JPH0429017A

JPH0429017A - 流体の流速及び流れ方向測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JPH0429017A
Application number: JP2136138A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kobori; 小堀　孝史
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-01-31
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JP2788329B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はガスや液体等の流体の流速及び流れ方向測定方
法及び測定装置に関する。

（従来の技術）貴１えば都市ガス供給系統に於ける供給ガス量の測定等
に用いる従来の流量計としては、羽根車式、ピトー管式
、差圧式、容積式等の各種の流量計があり、測定可能な
流速範囲や、測定精度、応答性等に於いて、夫々長所、
短所を有している。

（発明が解決しようとする課題）上記の従来の流量計は、測定対象の流体供給管に予め設
置して置かなければならず、必要に応じて流体供給管に
流れる流体の流量または流速を適所に於いて活管で測定
することはできないという課題がある。また、例えば都
市ガス供給系統では、供給管内の水分量の分布を調査し
て差水個所を推定する場合等のように、ガスの流れ方向
を測定することが必要な場合があり、前記流量または流
速の測定と共に流れの方向を測定可能な測定装置が望ま
れている。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、即ち、
上述した従来の課題を解決して、流体の流速と流れ方向
を同時に、活管で測定可能な測定方法及び測定装置を提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）上述の課題を解決するための手段を実施例に対応する図
面を参照して説明すると、まず本発明の流体の流速及び
流れ方向測定方法は、夫々熱線式流速センサの構成要素
を成す一対の検出用発熱体２ａ、　２ｂを、測定対象の
流体供給管１２の軸方向に所定距離隔てて設置すると共
にそれらの間に遮蔽部材３を設置し、これらの一対の検
出用発熱体２ａ。

２ｂに対応する熱線式流速センサの出力信号を比較して
流体の流れ方向を検出すると共に、上流側の検出用発熱
体２ａ、　２ｂに対応する熱線式流速センサの出力信号
により流体の流速を測定するするものである。

上記の構成に於いて、熱線式流速センサは、センサ器体
ｌの一端から所定距離隔てた位置に一対の検出用発熱体
２ａ、　２ｂを間隔をおいて設置し、これらの間に遮蔽
部材３を設置すると共に、前記検出用発熱体２ａ、　２
ｂよりも前記センサ器体１の一端寄りに温度補償用抵抗
体４ａ、　４ｂを設置し、夫々の検出用発熱体２ａ、　
２ｂと温度補償用抵抗体４ａ、　４ｂをブリッジに組む
と共に、夫々のブリッジ回路の不平衡を零とするように
ブリッジ電圧を調節する一対のセンサ駆動回路６ａ、　
６ｂを設けて構成し、該センサ駆動回路６ａ、　６ｂに
よりブリッジ電圧を調節して、前記検出用発熱体２ａ、
　２ｂの温度を一定に保持し、この時にブリッジ回路に
流れる電流に対応するセンサ駆動回路６ａ、　６ｂの出
力信号から、流体の流速を導出する構成とすることがで
きる。

また本発明の流体の流速及び流れ方向測定装置は、セン
サ器体ｌの一端から所定距離隔てた位置に一対の検出用
発熱体２ａ、　２ｂを間隔をおいて設置し、これらの間
に遮蔽部材３を設置すると共に、前記検出用発熱体２ａ
、　２ｂよりも前記センサ器体１の一端寄りに温度補償
用抵抗体４ａ、　４ｂを設置し、夫々の検出用発熱体２
ａ、　２ｂと温度補償用抵抗体４ａ。

４ｂをブリッジに組むと共に、夫々のブリッジの不平衡
を零とするようにブリッジ電圧を調節する一対のセンサ
駆動回路６ａ、　６ｂを設けて構成した熱線式流速セン
サを設けると共に、前記センサ駆動回路６ａ、　６ｂの
出力信号を比較する比較器８と、該比較器８の出力信号
により切替動作して、出力すべき前記センサ駆動回路６
ａ、　６ｂを選択する切替スイッチ９とから成る検出回
路Ｂを設け、前記比較器８により流れ方向に対応する信
号を出力すると共に、切替スイッチ９を介して流速に対
応する信号を出力する構成としたものである。

以上の方法または装置に於いて、検出用発熱体２ａ、　
２ｂは自己加熱型半導体サーミスタで構成することがで
きる。また、遮蔽部材は板状に構成したり、棒状に構成
する等適宜である。

