特開 2024-151901 流速計及び温度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024151901

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】流速計及び温度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/12 20060101AFI20241018BHJP

   G01K 7/22 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

G01P5/12 B

G01K7/22 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023065703

(22)【出願日】2023-04-13

(71)【出願人】

【識別番号】517031834

【氏名又は名称】株式会社クレスト

(74)【代理人】

【識別番号】110002103

【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平澤 一浩

【テーマコード（参考）】

2F056

【Ｆターム（参考）】

2F056QF02

(57)【要約】

【課題】目的は、測定の安定性、測定精度、メンテナンス性、コストの各観点で優れる流速計及び温度センサを提供することにある。
【解決手段】流速計は、流体中に設置される編組ケーブル２と、編組ケーブルの編組線を構成する複数の素線５にそれぞれ接続される複数のサーミスタ１１－１４と、複数のサーミスタそれぞれに電流を供給する駆動回路３１と、複数のサーミスタにそれぞれ対応する複数の両端電圧に基づいて複数のサーミスタにそれぞれ対応する複数の表面温度を計算する温度計算部３４と、複数の表面温度に基づいて流体の流速を演算する流速演算部３５とを具備する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体中に設置される編組ケーブルと、
前記編組ケーブルの編組線を構成する複数の素線にそれぞれ接続される複数のサーミスタと、
前記複数のサーミスタそれぞれに電流を供給する駆動回路と、
前記複数のサーミスタにそれぞれ対応する複数の両端電圧に基づいて前記複数のサーミスタにそれぞれ対応する複数の表面温度を計算する温度計算部と、
前記複数の表面温度に基づいて前記流体の流速を演算する流速演算部とを具備する流速計。

【請求項2】

前記複数のサーミスタは、前記編組ケーブルの編組線を構成する第１の素線に接続される第１のサーミスタと、前記編組ケーブルの編組線を構成する第２の素線であって、前記第１のサーミスタに対して、前記編組ケーブルの軸方向に関して同位置且つ周方向に関して１８０°ずれた位置に接続される第２のサーミスタとを有する、請求項１記載の流速計。

【請求項3】

前記温度計算部は、前記第１、第２のサーミスタにそれぞれ対応する第１、第２の両端電圧に基づいて前記第１、第２のサーミスタにそれぞれ対応する第１、第２の表面温度を計算し、
前記流速演算部は、前記第１、第２の表面温度に基づいて第１の流速を演算する、請求項２記載の流速計。

【請求項4】

前記複数のサーミスタは、前記編組ケーブルの編組線を構成する第３の素線であって、前記第１のサーミスタに対して、前記編組ケーブルの軸方向に関して同位置且つ周方向に関して９０°ずれた位置に接続される第３のサーミスタと、前記編組ケーブルの編組線を構成する第４の素線であって、前記第１のサーミスタに対して、前記編組ケーブルの軸方向に関して同位置且つ周方向に関して２７０°ずれた位置に接続される第４のサーミスタとをさらに有する、請求項３記載の流速計。

【請求項5】

前記温度計算部は、前記第３、第４のサーミスタにそれぞれ対応する第３、第４の両端電圧に基づいて前記第３、第４のサーミスタにそれぞれ対応する第３、第４の表面温度を計算し、
前記流速演算部は、前記第３、第４の表面温度に基づいて第２の流速を演算する、請求項４記載の流速計。

【請求項6】

前記流速演算部は、前記第１、第２の流速に基づいて前記流速を演算する、請求項５記載の流速計。

【請求項7】

前記流速演算部は、前記第１、第２の流速に基づいて前記流体が流れる方向を演算する請求項５記載の流速計。

【請求項8】

前記複数のサーミスタは、前記編組ケーブルの軸方向に関して同位置且つ周方向に関して９０°ずつずれた位置に接続される４つのサーミスタとを有し、
前記温度計算部は、前記４つのサーミスタにそれぞれ対応する４つの両端電圧に基づいて前記４つのサーミスタにそれぞれ対応する４つの表面温度を計算し、
前記流速演算部は、前記４つの表面温度に基づいて前記流速を演算する、請求項１記載の流速計。

【請求項9】

前記流速演算部は、前記４つの表面温度に基づいて前記流体が流れる方向を演算する請求項８記載の流速計。

【請求項10】

前記編組ケーブルの芯材としてケプラー繊維を備える請求項１記載の流速計。

【請求項11】

絶縁性のコアと、
前記コアの外周にアミ状に編み込まれる絶縁被覆された複数の素線と、
前記複数の素線の外側を覆う外皮と、
前記複数の素線に、軸方向に関して同位置であって、且つ周方向に関して分散する位置に接続される複数のサーミスタとを具備する温度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、流体の流速を測定する流速計及び温度を測定する温度センサに関する。

