(57)【要約】【課題】流体の流速を詳細に計測可能な流体計測装置等を提供する。【解決手段】流体計測装置（１０）を、流体発生器（２０）の稼働状態を示すパラメータであって、当該流体の発生状態に対応して変化するものを検出する発生器側検出部（３０）と、前記流体発生器が発生した流体を含む流体が通過する管路（２２）の途中に設けられ、当該管路内を通過する前記流体に関するパラメータであって前記流体発生器の稼働状態に対応して変化するものを検出する管路側検出部（４０）と、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれ、及び、前記流体発生器に関するパラメータの検出位置と前記管路側検出部との前記管路に沿った距離（Ｌ）に基づいて前記流体の流速を演算する演算部（５０）とを備える構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体発生器の稼働状態を示すパラメータであって、当該流体の発生状態に対応して変化するものを検出する発生器側検出部と、
前記流体発生器が発生した流体を含む流体が通過する管路の途中に設けられ、当該管路内を通過する前記流体に関するパラメータであって前記流体発生器の稼働状態に対応して変化するものを検出する管路側検出部と、
前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれ、及び、前記流体発生器に関するパラメータの検出位置と前記管路側検出部との前記管路に沿った距離に基づいて前記流体の流速を演算する演算部と
を備える流体計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体計測装置において、
前記演算部は、前記流体の流速と前記管路の断面積とに基づいて前記流体の流量を演算すること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の流体計測装置において、
前記流体に関するパラメータには、当該流体の温度、当該流体に含まれる物質の濃度、及び、前記物質により吸収・錯乱・発光された光の強度の少なくともひとつが含まれること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記流体発生器は、流体として排ガスを発生する内燃機関であり、
前記流体に関するパラメータには、当該内燃機関に備えられた吸気バルブの開閉度、排気バルブの開閉度、当該内燃機関に備えられた燃焼室内の圧力、及び、当該内燃機関に備えられたクランクシャフトのクランク角度の少なくともひとつが含まれること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記管路側検出部は、前記流体中にレーザ光を照射する照射部と、前記流体中を透過又は錯乱した前記レーザ光を受光する受光部とを備え、前記照射部が照射する照射光と前記受光部が受光する透過光との強度比に基づいて前記流体に関するパラメータを検出すること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記管路側検出部は、前記管路に沿って複数が設けられ、
前記演算部は、前記流体の流速に応じて前記複数の管路側検出部のうちのいずれかの出力を選択的に用いること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記演算部は、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化に基づく波形信号と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化に基づく波形信号とを対比することによって、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれを評価すること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記演算部は、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との相互相関を演算することによって、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれを評価すること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記流体発生器は、流体として排ガスを発生する内燃機関であり、
前記演算部は、前記管路側検出部の出力信号から得られた前記排ガスに関するパラメータの変化を信号解析した結果に基づいて前記内燃機関の回転速度を推定すること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、
前記流体発生器は、前記管路側検出部の上流において、前記管路内を通過する第１の流体に対して前記第１の流体に含まれる物質の濃度を増減させる第２の流体を供給する流体供給装置であり、
前記管路側検出部は、前記第１の流体又は前記第２の流体に関するパラメータの変化を検出すること
を特徴とする流体計測装置。
