｖ０とＶ１が決定される。しかしながら、測定容器２を空にして振幅比を測定するときには、すでに容器内部の表面積の影響を受けており、その影響を含めてそのときの状態をＶ＝０であるとしている。また、測定容器２の中に標準物体を入れて振幅比を測定するときには、容器２内部の表面積と、標準物体の表面積との影響を受けており、これらの影響を含めてそのときの状態をＶ＝ＶＳであるとしている。ここで、たとえば、標準物体に比べて表面積の大きい被測定物体を容器２の中に入れてその体積を測定すると、被測定物体と標準物体との表面積の差に応じて被測定物体の体積は少し小さく測定される。これが物体の表面積誤差である。したがって、この表面積誤差を補償するには、前記の位相進み角度αをそのまま用いるのではなく、容器に被測定物体を入れた時と標準物体を入れたときとのαの差、超過位相進み角度、を用いる。
【００２９】
ディジタル計算機１５０では、時間をｔで表わすこととして、音圧信号ｅ１（ｔ）とｅ２（ｔ）の波形をｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ０＋Ｔまでの間とり込んで、それらの波形とｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔとの積の積分を行なってフーリエ変換をするが、とり込んだ波形について、ｅ１（ｔ）ｓｉｎωｔの積分値をＥ１Ｓ、ｅ１（ｔ）ｃｏｓωｔの積分値をＥ１Ｃ、ｅ２（ｔ）ｓｉｎωｔの積分値をＥ２Ｓ、ｅ２（ｔ）ｃｏｓωｔの積分値をＥ２Ｃとすると、これらの値から信号ｅ１（ｔ）の振幅Ｅ１、信号ｅ２（ｔ）の振幅Ｅ２はつぎのようにして求められる。振幅Ｅ１とＥ２は前述したように、式（８）による体積の算出に使用される。
【数１６】
Ｅ１＝２（Ｅ１Ｓ２＋Ｅ１Ｃ２）１／２／Ｔ
【数１７】
Ｅ２＝２（Ｅ２Ｓ２＋Ｅ２Ｃ２）１／２／Ｔ
【００３０】
一方、位相差については、信号ｅ１（ｔ）を基準にしたときのｅ２（ｔ）の位相をθとすると、それは次式によって求められる。
【数１８】
0004379759.tif 000003
【００３１】
信号ｅ１（ｔ）とｅ２（ｔ）は、もともと、スピーカの振動板７の表裏によって差動的に与えられた体積変化によって生じた圧力変化であるから、おおよそ１８０度の位相差がある。また、その中にはマイクロホン１１と１２、および増幅器１３と１４の位相特性の差も含まれている。
【００３２】
物体の体積を測定するときには、それに先立ってキャリブレーションが行なわれるが、測定容器２を空にしてＶ＝０としたときのθをθ０、測定容器２の中に体積ＶＳの標準物体を入れてＶ＝ＶＳとしたときのθをθＳとし、また、測定容器２の中に被測定物体を入れてその体積Ｖ３測定したときのθをθ３とすると、前記の超過位相進み角度θＥＸはつぎのように表わされる。
【数１９】
0004379759.tif 000004
【００３３】
そして、測定された被測定物体の体積に加えられる補正量ΔＶ３はつぎのようになる。
【数２０】
ΔＶ３＝ＣθＥＸＶ２
【００３４】
すなわち、式（８）によって測定された被測定物体の体積をＶ３’とすると、Ｖ３’＋ΔＶ３をもって被測定物体の体積とする。ここでＣは補正定数で、その理論値は１であるが、実際には、体積計のキャリブレーションに使った体積ＶＳの第１の標準物体とは別に、それとは表面積がかなり異なり、かつ、ＶＳＳなる既知の体積を有する第２の標準物体を用意しておいてその体積を測定し、測定値に表面積誤差の補正を加えた値が正しくＶＳＳとなるようにＣの値を調整する。このようにしてＣを最適な値に設定すると、種々の表面積／体積の比を有する被測定物体の体積を正確に測れるようになる。なお、上式の中の余積Ｖ２の値は、体積測定式（８）の中の係数Ｖ０とＶ３’からＶ２＝Ｖ０−Ｖ３’として求められる。
【００３５】
【第２実施例】
図３は本発明の体積計をガソリンエンジンの燃焼室体積の測定に応用した例である。４０はエンジンのクランク室、４１はシリンダ、４２はピストンで、その上部のシリンダ内部空間４３がこの場合の被測定容器であり、空間の体積ＶＸが被測定量である。４４、４５はエンジンヘッドカバーで、その内部に弁機構等が収められている。４６は点火栓孔で通常は点火栓がとりつけられているが、体積測定の場合には、点火栓をはずして、その孔に体積計の連結管２０の先端を結合する。クランク軸を回してピストンが上死点に達したときのＶＸが燃焼室体積である。なお、ディーゼルエンジンについては、燃料噴射弁をはずしその孔に連結管２０の先端を結合することにより燃焼室体積の測定をする。