（作用）以上の構成に於いて、測定対象である流体供給管１２内
に設置され、流体の流れの中に置かれた一対の検出用発
熱体２ａ、　２ｂは、流速に応じて流体により熱を奪わ
れるので、夫々の熱線式流速センサは、各検出用発熱体
２ａ、　２ｂに対する流体の流速に応じた信号を発生す
る。

かかる際、流れの下流側に位置する検出用発熱体２ａ、
　２ｂに対する流体の流速は遮蔽部材３の影響で、上流
側の検出用発熱体２ａ、　２ｂに対する流速よりも遅く
なるので、夫々の熱線式流速センサの出力信号に差が生
じ、従ってこれらの出力信号を比較することにより、ど
ちらの熱線式流速センサに対応する検出用発熱体２ａ、
　２ｂが上流側にあるか、そしてこれにより流体の流れ
の方向を検出することができる。

一方、夫々の検出用発熱体２ａ、　２ｂに対する流体の
流速は遮蔽部材３に影響されて実際の値よりも遅くなり
、従って夫々の熱線式流速センサの出力信号も低下する
のであるが、上流側の熱線式流速センサに関しては、こ
のように信号の出力は低下するものの、流速と出力の対
応関係の関数系は変化しないので、その対応関係により
流体の流速を正確に導出することができ、従って上記の
ようにして上流側の検出を行うと共に、この上流側の熱
線式流速センサの出力信号により、流体の流速を正確に
導出することができる。そして、この流速と流体供給管
】２の径とから流量を検出することができる。

以上の熱線式流速センサを構成する検出用発熱体２ａ、
　２ｂは、自己加熱型半導体サーミスタで構成すること
により、熱線式流速センサの構成の小型化を図ることが
できる。即ち、この自己加熱型半導体サーミスタを検出
用発熱体２ａ、　２ｂとして用いた熱線式流速センサは
、検出用発熱体２ａ、　２ｂを、遮蔽部材３に影響され
ない流体供給管１２内の位置に設置した温度補償用抵抗
体４ａ、　４ｂとブリッジに組み、このブリッジの不平
衡を零とするようにブリッジ電圧を調節して、前記検出
用発熱体２ａ。

２ｂの温度を一定に保持し、この時にブリッジ回路に流
れる電流に対応する信号から、前記検出用発熱体２ａ、
　２ｂから奪われる熱量を検出し、この奪われる熱量に
対応した信号から流体の流速を検出することができる。

そして上記した流れの方向及び流速の検出は、前記セン
サ駆動回路６ａ、　６ｂの出力信号を比較する比較器８
と、該比較器８の出力信号により切替動作して、出力す
べき前記センサ駆動回路６ａ、　６ｂを選択する切替ス
イッチ９とから成る検出回路Ｂにより行うことができる
。

（実施例）次に本発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明に適用するセンサ本体Ａの一部の外観を
表した斜視図、そして第２図はセンサ本体Ａを構成する
熱線式流速センサを表した回路図である。かかる図に於
いて、符号ｌはセンサ器体であり、このセンシ器体ｌの
一端から所定距離離れた位置に一対の検出用発熱体２ａ
、　２ｂを間隔をおいて設置し、これらの間に遮蔽部材
３を設置している。これらの検出用発熱体２ａ、　２ｂ
は自己加熱型半導体サーミスタで構成している。また符
号４ａ。

４ｂは前記検出用発熱体２ａ、　２ｂの夫々に対応させ
る温度補償用抵抗体であり、これらの温度補償用抵抗体
４ａ、・４ｂは半導体サーミスタで構成し、前記検出用
発熱体２ａ、　２ｂよりも前記センサ器体１の一端寄り
に設置して、前記遮蔽部材３の影響を受けない位置に設
置している。遮蔽部材３は板状に構成しており、この板
状遮蔽部材３は保護キャップ１４の側壁１５に取り付け
ており、該保護キャップ１４をセンサ基体１の所定位置
に装着した状態に於いて前記一対の検出用発熱体２ａ、
　２ｂ間に設置状態となる構成である。尚、この保護キ
ャップ１４は、゛前記側壁１５と頂費１６によりセンサ
部を保護するもので、図中−点鎖線の矢印方向の流れに
は支障ない構成である。また前記温度補償用抵抗体４ａ
、　４ｂは前述の構成と逆に前記検出用発熱体２ａ。