【請求項１１】
流体発生器の稼働状態を示すパラメータであって、当該流体の発生状態に対応して変化するものを検出する発生器側検出工程と、
前記流体発生器が発生した流体を含む流体が通過する管路の途中において、当該管路内を通過する前記流体に関するパラメータであって前記流体発生器の稼働状態に対応して変化するものを検出する管路側検出工程と、
前記発生器側検出工程において検出したパラメータの変化と前記管路側検出工程において検出したパラメータの変化との時間ずれ、及び、前記流体発生器に関するパラメータの検出位置と前記管路側検出部との前記管路に沿った距離に基づいて前記流体の流速を演算する演算工程と
を備える流体計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス等の流体の流速等を計測する流体計測装置及び流体計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの低燃費化、低エミッション化のためには、エンジンの１回の燃焼サイクルを詳細に解析することが重要である。このためには、エンジンから排出される排ガス（燃焼ガス）の温度や濃度等の変化を詳細に測定することが有効である。従来、レーザ光を用いて燃焼ガスの温度及び濃度を詳細に検出することが可能な計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３９４３８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、排ガスのガス濃度及び流速が分かれば、排ガスに含まれる各ガスの時間当たりの質量又はモード走行当たりの総排出量等を求めることができる。このため、エンジンの低燃費化、低エミッション化のためには、排ガスの温度、濃度の変化に加え、排ガスの流速を詳細に測定することが重要である。しかしながら、高温の排ガスの流速や流量を詳細に測定可能な方法は提示されていない。
本発明の課題は、流体の流速を詳細に計測可能な流体計測装置及び流体計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、流体発生器（２０）の稼働状態を示すパラメータであって、当該流体の発生状態に対応して変化するものを検出する発生器側検出部（３０）と、前記流体発生器が発生した流体を含む流体が通過する管路（２２）の途中に設けられ、当該管路内を通過する前記流体に関するパラメータであって前記流体発生器の稼働状態に対応して変化するものを検出する管路側検出部（４０）と、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれ、及び、前記流体発生器に関するパラメータの検出位置と前記管路側検出部との前記管路に沿った距離（Ｌ）に基づいて前記流体の流速を演算する演算部（５０）とを備える流体計測装置（１０）である。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の流体計測装置において、前記演算部（５０）は、前記流体の流速と前記管路の断面積とに基づいて前記流体の流量を演算することを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の流体計測装置において、前記流体に関するパラメータには、当該流体の温度、当該流体に含まれる物質の濃度、及び、前記物質により吸収・錯乱・発光された光の強度の少なくともひとつが含まれることを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記流体発生器は、流体として排ガスを発生する内燃機関（２０）であり、前記流体に関するパラメータには、当該内燃機関に備えられた吸気バルブの開閉度、排気バルブの開閉度、当該内燃機関に備えられた燃焼室内の圧力、及び、当該内燃機関に備えられたクランクシャフトのクランク角度の少なくともひとつが含まれることを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記管路側検出部（４０）は、前記流体中にレーザ光を照射する照射部（４１）と、前記流体中を透過又は錯乱した前記レーザ光を受光する受光部（４２）とを備え、前記照射部が照射する照射光と前記受光部が受光する透過光との強度比に基づいて前記流体に関するパラメータを検出することを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記管路側検出部は、前記管路に沿って複数（４０、１４０）が設けられ、前記演算部（５０）は、前記流体の流速に応じて前記複数の管路側検出部のうちのいずれかの出力を選択的に用いることを特徴とする流体計測装置（１１０）である。