【００３６】
体積計の他の部分は図１の装置とほぼ同じである。図３において、２１は内部体積Ｖ１の基準容器、２２は補助容器で、その内部体積は、連結管２０の内部体積も含めて、ＶＡである。２１と２２は隔壁２４を介して接しているが、２４にはこれらの容器に交番的体積変化を与える手段としてスピーカ２６がつけられており、信号発生器１６から導線２９および端子２８を通して正弦波駆動信号が与えられるとスピーカの振動板２７が振動し、容器２１と２２に差動的に交番的体積変化が与えられる。隔壁２４には２１と２２の内部の静圧を平衡させるための毛細管２５が貫通している。また補助容器２２には、外部との間に毛細管２３が設けられているが、これはエンジンのクランクを手動で回したときに圧縮される空気を逃がす働きをする。基準容器２１には内部の圧力変化を検出する手段としてマイクロホン３１がつけられており、２１の内部の音圧は３１で検出されて音圧信号ｅ１に変換され信号処理装置１５へ入力される。同様に、補助容器２２の内部の音圧はマイクロホン３２で検出されて音圧信号ｅ２に変換され信号処理装置１５へのもう一つの入力となる。なお、３１、３２のケース内部にはマイクロホン前置増幅器が含まれている。また、信号処理装置１５としては、第１実施例と同じく、図２に示したものを使用する。
【００３７】
燃焼室の体積ＶＸは、つぎに示すように、音圧信号ｅ１とｅ２の振幅の比Ｅ１／Ｅ２の１次式として表わされる。
【数２１】
ＶＸ＝Ｖ１Ｅ１／Ｅ２−ＶＡ
【００３８】
上式における定数ＶＡとＶ１は、連結管２０の先端に内部の体積がＶＳ１の第１の標準容器をつけた状態、すなわちＶＸ＝ＶＳ１の状態と、連結管２０の先端に内部の体積がＶＳ２の第２の標準容器をつけた状態、すなわちＶＸ＝ＶＳ２の状態における振幅比Ｅ１／Ｅ２を測定することにより決定される。
【００３９】
信号ｅ１とｅ２との間の位相差θについては、連結管２０の先端に上記の第１標準容器をつけたときの位相差をθ１、連結管２０の先端に上記の第２標準容器をつけたときの位相差をθ２とし、また、連結管２０の先端を測定対象のエンジンにつないでその燃焼室の体積ＶＸを測定したときの位相差をθＸとすると、この場合の超過位相進み角度θＥＸはつぎのように表わされる。
【数２２】
0004379759.tif 000005
【００４０】
そして、式（２１）によって測定された燃焼室の体積をＶＸ’とすると、それから引き去られるべき補正量ΔＶＸはつぎのようになる。
【数２３】
ΔＶＸ＝ＣθＥＸ（ＶＡ＋ＶＸ）
【００４１】
すなわち、ＶＸ’−ΔＶＸをもって燃焼室の体積とする。ここでＣは補正定数で、その理論値は１であるが、実際には、体積計のキャリブレーションに使った第１標準容器の中に体積が正確にわかっている物体、たとえばベアリングボールなど、を入れて第１標準容器の内部の体積と表面積を変え、その体積が正しく測定されるようにＣの値を調整する。このようにしてＣを最適な値に設定すると、標準容器と実際の燃焼室との表面積の差による誤差を補償して燃焼室の体積を正確に測れるようになる。なお、上式の中の余積ＶＡは、体積測定式（２１）の中の係数であって、補助容器２２の内部空間の体積である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の体積計である。
【図２】本発明で使用される信号処理装置の一実施例である。
【図３】本発明の第２実施例のエンジン燃焼室体積計である。
【符号の説明】
１  内部体積Ｖ１の基準容器
２  空のときの内部体積がＶ０の測定容器
３  体積Ｖの物体
７  スピーカの振動板
８、９、１０  端子
１３、１４  増幅器
１７、１８、１９  導線
２０  連結管
２１  内部体積Ｖ１の基準容器
２２  内部体積ＶＡの補助容器
２３、２５  毛細管
２４  隔壁
２７  スピーカの振動板
２８  端子
２９  導線
４０  エンジンのクランク室
４１  シリンダ
４２  ピストン
４４、４５  エンジンのヘッドカバー
４６  点火栓孔
【図１】
0004379759.tif 000006
【図２】
0004379759.tif 000007
【図３】
0004379759.tif 000008