２ｂよりも前記センサ器体１から離れた位置に設置する
こともでき、遮蔽部材３も、上述のように板状でなく、
棒状に構成す、ることができ、この構成の場合には棒状
遮蔽部材３はセンサ器体１から突設して所定位置に設置
状態とすることができる。

夫々の熱線式流速センサは、第２図にその一方側を示す
ように、夫々の検出用発熱体２ａ、　２ｂと温度補償用
抵抗体４ａ、　４ｂを、他の抵抗５ａ、　５ｂと共にブ
リッジに組んで構成し、このブリッジの不平衡を零とす
るようにセンサ駆動回路６ａ、　６ｂによりブリッジ電
圧を調節して、前記検出用発熱体２ａ、　２ｂの温度を
一定に保持し、この時にブリッジ回路に流れる電流に対
応する電圧を出力する構成としており、センサ駆動回路
６ａ、　６ｂは差動増幅器により構成している。

第３図はセンサ本体Ａと共に、検出回路Ｂを表したもの
であり、この検出回路Ｂは前記熱線式流速センサのセン
サ駆動回路６ａ、　６ｂの出力を夫々増幅器７ａ、　７
ｂに入力し、これらの増幅器７ａ、　７ｂの出力を比較
器８と切替スイッチ９に入力する構成としている。そし
てこの切替スイッチ９は、比較器８の比較出力により切
替動作を行って出力すべきセンサ駆動回路６ａ、　６ｂ
ｑ）選択を行う構成としている。符号ＩＯは二乗器であ
り、この二乗器１０は後述するように、流速の１／４乗
の関数となる前記センサ駆動回路６ａ、　６．ｂの出力
電圧の直線化を図るものである。また符号１１は、前記
比較器８と切替スイッチ９からの出力信号に所定の処理
を行って、流速そして流量及び流れ方向を得る処理装置
で、この処理装置１１はマイクロコンピュータを応用し
た機器とすることができる。

以上の構成に於いて本発明装置では、例えば対象とする
流体供給管１２に穿孔穴１３を形成し、ここから流体供
給管１２の内部にセンサ器体１を挿入し、そして適宜の
方法により流体が流体供給管１２から漏洩しないように
支持して、検出用発熱体２ａ、　２ｂ及び遮蔽部材３を
該流体供給管１２の軸方向に並ぶように設置することに
より、活管状態で下記の測定を行うことができる。

しかして、このように流体供給管１２内に設置され、流
体の流れの中に置かれた一対の検出用発熱体２ａ、　２
ｂは、流速に応じて流体により熱を奪われ、冷却される
ので、夫々の検出用発熱体２ａ、　２ｂに対応するセン
サ駆動回路６ａ、　６ｂは、各検出用発熱体２ａ、　２
ｂに対しての流体の流速に応じた信号を出力する。この
際の流れによる冷却の割合は、次のＫｉｎｇの式によっ
て表される。

Ｈ＝（ａ＋ｂＵ’）（Ｔ−Ｔａ）　　・−−−・−４１
）但し、Ｈ：放散熱量、Ｕ：流速、Ｔ：検出用発熱体２
ａ、　２ｂの表面温度、Ｔａ：流体（ガス）の温度であ
る。そこで、検出用発熱体２ａ、　２ｂの抵抗を８１通
じる電流をＩ、両端の電圧をＶとすると、次式が成り立
つ。

Ｈ＝ＶＲ＝Ｖ”／Ｒ・・・・・・・・・・旧・・・・・
・・・（２）従って、（１）式、（２）式よりＶ’　＝　Ｒ（ａ　＋　ｂ　Ｕ”）（Ｔ　−Ｔａ）　−
−・−・ｉ３Ｊとなり、センサ駆動回路６ａ、　６ｂの
出力電圧は流速の１／４乗の関数となる。

第４図（ａ）、（ｂ）は、流体として都市ガス（１３Ａ
）を管径５ｏφの供給管に流した場合に於いて、流量及
び流速（風速）を測定した結果を表したものであり、（
ａ）は流量の変化に対しての、流れの上流側及び下流側
の熱線式流速センサの出力電圧の変化を表し、また（ｂ
）は流速（風速）の変化に対しての、遮蔽部材３がない
場合の熱線式流速センサの出力電圧と、本発明による上
流側の熱線式流速センサの出力電圧の変化を表している
。尚、この測定では遮蔽部材３は図示のような板状の構
成としている。