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記演算部（５０）は、前記発生器側検出部（３０）が検出したパラメータの変化に基づく波形信号と前記管路側検出部（４０）が検出したパラメータの変化に基づく波形信号とを対比することによって、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれ（ΔＴ）を評価することを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記演算部（５０）は、前記発生器側検出部（２０）が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部（４０）が検出したパラメータの変化との相互相関を演算することによって、前記発生器側検出部が検出したパラメータの変化と前記管路側検出部が検出したパラメータの変化との時間ずれを評価することを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項９の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記流体発生器は、流体として排ガスを発生する内燃機関（２０）であり、前記演算部（５０）は、前記管路側検出部（４０）の出力信号から得られた前記排ガスに関するパラメータの変化を信号解析した結果に基づいて前記内燃機関の回転速度を推定することを特徴とする流体計測装置（１０）である。
請求項１０の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の流体計測装置において、前記流体発生器は、前記管路側検出部（４０）の上流において、前記管路（２２）内を通過する第１の流体に対して前記第１の流体に含まれる物質の濃度を増減させる第２の流体を供給する流体供給装置（７０）であり、前記管路側検出部（４０）は、前記第１の流体又は前記第２の流体に関するパラメータの変化を検出することを特徴とする流体計測装置（２１０）である。
請求項１１の発明は、流体発生器（２０）の稼働状態を示すパラメータであって、当該流体の発生状態に対応して変化するものを検出する発生器側検出工程と、前記流体発生器が発生した流体を含む流体が通過する管路（２２）の途中において、当該管路内を通過する前記流体に関するパラメータであって前記流体発生器の稼働状態に対応して変化するものを検出する管路側検出工程と、前記発生器側検出工程において検出したパラメータの変化と前記管路側検出工程において検出したパラメータの変化との時間ずれ、及び、前記流体発生器に関するパラメータの検出位置と前記管路側検出部との前記管路に沿った距離に基づいて前記流体の流速を演算する演算工程とを備える流体計測方法である。
なお、符号を付して説明した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本発明に係る流体計測装置及び流体計測方法は、流体発生器に関するパラメータの変化と、流体に関するパラメータの変化とを検出し、これらのパラメータの変化の時間ずれ（タイムラグ）に基づいて流速を求めるので、流体の流速を詳細に計測することができる。
（２）流体の流速と併せて流体の流量を求めることができるので便利である。
（３）管路側検出部は、レーザ光の照射光と透過光との強度比等に基づいて流体に関するパラメータを計測する高応答型のセンサなので、流体に関するパラメータの変化を詳細に測定でき、流体の流速を詳細に測定できる。また、流体が高温であってもパラメータの変化を確実に検出することができる。
（４）複数の管路側検出部を設け、発生器側検出部と管路側検出部との距離のバリエーションを増やしたので、流体の流速に関わらず流体の流速を詳細に計測することができる。
（５）排ガスに関するパラメータの変化を信号解析して内燃機関の回転速度を推定するので、回転速度計としても機能することができ、便利である。
（６）第１の流体に対して第２の流体を供給するので、第１の流体自体のパラメータの変化が小さい又は無い場合であっても、確実に流体の流速を計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、流体の流速を詳細に計測可能な流体計測装置及び流体計測方法を提供するという課題を、エンジンの排気バルブの開度信号の変化と、排ガスの温度及び濃度を計測する計測セルの出力信号との間の時間ずれ、及び、排気バルブから計測セルまでの距離に基づいて、当該排ガスの流速を演算する演算部を設けることによって解決した。
【実施例】
【０００８】
（第１実施例）
以下、図面等を参照して、本発明を適用した流体計測装置及び流体計測方法の第１実施例である流速計１０及び排ガスの流速流量測定方法について説明する。本実施例の流速計１０による計測対象物は、内燃機関である４サイクルガソリンエンジン２０（以下、単にエンジン２０と称する）から排出される排ガスである。図１は、実施例の流速計１０とエンジン２０を示す図である。また、図２は、図１に示す流速計１０に備えられた計測セル４０の構造を示す図である。
【０００９】
エンジン２０は、ガソリンと空気との混合気をシリンダ内で燃焼させて駆動力を得るものである。混合気の燃焼ガスは、排気バルブ２１を介してシリンダから排ガスとして排出され、エンジン２０は、流体発生器として機能する。エンジン２０から排出される排ガスには、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２）、メタンガス（ＣＨ４）等の各種ガスが含まれている。エンジン２０から排出される排ガスは、排気マニホールド２２を介して排気管２３に導入され、排気管２３を通過して大気中に排気される。