【背景技術】

【0002】

開水路および管路など閉水路の流体流速を計測する手段として、羽根車式、超音波ドップラー式、電磁式等様々な方式が用いられている。羽根車式は、可動部分を有する機械的な構成であるため、摩耗損失等の故障が絶えず高頻度でメンテナンスを実施する必要があったばかりか、低流速では作動が不安定になり測定安定性が良好とは言えず、さらに設置工事に非常に手間がかかり導入コストの面で不利である。

【0003】

超音波ドップラー式では、水中の濁度が高まると、超音波の減衰が大きくなり、反射波を良好にとらえることができず、測定が困難になることがある。

【0004】

電磁式は、電気伝導性流体が流れる水路に垂直に磁場を生成し、磁場の方向と流体の流れの方向とに垂直な方向に対の電極を設け、電磁誘導で電極間に生じる電圧を測定して流速を求めるものであるが、流速感度の下限値が高く、つまり低流速に対する精度が得られ難い問題があった。

【0005】

このように従来の流速計には様々な方式が開発され実用されてきたが、各方式は測定の安定性、測定精度、メンテナンス性、コストの観点で一長一短があり、新しい計測方式の実現が求められていた。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

目的は、測定の安定性、測定精度、メンテナンス性、コストの各観点で優れる流速計及び温度センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本実施形態に係る流速計は、流体中に設置される編組ケーブルと、前記編組ケーブルの編組線を構成する複数の素線にそれぞれ接続される複数のサーミスタと、前記複数のサーミスタそれぞれに電流を供給する駆動回路と、前記複数のサーミスタにそれぞれ対応する複数の両端電圧に基づいて前記複数のサーミスタにそれぞれ対応する複数の表面温度を計算する温度計算部と、前記複数の表面温度に基づいて前記流体の流速を演算する流速演算部とを具備する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る流速計の構成を示す機能ブロック図である。

【図2】図１の編組ケーブルを示す図である。

【図3】図２のＡ－Ａ断面図である。

【図4】図２の編組ケーブルの素線に接続されるサーミスタの軸方向及び周方向の位置を示す図である。

【図5】図４のサーミスタの位置を３次元上で示す図である。

【図6】図４のサーミスタに固有の温度抵抗特性を示す図である。

【図7】図４のサーミスタ周囲の流体の流れとサーミスタ直外の流速成分とを例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る流速計を説明する。
図１乃至図５に示すように、本実施形態に係る流速計は、例えば数十メートルの編組ケーブル２を有する。編組ケーブル２は、例えば河川等の流路を流れる流体として典型的には水中に垂下される。編組ケーブル２は、高い抗張力を確保するためにケプラー繊維７を芯材とする絶縁性のコア８の外周に、絶縁被覆された銅線等の素線（編組線又は編組細線ともいう）５がアミ状に編み込まれ、その外側がウレタン製の外皮６で覆われてなる。好ましくは、素線５は所定本数ずつ編組束として束ねられ平型に編み込まれる。編組ケーブル２の先端は先端防水封止キャップ３で封止され、後端には流速計の本体３０側のコネクタ（図示せず）に挿し込まれる防水形のコネクタ４が設けられる。

【0010】

編組ケーブル２には、温度変化に対して抵抗値が線形に変化する複数のサーミスタ１１乃至１４、２１乃至２４が組み込まれている。サーミスタ１１乃至１４、２１乃至２４としては温度の上昇に対して抵抗値が減少するＮＴＣ形、温度の上昇に対して抵抗値が増加するＰＴＣ形のいずれが採用されてもよい。サーミスタ１１乃至１４と、サーミスタ２１乃至２４がそれぞれ組みを構成する。

【0011】

複数の素線５の中の特定の素線（第1の素線）５には、温度変化に対して抵抗値が線形に変化するサーミスタ（第１のサーミスタ）１１が接続される。他の素線（第２の素線）には、サーミスタ（第２のサーミスタ）１２が、第１のサーミスタ１１に対して、編組ケーブル２の軸方向に関して同位置であって、且つ編組ケーブル２の周方向に関して１８０°ずれた位置に接続される。すなわち、サーミスタ１１、１２は編組ケーブル２の軸方向に関して同じ位置であって周方向に関して互いに１８０°ずれた正反対の位置に配されて、一対を構成する。なお、サーミスタ１１、１２それぞれが接続される素線５はその先端において他の素線５と結合される。