第４図に示すように、流れの下流側に位置する検出用発
熱体に対応する熱線式流速センサのセンサ駆動回路の出
力電圧は上流側の熱線式流速センサの出力電圧よりも小
さく、従ってこの出力電圧を比較器８により比較するこ
とにより、どちらの熱線式流速センサの検出用発熱体２
ａ、　２ｂが上流側にあるか、そしてこれにより流体の
流れの方向を検出することができる。尚、第４図（ａ）
に示す実施例に於いては、０．６ｒｄ／ｈ程度のガスの
流量まで流れの方向を検出できることがわかる。

このように、熱線式流速センサのセンサ駆動回路６ａ、
　６ｂの出力電圧を比較器８により比較することにより
、例えば第３図の矢印で示すようにガスが流れている場
合には、センサ駆動回路６ｂの出力電圧の方が他よりも
高く、従って比較器８は検出用発熱体２ｂ側が上流側で
ある信号を出力すると共に、この比較器８の出力により
切替スイッチ９は、上流側の検出用発熱体２ｂに対応す
るセンサ駆動回路６ｂ側を選択して、その出力電圧が出
力されるように切替動作する。

第４図（ｂ）に示すように上流側の検出用発熱体２ｂに
対応する熱線式流速センサの出力電圧は、遮蔽部材３が
ない場合の出力電圧よりも低下するのであるが、流速と
出力電圧の対応関係の関数系は変化しない。従ってこの
流速と出力電圧の対応関係を予め記憶しておけば、任意
の出力電圧に対して、その流速または流量を正確に測定
することができる。

前述した通り、センサ駆動回路６ａ、　６ｂの出力電圧
は流速の１／４乗の関数となるので、これを直線化する
必要があるが、この直線化はアナログ的やデジタル的な
手段により適宜行うことができる。

例えば、実施例の場合には、センサ駆動回路６ａ。

６ｂの出力電圧を二乗器１０によりアナログ的に大まか
に直線補正して、流速の１／２乗の関数のアナログ出力
信号とした後、その出力信号を処理装置１１に於いて、
変換テーブル等によりデジタル的に補正を行って表示器
等（図示省略）に出力する構成としている。この実施例
の場合には、回路の複雑化と調整が必要であるというア
ナログ的補正の問題点と、流速の大きい領域、即ち出力
電圧の高い領域に於ける分解能が悪くなるというデジタ
ル的補正の問題点を緩和し、両者の特徴を生かすことが
できる。尚、流体供給管１２内の流体の、渦等に起因す
る不規則な速度変動による影響は、前記処理装置１１に
より所定時間毎に平均流速を算出することにより緩和し
、安定な測定を行うことができる。

（発明の効果）本発明は以上の通り、夫々熱線式流速センサの構成要素
を成す一対の検出用発熱体を、測定対象の流体供給管の
軸方向に所定距離隔てて設置すると共にそれらの間に遮
蔽部材を設置し、これらの一対の検出用発熱体に対応す
る熱線式流速センサからの信号により測定を行うので、
流体の流速、そして流量と共に、流体の流れの方向を検
出することができるという効果がある。また、本発明で
はセンサ本体を小型に構成することができ、そしてこれ
を流体供給管内に設置すれば良いので、この設置は流体
供給管に形成した穿孔穴から容易に行うことかでき、従
って都市ガス供給管等に於ける前述したガス等の流体の
流速または流量や流れの方向の測定を活管の状態で行う
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に適用するセンサ本体Ａの構成の一例を
表した説明的斜視図、第２図は熱線式流速センサの構成
例を表した回路図、第３図は本発明の測定装置の全体構
成の一例を表した系統説明図、第３図（ａ）、（ｂ）は
、流体として都市ガス（１３Ａ）を管径５０φの供給管
に流した場合に於いて、流速を測定した結果を表したも
ので、（ａ）は流量の変化に対しての、流れの上流側及
び下流側の熱線式流速センサの出力電圧の変化を表し、
また（ｂ）は流量の変化に対しての、遮蔽部材がない場
合の熱線式流速センサの出力電圧と、本発明による上流
側の熱線式流速センサの出力電圧の変化を表した説明図
である。符号ｔ・・・センサ器体、２ａ、　２ｂ・・・検出用発
熱体、３・・・遮蔽部材、４ａ、　４ｂ・・・温度補償
用抵抗体、５ａ。５ｂ・・・抵抗体、６ａ、　６ｂ・・・センサ駆動回路
、？ａ、　７ｂ・・増幅器、８・・・比較器、９・・・
切替スイッチ、１０・・・二乗器、１１・・・処理装置
、１２・・・流体供給管、１３・・・穿孔穴、１４・・
・保護キャップ、１５・・・側壁、１６・・・頂壁、Ａ
・・・センサ本体、Ｂ・・・検出回路。第１図第２図手続補正書く方式）１、事件の表示平成２年特許願第１３６１３８号２、発明の名称流体の流速及び流れ方向測定方法及び測定装置３、補正
をする者事件との関係　　特許出願人住所　東京都港区海岸−丁目５番２０号名称東京瓦斯株
式会社代表者　安　西　邦　夫４、代理人　〒１０１　　置　（２９４）　７３４１〜
２平成２年８月２８日７、補正の内容明細書１８頁第１３行目の「第３図（ａ）、（ｂ）」と
いう記載を、「第４図（ａ）、（ｂ）という記載に補正
します。」