【００１０】
エンジン２０には、排気バルブの開度を検出するバルブポジションセンサ３０（以下、バルブセンサ３０と称する）が設けられている。バルブセンサ３０としては、公知の抵抗式センサ等を使用することができる。バルブセンサ３０は、エンジン２０の燃焼サイクルに応じて変化する排気バルブの位置（ポジション）を略リアルタイムで検出して出力するものであり、流速計１０の一部を構成する内燃機関側検出部として機能する。
【００１１】
流速計１０は、バルブセンサ３０からの出力信号と排気管２３の途中に設けられた計測セル４０の出力信号、及び、排気バルブ２１と計測セル４０との距離に基づいて排ガスの流速を演算する演算部５０を備えている。なお、本実施例では、排気バルブ２１のポジション（開度）をバルブセンサ３０によって直接的に計測するが、これに限らず、エンジン制御用のＥＣＵ等から排気バルブ２１の開度信号を検出してもよい。
【００１２】
検出部である計測セル４０は、排ガス中に特有の波長のレーザ光を照射した場合に、分子の振動回転遷移等によってレーザ光が吸収される特性（レーザ吸収分光法）を利用するものであり、入射光と透過光の強度比に基づいてガス濃度を測定する。また、計測セル４０は、例えば、Ｈ２Ｏ濃度に基づいてガスの温度を測定できるようになっている。また、レーザ光の吸収係数は、排ガスの温度と排ガスの圧力に依存するため、排ガスの圧力を計測する必要があるが、排ガスの圧力は、流路内に設けた図示しない圧力センサによって計測する。以下、図１において、排気管２３（排気マニホールド２２を含む）に沿った排気バルブ２１と計測セル４０との間の距離に符号Ｌを付して説明する。
【００１３】
図２に示すように、計測セル４０は、レーザ光を照射する照射部４１と、照射部４１から照射され排ガス中を透過したレーザ光（透過光）を受光する受光部４２とを備えている。
【００１４】
照射部４１及び受光部４２の先端部は、それぞれ管状に形成され、排気管２３に設けられた孔部を介して排気管２３内に挿入されている。この管状に形成された部分にはパージガスが供給され、排ガスが流入することによって照射窓及び受光窓が汚れることを防止している。計測セル４０は、照射部４１が送光用光学系４３を介して発振タイミングの異なる複数のレーザ光を照射する。このレーザ光は、排ガス中を透過し、この透過光を受光部４２が受光用光学系４４を介して検出する。受光部４２は、受光したレーザ光を電気信号（アナログ信号）に変換する信号処理回路４５を備えており、この電気信号は、演算部５０に入力される。演算部５０は、この電気信号をＡ／Ｄ変換して波形データ（後述）を生成する。
【００１５】
エンジン２０から排出される排ガスは、エンジン２０の燃焼サイクルに対応して略一定のサイクルで温度及びガス濃度等が脈動する。本実施例の計測セル４０は、例えば、１ｍｓ以下の応答性を有しており、脈動する排ガスのガス濃度及び温度の変化を詳細に計測することができるようになっている。
【００１６】
なお、図１では、実車に搭載されたエンジン２０から排出される排ガスの流速を計測する例を示しているが、排ガスの流速の計測は、これに限らず、エンジン２０単体（エンジンベンチ試験）で行ってもよい。
【００１７】
以下、本実施例の流速計１０による流速測定手法について、試験データを参照して具体的に説明する。試験は、単気筒の４サイクルエンジンを用いて、２４００ｍｉｎ−１（２４００ｒｐｍ）、及び、３６００ｍｉｎ−１（３６００ｒｐｍ）の２つの条件で行った。
【００１８】
図３は、回転速度が２４００ｍｉｎ−１のときの計測セルの出力に基づいて生成された波形データであり、（ａ）は、４秒間計測結果、（ｂ）は、１秒間計測結果をそれぞれ示している。
【００１９】
図４は、回転速度が３６００ｍｉｎ−１のときの計測セルの出力に基づいて生成された波形データであり、（ａ）は、４秒間計測結果、（ｂ）は、０．６秒間計測結果をそれぞれ示している。
【００２０】
図３及び図４に示すように、排ガスのガス温度、ＣＯ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度、ＣＯ濃度は、それぞれ略一定の周期で脈動している。なお、これらの図では省略してあるが、ＣＨ４濃度も同様に脈動している。例えば、エンジン２０の回転速度が２４００ｍｉｎ−１のとき、ガス温度、Ｈ２Ｏ濃度は、それぞれ１秒間に２０回脈動しており（図３（ｂ）参照）、その脈動サイクルは、０．０５秒（５０ｍｓ）となる。これに対し、本実施例の計測セル４０は、１ｍｓ以下の応答速度を有しており、ガス温度、Ｈ２Ｏ濃度が１サイクル分変化する際に、約５０回以上のデータサンプリングが可能である。したがって、ガス濃度等のパラメータの変化を詳細に捉えることができる。なお、エンジンの回転速度が３６００ｍｉｎ−１のときは、脈動サイクルは、３３．３ｍｓとなるが、この場合であっても、充分にガス濃度等のパラメータの変化を詳細に捉えることができる。
【００２１】