【0012】

複数の素線５の中のさらに他の素線（第３の素線）５にはサーミスタ（第３のサーミスタ）１３が接続される。このサーミスタ１３は、第１のサーミスタ１１に対して、編組ケーブル２の軸方向に関して同位置であって、且つ編組ケーブル２の周方向に関して９０°ずれた位置に配される。

【0013】

さらに他の素線（第４の素線）５にはサーミスタ（第４のサーミスタ）１４が接続される。このサーミスタ１３は、第１のサーミスタ１１に対して、編組ケーブル２の軸方向に関して同位置であって、且つ編組ケーブル２の周方向に関して２７０°ずれた位置に配される。これらサーミスタ１３、１４は編組ケーブル２の軸方向に関して同じ位置であって周方向に関して互いに１８０°ずれた正反対の位置に配されて、一対を構成する。

【0014】

これら４つのサーミスタ１１乃至１４は、編組ケーブル２の軸方向に関する位置は同じであって、周方向に関して９０°ずつずれている。

【0015】

さらに編組ケーブル２の他の４本の素線５には、４つのサーミスタ２１乃至２４が、上述の４つのサーミスタ１１乃至１４に対して、編組ケーブル２の軸方向に関して異なる位置に接続される。サーミスタ２１乃至２４は、編組ケーブル２の軸方向に関して同じ位置であって、周方向に９０°ずつずれた位置に配される。サーミスタ２１、２２は対をなし、サーミスタ２３、２４は対をなす。対をなすサーミスタ２１、２２は互いに周方向に１８０°ずれた正反対の位置に配され、対をなすサーミスタ２１、２２は周方向に互いに正反対の位置に配される。

【0016】

なお、４つで一組をなすサーミスタ１１乃至１４とサーミスタ２１乃至２４を、編組ケーブル２の軸方向に関する位置を違えながら３組以上に増やしてもよい。河川等の深度方向の流速分布をさらに高精度に把握することができる多層流速計を構成することができる。

【0017】

編組ケーブル２はコネクタ４を介して本体３０に接続される。本体３０は、サーミスタ１１乃至１４、２１乃至２４各々に定電流を流すとともにサーミスタ１１乃至１４、２１乃至２４それぞれの両端電圧を測定する駆動・測定回路３１と、制御部３２と、インタフェース部３７と、電源部３８とを備える。

【0018】

制御部３２は、温度計算部３４、流向・流速演算部３５、記憶部３６を有する。温度計算部３４は、サーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれの両端電圧と、サーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれに供給する定電流とに基づいてサーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれの抵抗値を求め、それぞれ求めた抵抗値からサーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれに固有の温度抵抗特性を用いてサーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれの表面温度に変換する。

【0019】

流向・流速演算部３５は、サーミスタ１１－１４それぞれの表面温度から、サーミスタ１１－１４が位置する深度における流体が流れる方向（流向）と、その実際の流速（実流速）Ｖtrueとを演算する。同様に、流向・流速演算部３５は、サーミスタ２１－２４それぞれの表面温度から、サーミスタ２１－２４が位置する深度における流向と、その実流速Ｖtrueとを演算する。

【0020】

これらサーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれの表面温度、サーミスタ１１－１４が位置する深度における流向及び流速、サーミスタ２１－２４が位置する深度における流向及び実流速に関するデータは、記憶部３６に記憶される。

【0021】

以下、表面温度、実流速、流向の演算方法について説明する。
周知のとおりサーミスタ１１－１４，２１－２４は温度変化に対して抵抗値が線形に変化する。従って両端電圧からサーミスタ１１－１４，２１－２４それぞれの表面温度を一義的に特定することができる。ここではまずサーミスタ１１、１２を例に説明する。サーミスタ１１に定電流Ｉ11を流し、サーミスタ１１の両端電圧Ｖ1を検出することにより、サーミスタ１１の抵抗値Ｒ11（＝Ｖ11／Ｉ11）を求めることができ、さらに図６に例示する当該サーミスタ１１に特有の温度抵抗特性に抵抗値Ｒ11を照会することによりサーミスタ１１の表面温度Ｔ11を特定することができる。