Claims

【特許請求の範囲】

（１）夫々熱線式流速センサの構成要素を成す一対の検
出用発熱体を、測定対象の流体供給管の軸方向に所定距
離隔てて設置すると共にそれらの間に遮蔽部材を設置し
、これらの一対の検出用発熱体に対応する熱線式流速セ
ンサの出力信号を比較して流体の流れ方向を検出すると
共に、上流側の検出用発熱体に対応する熱線式流速セン
サの出力信号により流体の流速を測定することを特徴と
する流体の流速及び流れ方向測定方法
（２）請求項１の熱線式流速センサは、センサ器体の一
端から所定距離隔てた位置に一対の検出用発熱体を間隔
をおいて設置し、これらの間に遮蔽部材を設置すると共
に、前記検出用発熱体よりも前記センサ器体の一端寄り
に温度補償用抵抗体を設置し、夫々の検出用発熱体と温
度補償用抵抗体をブリッジに組むと共に、夫々のブリッ
ジ回路の不平衡を零とするようにブリッジ電圧を調節す
る一対のセンサ駆動回路を設けて構成し、該センサ駆動
回路によりブリッジ電圧を調節して、前記検出用発熱体
の温度を一定に保持し、この時にブリッジ回路に流れる
電流に対応するセンサ駆動回路の出力信号から、流体の
流速を導出する構成としたことを特徴とする流体の流速
及び流れ方向測定方法
（３）センサ器体の一端から所定距離隔てた位置に一対
の検出用発熱体を間隔をおいて設置し、これらの間に遮
蔽部材を設置すると共に、前記検出用発熱体よりも前記
センサ器体の一端寄りに温度補償用抵抗体を設置し、夫
々の検出用発熱体と温度補償用抵抗体をブリッジに組む
と共に、夫々のブリッジの不平衡を零とするようにブリ
ッジ電圧を調節する一対のセンサ駆動回路を設けて構成
した熱線式流速センサを設けると共に、前記センサ駆動
回路の出力信号を比較する比較器と、該比較器の出力信
号により切替動作して、出力すべき前記センサ駆動回路
を選択する切替スイッチとから成る検出回路を設け、前
記比較器により流れ方向に対応する信号を出力すると共
に、切替スイッチを介して流速に対応する信号を出力す
る構成としたことを特徴とする流体の流速及び流れ方向
測定装置
（４）請求項１または２の検出用発熱体は自己加熱型半
導体サーミスタで構成したことを特徴とする流体の流速
及び流れ方向測定方法
（５）請求項１または２の遮蔽部材は板状に構成したこ
とを特徴とする流体の流速及び流れ方向測定方法
（６）請求項１または２の遮蔽部材は棒状に構成したこ
とを特徴とする流体の流速及び流れ方向測定方法
（７）請求項３の検出用発熱体は自己加熱型半導体サー
ミスタで構成したことを特徴とする流体の流速及び流れ
方向測定装置
（８）請求項１または２の遮蔽部材は板状に構成したこ
とを特徴とする流体の流速及び流れ方向測定装置
（９）請求項１または２の遮蔽部材は棒状に構成したこ
とを特徴とする流体の流速及び流れ方向測定装置