図５は、バルブセンサ３０から出力された排気バルブ２１の開度信号と、計測セル４０によって計測した排ガス温度の変化を示す信号とを対比して示す図であり、（ａ）は、エンジンの回転速度が２４００ｍｉｎ−１のときを示し、（ｂ）は、エンジンの回転速度が３６００ｍｉｎ−１のときを示している。
【００２２】
演算部５０は、バルブセンサ３０から出力される波形データと、計測セル４０の出力に基づいて生成した波形データを対比することによって、これらの波形の時間ずれ（位相差）を求める。バルブセンサ３０から出力される波形データは、０％と１００％とを規則的に繰り返す実質的な矩形波であり、エンジン２０の燃焼サイクルに対応している。一方、前述のように、計測セル４０が計測可能なガス単体の波形データも、それぞれエンジン２０の燃焼サイクルに対応して脈動している。したがって、位相差を求める際にバルブセンサ３０の出力データと対比するデータとしては、どのガスのデータを用いてもよい。本実施例では、一例として、ガス温度のデータを用いて排ガスの流速を演算する。
【００２３】
図５（ａ）、（ｂ）の各図に示すように、ガス温度、ガス濃度を示す波形信号は、排気バルブ開度信号とは波形自体が異なるものの、排気バルブ開度信号に対して波形が立ち上がるタイミングに遅れ（位相差ΔＴ）がある。演算部５０は、これらの波形データから位相差ΔＴを評価し、この位相差ΔＴと排気バルブ２１と計測セル４０との距離Ｌとに基づいて、排ガスの速度を演算する。
【００２４】
また、本実施例の流速計１０は、予め測定しておいた排気管２３の断面積と、排ガス流速とに基づいて時間当たり流れる排ガスの体積（流量）を求めるようになっており、流量計としての機能を有している。これによって、排ガスに含まれる、例えば、ＣＯ２ガス等の時間当たりの排出質量を把握することができる。
【００２５】
なお、バルブセンサ３０の出力と計測セル４０の出力との時間ずれを評価する手法としては、上記のように信号の波形データを対比する手法に限らず、例えば、以下に示す式１に基づいて、計測信号の相互相関を解析計算する手法を用いてもよい。バルブセンサ３０からの出力信号を、ＳＡ（ｔ１）、計測セル４０からの出力信号を、ＳＢ（ｔ２）とすると、これらの相互相関を示す式１は、
ＳＢ（ｔ２−Ｔ）・ＳＡ（ｔ１）  ・・・（式１）
で表される。
【００２６】
また、本実施例の流速計は、計測セル４０の出力を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して求めたガス温度又はガス濃度のパワースペクトルに基づいて、エンジン２０の回転速度を推定することができるようになっており、エンジン回転計としての機能も有している。
【００２７】
図６〜８は、ガス温度又はガス濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（２４００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ガス温度、Ｈ２Ｏ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度のパワースペクトルとを対比して示している。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ＣＯ２濃度、ＣＯ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度のパワースペクトルとを対比して示している。図８は、ＣＨ４濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度のパワースペクトルとを対比して示している。
【００２８】
図９〜１１は、ガス温度又はガス濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（３６００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ガス温度、Ｈ２Ｏ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度のパワースペクトルとを対比して示している。図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ＣＯ２濃度、ＣＯ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度のパワースペクトルとを対比して示している。図１１は、ＣＨ４濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度のパワースペクトルとを対比して示している。
【００２９】
例えば、図６（ａ）に示すように、ガス温度のパワースペクトルのピークが出現する周波数（略２０Ｈｚ）と、エンジン２０の燃焼周期のパワースペクトルのピークが出現する周波数（略２０Ｈｚ）とは対応しており、ガス温度のパワースペクトルのピークによって、エンジンの回転速度を推定することができる。例えば、計測セル４０の出力からガス温度のピーク周波数が、略２０Ｈｚであることが分かれば、仮にエンジン回転速度のパワースペクトルが不明であっても、エンジン回転速度のピーク周波数も略２０Ｈｚであることが推定できる。４サイクルエンジンは、１燃焼サイクル当たりクランク軸が２回転するため、エンジン２０の燃焼サイクル（燃焼周期）を求めることができれば、エンジン２０の回転速度が求めることもできる。この場合、燃焼サイクルが２０Ｈｚであるので、エンジン回転速度は、毎分２４００回転（２４００ｍｉｎ−１）と推定できる。