【0022】

同様に、サーミスタ１２に定電流Ｉ12を流し、サーミスタ１２の両端電圧Ｖ2を検出することにより、サーミスタ１２の抵抗値Ｒ12（＝Ｖ12／Ｉ12）を求めることができ、さらに温度抵抗特性に抵抗値Ｒ2を照会することによりサーミスタ１２の表面温度Ｔ12を特定することができる。

【0023】

次に、サーミスタ１１の表面温度Ｔ11、サーミスタ１２の表面温度Ｔ12、外部水温計で測定される水温Ｔ0、サーミスタ１１の直外の編組ケーブル２の周面上の地点（サーミスタの直外地点と略する）に流れる流体の流速をＦＶ11（m/s）、サーミスタ１２の直外地点に流れる流体の流速をＦＶ12（m/s）とすると、Ｋｉｎｇの法則により、サーミスタ１１の放散熱量Ｈ11、サーミスタ１２の放散熱量Ｈ12はそれぞれ次の式（１）、（２）で表される。なお、Ｂ，Ｃはそれぞれ熱線と流れの性質によって決まる定数である。

【0024】

Ｈ11＝（Ｂ・ＦＶ11^１／２＋Ｃ）・（Ｔ11－Ｔ0） …（１）
Ｈ12＝（Ｂ・ＦＶ12^１／２＋Ｃ）・（Ｔ12－Ｔ0） …（２）
サーミスタ１１の抵抗値Ｒ11、サーミスタ１１に流す定電流Ｉ11、サーミスタ１１の両端電圧Ｖ11から、サーミスタ１１の発熱量Ｑ11は、ジュールの第一法則に従って、次式（３）で表され、同様にサーミスタ１２の抵抗値Ｒ12、サーミスタ１２に流す定電流Ｉ12、サーミスタ１２の両端電圧Ｖ12から、サーミスタ１２の発熱量Ｑ12は次式（４）で表される。

【0025】

Ｑ11＝Ｉ11^２・Ｒ11
＝Ｉ11・Ｖ11 …（３）
Ｑ12＝Ｉ12^２・Ｒ12
＝Ｉ12・Ｖ12 …（４）
放散熱量Ｈ1と発熱量Ｑ11は平衡状態であるので、式（１）と式（３）から次式（５）が得られる。

【0026】

（Ｂ・ＦＶ11^１／２＋Ｃ）・（Ｔ11－Ｔ0）＝Ｉ11・Ｖ11 …（５）
同様に放散熱量Ｈ12と発熱量Ｑ12も平衡状態であるので、式（２）と式（４）から次式（６）が得られる。

【0027】

（Ｂ・ＦＶ12^１／２＋Ｃ）・（Ｔ12－Ｔ0）＝Ｉ12・Ｖ12 …（６）
サーミスタ１１に流す定電流Ｉ11は制御下にあるので既知であり、サーミスタ１１の両端電圧Ｖ11は検出され、またサーミスタ１１の表面温度Ｔ11は上述の通り測定されるので、式（５）から、サーミスタ１１の直外地点を流れる流体の流速ＦＶ11が演算される。

【0028】

同様に、サーミスタ１２に流す定電流Ｉ12は制御下にあり既知であり、サーミスタ１２の両端電圧ＦＶ12は検出され、またサーミスタ１２の表面温度Ｔ12は上述の通り特定されるので、式（６）から、サーミスタ１２の直外地点を流れる流体の流速ＦＶ12が演算される。

【0029】

ここで、編組ケーブル２は円柱形であり、編組ケーブル２の周囲を流体が流れる流線（図７参照）及び速度分布は流体力学上推定されることができる。上記流速ＦＶ11、ＦＶ12は編組ケーブル２の周面上の周方向に１８０°ずれた２地点それぞれの流速であるので、これら２地点の流速ＦＶ11、ＦＶ12から、サーミスタ１１，１２の直外２地点間を流れる流体の流速（流速成分）ＦＶtrue1を推定することができる。

【0030】

ここで、流体の実流速ＦＶtrueは、サーミスタ１１，１２の直外２地点を結ぶ方向の実流速成分Ｖtrue1と、当該方向に直交する、サーミスタ１３，１４の直外２地点を結ぶ方向の実流速成分Ｖtrue2とに分解できる。サーミスタ１１，１２の直外２地点の流速ＦＶ11、ＦＶ12から実流速成分Ｖtrue1を推定することができる。サーミスタ１３，１４の直外２地点の流速ＦＶ13、ＦＶ14から流速成分ＦＶtrue2を推定することができる。流速成分ＦＶtrue1と流速成分ＦＶtrue2とから三角法により実流速ＦＶtrueを計算することができる。