【００３０】
また、以上の例では、ガス温度に基づいてエンジン回転速度を推定したが、これに限らず、計測セル４０が検出可能な各種ガスの濃度のパワースペクトルのピークから、同様にエンジン２０の燃焼サイクルを推定することができる。図６（ｂ）、図７（ａ）に示すように、計測セル４０の出力に基づいて得られたＨ２Ｏ濃度、ＣＯ２濃度のパワースペクトルのピークは、ガス温度と同様に、略２０Ｈｚに出現している。したがって、これらのガス濃度からもエンジン回転速度（２４００ｍｉｎ−１）を推定することができる。
【００３１】
エンジン回転速度が３６００ｍｉｎ−１の場合であっても、計測セル４０からの出力（ガス温度、ガス濃度）のパワースペクトルからエンジン回転速度を推定できることは、図９〜１１から明らかである。例えば、図９（ａ）に示すように、ガス温度のパワースペクトルのピークが略３０Ｈｚであれば、仮にエンジン回転速度のパワースペクトルが不明であっても、エンジン回転速度のピーク周波数も略３０Ｈｚであることが推定でき、エンジン回転速度が３６００ｍｉｎ−１であると推定できる。
【００３２】
なお、回転速度が２４００ｍｉｎ−１の場合、ＣＯ濃度、ＣＨ４濃度のパワースペクトルは、そのピーク周波数を特定することが困難なので、エンジンの回転速度を推定するために使用するパラメータは、予想されるエンジン回転速度に応じて適宜種類を選別するとよい。例えば、２４００ｍｉｎ−１であっても、Ｈ２Ｏ濃度、ＣＯ２濃度のパワースペクトルには、明確なピークが出現しており、エンジン回転速度を推定することが可能である。
【００３３】
以上説明した第１実施例の流速計１０及び排ガスの流速流量測定方法によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）流速計１０は、ともにエンジン２０の燃焼サイクルに対応して変化するバルブセンサ３０の出力と計測セル４０の出力とに時間ずれがあることに着目している。そして、計測セル４０には、ガス温度及びガス濃度の変化を詳細に検出することが可能な高応答のものを使用しているので、演算部５０は、これらの出力の時間ずれから直接排ガスの流速を求めることができる。したがって、排ガスの流速を詳細に計測することができる。
（２）例えば、排ガスの温度を測定するのに、排気管内に熱電対を設けることが考えられるが、この場合、排ガスの流れを阻害する可能性があり、排ガス流速の正確な測定が困難になる可能性がある。これに対し、本実施例の計測セル４０は、排ガス内にレーザを照射するタイプなので、排ガスの抵抗にならなず、正確に排ガスの流速を計測することができる。
（３）排ガスに含まれる各ガスの濃度と密度に基づいて排ガスの質量を求めることができるので、排ガスの流速から排ガスに含まれるＣＯ２等の時間当たりの排出量を質量ベースで求めることができる。
（４）排ガスの温度変化、濃度変化に基づいてエンジン２０の回転速度を推定できるので便利である。
【００３４】
（第２実施例）
次に、本発明を適用した流体計測装置の第２実施例である流速計１１０について説明する。この第２実施例において、上述した第１実施例と同様な機能を果たす部分には、同一の符号又は末尾に統一した符号を付して、重複する説明や図面を適宜省略する。
【００３５】
図１２は、第２実施例の流速計１１０とエンジン２０とを示す図である。
第１実施例の流速計１０は、排気管２３の途中に１つの計測セル４０を備えていたのに対し、第２実施例の流速計１１０は、排気管２３の途中に２つの計測セル４０、１４０を備えている。２つの計測セル４０、１４０は、排ガスの流れる方向に沿って所定の距離だけ離間して設けられている。そして、演算部５０は、バルブセンサ３０の出力と、これらの計測セル４０、１４０のうちの一方の出力、及び、排気バルブ２１から選択した計測セル（計測セル４０又は計測セル１４０）までの距離（それぞれ図１２にＬ１、Ｌ２を付して説明する）に基づいて、排ガスの流速を測定する。
【００３６】
以下、２つの計測セル４０、１４０を設けた理由について説明する。前述の第１実施例で説明したように、演算部５０は、バルブセンサ３０の出力を示す波形と計測セルの出力を示す波形とを対比して排ガスの流速を求める。ここで、例えば、排ガス流速が低速である場合には、バルブセンサ３０の出力が１サイクルしたにも関わらず、計測セル４０の出力波形が立ち上がらず、流速測定の精度が低下する可能性がある。このような不具合は、計測セル４０をエンジン２０に接近させることによって解消できるが、エンジン２０と計測セル４０とを極端に接近させると、同様に流速測定の精度が低下する可能性がある。したがって、エンジン２０と計測セル４０との距離はある程度離れていた方がよい。
【００３７】