【0031】

サーミスタ１１，１２の直外２地点の流速ＦＶ11、ＦＶ12から実実流速成分Ｖtrue1を推定することは流体の力学的影響を受ける。実際には、実流速ＦＶtrueが異なる様々な状況下で、対象河川に編組ケーブル２を沈下し、２地点の流速ＦＶ11、ＦＶ12を、水流の方向（流方向）に対するサーミスタ１１，１２の直外２地点を結ぶ線分の角度θを変えながら繰り返し計測した。計測された実流速Ｖtrueと、流速ＦＶ11、ＦＶ12から、それらの関係式を、発明者は特定した。関係式は、次式（７）により与えられる。

【0032】

ＦＶtrue1＝Ｒ・ＦＶ(FV11,FV12) …（７）
なお、ＦＶ(FV11,FV12)はＦＶ11とＦＶ12から高値が選択される。

【0033】

流体力学的影響を表す係数Ｒは、流速ＦＶ11、ＦＶ12の組み合わせごとに求められ、流速ＦＶ11、ＦＶ12の複数の組み合わせに対して関連付けられ、記憶部３６に記憶される。ここでは、サーミスタ１１，１２の直外２地点の流速ＦＶ11、ＦＶ12を例に説明したが、編組ケーブル２に同軸方向位置であって、周方向に１８０°ずれた一対のサーミスタを対象として汎用適用できる。

【0034】

サーミスタ１１，１２に加えて、サーミスタ１３，１４が装備される。サーミスタ１３，１４は編組ケーブル２の軸方向に関してサーミスタ１１，１２と同じ位置（同じ深度）であって、サーミスタ１３，１４は互いに編組ケーブル２の周方向に１８０°ずれ、且つサーミスタ１３はサーミスタ１１に対して周方向に９０°ずれた位置に取り付けられる。つまり、サーミスタ１１－１４は編組ケーブル２の周方向に沿って９０°ずつずれた位置に取り付けられる。

【0035】

上述と同様に、サーミスタ１３，１４の直外２地点における流速ＦＶ13、ＦＶ14が演算され、これら流速ＦＶ13、ＦＶ14の組み合わせに関連付けられている流体力学的影響係数Ｒを上記式（７）に従って流速ＦＶ13、ＦＶ14に適用することにより、実流速成分ＦＶtrue2を推定することができる。

【0036】

周知のとおり、直交成分である実流速成分ＦＶtrue1、ＦＶtrue2から、流体の実流速ＦＶtrueは、次式（８）により計算される。

【0037】

ＦＶtrue＝（ＦＶtrue1^２＋ＦＶtrue2^２）^１／２ …（８）
また周知のとおり、流体の流れる方向として、サーミスタ１１，１２の直外２地点を結ぶ線分を基準として水流の方向（流方向）の角度θを、次式（９）により計算することができる。

【0038】

θ＝tan^－１（ＦＶtrue2／ＦＶtrue1） …（９）
以上のように、サーミスタ１１－１４が位置する深度における流体が流れる方向（流向）と、その実際の流速（実流速）とを求めることができる。同様にサーミスタ２１－２４が位置する深度における流体の流向と、その実流速とを求めることができる。さらに、４つ一組のサーミスタを増やすことにより、河川の鉛直方向に関する多層流速をさらに高精度に観測することができる。従って濁度や粘度等が変動しても、流速及び流向を安定して測定することができる。

【0039】

また本実施形態では温度センサを編組ケーブルにより構成しており、軸や軸受け等の機械的な可動部がないので、高い耐久性を実現できる。

【0040】

また、本実施形態では、ケプラー繊維を芯材として採用することにより高い抗張力を確保しているので、編組ケーブルの軸方向に分散配置する複数組のサーミスタ同士の軸方向の位置が変動することがなく、従って多層流速を精度よく測定することができる。

【0041】

さらに、本実施形態では、温度センサとしての編組ケーブルを下線水中に垂下没入させればよく、その設置設備を必要としないことから、導入時及びメンテナンス時のコストを低廉化することができる。

【0042】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0043】

２…編組ケーブル、３…先端防水封止キャップ、４…コネクタ、５…素線、６…外皮、７…ケプラー繊維、８…コア、１１乃至１４、２１乃至２４…サーミスタ、３０…本体、３１…駆動・測定回路、３２…制御部、３４…温度計算部、３５…流向・流速演算部、３６…記憶部、３７…インタフェース部、３８…電源部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】