このように、エンジン２０と計測セル４０との距離は、測定対象となる排ガスの速度によっては、離れすぎていても近すぎても流速の計測が困難になる場合がある。そこで、本第２実施例の流速計１１０は、排気管２３の途中に２つの計測セル４０、１４０を設け、エンジン２０と計測セル４０との距離に２つのバリエーションを持たせた。測定者は、予想される排ガスの速度に応じて計測セル４０、１４０のいずれかを選択することよって、排ガスの流速を的確に測定することができる。
【００３８】
以上説明した第２実施例の流速計によれば、第１実施例の流速計で得られる効果に加え、排ガスの流速に関わらず詳細に排ガスの流速を計測することができるという効果が得られる。
【００３９】
（第３実施例）
次に、本発明を適用した流体計測装置の第３実施例である流速計２１０について説明する。第１及び第２実施例の流速計がエンジンから排出される排ガスの流速、流量を計測するものであったのに対し、第３実施例の流速計２１０は、例えば、エンジンに吸入される空気の流速、流量を計測するものである。
【００４０】
図１３は、第３実施例の流速計を示す図である。
流速計２１０は、外気をエンジン（図示省略）の燃焼室に導く管路２２０（インテークマニホールド）の途中に設けられ、この管路２２０内を通過する空気の流速、流量を計測する。流速計２１０は、計測セル４０、演算部５０、及び、ガス供給装置７０等を備えている。
【００４１】
計測セル４０、演算部５０は、第１実施例の計測セル４０、演算部５０とそれぞれ同様のものであり、その説明は省略する。ガス供給装置７０は、管路２２０内であって、計測セル４０の上流側に不活性ガスであるヘリウムガスを一定周期で供給するものである。
【００４２】
ガス供給装置７０は、ヘリウムガスが充填されたボンベ７１を備えており、このボンベ７１と管路２２０とを接続する配管の途中には電磁弁７２が設けられている。ガス供給装置７０は、電磁弁７２の開閉タイミングをコントロールするバルブタイミングコントローラ７３（以下、コントローラ７３と称する）を備えており、このコントローラ７３には、一定周期信号発生器７４が発信する周期的な信号が入力される。
【００４３】
コントローラ７３は、これらの信号に応じて電磁弁７２を制御し、ヘリウムガスの空気に対する供給／非供給を一定周期で切り替える。演算部５０は、電磁弁７２から出力されるバルブの開閉信号（実質的な矩形波）を検出し、この開閉信号と計測セル４０から出力される受光信号との時間ずれ、及び、ヘリウムガスの供給口(電磁弁７２)と計測セル４０との距離Ｌとに基づいて、空気の流速を演算する。なお、本実施例では、ヘリウムガスを空気に対して一定周期で供給するが、ヘリウムガスのガス濃後が時間に応じて変化すれば、特に周期的に供給する必要はない。
【００４４】
第３実施例の流速計２１０では、管路２２０内を流れる空気に対してヘリウムガスを供給することによって、空気に含まれるＨ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２ガス等のガス濃度が相対的に低下する。そして、ヘリウムガスの供給／非供給が周期的に変化するのに応じて、空気に含まれるガス濃度の変動も周期的となる。このように、第３実施例の流速計２１０は、ヘリウムガスを変動マーカガスとして空気に供給するので、外部から導入される空気のようにパラメータ（温度及び空気に含まれるガス濃度）の変化の度合いが小さい場合やパラメータの変化が実質的に無い場合であっても、確実に流速を計測することができる。また、空気に関するパラメータの変化を示す波形データが、例えば、正弦波に近いような整った波形の場合、時間ずれを判定することが困難になる可能性があるが、ヘリウムガスを一定周期で供給することによって波形が乱れるので、容易に時間ずれを判定することができる。
【００４５】
なお、本実施例では、エンジンに供給される空気の流速、流量を計測したが、流速計２１０は、これに限らず、管路内を通過する流体であれば、エンジンに供給されるもの以外のものであっても流速等を計測でき、一般的な流速流量計として使用できる。また、本実施例では、第１実施例と同様の計測セルで空気に含まれるＣＯ２ガス等のガス濃度の変動を検出したが、これに限らず、ヘリウムガス自体の濃度変化を検出してもよい。この場合であっても、電磁バルブ７２の開閉信号、及び、計測セル４０の出力信号の時間ずれから詳細に空気の流速等を計測することができる。
【００４６】
また、図１３に示すように、計測セル４０よりも空気（流体）が流れる方向の上流側の位置に当該空気の温度を変化（加温）させるヒータ８０を設けてもよい。なお、図１３では、ヒータ８０の発熱体を管路２２０の内部に挿入して設けたが、これに限らず、管路２２０の外周面部を加温することによって空気の温度を変化させてもよい。ヒータ８０は、空気の加温、非加温を周期的に繰り返し、演算部５０は、この加温サイクルをヒータ８０から検出するとともに、計測セル４０で空気の温度変化の様子を検出し、これらの出力の時間ずれ（位相差）とヒータ８０と計測セル４０との距離に基づいて、空気の流速を演算する。この場合、空気の組成に影響を与えることなくその流速、流量を求めることができる。なお、この場合、ヘリウムガス供給装置７０を設けなくても流体（空気）の流速、流量を求めることができる。また、以上の例では、空気を加温するヒータ８０を例にとって説明したが、流体の温度を加温、減温できる熱交換器を設けてもよい。
【００４７】
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であって、これらも本発明の技術的範囲内に含まれる。
（１）実施例は、管路側検出部としてレーザ吸収分光法を利用した計測セルを用いたが、管路側検出部は、これに限らず、例えば、公知の薄膜温度センサやレーザ以外の光を用いた吸収分光法・錯乱分光法・発光分光法を使用してもよく、この薄膜温度センサの出力（排ガスの温度変化）に基づいて排ガスの流速を計測してもよい。また、実施例は、内燃機関側検出部として排気バルブの開度を検出するバルブセンサを用いたが、内燃機関側検出部は、内燃機関の燃焼サイクルに対応するパラメータを検出できればよく、例えば、シリンダ内圧の変化を検出する圧力センサや、クランクシャフトのクランク角度を検出するセンサであってもよい。
（２）実施例は、計測セルの出力に基づいて生成された波形データの位相差に基づいて流速を計測したが、これに限らず、計測セルから出力されるアナログ信号を用いて直接に流速を計測してもよい。この場合、検出の応答性が向上するので、エンジン回転速度が実施例よりも高く、排ガスの流速がより高速な場合であっても、詳細に流速を計測することができる。
（３）第２実施例は、２つの計測セルを設けたが、計測セルの数はこれに限らず、３つ以上でもよい。
（４）第３実施例では、空気に対するマーカガスとしてヘリウムガスを供給したが、供給するガスは、これに限られず、他の気体であってもよい。また、マーカとして機能する流体は、計測対象の流体に含まれるものでも含まれないものでもよい。
（５）各実施例は、排ガス、空気等の気体の流速、流量を演算したが、流体はこれに限られず、液体であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施例の流速計とエンジンとを示す図である。
【図２】図１に示す流速計に備えられた計測セルの構造を示す図である
【図３】エンジン回転速度が２４００ｍｉｎ−１のときの計測セルから出力を示すグラフである。
【図４】エンジン回転速度が３６００ｍｉｎ−１のときの計測セルから出力を示すグラフである。
【図５】排気バルブの開度信号と排ガス温度の変化を示す信号とを対比して示す図である。
【図６】ガス温度、Ｈ２Ｏ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（２４００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。
【図７】ＣＯ２濃度、ＣＯ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（２４００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。
【図８】ＣＨ４濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（２４００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。
【図９】ガス温度、Ｈ２Ｏ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（３６００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。
【図１０】ＣＯ２濃度、ＣＯ濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（３６００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。
【図１１】ＣＨ４濃度のパワースペクトルとエンジンの回転速度（３６００ｍｉｎ−１）のパワースペクトルとを対比して示す図である。
【図１２】第２実施例の流速計とエンジンとを示す図である。
【図１３】第３実施例の流速計と管路とを示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  流速計
２０  エンジン
３０  バルブセンサ
４０  計測セル
５０  演算部
【図１】
2009204586.tif 000003
【図２】
2009204586.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009204586.tif 000006
【図５】
2009204586.tif 000007
【図６】
2009204586.tif 000008
【図７】
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【図８】
2009204586.tif 000010
【図９】
2009204586.tif 000011
【図１０】
2009204586.tif 000012
【図１１】
2009204586.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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